CN102522985B - 锁相环及其压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锁相环及其压控振荡器，所述压控振荡器包括：压控振荡器组合模块，包含两个或更多个子振荡器以及选择开关，各个子振荡器具有不同的输出信号频段且相邻的两个频段之间具有交叠；电压控制装置，由充电控制信号控制，将调谐电压、窗口上限电压、窗口下限电压其中之一作为控制电压输出至压控振荡器组合模块；电压监测模块，在控制电压大于窗口上限电压或小于窗口下限电压时产生触发信号；自动频率控制单元，由触发信号触发产生选择其中一个子振荡器的输出信号作为对外输出信号的子振荡器选择信号以及充电控制信号，直至目标频率落入当前被选择的子振荡器的输出信号频段内。本发明能够扩大锁相环频率锁定范围而不影响相位噪声性能。

Description

锁相环及其压控振荡器

技术领域

本发明涉及锁相环，尤其涉及一种自动频率控制的压控振荡器及包含该压控振荡器的锁相环。

背景技术

在现有技术中，常用的锁相环电路如图1所示，压控振荡器14产生输出信号fo，它的频率受调谐电压Vctrl控制，可编程分频器11根据接收到的分频数控制信号对输出信号fo进行分频后产生反馈信号fb，反馈信号fb被传送给鉴频鉴相器12（反馈信号fb的频率等于fo/N，其中N为可编程分频器11的分频倍数），鉴频鉴相器12将反馈信号fb和参考时钟fr进行相位和频率比较，根据比较的结果来控制电荷泵13对调谐电压Vctrl进行充电或者放电，调谐电压Vctrl再来控制压控振荡器14，最终使得fb=fr，即压控振荡器14的输出信号fo的频率等于N×fr（其中N为可编程分频器11的分频倍数，fr为参考时钟的频率）。

在很多应用场合，常要求锁相环具有宽的频率锁定范围，即要求压控振荡器具有宽的调谐范围，即其输出信号频率能覆盖较宽的频段。随着工艺技术的发展，芯片电源电压不断下降，调谐电压范围也不断减小。宽的调谐范围和小的调谐电压将导致比较大的压控振荡器增益，这样将会使压控振荡器更容易受到外界干扰的影响，相位噪声性能恶化，进而影响锁相环的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种锁相环及其压控振荡器，能够扩大锁相环频率锁定范围而不影响相位噪声性能。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种压控振荡器，包括：

压控振荡器组合模块，所述压控振荡器组合模块包含两个或更多个子振荡器以及与各个子振荡器的输出端相连的选择开关，其中各个子振荡器具有不同的输出信号频段，且相邻的两个频段之间具有交叠；

电压控制装置，接收外部的调谐电压并生成窗口上限电压和窗口下限电压，由充电控制信号控制，将所述调谐电压、窗口上限电压、窗口下限电压其中之一作为控制电压输出至所述压控振荡器组合模块中的各个子振荡器，以控制各子振荡器的输出信号频率；

电压监测模块，监测所述电压控制装置输出的控制电压，在所述控制电压大于所述窗口上限电压或小于所述窗口下限电压时产生触发信号；

自动频率控制单元，接收所述压控振荡器组合模块产生的对外输出信号、以及外部的目标频率、参考时钟，由所述电压监测装置产生的触发信号触发，产生子振荡器选择信号以及所述充电控制信号，其中所述子振荡器选择信号用于控制所述选择开关选择其中一个子振荡器的输出信号作为对外输出信号，直至所述目标频率落入当前被选择的子振荡器的输出信号频段内。

可选地，所述压控振荡器还包括：

预分频器，所述对外输出信号经由所述预分频器分频后输入至所述自动频率控制单元。

可选地，所述压控振荡器组合模块还包括连接在各个子振荡器的输出端的数控电容阵列，所述自动频率控制单元由所述触发信号触发还产生对所述数控电容阵列的等效电容值进行调节的电容选择信号。

可选地，所述数控电容阵列包括并联的多个数控电容单元，其中每个数控电容单元包括：

第一电容，一个极板连接所述子振荡器的正相输出端；

第一MOS晶体管，其漏极连接所述第一电容的另一个极板，源极接地，栅极接收所述电容选择信号；

第二电容，一个极板连接所述子振荡器的反相输出端；

第二MOS晶体管，其漏极连接所述第二电容的另一个极板，源极接地，栅极接收所述电容选择信号。

可选地，所述自动频率控制单元包括：

频率计算模块，由所述触发信号触发，根据所述参考时钟和经由所述预分频器分频后的对外输出信号计算所述对外输出信号的频率；

频率比较模块，由所述触发信号触发，将所述对外输出信号的频率与所述目标频率进行比较；

子频段搜索模块，由所述触发信号触发，根据所述频率比较模块输出的比较结果产生所述子振荡器选择信号、电容选择信号和充电控制信号，以对各个子振荡器进行选择、调节所述数控电容阵列的等效电容、切换所述电压控制装置输出的控制电压，直至所述目标频率落入当前被选择的子振荡器在数控电容阵列当前的等效电容值下的子频段内。

