(b005)应用于锁相环的低电压高性能电荷泵设计
高性能电荷泵电路的设计
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ ｉ ｈｐ ｒｏｍ ａ ｃ ｕｌ ｄ ［ｒ ｎｉｌｃ ａｇ ｕ ｓｄ ｓｇ ｅ ｏ ｏ ｅ ｃｍ ｅ ｔｅ ｉｅ ｉ ｂｅｄｓ ｄ ａ － ｓｒ ｃ ： ｈ ｇ — ｅｆ ｒ ｎ ｅｆｌ ｙ－ｆ ｅ ｅ ｔａ ｈ ｒ ｅｐ ｍｐ ｉ ｅ ｉｎ ｄｔ ｖ ｒｏ ｈ ｎ ｖｔ ｌ ｉａ ｖ ｎ ａ
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第 ３ ２卷 第 ２期 ２０ 年 ２月 ０２
微 电 子 学
Ｍ ｉｒ ｅｅ ｏ ｃ ｃ ｏ ｌ ｔ ｎｉ ｓ
Ｖ ０ ３ ． ２ １ Ｚ№
Ａ Ｄ ２ ２ ｒ ００
立章编号 ：０ ４３６ １０ ２ ０ １００ １ ０ －３ ５ ２ ０ ）２０ ５ —２
高性 能 电荷 泵 电 路的设 计
东振 中 ， 雪 城 。 ，雷 锰 钻 邹 。 。 ，刘 三 清
（ １华中科技大学
２华 中科 技 大 学
电子科学与技术系 ．湖北
武汉 ． ３ ０４ ４ ０ ７
武 汉 ． ３ ０４ ４０７）
图 像信 息处 理 与 智 能 控 制教 育 部 重 点 实 验 室 ， 北 湖
ｔｇ ｓ ｉ ｈ ｒ ｄｔ ｎ ｌｃ ａ ｇ ｕ ｉｃ ｉｒｉｃｕ ｉｇ Ｌａ ａ ｅ ｃ ｒｅ ｔａ ｄ ｃ ａ ｇ ／ ｉｃ ａ ｇ ｕ ｒｎ ｓ ｔｈ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｔａ ｉｏ ａ ｈ ｒｅ ｐ ｍｐ ｃｒ ｕｔ ｎ ｌｄｎ ｅｋ ｇ ｕ ｒｎ ｎ ｈ ｒ ｅ ｄｓ ｈ ｒ ｅｃ ｒｅ ｔ ｍｉｍａｃ ｉ
式 中 ， ｃ为 ＶＣ 增 益 ， ｒ Ｋ ０ Ｏ 为参 考 时 钟频 率 ， ， Ｐ为滤波 器 的极点频 率 ， 为泵 电流 。 【） （） 由 １ 、２ 式
起 的输 出频 率 的相位偏差 为
收稿 日期 ：０ １０ 一２ 定稿 日期 ：０ １０ —２ ２０ —ｆ１ ｛ ｉ ２ ０—８２
一种基于电荷泵锁相环的时钟调节电路设计
一种基于电荷泵锁相环的时钟调节电路设计王雪萍，王金龙，蔡永涛，马金龙中国电子科技集团公司第58研究所摘要：设计了一种基于电荷泵锁相环（PLL）的独特时钟调节电路，可调节时钟频率和延时，可纠正时钟偏斜，能够输出不同相位（0°，90°，180°，270°）锁定且低抖动的各种频率信号，锁相环可外部动态配置。
该电路可应用于FPGA系统集成电路的时钟发生源电路中，能够提供非常灵活的时钟调节功能。
仿真结果表明，该电路满足设计需求。
关键词：电荷泵；锁相环；时钟；FPGA中图分类号：TN492文献标识码：AA Design of Clock Regulating Circuit Basedon Charge Pump Phase Locked LoopWANG Xue-ping,WANG Jin-long,CAI Yong-tao,MA Jin-longNo.58Research Institute,China Electronics Technology CorporationAbstract：A unique clock adjusting circuit based on charge pump phase-locked loop（PLL）is designed,which can adjust the clock frequency and delay,correct the clock skew,output various frequency signals with different phase locking and low jitter（0°,90°,180°,270°）.The PLL can be configured in external dynamic state.The circuit can be used in the clock generator of FPGA system