（电路与系统专业论文）cmos超高速时钟恢复电路研究.pdf

摘要 摘要 随着社会的发展，信息交换量与日俱增，信息高速公路大规模建设迫在眉 捷。光纤通信由于其容量大、传输距离远、节省能源、抗干扰、抗辐射等诸多优 点，成为信息高速公路的主体。在这种形势下，光纤通信集成电路的研究己趋于 白热化。 时钟恢复电路( c r c ) 是光纤通信和许多类似数字通信领域中不5 - j 缺少的 关键电路。近年来，随着光纤标准向s t m 一】6 ( 2 5 g b s ) 和s t m 一6 4 ( 1 0 g b s ) 提升，系统对芯片速度提出了更高的要求，而c r c 正是速度提升的主要瓶颈。 因此，开发具有自主知识产权、用于光纤传输的高速集成c r c 电路对我国信息 高速公路的建设具有重大意义。 本文介绍了光纤通信系统的基本原理和应用于光纤通信的c r c 的基本原理 以及几种常见的c r c 结构( 方案) ，同时针对目前c r c 中应用最为广泛的锁相 环( p l l ) 技术，作了较为详细的分析，并对定时抖动和相位噪声的定义和相互 关系、形成机理以及计算方法做了专门的介绍。在此基础上，文中提出了一种 c r c 电路结构：基于o 1 8p mc m o s 工艺的1 0g b s 时钟恢复电路的设计。核心 电路采用预处理加简单锁相环的结构。 文章给出了c r c 芯片完整的电路设计、模拟结果、版图设计和测试结果。 模拟结果表明，采用该方案的c r c 电路基本达到了s d h 的设计标准。测试结果 部分验证了此方案的可行性。 【关键词】 光纤通信同步数字系列( s d h )时钟恢复电路( c r c ) c m o s锁相环( p l l ) 预处理相位噪声抖动 垒堕望竺 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，c o m p u t e rn e t w o r k sa n di n t e m e t i ti s u r g e n tt o b u i l di n f o r m a t i o ns u p e r - h i g h w a y o p t i c f i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r et h e p r i n c i p a lp a r to fi n f o r m a t i o ns u p e r - h i g h w a yf o ri t sm e r i t ss u c ha sg r e a tc a p a c i t y , l o n gt r a n s m i t d i s t a n c e ，e c o n o m i z i n ge n e r g ys o u r c e ，a n t ii n t e r f e r e n c ea n da n t ir a d i a t i 。ne t c ，u n d e rs u c h c i r c u m s t a n c e s ，r e s e a r c h e si nt h ef i e l do f o p t i c a lt r a n s m i s s i o ni cb e c o m em o r ea n dm o r eh e a t e d c l o c kr e c o v e r yc i r c u i t ( c r c ) i st h ek e yc o m p o n e n ti nt h e o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m sa s w e l la si nt h ef i e l do fd i g i t a lt r a n s m i s s i o n a st h es t a n c l a r do f o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y n c h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h y ( s d h ) u p g r a d e st os t m - 1 6 ( 2 5 g b s ) a n ds t m 6 4 ( 1 0 g b s ) i nr e c e n ty e a r s ，t h e s p e e do f l cc h i p sm u s tb ep r o m o t e da c c o r d i n g l nb u tc r ci st h em a i nb o t t l e n e c k t h u s i ti sv e r y i m p o r t a n tt od e s i g nh i g hs p e e di n t e g r a t e dc r cc i r c u i t sf o ro p t i c a lt r a n s m i s s i o n s y s t e m sw j t h i n d e p e n d e n tp r o p e r t y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a l so fo p t i c a lt r a n s m i s s i o n s y s t e m sa n dt h ec l o c k r e c o v e r yc i r c u i t ( c r c ) u s e di nt h es y s t e m s t h ep a p e ra l s og i v e sad e m i l e da n a l y s i so ft h e p h a s e 。