CN105337613B - 一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器，包括第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器、第四跨导运算放大器、第一电容和第二电容。本发明采用4个基于MOS工艺的跨导运算放大器和2个电容来实现低通滤波器，不再需要电容阵列，占用的芯片面积小；不再需要通过调节接入电路的电阻值和电容值来改变环路的带宽，只需通过线性改变4个跨导运算放大器的跨导值就能对环路的带宽进行线性调节，易在压控振荡器的增益变化或分频器的分频比变化时保持环路的带宽恒定，更加稳定。本发明可广泛运用于集成电路领域。

Description

一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其是一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器。
背景技术
PLL(Phase-Locked Loop,锁相环)电路是一种利用反馈技术，将输入相位和输出相位进行比较从而得到稳定的输出信号的系统。它被广泛应用于电子信息系统中。
现代无线通信中广泛采用了电荷泵锁相环。图1为现有技术中电荷泵锁相环的结构框图，包括鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、环路滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)、分频器(Divider)。其中，鉴频鉴相器比较输入的参考信号fref和反馈信号fdiv，输出包含了相位差的Up信号和Down信号。电荷泵提取出输入的相位差信号，输出一个跟输入相位差成线性比例的电流信号给环路滤波器。环路滤波器滤去此电流信号中的高频分量，得到一个低频的电压信号Vout。压控振荡器再根据该电压信号Vout输出确定的高频信号fout。分频器提取此高频信号fout，输出一个反馈信号fdiv给鉴频鉴相器。这样，最终可以得到稳定的输出信号fout，且输出信号fout满足关系式fout＝N*fref，N为分频器的分频比。
对于减小相位噪声和确保环路的稳定性而言，锁相环的环路带宽是一个重要的设计参数。在电感电容型压控振荡器中，为了确保较低的调谐增益和较宽的频率范围，通常采用电容阵列来实现频率范围的调节，如图2所示。图3为接入不同的电容时压控振荡器输出的频率随控制电压变化的关系曲线。
由图4可知，环路滤波器主要用于实现电荷泵输入的电荷平均分布，以输出稳定的电压值，这样表现为一种滤波的功能。其中，应用较广泛的环路滤波器为如图5所示的无源型滤波器，由电阻阵列和电容阵列构成，结构简单，无功耗。但是这种结构有两个缺点，第一是其所采用的电容阵列占用的芯片面积较大；第二是无法线性调节接入电路的电阻值和电容值，这为改变环路带宽带来很大的困难，不易在压控振荡器的增益变化或分频器的分频比变化时保持环路的带宽恒定，不够稳定。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种芯片面积小和能线性调节环路带宽的，基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器，包括：
第一跨导运算放大器和第一电容，用于对鉴频鉴相器输入的Up信号和Down信号的相位差值进行积分运算，得到积分运算后的电压信号；
第二跨导运算放大器和第二电容，用于对积分运算后的电压信号进行放大，得到第一电流信号和第二电流信号；
第三跨导运算放大器，用于对第二电流信号进行放大，得到第三电流信号；
第四跨导运算放大器，用于将和电流信号转换为低频电压信号进行输出，所述和电流信号为第一电流信号与第三电流信号之和；
所述第一跨导运算放大器的正相输入端与鉴频鉴相器的Up信号输出端连接，所述第一跨导运算放大器的负相输入端与鉴频鉴相器的Down信号输出端连接；所述第一跨导运算放大器的输出端分别与第一电容的一端和第二跨导运算放大器的正相输入端连接，所述第一电容的另一端接信号地；
所述第二跨导运算放大器的第一输出端与该锁相环低通滤波器的输出端连接，所述第二跨导运算放大器的第二输出端分别与第三跨导运算放大器的正相输入端、第二跨导运算放大器的负相输入端以及第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端接信号地；
所述第三跨导运算放大器的负相输入端接信号地，所述第三跨导运算放大器的输出端接与该锁相环低通滤波器的输出端连接；
所述第四跨导运算放大器的正相输入端接信号地，所述第四跨导运算放大器的负相输入端与该锁相环低通滤波器的输出端连接,所述第四跨导运算放大器的输出端构成该锁相环低通滤波器的输出端。
进一步，所述第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器和第四跨导运算放大器均设有控制端，所述第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器和第四跨导运算放大器的跨导值均根据控制端的电流大小线性变化。
进一步，所述第一电流信号与第二电流信号的大小相等，所述第一电流信号由第二跨导运算放大器的第一输出端流向该锁相环低通滤波器的输出端，所述第二电流信号由第二跨导运算放大器的第二输出端流向第三跨导运算放大器的正相输入端。
