CN210469271U - 应用于锁相环系统的锁相加速电路及锁相环系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开应用于锁相环系统的锁相加速电路及锁相环系统，该锁相环系统包括鉴频鉴相器、电荷泵、锁相加速电路、低通滤波器、压控振荡器和分频器，并依次连接形成的一个反馈环路，锁相加速电路包括偏移电压产生模块和电流注入控制模块；偏移电压产生模块的信号输出端产生一个大于其输入端电压的偏移电压，用于在锁相环系统在接近稳定或已经稳定状态下，切断锁相加速电路工作；电流注入控制模块，通过比较低通滤波器的信号输入端的电压值和偏移电压产生模块的信号输出端的电压值，来确定锁相加速电路的工作状态，从而达到锁相加速的目的。

Description

应用于锁相环系统的锁相加速电路及锁相环系统

技术领域

本实用新型属于锁相环的技术领域，尤其涉及应用于锁相环系统的锁相加速电路及锁相环系统。

背景技术

锁相环（PLL）是一种十分重要的功能系统，如在一个芯片系统中提供一种或多种频率要求的时钟、在接收机中产生本振信号、在通信系统中保持同步等。对于这些系统锁相环的快速锁定一直是追求目标，但是受到稳定性、动态响应、精度和噪声等因素相互制约，锁相速度难以进一步提高。

在锁相环中，鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器形成一个反馈环路，压控振荡器的高频输出信号经分频后，反馈时钟信号Ffb与晶体振荡器产生的参考时钟信号Fref输入鉴频鉴相器，鉴频鉴相器比较两输入信号的相位差，产生输出电压，输出电压控制电荷泵产生充电或放电电流Icp，此电流对低通滤波器进行充电或放电，导致低通滤波器输出的控制电压Vc增大或减小，Vc作为压控振荡器的输入，调整压控振荡器的输出信号频率，经过分频器分频输出反馈时钟信号Ffb，再将反馈时钟信号Ffb传送给鉴频鉴相器，环路的负反馈特性使参考时钟信号Fref 和反馈时钟信号Ffb相位一致时，或者相差一个固定的值，将锁相环锁定。因此通过锁相环电路，可产生频率和相位被锁定到固定频率和相位的输出信号Fout。通过鉴频鉴相器对参考时钟Fref和反馈时钟信号Ffb进行比较，调节压控振荡器的控制电压以改变输出频率，直到锁相稳定为止，一般的这一过程需要较长的时间。

现有加速锁定方案包括改变电荷泵内部的电流，但此方案涉及的电路结构比较复杂，不仅容易给锁相环系统带来噪声，而且改变锁相环环路参数，从而难以广泛应用于各种锁相环系统；另外还有一种锁相加速方案是通过预先配置电压来进行控制锁相环快速锁相，但是此方案需要额外复杂的控制电路，虽然在变频锁相环系统中具有较好效果，但是控制电路需求面积大，需要数模混合设计，以及优秀的算法支持，也难以广为适用。

实用新型内容

为了克服上述技术缺陷，本实用新型公开的一种应用于锁相环系统的锁相加速电路，在传统锁相环基础上增加锁相加速电路，利用锁相加速电路中的电流注入控制模块控制低通滤波器提供给压控振荡器的控制电压的变化速度，从而加快锁相稳定的速度，同时利用锁相加速电路中的偏移电压产生模块，在锁相环接近稳定或者已经稳定阶段下控制锁相加速电路处于关断状态，避免因锁相加速电路注入电流所带来的波动，使得本提案的锁相加速电路能够在不改变锁相环的环路参数的前提下，通用于不同的锁相环系统中。

本实用新型提出以下技术方案：一种应用于锁相环系统的锁相加速电路，该锁相加速电路适用的锁相环包括:鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器，鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器依次连接形成一个反馈环路，所述锁相加速电路包括偏移电压产生模块和电流注入控制模块；低通滤波器的信号输入端连接低通滤波器的信号输入端，低通滤波器的电容输入端连接电流注入控制模块的信号输出端，用于在接收低通滤波器的信号输入端提供的电荷的同时，也接收电流注入控制模块的信号输出端注入的电荷，并通过积累所有接收到的电荷来生成控制电压，并输出给压控振荡器，其中，低通滤波器的电容输入端是：低通滤波器内部的阻容串联支路中，电阻及其串联的电容的连接节点；电流注入控制模块的一个信号输入端连接低通滤波器的信号输入端，电流注入控制模块的另一个信号输入端连接偏移电压产生模块的信号输出端，电流注入控制模块的信号输出端同时连接低通滤波器的电容输入端和偏移电压产生模块的信号输入端，其中，偏移电压产生模块的信号输出端，用于产生一个高于偏移电压产生模块的信号输入端当前输入电压的偏移电压，该偏移电压跟随低通滤波器的电容输入端的电压的变化而变化，并且保持大于低通滤波器的电容输入端的电压；电流注入控制模块，用于通过比较低通滤波器信号输入端的电压值和偏移电压产生模块信号输出端的电压值，来确定锁相加速电路的工作状态，当低通滤波器信号输入端的电压值比偏移电压产生模块信号输出端的电压值大时，锁相加速电路工作，使得锁相加速电路往低通滤波器注入电流；当低通滤波器信号输入端的电压值比偏移电压产生模块信号输出端的电压值小时，锁相加速电路处于断路状态。

与现有技术相比，本技术方案通过偏移电压产生模块与电流注入控制模块的依次连接形成的反馈关系，利用低通滤波器的信号输入端和电容输入端电压关系所反映出来的锁相状态，控制锁相加速电路是否给低通滤波器的电容输入端注入电流，从而加速低通滤波器的充电进程。所述偏移电压产生模块通过提供一个大于低通滤波器电容输入端电压的偏移电压，确保锁相环系统在相位锁定以及接近锁定时，有效切断低通滤波器与电流注入控制模块的信号联系，并由所述低通滤波器完成锁相环的相位稳定，避免所述反馈环路给锁相环带来的噪声影响，且避免引入的所述锁相加速电路对锁相环的环路参数造成影响。

