TWI323560B - Loop system capable of auto-calibrating oscillating frequency range and related method - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一種迴路系統，尤指一種在具有數個頻率操作 曲線之迴路系統中’可自動校正—振盪鮮範圍之迴路系統。 【先前技術】 在一電子裝置中，時脈訊號的產生及系統的同步是影響系統 運作的重要關鍵。舉例來說’在訊號混合系統中，類比數位轉換 器需要一低抖動（low-jitter)的時脈對輸入訊號進行取樣；在無線 通汛系統中，如藍芽（Bluetooth)、全球移動通訊系統（GSM)等’ 射頻電路需要一頻率合成器產生載波訊號，將基頻訊號轉換至高 頻頻帶。這些細通常都會透過—鎖相稱，產生穩定而精確的 時脈訊號。 鎖相迴路係透過回授機制，鎖定一週期性輸出訊號及一週期 性輸入訊號之間的相位，達成輸出穩定時脈訊號之目的。請參考 第1圖，第1圖為一習知鎖相迴路100之示意圖。習知鎖相迴路 100包含一參考除頻器102 ( reference divider )，一相位頻率偵測器 HHCphase/frequency detectoiSPFD)，一電荷泵 i〇6(chargepump> 一迴路濾波器108 (loop filter)，一壓控振盪器11〇 (v〇kage controlled oscillator ; VC0)以及一回授除頻器112 (鈿此处 divider)。參考訊號FREF係將輸入訊號FIN利用參考除頻器1〇2 除頻後而知。相位頻率偵測器104用來比較參考訊號fr£f之相 1323560 位與回授訊號FFB之相位，並產生一誤差訊號（err〇rsignai)，當 參考訊號FREF之相位領先回授訊號FFB之相位時，誤差訊號係 為一升訊號（up signal);當參考訊號]pref之相位落後回授訊號 FFB之相位時’誤差訊號係為一降訊號（d〇wn signai)，誤差訊號 的脈衝寬度（pulse width)表示參考訊號FREF與回授訊號FFB兩 者間之相位差。電荷泵106則根據誤差訊號，產生對應的電量， 從而改變輪出至迴路濾波器108之電量。在誤差訊號為一升訊號 的情況下，電荷泵106增加輸出至迴路濾波器1〇8的電量；反之， 電荷泵106則自迴路濾波1〇8抽取電量。迴路濾波器1〇8通常 為-簡單的RCt路’其功用如—積分n，用來儲存來自電荷泉 106之電量。迴路濾波器1〇8之輸出電壓vc輸入至壓控振盪器 110後’壓控振盈器110可產生一週期性輸出訊號F〇sc，週性 輸出訊號FOSC之鮮係為壓控振UG之輸人雜vc的函 數。輸出訊號FOSC透過回授除頻器112進行除頻後，產生回授 訊號FFB ’進而形成-鎖相迴路U。—般來說，壓控振盈器ιι〇 可輸出之頻率範圍在-高頻率範圍，且週雜輸出訊號⑽冗之 頻率為輸人訊號FIN之頻率的分數或倍數，透過調整參考除頻器 102與回授除頻器112之除頻數值，相位頻率偵測器刚可工作於 較低頻率巾，減少相位比較錯誤的發生，例如賴（ — zone)。 如前所述，鎖相迴路100 it過持續地比較參考訊號舰^ 回授訊號FFB兩者之相位，以校正壓控振盈器m之工作頻率， 最後壓控滅器Π0鎖定在預定的頻率，此時週期性輸出訊號 6 1323560 • FOSC可透過—倍頻器’形成可供後續電路洲的時脈訊號時脈訊 . 號。