（电路与系统专业论文）用于高精度多相时钟数字系统的双环DLL电路设计与仿真[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 随着s o c 技术、d 技术的发展，锁相技术在无线通信和微处理器电路中作 为时钭t 电路应用广泛。锁相技术包括基于压控振荡器的p l l 锁相环路和一种新 的基于压控延迟线的延迟锁相环路d l l 。与熟知的p l l 相比，d l l 电路具有滤 波电路结构简单，实现方法灵活，抗抖动能力强，进入锁定状态快，时钟定位准 确的特点，更适台应用于高精度数字系统设计，是目前a s i c 设计研究的热点课 题之。 本论文在分析研究大量国内外技术文献的基础上，总结了锁相技术的发展现 状与技术水平。认真分析了d l l 电路的模块结构和基本原理，深入阐述了d l l 电路的有关结构和特性，设计了一种可用于高精度多相时钟数字系统的双环d l l ( 延迟锁耜环) 电路。所设计的d l l 环路可以对2 0 3 m h z t 2 g h z ( 周期为 o 8 3 n s 4 9 2 n s ) 的时钟信号进行相位锁定。 论文根据c m o s 工艺的特点和要求，在对c m o s 反相器、2 4 输入与非门、3 输入或非门等逻辑门电路：c m o s 模拟开关( 传输f - j ) 、n m o s 恒流源、p m o s 恒流 源等电路模拟仿真的基础上，对双环d l l 电路的各个模块的内部电路结构进行了 分析讨论，并对第一环路的延时单元、3 - 8 数据选择器、a d 转换器：第二环路 的压控延迟线、鉴相器等模块进行了集成设计。利用m o s i s 的m o s 管模型参数和 o r c a d p s p i c e 9 仿真环境，采用t s m c0 2 5 u mc m o s 工艺，对所设计的双环d l l 环路及各个主要模块进行了设计仿真。在以上这些集成电路的设计过程中，分析 了其性能特点和时序逻辑关系，考虑了对称设计。并深入讨论了压控延迟线的延 时特性，以及鉴相器的鉴相特性。 关键词：锁相技术；延迟锁相环；压控延迟线；鉴相器；p s p i c e 模拟 a b s t r a c t -_，_-_-，_-_-_，-_-一 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs o ct e c h n o l o g y a n di p a p p l i c a t i o n ，t h ep h a s el o c k t e c h n o l o g yh a sb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e d a st h ec l o c kc i r c u i ti nt h ef i e l do fr a d i o c o m m u n i c a t i o na n dm i c r o p r o c e s s o r s t h i st e c h n o l o g yi n c l u d e st h ep h a s el o c kl o o p f p l l lw h i c hi sb a s e do nv o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ，a n dan e wk i n do f d e l a yp h a s e l o c kl o o pf d l l ) w h i c hi sb a s e do nv o l t a g e - c o n t r o l l e dd e l a yi i n e c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lp l l d l lh a st h ea d v a n t a g e ss u c ha ss t r u c t u r e ds i m p l y ，r e a l i z a t i o n f l e x i b l e ，s t r o n gc a p a b i l i t y t or e s i s tj i t t e r ，1 0 c k e ds t a t e c a p t u r e dr a p i d l y ，c l o c k l o c a l i z a t i o np r e c i s e l y , a n di ti sm u c hm o r es u i t a b l ef o rt h ed e s i g no fh i g hp r e c i s i o n d i g i t a ls y s t e m c u r r e n t l y , i ti st h ep o p u l a rt o p i ci nt h ef i e l do f a s i cd e s i g na n ds t u d y a v a i l a b l er e l a t e dr e f e r e n c e sh a v eb e e