CN105577180A - 一种锁相环快速锁定和带宽校准的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锁相环快速锁定和带宽校准的系统和方法，包括压控振荡器增益校准，环路快速锁定，带宽校准。本发明提供的锁相环快速锁定和带宽校准方法，首先，在锁相环输出之前，对压控振荡器增益进行预校准，并将校准结果保存在寄存器中，使得压控振荡器增益受到工艺偏差和器件非线性的影响大大减小；在压控振荡器工作过程中，针对其增益随温度变化的情况，进行实时补偿，最终得到趋于恒定的压控振荡器增益。在此基础上，通过对电荷泵和环路滤波器的调节，加快环路锁定速度，同时使带宽不变，保持环路稳定。

Description

一种锁相环快速锁定和带宽校准的系统和方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种锁相环路的快速锁定和带宽校准的系统和方法。

背景技术

锁相环是一种用来产生参考信号的相位有固定关系的电子控制系统。作为电子系统和设备的精确频率源，锁相环响应于输入信号的频率与相位，并自动提高或降低被控制的振荡器的频率，直至锁相环电路与参考信号在相位上符合为止。现代模拟锁相环一般包含相位比较器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器以及分频器，如图1所示。通过环路反馈，压控振荡器的输出信号频率被降低后，在相位比较器的输入端与参考信号的相位进行比较。经过环路作用，二者最终达到相位一致。环路滤波器连接于相位比较器之后，用于滤除电荷泵开关动作产生的电流中的高频分量，并将电流信号转化为电压信号，控制压控振荡器输出信号的频率。

出于多协议技术的需要，如今的锁相环需要支持更宽的频率调节范围。为了使锁相环达到较宽的频率范围，且出于性能的考虑，在压控振荡器的设计上，通常采用离散的开关电容阵列来实现压控振荡器频率粗调，而用连续可变电容实现频率细调，直到环路锁定。如图2所示，R_L为电感L的寄生电阻，-R为等效负电阻，C为可调电容(包括离散可调的电容阵列和连续可调的可变电容)，BC0～BCn控制电容阵列，实现频率粗略调谐，控制电压Vtune调节可变电容，实现频率精细调谐。锁定情况下，这一频率特性可由图3表示，其中横轴为控制电压Vtune，纵轴为压控振荡器输出频率Fvco，Vtune_lo和Vtune_hi定义振荡器电压-频率特性中线性度较好的一段的电压区间，Band0～Bandn为压控振荡器的工作频段。

根据环路的特征，在锁相环输出频率切换的过程中，即输出频率从某一频点锁定到所需要的频率值上，需要一定的响应时间。为了降低这一时间，达到某些电子系统对时钟信号频率切换时间的要求，一般都采取断开环路，改变环路中某些参数的办法来加速环路的锁定。其大致过程为：环路断开，将控制电压Vtune固定到某一电压值，根据系统要求的频率，采用某种算法，选择Band0～Bandn中的某条作为压控振荡器的工作频段，然后闭合环路，通过环路特性使Vtune稳定在Vtune_lo和Vtune_hi之间的某一点上，环路输出频率锁定。

在实际过程中，存在一些因素，对上述方法的准确性和可靠性有较大影响，比如工艺制程误差和系统温度变化，会使压控振荡器中的电容值产生偏移，压控振荡器的增益也随之改变，导致压控振荡器的输出频率无法到达某些特定的值，增加环路锁定失败的风险。再比如，当环路反馈的分频比变化较大，环路带宽也会随之产生较大变化，导致环路特性改变，这也增加了环路锁定失败的风险。

针对上述问题，一般会通过一些方法来减小压控振荡器增益的偏差，比如对压控振荡器的增益进行线性化补偿，但并不能很好的处理工艺偏差带来的影响。另一方面，由于不能有效抵消压控振荡器增益的变化，需要实时测量压控振荡器的增益，然后再根据环路分频比来调整电荷泵的电流，进而使环路带宽特性保持不变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锁相环快速锁定和带宽校准的系统和方法，通过对压控振荡器进行预校准，消除工艺制程偏差对压控振荡器增益的影响，同时实时校准压控振荡器增益随温度的变化，使其在所关心的控制电压范围内基本保持恒定。通过模块复用，在压控振荡器增益恒定的情况下，简化快速锁定和带宽校准功能的过程，减少硬件开销。

