电荷泵的锁相环电路

Application Report

ZHCA090 – August 2010

电荷泵锁相环的数字锁定检测电路应用分析Steven Shi, Nick Dai China Telecom Application Team

摘要

电荷泵锁相环的锁定指示电路设计，常用的方法是在PFD电路中通过检测经分频后的参考输入和本振反馈信号的相位误差来实现，当相位误差超过某个锁定检测窗口时，锁相环电路就上报失锁告警。由于数字锁定指示电路设计简单，易于被监控而被广泛应用。在实际的锁相环电路设计中，往往由于电路参数选择不合理，尽管锁相环处于正常的锁定状态，但由于PFD的相位误差超过锁定检测窗口而导致数字锁定指示电路显示失锁。因此，必须需要根据特定锁相环配置和外围电路选择合适的检测窗口，或者根据检测窗口要求设计合适的锁相环环路参数和外围电路。

目录

1概述 (2)

2电荷泵锁相环电路的数字锁定检测原理 (2)

2.1PFD、电荷泵电流和相位误差 (2)

2.2数字锁定检测原理 (3)

3数字锁定电路设计 (4)

3.1电荷泵锁相环电路锁定状态下的相位误差分析 (4)

3.2数字锁定检测电路设计和实验测试 (5)

4总结 (7)

5参考资料 (7)

图

1PFD输出和相位误差---------------------------------------------------------------------------------------------------------------3

2锁定检测窗口------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3

3数字锁定检测原理图---------------------------------------------------------------------------------------------------------------4

4CDCE72010电路中影响相位误差的漏电流模型-----------------------------------------------------------------------------5

表

1不同VCXO输入阻抗值对CDCE72010数字锁定指示的影响------------------------------------------------------------6

1

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1概述

在各种锁相环结构中，电荷泵锁相环因其稳定性高，捕获范围大，便于集成等特点而别广泛应用于无线通信、频率综合器和时钟恢复电路中。随着芯片设计集成化和电路设计的简洁化，锁相环芯片通常都集成了环路锁定检测电路。

电荷泵锁相环的锁定检测电路设计，包括模拟锁定检测和数字锁定检测两种方法。其中，模拟检测电路采用经鉴频鉴相器PFD输出的相位误差，产生脉冲信号对外部电容进行充电和放电，需要较长的时间以达到稳定的电平输出，以指示当前锁相环状态是锁定或失锁，在电路设计方面不够灵活并缺乏精确判断锁相环的锁定状态，限制了其应用范围。数字锁定检测方法具有准确性高、可编程性且电路设计易于实现等优点而被广泛应用。目前，电荷泵锁相环的数字锁定指示电路设计中，通常采用在鉴频鉴相器PFD电路中检测经过分频后的参考时钟输入和同样经分频后的本振反馈信号的相位误差来实现，当相位误差超过某个锁定检测窗口时，锁相环电路就上报失锁指示信号。

本文介绍了电荷泵锁相环电路锁定检测的基本原理，通过分析影响锁相环数字锁定电路的关键因子，推导出相位误差的计算公式。并以CDCE72010为例子，通过实验验证了不合理的电路设计或外围电路参数是如何影响电荷泵锁相环芯片数字锁定指示的准确性。

2电荷泵锁相环电路的数字锁定检测原理

相位误差是数字锁定检测原理的最关键参数，下面分析了电荷泵锁相环电路中相位误差的来源，以及数字锁定检测电路是如何基于相位误差实现的。

2.1 PFD、电荷泵电流和相位误差

典型的电荷泵锁相环电路（如TI的CDCE72010）的PFD工作原理如图1所示。当送达PFD的参考时钟输入超前本振时钟输入时，PFD1就输入一个高脉冲宽度的信号；反之，则在PFD2输出一个高脉冲电平宽度，通过PFD1和PFD2的脉冲信号以控制电荷泵电流的灌入和流出，经后级低通滤波器后，产生不同的压控电压以控制外部振荡器的输出，达到负反馈的稳定。通常PFD电路是通过比较参考时钟和本振时钟上升沿之间的时延，该时延称之为相位误差。在电路处于锁定状态时，该相位误差也就是锁相环的稳态相差参数。

2电荷泵锁相环的数字锁定检测电路应用分析

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图1 PFD输出和相位误差

2.2 数字锁定检测原理

数字锁定检测的基本原理就是比较相位误差和预先设定的锁定检测窗口T Lock_Window，一旦相位误差

在连续N个周期里均落在预先设定的检测窗口以内，数字检测电路就指示该锁相环处于锁定状态；而在

锁定状态下，一旦相位误差超出所设定的检测窗口，数字检测电路就指示该锁相环处于失锁状态。

图2 锁定检测窗口

图3是CDCE72010器件数字锁定检测电路示意图，当CDCE72010处于锁定状态时，锁定指示信号

PLL_LOCK Output输出为高电平。其中，N的取值可以是1、16、64或256，锁定检测窗口可选范围很

宽，从1.5ns到28.6ns（常温条件下），可以满足绝大多数应用场合的需求。

电荷泵锁相环的数字锁定检测电路应用分析 3