可选地，所述自动频率控制单元以如下机制工作：当所述压控振荡器正常锁定在所述目标频率时，所述自动频率控制单元处于休眠状态，所述电压控制装置将所述控制电压切换为所述调谐电压；所述自动频率控制单元在接收到所述触发信号后被唤醒，搜索符合锁定条件的子振荡器和/或子频段：首先选中一个子振荡器，然后不断调整所述电容选择信号，以确定在所述数控电容阵列的各个不同的等效电容下，是否有子频段能够覆盖所述目标频率，如果找到满足锁定条件的子频段，则不再继续搜索下一个子振荡器；如果在当前的子振荡器中没有找到满足锁定条件的子频段，则继续选中下一个子振荡器，然后再次调整所述电容选择信号，直至被选中的子振荡器在其数控电容阵列当前的等效电容值下能够满足锁定条件为止。

可选地，所述自动频率控制单元在选中某个子振荡器后，采用如下机制判断该子振荡器是否满足锁定条件：首先通过所述充电控制信号来控制所述电压控制装置将所述控制电压切换为所述窗口下限电压，根据所述预分频器产生的反馈信号和所述参考时钟计算所述压控振荡器组合模块当前的对外输出信号的频率，记为fL；之后通过所述充电控制信号来控制所述电压控制装置将所述控制电压固定为所述窗口上限电压，根据所述分频器送来的反馈信号和参考时钟计算所述压控振荡器组合模块的对外输出信号的频率，记为fH；如果所述目标频率落在所述fL和fH之间，那么确定当前的等效电容值对应的子频段满足锁定条件，否则不满足；在确定当前被选中的子振荡器的当前子频段满足锁定条件后，将所述子振荡器选择信号和电容选择信号保持固定，所述自动频率控制单元重新回到休眠状态，同时调整所述充电控制信号以将所述控制电压切换为调谐电压。

可选地，所述电压控制装置包括：

电阻网络，一端连接电源，另一端接地，分压产生所述窗口上限电压和窗口下限电压；

第一开关，其输入端接收所述窗口上限电压，其控制端受所述充电控制信号控制；

第二开关，其输入端接收所述窗口下限电压，其控制端受所述充电控制信号控制；

电压跟随器，其输入端连接所述第一开关的输出端和所述第二开关的输出端；

第三开关，其输入端连接所述电压跟随器的输出端，其控制端受所述充电控制信号控制；

第四开关，其输入端接收所述调谐电压，其输出端与所述第三开关的输出端相连以输出所述控制电压，其控制端受所述充电控制信号控制。

可选地，所述电压跟随器包括：

运算放大器，其正输入端连接所述第一开关的输出端，其负输入端连接该运算放大器的输出端。

可选地，所述电压监测模块包括：

第一比较器，其第一输入端接收所述控制电压，其第二输入端接收所述窗口下限电压；

第二比较器，其第一输入端接收所述控制电压，其第二输入端接收所述窗口上限电压；

与门，其输入端分别与所述第一比较器和第二比较器的输出端相连，其输出端输出所述触发信号。

可选地，所述子振荡器包括：

第一PMOS晶体管，其源极连接电源；

第一NMOS晶体管，其源极接地，栅极接收所述子振荡器选择信号；

第二PMOS晶体管，其源极连接所述第一PMOS晶体管的漏极；

第三PMOS晶体管，其源极连接所述第一PMOS晶体管的漏极，栅极连接所述第二PMOS晶体管的漏极，漏极连接所述第二PMOS晶体管的栅极；

第二NMOS晶体管，其漏极连接所述第二PMOS晶体管的漏极，源极连接所述第一NMOS晶体管的漏极；

第三NMOS晶体管，其漏极连接所述第三PMOS晶体管的漏极，源极连接所述第一NMOS晶体管的漏极和所述第二NMOS晶体管的栅极，栅极连接所述第二NMOS晶体管的漏极；

非门，其输入端接收所述子振荡器选择信号，输出端连接所述第一PMOS晶体管的栅极；

电感，其一端连接所述第二PMOS晶体管的漏极，另一端连接所述第三PMOS晶体管的漏极，其中，所述第二PMOS晶体管的漏极作为所述子振荡器的正相输出端，所述第三PMOS晶体管的漏极作为所述子振荡器的反相输出端；

