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高频锁相环的可测性设计
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2008-08-15
刘润生
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可测性设计（Design for Test，DFT）最早用于数字电路设计。随着模拟电
路的发展和芯片 集成度的提高，单芯片数模混合系统应运而生，混合电路测试，
尤其是混合电路中模拟电路的测试，引起了设计者的广泛关注。边界扫描是数字
电路可测性设计中常用的技术，基于IE EE1149 1 边界扫描技术。本文针对
一款应用于大规模集成电路的CMOS 高频锁相环时钟发生器，提出了一种可行
的测试方案，重点讲述了锁相环的输出频率和锁定时间参数的测试，给出了具体
的测试电路和测试方法。对于应用在大规模电路系统中的锁相环模块，该测试方
案既可用于锁相环的性能评测，也可用于锁相环的生产测试。
1 锁相环结构及原理
本文所要测试的是用于大规模集成电路的锁相环时钟发生器，他是一款基于
0.18 μm CMOS 数字工艺设计的高频电荷泵锁相环（Charge Pump Phase
Locking Loop，CPPLL），最高输出频率达1.2 GHz。
此锁相环的电路结构如图1 所示，他包括输入分频器、鉴频鉴相器（Phase
Frequency Detec t，PFD）、电荷泵（Charge Pump，CP）、压控振荡器（Voltage
Controlled Oscillator， VCO）、环路低通滤波器（Lowpass Filter，LPF）和反
馈分频器等基本单元。输入信号经过输入分频器分频为参考信号，压控振荡器的
输出信号经过反馈分频器分频为反馈信号；参考信号和反馈信号在鉴频鉴相器中
进行相位比较，得到相位差信号；电荷泵和低通滤波器将相位差信号转换为相应
的电平信号；该电平信号控制压控振荡器的输出频率。通过反馈环路，最终达到
相位锁定。锁定状态时，参考信号和反馈信号同频同相。
为了更好地抑制噪声，锁相环采用了差分的电路结构。其中，压控振荡器采
用环形振荡器结 构实现，主要由3 个完全相同的延迟单元顺次连接而成。2 测试方案
模拟电路传统的测试方法比较简单，将输入输出信号直接引出，检测输入信
号对应的输出响 应即可。随着工作频率的升高，封装管脚和引线寄生参数不容
忽视，传统的测试方法也受到挑战。由于模拟信号的抗干扰能力差，轻微的扰动
都可能会影响电路的性能，测试电路应该尽量简单，以避免引入不必要的噪声。
最高输出频率、输出频率范围和锁定时间等都是高频锁相环需要测试的重要
性能参数。对于工作频率高达GHz 的高频锁相环，显然难以采用传统的测试方
法来完成，需要进行专用测试电路设计，即在芯片内设计一定的测试电路以便投
片后进行测试。
2.1 输出频率测试
作为时钟发生器，锁相环一般工作于整个电路系统的最高频率，而压控振荡
器工作于锁相环的最高频率。如图1 所示，锁相环的输出频率就是压控振荡器的
工作频率，因此锁相环的输出频率测试实质上是对压控振荡器的最高振荡频率和
振荡范围的测试。
由于输出管脚的引线存在寄生的电感电容，这些寄生参数容易引入较大的高
频耦合噪声；高频信号经过这些引线输出到管脚通常会产生较大的衰减。因此，
压控振荡器的高频输出信号很难引出芯片外直接测量。另一方面，高频信号的测
试对测量仪器要求很高，测试板上的外加信号一旦经过高频通路耦合到电路内
部，就会影响测试结果，甚至干扰电路的工作。
路的发展和芯片 集成度的提高，单芯片数模混合系统应运而生，混合电路测试，
尤其是混合电路中模拟电路的测试，引起了设计者的广泛关注。边界扫描是数字
电路可测性设计中常用的技术，基于IE EE1149 1 边界扫描技术。本文针对
一款应用于大规模集成电路的CMOS 高频锁相环时钟发生器，提出了一种可行
的测试方案，重点讲述了锁相环的输出频率和锁定时间参数的测试，给出了具体
的测试电路和测试方法。对于应用在大规模电路系统中的锁相环模块，该测试方
案既可用于锁相环的性能评测，也可用于锁相环的生产测试。
1 锁相环结构及原理
本文所要测试的是用于大规模集成电路的锁相环时钟发生器，他是一款基于
0.18 μm CMOS 数字工艺设计的高频电荷泵锁相环（Charge Pump Phase
Locking Loop，CPPLL），最高输出频率达1.2 GHz。
此锁相环的电路结构如图1 所示，他包括输入分频器、鉴频鉴相器（Phase
Frequency Detec t，PFD）、电荷泵（Charge Pump，CP）、压控振荡器（Voltage
Controlled Oscillator， VCO）、环路低通滤波器（Lowpass Filter，LPF）和反
馈分频器等基本单元。输入信号经过输入分频器分频为参考信号，压控振荡器的
输出信号经过反馈分频器分频为反馈信号；参考信号和反馈信号在鉴频鉴相器中
进行相位比较，得到相位差信号；电荷泵和低通滤波器将相位差信号转换为相应
的电平信号；该电平信号控制压控振荡器的输出频率。通过反馈环路，最终达到
相位锁定。锁定状态时，参考信号和反馈信号同频同相。
为了更好地抑制噪声，锁相环采用了差分的电路结构。其中，压控振荡器采
用环形振荡器结 构实现，主要由3 个完全相同的延迟单元顺次连接而成。2 测试方案
模拟电路传统的测试方法比较简单，将输入输出信号直接引出，检测输入信
号对应的输出响 应即可。随着工作频率的升高，封装管脚和引线寄生参数不容
忽视，传统的测试方法也受到挑战。由于模拟信号的抗干扰能力差，轻微的扰动
都可能会影响电路的性能，测试电路应该尽量简单，以避免引入不必要的噪声。
最高输出频率、输出频率范围和锁定时间等都是高频锁相环需要测试的重要
性能参数。对于工作频率高达GHz 的高频锁相环，显然难以采用传统的测试方
法来完成，需要进行专用测试电路设计，即在芯片内设计一定的测试电路以便投
片后进行测试。
2.1 输出频率测试
作为时钟发生器，锁相环一般工作于整个电路系统的最高频率，而压控振荡
器工作于锁相环的最高频率。如图1 所示，锁相环的输出频率就是压控振荡器的
工作频率，因此锁相环的输出频率测试实质上是对压控振荡器的最高振荡频率和
振荡范围的测试。
由于输出管脚的引线存在寄生的电感电容，这些寄生参数容易引入较大的高
频耦合噪声；高频信号经过这些引线输出到管脚通常会产生较大的衰减。因此，
压控振荡器的高频输出信号很难引出芯片外直接测量。另一方面，高频信号的测
试对测量仪器要求很高，测试板上的外加信号一旦经过高频通路耦合到电路内
部，就会影响测试结果，甚至干扰电路的工作。
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