进一步地，所述电流注入控制模块包括：第二运算放大器、第一NMOS管和第二NMOS管；第二运算放大器的正相输入端作为所述电流注入控制模块的一个信号输入端，连接所述低通滤波器的信号输入端；第二运算放大器的负相输入端作为所述电流注入控制模块的另一个信号输入端，连接所述偏移电压产生模块的信号输出端；第二运算放大器的信号输出端连接第二NMOS管的栅极；第二NMOS管的源极作为所述电流注入控制模块的信号输出端，连接所述低通滤波器的电容输入端，使得第二NMOS管作为开关NMOS管；第二NMOS管的漏极连接第一NMOS管的源极，第一NMOS管的栅极连接第一NMOS管的漏极，第一NMOS管的漏极连接电源，使得第一NMOS管作为限流MOS管。该技术方案为所述低通滤波器提供注入电流，并由MOS管负责限流和开关切换，不仅提高所述低通滤波器的电容输入端的电荷变化速度，加速相位锁定的时间，也保证所适用的锁相环系统的稳定性不受影响。

进一步地，在所述电流注入控制模块中：如果所述第二NMOS管被换成第一PMOS管，那么在所述第二运算放大器的信号输出端与第一PMOS管的栅极之间增加连接一个反相器装置；第一PMOS管的漏极作为所述电流注入控制模块的信号输出端，连接所述低通滤波器的电容输入端；第一PMOS管的源极连接所述第一NMOS管的源极，其他元器件及其连接关系不变；如果所述第二运算放大器的正相输入端及其负相输入端的连接关系互换，那么在所述第二运算放大器的信号输出端与第二NMOS管的栅极之间增加连接一个反相器装置，其他元器件及其连接关系不变；如果所述第二NMOS管被换成第一PMOS管，且所述第二运算放大器的正相输入端及其负相输入端的连接关系互换，那么所述第二运算放大器的信号输出端连接第一PMOS管的栅极；第一PMOS管的漏极作为所述电流注入控制模块的信号输出端，连接所述低通滤波器的电容输入端；第一PMOS管的源极连接所述第一NMOS管的源极，其他元器件及其连接关系不变。该技术方案相对于上述优选方案，只是第二运算放大器的两个输入端连接的信号互换，将开关MOS管由NMOS管换成PMOS管，并调整与限流MOS管的连接关系，从而取得相同的技术效果。节省电路的额外开支。

进一步地，在所述电流注入控制模块中：所述第一NMOS管换作第二PMOS管，第二PMOS管的源极连接所述电源，第二PMOS管的栅极和第二PMOS管的漏极共同连接所述第一PMOS管的源极或者所述第二NMOS管的漏极。该技术方案相对于上述优选方案，只是将限流MOS管由NMOS管换成PMOS管，并调整与开关MOS管的连接关系，从而取得相同的技术效果。

进一步地，所述偏移电压产生模块包括：第一运算放大器、第一电阻和第二电阻；第一电阻的一端连接第一运算放大器的负相输入端，第一电阻的另一端连接第一运算放大器的信号输出端；第二电阻的一端连接第一运算放大器的负相输入端，第二电阻的另一端接地；第一运算放大器的正相输入端作为所述偏移电压产生模块的信号输入端，连接所述低通滤波器的电容输入端，也是连接所述电流注入控制模块的信号输出端；第一运算放大器的信号输出端作为所述偏移电压产生模块的信号输出端，用于为所述电流注入控制模块提供一个大于所述低通滤波器中电容输入端电压信号一个预设增值的偏移电压信号，该偏移电压随着电容输入端电压的变化而变化，并且始终大于电容输入端电压一定值。

当所述低通滤波器的电容输入端的电压值由低到高，与所述低通滤波器的信号输入端的电压值相等，进入锁相稳定状态时，如果仅由第二运算放大器进行比较以决定是否切断对所述低通滤波器的电荷供应，由于所述锁相环系统的电荷泵失配和系统噪声等原因，造成所述低通滤波器的信号输入端电压值产生微小波动，影响第二运算放大器的输出结果，进而对所述反馈环路的稳定性造成影响，所以，本提案公开所述偏移电压产生模块跟踪所述低通滤波器的电容输入端的电压值的波动变化，利用第一运算放大器实时产生比所述低通滤波器的电容输入端的当前电压值大的偏移电压，送入所述第二运算放大器参与控制对所述低通滤波器的电荷供应，确保所述锁相环系统处于相位稳定以及接近稳定状态下，切断低通滤波器与电流注入控制模块之间的信号联系。

进一步地，所述低通滤波器为二阶低通滤波器时，所述二阶低通滤波器包括第一电容、第二电容和第三电阻；所述电流注入控制模块的信号输出端同时连接第一电容的一端和第三电阻的一端，第一电容的另一端接地，第三电阻的另一端连接第二电容的一端，第二电容的另一端接地，其中，第一电容和第三电阻的连接节点为所述低通滤波器的电容输入端，第三电阻和第二电容的连接节点作为所述低通滤波器的信号输入端，连接所述低通滤波器的信号输入端；第三电阻和第二电容的连接节点也作为所述低通滤波器的信号输出端。

本技术方案借助第一电容和第二电容的容纳电荷的特性，以及第三电阻对第一电容的阻碍充电作用，当电荷泵对所述低通滤波器流入电流时，所述低通滤波器的电容输入端相对于信号输入端缓慢充电，从而从产生电压差，所述低通滤波器的信号输入端电压高于所述低通滤波器的电容输入端电压，当所述电荷泵停止对所述低通滤波器流入电流时，通过第三电阻的阻碍作用，这一电压差值缓慢减小，当所述低通滤波器的信号输入端电压趋近于最终稳定电压时，前述电压差趋近于零，通过比较这一电压差，控制是否对所述低通滤波器的电容输入端注入电荷，并在这一电压差值接近0时，关断所述锁相加速电路对所述低通滤波器的电容输入端的电流注入通路，所述低通滤波器与电流注入控制模块之间的信号联系被切断，锁相环则通过衰减振荡达到锁相稳定的状态。

