一种新型的高性能鉴频鉴相器

ｎｃＰＦＤ 的优点是鉴相无“死区”、结构简单，但其 鉴频鉴相灵敏度低， 从而使锁相环系统增益降低， 减小了对输入噪声的抑止能力。同时双边鉴频会因 电荷泵充放电回路之间的不匹配而严重影响系统 的稳定性能， 并且会明显增加其所在锁相环的功 耗。如果两个输入信号占空比不同或者低于 ５０％， 锁 相 环 系 统 将 会 出 现 鉴 相 死 区 和 暂 时 的“ 亚 稳 定 状 态 ”［４］。
同 时 由 于 电 路 是 基 于 ｐｃ－ ｓｔａｇｅ 和 ｎｃ－ ｓｔａｇｅ 结 构的预充式 ＰＦＤ， 其工作速度很快。这使得该电路 符合了高频高性能应用要求， 这是其优于 ｃｏｎＰＦＤ 的重要的性能区别。对高频下的小相差输入信号的 仿真也证实了如上分析（ 如图 ７、图 ８ 所示） 。另外当 输入信号占空比不是严格 ５０％时， ＮｐｒｅＰＦＤ 鉴频鉴 相特性不受的影响， 这使得它比 ｎｃＰＦＤ 和 ｐｒｅＰＦＤ 有更广泛的应用环境。
１ 引言 锁 相 环 广 泛 应 用 于 通 信 、雷 达 、测 量 、高 速 处 理
器设计等领域， 已经成为各种电子通讯设备中不可 或缺的基本部件。鉴频鉴相器是锁相环中的重要组 成部分， 它完成系统输入信号与内部反馈信号之间 频率和相位的比较。它的线性度、分辨率、鉴相带宽 以及鉴频鉴相灵敏度将直接影响到锁相环的相位 噪声或抖动、锁定时间等系统性能。
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号作用速度均衡的考虑， 可以这设定四个 ＭＯＳ 管 宽长比较大； 另外为了使两输出信号 ＵＰ 和 ＤＮ 在 为高电平时候使得对方有效得钳制在复位状态， ＭＮ４ 管及其对称管的宽长比要设定更为大些。仿真 显示只要参数设置合理， 电路可以在高频下正常工 作并符合设计的电路逻辑关系。
本电路的设计主要是实现两个上升沿触发控 制， 即输入信号上升沿对其所对应的输出信号置高 电平， 对边输出信号复位； 这两个上升沿控制功能 可以分别由置高电平功能模块和预备复位功能模 块实现， 其中采用了 ｐｃ－ ｓｔａｇｅ 和 ｎｃ－ ｓｔａｇｅ 结构的预 充电路实现。在输出信号为高电平时， 如果对边的 输入信号为低电平， 预备复位模块将使得复位预备 信号有效（ ＵＰｒｅｓｅｔ 或 ＤｎｒｅｓｅＦｉｎ 为高电平） ， 等到对 边输入信号上升为高电平， 输出信号被复位， 从而 实现了输入信号的复位控制功能。置高电平模块由
收稿日期： ２００５－ ０８－ １１ 基金项目： 国家自然科学基金项目（ ５９９７７０１６）
的 鉴 频 鉴 相 器 ＰＦＤ（简 记 为 ＮｐｒｅＰＦＤ）， 其 在 避 免 鉴 相“死区”、鉴 频 鉴 相 的 灵 敏 度 和 线 性 度 ， 高 频 应 用 下的工作速度等性能指标上表现优良， 并且结构简 单； 与其他三种常用的经典的鉴频鉴相器相比， 其 综合性能优越。鉴相“死区”是指 ＰＦＤ 能够鉴别的最 小相差， 最低精度；“死 区 ”太 大 将 直 接 导 致 锁 相 环 输出相位“抖动”， 达不到系统稳定和噪声等性能要 求。
目前应用最为广泛的 ＰＦＤ 为数字式的， 主要有 Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＰＦＤ （ ｃｏｎＰＦＤ） ［１］、 ｐｒｅｃｈａｒｇｅｄ ＰＦＤ （ ｐｒｅＰＦＤ） 、ｎｃ－ ｓｔａｇｅ ＰＦＤ（ ｎｃＰＦＤ） ； 但 它 们 在 上 述 各 个性能指标上都有自己明显的缺陷， 所以有必要对 原有 ＰＦＤ 电路进行改进， 设计一种吸收原有各个电 路优点的新型 ＰＦＤ， 以满足高性能锁相环的要求。 文章提出了一种无“过 充 ”的 预 充 式 边 沿 触 发 模 式
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常需要在复位回路上增加延迟门， 这又严重影响了 Ｃｏｎｖｅｒｔｉｏｎａｌ ＰＦＤ 的工作速度。另外它结构复杂， 共 需 ５２ 个 ＭＯＳ 管［２］。
ｐｒｅＰＦＤ［３］ （ 如图 １ 所示） 鉴频鉴相灵敏度很高 、 结构简单， 但它在输入信号相位或频率相差很大时 存在“过充”现象， 即输出信号脉冲宽度与两个输入 信号的相位差或频率比不成比例， 致使其鉴频鉴相 线形度变差。这是因为其输出信号复位的条件是， 两个输入信号同时为高电平， 两者缺一不可。这使 得某些上升沿信号将无法起到有效复位作用， 输入 信号频率变化没有得到体现， 从而使得 ＰＦＤ 所控制 的电荷泵“不正当地”超期处于充电或放电状态。 ｐｒｅＰＦＤ 的时序图如图 ２ 所示。
