CN103684431A - 可快速锁定的锁相环及其锁定方法 - Google Patents

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杨畅
唐睿
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胡勇
刘志华
李靖
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本发明涉及锁相环。本发明针对现有技术中，因在电荷泵中增加更多的充放电支路，导致的电荷泵电路复杂，引入了噪声的问题，提供可快速锁定的锁相环，包括输入端、鉴频/鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器、分频器及输出端，输入端分别与鉴频/鉴相器及分频器连接，鉴频/鉴相器与电荷泵连接，电荷泵与低通滤波器连接，低通滤波器与压控振荡器连接，压控振荡器分别与分频器及输出端连接，还包括可控电流源及电压检测电路，低通滤波器及压控振荡器分别与电压检测电路连接，电压检测电路与可控电流源连接，可控电流源分别与低通滤波器及电荷泵连接。通过增加可控电流源及电压检测电路，使得锁相环能够快速锁定。适用于可快速锁定的锁相环。

Description

可快速锁定的锁相环及其锁定方法
技术领域
本发明涉及微电子技术中的锁相环，特别涉及一种可快速锁定的锁相环。
背景技术
随着集成电路的性能不断提高，微处理器的主频也在逐渐提高。但是由于印刷电路板技术的限制，主板无法为芯片提供较高速，高精度的时钟信号。因此，在芯片内部，一个稳定的高频时钟产生电路显得尤为重要。但是由于噪声的干扰，时钟的偏移和抖动对系统性能的影响十分明显，单纯的振荡器很难得到高速稳定的时钟。目前，在集成电路领域，锁相技术被广泛用于产生高速，高精度的时钟信号，其中最常用的锁相电路有锁相环和延迟锁相环。
通常的锁相环结构，如图1所示，由鉴频/鉴相器PFD，电荷泵CP，低通滤波器LPF，压控振荡器VCO，分频器DIV组成。鉴频/鉴相器PFD通过比较参考信号FREF和压控振荡器VCO输出信号FOUT经过鉴频/鉴相器PFD后得到反馈信号FBACK的频率和相位，产生UP或DN信号（如果参考信号相位超前于反馈信号，则产生UP信号，如果参考信号相位滞后于反馈信号，则产生DN信号）。电荷泵根据UP和DN信号对LPF进行充电（UP）或放电（DN），从而使压控振荡器控制电压Vctrl升高或者降低。压控振荡器控制电压Vctrl调整压控振荡器VCO的振荡频率，进而减小或消除参考信号和反馈信号的相位差，达到频率锁定的效果。
锁定时间是锁相环的一个重要指标，指的是锁相环从失锁状态达到锁定状态所需要的时间。实现锁相环快速锁定的传统方法是，如图2所示，在电荷泵中增加更多的充（放）电支路，从而增加充（放）电电流，但此种方法会增加电荷泵电路的复杂程度，引入多余的噪声。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术中，因在电荷泵中增加更多的充（放）电支路，从而增加充（放）电电流，导致的电荷泵电路复杂，引入了多余噪声的问题，提供可快速锁定的锁相环及其锁定方法，以达到避免因电压抖动引起环路失锁的效果。
本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，可快速锁定的锁相环，包括输入端、鉴频/鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器、分频器及输出端，输入端分别与鉴频/鉴相器及分频器连接，鉴频/鉴相器与电荷泵连接，电荷泵与低通滤波器连接，低通滤波器与压控振荡器连接，压控振荡器分别与分频器及输出端连接，其特征在于，还包括可控电流源及电压检测电路，低通滤波器及压控振荡器分别与电压检测电路连接，电压检测电路与可控电流源连接，可控电流源分别与低通滤波器及电荷泵连接；
所述电压检测电路，用于检测压控振荡器控制电压；
所述可控电流源，用于当电压检测电路检测到电路压控振荡器控制电压未达到阈值电压时，对低通滤波器进行持续充电。
具体的，所述可控电流源包括PMOS管及电源输入端，电源输入端与PMOS管连接。
具体的，所述PMOS管的漏端分别与电荷泵及低通滤波器连接，PMOS管的栅端与电压检测电路连接，PMOS管的源端与电源输入端连接。
进一步的，所述电压检测电路为施密特触发器。
再进一步的，所述施密特触发器的输入端分别与压控振荡器及低通滤波器连接，施密特触发器的输出端与PMOS管的栅端连接。
可快速锁定的锁相环的锁定方法，包括以下几个步骤：
步骤1、环路未锁定时，压控振荡器控制电压的值小于预设的电压检测电路的阈值电压时，电压检测电路输出控制信号一，对低通滤波器进行持续充电；
步骤2、当压控振荡器控制电压的值大于预设的电压检测电路阈值电压时，电压检测电路输出控制信号二，环路进行精确锁定。
具体的，所述步骤1中，当压控振荡器控制电压的值小于预设的电压检测电路的阈值电压时，电压检测电路输出的控制信号一为低电平的控制信号。
