寬頻率范圍低抖動(dòng)鎖相環(huán)的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、鎖相環(huán)廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘產(chǎn)生器、無(wú)線通信領(lǐng)域的頻率合成器和時(shí)鐘/數(shù)據(jù)恢復(fù)電路。隨著時(shí)鐘頻率的增加，數(shù)字系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)性能提出了更嚴(yán)格的要求。鎖相環(huán)如果在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出低抖動(dòng)信號(hào)，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(gè)專用集成電路設(shè)計(jì)獨(dú)立的鎖相環(huán)，節(jié)約了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的成本，本文研究了在寬輸入/輸出頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低抖動(dòng)鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。
　　通過(guò)對(duì)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(jì)的要求。分析了環(huán)路延遲對(duì)鎖相環(huán)穩(wěn)定性的影響，由于環(huán)路中的極點(diǎn)也將反饋信號(hào)進(jìn)行了延遲，環(huán)路延遲也可以看作是一個(gè)額外極點(diǎn)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(jià)的極點(diǎn)引入開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)使得我們?cè)诳紤]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(dòng)特性。通過(guò)對(duì)前人關(guān)于振蕩器相位噪聲模型的研究，在線性時(shí)變模型的基礎(chǔ)上，探討了振蕩

3、器的噪聲，并考慮了較強(qiáng)噪聲干擾情況下此模型的非線性問(wèn)題。分析了鎖相環(huán)中的噪聲源，重點(diǎn)研究了熱噪聲、1/f噪聲和應(yīng)用環(huán)境中的數(shù)字開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)輸出信號(hào)噪聲的影響，給定噪聲強(qiáng)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(jì)算出振蕩器和鎖相環(huán)輸出信號(hào)噪聲的功率譜，根據(jù)此功率譜也可以計(jì)算出輸出信號(hào)抖動(dòng)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(hào)頻譜在頻率偏移為環(huán)路帶寬的頻率處呈現(xiàn)出一個(gè)

4、峰值，因此環(huán)路帶寬應(yīng)最大化以減小這個(gè)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(dòng)設(shè)計(jì)原則就是要使環(huán)路帶寬跟隨參考頻率變化，同時(shí)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(jì)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(gè)工作狀態(tài)下達(dá)到最優(yōu)化的輸出信號(hào)抖動(dòng)性能，自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整鎖相環(huán)參數(shù)以達(dá)到在各個(gè)工作點(diǎn)輸出低抖動(dòng)信號(hào)，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(shí)鐘產(chǎn)生器的自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)設(shè)計(jì)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(duì)這兩個(gè)控制環(huán)路的要求，這兩個(gè)呈比例項(xiàng)和積分項(xiàng)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(jìn)方案。提出了一個(gè)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(shí)現(xiàn)，直接由電流過(guò)沖

6、實(shí)現(xiàn)呈比例項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)的電荷泵電流與振蕩器控制電流呈比例，而實(shí)現(xiàn)積分項(xiàng)電荷泵電流的比例因子受參考頻率控制，從而達(dá)到了自適應(yīng)帶寬對(duì)這兩個(gè)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(wèn)題，能夠達(dá)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(jì)和測(cè)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