ＳＩ Ｌｏｎｇ１， ＨＵ Ｇｕｉ－ｃａｉ２， ＸＩＯＮＧ Ｙｕａｎ－ｘｉｎ１， ＪＩＡＮＧ Ｙｅ－ｑｉａｎｇ
（ １ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７２ Ｃｈｉｎａ） （ ２ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７６）
下工作。所以新型 ＰＦＤ 采用了与 ｃｏｎＰＦＤ 类似的“三 态”状态机原理（ 如图 ３（ ｂ） 所示） 。新型的 ＰＦＤ 结构 原理图如图 ３（ ａ） 所示。同时为了可以满足工作在高 速环境下， 并且电路结构精简的要求， 我们采用了 预充式的 ｎｃ－ ｓｔａｇｅ 和 ｐｃ－ ｓｔａｇｅ［２］结构。电路图如图 ４ 所示。
４ 基于工作速度和鉴相“ 死区”特性考虑的电路参 数优化设计
新 型 ＰＦＤ 电 路 中 采 用 了 ｎｃ－ ｓｔａｇｅ 和 ｐｃ－ ｓｔａｇｅ 结构及其改造的结构， 其中一组电路通路采用了四 个 ＭＯＳ 管串连， 为了加快其工作速度， 和基于使信
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Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｉｃａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ＰＦＤｓ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｆｏｒｍ ｏｆ ａｒ－ ｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅｍ， ａ ｎｏｖｅｌ ｅｄｇｅ－ ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ ｐｒｅｃｈａｒｇｅｄ ＰＦＤ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｉｔ’ｓ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ’ｓ ｐｅｒｉｏｄ ｉｓ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ． Ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ＰＦＤ’ｓ ｐｈａｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｈａｓ ｎｏ ”ｄｅａｄ ｚｏｎｅ＂， ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ， ｇｏｏｄ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ； ｗｈａｔ’ｓ ｍｏｒｅ， ｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅｒ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ １ｓｔ ＳＩＬＩＣＯＮ ２．５Ｖ ０．２５ｕｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ＨＳＰＩＣＥ ｓｈｏｗ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ， ｅｖｅｎ ｉｆ ｉｔ ｏｐｅｒａｔｅｓ ａｔ １ＧＨｚ． Ｉｎ ｂｒｉｅｆ， ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ＰＦＤ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ＰＦＤｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＰＦＤ， ＰＬＬ， Ｐｒｅｃｈａｒｇｅｄ， Ｎｃ－ ｓｔａｇｅ， Ｐｃ－ ｓｔａｇｅ
由本文提出的 ＮｐｒｅＰＦＤ 状态机原理可知， 它的 鉴相特性在［－ ２Л， ２Л］相位差区间内严格线性（ 在零 相位差附近， 鉴相增益被扩大） ； 在鉴频工作条件 下， 输出信号的占空比与两个输入信号的频率比， 呈现严格单调的同比增减的函数关系。相比于存在 “过充”现象的 ｐｒｅＰＦＤ， 以 及 ｎｃＰＦＤ， 它 的 鉴 频 鉴 相 线性度优良， 这对于锁相环的系统稳定性十分重 要， 这一性能与 Ｃｏｎ－ ＰＦＤ 基本相同。