变容管，连接在所述正相输出端和反相输出端之间，其电容大小由所述控制电压控制。

本发明还提供了一种锁相环，包括上述任一项所述的压控振荡器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的压控振荡器中的压控振荡器组合模块包括两个或更多个子振荡器，各个子振荡器具有不同的输出信号频段且相邻的两个频段之间具有交叠部分，在外部的调谐电压大于窗口上限电压或小于窗口下限电压时（即锁相环未锁定）产生触发信号，以触发自动频率控制单元对各个子振荡器进行选择，直至目标频率落入某一个子振荡器的频段范围内（即锁相环锁定），从而增大了整个压控振荡器的调谐范围而且并不会影响相位噪声性能。

进一步地，各个子振荡器的输出端还连接有数控电容阵列，其等效电容值由自动频率控制单元控制，拓宽了子振荡器的调谐范围，有利于进一步增大整个压控振荡器的调谐范围。

附图说明

图1是现有技术中一种锁相环的结构框图；

图2是本发明实施例的压控振荡器的结构框图；

图3是图2中的压控振荡器组合模块的结构框图；

图4是图3中的子振荡器的电路结构示意图；

图5是图4中的数控电容阵列的电路结构示意图；

图6是图2中的一个子振荡器的电压-频率响应曲线示意图；

图7是图2中的压控振荡器组合模块内各子振荡器的电压-频率响应曲线示意图；

图8是图2中的电压控制装置的电路结构示意图；

图9是图2中的电压监测模块的电路结构示意图；

图10是图2中的自动频率控制单元的结构框图。

具体实施方式

现有技术中，压控振荡器的调谐范围增大将导致较大的压控振荡器增益，使得压控振荡器更容易受外界干扰的影响，相位噪声性能较差。

本发明实施例的压控振荡器中的压控振荡器组合模块包括两个或更多个子振荡器，各个子振荡器具有不同的输出信号频段且相邻的两个频段之间具有交叠部分，在外部的调谐电压大于窗口上限电压或小于窗口下限电压时（即锁相环未锁定）产生触发信号，以触发自动频率控制单元对各个子振荡器进行选择，直至目标频率落入某一个子振荡器的频段范围内（即锁相环锁定），从而增大了整个压控振荡器的调谐范围而且并不会影响相位噪声性能。

进一步地，各个子振荡器的输出端还连接有数控电容阵列，其等效电容值由自动频率控制单元控制，拓宽了子振荡器的调谐范围，有利于进一步增大整个压控振荡器的调谐范围。

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图2示出了本实施例的压控振荡器的框图，包括：压控振荡器组合模块21、预分频器22、电压控制装置25、电压监测模块24、自动频率控制单元23。

其中，压控振荡器组合模块21包含两个或更多个子振荡器以及与各个子振荡器的输出端相连的选择开关，其中各个子振荡器具有不同的输出信号频段，且相邻的两个频段之间具有交叠。

电压控制装置25接收外部的调谐电压Vctrl并生成窗口上限电压和窗口下限电压，由充电控制信号控制，将调谐电压Vctrl、窗口上限电压、窗口下限电压其中之一作为控制电压VctrlB输出至压控振荡器组合模块21中的各个子振荡器，以控制各子振荡器的输出信号频率。

电压监测模块24监测电压控制装置25输出的控制电压VctrlB，在控制电压VctrlB大于窗口上限电压或小于窗口下限电压时产生触发信号。

自动频率控制单元23接收压控振荡器组合模块21产生的对外输出信号、以及外部的目标频率、参考时钟，由电压监测装置24产生的触发信号触发，产生控制所述选择开关选择其中一个子振荡器的输出信号作为对外输出信号的子振荡器选择信号以及所述充电控制信号，直至目标频率落入当前被选择的子振荡器的输出信号频段内。

此外，作为一个优选的实施例，自动频率控制单元23并不直接接收压控振荡器组合模块21产生的对外输出信号，而是对外输出信号经过预分频器22分频后（图2中标记为反馈信号）再输入至自动频率控制单元23。

压控振荡器组合模块21的更详细的结构框图如图3所示，包括两个或更多个子振荡器（作为示例，图3中包括子振荡器211和212），以及与各个子振荡器的输出端相连的选择开关213。

