2010年4月刊
计算机工程应用技术
信息与电脑
China Computer&Communication
1. 引言
随着集成电路设计技术的实用技术突破，数字电视技术逐渐成熟并普及，DVB-T （Digital Video Broadcasting-Terrestrial ），作为一种将数字电视技术和移动设备相结合的国际标准，已经被提出并且得到了一定的发展。
随后，人们又提出了一种DVB-H （Digital Video Broadcasting Handheld ）的制式专门用于移动接收，利用手机、电脑等便携设备，随时随地收看数字电视已经成为当今世界的潮流。
数字电视调谐器专用芯片的集成度越来越高，全集成锁相环（PLL ，Phase locked-loop ）被广泛应用在数字电视调谐器芯片中，电荷泵PLL 是当今最流行的锁相环结构，具有捕获频率范围宽，锁定时相位误差小等优点，被广泛应用于现代通信和射频领域中。
鉴频鉴相器和电荷泵作为锁相环电路的关键模块，其设计已成为研究热点。
本文采用SMIC 0.13μm CMOS 工艺，设计了一种结构简单且低功耗的鉴频鉴相器电路和充放电电流高度匹配的电荷泵电路。
2. 电荷泵锁相环的基本原理
电荷泵锁相环由五部分组成：鉴频鉴相器（PFD ）、电荷泵（CP ）、低通滤波器（LPF ）、压控振荡器（VCO ）和分频器（Divider ），如图1所示。
PFD 对参考信号和PLL 分频信号进行鉴频和鉴相，并输出信号控制电荷泵充、放电脉冲电流，CP 把PFD 输出的数字信号转化为脉冲电流，LPF 对CP 提供的电流脉冲积分，产生对VCO 的控制电压，从而构成反馈回路[1]。
图1 电荷泵锁相环原理图
当输入信号的频率f ref 与VCO 的输出信号频率f out 相差很大时，PFD 起鉴频的作用，产生一个与ωin －ωout 成正比的直流电压分量，通过CP 和LPF 加到VCO 的控制端，使VCO 输出信号频率迅速接近f ref 。
当频率差减到足够小时，相位锁定功能开始工作，这时PFD 相当于鉴相器，使环路锁定。
电荷泵锁相环是当今最流行的锁相环结构，具有捕获范围宽，锁定时相位误差小的优点。
3. 鉴频鉴相器电路设计
边沿触发式PFD 在[-2π，+2π]范围内输出与输入相位误差成线性关系，应用于大多数电荷泵锁相环电路中[2]。
本文设计的PFD 电路为一种经典的上升沿边沿触发式PFD 结构，整个PFD 结构如图2所示，该PFD 电路包括带有复位端的D 触发器、或非门、延时单元等模块。
该PFD 电路中D 触发器电路原理图如图3所示，该D 触发器电路结构简单，无静态功耗，动态功耗很低[3]。
PFD 电路中的复位信号由D 触发器的输出端Qn 经过或非门反馈到复位端，由于实际的PFD 电路中存在鉴相死区，本文采用两级反相器
级联构成延时单元，来增加D 触发器复位信号的回路延时，使得PFD 的输出信号的脉宽始终大于固有脉冲宽度，从而消除鉴相死区。
在CMOS 工艺中，电荷泵通常使用PMOS 管和NMOS 管分别组成电流源和电流沉，电流源需要低电平开关信号打开，而电流沉则需要高电平开关信号打开。
本文中PFD 的输出信号UP 经过一级反相器和传输门得到UPI 信号，另一路输出信号DW 经过两级反相器得到DWI 信号，分别接到电荷泵的输入端。
4. 电荷泵电路设计
电荷泵是电荷泵锁相环中非常重要的模拟电路模块，它的主要功能是将PFD 输出的数字信号UP 和DW 转换成连续的模拟信号，来控制VCO 的振荡频率。
传统的电荷泵电路都使用MOS 管开关，并由两个带开关的电流源组成。
本文在传统电荷泵电路的基础上[4]，采用与电源电压无关的基准电流源电路，引入运算放大器和共源共栅电流镜电路，设计实现
DVB-T/H调谐器中鉴频鉴相器和电荷泵的设计
王丹 东南大学集成电路学院，江苏 南京 210096
李智群 东南大学射频与光电集成电路研究所，江苏 南京 210096
摘要：采用SMIC 0.13μm CMOS 工艺，设计了一种低功耗的鉴频鉴相器和电荷泵电路。
其中电荷泵采用与电源电压无关的基准电流源电路，引入运算放大器和共源共栅电流镜电路，实现了电荷泵充放电电流的高度匹配。
后仿真结果表明，在1.2V 电源电压下，电荷泵的输出电压在[0.18，1.12] V 范围内时，CP 的充放电电流为100μA ，电流失配率为0.08%。
鉴频鉴相器和电荷泵电路的总功耗为1.4mW 。
关键词：锁相环；鉴频鉴相器；电荷泵；电流匹配
中图分类号：TP39 文献标识码：Ａ 文章编号：1003-9767（2010）04-0189-02
图2 PFD整体电路结构图
