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[導(dǎo)讀]1 引 言 鎖相環(huán)路(PLL)是一種能夠跟蹤輸入信號(hào)的閉環(huán)自動(dòng)相位控制系統(tǒng),其理論基礎(chǔ)為自動(dòng)控制理論。鎖相環(huán)具有載波跟蹤特性,可提取淹沒(méi)在噪聲之中的信號(hào),制成高性能的

1 引 言

鎖相環(huán)路(PLL)是一種能夠跟蹤輸入信號(hào)的閉環(huán)自動(dòng)相位控制系統(tǒng),其理論基礎(chǔ)為自動(dòng)控制理論。鎖相環(huán)具有載波跟蹤特性,可提取淹沒(méi)在噪聲之中的信號(hào),制成高性能的調(diào)制器和解調(diào)器;用高穩(wěn)定度的振蕩器做參考頻率,可提供一系列頻率高穩(wěn)定的頻率源,可進(jìn)行高精度的相位與頻率測(cè)量等。在模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)中,鎖相環(huán)已成為不可缺少的基本部件。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展與成熟,CMOS工藝以其低成本、低功耗、高集成度的優(yōu)點(diǎn)使得采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)高性能集成鎖相環(huán)具有十分重要的意義和廣闊的前景。采用電荷泵結(jié)構(gòu)的鎖相環(huán)以其易于集成、低功耗、低抖動(dòng)、無(wú)相差鎖定等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。

2 電路設(shè)計(jì)

鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)電信號(hào)的相位同步、頻率相同或倍頻。如圖1所示,鎖相環(huán)由4個(gè)基本部件即鑒相器、電荷泵、低通濾波器和壓控振蕩器組成。鑒相器作用是對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行比較,輸出一個(gè)正比于這兩個(gè)輸入信號(hào)相位差的直流電壓,即一個(gè)上升或下降的脈沖信號(hào),這個(gè)直流電壓又作用于下一級(jí)電路即開(kāi)關(guān)電荷泵,然后,電荷泵將鑒相器的輸出信號(hào)放大,給低通濾波器的電容充放電。而環(huán)路低通濾波器是用來(lái)濾除鑒相器輸出誤差電壓中的高頻分量,起到濾波平滑作用,以保證環(huán)路穩(wěn)定以及改善環(huán)路跟蹤性能和噪聲特性。最后,壓控振蕩器依據(jù)傳輸過(guò)來(lái)的控制電壓來(lái)改變輸出信號(hào)的頻率和相位,因此整個(gè)系統(tǒng)就形成了一個(gè)反饋系統(tǒng),最終壓控振蕩器的輸出信號(hào)鎖定在參考信號(hào)的頻率和相位上。


2.1 鑒頻鑒相器

鑒頻鑒相器是一個(gè)相位比較裝置,用來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)相位與反饋信號(hào)相位之間的相位差,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。PFD比較輸入信號(hào)FINA和FINB的上升沿。當(dāng)信號(hào)FINA的上升沿超前于信號(hào)FINB的上升沿時(shí),PFD的輸出信號(hào)UP被置為1,而輸出信號(hào)DN為0,當(dāng)FINB的上升沿到來(lái)時(shí),UP變?yōu)?lsquo;0’,DN 是窄的脈沖;反之,當(dāng)信號(hào)FINB的上升沿超前于信號(hào)FINA的上升沿,PFD的輸出信號(hào)DN被置為‘1’,而輸出信號(hào)UP保持‘0’,當(dāng)FINA的上升沿到來(lái)時(shí),DN變?yōu)?lsquo;0’,UP是一很窄的脈沖。信號(hào)UP或DN被置為高電平的時(shí)間長(zhǎng)度等于信號(hào)FINA與FINB的相位差。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí),PFD的輸出信號(hào)都保持在低電平。


2.2 龜荷泵(CP)

在傳統(tǒng)的電荷泵模型中,將PMOS和NMOS看作開(kāi)關(guān)S1,S2,則鑒頻鑒相器(PFD)的數(shù)字信號(hào)輸出UP和DN可能為三種情況:

(1)狀態(tài)-1:UP=0,DN=1。這時(shí)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi),S2閉合,電容進(jìn)行放電,電壓OUT值降低;

(2)狀態(tài)0:UP=0,DN=0。這時(shí)開(kāi)關(guān)S1和S2都斷開(kāi),電壓OUT保持為一個(gè)常量;

(3)狀態(tài)1;UP=1,DN=0。這時(shí)開(kāi)關(guān)S1閉合,S2斷開(kāi),電容進(jìn)行充電,電壓OUT值提高。

2.3 壓控振蕩器(VCO)

