蔣 旭，沈海斌

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州310027）

0 引 言

鎖相環(huán) （phase locked logic，PLL）能夠跟蹤輸入信號(hào)的相位和頻率，并輸出相位鎖定、低抖動(dòng)的其它頻率信號(hào)，已經(jīng)在數(shù)字信號(hào)處理、無(wú)線電通訊、自動(dòng)化控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，鎖相環(huán)技術(shù)也越來(lái)越多的被用于通用串行總線（universal serial bus，USB）設(shè)備中的數(shù)據(jù)同步和采樣［1］。

通用串行總線是一種具有傳輸速度高的總線接口，支持的傳輸速率有1.5Mbit／s （低速），12Mbit／s （全速）和480Mbit／s（高速）［2］。主要有以下3種方法為 USB設(shè)備提供時(shí)鐘：①在USB芯片中設(shè)計(jì)基于采樣計(jì)數(shù)的時(shí)鐘恢復(fù)單元，該方法的缺點(diǎn)是采樣時(shí)鐘頻率較高，導(dǎo)致功耗較大；②在USB芯片中設(shè)計(jì)所需時(shí)鐘頻率的振蕩器，該方法的不足是受工藝的影響較大和精度較低，即使同一流片批次的芯片振蕩頻率也有較大偏差；③在USB芯片中內(nèi)嵌一個(gè)用于倍頻的鎖相環(huán)，外接低頻的晶振作為芯片的輸入，該方法的不足是外接晶振導(dǎo)致成本偏高。

由于現(xiàn)有方法的不足之處，本文提出了一種應(yīng)用于USB全速設(shè)備中的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)方法。該鎖相環(huán)利用USB總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)恢復(fù)出可用于USB全速設(shè)備的48MHz本地時(shí)鐘，以及產(chǎn)生3MHz、6MHz、12MHz、24M、96M時(shí)鐘以供全速設(shè)備使用，有效的避免了現(xiàn)有方法的不足之處。

1 USB全速設(shè)備中鎖相環(huán)的基本原理

傳統(tǒng)的電荷泵鎖相環(huán)一般由5個(gè)模塊組成［3－4］：鑒頻鑒相 器 （phase frequency detector，PFD）、電 荷 泵 （charge pump，CP）、低通濾波器 （low pass filter，LPF）、壓控振蕩器 （voltage control oscillator，VCO）、分頻器 （frequency divider）。為了應(yīng)用于USB全速設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳輸和采樣，本文在傳統(tǒng)的電荷泵鎖相環(huán)基礎(chǔ)上，增加了時(shí)鐘信息提取單元（clock information extraction，CIE）和低功耗控制模塊 （low power control）。鎖相環(huán)的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 USB全速設(shè)備中鎖相環(huán)的原理結(jié)構(gòu)

iData＿USB為USB設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，時(shí)鐘信息提取模塊根據(jù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘把傳輸數(shù)據(jù)中的時(shí)鐘信息提取出來(lái)傳遞給鑒頻鑒相器；鑒頻鑒相器將時(shí)鐘信息轉(zhuǎn)化為控制電荷泵充放電的控制電壓 （Up／Down）；電荷泵單元根據(jù)Up／Down電壓進(jìn)行充放電，從而調(diào)節(jié)振蕩器的壓控電壓；該壓控電壓經(jīng)過(guò)低通濾波器后控制振蕩器的振蕩頻率，使得振蕩頻率 （相位）朝著iData＿USB的頻率 （相位）變化，形成反饋環(huán)路。當(dāng)振蕩頻率和輸入數(shù)據(jù)的傳輸速率保持一致時(shí)，鎖相環(huán)電路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

2 USB全速設(shè)備中鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

下面將分別介紹USB全速設(shè)備中鎖相環(huán)中各個(gè)部分的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 時(shí)鐘信息提取單元 （CIE）

根據(jù)USB協(xié)議中規(guī)定USB全速設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速度為12Mbit／s，總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)NRZI編碼［5］，再以差分的形式在D＋和D－數(shù)據(jù)線上傳輸，而時(shí)鐘信息則包含在數(shù)據(jù)信號(hào)中，所以我們需要從12Mbit／s的數(shù)據(jù)信號(hào)中提取所需的時(shí)鐘信息。時(shí)鐘信息提取單元的作用就是從傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)中將時(shí)鐘信息提取出來(lái)，供后面各個(gè)模塊使用。