l o c k e dl o o p s ( p l l ) ，w h i c hi s c u r r e n t l yt h em o s tw i d e l yu s e dt e c h n i q u ei nc r ca n d s p e c i a l l yi n t r o d u c et h ed e s c r i p t i o na n dr e l a t i o no ft h e t i m i n gj i u e lp h a s en o i s ea n dt h e i r m e c h a n i s m ，m e t h o d st oc a l c u l a t eb a s e do nt h ea n a l y s i s ，w ei n t r o d u c ead e s i g no fa1 0g b sc l o c k r e c o v e r yc i r c u i tt ob ef a b r i c a t e di n0 1 8u mc m o st e c h n o l o g y , e m p l o y i n gap r e p r o c e s s o rw i t ha s i m p l ep l l t h ep a p e rp r e s e n t st h ec i r c u i td e s i g na n ds i m u l a t i o n ，t h el a y o u td e s i g na n dt e s t i n gr e s u l t so f t h ec r cc h i pi nd e t a i la n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t t h i sc r c c h i pi sc o m p l i a n tw i t h s d hs p e c i f i c a t i o n s t h et e s t i n gr e s u l tp r o v et h ef e a s i b i l i t yo f t h i sc r c p r o j e c tp a r t l y 【k e y w o r d s 】 o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ( s d h ) ， c l o c kr e c o v e r yc i r c u i t s ( c r c ) ，c m o s p h a s e 。l o c k e dl o o p s ( p l l ) ，p r e p r o c e s s o r , p h a s en o i s e ， j i t t e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除y s ：q ，特别加以标注和致i 9 的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作i 拘l s 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名：盎釜! 日期：竺量研究生签名：旌盘! 日期：里墨 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保尉本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可阻公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名 毒妇。 旅 戤、导师签名塑l 日舭乒； 第一章引言 第一章引言 1 1 光纤通信系统 1 1 1 概述 光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。光纤通信作为 一项新兴的通信技术，从一开始就显示出无比的优越性，引起人们的极大兴趣和关注。近几 十年来，随着光纤通信技术的不断发展，人们逐渐认识到了光纤通信的众多优点和巨大潜力。 与此同时，信息和网络技术的飞速发展，使人们对高性能大容量光纤通信系统的需求越来越 大。在这种形势下，光纤通信集成电路的研究已趋于白热化。