复杂环境下自校准锁相回路电荷泵设计方法

李瑞丰

（天津安泰微电子技术有限公司 天津市 300300）

锁相回路电荷泵可以校正电压，保证电流稳态，在复杂环境中传统的锁相回路电荷泵稳定性差，不能满足目前的校准需求，因此以深组合系统环境为基础，提出了自校准锁相回路电荷泵设计方法。

CMOS 锁相环是一种频繁应用于集成电路设计中的电路，主要应用于调频信号解调、移相键控信号解调及位捕捉技术中。锁相环电路结构的最大特点是不使用电感线圈，依靠调节环内低通滤波器或放大器增益，即可实现对输入信号的频率与相位的自动跟踪和对噪声的窄带过滤等功能。在电荷泵锁相环电路中，通常采用开关电流源作为电荷泵，且采用电流镜电路作为电荷泵电流支路的偏置电路，但是电荷泵在输出电压范围较大时泵出或者泵入的电流不能完全匹配，该电流误差将恶化锁相环的相位噪声。自校准电路的引入可以克服这个问题，但在不同环境中可能存在电流源输出阻抗较大的情况，导致电压增益较高，如果频率特性不满足稳定条件，则电路发生振荡，产生电路安全问题[1-2]。

锁相环是自动帧率控制和自动相位控制技术的融合，该技术的出现解决了电压和温度等因素引起的校准干扰，其要依赖锁相环，由锁相环中的分频器保证信号的输出转化。一个标准的校准系统需要一个或多个锁相环提供时钟信号。因此，锁相环的应用可与各类模拟电路相媲美，数字电视、电脑、手机等都离不开锁相环。由于电子集成度的提高、锁相环出现了频率增加和线宽的减少的问题[3]，传统的自校准锁相环电荷泵校准稳定性较差，无法满足当前的校准要求。因此提出了复杂环境中的自校准锁相环电荷泵设计方法，以提高校准稳定性。

1 复杂环境下自校准锁相回路电荷泵优化设计

1.1 分析自动校准锁相环环路参数

在设计锁相环电荷泵时，需要分析自动校准锁相环参数，该参数可以利用时间振荡采集，采集到的噪声可以作为参数评估的标准。一般而言，锁相回路电荷泵有两个参数，都需要利用锁相环噪声测定，但由于锁相环噪声测定方法较复杂，需要在测试时加入预测因子。将预测因子添加到噪声源附近，读取噪声源附近的异常噪声，保证采集噪声数据的可用性，确定其整体输出的噪声是否符合参数设计需求。在参数采集时，需要不断地重复上述过程，最后在锁相环的原始噪声源上增添采集到的噪声，使得锁相环的输入噪声超过锁相环原始噪声，实现噪声的采集。

电荷泵将采集到的噪声数值输入到参考时钟、鉴相器/电荷泵，以及电子压控振荡器中。此时，锁相环的整体噪声输出相位呈现叠加状态，即叠加了不同来源的非线性噪声。锁相环传递函数的关键极点是锁相环的阶数，即该阶数必须由一个环路压控滤波器直接提供，因此，一个锁相环的总阶数高于环路压控滤波器阶数，低电压可控功率也在校准信号源附近。

电荷泵锁定的单相环电荷可以为整个锁相环回路提供稳定电流。[4]在实际的射频应用中，通常会选择第二阶或第三阶的低级环路滤波器，其主要原因是高阶的环路滤波器极性更大，相位裕度更小，易导致回路振荡。在真正的环路相环中，环路滤波器的电阻和环路电容之间的相位变动可能会直接影响环路相位变动裕度，电阻和环路电容之间的相位变动裕度的影响范围一般在10%～20%左右。因此，设计的回路必须设计一个可调控参数，以便确定每个相位的精确裕度。[5]

1.2 复杂环境下设计自校准锁相回路电荷泵基本模块

本文的复杂环境指的是深组合系统，该组合系统利用接收机辅助信号的接收，由惯导信息辅助，在组合系统中，自校准锁相回路的基本模块起到了跟踪作用，该复杂环境的综合系统框图如图1所示。

