電荷泵鎖相環(huán)的事件驅(qū)動建模與仿真

1、    電荷泵鎖相環(huán)的事件驅(qū)動建模與仿真摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte趙賽果，李巍，王子立(北京遙感設(shè)備研究所  北京  100039

2、)1  引  言現(xiàn)代高集成度的數(shù)?；旌霞呻娐分?，鎖相環(huán)廣泛的應(yīng)用于頻率合成和時鐘恢復(fù)電路。其中，電荷泵鎖相環(huán)以其電路實(shí)現(xiàn)簡單、無限的捕獲帶及非常穩(wěn)定的性能受到青睞。對電荷泵鎖相環(huán)鎖定時間的仿真，傳統(tǒng)的方法都是基于固定步長按時間掃描的方式進(jìn)行的，模型精確的計(jì)算每個時間點(diǎn)的環(huán)路參數(shù)的變化情況。為了達(dá)到較高的時間分辨率，時間步長必須足夠小，那就意味著，整個仿真過程需要計(jì)算大量時間點(diǎn)，而仿真一次需要的總時間和計(jì)算量是由要計(jì)算的時間點(diǎn)數(shù)成正比的，所以，傳統(tǒng)的仿真方法從根本上限制了仿真速度的提高。本文下面要介紹的事件驅(qū)動模型則完全擺脫了按步長計(jì)算的模式，它只需要計(jì)算特定的時間點(diǎn)，使得

3、時間點(diǎn)的總數(shù)相比按步長掃描的方式大大減小了，從而大大地提高了仿真速度，并且這種方法具有良好的精確性。本文主要在事件驅(qū)動思想的基礎(chǔ)上提出了對電荷泵鎖相環(huán)鎖定時間進(jìn)行快速仿真的方法，并且用Matlab語言實(shí)現(xiàn)了模型。2電荷泵鎖相環(huán)的基本原理電荷泵鎖相環(huán)的原理框圖如圖1所示。環(huán)路包括如下幾個部分：鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)、分頻器。下面簡單的描述它的工作原理：環(huán)路通過鑒頻鑒相器檢測輸入信號fi()與輸出信號fy()之間的相差和頻差，產(chǎn)生輸出電壓信號UP和DN來控制電荷泵工作，電荷泵電路對環(huán)路濾波器充、放電以產(chǎn)生加在壓控振蕩器的控制電壓，該控制電壓與

4、鑒相誤差成正比，從而迫使壓控振蕩器的頻率或相位向鑒相誤差減小的方向改變。當(dāng)鑒相誤差為零時，就表示鎖相環(huán)路進(jìn)入了鎖定狀態(tài)。3事件驅(qū)動的基本思想事件驅(qū)動思想的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，下面做簡單的介紹，一個事件驅(qū)動模型一般由以下3個部分組成：事件產(chǎn)生源、調(diào)度室、事件處理器，如圖2(a)所示。舉個簡單的例子說明事件驅(qū)動的基本思想：對一臺個人計(jì)算機(jī)，所謂的事件產(chǎn)生源就好比鼠標(biāo)的1次點(diǎn)擊，或者鍵盤的1次操作。調(diào)度室收集這些事件并且按某種優(yōu)先順序建立1個處理列隊(duì)，同時按順序喚醒相應(yīng)的處理進(jìn)程來處理這些事件。4電荷泵鎖相環(huán)的事件驅(qū)動模型4.1  事件驅(qū)動思想應(yīng)用于電荷泵鎖相環(huán)對于電荷泵鎖相環(huán)，能發(fā)現(xiàn)它同上述的

5、事件驅(qū)動思想有類似的地方，作為一個頻率與相位反饋系統(tǒng)，鑒頻鑒相器收集收入與輸出信號，進(jìn)行頻率與相位比較，根據(jù)下降沿到達(dá)的時刻(假設(shè)鑒頻鑒相器工作在下降沿觸發(fā)方式)，輸出UP和DN信號，電荷泵根據(jù)UP和DN信號的不同，工作在3種狀態(tài)：充電狀態(tài)、放電狀態(tài)和高阻狀態(tài)。低通濾波器和VCO因?yàn)殡姾杀霉ぷ鞯牟煌瑺顟B(tài)而做出不同的響應(yīng)，控制輸出頻率與相位的向頻差和相差減小的方向變化，新的VCO頻率與相位重新與參考信號進(jìn)行比較，形成新的事件，可以用圖2(b)表示這種事件驅(qū)動的工作方式。圖2(b)中，A，B和C三種處理模塊對應(yīng)著電荷泵工作在充電、放電和高阻三種工作狀態(tài)時VCO所發(fā)生頻率與相位的變化，VCO頻率與相