现在，2 5 g b s 高速光纤通信 系统已经在世界范围内进入大规模建设阶段，1 0 g b s 系统也已经进入应用。更高速率的系 统将在不远的将来得到应用。光纤传输系统以其众多优点和巨大潜力越来越受到人们的重 视。 与现行电缆通信、微波通信相比，光纤通信显示其一系列优越性，这主要表现在以下几 个方面： ( 1 ) 频带宽，通信容量大；( 2 ) 光纤传输损耗低，适于长途传输；( 3 ) 光纤体积小，重 量轻，可绕性强；( 4 ) 输入、输出之间电隔离，能抗电磁干扰，防闪电雷击；( 5 ) 几乎无 漏信号和串号，安全可靠，保密性强；( 6 ) 抗腐蚀，抗酸碱；( 7 ) 节省能源；( 8 ) 资源丰 富。由于以上突出的优点，光纤通信发展迅猛，不仅被认为是影响2 1 世纪的最新技术， 而且必然成为宽带综合业务数字网( b i s d n ) 的骨干。这无疑将对人类社会的进步与繁 荣产生深远、巨大的影响。现代光通信已成为人类进入信息社会的基石【1 1 。 1 1 2 光纤系统的组成 图1 1 为光纤传输系统接口示意图。它主要包含一个光发射机，一条光纤信道和一个光 接收机。在发送端，复接器( m u l t i p l e x e r ) 将n 路低速信号复接成一路高速信号，激光驱动 器( l dd r i v e r ) 驱动激光二极管( l d ：l a s e rd i o d e ) 将信号转换为光信号后通过光纤传输。 东南大学硕士学位论文 在接收端，光信号由光电探测器( p d ：p h o t o nd e t e c t o r ) 转化为电信号，微弱的电信号经过 预放大器( p r e a m p i l f i e r ) 和主放大器( m a i na m p l i f i e r ) 放大后，由时钟恢复( c r ：c l o c k r e c o v e r y ) 电路和数据判决( d d ：d a t ad e c i s i o n ) 电路分别从中恢复出时钟信号和数据信号， 最后由分接器电路( d e m u x d e m u l t i p l e x e r ) 把高速信号还原成原始的n 路低速信号。 图1 1光纤传输系统的系统框图 本论文的研究课题就是用于光纤通信系统( s t m 一6 4 速率级) 中的时钟恢复电路( c l o c k r e c o v e r yc i r c u i t ) ，位于光接收机部分。电路完成的功能是从输入1 0 g b i t s 的非归零n r z ( n o nr e t u r nt oz e r o ) 信号中提取时钟信息，并输出1 0 g h z 的时钟信号。时钟恢复电路是 光纤通信和许多数字通信领域中不可缺少的关键电路。近年来，随着光纤s d h ( 同步数字 序列) 标准向s t m 一6 4 ( 1 0 g b s ) 的提升，系统对芯片速度提出了更高的要求，而时钟恢复电路 正是速度提高的瓶颈，所以本课题的研究具有很大的实际价值。 1 1 3 数字光纤通信系统的主要性能指标 数字光纤通信系统的主要性能指标是误码特性、抖动特性和可靠性口1 。 1 ) 误码特性 数字光纤通信系统的误码率b e r ( b i te r r o rr a t e ) 应小于1 0 一，这是指系统在规定的 较长时期内的平均误码率，称为长期平均误码率。然而，对于一个易受外界环境影响的系 统，虽然其长期平均误码率可能合格，但在某一段时限内的误码率仍可能远远超过可以接 受的水平。为了能正确反映实际系统的误码率特性，c c i t t 规定了一些其他的指标：劣 化分( d m ) 、严重误码秒( s e s ) 及误码秒( e s ) 。如表1 1 所示。 2 ) 抖动特性 抖动是指数字信号脉冲的有效瞬时位置相对于标准时间位置的偏差，它包括输入信号 脉冲在某一平衡位置附近的变化及提取的时钟信号在中心位置附近的变化。抖动严重时可 因接收脉冲移位而将“1 ”判为“0 ”或相反，造成误码。抖动的单位为u i ，它表示单位 2 第一章引言 时隙。当信号脉冲为n r z 码时，1 - u i 为1 - b i t 占用的时间长度( 即1 4 ，兀码速) 。 抖动特性包括三项指标： ( 1 ) 输入抖动容限。指系统允许的输入信号最大抖动范围，它衡量数字设备输入端适 应一定数字信号抖动的能力，显然与光端机的性能有关。 ( 2 ) 无输入抖动时的输出抖动。它衡量系统输出端的信号抖动特性。 ( 3 ) 抖动转移特性。指输入信号的抖动值和输出信号的抖动值之比，它衡量光端机自 身对抖动的传递关系。测出不同频率下的抖动增益即得抖动转移特性。 表1 1c c i t t 误码特性指标 误码性能定义 劣化分 1 分钟时问内误码率劣于1 1 0 - 6 的时间与总评价时间之比 ( d m ) 严重误码秒 ( s e s ) 1 秒钟时间内误码率劣于1 1 0 - 3 的时间与总评价时间之比 误码秒 有误码的秒与总评价时间之比 ( e s ) 1 2工艺选择 以往的时钟恢复电路是用砷化镓和双极性硅工艺实现的。