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

引言

　　DP(DisplayPort)接口標(biāo)準(zhǔn)旨在尋求代替計算機(jī)的數(shù)字視頻接口DVI、LCD顯示器的低壓差分信號LVDS(Low Voltage Differential Signal)。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(Lanes)，最高可獲得4通道多達(dá)10.8 Gb/s的帶寬。時鐘不是分離的，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。

　　伴隨微處理器的頻率不斷增加，由此產(chǎn)生的電磁干擾會影響電子產(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、低電壓差分時鐘、特殊版圖布局、擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器等方法，其中擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器可有效減小峰值和諧波的功率，且可通過電路設(shè)計的廣闊空間實現(xiàn)，因而得到廣泛應(yīng)用。這里設(shè)計一種基于DP標(biāo)準(zhǔn)采用μ工藝的發(fā)射端擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器。合理設(shè)計鎖相環(huán)路，采用外加濾波器對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)頻時鐘。
 

　　2 擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器總體結(jié)構(gòu)

　　降低電磁干擾(EMI)是電子系統(tǒng)設(shè)計人員需要考慮的重要因素，擴(kuò)頻時鐘(CLK)為降低EMI提供一個有效途徑。這里采用tsmc0.18μm 工藝設(shè)計一款符合DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射端的擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器。在合理設(shè)計鎖相環(huán)路的基礎(chǔ)上，運用外加電荷泵對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)頻時鐘。圖1為該設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖。

　　3 各模塊電路設(shè)計

　　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的頻率和相位決定，它比較兩個輸入信號的上升沿，當(dāng)輸入?yún)⒖紩r鐘信號Ref的上升沿超前反饋信號Fed的上升沿到達(dá)鑒頻鑒相器時，鑒頻鑒相器的輸出UP為高，而此時DOWN保持為低電平，當(dāng)Fed的上升沿也到來時，輸出被復(fù)位;當(dāng)信號Fed的上升沿超前參考信號Ref到來時，輸出DOWN為高，當(dāng)Ref的上升沿也到來時，鑒頻鑒相器被復(fù)位。因此，鑒頻鑒相器根據(jù)輸入信號相位差來驅(qū)動后級電路。比較兩個輸入信號的相位差，然后將其轉(zhuǎn)變成兩個數(shù)字信號來控制電荷泵的工作狀態(tài)。在本設(shè)計中，由于參考輸入頻率僅為900 kHz，因而對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T。在設(shè)計延時時長時，首先應(yīng)考慮鑒頻鑒相器的工作頻率。因為鑒頻鑒相器的最高丁作頻率為1/2Tdelay，Tdelay包括插入延時和鑒頻鑒相器的內(nèi)部延時。要求插入延時的引入不影響鑒頻鑒相器的正常工作;另外需考慮當(dāng)插入延時相對較長時，電荷泵的充、放電電流同時開啟的時間就會變長，而電荷泵存在的失調(diào)就會在濾波器電容上引入抖動，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)。這里插入延時取8 ns。由于后級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。

　　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，電路中采用與電壓無關(guān)的偏置及帶負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的二級運放，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)的二級運放，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)。電路中運算放大器采用二級結(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、低抖動和低成本等特點，廣泛應(yīng)用于無線電通信、頻率綜合器、時鐘恢復(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UP和DOWN轉(zhuǎn)換為模擬信號，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，電荷泵對整個環(huán)路的性能起決定性作用。當(dāng)PLL鎖定在某個頻率時，電荷泵電路的輸出必須保持在一個常數(shù)。因此，在設(shè)計電荷泵電路時，產(chǎn)生一個穩(wěn)定步長的電壓是很重要的。實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)時間延時不同等不利因素，這些因素都不同程度地造成輸出頻率的相位偏差，進(jìn)而降低輸出時鐘的抗噪聲性能。該系統(tǒng)設(shè)計采用差分電路結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：消除了跳躍現(xiàn)象;可以丁作在較高頻率，滿足整個PLL的設(shè)計要求;由于對稱性，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)特性不匹配對整個性質(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，同時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聯(lián)管，原因在于級聯(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)計通過增加管子的柵長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鐘饋通及電流泄露等問題比電流失配對系統(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)計中，如果鎖相環(huán)帶寬、相位裕度和零極點選擇合理，只需經(jīng)過1～2次試算，就可以得到正確結(jié)果。這種設(shè)計方法的優(yōu)點是直接以鎖相環(huán)的交流特性為出發(fā)點，利用使系統(tǒng)穩(wěn)定的簡單條件，就可以設(shè)計出環(huán)路濾波器。這為低相位抖動、快速鎖定鎖相環(huán)的行為級設(shè)計提供了一種快速準(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鎖相環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以為壓控振蕩器提供1個穩(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)點電壓Ref來自帶隙基準(zhǔn)，輸出電壓由反饋電阻和運放增益決定：

　　為了減小輸出電壓的誤差，需要設(shè)計增益較大的運放，考慮到環(huán)路的穩(wěn)定性及環(huán)路建立時間，把補(bǔ)償電容的極點作為整個環(huán)路的主極點，這就要求運放具有較高的帶寬。

　　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，這一輸出范圍對運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，管的柵長來提高電源抑制，但這樣就使得運放的主極點減小，整個環(huán)路穩(wěn)定性變差。低壓差線性穩(wěn)壓器的設(shè)計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輸出時鐘抖動最主要的原因，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VCO核心電路的影響，同時，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PLL輸出抖動的影響。

　　4 擴(kuò)頻時鐘發(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時擴(kuò)頻前后的能譜圖。

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

　　5 結(jié)束語

　　該設(shè)計是一款用于發(fā)射端時鐘產(chǎn)生的鎖相環(huán)，其創(chuàng)新點在于：在綜合考慮數(shù)?；旌想娐返墓?。性能等方面因素的基礎(chǔ)上，對各模塊電路進(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時鐘擴(kuò)頻，減小電磁干擾。整體的電路級仿真驗證表明，該設(shè)計符合DP標(biāo)準(zhǔn)的性能要求。