鑒相器和電荷泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

介紹

鑒相器+電荷泵（PFD+CP）是鎖相環(huán)內(nèi)部的重要結(jié)構(gòu)，在通信系統(tǒng)、頻率合成以及時(shí)鐘信號(hào)生成中有著廣泛的應(yīng)用。鑒相器用于檢測(cè)兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差，電荷泵把鑒相器輸出的相位差轉(zhuǎn)換成電荷輸送給濾波器，用于給后續(xù)的震蕩器提供控制電壓。本文將對(duì)鑒相器和電荷泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)與仿真

使用巨霖的通用電路仿真軟件-PowerExpert可以搭建一個(gè)PFD結(jié)構(gòu)如下：

上圖是一個(gè)基礎(chǔ)三態(tài)PFD的電路，它可以檢測(cè)兩個(gè)輸入的時(shí)鐘信號(hào)的相位差，根據(jù)相位差在輸出“Up”和“Down”的位置體現(xiàn)（本電路不僅可以鎖定相位，也可以鎖定頻率）。它的工作原理非常簡(jiǎn)單，當(dāng)兩個(gè)D觸發(fā)器都被上升沿觸發(fā)時(shí)，RESET引腳將其重置，第一個(gè)上升沿觸發(fā)與重置的時(shí)間差就是兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差。仿真波形結(jié)果如下：

在PFD電路后面加上CP，即可將代表相位差的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷輸出?；A(chǔ)PFD+CP結(jié)構(gòu)如下：

根據(jù)PFD傳來的“Up”和“Down”信號(hào)，控制兩個(gè)方向相同的電流源給負(fù)載電容充電，當(dāng)“Up”和“Down”有相位差存在時(shí)，電容將被充電，根據(jù)電容上極板的電荷正負(fù)即可判斷兩個(gè)信號(hào)誰的上升沿先到。

優(yōu)化

PFD 死區(qū)問題優(yōu)化：

上述電路存在一些缺陷，當(dāng)“Up”和“Down”信號(hào)上升沿相距過小的時(shí)候，兩者相差的時(shí)間不足以讓CP的輸出icp波形產(chǎn)生一個(gè)完整的脈沖，這種情況被稱為鑒相器的“死區(qū)”，處在“死區(qū)”范圍內(nèi)的信號(hào)差不能被檢測(cè)并輸送到后續(xù)電路，這將會(huì)導(dǎo)致Jitter增加，環(huán)路增益減小。優(yōu)化此問題的方案也很簡(jiǎn)單，只需要在與門后面加一級(jí)延遲就可以防止“死區(qū)”的產(chǎn)生。添加延遲后的仿真波形如下，可以看出即使在兩個(gè)輸入信號(hào)差距很小的情況下，由于Delay的存在，icp波形仍然存在脈沖。

PFD 鎖定速度優(yōu)化：

由上述分析和波形不難發(fā)現(xiàn)，上一節(jié)搭建的PFD結(jié)構(gòu)，頻率在單位時(shí)間內(nèi)與其脈沖信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間間隔成反比，與兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差成正比。這樣的線性關(guān)系導(dǎo)致當(dāng)兩個(gè)信號(hào)相位差過大時(shí)，上述的PFD結(jié)構(gòu)工作效率不夠高，會(huì)浪費(fèi)功耗，下面提出一種非線性的PFD結(jié)構(gòu)來優(yōu)化此問題：

該電路將RESET信號(hào)的兩個(gè)與門的輸入分別連接到了輸出信號(hào)“Up/ Down”和輸入信號(hào)“fref/fdiv”，實(shí)現(xiàn)了PFD相位差與輸出電壓的“非線性”關(guān)系。不難看出當(dāng)相位差大于∏時(shí)（假設(shè)fref領(lǐng)先fdiv），“Up”信號(hào)會(huì)一直保持高電平，直至相位差小于∏，加速了鎖定過程消耗的時(shí)間。

PFD還有許多其他方向的優(yōu)化空間，如相位噪聲，抖動(dòng)，面積等，篇幅問題不再贅述。

CP 結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

前面提到的CP結(jié)構(gòu)是最基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，它主要有以下幾個(gè)問題：

1)兩個(gè)控制開關(guān)信號(hào)“Up/Down”之間的偏移。

2)上下兩個(gè)電流源的失配。

3)“Up/Down”信號(hào)控制的開關(guān)向后續(xù)電壓輸出的時(shí)鐘饋通和電荷注入。

4)電流源寄生電容向后續(xù)電壓輸出的電荷共享。

上述的問題在高速開關(guān)的狀態(tài)下會(huì)更加明顯，下圖中的結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化上述四個(gè)問題：開關(guān)控制信號(hào)的偏解決可以用下圖結(jié)構(gòu)解決，紅框內(nèi)的傳輸門用于均衡“Up/Down”兩個(gè)信號(hào)的延遲。

電流源失配問題通過中間的運(yùn)放進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)；電路中A點(diǎn)電壓與B點(diǎn)非常接近，B點(diǎn)和C點(diǎn)之間接入一個(gè)單位增益的運(yùn)放保證兩點(diǎn)電位相等，這樣無論電流流向B和C任意一個(gè)通路，都可以保證穩(wěn)定壓差，從而避免電荷共享問題。開關(guān)對(duì)后續(xù)電路影響在本電路中僅采用了最簡(jiǎn)單的互補(bǔ)開關(guān)的優(yōu)化，效果并不是最好的，有興趣的讀者可以自行查找更多結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向。

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