CN109995365B - 一种基于开关电容阵列温度补偿电路的频率综合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开关电容阵列温度补偿电路的频率综合器，包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、驱动器、分频器和自动频率校准数字电路，温度补偿电路，鉴频鉴相器鉴别参考时钟频率和分频器输出的分频时钟的相位差，电荷泵将该相位差转换为对应的电流，电流经过环路滤波器得到相应的控制压控振荡器输出信号频率大小的控制电压，压控振荡器的输出信号还将经过驱动器作为输出信号，同时给到分频器，形成负反馈环路；自动频率校准数字电路用于为压控振荡器选择合适的子带，输出子带控制信号；温度补偿电路用于根据环路滤波器的输出信号，通过比较器和数字电路调整温度补偿开关电容阵列实现对压控振荡器输出信号的调整。

Description

一种基于开关电容阵列温度补偿电路的频率综合器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于开关电容阵列温度补偿电路的频率综合器。

背景技术

频率综合器中的压控振荡器的调谐增益会影响其自身的相位噪声大小。调谐增益越大，相位噪声越大。宽频带的频率综合器需要一个频率覆盖范围广的压控振荡器，如果宽频带的压控振荡器仍然采用一根调谐曲线(调谐曲线又可以称之为“子带”)，将会产生极大的调谐增益，势必会恶化相位噪声性能。目前通常的做法是在压控振荡器中采用数字控制的开关电容阵列，将一根调谐曲线划分成多根调谐曲线，降低调谐增益。这样可以在覆盖宽频带范围的同时，有效提高相位噪声性能。

频率综合器锁定之后，在外界环境温度变化的情况下，压控振荡器的控制电压V_tune会发生变化，当V_tune的变化超出电荷泵的线性范围时(即超出了子带的频率覆盖范围)，会导致频率综合器出现性能恶化甚至失锁的现象。

解决上述问题的传统方法是通过提高调谐增益，提高子带的频率覆盖范围。但是这种方法的弊端是因为调谐增益提高而导致相位噪声性能恶化。另外，压控振荡器的控制电压在锁定之后一般处于中间值，此时控制电压的线性度最佳，当随着温度变化，控制电压会发生改变，越接近极限值的情况下，线性度越差。而由于非线性引入的额外的相位噪声也会恶化频率综合器的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于开关电容阵列温度补偿电路的频率综合器，通过引入开关电容阵列温度补偿电路可以保持原有调谐增益不变而且保持环路滤波器负载基本不变的情况下，通过额外的开关电容阵列，配合数字算法的控制，有效补偿因为温度变化带来的影响。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于开关电容阵列温度补偿电路的频率综合器，包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、驱动器、分频器和自动频率校准数字电路，进一步包括温度补偿电路，所述鉴频鉴相器鉴别参考时钟频率和分频器输出的分频时钟的相位差，电荷泵将该相位差转换为对应的电流，所述电流经过环路滤波器得到相应的控制压控振荡器输出信号频率大小的控制电压，所述压控振荡器输出信号同时还将经过驱动器给到分频器，形成负反馈环路；所述自动频率校准数字电路用于为压控振荡器选择合适的子带，输出子带控制信号；所述温度补偿电路用于根据环路滤波器的输出信号，通过比较器和数字电路调整温度补偿开关电容阵列实现对压控振荡器输出信号的调整，补偿因为温度变化引起的不良影响。

优选地，所述温度补偿电路进一步包括分压电阻网络、比较器、数字电路和温度补偿开关电容阵列，所述分压电阻网络用于产生两个参考电压，所述比较器电路用于比较压控振荡器控制电压V_tune和两个参考电压V_{ref_L}和V_{ref_H}的大小，并得到第一数据信号data1和第二数据信号data2，所述数字电路用于实现温度补偿算法，所述温度补偿开关电容阵列并列在压控振荡器输出端，用于调整压控振荡器的输出信号。

优选地，所述数字电路的温度补偿算法如下：

在频率综合器锁定之前，数字电路中的温度补偿算法不工作；

当频率综合器完成锁定之后，之后温度补偿电路中的数字电路开始工作，初始状态下，数字电路给出的温度补偿开关电容阵列控制码字为0，并将自动频率校准算法得到的压控振荡器的子带控制码字赋值给实际子带控制码字；

压控振荡器控制电压和两个参考电压进行比较，得到比较结果第一数字信号data1和第二数字信号data2，数字电路在输入时钟上升沿对第一数字信号data1和第二数字信号data2采样并输出相应的结果，即温度补偿开关电容阵列的控制码字。