各个子振荡器可以是各种压控振荡器，并且彼此具有不同的输出信号频段，且相邻的两个频段之间具有交叠。同时参考图7，图7中曲线a、b、c分别表示其中一个子振荡器的调谐曲线中的各子频段（调谐曲线包括多个子频段的原因将在下文进行详述），其对应的子振荡器的输出信号的整体频段可以覆盖fa至fc，曲线b、c、d对应的子振荡器的输出信号的整体频段为fb至fd，它们共同覆盖的频段为fb至fd，其中，fb至fc之间的频段是二者交叠的频段。因此，可以形成无缝的频段覆盖，保证目标频率能够被锁定。

以图3为例，子振荡器211的输出信号通过正相输出端OUTP1和反相输出端OUTM1输出，其频率受控制电压VctrlB和电容选择信号D<1:3>的控制；类似地，子振荡器212的输出信号通过正相输出端OUTP2和反相输出端OUTM2输出，其频率也受到控制电压VctrlB和电容选择信号的控制。子振荡器211和子振荡器212中被选中的一个的输出信号通过选择开关213的正相输出端OUTP和反相输出端OUTM输出。

选择开关213可以是各种类型的多路选择开关，例如模拟选择开关等。在自动频率控制单元23输出的子振荡器选择信号的控制下，选择其中一个子振荡器的输出信号作为对外输出信号，即作为整个压控振荡器向外输出的信号。

图4示出了各个子振荡器的详细电路结构图，各子振荡器的电路结构类似但是具体硬件参数不同，包括：增益单元214、变容管216，此外作为一个优选的实施例，子振荡器的输出端还连接有数控电容阵列215。

其中，增益单元214包括：第一PMOS晶体管pmos1，其源极连接电源；第一NMOS晶体管nmos1，其源极接地，栅极接收子振荡器选择信号；第二PMOS晶体管pmos2，其源极连接第一PMOS晶体管pmos1的漏极；第三PMOS晶体管pmos3，其源极连接第一PMOS晶体管pmos1的漏极，栅极连接第二PMOS晶体管pmos2的漏极，漏极连接第二PMOS晶体管pmos2的栅极；第二NMOS晶体管nmos2，其漏极连接第二PMOS晶体管pmos2的漏极，源极连接第一NMOS晶体管nmos1的漏极；第三NMOS晶体管nmos3，其漏极连接第三PMOS晶体管pmos3的漏极，源极连接第一NMOS晶体管nmos1的漏极和第二NMOS晶体管nmos2的栅极，栅极连接第二NMOS晶体管nmos2的漏极；非门217，其输入端接收子振荡器选择信号，输出端连接第一PMOS晶体管pmos1的栅极；电感218，其一端连接第二PMOS晶体管pmos2的漏极，另一端连接第三PMOS晶体管pmos3的漏极，其中，第二PMOS晶体管pmos2的漏极作为该子振荡器的正相输出端OutP，第三PMOS晶体管pmos3的漏极作为该子振荡器的反相输出端OutM。其中，电感218可以采用分立器件也可以采用集成在芯片中的电感器件。

其中，当子振荡器选择信号为1（逻辑高电平）时，第一NMOS晶体管nmos1和第一PMOS晶体管pmos1都处于截止状态，子振荡器处于断电状态，此时其输出端为高阻。因此，在子振荡器组合模块中，仅仅是被子振荡器选择信号选中的子振荡器处于工作状态，并且其输出频率作为整个子振荡器组合模块的对外输出信号。

变容管216连接在正相输出端OutP和反相输出端OutM之间，其电容大小由控制电压VctrlB控制。变容管是一个被电压控制的可变电容，如反向偏置的二极管、MOS管可变电容等。变容管216的电容大小可以被控制

数控电容阵列215是可选的，可以有效地拓宽子振荡器的频率输出范围，其等效电容值由电容选择信号D<1:3>控制。作为示例，此处的电容选择信号为3位，但是应当理解，电容选择信号可以包含任何适当数量的位。

子振荡器的输出信号频率由连接在其输出端的电感218以及等效电容的大小来确定。数控电容阵列215中的电容大小被电容选择信号控制，通过改变电容选择信号的值可以对子振荡器的输出信号频率进行粗调，形成一系列子频段。变容管216的电容大小被控制电压VctrlB控制，通过改变控制电压VctrlB的大小，可以对子振荡器的输出信号频率进行微调。

图6示出了一个子振荡器中的子频段示意图，横轴为控制电压VctrlB，纵轴为子振荡器的输出频率。图中每条曲线代表数控电容阵列215的各个等效电容值所对应的子频段内的调谐曲线，相邻子频段之间有一定的交叠，这样，对于一个目标频率，都至少有一个子频段可以覆盖到目标频率。具体的，Tb是窗口下限电压，Tc是窗口上限电压，当控制电压VctrlB处于窗口下限电压Tb和窗口上限电压Tc之间的窗口内时，调谐曲线是单调的且线性度较好，锁相环能够正常锁定。

