專利名稱：鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎖相環(huán)電路的設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除方法及裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在，各種各樣的鎖相環(huán)電路已被廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)和自動控制的各個方面。從普通的無線接收機(jī)到精密的導(dǎo)彈，幾乎都有鎖相環(huán)的影子。
鎖相環(huán)最基本的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由三個基本的部件組成鑒相器(PDphase detect)、環(huán)路濾波器或者低通濾波器(LPFlow passfilter)和壓控振蕩器(VCOvoltage-controlled oscillator)。鑒相器是個相位比較裝置。它把輸入信號Si(t)和VCO的輸出信號So(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對應(yīng)于兩個信號相位差的誤差電壓Se(t)。
環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓Se(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
VCO受控制電壓Sd(t)的控制，使VCO的頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定。鎖相環(huán)是個相位誤差控制系統(tǒng)。它比較輸入信號和VCO輸出信號之間的相位差，從而產(chǎn)生誤差控制電壓來調(diào)整VCO的頻率，以達(dá)到與輸入信號同頻。在環(huán)路開始工作時，如果輸入信號頻率與VCO頻率不同，則由于兩信號之間存在固有的頻率差，它們之間的相位差勢必一直在變化，結(jié)果鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內(nèi)變化。在這種誤差電壓的控制下，VCO的頻率也在變化。若VCO的頻率能夠變化到與輸入信號頻率相等，在滿足穩(wěn)定性條件下就在這個頻率上穩(wěn)定下來。達(dá)到穩(wěn)定后，輸入信號和VCO輸出信號之間的頻差為零，相差不再隨時間變化，誤差電壓為一固定值，這時環(huán)路就進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)。這就是鎖相環(huán)工作的大致過程。
在傳統(tǒng)的鎖相環(huán)頻率綜合器中，如圖2所示主要由鑒頻鑒相器(PFDphase frequency detect)，電荷泵(CPcharge pump)，低通濾波器，VCO和除N電路(/N)組成。其基本工作原理是PFD鑒別并輸出反饋信號Fbak和參考信號Fref之間的相位誤差值，例如，如果Fbak落后于Fref，那么，輸出信號UP為高電平，DN為低電平；反之，如果Fbak領(lǐng)先于Fref，輸出信號DN為高電平，UP為低電平。其后的一個電路模塊是電荷泵，其功能是，如果UP為高電平，就對輸出用電流為lcp的電流充電；如果DN為高電平，就對輸出用電流為lcp的電流放電。低通濾波器對充電和放電進(jìn)行濾波，輸出信號用于控制VCO，例如，如果低通濾波器輸出的控制電壓升高，VCO輸出信號Fout的頻率就增大；如果低通濾波器的控制電壓降低，VCO輸出信號Fout的頻率就減小。VCO的輸出信號經(jīng)過N分頻，也就是除N電路，輸出信號Fbak到PFD。當(dāng)環(huán)路穩(wěn)定時，也即鎖相環(huán)鎖定時，F(xiàn)ref和Fbak同頻率同相位，可得Fout＝N·Fref。