integrated circuit,and can provide very flexible clock adjustment func-tion.The simulation results show that the circuit meets the design requirements.Keywords：Charge Pump;Phase-locked Loop;Clock;FPGA图1时钟调节电路结构1引言锁相环（Phase-locked Loop ，PLL ）是FPGA 类系统集成电路中重要的时钟资源，随着FPGA 在通信、自动化控制、航空航天等领域应用越来越广泛[1-2]，PLL 电路设计也越来越关键。
锁相环中动态匹配电荷泵的分析与设计
ｒ ｎ ｅ ｆｏ ０ ３ ｏ １ ３ ，ｃ ｒ ｅ ｔｍｉｍａ ｃ ｓｌ ｓ ｈ ｎ ０ ５ ａ ｇ ｒ ｍ ． ３ ｔ ． ４ Ｖ ｕ ｒ ｎ ｓ ｔｈ ｉ ｅ ｓ ｔ ａ ． ５
ａ ｄ ｃ ｒ ｅ ｔｄ ｖ ａ ｉｎ ｉ ｌｓ ｈ ｎ ０ ４ ． ｎ ｕ ｒ ｎ ｅ ｉ ｔ ｅ ｓ ｔ ａ ． ５ ｏ ｓ
嘲
ＥＥ ＲＮ电 子Ｓ ＥＥＴ术ＣＮＬＧ Ｌ ＴＯＩ ＭＡ ＲＭＮ ＯＯＹ Ｃ Ｃ Ｅ测 量技 Ｔ Ｈ Ｕ Ｅ
第 ３ ５ ２０ 月 ０ ３年 ５ １ 期 卷第
锁 相 环 中动 态 匹 配 电荷 泵 的 分 析 与 设 计 ＊
赵 茂 何 书专１ 潘 红兵 ， ２ ，
（ ． 苏省 光 电信 息 功 能 材 料 重 点 实验 室 南京 ２ ０ ９ ；２ 南 京 大 学 微 电子 设 计 研 究 所 南京 ２ ０ ９ ） １江 １０３ ． １ ０ ３
０ １ ｍ工 艺 ， ．８ 静态 匹配 仿 真 结 果 表 明 输 出 电压 在 ０ １ ～１ ５ 时 ， 流 失 配 低 于 １ ７ ， ０ ２ ～ １ ４ 时 ， 流 ． １ ． １Ｖ 电 ． 在 ． １ ． ６Ｖ 电 失 配 低 于 ０ １ ； 态 匹配 的 后 仿 真 结 果 表 明输 出 电压 在 ０ ３ ～ １ ３ 时 ， ． 动 ． ３ ． ４Ｖ 电流 失 配 低 于 ０ ５ ， 移 低 于 ０４ 。 ．５ 漂 ．５
ｃ ｒ ｎ ｉｍ ａ ｃ ｓ ｌｓ ｈａ ． ｕｒ ｅ ｔｍ ｓ ｔ ｈ ｉ ｅ ｓｔ ｎ １ ７ ａｄ０ ｎ ．１ ｏ ｒｔ ｌａ ａ ｖｅ ｈｅｖｏ ｔｇｅ ｒ ｎｇｅｆ ｏ ｒ ｍ ０．１ ｔ １ ５１ １ ｏ ． Ｖ ｎｄ ｆｏｍ ．２１ ｏ １， ６ ａ ｒ ０ ｔ ４ Ｖ
电荷泵锁相环的模型研究和电路设计
结论
本次演示对电荷泵锁相环的模型研究和电路设计进行了详细探讨。通过建立 数学模型并简化分析，我们发现电荷泵锁相环的性能主要受到电荷泵增益、环路 滤波器时间常数以及输入信号频率的影响。在此基础上，我们设计了一款电荷泵 锁相环电路，并对关键元件进行了选择和优化。然而，该电路仍存在一些不足之 处，需要进一步改进。
2、低功耗：该设计方案采用了先进的工艺和电路设计，使得芯片的功耗较 低，延长了设备的使用寿命。
3、高集成度：所设计的锁相环集成电路芯片具有高集成度，减小了设备的 体积和重量，方便了实际应用。
结论：
本次演示通过对高速锁相环集成电路芯片的深入研究和实验验证，提出了一 种针对高速条件下的高效设计方案。实验结果表明，所设计的芯片在高速条件下 具有良好的性能和可靠性。但是，我们也意识到该设计方案仍存在一些不足之处， 例如在复杂电磁环境下的稳定性等问题。
近年来，随着太阳能技术的快速发展，光伏并网逆变器在太阳能发电系统中 得到了广泛应用。三相锁相环设计在光伏并网逆变器控制中具有重要意义，是实 现并网稳定运行的关键技术之一。本次演示将阐述三相锁相环设计及光伏并网逆 变器控制的研究内容和方法。
在光伏并网逆变器控制领域，文献综述表明，现有的研究主要集中在逆变器 拓扑结构、控制策略和并网保护等方面。其中，三相锁相环设计是逆变器控制策 略中的重要组成部分。已有的三相锁相环设计方法主要包括基于PI调节器和基于 同步检测器的设计方法。然而，这些方法在实时性、准确性和稳定性方面仍存在 一定的问题，特别是在复杂环境和恶劣条件下。
