基于2．5 Gbps收發(fā)器的相位鎖定檢測電路設計與仿真

　　摘要：相位鎖定檢測電路是鎖相環(huán)環(huán)路的關(guān)鍵電路，其性能的優(yōu)劣直接影響了整個(gè)系統的工作。本文描述了相位鎖定檢測電路的工作原理，根據項目實(shí)際提出一種相位鎖定檢測方案，按照全定制設計流程采用SMIC0.18μm CMOS混合信號工藝完成了電路的設計、仿真。結果表明該電路在2.5Gbps收發(fā)器電路中可以穩定可靠地工作。

　　關(guān)鍵詞：相位鎖定檢測;CMOS電路;鎖相環(huán);收發(fā)器

　　鎖相環(huán)是高速多通道串行收發(fā)系統中的關(guān)鍵電路，相位是否準確對齊對于系統性能有著(zhù)重要影響。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，為保證系統性能，鎖相環(huán)通常都集成了相位鎖定檢測電路。

　　相位鎖定檢測電路通常包括模擬鎖定檢測和數字鎖定檢測兩種方法，模擬檢測方法采用經(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，以指示當前相位是否鎖定，精度往往較低;數字鎖定檢測方法具有可編程性且設計易于實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)，但相位誤差參數受鎖相環(huán)工作環(huán)境的影響較大，可能導致相位誤差超出鎖相環(huán)的最大鎖定窗口。

　　本文根據2.5 Gbps高速串行收發(fā)器的工作實(shí)際，設計了雙環(huán)時(shí)鐘數據恢復電路中鎖相環(huán)路的相位檢測電路，該電路模擬和數字方法，采用全定制的數字設計，電路工作精度高，可以達到時(shí)鐘周期的1/218，能夠滿(mǎn)足G比特級數據收發(fā)的性能要求。電路采用SMIC 0.18μm CMOS工藝實(shí)現并基于spectre進(jìn)行仿真，結果顯示電路可以正常工作，符合預期要求。

　　1 鎖定檢測電路的結構

　　電荷泵結構的鎖相環(huán)南鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、低通濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)和分頻電路組成。鑒頻鑒相器比較輸入參考時(shí)鐘和反饋時(shí)鐘的頻率、相位誤差，當反饋時(shí)鐘落后于參考時(shí)鐘(即正相差)時(shí)，產(chǎn)生UP信號;當反饋時(shí)鐘超前于參考時(shí)鐘時(shí)(即負相差)產(chǎn)生DOWN信號。電荷泵連接PFD和濾波器LPF，它實(shí)際是一個(gè)電壓/電流轉換器，將PFD輸出的誤差電壓電壓轉換成電流對低通濾波器進(jìn)行充電、放電，通過(guò)低通濾波器轉換為壓控振蕩器的控制電壓的升高或降低，從而調整壓控振蕩器輸出時(shí)鐘相位累積的快慢，分頻電路將VCO的輸出時(shí)鐘進(jìn)行分頻后送給PFD，與外部參考時(shí)鐘進(jìn)行比較，以輸出頻率、相位誤差脈沖，鎖定檢測電路用于時(shí)鐘的相位對齊檢測，保證輸入到時(shí)鐘數據恢復環(huán)路的時(shí)鐘的穩定。

　　在本文設計電路所應用的環(huán)境中，鎖相環(huán)輸入的外部參考時(shí)鐘頻率為125 MHz，而分頻器的分頻比為20，那么VCO的輸出時(shí)鐘頻率為2.5 GHz，但由PLL環(huán)路送給收發(fā)器中時(shí)鐘數據恢復電路的是1.25 GHz的時(shí)鐘，因此應將VCO的輸出信號經(jīng)過(guò)一個(gè)二分頻及相位調整電路后才可以送給收發(fā)器供時(shí)鐘數據恢復電路使用。

　　本文設計的相位鎖定檢測電路結構如圖1所示。該電路主要包括兩個(gè)可實(shí)現218分頻的分頻電路、18組兩輸入異或門(mén)構成的相位比較電路、一個(gè)18輸入或非門(mén)構成鎖定檢測電路。輸入參考時(shí)鐘和反饋時(shí)鐘分別進(jìn)行18級分頻，各級分頻信號對應異或，其異或結果送給18輸入的或非門(mén)。當各級分頻時(shí)鐘對應相同時(shí)，則異或門(mén)輸出為0，此時(shí)經(jīng)時(shí)序輸出PLL_LOCKED信號為低電平表示鎖定。

　　1)18級分頻電路

　　由于將D觸發(fā)器的輸出端取反后連接到輸入端，則輸出信號即為時(shí)鐘信號的2分頻。因此要對時(shí)鐘進(jìn)行218分頻，則只需由將18個(gè)D觸發(fā)器依次級聯(lián)即可，電路如圖2所示。每個(gè)D觸發(fā)器采用主鎖存器為負鎖存器、從鎖存器為正鎖存器的主從結構，上升沿觸發(fā)，帶有異步復位，經(jīng)過(guò)仔細地參數設計，觸發(fā)器工作頻率可以達到2.5 GHz以上，滿(mǎn)足電路的工作速度要求。

　　2)相位比較電路

　　相位比較電路由18組獨立的兩輸入異或門(mén)構成，每個(gè)異或門(mén)用于比較鎖相環(huán)的參考時(shí)鐘的18個(gè)分頻輸出與由壓控振蕩器產(chǎn)生并經(jīng)20分頻后得到的時(shí)鐘的18個(gè)分頻結果，達到在時(shí)鐘周期的1/18精度上的相位對齊。為了保證電路工作的時(shí)序要求，異或門(mén)的參數也經(jīng)過(guò)仔細設計與調試，可以滿(mǎn)足性能要求。異或門(mén)電路如圖3所示。

　　3)鎖定檢測電路

　　鎖定檢測電路由一個(gè)18輸入的準NMOS或非電路構成，在設計時(shí)可以增加一點(diǎn)考慮：這里的或非門(mén)是18輸入，而且若時(shí)鐘的第一級分頻結果就不相同，則之后各級均不相同。因此可將第一級分頻結果同時(shí)作為或非門(mén)的偏置信號，可以起到低功耗控制的作用。電路如圖4所示。

　　2 電路仿真

　　為驗證電路的功能性能是否符合要求，采用smic0.18μmCMOS工藝完成電路設計后，在cadence的spectre上進(jìn)行仿真，仿真結果如圖5所示。從圖中可以看出當輸入時(shí)鐘和反饋時(shí)鐘同相以后，需要等待218個(gè)時(shí)鐘周期后會(huì )輸出有效鎖定信號，整體閉環(huán)仿真中控制電壓逐漸穩定，鎖相環(huán)進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡。

　　3 結論

　　文中描述了鎖相環(huán)的關(guān)鍵電路，相位鎖定檢測電路的設計與仿真，通過(guò)分析常用的相位鎖定檢測方法，根據設計實(shí)際提出了一種全定制的數字實(shí)現方案，可以實(shí)現1/18時(shí)鐘周期的精度檢測，保證了電路的可靠穩定工作，采用SMIC0.18μm CMOS混合信號工藝完成了電路的設計、仿真，結果表明該電路在2.5 Gbps時(shí)鐘數據恢復電路中可以穩定可靠地工作。