鎖相環(huán)（phase-locked loop,PLL）是一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地產(chǎn)生一系列與參考頻率同相位的頻率信號，是現(xiàn)代通信及電子領(lǐng)域中必不可少的系統(tǒng)之一，通常被用于頻率合成、同步信號產(chǎn)生、時(shí)鐘恢復(fù)以及時(shí)鐘產(chǎn)生等。電荷泵鎖相環(huán)（charge pump phase-locked loop,CPPLL）因其自身所具有的開環(huán)增益大、捕獲范圍寬、捕獲速度快、穩(wěn)定度高和相位誤差小等優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域中。

在整個(gè)電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)中，電荷泵電路起著非常關(guān)鍵的作用。傳統(tǒng)的電荷泵電路，其內(nèi)部存在的一些非理想因素直接影響著整個(gè)環(huán)路的工作性能，如存在電荷泄漏、電流失配、電荷共享、時(shí)鐘饋通等問題，會(huì)導(dǎo)致壓控振蕩器輸出頻率產(chǎn)生抖動(dòng)和相位發(fā)生偏差。

本文首先介紹了鎖相環(huán)系統(tǒng)的工作原理，其次重點(diǎn)分析了傳統(tǒng)電荷泵電路存在的一些不理想因素，并在此基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型的電荷泵電路，減小了鎖相環(huán)的相位誤差。此外，通過設(shè)計(jì)倍頻控制模塊，擴(kuò)大了鎖相環(huán)的鎖頻范圍。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

電荷泵鎖相環(huán)通常由鑒頻鑒相器（PFD）、電荷泵電路（CP）、低通濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）以及分頻器（FD）構(gòu)成。本文設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，環(huán)路具體工作原理為：通過檢測PFD輸入端的參考信號fref與環(huán)路反饋信號fdiv的相差和頻差，輸出相應(yīng)的電壓信號VUP和VDN,來控制CP的工作狀態(tài)。電荷泵電路將UP和DN信號轉(zhuǎn)換為壓控振蕩器的控制電壓VC輸出。VC通過LPF濾除高頻分量，輸出直流電平，最終作為壓控振蕩器的控制信號。隨著鑒頻鑒相器的兩路輸入信號間的頻差與相差不斷減小，VC為某一恒定的電壓值時(shí)，環(huán)路達(dá)到鎖定狀態(tài)。

圖1 電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)時(shí)增加了倍頻控制（multiple frequencycontrol,MFC）模塊，與分頻器和壓控振蕩器配合使用，通過控制位的邏輯輸入，一方面可以編程鎖頻倍數(shù)，控制整個(gè)環(huán)路的倍頻數(shù)；另一方面可以控制VCO差分延遲單元的跨導(dǎo)，從而改變VCO的電壓增益調(diào)節(jié)其輸出范圍。

圖2 給出了圖 1電路的線性等效模型。圖中：Ip為電荷泵電流；F（s）為濾波器傳輸函數(shù)；KVCO為壓控振蕩器的增益；N為分頻比；φin為輸入?yún)⒖枷辔?；φout為輸出相位；φdiv為分頻后的反饋相位。

圖2 電荷泵鎖相環(huán)線性等效模型

可推出整個(gè)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)H（s）為

式中s為拉普拉斯變換式中的復(fù)變量，濾波器傳輸函數(shù)F（s）可以進(jìn)一步表示為

式中：R,C1和C2分別是圖1中相應(yīng)的電阻和電容值。由式（2）可以看出濾波器傳輸函數(shù)F（s）為二階線性系統(tǒng)，對于二階線性系統(tǒng)來說，其傳輸函數(shù)的分母可以表示為ζ2+2ζωn+ωn2,其中ωn是固有頻率，ζ是阻尼系數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)為了減少環(huán)路的抖動(dòng)，同時(shí)保證環(huán)路工作的穩(wěn)定性，一般將環(huán)路固有頻率ωn設(shè)計(jì)為參考頻率的1/10~1/20,阻尼系數(shù)ζ設(shè)計(jì)為0.3~0.7.

