文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.006
中文引用格式： 童姣葉，李榮寬，何國(guó)軍. 電荷泵鎖相環(huán)的相位噪聲研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(1)：28-30.
英文引用格式： Tong Jiaoye，Li Rongkuan，He Guojun. Study on phase noise of charge-pump phase-locked loops[J].Application of Electronic Technique，2016，42(1)：28-30.
0 引言
隨著集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，電荷泵鎖相環(huán)(CP-PLL)由于具有易于集成、低功耗、低抖動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、無(wú)線電系統(tǒng)、自動(dòng)控制的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)、頻率合成、時(shí)鐘同步等領(lǐng)域。它的噪聲源主要分為兩類：(1)參考源的相位噪聲；(2)鎖相環(huán)各個(gè)模塊的內(nèi)部噪聲。然而，如果不能對(duì)電荷泵鎖相環(huán)的輸出信號(hào)的相位噪聲進(jìn)行計(jì)算，必須等芯片流片后用昂貴的頻譜儀來(lái)測(cè)量。為較大程度上節(jié)約設(shè)計(jì)成本，有必要對(duì)電荷泵鎖相環(huán)的相位噪聲研究，預(yù)估相位噪聲是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。
國(guó)內(nèi)外已發(fā)表大量關(guān)于鎖相環(huán)的相位噪聲分析文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[1-3]雖然是對(duì)鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位噪聲進(jìn)行分析，但僅僅給出壓控振蕩器的相位噪聲計(jì)算公式；文獻(xiàn)[4]只是簡(jiǎn)要介紹了鎖相環(huán)系統(tǒng)相位噪聲的分析方法，并沒(méi)有進(jìn)行更深入的研究。本文將詳細(xì)分析并計(jì)算電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位噪聲。
1 鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位噪聲
鎖相環(huán)系統(tǒng)中各個(gè)模塊都會(huì)引入噪聲到環(huán)路中，但可以利用傳遞函數(shù)來(lái)分析各噪聲源在系統(tǒng)中的特性。
1.1 鎖相環(huán)系統(tǒng)的噪聲源模型
鑒頻鑒相器、電荷泵和環(huán)路濾波器每個(gè)模塊PSS收斂困難[5]，因此本文將這三個(gè)模塊作為整體來(lái)進(jìn)行分析。帶有噪聲源的鎖相環(huán)線性模型，如圖1所示。
由圖1可以得到噪聲方程：
由信號(hào)系統(tǒng)理論可得：式(3)、式(6)相同為低通函數(shù)；式(4)為帶通函數(shù)；式(5)為高通函數(shù)，并且幅度為1。
1.2 鎖相環(huán)相位噪聲的計(jì)算
本文采用的是二階無(wú)源環(huán)路濾波器，如圖2所示。
則：
上式中Ip為電荷泵電流，KVCO為振蕩器的靈敏度。
因此，由多個(gè)噪聲源引起的噪聲疊加原理[9]可得：
則可以得到鎖相環(huán)的總相位噪聲計(jì)算公式：
由式(10)~式(14)可以計(jì)算出電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位噪聲。
鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位噪聲環(huán)路帶寬內(nèi)主要由參考源相位噪聲決定，環(huán)路帶寬外主要由壓控振蕩器的相位噪聲決定[4]。由文獻(xiàn)[6-8]可以得到壓控振蕩器的計(jì)算公式：
2 仿真結(jié)果
