2．5 Gbps收發(fā)器中相位鎖定檢測電路的設(shè)計與仿真

摘要：相位鎖定檢測電路是鎖相環(huán)環(huán)路的關(guān)鍵電路，其性能的優(yōu)劣直接影響了整個系統(tǒng)的工作。本文描述了相位鎖定檢測電路的工作原理，根據(jù)項目實際提出一種相位鎖定檢測方案，按照全定制設(shè)計流程采用SMIC0.18μm CMOS混合信號工藝完成了電路的設(shè)計、仿真。結(jié)果表明該電路在2.5Gbps收發(fā)器電路中可以穩(wěn)定可靠地工作。

關(guān)鍵詞：相位鎖定檢測;CMOS電路;鎖相環(huán);收發(fā)器

鎖相環(huán)是高速多通道串行收發(fā)系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路，相位是否準確對齊對于系統(tǒng)性能有著重要影響。電荷泵鎖相環(huán)因其穩(wěn)定性高，捕獲范圍大，便于集成等特點而別廣泛應(yīng)用于無線通信、頻率綜合器和時鐘恢復電路中，為保證系統(tǒng)性能，鎖相環(huán)通常都集成了相位鎖定檢測電路。

相位鎖定檢測電路通常包括模擬鎖定檢測和數(shù)字鎖定檢測兩種方法，模擬檢測方法采用經(jīng)鑒頻鑒相器PFD輸出的相位誤差，產(chǎn)生脈沖信號對外部電容進行充電和放電，以指示當前相位是否鎖定，精度往往較低;數(shù)字鎖定檢測方法具有可編程性且設(shè)計易于實現(xiàn)等優(yōu)點，但相位誤差參數(shù)受鎖相環(huán)工作環(huán)境的影響較大，可能導致相位誤差超出鎖相環(huán)的最大鎖定窗口。

本文根據(jù)2.5 Gbps高速串行收發(fā)器的工作實際，設(shè)計了雙環(huán)時鐘數(shù)據(jù)恢復電路中鎖相環(huán)路的相位檢測電路，該電路模擬和數(shù)字方法，采用全定制的數(shù)字設(shè)計，電路工作精度高，可以達到時鐘周期的1/218，能夠滿足G比特級數(shù)據(jù)收發(fā)的性能要求。電路采用SMIC 0.18μm CMOS工藝實現(xiàn)并基于spectre進行仿真，結(jié)果顯示電路可以正常工作，符合預期要求。

1 鎖定檢測電路的結(jié)構(gòu)

電荷泵結(jié)構(gòu)的鎖相環(huán)南鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、低通濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)和分頻電路組成。鑒頻鑒相器比較輸入?yún)⒖紩r鐘和反饋時鐘的頻率、相位誤差，當反饋時鐘落后于參考時鐘(即正相差)時，產(chǎn)生UP信號;當反饋時鐘超前于參考時鐘時(即負相差)產(chǎn)生DOWN信號。電荷泵連接PFD和濾波器LPF，它實際是一個電壓/電流轉(zhuǎn)換器，將PFD輸出的誤差電壓電壓轉(zhuǎn)換成電流對低通濾波器進行充電、放電，通過低通濾波器轉(zhuǎn)換為壓控振蕩器的控制電壓的升高或降低，從而調(diào)整壓控振蕩器輸出時鐘相位累積的快慢，分頻電路將VCO的輸出時鐘進行分頻后送給PFD，與外部參考時鐘進行比較，以輸出頻率、相位誤差脈沖，鎖定檢測電路用于時鐘的相位對齊檢測，保證輸入到時鐘數(shù)據(jù)恢復環(huán)路的時鐘的穩(wěn)定。

在本文設(shè)計電路所應(yīng)用的環(huán)境中，鎖相環(huán)輸入的外部參考時鐘頻率為125 MHz，而分頻器的分頻比為20，那么VCO的輸出時鐘頻率為2.5 GHz，但由PLL環(huán)路送給收發(fā)器中時鐘數(shù)據(jù)恢復電路的是1.25 GHz的時鐘，因此應(yīng)將VCO的輸出信號經(jīng)過一個二分頻及相位調(diào)整電路后才可以送給收發(fā)器供時鐘數(shù)據(jù)恢復電路使用。

本文設(shè)計的相位鎖定檢測電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電路主要包括兩個可實現(xiàn)218分頻的分頻電路、18組兩輸入異或門構(gòu)成的相位比較電路、一個18輸入或非門構(gòu)成鎖定檢測電路。輸入?yún)⒖紩r鐘和反饋時鐘分別進行18級分頻，各級分頻信號對應(yīng)異或，其異或結(jié)果送給18輸入的或非門。當各級分頻時鐘對應(yīng)相同時，則異或門輸出為0，此時經(jīng)時序輸出PLL_LOCKED信號為低電平表示鎖定。

1)18級分頻電路

由于將D觸發(fā)器的輸出端取反后連接到輸入端，則輸出信號即為時鐘信號的2分頻。因此要對時鐘進行218分頻，則只需由將18個D觸發(fā)器依次級聯(lián)即可，電路如圖2所示。每個D觸發(fā)器采用主鎖存器為負鎖存器、從鎖存器為正鎖存器的主從結(jié)構(gòu)，上升沿觸發(fā)，帶有異步復位，經(jīng)過仔細地參數(shù)設(shè)計，觸發(fā)器工作頻率可以達到2.5 GHz以上，滿足電路的工作速度要求。

2)相位比較電路

相位比較電路由18組獨立的兩輸入異或門構(gòu)成，每個異或門用于比較鎖相環(huán)的參考時鐘的18個分頻輸出與由壓控振蕩器產(chǎn)生并經(jīng)20分頻后得到的時鐘的18個分頻結(jié)果，達到在時鐘周期的1/18精度上的相位對齊。為了保證電路工作的時序要求，異或門的參數(shù)也經(jīng)過仔細設(shè)計與調(diào)試，可以滿足性能要求。異或門電路如圖3所示。

3)鎖定檢測電路

鎖定檢測電路由一個18輸入的準NMOS或非電路構(gòu)成，在設(shè)計時可以增加一點考慮：這里的或非門是18輸入，而且若時鐘的第一級分頻結(jié)果就不相同，則之后各級均不相同。因此可將第一級分頻結(jié)果同時作為或非門的偏置信號，可以起到低功耗控制的作用。電路如圖4所示。

2 電路仿真

為驗證電路的功能性能是否符合要求，采用smic0.18μmCMOS工藝完成電路設(shè)計后，在cadence的spectre上進行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出當輸入時鐘和反饋時鐘同相以后，需要等待218個時鐘周期后會輸出有效鎖定信號，整體閉環(huán)仿真中控制電壓逐漸穩(wěn)定，鎖相環(huán)進入動態(tài)平衡。

3 結(jié)論

文中描述了鎖相環(huán)的關(guān)鍵電路，相位鎖定檢測電路的設(shè)計與仿真，通過分析常用的相位鎖定檢測方法，根據(jù)設(shè)計實際提出了一種全定制的數(shù)字實現(xiàn)方案，可以實現(xiàn)1/18時鐘周期的精度檢測，保證了電路的可靠穩(wěn)定工作，采用SMIC0.18μm CMOS混合信號工藝完成了電路的設(shè)計、仿真，結(jié)果表明該電路在2.5 Gbps時鐘數(shù)據(jù)恢復電路中可以穩(wěn)定可靠地工作。