ns t u d i e d ，t h e d e v e l o p m e n t s t a t u sa n d a p p l i c a t i o n1 e v e lo fp h a s el o c kt e c h n o l o g yh a sb e e nc o n c l u d e d t h em o d u l es t r u c t u r e o ft h ed l lc i r c u i ta n di t sp r i n c i p l eh a sb e e na n a l y z e di nd e t a i l t h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e sr e l a t e dt od l l c i r c u i th a v ea l s 0b e e nf o r m u l a t e di nd e p t h ，a n dad o u b l e 1 p o pd l lw h i c hc o u l db ea p p l i e d i n m u l t i p h a s ec l o c kd i g i t a ls y s t e mh a sb e e n d e s i g n e d t h ed e s i g n e dd l lc i r c u i tc a nl o c kt h ec l o c ks i g n a lw h i c hc y c l ei si nt h e r a n g eb e t w e e n0 ，8 3 n s e ct o4 9 2 n s e c a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e sa n dr e q u i r e m e n t so fc m o st e c h n o l o g y , b a s e do nt h e s i m u l a t i o nt oc m o si n v e r t e r t h el o g i cg a t ec i r c u i t ss u c ha s2t o4i n p u tn a n d g a t e s a n d3i n p u tn o r g a t e s ，c m o sa n a l o gs w i t c h - - t h et r a n s m i s s i o ng a t e ，n m o sa n d p m o sc o n s t a n t c u r r e n ts o u r c e s ，t h ei n n e rc i r c u i ti na 1 1t h em o d u l e so ft h ed o u b l e1 0 0 p d l lc i r c u i th a v e b e e nt r e a t e d a n dt h em o d u l e ss u c ha st h ed e l a yu n i ti nt h ef i r s t1 p o p 3 8d a t as e l e c t o r ，a dc o n v e r t e r , t h ev o l t a g e c o n t r o l l e dd e l a y1 i n ei nt h es e c o n dl p o p a n dt h ep h a s ed e t e c t o rh a v eb e e nd e s i g n e da n di n t e g r a t e dt o g e t h e r t h ed o u b l el o o p d l lc i r c u i ta n di t s m a j o rm o d u l e sh a v eb e e ns i m u l a t e do no r c a d p s p i c e 9 s o f t w a r eb ym e a n so ft h ep a r a m e t e r so ft h en m o sa n dp m o st r a n s i s t o rm o d e l sa n d t h et s m c0 2 5 u r nc m o s t e c h n o l o g y i nt h ep r o c e s so fd e s i g n ，t h eb e h a v i o ra n dt h e l o g i cr e l a t i o no ft i m es e q u e n c eo ft h ea b o v ec i r c u i t sh a v eb e e na n a l y z e d m a dt h e s y s t e m a t i c a ld e s i g nm e t h o di sp r e s e n t e d ，t h ed e l a yp r o p e r t yo fv o l t a g e c o n t r o l l e