一種解決死區(qū)問題的數(shù)字鑒頻鑒相器設(shè)計

蔡霞+吳喆焱

摘要：本文設(shè)計的數(shù)字鑒頻鑒相器電路，解決了死區(qū)問題，增強了相位誤差的檢測能力，仿真結(jié)果顯示輸出各相位信號之間相位差恒定、輸出信號抖動小、功耗低。

關(guān)鍵詞：鑒頻鑒相器；D觸發(fā)器；鎖相環(huán)；死區(qū)

引言

鎖相技術(shù)自發(fā)展以來，得到了廣泛的應(yīng)用。鑒頻鑒相器在鎖相技術(shù)中起著非常關(guān)鍵的作用。現(xiàn)在的鎖相技術(shù)要求鑒頻鑒相器的低抖動、高速。本文設(shè)計的數(shù)字鑒頻鑒相器電路，能解決死區(qū)問題，增強相位誤差的檢測能力。

1PFD具體電路設(shè)計

1.1數(shù)字鑒頻鑒相器的電路結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計采用數(shù)字PFD電路，其設(shè)計電路如圖1所示。

兩D觸發(fā)器如圖2所示，采用下降沿觸發(fā)，輸入的D端接高電位VDD，時鐘信號分別接參考信號VREF和反饋信號VFBK；D觸發(fā)器一路經(jīng)過與非門和兩個反相器反饋回D觸發(fā)器的RESET端；另一路接反相器或傳輸門輸出，形成同步的兩對互補控制信號DOWNB、DOWN和UP、UPB來控制與之相連的電荷泵單元。

1.2數(shù)字鑒頻鑒相器的死區(qū)解決方案

PFD電路的一個重要的非理想狀態(tài)是因數(shù)字門電路存在固有延遲而產(chǎn)生的死區(qū)問題。

該設(shè)計是可以消除死區(qū)的，通過在反饋回D觸發(fā)器RESET端信號通路上增加DELAY單元，來使輸入信號間為零相差的時候，輸出信號仍有足夠?qū)挸潆娒}沖達(dá)到高電平，開啟與之相連的電荷泵開關(guān)，如果電荷泵的上拉和下拉電流匹配，那么同時導(dǎo)通的上下電流就沒有凈電流流入LPF，從而保持壓控振蕩器的控制電壓穩(wěn)定，鎖定輸出頻率；而兩輸入信號存在相差時，UP等信號脈沖會因為DELAY而變得更寬，控制電荷泵上拉和下拉電流開關(guān)，使電流泵入或泵出低通濾波器LPF，壓控振蕩器的控制電壓VC也隨之改變，從而起到跟蹤輸入信號的作用。

2PFD的工作波形

2.1PFD跟蹤過程波形

跟蹤過程中，如果REF信號相位（頻率）超前，則PFD的DOWN端為高，開啟電荷泵下拉開關(guān)，使VCO的控制電壓降低，振蕩器輸出頻率升高，跟蹤參考信號的頻率并最終達(dá)到一致。相反，如果FBK信號相位（頻率）超前，則UP信號為高，電荷泵上拉開關(guān)打開，VCO的控制電壓升高輸出頻率降低，跟蹤REF頻率最終到鎖定。跟蹤過程波形如圖4所示：

2.2鎖定狀態(tài)下PFD的波形

輸入?yún)⒖夹盘朧REF同反饋信號VFBK鎖定，即環(huán)路穩(wěn)定時PFD的工作波形如圖5所示。圖6為PFD鎖定波形圖。可以看到，環(huán)路穩(wěn)定時，PFD的UP、DN輸出信號都是在輸入時鐘信號的下降邊沿的一個短脈沖，脈沖寬度大概為710ps。這個脈沖寬度就是反饋回RESET端通路上的時延；而脈沖高度也達(dá)到足夠高以開啟下一級連接的電荷泵開關(guān)MOS管。

3結(jié)論

通過理論分析和模擬仿真，可以看出這款鑒頻鑒相器具有良好的線性鑒相功能、頻率捕捉和輸入信號頻率諧波的抑制功能。鑒頻鑒相器是無死區(qū)設(shè)計，整體仿真結(jié)果顯示輸出各相位信號之間相位差恒定，輸出信號抖動小，功耗低。