电荷泵锁相环

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1、第第4章章 电荷泵锁相环电荷泵锁相环内容内容:1.电荷泵工作原理、数学模型电荷泵工作原理、数学模型; 2.二阶环、三阶环的性能指标二阶环、三阶环的性能指标; 3.电荷泵在频率合成器中的应用。电荷泵在频率合成器中的应用。4.1 电荷泵鉴相器电荷泵鉴相器4.2 电荷泵锁相环数学模型电荷泵锁相环数学模型4.3 二阶电荷泵锁相环二阶电荷泵锁相环4.4 三阶电荷泵锁相环三阶电荷泵锁相环4.5 集成电荷泵锁相环集成电荷泵锁相环CD40464.6 电荷泵锁相环频率合成器电荷泵锁相环频率合成器4.7 小结小结4.1 电荷泵锁相环电荷泵锁相环(CPPL)电荷泵锁相环如图电荷泵锁相环如图4.1.1所示。所示。FP

2、DCPLFVCOui(t)uo(t)图图4.1.1 电荷泵锁相环电荷泵锁相环图中图中: FPD是鉴频鉴相器是鉴频鉴相器; CP是电荷泵是电荷泵;为简化分析过程为简化分析过程,以图以图4.1.2所示的双所示的双D鉴相器为例鉴相器为例,来说明鉴频鉴相器的工作原理。来说明鉴频鉴相器的工作原理。是是模数混合环模数混合环，与模拟锁相环唯一不同的是鉴相器包，与模拟锁相环唯一不同的是鉴相器包括括FPD和和CP,称为称为电荷泵鉴相器电荷泵鉴相器。它是数字式的。它是数字式的,具有具有鉴频鉴相功能鉴频鉴相功能,CP为为LF提供充放电电荷。提供充放电电荷。ID QCI RDCI RDID Q&udVCCui(t)u

3、o(t)VCC图图4.1.2 双双D鉴相器鉴相器表表4.1.1 D触触发器真值表发器真值表 0 1 0 1Qn+1Dn4.1.1 鉴相原理鉴相原理设设ui(t) 、uo(t)的频率分别为的频率分别为fr和和fv。根据电路图及真。根据电路图及真值表值表,很容易得到当很容易得到当ui(t)和和uo(t)频率相同时的三组鉴频率相同时的三组鉴相波形相波形,如图如图4.1.3所示。所示。ui(t)uo(t)ud(a)同相同相TeT/2(b)ui(t)超前超前uo(t)(c) uo(t)超前超前ui(t)图图4.1.3 fr=fv时时FPD波形波形图中虚线表示考虑器件的时延时出现的窄脉冲图中虚线表示考虑器

4、件的时延时出现的窄脉冲,它对它对鉴相器性能无影响鉴相器性能无影响,可不考虑。可不考虑。输出脉宽输出脉宽:eT2鉴相器有三种工作状态鉴相器有三种工作状态:u、d同为低电平同为低电平;u为高电为高电平平,d为低电平为低电平;u为低电平为低电平,d为高电平为高电平;分别称为分别称为n、u和状态和状态d。在。在u状态下状态下,u端输出的脉冲使电荷泵对环路端输出的脉冲使电荷泵对环路充电充电。在在d状态下状态下,d端输出的脉冲使电荷泵对环路放端输出的脉冲使电荷泵对环路放电。在电。在n状态下状态下,环路滤波器既不充电也不放电。故称环路滤波器既不充电也不放电。故称为为三态鉴相器。三态鉴相器。设电荷泵能提供的充

5、放电电流为设电荷泵能提供的充放电电流为Ip,则充放电电流在一则充放电电流在一个周期内的平均值为个周期内的平均值为: id(t)=Ipe(t)/2 (4.1.1)2)(te上式即为这种电荷泵鉴相器的鉴相特性。考虑到相位上式即为这种电荷泵鉴相器的鉴相特性。考虑到相位的周期性的周期性,式式(4.1.1)所表示的鉴相特性可用图所表示的鉴相特性可用图4.1.4表表示。示。id(t)IP-IP-4-2240e(t)图图4.1.4 电流型鉴相器的鉴相特性曲线电流型鉴相器的鉴相特性曲线把这种能在充放电时提供恒定电流的电荷泵鉴相器称把这种能在充放电时提供恒定电流的电荷泵鉴相器称为为电流型电荷泵鉴相器电流型电荷泵

