CN101951259A - 锁相环及其自动频率校准电路、锁相环自调谐锁定方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种锁相环及其自动频率校准电路，所述锁相环包括依次连接的鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器VCO以及第一分频器；所述锁相环进一步包括自动频率校准电路，该自动频率校准电路在所述压控振荡器VCO经第一分频器分频后的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；所述滤波器的输入端连有一预充电电路A₀，在AFC进行搜索时，预充电电路A₀进行预充电。本发明锁相环具有快速自调谐锁定功能，使VCO能自动粗调谐到接近最终的调谐线从而减小锁相环的锁定时间。

Description

锁相环及其自动频率校准电路、锁相环自调谐锁定方法

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，涉及一种锁相环，尤其涉及一种锁相环的自动频率校准电路；同时，本发明还涉及锁相环自调谐锁定方法。

背景技术

在无线通信领域，有限的高频范围内承载着越来越多的信道，锁相环被广泛用来为收发机产生稳定的频率。闭环锁相环电路由鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器VCO及分频器组成。

VCO里的变容管与电感谐振得到振荡频率，一旦选取了某个电感，振荡频率则通常受变容管控制。在已发表的一个专利中，对VCO采用了粗调谐和细调谐来增加变容管的调谐范围。一组离散的可变电容提供粗调谐，而连续变化的可变电容则提供细调谐。

在其粗调谐的过程中，任选一个初始调谐电压应用到VCO，输出频率经分频器之后与参考频率比较，产生一个误差数字信号来复位VCO的数字控制字，最终VCO选择一组离散电容使得经分频器之后的频率接近参考频率。完成粗调谐之后，PLL使用粗调谐所得到的频率作为初始频率进行细调谐，直至锁定。

上述方案中的粗调谐方案有两个缺点：

首先，VCO的初始调谐电压是一个任意值，这样在完成粗调谐之后，细调谐锁定之后的调谐电压有可能离这个初始电压很远，从而加大了PLL的锁定时间；

其次，该专利中的VCO分频之后与参考频率作比较是在一个闭环环路里进行的，这样在本质上与开环粗调谐方案相比，更加大了PLL的锁定时间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种锁相环，该锁相环具有快速自调谐锁定功能。

本发明进一步提供一种上述锁相环的自动频率校准电路。

此外，本发明还提供上述锁相环的快速自调谐锁定方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种快速锁定的锁相环电路，所述锁相环包括依次连接的鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器VCO以及第一分频器；所述锁相环进一步包括自动频率校准电路，该自动频率校准电路连接所述第一分频器、压控振荡器VCO，同时连接一第二分频器，所述第二分频器生成一固定的参考频率CKR；所述自动频率校准电路在所述压控振荡器VCO经第一分频器分频后的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV。

作为本发明的一种优选方案，所述滤波器的输入端连有一预充电电路A₀，在AFC进行搜索时，预充电电路A₀进行预充电，将滤波器的输入端A点的电压预充到预充电电路A₀的输入电压Vb，电压Vb在初始设定的时候，设置为锁相环最后锁定时的控制电压；当AFC完成任务时，关断预充电电路A₀；所述电荷泵与滤波器之间设置一开关。

作为本发明的一种优选方案，所述预充电电路A₀包括晶体管M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6；晶体管M0、M1的栅极分别连接预充电电路A₀的输入电压VIP、VIN，晶体管M0、M1的源极连接晶体管M2的漏极，晶体管M0的漏极连接晶体管M3的漏极，晶体管M1的漏极连接晶体管M4的漏极；晶体管M2、M6的栅极连接输入电压Vb，晶体管M2的源极连接晶体管M6的源极；晶体管M3、M4、M5的源极连接预充电电路A₀的电源电压VDD2；晶体管M5、M6的漏极连接输出电压VOUT。

作为本发明的一种优选方案，所述自动频率校准电路包括依次连接的计数器、比较器、搜索引擎单元；所述计数器连接所述第一分频器、第二分频器，所述搜索引擎单元连接所述压控振荡器VCO；所述计数器及比较器用以比较VCO经第一分频器分频后的频率CKV与参考频率CKR；所述搜索引擎单元在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV。

