基于電荷泵鎖相環(huán)技術(shù)的電路鎖定檢測的基本原理和設(shè)計實現(xiàn)

1 概述

在各種鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)中，電荷泵鎖相環(huán)因其穩(wěn)定性高，捕獲范圍大，便于集成等特點而別廣泛應(yīng)用于無線通信、頻率綜合器和時鐘恢復(fù)電路中。隨著芯片設(shè)計集成化和電路設(shè)計的簡潔化，鎖相環(huán)芯片通常都集成了環(huán)路鎖定檢測電路。

電荷泵鎖相環(huán)的鎖定檢測電路設(shè)計，包括模擬鎖定檢測和數(shù)字鎖定檢測兩種方法。其中，模擬檢測電路采用經(jīng)鑒頻鑒相器PFD 輸出的相位誤差，產(chǎn)生脈沖信號對外部電容進行充電和放電，需要較長的時間以達到穩(wěn)定的電平輸出，以指示當(dāng)前鎖相環(huán)狀態(tài)是鎖定或失鎖，在電路設(shè)計方面不夠靈活并缺乏精確判斷鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)，限制了其應(yīng)用范圍。數(shù)字鎖定檢測方法具有準(zhǔn)確性高、可編程性且電路設(shè)計易于實現(xiàn)等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。目前，電荷泵鎖相環(huán)的數(shù)字鎖定指示電路設(shè)計中，通常采用在鑒頻鑒相器PFD 電路中檢測經(jīng)過分頻后的參考時鐘輸入和同樣經(jīng)分頻后的本振反饋信號的相位誤差來實現(xiàn)，當(dāng)相位誤差超過某個鎖定檢測窗口時，鎖相環(huán)電路就上報失鎖指示信號。本文介紹了電荷泵鎖相環(huán)電路鎖定檢測的基本原理，通過分析影響鎖相環(huán)數(shù)字鎖定電路的關(guān)鍵因子，推導(dǎo)出相位誤差的計算公式。并以CDCE72010 為例子，通過實驗驗證了不合理的電路設(shè)計或外圍電路參數(shù)是如何影響電荷泵鎖相環(huán)芯片數(shù)字鎖定指示的準(zhǔn)確性。

2 電荷泵鎖相環(huán)電路的數(shù)字鎖定檢測原理

相位誤差是數(shù)字鎖定檢測原理的最關(guān)鍵參數(shù)，下面分析了電荷泵鎖相環(huán)電路中相位誤差的來源，以及數(shù)字鎖定檢測電路是如何基于相位誤差實現(xiàn)的。

2.1 PFD、電荷泵電流和相位誤差

典型的電荷泵鎖相環(huán)電路（如TI 的CDCE72010）的PFD 工作原理如圖1 所示。當(dāng)送達PFD 的參考

時鐘輸入超前本振時鐘輸入時，PFD1 就輸入一個高脈沖寬度的信號；反之，則在PFD2 輸出一個高脈沖電平寬度，通過PFD1 和PFD2 的脈沖信號以控制電荷泵電流的灌入和流出，經(jīng)后級低通濾波器后，產(chǎn)生不同的壓控電壓以控制外部振蕩器的輸出，達到負(fù)反饋的穩(wěn)定。通常PFD 電路是通過比較參考時鐘和本振時鐘上升沿之間的時延，該時延稱之為相位誤差。在電路處于鎖定狀態(tài)時，該相位誤差也就是鎖相環(huán)的穩(wěn)態(tài)相差參數(shù)。

2.2 數(shù)字鎖定檢測原理

數(shù)字鎖定檢測的基本原理就是比較相位誤差和預(yù)先設(shè)定的鎖定檢測窗口TLock_Window，一旦相位誤差在連續(xù)N 個周期里均落在預(yù)先設(shè)定的檢測窗口以內(nèi)，數(shù)字檢測電路就指示該鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)；而在鎖定狀態(tài)下，一旦相位誤差超出所設(shè)定的檢測窗口，數(shù)字檢測電路就指示該鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài)。