随着c m o s 工艺向深亚微米 的进一步发展，器件特征尺寸逐步减小，特征频率进一步提高，用c m o s 工艺设计高速集 成电路已成为可能，而采用c m o s 工艺具有低成本，低功耗，高集成度，高性能等优点， 所以本次设计若采用c m o s 工艺将会使得造价大大降低且易于和其它电路单片集成，具有 很重要的实际意义。 因此，本次设计的电路采用t s m c0 1 8p mc m o s 工艺来实现。该制造工艺提供的最 小栅长为o 1 8p m 的特征尺寸为高速集成电路的设计提供了基本保证。 3 东南大学硕士学位论文 1 3论文组织 本文将对用于光纤通信的时钟恢复电路的原理和设计方法作简要的介绍。章节基本按 照实际设计时自顶向下的顺序展开。第二章首先介绍时钟恢复电路的基本原理和结构，对最 为常用的锁相环( p l l ) 型电路的工作原理、设计方法作了详细分析。第三章讨论了时钟恢 复电路中最关心的噪声问题。第四章中给出了用c m o s 实现的s t m 6 4 ( 1 0 g b s ) 时钟恢复 电路芯片完整的电路设计。第五章给出了模拟结果和最终的版图，并简要介绍了高速电路版 图设计的一些注意事项。第六章为芯片测试和结果分析。第七章给出总结。 4 第二章时钟恢复电路的构成与基本原理 第二章时钟恢复电路的构成与基本原理 2 1 概述 因为时钟恢复电路( c r c ) 的输入信号是非归零( n r z ) 信号，所以仔细研究n r z 信 号的属性就显得特别重要。本章将从对n r z 信号特点的分析入手，介绍时钟恢复电路的基 本结构。 2 1 1n r z 信号特性 n r z 信号如图2 1 所示，每一个比特占瓦时间( “比特周期”) ，等概率地为“1 ”或 者“0 ”，并统计独立于其它位。五= 1 瓦称作“比特率”，单位为b i t s s 。“非归零”形式 区别于“归零”( r z ) 形式的地方在于，r z 信号在两个连续的比特之间回到零电平。因 为对于给定的比特率，r z 数据比n r z 数据包含更多的跃变，所以在信道或电路带宽有限 的场合后者更可取。一般而言，数据应看作随机波形( 具有某些已知的统计特征) 。 n r z 信号有两个属性使得时钟恢复任务变得很困难。第一，数据序列可能有很长的 “连1 ”或“连0 ”，需要c r c 在这段时间内“记住”比特速率。这意味着，没有数据跃 变的情况下，c r c 不仅要继续产生时钟，而且要抑制由此带来的时钟频率漂移。一般人 们采用扰码器或特定的码型( 如h d b 3 码) 来避免过长的“连1 ”或“连0 ”。 第二，n r z 数据的频谱在比特率整数倍频率上没有分量。例如，如果数据速率为 1 0 g b s ，那么频谱在1 0 g h z 处没有能量。我们注意到对1 0 g b s 数据流来说最快的波形是 每0 1 n s 进行0 l ”交替的波形，结果得到5 g h z 的方波，它的所有偶次谐波都不存在。 从另一个观点来看，如果一个比特率为a 的n r z 序列乘以as i n ( 2 刀c m f b t ) ，对于所有整 数的m ，结果的平均分量都为零。这说明波形中不包含m l 的频率分量。 了解n r z 数据频谱的形状也是很有用的。因为随机二进制序列的自相关函数为【3 】 洲小粤 h 瓦 双极性波形功率谱密度等于( 单极性波形还包含一个直流离散谱线) ( 2 1 ) 东南大学硕士学位论文 驰，= fr x ( v ) e - j ”d r = t b 筹 2 ( 2 2 ) 示于图2 2 中，函数在= 2 m n f b = 2 m 刀瓦处为零。与此相对照，r z 信号在这些频率 上有有限的功率。 n r z r z o1oo1o1 1 zz 图2 1归零( r z ) 与非归零( n r z ) 信号 、1 0 、曩j j j叠i 1 1 1t j 弋 i + ：j 1 2 1 2 。摹 、 - ：叠 | | 厂_ - 。 一 粪豢 l | 黎黧灏 t l 、 e 。毒 1 6 旺 d 矗 ；飘l ：鞭辱 i 矧口 凌董= = = 、= ! ；“。e i 卑 、。嚣：。、。、jz 7 。鬻 。 i 1 4 0 一 ij i ：055 囊- 2 5 瞄爹i 35 j x “ 图2 3时钟恢复电路功能框图 到目前为止有四种类型的c r c 电路5 1 得到了研究和应用： 6 钟信号 第二章时钟恢复电路的构成与基本原理 无源窄带滤波型( p a s s i v en a r r o w b a n df i l t e r s ) 同步振荡型( s y n c h r o n o u so s c i l l a t o r ) 锁相环型( p h a s e l o c k e dl o o p ) 窄带再生分频型( n a r r o w b a n dr e g e n e r a t i v ef r e q u e n c yd i v i d e r s ) 采用p n b f 的c r c 电路( 图2 4 a ) 结构简单、相位抖动小、稳定度高，但在s d h 中， 为了满足系统稳定性要求，q 值需要大于6 2 5 。这样q 值的滤波器一般无法片上集成。而 且外部滤波器频率也无法达到高速的要求。 s o 型c r c 电路( 图2 4 b ) 由注入锁定振荡器构成。