作为本发明的一种优选方案，所述搜索引擎单元的搜索方法如下：

设定频率调谐范围的最低频率为第一调谐频率、最高频率为第二调谐频率；压控振荡器VCO的振荡频率CKV在第一调谐频率F1与第二调谐频率F2之间；

在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F2为振荡频率CKV，振荡频率CKV则减小至(CKV+F1)/2；

在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F1为振荡频率CKV，振荡频率CKV则增大至(CKV+F2)/2；

循环执行上述步骤，直至振荡频率CKV与参考频率CKR的差符合设定条件。

作为本发明的一种优选方案，所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV的初始值为(F1+F2)/2。

作为本发明的一种优选方案，所述环路滤波器、压控振荡器VCO之间设置一第一开关；所述压控振荡器VCO还连有一第二开关，通过该第二开关控制压控振荡器VCO的输入电压的输入。

作为本发明的一种优选方案，设定所述压控振荡器VCO的初始调谐电压为1/3VDD-2/3VDD之间，其中，VDD为电源电压。

作为本发明的一种优选方案，设定所述压控振荡器VCO的初始调谐电压为1/2VDD，其中，VDD为电源电压。

作为本发明的一种优选方案，所述压控振荡器VCO的数控电容位数

其中，f_res为自动频率校准的频率检测精度，f_BAND为压控振荡器VCO的频率调谐范围。

作为本发明的一种优选方案，所述压控振荡器VCO的数控电容位数VCO的电压增益其中，Vmax为最大调谐电压，Vmin为最小调谐电压。

一种自动频率校准电路，该自动频率校准电路连接一压控振荡器VCO，用以调谐压控振荡器VCO的振荡频率CKV，使其振荡频率CKV与参考频率CKR的差符合设定要求；所述自动频率校准电路在所述压控振荡器VCO经第一分频器分频后的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV。

作为本发明的一种优选方案，所述自动频率校准电路包括依次连接的计数器、比较器、搜索引擎单元；所述计数器连接所述第一分频器、第二分频器，所述搜索引擎单元连接所述压控振荡器VCO；所述计数器及比较器用以比较VCO经第一分频器分频后的频率CKV与参考频率CKR；所述搜索引擎单元在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV。

作为本发明的一种优选方案，所述搜索引擎单元的搜索方法如下：

设定频率调谐范围的最低频率为第一调谐频率、最高频率为第二调谐频率；压控振荡器VCO的振荡频率CKV在第一调谐频率F1与第二调谐频率F2之间；

在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F2为振荡频率CKV，振荡频率CKV则减小至(CKV+F1)/2；

在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F1为振荡频率CKV，振荡频率CKV则增大至(CKV+F2)/2；

循环执行上述步骤，直至振荡频率CKV与参考频率CKR的差符合设定条件。

作为本发明的一种优选方案，所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV的初始值为(F1+F2)/2。

作为本发明的一种优选方案，所述环路滤波器、压控振荡器VCO之间设置一第一开关；所述压控振荡器VCO还连有一第二开关，通过该第二开关控制压控振荡器VCO的输入电压的输入。

作为本发明的一种优选方案，设定所述压控振荡器VCO的初始调谐电压为1/2VDD，其中，VDD为电源电压。

一种锁相环自调谐锁定方法，所述锁相环包括依次连接的鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器VCO以及第一分频器；所述锁相环进一步包括自动频率校准电路，该自动频率校准电路连接所述第一分频器、压控振荡器VCO，同时连接一第二分频器，所述第二分频器生成一固定的参考频率CKR；所述自动频率校准电路在所述压控振荡器VCO经第一分频器分频后的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV。

作为本发明的一种优选方案，所述滤波器的输入端连有一预充电电路A₀，在AFC进行搜索时，预充电电路A₀进行预充电，将滤波器的输入端A点的电压预充到预充电电路A₀的输入电压Vb，电压Vb在初始设定的时候，设置为锁相环最后锁定时的控制电压；当AFC完成任务时，关断预充电电路A₀；所述电荷泵与滤波器之间设置一开关。

