電荷泵鎖相環(huán)的數(shù)字鎖定檢測(cè)電路應(yīng)用分析

2.2 數(shù)字鎖定檢測(cè)原理

數(shù)字鎖定檢測(cè)的基本原理就是比較相位誤差和預(yù)先設(shè)定的鎖定檢測(cè)窗口TLock_Window，一旦相位誤差在連續(xù)N 個(gè)周期里均落在預(yù)先設(shè)定的檢測(cè)窗口以內(nèi)，數(shù)字檢測(cè)電路就指示該鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)；而在鎖定狀態(tài)下，一旦相位誤差超出所設(shè)定的檢測(cè)窗口，數(shù)字檢測(cè)電路就指示該鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài)。

圖3 是CDCE72010 器件數(shù)字鎖定檢測(cè)電路示意圖，當(dāng)CDCE72010 處于鎖定狀態(tài)時(shí)，鎖定指示信號(hào)PLL_LOCK Output 輸出為高電平。其中，N 的取值可以是1、16、64 或256，鎖定檢測(cè)窗口可選范圍很寬，從1.5ns 到28.6ns（常溫條件下），可以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

3 數(shù)字鎖定電路設(shè)計(jì)
由于數(shù)字鎖定檢測(cè)電路是通過(guò)分析鎖相環(huán)的相位誤差是否落在預(yù)設(shè)的鎖定檢測(cè)窗口范圍進(jìn)行鎖定指示判斷，而鎖相環(huán)的應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中的電路設(shè)計(jì)差異性較大，相位誤差參數(shù)受鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)的影響較大，不恰當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)和外圍器件選型可能產(chǎn)生較大的相位誤差并超出鎖相環(huán)芯片的最大鎖定檢測(cè)窗口。因此，需要根據(jù)特定鎖相環(huán)配置和外圍電路選擇合適的檢測(cè)窗口，或者根據(jù)檢測(cè)窗口要求設(shè)計(jì)合適的鎖相環(huán)環(huán)路參數(shù)和外圍電路。本節(jié)分析了影響鎖相環(huán)鎖定時(shí)相位誤差的關(guān)鍵參數(shù)，重點(diǎn)探討了如何可靠地設(shè)計(jì)數(shù)字鎖定指示電路。

3.1 電荷泵鎖相環(huán)電路鎖定狀態(tài)下的相位誤差分析

圖4 是基于CDCE72010 的電荷泵鎖相環(huán)電路漏電流模型，包括了無(wú)源濾波電路和本地壓控振蕩器
VCO 或VCXO。理想情況下鎖相環(huán)電路的相位誤差應(yīng)為0，但由于元器件的非理想特性，存在以下幾種漏電流：電荷泵漏電流I1、濾波電路的電容C1、C2 和C3 引入的漏電流I2 和本地壓控振蕩器引入的漏電流I3，這些漏電流（I1 + I2 + I3）均將影響環(huán)路鎖定狀態(tài)下的相位誤差。

當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí)，設(shè)相位誤差為Δt，電荷泵輸出脈沖寬度為Δt 幅度為Icp 的電流，則在一個(gè)鑒相周期T 內(nèi)在后級(jí)低通濾波電容上積累的電荷量為Q1=Δt• Icp。同時(shí)，在一個(gè)鑒相周期內(nèi)，鎖相環(huán)電路的漏電流泄漏的電荷為Q2 = T• (I1+I2+I3)。鎖定狀態(tài)下的壓控電壓保持穩(wěn)定，則經(jīng)電荷泵補(bǔ)充的電荷Q1 應(yīng)等于漏電流泄漏掉的電荷Q2，即：

其中， 為鎖相環(huán)電路的鑒相頻率。

圖4 CDCE72010 電路中影響相位誤差的漏電流模型

在圖4 所示的漏電流模型中， I1 是鎖相環(huán)芯片引入了，CDCE72010 的電荷泵漏電流指標(biāo)是小于100nA，目前普通陶瓷電容的漏電流I2 也遠(yuǎn)小于100nA，而壓控振蕩器的漏電流I3 則可以等效為流過(guò)壓控輸入端輸入阻抗的電流，不同規(guī)格的振蕩器，該指標(biāo)差異較大，通常是達(dá)到uA 級(jí)別。因此，壓控振蕩器的等效輸入阻抗參數(shù)是影響鎖相環(huán)鎖定下相位誤差的關(guān)鍵來(lái)源。

在采用CDCE72010 的鎖相環(huán)電路中，通常采用電源電壓為3.3V 的壓控振蕩器VCO/VCXO，其鎖定
時(shí)的壓控電壓Vctrl 一般穩(wěn)定在1.65V 附近。根據(jù)式（1），若忽略I1 和I2 漏電流，則在鎖定狀態(tài)下由VCO/VCXO 輸入阻抗引入的相位誤差為：

根據(jù)式子（2）可以看出，為了減小鎖定時(shí)的相位誤差，可以盡可能地提高鎖相環(huán)的鑒相頻率f PFD
、電荷泵電流Icp、以及壓控振蕩器的輸入阻抗Ri。