charge pump 鎖相環電路LPF參數如何確定？

liangshangquan

我在設計一個charge pump 鎖相環電路，已經流片一次了。LPF電容采用外接。現在需要將LPF 電容改版，放在chip里面。現在遇到了一些問題，希望朋友們能幫助我下下。

基本情況如下：
1）0.35um的CMOS工艺
2) LPF是三阶的傳統結構，电容采用PIP电容，由于面积的限制，总的C的大小大概为1nF。
/ v. i; C) a6 \  b3) PLL的输入频率范围可以是6-160MHz之间变化的，输出频率范围是在96-400MHz范围变化的。
" W( _! q$ b4 j2 C4) VCO的输出有个分频模块，在環路內可以 實現 4、 8、 16、 32的分频控制。

6 A7 Y) D, N+ ^8 {! D經matlab計算和電路遇到的問題：
) v: l$ J6 [2 u$ ~2 X( k+ X1）由于主滤波器的电容太小，我的LPF出来电压纹波很大，我早上算了下，由500多个ppm。多大的波紋是可以 容忍的？設計 時該如何減小呢？
5 I% \* B9 m$ Y! M+ L, u2）电路做trans仿真，可以完成鉴频并且锁定。但是無法實現零相差，相位上总是反馈信号要超前參考信號一些。从charge pump的控制电平上看，总是在给LPF充电，可是总是充不到所要的电压上。這是什么原因，該如何解決呢？
3） 根據如前的應用頻率，我的交叉頻率多大最為合理。可是如果是100－200K rad/s，主濾波器的電容無法做到nF 的數量級。

請高手為小女子指點迷津，謝謝

simenkid

1) 設計時通常是縮小您的迴路頻寬或是增加阻尼即可
" f! @  x: X7 }: i2 v7 W; W0 q: |2) 看不太懂您的意思.... 但我參您可以檢查一下充放電電流的匹配度
3 n4 d# A% z# f: E/ |2 d& f) l9 ^　鎖相不一定要0相差才是鎖相, 要看相位頻率偵測器的種類, 只要回授訊號與參考訊號之間有一固定相位差即可
/ f. n0 \* ^4 y' [+ k, C) ^4 x! a　通常不是0相差可能來自電路本身些微延遲所造成的
# O) D+ o3 a  v6 l3) 看不懂"交叉頻率"是什麼意思, sorry

liangshangquan

不好意思，Eleen的一個PPT上寫的交叉頻率的概念，cross frequency。我的理解應該就是環路帶寬吧。

由于我的PLL 是PFD＋charge pump型的，如果我的LPF做得理想應該是可以做到相位鎖定的。
, Q, |) N( b# G( e4 @) \, c
* B# w; I4 D/ ^; \% [; B+ g9 t$ z謝謝您的解答。

finster

PFD是Phase Frequency Detector的縮寫,亦即它可判斷PLL的input和output頻率的phase及頻率的誤差,進而反應到charge pump及LPF作出反應,然後再調整VCO
一般而言,要作到相位鎖定和charge pump比較沒有關係,真正要留意的反而是PFD電路,因為PFD電路會有dead zone的問題,而這個會造成PLL的input和output頻率有一個相位誤差存在,如何改善PFD的dead zone,目前有好幾種架構都己經有發表在paper上了
再者,即使PFD電路是採用沒有dead zone的架構,在layout的安排上也要非常小心,如果其UP及DN的path不平均對稱的話,一樣也會造成相位差存在

如果你覺得你的ripple過大,那麼,我倒是建議你計算一下你的damping factor為多少?VCO的gain為多少?charge pump current又為多少?natural frequency又為多少?LPF的R及C1和C2又各為多少?
藉由這些值可以幫助你探究你的PLL究竟是那裡出問題,前三項數值是設計PLL很重要的參數,若照你所描述,應該是你的damping factor過小吧
再者,1nF的電容很大,我以前所設計過的PLL也從沒設計到這麼大的電容,150pF的電容己經幾乎是我的上限了,建議你重新檢視你PLL的各個block參數,我想,你的PLL應該沒有作最佳化的設計

liangshangquan

謝謝二位的熱情回復。

* f9 [- t5 y0 a8 v/ M我做了計算和仿真，我目前PLL 相位差始終存在和CP電流的匹配度影響似乎不是很大。

/ X% b! m9 \' b- N  n* R# `finster說的 cp電流可能回事重要的原因，但是應該如何確定呢？和 LPF中的 C1的大小關系大嗎？
! y4 ]9 {4 n6 O( x1 x+ Y6 T
' u" }) g' B$ _+ a& j. W, l' M: ]% e4 c還有版主說的“最佳化設計”該如何驗證和實現呢？

monkeybad

我覺得輸出clock和輸入clock存在相位差應該是正常的吧 輸出clock總是要經過一個counter除頻後才回授到PFD
7 \6 u5 P, c0 \1 o5 F3 n& J8 T所以不可能達到0相位差 但是相位差只要是固定的就可以了
在PFD兩端的clcok才有可能存在接近0相位差的clock吧
" V/ }# S0 Q: M  Y) h
另外紋波電壓多大要看你的output clock的jitter能忍受多大 我覺得可以簡單的計算一下
6 c* i4 R2 l! z8 ?4 i就是 jitter=1/(紋波低電壓時VCO output頻率)-1/(紋波高電壓時VCO output頻率)
/ @& o7 q. K9 l大概可以估計你的紋波是不是在能容忍的範圍
) i5 r/ p+ j, `一般都是蠻小的啦 而且你的LPF電容用到1n了 超大的 所以紋波應該不會太大才對