2 電荷泵電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電荷泵電路如圖3所示，電流源Iref通過電流鏡像為M2和M7提供與Iref成比例的鏡像電流IUP和IDN.PFD的輸出邏輯信號VUP和VDN控制開關(guān)管M3和M4的導(dǎo)通與關(guān)斷，M3和M4交替導(dǎo)通給濾波電容CC充放電得到電荷泵輸出電壓VC.然而，由于MOS器件以及電路結(jié)構(gòu)所具有的一些非理想因素，該電路存在充放電電流失配、電荷共享和時(shí)鐘饋通等問題。

圖3 用于鎖相環(huán)的傳統(tǒng)電荷泵電路

傳統(tǒng)電荷泵電路的充放電電流是由普通電流鏡提供的，其中M1和M2構(gòu)成充電電流鏡，M5和M7構(gòu)成放電電流鏡，理想的情況是充放電流能保持一致。然而工作在飽和區(qū)的電流鏡MOS器件受到溝道長度調(diào)制效應(yīng)的影響，鏡像電流會(huì)隨源漏壓差的變化而變化。具體來說，一方面，M6和M7的鏡像電流會(huì)因它們的漏極電壓不同而不同，進(jìn)而造成電荷泵充放電電流不同；另一方面，VC電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，M2和M7輸出的充放電電流也不能保持一致。

由于電流失配所造成的相位誤差可表示為

式中：ICP是設(shè)定的電荷泵電流大?。沪CP為電荷泵的失配電流；Δton是PFD電路產(chǎn)生的導(dǎo)通時(shí)間；Tref為基準(zhǔn)周期。從上式可以看出，電流失配值對相位誤差的影響是成正比關(guān)系的，因此，消除電荷泵電路中的電流失配就顯得尤為重要。

在電荷泵充放電周期中還存在電荷共享和時(shí)鐘饋通現(xiàn)象的影響。在充電時(shí)M3導(dǎo)通，M2的漏端電壓降低到VC值，同時(shí)M4關(guān)斷，M7的漏端電壓降低到零；在放電時(shí)M3關(guān)斷，M2的漏端電壓升高到VDD值，同時(shí)M4導(dǎo)通，M7的漏端電壓升高到VC值。由于M2和M7的漏極存在寄生電容，其在充放電周期中就會(huì)吸收和釋放電荷，因此會(huì)影響電荷泵的輸出，這一現(xiàn)象稱為電荷共享。另外，在充放電周期中，M3和M4柵極寄生電容在時(shí)鐘信號的驅(qū)動(dòng)下也會(huì)產(chǎn)生電荷的釋放和吸收現(xiàn)象，從而影響電荷泵輸出，這一現(xiàn)象又稱為時(shí)鐘饋通。

針對傳統(tǒng)電荷泵電路中存在的電流失配、電荷共享和時(shí)鐘饋通的問題，本文提出了一種改進(jìn)型的電荷泵電路，如圖4所示。

圖4 用于鎖相環(huán)的改進(jìn)型電荷泵電路

如圖4所示，首先為了抑制開關(guān)管時(shí)鐘饋通現(xiàn)象，將開關(guān)管M8和M2與電流鏡管M6和M4的位置進(jìn)行交換，這樣可以有效降低開關(guān)管漏極電壓的變化幅度。同時(shí)，增加了開關(guān)管M1,M7和M9來分別匹配M2,M8和M10,以消除電流鏡像的誤差。

此外，增加的開關(guān)管M11和M12分別與M8和M2反相導(dǎo)通，這樣就可以抵消時(shí)鐘饋通和電荷共享現(xiàn)象產(chǎn)生的電荷。