作为本发明的一种优选方案，所述预充电电路A₀包括晶体管M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6；晶体管M0、M1的栅极分别连接预充电电路A₀的输入电压VIP、VIN，晶体管M0、M1的源极连接晶体管M2的漏极，晶体管M0的漏极连接晶体管M3的漏极，晶体管M1的漏极连接晶体管M4的漏极；晶体管M2、M6的栅极连接输入电压Vb，晶体管M2的源极连接晶体管M6的源极；晶体管M3、M4、M5的源极连接预充电电路A₀的电源电压VDD2；晶体管M5、M6的漏极连接输出电压VOUT。

作为本发明的一种优选方案，所述自动频率校准电路包括依次连接的计数器、比较器、搜索引擎单元；所述计数器连接所述第一分频器、第二分频器，所述搜索引擎单元连接所述压控振荡器VCO；所述计数器及比较器用以比较VCO经第一分频器分频后的频率CKV与参考频率CKR；所述搜索引擎单元在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV。

作为本发明的一种优选方案，所述搜索引擎单元的搜索方法如下：

设定频率调谐范围的最低频率为第一调谐频率、最高频率为第二调谐频率；压控振荡器VCO的振荡频率CKV在第一调谐频率F1与第二调谐频率F2之间；

在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F2为振荡频率CKV，振荡频率CKV则减小至(CKV+F1)/2；

在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F1为振荡频率CKV，振荡频率CKV则增大至(CKV+F2)/2；

循环执行上述步骤，直至振荡频率CKV与参考频率CKR的差符合设定条件。

作为本发明的一种优选方案，所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV的初始值为(F1+F2)/2。

作为本发明的一种优选方案，所述环路滤波器、压控振荡器VCO之间设置一第一开关；所述压控振荡器VCO还连有一第二开关，通过该第二开关控制压控振荡器VCO的输入电压的输入。

作为本发明的一种优选方案，设定所述压控振荡器VCO的初始调谐电压为1/2VDD，其中，VDD为电源电压。

本发明的有益效果在于：本发明提出的锁相环及其自动频率校准电路，锁相环PLL中的压控振荡器VCO的工作有粗调谐和细调谐两种频率控制方式。在粗调谐过程中，利用二分法快速的匹配到所期望的频率调谐线。由于在闭环反馈环路中没有频率除法和相位比较，这就加速了锁相环的锁定时间。一旦压控振荡器的粗调谐找到了合适的调谐线之后，传统的锁相环便可以完成自身的细调谐，直至锁定。

本发明利用PLL的开环特性来扩展锁相环中VCO的调谐范围，使VCO能自动粗调谐到接近最终的调谐线从而减小锁相环的锁定时间。同时，VCO始终工作在某条调谐线的中间，从而保证了PLL锁定的鲁棒性。此外，本发明能自动校准由于工艺、温度、电压和老化等导致的VCO的频率偏移。

附图说明

图1为实施例一中锁相环的电路示意图。

图2为调谐电压与振荡频率的关系图。

图3为本发明方法的流程图。

图4为实施例二中锁相环的电路示意图。

图5为预充电电路A₀的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

本发明揭示了一种锁相环，锁相环由频率锁定模式和相位锁定模式两部分组成。在频率锁定模式下，自动频率校准(AFC)电路和压控振荡器(包括分频器)作为一个频率锁定环路，用来固定自动频率校准电路输出的控制字K，即通过自动频率校准电路，从压控振荡器的诸多调谐线中选择最合适的调谐线。

请参阅图1，本实施例揭示一种快速锁定的锁相环电路，所述锁相环包括依次连接的鉴频鉴相器11、电荷泵12、环路滤波器13、压控振荡器VCO14以及第一分频器15。所述锁相环进一步包括自动频率校准电路20，该自动频率校准电路20连接所述第一分频器15、压控振荡器VCO14，同时连接一第二分频器16，所述第二分频器16生成一固定的参考频率CKR。

所述环路滤波器13、压控振荡器14之间设置第一开关SWPLL；所述压控振荡器VCO还连有第二开关，通过该第二开关

控制压控振荡器14的输入电压的输入。

在自动频率校准电路工作的时候，开关SWPLL打开，同时开关

闭合，赋予压控振荡器的调谐电压值，为1/2VDD，其中，VDD为电源电压，在频率锁定模式下进行粗调谐。当然，初始的调谐电压值也可以选取其他值，选取1/2VDD是为了加快调谐速度。

