一种基于CMOS工艺的电荷泵锁相环芯片的设计

1 引 言

锁相环路(PLL)是一种能够跟踪输入信号的闭环自动相位控制系统，其理论基础为自动控制理论。锁相环具有载波跟踪特性，可提取淹没在噪声之中的信号，制成高性能的调制器和解调器；用高稳定度的振荡器做参考频率，可提供一系列频率高稳定的频率源，可进行高精度的相位与频率测量等。在模拟与数字通信系统中，锁相环已成为不可缺少的基本部件。随着大规模集成电路技术的发展与成熟，CMOS工艺以其低成本、低功耗、高集成度的优点使得采用CMOS工艺实现高性能集成锁相环具有十分重要的意义和广阔的前景。采用电荷泵结构的锁相环以其易于集成、低功耗、低抖动、无相差锁定等优点，得到了广泛的应用。

2 电路设计

锁相环能够实现两个电信号的相位同步、频率相同或倍频。如图1所示，锁相环由4个基本部件即鉴相器、电荷泵、低通滤波器和压控振荡器组成。鉴相器作用是对两个输入信号进行比较，输出一个正比于这两个输入信号相位差的直流电压，即一个上升或下降的脉冲信号，这个直流电压又作用于下一级电路即开关电荷泵，然后，电荷泵将鉴相器的输出信号放大，给低通滤波器的电容充放电。而环路低通滤波器是用来滤除鉴相器输出误差电压中的高频分量，起到滤波平滑作用，以保证环路稳定以及改善环路跟踪性能和噪声特性。最后，压控振荡器依据传输过来的控制电压来改变输出信号的频率和相位，因此整个系统就形成了一个反馈系统，最终压控振荡器的输出信号锁定在参考信号的频率和相位上。

2.1 鉴频鉴相器

鉴频鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位与反馈信号相位之间的相位差，其结构如图2所示。PFD比较输入信号FINA和FINB的上升沿。当信号FINA的上升沿超前于信号FINB的上升沿时，PFD的输出信号UP被置为1，而输出信号DN为0，当FINB的上升沿到来时，UP变为‘0’，DN 是窄的脉冲；反之，当信号FINB的上升沿超前于信号FINA的上升沿，PFD的输出信号DN被置为‘1’，而输出信号UP保持‘0’，当FINA的上升沿到来时，DN变为‘0’，UP是一很窄的脉冲。信号UP或DN被置为高电平的时间长度等于信号FINA与FINB的相位差。当环路锁定时，PFD的输出信号都保持在低电平。

2.2 龟荷泵(CP)

在传统的电荷泵模型中，将PMOS和NMOS看作开关S1，S2，则鉴频鉴相器(PFD)的数字信号输出UP和DN可能为三种情况：

(1)状态-1：UP=0，DN=1。这时开关S1断开，S2闭合，电容进行放电，电压OUT值降低；

(2)状态0：UP=0，DN=0。这时开关S1和S2都断开，电压OUT保持为一个常量；

(3)状态1；UP=1，DN=0。这时开关S1闭合，S2断开，电容进行充电，电压OUT值提高。

2.3 压控振荡器(VCO)

压控振荡器是锁相环的重要组成部分，很大程度上决定着锁相环的性能。它实现电压一频率的变换作用，其振荡频率受低通滤波器输出电压控制。本文研究的压控振荡器是利用电阻和电容，采用正反馈的方式来实现一种差分环形压控振荡器。此差分环形压控振荡器由五级差分电路构成，每一级的输出V1，V2接到后一级的输入 A，B，最后一级的输出与第一级的输入相连，其中两个公共端子分别为E，C。前级偏置电路受CP输出电压的控制，产生两路控制信号E，C，连接到压控振荡器的每个差分部分的控制端。这种VCO具有良好的线性调谐特性和高的输出频率稳定度的特点。

振荡器的核心部分由图3所示差分电路构成，PM1管为下端对称部分提供偏置电流，PM2，PM3起反向作用，将NM1，NM2等效为电阻，则它与相应的MOS电容连接的NM3，NM4构成了RC延迟因子，且延迟时间直接受E，C电压的控制。

电路中的等效电阻和负载电容决定了电路的振荡频率，即，其中的RNM1，NM2受前级偏置部分的VE，VC控制。每一级电路所产生的输出振荡信号的摆幅为2IPM1PNM1,NM2。其中E，C二处的电压变化应当是反比例变化的，即E处电压增大引起饱和PM1管的电流IPM1减小时，C处电压须呈减小趋势以致线性等效电阻RNM1,NM2增大，以保证输出电压摆幅的基本恒定。


由于环路滤波器的输出电压为一个电压，要与双变量控制的VCO振荡部分连接起来，则必须要用到下面图4所示的偏置单元，将VIN单端控制电压信号转换为 E，C双端控制电压信号，实现更好的线性度和更强的电压驱动效果，减少后端振荡部分随时间的能量衰减。

由图可知，RES的电阻值和NM1的尺寸决定了NM3，NM4的栅极电压，NM4的漏极连接到PM1的漏极，此处的电压由PM1的漏电流决定，而此漏电流等于流过NM3，NM4两管的电流之和，而这两管的电流又由VIN和E处的电压来决定。由此相互制约的关系，可以列出关于E点电压VE，流过NM3的漏极电流IN3以及NM2漏级电压VX的关系方程如下：

由上述三元三次方程即可解出E处电压值。C处电压完全由VE和PM2，NM5的相对尺寸所决定。