模型研究
1、电荷泵锁相环的原理和内部 机制
电荷泵锁相环主要由电荷泵、环路滤波器（Loop Filter）和电压控制振荡 器（VCO）三个主要部分组成。其工作原理是，通过电荷泵将输入信号的相位差 转化为电压，再经环路滤波器滤除高频成分，得到控制VCO的直流电压，最终实 现输出信号与输入信号的相位和频率同步。
锁相环中高性能电荷泵的电路设计
巾 国集成 电路
Ｃ ｈｉｎａ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃ ｉｒｃｕｉｔ
设计
ＶＣＯ（压控振荡器 ）的模拟信号 ＶＣ。当 ＰＬＬ锁定至 某一频率时 ，此时应该保持输出电压 ＶＣ不变 ，才能 确 保 ＰＬＬ的输 出 频 率不 发 生 变化 ，否 则 ，在 锁 定 状 态 下 ，ＶＣ上 任 何 电压 的变 化 都 将 引 起 ＰＬＬ输 出频 率的抖动。因此 ，一个高性能的 ＣＨＰ对于 ＰＬＬ来说 是 至关 重要 的 。
ＬＰＦ的电容进行放电 ，进而 ＶＣＯ的控制信号 ＶＣ降
低 ；当开关 ｓ１和 ｓ２均关闭或 打开时 ，ＶＣ保持不
变 。依 次 循 环 ，通 过 电荷 泵 的充 放 电改 变 ＶＣ，进 而
一种应用于电荷泵锁相环的高性能鉴频鉴相器
ｕ ｉ
变化。 信号 的上升沿使 Ｐ Ｄ由低状态跳变到下 Ｆ 个 高状态 。而 信 号 的上 升 沿使 Ｐ Ｄ 由高 状态 Ｆ
一
跳 变到 下 一个 低 状 态 。理论 上 来看 ，Ｆ Ｐ Ｄ的输 出是
三态 逻辑信 号 ， 当今 绝 大 多 数逻 辑 电路产 生 的是 二
第 １ 期
２ １ 年 ２月 ０１
微
处
理
机
Ｎｏ １
Ｍ１ ＣＲＯＰＲＯＣ Ｓ ＥＳ ＯＲＳ
Ｆ ｂ ２ １ ｅ ．， ０ １
一
种 应 用 于 电荷 泵 锁 相 环 的高性 能 鉴 频 鉴 相器
孙 鹏 ， 元 旭 ， 恩 义 ， 永 双 徐 姚 胡
（ 尔滨工 业 大学微 电子科 学 与技术 系 ， 尔滨 １０ ０ ） 哈 哈 ５ ０ ６ 摘 要 ： 频鉴 相器 是 电荷 泵锁 相环 中的一个 重 要模块 ， 的 死 区 、 度 、 鉴 它 速 鉴相 范 围 、 鉴相 灵敏
Ｐｈ ｓ ｒ ｑ ｅ ｙ Ｄｅｅ ｔ ｒｉ ｓｇ ｅ ａ ｅ Ｆ ｅ ｕ ｎｃ ｔ ｃｏ ｓｄｅ ｉ ｎ ｄ．Ｔｈ ｅ ｉｎ ｉ ｓ ｄ ｏ ｅ ｄ ｓｇ ｓｂａ ｅ ｎ ＴＳＭＣ ０． ． ＲＦ ＣＭＯＳ ｔ ｃ ｎ ｌｇ ．Ｔｈ １ ｐｍ ８ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｅ ｓｍｕ ａｉ ｎ ｒ ｓ ｔ ｔ ｉ ｌ ｔ ｅ ｕ］ ｗｉ ＡＤＳ ｓ ｗ ｏ ｄ ｐ ａ ｅ ｄ ｔ ｃｉ ｇ ｃ ｒ ｃ ｅ ｎｄ ｈｇ ａ ｔｏ ｅ ａ ｉｎ ｓ ｅ ｄ，ｔ ａ ｏ ｓ ｈ ｈｏ ｇ ｏ ｈ ｓ ｅｅ ｔｎ ｈａ ａ ｔｒａ ｉｈ ｆｓ ｐ ｒ ｔ ｐ ｅ ｏ ｈｅｄｅ ｄ
是： 速、 高 无死 区 、 功 耗 、 噪声 和宽 线性 鉴相范 围 低 低
高性能电荷泵电路设计与HSPICE仿真
第40卷第3期2010年6月微电子学MicroelectronicsV o l 40,N o.3Jun.2010收稿日期:2009 10 31;定稿日期:2009 12 29高性能电荷泵电路设计与H SPICE 仿真张 序,于海勋(西北工业大学电子信息学院,西安710129)摘 要: 电荷泵锁相环具有高速、低功耗、低抖动等特点。
电荷泵是锁相环中的关键模块,它实质上是一个开关电流源,需具有精准稳定的恒流源和理想的开关。
在模块运行中,一般会出现电荷共享及充放电电流不匹配等现象。
通过自举的方法,可以较好地消除电荷共享现象;采用电流跟随电路,可以使充放电电流得到较好匹配。
基于2.5V 0.25 m CM OS 工艺,设计了一个高性能电荷泵。
采用Synopsy s 公司的H spice 仿真软件,对设计的电路进行模拟仿真。
结果显示,在1.45V 至2.0V 之间,充放电电流几乎相等。