进一步，所述第二跨导运算放大器的跨导值为第三跨导运算放大器跨导值的n倍，所述第一电容的电容值和第二电容的电容值相等，其中，n为正整数。
进一步，所述第二跨导运算放大器的跨导值为第三跨导运算放大器跨导值的12倍。
本发明的有益效果是：包括第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器、第四跨导运算放大器、第一电容和第二电容，采用4个基于MOS工艺的跨导运算放大器和2个电容来实现低通滤波器，不再需要电容阵列，占用的芯片面积小；不再需要通过调节接入电路的电阻值和电容值来改变环路的带宽，只需通过线性改变4个跨导运算放大器的跨导值就能对环路的带宽进行线性调节，易在压控振荡器的增益变化或分频器的分频比变化时保持环路的带宽恒定，更加稳定。进一步，能根据控制端的电流大小来改变各个跨导运算放大器的跨导值，进而对环路的带宽进行线性调节，更加简单和方便。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为现有技术中电荷泵型锁相环的结构框图；
图2为电感电容型压控振荡器的电路原理图；
图3为图2中接入不同的电容时输出频率随控制电压的变化而变化的曲线；
图4为图1中电荷泵和环路滤波器的电路原理图；
图5为图4中环路滤波器的电容阵列和电阻阵列的电路原理图；
图6为本发明一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器的整体结构图；
图7为本发明一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器的一个应用实例的系统框图。
具体实施方式
参照图6，一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器，包括：
第一跨导运算放大器201和第一电容C1，用于对鉴频鉴相器输入的Up信号和Down信号的相位差值进行积分运算，得到积分运算后的电压信号V1；
第二跨导运算放大器202和第二电容C2，用于对积分运算后的电压信号V1进行放大，得到第一电流信号I1和第二电流信号I2；
第三跨导运算放大器203，用于对第二电流信号I2进行放大，得到第三电流信号I3；
第四跨导运算放大器，用于将和电流信号转换为低频电压信号Vout进行输出，所述和电流信号为第一电流信号I1与第三电流信号I3之和；
所述第一跨导运算放大器201的正相输入端与鉴频鉴相器的Up信号输出端连接，所述第一跨导运算放大器201的负相输入端与鉴频鉴相器的Down信号输出端连接；所述第一跨导运算放大器201的输出端分别与第一电容C1的一端和第二跨导运算放大器202的正相输入端连接，所述第一电容C1的另一端接信号地；
所述第二跨导运算放大器202的第一输出端与该锁相环低通滤波器的输出端连接，所述第二跨导运算放大器202的第二输出端分别与第三跨导运算放大器203的正相输入端、第二跨导运算放大器202的负相输入端以及第二电容C2的一端连接，所述第二电容C2的另一端接信号地；
所述第三跨导运算放大器203的负相输入端接信号地，所述第三跨导运算放大器203的输出端接与该锁相环低通滤波器的输出端连接；
所述第四跨导运算放大器204的正相输入端接信号地，所述第四跨导运算放大器204的负相输入端与该锁相环低通滤波器的输出端连接,所述第四跨导运算放大器204的输出端构成该锁相环低通滤波器的输出端。
其中，第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器和第四跨导运算放大器可根据输入的控制电流或控制电压线性改变各自的跨导值。
第四跨导运算放大器可等效为一个电阻，其电阻值的大小为跨导值的倒数。
进一步作为优选的实施方式，所述第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器和第四跨导运算放大器均设有控制端，所述第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器和第四跨导运算放大器的跨导值均根据控制端的电流大小线性变化。
进一步作为优选的实施方式，所述第一电流信号I1和第二电流信号I2的大小相等，所述第一电流信号I1由第二跨导运算放大器的第一输出端流向该锁相环低通滤波器的输出端，所述第二电流信号I2由第二跨导运算放大器的第二输出端流向第三跨导运算放大器的正相输入端。
进一步作为优选的实施方式，所述第二跨导运算放大器的跨导值为第三跨导运算放大器跨导值的n倍，所述第一电容的电容值和第二电容的电容值相等，其中，n为正整数。
进一步作为优选的实施方式，所述第二跨导运算放大器的跨导值为第三跨导运算放大器跨导值的12倍。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
本实施例对本发明的锁相环低通滤波器的工作原理进行详细说明。
从图1和图4可以得知，图1中的开环传递函数Hopen(s)为：
其中，Zlpf(s)为环路滤波器的传递函数，为电荷泵的传递函数，为压控制电器的传递函数，N为分频器的分频比。
从图4中的环路滤波器电路可以得知：
则开环传递函数Hopen(s)变为：
对该传递函数进行变换可得：
下面以图7的本发明应用实例为例，对该应用实例系统的开环传递函数进行推导。图7应用实例系统的开环传递函数Hopen(s)为：