d d e l a yi i n ea n d t h eb e h a v i o ro f p h a s ed e t e c t o rh a v eb e e nd e a l tw i t hi 1 1d e p t h k e y w o r d ：p h a s e l o c k e dt e c h n o l o g y ，d e l a yp h a s e l o c k e dl o o p ，v o l t a g e - c o n t r o l l e d d e l a yl i n e ，p h a s ed e t e c t o r ，p s p i c es i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特月u , h l ：i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学何或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沦文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 鸬既怩 签字日期：0 ；年，1 月2 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨立盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 焉吃幌 导师签名 滗准缓 j 签字日期：删；年，2 月? 2 日 签字日期：m 年肛月q 7 日 筇一章绪论 1 1 锁相技术的发展简介 第一章绪论 有关锁相技术最早的论述是1 9 3 2 年贝尔赛什( d e b e l l e s c i z e ) 提出的。当时 是为了解决同步检波如何得到本地振荡信号的问题。众所周知，同步检波和一般 检波方式相比，在微弱信号接收中有很大优越性，但要实现同步检波，关键是如 何产生一个和输入微弱信号载波频率相等、相位基本一致的本地振荡信号。这就 提出了相位自动控制，也就是锁相环路( p h a s el o c kl o o p ) ，简称p l l 。锁相环 路是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。 1 9 4 7 年，锁相环第一次被应用于电视机的水平扫描和垂直扫描同步电路中， 它可以抑制外界噪声对同步的影响，使电视图象的同步性能得到很大改善。从此， 锁相技术引起了人们的广泛重视，发展迅速。 5 0 年代由杰费( j a f f e ) 和里希廷( r e c h t i n ) 发表了有噪声情况下环路线性 分析方法，提出了环路最佳化设计。在1 9 5 6 年v i t e r b i 提出了无噪声情况下环路 非线性分析方法。以后又有l i n d s c y 和c h a r l e s 研究了在有噪声情况下环路的非 线性分析方法，并得出了不少实验结果，充实了理论分析。 七十年代以来，随着集成电路技术的发展，锁相环路逐渐变成了一个成本低、 使用简便的多功能组件，这就为锁相技术的广泛应用提供了条件。今天锁相技术 被普遍应用在f s k 解调、频率合成、电视机彩色副载波提取、f m 立体声解码等 无线电技术的各个领域【l j 。 随着s o c 技术、p 核技术的发展，锁相技术作为一个基本的a s i c 宏( a s i c m a c r o ) 在无线通讯和微处理器电路中作为时钟电路的应用必将更加广泛，一方 面在原有p l l 结构中提出很多全新的性能优越的单元模块电路，主要体现在鉴 频鉴相器、压控振荡器的设计上：另一方面，锁相技术也不仅限于早期的p l l 的简单结构，像d l l ( d e l a yl o c k e d l o o p ) 、m d l l ( m i x e d - m o d e d e l a yl o c k , 甜 l o o p ) 、s m d ( s y n c h r o n o u sm i r r o r d e l a y ) 等技术不断涌现。 1 2 锁相环的基本特征 锁相环路所以能得到如此广泛的应用，是由其独特的优良性能决定的。锁相 技术的特点概括起来是“稳”、“窄”、“抗”、“同步”。 “稳”是指锁相环的基本性能是输出信号频率稳定的跟踪输入信号频率，输 第章绪论 入输出信号之间不存在频率差而只有很小的稳态相位差。因此可以用锁相环 做成稳频系统，例如微波稳频信号源，原子频率标准等。 “窄”指的是锁相环具有窄带跟踪性能。正是因为它的窄带特性，可以做成 窄带跟踪滤波器。从输入的己调信号中提取基准的载波信号，实现相干性。 因此在相干通信中得到广泛应用。 “抗”指的是锁相环的抗干扰性能、抑制噪声性能。理险分析表明，锁相环 的环路信噪比比输入信噪比小很多，所以它可以广泛用于抗噪声干扰的装 置。同时，锁相环又可以将深埋于噪声中的信息提取出来，因此它在弱信号 提取方面发挥了很大的作用。 “同步”是指锁相环的同步跟踪性能。如果数字信号本身含有位同步信息， 利用锁相环可以从数字信号本身来提取位同步信号，所以锁相环在数字通信 等系统中广泛地用作相位同步装置 2 】。