图3 D触发器电路原理图
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了一个充放电电流高度匹配的电荷泵电路
[5]
，电路结构如图4所示。
电荷泵电路中
的OPA 采用文献[6]中的n 沟道输入折叠共源共栅运算放大器的电路结构，其中运放的增益为77dB ，相位裕度大于85度。
5. 芯片版图设计及后仿真结果
版图设计时，PFD 版图的MOS 管以及金属走线采用完全对称结构，避免不对称而带来的延时不同所造成的影响。
CP 电路版图中镜像电流源采用对称结构设计，
从而实现电流的精确镜像。
PFD 作为数字电路，对噪声比较敏感，故PFD 和CP 采用独立电源供电。
本次设计采用的是SMIC 公司的0.13μm 双阱、单层多晶硅、八层金属标准CMOS 工艺，基于Cadence 软件平台使用Spectre RF Virtuoso 工具进行版图设计。
对电荷泵充放电电流的匹配度进行后仿真，仿真结果如图5所示。
后仿真结果表明，在1.2V 电源电压下，电荷泵的输出电压在[0.18，1.12] V 范围内时，电荷泵的充放电电流为100μA ，电流失配率为0.08%。
PFD 和CP 的总功耗为1.4mW。
图4 电荷泵电路结构图
6. 结论
本文设计了一种低功耗的鉴频鉴相器和电荷泵电路，电荷泵电路实现了充放电电流的高度匹配，提高了电荷泵锁相环的性能。
参考文献：
[1] 李智群，王志功编著。
射频集成电路与系统。
科学出版社，2008年8月
[2] 毕查德.拉扎维著，陈贵灿，程军，张瑞智译。
模拟CMOS 集成电路设计。
西安交通大学出版社，2003年2月
[3] Won - Hyo Lee, Jun - Dong Cho, and Sung - Dae Lee. A High Speed and Low Power Phase-Frequency Detector and Charge – pump. Design Automation Conference Asia and South Pacific, V ol.1, pp: 269-272, 1999
[4] Jae-Shin Lee, Min-Sun Keel, Shin-I1 Lim and Suki Kim. Charge pump with perfect current matching characteristics in phase-locked loops. ELECTRONICS LETTERS, V ol. 36, No. 23, pp: 1907, Nov 2000
[5] 薛红，李智群，王志功等。
低杂散锁相环中的电荷泵设计。
半导体学报，第28卷第12期，2007年12月，页码：1988-1992
[6] Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg 著，冯军，李智群译。
CMOS 模拟集成电路设计。
电子工业出版社，2005年3
月
图5 CP的充放电电流匹配曲线
方法。
采用负反馈以后，通常可以把PSSR 提高到70dB 以上。
六、D类放大器的应用
D 类放大器的应用十分广泛，总的来说，只要是有进行音频放大需要的场合，都能运用到D 类放大器。
因此，从最初的电话机、收音机、电视机、音响设备，直至到现代的手机、MP3播放机、LCD 电视机、电脑音响都可以采用D 类放大器。
然而和现代的模拟音频放大器相比，D 类放大器目前的价格还略为高些。
因为D 类放大器的最大优点是效率高、节电。
对于它来说使用干电池比较合适。
如：手机、笔记本电脑、携带型DVD 播放机等。
这些设备在采用了D 类放大器同时也大大延长电池的寿命。
其它如大功率的音响设备， 因为耗电很大，所以也是非常需要采用高效率的D 类放大器。
结语
总体来说，D 类放大器经过了近些年来的发展，已经成功地运用到了手机及一般便携式产品中。
D 类放大器今后的发展会取代普通的AB 类产品，高级D 类放大器的可选择的范围正在不断扩大，使得各种消费类终端设备(如平扳显示器、PDA 、智能电话、移动电话、汽车无线电等)的设计者可以提高产品的功率性能，同时保持甚至减小产品体积和成本。
D 类放大器时代的到来使设计人员能够在产品中实现高性能音频，给消费者带来更好的体验。
参考文献：
[1]吴忠智，吴加林.中(高)压大功率变频器应用手册[M].北京：机械工业出版社，2003.11
[2]丁明.实作D 类功率放大器[J].无线电与电视,2002(2):29-32.[3]韩宪柱.数字音频技术及应用[M].北京:中国广播电视出版社
(上接第188页)。