自偏置鎖相環原理 自偏置鎖相環測試

傳統鎖相環，環路帶寬、相位裕度與電荷泵電流、濾波器RC參數、分頻比、參考頻率等參數相關。

自偏置鎖相環通過將電荷泵電流、濾波器中的電阻等參數聯系在一起，可實現環路帶寬與參考頻率比值及阻尼因子近似為定值，進而解決傳統鎖相環面臨的問題。

**1. **自偏置鎖相環原理

傳統二階鎖相環與自偏置鎖相環結構框圖分別如圖1（a）和（b）所示。

Fig1. 傳統鎖相環與自偏置鎖相環

傳統的二階鎖相環的開環傳遞函數為：

閉環傳遞函數為：

得到阻尼因子為：

環路帶寬為：

為了環路穩定性，要滿足ωN <ω ref /10；但是為了抑制VCO的相噪，又需要ωN盡可能大。對于傳統鎖相環，濾波器中的R及電荷泵電流等參數一般都無法自適應調節，環路帶寬和阻尼因子相對比較固定，從而限制了工作頻率。面對較寬的輸入參考頻率（如60820MHz），為了得到較好的噪聲性能，就需要做到帶寬跟隨輸入參考頻率，即實現ωN~ /ωref為常數。

為了實現ω N ~ /ωref ~和ξ是一個常數，首先寫出RING-VCO的工作頻率表達式：

其中M為delay cell級數，CB為VCO中delay cell輸出端寄生電容，ID為delay cell的尾電流，ω ref ~ =ωvco~ /N，為了使ωN /ωref是一個常數，可以使I CP =xI D 。

但是此時阻尼因子會隨輸入參考頻率而變化，為了使阻尼因子不隨參考頻率而變化，可以在電荷泵電流用VCO的電流自偏置的前提下采用二極管連接的mos管做濾波器電阻，使其與1/sqrt(I D )成正比；為了實現濾波器中用二極管連接的mos管做電阻，需要使用兩個獨立的CP分別驅動電阻和電容，得到一條積分路徑、一條比例路徑，然后對兩條路徑上的電壓進行相加得到vctrl。

自偏置鎖相環應用框圖如圖2所示：

Fig2.自偏置鎖相環應用框圖

開環傳遞函數H(s)推導過程如下：

其中，AV1為CP1的輸出到VBN的小信號增益。設I CP2 =αI CP1 ，I 1 =βI 2 ，R 2 =γR 1 ，整理可得鎖相環的開環傳遞函數為：

其中

所以環路存在兩個在原點的極點，以及一個零點和一個非零極點。

**2. **自偏置鎖相環設計指標

表1給出了自偏置鎖相環的設計指標

Table1. 自偏置鎖相環的設計指標

**3. **自偏置鎖相環測試結果

鎖相環時鐘無法直接測試，需要高速通道輸出。測試時通過TX端引出，TX數據給clock patten（010101），通過鎖相環時鐘打出， TX輸出數據眼圖可間接得到時鐘Rj。由于TX 并串轉換（PISO）采用的是半速率方式，用JitterLab積分時Clock Frequency要減半。

3.1 1.6GHz****相噪儀測試結果

Fig3. 相噪儀測試結果（導出到JitterLab工具）@1.6GHz

結論：Rj=8.99 x 14=126mUI<150mUI@BER=10e12,bitrate=1.6 GHz，滿足設計指標。

3.2 5.16GHz****相噪儀測試結果

Fig4. 相噪儀測試結果（導出到JitterLab工具）@5.16GHz

結論：Rj=7.65 x 14=107mUI<150mUI@BER=10e-12,bitrate=5.16 GHz，滿足設計指標。

**4. **自偏置鎖相環優缺點

①頻率覆蓋范圍廣；

②特別適用于低壓場合；

③帶寬可跟隨參數頻率，阻尼因子近似恒定；

④雙電荷泵、濾波器電阻為有源電阻，環路較復雜；

⑤壓控振蕩器增益由兩路疊加而成。