进一步地，所述低通滤波器为三阶低通滤波器时，所述三阶低通滤波器包括第三电容、第四电容、第五电容、第四电阻和第五电阻；所述电流注入控制模块的信号输出端同时连接第三电容的一端和第四电阻的一端，第三电容的另一端接地，第四电阻的另一端同时连接第四电容的一端和第五电阻的一端，第四电容的另一端接地，第五电阻的另一端连接第五电容的一端，第五电容的另一端接地，其中，第三电容和第四电阻的连接节点为所述低通滤波器的电容输入端，第四电阻和第四电容的连接节点作为所述低通滤波器的信号输入端，第五电阻和第五电容的连接节点作为所述低通滤波器的信号输出端。该技术方案相对于上述二阶低通滤波器方案，所述低通滤波器增加一阶阻容滤波网络，而所述锁相加速电路的连接方式不受影响，对所述反馈环路不产生额外影响，整体上的锁相加速效果不变。

一种锁相环系统，包括：鉴频鉴相器，用于检测输入时钟信号和反馈时钟信号的频差和相差，产生脉冲控制信号；电荷泵，用于根据鉴频鉴相器输出的脉冲控制信号产生充电电流和放电电流；低通滤波器，用于将电荷泵输出的电流控制信号转换成控制电压，并滤除高频噪声；压控振荡器，用于根据低通滤波器输出的控制电压控制压控振荡器输出信号的频率，在控制电压升高时提升输出信号的振荡频率，在控制电压降低时降低输出信号的振荡频率，在控制电压稳定时，输出信号的振荡频率保持在一个恒值上；分频器，用于将压控振荡器的输出信号进行分频，产生所述鉴频鉴相器的反馈时钟信号；其中，鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器依次连接形成一个反馈环路；所述锁相环系统还包括：所述的应用于锁相环系统的锁相加速电路，用于在工作开始阶段加速低通滤波器产生的控制电压快速提升，从而加速锁相环的锁定过程。该技术方案可以将锁相环系统的相位锁定时间缩短，而且在相位锁定之后，原先引入的锁相加速电路与锁相环系统中各个传统模块隔离，使得所述低通滤波器输出的控制电压稳定性不变，系统特性、传递函数和噪声性能不发生改变，进而拓展应用在其他锁相环系统中时，无需改变器件参数和环路参数。

附图说明

图1 是本实用新型实施例提供的一种锁相环系统的模块框架示意图。

图2是本实用新型实施例提供的一种应用于图1所示的锁相环系统的带有二阶低通滤波器的锁相加速电路的结构示意图。

图3 是本实用新型实施例提供的一种应用于图1所示的锁相环系统的带有三阶低通滤波器的锁相加速电路的结构示意图。

图4 是本实用新型实施例提供的一种应用于图1所示的锁相环系统的带有二阶低通滤波器的另一种锁相加速电路的结构示意图。

图5 是未改进的传统锁相环系统中的低通滤波器的滤波电容的充电电压VC_DN，以及低通滤波器的信号输出端的电压VC_out在锁相前后的波形图。

图6是本实用新型实施例提供的锁相环系统中的所述低通滤波器的电容输入端VC_DN，以及低通滤波器的信号输出端的电压VC_out在锁相前后的波形图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细描述。需要说明的是，下面的电路端口处的端口名称标记对应为该端口输入输出的信号电压。

结合图1和图2可知，本实用新型公开的一种应用于锁相环系统的锁相加速电路，在传统锁相环基础上增加锁相加速电路，利用锁相加速电路中的电流注入控制模块控制低通滤波器中电容输入端电压VC_DN的变化速度，从而加快Vc的变化速度，从而加快锁相稳定的速度，同时利用锁相加速电路中的偏移电压产生模块生成的VC_DN+，在锁相环接近稳定或者已经稳定阶段下控制锁相加速电路处于关断状态时满足Vc>VC_DN+，判定MOS管2进入关断状态，避免因锁相加速电路注入电流所带来的波动，使得本提案的锁相加速电路能够在不改变锁相环的环路参数的前提下通用于不同的锁相环系统中。其中，所述锁相加速电路适用的锁相环包括:鉴频鉴相器、电荷泵、压控振荡器、低通滤波器和分频器，鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器依次连接形成一个反馈环路。

如图2所示，所述锁相加速电路包括偏移电压产生模块和电流注入控制模块；低通滤波器的信号输入端连接低通滤波器的信号输入端，低通滤波器的电容输入端连接电流注入控制模块的信号输出端，低通滤波器接收其信号输入端提供的电荷的同时，也接收电流注入控制模块的信号输出端注入的电荷，并通过积累所有接收到的电荷生成控制电压VC_out，控制电压VC_out用于控制压控振荡器参与所述反馈环路的反馈调节。电流注入控制模块的一个信号输入端连接低通滤波器的信号输入端，电流注入控制模块的信号输出端连接低通滤波器的电容输入端和偏移电压产生模块的信号输入端，偏移电压产生模块的信号输出端连接电流注入控制模块的另一个信号输入端，其中，电流注入控制模块具备两个属性相反的信号输入端，用于比较输入信号的大小；低通滤波器的电容输入端是：低通滤波器内部的阻容串联支路中，电阻及其串联的电容的连接节点。电流注入控制模块用于通过比较低通滤波器的信号输入端电压VC_in与偏移电压产生模块的信号输出端产生的电压值VD_DN+，来控制是否对低通滤波器的电容输入端注入电荷。偏移电压产生模块的信号输出端产生的电压值VD_DN+是一个大于低通滤波器的电容输入端电压VD_DN一个预设增值的偏移电压信号，适用于VD_DN接近VC_in时，使用一个比VD_DN大的偏移电压VD_DN+送入所述电流注入控制模块与VC_in进行比较，使得VD_DN与VC_in差值较大的情况下，锁相加速电路工作，为低通滤波器的电容输入端注入电荷，VD_DN=VC_in以及VC_DN接近VC_in的情况下，确保VD_DN+一定大于VC_in，确保所述电流注入控制模块关断锁相加速电路的工作，不受VC_in波动的干扰，避免控制电压VC_out的波动，使得锁相环所在的电路系统引入加速锁定电路后不会造成整体环路参数的改变，引入加速锁定电路的反馈环路还能适用于其它类型的锁相环系统。

