CN105024691B

CN105024691B - 相位检测器

Info

Publication number: CN105024691B
Application number: CN201510215738.4A
Authority: CN
Inventors: W.格罗利奇; R.诺尼斯
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2018-04-24
Anticipated expiration: 2035-04-30
Also published as: CN105024691A; DE102015106755B4; US20150318980A1; US9258110B2; DE102015106755A1

Abstract

本发明涉及相位检测器。公开了一种具有与加法器耦合的模N运算器的相位检测器设备，所述相位检测器设备包括：频率信息输入；相位信息输入；加法器，所述频率信息输入与加法器的第一输入耦合，以及所述相位信息输入与加法器的第二输入耦合；以及在频率信息输入和加法器的第一输入之间耦合的模运算。此外，还论述了使用这种相位检测器设备的时钟恢复设备。

Description

相位检测器

技术领域

本申请涉及相位检测器、锁相环、时钟和数据恢复电路以及相应的方法。

背景技术

对于数据传输（例如，对于经由串行数据接口的数据传输），在许多应用中，数据传送无需发送时钟信号。例如，数据可经由单线或差分线进行传输，以减少必要信号线的数目并降低功率。在这样的应用中，发送器侧上的数据时钟在许多情况下通过使用数字或模拟锁相环（PLL）来产生，这允许基于参考时钟产生期望的时钟信号。在接收器侧，可以使用不同的方法。例如，在一些情况下，接收时钟信号也可以使用例如可由本地石英振荡器（XTAL）或其他设备进行计时的锁相环来产生，这可在已发现相位对齐之后采样输入数据。用不同的方法，例如，在没有像石英振荡器一样的参考时钟信号在接收器是可用的情况下，使用所谓的时钟和数据恢复电路，其提取并产生基于输入数据流的接收时钟信号。

附图说明

图1是图示出依据实施例的时钟恢复电路的示意框图。

图2是图示出依据实施例的在操作模式下的数字相位检测器的图。

图3是图示出依据实施例的在另一种操作模式下的数字相位检测器的示意图。

图4是图示出依据实施例的时钟恢复/锁相环设备的框图。

图5是图示出依据实施例的方法的流程图。

图6和7是图示出一些实施例的操作的示例信号图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述各种实施例。应当指出的是，这些实施例仅作为示例并且不被视为限制。例如，虽然实施例可被描述为包括多个特征或元件，但在其他实施例中，这些特征或元件中的一些可被省略，和/或可由替代的特征或元件来代替。在其他实施例中，另外或替换地，可提供除了明确描述的那些之外的附加特征或元件。

此外，可把来自不同实施例的特征或元件结合以形成另外的特征或元件。

在附图中所示的或在本文中所描述的连接或耦合可以是直接连接或耦合（即，没有中间元件的连接或耦合），或间接连接或耦合（即，具有一个或多个中间元件的连接或耦合），只要连接或耦合的一般功能（例如发送某种信息或信号）基本上保持不变。此外，连接或耦合可实现为无线连接或耦合或者实现为基于导线的连接或耦合，除非另有说明。

在实施例中，可以提供从输入数据中恢复时钟的全数字时钟恢复电路。在一些实施例中，计数器可以接收输入数据信号，并计数由通过输入数据信号控制（例如，在输入数据信号的每个下降沿、上升沿或二者处复位）的振荡器输出的振荡的数目。计数器的输出在被馈送到相位检测器之前可提供给模运算，这可实现为加法器。

在一些实施例中，相位检测器被提供，该相位检测器在其输入包括模运算。

在其他实施例中，电路在时钟恢复模式和锁相环（PLL）模式之间可以是可切换的。

在其他实施例中，可使用其他技术。

现在回到图1中的图，可用于时钟和数据恢复（CDR）的时钟恢复电路10被示意性地示出。时钟恢复电路10的组件的一些或全部可被提供在单芯片上，和/或可实现为全数字设备。时钟恢复电路10的组件可以硬件、软件、固件或其组合来实现。

在图1的实施例中，可控振荡器13产生一个或多个具有可控频率的输出信号。在实施例中，振荡器13可以是数字控制振荡器（DCO），例如，数字控制环形振荡器。也可使用其他振荡器实现方式。

在振荡器13提供一个以上的输出信号的情况下，振荡器13的输出信号可具有相同的频率但不同的相位。例如，可提供三个在它们之间具有120°相位偏移的输出信号或四个在它们之间具有90°相位偏移的输出信号。

