一種基于CMOS工藝的電荷泵鎖相環(huán)芯片的設計

鎖相環(huán)路(PLL)是一種能夠跟蹤輸入信號的閉環(huán)自動相位控制系統(tǒng)，其理論基礎為自動控制理論。鎖相環(huán)具有載波跟蹤特性，可提取淹沒在噪聲之中的信號，制成高性能的調制器和解調器；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，可進行高精度的相位與頻率測量等。在模擬與數字通信系統(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)點使得采用CMOS工藝實現高性能集成鎖相環(huán)具有十分重要的意義和廣闊的前景。采用電荷泵結構的鎖相環(huán)以其易于集成、低功耗、低抖動、無相差鎖定等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。

　　2 電路設計

　　鎖相環(huán)能夠實現兩個電信號的相位同步、頻率相同或倍頻。如圖1所示，鎖相環(huán)由4個基本部件即鑒相器、電荷泵、低通濾波器和壓控振蕩器組成。鑒相器作用是對兩個輸入信號進行比較，輸出一個正比于這兩個輸入信號相位差的直流電壓，即一個上升或下降的脈沖信號，這個直流電壓又作用于下一級電路即開關電荷泵，然后，電荷泵將鑒相器的輸出信號放大，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，壓控振蕩器依據傳輸過來的控制電壓來改變輸出信號的頻率和相位，因此整個系統(tǒng)就形成了一個反饋系統(tǒng)，最終壓控振蕩器的輸出信號鎖定在參考信號的頻率和相位上。

　　2.1 鑒頻鑒相器

　　鑒頻鑒相器是一個相位比較裝置，用來檢測輸入信號相位與反饋信號相位之間的相位差，其結構如圖2所示。PFD比較輸入信號FINA和FINB的上升沿。當信號FINA的上升沿超前于信號FINB的上升沿時，PFD的輸出信號UP被置為1，而輸出信號DN為0，當FINB的上升沿到來時，UP變?yōu)?lsquo;0’，DN 是窄的脈沖；反之，當信號FINB的上升沿超前于信號FINA的上升沿，PFD的輸出信號DN被置為‘1’，而輸出信號UP保持‘0’，當FINA的上升沿到來時，DN變?yōu)?lsquo;0’，UP是一很窄的脈沖。信號UP或DN被置為高電平的時間長度等于信號FINA與FINB的相位差。當環(huán)路鎖定時，PFD的輸出信號都保持在低電平。

　　2.2 龜荷泵(CP)

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

　　(1)狀態(tài)-1：UP=0，DN=1。這時開關S1斷開，S2閉合，電容進行放電，電壓OUT值降低；

　　(2)狀態(tài)0：UP=0，DN=0。這時開關S1和S2都斷開，電壓OUT保持為一個常量；

　　(3)狀態(tài)1；UP=1，DN=0。這時開關S1閉合，S2斷開，電容進行充電，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。它實現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實現一種差分環(huán)形壓控振蕩器。此差分環(huán)形壓控振蕩器由五級差分電路構成，每一級的輸出V1，V2接到后一級的輸入 A，B，最后一級的輸出與第一級的輸入相連，其中兩個公共端子分別為E，C。前級偏置電路受CP輸出電壓的控制，產生兩路控制信號E，C，連接到壓控振蕩器的每個差分部分的控制端。這種VCO具有良好的線性調諧特性和高的輸出頻率穩(wěn)定度的特點。

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