CN201008144Y - 一种电荷泵锁相环电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及射频与模拟集成电路中电荷泵锁相环电路技术领域，公开了一种电荷泵锁相环电路，该电路包括第一可控分频器、第二可控分频器、鉴频鉴相器、电平转移电路、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和1/N分频器。本实用新型提供的这种能够快速锁定且输出频率范围较广的电荷泵锁相环电路，电荷泵锁相环的建立时间短，速度快，输出频率范围较广，可应用范围广，能够满足现代通信系统发展的需要。
Description
技术领域
本实用新型涉及射频与模拟集成电路中电荷泵锁相环电路技术领域，尤其涉及一种能够快速锁定且输出频率范围较广的电荷泵锁相环电路。
背景技术
在射频与模拟集成电路技术中，电荷泵锁相环电路是一种锁相环路频率合成器电路，属于混合信号锁相环，使一个由振荡器产生的输出信号不仅在频率上而且在相位上与输入参考信号相同步。目前锁相环频率合成器的应用非常广泛：
1.在射频与模拟电子系统中，它作为无线发射接收机的本地振荡器，在接收链路上实现射频信号的下变频、在发射链路上实现基带信号的上变频；
2.在数字电子系统中，作为时钟产生与同步信号控制寄存器数据的存取，应用在微处理器、数字信号处理器和直接存取存贮器以及网络路由器与开关器中；
3.作为时钟与数据恢复信号，应用在光纤信号收发机、局域网收发机、光驱信道读写器中；
4.作为调制解调的信号，应用在非相干调制解调器中。
但是，采用模拟乘法器的传统模拟锁相环和采用异或门鉴相器或JK触发器鉴相器的混合信号锁相环电路，由于频率范围较窄，其频率范围已远远不能满足现代通信系统发展的需要。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种能够快速锁定且输出频率范围较广的电荷泵锁相环电路，以满足现代通信系统发展的需要。
(二)技术方案
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种电荷泵锁相环电路，该电路包括：
第一可控分频器，用于对外部输入的第一参考信号Fr进行分频，将分频后的第一参考信号Fr输出给鉴频鉴相器；
第二可控分频器，用于对1/N分频器输入的第二参考信号Fo′进行分频，将分频后的第二参考信号Fo′输出给鉴频鉴相器；
鉴频鉴相器，用于对输入的第一参考信号Fr和第二参考信号Fo′进行频率和相位比较，在上述两个信号不同频同相时产生一个上升脉冲信号UP和一个下降脉冲信号DOWN输出给电平转移电路；
电平转移电路，用于将输入的上升脉冲信号UP和下降脉冲信号DOWN提升至上升脉冲信号UP′和下降脉冲信号DOWN′，并输出给电荷泵；
电荷泵，用于在输入的上升脉冲信号UP′和下降脉冲信号DOWN′的控制下为环路滤波器电容充放电；
环路滤波器，用于滤掉接收自电荷泵的信号Vd中的高频部分，将得到的直流平均值Vc输出给压控振荡器；
压控振荡器，用于在接收的直流平均值Vc的控制下输出频率Fo；
1/N分频器，用于对压控振荡器输出的频率Fo进行分频，在输出端OUT得到高频信号，并得到第二参考信号Fo′输出给第二可控分频器。
所述第一可控分频器和第二可控分频器采用单相时钟动态逻辑，经优化的TSPD上升沿触发的触发器有九个管子，分频频率达到GHz范围。
所述第一可控分频器对外部输入的第一参考信号Fr进行分频时进行1/2/4分频；
所述第二可控分频器对外部输入的第二参考信号Fo′进行分频时进行1/2/4分频。
所述鉴频鉴相器采用时序逻辑三态鉴频鉴相器，在反馈与非门后加入了四个与非门作为延时单元，通过调节与非门中管子的长度来调节窄脉冲的宽度。
所述鉴频鉴相器产生的上升UP和下降DOWN脉冲信号的最高电压为3.3V，所述电平转移电路将UP和DOWN脉冲信号的最高电压提升到5V。
所述电荷泵电路采用了宽摆幅高阻抗的电流镜。
所述环路滤波器输出的直流平均值Vc用于控制第二参考信号Fo′的频率和相位朝着更接近于第一参考信号Fr的频率和相位的方向变化。
所述压控振荡器输出的频率Fo等于第二参考信号Fo′的整数倍。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：
1、本实用新型提供的这种能够快速锁定且输出频率范围较广的电荷泵锁相环电路，电荷泵锁相环的建立时间短，速度快，输出频率范围较广，可应用范围广，能够满足现代通信系统发展的需要。