目前，频率合成技术正在向两个方向 发展，一是以提高跳频速度为目标的跳频频率合成器的研究，另一是以提高 频率分辨力为目标的小数分频频率合成技术的研究。两者在军事上具有重要 的意义。在我国目前都还处于研究开发阶段。 1 3 本文的研究意义及主要工作简介 锁相环路的设计和应用是当今反馈控制技术领域关注的焦点。作为一种锁相 环路，延时锁相环路d l l ，与传统的相位锁相环路p l l 一样，用来在数字逻辑 电路中提供精确的时钟。相对于传统的p l l 锁相环，d l l 有两个突出的优点： 第一，对于压控振荡器( v c o ) ，它的输出频率和输入控制电压成正比它 的传输函数包含一个极点：h ( s ) = k d s ：对于压控延迟线( v c d l ) ，它的输出相 位和输入控制电压成正比，它的传输函数是个常数：h ( s ) = 。所以，对于一阶 的低通滤波器( l p f ) ，基于压控延迟线的锁相环的系统传输函数为一阶方程。 相对于二阶系统，关于增益、带宽和稳定性的考虑将更加容易。 第二，更小的相位抖动。相位抖动是锁相环个很重要的指标，电路的噪声 是引起这种抖动的原因之一。输入压控振荡器的噪声会通过本身再生而输出，而 输入压控延迟线的噪声会通过延迟线消失，因而相位抖动会得到改善。通信技术 的发展同新月异，工作频率的不断提高就是一个明显的标志。目前，在数字通信 中数据传输的频率已经达到g h z 的数量级。在这种情况下，如何准确地采集数 据是至关重要的。一般认为，采样时钟沿位于有效数据的中央是最佳的。这就需 要一个能产生精确延迟的电路来定位采样沿。p l l 电路都是基于压控振荡器 ( v c o ) 的，稳定后产生一个和输入信号频率相等、相位差固定的信号；而d l l 电路基于压控可变延迟线( v c d l ) ，稳定后得到一个把输入信号延迟整数倍周 第一章绪论 期的同频率信号，并且闭环工作的锁相环电路的特性确保了该延迟不受环境和工 艺变化的影响。 在下一章，将简要回顾p l l 的基本工作原理和结构，以及p l l 在无线电技 术领域的一些典型应用。这些应用包括：窄带跟踪接收机、倍频与分频等。p l l 之所以在这些领域得心应手，是因为与早先发展的频率自动控制系统相比，p l l 电路采用了鉴相器代替鉴频器作为控制元件，消除了频率自动控制系统的稳态相 差，输出为与输入时钟同相的信号。其次，p l l 的跟踪特性和滤波特性都有利于 输出时钟质量的提高。另外，p l l 的电路组成特别容易由模拟集成电路实现，这 在以模拟集成电路为先导的传统无线电技术领域无疑是很受欢迎的。然而现在， 随着数字技术逐步取代模拟技术成为通信技术的主流，p l l 的集成效果显得就不 那么理想了，越来越高的工作频率也导致越来越大的耗电量。p l l 工作时存在的 稳态相差也不符合当今同步时钟以及多相位时钟系统的要求，人们不仅需要精确 的控制时钟频率，而且还要精确的控制时钟相位。由此最终导致了d l l 电路的 诞生。 第三章将深入讨论d l l 电路的有关结构和特性。由于d l l 是采用延迟线将 输入时钟延迟时钟周期的整数倍后输出，d l l 不需要额外的晶体振荡器作频率 发生源，大大节省了电源开支，而且在输入时钟质量很高的前提下，可以输出与 输入信号同频同相的输出时钟，或者延迟相位可以精确控制的输出时钟，从而满 足同步信号或者多相位时钟信号的要求。而输入信号的质量在当今数字通信和计 算机系统的电路中本来就不难保证。同时，d l l 的结构更适合数字系统集成电 路的实现，与传统的p l l 相比更适宜用于数字移动通信和计算机存储设备。但 是，d l l 的跟踪性能和捕捉带不如p l l 电路好，滤波抗噪声性能也不如p l l 高。 因此在应用上，p l l 和d l l 电路还是各有所长，各有侧重的。 第四章认真分析了d l l 电路的模块结构和基本原理，深入阐述了d l l 电路 的有关结构和特性，设计了一种可用于高精度多相时钟数字系统的双环d l l 电 路。所设计的d l l 环路可以对2 0 3 m h z i 2 g h z ( 周期为o8 3 n s 4 9 2 n s ) 的时 钟信号进行相位锁定。论文根据c m o s 工艺的特点和要求，在对c m o s 反相器、 24 输入与非门、3 输入或非门等逻辑门电路；c m o s 模拟开关( 传输门) 、n m o s 恒流源、p m o s 恒流源等电路模拟仿真的基础上，对双环d l 。电路的各个模块的 内部电路结构进行了分析讨论，并对第一环路的延耐单元、3 - 8 数据选择器、a d 转换器；第二环路的压控延迟线、鉴相器等模块进行了集成设计。利用m o s i s 的m o s 管模型参数和o r c a d p s p i c e 9 仿真环境，采用t s m c0 2 5 u mc m o s 工艺， 对所设计的双环d l l 环路及各个主要模块进行了设计仿真。在以上这些集成电 路的设计过程中，分析了其性能特点和时序逻辑关系，考虑了对称设计。并深入 第一章绪论 讨论了压控延迟线的延时特性，以及浆相器的鉴相特性。 第五章是对本文工作的总结。 