一种低抖动电流模自偏置锁相环设计.pdf
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1、引用格式:曾勇,李海松,尹飞一种低抖动电流模自偏置锁相环设计 J.微电子学与计算机,2023,40(9):75-82ZENG Y,LI H S,YIN F.Design of a low jitter current mode self-biased phase-locked loopJ.Microelectronics&Computer,2023,40(9):75-82.DOI:10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0708一种低抖动电流模自偏置锁相环设计曾勇,李海松,尹飞(西安微电子技术研究所,陕西 西安 710054)摘要:基于 28 nm CMOS 工艺,设计了一
2、款新型电流模自偏置锁相环.重点分析了电荷泵、电压转电流(V-I)模块、电流型数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)及电流控制振荡器(Current-Controlled Oscillator,CCO)的电路设计和功能.采用电流复制反馈偏置(Replica Feedback Bias)技术,实现了带宽自适应,利用可编程的 DAC 模块降低了输入范围对于系统稳定性的影响,消除分配范围对于环路稳定性的影响,利用前分频器进一步拓宽输入频率范围,实现了宽输入输出频率范围及低抖动电流模锁相环的设计.整体芯片面积为 0.074 62 mm2,采用双电源供电 1.8 V/
3、0.9 V,最大功耗为 10 mW,输出频率为 1 GHz3.2 GHz.仿真测试结果表明,输入参考频率为 50 MHz 时,在 2.1 GHz 中心频率 1 MHz 频偏处的相位噪声为98.18 dBc/Hz,rms 抖动为 1.914 ps.关键词:锁相环;自偏置;电流模;低抖动中图分类号:TN761 文献标识码:A 文章编号:1000-7180(2023)09-0075-08Design of a low jitter current mode self-biased phase-locked loopZENG Yong,LI Haisong,YIN Fei(Xian Microelec
4、tronics Technology Institute,Xian 710054,China)Abstract:Based on 28 nm CMOS process,a new current mode self-biased phase-locked loop is designed.The circuitdesign and functions of charge pump,voltage to current(V-I)module,current mode Digital to Analog Converter(DAC)and Current Controlled Oscillator
5、(CCO)are analyzed in detail.The technology of Replica Feedback Bias is adopted torealize bandwidth adaptation.The programmable IDAC module is used to reduce the impact of the input range on thesystem stability and eliminate the impact of the allocation range on the loop stability.The front divider i
6、s used to furtherexpand the input frequency range and realize the design of a wide input and output frequency range and a low jitter currentmode phase-locked loop.The overall chip area is 0.074 62 mm2,the dual power supply is used to supply 1.8 V/0.9 V,themaximum power consumption is 10 mW,and the o
7、utput frequency is 1 GHz3.2 GHz.The simulation test results show thatwhen the input reference frequency is 50 MHz,the phase noise at the center frequency 1 MHz offset of 2.1 GHz is 98.18dBc/Hz,and the rms jitter is 1.914 ps.Key words:Phase-locked loop;self-biased;current mode;low jitter 1引言作为现代无线通信系