針對電流鏡失配的問題，采用了負(fù)反饋的方式來抑制充放電電流鏡的失配。具體做法是，M5,M6和M10構(gòu)成電流鏡將基準(zhǔn)電流Iref鏡像后由M6輸出電荷泵的充電電流。M5的漏極電流流過M3,然后M3與M4構(gòu)成的電流鏡由M4輸出電荷泵的放電電流。放大器OP的引入，在VX節(jié)點(diǎn)形成負(fù)反饋，就可以嚴(yán)格保證VX=VC,這樣幾乎完全消除了電流鏡漏極電壓的不同帶來的充放電電流失配問題。

另外，開關(guān)管M11和M12的漏極連接到了VX節(jié)點(diǎn)，因?yàn)閂X=VC,所以M11和M12的漏極電壓也等于VC,這樣做既匹配了時(shí)鐘饋通和電荷共享現(xiàn)象產(chǎn)生的電荷，又避免了M11和M12的漏極直接連接到VC對電荷泵輸出的影響。

放大器OP采用了軌對軌結(jié)構(gòu)，以保證輸入和輸出電壓的擺幅范圍，以增大電荷泵輸出電壓的線性范圍。電容C1的引入，既具有穩(wěn)定負(fù)反饋環(huán)路的作用，又起到濾波VX電壓毛刺干擾的作用。

3 其他模塊電路設(shè)計(jì)

3.1壓控振蕩器

由于折疊式差分環(huán)形壓控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)簡單、控制線性度好和噪聲小，所以本次設(shè)計(jì)的壓控振蕩器采用四級差分延時(shí)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 壓控振蕩器電路

壓控振蕩器差分延時(shí)單元如圖6所示。延遲單元的線性度和延遲時(shí)間范圍決定了壓控振蕩器的線性度和頻率范圍。為了最大化利用電荷泵輸出電壓的范圍，以提高鎖相環(huán)的噪聲抑制能力，在壓控振蕩器延遲單元設(shè)計(jì)上采用了分段線性的方式，將延遲時(shí)間分成三段控制。控制電壓VC分別控制MOS管M7,M8和M9的柵極電壓，以形成3路不同電流來控制延遲單元的線性范圍。其中M10,M11和M12作為開關(guān)管由圖1中的MFC單元產(chǎn)生邏輯信號進(jìn)行控制，根據(jù)頻率范圍的不同選擇其中一路的電流路徑。為了改善受控電流隨控制電壓VC的線性度，為M7,M8和M9增加了源極負(fù)反饋電阻，經(jīng)驗(yàn)證優(yōu)化的阻值分別為0.4,5和50kΩ。另外，為了提高壓控振蕩器的工作頻率，增加了M7的管子個(gè)數(shù)，設(shè)計(jì)中選取M7的管子個(gè)數(shù)是M8和M9的4倍。此外，延遲單元的最后一級增加了一緩沖級，將雙端輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出。

3.2鑒頻鑒相器

鑒頻鑒相器電路如圖7所示，它由兩個(gè)帶復(fù)位功能的D觸發(fā)器構(gòu)成，設(shè)計(jì)時(shí)在信號路徑上增加了傳輸門單元，用來匹配UP和DN控制信號之間的延遲。電路采用高電平實(shí)現(xiàn)復(fù)位，鑒相范圍為-2π~2π。通過改變反相器的尺寸，可以調(diào)節(jié)復(fù)位脈沖延時(shí)寬度，消除鑒相死區(qū)，提高鑒相精度。

圖6 壓控振蕩器差分延遲單元

圖7 鑒頻鑒相電路

4 結(jié)果分析

本文提出的電荷泵鎖相環(huán)電路基于 Dongbu HiTek 0.18 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，采用Hspice模型進(jìn)行了詳細(xì)的仿真驗(yàn)證。

