电荷泵锁相环的数字锁定检测电路应用分析

2.2 数字锁定检测原理

数字锁定检测的基本原理就是比较相位误差和预先设定的锁定检测窗口TLock_Window，一旦相位误差在连续N 个周期里均落在预先设定的检测窗口以内，数字检测电路就指示该锁相环处于锁定状态；而在锁定状态下，一旦相位误差超出所设定的检测窗口，数字检测电路就指示该锁相环处于失锁状态。

图3 是CDCE72010 器件数字锁定检测电路示意图，当CDCE72010 处于锁定状态时，锁定指示信号PLL_LOCK Output 输出为高电平。其中，N 的取值可以是1、16、64 或256，锁定检测窗口可选范围很宽，从1.5ns 到28.6ns（常温条件下），可以满足绝大多数应用场合的需求。

3 数字锁定电路设计
由于数字锁定检测电路是通过分析锁相环的相位误差是否落在预设的锁定检测窗口范围进行锁定指示判断，而锁相环的应用场景复杂，实际应用中的电路设计差异性较大，相位误差参数受锁相环电路设计的影响较大，不恰当的电路设计和外围器件选型可能产生较大的相位误差并超出锁相环芯片的最大锁定检测窗口。因此，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。本节分析了影响锁相环锁定时相位误差的关键参数，重点探讨了如何可靠地设计数字锁定指示电路。

3.1 电荷泵锁相环电路锁定状态下的相位误差分析

图4 是基于CDCE72010 的电荷泵锁相环电路漏电流模型，包括了无源滤波电路和本地压控振荡器
VCO 或VCXO。理想情况下锁相环电路的相位误差应为0，但由于元器件的非理想特性，存在以下几种漏电流：电荷泵漏电流I1、滤波电路的电容C1、C2 和C3 引入的漏电流I2 和本地压控振荡器引入的漏电流I3，这些漏电流（I1 + I2 + I3）均将影响环路锁定状态下的相位误差。

当锁相环处于锁定状态时，设相位误差为Δt，电荷泵输出脉冲宽度为Δt 幅度为Icp 的电流，则在一个鉴相周期T 内在后级低通滤波电容上积累的电荷量为Q1=Δt• Icp。同时，在一个鉴相周期内，锁相环电路的漏电流泄漏的电荷为Q2 = T• (I1+I2+I3)。锁定状态下的压控电压保持稳定，则经电荷泵补充的电荷Q1 应等于漏电流泄漏掉的电荷Q2，即：

其中， 为锁相环电路的鉴相频率。

图4 CDCE72010 电路中影响相位误差的漏电流模型

在图4 所示的漏电流模型中， I1 是锁相环芯片引入了，CDCE72010 的电荷泵漏电流指标是小于100nA，目前普通陶瓷电容的漏电流I2 也远小于100nA，而压控振荡器的漏电流I3 则可以等效为流过压控输入端输入阻抗的电流，不同规格的振荡器，该指标差异较大，通常是达到uA 级别。因此，压控振荡器的等效输入阻抗参数是影响锁相环锁定下相位误差的关键来源。

在采用CDCE72010 的锁相环电路中，通常采用电源电压为3.3V 的压控振荡器VCO/VCXO，其锁定
时的压控电压Vctrl 一般稳定在1.65V 附近。根据式（1），若忽略I1 和I2 漏电流，则在锁定状态下由VCO/VCXO 输入阻抗引入的相位误差为：

根据式子（2）可以看出，为了减小锁定时的相位误差，可以尽可能地提高锁相环的鉴相频率f PFD
、电荷泵电流Icp、以及压控振荡器的输入阻抗Ri。