其中，Zlpf(s)为本发明低通滤波器的传递函数，gm1、gm2、gm3和gm4分别为第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器和第四跨导运算放大器的跨导值，由图6可知：
则图7应用实例系统的开环传递函数Hopen(s)变为：
由上式可以得知，图7开环传递函数Hopen(s)的零极点共有4个，分别为：以及两个位于原点的极点。
故图7应用实例开环系统的相位裕度PM(jw)为：
对PM(jw)求导，可得PM(jw)取最大值时对应的角频率
将wc代入到PM(jw)的表达式，得到最大的相位裕度PMmax为：
当gm2＝12gm3时，PMmax≈60°，此时图7所示的系统稳定。因此通过调节gm2与gm3的比值，就可以控制系统的相位裕度，进而保证图7所示的系统稳定。
图7所示的系统的另一个重要的参数就是环路带宽wc，且有
当图7所示的开环传递函数在w＝wc时，需要满足下式：
设定gm2＝n*gm3，第一电容的电容值C1等于第二电容的电容值C2，即C1＝C2，而将这些参数表达式代入上式，可得：
所以由上式可知，当压控振荡器的增益Kvco或者分频器的分频比N变化的时候，调整本发明低通滤波器的跨导值gm1、gm2和gm4，就可以满足环路的带宽保持恒定的要求。
由以上分析可见，本发明的低通滤波器应用在锁相环电路中，可以根据压控振荡器的增益变化和分频比的变化来调整跨导放大器的跨导值，从而达到保持恒定的环路带宽的目的。此外，本发明的跨导运算放大器在MOS管工艺中的芯片面积非常小，而第一电容和第二电容这两个电容所占用的芯片面积也非常小，大大减少了低通滤波器占用的总面积。
本发明提出了一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器，该滤波器应用于锁相环电路结构时，能提取出鉴频鉴相器输出的相位差，并将此相位差转化为压控振荡器所需的控制电压。本发明的低通滤波器主要包含4个跨导运算放大器和2个电容，通过调节跨导运算放大器的控制电流来改变各个跨导运算放大器的跨导值，进而改变整个低通滤波器的传递函数，达到线性改变环路带宽的目的。而且整个基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器电路结构简单，占用的芯片面积小。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器，其特征在于：包括：
第一跨导运算放大器和第一电容，用于对鉴频鉴相器输入的Up信号和Down信号的相位差值进行积分运算，得到积分运算后的电压信号；
第二跨导运算放大器和第二电容，用于对积分运算后的电压信号进行放大，得到第一电流信号和第二电流信号；
第三跨导运算放大器，用于对第二电流信号进行放大，得到第三电流信号；
第四跨导运算放大器，用于将和电流信号转换为低频电压信号进行输出，所述和电流信号为第一电流信号与第三电流信号之和；
所述第一跨导运算放大器的正相输入端与鉴频鉴相器的Up信号输出端连接，所述第一跨导运算放大器的负相输入端与鉴频鉴相器的Down信号输出端连接；所述第一跨导运算放大器的输出端分别与第一电容的一端和第二跨导运算放大器的正相输入端连接，所述第一电容的另一端接信号地；
所述第二跨导运算放大器的第一输出端与该锁相环低通滤波器的输出端连接，所述第二跨导运算放大器的第二输出端分别与第三跨导运算放大器的正相输入端、第二跨导运算放大器的负相输入端以及第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端接信号地；
所述第三跨导运算放大器的负相输入端接信号地，所述第三跨导运算放大器的输出端接与该锁相环低通滤波器的输出端连接；
所述第四跨导运算放大器的正相输入端接信号地，所述第四跨导运算放大器的负相输入端与该锁相环低通滤波器的输出端连接,所述第四跨导运算放大器的输出端构成该锁相环低通滤波器的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器，其特征在于：所述第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器和第四跨导运算放大器均设有控制端，所述第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器和第四跨导运算放大器的跨导值均根据控制端的电流大小线性变化。
3.根据权利要求1所述的一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器，其特征在于：所述第一电流信号与第二电流信号的大小相等，所述第一电流信号由第二跨导运算放大器的第一输出端流向该锁相环低通滤波器的输出端，所述第二电流信号由第二跨导运算放大器的第二输出端流向第三跨导运算放大器的正相输入端。
4.根据权利要求2所述的一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器，其特征在于：所述第二跨导运算放大器的跨导值为第三跨导运算放大器跨导值的n倍，所述第一电容的电容值和第二电容的电容值相等，其中，n为正整数。
5.根据权利要求4所述的一种基于跨导运算放大器的锁相环低通滤波器，其特征在于：所述第二跨导运算放大器的跨导值为第三跨导运算放大器跨导值的12倍。
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