由于不能兼顾振荡回路p 值与 同步范围，因此同步范围比较窄。 p l l 可以看作是一个频率自适应的带通高q 值滤波器。p l l 型c r c 电路( 图2 4 c ) 易于单片集成，但简单的p l l 存在容易失锁的问题。 采用n r f d 电路技术的c r c 电路( 图2 4 d ) 其显著特征是输出频率为输入数据最高 比特率的一半，它适用于时钟频率低于数据速率的场刽3 1 。 d a t a s i g n a l d a t a s i g n a d a t = s i g n a m a i np r o c e s s o r im p r o c e s s 。r 卜一倒帅l i m i t 帅i n e r i gb ( a ) p n b f 型c r c 电路 m a i np r o c e s s o r i 邮c e s s 。r 卜_倒帅l i m i t 嘶i n e r | gb ( b ) s o 型c r c 电路 m a i np r o c e s s o r i p r e p - - + 黼：削攀 ； 嚣l l ：餮：鬻攀黼然黎戮；l 秀1 | ； ； ( c ) p l l 型c r c 电路 7 c l o c k s i g n a c l o c k s i g n a l 东南大学硕士学位论文 m a i np r o c e s s o r i m - m c e s s 。r 卜 南 ；j 蔷i ：蓄泛雾善臻j ： | | i 黧i i 辘习羲蠢! ：i _ _ 一 ( d ) n r f d 型c r c 电路 图2 4c r c 电路类型【4 】 c l o c k s i g n a l 可以看出，时钟恢复电路的分类主要根据图2 3 的第二部分，因为p l l 型的c r c 电 路易于单片集成且符合设计要求，所以我们选择图2 4 c 的类型。在详细分析锁相环的原 理和性能前，我们有必要先讨论一下图2 3 的第一部分时钟信息获取单元，又称为预处理 单元，即图2 4 中的p r e p r o c e s s o r ( 预处理器) 。 2 2预处理器 预处理器的目的就是将数据信号转变为频谱符合要求的信号。对预处理器的要求可 归纳为如下两点： 1 ) 因为n r z 信号不存在对应的频率为 的时钟分量，所以必须先产生 的谱线； 2 ) 当产生要求的厂b 频谱分量时，必须进一步尽可能地减小c r c 滤波器通带中 频谱关于f b 的非对称性，并使其幅度尽可能的高。 我们可以首先通过非线性变换获得含有时钟信息的谱线厂b ，再利用选频电路来减小 频谱的非对称性并提高增益。如图2 5 所示。 n r z 数据 2 2 1基本原理 图2 5 预处理器组成框图 时钟信息 高速电路设计中般用结构类似于双平衡乘法器的电路来实现非线性变换，我们用模 拟电路的观点( 乘法器一倍频) 来理解预处理器的功能。【4 】 为了便于分析我们用理想的方波作为乘法器的输入，因为方波是n r z 信号0 1 ”交 替变换的一种特殊情况，它的基频为所需时钟频率的一半。输入方波信号的付利叶级数展 8 第二章时钟恢复电路的构成与基本原理 开分别为 = 等薹六s i n 昭川矧 州= 等薹嘉s i n 呛川m 叫 其中a 。为方波的幅度，国为方波的基频，f 为延迟时间。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 那么口j 以得剑埋恐采法裕酮钢出( 只结出j 鄙分百z 国分重网坝，共尔削借汲分重口j 以迥 过后面的选频网络滤除) ： v o ( 垆k 等卜吉) c 0 s ( 2 耐+ 训+ 1 ( j 1 ) ( 互1 ) 2 c o s ( 2 刎c o s ( 2 刎+ 训 + 1 ( j 1 ) ( ；1 ) ( j 1 ) 2 c o s ( 4 f ) c 。s ( 2 耐+ f ) + - - 】 ( 2 5 ) 式中k 为乘法器的增益。 由式( 2 5 ) 可知，相乘的结果中产生了所需的 = 2 时钟分量，且它的幅度大小与 延迟时间f 有关。当f = 互2 时，厶分量最大。此时如果忽略5 次以上谐波的互调产物， 则输出的2 c o 分量为 v 2 6 0 i 婚警s i n 2 耐 协6 ， 2 3 锁相环p l l 基本原理 2 3 1 锁相环的应用和分类 锁相环路具有两个突出的特性：第一是窄带滤波特性；第二是宽带跟踪特性6 1 。 ( 1 )窄带滤波特性 环路对于输入信号而言，它可等效为一个以压控振荡器输出频率为中心的窄带带通滤 波器。窄带特性的获得是由于当压控振荡器输出频率锁定到输入频率上时，位于信号频率附 近的干扰成分将以低频干扰的形式进入环路，而绝大部分频率的干扰会受到环路滤波器低通 q 东南大学硕士学位论文 特性的抑制，从而减少对压控振荡器的干扰作用。因此，锁相环路好象一个带宽很窄的带通 滤波器，可以近似认为锁相环路把低通滤波器的通带搬到高频上去了。因为，低通滤波器一 般都由阻容组成，所以带宽容易做的很窄。于是高频带通滤波器也可以做的很窄。这是在一 般r c 或l c 滤波器中无法做到的。