基于DP標準發(fā)射端擴頻時鐘發(fā)生器電路設計

　　電荷泵鎖相環(huán)具有低功耗、高速、低抖動和低成本等特點，廣泛應用于無線電通信、頻率綜合器、時鐘恢復電路中。電荷泵電路在鎖相環(huán)路(PLL)中起著非常重要的作用，其主要功能是把鑒頻鑒相器(PFD)的數(shù)字信號UP和DOWN轉(zhuǎn)換為模擬信號，從而控制壓控振蕩器(VCO)的頻率。當PFD給出高精度的相位誤差時，電荷泵對整個環(huán)路的性能起決定性作用。當PLL鎖定在某個頻率時，電荷泵電路的輸出必須保持在一個常數(shù)。因此，在設計電荷泵電路時，產(chǎn)生一個穩(wěn)定步長的電壓是很重要的。實際的電荷泵不可避免的存在電荷泄漏、充放電流失配、泵開關(guān)時間延時不同等不利因素，這些因素都不同程度地造成輸出頻率的相位偏差，進而降低輸出時鐘的抗噪聲性能。該系統(tǒng)設計采用差分電路結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：消除了跳躍現(xiàn)象;可以丁作在較高頻率，滿足整個PLL的設計要求;由于對稱性，不易產(chǎn)生偏差;減小電源、地及襯底噪聲的影響;NMOS與PMOS開關(guān)特性不匹配對整個性質(zhì)將不再起決定性作用，原來要求NMOS與PMOS相匹配的地方，現(xiàn)在只需NMOS或PMOS自身相匹配即可。該電荷泵電路如圖4所示，它由大擺幅電流鏡及由上拉泵和下拉泵電路所構(gòu)成的對稱電荷泵所組成，屬于全差分型電荷泵電路。上拉泵和下拉泵均由差分輸入對V M1和VM2，電流鏡VM3，偏置電流源Ib和ISMALL，以及弱上拉電流鏡VM4和VM5所組成。該電路是一種新的全差分電荷泵結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)電荷泵電路相比，該電路具有輸出范圍寬和無跳躍現(xiàn)象等優(yōu)點，同時還可以有效地解決電荷泄漏和充放電失配等問題。

　　3.4 調(diào)制電荷泵電路

　　采用調(diào)制電荷泵三角波調(diào)制壓控振蕩器的控制電壓以達到擴頻的效果。文獻[5]中給出了調(diào)制電荷泵的參數(shù)：調(diào)制電流為2.33μA，調(diào)制頻率為30 kHz。電荷泵的輸出都是采用單管，而不是更有利于抑制失配度的級聯(lián)管，原因在于級聯(lián)管限制了電荷泵的電壓輸出范圍，壓控振蕩器在1.15～2.43 V線性范圍內(nèi)不是所有情況下都能處于飽和區(qū)工作。該設計通過增加管子的柵長L，即增加從管子漏端看進去的電阻來減小失配度，而管子增大所引起的時鐘饋通及電流泄露等問題比電流失配對系統(tǒng)的影響小。

　　3.5 濾波器電路

　　環(huán)路濾波器(LPF)連接在電荷泵和壓控振蕩器之間，它決定鎖相環(huán)的基本頻率特性。實際上，正是由于環(huán)路濾波器的存在，鎖相環(huán)才可以選擇工作在任意中心頻率和帶寬內(nèi)。環(huán)路濾波器可以采用無源濾波器或有源濾波器。該設計采用無源低通濾波器，用基于鎖相環(huán)交流頻域特性分析的方法。在該濾波器的設計中，如果鎖相環(huán)帶寬、相位裕度和零極點選擇合理，只需經(jīng)過1～2次試算，就可以得到正確結(jié)果。這種設計方法的優(yōu)點是直接以鎖相環(huán)的交流特性為出發(fā)點，利用使系統(tǒng)穩(wěn)定的簡單條件，就可以設計出環(huán)路濾波器。這為低相位抖動、快速鎖定鎖相環(huán)的行為級設計提供了一種快速準確的途徑。

　　3.6 壓控調(diào)節(jié)器電路

　　考慮到壓控振蕩器易受到電源噪聲的影響，而壓控振蕩器的性能是整個鎖相環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以為壓控振蕩器提供1個穩(wěn)定的電源電壓是非常必要的。本文采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

　　圖5中，補償電容為4.7 μF，基準點電壓Ref來自帶隙基準，輸出電壓由反饋電阻和運放增益決定：

　　為了減小輸出電壓的誤差，需要設計增益較大的運放，考慮到環(huán)路的穩(wěn)定性及環(huán)路建立時間，把補償電容的極點作為整個環(huán)路的主極點，這就要求運放具有較高的帶寬。

　　用負載電阻模擬壓控振蕩器，取Rload為150～500 Ω，輸出5.2～18.8 mA電流來提供壓控振蕩器的電流，這一輸出范圍對運放的電壓輸出范嗣提出嚴峻要求。為了提高輸出電壓的電源抑制，可以設計輸出管VMP1工作在飽和區(qū)，但這就降低了低壓差線性穩(wěn)壓器的效率(近似為輸出電壓與電源電壓的比值);另外也可通過增加VMP1，管的柵長來提高電源抑制，但這樣就使得運放的主極點減小，整個環(huán)路穩(wěn)定性變差。低壓差線性穩(wěn)壓器的設計還需綜合考慮電荷泵輸出電壓，壓控振蕩器線性工作范圍等因素。