圖8是典型模型下電荷泵充放電電流匹配性仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明，輸出電壓在0.25~1.5 V變化時(shí)，電荷泵的充放電電流一致性保持很好。表1給出了在不同工藝角、不同輸出電壓下，電荷泵充放電電流的相對失配量（或相對誤差δi,用百分比表示），由表1的數(shù)據(jù)可以看出，本文改進(jìn)的電荷泵電路有效抑制了充放電電流的失配。

圖8 電荷泵電流匹配性仿真結(jié)果

表1 不同工藝角下電荷泵充放電電流的相對失配量（δi）

圖9給出了壓控振蕩器的控制電壓與輸出頻率關(guān)系的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，按照輸出頻率的不同，延遲單元產(chǎn)生的三段不同的線性度，分別對應(yīng)圖6中的接0.4,5和50 kΩ電阻的電流路徑。該線性范圍大致可以分為：25~120 MHz為第一段；120~650 MHz為第二段；650 MHz~2.2 GHz為第三段。第一和第二階段的線性范圍較寬，而第三階段進(jìn)入高頻后線性范圍有所下降，但總體來看所采用的分段線性控制實(shí)現(xiàn)了較好的效果。

圖9 壓控振蕩器的控制電壓與輸出頻率關(guān)系曲線

圖10給出了鎖相環(huán)建立過程的仿真波形，圖中給出的是VCO控制電壓的波形，在輸入?yún)⒖碱l率為31.5 MHz、頻率反饋設(shè)置為32分頻時(shí)，系統(tǒng)鎖定時(shí)間約為1.5μs.MFC模塊的采用和壓控振蕩器分段線性的處理有效擴(kuò)展了鎖頻范圍，輸出頻率在25 MHz~2.2 GHz內(nèi)可調(diào)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過選擇常用晶振頻率和整數(shù)分頻倍數(shù)獲得更多的輸出頻率。圖11和圖12分別給出了輸出頻率在100 MHz~2.2 GHz變化時(shí)，鎖相環(huán)的捕獲時(shí)間tcap和穩(wěn)態(tài)相對相位誤差δp的變化曲線。結(jié)果表明，在100MHz~2.2GHz的輸出頻率范圍內(nèi)，鎖相環(huán)的捕獲時(shí)間小于2μs,相位相位誤差小于0.6%.

圖10 鎖相環(huán)建立過程的瞬態(tài)仿真波形

圖11 捕獲時(shí)間（tcap）與輸出頻率的對應(yīng)關(guān)系曲線

圖12 穩(wěn)態(tài)相對相位誤差（δp）與輸出頻率的對應(yīng)關(guān)系曲線

5結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種寬頻率范圍的CMOS鎖相環(huán)（PLL）電路，通過提高電荷泵電路的電流鏡鏡像精度和增加開關(guān)噪聲抵消電路，有效地改善了傳統(tǒng)電路中由于電流失配、電荷共享、時(shí)鐘饋通等導(dǎo)致的相位偏差問題。另外，設(shè)計(jì)了一種倍頻控制單元，通過編程鎖頻倍數(shù)和壓控振蕩器延遲單元的跨導(dǎo)，有效擴(kuò)展了鎖相環(huán)的鎖頻范圍。該電路基于Dongbu HiTek 0.18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明，在1.8 V的工作電壓下，電荷泵電路輸出電壓在0.25~1.5 V變化時(shí)，電荷泵的充放電電流一致性保持很好，在100 MHz~2.2 GHz的輸出頻率內(nèi)，頻率捕獲時(shí)間小于2μs,穩(wěn)態(tài)相對相位誤差小于0.6%.

在環(huán)路中增加了倍頻控制模塊MFC和壓控振蕩器分段處理，有效擴(kuò)展了鎖頻范圍。該電路基于Dongbu HiTek 0.18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了全面的仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：輸出頻率在100 MHz~2.2 GHz內(nèi)變化時(shí)，頻率鎖定時(shí)間和相位誤差都得到了有效控制，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。