频率合成器技术就是利用这种特性来得到高稳定度和高 精度的输出信号频率。 ( 2 )宽带跟踪特性 当加宽锁相环路带宽时，压控振荡器输出信号的频率和相位可以跟踪输入信号的频率和 相位的变化，表现出良好的跟踪特性。通常有两种不同的跟踪状态： 1 ) 调制跟踪环适当的设计环路带宽，使得输入信号的调制频谱落在环路通带之内，这样 压控振荡器输出信号的频率和相位能够很好的跟踪输入信号的频率和相位的变化。 2 ) 载波跟踪环适当的把环路带宽做的窄一些，使得输入信号的调制频谱都落在环路带宽 之外，这时压控振荡器输出信号的频率只跟踪输入信号的载频变化，而与调制信号频率无关。 一般来说，锁相环可以分为模拟锁相环( a p l l ) 和数字锁相环( d p l l ) 1 7 】。所谓 a p l l 就是指由模拟功能块组成的输入输出均为模拟信号的锁相环。d p l l 的输入输出均 为二进制信号，也就是方波信号。按照组成模块的不同，数字锁相环又可以分为传统的数 字锁相环和全数字锁相环( a d p l l ) 。a d p l l 全由数字部件构成，系统中不再有模拟信 号。例如，其中的环路滤波器不再是r c 滤波器，而是一阶或二阶数字滤波器。 2 3 2 锁相环类型的选择 锁相环类型主要与参考信号的类型和p l l 的工作模式有关。如果p l l 用作跟踪滤波 器，那么它必须能够滤除噪声，而且具有在有限的频带内锁定的能力。因此，a p l l 是唯 一可行的方案。 用作频率合成器时情形则完全不同，p l l 必须在一个很宽的频率范围内能够锁定。因 此需要选择数字滤波器。如果参考信号是方波，d p l l 也是很好的选择。 由于实际工作情况的需要，本次时钟恢复应用中采用的锁相环是a p l l 。因此本文下 面的分析都是针对a p l l 的( 为了简便起见，下面的a p l l 都简称为p l l ) 。 2 3 3p l l 的基本结构和环路分析 a 基本结构和原理 1 0 舅二章时钟恢复电路的构成与基本原理 p l l 是一个依靠信号附加相位工作的反馈系统。图26 是一个简单的p l l ，这个方框 图中包括鉴相器( p d ) ，环路滤波器( l p f ) ，压控振荡器( v c o ) 。目中鉴相器的基本功 能是将输入信号u 月( 0 的瞬时相位与压控振荡器的输出信号u 。( o 的瞬时相位相比较，而 在鉴相器的输出端产生一个与两信号瞬时相位差相对应的误差电压u 。( t ) 送往环路滤波 器。环路浩波器是个低通滤波器，它是用来滤除由于鉴相器的菲线性所产生的无川组合 频率分量及其它干扰分量，使环路达到所要求的性能并增加系统的稳定性。由环路滤波器 送来的控制电肝【， 加存v c o 振荡器压控电压的两端，从而达到控制振荡器振荡频率的 目的。 在理想状况下，鉴相器的平均输出屯压和相位差庐成线性关系，而压控振荡器产生 原始的自由振荡频率并且频率随着压控电压的变化而变化。f d 在反馈环路中用作“误 差放人器”，它使相位差a 毋减到最小。当西不随日_ j 间变化吲，环路就“锁定”了，此 时输入输出的频率相等。锁定条件下，环路中的所有信号达到种稳态：p d 产生一个直 流分量正比于庐的输出；l p f 抑制p d 输出中的高频分量，而允许直流分量控制v c o 的频率；v c o 就振荡在与输入相等的频率上，并保持固定相位差毋。这样，l p f 就为 v c o 产牛了正确的挣制电压。 图2 , 6p l l 基本拓扑结构 对于p l l ，我们有二个重要的结论。首先，因为p l l 是“有记忆”的系统，它的输 需要有限的对间来响麻输入的变化，这需要对环路的动态行为有一个很好的理解。其次， p l l 与其它反馈系统不同，我们所关心的环路中变量的量纲巾相位通过t d 变换到电压( 或 电流) ，再经过l p f ，最后由v c o 变换回相位。第三，锁定状态f 不管环路增益是多少， 1 i 东南大学硕士学位论文 输入输出频率绝对相等( 虽然相位差不是零) 。这是一个非常重要的特性，因为许多应用 场合不允许输入输出频率间有丝毫的( 系统) 误差。 虽然p l l 依靠相位工作，但多数情况下我们关心的参数是频率。例如，我们经常需 要知道环路在如下情况下的响应：1 ) 输入频率缓慢变化；2 ) 输入频率快速变化；3 ) p l l 打开时输入输出频率不相等的情况。输入输出频率不相等时p d 的鉴相特性在p l l 动态行 为中扮演了重要角色。 c 简单锁相环的理论分析 p l l 的瞬态响应通常是一种非线性过程，无法用公式轻易地表示出来。在p l l 设计 中，我们可以采用线性近似来获得直观的和易于理解的模型。 p l l 的线性模型以及各模块的传递函数如图2 7 所示。v c o 的传递函数为垃， s l p f 的传递函数g 胛( s ) ，鉴相器输出的高频分量被l p f 抑制掉了，还有一直流分量等 于k p d ( 。，一，。) ，所以我们将鉴相器模型简化为一个减法器，其输出被“放大”了 k p d 倍。 p dl p f v c o 稳ih皑s 九。，( ) b 删 图2 7p l l 的线性模型 此模型提供了整体的相位传递函数俐( s ) 。