但是，在實際實現(xiàn)這些電路的時候，會存在一些非理想的結(jié)果，例如，因為無法實現(xiàn)電荷泵電路在充電時的電流值和放電時的電流值保持一致，還有，電荷泵電路中有源器件的漏電，低通濾波器電路中有源和無源器件的漏電，都將導(dǎo)致在Fout的輸出頻譜中出現(xiàn)較大的與Fref相關(guān)的寄生頻譜，也即寄生參考頻率。如圖3所示。這些寄生頻譜在通信電路中對信號的影響很大，例如，如果用產(chǎn)生的Fout作為混頻器的本振信號，那么，F(xiàn)out中的寄生頻譜將嚴(yán)重破壞有用信號的頻譜。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除方法及裝置，可以消除或減小與參考頻率相關(guān)的寄生頻譜。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除方法，包括采集鑒頻鑒相器PFD的輸入信號；經(jīng)過處理后輸出補(bǔ)償控制信號給電荷泵，消除頻率綜合器輸出信號中的寄生參考頻率。
所述的采集鑒頻鑒相器的輸入信號包括頻率綜合器輸出的反饋信號Fbak與參考頻率Fref信號。
所述的處理采集的鑒頻鑒相器輸入信號的步驟包括A、分析鑒頻鑒相器的輸入信號，輸出補(bǔ)償控制信號給電荷泵；B、經(jīng)過電壓或電流控制的電流源對電荷泵電路充放電不匹配和漏電進(jìn)行補(bǔ)償，來消除頻率綜合器輸出信號中的寄生參考頻率。
所述的控制信號可以是電壓信號，也可以是電流信號。
一種鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除裝置，所述的鎖相環(huán)頻率綜合器包括鑒頻鑒相器與電荷泵，還包括采樣器對鑒頻鑒相器的輸入信號進(jìn)行采樣處理，輸出補(bǔ)償電荷泵充電電流和放電電流的不對稱的控制信號給電流源；電流源根據(jù)信號采樣處理模塊的控制信號，對電荷泵電路充放電不匹配和漏電進(jìn)行補(bǔ)償。
所述的采樣器包括控制鑒頻鑒相器與主電路中的鑒頻鑒相器不同，用于對鑒頻鑒相器的輸入信號進(jìn)行采樣處理，輸出兩路補(bǔ)償電荷泵充電電流和放電電流的不對稱的控制信號給所述的積分器；兩個積分器對控制鑒頻鑒相器輸出的兩路控制信號進(jìn)行時域積分，獲得相應(yīng)的時域平均值，用于控制對應(yīng)的電流源。
所述的采樣器還包括計數(shù)器用于定時控制控制鑒頻鑒相器的工作。
所述的電流源包括電壓控制電流源或電流控制電流源。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的一種鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除方法采集鑒頻鑒相器PFD的輸入信號；經(jīng)過處理后輸出補(bǔ)償控制信號給電荷泵，消除頻率綜合器輸出信號中寄生參考頻率。其裝置在現(xiàn)有技術(shù)的鎖相環(huán)頻率綜合器基礎(chǔ)上還包括采樣器與電流源，這種裝置的核心和本質(zhì)是引入了第二個自動調(diào)諧回路，也即對PFD的輸入信號進(jìn)行采樣處理，然后經(jīng)過信號處理，獲得補(bǔ)償電荷泵電流充電電流和放電電流的不對稱的控制信號，再經(jīng)過電壓或電流控制的電流源對電荷泵的電流不匹配和漏電問題進(jìn)行補(bǔ)償；來消除或減小與參考頻率相關(guān)的寄生頻譜。


圖1為鎖相環(huán)最基本的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)的頻率綜合器輸出信號頻譜中存在大的寄生參考頻譜時的示意圖；圖4為本發(fā)明所述鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除裝置原理性結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明所述鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除裝置實施結(jié)構(gòu)圖；圖6為現(xiàn)有技術(shù)的鎖相環(huán)頻率綜合器鎖定狀態(tài)下，鑒頻鑒相器的輸出信號波形；圖7為本發(fā)明所述鎖相環(huán)頻率綜合器中控制鑒頻鑒相器的輸出信號波形；