本发明的具体技术解决方案如下：

该锁相环快速锁定和带宽校准方法包括以下步骤：

1】压控振荡器增益预校准

断开锁相环环路，在锁相环的振荡信号输出之前，先对压控振荡器增益进行校准，保证每个子带范围内压控振荡器的增益都保持一致；

2】环路快速锁定

锁相环开始工作之后，检测压控振荡器输出信号的频率，通过调节压控振荡器的内部参数，使振荡频率处于锁相环环路闭合之后可以自行锁定的频率范围内，然后闭合锁相环环路；

3】带宽校准

待锁相环环路锁定之后，发生输出频率变化时，会导致环路分频比随输出频率变化而变化，由于在环路滤波器的电阻大小恒定时，增益与电流乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比，且步骤1中将每个子带范围内压控振荡器的增益调整为一致，所以在压控振荡器增益恒定的情况下，通过调节电荷泵电流来补偿由于分频比变化导致的环路带宽变化，使环路带宽保持恒定，从而保证环路特性的稳定。

或通过另一方式进行3】带宽校准

待锁相环环路锁定之后，发生输出频率变化时，会导致环路分频比随输出频率变化而变化，由于在电荷泵电流恒定时，增益与环路滤波器的电阻乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比，且步骤1中已将每个子带范围内压控振荡器的增益调整为一致，所以在压控振荡器增益恒定的情况下，通过调节环路滤波器的电阻大小来补偿由于分频比变化导致的环路带宽变化，使环路带宽保持恒定，从而保证环路特性的稳定。

上述步骤3中，导致输出频率变化的因素包括：温度变化、电源电压波动。

基于上述方法的锁相环快速锁定和带宽校准的系统包括相位比较器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器，还包括时序逻辑校准单元，所述时序逻辑校准单元包括压控振荡器输出频率检测模块、压控振荡器控制电压调整模块、压控振荡器频率及增益调整模块以及电荷泵控制模块；所述压控振荡器输出频率检测模块用于检测压控振荡器的输出频率，压控振荡器控制电压调整模块用于调整压控振荡器的输入电压，压控振荡器频率及增益调整模块用于调整压控振荡器内部电容的大小，电荷泵控制模块用于调整电荷泵的输出电流。

该系统也可采用另一种结构形式，其包括相位比较器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器，还包括时序逻辑校准单元，所述时序逻辑校准单元包括压控振荡器输出频率检测模块、压控振荡器控制电压调整模块、压控振荡器频率及增益调整模块以及环路滤波器电阻调整模块；所述压控振荡器输出频率检测模块用于检测压控振荡器的输出频率，压控振荡器控制电压调整模块用于调整压控振荡器的输入电压，压控振荡器频率及增益调整模块用于调整压控振荡器内部电容的大小，环路滤波器电阻调整模块用于调整环路滤波器电阻的输大小。

还可以增设用于不同温度下保持振荡器增益不变的压控振荡器增益实时温度校准模块。

本发明的优点在于：

本发明提供的锁相环快速锁定和带宽校准方法以及锁相环快速锁定和带宽校准的系统是通过对锁相环中压控振荡器增益的校准，维持其在工艺偏差和温度偏移情况下保持不变。

该方法及系统提高了锁相环的性能，并实现对一般环路带宽校准方法的改进，缩短了校准时间，提高了校准精度，同时经过对相关模块的复用，实现环路的快速锁定。

附图说明

图1为锁相环的示意图；

图2为压控振荡器的示意图；

图3为压控振荡器的电压-频率特性示意图；

图4为本发明结构实施例；

图5为发明方法实施例框图。

具体实施方式

本发明的原理依据主要是：

首先使环路滤波器的电阻大小恒定，由于在环路滤波器的电阻大小恒定时，增益与电流乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比，所以先将压控振荡器每个子带范围内压控振荡器的增益都保持一致，使增益成为常数，同时，分频比变化已知，增益与电流乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比的常数已知，所以可通过通过调节电荷泵电流来补偿由于分频比变化导致的环路带宽变化，使环路带宽保持恒定，从而保证环路特性的稳定。

或首先使电荷泵电流恒定，由于在电荷泵电流恒定时，增益与环路滤波器的电阻乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比，所以先将压控振荡器每个子带范围内压控振荡器的增益都保持一致，使增益成为常数，同时，分频比变化已知，增益与环路滤波器的电阻乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比的常数已知，所以可通过通过调节环路滤波器的电阻的大小来补偿由于分频比变化导致的环路带宽变化，使环路带宽保持恒定，从而保证环路特性的稳定。

本发明依据该原理执行锁相环快速锁定和带宽校准方法包括以下步骤：

1】压控振荡器增益预校准

断开锁相环环路，在锁相环的振荡信号输出之前，先对压控振荡器增益进行校准，保证每个子带范围内压控振荡器的增益都保持一致；

具体为，压控振荡器控制电压连接到电压控制模块，根据振荡器增益的定义，

$K_{VCO}=\frac{f_{V1}-f_{V2}}{V1-V2}$

计算子带下的振荡器增益。其中，K_vco是压控振荡器增益，f_v1和f_v2分别是控制电压为V1和V2时对应的振荡器输出频率，然后根据预设的增益值来调节振荡器的内部参数，使得振荡器增益最接近预设值，对振荡器的每一条子带进行增益校准。