( s ) ，p l l 开环传递函数等于 h o ( s ) ：k 肋g l p f ( s ) k v c 。一 s 闭环传递函数为 部，= 端 k p d k 旧o g l p f ( 、s 、) = 一 s + k p d k 孵o g l p f 如果低通滤波器用图2 8 所示的简单r c 电路实现， 1 2 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 第二章时钟恢复电路的构成与基本原理 g c 盯( j ) 2 五1 o ) l p f 图2 8 简单r c 滤波器 其中0 9 l 胛= 1 ( r c ) ，闭环函数可以简化为 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 说明系统是二阶的，一个极点由v c o 贡献，一个由l p f 贡献。k = k p d k 昭d 称作 环路增益，单位为r a d s 。 为了更好的理解p l l 的特性，我们将( 2 1 1 ) 式的分母转换成控制理论中熟悉的形式： s 2 + 2 和。s + ：，f 称为阻尼因子，c o 。称为系统的自然频率( 简单p l l 中，0 9 。与输 入输出频率无关) 。这样 耶) = 再去2 葡 其中国。= 瓜( 2 1 3 ) f = 吉 ( 2 1 2 ) ( 2 1 4 ) 式( 2 1 2 ) 的传递函数是低通性质的，这样如果输入附加相位快速变化，输出附加相 位的变化会非常小；相反，如果输入附加相位缓慢变化，那么输出附加相位将随之变化。 特别的，如果sj 0 ，我们注意到h ( s 1 寸1 ，也就是说输入端的静态相移会不变地传递 到输出端。这是因为当sj0 时对于相位量来说，v c o 中的积分表达式使得开环增益接 近于无穷。现在我们可以来看“相位误差传递函数”日。 ) = 。( s ) 加( s ) ： h 。( s ) = 1 一h ( s ) ( 2 - 1 5 ) 1 3 东南大学硕士学位论文 ：兰! 三丝! 兰 s 2 + 2 细。s + 国： 当s 专0 时误差传递函数减小到零。 ( 2 1 6 ) 因为相位和频率之间是线性时不变的变换关系，所以( 2 1 2 ) 和( 2 1 6 ) 式中的传递 函数同样可以应用到输入输出的附加频率上。例如，( 2 1 2 ) 式中若输入频率快速变化， 那么输出频率的瞬时变化会很小。 下面我们在( 2 1 2 ) 式的帮助下进行阶跃响应的分析。假设输入附加频率等于a c o u ( t ) ， u ( t ) 为单位阶跃函数，则输出附加频率是典型的二阶系统阶跃响应，最终稳定在高于其 初始值a c or a d s 的地方。另一方面，输出附加相位由下式给出 删( s ) = h ( s ) o 折( j ) ( 2 1 7 ) 一 a c o s 2 + w c o s + 2 s 2 它是二阶系统对斜升输入的响应。更重要的是，相位误差为 。( s ) = 也( j ) 。( s ) 一s 2 + 2 ( c a s a w s 2 + 2 氟s + s 2 其终值为吮( r = ) = l i m s 矽e ( s ) s 7 ” 2 f = a 国二 ( o n k ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 因此，当输入频率中的静态变化表现在静态相位误差中时，将受到因子k 抑制。这 一结果是可以预想到的，因为如果v c o 频率变化国，控制电压就必须变化a w k 比o ， p d 的输入就必须变化a w ( k 阳j ) 。 在一个设计优良的二阶系统中，f 通常选择大于互2 ，这样可以避免过多的振荡。 但是f 值的选择也需要与其它一些参数折衷考虑。由式( 2 1 4 ) ，( 2 2 3 ) 可知，相位误差 和f 都与因子k 成反比，因此要降低相位误差就不可避免的要使系统变得更不稳定。 1 4 第二章时钟恢复电路的构成与基本原理 d 锁相环路的动态特性 锁相环路是一个非线性相位自动控制系统。在分析环路跟踪时，是假定环路已经锁定的。 在跟踪过程中始终认为相位误差很小，故对环路性能作线性化处理。但在实际工作中，环路 相位误差不总是很小的，有时是大大的超过线性化允许的范围，这时必须作非线性处理。造 成相位误差较大的原因可能有：某些输入信号不能使环路保持线性跟踪状态，输入噪声或环 内噪声过强，环路处于信号捕捉过程时，是非线性工作状态。同步带定义为环路有能力维持 锁定的最大固有频差，它表示环路从锁定到失锁频率的最大变化范围，即锁相环的静态跟踪 范围。捕捉带定义为环路经过频率牵引最终有能力自行锁定的最大固有频差，它表示环路从 失锁进入到锁定的频率最大变化范围。当环路的输入频率和压控振荡器之间的固有频差处在 捕捉带内，则不管初始相点在何处，环路进入锁定前不出现跳周现象k 1 。 静态跟踪范围：不难看出环路锁定时，瞬时频差等于零，则控制频差等于固有频差，这 个控制频差是在固定相位差作用下，鉴相器输出直流误差电压控制压控振荡器变为0 9 j 得到的。因此，环路维持锁定的必要条件是环路鉴相器两输入信号之间存在着恒定相位差。 