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自偏置鎖相環原理 自偏置鎖相環測試

冬至子 ? 來源:一片冰芯 ? 作者:一片冰芯 ? 2023-10-30 16:47 ? 次閱讀

傳統鎖相環,環路帶寬、相位裕度與電荷泵電流濾波器RC參數、分頻比、參考頻率等參數相關。

自偏置鎖相環通過將電荷泵電流、濾波器中的電阻等參數聯系在一起,可實現環路帶寬與參考頻率比值及阻尼因子近似為定值,進而解決傳統鎖相環面臨的問題。

**1. **自偏置鎖相環原理

傳統二階鎖相環與自偏置鎖相環結構框圖分別如圖1(a)和(b)所示。

圖片

Fig1. 傳統鎖相環與自偏置鎖相環

傳統的二階鎖相環的開環傳遞函數為:

圖片

閉環傳遞函數為:

圖片

得到阻尼因子為:

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環路帶寬為:

圖片

為了環路穩定性,要滿足ωNref /10;但是為了抑制VCO的相噪,又需要ωN盡可能大。對于傳統鎖相環,濾波器中的R及電荷泵電流等參數一般都無法自適應調節,環路帶寬和阻尼因子相對比較固定,從而限制了工作頻率。面對較寬的輸入參考頻率(如60820MHz),為了得到較好的噪聲性能,就需要做到帶寬跟隨輸入參考頻率,即實現ωN~ /ωref為常數。

為了實現ω N ~ /ωref ~和ξ是一個常數,首先寫出RING-VCO的工作頻率表達式:

圖片

其中M為delay cell級數,CB為VCO中delay cell輸出端寄生電容,ID為delay cell的尾電流,ω ref ~ =ωvco~ /N,為了使ωNref是一個常數,可以使I CP =xI D

但是此時阻尼因子會隨輸入參考頻率而變化,為了使阻尼因子不隨參考頻率而變化,可以在電荷泵電流用VCO的電流自偏置的前提下采用二極管連接的mos管做濾波器電阻,使其與1/sqrt(I D )成正比;為了實現濾波器中用二極管連接的mos管做電阻,需要使用兩個獨立的CP分別驅動電阻和電容,得到一條積分路徑、一條比例路徑,然后對兩條路徑上的電壓進行相加得到vctrl。

自偏置鎖相環應用框圖如圖2所示:

圖片

Fig2.自偏置鎖相環應用框圖

開環傳遞函數H(s)推導過程如下:

圖片

其中,AV1為CP1的輸出到VBN的小信號增益。設I CP2 =αI CP1 ,I 1 =βI 2 ,R 2 =γR 1 ,整理可得鎖相環的開環傳遞函數為:

圖片

其中

圖片

所以環路存在兩個在原點的極點,以及一個零點和一個非零極點。

**2. **自偏置鎖相環設計指標

表1給出了自偏置鎖相環的設計指標

Table1. 自偏置鎖相環的設計指標

1.jpg

**3. **自偏置鎖相環測試結果

鎖相環時鐘無法直接測試,需要高速通道輸出。測試時通過TX端引出,TX數據給clock patten(010101),通過鎖相環時鐘打出, TX輸出數據眼圖可間接得到時鐘Rj。由于TX 并串轉換(PISO)采用的是半速率方式,用JitterLab積分時Clock Frequency要減半。

3.1 1.6GHz****相噪儀測試結果

圖片

圖片

Fig3. 相噪儀測試結果(導出到JitterLab工具)@1.6GHz

結論:Rj=8.99 x 14=126mUI<150mUI@BER=10e12,bitrate=1.6 GHz,滿足設計指標。

3.2 5.16GHz****相噪儀測試結果

圖片

圖片

Fig4. 相噪儀測試結果(導出到JitterLab工具)@5.16GHz

結論:Rj=7.65 x 14=107mUI<150mUI@BER=10e-12,bitrate=5.16 GHz,滿足設計指標。

**4. **自偏置鎖相環優缺點

①頻率覆蓋范圍廣;

②特別適用于低壓場合;

③帶寬可跟隨參數頻率,阻尼因子近似恒定;

④雙電荷泵、濾波器電阻為有源電阻,環路較復雜;

⑤壓控振蕩器增益由兩路疊加而成。

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