图5示出了数控电容阵列的详细电路，包括多个相互并联的数控电容单元215a，其中每个数控电容单元215a的结构相同但具体元器件参数可以不同，以其中一个为例，包括：第一电容C11、其一个极板（例如上极板）连接子振荡器的正相输出端OutP；第一MOS晶体管nmos11（作为示例，图5中第一MOS晶体管具体为NMOS晶体管），其漏极连接第一电容C11的另一个极板（例如下极板），源极接地，栅极接收电容选择信号（例如，电容选择信号的第一个比特D<1>）；第二电容C12，其一个极板连接子振荡器的反相输出端OutM；第二MOS晶体管nmos12（作为示例，也是NMOS晶体管），其漏极连接第二电容C12的另一个极板，源极接地，栅极接收电容选择信号。

需要说明的是，图5仅仅是示意，数控电容单元215a中所采用的电容可以是多晶电容、金属-金属电容、MOS管电容等任何适当类型的电容。

电容选择信号是一组数字信号，通过控制与电容串联的MOS晶体管的导通或关断状态，可以改变数控电容阵列215的等效电容值，从而使得子振荡器的输出频率也跟着改变，以此来实现对子频段的选择。

仍然参考图5，更加具体地，作为开关管的多个MOS晶体管的导通和关断被电容选择信号控制，导通的MOS晶体管越多，则连接到子振荡器输出端的等效负载电容越大、子振荡器的输出信号频率越低；导通的MOS晶体管越少，则连接到子振荡器输出端的等效负载电容越小、子振荡器的输出信号频率越高。在这里，各个电容的大小关系为二进制倍增的关系，即C11=C12=C，C21=C22=2C，C31=C32=4C，这样通过电容选择信号可以将等效负载电容的大小设置成C、2C、3C、4C、5C、6C、7C中的任何一个值，也就是可以将子振荡器的频段划分为7个子频段，通过电容选择信号可以对子频段进行选择。

图8为电压控制装置的电路结构图，包括：电阻网络，一端连接电源，另一端接地，分压产生窗口上限电压Tc和窗口下限电压Tb；第一开关252，其输入端接收窗口上限电压Tc，其控制端受充电控制信号控制；第二开关253，其输入端接收窗口下限电压Tb，其控制端受充电控制信号控制；电压跟随器251，其输入端连接第一开关252的输出端和第二开关253的输出端；第三开关254，其输入端连接电压跟随器251的输出端，其控制端受充电控制信号控制；第四开关255，其输入端接收调谐电压Vctrl，其输出端与第三开关254的输出端相连以输出控制电压VctrlB，其控制端受充电控制信号控制。

其中，电阻网络可以具体包括依次串联的第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，通过对各电阻的电阻值进行选择以分压得到窗口上限电压Tc和窗口下限电压Tb。

电压跟随器251的输出端电压始终跟随输入端的电压，可以基于运算放大器来实现，具体地，将运算放大器的正输入端连接至第一开关252的输出端，将其负输入端连接至运算放大器自身的输出端。

充电控制信号对各个开关的控制机制如下：当第一开关252和第二开关253都断开时，第四开关255导通、第三开关254断开，此时控制电压VctrlB=调谐电压Vctrl（当连接在如图1所示的锁相环中时，调谐电压Vctrl的电压值受电荷泵13的控制）；当第一开关252导通或者第二开关253导通时，第四开关255断开、第三开关254导通，此时控制电压VctrlB=窗口上限电压Tc，或者控制电压VctrlB=窗口下限电压Tb。

仍然参考图2，电压监测模块24用于实时监测电压控制装置25输出的控制电压VctrlB的状态，当控制电压VctrlB处于预设的参考窗口之内时（即前述窗口下限电压Tb和窗口上限电压Tc所界定的电压窗口），表明锁相环能够正常锁定在目标频率（目标频率指的是锁相环想要得到的输出频率，其具体频率值可以由锁相环中的分频器的分频倍数以及参考频率决定）；当控制电压VctrlB偏离预设的参考窗口时，就发送一个触发信号给自动频率控制单元23，表明目标频率已经改变，当前压控振荡器组合模块21的状态设置已经不能让锁相环正常锁定在新的目标频率，需要对压控振荡器组合模块21的设置进行调整才能让其正常锁定在新的目标频率，也就是当前的子频段已经不能覆盖新的目标频率，需要改变子振荡器选择信号和/或需要改变电容选择信号来选择一个新的子振荡器和/或新的等效电容值，来覆盖新的目标频率。

