自偏置锁相环原理 自偏置锁相环测试

传统锁相环，环路带宽、相位裕度与电荷泵电流、滤波器RC参数、分频比、参考频率等参数相关。

自偏置锁相环通过将电荷泵电流、滤波器中的电阻等参数联系在一起，可实现环路带宽与参考频率比值及阻尼因子近似为定值，进而解决传统锁相环面临的问题。

**1. **自偏置锁相环原理

传统二阶锁相环与自偏置锁相环结构框图分别如图1（a）和（b）所示。

Fig1. 传统锁相环与自偏置锁相环

传统的二阶锁相环的开环传递函数为：

闭环传递函数为：

得到阻尼因子为：

环路带宽为：

为了环路稳定性，要满足ωN <ω ref /10；但是为了抑制VCO的相噪，又需要ωN尽可能大。对于传统锁相环，滤波器中的R及电荷泵电流等参数一般都无法自适应调节，环路带宽和阻尼因子相对比较固定，从而限制了工作频率。面对较宽的输入参考频率（如60820MHz），为了得到较好的噪声性能，就需要做到带宽跟随输入参考频率，即实现ωN~ /ωref为常数。

为了实现ω N ~ /ωref ~和ξ是一个常数，首先写出RING-VCO的工作频率表达式：

其中M为delay cell级数，CB为VCO中delay cell输出端寄生电容，ID为delay cell的尾电流，ω ref ~ =ωvco~ /N，为了使ωN /ωref是一个常数，可以使I CP =xI D 。

但是此时阻尼因子会随输入参考频率而变化，为了使阻尼因子不随参考频率而变化，可以在电荷泵电流用VCO的电流自偏置的前提下采用二极管连接的mos管做滤波器电阻，使其与1/sqrt(I D )成正比；为了实现滤波器中用二极管连接的mos管做电阻，需要使用两个独立的CP分别驱动电阻和电容，得到一条积分路径、一条比例路径，然后对两条路径上的电压进行相加得到vctrl。

自偏置锁相环应用框图如图2所示：

Fig2.自偏置锁相环应用框图

开环传递函数H(s)推导过程如下：

其中，AV1为CP1的输出到VBN的小信号增益。设I CP2 =αI CP1 ，I 1 =βI 2 ，R 2 =γR 1 ，整理可得锁相环的开环传递函数为：

其中

所以环路存在两个在原点的极点，以及一个零点和一个非零极点。

**2. **自偏置锁相环设计指标

表1给出了自偏置锁相环的设计指标

Table1. 自偏置锁相环的设计指标

**3. **自偏置锁相环测试结果

锁相环时钟无法直接测试，需要高速通道输出。测试时通过TX端引出，TX数据给clock patten（010101），通过锁相环时钟打出， TX输出数据眼图可间接得到时钟Rj。由于TX 并串转换（PISO）采用的是半速率方式，用JitterLab积分时Clock Frequency要减半。

3.1 1.6GHz****相噪仪测试结果

Fig3. 相噪仪测试结果（导出到JitterLab工具）@1.6GHz

结论：Rj=8.99 x 14=126mUI<150mUI@BER=10e12,bitrate=1.6 GHz，满足设计指标。

3.2 5.16GHz****相噪仪测试结果

Fig4. 相噪仪测试结果（导出到JitterLab工具）@5.16GHz

结论：Rj=7.65 x 14=107mUI<150mUI@BER=10e-12,bitrate=5.16 GHz，满足设计指标。

**4. **自偏置锁相环优缺点

①频率覆盖范围广；

②特别适用于低压场合；

③带宽可跟随参数频率，阻尼因子近似恒定；

④双电荷泵、滤波器电阻为有源电阻，环路较复杂；

⑤压控振荡器增益由两路叠加而成。