Быстрая ФАПЧ, использующая динамический контроль усиления для уменьшения джиттера и увеличения скорости захвата

Введение

      Поскольку скорости передачи данных в линиях связи ограничены возможностями интегральных микросхем, архитектуры CDR полагаются на скорость фазовых детекторов (PDs) для того, чтобы достичь требуемой производительности. Особенно, скоростные PD могут работать на скорости, которую может позволить триггер, и не подвергаться систематическим фазовым отклонениям с тех пор, когда данные начали обрабатываться фазовым детектором. Кроме того, скоростные PD легко привести к многофазовым структурам, позволяя оставить картину в нормах, где это должно быть невозможно, чтобы конструировать работающий триггер.
      Традиционно считается, что быстрые системы ФАПЧ обладают большим фазовым дрожанием, в отличие от его линейных аналогов. К тому же, они имеют ограниченную область захвата и необходима помощь при подстройки частоты в режиме захвата. Увеличение области захвата, а вместе с ним и время замыкания, требует большого коэффициента усиления, но это ухудшает характеристики джиттера. Методы улучшения времени захвата, сфокусированы на создании помощников для быстрого захвата, а  коэффициент усиления контролирует джиттер. Другой подход основан на использовании двух коэффициентов усиления в зависимости от того больше ли величина фазовой ошибки, чем π/2, поэтому достигается улучшение полосы захвата без ухудшения джиттера в режиме слежения. Это решение требовало 4-фазового синхросигнала для работы.
      Эта статья представляет схему быстрой системы ФАПЧ, которая динамически подстраивает усиление, чтобы достичь быстрого захвата и малого джиттера в режиме слежения. Регистр сдвига используется для измерения длины последовательных импульсов UP или DN, и эта информация используется для регулировки коэффициента усиления в системе ФАПЧ. Результаты, представленные позже, демонстрируют существенное снижение времени захвата, и в то же время в режиме слежения наблюдается меньший джиттер. Только отдельные промоделированные схемы не показали особого улучшения полосы захвата, но обеспечил определенные принципы, полоса захвата может быть как минимум такая же, как у обычной быстрой системы ФАПЧ.
      Эта статья также представляет анализ полосы захвата быстрой системы ФАПЧ. Последние работы  по анализу быстрых систем ФАПЧ сфокусированы на джиттере и характеристиках отслеживания, но не в состоянии дать какую-либо оценку поведения существенной частотной ошибки. Анализ показывает приделы стабильности области затягивания. Эти результаты очень важны для проектирования помощников при захвате частоты быстрых систем ФАПЧ.

Предложенное решение

      Представленная структура ФАПЧ (Рис. 1) улучшает работу стандартной системы ФАПЧ при помощи включения модуля, который управляет коэффициентом усиления, в зависимости от того насколько ФАПЧ далека от захвата. Когда ФАПЧ далека от захвата, то желательно иметь большой коэффициент усиления чтобы улучшить время замыкания, и полосу удержания. В то же время, малый коэффициент усиления желателен, когда система ФАПЧ находиться в режиме слежения для контроля джиттера. Модуль контроля усилением оценивает, насколько система ФАПЧ далека от захвата при помощи подсчета количества последовательных импульсов UP или DN в потоке. Когда в последовательности наблюдается большое число импульсов UP или DN, то система ФАПЧ считается далека от захвата, поэтому на выходе модуля контроля усилением наблюдается большое усиление. Вместе с этим, если присутствует малочисленная последовательность импульсов UP или DN, которая типична для системы ФАПЧ колеблющейся вокруг захвата, то усиление уменьшено. Модуль контроля усилением управляет коэффициентом усиления ФАПЧ в течение следования последовательных импульсов UP или DN:

                      (1)

