CN101719767A - 一种快速响应的锁相环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速响应的锁相环，包括一个用于将鉴频鉴相器输出的电荷泵充电脉冲转换为斜坡电压的电路、一个将斜坡电压转换为斜坡电流的电路和最小脉宽检测电路。通过在电荷泵充电期间，线性增加电荷泵充电电流，实现了快速锁定功能。同时，在脉冲宽度小于一定值时，屏蔽斜坡电荷泵电流功能，使得相位噪声不受影响。本发明通过使电荷泵锁相环的电荷泵充电电流线性增加，使环路带宽变宽，同时在锁定状态下，该电流恢复到原始值，使得快速启动特性和相位噪声均得到了很好的保障。

Description

一种快速响应的锁相环

技术领域

本发明涉及半导体集成电路，具体涉及用于高速处理器、宽带数据通信系统、雷达、空间电子设备以及高速数字电子系统的频率产生以及频率合成应用。

背景技术

当前高性能处理器以及无线通信的高速发展，在锁相环的高速、低噪声方面提出了新的挑战。然而在具体的设计中，这两种特性往往存在冲突。如果单纯考虑快速锁定特性，即可通过增加锁相环环路带宽来实现，但这却使得相位噪声得不到拟制。如果减小了环路带宽，虽然相位噪声得到拟制，但环路的响应时间又会变慢。针对这种设计上的矛盾现象，国内外相继报道了一些该方面的技术，比如通过双环控制、开关电容滤波器等等技术实现快速锁定，但其在电路复杂度以及与相位噪声等方面存在一定缺陷。

发明内容

针对当前各种电子系统对锁相环锁定时间及相位噪声方面的高要求，本发明提出了一种快速响应的锁相环。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种快速响应的锁相环，其特征在于，包括一个用于将鉴频鉴相器输出的电荷泵充电脉冲转换为斜坡电压的电路、一个将斜坡电压转换为斜坡电流的电路和最小脉宽检测电路。通过在电荷泵充电期间，线性增加电荷泵充电电流，实现了快速锁定功能。同时，在脉冲宽度小于一定值时，屏蔽斜坡电荷泵电流功能，使得相位噪声不受影响。

上述方案中，所述将鉴频鉴相器输出的电荷泵充电脉冲转换为电压的电路由一个开关控制的恒流源充电到电容的电路构成，充电的起始与结束时刻与电荷泵充电的起始与结束时刻相对应。即当电荷泵开始充电时，放电管停止对电容放电，同时，开始对电容充电。所以电容上的电压开始线性上升，而且电荷泵充电脉冲时间越长，电容上的电压上升的越高，从而完成将电荷泵充电脉冲转换为线性斜坡电压信号。

所述斜坡电压转换为斜坡电流的电路包括一个电压缓冲器、一个NMOS晶体管和一个电阻组成。电压缓冲器的输入接到待转换的线性斜坡电压信号，输出接到NMOS晶体管的栅极，NMOS晶体管的源极接到电阻的一端，电阻的另一端接至地。通过这种方式，将斜坡电压信号转换为斜坡电流信号。因为所述电阻两端的电压为斜坡电压信号，则经过该电阻的电流为斜坡电流信号。

所述最小脉宽检测电路包括一个电容延迟电路、一组逻辑电路。实现对鉴频鉴相器输出的电荷泵充电脉冲的检测，当鉴频鉴相器输出的电荷泵充电脉冲小于某一值时，输出使斜坡电流产生电路不工作。

本发明通过使电荷泵锁相环的电荷泵充电电流线性增加，使环路带宽变宽，同时在锁定状态下，该电流恢复到原始值，使得快速启动特性和相位噪声均得到了很好的保障。

附图说明

图1为典型的电荷泵锁相环结构示意图。

图2为低通滤波器示意图。

图3为典型电荷泵锁相环传递函数图。

图4为本文发明的新型斜坡电流电荷泵锁相环示意图。

图5为最小脉冲检测电路实例。

图6为充电脉冲转换为斜坡电压的电路实例。

图7为斜坡电压转换为斜坡电流的电路实例。

图8为斜坡电流电荷泵锁相环工作示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

首先，分析影响典型电荷泵锁相环锁定时间的因素。显然，锁相环的锁定时间与锁相环的环路带宽呈反比关系，即环路带宽越宽，锁定时间越短。因此，以下主要分析电荷泵锁相环的带宽。图1为典型的电荷泵锁相环示意图，其中包括鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、低通滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)和分频器(NF)。

根据电荷泵锁相环的工作原理，设I_P为电荷泵电流，则鉴频鉴相器及电荷泵的增益函数为：

$K_{\mathrm{PFD}}=\frac{2\mathrm{\π}}{I_P}---\left(1\right)$

低通滤波器采用二阶低通滤波器，如图2所示，传递函数为：

$Z\left(s\right)=(\frac{1}{s{C}_1}+R_1)//\frac{1}{s{C}_2}$

$=\frac{1+s{R}_1{C}_1}{s^2\left(R_1{C}_1{C}_2\right)+s(C_1+C_2)}---\left(2\right)$

