TWI736009B - 頻率偵測電路與方法 - Google Patents

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Abstract

於頻率偵測時，定電流源輸出電流來對可變電容進行多周期的充電。於校準模式下，根據可變電容的跨壓與參考電壓的比較結果來調整該可變電容的電容值。於監測模式下，根據參考頻率、可變電容的跨壓來求得待測電路的待測頻率。

Description

頻率偵測電路與方法
本發明是有關於一種頻率偵測電路與方法，特別是一種可即時、動態偵測電路操作頻率的適用於光纖收發器的頻率偵測電路與方法。
數位資料在高速傳輸時可能容易出現雜訊。因此，收發器通常需要時脈資料回復電路(Clock and Data Recovery Circuit，CDR)，來重新產生低抖動時脈以及回復出低雜訊資料。所以，時脈資料回復電路對於資料和時脈的傳輸與接收扮演重要角色。
時脈資料回復電路所產生的時脈最好能滿足：1.時脈頻率必須和資料速率相同。2.時脈和資料間必須要有正確的相位關係。3.時脈本身必須要有小的抖動。
在使用時脈資料回復電路時，如果能夠偵測出時脈資料回復電路的操作頻率，對於後續操作將會有助益。
本發明提出一種頻率偵測電路與方法，可即時、動態偵測電路的操作頻率。
根據本案一實施例，提出一種頻率偵測電路，用以偵測一待測電路的一待測頻率，該頻率偵測電路包括：一誤差放大器，用以比較一第一參考電壓與一節點電壓，並輸出一第一比較結果；一電流鏡，耦接於該誤差放大器，根據該第一比較結果而輸出一參考電流，其中，該參考電流用以產生該節點電壓，且該電流鏡更根據該參考電流而輸出一輸出電流；一可變電容，耦接至該電流鏡，該電流鏡的該輸出電流對該可變電容進行充電；一比較器，耦接至該可變電容，用以比較一第二參考電壓與該可變電容的一跨壓以產生一第二比較結果；以及一控制電路，耦接至該比較器與該可變電容，該控制電路根據該比較器的該第二比較結果來輸出一控制信號，以控制該可變電容的一電容值，該控制電路更重設該可變電容的該跨壓，該控制電路接收一參考頻率與該待測電路的該待測頻率。於一校準模式下，該控制電路接收該參考頻率，於複數個校準周期內，該電流鏡的該輸出電流對該可變電容充電，於各該些校準周期結束時，該控制電路重設該可變電容的該跨壓，於各該些校準周期結束時，該控制電路根據該比較器所輸出的該第二比較結果來控制該控制信號以控制於一下一校準周期的該可變電容的該電容值。在該校準模式結束後，該控制電路決定該可變電容的一目標電容值。於一監測模式下，於一第一監測周期內，該控制電路接收該參考頻率，於該第一監測周期結束時，測量該可變電容的該跨壓為一第一跨壓。於一第二監測周期內，該控制電路接收由該待測電路所提供的該待測頻率，於該第二監測周期結束時，測量 該可變電容的該跨壓為一第二跨壓，該控制電路根據該參考頻率、該第一跨壓與該第二跨壓而決定該待測頻率。
根據本案另一實施例，提出一種頻率偵測方法，用以偵測一待測電路的一待測頻率。該頻率偵測方法包括：比較一第一參考電壓與一節點電壓，並輸出一第一比較結果；根據該第一比較結果而輸出一參考電流，其中，該參考電流用以產生該節點電壓，且更根據該參考電流而輸出一輸出電流；以該輸出電流對該可變電容進行充電；比較一第二參考電壓與該可變電容的一跨壓以產生一第二比較結果；以及根據該第二比較結果來輸出一控制信號，以控制該可變電容的一電容值，更重設該可變電容的該跨壓。於一校準模式下，接收一參考頻率，於複數個校準周期內，該輸出電流對該可變電容充電，於各該些校準周期結束時，重設該可變電容的該跨壓，於各該些校準周期結束時，根據該第二比較結果來控制該控制信號以控制於一下一校準周期的該可變電容的該電容值。在該校準模式結束後，決定該可變電容的一目標電容值。於一監測模式下，於一第一監測周期內，接收該參考頻率，於該第一監測周期結束時，測量該可變電容的該跨壓為一第一跨壓。於一第二監測周期內，接收該待測電路所提供的該待測頻率，於該第二監測周期結束時，測量該可變電容的該跨壓為一第二跨壓，根據該參考頻率、該第一跨壓與該第二跨壓而決定該待測頻率。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
