引言

鎖相環(huán)是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊，通常集成在系統(tǒng)芯片上，其主要應(yīng)用領(lǐng)域為：數(shù)據(jù)通信中的時鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)、無線通信中的頻率合成器、微處理器中的時鐘合成與同步等。電荷泵鎖相環(huán)是當今最流行的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，為了減小壓控振蕩器控制電壓的紋波，它采用了二階無源環(huán)路濾波器，這樣就構(gòu)成了三階電荷泵鎖相環(huán)。系統(tǒng)級設(shè)計與仿真驗證是鎖相環(huán)設(shè)計的第一步和關(guān)鍵的一步。本文對一種用作時鐘倍頻器的三階電荷泵鎖相環(huán)進行了系統(tǒng)級設(shè)計與仿真驗證，仿真環(huán)境采用SIMULINK。

圖1 電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

圖2 相位域模型

圖3 電荷泵鎖相環(huán)行為模型

電荷泵鎖相環(huán)的基本原理與設(shè)計方法

用作時鐘倍頻器的三階電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括由晶體振蕩器產(chǎn)生的參考時鐘、鑒頻鑒相器、電荷泵、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器。鑒頻鑒相器比較兩個信號的相位與頻率差，并產(chǎn)生控制信號給電荷泵，電荷泵相應(yīng)地給環(huán)路濾波器充放電。壓控振蕩器的輸出頻率正比于環(huán)路濾波器上的控制電壓，最終使參考時鐘與分頻器的輸出信號同頻同相，即壓控振蕩器的輸出信號頻率為參考時鐘頻率的N倍。

一個電荷泵鎖相環(huán)的工作過程分為頻率牽引過程和相位鎖定過程，頻率牽引過程是一個完全的非線性過程，相位鎖定過程是一個近似的線性過程。電荷泵鎖相環(huán)本質(zhì)上是一個離散時間采樣的動態(tài)系統(tǒng)，當環(huán)路帶寬遠遠小于參考時鐘頻率時，可以采用連續(xù)時間近似；當相位誤差在鑒頻鑒相器的鑒相范圍內(nèi)時，可以采用線性近似。這樣，當電荷泵鎖相環(huán)處于相位鎖定過程時，就可以得到一個線性連續(xù)時間的相位域模型，如圖2所示。其中Kpfdcp是鑒頻鑒相器和電荷泵一起構(gòu)成的鑒相器增益，并有Kpfdcp=Ip/2p，Ip為電荷泵的充放電電流，Kvco為壓控振蕩器的增益，N為分頻器的分頻比，F(xiàn)（s）為環(huán)路濾波器的傳輸函數(shù)。一階無源環(huán)路濾波器由一個電容C1與一個電阻R1串聯(lián)構(gòu)成，二階無源環(huán)路濾波器中再加上一個電容C2與先前的R1C1并聯(lián)來減小控制電壓紋波，從而得：

其中

令開環(huán)傳輸函數(shù)的單位增益帶寬為Wu，為了使開環(huán)傳輸函數(shù)在單位增益帶寬下的相位裕度最大，設(shè)G（s）的零點低于Wu，即Wz=Wu/X；同時設(shè)G（s）的極點以相同的比例因子高于Wu，即Wp=XWu，則開環(huán)傳輸函數(shù)被改寫為：

在本文設(shè)計的時鐘倍頻器中，晶振輸入的參考時鐘頻率為25MHz，壓控振蕩器的輸出增益為，電荷泵電流為100mA，分頻器的分頻比N=16。跟據(jù)前面的電路參數(shù)，電荷泵鎖相環(huán)的環(huán)路增益相對較高，為了保證電荷泵鎖相環(huán)的穩(wěn)定性，并抑制控制電壓上的紋波，所以將此時鐘倍頻器中的三階電荷泵鎖相環(huán)設(shè)計成窄帶鎖相環(huán)，其開環(huán)單位增益帶寬為fu=Wu/2p=0.317MHz。同時，為了有相當?shù)拈_環(huán)相位裕度和較快的閉環(huán)線性建立時間，取開環(huán)傳輸函數(shù)在單位增益帶寬的相位裕度，則有X=2.45。 最后得到C1=0.4167nF，C2=0.0833nF和R1=2.88KW。

