《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種快速鎖定鎖相環(huán)的方案設(shè)計
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
潘鴻澤1，王東興1，宋明歆2
1.哈爾濱理工大學 理學學院，黑龍江 哈爾濱150080；2.海南大學，海南 海口 570228
摘要： 提出了一種鎖相環(huán)快速鎖定的方案，在傳統(tǒng)鎖相環(huán)基礎(chǔ)上，額外設(shè)置輔助充電模塊，此模塊可實現(xiàn)在輸入?yún)⒖紩r鐘與反饋時鐘頻率差距較大時，提供大電流對濾波器中的電容充電，在臨近鎖定狀態(tài)時退出快速鎖定模式切斷充電通路，因此極大地縮短了的鎖定時間，并基于電路仿真驗證了方案的可行性與穩(wěn)定性。
中圖分類號： TN432
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190684
中文引用格式： 潘鴻澤，王東興，宋明歆. 一種快速鎖定鎖相環(huán)的方案設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(11)：47-50.
英文引用格式： Pan Hongze，Wang Dongxing，Song Mingxin. A design of a fast lock-in phase lock loop[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(11)：47-50.
A design of a fast lock-in phase lock loop
Pan Hongze1，Wang Dongxing1，Song Mingxin2
1.Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China；2.Hainan University，Haikou 570228，China
Abstract： In this paper, a fast lock-in scheme of PLL is proposed. On the basis of traditional PLL, an auxiliary charging module is added. This module can charge the capacitor of the filter with a large current when there is an obvious difference between the frequency of input reference clock and feedback clock, and quit the fast lock-in mode and cut-off the charging path when the frequency gap becomes small, which greatly shortens the lock-in time. The feasibility and stability of the approach are verified by circuit simulation.
Key words : phase lock loop；phase-frequency detector；charge pump；filter；voltage controlled oscillator

0 引言

    鎖相環(huán)作為集成電路中關(guān)鍵的模塊，被廣泛地應(yīng)用于各領(lǐng)域中。作為數(shù)字電路的“心臟”，鎖定時間被視為關(guān)鍵的指標。一個典型的鎖相環(huán)環(huán)路如圖1所示，其開環(huán)傳遞函數(shù)表示為：

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其中Icp為電荷泵鏡像電流，Kvco為壓控振蕩器增益，N為分頻比，ωlpf為濾波器-3 dB帶寬。鎖相環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)表達為：

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    將式(2)整理為標準二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

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    對此閉環(huán)系統(tǒng)的輸入施加X(s)=1/s的階躍信號時，得到輸出信號：

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    對式(6)作拉普拉斯反變換，得到該系統(tǒng)在欠阻尼(0<ξ<1) 情況下的時域響應(yīng)：

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1 快速鎖定方案原理

    本文實現(xiàn)快速鎖定的方案如圖2所示，在典型鎖相環(huán)環(huán)路中設(shè)置輔助充電模塊，其內(nèi)部由模式鑒別邏輯電路、電流源、開關(guān)構(gòu)成。模式鑒別邏輯電路實現(xiàn)的功能為：在參考時鐘與反饋時鐘頻率相差較大時，控制開關(guān)閉合，使電流源為濾波器中的電容充電，進入快速鎖定模式；當參考時鐘與反饋時鐘頻率相近時，控制開關(guān)斷開，關(guān)閉電流源輸出通道，退出快速鎖定模式。

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    因此，減小鎖定時間的關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)化為：如何分辨參考時鐘與反饋時鐘的頻率差距，并轉(zhuǎn)化為電路的實現(xiàn)方式。

    在鎖相環(huán)初啟動時，振蕩器處于起振階段，由于振蕩器控制信號(Vcont)電壓較低，反饋時鐘(clk_fb)頻率較為緩慢，其頻率與參考時鐘信號(clk_ref)頻率相差較大，如圖3所示，在每個反饋時鐘信號的周期內(nèi)，參考時鐘信號經(jīng)歷了多個周期。故可將每個反饋時鐘周期內(nèi)參考時鐘經(jīng)歷的周期個數(shù)作為分辨快速鎖定模式的依據(jù)。本設(shè)計中周期個數(shù)取值為2，即在每個反饋時鐘周期間隔內(nèi)，若檢測到存在兩個或兩個以上的參考時鐘周期，則判定進入快速鎖定模式，若檢測到小于兩個參考時鐘周期，則退出快速鎖定模式。在退出快速鎖定模式后，僅依靠傳統(tǒng)電荷泵對濾波器中的電容充電，直至鎖相環(huán)達到鎖定狀態(tài)。

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2 方案實現(xiàn)與仿真

    一種以上述判別方式實現(xiàn)的模式鑒別邏輯電路如圖4所示，該電路由一個二選一數(shù)據(jù)選擇器(Mux2)和一個二位二進制計數(shù)器(Counter2)構(gòu)成，其內(nèi)部信號描述為：A與B為數(shù)據(jù)選擇器的待選擇信號，s為選擇控制信號，rst為計數(shù)器的異步復(fù)位信號，clk為計數(shù)器的時鐘信號，A1與A0分別為計數(shù)器的高位與低位輸出。

