專利名稱：一種快速響應(yīng)的鎖相環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路，具體涉及用于高速處理器、寬帶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、雷
達(dá)、空間電子設(shè)備以及高速數(shù)字電子系統(tǒng)的頻率產(chǎn)生以及頻率合成應(yīng)用。
背景技術(shù)：
當(dāng)前高性能處理器以及無線通信的高速發(fā)展，在鎖相環(huán)的高速、低噪聲方面提出了新的挑戰(zhàn)。然而在具體的設(shè)計中，這兩種特性往往存在沖突。如果單純考慮快速鎖定特性，即可通過增加鎖相環(huán)環(huán)路帶寬來實現(xiàn)，但這卻使得相位噪聲得不到擬制。如果減小了環(huán)路帶寬，雖然相位噪聲得到擬制，但環(huán)路的響應(yīng)時間又會變慢。針對這種設(shè)計上的矛盾現(xiàn)象，國內(nèi)外相繼報道了一些該方面的技術(shù)，比如通過雙環(huán)控制、開關(guān)電容濾波器等等技術(shù)實現(xiàn)快速鎖定，但其在電路復(fù)雜度以及與相位噪聲等方面存在一定缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
針對當(dāng)前各種電子系統(tǒng)對鎖相環(huán)鎖定時間及相位噪聲方面的高要求，本發(fā)明提出了一種快速響應(yīng)的鎖相環(huán)。 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的 —種快速響應(yīng)的鎖相環(huán)，其特征在于，包括一個用于將鑒頻鑒相器輸出的電荷泵
充電脈沖轉(zhuǎn)換為斜坡電壓的電路、一個將斜坡電壓轉(zhuǎn)換為斜坡電流的電路和最小脈寬檢測
電路。通過在電荷泵充電期間，線性增加電荷泵充電電流，實現(xiàn)了快速鎖定功能。同時，在
脈沖寬度小于一定值時，屏蔽斜坡電荷泵電流功能，使得相位噪聲不受影響。 上述方案中，所述將鑒頻鑒相器輸出的電荷泵充電脈沖轉(zhuǎn)換為電壓的電路由一個
開關(guān)控制的恒流源充電到電容的電路構(gòu)成，充電的起始與結(jié)束時刻與電荷泵充電的起始與
結(jié)束時刻相對應(yīng)。即當(dāng)電荷泵開始充電時，放電管停止對電容放電，同時，開始對電容充電。
所以電容上的電壓開始線性上升，而且電荷泵充電脈沖時間越長，電容上的電壓上升的越
高，從而完成將電荷泵充電脈沖轉(zhuǎn)換為線性斜坡電壓信號。 所述斜坡電壓轉(zhuǎn)換為斜坡電流的電路包括一個電壓緩沖器、一個NMOS晶體管和一個電阻組成。電壓緩沖器的輸入接到待轉(zhuǎn)換的線性斜坡電壓信號，輸出接到NMOS晶體管的柵極，NMOS晶體管的源極接到電阻的一端，電阻的另一端接至地。通過這種方式，將斜坡電壓信號轉(zhuǎn)換為斜坡電流信號。因為所述電阻兩端的電壓為斜坡電壓信號，則經(jīng)過該電阻的電流為斜坡電流信號。 所述最小脈寬檢測電路包括一個電容延遲電路、一組邏輯電路。實現(xiàn)對鑒頻鑒相器輸出的電荷泵充電脈沖的檢測，當(dāng)鑒頻鑒相器輸出的電荷泵充電脈沖小于某一值時，輸出使斜坡電流產(chǎn)生電路不工作。 本發(fā)明通過使電荷泵鎖相環(huán)的電荷泵充電電流線性增加，使環(huán)路帶寬變寬，同時在鎖定狀態(tài)下，該電流恢復(fù)到原始值，使得快速啟動特性和相位噪聲均得到了很好的保障。


圖1為典型的電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為低通濾波器示意圖。 圖3為典型電荷泵鎖相環(huán)傳遞函數(shù)圖。 圖4為本文發(fā)明的新型斜坡電流電荷泵鎖相環(huán)示意圖。 圖5為最小脈沖檢測電路實例。 圖6為充電脈沖轉(zhuǎn)換為斜坡電壓的電路實例。 圖7為斜坡電壓轉(zhuǎn)換為斜坡電流的電路實例。 圖8為斜坡電流電荷泵鎖相環(huán)工作示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。 首先，分析影響典型電荷泵鎖相環(huán)鎖定時間的因素。顯然，鎖相環(huán)的鎖定時間與鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬呈反比關(guān)系，即環(huán)路帶寬越寬，鎖定時間越短。因此，以下主要分析電荷泵鎖相環(huán)的帶寬。圖1為典型的電荷泵鎖相環(huán)示意圖，其中包括鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、低通濾波器(LF)、壓控振蕩器(VC0)和分頻器(NF)。 根據(jù)電荷泵鎖相環(huán)的工作原理，設(shè)Ip為電荷泵電流，則鑒頻鑒相器及電荷泵的增益函數(shù)為
2/T
(1)
低通濾波器采用二階低通濾波器，如圖2所示，傳遞函數(shù)為
1
+凡〃.
