采用CSMC工藝的零延時緩沖器的PLL設(shè)計
1 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/186087.htm本文在傳統(tǒng)鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計了一款用于多路輸出時鐘緩沖器中的鎖相環(huán),其主 要結(jié)構(gòu)包括分頻器、鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器(VCO)。在鑒相器前采用預(yù) 分頻結(jié)構(gòu)減小時鐘信號在傳輸過程中受雜散分布的電容電感的影響,避免產(chǎn)生信號畸變、漂移等嚴(yán)重影 響電路隨時鐘精確工作的現(xiàn)象。PFD 比較兩個分頻器的信號,產(chǎn)生誤差信號對電荷泵進(jìn)行充放電,電荷 泵產(chǎn)生的模擬信號經(jīng)過環(huán)路濾波器后調(diào)節(jié)VCO 頻率。VCO 輸出后的分頻器的分頻系數(shù)與預(yù)分頻系數(shù)相 等,目的是使輸出與輸入的時鐘信號頻率相同,起到緩沖而不是分頻的效果。鎖定后實現(xiàn)輸入與輸出信 號零延遲。
2 電路結(jié)構(gòu)
2.1 鑒頻鑒相器(PFD)
PFD 產(chǎn)生關(guān)于頻率和相位誤差的信號,其脈沖寬度與相位誤差成比例的變化,傳輸給電荷泵及環(huán)路 濾波器引起壓控振蕩器控制電壓的變化,進(jìn)而改變振蕩頻率。電路工作的進(jìn)程如圖2 所示,這是一個下降沿比較的結(jié)構(gòu),由兩個基本RS 觸發(fā)器和兩個帶復(fù)位端的RS 觸發(fā)器組成。這種鑒相器不僅可以對相位 進(jìn)行比較,也可以對頻率進(jìn)行比較,鎖存結(jié)構(gòu)記憶了前一次的輸入信號狀態(tài),從而決定了下一次的輸出 狀態(tài)。
從復(fù)位信號有效開始考慮,以參考時鐘超前為例,in1 的下降沿首先使A 由高變低,接下來的in2 下降 沿也使B 由高變低,四輸入與非門的四個輸入端都為高,復(fù)位信號RN 變低(有效),使A 和B 在很短 的時間內(nèi)變高 。下一個周期重復(fù)前一個步驟。反向器的作用是為了消除進(jìn)入電荷泵的信號上的毛刺。另 外由于復(fù)位信號是由四輸入與非門產(chǎn)生的,其本身的延時足以使復(fù)位脈沖有一定的寬度,減小鑒相死區(qū), 又不至于太寬出現(xiàn)錯誤的輸出波形。
2.2 電荷泵(CP)
電荷泵設(shè)計的關(guān)鍵是降低抖動和電流失配引起的毛刺以及在開關(guān)瞬間的電荷轉(zhuǎn)移。調(diào)節(jié)電荷泵的尺 寸使匹配電流、增益、電容參數(shù)得到優(yōu)化。本文的電荷泵結(jié)構(gòu)簡單,如圖2 所示,由M1M4 組成連個 共源共柵結(jié)構(gòu)的恒定電流源,高的輸出阻抗使其接近理想的電流源,輸出電阻近似為(gm2+gmb2)ro2r01 或者 (gm3+gmb3)ro3r04。UP 和DN 信號經(jīng)過反向器作為電荷泵的充放電開關(guān),v1v4 是由基準(zhǔn)電路產(chǎn)生的固定 電平,使電流源工作在飽和區(qū),關(guān)系滿足v2>v1>v3>v4。當(dāng)UP 為低DN 為高時,上半部分電路導(dǎo)通, 通過反向器內(nèi)部的電源對電容充電;反之,則下半部分導(dǎo)通,Vctrl 通過M3、M4 及反向器內(nèi)部對地放電; 另外,由于開關(guān)不與輸出直接相連,幾乎不受電荷注入的影響,同時四個管子在工作都處于飽和狀態(tài)可 以消除電荷分享效應(yīng)。在鎖定情況下,PFD 產(chǎn)生同樣寬的基本脈沖UP 和DN,使電荷泵的灌電流和源 電流相等,這樣輸出的凈電流為0 ,保持VCO 的控制電壓不變。
由于電荷泵是個對電流匹配程度要求極高結(jié)構(gòu),因此在設(shè)計尺寸方面,要增大電流源的溝道長度, 以減小溝道長度調(diào)制效應(yīng)的影響,這種結(jié)構(gòu)下電荷泵電流失配率僅為2.18%。
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