基于電荷泵鎖相環技術的電路鎖定檢測的基本原理和設計實現

1 概述

在各種鎖相環結構中，電荷泵鎖相環因其穩定性高，捕獲范圍大，便于集成等特點而別廣泛應用于無線通信、頻率綜合器和時鐘恢復電路中。隨著芯片設計集成化和電路設計的簡潔化，鎖相環芯片通常都集成了環路鎖定檢測電路。

電荷泵鎖相環的鎖定檢測電路設計，包括模擬鎖定檢測和數字鎖定檢測兩種方法。其中，模擬檢測電路采用經鑒頻鑒相器PFD 輸出的相位誤差，產生脈沖信號對外部電容進行充電和放電，需要較長的時間以達到穩定的電平輸出，以指示當前鎖相環狀態是鎖定或失鎖，在電路設計方面不夠靈活并缺乏精確判斷鎖相環的鎖定狀態，限制了其應用范圍。數字鎖定檢測方法具有準確性高、可編程性且電路設計易于實現等優點而被廣泛應用。目前，電荷泵鎖相環的數字鎖定指示電路設計中，通常采用在鑒頻鑒相器PFD 電路中檢測經過分頻后的參考時鐘輸入和同樣經分頻后的本振反饋信號的相位誤差來實現，當相位誤差超過某個鎖定檢測窗口時，鎖相環電路就上報失鎖指示信號。本文介紹了電荷泵鎖相環電路鎖定檢測的基本原理，通過分析影響鎖相環數字鎖定電路的關鍵因子，推導出相位誤差的計算公式。并以CDCE72010 為例子，通過實驗驗證了不合理的電路設計或外圍電路參數是如何影響電荷泵鎖相環芯片數字鎖定指示的準確性。

2 電荷泵鎖相環電路的數字鎖定檢測原理

相位誤差是數字鎖定檢測原理的最關鍵參數，下面分析了電荷泵鎖相環電路中相位誤差的來源，以及數字鎖定檢測電路是如何基于相位誤差實現的。

2.1 PFD、電荷泵電流和相位誤差

典型的電荷泵鎖相環電路（如TI 的CDCE72010）的PFD 工作原理如圖1 所示。當送達PFD 的參考

時鐘輸入超前本振時鐘輸入時，PFD1 就輸入一個高脈沖寬度的信號；反之，則在PFD2 輸出一個高脈沖電平寬度，通過PFD1 和PFD2 的脈沖信號以控制電荷泵電流的灌入和流出，經后級低通濾波器后，產生不同的壓控電壓以控制外部振蕩器的輸出，達到負反饋的穩定。通常PFD 電路是通過比較參考時鐘和本振時鐘上升沿之間的時延，該時延稱之為相位誤差。在電路處于鎖定狀態時，該相位誤差也就是鎖相環的穩態相差參數。

基于電荷泵鎖相環技術的電路鎖定檢測的基本原理和設計實現

2.2 數字鎖定檢測原理

數字鎖定檢測的基本原理就是比較相位誤差和預先設定的鎖定檢測窗口TLock_Window，一旦相位誤差在連續N 個周期里均落在預先設定的檢測窗口以內，數字檢測電路就指示該鎖相環處于鎖定狀態；而在鎖定狀態下，一旦相位誤差超出所設定的檢測窗口，數字檢測電路就指示該鎖相環處于失鎖狀態。

圖3 是CDCE72010 器件數字鎖定檢測電路示意圖，當CDCE72010 處于鎖定狀態時，鎖定指示信號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），可以滿足絕大多數應用場合的需求。

3 數字鎖定電路設計

由于數字鎖定檢測電路是通過分析鎖相環的相位誤差是否落在預設的鎖定檢測窗口范圍進行鎖定指示判斷，而鎖相環的應用場景復雜，實際應用中的電路設計差異性較大，相位誤差參數受鎖相環電路設計的影響較大，不恰當的電路設計和外圍器件選型可能產生較大的相位誤差并超出鎖相環芯片的最大鎖定檢測窗口。因此，需要根據特定鎖相環配置和外圍電路選擇合適的檢測窗口，或者根據檢測窗口要求設計合適的鎖相環環路參數和外圍電路。本節分析了影響鎖相環鎖定時相位誤差的關鍵參數，重點探討了如何可靠地設計數字鎖定指示電路。