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    此時序電路的波形圖如圖5所示，每次反饋時鐘的上升沿都會執(zhí)行異步復(fù)位功能，計數(shù)器輸出A1A0=2′b00，此時低電位的A1信號會使clk_ref信號通過數(shù)據(jù)選擇器，控制計數(shù)器開始計數(shù)。當計數(shù)器輸出達到2′b10時，高電位的A1信號使得數(shù)據(jù)選擇器的輸出發(fā)生變化，計數(shù)器不再計數(shù)并保持當前的輸出狀態(tài)，直到下一次輸出被復(fù)位。當反饋時鐘頻率足夠大時，每次反饋時鐘周期內(nèi)無法檢測到兩個參考時鐘周期，A1將一直保持低電位。故可將A1信號作為控制開關(guān)的信號(en)。

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    圖4中計數(shù)器的RTL級電路如圖6所示，異或門與反相器構(gòu)成的次態(tài)邏輯為A1A0(次態(tài))=A1A0+1，以此實現(xiàn)計數(shù)功能，若存在最高位進位則溢出。

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    上述模式鑒別邏輯電路存在一個缺點，在參考時鐘與反饋時鐘頻率差距較大時，每次復(fù)位后en信號都保持兩個參考時鐘周期的低電位，開關(guān)斷開，時間未被有效地利用。一個解決此問題的方法如圖7所示，在輸出處連接一個D觸發(fā)器，先鎖存前一個周期得到的高位信號，再執(zhí)行復(fù)位操作。為了保證鎖存與復(fù)位的先后順序，使用了一個緩沖器(Buffer)。

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    圖7改進的模式鑒別邏輯電路的實際仿真結(jié)果如圖8所示，在兩個信號頻率相近時，由于相位的差別，反饋時鐘周期內(nèi)有可能存在兩個參考時鐘的上升沿，因此在臨近鎖定狀態(tài)時，en信號翻轉(zhuǎn)屬于正?，F(xiàn)象。然而一個值得注意的問題是：在最開始的一段時間內(nèi)，en信號為低，并沒有進入到快速鎖定模式。造成這種現(xiàn)象的原因為：由于振蕩器在最開始起振的過程中頻率緩慢，使分頻器輸出的第一個上升沿到來過于遲緩，而D觸發(fā)器依靠此上升沿鎖存高位信號，故在開始的一段時間內(nèi)en信號保持為低，未能進入到快速鎖定模式。

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    上述問題可以通過在時域內(nèi)增加窗口的方法解決，如圖9所示。將圖9(a)中的階躍(step)信號與圖9(b)中的en_pre信號作邏輯處理，得到與圖9(c)中的en信號，執(zhí)行此邏輯的真值表如表1所示。

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    整理成最簡邏輯表達式為：

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    進一步改進的模式鑒別器如圖10所示，添加了反相器和與非門實現(xiàn)了式(11)的邏輯功能。在鎖相環(huán)剛開始啟動時，step信號為低，無論en_pre信號為何值，en都保持為高，直接進入到快速鎖定模式，而當step信號為高時失去作用，振蕩器已經(jīng)建立了一段時間，此時en信號的邏輯值與en_pre信號相同。

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    在圖10中由3個級聯(lián)的四分頻器（Div4）與數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成的反饋環(huán)路中，step信號最初為低電位，使得clk_ref通過數(shù)據(jù)選擇器并控制分頻器開始翻轉(zhuǎn)，當step信號達到高電位時，切換數(shù)據(jù)選擇器的輸入，使分頻器不再工作。以此方式，控制分頻比可以得到任意上升位置的階躍信號。分頻比視具體情況而定(例如本次設(shè)計中參考時鐘周期為50 ns，經(jīng)過64分頻后得到3 μs左右的低電平窗口，足夠覆蓋圖8中信號在最開始階段的低電位時間段)。

   進一步改進的模式鑒別邏輯電路仿真結(jié)果如圖11所示，Vcont_normal與Vcont_fast分別代表了普通鎖相環(huán)環(huán)路與應(yīng)用本文方案的鎖相環(huán)環(huán)路在相同濾波器的條件下的振蕩器控制信號。濾波器參數(shù)分別為：C1=120 pF，C2=25 pF，R1=15 kΩ。當指定環(huán)路帶寬ωc與相位裕度φc時，濾波器參數(shù)由下列公式給出[6]：

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    仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)環(huán)路與經(jīng)過本文提出的方法加速的環(huán)路的鎖定時間分別為61 μs與15 μs，因此極大地減少了鎖定時間，且鎖定時間仍可以通過調(diào)整充電電流進一步改善。

3 結(jié)論

    在傳統(tǒng)鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上，引入了輔助充電模塊，通過不斷地對模式鑒別邏輯電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在無需改變普通鎖相環(huán)環(huán)路參數(shù)情況下，達到了縮短鎖定時間的目的。仿真結(jié)果表明，在相同的濾波器參數(shù)下，與傳統(tǒng)的典型鎖相環(huán)環(huán)路相比，鎖定時間降低了約75%，且仍有改善空間，該方案可應(yīng)用于絕大多數(shù)電荷泵鎖相環(huán)的設(shè)計當中。

參考文獻

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作者信息:

潘鴻澤1，王東興1，宋明歆2

(1.哈爾濱理工大學 理學學院，黑龍江 哈爾濱150080；2.海南大學，海南 ?？?570228)

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