第_ 章一种新的锁相环路d l l 第二章一种新的锁相环路- - d l l 随着自动控制技术的发展，越来越多的领域需要使用反馈控制电路来改善其性 能指标。这些控制电路主要有： 自动增益控制电路：主要用于接收机等设备维持整机输出恒定； 自动频率微调电路：用于维持电子设备工作频率的稳定： 锁相环路：用于锁定相位。 锁相环路的设计和应用是当今反馈控制技术领域关注的焦点。传统的锁相环路 ( p l ip h a s el o c k e dl o o p ) 是通过相位锁定实现的。本章第一节将简单回顾这种 电路的原理和模型，然后引出本文关注的重点：一种新的锁相环路技术延时锁 相环路( d l l ，d e l a yl o c k e dl o o p ) 。 2 1p l l 的工作原理简介 2 1 1p l l 基本工作原理 图2 - 1锁相环路的基本组成 图2 - 1 为p l l 的基本方框图。它主要由压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o l l e d 0 s c i l l a t o r ，v c 0 ) 、鉴相器( p d ，p h a s ed e t e c t o r ) 、低通滤波器( l p f ，l o wp a s s f i l t e r ) 和参考频率源( 晶振) 组成。当压控振荡器的频率f v 受扰动而发生变化时， 必然相应的产生相位变化。这个相位变化在鉴相器中与参考晶体振荡器的稳定相位 第二章种新的锁相环路一d u ( 即f r ) 相比较，使鉴相器输出一个与相位误差成比例的误差电压v d ( t ) ，经过低 通滤波器，取出其中缓慢变动的直流电压分量v c ( t ) ，用以控制压控振荡器中的压 控元件数值( 通常是变容二极管的电容量) ，而这个压控元件又是v c o 振荡回路的 组成部分，结果压控元件电容量的变化将v c o 的输出频率f v 又拉回到稳定值上来。 这样，v c o 的输出频率稳定度即由参考晶振所决定。这时我们称环路处于锁定状态。 我们知道，瞬时频率和瞬时相位的关系是； 扑掣 目o ) = 肠( f ) + 岛 其中0 o 为初始相位。这样加到鉴相器的两个振荡信号的频率差为 a o d ( t 1 = 曲一m 此时的瞬时相差为 虞o ) = f 。o 谤+ 最 当= 曲时，有o ) = o ，于是 昆o ) = f m 0 功+ 口。= 臼。 由此可知，当两个振荡器频率相等时，他们的瞬时相位差是一个常数。 同样的道理，如果色o ) = 0 。则 e ) = 掣= 。 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 也就得到了= 。这就证明了当两个振荡信号的瞬时相位差为一常数时，_ 者的频率必然相等。 根据上述简单的推证我们得到：锁相环路在锁定后，两个信号频率相等，但二 者间存在恒定相位差( 稳态相位差) 。这个稳态相位差经过鉴相器转变为直流误差， 通过低通滤波器去控制v c o ，使n 与同步。 在闭环条件下，如果由于某种原因使v c o 的角频率发生变化，就会引起两个信 第_ 章一种新的锁相环路一d u 号间的相位差不再是恒定值，鉴相器的输出电压也就跟着发牛相应的变化。这个变 化的电压使v c 0 的频率不断改变，直到= m 为止，这就是p l l 的基本原理。由 此可知，p l l 实质上是一个相位负反馈系统”。 从t 作原理看，p l l 与自动频率微调系统都是利用误差信号的反馈作用来控制 被稳定的振荡器频率。不过，在p l l 中我们采用鉴相器，它所输出的误差电压与两 个互相比较的频率源之间的相位差成比例，因而达到稳定状态时，被稳定的频率等 于标准频率，只有稳态相位差( 剩余相差) 存在；而在自动频率微调系统中采用的 是鉴频器，输出的误差电压与两个比较频率源之间的频率差成比例，因而达到最后 稳定状态时，两个频率不能完全相等，必须有剩余频差存在。 2 1 2p l l 结构 下面分析p l l 的各个组成部分。 1 ) 鉴相器 鉴相器是锁相环路的关键部件，其形式很多，在这里我们介绍传统p t l 中常用 的两种：正弦相位检波器和脉冲抽样保持相位比较器。 d 2 f2 图2 2 正弦波相位检波器 正弦波相位检波器如图2 2 ，实际上是一个平衡混频器。v 。为压控振荡器的信 号，vn 为参考晶体振荡器的信号。检波器负载为r c 电路。这种鉴相器特性是正弦 曲线，如图2 3 ，所以叫做正弦波相位检波器。当0e 3 0 。1 时，鉴相器特性近似为线 性；oe 3 0 。时就是非线性元件了。 第二章种新f 日锁相环路- - d l l v ，( t y - 一。厂。 一彳 02 + o 。 图2 - 3 正弦鉴相特性 这种鉴相器是一种要求平衡度比较高的检波电路，平衡对称性很重要。变压器 应平衡良好，二极管尽量对称。r 通常为2 0 0 k 到1 m q ，c 应对高频短路。但是实际 上，r c 总会有一些有害的频率分量，形成纹波输出，所以数字电路不宜采用这种鉴 相器，而更常采用脉冲抽样保持相位比较器。 参 抽样脉冲输入 脉冲 号 ( 直流) 记忆电容) 图2 - 4 脉冲抽样保持相位比较器的基本方框图 脉冲抽样保持相位比较器有如下两个优点： 输出纹波电压小( 约几十微伏至几毫伏) ； 相位比较可在3 6 0 。