2】环路快速锁定

锁相环开始工作之后，检测压控振荡器输出信号的频率，通过调节压控振荡器的内部参数，使振荡频率处于锁相环环路闭合之后可以自行锁定的频率范围内，然后闭合锁相环环路；

3】带宽校准

待锁相环环路锁定之后，发生输出频率变化时，会导致环路分频比随输出频率变化而变化，由于在环路滤波器的电阻大小恒定时，增益与电流乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比，且步骤1中将每个子带范围内压控振荡器的增益调整为一致，所以在压控振荡器增益恒定的情况下，通过调节电荷泵电流来补偿由于分频比变化导致的环路带宽变化，使环路带宽保持恒定，从而保证环路特性的稳定。

环路的闭环带宽近似有以下关系：

${\mathrm{\ω}}_{LBW}\∝\frac{I_{CP}\·K_{VCO}}{N}$

${\mathrm{\ω}}_{LBW}\∝\frac{R\·I_{CP}\·K_{VCO}}{N}$

其中ω_LBW为环路的闭环带宽，R为环路滤波器中与零点相关的电阻，I_CP为电荷泵电流，K_VCO为压控振荡器的增益，N为分频器的分频比。经过振荡器增益的校准，K_VCO在控制电压的变化范围内基本为定值，因此带宽只与电荷泵电流I_CP和分频比N有关。为了保证在锁相环的动作过程中，其环路带宽特性不变，调整电荷泵电流I_CP随分频比N等比例变化。

或通过另一方式进行3】带宽校准

待锁相环环路锁定之后，发生输出频率变化时，会导致环路分频比随输出频率变化而变化，由于在电荷泵电流恒定时，增益与环路滤波器的电阻乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比，且步骤1中已将每个子带范围内压控振荡器的增益调整为一致，所以在压控振荡器增益恒定的情况下，通过调节环路滤波器的电阻大小来补偿由于分频比变化导致的环路带宽变化，使环路带宽保持恒定，从而保证环路特性的稳定。

在上述步骤中，硬件模块可以实现复用；所以，本发明在压控振荡器增益恒定的情况下，简化了环路快速锁定和恒定带宽校准过程。

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地表述。显然，所表述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

锁相环快速锁定和带宽校准的系统包括相位比较器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器，还包括时序逻辑校准单元，时序逻辑校准单元包括压控振荡器输出频率检测模块、压控振荡器控制电压调整模块、压控振荡器频率及增益调整模块以及电荷泵控制模块；压控振荡器输出频率检测模块用于检测压控振荡器的输出频率，压控振荡器控制电压调整模块用于调整压控振荡器的输入电压，压控振荡器频率及增益调整模块用于调整压控振荡器内部电容的大小，电荷泵控制模块用于调整电荷泵的输出电流。

该系统也可采用另一种结构形式，其包括相位比较器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器，还包括时序逻辑校准单元，所述时序逻辑校准单元包括压控振荡器输出频率检测模块、压控振荡器控制电压调整模块、压控振荡器频率及增益调整模块以及环路滤波器电阻调整模块；所述压控振荡器输出频率检测模块用于检测压控振荡器的输出频率，压控振荡器控制电压调整模块用于调整压控振荡器的输入电压，压控振荡器频率及增益调整模块用于调整压控振荡器内部电容的大小，环路滤波器电阻调整模块用于调整环路滤波器电阻的输大小。

由于相位比较器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器为组成锁相环的基本单元，其连接关系为公知技术，因此，以设置电荷泵控制模块时的连接关系进行说明：

相位比较器的两个输入端分别连接参考时钟信号和分频器的输出端，输出端连接电荷泵的输入端；电荷泵的输出端连接环路滤波器的输入端；环路滤波器的输出端连接压控振荡器的输入端；分频器的输入端连接压控振荡器的输出端。相位比较器比较分频器的输出信号和参考时钟的相位误差，电荷泵将这个相位误差转化为电流形式，经过环路滤波器后又转换为电压信号，进而控制压控振荡器的输出信号频率。该输出信号一方面经过分频器后反馈给相位比较器的输入端，一方面作为锁相环的输出。压控振荡器的输出频率分为若干个子带，以降低压控振荡器的增益，提高电压‐频率关系的线性度；压控振荡器输出频率检测模块的输入分别连接参考时钟和压控振荡器的输出，输出端连接压控振荡器频率及增益调整模块及电荷泵控制模块；压控振荡器控制电压调整模块的输出端连接压控振荡器的输入端。