优选地，所述数字电路在输入时钟上升沿对第一数字信号data1和第二数字信号data2采样得到相应的结果具体如下：

当V_tune＞V_{ref_L}且V_tune＜V_{ref_H}时，数字电路采样得到的第一数字信号data1和第二数字信号data2的结果都为0，输出的控制码字保持不变；

当V_tune＜V_{ref_L}时，data1＝1，data2＝0，控制输出的码字sw＜2:0＞减1，控制温度补偿开关电容阵列给压控振荡器补偿电容，直到控制电压回到正常范围；

当V_tune＞V_{ref_H}时，data1＝0，data2＝1，控制输出的码字sw＜2:0＞加1，控制温度补偿开关电容阵列给压控振荡器补偿电容，直到控制电压回到正常范围。

采用本发明具有如下的有益效果：

1、提出了一种全新的基于开关电容阵列的温度补偿电路及算法，可以保持原有调谐增益不变而且保持环路滤波器负载基本不变的情况下，通过额外的开关电容阵列，配合数字算法的控制，有效补偿因为温度变化带来的影响。

2、该方案可以一定程度上保持压控振荡器的控制电压处于线性度较好的区间，可以避免由非线性引入的额外的相位噪声。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于开关电容阵列温度补偿电路的频率综合器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明公开了一种基于开关电容阵列温度补偿电路的频率综合器，包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、驱动器、分频器和自动频率校准数字电路，进一步包括温度补偿电路，其中鉴频鉴相器鉴别参考时钟频率F_ref和分频器输出的分频时钟的相位差，电荷泵将该相位差转换为对应的电流，该电流经过环路滤波器得到相应的控制压控振荡器频率大小的控制电压V_tune，压控振荡器的输出信号经过驱动器作为系统的输出信号，同时还将给到分频器，形成负反馈环路；自动频率校准数字电路用于为压控振荡器选择合适的子带，输出子带控制信号band_in＜7:0＞；温度补偿电路用于根据环路滤波器的输出信号，通过比较器和数字电路调整温度补偿开关电容阵列实现对压控振荡器输出信号的调整，补偿因为温度变化引起的不良影响。

进一步地，具体应用实施例中，温度补偿电路进一步包括分压电阻网络、比较器、数字电路和温度补偿开关电容阵列，分压电阻网络用于产生两个参考电压V_{ref_H}和V_{ref_L}。在设计取值时应该考虑压控振荡器变容管的线性区间即相位噪声性能较好的区间，设置合理的参考电压的值。加入温度补偿电路之后，在电路稳定状态下，压控振荡器的控制电压V_tune将会保持在这两个参考电压之内。比较器电路用于比较压控振荡器控制电压V_tune和两个参考电压V_{ref_L}和V_{ref_H}的大小，并得到第一数据信号data1和第二数据信号data2。当V_tune＜V_{ref_L}时，data1＝1，否则，data1＝0；当V_tune＞V_{ref_H}时，data2＝1，否则data2＝0。数字电路用于实现温度补偿算法，可以通过编写代码并通过数字电路综合工具和自动布局布线工具实现。

温度补偿开关电容阵列用于调整压控振荡器的输出信号。其中的温度补偿开关电容阵列主要由开关电路和电容组成，该部分电路并联在压控振荡器的输出信号的两端。该部分电路建议使用3位码字控制但不限定为3位。需要注意的是在设计中可以将该部分电路嵌入到压控振荡器的开关电容阵列中。假设压控振荡器中开关电容阵列最低位开关电容的电容值为C，则温度补偿的三档开关电容阵列的电容值应设计为C/2，C/4，C/8，因此3位温度补偿码字可以和8位压控振荡器子带控制码字组成新的11位二进制码字控制位，因此在算法控制时，当温度补偿码字溢出或者不足时，可以从压控振荡器的8位子带控制码字进位或者补位。通过上述设计，一方面可以提高温度补偿的精度；另一方面通过复用压控振荡器电路中的开关电容阵列，可以提高温度补偿的范围，该方案的理论补偿范围和压控振荡器整个频率工作范围相当。在版图设计中也建议将两部分整合在一起，这样可以最大程度保证电路性能不受版图寄生参数的影响。

在具体应用实例中，数字电路的温度补偿算法实现过程如下：

在频率综合器锁定之前，数字电路中的温度补偿算法不工作；

当频率综合器完成锁定之后，自动频率校准数字电路将给出压控振荡器子带控制码字band_in＜7:0＞(本处仅是给出举例，压控振荡器子带控制码字不限定为8位)，之后温度补偿电路中的数字电路开始工作。初始状态下，数字电路给出的温度补偿开关电容阵列控制码字为sw＜2:0＞为000，并将压控振荡器子带控制码字band_in＜7:0＞赋值给实际子带控制码字band_out＜7:0＞；