计数器14从振荡器13接收一个或多个信号，并另外接收数据信号di。计数器14随后在数据输入信号di的边沿之间（例如，在上升沿、下降沿、或二者之间）计数从振荡器13接收的信号的周期（循环）。在一些实施例中，在提供一个以上的输出信号的情况下，计数器14可另外采样振荡器13的输出信号的不同相位。

在实施例中，振荡器13的时钟频率高于数据输入信号di所相关的时钟信号的频率（也简称为数据输入信号di的频率），例如，前者是后者的两倍、三倍、四倍或更高。振荡器13的时钟频率以其高于di的频率的因子在下文中将被称为N。

计数器14的输出信号经由模运算器15被馈送到相位检测器11，该模运算器15对计数器14的输出信号执行模N运算。在一些实施例中，如将在稍后说明，如果振荡器13的输出信号与数据输入信号di对齐，那么模运算产生结果零，并且反之产生非零结果。相位检测器11可实现为数字域中的加法器，如将在稍后说明。相位检测器11的输出信号被馈送到环路滤波器12，其输出信号控制数字控制振荡器13。采用图1所示的布置，在实施例中，振荡器13的输出信号可与数据输入信号di对齐，并随后用于采样数据输入信号di以恢复与其发送的数据。

接着，将关于图2论述依据实施例的数字相位检测器设备。图2的相位检测器设备例如可用在图1的实施例中、与模运算15一起作为相位检测器11的实现方式，但也可用在除图1所示的那个之外的其他应用中。

图2的相位检测器设备包括加法器21。在负输入，加法器21接收相位信息，其例如可通过采样具有相同频率但不同相位的振荡器的不同输出信号来获得。此外，在正输入，加法器21经由模运算20接收频率信息，其可类似于图1的模运算15。“正”和“负”相对于该输入是指该信号以其在加法器21中相加的符号。例如，在所示实施例中，加法器21有效地用作减法器。在其他实施例中，该符号可以不同，例如，取决于各自的信号是如何形成的。频率信息例如可通过在数据输入信号的边沿之间计数振荡器信号的周期或循环的数目来获得。加法器21随后输出相加（或相减）的结果作为相位误差信息。

在一些实施例中，图2所示配置对应于相位检测器设备的第一操作模式，并且第二操作模式将在下面参照图3进行描述。在其他实施例中，相位检测器设备可仅具有单一操作模式，例如，图2所示的操作模式。关于图2所示的操作模式例如可用于时钟及数据恢复（CDR）电路中的时钟恢复。

在图3所示的第二操作模式中，也提供了加法器31，其在一些实施例中可对应于图2的加法器21。加法器31在加法器31的两个负输入接收频率信息和相位信息。相位信息例如可通过采样多个具有相同频率但不同相位的振荡器的输出信号来获得。此外，在图3的操作模式的情况下的频率信息例如可通过将参考频率提供给计数器并在参考频率的边沿之间（例如，在上升沿之间、在下降沿之间或在两者之间）计数振荡器的输出信号的周期的数目来获得。如可以看出的，与图2的操作模式相比，不存在像图2的模运算20一样的模运算。在一些实施例中，对于操作模式之间的切换，例如，模运算器20可被绕开以切换到图3的操作模式或可使用多路复用器取消选择。

此外，在图3的实施例中，加法器31在正输入接收累加的频率控制字30。经由这个累加的频率控制字，当图3的相位检测器例如在锁相环中使用时，可调整参考频率和可控振荡器的输出频率之间的关系。在一些实施例中，例如，为了从图3的操作模式切换到图2的操作模式，可将该累加的频率控制字30设置为零。

在一些实施例中，可以实现如已提到的具有如图2所示的操作模式的相位检测器以实现时钟恢复电路。此外，在一些实施例中，具有如图2和3所示的两种操作模式的相位检测器可用来实现在时钟恢复模式和常规锁相环（PLL）模式之间是可切换的设备。

图4图示了依据这种实施例的设备40。

图4的设备40包括数字核心41，如将在下文中更详细地说明的，该数字核心41控制数字控制振荡器（DCO）42，例如，数字控制环形振荡器（DCRO）。在其他实施例中，可使用其他种类的可控振荡器。在示例中，数字控制振荡器42可输出三个具有相同频率但不同相位的输出信号CLKD。它们可以表示为三位信号<2:0>。在其他实施例中，可由数字控制振荡器42输出不同数目的信号，例如，两个信号或四个信号。在一些实施例中，信号的相位可以是等距的。例如，在三个信号的情况下，连续信号之间的相位差可以是120度。