在相位锁定模式下，闭环锁相环电路由鉴频鉴相器11、电荷泵12、环路滤波器13、压控振荡器14和分频器15组成。鉴频鉴相器11产生输出信号给电荷泵12，这个输出信号是两个输入频率相位差的函数，其中一个频率是参考频率CKR，它来自于晶体振荡器(Fxo)经过分频器(/M)16之后产生的一个固定频率，另外一个频率CKV则来自于压控振荡器经分频器(/N)15之后的频率。鉴频鉴相器11的输出信号同时也使得电荷泵12进行充放电，环路滤波器13过滤电荷泵12的输出为直流信号，该直流信号即为VCO的调谐电压Vctrl，调谐电压将迫使VCO在某个方向上改变频率，使得逐步缩小CKR和CKV的差别。如果最终这两个频率足够的接近，锁相环的反馈机制将迫使这两个频率相等，即为锁定。开关SWPLL闭合，同时开关

打开，闭环环路进行细调谐，最终确定压控振荡器的调谐电压。

所述自动频率校准电路20的作用在于，在所述压控振荡器14经第一分频器15分频后的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器14的振荡频率CKV；在所述压控振荡器14的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器14的振荡频率CKV。

请继续参阅图1，本实施例中，所述自动频率校准电路20包括依次连接的计数器21、比较器22、搜索引擎单元23。所述计数器21连接所述第一分频器15、第二分频器16，所述搜索引擎单元23连接所述压控振荡器14；所述计数器21及比较器22用以比较压控振荡器14经第一分频器15分频后的频率CKV与参考频率CKR。所述搜索引擎单元23在所述压控振荡器14的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器14的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器14的振荡频率CKV。

在自动频率校准电路中没有频率除法和相位比较。预先设定VCO的一个初始调谐电压(1/2VDD)，在所感兴趣的频率范围中间产生一个振荡频率(在下边界第一调谐频率F1与上边界第二调谐频率F2之间)。这个初始的VCO振荡频率(或除下来的频率)与参考频率作比较。这两个频率的差被自动频率校准电路处理，最终输出VCO的数控电容的控制字，并选择其中一组离散电容使得VCO的振荡频率接近参考频率。

自动频率校准(AFC)电路的重要特性包括AFC完成的时间，VCO的数控电容位数(K)和AFC的频率检测精度(f_res)。这些特性由锁相环系统的许多参数来决定：总的锁定时间，VCO的频率调谐范围(f_BAND)，VCO的电压增益(K_VC0)，以及相位噪声等。较小的K_VC0可获得低相位噪声，从而要求降低f_res。一旦给定f_res，当频率调谐范围增大，相应的数控电容位数K也需增大。为了满足所有情况下的正确的频率锁定，K的选取应当大于f_BAND与f_res的比值，如公式(1)所示。由于VCO的所有调谐线相互之间存在交叠，K应当选择为2倍于f_BAND与f_res的比值，以确保VCO的设计余度，如公式(2)所示。从图2中还可以得到VCO的电压增益K_VC0可用公式(3)表示。其中，V_max为最大调谐电压，V_min为最小调谐电压。

$K\≥{\log }_2\left(\frac{f_{\mathrm{BAND}}}{f_{\mathrm{res}}}\right)---\left(1\right)$

$K={\log }_2\left(2\frac{f_{\mathrm{BAND}}}{f_{\mathrm{res}}}\right)---\left(2\right)$

$K_{\mathrm{vco}}=\frac{f_{\mathrm{res}}}{V_{\max }-V_{\min }}---\left(3\right)$

本实施例中，锁相环中的VCO有模拟控制输入和数字控制输入。自动频率校准电路实行粗调谐，并在VCO开始工作的时候实现。在粗调谐的过程中，所感兴趣的频段被分成2ⁿ个离散的子频段，n为整数。粗调谐用二分法来实现，在二分法搜索的过程中，所搜索的频率范围被分成两部分，期望的频率最多只需n-1步就可找到与输入信号相匹配的最接近的数字控制字。图2显示的是自动频率校准算法的流程图。粗调谐之后，锁相环将使用粗调谐中所找到的最佳匹配的调谐线进行模拟细调谐，直至锁定。