舉例來說，在全球移動通訊系統900 (GSM)中，系統網路 財财玉作於9GGMHZ頻帶，並且每—紐之頻寬為 200KHz 〇 田發射器品要將讯號升至两頻頻帶傳送時，鎖相迴路〗⑻可透過 * 設定參考除頻器102，使參考訊號FREF形成-頻率200KHz之週 期訊號。此外，由於900M為200K的4500倍，回授除頻器112 之除紐值設定為4500。鎖相迴路励經由持續地比較參考訊號 φ FREF^回授訊號卿之相位，回授訊號FFB透過壓控振蘯器11〇 不斷峨正，妙升齡_MHZ，如此可縣親_換至高頻 頻帶傳送。 第1圖之壓控振盪器110通常設計為大範圍工作頻率之應 用’如工作頻率範圍從4〇 KHz至働驗。然而，為了減低鎖相 迴路100之雜Ifl，壓控振盡器110的增益須相當的小，意即壓控 振盪器U0的工作頻率曲線之斜率要小。因此，壓控振盪器11〇 通常設計為可提供多條操作曲線，針操作轉之與輸入電麼成 一函數關係’如第2圖所示。根據不同的應用，鎖相迴路觸需 要不同的工作頻率，則壓控振盪器1⑴需工作於特定的頻率範圍而。 在理想狀況下’相同設計之壓控振盪器11()_對應頻率範圍應 具有相同之中心頻率與斜率，則對於相同的應用，每一鎖相迴路 100應選擇相同的壓控振盪ϋ 11〇頻率範圍。然而，實際上，1於 製程上的差異，每讎控振盈器11〇具有的頻率範圍·仍然有 所不同。舉例來說’第2圖中的頻率操作曲線可能往上下或^右 7 ^向^ ’甚至曲線斜率不同。因此，在不同應用的鎖相迴路100 * -控繼人訊餘來選㈣當之壓控振 圍，以符麵需之_鮮。 頻率範 描^!，=控振盪器__做-些測試，用來 /、辭域特性，以及測定某—㈣輸人訊號值適合於 可種應用所需之輸出頻率。於—M控振盪器11Q應用於—特定應 用時’為了錢合的奴（如蚊之控雜人峨值對應於所 之輸出訊號頻率）’通常藉由燒斷保險絲連結，以將合適的設定 欠久地《己錄至裝置内，或稱為硬連接（hard_wiring)。因此，習知 技術中，工朗試與壓控振盈器110之硬連線不僅増加鎖相迴路 的製造成本，同時每-f知鎖相迴路的卫作頻率範圍也受限於永 久選擇之頻率範圍。 ' 【發明内容】 因此，本發明之主要目的即在於提供一種可自動校正一振盪 頻率範圍之迴路系統及相關方法。 本發明係揭露-種可自動校正—振盪鮮細之迴路系統， 包含有一頻率誤差偵測器（freqUenCy err〇r detect〇r )、一壓控振盪 器（voltage controlled oscillator)、一輸入電壓單元（v〇ltagetuner) 以及一切換器（switch)。該頻率誤差偵測器用來根據一參考頻率 (reference frequency)及一回授頻率（feedbackfrequency)，產生 1323560 一第二控制訊號或一粗鎖定狀態訊號，進行頻率粗調，該頻率誤 差偵測器包含有一循環式頻率偵測器（rotational frequency detector)，用來比較該參考頻率與該回授頻率，以產生一第一控 制訊號；一狀態判斷器（statemachine)，耦接於該循環式頻率偵 測器，用來根據該第一控制訊號之極性與一時間計數訊號，決定 自動权正狀態，以及一雙向計數器（Up_d〇wn c〇unter)，麵接於 該狀態判斷ϋ，用來根據該自動校正狀態，產生—第二控制訊號 或一粗鎖定狀態訊號。該壓控振盪器，耦接於該頻率誤差偵測器， 用來根據該第二控制訊號，選擇操作於複數個頻率操作曲線之一 頻率操作曲線，以產生一時脈訊號。