國產鎖相環集成電路74HC4046SN的穩定性分析與應對措施

中國電子科技集團公司三十所 張曉龍

當前在國產化芯片日益普及的情況下，許多國產設備大量采用了國產化芯片，給我們民族工業帶來了進步和發展，國產化芯片質量品質在近幾年也得到了大步提升，為大國裝備制造的質量品質奠定了基礎。

國產芯片的使用過程中也會出現各種各樣的問題，要根據問題特點進行認真分析，以便提高整機設備的可靠性，下面就使用我國某研究所生產的集成電路74HC4046SN設備的低溫可靠性進行分析總結。

1 集成電路74HC4046SN原理特性

鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環系統叫做鎖相環（簡稱PLL），是將兩個不同相位的信號通過壓控振蕩器同步鎖定在相同相位。它廣泛應用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術領域。鎖相環主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）、低通濾波器三部分組成，如圖1所示。

圖1 鎖相環主要組成部分

壓控振蕩器的輸出UO接至相位比較器的一個輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來的平均電壓Ud大小決定。施加于相位比較器另一個輸入端的外部輸入信號Ui與來自壓控振蕩器的輸出信號UO相比較，比較結果產生的誤差輸出電壓UΨ正比于Ui和UO兩個信號的相位差，經過低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個平均值電壓Ud。這個平均值電壓Ud朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號頻率獲得一致，這時兩個信號的頻率相同，兩相位差保持恒定（即同步）即稱作鎖定相位。

國產集成電路74HC4046SN主要性能指標：

工作溫度范圍：-40℃～85℃，電源電壓：3～6V，傳輸延遲時間：≤53ns，≤102ns，輸出高電平電壓≥3.15V，輸出低電平電壓≤1.35V，輸入高電平電壓≥4.4V，輸入低電平電壓≤0.1V，電源電流≤160μA，最大允許功耗：500mW。

壓控電路原理圖，如圖2所示。

圖2 VCO壓控振蕩器電路原理圖

2 國產集成電路74HC4046SN使用的穩定性情況

經對大量國產集成電路74HC4046SN的使用，總體上質量較好，符合軍標試驗條件并滿足試驗要求，但也出現個別批次高低溫條件下不穩定的情況，出現批次差異。使用我國某研究所生產的74HC4046SN共9個批次6000片的統計情況，合格批次7個，不合格批次2個，不合格比例18%，表現為約8%～20%的器件在高溫或者低溫時鎖相失敗。

對于表現為高溫或低溫極限溫度下相位不能鎖定的器件，同一批次只發生高溫失敗而低溫則正常，低溫失敗的則高溫正常。

3 鎖相環電路參數溫度穩定性分析

不穩定狀態與配置電阻有關，在極限高低溫環境下，要通過鎖相環電路將兩個信號相位鎖定輸出，應關注的是輸入輸出信號Ain、Bin、out及配置電阻R1、R2，通過輸入輸出信號的頻率等參數計算制定配置電阻，在極限溫度條件下參數會發生變化，超出極限后導致鎖相失敗，若隨之調整配置電阻在一定的適配范圍，電路會正常工作。

根據芯片資料，設計目標輸出頻率（PLL_4.096MHz）的計算公式簡化如下：

其中VCOin對應9腳的輸入電壓，是芯片內部VCO的壓控端；M1、M2、Vref和Vramp均為芯片固有參數，其中Vref和Vramp相對固定，分別是Vref—4.4V、Vramp—1.8V；M1取值6～7之間，計算參考值6.2；M2取值6～8之間，計算參考值取7.0。

對于給定的芯片參數，R1決定芯片輸出頻率的動態可調可鎖范圍，R2決定芯片的最低輸出頻率邊界。

由于VCOin電壓值決定了芯片內部VCO輸出頻率的動態變化，實際工作中，芯片通過當前相位鎖定狀態給出13腳電壓，經LPF濾波電路決定VCOin壓控端電壓，微調內部VCO輸出頻率，達到調整相位與輸入時鐘同步的目的。

4 國產集成電路74HC4046SN的穩定性問題解決辦法及應對措施

經對對不穩定的鎖相環電路深入分析，得到參數變化影響電路工作的機制：在不穩定時，集成電路74HC4046SN的參數M1和M2變化，標定參數為6≤M1≤7和6≤M2≤8（M1=6.2，M2=7），變化后的參數（M1=6.7，M2=8），標定值發生偏移到達臨界，在配置電阻設置不能適應變化時，發生鎖頻失敗。74HC4046SN的參數M1和M2符合其產品手冊的規定，但其參數一致性特別是高低溫的一致性穩定性需得到提高。

目前從幾個方面進行解決：

（1）生產廠家對參數一致性進行篩選，將較大偏差和離散的器件篩選出去。

（2）在國產器件應用時，應充分考慮到各種因素，采用多種手段優化配置應用電路，將配置電阻重新計算和調整，使之更符合使用要求。

（3）通過生產工藝的提高達到參數較為一致和穩定的器件。廠家對參數一致性進行篩選，將增大廠家負擔，并非長久解決之道，廠家應分析產生參數高低溫不穩定不一致的原因，提高生產工藝技術，獲得品質的提升。

總結：對于國產化鎖相環集成電路穩定性分析，發現個別批次存在參數一致性稍差的情況，要針對這一情況特別對待，通過篩選、修改配置電阻等手段可以彌補個別器件參數偏差導致的不足，更寄希望于生產廠家提高生產工藝技術，提升器件的品質。