进一步的，所述步骤1中，电压检测电路输出低电平的控制信号时，可控电流源开启，与电荷泵一起对低通滤波器进行持续充电。
具体的，所述步骤2中，当压控振荡器控制电压的值大于预设的电压检测电路阈值电压时，电压检测电路输出的控制信号二为高电平的控制信号。
进一步的，所述步骤2中，电压检测电路输出高电平的控制信号时，环路进行精确锁定，是通过关断可控电流源，只依靠电荷泵对低通滤波器进行正常充放电。
本发明的有益效果是，通过增加可控电流源及电压检测电路，使得锁相环能够快速锁定，同时避免了由控制电压抖动引起的环路失效，且本发明结构简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明可快速锁定的锁相环及其锁定方法的背景技术中的传统的锁相环结构图；
图2为本发明可快速锁定的锁相环及其锁定方法的背景技术中快速锁定锁相环电荷泵的结构图；
图3为本发明可快速锁定的锁相环的结构图；
图4为本发明快速锁定的锁相环及其锁定方法的实施例中核心部分结构图；
图5为本发明快速锁定的锁相环及其锁定方法的实施例的时序图；
图6为本发明快速锁定的锁相环及其锁定方法的实施例中施密特触发器的迟滞窗口图；
其中，PFD为鉴频/鉴相器，CP为电荷泵，LPF为低通滤波器，VCO为压控振荡器，DIV为分频器，CS为可控电流源，VD为电压检测电路,SMT为施密特触发器，R1为电阻，C1为电容一，C2为电容二。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详细描述本发明的技术方案：
本发明针对现有技术中，因在电荷泵中增加更多的充（放）电支路，从而增加充（放）电电流，导致的电荷泵电路复杂，引入了多余噪声的问题，提供可快速锁定的锁相环，如图3所示，包括输入端、鉴频/鉴相器PFD、电荷泵CP、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO、分频器DIV及输出端，输入端分别与鉴频/鉴相器PFD及分频器DIV连接，鉴频/鉴相器PFD与电荷泵CP连接，电荷泵CP与低通滤波器LPF连接，低通滤波器LPF与压控振荡器VCO连接，压控振荡器VCO分别与分频器DIV及输出端连接，还包括可控电流源CS及电压检测电路VD，低通滤波器LPF及压控振荡器VCO分别与电压检测电路VD连接，电压检测电路VD与可控电流源CS连接，可控电流源CS分别与低通滤波器LPF及电荷泵CP连接；所述电压检测电路，用于检测压控振荡器控制电压；所述可控电流源，用于，当电压检测电路，检测到电路压控振荡器控制电压未达到阈值电压时，对低通滤波器进行持续充电。可快速锁定的锁相环的锁定方法，环路未锁定时，压控振荡器控制电压的值小于预设的电压检测电路的阈值电压时，电压检测电路输出控制信号一，对低通滤波器进行持续充电；当压控振荡器控制电压的值大于预设的电压检测电路阈值电压时，电压检测电路输出控制信号二，环路进行精确锁定。通过增加可控电流源及电压检测电路，使得锁相环能够快速锁定，同时避免了由控制电压抖动引起的环路失效。
实施例
本例中的快速锁定的锁相环是通过，在传统的锁相环结构的基础上增加施密特触发器SMT、单管PMOS及电源输入端构成，施密特触发器SMT及单管PMOS为本例中的快速锁定的锁相环的核心部分，其结构如图4所示，施密特触发器SMT构成电压检测电路VD，单管PMOS构成及电源输入端构成可控电流源CS。PMOS管的漏端分别与电荷泵CP及低通滤波器LPF连接，PMOS管的源端与电源输入端连接。PMOS管的栅端与施密特触发器的输出端连接，施密特触发器的输入端分别与压控振荡器VCO及低通滤波器LPF连接。低通滤波器LPF包括电阻R1，电容一C1，电容二C2，电阻R1的一端与电荷泵CP、PMOS管的漏端及施密特触发器的输入端连接，电阻R2的另一端与电容一C1的上极板连接，电容一C1的下极板接地，电容二C2的上极板与电荷泵CP、PMOS管的漏端及施密特触发器的输入端连接，电容二C2的下极板接地。上述快速锁定的锁相环的时序图如图5所示。
快速锁定的锁相环快速锁定包括粗调与细调两个过程，具体步骤如下:
1、粗调：初始阶段，锁相环环路未锁定，控制电压Vctrl小于施密特触发器SMT的阈值电压Vth，施密特触发器SMT输出低电平的控制信号,计为VG1。低电平控制信号VG1作用在PMOS管的栅极，使PMOS管导通，电荷泵CP和可控电流源CS同时为低通滤波器LP充电，使得控制电压Vctrl快速升高，向锁定电压逼近。
2、细调：当锁相环环路接近锁定时，控制电压Vctrl大于施密特触发器SMT的阈值电压Vth，施密特触发器SMT输出翻转为高电平。高电平控制信号，计为VG2，VG2作用在PMOS管的栅极，使PMOS管关断，电荷泵CP为低通滤波器LPF进行正常充放电。环路进入精确锁定过程。
在锁相环锁定后，若控制电压Vctrl存在电压抖动，从图6中可以看出，由于施密特触发器迟滞窗口的存在，其输出可控电流源控制信号VG1/VG2并不会翻转，避免由电压抖动引起的环路失锁。