圖8為圖2所示鎖相環(huán)頻率綜合器在鎖定1.024GHz時，壓控振蕩器控制電壓Vctrl的瞬態(tài)波形；圖9為圖8瞬態(tài)波形的局部放大圖；圖10為圖2所示鎖相環(huán)頻率綜合器在鎖定1.024GHz時，頻率綜合器輸出的頻譜；圖11為圖5所示鎖相環(huán)頻率綜合器在鎖定1.024GHz時，壓控振蕩器控制電壓Vctrl的瞬態(tài)波形；圖12為圖11瞬態(tài)波形的局部放大圖；圖13為圖5所示鎖相環(huán)頻率綜合器在鎖定1.024GHz時，頻率綜合器的輸出頻譜。
具體實施例方式
本發(fā)明所述的一種鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除方法，其具體實施方式
為采集鑒頻鑒相器PFD的輸入信號(包括Fbak信號與Fref信號)；經(jīng)過處理后輸出補(bǔ)償控制信號(可以是電壓信號，也可以是電流信號)給電荷泵，消除頻率綜合器輸出信號中的寄生參考頻率。具體的信號處理方法為在接近鎖定和鎖定狀態(tài)下，如果存在電荷泵充電電流和放電電流不匹配以及漏電現(xiàn)象，對鑒頻鑒相器的輸入信號進(jìn)行處理，也即分析鑒頻鑒相器的輸入信號，將輸出兩個占空比不同的信號，利用這兩個占空比不同的信號，就可以輸出補(bǔ)償控制信號給電荷泵。
經(jīng)過電壓或電流控制的電流源對電荷泵電路充放電不匹配和漏電進(jìn)行補(bǔ)償，來消除寄生參考頻率。
本發(fā)明所述的一種鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除裝置，其具體實施方式
如圖4所示
所述的現(xiàn)有技術(shù)的鎖相環(huán)頻率綜合器包括鑒頻鑒相器、電荷泵、低通濾波器、壓控振蕩器和除N電路，本發(fā)明還包括采樣器與電流源，其中采樣器對鑒頻鑒相器的輸入信號進(jìn)行采樣處理，輸出補(bǔ)償電荷泵充電電流和放電電流的不對稱的控制信號給電流源；電流源根據(jù)信號采樣處理模塊的控制信號，對電荷泵電路充放電不匹配和漏電進(jìn)行補(bǔ)償。所述的電流源可以為電壓控制電流源或電流控制電流源。
這種裝置的核心和本質(zhì)是引入了第二個自動調(diào)諧回路，也即對PFD的輸入信號Fbak和Fref進(jìn)行采樣處理，然后經(jīng)過信號處理，獲得補(bǔ)償電荷泵電流充電電流和放電電流的不對稱的控制信號，這一控制信號可以是電壓信號，也可以是電流信號，再經(jīng)過電壓或電流控制的電流源(XCCSVoltage/Current controlled current source)，對電荷泵的電流不匹配進(jìn)行補(bǔ)償；同樣，可以對PFD的輸入信號Fbak和Fref進(jìn)行采樣處理，然后經(jīng)過信號處理，獲得補(bǔ)償電荷泵電流充電電流和放電電流的不對稱的控制信號，控制信號可以是電壓信號，也可以是電流信號，再經(jīng)過電壓或電流控制的電流源，對電荷泵電路中有源器件的漏電或低通濾波器電路中有源和無源器件的漏電進(jìn)行補(bǔ)償。如圖4所示，用采樣器(Sampler)對Fbak和Fref信號進(jìn)行采樣處理，采樣器輸出的信號控制電流源，最終實現(xiàn)對電荷泵電路充放電不匹配和漏電問題的補(bǔ)償。例如，如果在鎖定狀態(tài)，如果出現(xiàn)比較大的漏電現(xiàn)象，將出現(xiàn)如圖3所示的頻譜，本發(fā)明的采樣器可以捕獲這個漏電現(xiàn)象是從電源向輸出節(jié)點漏電，還是輸出節(jié)點向地線漏電。如果是從輸出節(jié)點到地線漏電，那么，采樣器將控制連接電源端的電流源向輸出節(jié)點補(bǔ)償漏電，這樣，輸出節(jié)點就保持很穩(wěn)定的值，于是壓控振蕩器輸出頻譜中與參考頻率相關(guān)的寄生頻譜就會相應(yīng)地減小或消除。
另一具體實施方式
如圖5所示，所述的采樣器包括
控制鑒頻鑒相器PFD2與主電路中的PFD不同，用于對PFD的輸入信號進(jìn)行采樣處理，輸出兩路補(bǔ)償電荷泵充電電流和放電電流的不對稱的控制信號給所述的積分器；兩個積分器對控制鑒頻鑒相器輸出的兩路控制信號進(jìn)行時域積分，獲得相應(yīng)的時域平均值，用于控制對應(yīng)的電流源；計數(shù)器用于定時控制控制鑒頻鑒相器的工作。