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两级 ｎｃ－ ｓｔａｇｅ 实现类似的上升沿触发， 其中在前一 级增加了两个 ＰＭＯＳ 管（ 如图 ４ 中的 Ｍｐ３ 和 ＭＰ５） ； 这两个 ＰＭＯＳ 管用于“预充”控制， 以实现合理的控 制逻辑。 ３．２ Ｎｐｒ ｅＰＦＤ 的时序分析
ＰＦＤ 的时序分析如图 ５ 所示， 当 ＵＰ、ＤＮ 信号 都为低电平时， 预备复位信号 ＵＰｒｅｓｅｔ 和 Ｄｎｒｅｓｅｔ 为 低电平， Ｆｉｎ 信号上升沿将使 ＵＰ 信号置高电平； ＤＮ 信号为高电平时， ＤＮ 信号通过反馈控制使 ＵＰ 信号 处于强制复位状态， 由于 Ｆｉｎ 为低电平时已经使预 备复位信号 Ｄｎｒｅｓｅｔ 置高电平， 当 Ｆｉｎ 变为高电平时 候。ＤＮ 信号将进行复位。由于电路对称， 对于 Ｆｒｅｆ 信号上升沿分析与上述类似。从图 ５ 可以看出这一 ＰＦＤ 具有较高的鉴频鉴相灵敏度。
相器， 该电路综合性能优越。
关键词： 鉴频鉴相器， 锁相环， 预充式， Ｎｃ－ ｓｔａｇｅ， Ｐｃ－ ｓｔａｇｅ
中图法分类号： ＴＮ４３２
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－ ７１８０（ ２００６） ０７－ ００４
Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｐｈａｓｅ Ｆｒ ｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒ ｆｏｒ ｍａｎｃｅ
要远远大于 ｎｃＰＦＤ， 相比之下， ｐｒｅＰＦＤ 与 ｃｏｎＰＦＤ 都 有较大的鉴相“死 区 ”； 需 要 说 明 的 是 ， 在 相 差 接 近 零 时 （ 相 差 小 于 ５０ｐｓ 时 ， 在 １ＧＨｚ 工 作 频 率 下 ） ＮｐｒｅＰＦＤ 工 作 在 双 边 鉴 频 鉴 相 状 态 ， 这 是 由 ＮｐｒｅＰＦＤ 的复位原理决定， 也是其鉴相无“死区”的 需要。
其他的 Ｄ 触发器型 ＰＦＤ 工作速度、鉴相精度 等性能依赖于触发器的性能， 且结构复杂。
３ 无“ 过充”的预充式 ＰＦＤ 的电路设计和性能分析 ３．１ Ｎｐｒ ｅＰＦＤ 结构设计和工作原理
通过对最为常用的经典结构的鉴频鉴相器的 性能分析， 本文旨在保留 ｃｏｎＰＦＤ 的优良的鉴频鉴 相线性度优良的性能的基础上， 希望所设计的 ＰＦＤ 鉴相无“死区”， 单 向 鉴 频 ， 并 且 可 以 满 足 高 频 条 件
２ 原有的 ＰＦＤ 电路的工作原理和性能缺陷分析 ＣｏｎＰＦＤ 鉴频鉴相灵敏度较高、线性度较好。由
于 ＰＦＤ 的工作原理是一种异步状态机， 其工作速度 依赖于对内部信号进行复位所需延迟时间， 而这种 ＰＦＤ 复位回路需要经过六个与非门， 所以这种 ＰＦＤ 无法工作在高速的环境下。相对另外两种常用的 ＰＦＤ， 它有较大的鉴相“死区”； 为了减小“死区”， 通
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一种新型的高性能鉴频鉴相器
司龙 １ 胡贵才 ２ 熊元新 １
（ １ 武汉大学电气工程学院， 湖北 武汉 ４３００７２） （ ２ 北京微电子技术研究所， 北京 １０００７６）
摘 要： 文章在常用的几种数字 ＰＦＤ 的性能缺陷分析基础上， 通过对原有鉴频鉴相器的电路结构进行重新设计，
３．３ Ｎｐｒ ｅＰＦＤ 性能分析 电荷泵锁相环的鉴相“死区”是因为 ＰＦＤ 的输
出信号时间太短， 无法正常开启电荷泵的 ＭＯＳ 管 开关。在输入信号相差接近零（ 几个 ｐｓ） 时候， 由于 ＮｐｒｅＰＦＤ 是 采 用 输 出 信 号 与 输 入 信 号 共 同 作 用 产 生复位信号， 只有在输出信号产生足够的对负载门 开启电压后， 复位信号才会产生， 并对电路复位。所 以 ＮｐｒｅＰＦＤ 从 原 理 上 分 析 无 鉴 相 “ 死 区 ”。 在 ２００ＭＨｚ 的输入频率下， 对各种 ＰＦＤ 驱动电荷泵情 况下进行仿真， 结果证明电路实际工作时候鉴相无 “死区”。如图 ６ 所示， ＮｐｒｅＰＦＤ 和 ｎｃＰＦＤ 不存在鉴 相“死区”， 但 ＮｐｒｅＰＦＤ 在零相位差附近的鉴相增益
提出了一种新型的无“过充”的预充式边沿触发的鉴频鉴相器， 该电路可以实现鉴相性能无“死区”， 具有 优 良 的 鉴
频鉴相线性度和较高的鉴频鉴相灵敏度， 电路结构相对简单。电路设计基于 １ｓｔ ＳＩＬＩＣＯＮ ２．５Ｖ ０．２５μｍ ＣＭＯＳ 工艺。
用 Ｈｓｐｉｃｅ 对电路进行仿真， 结果显示电路可以工作在 １ＧＨｚ 以上频率的应用环境下。相比已有的几种常用鉴频鉴