Claims (10)

1.可快速锁定的锁相环，包括输入端、鉴频/鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器、分频器及输出端，输入端分别与鉴频/鉴相器及分频器连接，鉴频/鉴相器与电荷泵连接，电荷泵与低通滤波器连接，低通滤波器与压控振荡器连接，压控振荡器分别与分频器及输出端连接，其特征在于，还包括可控电流源及电压检测电路，低通滤波器及压控振荡器分别与电压检测电路连接，电压检测电路与可控电流源连接，可控电流源分别与低通滤波器及电荷泵连接；
所述电压检测电路，用于检测压控振荡器控制电压；
所述可控电流源，用于当电压检测电路检测到电路压控振荡器控制电压未达到阈值电压时，对低通滤波器进行持续充电。
2.根据权利要求1所述的可快速锁定的锁相环，其特征在于，所述可控电流源包括PMOS管及电源输入端，电源输入端与PMOS管连接。
3.根据权利要求2所述的可快速锁定的锁相环，其特征在于，所述PMOS管的漏端分别与电荷泵及低通滤波器连接，PMOS管的栅端与电压检测电路连接，PMOS管的源端与电源输入端连接。
4.根据权利要求3所述的可快速锁定的锁相环，其特征在于，所述电压检测电路为施密特触发器。
5.根据权利要求4所述的可快速锁定的锁相环，其特征在于，所述施密特触发器的输入端分别与压控振荡器及低通滤波器连接，施密特触发器的输出端与PMOS管的栅端连接。
6.可快速锁定的锁相环的锁定方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1、环路未锁定时，压控振荡器控制电压的值小于预设的电压检测电路的阈值电压时，电压检测电路输出控制信号一，对低通滤波器进行持续充电；
步骤2、当压控振荡器控制电压的值大于预设的电压检测电路阈值电压时，电压检测电路输出控制信号二，环路进行精确锁定。
7.根据权利要求6所述的可快速锁定的锁相环的锁定方法，其特征在于，所述步骤1中，当压控振荡器控制电压的值小于预设的电压检测电路的阈值电压时，电压检测电路输出的控制信号一为低电平的控制信号。
8.根据权利要求7所述的可快速锁定的锁相环的锁定方法，其特征在于，所述步骤1中，电压检测电路输出低电平的控制信号时，可控电流源开启，与电荷泵一起对低通滤波器进行持续充电。
9.根据权利要求6所述的可快速锁定的锁相环的锁定方法，其特征在于，所述步骤2中，当压控振荡器控制电压的值大于预设的电压检测电路阈值电压时，电压检测电路输出的控制信号二为高电平的控制信号。
10.根据权利要求9所述的可快速锁定的锁相环的锁定方法，其特征在于，所述步骤2中，电压检测电路输出高电平的控制信号时，环路进行精确锁定，是通过关断可控电流源，只依靠电荷泵对低通滤波器进行正常充放电。
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