壓控振蕩器是鎖相環(huán)的重要組成部分,很大程度上決定著鎖相環(huán)的性能。它實(shí)現(xiàn)電壓一頻率的變換作用,其振蕩頻率受低通濾波器輸出電壓控制。本文研究的壓控振蕩器是利用電阻和電容,采用正反饋的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)一種差分環(huán)形壓控振蕩器。此差分環(huán)形壓控振蕩器由五級(jí)差分電路構(gòu)成,每一級(jí)的輸出V1,V2接到后一級(jí)的輸入 A,B,最后一級(jí)的輸出與第一級(jí)的輸入相連,其中兩個(gè)公共端子分別為E,C。前級(jí)偏置電路受CP輸出電壓的控制,產(chǎn)生兩路控制信號(hào)E,C,連接到壓控振蕩器的每個(gè)差分部分的控制端。這種VCO具有良好的線性調(diào)諧特性和高的輸出頻率穩(wěn)定度的特點(diǎn)。

振蕩器的核心部分由圖3所示差分電路構(gòu)成,PM1管為下端對(duì)稱部分提供偏置電流,PM2,PM3起反向作用,將NM1,NM2等效為電阻,則它與相應(yīng)的MOS電容連接的NM3,NM4構(gòu)成了RC延遲因子,且延遲時(shí)間直接受E,C電壓的控制。


電路中的等效電阻和負(fù)載電容決定了電路的振蕩頻率,即,其中的RNM1,NM2受前級(jí)偏置部分的VE,VC控制。每一級(jí)電路所產(chǎn)生的輸出振蕩信號(hào)的擺幅為2IPM1PNM1,NM2。其中E,C二處的電壓變化應(yīng)當(dāng)是反比例變化的,即E處電壓增大引起飽和PM1管的電流IPM1減小時(shí),C處電壓須呈減小趨勢(shì)以致線性等效電阻RNM1,NM2增大,以保證輸出電壓擺幅的基本恒定。


由于環(huán)路濾波器的輸出電壓為一個(gè)電壓,要與雙變量控制的VCO振蕩部分連接起來(lái),則必須要用到下面圖4所示的偏置單元,將VIN單端控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為 E,C雙端控制電壓信號(hào),實(shí)現(xiàn)更好的線性度和更強(qiáng)的電壓驅(qū)動(dòng)效果,減少后端振蕩部分隨時(shí)間的能量衰減。


由圖可知,RES的電阻值和NM1的尺寸決定了NM3,NM4的柵極電壓,NM4的漏極連接到PM1的漏極,此處的電壓由PM1的漏電流決定,而此漏電流等于流過(guò)NM3,NM4兩管的電流之和,而這兩管的電流又由VIN和E處的電壓來(lái)決定。由此相互制約的關(guān)系,可以列出關(guān)于E點(diǎn)電壓VE,流過(guò)NM3的漏極電流IN3以及NM2漏級(jí)電壓VX的關(guān)系方程如下:

由上述三元三次方程即可解出E處電壓值。C處電壓完全由VE和PM2,NM5的相對(duì)尺寸所決定。

2.4 環(huán)路濾波器

環(huán)路濾波器具有低通特性,在鎖相環(huán)中起到低通濾波的作用,而且它對(duì)整個(gè)環(huán)路系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)起著決定性的作用。本設(shè)計(jì)采用二階無(wú)源低通濾波器,詳見(jiàn)文獻(xiàn)[3]所述。

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)可廣泛應(yīng)用于電源電壓為5 V時(shí),鎖相環(huán)捕捉帶為41~110 MHz,3 V時(shí)捕捉帶則為25~58 MHz。由文獻(xiàn)[5]中所述,該系統(tǒng)采取的是電壓型電荷泵,將電壓型轉(zhuǎn)換為電流型,查出內(nèi)部MOS飽和導(dǎo)通,保證UP和DN為恒壓源的最大導(dǎo)通電流,可得 R1。以電源電壓為5 V,忽略分頻環(huán)節(jié)為例,可以得到:


3 仿真結(jié)果

采用0.5μm工藝庫(kù),Cadence Spectre工具對(duì)本文所設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)可以得到下列結(jié)果:

圖5(a)是電源電壓為3 V時(shí)的VCO控制特性曲線,有效工作范圍為25~58 MHz,且線性度良好;圖5(b)是電源電壓為5 V時(shí)的VCO控制特性曲線,有效工作范圍為41~110 MHz,且線性度良好。

另外通過(guò)對(duì)VCO起振過(guò)程的測(cè)量可知,起振時(shí)間很小,為63.5 ns。

圖6是鎖相環(huán)回路在輸入為50 MHz時(shí)的輸出響應(yīng),鎖定時(shí)間約為4.6μs。


4 結(jié)語(yǔ)

使用0.5 μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)5 V鎖定范圍為41~110 MHz,3 V時(shí)鎖定范圍為25~58 MHz的鎖相環(huán)單片集成電路,經(jīng)過(guò)分部仿真和總體系統(tǒng)仿真可知,運(yùn)用本文所述方法設(shè)計(jì)二階三型鎖相環(huán)芯片各組成部分特性與理論相符,可以實(shí)現(xiàn)相位和頻率的同步跟蹤,且時(shí)域特性良好。

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