電荷泵鎖相環(huán)的數(shù)字鎖定檢測電路應(yīng)用分析

摘 要
電荷泵鎖相環(huán)的鎖定指示電路設(shè)計，常用的方法是在PFD 電路中通過檢測經(jīng)分頻后的參考輸入和本振反饋信號的相位誤差來實現(xiàn)，當(dāng)相位誤差超過某個鎖定檢測窗口時，鎖相環(huán)電路就上報失鎖告警。由于數(shù)字鎖定指示電路設(shè)計簡單，易于被監(jiān)控而被廣泛應(yīng)用。在實際的鎖相環(huán)電路設(shè)計中，往往由于電路參數(shù)選擇不合理，盡管鎖相環(huán)處于正常的鎖定狀態(tài)，但由于PFD 的相位誤差超過鎖定檢測窗口而導(dǎo)致數(shù)字鎖定指示電路顯示失鎖。因此，必須需要根據(jù)特定鎖相環(huán)配置和外圍電路選擇合適的檢測窗口，或者根據(jù)檢測窗口要求設(shè)計合適的鎖相環(huán)環(huán)路參數(shù)和外圍電路。

1 概述
在各種鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)中，電荷泵鎖相環(huán)因其穩(wěn)定性高，捕獲范圍大，便于集成等特點而別廣泛應(yīng)用于無線通信、頻率綜合器和時鐘恢復(fù)電路中。隨著芯片設(shè)計集成化和電路設(shè)計的簡潔化，鎖相環(huán)芯片通常都集成了環(huán)路鎖定檢測電路。

電荷泵鎖相環(huán)的鎖定檢測電路設(shè)計，包括模擬鎖定檢測和數(shù)字鎖定檢測兩種方法。其中，模擬檢測電路采用經(jīng)鑒頻鑒相器PFD 輸出的相位誤差，產(chǎn)生脈沖信號對外部電容進(jìn)行充電和放電，需要較長的時間以達(dá)到穩(wěn)定的電平輸出，以指示當(dāng)前鎖相環(huán)狀態(tài)是鎖定或失鎖，在電路設(shè)計方面不夠靈活并缺乏精確判斷鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)，限制了其應(yīng)用范圍。數(shù)字鎖定檢測方法具有準(zhǔn)確性高、可編程性且電路設(shè)計易于實現(xiàn)等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。目前，電荷泵鎖相環(huán)的數(shù)字鎖定指示電路設(shè)計中，通常采用在鑒頻鑒相器PFD 電路中檢測經(jīng)過分頻后的參考時鐘輸入和同樣經(jīng)分頻后的本振反饋信號的相位誤差來實現(xiàn)，當(dāng)相位誤差超過某個鎖定檢測窗口時，鎖相環(huán)電路就上報失鎖指示信號。本文介紹了電荷泵鎖相環(huán)電路鎖定檢測的基本原理，通過分析影響鎖相環(huán)數(shù)字鎖定電路的關(guān)鍵因子，推導(dǎo)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(shè)計或外圍電路參數(shù)是如何影響電荷泵鎖相環(huán)芯片數(shù)字鎖定指示的準(zhǔn)確性。

2 電荷泵鎖相環(huán)電路的數(shù)字鎖定檢測原理

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

2.1 PFD、電荷泵電流和相位誤差

典型的電荷泵鎖相環(huán)電路（如TI 的CDCE72010）的PFD 工作原理如圖1 所示。當(dāng)送達(dá)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(jīng)后級低通濾波器后，產(chǎn)生不同的壓控電壓以控制外部振蕩器的輸出，達(dá)到負(fù)反饋的穩(wěn)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(tài)時，該相位誤差也就是鎖相環(huán)的穩(wěn)態(tài)相差參數(shù)。