本實施例中，采樣器用一個與圖2中的PFD不同的一個控制鑒頻鑒相器PFD2和兩個積分器(integrator)來實現(xiàn)。電流源XCCS用電壓控制電流源VCCS來實現(xiàn)。在本實施例中加入一個計數(shù)器(COUNTER)，其目的是用于定時，對PFD2的工作與否進(jìn)行使能控制。PFD2，兩個積分器和VCCS形成第二個控制環(huán)路，用于補(bǔ)償電荷泵充電和放電電流的失配以及漏電的問題。其具體的工作原理是在圖5的鎖相環(huán)頻率綜合器工作的初期，第二個控制環(huán)路不工作。當(dāng)計數(shù)器計數(shù)達(dá)到一定值時，第二個控制環(huán)路才開始工作。這樣做的目的是，在鎖相環(huán)主環(huán)路(如圖2所示)啟動工作一定時間以后，接近鎖定狀態(tài)時，控制壓控振蕩器的電壓Vctrl基本接近穩(wěn)定值，這時，電荷泵充電電流和放電電流的不匹配，有源器件和無源器件的漏電才會影響頻率綜合器輸出的頻譜。于是，預(yù)先設(shè)定計數(shù)器的值，使得主鎖相環(huán)環(huán)路接近穩(wěn)定時，啟動第二個控制環(huán)路。
PFD2和主電路中的PFD兩者之間的不同點在于這里用一個實際情況的例子說明，當(dāng)環(huán)路鎖定時，主電路中的PFD輸出的信號如圖6所示，UP和DN都有輸出高電平控制信號，而且UP和DN之間存在一個時間差ΔT，用于補(bǔ)償電荷泵充電和放電的不匹配以及漏電等引起控制電壓Vctrl的變化。這樣，每個參考時鐘周期都會出現(xiàn)Vctrl的大的變化，于是，壓控振蕩器輸出頻譜中就會有大的與參考頻率相關(guān)的寄生頻譜。
而PFD2在環(huán)路鎖定時，輸出的信號如圖7所示，UP和DN中只有一個輸出高電平控制信號，這樣就可以利用這里面的一個高電平信號在一個參考時鐘周期之內(nèi)來均勻地補(bǔ)償控制電壓端由于電荷泵充電和放電的不匹配以及漏電等引起的Vctrl的變化，這樣，就可以使得圖6中的ΔT減小，進(jìn)而減小Vctrl的變化。于是，頻率綜合器輸出頻譜中與參考頻率相關(guān)的寄生頻譜就會減小。
圖5中積分器的作用就是分別把PFD2輸出的UP和DN信號進(jìn)行時域積分，分別獲得一個時域的平均值，分別用于均勻的控制VCCS，進(jìn)而均勻地為電荷泵電路進(jìn)行漏電等問題的補(bǔ)償。
利用圖5的結(jié)構(gòu)，可以驗證發(fā)明的有效性，假設(shè)目標(biāo)鎖定的頻率為1.024GHz，根據(jù)鎖相環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計，這時對應(yīng)的控制電壓為400mV。同時設(shè)Fref＝1MHz，VCO的增益為60MHz。為了擴(kuò)大漏電效應(yīng)，或者等價地說是擴(kuò)大電荷泵充電和放電電流的不匹配特性，在實施過程中，在LPF的輸出強(qiáng)加了一個800nA的由輸出端到地線端的漏電電流。那么，如果不加補(bǔ)償電路，只用圖2的結(jié)構(gòu)，獲得的控制電壓Vctrl的波形如圖8所示，圖9為其局部放大圖，圖10為頻率綜合器輸出的頻譜。從圖9中可以看出，在鎖定狀態(tài)下Vctrl的變化約為6.3mV，從圖10可知，在頻率綜合器輸出頻譜中，偏離中心1MHz的寄生頻譜的能量與中心頻率的能量的差約為21.87dB。
如果加補(bǔ)償電路，用圖5的結(jié)構(gòu)，獲得的控制電壓Vctrl的波形如圖11所示，圖12為其局部放大圖，圖13為頻率綜合器輸出的頻譜。從圖12中可以看出，在鎖定狀態(tài)下Vctrl的變化約為1.288mV，從圖13可知，在頻率綜合器輸出頻譜中，偏離中心1MHz的寄生頻譜的能量與中心頻率的能量的差約為35.67dB。
由上可知，不加入補(bǔ)償電路和加入補(bǔ)償電路的Vctrl的變化分別為6.3mV和1.28mV，補(bǔ)償電路使得控制電壓的變化降低了13.8dB。從頻率綜合器輸出頻譜中與參考頻率相關(guān)的寄生頻譜能量來看，這里的與參考頻率相關(guān)的寄生頻譜為偏離中心頻率1MHz的頻譜。從圖10和圖13可知，加入補(bǔ)償電路，寄生頻譜的能量降低了35.67-21.87＝13.8dB。這個值與控制電壓變化的降低的值是相等的。說明利用圖5中的第二個控制環(huán)路，通過對電荷泵的電流進(jìn)行補(bǔ)償，可以直接通過降低控制電壓Vctrl變化來獲得頻率綜合器輸出頻譜中與參考頻率相關(guān)的寄生頻譜能量的降低。
