导言
锁相环是现代通讯体系中的要害模块，一般集成在体系芯片上，其主要应用领域为：数据通讯中的时钟与数据康复、无线通讯中的频率组成器、微处理器中的时钟组成与同步等。电荷泵锁相环是当今最盛行的锁相环结构，为了减小压控振荡器操控电压的纹波，它选用了二阶无源环路滤波器，这样就构成了三阶电荷泵锁相环。体系级规划与仿真验证是锁相环规划的第一步和要害的一步。本文对一种用作时钟倍频器的三阶电荷泵锁相环进行了体系级规划与仿真验证，仿真环境选用SIMULINK。
图1 电荷泵锁相环结构
图2 相位域模型
图3 电荷泵锁相环行为模型
电荷泵锁相环的基本原理与规划办法
用作时钟倍频器的三阶电荷泵锁相环结构如图1所示，包含由晶体振荡器产生的参阅时钟、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器。鉴频鉴相器比较两个信号的相位与频率差，并产生操控信号给电荷泵，电荷泵相应地给环路滤波器充放电。压控振荡器的输出频率正比于环路滤波器上的操控电压，最终使参阅时钟与分频器的输出信号同频同相，即压控振荡器的输出信号频率为参阅时钟频率的N倍。
一个电荷泵锁相环的作业进程分为频率牵引进程和相位确认进程，频率牵引进程是一个彻底的非线性进程，相位确认进程是一个近似的线性进程。电荷泵锁相环实质上是一个离散时刻采样的动态体系，当环路带宽远远小于参阅时钟频率时，能够选用接连时刻近似；当相位差错在鉴频鉴相器的鉴相范围内时，能够选用线性近似。这样，当电荷泵锁相环处于相位确认进程时，就能够得到一个线性接连时刻的相位域模型，如图2所示。其间Kpfdcp是鉴频鉴相器和电荷泵一同构成的鉴相器增益，并有Kpfdcp=Ip/2p，Ip为电荷泵的充放电电流，Kvco为压控振荡器的增益，N为分频器的分频比，F（s）为环路滤波器的传输函数。一阶无源环路滤波器由一个电容C1与一个电阻R1串联构成，二阶无源环路滤波器中再加上一个电容C2与从前的R1C1并联来减小操控电压纹波，然后得：
其间
令开环传输函数的单位增益带宽为Wu，为了使开环传输函数在单位增益带宽下的相位裕度最大，设G（s）的零点低于Wu，即Wz=Wu/X；一起设G（s）的极点以相同的份额因子高于Wu，即Wp=XWu，则开环传输函数被改写为：
在本文规划的时钟倍频器中，晶振输入的参阅时钟频率为25MHz，压控振荡器的输出增益为，电荷泵电流为100mA，分频器的分频比N=16。跟据前面的电路参数，电荷泵锁相环的环路增益相对较高，为了确保电荷泵锁相环的稳定性，并按捺操控电压上的纹波，所以将此时钟倍频器中的三阶电荷泵锁相环规划成窄带锁相环，其开环单位增益带宽为fu=Wu/2p=0.317MHz。一起，为了有适当的开环相位裕度和较快的闭环线性树立时刻，取开环传输函数在单位增益带宽的相位裕度，则有X=2.45。 最终得到C1=0.4167nF，C2=0.0833nF和R1=2.88KW。
图4 输入相位阶跃时的波形
图5 输入频率阶跃时的波形
电荷泵锁相环在SIMULINK中的建模与仿真
为了对所规划的三阶电荷泵锁相环进行体系级验证并剖析其动态特性，本文在通用的仿真环境SIMULINK中树立了其行为模型，并进行了动态特性的仿真验证。
整个用作时钟生成器的三阶电荷泵锁相环在SIMULINK中的行为模型如图3所示，其间鉴频鉴相器由两个带使能的D触发器、一个与运算、一个非运算和一个推迟单元组成，两个D触发器的Q输出端一方面作为操控信号up、down传送给电荷泵，另一方面作为反应信号产生与运算的复位信号；用一个脉冲产生器来替代参阅时钟，并与一个D触发器的CLK端相连，另一个D触发器的CLK端接分频器的输出信号。
电荷泵被模仿为一个减运算和一个增益级，增益级的增益为电荷泵的电流。二阶无源环路滤波器被模仿为一个积分环节、一个增益级和一个传输函数环节，相应的参数由环路滤波器的传输函数F（s）确认。压控振荡器被模仿为一个增益级、一个相加运算、一个积分环节、一个模2p运算和一个开关环节，其间增益级的增益为压控振荡器的增益Kvco，相加运算的另一输入端接的恒量是压控振荡器的中心频率，积分环节将频率变为相位，模2p运算把相位信号变为周期为2p的锯齿波信号，开关环节再把周期为2p的锯齿波信号变为方波时钟信号。分频器由四个异步二分频器级连而成，每个异步二分频器均是由！Q端与D端相连的D触发器构成。
图3所示的三阶电荷泵锁相环行为模型彻底能够模仿电荷泵锁相环的离散采样实质和非线性实质，这样就能够经过仿真来得到比较挨近实践景象的电荷泵锁相环动态特性，并验证选用线性接连时刻近似理论所规划的电荷泵锁相环。图4是参阅输入信号产生相位阶跃时环路滤波器输出电压的波形，此波形十分类似于将三阶电荷泵锁相环近似处理为线性接连时刻体系时所得的瞬态呼应，由图4能够得到：树立时刻tsettle=6ms。图5是参阅输入信号产生5MHz频率阶跃时环路滤波器输出电压的波形，从开始时刻到波形第一次到达稳态值的时刻为频率牵引进程，由图可知频率牵引进程是一个彻底的非线性进程，时刻为7.3ms；尔后是相位确认进程，是一个近似的线性进程，时刻为5.7ms。
结语
本文选用锁相环开环传输函数波特图对三阶电荷泵锁相环进行了体系级规划，并用SIMULINK进行了仿真验证，对锁相环规划中的相位裕度与树立时刻，稳定性与环路带宽这两对对立进行了很好的权衡。
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