100:頻率偵測電路
50:待測電路
110:誤差放大器
120:電流鏡
R:電阻
C:可變電容
130:比較器
140:控制電路
SW:開關
N1:節點
T1-T7:周期
410-490:步驟
第1圖顯示根據本案一示範性實施例的頻率偵測電路的功能方塊圖。
第2圖顯示根據本案一示範性實施例的頻率偵測電路操作於校準(calibration)模式下的波形圖。
第3圖顯示根據本案一示範性實施例的頻率偵測電路操作於監測模式下的波形圖。
第4圖顯示根據本案一示範性實施例的頻率偵測方法的流程圖。
本說明書的技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。本揭露之各個實施例分別具有一或多個技術特徵。在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵，或者選擇性地將這些實施例中部分或全部的技術特徵加以組合。
第1圖顯示根據本案一示範性實施例的頻率偵測電路的功能方塊圖。頻率偵測電路100用以偵測待測電路50的操作頻率。待測電路50例如可以是時脈資料回復電路(Clock and Data Recovery Circuit，CDR)，但本案並不受限於此。
頻率偵測電路100包括：誤差放大器(Error Amplifier，EA)110、電流鏡120、電阻R、可變電容C、比較器130、控制電路140與開關SW。
誤差放大器110用以比較第一參考電壓VREF1與節點N1的電壓，其中，節點N1的電壓可以表示為：VN1=IREF*R，IREF代表由電流鏡120所輸出的參考電流，R代表電阻R的電阻值(其為既定值)。誤差放大器110的比較結果(也可以稱為「第一比較結果」)可以輸入至電流鏡120，以調整由電流鏡120所輸出的參考電流IREF，亦即調整節點N1的電壓VN1。藉由誤差放大器110的操作，節點N1的電壓VN1可以接近於第一參考電壓VREF1，亦即，VREF=IREF*R，故而，由此可以推出，當節點N1的電壓VN1接近於第一參考電壓VREF1時，由電流鏡120所輸出的參考電流IREF可表示為：IREF=VREF/R。
電流鏡120耦接於誤差放大器110與電阻R。如上述般，當節點N1的電壓VN1接近於第一參考電壓VREF1時，由電流鏡120所輸出的參考電流IREF可表示為：IREF=VREF/R。電流鏡120更輸出一輸出電流IOUT，該輸出電流IOUT可表示為：IOUT=M*IREF，其中，參數M代表電流鏡120的電流放大倍數。電流鏡120的電路架構於此可不特別限定之。電流鏡120亦可稱為定電流源。
電阻R耦接於誤差放大器110與電流鏡120，參考電流IREF流經電阻R。電阻R上的跨壓即為節點N1的電壓VN1。
可變電容C耦接至電流鏡120。可變電容C可以是電容矩陣。在一充電時期內，電流鏡120的輸出電流IOUT可以對可變電容C進行充電，以提高可變電容C的跨壓VOUT。當充電時期愈長，可變電容C的跨壓VOUT自然愈高，反之亦然。另外，如果可變電容C的電 容愈大，則可變電容C的跨壓VOUT的上升/下降速度自然愈慢，反之亦然。在本案實施例中，可變電容C的跨壓VOUT可由測量而得知。
比較器130耦接至可變電容C。比較器130用以比較第二參考電壓VREF2與可變電容C的跨壓VOUT以產生第二比較結果。比較器130的第二比較結果係輸入至控制電路140。
控制電路140耦接至比較器130與可變電容C。控制電路140根據比較器130的輸出信號(亦即第二比較結果)來輸出控制信號CTRL，以控制可變電容C的電容值。此外，控制電路140可以將重設信號RS輸出給開關SW，以重設可變電容C的跨壓VOUT。控制電路140接收參考頻率FREF與待測頻率FTEST。開關SW耦接至可變電容C與控制電路140。
