基于DP標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射端擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

 引言 
    DP(DisplayPort)接口標(biāo)準(zhǔn)旨在尋求代替計(jì)算機(jī)的數(shù)字視頻接口DVI、LCD顯示器的低壓差分信號(hào)LVDS(Low Voltage Differential Signal)，作為設(shè)備間和設(shè)備內(nèi)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在若干領(lǐng)域躍過DVI和高清晰多媒體接口HDMI這兩種接口技術(shù)。DP利用目前交流耦合電壓差分的PCI Express電氣層，有1~戽?zhèn)€工作速率為217 Gb／s的數(shù)據(jù)對(duì)(Lanes)，最高可獲得4通道多達(dá)10．8 Gb／s的帶寬。時(shí)鐘不是分離的，而是內(nèi)置于Lanes。傳輸命令和控制的輔助數(shù)據(jù)通道是雙向的，最高傳輸比特率可達(dá)1 Mb／s。DP支持的最大傳輸距離為15 m，而其工作電平比DVI更低。
    伴隨電子產(chǎn)品性能的不斷提高，其微處理器的頻率也在不斷增加，由此產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)影響電子產(chǎn)品的正常。為了抑制電磁干擾，人們先后研究出屏蔽、脈沖整形、濾波、低電壓差分時(shí)鐘、特殊版圖布局、擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器等方法，其中擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器可有效減小峰值和諧波的功率，且可通過電路設(shè)計(jì)的廣闊空間實(shí)現(xiàn)，因而得到廣泛應(yīng)用。這里設(shè)計(jì)一種基于DP標(biāo)準(zhǔn)采用μ工藝的發(fā)射端擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器。合理設(shè)計(jì)鎖相環(huán)路，采用外加濾波器對(duì)壓控振蕩器的控制電壓進(jìn)行三角波調(diào)制，得到所需的擴(kuò)頻時(shí)鐘。

2 擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器總體結(jié)構(gòu)
    降低電磁干擾(EMI)是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要考慮的重要因素，擴(kuò)頻時(shí)鐘(CLK)為降低EMI提供一個(gè)有效途徑。這里采用tsmc0．18μm 工藝設(shè)計(jì)一款符合DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射端的擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器。在合理設(shè)計(jì)鎖相環(huán)路的基礎(chǔ)上，運(yùn)用外加電荷泵對(duì)壓控振蕩器的控制電壓進(jìn)行三角波調(diào)制，得到所需要的擴(kuò)頻時(shí)鐘。圖1為該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。

3 各模塊電路設(shè)計(jì)
3．1 鑒頻鑒相器電路
    圖2為鑒頻鑒相器電路框圖。鑒頻鑒相器的輸出由輸入信號(hào)的頻率和相位決定，它比較兩個(gè)輸入信號(hào)的上升沿，當(dāng)輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘信號(hào)Ref的上升沿超前反饋信號(hào)Fed的上升沿到達(dá)鑒頻鑒相器時(shí)，鑒頻鑒相器的輸出UP為高，而此時(shí)DOWN保持為低電平，當(dāng)Fed的上升沿也到來時(shí)，輸出被復(fù)位；當(dāng)信號(hào)Fed的上升沿超前參考信號(hào)Ref到來時(shí)，輸出DOWN為高，當(dāng)Ref的上升沿也到來時(shí)，鑒頻鑒相器被復(fù)位。因此，鑒頻鑒相器根據(jù)輸入信號(hào)相位差來驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路。比較兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差，然后將其轉(zhuǎn)變成兩個(gè)數(shù)字信號(hào)來控制電荷泵的工作狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中，由于參考輸入頻率僅為900 kHz，因而對(duì)鑒頻鑒相器的工作速度要求并不高。因此，在滿足低功耗要求的前提下，采用最簡(jiǎn)單的無死區(qū)鑒頻鑒相器的結(jié)構(gòu)。 

    為了避免死區(qū)，在復(fù)位路徑中引入延時(shí)T。在設(shè)計(jì)延時(shí)時(shí)長(zhǎng)時(shí)，首先應(yīng)考慮鑒頻鑒相器的工作頻率。因?yàn)殍b頻鑒相器的最高丁作頻率為1／2Tdelay，Tdelay包括插入延時(shí)和鑒頻鑒相器的內(nèi)部延時(shí)。要求插入延時(shí)的引入不影響鑒頻鑒相器的正常工作；另外需考慮當(dāng)插入延時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)，電荷泵的充、放電電流同時(shí)開啟的時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)，而電荷泵存在的失調(diào)就會(huì)在濾波器電容上引入抖動(dòng)，即增加鎖相環(huán)輸出的雜散成分。因此，在鑒頻鑒相器內(nèi)部延時(shí)可忽略及充分開啟電荷泵的前提下，應(yīng)盡量減小失調(diào)。這里插入延時(shí)取8 ns。由于后級(jí)電荷泵電路為差分輸入，因此采用傳輸門減少反相器的延時(shí)。
3．2 帶隙基準(zhǔn)電路
    為滿足帶隙基準(zhǔn)電路的低壓應(yīng)用，這里采用一種電流模式結(jié)構(gòu)的低壓帶隙基準(zhǔn)電路，如圖3所示。該電路可以輸出低于1 V的電壓，有效降低了電路的電源電壓；同時(shí)，電路中采用與電壓無關(guān)的偏置及帶負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的二級(jí)運(yùn)放，降低了電路的電源敏感性。