本实用新型实施例利用偏移电压产生模块与电流注入控制模块的依次连接形成的反馈关系，加速低通滤波器的充放电进程，所述偏移电压产生模块通过提供一个大于低通滤波器的输入电压的偏移电压，确保在锁相环系统在相位锁定时，有效切断低通滤波器与电流注入控制模块的信号联系，避免所述锁相环的稳定性受VC_in波动因素的影响；同时，通过电流注入控制模块切断所述低通滤波器之间电荷供应路径后，由所述低通滤波器完成最终的相位稳定。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施的电路模块做详细的说明。

如图2所示，所述电流注入控制模块包括：第二运算放大器CMP2、第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2；第二运算放大器CMP2的正相输入端“+”，作为所述电流注入控制模块的一个信号输入端，连接所述低通滤波器的信号输入端VC_in；第二运算放大器CMP2的负相输入端“-”，作为所述电流注入控制模块的另一个信号输入端，同时连接所述偏移电压产生模块的信号输入端；第二运算放大器CMP2的信号输出端连接第二NMOS管MN2的栅极；第二NMOS管MN2的源极作为所述电流注入控制模块的信号输出端，连接所述低通滤波器的电容输入端VC_DN；第二NMOS管MN2的漏极连接第一NMOS管MN1的源极，第一NMOS管MN1的栅极连接第一NMOS管MN1的漏极，第一NMOS管MN1的漏极连接电源Vcc。图3中的所述电流注入控制模块和上述的电路连接结构相同。本实施例对第一NMOS管MN1的宽长比与第二NMOS管MN2的宽长比的比值优选为2，该比值不是唯一的，可根据需求进行调整。提高所述电流注入控制模块的灵活性和适应性。

当所述锁相加速电路开始工作时，由所述偏移电压产生模块提供一个大于低通滤波器中电容输入端电压信号VC_DN的偏移电压信号VC_DN+，第二运算放大器CMP2作为电压比较器，通过比较所述低通滤波器的信号输入端电压VC_in和所述偏移电压产生模块的信号输出端电压VD_DN+，输出用于第二NMOS管MN2的控制信号，其中，VD_DN从0开始升高。当VC_in大于VC_DN+时，第二运算放大器CMP2输出高电平的控制信号，导通第二NMOS管MN2，电源Vcc输出的电流通过第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2流入所述低通滤波器的电容输入端VC_DN，从而配合所述低通滤波器的信号输入端VC_in一起注入的电荷，使得所述低通滤波器内部滤波电容的上极板的电荷量加速变化，进而加速VC_in的变化以及稳定，从而加快锁相稳定，其中，第一NMOS管MN1连接为限流MOS管，增强锁相加速电路的稳定性。

当VC_DN+升高至大于VC_in时，包括VC_in=VC_DN这一相位锁定稳定的状态下，第二运算放大器CMP2输出低电平的控制信号，关断第二NMOS管MN2，确保电源Vcc停止向所述低通滤波器的电容输入端VC_DN注入电荷，使得所述低通滤波器内部的滤波电容的上极板的电荷量的变化仅由所述低通滤波器的信号输入端VC_in调节，避免因VC_in的波动导致锁相加速电路产生波动，其中，第二NMOS管MN2作为所述电流注入控制模块的开关MOS管。当VC_DN+等于VC_in时，第二运算放大器CMP2输出信号受到所述锁相环系统的相位噪声的影响而出现波动，此时VC_in大于电流注入控制模块的信号输出端VC_DN的输出电压，所以不管第二NMOS管MN2是否关断，所述电荷泵的信号输出端依然会通过电阻往所述低通滤波器的电容输入端VC_DN流入电荷，直到所述低通滤波器的电容输入端的电压信号VC_DN与信号输入端的电压信号VC_in相等。VC_DN=VC_in时，不管第二NMOS管MN2是否输出信号波动，所述锁相环系统的内部参数不受影响。本实施例由MOS管负责限流和开关切换，不仅增强所适用的锁相环系统的稳定性，也提高所述低通滤波器的电容输入端和所述低通滤波器的信号输入端的电量变化速度，进而加速相位锁定的时间。

优选地，所述第二运算放大器CMP2作为一种电压比较器，无反馈组件，具有较高的开环增益，其输出用于第二NMOS管MN2的控制信号为正向或反向的饱和电压，提高灵敏度。

如图4所示，所述电流注入控制模块的另一种实施方式包括：第二运算放大器CMP2、第一NMOS管MN1和第一PMOS管MP1；相对于前述的电流注入控制模块的实施例，所述第二NMOS管被换成第一PMOS管，且所述第二运算放大器的正相输入端及其负相输入端的连接关系互换，那么所述第二运算放大器的信号输出端连接第一PMOS管的栅极；第一PMOS管的漏极作为所述电流注入控制模块的信号输出端，连接所述低通滤波器的电容输入端；第一PMOS管的源极连接所述第一NMOS管的源极，其他元器件及其连接关系不变。因此，第二运算放大器CMP2的负相输入端-作为所述电流注入控制模块的一个信号输入端，连接所述低通滤波器的信号输入端VC_in；第二运算放大器CMP2的正相输入端+作为所述电流注入控制模块的另一个信号输入端，连接所述低通滤波器的电容输入端VD_DN+；第二运算放大器的信号输出端连接第一PMOS管MP1的栅极；第一PMOS管MP1的漏极作为所述电流注入控制模块的信号输出端，连接所述低通滤波器的电容输入端VC_DN；第一PMOS管MP1的源极连接第一NMOS管MN1的源极，第一NMOS管MN1的栅极连接第一NMOS管MN1的漏极，第一NMOS管MN1的漏极连接电源Vcc。

