第二章 頻率合成器系統架構與設計
3.4 電荷沯浦和迴路濾波器
當相位頻率偵測器送出 UP 和 DN 的訊號需要有電荷沯浦的輔助，將電流充到 濾波器裡的電容，才能準確的控制迴路的穩定。若電荷沯浦和迴路濾波器設計的 不理想，便會使雜訊影響到壓控振盪器。下面我們將對電荷沯浦和濾波器的電路 實現作討論。
3.4.1 設計考量與電路實現
電荷沯浦要設計接收從偵測器 UP 和 DN 來的數位訊號，並以固定的電流向濾 波器充電。這固定的電流值設定，由第二章的討論知道，對於迴路的響應有非常 重大的影響，過大與過小都會使得穩定時間變長。在第二章中，我們已經決定好 這電流值的大小。
在電荷沯浦中，雜訊主要的來源是電路的不匹配、電荷分享和時脈饋入
（clock feedthrough）的問題。電路若不匹配，會使充電電流和放電電流不相 同，則即使是參考訊號和振盪器的訊號相位差為零時，控制電壓仍然會改變，使 振盪器的振盪頻率改變。在圖 3.33 中，UP 和 DN 各控制一個開關，使充電電流 流進濾波器或使放電電流把電荷從濾波器中取出。開關打開時，通道內會存在著 許多電荷，而當此開關關閉之後，原本在通道內的電荷有一部分就會往濾波器 去。這樣的誤差，必須等到下一個訊號比較時才會再次修正。而時脈饋入的問題 是，由於 UP 和 DN 是數位訊號，其波形上升下降都非常的迅速，含有很高頻的成 分，使經過電晶體中的寄生電容倒達濾波器中。又 UP 及 DN 的訊號又是有週期性
的，便會在頻率合成器的輸出有突波（spur）的出現。
圖 3.33 電荷沯浦示意圖
圖 3.34 電荷沯浦和濾波器電路圖
圖 3.34 為我們所設計的電荷沯浦電路圖，其中 UPb 為 UP 的反相，DNb 為 DN
的反相。這電路並不包含在第二章所提到的第二個電荷沯浦。不過第二個電荷沯 浦與第一個架構一模一樣，只不過 UP 與 UPb 和 DN 與 DNb 是顛倒過來的。也就是 說第一個沯浦充電時，第二個是放電，而第一個沯浦是放電的時候，第二個是充 電。另外第二個沯浦的輸出是接在 R 和 之間。為了要避免時脈饋入的效應，
我們將 DN 和 UP 訊號先由差動對 M3、M4 和 M16、M17 輸入，再由差動對的輸出去 控制開關。為了加速電荷沯浦充電和放電的關閉，我們使用差動訊號來控制 M22 和 M10 幫助 M24 和 M14 的關閉。因為控制電壓會改變，所以電荷沯浦輸出點的電 壓也會改變，為了使充電和放電電流能不受控制電壓高低的影響，所以採用串疊 電流鏡，增加輸出電阻。第一個電荷沯浦與第二個電荷沯浦的電流為維持固定的 比例，第一個沯浦的 M2、M15 與第二個的 M2、M15 在佈局時要做好尺寸的匹配。
C2
CK
CK CK
CK
CK
CK
圖 3.35 迴路濾波器
在濾波器中，我們將使用切換電容來取代電阻，如圖 3.35 所示。控制訊號 CK 我們使用一個除二電路將參考訊號的頻率除二，也就是 CK 的頻率為 fref / 2，
但是要注意不要讓 CK 和CK同時為 1。所以等效電阻將是1/ f C 。我們的開關ref s
m6time=5.074usec ICP.i=29.83uA
ICP.i, uA
m6
m5time=5.119usec Vcont=1.113 V
0.75 1.00 1.25
0.50 1.50
Vcont, V
m5
m10time=5.074usec ICP1.i=-19.40uA
-20 0
-40 20
ICP1.i, uA m10
m7time=5.119usec Vcont1=1.065 V
5.05 5.10 5.15
5.00 5.20
0.75
time, usec
Vcont1, V
圖 3.36 電荷沯浦與濾波器模擬結果