设τ＝R₁C₁，b＝C₁/C₂，Kvco为压控振荡器的增益，如图3所示，则整个锁相环的传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\θ}}_o\left(s\right)}{{\mathrm{\θ}}_i\left(s\right)}=\frac{{\mathrm{KvcoI}}_p}{2\mathrm{\π}\·N}\left(\frac{b}{b+1}\right)\frac{\mathrm{\τs}+1}{s^2{C}_1(\frac{\mathrm{s\τ}}{b+1}+1)}---\left(3\right)$

$H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{{\mathrm{KvcoI}}_p}{2\mathrm{\π}\·N}\left(\frac{b}{b+1}\right)\frac{\mathrm{j\ω\τ}+1}{{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^2{C}_1(\frac{\mathrm{j\ω\τ}}{b+1}+1)}---\left(4\right)$

根据上述推导，当环路增益|H(jω)|为1时，可得到环路带宽ω_n的关系式(5)：

${\mathrm{\ω}}_n\∝\sqrt{I_p}---\left(5\right)$

可见，系统的环路带宽与电荷泵电流的开平方呈正比。

本发明正是基于上述思路，在传统的电荷泵电流基础上，叠加了一定量的斜坡电流，该电流通过检测鉴频鉴相器输出的电荷泵充电电流脉冲而得到，且随着电荷泵充电电流脉冲宽度的增加，此电流呈线性增长趋势。该功能主要包含三部分电路：最小脉冲宽度检测电路、脉冲宽度转换斜坡电压电路和斜坡电压转换斜坡电流电路。

图4为本发明提出的斜坡电荷泵锁相环结构示意图，其中斜坡电流信号的产生主要依据信号50以及60，通过最小脉冲宽度检测电路、脉冲宽度转换斜坡电压电路和斜坡电压转换斜坡电流电路得到实际的斜坡电荷泵电流。该电流的大小可以通过鉴频鉴相器的相差来理解。当反馈频率信号与基准频率信号的相位误差越大，此斜坡电流越大，从而实现了快速锁定。

图5为最小脉冲检测电路实例示意。其输入信号UP和DN分别为电荷泵的充电和放电信号，即分别对应图4中的50及60信号线。假定信号线50为高时，表示电荷泵需要充电，信号线60为高时，表示电荷泵需要放充电。则当系统启动初始时刻信号线50和信号线60均为低信号时，输出PULSE信号则一直为高信号；当鉴频鉴相器开始工作时，即信号线50为高且信号线60为低时，经过反相器120以及或门130后，信号线140为低信号，而由于在此之前，信号线180为高信号，所以此时输出信号200的状态并不会立即变化，必须要等到信号线180变低。从信号线140变低到信号线180变低的时间间隔，即为设定的最小脉冲宽度。通常情况下，该脉冲宽度可以简单地通过反相器级联产生的延迟来实现。如果输入信号线50与60的脉冲结果使得信号140上产生的脉冲宽度小于设定的最小脉冲宽度时，输出信号线200的状态不会变化，即不会产生斜坡电压信号，电荷泵电流不会增加；而当输入信号线50与60的脉冲结果使得信号140上产生的脉冲宽度一旦大于设定的最小脉冲宽度时，输出信号线200的状态就会一个最小脉冲宽度后发生变化，即产生斜坡电压信号，电荷泵电流开始线性增加。

图6为脉冲宽度转换斜坡电压电路实例示意。其中输入信号线200即为最小脉冲宽度检测电路的输出。当信号线200为高信号时，晶体管230对电容240放电，晶体管230与电容240构成的放电回路时间常数远小于充电回路的时间常数，所以放电时间并不会影响充电的速度。当信号线200变为低信号时，晶体管230关断，由电流源250，晶体管210和220形成的恒流源对电容240开始充电，则输出信号线260的电压开始线性上升，假设上升的电压幅度为ΔV_slope，恒流源的电流为i₀，电容240的容值为C₂₄₀，信号线200的脉冲宽度为t_pulse，其对应关系为：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{slope}}=\frac{i_0\×t_{\mathrm{pulse}}}{C_{240}}---\left(6\right)$

可以看出，此斜坡电压信号与电荷泵的充电脉冲宽度信号呈线性关系。

图7为斜坡电压转换斜坡电流电路实例示意。其输入信号为充电脉冲转换的斜坡电压信号260，输出为斜坡电流信号330。其工作原理为：通过缓冲器270和晶体管300实现的负反馈回路实现了信号线310跟随输入信号线260的电压变化，当信号线260上的电压线性增加时，信号线310上的电压也在等值线性增加，结果使得经过电阻320的电流线性增加，再经由晶体管280和290组成的电流镜输出到信号线330，并最终叠加到电荷泵电流上。假定电阻320的阻值为R，输出斜坡电流为i_slopc，则其对应关系为：