当所述锁相加速电路开始工作时，由所述偏移电压产生模块提供一个大于低通滤波器中电容输入端电压信号VC_DN的偏移电压信号VC_DN+，第二运算放大器CMP2作为电压比较器，通过比较所述低通滤波器的信号输入端VC_in和所述偏移电压产生模块的信号输出端VD_DN+的电压而输出用于控制第一PMOS管MP1导通状态的控制信号，其中，所述锁相环系统上电启动后，VD_DN从0开始升高。当VC_in大于VC_DN+时，第二运算放大器CMP2输出低电平的控制信号，导通第一PMOS管MP1，电源Vcc输出的电流通过第一NMOS管MN1和第一PMOS管MP1流入所述低通滤波器的电容输入端VC_DN，从而配合所述低通滤波器的信号输入端VC_in一起注入的电荷，使得所述低通滤波器内部的滤波电容的上极板的电荷量加速变化，进而加速VC_in的变化以及稳定，从而加快锁相稳定。当VC_DN+升高至大于VC_in时，包括VC_in=VC_DN这一相位锁定稳定的状态，第二运算放大器CMP2输出高电平的控制信号，关断第一PMOS管MP1，确保电源Vcc停止向所述低通滤波器的电容输入端VC_DN注入电荷，使得所述低通滤波器内部的滤波电容的上极板的电荷量的变化仅由所述低通滤波器的信号输入端VC_in调节，避免因VC_in的波动导致锁相加速电路产生波动，其中，第二NMOS管MN2作为所述电流注入控制模块的开关MOS管。当VC_DN+等于VC_in时，第二运算放大器CMP2输出信号受到所述锁相环系统的相位噪声的影响而出现波动，由于此时VC_DN+是大于电流注入控制模块的信号输出端的输出电压，所以不管第一PMOS管MP1是否关断，所述低通滤波器的电容输入端VC_DN依然会通过电阻流入电荷，或通过电阻给所述低通滤波器的电容输入端VC_DN放电，直到所述低通滤波器的电容输入端的电压信号VC_DN与所述低通滤波器的信号输入端的电压信号VC_in相等。VC_DN=VC_in时，不管第二NMOS管MN2是否输出信号波动，所述锁相环系统的内部参数不受影响。

前述实施例由MOS管负责限流和开关切换，不仅增强所适用的锁相环系统的稳定性，也提高所述低通滤波器的电容输入端和所述低通滤波器的信号输入端的电量变化速度，进而加速相位锁定的时间。

结合上述实施例，考虑到信号流向的变化及所述第二运算放大器CMP2的信号比较作用，如果所述第二NMOS管被换成第一PMOS管，那么在所述第二运算放大器的信号输出端与第一PMOS管的栅极之间增加连接一个反相器装置，利用所述第二运算放大器输出的反向信号去控制第一PMOS管的通断，以获得前述实施例相同的控制效果；第一PMOS管的漏极作为所述电流注入控制模块的信号输出端，连接所述低通滤波器的电容输入端；第一PMOS管的源极连接所述第一NMOS管的源极，其他元器件及其连接关系不变。如果所述第二运算放大器的正相输入端及其负相输入端的连接关系互换，那么在所述第二运算放大器的信号输出端与第二NMOS管的栅极之间增加连接一个反相器装置，利用所述第二运算放大器输出的反向信号去控制第二NMOS管的通断，以获得前述实施例相同的控制效果，其他元器件及其连接关系不变；如果所述第二NMOS管被换成第一PMOS管，且所述第二运算放大器的正相输入端及其负相输入端的连接关系互换，那么所述第二运算放大器的信号输出端连接第一PMOS管的栅极；第一PMOS管的漏极作为所述电流注入控制模块的信号输出端，连接所述低通滤波器的电容输入端；第一PMOS管的源极连接所述第一NMOS管的源极，其他元器件及其连接关系不变。所述第一PMOS管的宽长比是所述第一NMOS管的宽长比的2倍，该比值不是唯一的，可根据需求进行调整。

在所述电流注入控制模块中：所述第一NMOS管换作第二PMOS管，第二PMOS管的源极连接所述电源，第二PMOS管的栅极和第二PMOS管的漏极共同连接所述第一PMOS管的源极或者所述第二NMOS管的漏极，从而仅完成限流MOS管的更换，只是将限流MOS管由NMOS管换成PMOS管，并调整与开关MOS管的连接关系，其他电路结构不变，从而取得相同的信号变化的技术效果。

前述优选例，只是第二运算放大器的两个输入端连接的信号互换，或将开关MOS管由NMOS管换成PMOS管，或将限流MOS管由NMOS管换成PMOS管，并通过相应的反相器装置调整与限流MOS管的连接关系，从而取得加速相位锁定的时间的技术效果。

参阅图2至图4，所述偏移电压产生模块包括：第一运算放大器CMP1、第一电阻R1和第二电阻R2；第一电阻R1的一端连接第一运算放大器CMP1的负相输入端-，第一电阻R1的另一端连接第一运算放大器CMP1的信号输出端；第二电阻R2的一端连接第一运算放大器CMP1的负相输入端-，第二电阻R2的另一端接地GND；第一运算放大器CMP1的正相输入端+，作为所述偏移电压产生模块的信号输入端，连接所述低通滤波器的电容输入端VC_DN，也是连接所述电流注入控制模块的信号输出端；该第一运算放大器CMP1，用于为所述电流注入控制模块提供一个大于所述低通滤波器中电容输入端电压信号VC_DN的一个所述预设增值的偏移电压信号VC_DN+。其中，所述预设增值与第一电阻R1与第二电阻R2的比例关系有关。

所述第一运算放大器CMP1为一般的差分放大器。当所述锁相加速电路开始工作时，所述第一运算放大器CMP1的正输入端信号为VC_DN，由0开始升高变化，得到第一运算放大器CMP1的信号输出端的电压为:

作为所述偏移电压产生模块的输出信号，后续连接的电路如果是图2所示的所述电流注入控制模块，则所述第一运算放大器CMP1的信号输出端连接到所述第二运算放大器CMP2的负相输入端-；后续连接的电路如果是图4所示的所述电流注入控制模块，则所述第一运算放大器CMP1的信号输出端连接到所述第二运算放大器CMP2的正相输入端+。

