基于自偏置技术的低噪声锁相环研究

曹羽欧，李章全

（1.上海交通大学微电子学院，上海 200240；2. 中芯国际集成电路制造（上海）有限公司，上海 201203）

1 引言

锁相环在集成电路中有非常广泛的应用，如时钟发生器、频率综合等。传统锁相环需要一个固定的电荷泵电流、线性的VCO增益，这些都制约了锁相环在低功耗、低电压下的设计，本文提出的自偏置锁相环采用自适应环路的方法，降低了电路对PVT的要求，同时可以获得更大范围的锁定频率。本文描述的自偏置锁相环达到从500 MHz到1500 MHz的锁定范围。测试均方抖动为3.8 ps, 峰-峰值抖动25 ps。表现出非常好的噪声性能。

2 锁相环的基本架构

如图1，锁相环主要是由鉴频鉴相器（PFD)、电荷泵（Charge Pump）、环路低通滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）和环路除法器（Loop Divider）组成。由于电荷泵的充放电需要一个稳定精准的电流，锁相环一般还需要一个较高精度的电流源。其中FOUT是输出频率，FIN是输入频率，M是环路除法器的值，当确定输入频率FIN时，输出频率为输入频率与环路除法器M的取值的乘积，公式为FOUT=FIN×M。

图1 锁相环基本结构

3 锁相环的线性模型与环路稳定性

锁相环的线性模型如图2，将锁相环反馈通路在PFD与环路除法器之间打开，可以得到锁相环的开环传输函数：

其中IP是电荷泵的电流，RP、CP是环路滤波器的电阻、电容值KOSC是压控振荡器的增益。给出闭环传输函数：

根据二阶控制系统函数，得到带宽与阻尼系数表达式如下：

ωN、ξ不仅受到RP、CP、IP、KOSC（PVT）的影响，同时受到环路除法器的取值M的影响，这些值的变化都会影响到锁相环的稳定性和抖动性能。

图2 锁相环线性模型

4 自偏置锁相环的设计架构图

与传统锁相环一样，ωN/ωREF＜1/1 0且damping＞0.707是保证锁相环稳定性的基础。本文采用了对称性负载型VCO结构，如图4。为了消除环路除法器取值对稳定性的影响，我们利用VCO的偏置电流作为电荷泵的电流源，同时将VCO的偏置电流作为低通滤波器的电流源，图3中的两个电荷泵分别给电容CP和电阻充电。其中对电容CP充电的电荷泵需要引入M作为因子，但是对电阻充电的电荷泵则不需要，给出电荷泵充电电流：

根据图3可计算自偏置锁相环的开环传输函数如下：

闭环传输函数：

图3 自偏置锁相环的架构图

图4为压控振荡器的基本延迟单元，对称性负载型VCO结构，根据这种结构，得到输出频率的公式：

F是输出频率，n是VCO的级数，t是每级延迟单元的延迟时间，k是工艺参数，ID是每级延迟单元消耗的电流，VT是阈值电压，VCTRL是控制电压，CB是VCO寄生电容的总和。对输出频率求导得到VCO的增益：

将VCO增益表达式与输出频率表达式代入闭环传输函数得到ωN/ωREF、ξ的公式如下：

由ωN/ωREF、ξ的表达式看出，它们的取值只和CP与CB的比值相关，与RP、CP、IP、KOSC（PVT）和M取值相关的量都可以用相应的参数抵消。这样，锁相环的ωN/ωREF、ξ就可以维持一个常数，不再有稳定性随电压、温度、工艺参数变化的问题，图5是锁相环的整体版图布局，图6是在1.5 GHz频率下测试得出的抖动。

图4 压控振荡器的基本延迟单元

5 结论

本文给出了在低电压、深亚微米工艺、较大频率范围实现低抖动以及好的相位噪声锁相环的一个实例，利用自偏置的理论，有效地扩大了压控振荡器的等效线性范围，通过环路内部各模块间的偏置电流相互作用，使环路特性不依赖于电压、温度以及工艺参数的变化，使得整个环路更加稳定。经过后提取参数仿真，电路可以工作在500 MHz到1.6 GHz。芯片面积为280 μm×260 μm。表1是锁相环性能一览表。

图5 锁相环版图

表1 锁相环性能一览表

[1] Keliu Shu. CMOS PLL Synthesizers: Analysis and Design[M]. 北京：科学出版社，2007.

[2] Behzad Razavi著，陈贵灿等译. Design of analog CMOS integrated[M].西安：西安交通大学出版社，2003.

[3] John G Maneatis. Low-jitter process-independent DLL and PLL Based on Self-Biased Techniques[J]. IEEE J. Solid-State Circuits, 1996,31(11).

[4] John G Maneatis. Self-Biased High-Bandwidth Low-jitter 1-to-4096 Multiplier Clock Generator PLL[J]. IEEE J Solid-State Circuit,2003,38(11).