本文的電荷泵鎖相環(huán)設(shè)計(jì)參數(shù)：fREF=6 MHz，Ip=20 mA，C1=6.2 pF，C2=55.8 pF，KVCO=10.1 MHz/V，f0=48 MHz，N=8。圖3是電荷泵鎖相環(huán)各個(gè)噪聲源的傳遞函數(shù)，圖中：1為θref(s)和θd(s)的傳遞函數(shù)，2為鑒頻鑒相器、電荷泵和環(huán)路濾波器噪聲vnf(s)的傳遞函數(shù)，3為θVCO(s)的傳遞函數(shù)。從圖3中可以看出1為低通函數(shù)，2為帶通函數(shù)，3為高通函數(shù)，fc為帶寬。圖4是電荷泵鎖相環(huán)的各個(gè)噪聲源，圖中：1為參考源噪聲源θref，2為鑒頻鑒相器、電荷泵和環(huán)路濾波器噪聲源vnf，3為壓控振蕩器噪聲源θVCO，4為分頻器噪聲源θd。電荷泵鎖相環(huán)的相位噪聲主要由參考源相位噪聲和壓控振蕩器的相位噪聲決定。
用Cadence軟件對(duì)整個(gè)鎖相環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行Spectre仿真，得到的相位噪聲如圖5所示。在Matlab中的理論計(jì)算曲線如圖6所示，曲線1是參考源的的相位噪聲通過(guò)鎖相環(huán)系統(tǒng)環(huán)路后的相位噪聲；曲線2是電壓噪聲通過(guò)系統(tǒng)環(huán)路的相位噪聲；曲線3是VCO的相位噪聲通過(guò)鎖相環(huán)系統(tǒng)環(huán)路后的相位噪聲；曲線4是分頻器的相位噪聲通過(guò)系統(tǒng)環(huán)路后的相位噪聲；曲線5是整個(gè)鎖相環(huán)系統(tǒng)環(huán)路總的擬合相位噪聲；曲線6是系統(tǒng)環(huán)路通過(guò)Spectre仿真得到的相位噪聲。將此Spectre仿真的總相位噪聲導(dǎo)入Maltab中進(jìn)行比較，以驗(yàn)證計(jì)算公式的正確。由式(10)～式(13)得出的各個(gè)噪聲源的噪聲經(jīng)過(guò)環(huán)路后的相位噪聲，再由式(14)計(jì)算得出總的相位噪聲，并將Spectre仿真得到的CP-PLL總相位噪聲導(dǎo)入其中進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。在圖中，曲線1是參考源的相位噪聲通過(guò)CP-PLL系統(tǒng)環(huán)路的相位噪聲；曲線2是PFD&CP&LPF的電壓噪聲通過(guò)CP-PLL系統(tǒng)環(huán)路的相位噪聲；曲線3是VCO的相位噪聲通過(guò)CP-PLL系統(tǒng)環(huán)路的相位噪聲；曲線4是分頻器的相位噪聲通過(guò)CP-PLL系統(tǒng)環(huán)路的相位噪聲；曲線5是CP-PLL系統(tǒng)環(huán)路的擬合相位噪聲；曲線6是CP-PLL系統(tǒng)環(huán)路的Spectre相位噪聲。由Matlab擬合出的總相位噪聲曲線與Spectre仿真得到的總相位噪聲基本吻合，最大誤差不超過(guò)2.54 dBc/Hz。因此，可以由本文的模型和計(jì)算方法進(jìn)行相位噪聲的優(yōu)化研究。
3 結(jié)論
本文詳細(xì)推導(dǎo)了四級(jí)差分環(huán)形振蕩器的相位噪聲計(jì)算公式，給出了差分環(huán)形振蕩器延遲單元的電流模噪聲模型。基于此模型得到的相位噪聲計(jì)算公式，更準(zhǔn)確地預(yù)估環(huán)形振蕩器的相位噪聲。
在CMOS 0.25 μm工藝下，設(shè)計(jì)了整數(shù)型48 MHz的鎖相環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)Matlab進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化系統(tǒng)的參數(shù)，建立了各噪聲源的仿真電路模型，用Spectre仿真得到各噪聲源的相位噪聲 (電壓噪聲) 。同時(shí)，比較和分析了Matlab模擬的相位噪聲與Spectre仿真得到的鎖相環(huán)總的相位噪聲，并研究了各噪聲源對(duì)系統(tǒng)相位噪聲的影響，實(shí)現(xiàn)了帶內(nèi)相位噪聲低于-88.6 dBc/Hz，帶外相位噪聲為-108.4 dBc/Hz@1MHz。這些電路仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，它們的絕對(duì)誤差低于2.54 dBc/Hz。
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