当所述低通滤波器的电容输入端VC_DN的电压值由低到高，与所述低通滤波器的信号输入端VC_in的电压值接近直至相等，进入锁相稳定状态时，如果仅由所述第二运算放大器CMP2比较VC和VC_DN，以决定是否切断所述电流注入控制模块的所述电源Vcc对所述低通滤波器的电荷供应，那么由于所述锁相环系统电荷泵失配和系统噪声等因素，会使所述低通滤波器的信号输入端VC_in的电压值产生微小波动，影响所述第二运算放大器CMP2的输出结果，进而对所述反馈环路的稳定性造成影响，具体地，所述锁相环系统处于锁相稳定后，由于VC_in和VC_DN几乎相等，所以容易造成所述第二运算放大器CMP2输出信号的不稳定性，所述低通滤波器的信号输入端VC_in处的轻微的波动则可能引起所述第二运算放大器CMP2的输出变成高电平，从而导通所述电流注入控制模块的开关MOS管，即图2中的所述第二NMOS管MN2或图4中的所述第一PMOS管MP1，从而引起所述低通滤波器的电容输入端的电压波动，并引起其信号输入端和信号输出端的电压波动，破坏所述锁相环系统当前的锁相状态，使得VC_in产生振荡。所以，本实施例提供的所述偏移电压产生模块的输出信号VC_DN+跟踪所述低通滤波器的电容输入端VC_DN的电压值的波动变化，利用第一运算放大器CMP1实时产生比所述低通滤波器的电容输入端VC_DN当前的电压值大的偏移电压VC_DN+，送入所述第二运算放大器CMP2参与控制所述电源Vcc对所述低通滤波器的电荷供应，确保所述锁相环系统处于相位稳定以及接近稳定状态下，切断所述低通滤波器与所述电流注入控制模块之间的信号联系，即当VC_in和VC_DN相接近时，由于VC_DN+高于VC_DN，即VC_in小于VC_DN+，所以基于前述的电流注入控制模块控制开关MOS管保持关断状态，最终交由所述低通滤波器调节而进入稳定状态。因此对于稳定状态的锁相环系统，所述锁相加速电路不对环路参数及性能造成任何影响，即锁相环所在的电路系统引入加速锁定电路后不会造成整体环路参数的改变，引入加速锁定电路的反馈环路还能适用于其它类型的锁相环系统。

如图2和图4所示，所述低通滤波器为二阶低通滤波器时，所述二阶低通滤波器包括第一电容C1、第二电容C2和第三电阻R3；所述电流注入控制模块的信号输出端同时连接第一电容C1的一端和第三电阻R3的一端，第一电容C1的另一端接地，第三电阻R3的另一端连接第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端接地，其中，第一电容C1和第三电阻R3的连接节点为所述低通滤波器的电容输入端VC_DN，第三电阻R3和第二电容C2的连接节点作为所述低通滤波器的信号输入端VC_in，第三电阻R3和第二电容C2的连接节点也作为所述低通滤波器的信号输出端VC_out。优选地，第一电容C1的电容值相当于第二电容C2的电容值的5至10倍。

结合图1、图2和图4可知，在所述锁相环系统的启动阶段，鉴频鉴相器对参考时钟Fref 和反馈时钟信号Ffb进行频率比较，再控制电荷泵根据鉴频鉴相器输出的脉冲控制信号产生充电电流注入电流给所述二阶低通滤波器，从而带动低通滤波器的信号输入端VC_in的电压抬升，使得所述低通滤波器的电容输入端VC_DN从0开始升高；具体地，所述电荷泵输出充电电流，将电荷往第二电容C2的注入后，所述低通滤波器的信号输入端VC_in处的电压快速提升，而由于第三电阻R3的阻碍作用，第一电容C1对应的所述低通滤波器的电容输入端VC_DN的电压相对较慢的提升，使得VC_DN经所述偏移电压产生模块的所述第一运算放大器CMP1的放大处理得到的VC_DN+，小于所述低通滤波器的信号输入端VC_in处的电压，从而导通所述电流注入控制模块的开关MOS管，即图2中的所述第二NMOS管MN2或图4中的所述第一PMOS管MP1导通，所述电流注入控制模块给所述低通滤波器的电容输入端VC_DN注入电流，这一阶段加速VC_DN的电压提升速度；当所述电荷泵停止注入电流时，第二电容C2上积累的电荷流往第一电容C1的上极板，第二电容C2上的电压（所述低通滤波器的信号输出端VC_out）的电压缓慢降低，所述低通滤波器的电容输入端VC_DN的电压继续缓慢提升，直到下一次所述电荷泵注入电流，再重复前述的过程，直到所述低通滤波器的信号输出端VC_out超过最终稳定电压，然后在所述锁相环系统的反馈环路的作用下，电荷泵用于根据鉴频鉴相器输出的脉冲控制信号产生放电电流，所述低通滤波器的信号输入端VC_in进行电流流出，降低VC_in电压和VC_out电压，此阶段VC_in降低至小于VC_DN，直到所述低通滤波器的信号输出端VC_out低于最终稳定电压，显然，图2中的所述第二NMOS管MN2或图4中的所述第一PMOS管MP1被关断，又由于系统的延时特性和滤波器特性，VC_in和VC_out的变化过程为衰减振荡过程，在所述反馈环路的反馈调节作用下达到稳定。

本实施例借助第一电容和第二电容的容纳电荷的特性，以及第三电阻对第一电容的阻碍充电作用，根据所述低通滤波器的电容输入端VC_DN相对于信号输出端VC_out缓慢充电产生的电压差，使锁相加速电路给电容输入端VC_DN注入电流，从而加速VC_DN和VC_in的变化，当这一差值小于一定值时，所述电流注入控制模块停止向所述低通滤波器的电容输入端注入电荷时，所述低通滤波器与所述电流注入控制模块之间的信号联系被切断，然后再结合第二电容的放电作用控制所述低通滤波器的电容输入端的电压缓慢提升至最终稳定电压，此时，所述电流注入控制模块停止往所述低通滤波器注入电流，只是由所述低通滤波器内部电阻和电容继续完成充放电，然后在所述反馈环路的作用下，所述低通滤波器的信号输入端产生放电电流，使所述低通滤波器的信号输入端的电压值小于所述低通滤波器的电容输入端的电压，小于最终稳定电压值，由于系统的延时特性和反馈特性，所述低通滤波器的信号输出端VC_out配合连接的所述压控振荡器进行衰减振荡，直到VC_out稳定。因此，锁相环所在的电路系统引入加速锁定电路后不会造成整体环路参数的改变。