关键词: 锁相环;电荷泵;电流匹配中图分类号:T N911.8文献标识码:A文章编号:1004 3365(2010)03 0317 04Design and H SPICE Simulation of H igh Performance Charge Pump CircuitZH ANG Xu,YU H aixun(Colleg e of Elec tr onics and Inf ormation,N or th w ester n P olytechnical Univ ersity ,X i an 710129,P.R.China)Abstract: Char ge pump phase locked loo ps (CP PL L )features high speed,low po wer ,low jitt er and so o n.Charg e pum p,a key block in P LL ,is essentially a sw itched current source,w hich requires a precise and st able con stant cur rent source and an ideal sw itch.H ow ev er,charg e sharing and charg e/discha rge mismatch w ould occur dur ing operation.By boo tst rapping ,cha rg e sharing could be elim inat ed,and by using a curr ent follo wer cir cuit,the char ge/discharg e cur rent co uld could be well matched.Based on 2.5V 0.25 m CM O S pro cess,a high per formance char ge pum p w as designed and simulated w ith Hspice.Simulation r esults show ed that charg e and dischar ge cur rents of the circuit w ere almo st equal in the vo ltag e range fr om 1.45V to 2.0V.Key words: PL L;Char ge pump;Cur rent match EEAC C: 2570D1 引言电荷泵锁相环是锁相环的一种,它在通讯、数字电路、无线电系统等领域有着广泛的应用。
锁相环路(PLL)电路设计实例
软件实现PLL的代码示例
01
```systemverilog
02
// 定义PLL模块
03
module pll(input wire clk_in, output reg clk_out);
软件实现PLL的代码示例
01
parameter FREF = 100e3; // 参考频率
02
parameter N = 10; // 分频比
相位保持一致。
电荷泵型PLL的电路实现
电荷泵由两个开关和两个电容 组成，一个开关用于充电，另
一个用于放电。
当输入信号与VCO输出信号 的相位存在误差时，电荷泵 的开关会根据误差信号的极 性进行切换，从而在电容上
积累或释放电荷。
电容上的电荷量会转换为电压 信号，该电压信号通过低通滤 波器平滑后，用于调整VCO的
频率。
电荷泵型PLL的性能分析
01
电荷泵型PLL具有较高的带宽和较快的响应速度，因此适用于高 速数据传输和无线通信等应用。
02
由于电荷泵型PLL采用电荷传输方式，因此对电源噪声和电磁干
扰较为敏感，需要采取相应的措施进行抑制。
电荷泵型PLL的另一个优点是易于集成，因此适合于大规模生产
03
和应用。
04
软件实现PLL的代码示例
assign clk_out = div_by_n;
always @(posedge clk_in) begin phase_error <= #1 ($posedge clk_in ? 32'hFFFFFFFF : phase_error 1);