范围进行，而正弦波相位检波器的线性区只有3 0 。范 围。 第二章种新的锁相环路- - d l l 如图2 4 ，首先将参考频率f r 和v c o 的频率h 的电压形成脉冲，f r 的脉冲用来 控制一个开关电路，使电容c c h 周期性的充、放电，形成锯齿波电压，如图2 - 5 。一噎 流源提供恒定充电电流i c h ，以改善锯齿波的线性。v c o 控制抽样脉冲，抽样脉冲则 控制接通抽样开关。这样在开关接通时，记忆电容c a 上获得这一瞬间的锯齿波电压 v d ；其它时间电容上保持这个电压。如果v c o 的频率发生变化，误差电压v d 就会发 牛变化，从而控制v c o 恢复同步。v d 最大变动范围从。到v 一，相当于抽样脉冲 位嚣变动3 6 0 。，考虑到锯齿电压也有放电时闻，实际的锁相范围小于3 6 0 。 ( a ) c c , 处形成的锯齿波电压 ( 频率= 厶) ( b ) 抽样脉冲( 频率= ) c ) 误差信号 图2 - 5 脉冲抽样保持相位比较器的波形图 ，卑i 警种方法采用脉冲抽样，脉冲频率不宜过高。这样，参考频率和v c o 频率都 必须进行多次分频后才能送入这种鉴相器中进行相位比较。 一。 2 ) 低通滤波器 锁相环路中常用的滤波器有： r c 滤波器( 如图2 - 6 所示) ，其传输函数为： f 6 ) = _ l ，其中= = r c 为时间常数。 l + s f 曰 + c 一 二 _ 】 + ，、 i，、 ”， i ) c = v 。( f ) ff o 一f 一 图2 - 6 一阶r e 低通滤波器 电压 o 电压 0 电压 0 第章一种新的锁相王1 ：路d l l 无源比例积分滤波器( 超前滞后网络) ，如图2 7 ，其传输函数为 删。赫 当u 很大时，传输函数可近似为 疋0 ) = 生一，成比例特性。式中t 【= r 1 c ，t2 ：r 2 c 。 f 1 + r 2 。_ ( 二：= _ + + r ： v ，e )v o o ) c ( ：- 一_ _ 图2 7 超前滞后网络( 无源比例积分滤波器) 有源比例积分滤波器如图2 - 8 所示，可近似求出其传输函数为 0 ) = j f + l 式中t1 2 r i c ，t2 = r 2 c 。其中：负号表示倒相作用，但p l l 极性可以自动调整 可以略去不考虑。这个滤波器中包含直流放大器，故为有源网络。 v ，o ) 心( f ) 图2 - 8 具有直流增益的超前网络( 有源比例积分滤波器) 3 ) 压控振荡器( v c o ) 第_ 章一种新的锁相环路一d u “ 0 0v ， 图2 9 压控振荡器特性曲线 控振荡器实际上是一种电压一频率转换器，其中压控元件可以用变容二极管实 现，特性曲线如图2 - 9 ，uv 为瞬时振荡频率，v c 为控制电压。中心点频率f o 。为 没有9 i - ；j h 控制电压情况下的固有频率，理想情况下应该为零。 2 1 3p l l 的特点和应用简介 p l l 锁相电路所以获得日益广泛的应用是因为它具有如下重要特性： 跟踪特性。在环路锁定状态下，一旦输入频率发生变化，v c o 立即响应这 个变化，迅速跟踪输入频率，最终使f 。= f 。 滤波特性。通过环路滤波器的作用，锁相环路具有窄带滤波特性，能够将 混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除。而且通带可以做的很窄，性能远 远优于任何l c 、r c 、石英晶体、陶瓷片滤波器。 锁定状态无剩余频差存在。这一点在2 1 1 中已经提到，正是由于p i l 的 这一理想频率控制特性，使他在自动频率控制、频率合成技术等方面获得 广泛的应用：以后还将看到，我们重点研究的d l l 电路不仅没有剩余频差， 而且还消除了剩余相差，真正实现了同频同相。 易于集成化。组成p l l 的基本部件都易于采用模拟集成电路实现。实现数 字化之后，p l l 更易于采用数字集成电路。集成p l l 的体积不断减小，成 本不断降低，而可靠性却不断增强，用途也越来越多。 下面简要介绍p l l 在无线通信技术领域和频率合成技术领域的应用。需要指出 的是，由于在这些领域，d l l 也同样被广泛应用，在下一节介绍d l l 电路的时候我 们不再赘述d l l 的应用领域，只是在第三章介绍d l l 实现技术的时候，我们会看到 第二章一种新的锁相环路- - d l l d i ，l 电路被应用于一些具体的专用电路中。 ( a ) 窄带跟踪接收机 在空间技术领域，从飞行器上的低功率连续波发射机发射到地面的信号是很微 弱的，典型值是几毫瓦，同时由于多普勒效应和发射机自身产生的频率漂移，接收 机收到的信号频率误差很大。利用锁相环路的跟踪滤波特性，窄带跟踪接收机可以 在接收带宽很窄的情况下跟踪发射信号。 图2 1 0 窄带跟踪接收机方框图 图2 1 0 是其简化方框图。图中f 1 为调频高频信号，与外差本振信号f 2 混频。 f 2 由v c o 频率f j n 经n 次倍频后提供。混频后，输出中心频率为f 3 的信号，经中 频放大，在鉴相器内与参考频率f 。进行相位比较。