2、本实用新型提供的这种能够快速锁定且输出频率范围较广的电荷泵锁相环电路，电荷泵锁相环的建立时间短，速度快。根据电路模拟，锁相环建立时间为8us，小于10us。
3、本实用新型提供的这种能够快速锁定且输出频率范围较广的电荷泵锁相环电路，可应用范围广。由于电平转移电路的加入，使鉴频鉴相器和电荷泵可工作在不同的电压下，扩展了电荷泵锁相环的工作条件。由于在鉴频鉴相器前增加了可控1/2/4分频器，使得参考信号的可输入最大频率由150MHz增加到400MHz。
4、本实用新型提供的这种能够快速锁定且输出频率范围较广的电荷泵锁相环电路，其电荷泵锁相环的建立时间小于10us，鉴频鉴相器工作电压为3.3V，电荷泵工作电压为5V，电荷泵充放电电流为500uA。
附图说明
图1为本实用新型提供的电荷泵锁相环电路的结构框图；
图2为本实用新型提供的电荷泵锁相环电路中鉴频鉴相器的电路图；
图3为本实用新型提供的电荷泵锁相环电路中电荷泵的电路图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
如图1所示，图1为本实用新型提供的电荷泵锁相环电路的结构框图，该电路包括第一可控分频器10、第二可控分频器11、鉴频鉴相器12、电平转移电路13、电荷泵14、环路滤波器15、压控振荡器16和1/N分频器17。
其中，第一可控分频器10用于对外部输入的第一参考信号Fr进行分频，将分频后的第一参考信号Fr输出给鉴频鉴相器12。
第二可控分频器11用于对1/N分频器17输入的第二参考信号Fo′进行分频，将分频后的第二参考信号Fo′输出给鉴频鉴相器12。
鉴频鉴相器12用于对输入的第一参考信号Fr和第二参考信号Fo′进行频率和相位比较，在上述两个信号不同频同相时产生一个上升脉冲信号UP和一个下降脉冲信号DOWN输出给电平转移电路13。
电平转移电路13用于将输入的上升脉冲信号UP和下降脉冲信号DOWN提升至上升脉冲信号UP′和下降脉冲信号DOWN′，并输出给电荷泵14。
电荷泵14用于在输入的上升脉冲信号UP′和下降脉冲信号DOWN′的控制下为环路滤波器15电容充放电。
环路滤波器15用于滤掉接收自电荷泵14的信号Vd中的高频部分，将得到的直流平均值Vc输出给压控振荡器16。
压控振荡器16用于在接收的直流平均值Vc的控制下输出频率Fo。
1/N分频器17用于对压控振荡器16输出的频率Fo进行分频，在输出端OUT得到高频信号，并得到第二参考信号Fo′输出给第二可控分频器11。
本实用新型电荷泵锁相环采用Chartered公司0.35um上艺制备，芯片内包括第一可控分频器10、第二可控分频器11、鉴频鉴相器(PFD)12、电平转移电路13、电荷泵14和带隙基准六个部分。另有环路滤波器15、压控振荡器(VCO)16和1/N分频器17采用片外连接。具体工作原理如下：
签频签相器12对第一参考信号Fr和VCO振荡频率分频所得到的第二参考信号Fo′进行频率和相位比较(Fr和Fo′在输入PFD前均可进行1/2/4分频)，只要这两个信号不是同频同相，PFD就会产生最高电压为3.3V的一个上升脉冲信号UP和一个下降脉冲信号DOWN送入电平转移电路13，电平转移电路13将上升脉冲信号UP和下降脉冲信号DOWN的最高电压提升到5V送入电荷泵14，控制电荷泵14给环路滤波器15电容充放电。环路滤波器15滤掉信号Vd中的高频部分，再将得到的直流平均值Vc送入VCO，控制VCO的输出频率Fo，其中，Fo＝NFo′，即频率Fo等于第二参考信号Fo′的整数倍。Vc会使得的Fo′的频率和相位朝着更接近于Fr的频率和相位的方向变化，如此反复循环，最终导致Fr和Fo′同频同相，Vc稳定下来，VCO输出稳定的频率Fo，达到锁定。
片内可控分频器采用单相时钟动态逻辑进行设计，经优化的TSPD上升沿触发的触发器只有九个管子，时钟分布简单，速度非常高，分频频率可以达到GHz的范围。如图2所示，图2为本实用新型提供的电荷泵锁相环电路中鉴频鉴相器的电路图。鉴频鉴相器比较两个信号的相位与频率差，并且产生控制信号给电荷泵。本实用新型采用时序逻辑三态鉴频鉴相器，它具有频率获取能力、扩展的跟踪范围和低成本等非常明显的优点，并加入了消除死区的设计，即在反馈与非门后加入了四个与非门作为延时单元，经仿真，鉴频鉴相器产生的窄脉冲宽0.8ns，足已使得电荷泵的开关信号上升到有效值，通过调节与非门中管子的长度L可调节窄脉冲的宽度。电平转移电路将鉴频鉴相器的输出信号的高电平由3.3V提升到5V。
在图2中，虚线框里的四个反相器的管子的长L比其它的数字管略大，为0.40um(其余数字管的长L均为0.35um)。这是为了增加窄脉冲的宽度以使得电荷泵的开关信号有足够的时间上升到有效值，消除死区。
