電荷泵鎖相環(huán)的數字鎖定檢測電路應用分析

摘 要
電荷泵鎖相環(huán)的鎖定指示電路設計，常用的方法是在PFD 電路中通過(guò)檢測經(jīng)分頻后的參考輸入和本振反饋信號的相位誤差來(lái)實(shí)現，當相位誤差超過(guò)某個(gè)鎖定檢測窗口時(shí)，鎖相環(huán)電路就上報失鎖告警。由于數字鎖定指示電路設計簡(jiǎn)單，易于被監控而被廣泛應用。在實(shí)際的鎖相環(huán)電路設計中，往往由于電路參數選擇不合理，盡管鎖相環(huán)處于正常的鎖定狀態(tài)，但由于PFD 的相位誤差超過(guò)鎖定檢測窗口而導致數字鎖定指示電路顯示失鎖。因此，必須需要根據特定鎖相環(huán)配置和外圍電路選擇合適的檢測窗口，或者根據檢測窗口要求設計合適的鎖相環(huán)環(huán)路參數和外圍電路。

1 概述
在各種鎖相環(huán)結構中，電荷泵鎖相環(huán)因其穩定性高，捕獲范圍大，便于集成等特點(diǎn)而別廣泛應用于無(wú)線(xiàn)通信、頻率綜合器和時(shí)鐘恢復電路中。隨著(zhù)芯片設計集成化和電路設計的簡(jiǎn)潔化，鎖相環(huán)芯片通常都集成了環(huán)路鎖定檢測電路。

電荷泵鎖相環(huán)的鎖定檢測電路設計，包括模擬鎖定檢測和數字鎖定檢測兩種方法。其中，模擬檢測電路采用經(jīng)鑒頻鑒相器PFD 輸出的相位誤差，產(chǎn)生脈沖信號對外部電容進(jìn)行充電和放電，需要較長(cháng)的時(shí)間以達到穩定的電平輸出，以指示當前鎖相環(huán)狀態(tài)是鎖定或失鎖，在電路設計方面不夠靈活并缺乏精確判斷鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)，限制了其應用范圍。數字鎖定檢測方法具有準確性高、可編程性且電路設計易于實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應用。目前，電荷泵鎖相環(huán)的數字鎖定指示電路設計中，通常采用在鑒頻鑒相器PFD 電路中檢測經(jīng)過(guò)分頻后的參考時(shí)鐘輸入和同樣經(jīng)分頻后的本振反饋信號的相位誤差來(lái)實(shí)現，當相位誤差超過(guò)某個(gè)鎖定檢測窗口時(shí)，鎖相環(huán)電路就上報失鎖指示信號。本文介紹了電荷泵鎖相環(huán)電路鎖定檢測的基本原理，通過(guò)分析影響鎖相環(huán)數字鎖定電路的關(guān)鍵因子，推導出相位誤差的計算公式。并以CDCE72010 為例子，通過(guò)實(shí)驗驗證了不合理的電路設計或外圍電路參數是如何影響電荷泵鎖相環(huán)芯片數字鎖定指示的準確性。

2 電荷泵鎖相環(huán)電路的數字鎖定檢測原理

相位誤差是數字鎖定檢測原理的最關(guān)鍵參數，下面分析了電荷泵鎖相環(huán)電路中相位誤差的來(lái)源，以及數字鎖定檢測電路是如何基于相位誤差實(shí)現的。

2.1 PFD、電荷泵電流和相位誤差

典型的電荷泵鎖相環(huán)電路（如TI 的CDCE72010）的PFD 工作原理如圖1 所示。當送達PFD 的參考
時(shí)鐘輸入超前本振時(shí)鐘輸入時(shí)，PFD1 就輸入一個(gè)高脈沖寬度的信號；反之，則在PFD2 輸出一個(gè)高脈沖電平寬度，通過(guò)PFD1 和PFD2 的脈沖信號以控制電荷泵電流的灌入和流出，經(jīng)后級低通濾波器后，產(chǎn)生不同的壓控電壓以控制外部振蕩器的輸出，達到負反饋的穩定。通常PFD 電路是通過(guò)比較參考時(shí)鐘和本振時(shí)鐘上升沿之間的時(shí)延，該時(shí)延稱(chēng)之為相位誤差。在電路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，該相位誤差也就是鎖相環(huán)的穩態(tài)相差參數。