经鉴相后，解调出来的调制信号 直接通过环路输出端的窄带滤波器输出。由于环路滤波器的带宽选得很窄，鉴相器 输出中的调制信号不能进入环路。但以参考频率“为基准的已调信号的载频发牛漂 移时，对应的鉴相器直流输出控制电压却能进入环路控制v c o ，最终锁定在f 3 = f t 。 这就实现了窄带跟踪。 ( b ) 倍频与分频 讨论关于这方面应用的专著较多。主要是用锁相环路将振荡器锁定在它的谐波 或分谐波上，即可实现倍频和分频。如图2 1 1 所示。图2 1 1 中，如果反馈环路中 是一个分频器( n ) ，就是一个倍频器：反之如果是倍频器( n ) ，就是一个分 频器“。 第二章一种新的锁相环路d l l 图2 1 1 锁相倍频器( 或分频器) 2 2 延时锁相环d l i _ 的基本原理和前景 和前面的p l l 电路相比，延时锁相技术( d l l ，d e l a yl o c k e dl o o p ) 的滤波电 路结构更简单，进入锁定状态更快更准确，实现方法更灵活，在输入时钟质量较高 时抗抖动性能优于p l l 电路，因此更适合在当前数字系统高精度芯片上应用。本节 先简要介绍d l l 的工作原理和基本组成。在下一章，我们将看到d l l 各个基本部件 的实现方法以及d l l 在电路性能，实现难易程度以及适用范围等方面与p l l 的异 同。 c l k l 图2 一1 2 最简单的d l l 方框图 图21 2 显习 了最简单的延时锁相环结构。它由一系列延迟线利控制逻辑电路 组成。延迟线将输入时钟( c l k i n ) 延迟后输出，然后这个延迟后的时钟信号被传送 到系统内部的所有需要触发时钟的寄存器，同时也被反馈回c l k f b 端。控制逻辑r h 路对c l k i n 利c l k f b 采样，根据结果对延迟线的参数进行调整，通过延迟线在输入 时钟和反馈时钟之间插入延时，直到两信号的上升沿重合，即两个信号相差3 6 0 。， 此时两信号相位也重合，系统“锁定”。只要输入时钟信号的变化频率足够低，则 第章种新的锁相环路- - d l l 输入时钭i 与输出时钟没有相差，这样，负载就得到了“没有延迟”的时钟信号，如 图21 3 。 + 原始时钟信号l 厂 经过传输延迟 延迟一些 再延迟一些 更多的延迟 图2 1 3d l l 作用下的时钟波形 我们按照图2 1 2 的形式重绘图21 ，可以看到d l l 比p l l 多了一个回路。d l 。l 输出的时钟信号是直接来自于输入时钟的，而p i 。1 的输出实际上是由v c o 再生的， 如图2 1 4 。 图2 1 4p l l 逻辑框图 1 ) l l 电路按照其实现方法的不同可以分为模拟电路d l l 和数字电路d l l 两类。 一般来讲，模拟电路实现的d l l 抗抖动性能比数字电路要好，这也是模拟电路实现 方法最吸引人的一点，因为模拟电压平滑性好。但是由延迟线、鉴相器、滤波器组 成的模拟电路需要花费上百纳秒进入锁定状态，这就限制了它不能应用于要求高频 工作的环境。此外，模拟电路设计的复杂性和高耗电量也是应该考虑的问题。在这 些方面数字电路的优势就很明显，而且其逻辑门的结构设计也相对简单，但是数字 第二章。种新的锁相环路一d l l 结构也有一个严重的问题，就是它的最小可调延迟量受逻辑门、反相器延迟的影响， 有时不得不另加一个电路来解决这个问题。 按照环路结构的不同，d l l 电路又可分为开环d l l 和闭环d l l 。开环d l l 没有 反馈回路，它使用内部延迟控制来为内部延迟建模，称为s m d 模式( s y n c h , o n o u s m i r r o rd e l a y ，同步镜像延迟) ，如图2 - 1 5 ( a ) 。这种模式在跟踪实际情况f 的电压、 温度变化的时候显得力不从心。相应的，图2 - 1 5 ( b ) 所示的闭环模式将延时存入寄 存器，通过比较内部时钟和外部时钟的相位差来确定延时的增减，从而操纵寄存器 移位。然而这种闭环结构虽然可以准确地定位时钟，却需要进一步的改进来缩短进 入锁定状态消耗的时间。在下章我们还将进一步接触上述这些不同的结构。 塑一唧呻旷廿十 一l 刊： 亡二二e 坼 r 。j 一 时间闸隔测量 j l 二h 。部时钟 图2 1 5d l l 开环形式( s m d ) ( a ) 和闭环形式( 寄存器控制) ( b ) 在上一节中我们已经了解到，锁相技术不仅用于频率合成。p l l 技术被广泛应 用于数字通信领域的同步系统、窄带跟踪接收、调频调相信号的解调、双边带或单 边带调幅信号的同步解调；以及人造卫星、火箭等跟踪飞行器的锁相相关应答器等 等。 如今，经过改进的d l l 技术更适于工作在超高频，高稳定性的数字集成系统中。 川一技术已经在计算机，移动通信终端领域发挥着不可替代的作用。未来，激光通 信也要应用锁相技术来实现相干性。在无线电技术领域以外，锁相技术的应用也在 不断的被认识和开发。可以预见，在不久的将来，锁相技术还将经历更大的改进， 并得到更广泛的应用。 第三章d l l 的电路实现 第三章d l l 的电路实现 在上一章的末尾我们引出了延时锁相电路( 的基本原理：这章我们时论 d l l 的具体实现方法。第一节介绍基本的d l l 结构。 