8、统中不可或缺的部分,锁相环以其相位及频率追踪特性,被广泛应用于时钟恢复、频率综合和时钟产生电路.典型的 PLL 包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器五个部分.J.G.Maneatis 最早于 1996 年提出了经典的自偏置锁相环结构的设计,该结构利用电流复制反馈偏置技术,及带有对称线性负载的 VCO 单位延迟单元,实现了带宽自适应1-2.利用开关电容实现与频 收稿日期:2022-11-06;修回日期:2022-12-07 40 卷 第 9 期微 电 子 学 与 计 算 机http:/Vol.40No.92023 年 9 月MICROELECTRONICS&COMPUTERSe
9、ptember 2023率成反比的电阻,同时利用可编程电流镜,实现电荷泵电流与环路分频比 N 成反比,保证了环路稳定性,且进一步拓展了分频范围,但结构复杂,难以实现.Yan 和 Jung 等人提出了电流模自偏置锁相环的结构,利用 V-I 转换器,将电压转换成电流,驱动电流控制振荡器(CCO)实现带宽自适应,无需外部电压偏置,实现了一定的抗 PVT(Process,Voltage,Tempera-ture,PVT)特性3-4.在不增加电路结构复杂度的情况下,增加了分频范围,缺点是阻尼系数即环路稳定性受到输入参考频率的影响.本文提了一种新的电流模带宽自适应锁相环结构,利用电荷泵自偏置电流和 IDA
10、C 结构实现积分支路和比例支路电流的叠加,驱动 CCO 实现反馈频率的变化,在增加分配范围的基础上,减少参考频率对于系统稳定性的影响,最终在宽输入和输出频率范围内实现了低抖动.2电荷泵锁相环系统结构设计 2.1传统电荷泵锁相环系统分析传统电荷泵锁相环一般包括五部分:鉴频鉴相器(Phase/Frequency Detector,PFD),电荷泵(ChargePump,CP),环路滤波器,压控振荡器(Voltage Control-led Oscillator,VCO),环路分频器.传统固定带宽锁相环闭环传输函数为:Hclose(s)=ICP2KVCO(Rs+1C)s2+sICP2KVCONR+I
11、CP2KVCON1C(1)b环路带宽为b=ICP2KVCONR(2)式中,R 为滤波器电阻,C 为滤波器电容,ICP为电荷泵电流,KVCO为振荡器增益,N 为环路分频器分频比.对于二阶锁相环而言,其通过比较输入参考信号和反馈分频信号的相位,控制电荷泵上下拉网络,产生控制电压,对 VCO 进行实时动态的调节,最终锁定,达到稳态.这种调节可以主要分为两种方式,一为积分通路,通过滤波器中的滤波电容完成相位调整的累积,二为比例通路,决定于滤波电阻,反映得是环路实时瞬态相位的调整5.式(4)、式(5)分别代表比例通路和积分通路,其中 KP为比例项系数、KI为积分项系数,Wn为自然频率.Hlopp(s)=
12、KPs+KIs2(3)KP=b=ICP2KVCONR(4)KI=w2n=ICP2KVCON1C(5)在传统锁相环的设计中,带宽的大小会对系统的噪声性能有很大的影响.锁相环环路对于 PFD/CP 引入的噪声可以等效为低通滤波器,对于 VCO 引入的噪声等效为一个高通滤波器,随着带宽的增大,VCO引入的噪声被抑制,但是电荷泵引入的噪声就会增加,反之,VCO 引入的噪声就会增加,因此环路带宽的设计至关重要.另一方面,锁相环的环路参数 ICP及压控振荡器增益 KVCO,受 PVT 变化影响非常大,式(2)式(4)表明,ICP、KVCO变化时,环路带宽也会随之变化,因此在设计时,需要留有一定裕度,才能保
13、证系统的正常工作,因此自偏置锁相环的研究和设计随之产生.2.2电流模自偏置电荷泵锁相环系统分析自偏置锁相环核心即利用电流复制反馈偏置的方式,通过 MOS 线性负载产生系统内部的稳定偏置电流,实现电荷泵的自偏置,使得 KP、KI分别与输入参考频率 Wref和 Wref2对应成比例,实现带宽自适应.自偏置锁相环可以分为两类,一类是电压模自偏置锁相环,一类是电流模自偏置锁相环.电压模自偏置锁相环能实现带宽自适应,但其阻尼系数与 N 相关,当N 变化较大时,阻尼系数会发生相应的变化,影响系统的稳定性,限制了锁相环的分频范围.在实现带宽自适应的基础上,为了解决分频范围受限的问题,电流模自偏置锁相环的结构
14、被提出,其结构如图 1 所示.PFD1/NDNUPCintVcontRpCCOV-ICPFrefFback1/RxxIccoVcont/RxIccox :1:1Fout图 1电流模自偏置锁相环系统结构图Fig.1 Current mode self-biased phase-locked loop systemstructure diagram 让电荷泵电流 ICP与振荡器电流 ICCO成比例,则有 KP、KI及系统环路参数如下:ICP=xICCO(6)76微电子学与计算机2023 年KP=ICP2R1RxKCCON=x4R1Rnref(7)KI=ICP21RxCintKCCON=x41RxC
15、intref(8)n=x41RxCintref(9)=Rp2xCint4Rxref(10)b=x4RpRxref(11)式中,Rx为 V-I 电路的等效电阻,Rp为滤波器电阻,Cint为滤波器的电容,Kcco为 CCO 的增益.由上述推导可知,该结构能够满足带宽自适应,也扩宽了分频范围,但是其阻尼系数会随着参考频率变化,牺牲输入频率范围,且电容和电阻的阻值一旦确定,也难以大范围的变化,变化 x 参数,则环路带宽也会随着阻尼系数的变化而跟随变化,因此设计一种尽量可能拓宽输入频率范围,而不改变其稳定性和带宽的自偏置锁相环是有必要的.2.3改进的电流模自偏置电荷泵锁相环系统设计本文设计了一种改进的电