假如紋波太大那最直接的方法就是降低CP的電流 增加LPF的電容 這樣紋波就變小囉
但是PLL鎖定時間會變慢
- A3 l1 m9 w, K: v$ ^# {) b另外也要注意CP上下電流源有沒有相等

要最佳化首先弄清楚 PLL各個參數之間的關係 可從PLL運作的model推導公式得知
" [' _, W* q- u  t好康相報裡面有提到一些相關的設計文件 可以先參考一下
http://www.chip123.com/phpBB/viewthread.php?tid=8116&extra=page%3D4
另外Razavi : Design of Analog CMOS Integrated Circuits 裡面也有講解可以參考一下

8 i# K4 Y  }$ G9 \# d6 n[ 本帖最後由 monkeybad 於 2007-10-30 07:07 PM 編輯 ]

finster

PLL的設計有其數學式和相關的關係
如我建議你計算一下你的damping factor為多少?VCO的gain為多少?charge pump current又為多少?natural frequency又為多少?LPF的R及C1和C2又各為多少?
% H" b2 V0 U2 K! y+ }因為這些都會影響著你所設計出來的PLL的performance,如果你都不知道不這參數所代表的函義為何,那所設計出來的PLL即使會動,其performance應該也不會太好
我上述所提的那些都在monkeybad大大所推薦的Razavi : Design of Analog CMOS Integrated Circuits中第15章有很詳細的介紹和公式推導,強烈建議你花點時間去看一下,我想,對於你設計PLL有很大的助益
節錄一下書中所提的:damping factor > 0.707
為何要使用二階R-C和三階R-C的理由書中有提,另外,兩個電容的大小比例為10~15倍,至於何者為大,何者為小,書上也有提
: N7 K1 z6 i9 B  J) k& X, Q5 W1 PVCO的gain會影響你PLL的jitter,如果沒有留意,那出來的PLL的jitter應該不會很好......
. N2 r8 y7 J- c& p9 j這些,書上都有提

yoyo20701

喔~~講的蠻詳細的~~多謝謝大大講解~~讓我又上的一課~~謝謝
雖然我沒做過pLL~~看看也不錯ㄚ~~謝謝

ilovehorn

大大你好
我剛看了一下Razavi的PLL部分
8 X8 P" }6 D4 @. K9 X你們提到的C1與C2是不是書中的Cp與C2呢
; S! N' `& f8 @也就是LPF 還有抑制高頻雜訊的電容
我是類比新手
$ Y+ E7 A6 m, d& M" E+ s  H還請大大解惑
謝謝

' G1 K+ X  e1 Z9 H( e3 _' E3 d" J[ 本帖最後由 ilovehorn 於 2007-12-14 10:50 AM 編輯 ]

finster

原帖由 ilovehorn 於 2007-12-14 10:47 AM 發表
. D5 e) q# K+ y8 [9 ]; }大大你好
我剛看了一下Razavi的PLL部分
你們提到的C1與C2是不是書中的Cp與C2呢
3 q8 c" t- f+ f6 {/ Y$ p也就是LPF 還有抑制高頻雜訊的電容
我是類比新手
還請大大解惑
6 _, o  _* p" G  K+ B) B謝謝

, E2 q6 ?  d% f7 W0 b
沒錯

fcchang

台大有個專做pll的教授叫劉深淵
- E( O1 M  \1 R( Z% ~他的講義裡關於這方面的介紹非常仔細
, P+ B* a$ E1 |$ e! n# q# n6 ?$ X8 A設計上你的 c1、c2的比值，頻寬的大小
1 N3 O) {: b. {, k8 r9 @' W3 ^7 _對所應的phase margin，damping factor
: U1 @; b3 q& }  A9 o通通算出來給你
9 d) G2 _$ f6 \; k不妨網上找一下
+ p. u% P' y2 n應該會很有幫助的

zhangxu2100cn

偶然发现这个论坛，发现真的不错，我还不是大牛，希望以后沃野能帮大家解决问题

quantum

根据反馈系统的一般原理来理解：
phase margin 大，则damping factor 大，ripple小，但settle time 长，
3 L! ?7 u+ x( @phase margin 小，则damping factor小，ripple 大，但settle time短。

2 a$ X; y: W0 h- E/ M! W2 ~这样理解妥当吗，呼唤大大解答！