图9是电压监测模块24的具体结构，包括：第一比较器241，其第一输入端接收控制电压VctrlB，其第二输入端接收窗口下限电压Tb；第二比较器242，其第一输入端接收控制电压VctrlB，其第二输入端接收窗口上限电压Tc；与门243，其输入端分别与第一比较器241和第二比较器242的输出端相连，其输出端输出所述触发信号。当控制电压VctrlB大于窗口下限电压Tb且小于窗口上限电压Tc时，触发信号为高电平，表示控制电压VctrlB处于参考窗口之内；当控制电压VctrlB小于窗口下限电压Tb或者高于窗口上限电压Tc时，表明控制电压VctrlB已经处于参考窗口之外了，需要唤醒自动频率控制单元23。

本实施例中，自动频率控制单元23由数字电路实现，其工作频率较低，而压控振荡器组合模块21的对外输出信号频率一般非常高，不能直接将其输入至自动频率控制单元23进行处理，所以在压控振荡器组合模块21和自动频率控制单元23之间加入了预分频器22用于对压控振荡器组合模块21的对外输出信号进行分频，产生频率较低的反馈信号送给自动频率控制单元23。

当然，如果自动频率控制单元23的工作频率足够高，或者压控振荡器组合模块21的对外输出信号频率足够低，那么也可以并不采用预分频器22，而直接将压控振荡器组合模块21产生的对外输出信号直接输入至自动频率控制单元23内进行处理和计算。

自动频率控制单元23的结构框图如图10所示，包括：频率计算模块231、频率比较模块232和子频段搜索模块233。同时结合图2，触发信号来自于电压监测模块24，参考时钟是一个频率非常精确的信号，一般可以来自于晶振；反馈信号来自于预分频器22的输出。

频率计算模块231由触发信号触发，使用参考时钟计算出反馈信号的频率，然后再乘上预分频器22的分频比就可以得到压控振荡器组合模块21的对外输出信号的频率值。

频率计算模块231将计算得到的对外输出信号的频率发送给频率比较模块232，之后频率比较模块232将压控振荡器组合模块21的对外输出信号的频率与目标频率进行比较，并将比较结果输出给子频段搜索模块233。

子频段搜索模块233根据频率比较模块232输出的比较结果，产生子震荡器选择信号、电容选择信号和充电控制信号，以对各个子振荡器进行选择、调节被选中的子振荡器所连接的数控电容阵列的电容、切换电压控制装置25输出的控制电压VctrlB，直至目标频率落入当前被选择的子振荡器在当前的数控电容阵列的等效电容值下的子频段内。

同时结合图2、图8和图10，自动频率控制单元23的工作原理如下：当整个压控振荡器正常锁定在目标频率时它处于休眠状态，此时电压控制装置25中的第一开关252、第二开关253、第三开关254都处于断开状态，第四开关255处于导通状态，此时控制电压VctrlB=调谐电压Vctrl；当自动频率控制单元23接收到从电压监测模块24发送来的触发信号时就会被唤醒，然后通过以下机制（仅是示例，也可以采用其他方式）来重新搜索符合锁定条件的子振荡器和/或子频段：首先选中频率最低的一个子振荡器（例如，图3中的子振荡器211），然后不断地调整电容选择信号，以确定在数控电容阵列的各个不同的等效电容下，是否有子频段能够覆盖目标频率（即能够锁定），如果能够找到满足条件的子频段，则不再继续搜索下一个频率较高的子振荡器（例如，图3中的子振荡器212）；如果在当前的子振荡器中没有找到满足条件的子频段，则继续选中下一个频率较高的子振荡器（例如，图3中的子振荡器212），然后再次搜索遍历该电容选择信号，直至在某个被选中的子振荡器在其数控电容阵列当前的等效电容值下，能够满足锁定的条件为止（即，目标频率落入当前被选中的子振荡器的当前子频段内）。

更加具体地，选中某个子振荡器后，判断某个子振荡器是否满足锁定条件的机制如下：首先通过充电控制信号控制电压控制装置25将控制电压VctrlB固定在窗口下限电压Tb（第一开关252断开、第二开关253导通、第三开关254导通、第四开关255断开），根据预分频器22产生的反馈信号和参考时钟来计算当前压控振荡器组合模块21的对外输出信号的频率，记为fL；之后通过充电控制信号来控制电压控制装置25将控制电压VctrlB固定在窗口上限电压Tc（第一开关252导通、第二开关253断开、第三开关254导通、第四开关255断开），根据分频器22送来的反馈信号和参考时钟来计算压控振荡器组合模块21的对外输出频率，记为fH；如果目标频率落在fL和fH之间，那么可以判断当前的等效电容值对应的子频段满足锁定条件，否则不满足。

