标准发射端扩频时钟发生器电路设计

引言 　　DP(DisplayPort)接口标准旨在寻求代替计算机的数字视频接口DVI、LCD显示器的低压差分信号LVDS(Low Voltage Differential Signal)，作为设备间和设备内的工业标准，并在若干领域跃过DVI和高清晰多媒体接口HDMI这两种接口技术。DP利用目前交流耦合电压差分的PCI Express电气层，有1~戽个工作速率为217 Gb／s的数据对(Lanes)，最高可获得4通道多达10．8 Gb／s的带宽。时钟不是分离的，而是内置于Lanes。传输命令和控制的辅助数据通道是双向的，最高传输比特率可达1 Mb／s。DP支持的最大传输距离为15 m，而其工作电平比DVI更低。

伴随电子产品性能的不断提高，其微处理器的频率也在不断增加，由此产生的电磁干扰会影响电子产品的正常。为了抑制电磁干扰，人们先后研究出屏蔽、脉冲整形、滤波、低电压差分时钟、特殊版图布局、扩频时钟发生器等方法，其中扩频时钟发生器可有效减小峰值和谐波的功率，且可通过电路设计的广阔空间实现，因而得到广泛应用。这里设计一种基于DP标准采用μ工艺的发射端扩频时钟发生器。合理设计锁相环路，采用外加滤波器对压控振荡器的控制电压进行三角波调制，得到所需的扩频时钟。

2 扩频时钟发生器总体结构 　　降低电磁干扰(EMI)是电子系统设计人员需要考虑的重要因素，扩频时钟(CLK)为降低EMI提供一个有效途径。这里采用tsmc0．18μm 工艺设计一款符合DisplayPort标准发射端的扩频时钟发生器。在合理设计锁相环路的基础上，运用外加电荷泵对压控振荡器的控制电压进行三角波调制，得到所需要的扩频时钟。图1为该设计结构框图。

3 各模块电路设计 　　

3．1 鉴频鉴相器电路 　　图2为鉴频鉴相器电路框图。鉴频鉴相器的输出由输入信号的频率和相位决定，它比较两个输入信号的上升沿，当输入参考时钟信号Ref的上升沿超前反馈信号Fed的上升沿到达鉴频鉴相器时，鉴频鉴相器的输出UP为高，而此时DOWN保持为低电平，当Fed的上升沿也到来时，输出被复位；当信号Fed的上升沿超前参考信号Ref到来时，输出DOWN为高，当Ref的上升沿也到来时，鉴频鉴相器被复位。因此，鉴频鉴相器根据输入信号相位差来驱动后级电路。比较两个输入信号的相位差，然后将其转变成两个数字信号来控制电荷泵的工作状态。在本设计中，由于参考输入频率仅为900 kHz，因而对鉴频鉴相器的工作速度要求并不高。因此，在满足低功耗要求的前提下，采用最简单的无死区鉴频鉴相器的结构。

为了避免死区，在复位路径中引入延时T。在设计延时时长时，首先应考虑鉴频鉴相器的工作频率。因为鉴频鉴相器的最高丁作频率为1／2Tdelay，Tdelay包括插入延时和鉴频鉴相器的内部延时。要求插入延时的引入不影响鉴频鉴相器的正常工作；另外需考虑当插入延时相对较长时，电荷泵的充、放电电流同时开启的时间就会变长，而电荷泵存在的失调就会在滤波器电容上引入抖动，即增加锁相环输出的杂散成分。因此，在鉴频鉴相器内部延时可忽略及充分开启电荷泵的前提下，应尽量减小失调。这里插入延时取8 ns。由于后级电荷泵电路为差分输入，因此采用传输门减少反相器的延时。

3．2 带隙基准电路 　　

为满足带隙基准电路的低压应用，这里采用一种电流模式结构的低压带隙基准电路，如图3所示。该电路可以输出低于1 V的电压，有效降低了电路的电源电压；同时，电路中采用与电压无关的偏置及带负反馈网络的二级运放，降低了电路的电源敏感性。

基于0．35μm CMOS工艺的HSPICE仿真结果表明，该电路可工作在1．1~1．5 V的低电源电压下，并具有14 ppm／℃的低温度系数，能够输出200 mV～1．25 V的宽范围电压，并使用与电源无关偏置以及带负反馈网络的二级运放，提高输出电压的精度，该电路中，各MOS管都工作于饱和状态。电路中运算放大器采用二级结构，具有较高的低频增益。

3．3 电荷泵电路 　　

电荷泵锁相环具有低功耗、高速、低抖动和低成本等特点，广泛应用于无线电通信、频率综合器、时钟恢复电路中。电荷泵电路在锁相环路(PLL)中起着非常重要的作用，其主要功能是把鉴频鉴相器(PFD)的数字信号UP和DOWN转换为模拟信号，从而控制压控振荡器(VCO)的频率。当PFD给出高精度的相位误差时，电荷泵对整个环路的性能起决定性作用。当PLL锁定在某个频率时，电荷泵电路的输出必须保持在一个常数。因此，在设计电荷泵电路时，产生一个稳定步长的电压是很重要的。实际的电荷泵不可避免的存在电荷泄漏、充放电流失配、泵开关时间延时不同等不利因素，这些因素都不同程度地造成输出频率的相位偏差，进而降低输