3.1 電荷泵鎖相環電路鎖定狀態下的相位誤差分析

圖4 是基于CDCE72010 的電荷泵鎖相環電路漏電流模型，包括了無源濾波電路和本地壓控振蕩器VCO 或VCXO。理想情況下鎖相環電路的相位誤差應為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）均將影響環路鎖定狀態下的相位誤差。

當鎖相環處于鎖定狀態時，設相位誤差為Δt，電荷泵輸出脈沖寬度為Δt 幅度為Icp 的電流，則在一個鑒相周期T 內在后級低通濾波電容上積累的電荷量為Q1=Δt? Icp。同時，在一個鑒相周期內，鎖相環電路的漏電流泄漏的電荷為Q2 = T? （I1+I2+I3）。鎖定狀態下的壓控電壓保持穩定，則經電荷泵補充的電荷Q1 應等于漏電流泄漏掉的電荷Q2，即：

其中，為鎖相環電路的鑒相頻率。

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 是鎖相環芯片引入了，CDCE72010 的電荷泵漏電流指標是小于100nA，目前普通陶瓷電容的漏電流I2 也遠小于100nA，而壓控振蕩器的漏電流I3 則可以等效為流過壓控輸入端輸入阻抗的電流，不同規格的振蕩器，該指標差異較大，通常是達到uA 級別。因此，壓控振蕩器的等效輸入阻抗參數是影響鎖相環鎖定下相位誤差的關鍵來源。

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

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

3.2 數字鎖定檢測電路設計和實驗測試

在數字鎖定檢測電路設計中，必須嚴格確保鎖定時的相位誤差Δt 小于鎖定檢測窗口TLock_Window，

否則數字鎖定指示信號就將出現誤判現象。根據前面分析得知，在CDCE72010 鎖相環電路中，外部VCXO 的輸入阻抗是數字鎖定電路設計的一個關鍵參數，根據式（2），可以得到壓控振蕩器輸入阻抗的指標要求：

假設在應用中CDCE72010 中鑒相頻率為1MHz，電荷泵電流為1，預設的鎖定檢測窗口為5.8ns，本地VCXO 的壓控電壓為1.65V，則可以得到VCXO 的輸入阻抗要求：

在鎖相環電路設計中，鑒相頻率和電荷泵電流與環路直流增益成正比，跟鎖相環的環路帶寬和相位裕量密切相關，為了得到較小的環路帶寬，通常需要降低鑒相頻率或電荷泵電流。進一步分析式（2），相位誤差跟鑒相頻率和電荷泵電流成反比，因此在低環路帶寬電路的設計中，必須特別注意壓控振蕩器的輸入阻抗（或漏電流指標）和鎖定檢測窗口的設計，嚴格滿足式（3）的設計要求。

可以通過實驗來檢查式（3）的正確性。在CDCE72010 的評估板上，改變VCXO 壓控端的等效輸入阻抗，通過觀察CDCE72010 鎖定指示輸出管腳或鎖定指示寄存器的鎖定狀態，分析該鎖定檢測電路是否可靠地工作，具體實驗設置如下：

參考時鐘為25MHz，VCXO 頻率為125MHz，鑒相頻率為1MHz，PFD 的檢測窗口為5.8ns，控制電壓為1.65V，實驗結果如表1 所示，其中R i _ min為計算出的VCXO 輸入阻抗的最小值，√表示鎖相環指示鎖定，×表示鎖相環數字鎖定指示為失鎖狀態。其中，在實驗過程中，由示波器監控CDCE72010 的參考時鐘和本振時鐘一直處于鎖定狀態。

表1 不同VCXO 輸入阻抗值對CDCE72010 數字鎖定指示的影響