CN105610436B - 一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环，具备自适应加速锁定结构电荷泵锁相环包括传统电荷泵锁相环的鉴频鉴相模块，电荷泵模块，环路滤波模块，压控振荡模块，分频模块，及特有的自适应加速锁定器。该种结构可显著提高锁相环的锁定速度，同时不会对锁定后的锁相环的输出产生额外抖动，同时一旦因为外部环境发生失锁，该结构会自行启动，使环路快速回到稳定状态。

Description

一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环

技术领域

本发明涉及一种电荷泵锁相环实现方法，尤其涉及一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环，属于半导体集成电路领域。

背景技术

高速串行接口是越来越多的集成电路需要具备的接口，在高速串行接口中需要有高精度的锁相环用来作数据发送/接受的基准时钟，高速串行接口采用的锁相环多数是整数分频的电荷泵锁相环，传统的电荷泵锁相环在锁定过程中，通过鉴频鉴相器分辨出输入时钟信号与锁相环输出时钟的相差控制电荷泵工作，电荷泵产生对应控制电压，控制压控振荡模块由低频向高频振荡，锁定时间长，且一旦发生失锁，整个锁相环重新进入稳定状态还是需要重复相同的步骤，采用外部干预的方式需要额外的检测控制结构控制锁相环的工作，在不同的状态切换时会不可避免地带来额外抖动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环，包括鉴频鉴相模块、电荷泵模块、环路滤波模块、压控振荡模块、输入时钟模块、输出时钟模块、分频模块和自适应加速锁定模块；所述分频模块和输入时钟模块的输出端分别连接鉴频鉴相模块和自适应加速锁定模块的输入端，所述鉴频鉴相模块的输出端连接电荷泵模块的输入端，所述电荷泵模块的输出端连接环路滤波模块的输入端；所述压控振荡模块的输入端同时连接环路滤波模块和自适应加速锁定模块的输出端，所述压控振荡模块的输出端分别连接分频模块和输出时钟模块的输入端；所述自适应加速锁定模块同时连接鉴频鉴相模块和电荷泵模块。

作为本发明一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环的进一步优选方案，所述自适应加速锁定模块包含频率电压转换模块、电阻网络、电压比较器、自适应电荷调整器，所述频率电压转换模块包含第一频率电压转换模块和第二频率电压转换模块，所述第一频率电压转换模块连接分频器模块，所述第二频率电压转换模块连接输入时钟模块，所述第一频率电压转换模块和第二频率电压转换模块的输出端分别连接电压比较器的输入端；第二频率电压转换模块的输出端还通过电阻网络连接自适应电荷调整器的输入端。

作为本发明一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环的进一步优选方案，所述自适应电荷调整器包含压控电流源、开关电容、偏置产生模块、通道开关，所述偏置产生模块连接压控电流源，所述压控电流源同时连接通道开关及偏置产生模块，所述开关电容连接压控电流源。

作为本发明一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环的进一步优选方案，所述频率电压转换模块包含依次连接的鉴频器、开关电容和电流源，所述鉴频器用于将输入信号的频率特征转换为开关的控制信号，通过控制开关电容的充电放电将频率信号转化为电压的幅度信号。

作为本发明一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环的进一步优选方案，所述鉴频器包含第一D触发器和第二D触发器，所述开关电容包含第一开关电容和第二开关电容，所述第一D触发器的输入端连接待测频率，所述第一D触发器的输出端连接第一开关电容的开关，第二D触发器的输入连接参考时钟，第二D触发器的输出端连接第二开关电容；所述第一开关电容的第一级开关连接电源电压及第一级电容；所述第二开关电容的第二级开关分别连接第一开关电容的第一级电容、第二级电容及恒流源，所述第三开关电容的第三级开关分别连接第二级电容及第三级电容，该开关同时受第一级电容上电压及第二级电容上电压。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明通过自适应的快速锁定结构，使得高速锁相环能够快速完成锁定，该结构在锁相环频率远低于目标频率时会自动启动，无须外界干预，在锁相环频率接近目标频率时会自动关闭，避免了额外抖动注入；

2、本发明通过在结构中引入自适应加速锁定模块，降低锁相环的锁定时间消耗；自适应的结构使得一旦因频率偏差过大发生失锁，可以自动启动，同时当锁相环重新趋向稳定时，模块可以自行关闭，无需外部干预；

3、本发明在输入时钟频率与振荡器相差较大时，由自适应加速锁定模块控制振荡器由高频向低频振荡；当频率接近时，自适应加速锁定模块关闭，由锁相环的鉴频鉴相模块及电荷泵控制振荡器工作。

4、本发明在通过自适应单元逼近目标频率时，由于电压控制信号直接作用于压控振荡器，因此逼近速度更快；当频率接近后，通过环路滤波器平滑过的电压信号控制振荡最终到达目标频率，并维持线性，避免抖动。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明自适应加速锁定模块的电路结构示意图；