時(shí)鐘信息提取單元由一個(gè)采樣電路和一個(gè)延時(shí)單元組成。USB總線上的數(shù)據(jù)信號(hào)為iData＿USB，采樣電路對(duì)該數(shù)據(jù)信號(hào)采樣，輸出oData＿sample。采樣電路由一個(gè)邊沿觸發(fā)器構(gòu)成，采樣的時(shí)鐘來(lái)自鎖相環(huán)中分頻器分頻后的時(shí)鐘信號(hào)Clk＿feeedback。同時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)iData＿USB經(jīng)過(guò)一個(gè)延時(shí)單元，輸出信號(hào)oData＿dely。oData＿sample和oData＿dely這兩個(gè)信號(hào)將傳遞給鑒頻鑒相器用來(lái)比較頻率（相位）差。時(shí)鐘信息提取單元的波形圖如圖2所示。

圖2 時(shí)鐘信息提取單元的波形

從圖2中可以看出，當(dāng)Clk＿feedback時(shí)鐘頻率 （相位）和數(shù)據(jù)信號(hào)iData＿USB信號(hào)匹配時(shí)，oData＿dely和oData＿sample兩個(gè)輸出信號(hào)波形將保持一致；當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)不匹配時(shí)，兩個(gè)輸出信號(hào)將在頻率 （相位）上產(chǎn)生差別，進(jìn)而傳遞給鑒頻鑒相器做比較，完成時(shí)鐘信息提取的功能。

2.2 鑒頻鑒相器 （PFD）

鑒頻鑒相器在環(huán)路中的作用是檢測(cè)采樣信號(hào)oData＿sample和USB數(shù)據(jù)延遲信號(hào)oData＿dely之間的頻率相位差，產(chǎn)生一組與頻率相位差成線性比例關(guān)系的電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)相位—電壓的變化。

常用的鑒相器結(jié)構(gòu)有異或門(mén)鑒相器，RS鎖存器鑒相器，三態(tài)鑒頻鑒相器［6］。本文采用三態(tài)鑒相器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)鑒頻鑒相功能，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。三態(tài)鑒相器具有鑒頻鑒相功能，捕獲范圍大，捕獲時(shí)間短，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

圖3 鑒頻鑒相器電路結(jié)構(gòu)

本文采用的鑒頻鑒相器電路比基本的三態(tài)鑒頻鑒相器［7］多了兩個(gè)與門(mén)和一個(gè)與非門(mén)，這3個(gè)器件組成了鑒頻鑒相器的輸出電壓使能控制。理想狀態(tài)下當(dāng)oData＿dely和oData＿sample兩個(gè)信號(hào)同時(shí)為高電平的時(shí)候，D觸發(fā)器復(fù)位，電路的兩個(gè)輸出信號(hào)Up／Down為低電平。由于實(shí)際電路中存在著延時(shí)，D觸發(fā)器經(jīng)過(guò)短暫的時(shí)間后才復(fù)位，這導(dǎo)致基本的三態(tài)鑒頻鑒相器的Up／Down兩個(gè)輸出信號(hào)在這段時(shí)間內(nèi)會(huì)同時(shí)為高電平，從而導(dǎo)致電荷泵模塊充放電電路同時(shí)工作，增加了輸出時(shí)鐘抖動(dòng)和電路功耗，對(duì)于充放電電路的電流匹配要求也更加苛刻。鑒于基本的三態(tài)鑒頻鑒相器存在著上面的問(wèn)題，本文采用圖3中的鑒頻鑒相電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩輸入信號(hào)同時(shí)為1的情況下，輸出電壓使能控制端被置“0”，輸出被屏蔽，不會(huì)存在Up／Down同時(shí)為高電平的情況，降低了電路功耗，提高了輸出時(shí)鐘的穩(wěn)定性。

2.3 電荷泵 （CP）

電荷泵電路根據(jù)輸入的Up／Down信號(hào)進(jìn)行充放電，調(diào)節(jié)存儲(chǔ)在電容上的壓控電壓。為了確保鎖相環(huán)電路的鎖定頻率 （相位）誤差較小，要求電荷泵電路的充放電電流需要盡量一致。本文采用的電荷泵電路抑制了電流不匹配、電荷注入和電荷共享效應(yīng)［6，8］，電荷泵的充放電電流為12.39uA，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電荷泵電路結(jié)構(gòu)