該輸入電壓單元，用來提供 一固定的輸入電壓至該壓控振盪器。該切換器，用來根據該粗鎖 定狀癌訊號，將該壓控振盪器耦接至該輸入電壓單元，或將該壓 控振盈器輕接至一頻率細調裝置。 本發明另揭露-種自動校正一振盪頻率範圍之方法，包含有 比較-參考頻率與―回授頻率，以產生—第—控制訊號；根據該 第-控制訊號之極性與-時間計數訊號，決定—自動校正狀態； 根據該自動校正狀態’產生一第二控制訊號或一粗鎖定狀態訊 號’以及根據該第二控制訊號，控制一壓控紐器操作於複數個 頻率操作曲線之i率操作曲線，以產生—時脈訊號。、 【實施方式】 。月參考第3圖’第3圖為本發明可自動校正一振盈頻率範圍 9 1323560 •之迴路系統300。迴路系統300包含有一頻率誤差偵測器31〇、一 .壓控振盡器320、一輸入電禮單元330、-切換器34〇、一參考頻 率產生二350回授除頻器360以及一頻率細調裝置。頻率 誤差偵測H 31G包含有—循環式辭偵測器312、—狀態判斷器 ^ 314以及一雙向計數器316。頻率細難置370包含有-相位頻率 偵測器372、一電荷泵3?4以及-迴路遽'波器376。頻率細調裝置 370係為習知鎖相迴路之一部分，操作方法亦如第ι圖所述，在此 # 述。不同的是，於迴路系統姻自動校正振盈頻率範圍期間， 電荷泵374與迴路濾波器376斷路。 迴路系統300利用線性搜索演算法來自動校正壓控振盪器 320工作於適合的頻率操作曲線。當迴路系統3〇〇開啟時，先由參 考頻率產生器35〇產生-參考訊號。—般來說，參考頻率產 生器350係由一參考除頻器352及一晶體振盪器3M組成，透過 晶體振盪器3M產生-時脈訊號，及參考除頻器松對時脈訊號 ❿除頻，可得到參考訊號FREF 〇於參考訊號FREF it入穩定狀態， 具有一穩定的參考頻率FR時，切換器34〇將壓控振盪器32〇之一 端耦接至輸入電壓單元33〇，使壓控振盪器32〇與頻率細調裝置 370斷路。迴路系統3〇〇預設壓控振盪器32〇工作於一最低頻率操 作曲線，並輸出一時脈訊號F0SC至回授除頻器36〇。回授除頻器 360對時脈訊號F〇sc進行除頻後，得到一回授頻率為之回授 訊號FFB。如第3圖所示，參考訊號FREF與回授訊號ffb同時 輸入至頻率誤差偵測器31 〇與頻率細調裝置370，然而由於切換器

)0U 340已將麗控振堡器32()與頻率細調裝置37g斷路， 裝置別不會影響迴路系統·自動校正㈣頻率範圍之過程 此外’於此實施例中，當切換器34〇與頻率細置370斷路的 同時’頻率細調裝置37G會停止運作，藉此可節省頻率細難置 370運作時所需消耗的電源’而進一步達到省電的功能。當壓控振 4器320重新工作於每一條頻率操作曲線，迴路系統勘會利用 同步訊號將參考訊號·F_授峨進行时，意即使兩 訊號的第，脈升緣對齊，此部分為業界所習知，於此不再詳加 敛述。 於自動校正開始時，輸入電壓單元33〇提供一固定的輸入電 壓至該壓控振盈器32G，通常該輸入電壓為迴路供電電壓的一半。 接著，脈訊號FOSC由壓控振盪器320產生並隨之回授除頻器 360進行除頻後，得到回授頻率為FV之回授訊號ffb。循環式頻 率偵測器312比較參考頻率FR及回授頻率Fv，以產生一第一控 制訊號sci。若參考頻率FR大於回授頻率Fv，即時脈訊號F〇sc 之頻率太慢，此時第一控制訊號SCI為-正極性訊號；反之，若 參考頻率FR小於回授頻率fV，即時脈訊號F〇sc之頻率太快， 此時第一控制訊號SCI則為一負極性訊號。