復雜環(huán)境下自校準鎖相回路電荷泵設計方法

李瑞豐

（天津安泰微電子技術有限公司 天津市 300300）

鎖相回路電荷泵可以校正電壓，保證電流穩(wěn)態(tài)，在復雜環(huán)境中傳統(tǒng)的鎖相回路電荷泵穩(wěn)定性差，不能滿足目前的校準需求，因此以深組合系統(tǒng)環(huán)境為基礎，提出了自校準鎖相回路電荷泵設計方法。

CMOS 鎖相環(huán)是一種頻繁應用于集成電路設計中的電路，主要應用于調頻信號解調、移相鍵控信號解調及位捕捉技術中。鎖相環(huán)電路結構的最大特點是不使用電感線圈，依靠調節(jié)環(huán)內低通濾波器或放大器增益，即可實現對輸入信號的頻率與相位的自動跟蹤和對噪聲的窄帶過濾等功能。在電荷泵鎖相環(huán)電路中，通常采用開關電流源作為電荷泵，且采用電流鏡電路作為電荷泵電流支路的偏置電路，但是電荷泵在輸出電壓范圍較大時泵出或者泵入的電流不能完全匹配，該電流誤差將惡化鎖相環(huán)的相位噪聲。自校準電路的引入可以克服這個問題，但在不同環(huán)境中可能存在電流源輸出阻抗較大的情況，導致電壓增益較高，如果頻率特性不滿足穩(wěn)定條件，則電路發(fā)生振蕩，產生電路安全問題[1-2]。

鎖相環(huán)是自動幀率控制和自動相位控制技術的融合，該技術的出現解決了電壓和溫度等因素引起的校準干擾，其要依賴鎖相環(huán)，由鎖相環(huán)中的分頻器保證信號的輸出轉化。一個標準的校準系統(tǒng)需要一個或多個鎖相環(huán)提供時鐘信號。因此，鎖相環(huán)的應用可與各類模擬電路相媲美，數字電視、電腦、手機等都離不開鎖相環(huán)。由于電子集成度的提高、鎖相環(huán)出現了頻率增加和線寬的減少的問題[3]，傳統(tǒng)的自校準鎖相環(huán)電荷泵校準穩(wěn)定性較差，無法滿足當前的校準要求。因此提出了復雜環(huán)境中的自校準鎖相環(huán)電荷泵設計方法，以提高校準穩(wěn)定性。

1 復雜環(huán)境下自校準鎖相回路電荷泵優(yōu)化設計

1.1 分析自動校準鎖相環(huán)環(huán)路參數

在設計鎖相環(huán)電荷泵時，需要分析自動校準鎖相環(huán)參數，該參數可以利用時間振蕩采集，采集到的噪聲可以作為參數評估的標準。一般而言，鎖相回路電荷泵有兩個參數，都需要利用鎖相環(huán)噪聲測定，但由于鎖相環(huán)噪聲測定方法較復雜，需要在測試時加入預測因子。將預測因子添加到噪聲源附近，讀取噪聲源附近的異常噪聲，保證采集噪聲數據的可用性，確定其整體輸出的噪聲是否符合參數設計需求。在參數采集時，需要不斷地重復上述過程，最后在鎖相環(huán)的原始噪聲源上增添采集到的噪聲，使得鎖相環(huán)的輸入噪聲超過鎖相環(huán)原始噪聲，實現噪聲的采集。

電荷泵將采集到的噪聲數值輸入到參考時鐘、鑒相器/電荷泵，以及電子壓控振蕩器中。此時，鎖相環(huán)的整體噪聲輸出相位呈現疊加狀態(tài)，即疊加了不同來源的非線性噪聲。鎖相環(huán)傳遞函數的關鍵極點是鎖相環(huán)的階數，即該階數必須由一個環(huán)路壓控濾波器直接提供，因此，一個鎖相環(huán)的總階數高于環(huán)路壓控濾波器階數，低電壓可控功率也在校準信號源附近。

電荷泵鎖定的單相環(huán)電荷可以為整個鎖相環(huán)回路提供穩(wěn)定電流。[4]在實際的射頻應用中，通常會選擇第二階或第三階的低級環(huán)路濾波器，其主要原因是高階的環(huán)路濾波器極性更大，相位裕度更小，易導致回路振蕩。在真正的環(huán)路相環(huán)中，環(huán)路濾波器的電阻和環(huán)路電容之間的相位變動可能會直接影響環(huán)路相位變動裕度，電阻和環(huán)路電容之間的相位變動裕度的影響范圍一般在10%～20%左右。因此，設計的回路必須設計一個可調控參數，以便確定每個相位的精確裕度。[5]

1.2 復雜環(huán)境下設計自校準鎖相回路電荷泵基本模塊

本文的復雜環(huán)境指的是深組合系統(tǒng)，該組合系統(tǒng)利用接收機輔助信號的接收，由慣導信息輔助，在組合系統(tǒng)中，自校準鎖相回路的基本模塊起到了跟蹤作用，該復雜環(huán)境的綜合系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1：復雜環(huán)境綜合系統(tǒng)框圖