2.4 低通濾波器 （LPF）

為了抑制壓控電壓的跳動(dòng)，本文中低通濾波器采用了常用的RC二階濾波電路，電阻R和電容C1串聯(lián)后，再與C2并聯(lián)組成低通濾波器。電容取值一般C2＜＜C1［3，9］，可近似為一階濾波器，閉環(huán)的時(shí)間和頻率響應(yīng)就相對(duì)保持不變。本文中C2電容值是C1電容值的1／6。該電路的傳遞函數(shù)可以表示為

2.5 壓控振蕩器 （VCO）

壓控振蕩器的功能就是根據(jù)壓控電壓，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的振蕩信號(hào)。電流控制振蕩電路的輸出頻率范圍比較寬，差分振蕩電路在抑制電源噪聲方面效果比較好［7］。本文采用了差分振蕩電路結(jié)構(gòu)的壓控振蕩器，主要包括偏置電路，振蕩電路，正弦波轉(zhuǎn)方波電路，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 壓控振蕩器電路結(jié)構(gòu)

Vcontrol為濾波電路產(chǎn)生的壓控電壓，振蕩電路采用四級(jí)差分延遲單元級(jí)聯(lián)的形式，根據(jù)壓控電壓輸出對(duì)應(yīng)頻率的振蕩信號(hào)。差分延遲單元的具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 差分延遲單元電路結(jié)構(gòu)

控制信號(hào)Ve控制差分延遲單元的尾電流的大小，控制信號(hào)Vb調(diào)節(jié)M1和M2兩個(gè)MOS管的電阻阻值，Ve和Vb共同調(diào)節(jié)差分延遲單元的延遲時(shí)間。當(dāng)電路的振蕩頻率增大時(shí)，Vout電壓上升，Vout＞Vb－Vth的時(shí)候，M1和M2將進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)MOS電阻阻值變大，導(dǎo)致振蕩頻率下降。因此，我們需要在Vout＞Vb－Vth的時(shí)候?qū)﹄娐愤M(jìn)行調(diào)整。本設(shè)計(jì)中進(jìn)行了電阻補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)。在兩個(gè)電容外各并聯(lián)了一個(gè)柵漏相連的MOS管，這兩個(gè)MOS管起到了電壓鉗位的作用。當(dāng)Vout＜Vthn時(shí)，這兩個(gè)MOS管不工作；當(dāng)Vout＞Vthn時(shí)這兩個(gè)管導(dǎo)通，相當(dāng)于在原先的RC并聯(lián)基礎(chǔ)上額外并聯(lián)了一個(gè)電阻R，進(jìn)行了電阻補(bǔ)償。

2.6 分頻器 （FD）

壓控振蕩器的輸出信號(hào)是96MHz時(shí)鐘，而時(shí)鐘信息提取單元所需要的iClk＿feedback是12MHz時(shí)鐘，因此需要分頻器對(duì)壓控振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻。經(jīng)過(guò)分頻器后產(chǎn)生了48MHz，24MHz，12MHz，6MHz，3MHz的時(shí)鐘信號(hào)以供USB全速設(shè)備中其他電路使用。

2.7 低功耗控制模塊 （LPC）

鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器不間斷振蕩以及電荷泵不斷的充放電都會(huì)造成比較大的功耗，為了盡可能的降低功耗，本文增加了低功耗控制模塊。低功耗控制模塊有兩個(gè)模式，均為高電平有效，電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

模式一：選擇信號(hào)為Sel1，將用6MHz本地時(shí)鐘來(lái)控制時(shí)鐘信號(hào)提取單元、鑒頻鑒相器、電荷泵3個(gè)模塊間歇工作，節(jié)省部分功耗，壓控振蕩器和分頻器正常工作。鎖相環(huán)電路在該模式下還會(huì)輸出有效的時(shí)鐘信號(hào)。該模式的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)電路對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的要求不是太高時(shí)，可以犧牲時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性來(lái)降低鎖相環(huán)電路的功耗。

圖7 低功耗控制模塊電路結(jié)構(gòu)