当确定当前被选中的子振荡器的当前子频段满足锁定条件后，将子振荡器选择信号和电容选择信号保持固定，自动频率控制单元23重新回到休眠状态，同时调整充电控制信号，使得电压控制装置25中的第一开关252断开、第二开关253断开、第三开关254断开、第四开关255导通，此时控制电压VctrlB=调谐电压Vctrl，即控制电压VctrlB受锁相环中的电荷泵的控制，通过锁相环路的反馈最终将压控振荡器的对外输出信号的频率锁定在目标频率上。

需要说明的是，如果各个子振荡器的输出端并不连接数控电容阵列的话，那么上述锁定过程中，自动频率控制单元23仅需要控制子振荡器选择信号不停地改变，直至目标频率落入当前被选中的子振荡器的输出频段，而无需再调整电容选择信号来选择不同的子频段。

本实施例还提供了使用上述压控振荡器的锁相环，该锁相环的总体结构可以是如图1所示的结构或者其他适当的结构。以图1的结构为例，压控振荡器14采用的是图2中所示的带自动频率控制的压控振荡器，其输入的调谐电压Vctrl受电荷泵13的控制，其对外输出信号发送可编程分频器11，经由鉴频鉴相器12后形成反馈环路。该锁相环的整体工作原理与常规锁相环相同，这里不再赘述，只是本实施例中的压控振荡器具有更宽的调谐范围，能够扩大真个锁相环的频率锁定范围而不影响相位噪声性能。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种压控振荡器，其特征在于，包括：

压控振荡器组合模块，所述压控振荡器组合模块包含两个或更多个子振荡器以及与各个子振荡器的输出端相连的选择开关，其中各个子振荡器具有不同的输出信号频段，且相邻的两个频段之间具有交叠；

电压控制装置，接收外部的调谐电压并生成窗口上限电压和窗口下限电压，由充电控制信号控制，将所述调谐电压、窗口上限电压、窗口下限电压其中之一作为控制电压输出至所述压控振荡器组合模块中的各个子振荡器，以控制各子振荡器的输出信号频率；

电压监测模块，监测所述电压控制装置输出的控制电压，在所述控制电压大于所述窗口上限电压或小于所述窗口下限电压时产生触发信号；

自动频率控制单元，接收所述压控振荡器组合模块产生的对外输出信号、以及外部的目标频率、参考时钟，由所述电压监测装置产生的触发信号触发，产生子振荡器选择信号以及所述充电控制信号，其中所述子振荡器选择信号用于控制所述选择开关选择其中一个子振荡器的输出信号作为对外输出信号，直至所述目标频率落入当前被选择的子振荡器的输出信号频段内。

2.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，还包括：

预分频器，所述对外输出信号经由所述预分频器分频后输入至所述自动频率控制单元。

3.根据权利要求2所述的压控振荡器，其特征在于，所述压控振荡器组合模块还包括连接在各个子振荡器的输出端的数控电容阵列，所述自动频率控制单元由所述触发信号触发还产生对所述数控电容阵列的等效电容值进行调节的电容选择信号。

4.根据权利要求3所述的压控振荡器，其特征在于，所述数控电容阵列包括并联的多个数控电容单元，其中每个数控电容单元包括：

第一电容，其一个极板连接所述子振荡器的正相输出端；

第一MOS晶体管，其漏极连接所述第一电容的另一个极板，源极接地，栅极接收所述电容选择信号；

第二电容，其一个极板连接所述子振荡器的反相输出端；

第二MOS晶体管，其漏极连接所述第二电容的另一个极板，源极接地，栅极接收所述电容选择信号。

5.根据权利要求3所述的压控振荡器，其特征在于，所述自动频率控制单元包括：

频率计算模块，由所述触发信号触发，根据所述参考时钟和经由所述预分频器分频后的对外输出信号计算所述对外输出信号的频率；

频率比较模块，由所述触发信号触发，将所述对外输出信号的频率与所述目标频率进行比较；

子频段搜索模块，由所述触发信号触发，根据所述频率比较模块输出的比较结果产生所述子振荡器选择信号、电容选择信号和充电控制信号，以对各个子振荡器进行选择、调节所述数控电容阵列的等效电容、切换所述电压控制装置输出的控制电压，直至所述目标频率落入当前被选择的子振荡器在数控电容阵列当前的等效电容值下的子频段内。