软件实现PLL的代码示例
PLL电路设计实例：模拟型 PLL
电荷泵锁相环的基础研究
电荷泵锁相环的基础研究随着科技的不断发展，各种电子设备如手机、电视、计算机等已成为人们日常生活和工作中不可或缺的工具。
为了满足人们对电子设备性能和功能不断增长的需求，各种先进的信号处理技术和电路设计方法被引入到这些设备中。
其中，电荷泵锁相环（Charge PumpPhase-Locked Loop，简称CP-PLL）是一种非常重要的技术，它在频率合成、相位跟踪和信号恢复等领域有着广泛的应用。
本文将围绕电荷泵锁相环的基础研究展开讨论。
电荷泵锁相环的研究已经经历了数十年的发展历程。
在国内外相关领域的研究中，理论研究和实验研究都取得了重要的进展。
在理论方面，研究人员对电荷泵锁相环的相位检测、环路控制、输出调节等各个组成部分进行了深入的分析和建模，提出了一系列有效的算法和电路设计。
在实验方面，科研人员通过精心设计的实验方案，验证了电荷泵锁相环在各种不同场景下的性能表现。
电荷泵锁相环是一种基于相位检测和环路控制技术的闭环控制系统。
它通过将输入信号与参考信号进行相位比较，产生一个控制电压，用于调节振荡器的频率和相位，从而使输出信号与参考信号保持同步。
相位检测是电荷泵锁相环的核心组成部分，它通过比较输入信号和反馈信号的相位差，产生一个与相位差成正比的电流或电压。
这个电流或电压作为控制信号输入到环路控制器中，用于调节电荷泵的工作状态。
环路控制器通常由一个运算放大器和一个电荷泵组成。
运算放大器将相位检测器的输出信号进行放大，以产生足够的控制电压。
电荷泵则将控制电压转化为电流，用于调节振荡器的频率和相位。
输出调节部分通常由一个低通滤波器和一个振荡器组成。
低通滤波器用于滤除电荷泵产生的交流分量，只保留直流成分，从而使控制电压能够平滑地调节振荡器的频率和相位。
振荡器则产生最终的输出信号，其频率和相位受控制电压调节。
本文采用文献调研和理论分析相结合的方法，对电荷泵锁相环的相关研究进行了深入的研究。
通过查阅相关文献和专利，了解了电荷泵锁相环的国内外研究现状和发展趋势。
电荷泵锁相环的模型研究和电路设计
电荷泵锁相环的模型研究和电路设计电荷泵锁相环的模型研究和电路设计引言随着现代电子技术的迅猛发展，时钟信号在各类电子设备中扮演着至关重要的角色。
电荷泵锁相环（Charge Pump Phase-Locked Loop，CPPLL）是一种常见的时钟生成和频率合成技术。
它通过控制电荷泵电路中的电荷传输来实现精确的时钟频率控制，广泛应用于通信、计算机等领域。
本文将对电荷泵锁相环的模型研究和电路设计进行详细介绍。
一、电荷泵锁相环的模型研究1. 电荷泵锁相环的基本原理电荷泵锁相环的基本结构由相位比较器、电荷泵、低通滤波器和压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）组成。
其工作原理可以简单地分为两个阶段：锁定阶段和跟踪阶段。
在锁定阶段，相位比较器将参考信号和反馈信号进行比较，并产生一个误差信号。
电荷泵根据误差信号的大小和极性来控制电荷传输，通过改变电荷泵的输出电荷来调整反馈信号的相位。
低通滤波器将电荷泵的输出信号滤波为直流电压作为VCO的控制信号，进而调整VCO的频率。
在跟踪阶段，VCO输出的频率已经与参考信号的频率非常接近。
相位比较器仅用于微小的频率校正。
这样就能稳定地生成与参考信号频率相同或相近的时钟信号。
2. 电荷泵锁相环的数学模型为了更好地理解电荷泵锁相环的工作原理，我们需要建立其数学模型。
设参考信号的频率为f_r，VCO输出的频率为f_vco，电荷泵的传输系数为K_cp。
根据反馈原理可得到以下关系式：f_r = f_vco + Δf其中Δf为误差频率，表示参考信号与VCO输出频率的差值。
在锁定阶段，Δf较大，电荷泵通过调整电荷传输来减小Δf，即：Δf = -K_cp * V_cpV_cp为电荷泵的输出电压。
在跟踪阶段，Δf较小，所以按照一阶近似可以得到：Δf ≈ -K_cp * V_cp3. 电荷泵锁相环的性能指标电荷泵锁相环的性能指标主要包括相位噪声和锁定时间两个方面。