图1：复杂环境综合系统框图

在上述复杂环境中设计电荷泵的第一步是确定参数，在参数确定后，针对不同的应用需求，锁相环的基本模块组成不同，不同模块之间的相位速度、功耗、抖动频率，以及捕获范围也不同。因此本文在其他条件不断变化的复杂环境下，改进锁相回路，使改进后的回路满足相互集成关系，除此之外，设计的回路还需要在调谐幅值范围和速度方面满足模块需求。电子压控振荡器的输入信号会因为温度或其他工艺而发生改变，因此需要综合考虑温度等因素，以此为依据设计电荷泵的基本模块。[6-7]

为了弥补温度带来的回路变化，电子压控振荡器输出信号的频率和调谐幅值应该比实际应用宽2 倍。在设计电子压控振荡器模块时，需要充分考虑控制线的噪声影响，这些噪声会导致控制线的频率和相位变化，使得电压增益下降。为了有效地降低噪声对控制线路的影响，可以尽量降低电子压控振荡器的频率，还需要确保锁相环在不同频率下的稳定性不发生改变，使调谐增益保持在调谐范围内。[8]除了上述模块外，还需要设计脉冲式分频器模块，该模块可以比较阈值差异，输入正确的阈值。鉴相器模块对输出频率信息不敏感，因此当锁相环启动时，振荡器的输出频率相差较大，需要输入参考信号以平衡频率差值。

1.3 实现亚采样电荷泵锁相环结构

在电荷泵锁相环中，由于环路滤波器的特殊性，不同的锁相环的结构不同，本文设计的电荷泵根据电容电阻需求，将电阻与电容串联，增加并联电容，降低滤波器的压力，保证锁相环电荷泵校准的稳定性，基于此设计的亚采样结构如图2所示。

图2：亚采样电荷泵锁相环结构

由图2 可知，为了使锁相环能够正确锁定频率，在本文设计的结构中还加入了锁频环，由分频器和三相鉴频器组成。

2 仿真测试

为了测试本文设计的自动校准锁相回路电荷泵性能，搭建了仿真测试平台，将未优化前的电荷泵与本文设计的电荷泵进行对比，具体测试内容如下。

2.1 测试准备

搭建的仿真平台受锁相环噪声性能的限制，需要设计电子压控振荡器降低相位噪声，常规的电子压控振荡器消耗面积较大，电感的集成成本较高，因此，本测试搭建的仿真平台选用新型电子压控振荡器，其具有工艺兼容性好、面积小、多相输出等优点。并在电子压控振荡器中加入了延时单元，与TSPC 反相器相比，其具有输入电容较小的特点，至此完成测试平台搭建。

2.2 测试结果与讨论

在搭建的仿真平台中，始终保持电荷泵处于泵出/泵入状态，获得其泵出/泵入电流的绝对值，测试的泵出电流与泵入电流如表1所示。

表1：仿真结果

由表1 可知，利用本文设计的自校准锁相回路电荷泵的泵入电流和泵出电流差异较小，差值在3mA 以内，相较于初始电荷泵的泵入电流和泵出电流差异值更低，证明所提设计方法提高了电荷泵的稳定性，改善了电荷泵的性能，其主要原因是，所提方法在考虑电荷泵工作环境的基础上对其进行了针对性设计，降低了噪声、温度等因素的影响，提高了电流输出稳定性。

3 结束语

CMOS 电荷泵锁相环是模拟及数模混合电路中的一个基本并且非常重要的模块，其能够跟踪输入信号的相位和频率，并可以输出锁定相位、低抖动的其它频率信号，在通讯、无线电系统、数字电路和磁盘驱动等领域中都是一个必不可少的单元，并且直接决定了整个系统的工作稳定性和各项指标的好坏。随着集成电路的发展，电路尺寸在逐渐缩小，自校准回路电荷泵能通过分频器和环形振荡器满足校准需求，促进了电子产业的发展，因此本文对自校准锁相回路电荷泵进行了优化设计，解决了该电荷泵不稳定的问题，改善了该电荷泵的性能，为后续电子校准技术提供参考。