自偏置鎖相環(huán)原理 自偏置鎖相環(huán)測(cè)試

傳統(tǒng)鎖相環(huán)，環(huán)路帶寬、相位裕度與電荷泵電流、濾波器RC參數(shù)、分頻比、參考頻率等參數(shù)相關(guān)。

自偏置鎖相環(huán)通過(guò)將電荷泵電流、濾波器中的電阻等參數(shù)聯(lián)系在一起，可實(shí)現(xiàn)環(huán)路帶寬與參考頻率比值及阻尼因子近似為定值，進(jìn)而解決傳統(tǒng)鎖相環(huán)面臨的問(wèn)題。

**1. **自偏置鎖相環(huán)原理

傳統(tǒng)二階鎖相環(huán)與自偏置鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖分別如圖1（a）和（b）所示。

Fig1. 傳統(tǒng)鎖相環(huán)與自偏置鎖相環(huán)

傳統(tǒng)的二階鎖相環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

得到阻尼因子為：

環(huán)路帶寬為：

為了環(huán)路穩(wěn)定性，要滿足ωN <ω ref /10；但是為了抑制VCO的相噪，又需要ωN盡可能大。對(duì)于傳統(tǒng)鎖相環(huán)，濾波器中的R及電荷泵電流等參數(shù)一般都無(wú)法自適應(yīng)調(diào)節(jié)，環(huán)路帶寬和阻尼因子相對(duì)比較固定，從而限制了工作頻率。面對(duì)較寬的輸入?yún)⒖碱l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?yún)⒖碱l率，即實(shí)現(xiàn)ωN~ /ωref為常數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)ω N ~ /ωref ~和ξ是一個(gè)常數(shù)，首先寫出RING-VCO的工作頻率表達(dá)式：

其中M為delay cell級(jí)數(shù)，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ωN /ωref是一個(gè)常數(shù)，可以使I CP =xI D 。

但是此時(shí)阻尼因子會(huì)隨輸入?yún)⒖碱l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(shí)現(xiàn)濾波器中用二極管連接的mos管做電阻，需要使用兩個(gè)獨(dú)立的CP分別驅(qū)動(dòng)電阻和電容，得到一條積分路徑、一條比例路徑，然后對(duì)兩條路徑上的電壓進(jìn)行相加得到vctrl。

自偏置鎖相環(huán)應(yīng)用框圖如圖2所示：

Fig2.自偏置鎖相環(huán)應(yīng)用框圖

開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)H(s)推導(dǎo)過(guò)程如下：

其中，AV1為CP1的輸出到VBN的小信號(hào)增益。設(shè)I CP2 =αI CP1 ，I 1 =βI 2 ，R 2 =γR 1 ，整理可得鎖相環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中

所以環(huán)路存在兩個(gè)在原點(diǎn)的極點(diǎn)，以及一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)非零極點(diǎn)。

**2. **自偏置鎖相環(huán)設(shè)計(jì)指標(biāo)

表1給出了自偏置鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)指標(biāo)

Table1. 自偏置鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)指標(biāo)

**3. **自偏置鎖相環(huán)測(cè)試結(jié)果

鎖相環(huán)時(shí)鐘無(wú)法直接測(cè)試，需要高速通道輸出。測(cè)試時(shí)通過(guò)TX端引出，TX數(shù)據(jù)給clock patten（010101），通過(guò)鎖相環(huán)時(shí)鐘打出， TX輸出數(shù)據(jù)眼圖可間接得到時(shí)鐘Rj。由于TX 并串轉(zhuǎn)換（PISO）采用的是半速率方式，用JitterLab積分時(shí)Clock Frequency要減半。

3.1 1.6GHz****相噪儀測(cè)試結(jié)果

Fig3. 相噪儀測(cè)試結(jié)果（導(dǎo)出到JitterLab工具）@1.6GHz

結(jié)論：Rj=8.99 x 14=126mUI<150mUI@BER=10e12,bitrate=1.6 GHz，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.2 5.16GHz****相噪儀測(cè)試結(jié)果

Fig4. 相噪儀測(cè)試結(jié)果（導(dǎo)出到JitterLab工具）@5.16GHz

結(jié)論：Rj=7.65 x 14=107mUI<150mUI@BER=10e-12,bitrate=5.16 GHz，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

**4. **自偏置鎖相環(huán)優(yōu)缺點(diǎn)

①頻率覆蓋范圍廣；

②特別適用于低壓場(chǎng)合；

③帶寬可跟隨參數(shù)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(huán)路較復(fù)雜；

⑤壓控振蕩器增益由兩路疊加而成。