6、位的變化又會觸發(fā)新事件的產(chǎn)生、形成循環(huán)網(wǎng)絡(luò)、直到環(huán)路鎖定。4.2具體實(shí)現(xiàn)方法電荷泵鎖相環(huán)事件驅(qū)動模型是建立在對鎖相環(huán)電路行為分析的基礎(chǔ)上，用事件驅(qū)動模型對鎖相環(huán)進(jìn)行模擬，其與電路級模擬非常接近，可以很快得到鎖相環(huán)的動態(tài)性能指標(biāo)。先來分析電荷泵鎖相環(huán)工作的特點(diǎn)。如圖3所示，鑒頻鑒相器根據(jù)2個輸入端信號的下降沿來臨時間(t0，t1，t2，t3，t4，t5，t6等)做出不同的響應(yīng)，通過UP和DN信號來控制電荷泵電流Ip(t)變化，最終通過控制電壓VC(t)控制VCO發(fā)生變化，在這個過程中，不需要按照步長計(jì)算每個時間環(huán)路的響應(yīng)，而只需要計(jì)算關(guān)心的時間點(diǎn)(to，t1，t2，t3，t4，t5，t6等)，即

7、事件發(fā)生的時間點(diǎn)，就可以得到環(huán)路的工作特性。假設(shè)相鄰2個事件發(fā)生的時間用tn，tn+1表示，那么在時間區(qū)間tn，tn+1里，環(huán)路的傳遞特性可以用連續(xù)的微分方程描述，在已知tn時刻環(huán)路狀態(tài)的情況下，通過求解微分方程可以得到下一時刻tn+1的環(huán)路狀態(tài)，同時，還可以計(jì)算出下一時刻tn+1的具體值。通過這種遞推關(guān)系，可以不斷的推導(dǎo)出新事件發(fā)生的時刻和所處的狀態(tài)，從而得到環(huán)路工作的整個描述。下面推導(dǎo)這種遞推關(guān)系。假設(shè)參考信號的頻率是一個常數(shù)，并且采用VCO的線性模型，即：其中，Ko為VCO增益，Vc為壓控電壓值，fv0是其自由震蕩頻率。則參考信號和VCO輸出信號的相位方程可以表示成：假設(shè)環(huán)路采用圖4所示

8、二階無源環(huán)路濾波器，那么可以得到相應(yīng)的微分方程組。用VC2tn，Vc3tn分別表示電容C2，C3在tn時刻的電壓值，VC2，VC3表示電容C2，C3在tn+1時刻的電壓值，代入初始條件，可解得微分方程的解為：根據(jù)上面的方程，可以由上一事件發(fā)生時刻的電壓值計(jì)算得到下一個事件發(fā)生時刻的電壓值。同時，利用上面公式作為條件，進(jìn)一步可以得到描述參考信號和VCO相位特性的遞歸方程為：利用這兩個遞歸方程，可以確定下一個觸發(fā)時刻tn+1在時間軸上的位置，同時能夠根據(jù)PFD的狀態(tài)圖確定電荷泵的觸發(fā)方式，進(jìn)而判斷何種事件發(fā)生。然后，再把tn+1時刻作為起始時刻，進(jìn)行下一事件發(fā)生時間點(diǎn)和環(huán)路狀態(tài)的推倒，不斷循環(huán)，從而完整描述整個電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)，仿真其時域特性。4.3仿真結(jié)果根據(jù)前面兩節(jié)的論述，采用Matlab程序語言能夠很方便的實(shí)現(xiàn)上面的算法，下面舉個實(shí)例來證明這種方法的正確性。設(shè)三階電荷泵鎖相環(huán)的環(huán)路參數(shù)如表1所示，理論上的控制電壓可以這樣計(jì)算：Vc=(fiN-fv0)KO，計(jì)算得到壓控電壓的理論值為2.272 7 V，與仿真圖形比較發(fā)現(xiàn)，模型和仿真結(jié)果是正確的。同時，作者通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了鎖定時間的正確性。當(dāng)電荷泵鎖相環(huán)應(yīng)用于信號跟蹤時，要求能跟蹤頻率階躍變化的信號。此時，模型同樣適用，如圖6所示，參考信號頻率在7