基于DP標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射端擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

引言

　　DP(DisplayPort)接口標(biāo)準(zhǔn)旨在尋求代替計(jì)算機(jī)的數(shù)字視頻接口DVI、LCD顯示器的低壓差分信號(hào)LVDS(Low Voltage Differential Signal)。DP利用目前交流耦合電壓差分的PCI Express電氣層，有1~戽?zhèn)€工作速率為217 Gb/s的數(shù)據(jù)對(duì)(Lanes)，最高可獲得4通道多達(dá)10.8 Gb/s的帶寬。時(shí)鐘不是分離的，而是內(nèi)置于Lanes。傳輸命令和控制的輔助數(shù)據(jù)通道是雙向的，最高傳輸比特率可達(dá)1 Mb/s。DP支持的最大傳輸距離為15 m，而其工作電平比DVI更低。

　　伴隨微處理器的頻率不斷增加，由此產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)影響電子產(chǎn)品的正常。為了抑制電磁干擾，人們先后研究出屏蔽、脈沖整形、濾波、低電壓差分時(shí)鐘、特殊版圖布局、擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器等方法，其中擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器可有效減小峰值和諧波的功率，且可通過(guò)電路設(shè)計(jì)的廣闊空間實(shí)現(xiàn)，因而得到廣泛應(yīng)用。這里設(shè)計(jì)一種基于DP標(biāo)準(zhǔn)采用μ工藝的發(fā)射端擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器。合理設(shè)計(jì)鎖相環(huán)路，采用外加濾波器對(duì)壓控振蕩器的控制電壓進(jìn)行三角波調(diào)制，得到所需的擴(kuò)頻時(shí)鐘。

　　2 擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器總體結(jié)構(gòu)

　　降低電磁干擾(EMI)是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要考慮的重要因素，擴(kuò)頻時(shí)鐘(CLK)為降低EMI提供一個(gè)有效途徑。這里采用tsmc0.18μm 工藝設(shè)計(jì)一款符合DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射端的擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器。在合理設(shè)計(jì)鎖相環(huán)路的基礎(chǔ)上，運(yùn)用外加電荷泵對(duì)壓控振蕩器的控制電壓進(jìn)行三角波調(diào)制，得到所需要的擴(kuò)頻時(shí)鐘。圖1為該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。

　　3 各模塊電路設(shè)計(jì)

　　3.1 鑒頻鑒相器電路

　　圖2為鑒頻鑒相器電路框圖。鑒頻鑒相器的輸出由輸入信號(hào)的頻率和相位決定，它比較兩個(gè)輸入信號(hào)的上升沿，當(dāng)輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘信號(hào)Ref的上升沿超前反饋信號(hào)Fed的上升沿到達(dá)鑒頻鑒相器時(shí)，鑒頻鑒相器的輸出UP為高，而此時(shí)DOWN保持為低電平，當(dāng)Fed的上升沿也到來(lái)時(shí)，輸出被復(fù)位;當(dāng)信號(hào)Fed的上升沿超前參考信號(hào)Ref到來(lái)時(shí)，輸出DOWN為高，當(dāng)Ref的上升沿也到來(lái)時(shí)，鑒頻鑒相器被復(fù)位。因此，鑒頻鑒相器根據(jù)輸入信號(hào)相位差來(lái)驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路。比較兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差，然后將其轉(zhuǎn)變成兩個(gè)數(shù)字信號(hào)來(lái)控制電荷泵的工作狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中，由于參考輸入頻率僅為900 kHz，因而對(duì)鑒頻鑒相器的工作速度要求并不高。因此，在滿足低功耗要求的前提下，采用最簡(jiǎn)單的無(wú)死區(qū)鑒頻鑒相器的結(jié)構(gòu)。

　　為了避免死區(qū)，在復(fù)位路徑中引入延時(shí)T。在設(shè)計(jì)延時(shí)時(shí)長(zhǎng)時(shí)，首先應(yīng)考慮鑒頻鑒相器的工作頻率。因?yàn)殍b頻鑒相器的最高丁作頻率為1/2Tdelay，Tdelay包括插入延時(shí)和鑒頻鑒相器的內(nèi)部延時(shí)。要求插入延時(shí)的引入不影響鑒頻鑒相器的正常工作;另外需考慮當(dāng)插入延時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)，電荷泵的充、放電電流同時(shí)開啟的時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)，而電荷泵存在的失調(diào)就會(huì)在濾波器電容上引入抖動(dòng)，即增加鎖相環(huán)輸出的雜散成分。因此，在鑒頻鑒相器內(nèi)部延時(shí)可忽略及充分開啟電荷泵的前提下，應(yīng)盡量減小失調(diào)。這里插入延時(shí)取8 ns。由于后級(jí)電荷泵電路為差分輸入，因此采用傳輸門減少反相器的延時(shí)。

　　3.2 帶隙基準(zhǔn)電路

　　為滿足帶隙基準(zhǔn)電路的低壓應(yīng)用，這里采用一種電流模式結(jié)構(gòu)的低壓帶隙基準(zhǔn)電路，如圖3所示。該電路可以輸出低于1 V的電壓，有效降低了電路的電源電壓;同時(shí)，電路中采用與電壓無(wú)關(guān)的偏置及帶負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的二級(jí)運(yùn)放，降低了電路的電源敏感性。

　　基于0.35μm CMOS工藝的HSPICE仿真結(jié)果表明，該電路可工作在1.1~1.5 V的低電源電壓下，并具有14 ppm/℃的低溫度系數(shù)，能夠輸出200 mV～1.25 V的寬范圍電壓，并使用與電源無(wú)關(guān)偏置以及帶負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的二級(jí)運(yùn)放，提高輸出電壓的精度，該電路中，各MOS管都工作于飽和狀態(tài)。電路中運(yùn)算放大器采用二級(jí)結(jié)構(gòu)，具有較高的低頻增益。