任何形式和結(jié)構(gòu)的采樣器和XCCS，只要是對Fref和Fak進(jìn)行采樣并進(jìn)行信號處理，進(jìn)而對電荷泵的充電電流和放電電流進(jìn)行補(bǔ)償，都屬于本發(fā)明范疇。任何形式的PFD和integrator，只要是對Fref和Fbak進(jìn)行采用并進(jìn)行信號處理，進(jìn)而對電荷泵的充電電流和放電電流進(jìn)行補(bǔ)償，都屬于本發(fā)明范疇。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除方法，其特征在于，包括采集鑒頻鑒相器PFD的輸入信號；經(jīng)過處理后輸出補(bǔ)償控制信號給電荷泵，消除頻率綜合器輸出信號中的寄生參考頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除方法，其特征在于所述的采集鑒頻鑒相器的輸入信號包括頻率綜合器輸出的反饋信號Fbak與參考頻率Fref信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除方法，其特征在于，所述的處理采集的鑒頻鑒相器輸入信號的步驟包括A、分析鑒頻鑒相器的輸入信號，輸出補(bǔ)償控制信號給電荷泵；B、經(jīng)過電壓或電流控制的電流源對電荷泵電路充放電不匹配和漏電進(jìn)行補(bǔ)償，來消除頻率綜合器輸出信號中的寄生參考頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除方法，其特征在于所述的控制信號可以是電壓信號，也可以是電流信號。
5.一種鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除裝置，所述的鎖相環(huán)頻率綜合器包括鑒頻鑒相器與電荷泵，其特征在于，還包括采樣器對鑒頻鑒相器的輸入信號進(jìn)行采樣處理，輸出補(bǔ)償電荷泵充電電流和放電電流的不對稱的控制信號給電流源；電流源根據(jù)信號采樣處理模塊的控制信號，對電荷泵電路充放電不匹配和漏電進(jìn)行補(bǔ)償。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除裝置，其特征在于，所述的采樣器包括控制鑒頻鑒相器與主電路中的鑒頻鑒相器不同，用于對鑒頻鑒相器的輸入信號進(jìn)行采樣處理，輸出兩路補(bǔ)償電荷泵充電電流和放電電流的不對稱的控制信號給所述的積分器；兩個積分器對控制鑒頻鑒相器輸出的兩路控制信號進(jìn)行時域積分，獲得相應(yīng)的時域平均值，用于控制對應(yīng)的電流源。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除裝置，其特征在于，所述的采樣器還包括計數(shù)器用于定時控制控制鑒頻鑒相器的工作。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除裝置，其特征在于，所述的電流源包括電壓控制電流源或電流控制電流源。
全文摘要
本發(fā)明所述的一種鎖相環(huán)頻率綜合器中寄生參考頻率的消除方法采集鑒頻鑒相器PFD的輸入信號；經(jīng)過處理后輸出補(bǔ)償控制信號給電荷泵，消除頻率綜合器輸出信號中的寄生參考頻率。其裝置在現(xiàn)有技術(shù)的鎖相環(huán)頻率綜合器基礎(chǔ)上還包括采樣器與電流源，這種裝置的核心和本質(zhì)是引入了第二個自動調(diào)諧回路，也即對PFD的輸入信號進(jìn)行采樣處理，然后經(jīng)過信號處理，獲得補(bǔ)償電荷泵電流充電電流和放電電流的不對稱的控制信號，再經(jīng)過電壓或電流控制的電流源對電荷泵的電流不匹配和漏電問題進(jìn)行補(bǔ)償；來消除或減小與參考頻率相關(guān)的寄生頻譜。
文檔編號H03L7/18GK1956337SQ20051011450
公開日2007年5月2日 申請日期2005年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月24日
發(fā)明者王海永, 吳南健, 壽國梁 申請人:北京六合萬通微電子技術(shù)有限公司