3 1d l l 电路的结构一种基本设计 这一节首先介绍一种用于时钟恢复电路的低抖动d l l 电路。该电路实际上是时 钟恢复电路的一部分，随着通信技术工作频率的不断提高，目前在数字通信中数据 传输的频率已经达到6 1 - 1 z 的数量级。在这种情况下，如何准确地采集数据是至关重 要的。一般认为采样时钟沿位于有效数据的中央是最佳的。这就需要一个能产生精 确延迟的电路来定位采样沿。通常的锁相环电路p l l 都是基于压控振荡器的，稳定 后产牛一个和输入信号频率褶等、相位差固定的信号；而d l l 电路稳定后得到一个 把输入信号延迟整数倍周期的同频率信号，并且闭环工作的锁相环电路的特性确保 了该延迟不受环境和工艺变化的影响。通过讨论该电路的系统结构我们可以看到 d l l 电路的各个基本部件是如何实现的。 3 1 1d l l 电路的基本结构 如图3 一l 所示的电路结构是个电荷泵锁相环电路，偏置生成电路把电荷泵产 生的电压转换成一对互补的控制电压，这对电压就是时钟恢复电路所需的自适应的 延迟模块控制电压。 l-一。 图3 - l 完整的d l l 锁相环框图 16 第三章d l l 的电路实现 假设经过压控延迟线( v c d l ) 后，反馈信号f r h 的相移相对于参考信号f r e f 延 迟了n t ，。f ，其中，n 为正整数，t r e f 为参考信号的周期。因为整数倍的相移其实相 当于零相移，所以，鉴相器( p d ) 可以驱动整个负反馈环路，使输入和输出之间的 相移最后稳定为n t r e f ( n 常取为1 ) 。如果两者相移小于n t r e f ，那么，鉴相器的输 出d o w n 有效，调整控制电压v c ；r l ，使压控延迟线的延迟向增大的方向变化；如果 两者相移大于n t r e f ，那么，鉴相器的输出u p 有效，调整控制电压v c ”1 ，使压控延 迟线的延迟向减小的方向变化。由于电路闭环工作，环境和工艺的影响会通过电路 本身的调整而消除，所以结果将不受外界和工艺本身的影响”1 。 假设压控延迟线的阶数是k 阶，即是由k 级延迟模块串接而成，那么当整个环 路锁定的时候，输入和输出之间的相位延迟为n t r e f ，而各级延迟模块之间的相位延 迟为n t r e f k 。如果取n - 4 ，k = 8 ，那么可以得到单个延迟模块的延迟为t r e r 2 ，刚通 过该延迟模块后所得的延迟信号的沿将对准输入信号相应周期的中央位置，这作为 数据的采样沿位置将是最佳的。延迟模块之间的失配将限制此延迟值的精度。 相对于一般的锁相环，d l l 有两个突出的优点： 1 ) 对于压控振荡器( v c 0 ) ，它的输出频率和输入控制电压成正比，它的传输函数 包含一个极点：h ( s ) = k 1 s ；对于压控延迟线( v c d l ) ，它的输出相位和输入控 制电压成正比，它的传输函数是个常数：h ( s ) = k z 。所以，对于一阶的低通滤波 器( l p f ) ，基于压控延迟线的锁相环的系统传输函数为一阶方程。这相对于二 阶系统，关于增益、带宽和稳定性的考虑将更加容易。 2 ) 更小的相位抖动。相位抖动是锁相环一个很重要的指标，电路的噪声是引起这 种抖动的原因之一。输入压控振荡器的噪声会通过本身再生而输出，而输入压 控延迟线的噪声会通过延迟线消失，因而相位抖动会得到改善。 3 1 2 压控延迟线的实现 压控延迟线( v c d l ) 是由k 级延迟模块串接而成。如图3 - 2 ( a ) 所示。在m o s 工 艺中，压控延迟单元有两种结构： 1 ) 电容性调节方式，如图3 - 2 ( b ) 所示。电容c 固定，晶体管l v i n l 的栅极由电压 v c z r l 控制，相当于一个可控电阻，可以调节从节点x 看入的等效电容，通过改 变等效电容值来改变延迟。这种结构的输入和输出之间的线性度较差，润节范 围较小。 2 ) 电阻性调节方式，见图3 - 2 ( c ) 。晶体管m n 2 和v i p 2 的栅极分别由电压v 。b b 和v d h l ， 控制，也相当于可控电阻，通过调节充放电电流来改变延迟。这种结构的线性 第三章d l l 的电路实现 度好，调节范围较大。在这一节为了满足低电压工作下有较大的调节范围的要 求，采用第二种结构，并作了改进，如图3 - 3 ，该结构有效地减小了相位抖动。 v p b b v 廿b b v n b b ( a ) 压控延迟线 v n b b ( b ) 电容性调节方式( c ) 电阻性调节方式 图3 2 压控延迟模块 在时钟恢复电路中，需要通过一个延迟模块得到半个采样时钟周期的延迟，这 个延迟的相位抖动将决定数据采样的准确性，它除了和电源、衬底噪声有关以外， 还和输入数据的模式有关。我们知道，在时钟恢复电路中，输入的是随机的数据流， 不同的数据模式对应不同的充放电情况，会产生不同的延迟，导致相位抖动。图33 中，新增加了晶体管m p 3 和m n 3 ，它们的栅极分别由v p b b 和v a b b 控制。它们的作用 是使晶体管m n 2 和m p 2 始终至少保持一股小电流，也就是避免它们进入截止区，这 样，一旦v i n 输入高( 低) 电平，m n l ( m p l ) 导通，m