粗调谐由图1中的自动频率校准电路20实现。自动频率校准电路20中的计数器21用来计数一个CKR周期里CKV的个数N’；比较器22用来将所期望的频率经某种转换后得到的N0与N’进行比较；比较器22的输出被二进制搜索引擎单元进行运算，通过二分法将寄存器Reg1，Reg2，Reg3不断进行更新。如果所寻找到的调谐线不在上边界或下边界的话，将通过对相邻两个调谐线进行频率差值比较，最终选择两个差值中较小的那个，至此，自动频率校准电路完成。

如果VCO经分频器之后的频率CKV快于参考频率CKR：

取Reg1＝Reg1；

取Reg3＝Reg2；

取Reg2＝(Reg1+Reg2)/2；

否则，如果VCO经分频器之后的频率CKV慢于参考频率CKR：

取Reg3＝Reg3；

取Reg1＝Reg2；

取Reg2＝(Reg2+Reg3)/2；

否则，如果VCO经分频器之后的频率CKV与参考频率CKR的差在设定的范围内，即找到该条调谐线，自动频率校准电路结束。

以上揭示了本发明更快速锁定的锁相环电路及其自动频率校准电路，本发明在揭示上述锁相环及其自动频率校准电路的同时，还揭示了上述自动频率校准电路的调谐方法。所述自动频率校准电路20的调谐方法包括如下步骤：

步骤一，设定频率调谐范围的最低频率为第一调谐频率、最高频率为第二调谐频率；压控振荡器14的振荡频率CKV在第一调谐频率F1(下边界)与第二调谐频率F2(上边界)之间。优选地，设定所述压控振荡器14的初始调谐电压为1/3VDD-2/3VDD之间，其中，VDD为电源电压。本实施例中，设定所述压控振荡器14的初始调谐电压为1/2VDD，其中，VDD为电源电压。优选地，所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV的初始值为(F1+F2)/2。

步骤二，比较器22比较所述压控振荡器14的振荡频率CKV及参考频率CKR的大小。

步骤三，在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F2为振荡频率CKV，振荡频率CKV则减小至(CKV+F1)/2；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F1为振荡频率CKV，振荡频率CKV则增大至(CKV+F2)/2。

步骤四，循环执行上述步骤二、步骤三，直至振荡频率CKV与参考频率CKR的差符合设定条件。

具体地，请参阅图2、图3，图2、图3揭示了本实施例自动频率校准电路调谐方法的具体实现流程。

由以上对锁相环及其自动频率校准电路的介绍可知，在粗调谐的过程中，所感兴趣的频段被分成2ⁿ个离散的子频段，n为整数。如，n可为4、8等等。本实施例以n＝7为例介绍上述方法的实现过程，则振荡频率的下边界为0，上边界为127(2⁷-1)，共2⁷个离散的子频段。

请参阅图3，本实施例中锁相环自动频率校准电路的调谐方法包括如下步骤：

【步骤11】自动频率校准电路AFC开始工作；

搜索过程中，取输入调谐电压Vref＝1/2VDD，这样可以使自动频率校准之后，锁相环能更快的锁定。同时，也许VCO最底下一条调谐线，调谐电压小于Vref的部分没有振荡，而所得到的整个VCO的频率又能覆盖调谐范围，则选择Vref＝1/2VDD可包容这种情况。

【步骤12】取寄存器Reg1＝振荡频率的下边界，即Reg1＝0；取寄存器Reg3＝振荡频率的上边界，即Reg1＝127；取寄存器Reg2＝(Reg1+Reg3)/2。即二分法搜索从中间(2ⁿ)/2开始。