    基于0．35μm CMOS工藝的HSPICE仿真結(jié)果表明，該電路可工作在1．1~1．5 V的低電源電壓下，并具有14 ppm／℃的低溫度系數(shù)，能夠輸出200 mV～1．25 V的寬范圍電壓，并使用與電源無關(guān)偏置以及帶負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的二級(jí)運(yùn)放，提高輸出電壓的精度，該電路中，各MOS管都工作于飽和狀態(tài)。電路中運(yùn)算放大器采用二級(jí)結(jié)構(gòu)，具有較高的低頻增益。
3．3 電荷泵電路
    電荷泵鎖相環(huán)具有低功耗、高速、低抖動(dòng)和低成本等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于無線電通信、頻率綜合器、時(shí)鐘恢復(fù)電路中。電荷泵電路在鎖相環(huán)路(PLL)中起著非常重要的作用，其主要功能是把鑒頻鑒相器(PFD)的數(shù)字信號(hào)UP和DOWN轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，從而控制壓控振蕩器(VCO)的頻率。當(dāng)PFD給出高精度的相位誤差時(shí)，電荷泵對(duì)整個(gè)環(huán)路的性能起決定性作用。當(dāng)PLL鎖定在某個(gè)頻率時(shí)，電荷泵電路的輸出必須保持在一個(gè)常數(shù)。因此，在設(shè)計(jì)電荷泵電路時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定步長(zhǎng)的電壓是很重要的。實(shí)際的電荷泵不可避免的存在電荷泄漏、充放電流失配、泵開關(guān)時(shí)間延時(shí)不同等不利因素，這些因素都不同程度地造成輸出頻率的相位偏差，進(jìn)而降低輸出時(shí)鐘的抗噪聲性能。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用差分電路結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：消除了跳躍現(xiàn)象；可以丁作在較高頻率，滿足整個(gè)PLL的設(shè)計(jì)要求；由于對(duì)稱性，不易產(chǎn)生偏差；減小電源、地及襯底噪聲的影響；NMOS與PMOS開關(guān)特性不匹配對(duì)整個(gè)性質(zhì)將不再起決定性作用，原來要求NMOS與PMOS相匹配的地方，現(xiàn)在只需NMOS或PMOS自身相匹配即可。該電荷泵電路如圖4所示，它由大擺幅電流鏡及由上拉泵和下拉泵電路所構(gòu)成的對(duì)稱電荷泵所組成，屬于全差分型電荷泵電路。上拉泵和下拉泵均由差分輸入對(duì)V M1和VM2，電流鏡VM3，偏置電流源Ib和ISMALL，以及弱上拉電流鏡VM4和VM5所組成。該電路是一種新的全差分電荷泵結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)電荷泵電路相比，該電路具有輸出范圍寬和無跳躍現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以有效地解決電荷泄漏和充放電失配等問題。

3．4 調(diào)制電荷泵電路
    采用調(diào)制電荷泵三角波調(diào)制壓控振蕩器的控制電壓以達(dá)到擴(kuò)頻的效果。文獻(xiàn)[5]中給出了調(diào)制電荷泵的參數(shù)：調(diào)制電流為2．33μA，調(diào)制頻率為30 kHz。電荷泵的輸出都是采用單管，而不是更有利于抑制失配度的級(jí)聯(lián)管，原因在于級(jí)聯(lián)管限制了電荷泵的電壓輸出范圍，壓控振蕩器在1．15～2．43 V線性范圍內(nèi)不是所有情況下都能處于飽和區(qū)工作。該設(shè)計(jì)通過增加管子的柵長(zhǎng)L，即增加從管子漏端看進(jìn)去的電阻來減小失配度，而管子增大所引起的時(shí)鐘饋通及電流泄露等問題比電流失配對(duì)系統(tǒng)的影響小。
3．5 濾波器電路
    環(huán)路濾波器(LPF)連接在電荷泵和壓控振蕩器之間，它決定鎖相環(huán)的基本頻率特性。實(shí)際上，正是由于環(huán)路濾波器的存在，鎖相環(huán)才可以選擇工作在任意中心頻率和帶寬內(nèi)。環(huán)路濾波器可以采用無源濾波器或有源濾波器。該設(shè)計(jì)采用無源低通濾波器，用基于鎖相環(huán)交流頻域特性分析的方法。在該濾波器的設(shè)計(jì)中，如果鎖相環(huán)帶寬、相位裕度和零極點(diǎn)選擇合理，只需經(jīng)過1～2次試算，就可以得到正確結(jié)果。這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是直接以鎖相環(huán)的交流特性為出發(fā)點(diǎn)，利用使系統(tǒng)穩(wěn)定的簡(jiǎn)單條件，就可以設(shè)計(jì)出環(huán)路濾波器。這為低相位抖動(dòng)、快速鎖定鎖相環(huán)的行為級(jí)設(shè)計(jì)提供了一種快速準(zhǔn)確的途徑。
3．6 壓控調(diào)節(jié)器電路
    考慮到壓控振蕩器易受到電源噪聲的影響，而壓控振蕩器的性能是整個(gè)鎖相環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以為壓控振蕩器提供1個(gè)穩(wěn)定的電源電壓是非常必要的。本文采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