控振荡器输出频率检测模块直接检测压控振荡器的输出频率；压控振荡器控制电压调整模块可以设置压控振荡器控制电压的大小；压控振荡器频率调整模块通过改变压控振荡器的内部参数，尤其是接入振荡电路的电容器的大小，实现对压控振荡器输出频率范围和压控振荡器增益的控制；电荷泵控制模块能够改变电荷泵的输出电流。

总之，本发明提供了一种锁相环快速锁定和带宽校准方法以及用于实现快速锁定和带宽校准的锁相环，所阐述的校准概念和方法，不仅能够用于典型的电荷泵锁相环结构，也适用于全数字锁相环。对本方法中所采用的锁相环部件或结构进行替换修改的行为，如采用时间‐数字转换器TDC或者二进制鉴相器bang‐bangPD等取代相位检测器，以及沿及所附权利要求书中所阐明的精神对所述步骤所作的修改，都在本专利的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种锁相环快速锁定和带宽校准方法，其特征在于，所述方法包括：

1】压控振荡器增益预校准

断开锁相环环路，在锁相环的振荡信号输出之前，先对压控振荡器增益进行校准，保证每个子带范围内压控振荡器的增益都保持一致；

2】环路快速锁定

锁相环开始工作之后，检测压控振荡器输出信号的频率，通过调节压控振荡器的内部参数，使振荡频率处于锁相环环路闭合之后可以自行锁定的频率范围内，然后闭合锁相环环路；

3】带宽校准

待锁相环环路锁定之后，发生输出频率变化时，会导致环路分频比随输出频率变化而变化，由于在环路滤波器的电阻大小恒定时，增益与电流乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比，且步骤1中将每个子带范围内压控振荡器的增益调整为一致，所以在压控振荡器增益恒定的情况下，通过调节电荷泵电流来补偿由于分频比变化导致的环路带宽变化，使环路带宽保持恒定，从而保证环路特性的稳定。

2.根据权利要求1所述的锁相环快速锁定和带宽校准方法，其特征在于：所述步骤3中，导致输出频率变化的因素包括：温度变化、电源电压波动。

3.一种锁相环快速锁定和带宽校准方法，其特征在于，所述方法包括：

1】压控振荡器增益预校准

断开锁相环环路，在锁相环的振荡信号输出之前，先对压控振荡器增益进行校准，保证每个子带范围内压控振荡器的增益都保持一致；

2】环路快速锁定

锁相环开始工作之后，检测压控振荡器输出信号的频率，通过调节压控振荡器的内部参数，使振荡频率处于锁相环环路闭合之后可以自行锁定的频率范围内，然后闭合锁相环环路；

3】带宽校准

待锁相环环路锁定之后，发生输出频率变化时，会导致环路分频比随输出频率变化而变化，由于在电荷泵电流恒定时，增益与环路滤波器的电阻乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比，且步骤1中已将每个子带范围内压控振荡器的增益调整为一致，所以在压控振荡器增益恒定的情况下，通过调节环路滤波器的电阻大小来补偿由于分频比变化导致的环路带宽变化，使环路带宽保持恒定，从而保证环路特性的稳定。

4.根据权利要求3所述的锁相环快速锁定和带宽校准方法，其特征在于：所述步骤3中，导致输出频率变化的因素包括：温度变化、电源电压波动。

5.一种锁相环快速锁定和带宽校准的系统，包括相位比较器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器，其特征在于：还包括时序逻辑校准单元，所述时序逻辑校准单元包括压控振荡器输出频率检测模块、压控振荡器控制电压调整模块、压控振荡器频率及增益调整模块以及电荷泵控制模块；所述压控振荡器输出频率检测模块用于检测压控振荡器的输出频率，压控振荡器控制电压调整模块用于调整压控振荡器的输入电压，压控振荡器频率及增益调整模块用于调整压控振荡器内部电容的大小，电荷泵控制模块用于调整电荷泵的输出电流。

6.根据权利要求5所述的锁相环快速锁定和带宽校准的系统，其特征在于：还包括用于不同温度下保持振荡器增益不变的压控振荡器增益实时温度校准模块。

7.一种锁相环快速锁定和带宽校准的系统，包括相位比较器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器，其特征在于：还包括时序逻辑校准单元，所述时序逻辑校准单元包括压控振荡器输出频率检测模块、压控振荡器控制电压调整模块、压控振荡器频率及增益调整模块以及环路滤波器电阻调整模块；所述压控振荡器输出频率检测模块用于检测压控振荡器的输出频率，压控振荡器控制电压调整模块用于调整压控振荡器的输入电压，压控振荡器频率及增益调整模块用于调整压控振荡器内部电容的大小，环路滤波器电阻调整模块用于调整环路滤波器电阻的输大小。

8.根据权利要求7所述的锁相环快速锁定和带宽校准的系统，其特征在于：还包括用于不同温度下保持振荡器增益不变的压控振荡器增益实时温度校准模块。