0 引言

電荷泵鎖相環(huán)(Charge Pump Phase Locked Loop，CPPLL)因其易集成、低功耗、大動態(tài)捕獲范圍和小靜態(tài)相位誤差等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于偵測、導(dǎo)航、雷達(dá)、通信等設(shè)備中[1-3]，其性能直接決定系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的好壞。典型CPPLL頻率合成器由鑒頻鑒相器(Phase Frequency Detector，PFD)、電荷泵(CP)、環(huán)路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)和可編程分頻器(DIV)組成，如圖1所示。

PFD是CPPLL的核心部件之一，完成輸入?yún)⒖?a target="_blank">信號與反饋信號(即VCO經(jīng)DIV分頻后的信號)頻率和相位的檢測[4]，產(chǎn)生后級CP充放電電流的開關(guān)控制信號。在該控制信號作用下，CP對LPF充放電，使VCO的調(diào)諧電壓發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而改變VCO的諧振頻率。VCO振蕩輸出信號經(jīng)DIV分頻后參與鑒頻鑒相，由此構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鎖相倍頻功能。通常PFD存在死區(qū)效應(yīng)[5]，鑒相死區(qū)將造成鎖相環(huán)輸出相位抖動，惡化雜散和相噪特性，而減小甚至消除死區(qū)效應(yīng)的主要辦法是改進(jìn)其復(fù)位電路，增加延時(shí)單元，增大復(fù)位延時(shí)treset。但treset增大會使鑒相范圍減小，捕獲速度變慢[6]。

為此，本文基于TSMC 0.18 μm RF CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一款具有數(shù)控延時(shí)單元的PFD，既消除了死區(qū)效應(yīng)，又能保證良好的鑒相范圍和捕獲速度。同時(shí)，采用基于傳輸門和反相器的數(shù)控結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展性和移植性強(qiáng)，對工藝、電壓、溫度等參數(shù)的變化不敏感，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

1 PFD的工作原理

圖1中所示PFD是一種典型的三態(tài)數(shù)字鑒頻鑒相器結(jié)構(gòu)，因其電路簡單而被廣泛應(yīng)用。該P(yáng)FD由兩個D觸發(fā)器和一個與非門組成[4]，實(shí)現(xiàn)輸入?yún)⒖夹盘朢EF和反饋信號FB頻率和相位的比較，輸出與之匹配的UP和DN信號，控制電荷泵的工作狀態(tài)(充電、放電或保持)。

假設(shè)該P(yáng)FD初始狀態(tài)時(shí)，REF和FB都為低電平，當(dāng)REF上升沿先到來時(shí)，由其驅(qū)動的D觸發(fā)器被觸發(fā)，UP變?yōu)楦唠娖健．?dāng)FB上升沿到來時(shí)，由其驅(qū)動的D觸發(fā)器被觸發(fā)，DN變?yōu)楦唠娖健４藭r(shí)UP和DN均為高電平，與非門產(chǎn)生復(fù)位信號，將兩個D觸發(fā)器復(fù)位，UP和DN均變?yōu)榈碗娖健Ｉ鲜鲞^程為REF相位超前時(shí)的PFD的工作情形，由類似分析，可得REF相位滯后時(shí)PFD的工作情形。可得，該P(yáng)FD存在4種工作狀態(tài)，即UP和DN分別為00、01、10和11。其中11是一個瞬時(shí)狀態(tài)，是被禁止的，一旦出現(xiàn)，D觸發(fā)器會因復(fù)位而迅速進(jìn)入00狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖2。

根據(jù)對PFD工作原理的分析，可以預(yù)見其工作波形如圖3所示。當(dāng)REF頻率高于FB頻率時(shí)，UP輸出為不同脈寬的不規(guī)則脈沖信號，DN輸出保持低電平，且頻差越大，UP的均值越大。在UP信號作用下，CP充電支路間斷性開啟，使調(diào)諧電壓升高，從而使VCO頻率往高端調(diào)諧，因此REF和FB信號的頻差減小。此階段為PFD的鑒頻過程。當(dāng)REF和FB信號的頻差減小為零時(shí)，PFD進(jìn)入鑒相工作狀態(tài)。假設(shè)此時(shí)REF頻率等于FB頻率且相位超前，則UP輸出脈寬正比于兩者相位差的周期性脈沖信號，DN輸出保持低電平，UP信號作用又使PFD進(jìn)入鑒頻工作狀態(tài)。在CPPLL頻率合成器未鎖定時(shí)，PFD不停地在鑒頻和鑒相工作狀態(tài)之間動態(tài)調(diào)整，直至達(dá)到頻率合成器鎖定，此時(shí)REF和FB信號的頻率相同，相位同步，從而保證了VCO輸出的頻率和相位穩(wěn)定。REF頻率低于FB頻率以及兩者頻率相同時(shí)，REF相位滯后FB相位情況的工作過程與上述過程類似。