在底下，以控制信號CTRL為4位元為例，但當知本案並不受限於此。可變電容C的電容值可表示為：C=CTRL*Cunit，其中，Cunit代表單位電容。當控制信號CTRL為[1111]時，可變電容C的電容值有最大值；當控制信號CTRL為[0000]時，可變電容C的電容值有最小值。其餘可依此類推。所以，當控制信號CTRL增加時，可變電容C的電容值隨之增加；反之亦然。
開關SW受控於控制電路140。當控制電路140輸出重設信號RS給開關SW時，開關SW為導通，以將可變電容C所儲存的電壓放電(亦即重設可變電容C的跨壓VOUT)。
第2圖顯示根據本案一示範性實施例的頻率偵測電路操作於校準(calibration)模式下的波形圖。每一周期T1-T4(亦可稱為 校準周期T1-T4)的長度TREF=N/FREF(N為正整數)，其中，FREF代表參考頻率，該參考頻率FREF可以由待測電路50所提供，或者由一外部參考信號源(未顯示)所提供。
如第2圖，於第一周期T1，令控制信號CTRL為[1000]。於充電時期TREF內，電流鏡120的輸出電流IOUT對可變電容C充電，使得可變電容C的跨壓VOUT上升。於充電時期TREF結束時，控制電路140輸出重設信號RS給開關SW，以重設可變電容C的跨壓VOUT。於第一周期T1結束時，控制電路140可以根據比較器130的比較結果來輸出控制信號CTRL給可變電容C，以控制下一周期T2的可變電容C的電容值。亦即，如果於第一周期T1結束時，可變電容C的跨壓VOUT高於第二參考電壓VREF2，則代表可變電容C的電容值較低。故而，於下一周期，控制電路140增加控制信號CTRL的值(例如從[1000]變為[1100])，以增加可變電容C的電容值，值得注意的是，本發明可視準確度需求而增加(或減少)數位控制信號CTRL的位元數。相反地，如果於第一周期T1結束時，可變電容C的跨壓VOUT低於第二參考電壓VREF2，則代表可變電容C的電容值較高。故而，於下一周期，控制電路140降低控制信號CTRL的值(例如從[1000]變為[0111])，以降低可變電容C的電容值。
以第2圖為例，於第一周期T1結束後，可變電容C的跨壓VOUT高於第二參考電壓VREF2(代表可變電容C的電容值較低)。於下一周期T2，控制電路140增加控制信號CTRL的值(從[1000]變為[1100])，以增加可變電容C的電容值。
同樣地，以第2圖為例，於第二周期T2結束後，可變電容C的跨壓VOUT低於第二參考電壓VREF2(代表可變電容C的電容值較高)。於下一周期T3，控制電路140降低控制信號CTRL的值(從[1100]變為[1010])，以降低可變電容C的電容值。
同樣地，以第2圖為例，於第三周期T3結束後，可變電容C的跨壓VOUT高於第二參考電壓VREF2(代表可變電容C的電容值較低)。於下一周期T4，控制電路140降低控制信號CTRL的值(從[1010]變為[1011])，以降低可變電容C的電容值。
經過4個周期後，可變電容C的跨壓VOUT已較接近第二參考電壓VREF2，代表可變電容C的電容值已接近於目標值CREF，其中，VOUT=(IOUT*TREF)/CREF，故而，CREF=(IOUT*TREF)/VOUT。
亦即，在校準模式下，用以決定可變電容C的目標電容值(亦即，決定控制信號CTRL的值)。當決定好可變電容C的目標電容值後，頻率偵測電路可從校準模式進入監測(monitor)模式。其中，於監測模式下，可變電容C的電容值相同於校準模式下的最後一個周期的可變電容C的電容值。一實施例中，本發明可以視需求，選擇性地再進行幾輪4個周期的量測循環。
第3圖顯示根據本案一示範性實施例的頻率偵測電路操作於監測模式下的波形圖。在第3圖中，於周期T5(周期T5也可稱為第一監測周期)內，控制電路140接收參考頻率FREF，以據以控制周期T5長度為TREF=N/FREF(N為正整數)。於周期T5結束後，測量可變 電容C的跨壓VOUT(將其值表示為VOUT_REF，或稱為第一跨壓)，並重設之。