压控振荡器控制电压和两个参考电压进行比较，得到比较结果第一数字信号data1和第二数字信号data2，数字电路在输入时钟上升沿对第一数字信号data1和第二数字信号data2采样得到相应的结果。输入时钟可以设置为低于参考时钟的任何频率，建议选用参考时钟的4分频或者8分频。

数字电路在输入时钟上升沿对第一数字信号data1和第二数字信号data2采样得到相应的结果具体如下：

当V_tune＞V_{ref_L}且V_tune＜V_{ref_H}时，数字电路采样得到的第一数字信号data1和第二数字信号data2的结果都为0，输出的控制码字保持不变；

当V_tune＜V_{ref_L}时，data1＝1，data2＝0，控制输出的码字sw＜2:0＞减1，(sw＜2:0＞不足时可以从band_out＜7:0＞补一位)，控制温度补偿开关电容阵列给压控振荡器补偿电容，直到控制电压回到正常范围；

当V_tune＞V_{ref_H}时，data1＝0，data2＝1，控制输出的码字sw＜2:0＞加1，控制温度补偿开关电容阵列给压控振荡器补偿电容，(sw＜2:0＞溢出时可以进位到band_out＜7:0＞当中)，直到控制电压回到正常范围。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (1)

1.一种基于开关电容阵列温度补偿电路的频率综合器，包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、驱动器、分频器和自动频率校准数字电路，进一步包括温度补偿电路，所述鉴频鉴相器鉴别参考时钟频率和分频器输出的分频时钟的相位差，电荷泵将该相位差转换为对应的电流，所述电流经过环路滤波器得到相应的控制压控振荡器输出信号频率大小的控制电压，所述的压控振荡器的输出信号还将经过驱动器作为输出信号，同时给到分频器，形成负反馈环路；所述自动频率校准数字电路用于为压控振荡器选择合适的子带，输出子带控制信号；所述温度补偿电路用于根据环路滤波器的输出信号，通过比较器和数字电路调整温度补偿开关电容阵列实现对压控振荡器输出信号的调整，补偿因为温度变化引起的不良影响；

所述温度补偿电路进一步包括分压电阻网络、比较器、数字电路和温度补偿开关电容阵列，所述分压电阻网络用于产生两个参考电压，所述比较器电路用于比较压控振荡器控制电压V_tune和两个参考电压V_{ref_L}和V_{ref_H}的大小，并得到第一数据信号data1和第二数据信号data2，所述数字电路用于实现温度补偿算法，所述温度补偿开关电容阵列并列在压控振荡器输出端，用于调整压控振荡器的输出信号，设压控振荡器中开关电容阵列最低位开关电容的电容值为C，温度补偿的三档开关电容阵列的电容值为C/2、C/4、C/8；

所述数字电路的温度补偿算法如下：

在频率综合器锁定之前，数字电路中的温度补偿算法不工作；

当频率综合器完成锁定之后，之后温度补偿电路中的数字电路开始工作，初始状态下，数字电路给出的温度补偿开关电容阵列控制码字为0，并将自动频率校准算法得到的压控振荡器的子带控制码字赋值给实际子带控制码字；

压控振荡器控制电压和两个参考电压进行比较，得到比较结果第一数字信号data1和第二数字信号data2，数字电路在输入时钟上升沿对第一数字信号data1和第二数字信号data2采样，并输出相应的结果，即温度补偿开关电容阵列的控制码字；

所述数字电路在输入时钟上升沿对第一数字信号data1和第二数字信号data2采样得到相应的结果具体如下：

当V_tune＞V_{ref_L}且V_tune＜V_{ref_H}时，数字电路采样得到的第一数字信号data1和第二数字信号data2的结果都为0，输出的控制码字保持不变；

当V_tune＜V_{ref_L}时，data1＝1，data2＝0，控制输出的码字sw<2：0>减1，sw<2：0>不足时从实际子带控制码字补一位，控制温度补偿开关电容阵列给压控振荡器补偿电容，直到控制电压回到正常范围；

当V_tune＞V_{ref_H}时，data1＝0，data2＝1，控制输出的码字sw<2：0>加1，sw<2：0>溢出时进位到实际子带控制码字当中，控制温度补偿开关电容阵列给压控振荡器补偿电容，直到控制电压回到正常范围。

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