电荷泵锁相环的数字锁定检测电路应用分析

摘 要
电荷泵锁相环的锁定指示电路设计，常用的方法是在PFD 电路中通过检测经分频后的参考输入和本振反馈信号的相位误差来实现，当相位误差超过某个锁定检测窗口时，锁相环电路就上报失锁告警。由于数字锁定指示电路设计简单，易于被监控而被广泛应用。在实际的锁相环电路设计中，往往由于电路参数选择不合理，尽管锁相环处于正常的锁定状态，但由于PFD 的相位误差超过锁定检测窗口而导致数字锁定指示电路显示失锁。因此，必须需要根据特定锁相环配置和外围电路选择合适的检测窗口，或者根据检测窗口要求设计合适的锁相环环路参数和外围电路。

1 概述
在各种锁相环结构中，电荷泵锁相环因其稳定性高，捕获范围大，便于集成等特点而别广泛应用于无线通信、频率综合器和时钟恢复电路中。随着芯片设计集成化和电路设计的简洁化，锁相环芯片通常都集成了环路锁定检测电路。

电荷泵锁相环的锁定检测电路设计，包括模拟锁定检测和数字锁定检测两种方法。其中，模拟检测电路采用经鉴频鉴相器PFD 输出的相位误差，产生脉冲信号对外部电容进行充电和放电，需要较长的时间以达到稳定的电平输出，以指示当前锁相环状态是锁定或失锁，在电路设计方面不够灵活并缺乏精确判断锁相环的锁定状态，限制了其应用范围。数字锁定检测方法具有准确性高、可编程性且电路设计易于实现等优点而被广泛应用。目前，电荷泵锁相环的数字锁定指示电路设计中，通常采用在鉴频鉴相器PFD 电路中检测经过分频后的参考时钟输入和同样经分频后的本振反馈信号的相位误差来实现，当相位误差超过某个锁定检测窗口时，锁相环电路就上报失锁指示信号。本文介绍了电荷泵锁相环电路锁定检测的基本原理，通过分析影响锁相环数字锁定电路的关键因子，推导出相位误差的计算公式。并以CDCE72010 为例子，通过实验验证了不合理的电路设计或外围电路参数是如何影响电荷泵锁相环芯片数字锁定指示的准确性。

2 电荷泵锁相环电路的数字锁定检测原理

相位误差是数字锁定检测原理的最关键参数，下面分析了电荷泵锁相环电路中相位误差的来源，以及数字锁定检测电路是如何基于相位误差实现的。

2.1 PFD、电荷泵电流和相位误差

典型的电荷泵锁相环电路（如TI 的CDCE72010）的PFD 工作原理如图1 所示。当送达PFD 的参考
时钟输入超前本振时钟输入时，PFD1 就输入一个高脉冲宽度的信号；反之，则在PFD2 输出一个高脉冲电平宽度，通过PFD1 和PFD2 的脉冲信号以控制电荷泵电流的灌入和流出，经后级低通滤波器后，产生不同的压控电压以控制外部振荡器的输出，达到负反馈的稳定。通常PFD 电路是通过比较参考时钟和本振时钟上升沿之间的时延，该时延称之为相位误差。在电路处于锁定状态时，该相位误差也就是锁相环的稳态相差参数。