取Reg2＝(Reg1+Reg3)/2是为了加快调谐时间，期望的频率最多只需n-1步就可找到与输入信号相匹配的最接近的数字控制字。当然，Reg2可以取其他值。

【步骤13】计数器计数一个CKR周期里CKV的个数N’；

【步骤14】比较器将所期望的频率经某种转换后得到的N0与N’进行比较，比较器的输出被二进制搜索引擎进行运算；若N’＝N0，则结束调谐；否则执行步骤15；

【步骤15】判断N’＞N0是否为真，若是执行步骤16，否则执行步骤17；

【步骤16】取Reg1＝Reg1；Reg3＝Reg2；Reg2＝(Reg1+Reg2)/2；执行步骤18；

【步骤17】取Reg3＝Reg3；Reg1＝Reg2；Reg2＝(Reg2+Reg3)/2；执行步骤18；

【步骤18】判断Reg2＝Reg1+1是否为真，若为真，执行步骤19，否则转至步骤13；

【步骤19】判断Reg1＝0或Reg2＝127中的一个是否为真，只要其中一个为真，执行步骤20；否则执行步骤21；

【步骤20】在一个CKR周期计算CKV的个数N’；执行步骤21；

【步骤21】判断f₀-f_(Reg1)≤f₀-f_(Reg2)是否为真，若是执行步骤22，否则执行步骤23。

【步骤22】取SCAP＝Reg1；执行步骤24。

即取两个差值较小的那个调谐线，会使得整个锁相环的相位噪声更好。如果在允许的误差范围内两个差值相等，即都能满足要求时，根据所设计的VCO的调谐特性，选择K_VCO小的那条，从而使整个系统得到更好的SNR。

【步骤23】取SCAP＝Reg2；执行步骤24；

【步骤24】完成调谐。

综上所述，本发明提出的锁相环及其自动频率校准电路，锁相环PLL中的压控振荡器VCO的工作有粗调谐和细调谐两种频率控制方式。在粗调谐过程中，利用二分法快速的匹配到所期望的频率调谐线。由于在闭环反馈环路中没有频率除法和相位比较，这就加速了锁相环的锁定时间。一旦压控振荡器的粗调谐找到了合适的调谐线之后，传统的锁相环便可以完成自身的细调谐，直至锁定。

本发明利用PLL的开环特性来扩展锁相环中VCO的调谐范围，使VCO能自动粗调谐到接近最终的调谐线从而减小锁相环的锁定时间。同时，VCO始终工作在某条调谐线的中间，从而保证了PLL锁定的鲁棒性。此外，本发明能自动校准由于工艺、温度、电压和老化等导致的VCO的频率偏移。

实施例二

请参阅图4，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述滤波器的输入端连有一预充电电路A₀17，在AFC进行搜索的时候，预充电电路A₀17进行预充电，将A点的电压预充到输入电压Vb(该电压可编程)，Vb在初始设定的时候，可设置在锁相环最后锁定时的控制电压。当AFC完成任务时，关断预充电电路A₀。由于环路滤波器的电容储存效应，使得锁相环在进行细调谐时的最终锁定电压即在Vb附近，从而进一步加快了锁相环的锁定，达到系统的要求。为了使该预充电电路A₀不对电荷泵有所影响，在电荷泵和A点之间加入了开关。

请参阅图5，图5为预充电电路A₀17的电路示意图。所述预充电电路A₀17包括晶体管M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6；晶体管M0、M1的栅极分别连接预充电电路A₀的输入电压VIP、VIN，晶体管MO、M1的源极连接晶体管M2的漏极，晶体管M0的漏极连接晶体管M3的漏极，晶体管M1的漏极连接晶体管M4的漏极；晶体管M2、M6的栅极连接输入电压Vb，晶体管M2的源极连接晶体管M6的源极；晶体管M3、M4、M5的源极连接预充电电路A₀17的电源电压VDD2；晶体管M5、M6的漏极连接输出电压VOUT。

由于预充电电路和自动频率控制的共同作用，使得锁相环的锁定时间进一步缩短。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (25)

1.一种快速锁定的锁相环电路，其特征在于，所述锁相环包括依次连接的鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器VCO以及第一分频器；

所述锁相环进一步包括自动频率校准电路，该自动频率校准电路连接所述第一分频器、压控振荡器VCO，同时连接一第二分频器，所述第二分频器生成一固定的参考频率CKR；

所述自动频率校准电路在所述压控振荡器VCO经第一分频器分频后的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV。

2.根据权利要求1所述的快速锁定的锁相环电路，其特征在于：

所述滤波器的输入端连有一预充电电路A₀，在AFC进行搜索时，预充电电路A₀进行预充电，将滤波器的输入端A点的电压预充到预充电电路A₀的输入电压Vb，电压Vb在初始设定的时候，设置为锁相环最后锁定时的控制电压；当AFC完成任务时，关断预充电电路A₀；所述电荷泵与滤波器之间设置一开关。