6.根据权利要求5所述的压控振荡器，其特征在于，所述自动频率控制单元以如下机制工作：当所述压控振荡器正常锁定在所述目标频率时，所述自动频率控制单元处于休眠状态，所述电压控制装置将所述控制电压切换为所述调谐电压；所述自动频率控制单元在接收到所述触发信号后被唤醒，搜索符合锁定条件的子振荡器和/或子频段：首先选中一个子振荡器，然后不断调整所述电容选择信号，以确定在所述数控电容阵列的各个不同的等效电容下，是否有子频段能够覆盖所述目标频率，如果找到满足锁定条件的子频段，则不再继续搜索下一个子振荡器；如果在当前的子振荡器中没有找到满足锁定条件的子频段，则继续选中下一个子振荡器，然后再次调整所述电容选择信号，直至被选中的子振荡器在其数控电容阵列当前的等效电容值下能够满足锁定条件为止。

7.根据权利要求6所述的压控振荡器，其特征在于，所述自动频率控制单元在选中某个子振荡器后，采用如下机制判断该子振荡器是否满足锁定条件：首先通过所述充电控制信号来控制所述电压控制装置将所述控制电压切换为所述窗口下限电压，根据所述预分频器产生的反馈信号和所述参考时钟计算所述压控振荡器组合模块当前的对外输出信号的频率，记为fL；之后通过所述充电控制信号来控制所述电压控制装置将所述控制电压固定为所述窗口上限电压，根据所述分频器送来的反馈信号和参考时钟计算所述压控振荡器组合模块的对外输出信号的频率，记为fH；如果所述目标频率落在所述fL和fH之间，那么确定当前的等效电容值对应的子频段满足锁定条件，否则不满足；在确定当前被选中的子振荡器的当前子频段满足锁定条件后，将所述子振荡器选择信号和电容选择信号保持固定，所述自动频率控制单元重新回到休眠状态，同时调整所述充电控制信号以将所述控制电压切换为调谐电压。

8.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述电压控制装置包括：

电阻网络，一端连接电源，另一端接地，分压产生所述窗口上限电压和窗口下限电压；

第一开关，其输入端接收所述窗口上限电压，其控制端受所述充电控制信号控制；

第二开关，其输入端接收所述窗口下限电压，其控制端受所述充电控制信号控制；

电压跟随器，其输入端连接所述第一开关的输出端和所述第二开关的输出端；

第三开关，其输入端连接所述电压跟随器的输出端，其控制端受所述充电控制信号控制；

第四开关，其输入端接收所述调谐电压，其输出端与所述第三开关的输出端相连以输出所述控制电压，其控制端受所述充电控制信号控制。

9.根据权利要求8所述的压控振荡器，其特征在于，所述电压跟随器包括：

运算放大器，其正输入端连接所述第一开关的输出端，其负输入端连接该运算放大器的输出端。

10.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述电压监测模块包括：

第一比较器，其第一输入端接收所述控制电压，其第二输入端接收所述窗口下限电压；

第二比较器，其第一输入端接收所述控制电压，其第二输入端接收所述窗口上限电压；

与门，其输入端分别与所述第一比较器和第二比较器的输出端相连，其输出端输出所述触发信号。

11.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述子振荡器包括：

第一PMOS晶体管，其源极连接电源；

第一NMOS晶体管，其源极接地，栅极接收所述子振荡器选择信号；

第二PMOS晶体管，其源极连接所述第一PMOS晶体管的漏极；

第三PMOS晶体管，其源极连接所述第一PMOS晶体管的漏极，栅极连接所述第二PMOS晶体管的漏极，漏极连接所述第二PMOS晶体管的栅极；

第二NMOS晶体管，其漏极连接所述第二PMOS晶体管的漏极，源极连接所述第一NMOS晶体管的漏极；

第三NMOS晶体管，其漏极连接所述第三PMOS晶体管的漏极，源极连接所述第一NMOS晶体管的漏极和所述第二NMOS晶体管的栅极，栅极连接所述第二NMOS晶体管的漏极；

非门，其输入端接收所述子振荡器选择信号，输出端连接所述第一PMOS晶体管的栅极；

电感，其一端连接所述第二PMOS晶体管的漏极，另一端连接所述第三PMOS晶体管的漏极，其中，所述第二PMOS晶体管的漏极作为所述子振荡器的正相输出端，所述第三PMOS晶体管的漏极作为所述子振荡器的反相输出端；

变容管，连接在所述正相输出端和反相输出端之间，其电容大小由所述控制电压控制。

12.一种锁相环，其特征在于，包括权利要求1至11中任一项所述的压控振荡器。

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