10CMOS模拟锁相环解析

AnalogandMix-SignalIntegratedCircuitDesign--CMOS模拟锁相环电路设计西安电子科技大学微电子学院刘帘曦参考书目《模拟CMOS集成电路设计》Behzad.Razavi著，陈贵灿等译西安交通大学出版社，2002《锁相技术》张厥盛，郑继禹，万心平西安电子科技大学出版社，1994《CMOS电路设计、布局与仿真》R.JacobBakeretc机械工业出版社历史回顾锁相技术是实现相位自动控制的一门科学,是专门研究系统相位关系的技术；锁相技术的发展距今已有三百多年历史了。早在1665年，惠更斯（Huygens）第一次给出了两个振荡器之间出现相位锁定的物理解释,1932年贝尔赛什第一个公开发表了锁相环路的数学描述，提出了同步检波理论；1940年锁相技术第一次成功地应用于电视机水平扫描行同步装置中，它可以抑制外界噪声对同步信号的干扰，使电视图象的同步性能得到很大改善。课程安排锁相技术的基本概念模拟锁相环的典型结构CMOS模拟锁相环的工作原理模块化的CMOS模拟锁相环系统模型、设计方法锁相的概念提出在一般的自动频率控制或自动频率微调技术中,因存在固有的频率误差而不能满足同频要求。要保持两个振荡信号的频率相等，必须保持着两个信号的相位差恒定。即，如果能保证两个信号之间的相位差恒定，那么必然保证两个振荡器的频率相等，这种现象称为频率同步或相位锁定。这是锁相技术最基本的概念，也是锁相技术的理论基础。锁相的概念为什么要锁相环？–实现频率的完全一致有哪些应用？–频率倍增、合成；减小时钟偏移（skew）,抖动（Jitter）直观理解–汽车的“定速巡航”模拟锁相环结构锁相环是一个闭环相位自动控制系统，能够实现两个电信号的相位锁定（频率同步或者倍增）。锁相环由四个基本的部件组成：鉴频鉴相器，电荷泵，低通滤波器和压控振荡器（倍频时需要用到分频器）。不同频率信号的相位关系（1）()[][]()eiiooioiotttt信号的矢量化：幅度、相位、角速度和时间()[()]()()eioioioioiodtdtdtddtdtdtdt不同频率信号的相位关系（2）当输入角频率与输出角频率不同时，输入输出信号的瞬时相位差将随时间无限增大，也即输入信号矢量和输出信号矢量将相对旋转，这就是系统的失锁状态。只有当输入输出信号的频率相等的时候，两矢量角速度相同，夹角保持不变，这就是系统进入了锁定状态。()eiodtdt捕获从输入信号加到锁相环的输入端开始，一直到环路达到锁定的全过程，被称之为捕获过程。在绝大部分情况下输入信号频率与压控振荡器自由频率不相同，如果没有相位跟踪系统的作用，两信号之间的相差将随时间不断增长。假如固有频差在一定范围之内，依靠锁相环路的相位跟踪作用，会迫使输出信号的相位跟踪输入信号相位的变化，这样，两信号之间的相位差将不会随时间无限增长，而是最终会使两者的相位差保持在一个有限的范围之内，这个过程就是锁相环路的捕获过程。捕获带捕获过程完成之后系统就进入同步状态。捕获过程所需要的时间称为捕获时间Tp。捕获时间的大小不但与环路的参数有关，而且与起始状态有关。对于一定的环路来说，是否能通过捕获而进入同步状态完全取决于起始的频差。如果起始的频差超过某一范围，环路就不能捕获了。这个范围的大小也是锁相环路的一个重要指标，它表征了环路能通过捕获过程而进入同步状态所允许的最大固有频差，称为环路的捕获带。也可以说捕获带就是：当锁相环处于失锁状态，输入信号的频率缓慢靠近压控振荡器的自由振荡频率时，系统能进入同步状态的频率范围。锁定当捕获过程结束，环路达到稳定，这就是同步状态的定义。同步状态往往也被称为锁定状态。当环路输入为固定频率信号，且环路进入同步状态以后，环内压控振荡器的振荡频率已等于输入信号的频率，即输出信号已锁定在输入信号上，两信号之间只差一个固定的相位，这就是锁定以后的稳态相差，它是一个很小的值。当系统处于锁定状态，输入参考频率缓慢变化，偏离压控振荡器的自由振荡频率，系统仍然能维持锁定的频率范围称为锁定范围。