3.根据权利要求2所述的快速锁定的锁相环电路，其特征在于：

所述预充电电路A₀包括晶体管M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6；

晶体管M0、M1的栅极分别连接预充电电路A₀的输入电压VIP、VIN，晶体管M0、M1的源极连接晶体管M2的漏极，晶体管M0的漏极连接晶体管M3的漏极，晶体管M1的漏极连接晶体管M4的漏极；

晶体管M2、M6的栅极连接输入电压Vb，晶体管M2的源极连接晶体管M6的源极；

晶体管M3、M4、M5的源极连接预充电电路A₀的电源电压VDD2；晶体管M5、M6的漏极连接输出电压VOUT。

4.根据权利要求1所述的快速锁定的锁相环电路，其特征在于：

所述自动频率校准电路包括依次连接的计数器、比较器、搜索引擎单元；所述计数器连接所述第一分频器、第二分频器，所述搜索引擎单元连接所述压控振荡器VCO；

所述计数器及比较器用以比较VCO经第一分频器分频后的频率CKV与参考频率CKR；

所述搜索引擎单元在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV。

5.根据权利要求4所述的快速锁定的锁相环电路，其特征在于：

所述搜索引擎单元的搜索方法如下：

设定频率调谐范围的最低频率为第一调谐频率、最高频率为第二调谐频率；压控振荡器VCO的振荡频率CKV在第一调谐频率F1与第二调谐频率F2之间；

在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F2为振荡频率CKV，振荡频率CKV则减小至(CKV+F1)/2；

在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F1为振荡频率CKV，振荡频率CKV则增大至(CKV+F2)/2；

循环执行上述步骤，直至振荡频率CKV与参考频率CKR的差符合设定条件。

6.根据权利要求5所述的快速锁定的锁相环电路，其特征在于：

所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV的初始值为(F1+F2)/2。

7.根据权利要求1至6之一所述的快速锁定的锁相环电路，其特征在于：

所述环路滤波器、压控振荡器VCO之间设置一第一开关；

所述压控振荡器VCO还连有一第二开关，通过该第二开关控制压控振荡器VCO的输入电压的输入。

8.根据权利要求1至6之一所述的快速锁定的锁相环电路，其特征在于：

设定所述压控振荡器VCO的初始调谐电压为1/3VDD-2/3VDD之间，其中，VDD为电源电压。

9.根据权利要求8所述的快速锁定的锁相环电路，其特征在于：

设定所述压控振荡器VCO的初始调谐电压为1/2VDD，其中，VDD为电源电压。

10.根据权利要求1至6之一所述的快速锁定的锁相环电路，其特征在于：

所述压控振荡器VCO的数控电容位数

其中，f_res为自动频率校准的频率检测精度，f_BAND为压控振荡器VCO的频率调谐范围。

11.根据权利要求10所述的快速锁定的锁相环电路，其特征在于：

所述压控振荡器VCO的数控电容位数

VCO的电压增益其中，Vmax为最大调谐电压，Vmin为最小调谐电压。

12.一种自动频率校准电路，其特征在于：该自动频率校准电路连接一压控振荡器VCO，用以调谐压控振荡器VOO的振荡频率CKV，使其振荡频率CKV与参考频率CKR的差符合设定要求；

所述自动频率校准电路在所述压控振荡器VCO经第一分频器分频后的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV。

13.根据权利要求12所述的自动频率校准电路，其特征在于：

所述自动频率校准电路包括依次连接的计数器、比较器、搜索引擎单元；所述计数器连接所述第一分频器、第二分频器，所述搜索引擎单元连接所述压控振荡器VCO；

所述计数器及比较器用以比较VCO经第一分频器分频后的频率CKV与参考频率CKR；

所述搜索引擎单元在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV。

14.根据权利要求13所述的自动频率校准电路，其特征在于：

所述搜索引擎单元的搜索方法如下：

设定频率调谐范围的最低频率为第一调谐频率、最高频率为第二调谐频率；压控振荡器VCO的振荡频率CKV在第一调谐频率F1与第二调谐频率F2之间；

在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F2为振荡频率CKV，振荡频率CKV则减小至(CKV+F1)/2；