由於壓控振盪器32〇 被預設工作於一最低頻率操作曲線，第一控制訊號SCI相對應地 預設為一正極性訊號。狀態判斷器314耦接於循環式頻率偵測器 312 ’用來根據第一控制訊號SCI之極性與一時間計數訊號STC , 決定一自動校正狀態SAC。時間計數訊號STC較佳地由一計數器 實&用來提供一頻率粗調時間，目的在於當目標頻率偏離任何 •:條頻率操作曲線時’避免迴路系統300無止盡地校正振蓋頻率 • 範圍，詳細方法於後加以敘述。雙向計數器316祕於狀態判斷 ，4肖來根據自動校正狀態SAC，產生一第二控制訊號奶 * 粗鎖定狀態訊號SLK。第二控制訊號SC2較佳地為-位元組 合訊號，每—種為位元組合皆可對應於每—條頻率操作曲線。舉 例來》 兒#魔控振蘯器具有八條頻率操作曲線則第二控制訊號 SC2可用3個位元來代表每條頻率操作曲線，如〇⑻、⑻卜 第一控制汛號SC2在本實施例中預設對應於最低頻率 操作曲線，於-實施例中，另包含—解碼器獨（此麵腦如 如咖）’ _於該雙向計數器316，用來將該第二控制訊號奶 進行解碼並輸入該壓控振盪器32〇。此外，於雙向計數器3i6產生 粗鎖定狀態訊號SLK時，迴路系統300紀錄麗控振皇器32〇目前 工作之頻率操作曲線，切換器340將壓控振盪器32〇輕接至頻率 細調裝置370，電荷果374與迴路遽波器376重新連接最後壓控 振盪器320重新工作於被紀錄之頻率操作曲線，並透過頻率細調 裝置370進行細微的頻率調整以獲得更精確的目標頻率。簡而言 之，於粗鎖定狀態訊號SLK產生前，視為自動校正期間；於粗鎖 疋狀態訊號SLK產生時，視為自動校正完成。 為了使自動校正順利進行，於自動校正期間，自動校正狀態 d-種障/兄帛-種狀態SAC1係於第-控制訊號gel之 極性改變時，如由正變負’自動校正狀態SAC即控制雙向計數器 12 丄jzjjou .316產生粗鎖定狀態訊號SLK至迴路系·统300。第二種狀態SAC2 ··.係、於粗調時間結束時’壓控振盛器320仍未完成-條操作曲線之 -校正（詳細狀況將稍後說明），則自動校正狀態SAC ,亦控制雙向 計數器316產生粗鎖定狀態職SLK。第三種狀態8从3係於粗 調彳L壓控振盪器32G完成-條辭操作曲線之頻率粗調 (即逐錢_脈峨剛€的_ 號奶之極性未發生改變，則自動校正狀態就控=向=； .·灿將原有的第二控制訊號SC2上移，以產生一新的第二控制訊 號SC2，如，_，上移後為簡，。接著，壓控振盤器聊根據第二控 制訊號SC2選擇一相鄰且頻率範圍較高之頻率操作曲線工作。迴 路系、、先300貝ij重新设疋輸入電壓單元33〇與時間計數訊號we(重 新5十算粗調時間）並重新同步將參考訊號FR£F與回授訊號卿 進订同步。此轉將重覆進行，直讎控振盪器32()選擇至一頻 率操作曲線，使回授訊號FFB之回授頻率FV大於參考訊號F卿 之參考頻率FR。簡而言之，透過自動校正狀態SAC，迴路系統 3〇〇決定結束自動校正或麵開始另—鮮操作曲線之頻率粗調 以找到合適的頻率範圍。 —壓控振盪器320可以複數組變容器來實現複數條鮮操作曲 線’每組變容器皆可透過—數位訊號開啟或關閉（短路或斷路）， 以使壓控振蘯器320工作於選定的頻率操作曲線。於一實施例令， 每個變容器可為-n型堆積型金屬氧化半導體元件。請參考第4 圖，以一具有八條頻率操作曲線之Μ控振盪器320為例，橫軸為 13 壓控振盈器32〇工作電壓，縱轴為時脈訊號F〇sc之頻率。壓控 振盪器0可提供八個頻率操作曲線分別由第二控制訊號奶 輸出00G 001、".’11Γ所選擇。