国产锁相环集成电路74HC4046SN的稳定性分析与应对措施

中国电子科技集团公司三十所 张晓龙

当前在国产化芯片日益普及的情况下，许多国产设备大量采用了国产化芯片，给我们民族工业带来了进步和发展，国产化芯片质量品质在近几年也得到了大步提升，为大国装备制造的质量品质奠定了基础。

国产芯片的使用过程中也会出现各种各样的问题，要根据问题特点进行认真分析，以便提高整机设备的可靠性，下面就使用我国某研究所生产的集成电路74HC4046SN设备的低温可靠性进行分析总结。

1 集成电路74HC4046SN原理特性

锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环（简称PLL），是将两个不同相位的信号通过压控振荡器同步锁定在相同相位。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成，如图1所示。

图1 锁相环主要组成部分

压控振荡器的输出UO接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号UO相比较，比较结果产生的误差输出电压UΨ正比于Ui和UO两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。这个平均值电压Ud朝着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致，这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）即称作锁定相位。

国产集成电路74HC4046SN主要性能指标：

工作温度范围：-40℃～85℃，电源电压：3～6V，传输延迟时间：≤53ns，≤102ns，输出高电平电压≥3.15V，输出低电平电压≤1.35V，输入高电平电压≥4.4V，输入低电平电压≤0.1V，电源电流≤160μA，最大允许功耗：500mW。

压控电路原理图，如图2所示。

图2 VCO压控振荡器电路原理图

2 国产集成电路74HC4046SN使用的稳定性情况

经对大量国产集成电路74HC4046SN的使用，总体上质量较好，符合军标试验条件并满足试验要求，但也出现个别批次高低温条件下不稳定的情况，出现批次差异。使用我国某研究所生产的74HC4046SN共9个批次6000片的统计情况，合格批次7个，不合格批次2个，不合格比例18%，表现为约8%～20%的器件在高温或者低温时锁相失败。

对于表现为高温或低温极限温度下相位不能锁定的器件，同一批次只发生高温失败而低温则正常，低温失败的则高温正常。

3 锁相环电路参数温度稳定性分析

不稳定状态与配置电阻有关，在极限高低温环境下，要通过锁相环电路将两个信号相位锁定输出，应关注的是输入输出信号Ain、Bin、out及配置电阻R1、R2，通过输入输出信号的频率等参数计算制定配置电阻，在极限温度条件下参数会发生变化，超出极限后导致锁相失败，若随之调整配置电阻在一定的适配范围，电路会正常工作。

根据芯片资料，设计目标输出频率（PLL_4.096MHz）的计算公式简化如下：

其中VCOin对应9脚的输入电压，是芯片内部VCO的压控端；M1、M2、Vref和Vramp均为芯片固有参数，其中Vref和Vramp相对固定，分别是Vref—4.4V、Vramp—1.8V；M1取值6～7之间，计算参考值6.2；M2取值6～8之间，计算参考值取7.0。

对于给定的芯片参数，R1决定芯片输出频率的动态可调可锁范围，R2决定芯片的最低输出频率边界。

由于VCOin电压值决定了芯片内部VCO输出频率的动态变化，实际工作中，芯片通过当前相位锁定状态给出13脚电压，经LPF滤波电路决定VCOin压控端电压，微调内部VCO输出频率，达到调整相位与输入时钟同步的目的。

4 国产集成电路74HC4046SN的稳定性问题解决办法及应对措施

经对对不稳定的锁相环电路深入分析，得到参数变化影响电路工作的机制：在不稳定时，集成电路74HC4046SN的参数M1和M2变化，标定参数为6≤M1≤7和6≤M2≤8（M1=6.2，M2=7），变化后的参数（M1=6.7，M2=8），标定值发生偏移到达临界，在配置电阻设置不能适应变化时，发生锁频失败。74HC4046SN的参数M1和M2符合其产品手册的规定，但其参数一致性特别是高低温的一致性稳定性需得到提高。

目前从几个方面进行解决：

（1）生产厂家对参数一致性进行筛选，将较大偏差和离散的器件筛选出去。

（2）在国产器件应用时，应充分考虑到各种因素，采用多种手段优化配置应用电路，将配置电阻重新计算和调整，使之更符合使用要求。

（3）通过生产工艺的提高达到参数较为一致和稳定的器件。厂家对参数一致性进行筛选，将增大厂家负担，并非长久解决之道，厂家应分析产生参数高低温不稳定不一致的原因，提高生产工艺技术，获得品质的提升。

总结：对于国产化锁相环集成电路稳定性分析，发现个别批次存在参数一致性稍差的情况，要针对这一情况特别对待，通过筛选、修改配置电阻等手段可以弥补个别器件参数偏差导致的不足，更寄希望于生产厂家提高生产工艺技术，提升器件的品质。