鎖相環廣泛用於電信行業，實現倍頻、數據提取和時鍾恢複。這些鎖相環通常采用基於電荷泵的環路濾波。MAX9382就是這樣一款鑒相/鑒頻器，用於基於電荷泵的環路濾波架構。MAX9382的關鍵參數之一是確保最短脈衝寬度
，以消除電荷泵環路濾波設計中通常出現的死區效應。

 

MAX9382把輸入的相位差轉換為可變脈寬的兩路脈衝輸出，這些輸出為“上”、“下”端的脈衝信號，用來控製環路濾波電荷泵。當兩個輸入頻率不同時，MAX9382如同一個鑒頻器，其輸出時間平均值是輸入頻率差的函數。這種轉換大大改善了環路鎖定帶外信號的能力。圖1給出了MAX9382的內部框圖
，圖2給出了MAX9382輸出平均(直流)電壓值與輸入相位差之間的函數關係。式1、式2和式3說明當輸入頻率相同時(環路鎖定條件下)和輸入頻率不同時(環路失鎖條件下)鑒相/鑒頻器的傳輸函數。

 

圖1. MAX9382鑒頻/鑒相器

 

圖2. MAX9382鑒頻/鑒相器理想狀態下的響應

 

 

圖3給gei出chu了le一yi個ge典dian型xing的de電dian荷he泵beng和he無wu源yuan環huan路lu濾lv波bo架jia構gou。這zhe個ge架jia構gou利li用yong開kai關guan選xuan通tong匹pi配pei的de電dian流liu源yuan出chu和he電dian流liu吸xi入ru，控kong製zhi電dian流liu流liu入ru或huo流liu出chu環huan路lu濾lv波bo器qi。根gen據ju鑒jian相xiang器qi輸shu入ru的de相xiang差cha在zai“上”、“下”輸出端產生不同脈寬的脈衝，使環路濾波器電壓上升或下降。鎖定條件下
，鑒相器在電荷泵的兩個輸入產生一串相同脈寬(最小脈寬)的脈衝信號，式4和式5給出了電荷泵濾波器的傳輸函數和環路濾波網絡的阻抗。

 

圖3. 電荷泵和環路濾波器原理圖

 

 

圖4給出了一個完整的鎖相環框圖，由鑒相器
、電荷泵、環路濾波器、VCO和反饋分頻器(需要時)構成。式6給出了基本的環路傳輸函數，式7為鎖定條件下完整的環路傳輸函數。式1至式7是在不同環路元件下通過線性響應推導出來的公式，沒有考慮鑒相器和電荷泵的取樣特性。

 

圖4. 鎖相環的基本單元

 

 

基於電荷泵架構鎖相環的潛在缺點是：濾波器輸入能夠響應的最小脈衝寬度受限。鎖相條件下，典型的鑒相器輸出是“上”、“下”輸出一串非常短的脈衝。如果這些脈衝對於環路濾波器來說太窄，將會產生零相位附近的環路死區效應。這種死區效應將導致相位偏移
、增大鎖相輸出時鍾的抖動。有些係統會特別引入一定的相位偏移
，使鑒相器輸出遠離死鎖區域。MAX9382通過定義適當的最短“上”、“下”輸出脈衝避免死區效應。圖5顯示了當VCO信號(V)超前於參考輸入信號(R)時，MAX9382的輸入

、輸出時序，這種情況下，鑒相器在其“上”端(U)輸出一串窄脈衝，在“下”端(D)輸出一串寬脈衝。“上”、“下”輸出脈衝寬度之差即為所需要的V、R輸入跳變時間差。

 

圖5. V超前於R時MAX9382的輸入和輸出時序

 

避免死區效應的最小脈衝寬度主要由電荷泵的最小輸入脈衝寬度和鑒相器輸出脈衝的上升
、下降特性決定。式8用於計算最小脈衝寬度的近似值。MAX9382指標確保370ps的最小輸出脈寬和最大190ps的輸出上升/下降時間。通過式8計算特定環路濾波器的最小輸入脈衝寬度

，所得結果為360ps。任何最小輸入脈衝寬度低於該值的環路濾波器即可與MAX9382配合使用，構成沒有死區效應的環路。

 

