CN105450222A - 一种vco摆幅自动校准的电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种VCO摆幅自动校准的电路和方法。包括摆幅监测电路、比较电路、逻辑电路、VCO及其摆幅控制电路。通过一种新型的摆幅监测电路对由锁相环（PLL）中压控振荡器(VCO)生成的振荡信号摆幅进行监测、反馈、比较、控制，实现VCO摆幅自动校准。该方法摆幅监测电路监测精度高、速度快，逻辑电路简单，校准算法实用。校准之后的VCO可以取得相位噪声性能和功耗的最优折衷。

Description

一种VCO摆幅自动校准的电路和方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路，特别涉及电感-电容压控振荡器（LCVCO）的一种摆幅监测技术及自动摆幅校准技术。

背景技术

在现代通信系统中，电感-电容压控振荡器（LCVCO）是一个极其关键的模块，其调谐范围和相位噪声决定了一个接收机的基本性能。由于相位噪声性能较好，电感-电容压控振荡器（LCVCO）被广泛用于射频锁相环（PLL）电路中，用以生成频率受控信号。在一定的范围内，相位噪声随着LCVCO的振荡信号摆幅的增大而增大。然而，在LCVCO的设计中，无论是片上集成的电感、电容元件还是片外分立的电感电容元件，其Q值都会随工艺、温度等外部条件的变化而变化，难以保证产品一致性。同时LCVCO的偏置电流也会随工艺和温度变化而变化，因此难以保证VCO工作时振荡信号摆幅的稳定性。在Q值很大的场合，理论上可以降低VCO的工作电流，得到同样的摆幅，获得同样的VCO性能。相反，最严重的情况下如果Q值太小，LCVCO会不满足起振条件，停止振荡。

发明内容

针对上述问题，本发明公开一种VCO摆幅自动校准的电路和方法。本发明的目的是，实现LCVCO振荡摆幅的自动控制：当某种寄生因素导致摆幅太小时，自动增大摆幅；当某种寄生因素导致摆幅太大时，自动减小摆幅。实际上本发明间接保证了LCVCO的相位噪声性能。为了实现本发明的发明目的，发明人是通过如下技术方案实现的。

本发明公开的VCO摆幅自动校准的电路包括摆幅监测电路、比较电路、逻辑电路、VCO及其摆幅控制电路。通过一种新型的摆幅监测电路对由锁相环（PLL）中压控振荡器(VCO)生成的振荡信号摆幅进行监测、反馈、比较、控制，实现VCO摆幅自动校准。

具体的校准过程描述如下：通过Start信号和时钟信号，启动自动摆幅校准电路，逻辑电路每个时钟周期产生一组控制信号，控制LCVCO的振荡信号摆幅，一旦摆幅监测电路输出信号Vamp高于目标摆幅Vref，比较电路产生Stop信号，逻辑电路产生Latch信号，并产生AMP_OK信号，校准过程完成。

本发明的优点及效果在于：

（1）本发明的新型摆幅监测电路工作频率高，引入反馈电路保证了监测精度高。

（2）本发明的逻辑电路简单，校准算法实用，从根本上保证了LCVCO能够满足起振条件。

（3）本发明可以实现摆幅自动校准，校准之后的VCO可以取得相位噪声性能和功耗的最优折衷。

附图简述

通过附图中的图形，以示例方式，而非限制方式来图解本发明的实施例，在这些附图中相同的参考数字指代相似的元件。

图1是本发明的锁相环（PLL）电路的图示。

图2是本发明的用于图1中的PLL的摆幅自动校准电路的图示。

图3是本发明的用于图2中PLL的VCO及其摆幅控制电路的图示。

图4是本发明的用于图2中摆幅自动校准电路的摆幅监测电路的图示。

图5是本发明的用于图2中摆幅自动校准电路的逻辑电路示意图及校准过程示意图。

具体实施方法

图1示出了使用LCVCO的PLL电路。通常包括相位-频率检测器(PFD)101，电荷泵(CP)102,环路滤波器（LF）103，LCVCO104(包括摆幅自动校准电路106和自动频率校准（AFC）电路107),可编程分频器电路105,缓冲器电路108。