6、鉴相器;对应的环路简称为对应的环路简称为电流型锁电流型锁相环。相环。反之反之,称为称为电压型电荷泵鉴相器电压型电荷泵鉴相器。对应的环路。对应的环路简称为简称为电压型电荷泵锁相环。电压型电荷泵锁相环。在环路锁定之前在环路锁定之前,fr和和fv不可能相等。环路锁定后不可能相等。环路锁定后,两者两者也不可能完全相等。若差别不大也不可能完全相等。若差别不大,ui(t)和和uo(t)的上升沿的上升沿之间的时间间隔不超过之间的时间间隔不超过ui(t)的周期的周期,则上述鉴相特性还则上述鉴相特性还是成立的。此时的鉴相波形如图是成立的。此时的鉴相波形如图4.1.5所示。所示。ui(t)uo(t)ud图图4.1

7、.5 frfv时时FPD波形波形id(t)IP-IP-4-2240e(t)图图4.1.4 电流型鉴相器的鉴相特性曲线电流型鉴相器的鉴相特性曲线当上述条件不满足时当上述条件不满足时,则不能用图则不能用图4.1.4说明三态鉴相说明三态鉴相器的鉴相特性。器的鉴相特性。因为这时在因为这时在ui(t)(或或uo(t)的一个周期内有几个周期的的一个周期内有几个周期的uo(t)(或或ui(t)信号信号,不好定义相位误差。当然在图不好定义相位误差。当然在图4.1.5中用中用ui(t)的周期作为标准来定义相位误差也是的周期作为标准来定义相位误差也是一种近似分析方法。一种近似分析方法。当当fr和和fv差别较大时差

8、别较大时,这种鉴相器这种鉴相器有鉴频功能有鉴频功能,这正是所希望的。这正是所希望的。4.1.2 鉴频原理鉴频原理图中图中I(t)表示电荷泵提供的电流。表示电荷泵提供的电流。ui(t)uo(t)I(t)Ip0图图4.1.6 frfv时电流型鉴相器的鉴相波形时电流型鉴相器的鉴相波形u设鉴相器为电流型设鉴相器为电流型,当当 时的波形如图时的波形如图4.1.6所示。所示。Vrff 当当frfv时时,只要将电流波形倒相即可。此时只要将电流波形倒相即可。此时,Id(t)平均电平均电流小于零流小于零,且频差越大且频差越大Id(t)越负。当越负。当fr=fv时时,Id(t)=0。在实际环路中在实际环路中ui(

9、t)是输入信号是输入信号,其频率其频率fr是不受环路控是不受环路控制的制的,因此在分析鉴频特性时因此在分析鉴频特性时fr为定值。而为定值。而fv决定于决定于VCO的振荡频率的振荡频率,它随环路控制电压的变化而变化它随环路控制电压的变化而变化,应应而把它表示为时间的函数而把它表示为时间的函数fv(t) 。 令令(t)= r- v,由上述分析可得下列关系由上述分析可得下列关系: (t)0,id(t)决定于鉴相特性决定于鉴相特性 (t)= 时时,id(t)=IP, (t)=-时时,id(t)=-IP。rV V- (t)0,PD输出电流输出电流,给给LF提供充提供充电电流电电流IP;反之反之,d0,给

10、给LF提供放电电流提供放电电流IP。图图4.1.9为锁相集成块为锁相集成块CD4046中的中的PD电路图电路图,电荷泵电荷泵为电流型。为电流型。图图4.1.9 CMOS数字鉴频鉴相器数字鉴频鉴相器4.2 电荷泵锁相环数学模型电荷泵锁相环数学模型和模拟锁相环一样和模拟锁相环一样,必须先求得电荷泵锁相环的数学必须先求得电荷泵锁相环的数学模型模型,才能分析它的性能才能分析它的性能,式式(4.1.1)和和(4.1.2)是电流型是电流型电荷泵鉴相器的数学模型。所以只要把环路滤波器电荷泵鉴相器的数学模型。所以只要把环路滤波器和压控振荡器的数学模型求出来和压控振荡器的数学模型求出来,就可以得到整个锁就可以得

11、到整个锁相环的数学模型。相环的数学模型。在电荷泵鉴相器则不同在电荷泵鉴相器则不同,在环路捕捉过程中在环路捕捉过程中,因频差比因频差比较大较大,必须使用式必须使用式(4.1.2)来描述鉴相器的性能。当环来描述鉴相器的性能。当环路处于锁定或跟踪状态时路处于锁定或跟踪状态时,由于相位误差不会超过由于相位误差不会超过2范围范围,可用可用(4.1.1)来描述来描述鉴相器的性能。鉴相器的性能。)()(tItirPdrt)(4.1.2)(2)(tItiepd2)(te(4.1.1)4.2.1 电流型电荷泵锁相环电流型电荷泵锁相环常用的电流型鉴相器常用的电流型鉴相器滤波器组合电路及其等效滤波器组合电路及其等效