電荷泵鎖相環的數字鎖定檢測電路應用分析

摘 要
電荷泵鎖相環的鎖定指示電路設計，常用的方法是在PFD 電路中通過檢測經分頻后的參考輸入和本振反饋信號的相位誤差來實現，當相位誤差超過某個鎖定檢測窗口時，鎖相環電路就上報失鎖告警。由于數字鎖定指示電路設計簡單，易于被監控而被廣泛應用。在實際的鎖相環電路設計中，往往由于電路參數選擇不合理，盡管鎖相環處于正常的鎖定狀態，但由于PFD 的相位誤差超過鎖定檢測窗口而導致數字鎖定指示電路顯示失鎖。因此，必須需要根據特定鎖相環配置和外圍電路選擇合適的檢測窗口，或者根據檢測窗口要求設計合適的鎖相環環路參數和外圍電路。

1 概述
在各種鎖相環結構中，電荷泵鎖相環因其穩定性高，捕獲范圍大，便于集成等特點而別廣泛應用于無線通信、頻率綜合器和時鐘恢復電路中。隨著芯片設計集成化和電路設計的簡潔化，鎖相環芯片通常都集成了環路鎖定檢測電路。

電荷泵鎖相環的鎖定檢測電路設計，包括模擬鎖定檢測和數字鎖定檢測兩種方法。其中，模擬檢測電路采用經鑒頻鑒相器PFD 輸出的相位誤差，產生脈沖信號對外部電容進行充電和放電，需要較長的時間以達到穩定的電平輸出，以指示當前鎖相環狀態是鎖定或失鎖，在電路設計方面不夠靈活并缺乏精確判斷鎖相環的鎖定狀態，限制了其應用范圍。數字鎖定檢測方法具有準確性高、可編程性且電路設計易于實現等優點而被廣泛應用。目前，電荷泵鎖相環的數字鎖定指示電路設計中，通常采用在鑒頻鑒相器PFD 電路中檢測經過分頻后的參考時鐘輸入和同樣經分頻后的本振反饋信號的相位誤差來實現，當相位誤差超過某個鎖定檢測窗口時，鎖相環電路就上報失鎖指示信號。本文介紹了電荷泵鎖相環電路鎖定檢測的基本原理，通過分析影響鎖相環數字鎖定電路的關鍵因子，推導出相位誤差的計算公式。并以CDCE72010 為例子，通過實驗驗證了不合理的電路設計或外圍電路參數是如何影響電荷泵鎖相環芯片數字鎖定指示的準確性。

2 電荷泵鎖相環電路的數字鎖定檢測原理

相位誤差是數字鎖定檢測原理的最關鍵參數，下面分析了電荷泵鎖相環電路中相位誤差的來源，以及數字鎖定檢測電路是如何基于相位誤差實現的。

2.1 PFD、電荷泵電流和相位誤差

典型的電荷泵鎖相環電路（如TI 的CDCE72010）的PFD 工作原理如圖1 所示。當送達PFD 的參考
時鐘輸入超前本振時鐘輸入時，PFD1 就輸入一個高脈沖寬度的信號；反之，則在PFD2 輸出一個高脈沖電平寬度，通過PFD1 和PFD2 的脈沖信號以控制電荷泵電流的灌入和流出，經后級低通濾波器后，產生不同的壓控電壓以控制外部振蕩器的輸出，達到負反饋的穩定。通常PFD 電路是通過比較參考時鐘和本振時鐘上升沿之間的時延，該時延稱之為相位誤差。在電路處于鎖定狀態時，該相位誤差也就是鎖相環的穩態相差參數。