2 PFD電路設(shè)計(jì)與仿真

2.1 PFD的死區(qū)效應(yīng)

上節(jié)著重分析了PFD的工作原理，并得到了其理想工作波形見圖3。當(dāng)輸入?yún)⒖夹盘朢EF與反饋信號FB的相位差很小時(shí)，UP或DN的脈沖寬度非常窄。由于結(jié)點(diǎn)電容的存在，會使得這個窄脈沖無法升到足夠高的電平，從而無法正常開啟電荷泵。即當(dāng)PFD的輸入相位差Δφ小于某個特定值φ0時(shí)，CP沒有充放電電流存在，CPPLL已進(jìn)入鎖定狀態(tài)，但FB信號相位與REF信號相位無法精確同步，VCO輸出信號存在相位抖動，導(dǎo)致相位噪聲和雜散特性惡化。該相位差為-φ0~φ0的區(qū)域被稱為PFD的死區(qū)[5]，是PFD設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)。

2.2 PFD的電路設(shè)計(jì)

為消除死區(qū)，需在PFD復(fù)位支路上增加延時(shí)單元，保證在輸入相位差即使為零的情況下，UP和DN依然存在一定脈寬的脈沖。但考慮到工藝、電壓、溫度等變化，難以準(zhǔn)確給出該延時(shí)的長短。過短的延時(shí)無法有效消除死區(qū)，但過長的延時(shí)又會限制PFD的工作速度，因此需使復(fù)位延時(shí)足夠長，同時(shí)要盡可能短。基于上述考慮，本文設(shè)計(jì)了一種新型數(shù)控延時(shí)單元，通過配置3 bit控制字，實(shí)現(xiàn)8種不同長短的延時(shí)，靈活配置，切換延時(shí)長短，有效消除死區(qū)，優(yōu)化環(huán)路性能，實(shí)際電路如圖4所示。

D觸發(fā)器采用真單相時(shí)鐘（TSPC）邏輯設(shè)計(jì)，見圖4(b)，其結(jié)構(gòu)簡單，速度較快，只有單相時(shí)鐘驅(qū)動，相噪特性較好，且在高頻工作條件下，具有一定的功耗優(yōu)勢[7]。數(shù)控延時(shí)單元結(jié)構(gòu)見圖4(c)所示，由b0、b1和b2三位高低電平控制。假設(shè)傳輸門延時(shí)為TC，兩級反相器延時(shí)為T0，則該延時(shí)單元在3位控制位為000時(shí)，獲得最短延時(shí)為3TC，而在控制位為111時(shí)，獲得最長延時(shí)為3TC+7T0。因此該延時(shí)單元的延時(shí)范圍即為3TC~3TC+7T0，步進(jìn)為T0。合理設(shè)計(jì)傳輸門和反相器的尺寸，能夠獲得較優(yōu)的延時(shí)。同時(shí)，該電路具有占用面積小、結(jié)構(gòu)簡單、易擴(kuò)展和易移植等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 仿真結(jié)果

該P(yáng)FD基于TSMC 0.18 μm RF CMOS工藝設(shè)計(jì)，并在Cadence平臺下，采用Spectre工具進(jìn)行仿真。圖5所示為未加延時(shí)單元時(shí)，PFD的實(shí)際工作波形。可見，由于邏輯門電路的延時(shí)，當(dāng)輸入信號相位差很小時(shí)，存在極窄的脈沖信號，但該信號脈寬很窄，仍然可能會引起死區(qū)效應(yīng)。圖6為增加數(shù)控延時(shí)單元后，b2、b1和b0從000變化到111時(shí)，兩個同頻同相輸入信號作用下，PFD的UP輸出波形，脈沖寬度隨控制位增大線性增加。圖7為b2、b1和b0為100時(shí)，不同頻輸入信號作用下，PFD的輸出波形。圖8為b2、b1和b0為100時(shí)，同頻不同相輸入信號作用下，PFD的輸出波形。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的PFD在同頻同相信號作用下，PFD輸出存在一定脈寬的周期性脈沖，保證電荷泵電路開啟，可以消除死區(qū)，保證REF和FB信號達(dá)到同頻同相，通過改變控制位，能方便調(diào)節(jié)該脈沖寬度，使其保持合適的值。而在不同頻以及同頻不同相信號作用下，PFD也實(shí)現(xiàn)了正確的脈沖輸出，完成鑒頻鑒相功能。

3 結(jié)論

本文闡述了PFD的工作原理及其死區(qū)效應(yīng)，提出了一種基于傳輸門和反相器結(jié)構(gòu)的數(shù)控延時(shí)單元，并應(yīng)用于PFD電路。該延時(shí)單元具有占用面積小、結(jié)構(gòu)簡單、擴(kuò)展性和移植性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景好。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的PFD可以靈活控制延時(shí)長短，消除死區(qū)，實(shí)現(xiàn)了延時(shí)時(shí)間足夠長又盡可能短的設(shè)計(jì)目標(biāo)。