圖3 是CDCE72010 器件數(shù)字鎖定檢測電路示意圖，當(dāng)CDCE72010 處于鎖定狀態(tài)時，鎖定指示信號PLL_LOCK Output 輸出為高電平。其中，N 的取值可以是1、16、64 或256，鎖定檢測窗口可選范圍很寬，從1.5ns 到28.6ns（常溫條件下），可以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場合的需求。

3 數(shù)字鎖定電路設(shè)計

由于數(shù)字鎖定檢測電路是通過分析鎖相環(huán)的相位誤差是否落在預(yù)設(shè)的鎖定檢測窗口范圍進行鎖定指示判斷，而鎖相環(huán)的應(yīng)用場景復(fù)雜，實際應(yīng)用中的電路設(shè)計差異性較大，相位誤差參數(shù)受鎖相環(huán)電路設(shè)計的影響較大，不恰當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計和外圍器件選型可能產(chǎn)生較大的相位誤差并超出鎖相環(huán)芯片的最大鎖定檢測窗口。因此，需要根據(jù)特定鎖相環(huán)配置和外圍電路選擇合適的檢測窗口，或者根據(jù)檢測窗口要求設(shè)計合適的鎖相環(huán)環(huán)路參數(shù)和外圍電路。本節(jié)分析了影響鎖相環(huán)鎖定時相位誤差的關(guān)鍵參數(shù)，重點探討了如何可靠地設(shè)計數(shù)字鎖定指示電路。

3.1 電荷泵鎖相環(huán)電路鎖定狀態(tài)下的相位誤差分析

圖4 是基于CDCE72010 的電荷泵鎖相環(huán)電路漏電流模型，包括了無源濾波電路和本地壓控振蕩器VCO 或VCXO。理想情況下鎖相環(huán)電路的相位誤差應(yīng)為0，但由于元器件的非理想特性，存在以下幾種漏電流：電荷泵漏電流I1、濾波電路的電容C1、C2 和C3 引入的漏電流I2 和本地壓控振蕩器引入的漏電流I3，這些漏電流（I1 + I2 + I3）均將影響環(huán)路鎖定狀態(tài)下的相位誤差。

當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時，設(shè)相位誤差為Δt，電荷泵輸出脈沖寬度為Δt 幅度為Icp 的電流，則在一個鑒相周期T 內(nèi)在后級低通濾波電容上積累的電荷量為Q1=Δt? Icp。同時，在一個鑒相周期內(nèi)，鎖相環(huán)電路的漏電流泄漏的電荷為Q2 = T? （I1+I2+I3）。鎖定狀態(tài)下的壓控電壓保持穩(wěn)定，則經(jīng)電荷泵補充的電荷Q1 應(yīng)等于漏電流泄漏掉的電荷Q2，即：

其中， 為鎖相環(huán)電路的鑒相頻率。

圖4 CDCE72010 電路中影響相位誤差的漏電流模型

在圖4 所示的漏電流模型中， I1 是鎖相環(huán)芯片引入了，CDCE72010 的電荷泵漏電流指標(biāo)是小于100nA，目前普通陶瓷電容的漏電流I2 也遠小于100nA，而壓控振蕩器的漏電流I3 則可以等效為流過壓控輸入端輸入阻抗的電流，不同規(guī)格的振蕩器，該指標(biāo)差異較大，通常是達到uA 級別。因此，壓控振蕩器的等效輸入阻抗參數(shù)是影響鎖相環(huán)鎖定下相位誤差的關(guān)鍵來源。

在采用CDCE72010 的鎖相環(huán)電路中，通常采用電源電壓為3.3V 的壓控振蕩器VCO/VCXO，其鎖定時的壓控電壓Vctrl 一般穩(wěn)定在1.65V 附近。根據(jù)式（1），若忽略I1 和I2 漏電流，則在鎖定狀態(tài)下由VCO/VCXO 輸入阻抗引入的相位誤差為：

根據(jù)式子（2）可以看出，為了減小鎖定時的相位誤差，可以盡可能地提高鎖相環(huán)的鑒相頻率f PFD 、電荷泵電流Icp、以及壓控振蕩器的輸入阻抗Ri。