需要说明的是，所述锁相环系统是一个具有反馈特性的功能系统，因此系统中部分电路的改变会造成整体环路参数的改变，如图2所示，所述锁相加速电路通过所述第二NMOS管MN2与所述二阶低通滤波器相连，而在系统稳定状态，所述第二NMOS管MN2又处于关断状态，所以几乎不对所述二阶低通滤波器和整体的锁相环系统产生任何噪声。

对于所述锁相加速电路中常用二阶低通滤波器、三阶低通滤波电路均适用，并且无需改变任何环路参数，同时也可以根据所述锁相加速电路提供的快速锁定能力，对其他性能进行优化。所述低通滤波器的功能是把与相位误差相关的由所述鉴频鉴相器输出的脉冲控制信号（通过电荷泵充电放电的形式）转换成稳定的控制信号并滤除噪声。

如图3所示，所述低通滤波器为三阶低通滤波器时，所述三阶低通滤波器包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第四电阻R4和第五电阻R5；所述电流注入控制模块的信号输出端，同时连接第三电容C3的一端和第四电阻R4的一端，第三电容C3的另一端接地，第四电阻R4的另一端同时连接第四电容C4的一端和第五电阻R5的一端，第四电容C4的另一端接地，第五电阻R5的另一端连接第五电容C5的一端，第五电容C5的另一端接地，第三电容C3和第四电阻R4的连接节点为所述低通滤波器的电容输入端VC_DN，第四电阻R4和第四电容C4的连接节点作为所述低通滤波器的信号输入端VC_in，第五电阻R5和第五电容C5的连接节点作为所述低通滤波器的信号输出端VC_out。本实施例相对于前述实施例图2中的二阶低通滤波器，第三电容C3等同于前述第一电容C1，第四电阻R4等同于前述的第三电阻R3，第四电容C4等同于前述的第二电容C2，而第五电容C5和第五电阻R5连接形成的谐振滤波网络用于滤除更多频率的噪声信号，增强去噪效果，工作过程不发生改变。

经过EDA工具的仿真可获取，图5 是未改进的传统锁相环系统中的低通滤波器的滤波电容的充电电压VC_DN，以及低通滤波器的信号输出端的电压VC_out在锁相前后的波形图，图6是本实用新型实施例提供的锁相环系统中的所述低通滤波器的电容输入端VC_DN，以及低通滤波器的信号输出端的电压VC_out在锁相前后的波形图。仿真结果如图5和图6所示，从所述锁相环系统启动开始，即t=0开始，VC_out和VC_DN都从0开始升高，每个时间节点上VC_out的增幅和增速都比VC_DN的大，但VC_out和VC_DN的变化趋势一致，VC_out都是在振荡中先增大再减小至稳定。图6的VC_out和VC_DN的稳定时间接近15us，图5的VC_out和VC_DN的稳定时间接近30us，所述锁相加速电路加速锁相进程，相对于传统的锁相环结构，本实施例提供的所述锁相加速电路将其所在的锁相环系统的锁相稳定时间缩短了约50%。

基于前述的锁相加速电路，本实用新型还提供一种锁相环系统，该锁相环系统包括前述的锁相加速电路，该锁相环系统内部的相关的锁相加速的技术特征可参阅前述实施例，所以，不再作出赘述。

如图1所示，所述锁相环系统包括：鉴频鉴相器，用于检测外部配置输入的参考时钟信号Fref和内部的反馈时钟信号Ffb的频差和相差，产生脉冲控制信号；电荷泵，用于根据鉴频鉴相器输出的脉冲控制信号产生充电电流和放电电流；前述的应用于锁相环系统的锁相加速电路，用于加速低通滤波器控制电压的变化速度，电荷泵输出充电电流时，所述低通滤波器的信号输入端VC_in的电压升高，由于电阻的阻碍作用，VC_DN和VC_in之间产生电压差，所述锁相加速电路通过所述电流注入控制模块导通注入电荷，加速所述低通滤波器的电容输入端VC_DN的电荷累积速度，从而加快低通滤波器的控制电压趋于最终稳定电压，直到被自动调节至超过最终稳定电压，然后，电荷泵输出放电电流时，所述低通滤波器通过锁相环系统内部反馈环路作用进行衰减振荡，直到输出的控制电压被自动调节至最终稳定电压，对于所述锁相加速电路，等效于实现加快所述低通滤波器的电容输入端的电压VC_DN（即所述的电流注入控制模块的信号输出端）与所述低通滤波器的信号输入端的电压相等。低通滤波器，用于将电荷泵输出的电流控制信号转换成控制电压，并滤除高频噪声。压控振荡器，根据所述低通滤波器输出的控制电压控制输出的振荡信号的频率，在控制电压升高时提升输出信号的振荡频率，在控制电压降低时减小输出信号的振荡频率，当控制电压稳定时，输出信号Fout的振荡频率保持在一个恒值上；分频器，将压控振荡器的输出信号Fout进行分频，产生输入所述鉴频鉴相器的反馈时钟信号Ffb；其中，所述低通滤波器工作过程中，所述锁相加速电路不对环路参数及性能造成任何影响，即锁相环所在的电路系统引入加速锁定电路后不会造成整体环路参数的改变，引入加速锁定电路的反馈环路还能适用于其它类型的锁相环系统。

在所述锁相环系统内部，鉴频鉴相器、电荷泵、锁相加速电路、低通滤波器、压控振荡器和分频器依次连接形成一个反馈环路，用于调节所述低通滤波器的信号输出端VC_out获得的控制电压趋向于最终稳定电压，这个最终稳定电压是基于该反馈环路自动调节的结果。本实用新型实施例可以将锁相环系统的相位锁定时间缩短，而且在相位锁定之后，原先引入的锁相加速电路与锁相环系统中各个传统模块隔离，使得所述锁相环系统的系统特性、传递函数和噪声性能不发生改变。还拓展应用在其他锁相环系统中时无需改变器件参数和环路参数。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种应用于锁相环系统的锁相加速电路，该锁相加速电路适用的锁相环包括:鉴频鉴相器、电荷泵、压控振荡器、低通滤波器和分频器，鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器依次连接形成一个反馈环路，其特征在于，所述锁相加速电路包括偏移电压产生模块和电流注入控制模块；