如图3所示，图3为本实用新型提供的电荷泵锁相环电路中电荷泵的电路图。电荷泵采用了宽摆幅高阻抗的电流镜设计，这给电荷泵带来两方面的好处，一是电流源的高输出阻抗抑制了控制电压的变化对电流大小的调制，从而电荷泵的两个电流源的匹配性能相当好；二是电流源的宽摆幅特性使得电荷泵的输出信号动态域增大，拓宽了VCO的锁定域。
开关在电流镜MOS管漏极的电荷泵一个很大的问题是当开关开启与关断时产生的电荷共享效应和峰值电流。为此，采用Current-Steering-Switch技术，这样由电流镜偏置的电流源始终都不被关断，从而消去峰值电流和减小电荷共享效应。另外，采用了这种流行的Current-Steering-Switch电荷泵的一个非常大的优点是大大地提高了开关速度，提供了一个高速的单端电荷泵。
在图3中，由于电荷泵的工作电源为5V，电路中所有PMOS FET采用高栅压的tk_pmos类型，所有NMOS FET采用tk_nmos类型。除电荷泵和电平转移电路的其余电路均采用普通的tn_pmos和tn_nmos类型。M1和M2这两个开关管构成一对Current-Steering-Switch，M3和M4这两个开关管同样构成一对Current-Steering-Switch，由于考虑到电荷共享效应和寄生电容的影响，开关管的宽长比应比较小，同时又考虑到开关管必须要有一定的Current Steering能力，开关管的宽长比又不能太小，对于此时恒流源是500uA的情况，取M1的宽长比为30um/0.5um，M2的宽长比为100um/0.5um，M3的宽长比10um/0.5um，M4的宽长比为100um/0.5um。图中的理想电流源是通过带隙基准电路产生基准电流再镜像得到的。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电荷泵锁相环电路，其特征在于，该电路包括：
第一可控分频器，用于对外部输入的第一参考信号Fr进行分频，将分频后的第一参考信号Fr输出给鉴频鉴相器；
第二可控分频器，用于对1/N分频器输入的第二参考信号Fo′进行分频，将分频后的第二参考信号Fo′输出给鉴频鉴相器；
鉴频鉴相器，用于对输入的第一参考信号Fr和第二参考信号Fo′进行频率和相位比较，在上述两个信号不同频同相时产生一个上升脉冲信号UP和一个下降脉冲信号DOWN输出给电平转移电路；
电平转移电路，用于将输入的上升脉冲信号UP和下降脉冲信号DOWN提升至上升脉冲信号UP′和下降脉冲信号DOWN′，并输出给电荷泵；
电荷泵，用于在输入的上升脉冲信号UP′和下降脉冲信号DOWN′的控制下为环路滤波器电容充放电；
环路滤波器，用于滤掉接收自电荷泵的信号Vd中的高频部分，将得到的直流平均值Vc输出给压控振荡器；
压控振荡器，用于在接收的直流平均值Vc的控制下输出频率Fo；
1/N分频器，用于对压控振荡器输出的频率Fo进行分频，在输出端OUT得到高频信号，并得到第二参考信号Fo′输出给第二可控分频器。
2.根据权利要求1所述的电荷泵锁相环电路，其特征在于，所述第一可控分频器和第二可控分频器采用单相时钟动态逻辑，经优化的TSPD上升沿触发的触发器有九个管子，分频频率达到GHz范围。
3.根据权利要求1或2所述的电荷泵锁相环电路，其特征在于，
所述第一可控分频器对外部输入的第一参考信号Fr进行分频时进行1/2/4分频；
所述第二可控分频器对外部输入的第二参考信号Fo′进行分频时进行1/2/4分频。
4.根据权利要求1所述的电荷泵锁相环电路，其特征在于，所述鉴频鉴相器采用时序逻辑三态鉴频鉴相器，在反馈与非门后加入了四个与非门作为延时单元，通过调节与非门中管子的长度来调节窄脉冲的宽度。
5.根据权利要求1或4所述的电荷泵锁相环电路，其特征在于，所述鉴频鉴相器产生的上升UP和下降DOWN脉冲信号的最高电压为3.3V，所述电平转移电路将UP和DOWN脉冲信号的最高电压提升到5V。
6.根据权利要求1所述的电荷泵锁相环电路，其特征在于，所述电荷泵电路采用了宽摆幅高阻抗的电流镜。
7.根据权利要求1所述的电荷泵锁相环电路，其特征在于，所述环路滤波器输出的直流平均值Vc用于控制第二参考信号Fo′的频率和相位朝着更接近于第一参考信号Fr的频率和相位的方向变化。
8.根据权利要求1所述的电荷泵锁相环电路，其特征在于，所述压控振荡器输出的频率Fo等于第二参考信号Fo′的整数倍。
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