PFD101接收参考时钟信号（Fref）并和Divider105输出的反馈时钟（Fdiv）进行相位或频率的比较,生成反映相位或频率差的误差信号。当反馈信号频率低于参考时钟信号时，产生Up信号，控制CP102对环路滤波器103充电；当反馈时钟频率高于参考时钟信号时，产生Down信号，控制CP102对环路滤波器103放电。充电或放电可以使LCVCO的输入信号（VT）增大或减小，从而适当地提高或降低LCVCO104的振荡信号（Fvco）频率。为了防止负载牵引效应和提高驱动能力，采用缓冲器电路（Buffer）108输出最终的PLL输出信号（Fpll）。

自动频率控制电路107（AFC）监测VT信号，选择校准边带，控制LCVCO的输出频率；自动摆幅校准电路106监测LCVCO的输出信号摆幅，通过控制电流，控制LCVCO的摆幅。

图2示出了本发明中利用摆幅监测电路进行自动摆幅校准的实施例。包括摆幅监测电路204，比较电路201，逻辑电路202，LCVCO及其摆幅控制电路203。如图所示，所有的电路接成反馈环路。通过对由锁相环（PLL）中压控振荡器(VCO)生成的振荡信号摆幅进行监测、反馈、比较、控制，实现VCO摆幅自动校准。通过Start信号和时钟信号，启动自动摆幅校准电路，逻辑电路每个时钟周期产生一组控制信号（C3C2C1C0），控制LCVCO的振荡信号摆幅，一旦摆幅监测电路输出信号Vamp高于目标摆幅Vref，比较电路产生Stop信号，逻辑电路产生Latch信号，并产生AMP_OK信号，校准过程完成。

图3示出了本发明的LCVCO及其摆幅控制电路的实施例。4bit控制码（C3C2C1C0）控制4路开关（S3S2S1S0），对应控制4bit的二进制电流源是否接入LCVCO核心电路（LCTank）中，二进制电流源的大小决定了LCTank的差分振荡信号（VCO_P\VCO_N）摆幅，Ib电流源不受控制信号控制。其中，射频NMOS管MN1、MN2交叉耦合，PMOS管MP1、MP2交叉耦合，它们和电感L、电容C一起组成了LCVCO核心电路（LCTank）。

图4示出了本发明的摆幅监测电路的实施例。LCVCO生成的差分时钟信号VCO_P、VCO_N，通过电容CAP1、CAP2和R1、R2构成的高通滤波器耦合到摆幅监测电路的差分输入端V+\V-。摆幅监测电路的主体电路由偏置电流Ibias，电流镜单元N1、N2，差分对管N4、N5、N6，P型MOS管P1、P2、P3和电容CAP3组成，N3在摆幅监测电路上电初期，先将CAP3的电荷放掉，其后，CAP3只受反馈回路控制。为了简化，先以单端信号V+为例描述摆幅监测电路的工作原理：在信号的正半周期，当输入信号V+大于摆幅信号存储电容CAP3的电压Vamp时，运算放大器控制P3管对CAP3充电，直至Vamp充分接近V+的峰值电压；在信号的负半周期，输入信号V+小于CAP3的电压Vamp，运算放大器关闭P3管，Vamp上的电压仍为正半周期的峰值电压。V+和V-为对称的全差分信号，N5和N6基本不同时导通，仅在V+或V-的正半周期峰值附近，P3才会打开，对CAP3充电至充分接近摆幅信号峰值。本发明中，电阻R1、R2提供摆幅信号的共模电压，最终，摆幅信号存储电容CAP3的电压Vamp即为LCVCO的振荡信号的摆幅值加共模值VCM所形成的直流信号，与LCVCO的振荡信号的摆幅成一次线性关系。通过选择合适的比较电路参考电压Vref的值可以将上述共模值VCM减掉。值得说明的是，为了适应射频电路对频率的要求，本发明的新型摆幅监测电路均采用射频MOS管，电路结构简单，寄生少，工作频率高，响应速度快，引入的反馈机制保证了摆幅监测电路的精确度。