由於本實施例之壓控減器汹 被預认工作於—最低頻率操作曲線，第二控制訊號奶預設輸出 〇〇〇。s自動；k正開始時，迴路系統完成起始動作後，例如 兀成同步、時間計數訊號等，壓控振堡器32()由A點開始工作， 並、’座由逐步變動時脈訊^F〇sc的解之過程，回授鮮W進而 Ik之變快。於自動校正開始期間，壓控滅器32〇逐步工作至一 電壓VMAX，如圖中所示之從A點至B點。若壓控振盛器伽完 整地工作-條操作曲線’而且無第—控制訊號sci極性發生改變 之狀况發生’此即為自動校正狀態SAC之第三種情;兄SAC3。此 例中’第二種情況SAC3使第二控制訊號SC2從，〇〇〇,增值至Ό〇1,， 壓控振蘯1 320將於C點開始工作，且迴路系統300重新起始動 作’接續下一條操作曲線之自動校正。 若參考頻率FR對應於第4圖之目標頻率D點，壓控振盪器 320持續切換頻率操作曲線，並於到達ο〗點時，此時回授頻率 比參考頻率叹慢。然而，當壓控_器32〇工作至D2點時，回 授頻率FV冑得比參考頻率FR快。第一控制訊號SC1極性之改變 觸發自動校正狀態SAC之第-種情況SACU，第-種情況SAC1 觸發粗鎖定狀態訊號SLK產生，第二控制訊號SC2停留於操作曲 線01〇'，自動校正結束。於迴路系統300進行頻率細調時，壓控 振盪器320貝ij工作於，_，曲線。若由於製程的關係，導致頻率操 丄323560 設定回授除頻器360之除頻倍率為608。迴路系統3〇〇啟動自動校 正’將回授頻率FV透過回授機制逐漸升至2432MHz附近，並決 定適合的頻率範圍。 &上所述’相較於習知技術之硬接線，壓控振盪器僅固定工 作於特定的頻率範圍内，本發明係利用一頻率誤差情測器，透過 比杈參考及回授頻率及線性搜索演算法，進行振盈頻率範圍自動 φ权正’以選擇適合的頻率操作曲線。透過頻率範圍自動校正，增 力:壓控振盪H工作頻率範圍之$活性。因此，本發明係利用頻率 誤差偵測⑼達成自動校正振盪鮮範圍之功效。 以上所述僅為本發明之較佳實侧，凡依本發明帽專利範 圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 ♦第1圖為-習知鎖相迴路之示意圖。 第2圖為帛1 ®之壓控錄H可触四條鮮 壓關係圖。 ^1 =3圖為本發明可自動校正—振盪頻率範圍之迴路系統。 圖為第3 ®之壓她盪H可提供八條鮮操作鱗 電壓關係圖。 第5圖為本發明自動校正一振盪頻率範圍之流程圖。 1323560 【主要元件符號說明】 100 鎖相迴路 102、112、352、360 除頻器 104、372 相位頻率偵測器 106 、 374 電荷泵 108 、 376 迴路濾波器 110、320 壓控振盪器 300 迴路系統 310 頻率誤差偵測器 312 循環式頻率偵測器 314 狀態判斷器 316 雙向計數器 330 輸入電壓單元 340 切換器 350 參考頻率產生器 354 晶體振盪器 370 頻率細調裝置 380 解碼器 FREF、FFB、FIN、FOSC、SC卜 SAC、SC2、STC、SLK 訊號 VC 電壓 FR、FV 頻率 50 流程 500、502、504、506、508、510、512 步驟

Claims (1)