在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F1为振荡频率CKV，振荡频率CKV则增大至(CKV+F2)/2；

循环执行上述步骤，直至振荡频率CKV与参考频率CKR的差符合设定条件。

15.根据权利要求14所述的自动频率校准电路，其特征在于：

所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV的初始值为(F1+F2)/2。

16.根据权利要求12至15之一所述的自动频率校准电路，其特征在于：

所述环路滤波器、压控振荡器VCO之间设置一第一开关；

所述压控振荡器VCO还连有一第二开关，通过该第二开关控制压控振荡器VCO的输入电压的输入。

17.根据权利要求12至15之一所述的自动频率校准电路，其特征在于：设定所述压控振荡器VCO的初始调谐电压为1/2VDD，其中，VDD为电源电压。

18.一种锁相环自调谐锁定方法，其特征在于，所述锁相环包括依次连接的鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器VCO以及第一分频器；

所述锁相环进一步包括自动频率校准电路，该自动频率校准电路连接所述第一分频器、压控振荡器VCO，同时连接一第二分频器，所述第二分频器生成一固定的参考频率CKR；

所述自动频率校准电路在所述压控振荡器VCO经第一分频器分频后的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV。

19.根据权利要求18所述的锁相环自调谐锁定方法，其特征在于：

所述滤波器的输入端连有一预充电电路A₀；

在AFC进行搜索时，预充电电路A₀进行预充电，将滤波器的输入端A点的电压预充到预充电电路A₀的输入电压Vb；

电压Vb在初始设定的时候，设置为锁相环最后锁定时的控制电压；

当AFC完成任务时，关断预充电电路A₀；所述电荷泵与滤波器之间设置一开关。

20.根据权利要求19所述的锁相环自调谐锁定方法，其特征在于：

所述预充电电路A₀包括晶体管M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6；

晶体管M0、M1的栅极分别连接预充电电路A₀的输入电压VIP、VIN，晶体管M0、M1的源极连接晶体管M2的漏极，晶体管M0的漏极连接晶体管M3的漏极，晶体管M1的漏极连接晶体管M4的漏极；

晶体管M2、M6的栅极连接输入电压Vb，晶体管M2的源极连接晶体管M6的源极；

晶体管M3、M4、M5的源极连接预充电电路A₀的电源电压VDD2；晶体管M5、M6的漏极连接输出电压VOUT。

21.根据权利要求18所述的锁相环自调谐锁定方法，其特征在于：

所述自动频率校准电路包括依次连接的计数器、比较器、搜索引擎单元；所述计数器连接所述第一分频器、第二分频器，所述搜索引擎单元连接所述压控振荡器VCO；

所述计数器及比较器用以比较VCO经第一分频器分频后的频率CKV与参考频率CKR；

所述搜索引擎单元在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV；在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV。

22.根据权利要求21所述的锁相环自调谐锁定方法，其特征在于：

所述搜索引擎单元的搜索方法如下：

设定频率调谐范围的最低频率为第一调谐频率、最高频率为第二调谐频率；压控振荡器VCO的振荡频率CKV在第一调谐频率F1与第二调谐频率F2之间；

在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV高于参考频率CKR时，减小所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F2为振荡频率CKV，振荡频率CKV则减小至(CKV+F1)/2；

在所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV低于参考频率CKR时，增大所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV，并取第二调谐频率F1为振荡频率CKV，振荡频率CKV则增大至(CKV+F2)/2；

循环执行上述步骤，直至振荡频率CKV与参考频率CKR的差符合设定条件。

23.根据权利要求22所述的锁相环自调谐锁定方法，其特征在于：

所述压控振荡器VCO的振荡频率CKV的初始值为(F1+F2)/2。

24.根据权利要求20至23之一所述的锁相环自调谐锁定方法，其特征在于：

所述环路滤波器、压控振荡器VCO之间设置一第一开关；

所述压控振荡器VCO还连有一第二开关，通过该第二开关控制压控振荡器VCO的输入电压的输入。

25.根据权利要求20至23之一所述的锁相环自调谐锁定方法，其特征在于：

设定所述压控振荡器VCO的初始调谐电压为1/2VDD，其中，VDD为电源电压。

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