在上述復雜環(huán)境中設計電荷泵的第一步是確定參數，在參數確定后，針對不同的應用需求，鎖相環(huán)的基本模塊組成不同，不同模塊之間的相位速度、功耗、抖動頻率，以及捕獲范圍也不同。因此本文在其他條件不斷變化的復雜環(huán)境下，改進鎖相回路，使改進后的回路滿足相互集成關系，除此之外，設計的回路還需要在調諧幅值范圍和速度方面滿足模塊需求。電子壓控振蕩器的輸入信號會因為溫度或其他工藝而發(fā)生改變，因此需要綜合考慮溫度等因素，以此為依據設計電荷泵的基本模塊。[6-7]

為了彌補溫度帶來的回路變化，電子壓控振蕩器輸出信號的頻率和調諧幅值應該比實際應用寬2 倍。在設計電子壓控振蕩器模塊時，需要充分考慮控制線的噪聲影響，這些噪聲會導致控制線的頻率和相位變化，使得電壓增益下降。為了有效地降低噪聲對控制線路的影響，可以盡量降低電子壓控振蕩器的頻率，還需要確保鎖相環(huán)在不同頻率下的穩(wěn)定性不發(fā)生改變，使調諧增益保持在調諧范圍內。[8]除了上述模塊外，還需要設計脈沖式分頻器模塊，該模塊可以比較閾值差異，輸入正確的閾值。鑒相器模塊對輸出頻率信息不敏感，因此當鎖相環(huán)啟動時，振蕩器的輸出頻率相差較大，需要輸入參考信號以平衡頻率差值。

1.3 實現亞采樣電荷泵鎖相環(huán)結構

在電荷泵鎖相環(huán)中，由于環(huán)路濾波器的特殊性，不同的鎖相環(huán)的結構不同，本文設計的電荷泵根據電容電阻需求，將電阻與電容串聯(lián)，增加并聯(lián)電容，降低濾波器的壓力，保證鎖相環(huán)電荷泵校準的穩(wěn)定性，基于此設計的亞采樣結構如圖2所示。

圖2：亞采樣電荷泵鎖相環(huán)結構

由圖2 可知，為了使鎖相環(huán)能夠正確鎖定頻率，在本文設計的結構中還加入了鎖頻環(huán)，由分頻器和三相鑒頻器組成。

2 仿真測試

為了測試本文設計的自動校準鎖相回路電荷泵性能，搭建了仿真測試平臺，將未優(yōu)化前的電荷泵與本文設計的電荷泵進行對比，具體測試內容如下。

2.1 測試準備

搭建的仿真平臺受鎖相環(huán)噪聲性能的限制，需要設計電子壓控振蕩器降低相位噪聲，常規(guī)的電子壓控振蕩器消耗面積較大，電感的集成成本較高，因此，本測試搭建的仿真平臺選用新型電子壓控振蕩器，其具有工藝兼容性好、面積小、多相輸出等優(yōu)點。并在電子壓控振蕩器中加入了延時單元，與TSPC 反相器相比，其具有輸入電容較小的特點，至此完成測試平臺搭建。

2.2 測試結果與討論

在搭建的仿真平臺中，始終保持電荷泵處于泵出/泵入狀態(tài)，獲得其泵出/泵入電流的絕對值，測試的泵出電流與泵入電流如表1所示。

表1：仿真結果

由表1 可知，利用本文設計的自校準鎖相回路電荷泵的泵入電流和泵出電流差異較小，差值在3mA 以內，相較于初始電荷泵的泵入電流和泵出電流差異值更低，證明所提設計方法提高了電荷泵的穩(wěn)定性，改善了電荷泵的性能，其主要原因是，所提方法在考慮電荷泵工作環(huán)境的基礎上對其進行了針對性設計，降低了噪聲、溫度等因素的影響，提高了電流輸出穩(wěn)定性。

3 結束語

CMOS 電荷泵鎖相環(huán)是模擬及數模混合電路中的一個基本并且非常重要的模塊，其能夠跟蹤輸入信號的相位和頻率，并可以輸出鎖定相位、低抖動的其它頻率信號，在通訊、無線電系統(tǒng)、數字電路和磁盤驅動等領域中都是一個必不可少的單元，并且直接決定了整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和各項指標的好壞。隨著集成電路的發(fā)展，電路尺寸在逐漸縮小，自校準回路電荷泵能通過分頻器和環(huán)形振蕩器滿足校準需求，促進了電子產業(yè)的發(fā)展，因此本文對自校準鎖相回路電荷泵進行了優(yōu)化設計，解決了該電荷泵不穩(wěn)定的問題，改善了該電荷泵的性能，為后續(xù)電子校準技術提供參考。