圖4 輸入相位階躍時的波形

圖5 輸入頻率階躍時的波形

電荷泵鎖相環(huán)在SIMULINK中的建模與仿真

為了對所設(shè)計的三階電荷泵鎖相環(huán)進行系統(tǒng)級驗證并分析其動態(tài)特性，本文在通用的仿真環(huán)境SIMULINK中建立了其行為模型，并進行了動態(tài)特性的仿真驗證。

整個用作時鐘生成器的三階電荷泵鎖相環(huán)在SIMULINK中的行為模型如圖3所示，其中鑒頻鑒相器由兩個帶使能的D觸發(fā)器、一個與運算、一個非運算和一個延遲單元組成，兩個D觸發(fā)器的Q輸出端一方面作為控制信號up、down傳送給電荷泵，另一方面作為反饋信號產(chǎn)生與運算的復(fù)位信號；用一個脈沖發(fā)生器來代替參考時鐘，并與一個D觸發(fā)器的CLK端相連，另一個D觸發(fā)器的CLK端接分頻器的輸出信號。

電荷泵被模擬為一個減運算和一個增益級，增益級的增益為電荷泵的電流。二階無源環(huán)路濾波器被模擬為一個積分環(huán)節(jié)、一個增益級和一個傳輸函數(shù)環(huán)節(jié)，相應(yīng)的參數(shù)由環(huán)路濾波器的傳輸函數(shù)F（s）確定。壓控振蕩器被模擬為一個增益級、一個相加運算、一個積分環(huán)節(jié)、一個模2p運算和一個開關(guān)環(huán)節(jié)，其中增益級的增益為壓控振蕩器的增益Kvco，相加運算的另一輸入端接的恒量是壓控振蕩器的中心頻率，積分環(huán)節(jié)將頻率變?yōu)橄辔?，?p運算把相位信號變?yōu)橹芷跒?p的鋸齒波信號，開關(guān)環(huán)節(jié)再把周期為2p的鋸齒波信號變?yōu)榉讲〞r鐘信號。分頻器由四個異步二分頻器級連而成，每個異步二分頻器均是由！Q端與D端相連的D觸發(fā)器構(gòu)成。

圖3所示的三階電荷泵鎖相環(huán)行為模型完全能夠模擬電荷泵鎖相環(huán)的離散采樣本質(zhì)和非線性本質(zhì)，這樣就可以通過仿真來得到比較接近實際情形的電荷泵鎖相環(huán)動態(tài)特性，并驗證采用線性連續(xù)時間近似理論所設(shè)計的電荷泵鎖相環(huán)。圖4是參考輸入信號發(fā)生相位階躍時環(huán)路濾波器輸出電壓的波形，此波形非常類似于將三階電荷泵鎖相環(huán)近似處理為線性連續(xù)時間系統(tǒng)時所得的瞬態(tài)響應(yīng)，由圖4可以得到：建立時間tsettle=6ms。圖5是參考輸入信號發(fā)生5MHz頻率階躍時環(huán)路濾波器輸出電壓的波形，從起始時刻到波形第一次達到穩(wěn)態(tài)值的時刻為頻率牽引過程，由圖可知頻率牽引過程是一個完全的非線性過程，時間為7.3ms；此后是相位鎖定過程，是一個近似的線性過程，時間為5.7ms。

結(jié)語

本文采用鎖相環(huán)開環(huán)傳輸函數(shù)波特圖對三階電荷泵鎖相環(huán)進行了系統(tǒng)級設(shè)計，并用SIMULINK進行了仿真驗證，對鎖相環(huán)設(shè)計中的相位裕度與建立時間，穩(wěn)定性與環(huán)路帶寬這兩對矛盾進行了很好的權(quán)衡。

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