$i_{\mathrm{slope}}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{slope}}}{R}---\left(7\right)$

因此，总的电荷泵充电电流为：

i_charge＝i_slope+i_b                    (8)

其中，i_b为电荷泵的基础电流部分，即未加入斜坡电流的部分。

图8为斜坡电荷泵锁相环的工作原理示意。其中t_min即为上述最小脉冲宽度，t_reset为电荷泵的复位脉冲，Vs_lope和i_slope分别为斜坡电压与斜坡电流信号，i_charge为最终用于电荷泵的充电电流信号，i₀为锁定状态下的电荷泵电流。从中可以清楚地看到，电荷泵电流随着相位误差的变化而线性变化，并且需要检测一个最小脉冲宽度。这样使得锁相环的环路带宽在每个周期得到了实时调整，提高了锁定速度；另一方面，在锁定状态下，电荷泵电流恢复，环路带宽恢复，则兼顾了相位噪声的特性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种快速响应的锁相环，包括输入频率源、反馈频率、鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器，鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器和压控振荡器依次顺序连接，分频器设置在鉴频鉴相器输入端和压控振荡器输出端之间；其特征在于：所述鉴频鉴相器和电荷泵之间并联设置了一个自适应斜坡电荷泵电流控制模块；所述自适应斜坡电荷泵电流控制模块由最小脉宽检测电路、脉宽转换斜坡电压电路和斜坡电压转换斜坡电流电路构成；所述最小脉宽检测电路的输入端与鉴频鉴相器输出逻辑连接，最小脉宽检测电路的输出端与脉宽转换斜坡电压电路的输入端连接，脉宽转换斜坡电压电路的输出端与斜坡电压转换斜坡电流电路的输入端连接，斜坡电压转换斜坡电流电路的输出端分别与电荷泵充电电流100及电荷泵放电电流110连接。

2.如权利要求1所述一种快速响应的锁相环，其特征在于：所述最小脉宽检测电路包括反相器(120、150、170)、两输入或门(130、190)及电容(160)。鉴频鉴相器输出的电荷泵充电信号(50)接反相器(120)的输入，鉴频鉴相器输出的电荷泵放电信号(60)与反相器(120)的输出分别接到两输入或门(130)的两个输入端，两输入或门(130)的输出端(140)接到反相器(150)及两输入或门(190)的输入端，反相器(150)的输出端接到电容(160)的上极板及反相器(170)的输入端，电容(160)的下极板接到信号地，反相器(170)的输出端接到两输入或门(190)的另外一个输入端。反相器(150)、电容(160)与反相器(170)组成最小脉宽设置电路，然后通过两输入或门(190)对输入的电荷泵充放电脉冲宽度信号(50、60)逻辑作用后的信号(140)进行检测，两输入或门(190)的输出端即为最小脉宽检测电路的输出。如果信号(140)的脉宽小于最小脉宽时，两输入或门(190)输出的脉宽为0；如果信号(140)的脉宽大于最小脉宽时，两输入或门(190)输出的脉宽为信号(140)的脉宽与最小脉宽之差。

3.如权利要求1所述一种快速响应的锁相环，其特征在于：所述脉宽转换斜坡电压电路包括由PMOS晶体管(210、220)及电流源(250)组成的充电回路与NMOS晶体管(230)组成的放电回路。其中PMOS晶体管(210、220)构成电流镜结构，PMOS晶体管(210)为镜像源，电流源(250)为普通电流源，接到PMOS晶体管(210)的漏极输入，PMOS晶体管(220)的漏极接到电容(240)的上极板，电容(240)的下极板接地。NMOS晶体管(230)的源极接地，NMOS晶体管(230)的栅极接最小脉宽检测电路的输出信号(200)，NMOS晶体管(230)的漏极接到电容(240)的上极板(260)。通过信号(200)的脉宽设置电容(240)的充电时刻与充电时间，从而使电容(240)的上极板(260)电压成为与信号(200)的脉宽相对应的斜坡电压。

4.如权利要求1所述一种快速响应的锁相环，其特征在于：所述斜坡电压转换斜坡电流电路包括由运放(270)、NMOS晶体管(300)与电阻(320)组成的负反馈结构以及由PMOS晶体管(280、290)组成的电流镜结构。运放(270)的正输入端接脉宽转换后的斜坡电压信号，运放(270)的负输入端接到NMOS晶体管(300)的源极，NMOS晶体管(300)的栅极接到运放(270)的输出端，NMOS晶体管(300)的漏极接到PMOS晶体管(280)的漏极，成为镜像源的输入端；电阻(320)的一端接NMOS晶体管(300)的源极，电阻(320)的另一端接地。由于负反馈回路使电阻(320)两端的电压为斜坡电压(260)，则流过电阻(320)的电流为斜坡电流，从而NMOS晶体管(290)的漏极电流为斜坡电压转换的斜坡电流。

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