数字控制振荡器42的输出信号（在图4的示例中的三个信号）被馈送到相位采样器411。此外，将输出信号之一馈送到周期计数器412。相位采样器411采样三个时钟信号，例如，基于经由多路复用器413提供的信号计数时钟信号的边沿。此外，周期计数器412在由多路复用器413提供的信号的两个边沿之间（例如，两个上升沿之间或两个下降沿之间）计数数字控制振荡器42的输出信号的周期的数目。相位采样器411因此获得分数相位差（fractional phase difference）（数字控制振荡器42的输出和由多路复用器413提供的信号之间的相位差），该分数相位差在实施例中对应于图2或图3的“相位信息”信号。此外，周期计数器412获得整数相位信息或频率信息，其在实施例中对应于图2或3的“频率信息”。

如图4所示，在为时钟恢复模式的第一操作模式，多路复用器413将接收的数据信号Rx-data转发到相位采样器411和周期计数器412。在第二操作模式，其中，设备40用作常规锁相环（PLL），将具有参考频率的参考信号FREF通过多路复用器413提供给周期计数器412和相位采样器411。参考信号FREF在一些实施例中也可用作用于数字核心41的时钟信号。

相位采样器411和周期计数器412的输出信号被馈送到在数字核心41中实现的相位检测器设备。在第一操作模式中，例如，相位检测器可如图3所示操作，并且周期计数器412的输出可对应于图3的频率信息，以及相位采样器411的输出可对应于图3的相位信息。例如，相位检测器设备可包括加法器48。在第二操作模式，周期计数器412的输出被作为相位信息经由模N运算46馈送到加法器48。模运算一般输出除以N的余数。在图4的实施例中，N可以是数字控制振荡器42的输出信号的频率与数据信号Rx-data所相关的频率的比率。在实施例中，N例如可以是2、3、4或更高。在一些实施例中，偶数N被使用，因为在一些实施例中，采用偶数模运算可更易于实现，虽然奇数也可以使用。换言之，周期计数器412输出数字控制振荡器42的输出信号的频率与由多路复用器413提供的信号的频率的比率。

此外，在实施例中，频率控制字43可由累加器444在数字核心中与FREF的每个时钟周期累加并经由多路复用器45以第一操作模式提供给加法器48。在第二操作模式，多路复用器45只可以提供零。

由加法器48输出的相位误差被馈送到环路滤波器410。环路滤波器410可具有积分增益和比例增益，如由图4中的z变换β+α/(1-z^-1)所表达的，α和β为参数。

环路滤波器410的输出控制数字控制振荡器42。

数字核心41的组件例如可由数字信号处理器或相应编程的其他处理设备来实现，或者以硬件（例如，由相应的数字电路）来实现。

采用图4的设备40，在第一操作模式，例如，可执行时钟恢复以恢复数据信号Rx-data所相关的时钟信号。这种可适用于设备40的实现方式的恢复的示例将出于说明的目的在下面进一步详细地论述。

在第二操作模式，图4的设备40基本上用作常规全数字锁相环（ADPLL）。在其他实施例中，图4所示的组件中的一些可包括模拟元件。

在一些实施例中，所述设备40可在第一操作模式进行操作，例如，在通信信号的从侧，其中没有提供数据时钟信号，然而第二操作模式（PLL）可用作主侧以产生数据时钟。

在图5中，示出了图示出依据实施例的方法的流程图。关于图5所示的方法例如可使用图4的设备40和/或使用关于图2或3所论述的相位检测器来实现，可使用关于图1所示的概念来实现，但也可使用其他设备来实现。为了进一步说明，还将参照图6和7，其示出信号的非限制性示例用于进一步说明。需要强调的是，在其他实施例中，所述信号可以不同。

