寬頻率范圍低抖動鎖相環(huán)的研究與設(shè)計.pdf

1、鎖相環(huán)廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)的時鐘產(chǎn)生器、無線通信領(lǐng)域的頻率合成器和時鐘/數(shù)據(jù)恢復(fù)電路。隨著時鐘頻率的增加，數(shù)字系統(tǒng)對時鐘信號的抖動性能提出了更嚴格的要求。鎖相環(huán)如果在較寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)輸出低抖動信號，則可以應(yīng)用于有不同頻率要求的數(shù)字系統(tǒng)中，不必為每個專用集成電路設(shè)計獨立的鎖相環(huán)，節(jié)約了設(shè)計和驗證的成本，本文研究了在寬輸入/輸出頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)低抖動鎖相環(huán)的設(shè)計問題。
　　通過對鎖相環(huán)的工作原理、結(jié)構(gòu)和電荷泵鎖相環(huán)理論的分析，列舉了影

2、響鎖相環(huán)總體性能的一些子模塊以及系統(tǒng)設(shè)計的要求。分析了環(huán)路延遲對鎖相環(huán)穩(wěn)定性的影響，由于環(huán)路中的極點也將反饋信號進行了延遲，環(huán)路延遲也可以看作是一個額外極點的影響，影響環(huán)路穩(wěn)定性的延遲量將表現(xiàn)出近似與帶寬呈反比的關(guān)系，將延遲等價的極點引入開環(huán)傳遞函數(shù)使得我們在考慮環(huán)路延遲影響的情況下，仍然可以使用傳統(tǒng)的s域分析方法。
　　研究了電荷泵鎖相環(huán)的噪聲和抖動特性。通過對前人關(guān)于振蕩器相位噪聲模型的研究，在線性時變模型的基礎(chǔ)上，探討了振蕩

3、器的噪聲，并考慮了較強噪聲干擾情況下此模型的非線性問題。分析了鎖相環(huán)中的噪聲源，重點研究了熱噪聲、1/f噪聲和應(yīng)用環(huán)境中的數(shù)字開關(guān)噪聲對輸出信號噪聲的影響，給定噪聲強度和工藝條件，根據(jù)噪聲模型和各模塊噪聲到輸出相位噪聲的傳遞函數(shù)可以計算出振蕩器和鎖相環(huán)輸出信號噪聲的功率譜，根據(jù)此功率譜也可以計算出輸出信號抖動的大小。由于振蕩器噪聲到輸出相位噪聲傳輸?shù)母咄ㄌ匦?，在振蕩器噪聲占主?dǎo)的情況下，輸出信號頻譜在頻率偏移為環(huán)路帶寬的頻率處呈現(xiàn)出一個

4、峰值，因此環(huán)路帶寬應(yīng)最大化以減小這個峰值從而更多的抑制振蕩器的噪聲，但是為了保持環(huán)路穩(wěn)定性，此帶寬與參考頻率的比不能大于一定值，所以此類鎖相環(huán)的低抖動設(shè)計原則就是要使環(huán)路帶寬跟隨參考頻率變化，同時要保證環(huán)路穩(wěn)定性。
　　本文提出了自適應(yīng)帶寬的電荷泵鎖相環(huán)的設(shè)計方法和新結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)固定帶寬的電荷泵鎖相環(huán)只能在一個工作狀態(tài)下達到最優(yōu)化的輸出信號抖動性能，自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)可以動態(tài)調(diào)整鎖相環(huán)參數(shù)以達到在各個工作點輸出低抖動信號，這些特性包括

5、環(huán)路帶寬跟隨參考頻率變化和固定的阻尼因子。本文提出的應(yīng)用于時鐘產(chǎn)生器的自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)設(shè)計方法將鎖相環(huán)等效成積分控制環(huán)路和成比例控制環(huán)路，研究了自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)對這兩個控制環(huán)路的要求，這兩個呈比例項和積分項需要分別保持與參考頻率和參考頻率的平方呈比例，用此方法解釋了前人基于自偏置技術(shù)的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的不足，給出了改進方案。提出了一個寬頻率范圍的基于電流模自偏置技術(shù)的鎖相環(huán)新結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)采用電流控制振蕩器，兩條控制環(huán)路分別實現(xiàn)，直接由電流過沖

6、實現(xiàn)呈比例項，實現(xiàn)此項的電荷泵電流與振蕩器控制電流呈比例，而實現(xiàn)積分項電荷泵電流的比例因子受參考頻率控制，從而達到了自適應(yīng)帶寬對這兩個控制環(huán)路的要求。新結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)自偏置鎖相環(huán)的環(huán)路穩(wěn)定性受分頻比限制以及電流模自偏置鎖相環(huán)的環(huán)路穩(wěn)定性受參考頻率限制的問題，能夠達到較寬的輸入/輸出頻率范圍和分頻范圍，而且保持了自偏置技術(shù)抗工藝、電源電壓和溫度變化的特性。
　　給出了鎖相環(huán)的設(shè)計和測試結(jié)果。完成了寬頻率范圍電流模自偏置鎖相環(huán)的電路和