phase-locked loops (ch. 15) - chungbuk.ac.krbandi.chungbuk.ac.kr/~ysk/ana15.pdf · 2010-03-30 ·...
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Phase-Locked Loops (Ch. 15)p
김 영 석김 영 석
충북대학교 전자정보대학
2010.3.1. .
Email: [email protected]
전자정보대학 김영석 15-1
Contents15.1 Simple PLL
15.2 Charge Pump PLLs
15.3 Non-Indeal Effects in PLLs
15.4 Delay-Locked Loops15.4 Delay Locked Loops
15.5 Applications
전자정보대학 김영석 15-2
15.1 Simple PLLPhase Detector
두 신호의 Phase를 비교하여 Pulse의 길이로 알려줌
입력 신호의 Phase 차이를 알려주는 간단한 회로로 XOR gate 사용
전자정보대학 김영석 15-3
15.1 Simple PLLPLL 목적
φ외부 클럭과 내부 클럭의 주파수(w), Phase( )를 일치시킴
PLL 구성
PD(Phase Detector): 두 클럭의 Phase 차이를 Pulse 길이로 변환
φ
PD(Phase Detector): 두 클럭의 Phase 차이를 Pulse 길이로 변환
LPF(Low Pass Filter): 평균 전압(Vcont) 만듬
VCO(Voltage Controlled Oscillator): Vcont에 따른 주파수 만듬
Ph L k 두 클럭의 주파수와 Ph 가 일치하는 상태Phase Lock: 두 클럭의 주파수와 Phase가 일치하는 상태
전자정보대학 김영석 15-4
Simple PLL Example
전자정보대학 김영석 15-5
Simple PLLPLL Waveforms in Locked Condition
VPD를 LPF 통과시킴 => DC 성분, Vcont + Ripple 존재
원하는 입출력주파수=w1, Vcont=V1, Phase Error 존재
Phase Error 줄이기 위해서 KPD*KVCO 커야 함Phase Error 줄이기 위해서 KPD KVCO 커야 함
PDPDcontVCOout
wwV
KVVKww
01
0 ,−
Δ=+= φ
VCO
KKww
KVK
V
0110
011
−==
=
φVCOPDPD KKK
전자정보대학 김영석 15-6
Simple PLLSmall Transients in Locked Condition (Phase가 변하는 경우)
입력 신호 phase 변하면 출력 신호도 phase 변함
)cos()(cos)( 1
errorphasestatictwVtVtwVtV Ain
+=
φφ
1φ1φ
))(cos()(),(
),cos()(
11011111
001
ttutwVtVdtwttutwIf
errorphasestatictwVtV
Boutt
outin
Bout
−++==>=−+=
=+=
∫∞
φφφφφ
φφ
1t
전자정보대학 김영석 15-7
Simple PLLSmall Transients in Locked Condition (주파수가 변하는 경우)
입력 신호 phase 변하면 출력 신호도 phase 변함ww Δ+1ww Δ+1
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Simple PLLSmall Transients in Locked Condition
Phase가 맞춰져서 안정화되기 전에 ringing이 발생함
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15.1.3 Dynamics of Simple PLLSimple PLL(Type I) 정량적 동작
H(s) open =Φout
Φ(s) openp Φ in
p
= K ⋅1
⋅KVCO= KPD
1+ sωLPF
s
전자정보대학 김영석 15-10
Simple PLL(Type I) 정량적 동작
ωout ( )KPDKVCOout
ω in
(s) = PD VCO
s2
ω+ s + KPDKVCOω LPF
ωout (s) ωn2
(second order system)out
ω in
(s) = n
s2 + 2ζωns + ωn2 (second order system)
K K ( l f )ωn = ω LPF KPDKVCO (natural frequency)
1 ωζ = 12
ωLPF
KPDKVCO
(damping ratio)
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Simple PLL(Type I) 정량적 동작는 클수록 빨리 안정화 됨. => LPF 주파수 높여야 함 => High Freq 차단치 못해nwζ
VCO ripple 증가 => Trade-off
ζω =1
ω LPFζωn 2ω LPF
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Simple PLL(Type I) 정량적 동작Ringing 피하기 위해 로 하는 것이 안전함1
22
>> ζζ or2
ζζ
Transient response as a function of ζTransient response as a function of ζ
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Simple PLL(Type I) 정량적 동작Bode Plot: Gain을 크게 하면 phase error가 줄지만, 아래 그림처럼 Phase Margin이 줄어들어 안정성이 떨어짐
VCOPD
out
KKww 0
0−
=Δφ
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15.2 Charge-Pump PLLsAcquistion Range 문제:
Simple PLL은 win과 wout차이가 wLPF보다 작아야 Loop이 Lock됨
PD Loop과 추가로 FD Loop를 추가: 주파수 다른 경우 FD loop 동작하여 주파수 차이를 작게 만들고 이후 PD Loop이 동작하여 주파수 위상 모두 일치 시킴
Acquistion range is ≅ ωLPF
수 차이를 작게 만들고, 이후 PD Loop이 동작하여 주파수, 위상 모두 일치 시킴
Improved Acquistion Range System
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Charge-Pump PLLsPhase-Frequency Detector (PFD): 주파수, 위상 모두 판별함.
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Charge-Pump PLLsPhase-Frequency Detector
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Charge-Pump PLLsPFD with LPF
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Charge-Pump PLLsPFD with Charge Pump
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Charge-Pump PLLsBasic Charge-Pump PLL
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Charge-Pump PLLsCharge-Pump PLL Dynamics
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Charge-Pump PLLsCharge-Pump Transfer Function
IVout (t) =
Ip
2πCp
t ⋅φ0u(t)p
h(t) =Ip
2 Cu(t)( )
2πCp
( )
Vout ( )Ip 1Vout
Δφ(s) = p
2πCp
⋅s
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Charge-Pump PLLsCharge-Pump Transfer Function
Φout (s)open =Ip KVCO
2Φ in
(s)open 2πCp s2
I KVCO
H(s) =
IpKVCO
2πCp
I K , s = ± jIpKVCO( )
s2 +IpKVCO
2πCp
, j2πCp
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p
Charge-Pump PLLsCPPLL Compensation
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Charge-Pump PLLsCPPLL with Zero Added
I KVCO
H(s) =
IpKVCO
2πCp
(RPCPs +1)
I K I K( )s2 +
IpKVCO
2πRPs +
IpKVCO
2πCp
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p
Charge-Pump PLLsCPPLL with Zero Added
I K
H(s) =
IpKVCO
2πCp
(RPCPs +1)
I K I KH(s)s2 +
IpKVCO
2πRPs +
IpKVCO
2πCpp
sz = −1/(RPCP)
wn =IpKVCO
2πCp
, ζ = RP
2IpCp KVCO
2πp
전자정보대학 김영석 15-26
Charge-Pump PLLsCPPLL Stability Issues
전자정보대학 김영석 15-27
Charge-Pump PLLsCPPLL Control Ripple
0.1CP ≤ C2 ≤ 0.2CP
전자정보대학 김영석 15-28
15.3 Nonideal Effects in PLLs위상차가 0일때 PFD에서 pulse가 필요한 이유
전자정보대학 김영석 15-29