对于已经处于锁定状态的环路，如果输入信号的频率或相位在一定范围内发生变化时，立即 会在两输入信号的相位差上反映出来，鉴相器输出也随之改变，压控振荡器的频率和相位也 会以同样的规律跟着变化。环路的这种工作状态称为跟踪状态。环路并不是对任意大的输入 信号与压控振荡器之间的固有频差都能达到锁定状态。当固有频差超过某一数值时，环路就 要处于失锁状态。假设从自由振荡频率国打开始，输入频率加缓慢的变化，使得m 和c 0 删 之间的频率差远小于0 9 。n z , ，要能够跟踪，v c o 控制电压幅度、静态相位差都必须增 加。只要三个参数单调变化，p l l 就能一直跟踪。换句话说，跟踪范围的边沿就是当这些特 性的斜率降到零或者改变符号的时候。p d 、v c o 都会有这种情况产生( 假设l p f 元件是线 性的) 。例如，v c o 线性控制范围在一个有限的区域内，超过此区域它的增益明显的降低； 同样，p d 在输入大的相位差时，输出为非单调的正弦特性。 对于乘法器类型的p d ，下面2 4 1 节将会讲到，当输入相位差偏离中心值超过9 0 。时， 其增益、k p d 将改变符号。因此，在p d 输出信号控制下的v c o 最大偏移( 离开自由振 荡频率) 频率为： 国驴= k e d ( s i n i ；r e ) k 昭。2k ( 2 - 2 4 ) 1 5 东南大学硕士学位论文 采用正弦特性p d 的p l l 的静态跟踪范围是v c o 输出频率范围一半与k 这两者之中较 小的一个。 捕获锁定范围：实际工作中，环路不可避免的会受到各种各样的干扰，例如输入信号中 伴随的干扰和噪声，环路各组成部件产生的内部噪声和其他外界干扰等。这样，环路在这些 干扰因素作用下，其输出量可能呈现稳定的过程，即象前面所述的单调上升或衰减振荡过程， 也可能呈现不稳定的过程。只有稳定的环路才是可用的，它是环路正常工作的前提，环路是 否稳定的工作，要看在外来的干扰下环路系统能否脱离原来的稳定平衡状态，经过瞬态过程 而达到原来的或新的稳定平衡状态。若能恢复原状或建立新的平衡状态的，则称稳定的，否 则为不稳定的。 若鉴相器两个输入信号频差很大时，鉴相器输出的差拍频率很高，则差拍频率经过环路 低通滤波器就被滤除了。只有很小的分量漏加到压控振荡器。由于控制电压太小，压控振荡 器输出仍然是它的固有振荡频率0 3 0 ，整个系统没有什么变化。如果输入信号的频率0 3 加接 近0 3 0 ，这时隋况就不同了。鉴相器输出的差拍频率很低，通过低通滤波器加到压控振荡器 的输入端去做为控制电压。这时压控振荡器就会被这个差拍所调频，其中心频率仍是。 这个调频信号又立即返回到鉴相器中，鉴相器的输出将是一个正弦波和调频波的差拍，而调 制频率又等于这个差拍频率，所以第二次的差拍信号就不可能再是正弦的了，这个上下不对 称的差拍波具有一个直流分量。这个直流分量经过低通滤波器的积分作用取出来，然后加到 压控振荡器的输入端，从而使压控振荡器中心频率发生漂移，而滤波器输出的低频交流差拍 又对压控振荡器进行调制。直流电压使压控振荡器中心频率漂移的方向正好是朝着输入信号 频率缈。方向移动。由于这种频率移动，使得鉴相器输出的差拍信号频率变的越来越低， 相应的直流分量也会愈来愈大。这个慢慢变大的直流分量经过滤波器后去控制压控振荡器， 以更快的速度使压控振荡器频率趋向于国。上述过程以急快的速度反复循环进行，直至 发生一个质的变化：压控振荡器的振荡频率由原来的0 3 0 变为，= 国，。环路就在这个频 率上稳定下来，这时鉴相器输出也由差拍波变成直流电压，环路进入锁定( 同步) 状态。这 种锁定状态是环路通过频率的牵引而进入的，我们把这个过程叫做捕捉过程。 上面的时域分析揭示了两个重要的概念。首先，如果0 3 。与( - o f r 足够接近，那么到 差拍波形的第一个对应峰值时已经捕获( 图2 9 a ) 。这种情况下，我们称p l l “没有周期 滑动的( n oc y c l es l i p s ) ”锁定。其次，如果国加与0 3 f r 相差足够大，差拍波形几乎是对称 1 6 第二章时钟恢复电路的构成与基本原理 的。这种情况下，没有足够的直流电压来使环路趋向锁定( 图2 9 b ) 。 ( a )( b ) 图2 9p l l 捕获行为时域描述 为了更好的理解p l l 如何捕获锁定，我们从频域的视角来研究它的响应。假定l p f 的 初始条件是零，v c o 开始振荡在( o f r ，而输入频率为国脓+ a g o 。为了使分析简单化，作 如下假定：a ) p d 是用乘法器实现的；b ) g o ，。在v c o 的频率范围内；c ) 混频器输出端的 “频率和”分量 式( 2 3 0 ) 的第一项 被l p f 衰减到了可以忽略的程度；d ) v c o 输出频率 随着其控制电压的增加而增加。捕获范围就是此时环路能够锁定的a g o 的最大值。 考虑图2 1 0 a 所示p l l ，最初g o m = g o f r + a g o ，g o 。小= g o f r 。首先，因为g o 。c o 叫， 所以p d 输出的平均分量为零。但是，l p f 不能完全抑制g o 加一0 9 删= a c o 分量，v c o 控 制电压圪