图3是本发明频率电压转换模块的电路结构示意图；

图4是本发明自适应电荷调整器的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环，包括鉴频鉴相模块、电荷泵模块、环路滤波模块、压控振荡模块、输入时钟模块、输出时钟模块、分频模块和自适应加速锁定模块；所述分频模块和输入时钟模块的输出端分别连接鉴频鉴相模块和自适应加速锁定模块的输入端，所述鉴频鉴相模块的输出端连接电荷泵模块的输入端，所述电荷泵模块的输出端连接环路滤波模块的输入端；所述压控振荡模块的输入端同时连接环路滤波模块和自适应加速锁定模块的输出端，所述压控振荡模块的输出端分别连接分频模块和输出时钟模块的输入端；所述自适应加速锁定模块同时连接鉴频鉴相模块和电荷泵模块。

该结构中包含两个环路，环路1为鉴频鉴相模块、电荷泵模块、环路滤波模块、压控振荡模块、分频模块组成，在锁相环稳定后的工作状态由环路1维持；环路2为自适应加速锁定模块、压控振荡模块、分频模块组成，在锁相环的振荡频率远低于目标频率时，由环路2控制锁相环的工作状态。例如：收到复位信号后，整个结构被置于初始状态，自适应加速锁定模块会关闭鉴频鉴相模块及电荷泵模块，同时将压控振荡器的控制电压设置为电源电压，令压控振荡器模块由高频开始振荡，随着压控振荡器的经过分频模块分频后的时钟频率接近输入时钟频率，自适应加速锁定模块会开启鉴频鉴相模块及电荷泵模块，并放弃对压控振荡器的工作控制，由鉴频鉴相模块及电荷泵模块产生的控制电压控制，通过无源低通滤波器组成LoopFlitter后控制压控振荡器工作；一旦锁相环的振荡频率远低于目标频率，且该状态持续时间达到/超过自适应加速锁定模块的侦测时间窗口（即频率电压转化模块所需的分辨周期数）后，自适应加速锁定模块会再次关闭鉴频鉴相、电荷泵模块，由其自身、压控振荡模块、分频模块构成的环路2快速令振荡频率逼近目标频率。

如图2所示，所述自适应加速锁定模块包含频率电压转换模块、电阻网络、电压比较器、自适应电荷调整器，所述频率电压转换模块包含第一频率电压转换模块和第二频率电压转换模块，所述第一频率电压转换模块连接分频模块，所述第二频率电压转换模块连接输入时钟模块，所述第一频率电压转换模块和第二频率电压转换模块的输出端分别连接电压比较器的输入端；第二频率电压转换模块的输出端还通过电阻网络连接自适应电荷调整器的输入端。

自适应加速锁定模块的架构如图2所示，包括频率电压转换器1及频率电压转换器2，这里频率电压转换器1即上述第一频率电压转换模块，所述频率电压转换器2即上述第二频率电压转换模块，还包含电压比较器、自适应电荷调整器、电阻网络、频率电压转换器1将经过分频模块分频的时钟频率转化成电压幅度，频率电压转换器2将输入的参考时钟频率转化成电压幅度；电压比较器比较两者电压幅度大小，F_V2的电压作为比较参考，分频器输出时钟远与输入参考时钟差异大时，通过频率电压转换器输出电压会有明显差异，比较器会输出高于阈值的电压。例如在初始状态，由于初始环振会以极高频率的小信号进行振荡，该小信号驱动能力极弱，该信号通过分频器后产生的时钟远低于目标频率，因此通过第一频率电压转化后的电压也远低于第二频率电压转化模块的输出电压，进而电压比较器将使能信号置低，该使能信号既会关闭鉴频鉴相模块及电荷泵模块，有会启动自适应电荷调整器，同时由于根据设置的补偿比例系数，由参考时钟频率获得的电压会以一个额外的比例加速自适应电荷调整器的工作，自适应电荷调整器在这两个信号控制下产生了控制压控振荡器的工作的控制电压。

如图3所示，所述频率电压转换模块包含依次连接的鉴频器、开关电容和电流源，所述鉴频器用于将输入信号的频率特征转换为开关的控制信号，通过控制开关电容的充电放电将频率信号转化为电压的幅度信号。所述鉴频器包含第一D触发器和第二D触发器，所述开关电容包含第一开关电容和第二开关电容，所述第一D触发器的输入端连接待测时钟，所述第一D触发器的输出端连接第一开关电容的开关，第二D触发器的输入连接参考时钟，第二D触发器的输出端连接第二开关电容；所述第一开关电容的第一级开关连接电源电压及第一级电容；所述第二开关电容的第二级开关分别连接第一开关电容的第一级电容、第二级电容及恒流源，所述第三开关电容的第三级开关分别连接第二级电容及第三级电容，该开关同时受第一级电容上电压及第二级电容上电压控制。