    圖5中，補(bǔ)償電容為4．7 μF，基準(zhǔn)點(diǎn)電壓Ref來自帶隙基準(zhǔn)，輸出電壓由反饋電阻和運(yùn)放增益決定：
   
    為了減小輸出電壓的誤差，需要設(shè)計(jì)增益較大的運(yùn)放，考慮到環(huán)路的穩(wěn)定性及環(huán)路建立時(shí)間，把補(bǔ)償電容的極點(diǎn)作為整個(gè)環(huán)路的主極點(diǎn)，這就要求運(yùn)放具有較高的帶寬。
    用負(fù)載電阻模擬壓控振蕩器，取Rload為150～500 Ω，輸出5．2～18．8 mA電流來提供壓控振蕩器的電流，這一輸出范圍對(duì)運(yùn)放的電壓輸出范嗣提出嚴(yán)峻要求。為了提高輸出電壓的電源抑制，可以設(shè)計(jì)輸出管VMP1工作在飽和區(qū)，但這就降低了低壓差線性穩(wěn)壓器的效率(近似為輸出電壓與電源電壓的比值)；另外也可通過增加VMP1，管的柵長(zhǎng)來提高電源抑制，但這樣就使得運(yùn)放的主極點(diǎn)減小，整個(gè)環(huán)路穩(wěn)定性變差。低壓差線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)還需綜合考慮電荷泵輸出電壓，壓控振蕩器線性工作范圍等因素。
3．7 壓控振蕩器電路
    電源噪聲是造成PLL輸出時(shí)鐘抖動(dòng)最主要的原因，而鎖相環(huán)內(nèi)部最易受噪聲影響的模塊為壓控振蕩器(VCO)，本文采用一種高電源噪聲抑制、高線性范圍的壓控振蕩器，它通過高電源抑制比的電壓調(diào)節(jié)器對(duì)受噪聲干擾的外部電源進(jìn)行預(yù)處理，產(chǎn)生穩(wěn)定的內(nèi)部電源，從而減小外部電源噪聲對(duì)VCO核心電路的影響，同時(shí)，也改進(jìn)電壓一電流轉(zhuǎn)換(V-IConverter)電路，提高VCO電壓頻率轉(zhuǎn)換特性的線性范圍，減小VCO非線性增益對(duì)PLL輸出抖動(dòng)的影響。

4 擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器整體電路仿真
    圖6、圖7分別為輸出810 MHz的擴(kuò)頻前后的能譜圖，而圖8、圖9分別是輸出1 350 MHz時(shí)擴(kuò)頻前后的能譜圖。

    由圖6和圖7、圖8和圖9對(duì)比可以看出，擴(kuò)頻后，基頻和諧波的能量有一定下降，該設(shè)計(jì)得到了比較滿意的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)
    降低電磁干擾(EMI)是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要考慮的一個(gè)重要因素，擴(kuò)頻時(shí)鐘(CLK)為降低EMI提供了一個(gè)有效途徑。該設(shè)計(jì)是一款用于發(fā)射端時(shí)鐘產(chǎn)生的鎖相環(huán)，其創(chuàng)新點(diǎn)在于：在綜合考慮數(shù)模混合電路的功耗。性能等方面因素的基礎(chǔ)上，對(duì)各模塊電路進(jìn)行優(yōu)化，為電荷泵和壓控振蕩器提供穩(wěn)定的電流和電壓，且采用三角波調(diào)制壓控振蕩器控制電壓的方法對(duì)時(shí)鐘擴(kuò)頻，減小電磁干擾。整體的電路級(jí)仿真驗(yàn)證表明，該設(shè)計(jì)符合DP標(biāo)準(zhǔn)的性能要求。