[發明專利]用于鎖相環的鑒頻鑒相器

有效

• 申請號: 201310203013.4
• 申請日: 2013-05-28
• 公開（公告）號: CN104184465B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發明（設計）人: 朱紅衛;王旭;楊光華
• 申請（專利權）人: 上海華虹宏力半導體制造有限公司
• 主分類號: H03L7/085
• 分類號: H03L7/085
• 代理公司: 上海浦一知識產權代理有限公司31211
• 代理人: 丁紀鐵

技術領域

本發明涉及一種半導體集成電路，特別是涉及一種用于鎖相環的鑒頻鑒相器。

背景技術

鎖相技術雖然已提出近100年，在電子系統中應用廣泛，同時對性能的要求也越來越高?，F在的PLL芯片向著頻率高、頻帶寬、集成度大、功耗低、價格低廉、功能強大等方向發展，但是隨著工作頻率越來越高，由于鑒頻鑒相器本身結構存在較大的“死區”是沒有正確的檢測出相位差而使鎖相環性能下降，所以如何設計出用于較高頻率的鑒頻鑒相器是高性能鎖相環設計需要解決的主要問題。

鎖相環是具有非線性的反饋系統。然而，通過線性分析可以對其基本的操作做出很好的近似。在這樣的分析中，Laplace變換是一個很有用的工具。傳輸函數的相關概念，即描述一個線性電路的輸入端和輸出端在S域的關系，被用于分析PLL的開環和閉環特性。如圖1所示，為一個簡化的鎖相環的S域示意圖。模塊101為鑒頻鑒相器(phase-frequency detectors,PFD)和電荷泵合并模塊，由傳輸參數K_PFD表示，傳輸參數K_PFD等于I_CP/2π，Icp也即為圖1中的Iout（s）。二階環路濾波器形成的低通濾波器的阻抗由Z_LPF(S)表示。模塊103表示壓控振蕩器（VCO），其轉換增益K_VCO表示對于調諧電壓Vcont（s）頻率的敏感度。預分頻電路104和低頻分頻器105分別用于分頻，預分頻電路104和低頻分頻器105分頻比例分別由P和N表示，模塊103輸出頻率信號Fout，預分頻電路104輸出頻率信號Fout/P，低頻分頻器105輸出頻率信號F_bck。上述綜合器即鎖相環的開環傳輸函數可以定義成：

顯示了一個由VCO引起的在原點處的極點。整個環路的動態特性由環路濾波器的傳輸函數決定，在這個例子中它是一個阻抗函數，它將電荷泵電流轉換成VCO的調諧電壓。Z_LPF(s)表示成

等式（2）表明第一個環路濾波器的極點在ω_p1＝0處，零點在

ω_z＝1/R₁C₁（3）

兩個在原點處的極點（第一個由于VCO產生，第二個為ω_p1）可以補償當相位裕度為0時環路的非穩定。加入ω_z穩定了環路，合適的位置可以提供足夠的相位裕度，以確保環路穩定。為了得到一個對于第二個極點有意義的表達式，即和ω_z相關。通過在公式（2）中引入變量m=(C₁+C₂)/C₂，得到：

它表明第二個環路濾波器的極點在

將Z_LPF(s)化簡成

使用公式（6），開環傳輸函數可以重新寫為：

其中A為

在波特圖中可以畫出開環傳輸函數的幅度和相位，用于查看極點和零點的位置以及環路穩定的條件。如圖2所示，在零點ω_z，斜率由40下降為20dB/dec，更重要的是，使相位從-180度開始增加。幅值為1或者0-dB處相位的值稱為相位裕度（PM）。頻率的交叉點為PLL的環路帶寬，由ω_c表示。后者的計算是通過使式（7）H_OL(s)的幅度為1，從而得到：

其中，φ_z=tan^-1(ω_c/ω_z)，φ_p2＝tan^-1(ω_c/ω_p2)。相位裕度表示為：

理想地，要使相位裕度最大以確保環路的穩定，當然也要滿足決定極點和零點位置的電阻和電容值的變化?？赡艿淖畲笙辔辉６瓤梢酝ㄟ^對公式（10）進行微分運算而得到：

將ω_c代入公式（10），得到最大相位裕度：