频率电压转换器包括3个开关电容，鉴频器，电流源；其中构成鉴频器的是两个D触发器即F1和F2，输入时钟信号进入触发器F1，参考时钟进入F2，由F1的同相输出控制后续开关电容1的充电，由F2的反向输出控制后续开关电容2的充电及开关电容1的放电，开关电容3受开关电容1及开关电容2上的电压控制，其输出构成转化完成的电压输出。例如输入时钟信号在正半周期通过F1开启开关电容1中的M1，同时通过F2关闭M2，向电容C1充电，类似在负半周期开启M2，关闭M1，通过C1向C2充电；构成开关电容3的是M3及C3，在完全开启状态下的M3 形成的导通电阻与C3构成一个低通滤波网络，同时在开启过程中，导通电阻的值是一个受C1及C2上电压增大而减小的非线性电阻：在初始状态复位信号有效时，M1关闭，M2及M3开启电容C1 、C2、C3上的电荷都通过电流源完成释放；频率电压转换的初始阶段，时钟的频率特性转换为开关M1及M2的开启闭合时间，影响在C1及C2上电荷量，恒流源的以固定的速度在消耗累积在C2上的电荷，因此维持在C2上的电压值是输入时钟频率的函数，当输入时钟频率低于参考频率时，C2上电荷的消耗的速度大于积累电荷的速度，维持在C2上的电压低于频率阈值，当输入时钟频率高于参考频率时，C2上的电荷在缓慢增加，经过足够频率电压的转换时间，会在C2上得到稳定的高于阈值电压；在整个上升过程，开关电容3构成的低通滤波器，可以滤除开关开启时，瞬时的电流变化，即C2上的电压振荡；此外在C2上电荷积累过程，开关电容3的小信号电阻值还会随着积累电荷增加而降低，使得了在积累过程中该滤波器带宽会逐渐调整，以滤除C3上电压受到C2电压波动的影响。

自适应电荷调整器的架构如图4所示，包括偏置产生模块，压控电流源，开关电容及通道开关；当自适应电荷调整器被启动，首先开关电容4的M4，为电容C4充电，由于此时E信号无效，因此偏置电压产生电路不会输出维持M5开启的电压，同时M9也是关闭，使得M6也是关闭状态，C4的两极板上都会在短时间内达到电源电压VDD；随着比较器分辨出振荡器频率远低于目标频率，E信号有效，即EN信号开启偏置电压产生，M5开启，开时将积累在电容C4上下极板的电荷进行泄放，M7为M5的泄放速度提供曲率补偿，同时由于E信号闭合了开关M9，M6在加权电压KVF_CLKIN作用下参与C4下极板电荷释放，C4下极板的电压作为控制VCO的控制电压控制VCO振荡；当振荡器频率与目标频率接近时，E信号再次无效，此时EN信号无法再启动偏置电压产生，M5作为泄放支路关闭，同时M9也断开了M6受到加权电压KVF_CLKIN的作用，进而中断M6的泄放支路，此时C4下极板的电压接近VCO达到目标频率的稳定电压，由前述的鉴频鉴相器，电荷泵模块通过无源低通滤波器构成的LoopFlitter来对该电压的值进行微调。

Claims (3)

1.一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环，其特征在于：包括鉴频鉴相模块、电荷泵模块、环路滤波模块、压控振荡模块、输入时钟模块、输出时钟模块、分频模块和自适应加速锁定模块；所述分频模块和输入时钟模块的输出端同时连接鉴频鉴相模块和自适应加速锁定模块的输入端，所述鉴频鉴相模块的输出端连接电荷泵模块的输入端，所述电荷泵模块的输出端连接环路滤波模块的输入端；所述压控振荡模块的输入端同时连接环路滤波模块和自适应加速锁定模块的输出端，所述压控振荡模块的输出端分别连接分频模块和输出时钟模块的输入端；所述自适应加速锁定模块同时连接鉴频鉴相模块和电荷泵模块；所述自适应加速锁定模块包含频率电压转换模块、电阻网络、电压比较器、自适应电荷调整器，所述频率电压转换模块包含第一频率电压转换模块和第二频率电压转换模块，所述第一频率电压转换模块连接分频模块，所述第二频率电压转换模块连接输入时钟模块，所述第一频率电压转换模块和第二频率电压转换模块的输出端分别连接电压比较器的输入端；第二频率电压转换模块的输出端还通过电阻网络连接自适应电荷调整器的输入端；所述自适应电荷调整器包含压控电流源、开关电容、偏置产生模块、通道开关，所述偏置产生模块连接压控电流源，所述压控电流源同时连接通道开关及偏置产生模块，所述开关电容连接压控电流源。

2.根据权利要求1所述的一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环，其特征在于：所述频率电压转换模块包含依次连接的鉴频器、开关电容和电流源，所述鉴频器用于将输入信号的频率特征转换为开关的控制信号，通过控制开关电容的充电放电将频率信号转化为电压的幅度信号。

3.根据权利要求2所述的一种具备自适应加速锁定结构的电荷泵锁相环，其特征在于：所述鉴频器包含第一D触发器和第二D触发器，所述开关电容包含第一开关电容和第二开关电容，所述第一D触发器的输入端连接待分辨频率，输出端连接第一开关电容的开关；第二D触发器的输入连接参考频率，第二D触发器的输出端连接第二开关电容；所述第一开关电容的第一级开关连接电源电压及第一级电容；所述第二开关电容的第二级开关分别连接第一开关电容的第一级电容、第二级电容及恒流源；第三开关电容的第三级开关分别连接第二级电容及第三级电容，该第三级开关同时受第一级电容上电压及第二级电容上电压的控制。