1. 申請專利範圍 正替換頁 -種可自較正—缝辭細之迴财、統， 頻率誤差偵測器，用來根據一炎者 _ H爆芩亏頻率及—回授頻率，產生 -第二控舰m—粗敝狀態贿，進行頻率粗調， 該頻率誤差偵測器包含有： 循！式頻率谓測器，用來比較該參考頻率與該回授頻 率，以產生一第一控制訊號； —狀態m器’输於賴環式辦細器，聽根據該 第-控制訊號之極性與—時間計數訊號，決定一自動 校正狀態；以及 一雙向計數器，_於該狀態騎器，用絲據該自動校 ^正狀％ ’產生該第二控制訊號或該粗鎖定狀態訊號； 一壓控振in ’減於該鮮誤差侧器，时根據該第二控 制訊號，選顯作於概個解齡曲線之-頻率操作 曲線，以產生一時脈訊號； 輸入電壓單元，用來提供一固定的輸入電壓至該壓控振盈 器；以及 切換器，絲根據該粗鎖定狀態峨，將賴控振魅輕接 至該輸入電壓單元’或將纏控紐器減至一頻率細 調裝置。 ' 如請求項1所叙迴m其巾觸率細練置包含有： 一相位頻率偵測器，用來根據該參考頻率及該回授頻率以產 1323560 [98. IL 2 ύ 生—第三控制訊號 年月曰修正替換g 一電何粟，輪接於該相位_貞測 號，產生—控制電流；以及 乂弟二控制訊 一迴=慮波H電荷該切㈣之間，用來 控制電流，蓋生—控制電壓至該切換器。 、” 3·如請求们所述之迴路系統，其 用來產生該參考頻率。 參考頻率產生器， 4. 項1所述之迴路系統，其中該第二控制訊號對應於該 複數個頻率操作曲線中之一頻率操作曲線。 … 求項i所述之迴路系統’其中該第二控制訊號對應於該 複數個頻率操作曲線之一最低頻率操作曲線。 6.如請求们所述之迴路系統，射該壓控缝器另包含有複 數組變容[每-_容輯應複數個解操作曲線之 一頻率操作曲線。 如請求項6所述之迴路系統，其中該複數組變容器中每一組 變容器係為-η型堆積型金屬氧化半導體元件（〜咖 accumulation mode MOS device )。 / 8.如請求項1所述之迴路系統，其另包含一回授除頻器，耦接 20 於該頻率誤差細❻及紐她如之間，用來對該時脈訊 號之頻率進行賴’以產找回授頻率。 如，求項1所叙迴路纽，財該馳缝ϋ之預設工作 3貝率操作曲 頻率係對應於該複數個鮮操作曲線之一最炝 線。 〜 10. 如請求们所述之迴路系統，其中另包含一解碼器 (therm〇meter dec〇der),耦接於該雔 二控制訊號進行解碼並輸入該^盪器/第 11. 一種自動校正-振麵率範圍之方法，包含有： 比較-參考頻率與一回授頻率，以產生 根據該第-控制输⑦卿訊號， 正狀態，· 時間計數訊號’決定一自動校 根據該自動校正狀態，產生一 號；以及 帛―_峨或—狀態訊 根擄該第二控制訊號，控 作曲線之一脑1 細呆作於複數個頻率操 頻畅作曲線，以產生一時脈訊號。 .如請求項11所述之方沐甘口 調整_控顧H之工作魏^f據軸鎖定狀態訊號， 頻率。 差’或微調該屢控振盈器之輪出 13. 14. 15. 16. 17. 18.

   ==12所述之方法’其中微調練控振蘯器之輸出轉 根據該參考頻率及該回授頻率’以產生—第三控制訊號 根據該第三控制喊’產生—控制電流；以及 據該控制電流’產生一控制電壓控制該壓控振盈器。 如明求項11所述之方法，其中該第二控制域對應於該複 個頻率操作曲線中之一頻率操作曲線。 如明求項11所述之方法，其巾該第二控制峨對應於該複 個頻率操作曲線之一最低頻率操作曲線。 如睛求項11所述之方法’射該驗振I器之預設工作頻率 係對應於職數個解縣曲狀—最健轉作曲線。 如请求項11所述之方法’另包含對該時脈訊號之頻率進行除 頻’以產生該回授頻率。 如請求項11所述之方法，另包含_第二㈣城進行解喝 並輸入該壓控振盪器。 22 1323560 十一、圖式：

   23 1323560

   50

   第5圖