模式二：選擇信號(hào)為Sel2，除了關(guān)斷鐘信號(hào)提取單元、鑒頻鑒相器、電荷泵外，該模式還將關(guān)斷壓控振蕩器和分頻器。但為了鎖相環(huán)電路重新上電時(shí)能快速鎖定信號(hào)，模式二下會(huì)保存壓控電壓的值。加入延時(shí)和一個(gè)與門(mén)的目的是為了確保電荷泵比壓控振蕩器先斷電，這樣才能防止在掉電過(guò)程中對(duì)壓控電壓造成比較大的影響。反之，在上電的過(guò)程中壓控振蕩器要比電荷泵先上電。

2.8 版圖實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述各個(gè)模塊的電路結(jié)構(gòu)，在Virtuso中完成了鎖相環(huán)版圖，如圖8所示。整個(gè)鎖相環(huán)的面積約為274.8μm＊332.9μm。

圖8 鎖相環(huán)版

3 實(shí)驗(yàn)與性能分析

基于5V電壓的0.35μm標(biāo)準(zhǔn)工藝，對(duì)本文中的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試。

壓控振蕩器可調(diào)節(jié)的范圍為52.68MHz136.78MHz，當(dāng)輸出信號(hào)頻率為96MHz時(shí)，相位噪聲為－102.5dBc／Hz＠1MHz；為了滿(mǎn)足USB協(xié)議中規(guī)定的時(shí)鐘抖動(dòng)要求，壓控振蕩器的輸出頻率應(yīng)該穩(wěn)定在90MHz到102MHz之間，即對(duì)應(yīng)的壓控電壓范圍為2.73V3.02V。

當(dāng)以6MHz的時(shí)鐘作為鎖相環(huán)的輸入時(shí)，鎖相環(huán)的鎖定時(shí)間約為7μs，當(dāng)以12M／bit的數(shù)據(jù)作為鎖相環(huán)的輸入時(shí)，經(jīng)過(guò)約80個(gè)跳變邊沿后鎖相環(huán)鎖定頻率。48M本地時(shí)鐘的鎖定頻率范圍為47.829MHz48.175MHz，時(shí)鐘抖動(dòng)為143ps。鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)下壓控電壓為2.87V，電壓毛刺不超過(guò)20mV。實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示，Y0為12M／bit的輸入數(shù)據(jù)，Y1為電荷泵充電電路的控制電壓，Y2為電荷泵放電電路的控制電壓，Y3為振蕩器的壓控電壓。

圖9 鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)波形

鎖相環(huán)電路在正常工作時(shí)的平均功耗約為12.53mW。當(dāng)模式一有效時(shí)，電路的平均功耗約為11.47mW，壓控電壓在2.81V2.95V范圍波動(dòng)。當(dāng)模式二有效時(shí)，電流僅為2.746uA，平均功耗約為14uW，此時(shí)低通濾波器中保存的壓控電壓值為2.89V，PLL重新正常上電時(shí)能快速鎖定振蕩頻率。

與傳統(tǒng)的用于USB設(shè)備中的鎖相環(huán)［10］比較，本文設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)無(wú)需外接晶振就能正常工作，成本節(jié)省了近40%，提高了板級(jí)電路的面積利用率，降低了板級(jí)電路的復(fù)雜度。表1列出了主要性能指標(biāo)的比較，可見(jiàn)本文設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)在功耗方面有一定的優(yōu)勢(shì)，并且抖動(dòng)和鎖定時(shí)間都在同類(lèi)應(yīng)用鎖相環(huán)設(shè)計(jì)的指標(biāo)之內(nèi)。

表1 本文鎖相環(huán)和同類(lèi)應(yīng)用的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種應(yīng)用于USB全速設(shè)備中的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)方法，增加了時(shí)鐘信息提取單元和低功耗控制模塊，采用了改進(jìn)型鑒頻鑒相器和差分延遲單元，可以輸出不同頻率的時(shí)鐘以供全速設(shè)備使用。該鎖相環(huán)工作時(shí)無(wú)需外接晶振，根據(jù)USB總線上12Mbit／s的數(shù)據(jù)信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)頻率鎖定。48MHz本地時(shí)鐘輸出頻率范圍47.829MHz48.175MHz，時(shí)鐘抖動(dòng)143ps，鎖定時(shí)間為7us，鎖相環(huán)功耗約為12.53mW，滿(mǎn)足USB總線協(xié)議要求，節(jié)省了成本，避免了現(xiàn)有方法的不足。

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