Рис.1  Предложенное решение

      Где k – константа, которая больше чем 1, и l - длина  поступающего потока  последовательных импульсов UP или DN. Этот метод имеет существенное влияние на время захвата. Когда ФАПЧ захватывает частоту, то мы ожидаем, поступление большого числа импульсов UP и поступление небольшого числа импульсов DN (если выходная частота ФАПЧ меньше чем приходящая частота). Поэтому в течение поступления более длинной последовательности импульсов UP средний коэффициент усиления значительно больше, чем в течение более короткой последовательности импульсов DN. Как показывают результаты представленные позже, это значительно уменьшает время захвата.
      Рисунок 2 показывает, как сделать модуль контроля усилением. Сигнал EN определяет, когда действительно наблюдаются сигналы UP или DN на выходе. Для каждого действительного импульса (UP или DN), регистр сдвига и триггер включены. В течение поступления последовательных импульсов UP, триггер устанавливается в '1', а в течение поступления последовательных импульсов DN устанавливается в '0'. Каждый раз как изменяется поступающая последовательность (найденное путем сравнения содержимого триггера с текущим импульсом) в асинхронном регистре сдвига формируется сигал сброса, который очищает содержимое регистра сдвига.
      Каждый бит регистра сдвига используется, чтобы открыть пару источников тока в  подкачке заряда системы ФАПЧ. Каждая пара источников тока должна открываться по порядку для того, чтобы приблизительно удовлетворить (1) для некоторого k. Чтобы избегать нулевой текущей подкачки заряда, текущая исходная пара должна быть включена первым битом регистра сдвига. С помощью пренебрежения первым битом регистра сдвига, мы также избегаем колебания потока подкачки заряда между Imin и k*Imin, которое уменьшает джиттер в режиме слежения.

Рис. 2 Модуль контроля усилением

      Длина регистра сдвига N должна быть достаточно длинной, чтобы идентифицировать длинные поступления импульсов UP и DN, без чрезмерного добавления сложности в систему ФАПЧ. Однако если регистр сдвига слишком большой, то полоса захвата ФАПЧ может быть уменьшена. Результаты, представленные в следующем разделе, предполагают 8-разрядный регистр, и k = 1.32 который позволяет коэффициенту усиления ФАПЧ, изменяться по шкале приблизительно от 1 до 9.
      Логика, охватывающая модуль динамического контроля усилением, простая; критический путь состоит из логического элемента «И» и логического элемента XOR. Поэтому преимущества скорости, используемые быстрым фазовым детектором, не утрачены.

Представление проекта

      Эта система моделировалась сначала в Matlab-Simulink, затем была осуществлена симуляция на транзисторном уровне в SPICE. Чтобы оценить работу, для похожих проектов также была осуществлена симуляция в Matlab-Simulink и SPICE.
      При моделировании в Simulink использовались идеальные модели для текущих источников, выключателей, цифровых схем, и ГУНа в системе ФАПЧ. Стандартная ФАПЧ была выполнена с фиксированным значением коэффициента усиления kref, а в системе ФАПЧ с динамическим контролем усиления коэффициент усиления изменялся от значения до 3*kref.
      Рисунки 3 и 4 сравнивают фазовую ошибку и средне значение управляющего напряжения ГУНа Vc_ave (напряжение на конденсаторе фильтра петли) нового проекта со сравниваемым проектом в режиме захвата. В этом примере, начальная частотная ошибка установлена на 6% от приходящей частоты (близкой к приделу затягивания). Как видно из рисунков, при захвате частоты, усиление в новом проекте приводит сокращению времени захвата более чем на 50%. Измерения дрожания в режиме слежения показывают, что величина дрожания в новом проекте составляет практически одну треть сравниваемого проект, что мы и предсказывали.

Рис.3. Динамика быстрой ФАПЧ с динамическим контролем усиления при захвате

Рис.4. Динамика сравниваемой быстрой ФАПЧ при захвате

Резюме и выводы

      Эта статья представляет схему новой быстрой ФАПЧ, которая улучшает время захвата, без ухудшения характеристик джиттера в режиме слежения. Это достигается динамическим изменением усиления в системе ФАПЧ в зависимости от того, на сколько далека ФАПЧ от захвата. Цифровая схема, использованная для выполнения контроля усилением, состоит из регистра сдвига, и не более чем двух уровней логики; поэтому ФАПЧ может работать на скорости максимально приближенной к скорости триггера. Выполнение модуля контроля усилением тщательно продумано, и поэтому область захвата может быть как минимум такая же, как у стандартной ФАПЧ. Чтобы гарантировать, что модуль контроля усилением отрицательно не повлияет на полосу захвата, необходимо проверять среднее значение усиления ФАПЧ при затягивании частоты.
      Проект изучался сначала через поведение модели в Matlab Simulink, затем физическим моделированием. Полученные результаты демонстрируют существенные улучшения  времени захвата и характеристик джиттера.