16、流模自偏置锁相环结构,利用 V-I 电路和 DAC 电路可编程实现最优化带宽,并且能将环路带宽和系统的稳定性分开调节,而传统电流模锁相环结构通过调节电荷泵电流和 CCO电流比例的方式来实现最佳带宽,但是该比例系数的变化会使得阻尼系数也发生较大变化,影响系统的稳定性,而本文设计的 V-I 电路及 IDAC 结构打破了这种限制,能在不改变阻尼系数的前提下,加大对环路带宽的调节范围.此外,本文设计了快速启动电路和锁定检测电路.在电路刚开始启动时,环路先通过快速启动电路开关电容放电,快速下拉控制电压电平,使得反馈频率接近参考频率,减少锁定时间,同时避免环路启动过程中的错误状态.频率接近后,快速启动电路
17、模块关闭,通过系统主锁相环路进行频率及相位比较,实现锁定,锁定检测模块确认锁定之后,输出高电平,表明系统已锁定.本文设计改进之后的电流模自偏置锁相环整体系统结构如图 2 所示.PFDCPV to IFastlockLOOPDIVLockUPBDNDNBUPFrefFbackUP/UPBDN/DNBDACCintCdepc*IbiasVcoma*IbiasIccoLockVDDVcDN/UPBUP/DNBCCOPREDIV图 2改进的电流模自偏置锁相环系统结构图Fig.2 System structure diagram of improved current mode self-biased
18、phase-locked loop 其闭环传输函数为:Hclose(s)=ICPKCCO2(GmCINT+bcs)s2+ICP2bcKCCONs+ICP2GmCINTKCCON(12)为了实现带宽自适应的目标,设计使得:ICP=cIbias(13)ICCO=(ab)Ibias(14)式中,a、b、c 分别为积分支路、比例支路、电荷泵电路的电流与单位偏置电流的比值系数.Gm为流入CCO 中的电流与控制电压的等效跨导.由式(13)(15)和式(14)(16)则有KP=ICP2bcKCCON(15)KI=ICP2GmCINTKCCON(16)n=14cabGmCINTRBF(17)第 9 期曾勇,等
19、:一种低抖动电流模自偏置锁相环设计77 =b2c14CINTGmcabREF(18)b=ICP2bcKCCON=14babREF(19)由式(15)(19)可知,本文设计的电流模自偏置锁相环满足了带宽自适应的基本要求,且可以通过调节电荷泵结合偏置电路及 IDAC 结构,将比例和积分支路分离,通过改变 IDAC 比例支路和积分支路及电荷泵电流与单位偏置电流的比例路数,分别调节环路带宽和阻尼系数与参考频率的比例系数,实现带宽自适应,并减少参考频率范围引起的阻尼因子变化,保证其稳定性.图 3 为锁相环的环路相位裕度和环路带宽参考频率的变化关系,表明本文设计的电流模自偏置锁相环能实现带宽自适应,且具有
20、较好的稳定性,固定的带宽.07080PM/()902550Fref/MHz75100PM0036Wb/(M rad/s)92550Fref/MHz75100Wb图 3相位裕度及环路带宽与输入频率的关系Fig.3 Phase margin and loop bandwidth versus input frequency 3电路设计 3.1电荷泵及 V-I 电路设计电荷泵作为锁相环的核心电路模块之一,其电流噪声以及控制电压的稳定,直接关系整个系统的噪声性能.影响电荷泵性能的主要因素,包括电荷共享、时钟馈通、电荷注入等非理想因素及上、下拉电流的失配,这些非理想因素都会引起控制电压的纹波,从而影响系
21、统的抖动性能.本文设计的电荷泵主体结构如图 4 所示,其主体为双全差分的漏端开关电荷泵结构,电荷泵的电荷泵电流由控制电压通过偏置电路自偏置产生,降低上下电流源的失配.当 UP 信号为高电平,M3、M7上拉支路开启,M1、M5下拉支路断开,此时存在电源经 M3、M6到地的通路;当 DN 信号为高电平时,M3,M7上拉通路断开,M1、M5下拉通路开启,此时存 M8到 M1的通路,因此无论 UP 或 DN 信号为高电平,在电荷泵中都存在一条电流通路,使得 Vx,VY接近 VC电压,有效降低电荷共享效应.第二,其互补信号支路连接了图 5 中的单位增益转换器.VC经偏置电路产生 Vcas电压后,两者一起
22、驱动低压 PMOS 单位电流支路,通过 Mn3、Mn4、Mn5这组电流镜复制到 V1/V2支路,这两条支路采用低压Cascode 结构,节省电压裕度,三组电流镜电流相等,故有 VCV1V2,V1、V2的电压可认为由 VC通过单位增益转换器,产生了 V1、V2,抑制了电荷共享、时钟馈通等非理想效应的影响.VDDVcontGNDV1V2Mp1Mp3Mp5Mp6Mp7Mp10Mp11Mp12Mn1Mn2Mn3Mn4Mn5Ibias1Mp2Mp4Mp8Mp9124VaVb图 5V-I 模块电路图Fig.5 schematic of the V-I module V-I 模块电路的设计是整个电流模自偏置
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