於周期T6(周期T6也可稱為第二監測周期)時，控制電路140接收由待測電路50所提供的待測頻率FTEST，以據以控制周期T6長度為TTEST=N/FTEST(N為正整數)。於周期T6結束後，測量可變電容C的跨壓VOUT(將其值表示為VOUT_TEST，或稱為第二跨壓)，並重設之。
在監測模式下，由於可變電容C的電容值已為固定且已知，且電流鏡120的輸出電流IOUT也為固定且已知，故而，可變電容C的跨壓VOUT將正比於周期長度，也就是說，VOUT_TEST/VOUT_REF=TTEST/TREF。由於TREF=N/FREF且TTEST=N/FTEST，所以推論出VOUT_TEST/VOUT_REF=FREF/FTEST。故而，待測頻率FTEST可以表示為：FTEST=FREF/(VOUT_TEST/VOUT_REF)。
如第3圖所示，如果需要的話，在監測模式下，可以即時監測待測電路50的操作頻率(如周期T7所示)。
由上述可知，在本案實施例中，於校準模式下，決定可變電容C的電容值。於監測模式，則可以偵測待測電路50的操作頻率。
第4圖顯示根據本案一示範性實施例的頻率偵測方法的流程圖。於步驟410中，比較一第一參考電壓與一節點電壓，並輸出一第一比較結果。於步驟420中，根據該第一比較結果而輸出一參考電流，其中，該參考電流用以產生該節點電壓，且更根據該參考電 流而輸出一輸出電流。於步驟430中，以該輸出電流對該可變電容進行充電。於步驟440中，比較一第二參考電壓與該可變電容的一跨壓以產生一第二比較結果。於步驟450中，根據該第二比較結果來輸出一控制信號，以控制該可變電容的一電容值，更重設該可變電容的該跨壓。於步驟460中，於一校準模式下，接收一參考頻率，於複數個校準周期內，該輸出電流對該可變電容充電，於各該些校準周期結束時，重設該可變電容的該跨壓，於各該些校準周期結束時，根據該第二比較結果來控制該控制信號以控制於一下一校準周期的該可變電容的該電容值。於步驟470中，在該校準模式結束後，決定該可變電容的一目標電容值。於步驟480中，於一監測模式下，於一第一監測周期內，接收該參考頻率，於該第一監測周期結束時，測量該可變電容的該跨壓為一第一跨壓。於步驟490中，於一第二監測周期內，接收該待測電路所提供的該待測頻率，於該第二監測周期結束時，測量該可變電容的該跨壓為一第二跨壓，根據該參考頻率、該第一跨壓與該第二跨壓而決定該待測頻率。
此外，於本案實施例中，第一參考電壓VREF1與第二參考電壓VREF2可以是分壓的關係。
本案實施例揭露一種可自動感測電路操作頻率的頻率偵測電路及其方法，適用於光纖收發器等需要偵測電路操作頻率的裝置。本案實施例利用電流乘上充電時間等於電容電壓之基本原理，對該可變電容進行多周期的充放電程序，且根據預先設好的特定條件，以得到待測電路之操作頻率。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:頻率偵測電路
50:待測電路
110:誤差放大器
120:電流鏡
R:電阻
C:可變電容
130:比較器
140:控制電路
SW:開關
N1:節點

Claims (9)

  1. 一種頻率偵測電路，用以偵測一待測電路的一待測頻率，該頻率偵測電路包括：一誤差放大器，用以比較一第一參考電壓與一節點電壓，並輸出一第一比較結果；一電流鏡，耦接於該誤差放大器，根據該第一比較結果而輸出一參考電流，其中，該參考電流用以產生該節點電壓，且該電流鏡更根據該參考電流而輸出一輸出電流；一可變電容，耦接至該電流鏡，該電流鏡的該輸出電流對該可變電容進行充電；一比較器，耦接至該可變電容，用以比較一第二參考電壓與該可變電容的一跨壓以產生一第二比較結果；以及一控制電路，耦接至該比較器與該可變電容，該控制電路根據該比較器的該第二比較結果來輸出一控制信號，以控制該可變電容的一電容值，該控制電路更重設該可變電容的該跨壓，該控制電路接收一參考頻率與該待測電路的該待測頻率；其中，於一校準模式下，該控制電路接收該參考頻率，於複數個校準周期內，該電流鏡的該輸出電流對該可變電容充電，於各該些校準周期結束時，該控制電路重設該可變電容的該跨壓，於各該些校準周期結束時，該控制電路根據該比較器所輸出的該第 