低通滤波器的信号输入端连接低通滤波器的信号输入端，低通滤波器的电容输入端连接电流注入控制模块的信号输出端，其中，低通滤波器的电容输入端是：低通滤波器内部的阻容串联支路中，电阻及其串联的电容的连接节点；电流注入控制模块的一个信号输入端连接低通滤波器的信号输入端，电流注入控制模块的另一个信号输入端连接偏移电压产生模块的信号输出端，电流注入控制模块的信号输出端同时连接低通滤波器的电容输入端和偏移电压产生模块的信号输入端。

2.根据权利要求1所述锁相加速电路，其特征在于，所述电流注入控制模块包括：第二运算放大器、电源、第一NMOS管和第二NMOS管；

第二运算放大器的正相输入端作为所述电流注入控制模块的一个信号输入端，连接所述低通滤波器的信号输入端； 第二运算放大器的负相输入端作为所述电流注入控制模块的另一个信号输入端，连接所述偏移电压产生模块的信号输出端；

第二运算放大器的信号输出端连接第二NMOS管的栅极，第二NMOS管的源极作为所述电流注入控制模块的信号输出端，连接所述低通滤波器的电容输入端，使得第二NMOS管作为开关NMOS管；

第二NMOS管的漏极连接第一NMOS管的源极，第一NMOS管的栅极连接第一NMOS管的漏极，第一NMOS管的漏极连接电源，使得第一NMOS管作为限流MOS管。

3.根据权利要求2所述锁相加速电路，其特征在于，在所述电流注入控制模块中：

如果所述第二NMOS管被换成第一PMOS管，那么在所述第二运算放大器的信号输出端与第一PMOS管的栅极之间增加连接一个反相器装置；第一PMOS管的漏极作为所述电流注入控制模块的信号输出端，连接所述低通滤波器的电容输入端；第一PMOS管的源极连接所述第一NMOS管的源极，其他元器件及其连接关系不变；

如果所述第二运算放大器的正相输入端及其负相输入端的连接关系互换，那么在所述第二运算放大器的信号输出端与第二NMOS管的栅极之间增加连接一个反相器装置，其他元器件及其连接关系不变；

如果所述第二NMOS管被换成第一PMOS管，且所述第二运算放大器的正相输入端及其负相输入端的连接关系互换，那么所述第二运算放大器的信号输出端连接第一PMOS管的栅极；第一PMOS管的漏极作为所述电流注入控制模块的信号输出端，连接所述低通滤波器的电容输入端；第一PMOS管的源极连接所述第一NMOS管的源极，其他元器件及其连接关系不变。

4.根据权利要求3所述锁相加速电路，其特征在于，在所述电流注入控制模块中：所述第一NMOS管换作第二PMOS管，第二PMOS管的源极连接所述电源，第二PMOS管的栅极和第二PMOS管的漏极共同连接所述第一PMOS管的源极或者所述第二NMOS管的漏极。

5.根据权利要求2或3所述锁相加速电路，其特征在于，所述偏移电压产生模块包括：第一运算放大器、第一电阻和第二电阻；

第一电阻的一端连接第一运算放大器的负相输入端，第一电阻的另一端连接第一运算放大器的信号输出端；第二电阻的一端连接第一运算放大器的负相输入端，第二电阻的另一端接地；

第一运算放大器的正相输入端作为所述偏移电压产生模块的信号输入端，连接所述低通滤波器的电容输入端，也是连接所述电流注入控制模块的信号输出端；

第一运算放大器的信号输出端作为所述偏移电压产生模块的信号输出端，用于为所述电流注入控制模块提供一个大于所述低通滤波器的电容输入端电压信号一个预设增值的偏移电压信号，该偏移电压随着电容输入端电压的变化而变化。

6.根据权利要求5所述锁相加速电路，其特征在于，所述低通滤波器为二阶低通滤波器时，所述二阶低通滤波器包括第一电容、第二电容和第三电阻；所述电流注入控制模块的信号输出端同时连接第一电容的一端和第三电阻的一端，第一电容的另一端接地，第三电阻的另一端连接第二电容的一端，第二电容的另一端接地，其中，第一电容和第三电阻的连接节点为所述低通滤波器的电容输入端，第三电阻和第二电容的连接节点作为所述低通滤波器的信号输入端，连接所述低通滤波器的信号输入端；第三电阻和第二电容的连接节点也作为所述低通滤波器的信号输出端。

7.根据权利要求5所述锁相加速电路，其特征在于，所述低通滤波器为三阶低通滤波器时，所述三阶低通滤波器包括第三电容、第四电容、第五电容、第四电阻和第五电阻；所述电流注入控制模块的信号输出端同时连接第三电容的一端和第四电阻的一端，第三电容的另一端接地，第四电阻的另一端同时连接第四电容的一端和第五电阻的一端，第四电容的另一端接地，第五电阻的另一端连接第五电容的一端，第五电容的另一端接地，其中，第四电容和第四电阻的连接节点为所述低通滤波器的电容输入端，第四电阻和第四电容的连接节点作为所述低通滤波器的信号输入端，连接所述低通滤波器的信号输入端；第五电阻和第五电容的连接节点作为所述低通滤波器的信号输出端。

8.一种锁相环系统，包括：

鉴频鉴相器，用于检测输入时钟信号和反馈时钟信号的频差和相差，产生脉冲控制信号；

电荷泵，用于根据鉴频鉴相器输出的脉冲控制信号产生充电电流和放电电流；

低通滤波器，用于将电荷泵输出的电流控制信号转换成控制电压，并滤除高频噪声；

压控振荡器，用于根据低通滤波器输出的控制电压控制压控振荡器输出信号的频率，在控制电压升高时提升输出信号的振荡频率，在控制电压降低时降低输出信号的振荡频率，在控制电压稳定时，输出信号的振荡频率保持在一个恒值上；

分频器，用于将压控振荡器的输出信号进行分频，产生所述鉴频鉴相器的反馈时钟信号；

其中，鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器依次连接形成一个反馈环路；

其特征在于，还包括：

权利要求1至7任一项所述的应用于锁相环系统的锁相加速电路，用于在工作开始阶段加速低通滤波器产生的控制电压快速提升，从而加速锁相环的锁定过程。

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