圖6闡述了環路相位響應大約為零、最小脈衝寬度過小時的影響。圖中顯示了兩種響應曲線
，環路濾波器均工作在100MHz
，要求200ps的輸入脈衝寬度，鑒相器輸出的上升、下降時間為190ps。第一個響應為鑒相器最小輸出脈衝寬度近似為0ps的情況，第二個響應為鑒相器滿足最小輸出脈衝寬度條件的情況(本例中，MAX9382的最小脈寬為370ps)。

 

圖6. 鑒相器輸出脈衝寬度為370ps和0.0ps時環路死區效應比較

 

 

MAX9382數據資料給出了在可用輸入相位範圍±π情況下，典型的最大工作頻率為450MHz。具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)中(zhong)，最(zui)大(da)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)由(you)器(qi)件(jian)的(de)內(nei)部(bu)傳(chuan)輸(shu)延(yan)時(shi)和(he)可(ke)用(yong)輸(shu)入(ru)相(xiang)位(wei)範(fan)圍(wei)決(jue)定(ding)。內(nei)部(bu)複(fu)位(wei)脈(mai)衝(chong)用(yong)於(yu)控(kong)製(zhi)最(zui)小(xiao)輸(shu)出(chu)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)。如(ru)果(guo)在(zai)收(shou)到(dao)下(xia)一(yi)個(ge)有(you)效(xiao)輸(shu)入(ru)沿(yan)時(shi)該(gai)複(fu)位(wei)脈(mai)衝(chong)有(you)效(xiao)，鑒(jian)相(xiang)電(dian)路(lu)將(jiang)錯(cuo)過(guo)這(zhe)個(ge)輸(shu)入(ru)沿(yan)。這(zhe)個(ge)複(fu)位(wei)脈(mai)衝(chong)的(de)持(chi)續(xu)時(shi)間(jian)並(bing)沒(mei)有(you)在(zai)MAX9382數據資料中規定，但它的有效值可以根據輸入
、輸出延時推算出來。例如
，“V”輸入超前“R”輸入時，當“D”輸出的下降沿與“V”輸入的上升沿對齊時，達到輸入相位範圍的限製；對於“R”輸入超前於“V”輸入的情況，在“R”輸入和“U”輸出之間會發生類似情形。式9給出了“V”超前“R”時最大輸入相位的近似表達式。圖7給出了對應的時序圖。同樣可以給出“R”超前於“V”情況下的表達式和波形。

 

圖7. 器件時序特性給出最大可用的相位限製

 

圖7所示時序圖描述了最大相位條件下的輸入、輸出波形。進一步增大超前輸入相位，將導致隨後的“V”輸入上升沿被忽略，輸出複位至差分低電平狀態。鑒相器將響應接下來的輸入上升沿，並將其作為超前波形。圖7示例中，後續的邊沿會出現在“R”輸入，鑒相器響應是針對“R”超前“V”的條件得出的。

 

 

式1、式2和式3給出了輸入頻率相同條件下(鎖定條件)和輸入頻率不同條件下(對應於)鑒相/鑒頻器的傳輸函數。

 

 

其中：

 

輸出(Output) = 鑒相輸出

 

= 鑒相增益

= 參考信號相位

= 反饋信號相位

 

 

其中：

 

= 鑒頻增益

= 參考信號頻率

= 反饋信號頻率

 

 

式4和式5給出了電荷泵和環路濾波器的傳輸函數。

 

 

其中：

 

OUT = 濾波器輸出

A = 增益(跨導) 

= 濾波網絡阻抗

ΔT/T = “上”、“下”輸入占空比

 

 

其中：

 

= 與環路濾波元件有關的時間常數

 

式6為基本的環路傳輸函數。

 

 

其中：

 

= 環路輸出

R = 環路輸入

n = 反饋環路分頻比

= 鑒相傳輸增益

= VCO傳輸增益

A = 電荷泵增益

F(s) = 環路濾波器傳輸函數

s = jω

 

式7為環路鎖定條件下完整的環路傳輸函數。

 

 

式8為避免死區效應的最小脈衝寬度近似值。

 

 

其中：

 

= 鑒相器輸出要求的最小脈衝寬度

= 鑒相器輸出下降時間(20%到80%) 

= 鑒相器輸出上升時間(20%到80%) 

= 環路濾波最小輸入脈衝寬度

 

式9給出了最大輸入相位範圍與工作頻率和鑒相器時延的函數關係。

 

 

其中：
 

= 最大輸入相位

= 從R輸入到D輸出的傳輸時延

= 工作頻率