3.2 數(shù)字鎖定檢測電路設(shè)計和實驗測試

在數(shù)字鎖定檢測電路設(shè)計中，必須嚴(yán)格確保鎖定時的相位誤差Δt 小于鎖定檢測窗口TLock_Window，

否則數(shù)字鎖定指示信號就將出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。根據(jù)前面分析得知，在CDCE72010 鎖相環(huán)電路中，外部VCXO 的輸入阻抗是數(shù)字鎖定電路設(shè)計的一個關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)式（2），可以得到壓控振蕩器輸入阻抗的指標(biāo)要求：

假設(shè)在應(yīng)用中CDCE72010 中鑒相頻率為1MHz，電荷泵電流為1，預(yù)設(shè)的鎖定檢測窗口為5.8ns，本地VCXO 的壓控電壓為1.65V，則可以得到VCXO 的輸入阻抗要求：

在鎖相環(huán)電路設(shè)計中，鑒相頻率和電荷泵電流與環(huán)路直流增益成正比，跟鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬和相位裕量密切相關(guān)，為了得到較小的環(huán)路帶寬，通常需要降低鑒相頻率或電荷泵電流。進一步分析式（2），相位誤差跟鑒相頻率和電荷泵電流成反比，因此在低環(huán)路帶寬電路的設(shè)計中，必須特別注意壓控振蕩器的輸入阻抗（或漏電流指標(biāo)）和鎖定檢測窗口的設(shè)計，嚴(yán)格滿足式（3）的設(shè)計要求。

可以通過實驗來檢查式（3）的正確性。在CDCE72010 的評估板上，改變VCXO 壓控端的等效輸入阻抗，通過觀察CDCE72010 鎖定指示輸出管腳或鎖定指示寄存器的鎖定狀態(tài)，分析該鎖定檢測電路是否可靠地工作，具體實驗設(shè)置如下：

參考時鐘為25MHz，VCXO 頻率為125MHz，鑒相頻率為1MHz，PFD 的檢測窗口為5.8ns，控制電壓為1.65V，實驗結(jié)果如表1 所示，其中R i _ min為計算出的VCXO 輸入阻抗的最小值，√表示鎖相環(huán)指示鎖定，×表示鎖相環(huán)數(shù)字鎖定指示為失鎖狀態(tài)。其中，在實驗過程中，由示波器監(jiān)控CDCE72010 的參考時鐘和本振時鐘一直處于鎖定狀態(tài)。

表1 不同VCXO 輸入阻抗值對CDCE72010 數(shù)字鎖定指示的影響

從表1 中可以看出VCXO 的輸入阻抗對鎖相環(huán)的數(shù)字鎖定有很大的影響，例如當(dāng)電荷泵電流為1.2mA 時，根據(jù)式（3）可以得到VCXO 的最小輸入阻抗為237Kohms，那么對于低于這個值的輸入阻抗，數(shù)字鎖相指示無法正確指示鎖定，實驗測試的結(jié)果與理論分析是吻合的。

4 總結(jié)

本文在電荷泵鎖相環(huán)數(shù)字鎖定檢測工作原理的基礎(chǔ)上，分析了影響鎖定時相位誤差的環(huán)路參數(shù)和外圍元器件的關(guān)鍵參數(shù)，包括電荷泵電流、鑒相頻率和漏電流等。同時根據(jù)對整個環(huán)路漏電流路徑的分析，重點分析了外部壓控振蕩器的等效輸入阻抗對鎖相環(huán)鎖定指示準(zhǔn)確性的影響。

以CDCE72010 數(shù)字鎖定設(shè)計為例，為了提高數(shù)字鎖定檢測電路鎖定狀態(tài)指示的準(zhǔn)確性，在低環(huán)路帶寬的鎖相環(huán)電路設(shè)計中，必須選擇恰當(dāng)?shù)耐獠繅嚎卣袷幤鞯妮斎胱杩箙?shù)指標(biāo)。

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