图5以波形的形式更详细示出了本发明的逻辑电路功能及校准算法。其中，CLK、Start和Stop是逻辑电路202的输入信号，CLK为校准时钟，Start为校准起始信号，Stop为校准停止信号。C3、C2、C1、C0和Latch、AMP_OK为逻辑电路202的输出，C3、C2、C1和C0是逻辑电路输出的校准控制码，控制LCVCO的偏置电流，从而间接控制LCVCO的摆幅大小。Latch是锁存信号，当LCVCO的摆幅充分接近目标摆幅时，停止校准，锁定校准控制码，从而固定LCVCO的输出信号VCO_P和VCO_N的摆幅。校准完成，逻辑电路给出标志信号AMP_OK。Vref和Vamp是比较器的输入信号，Vref是校准的目标摆幅，Vamp是摆幅监测电路的输出信号，为待比较信号。启动校准后，摆幅控制码C3、C2、C1、C0在校准时钟CLK的控制下，从0000开始，对应VCO的振荡信号VCO_P、VCO_N的摆幅最小。每过一个时钟周期，4bit的控制码增加1，对应VCO的振荡信号VCO_P\VCO_N的摆幅逐级增大，摆幅监测电路的输出信号Vamp也逐级增大，直至充分接近并超过目标幅度Vref，比较器翻转，Stop信号由低电平变为高电平，产生锁存信号Latch，锁定校准控制码，校准完成，给出标志信号AMP_OK，LCVCO摆幅固定不变。从摆幅最小的控制码0000开始校准的好处在于逐周期增大控制码后，VCO振荡信号摆幅也逐周期增大，这样比较器翻转之后的结果肯定能保证LCVCO能够起振。反之，如果从摆幅最大的控制码1111开始校准，逐周期减小控制码，比较器翻转停止校准过程，则有VCO不起振的可能性。

本发明并非限于上述实施例，而是在所附权利要求的精神和范围内能够以修改或改变的方式来实践。本领域的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 (8)

1.一种VCO摆幅自动校准电路，包括：摆幅监测电路、比较电路、逻辑电路、VCO及其摆幅控制电路,通过摆幅监测电路监视VCO的摆幅信号，通过比较电路发生翻转，意味着所述VCO摆幅充分接近所述目标摆幅，即校准完成，所述逻辑电路产生锁定信号，获得目标摆幅。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述VCO摆幅自动校准电路包括VCO及其摆幅控制电路，用于产生摆幅受控的高频振荡信号。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述VCO摆幅自动校准电路包括摆幅监测电路，所述摆幅监测电路用于产生一个具有VCO摆幅信息的、可以与所述目标摆幅相比较的直流信号。

4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述摆幅监测电路包括具有一对差分信号引脚和反馈信号引脚的差分放大器,所述差分放大器结成反馈结构，用于控制对储存摆幅信息的电容进行充电，充电的目标值为VCO摆幅,所述储存摆幅信息的电容，兼具滤波特性，能够滤除一定的干扰噪声，提高电路的靠干扰能力。

5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述摆幅自动校准电路包括用于产生控制码的逻辑电路，用于响应于所述VCO摆幅相比于所述目标摆幅的大小比较结果，进而控制VCO摆幅,所述逻辑电路具有锁存功能，一旦所述VCO摆幅充分接近所述目标摆幅，意味着校准完成，通过锁定控制信号，获得目标摆幅。

6.一种VCO摆幅自动校准方法，包括:启动校准时将所述VCO摆幅设置为最小值，如果所述VCO摆幅比所述目标摆幅小，比较电路输出低电平，逻辑电路通过增大控制码增大VCO的摆幅,每经过一个时钟周期，控制码加1，通过摆幅控制电路，逐级增大VCO摆幅信号。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，利用摆幅监测电路监测VCO摆幅，并将包含VCO摆幅信号的直流信号送至比较器输入待比较。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过比较电路比较VCO摆幅和目标摆幅，一旦VCO摆幅大于目标摆幅，产生锁存信号，停止校准过程，完成摆幅自动校准。