锁相环环路滤波器计算公式_自偏置锁相环

传统锁相环&＃xff0c;环路带宽、相位裕度与电荷泵电流、滤波器RC参数、分频比、参考频率等参数相关。自偏置锁相环通过将电荷泵电流、滤波器中的电阻等参数联系在一起&＃xff0c;可实现环路带宽与参考频率比值及阻尼因子近似为定值&＃xff0c;进而解决传统锁相环面临的问题。

1.      自偏置锁相环原理

传统二阶锁相环与自偏置锁相环结构框图分别如图1(a)和(b)所示。            Fig1. 传统锁相环与自偏置锁相环

  传统的二阶锁相环的开环传递函数为&＃xff1a;

闭环传递函数为&＃xff1a;

得到阻尼因子为&＃xff1a;

环路带宽为&＃xff1a;

为了环路稳定性&＃xff0c;要满足ω_N <ω_ref/10&＃xff1b;但是为了抑制VCO的相噪&＃xff0c;又需要ω_N尽可能大。对于传统锁相环&＃xff0c;滤波器中的R及电荷泵电流等参数一般都无法自适应调节&＃xff0c;环路带宽和阻尼因子相对比较固定&＃xff0c;从而限制了工作频率。面对较宽的输入参考频率(如60~820MHz)&＃xff0c;为了得到较好的噪声性能&＃xff0c;就需要做到带宽跟随输入参考频率&＃xff0c;即实现ω_N /ω_ref为常数。

为了实现ω_N /ω_ref 和ξ是一个常数&＃xff0c;首先写出RING-VCO的工作频率表达式&＃xff1a;

其中M为delay cell级数&＃xff0c;C_B为VCO中delay cell输出端寄生电容&＃xff0c;I_D为delay cell的尾电流&＃xff0c;ω_ref &＃61;ω_vco /N&＃xff0c;为了使ω_N /ω_ref是一个常数&＃xff0c;可以使I_CP&＃61;xI_D。但是此时阻尼因子会随输入参考频率而变化&＃xff0c;为了使阻尼因子不随参考频率而变化&＃xff0c;可以在电荷泵电流用VCO的电流自偏置的前提下采用二极管连接的mos管做滤波器电阻&＃xff0c;使其与1/sqrt(I_D)成正比&＃xff1b;为了实现滤波器中用二极管连接的mos管做电阻&＃xff0c;需要使用两个独立的CP分别驱动电阻和电容&＃xff0c;得到一条积分路径、一条比例路径&＃xff0c;然后对两条路径上的电压进行相加得到vctrl。

参考文献&＃xff1a;Maneatis, John G. "Low-jitter process-independentDLL and PLL based on self-biased techniques." IEEE InternationalSolid-state Circuits Conference 1996.

自偏置锁相环应用框图如图2所示&＃xff1a;

Fig2.自偏置锁相环应用框图

开环传递函数H(s)推导过程如下&＃xff1a;      

其中&＃xff0c;A_V1为CP1的输出到V_BN的小信号增益。设I_CP2&＃61;αI_CP1&＃xff0c;I₁&＃61;βI₂&＃xff0c;R₂&＃61;γR₁&＃xff0c;整理可得锁相环的开环传递函数为&＃xff1a;        

其中

所以环路存在两个在原点的极点&＃xff0c;以及一个零点和一个非零极点。

2.      自偏置锁相环设计指标

表1给出了自偏置锁相环的设计指标

Table1. 自偏置锁相环的设计指标

3.      自偏置锁相环测试结果

锁相环时钟无法直接测试&＃xff0c;需要高速通道输出。测试时通过TX端引出&＃xff0c;TX数据给clock patten(010101)&＃xff0c;通过锁相环时钟打出&＃xff0c; TX输出数据眼图可间接得到时钟Rj。由于TX 并串转换(PISO)采用的是半速率方式&＃xff0c;用JitterLab积分时Clock Frequency要减半。

3.1 1.6GHz相噪仪测试结果

Fig3. 相噪仪测试结果(导出到JitterLab工具)&＃64;1.6GHz

    结论&＃xff1a;Rj&＃61;8.99 x 14&＃61;126mUI<150mUI&＃64;BER&＃61;10e12,bitrate&＃61;1.6 GHz&＃xff0c;满足设计指标。

3.2 5.16GHz相噪仪测试结果

Fig4. 相噪仪测试结果(导出到JitterLab工具)&＃64;5.16GHz

    结论&＃xff1a;Rj&＃61;7.65 x 14&＃61;107mUI<150mUI&＃64;BER&＃61;10e-12,bitrate&＃61;5.16 GHz&＃xff0c;满足设计指标。

4.      自偏置锁相环优缺点

①频率覆盖范围广&＃xff1b;

②特别适用于低压场合&＃xff1b;

③带宽可跟随参数频率&＃xff0c;阻尼因子近似恒定&＃xff1b;

④双电荷泵、滤波器电阻为有源电阻&＃xff0c;环路较复杂&＃xff1b;

⑤压控振荡器增益由两路叠加而成。