二比較結果來控制該控制信號以控制於一下一校準周期的該可變電容的該電容值；在該校準模式結束後，該控制電路決定該可變電容的一目標電容值；於一監測模式下，於一第一監測周期內，該控制電路接收該參考頻率，於該第一監測周期結束時，測量該可變電容的該跨壓為一第一跨壓；以及於一第二監測周期內，該控制電路接收由該待測電路所提供的該待測頻率，於該第二監測周期結束時，測量該可變電容的該跨壓為一第二跨壓，該控制電路根據該參考頻率、該第一跨壓與該第二跨壓而決定該待測頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之頻率偵測電路，更包括：一電阻，耦接至該電流鏡，該參考電流流經該電阻，該電阻上的一跨壓即為該節點電壓；以及一開關，耦接至該可變電容與該控制電路，於各該些校準周期結束時，該控制電路輸出一重設信號給該開關，以重設該可變電容的該跨壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之頻率偵測電路，其中，於該校準模式下， 於各該些校準周期結束時，如果該可變電容的該跨壓高於該第二參考電壓，該控制電路增加該控制信號以增加於該下一校準周期的該可變電容的該電容值；以及於各該些校準周期結束時，如果該可變電容的該跨壓低於該第二參考電壓，該控制電路降低該控制信號以降低於該下一校準周期的該可變電容的該電容值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之頻率偵測電路，其中，該第一參考電壓與該第二參考電壓為一分壓關係。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之頻率偵測電路，其中，該參考頻率由該待測電路所提供，或者，該參考頻率由一外部參考信號源所提供。
  6. 一種頻率偵測方法，用以偵測一待測電路的一待測頻率，該頻率偵測方法包括：比較一第一參考電壓與一節點電壓，並輸出一第一比較結果；根據該第一比較結果而輸出一參考電流，其中，該參考電流用以產生該節點電壓，且更根據該參考電流而輸出一輸出電流；以該輸出電流對一可變電容進行充電；比較一第二參考電壓與該可變電容的一跨壓以產生一第二比較結果；以及根據該第二比較結果來輸出一控制信號，以控制該可變電容的一電容值，更重設該可變電容的該跨壓；其中， 於一校準模式下，接收一參考頻率，於複數個校準周期內，該輸出電流對該可變電容充電，於各該些校準周期結束時，重設該可變電容的該跨壓，於各該些校準周期結束時，根據該第二比較結果來控制該控制信號以控制於一下一校準周期的該可變電容的該電容值；在該校準模式結束後，決定該可變電容的一目標電容值；於一監測模式下，於一第一監測周期內，接收該參考頻率，於該第一監測周期結束時，測量該可變電容的該跨壓為一第一跨壓；以及於一第二監測周期內，接收該待測電路所提供的該待測頻率，於該第二監測周期結束時，測量該可變電容的該跨壓為一第二跨壓，根據該參考頻率、該第一跨壓與該第二跨壓而決定該待測頻率。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之頻率偵測方法，其中，於該校準模式下，於各該些校準周期結束時，如果該可變電容的該跨壓高於該第二參考電壓，增加該控制信號以增加於該下一校準周期的該可變電容的該電容值；以及於各該些校準周期結束時，如果該可變電容的該跨壓低於該第二參考電壓，降低該控制信號以降低於該下一校準周期的該可變電容的該電容值。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之頻率偵測方法，其中，該第一參考電壓與該第二參考電壓為一分壓關係。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之頻率偵測方法，其中，該參考頻率由該待測電路所提供，或者，該參考頻率由一外部參考信號源所提供。
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