通常锁定范围也被定义为能够保持锁定状态所允许的最大固有频差。锁相环路正常工作时的特性（1）锁定状态无剩余平均频差存在；（2）良好的窄带滤波跟踪特性；（3）良好的调制跟踪特性；（4）门限性能良好；（5）易于集成化。CMOS模拟锁相环的模块化设计根据前面讲的模拟锁相环功能结构对其进行模块化设计1.鉴频鉴相器的设计2.电荷泵和低通滤波器的设计3.压控振荡器的设计4.系统传输函数的推导鉴频鉴相器的模型鉴频鉴相器的理想波形和数学模型Re()[()()]outpfdfBakVsKss建立的数学模型()()pfdpfdVsks检测输入信号与反馈信号之间的相位差。它的平均输出与其两个输入的相位差成线性比例。在这种理想的状态下，平均输出和输入相差之间的关系是直线，并且在输入相差为零时该直线通过原点。这条直线的斜率就是鉴相器的增益。死区-时钟抖动（DeadZone-Jitter）Phaseerroroutput仿真结果图1Vref频率高于Vb图2Vref频率低于Vb电荷泵和环路低通滤波器PFD输出的逻辑状态应转化为模拟量并滤波后来驱动压控振荡器。这种转化是通过电荷泵和低通滤波器来实现的。电荷泵的输出是电流，低通滤波器起到了一个把电流信号转化成电压信号的作用，另外滤波器把电荷泵输出电流中的高频分量滤除，减小了压控振荡器控制信号的噪声，提高了输出频谱的纯度。电荷泵几个设计要点整个控制电压范围内，充电电流和放电电流保持相等：目的是减小相位误差，因为电荷的积累会造成电压的波动；开关动作时要与VCO控制电压隔离，防止开关动作产生的噪声耦合到VCO的控制电压上：目的是减小时钟抖动；对电源变化不敏感：目的是提高环路的稳定性。电荷泵的数学模型()()()cpcppfdpfdcpIskVskks电荷泵的本质是将PFD输出的逻辑电压转换成电流；因此由电流源/沉和开关组成，其输出电流依然是离散而非连续的。电荷泵的增益与充放电电流大小成正比。环路低通滤波器的数学模型121212121211()()11()1()()()()concpcpcpRsCsCVIsRsCsCsRCIssRCCsCCIsFs12121120,,CCppRzRCCC电荷泵＋低通滤波器实际电路C2一般取C1的1/5到1/10，可以保证闭环的时间和频率响应相对不变。仿真结果压控振荡器的数学模型（1）压控振荡器是一个电压－频率的转换器件，其输出是一个周期性信号，这个信号的频率是输入控制电压的函数。convcooutVK0压控振荡器的数学模型（2）()()outvcocontkVtdt()()conoutvcoVssks实际电路设计压控电流饥饿型环型振荡器，它的基本原理与反相器组成的环型振荡器工作原理相同。仿真结果开环传输函数与闭环传输函数的关系联立上述各式，锁相环系统的开环传递函数为：()()()()pfdcpvcooutKKKFssGsss1212121()()sRCFssRCCsCC其中，锁相环的系统数学模型(1)因此，锁相环的线性化闭环传输函数为：1()1()pfdcpvcoHssKKKFs)(1)()(sGsGsH由信号与系统的知识可知开环传递函数G(s)闭环传输函数H(s)有如下关系:锁相环的系统数学模型(2)(s)outvcoconKV00()()outpfdcpvcosKKKFs关于相位误差:因为：所以有：()()()conpfdcpVskksFs1、输入频率变化，则相位误差变化；2、为了减小相位误差，PFD和VCO的增益应尽可能大。CMOS模拟锁相环整体电路整数分频器0~63整数分频器电路（D触发器级联只能得到2的幂的分频）：整数分频器仿真25分频仿真波形CMOS模拟锁相环整体电路仿真结果CMOS模拟锁相环版图设计小结模拟锁相环是模拟集成电路中非常重要的一个模块电路；模拟锁相环本身构成了一个系统，因此在设计的时候可以用系统的方法来对其进行分析；了解和掌握模拟CMOS锁相环的结构、工作原理，会用分模块的方法推导模拟锁相环系统的传输函数。Thanks！西安电子科技大学