现在参考图5，在50，选择操作模式。所述操作模式可以是常规锁相环（PLL）模式，其可对应于图4的设备40的第二操作模式。所述模式也可以是用于时钟和数据恢复（CDR）的时钟恢复模式，其可对应于图4的设备40的第一操作模式。在选择PLL模式的情况下，在51振荡器的输出频率被锁定在参考频率，例如，图4中的FREF的频率。例如，当使用图4的设备执行图5的方法时，图4的设备操作在以上论述的第二操作模式。在所述操作模式是执行时钟和数据恢复的时钟恢复模式的情况下，图5的方法在52包括锁定在参考模式。例如，数据发送器可以发送周期性的预定数据模式，例如，可以重复地发送预定义的数据帧。如果用图4的实施例作为用于实现该方法的设备，那么在这种情况下，所接收的数据Rx-data可由多路复用器413提供给周期计数器412，但模运算器46可以去激活。此外，可以选择适当的频率控制字43。这将使用参照图6的示例信号进行进一步说明。应当指出的是，图6的示例信号仅用作进一步说明在52锁定在参考模式，但不被视为限制。尤其是，在其他实施例中，除下面论述的之外，也可使用其他模式或其他信号频率。

在图6中，60指定可在图5的52期间进行发送的示例参考模式。在图6的示例中，所述参考模式具有6位的长度，其中两个“1”，后面是4个“0”。因此，在示例中示出的模式60具有F=6位的周期性。可使用具有已知频率信息，即，已知周期性的其他模式。可使用在通信链路的初始化阶段期间提供这种周期性模式的任何协议。此外，在62，图示了像图4的振荡器42或图1的振荡器13一样的振荡器的时钟。图6的示例中的振荡器信号62具有N=2的过采样率，即，信号62的频率对应于模式60所对应的数据的频率的两倍（即，在模式60的一位数据期间的两个周期的信号62）。在这种情况下，操作在时钟恢复模式的锁相环的频率控制字（也被称为频率倍数因子）FCW等于N∙F。在该示例中，FCW将是2∙6 = 12。通过这样的调整，振荡器锁定在参考模式60，如由箭头61所指示的，即，例如使用图4的设备40使信号62的每第12个上升沿对齐模式的起始（第一个“1”）。

因此，基本上在52如图4所示的那个一样的时钟恢复设备操作在“正常”PLL模式，不同的是预定义数据模式被提供作为参考信号。

锁定在参考模式之后，图5的方法在53于随机数据传送期间执行时钟恢复。换言之，在53，不具有预定义模式的数据（例如，有效载荷数据）被接收，并根据所接收的数据，产生或调整时钟信号，其然后可用于采样数据。例如，当使用图4的设备40时，该设备被用于包括“模N”运算46的第一操作模式。

随机数据传送期间的时钟恢复将使用参照图7的示例信号被进一步说明。再次，图7所示的信号仅仅用于说明的目的以便提供更好的理解，并且不被视为限制。例如，在其他实施例中，可使用其他信号波形和/或其他频率。在70，图7示出了例如可由图4的设备40接收的随机数据模式的示例。72示出了处于理想锁定状态的振荡器，其中，数据的上升沿和下降沿对应于振荡器信号72的边沿，如由箭头71所指示的。在图7的示例中，类似于图6（N=2）的示例，即，像例如图4的振荡器42一样的振荡器的频率fDCRO是数据频率的2倍。在其他实施例中，可使用N的其他值，例如，N=3，N=4或更大。

数据信号70例如被提供给像图4的周期计数器412一样的周期计数器。在图7的73行示出了对信号72的锁定情况计数的结果。在这个示例中，在数据信号70的上升沿之间执行计数。

在实施例中，如先前所说明的，在73行的周期计数上执行模N运算，其结果示出在74行中。在理想的锁定情况下，如图7所示，模运算（在这种情况下为模2）的结果对于所有情况都为零，这表明振荡器与数据的上升沿对齐。一般地，在这种情况下，两个数据边沿之间的差等于N∙fDCRO，这意味着在锁定状态下，模N运算的零导致对齐或锁定的情况。

此外，图7示出了并不总是与数据信号70完全对齐的时钟信号75。这种不对齐例如可由引入到系统的抖动（如数据抖动或振荡器抖动）引起。在76行，类似于73行，示出了周期计数器的结果，并且77行图示了模N（在示例中为模2）运算的结果。如图7所示，当振荡器信号75离开对齐时，在76行中的计数可导致奇数，这导致模运算的非零结果，如77行所示。此信息指示偏差，并如参照图4所论述的，然后可用于控制像振荡器42一样的振荡器以恢复对齐（可能地，连同由像图4的相位采样器411一样的相位采样器提供的分数相位信息一起）。

因此，如以上详细说明的，在实施例中，提供了全数字时钟恢复电路。此外，如在一些实施例中所说明的，所述电路可以在时钟和数据恢复操作模式和PLL操作模式之间切换。在其他实施例中，仅仅可提供时钟和数据恢复操作模式。

以上提到的实施例仅用作说明性的示例，并且在本文中公开的技术和概念也可用除明确示出或描述之外的不同的方式来实现。

Claims

1.一种检测设备，包括相位检测器，所述相位检测器包括：

频率信息输入；

相位信息输入；

加法器，所述频率信息输入与加法器的第一输入耦合，以及所述相位信息输入与加法器的第二输入耦合；以及

在频率信息输入和加法器的第一输入之间耦合的模运算，其中，所述模运算是输出除以N的余数的运算。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述模运算在相位检测器的第一操作模式是工作的，而在相位检测器的第二操作模式是不工作的，该设备进一步包括频率控制字累加器，频率控制字累加器的输出与加法器的第三输入耦合，该频率控制字累加器在所述第二操作模式是工作的，而在所述第一操作模式是不工作的。

3.如权利要求2所述的设备，其中，模运算器的输出与多路复用器的第一输入耦合，多路复用器的输出与加法器的第一输入耦合，所述多路复用器进一步具有第二输入，

所述多路复用器在第一操作模式适于选择第一输入，而在第二操作模式适于选择第二输入。

4.如权利要求1所述的设备，其中，加法器的第一输入是该加法器的正输入，而加法器的第二输入是该加法器的负输入。

5.如权利要求1所述的设备，进一步包括耦合到加法器的输出的可控振荡器，以及

在加法器的输出和可控振荡器之间耦合的环路滤波器。

6.如权利要求5所述的设备，进一步包括周期计数器，周期计数器的第一输入被耦合到振荡器的输出，周期计数器的第二输出被耦合到数据输入，以及周期计数器的输出被耦合到模运算，周期计数器适于在数据输入处的信号的边沿之间计数振荡器的输出信号的周期的数目。

7.如权利要求6所述的设备，进一步包括另一个多路复用器，另一个多路复用器的第一输入被耦合到数据输入，另一个多路复用器的第二输入被耦合到参考频率输入，以及另一个多路复用器的输出被耦合到周期计数器的第二输入。

8.如权利要求6所述的设备，进一步包括相位采样器，所述相位采样器适于接收振荡器的多个输出信号，相位采样器的输出被耦合到相位检测器的相位输入。

9.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备在锁相环（PLL）操作模式和时钟恢复操作模式之间是可切换的。

10.如权利要求1所述的设备，其中，所述相位检测器是锁相环的一部分，其中，对于时钟恢复，该设备适于：

在初始化阶段，把锁相环锁定到周期性数据模式，并在初始化阶段之后，使锁相环的锁定适于随机数据。

11.一种检测设备，包括：

振荡器；

计数器，计数器的第一输入被耦合到振荡器的输出，以及计数器的第二输入被耦合到数据输入；

模运算器，被耦合到计数器的输出；

相位检测器，被耦合到模运算器的输出；以及

环路滤波器，被耦合到相位检测器的输出，其中，所述环路滤波器的输出与振荡器的控制输入耦合。

12.如权利要求11所述的设备，其中，振荡器的频率是在数据输入的数据信号所相关的数据时钟的频率的N倍，以及

其中，所述模运算器是模N运算器。

13.如权利要求11所述的设备，其中，所述设备是全数字设备。

14.一种时钟恢复方法，包括：

把振荡器锁定在参考模式；以及

锁定之后，在随机数据传送期间执行时钟恢复，其中，执行时钟恢复包括在随机数据的边沿之间对振荡器输出信号的周期的数目执行模运算。

15.如权利要求14所述的方法，其中，执行时钟恢复进一步包括根据模运算的输出控制振荡器。

16.如权利要求14所述的方法，其中，振荡器输出信号的频率是随机数据的频率的N倍，其中，所述模运算是模N运算。

17.如权利要求16所述的方法，其中，N是偶数。

18.如权利要求16所述的方法，其中，N至少为4。

19.如权利要求14所述的方法，进一步包括选择操作模式，其中，在第一操作模式执行所述锁定和执行，以及其中，在第二操作模式执行锁定在参考频率。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括当所述方法在从设备中被执行时，选择第一操作模式，以及当所述方法在主设备中被执行时，选择第二操作模式。