1
《
^(^C,C2) +《+C2)
(2) 設(shè)
傳遞函數(shù)為
!^Q，b = (V^，Kvco為壓控振蕩器的增益，如圖3所示，則整個鎖相環(huán)的
《0)=尺腳、6 )_
■ - 2;r.7V &、( " , ^
6 + 1
(3)
_/肌+1
6 + 1
根據(jù)上述推導(dǎo)，當(dāng)環(huán)路增益|H(j") I為1時，可得到環(huán)路帶寬
(4)
'n的關(guān)系式(5):
4
可見，系統(tǒng)的環(huán)路帶寬與電荷泵電流的開平方呈正比。 本發(fā)明正是基于上述思路，在傳統(tǒng)的電荷泵電流基礎(chǔ)上，疊加了一定量的斜坡電流，該電流通過檢測鑒頻鑒相器輸出的電荷泵充電電流脈沖而得到，且隨著電荷泵充電電流脈沖寬度的增加，此電流呈線性增長趨勢。該功能主要包含三部分電路最小脈沖寬度檢測電路、脈沖寬度轉(zhuǎn)換斜坡電壓電路和斜坡電壓轉(zhuǎn)換斜坡電流電路。 圖4為本發(fā)明提出的斜坡電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖，其中斜坡電流信號的產(chǎn)生主要依據(jù)信號50以及60，通過最小脈沖寬度檢測電路、脈沖寬度轉(zhuǎn)換斜坡電壓電路和斜坡電壓轉(zhuǎn)換斜坡電流電路得到實際的斜坡電荷泵電流。該電流的大小可以通過鑒頻鑒相器的相差來理解。當(dāng)反饋頻率信號與基準(zhǔn)頻率信號的相位誤差越大，此斜坡電流越大，從而實現(xiàn)了快速鎖定。 圖5為最小脈沖檢測電路實例示意。其輸入信號UP和DN分別為電荷泵的充電和放電信號，即分別對應(yīng)圖4中的50及60信號線。假定信號線50為高時，表示電荷泵需要充電，信號線60為高時，表示電荷泵需要放充電。則當(dāng)系統(tǒng)啟動初始時刻信號線50和信號線60均為低信號時，輸出PULSE信號則一直為高信號；當(dāng)鑒頻鑒相器開始工作時，即信號線50為高且信號線60為低時，經(jīng)過反相器120以及或門130后，信號線140為低信號，而由于在此之前，信號線180為高信號，所以此時輸出信號200的狀態(tài)并不會立即變化，必須要等到信號線180變低。從信號線140變低到信號線180變低的時間間隔，即為設(shè)定的最小脈沖寬度。通常情況下，該脈沖寬度可以簡單地通過反相器級聯(lián)產(chǎn)生的延遲來實現(xiàn)。如果輸入信號線50與60的脈沖結(jié)果使得信號140上產(chǎn)生的脈沖寬度小于設(shè)定的最小脈沖寬度時，輸出信號線200的狀態(tài)不會變化，即不會產(chǎn)生斜坡電壓信號，電荷泵電流不會增加；而當(dāng)輸入信號線50與60的脈沖結(jié)果使得信號140上產(chǎn)生的脈沖寬度一旦大于設(shè)定的最小脈沖寬度時，輸出信號線200的狀態(tài)就會一個最小脈沖寬度后發(fā)生變化，即產(chǎn)生斜坡電壓信號，電荷泵電流開始線性增加。 圖6為脈沖寬度轉(zhuǎn)換斜坡電壓電路實例示意。其中輸入信號線200即為最小脈沖寬度檢測電路的輸出。當(dāng)信號線200為高信號時，晶體管230對電容240放電，晶體管230與電容240構(gòu)成的放電回路時間常數(shù)遠(yuǎn)小于充電回路的時間常數(shù)，所以放電時間并不會影響充電的速度。當(dāng)信號線200變?yōu)榈托盘枙r，晶體管230關(guān)斷，由電流源250，晶體管210和220形成的恒流源對電容240開始充電，則輸出信號線260的電壓開始線性上升，假設(shè)上升的電壓幅度為A Vd，，恒流源的電流為i。，電容240的容值為C，，信號線200的脈沖寬度為tpu^，其對應(yīng)關(guān)系為
化，
<formula>formula see original document page 5</formula> 可以看出，此斜坡電壓信號與電荷泵的充電脈沖寬度信號呈線性關(guān)系。
圖7為斜坡電壓轉(zhuǎn)換斜坡電流電路實例示意。其輸入信號為充電脈沖轉(zhuǎn)換的斜坡電壓信號260，輸出為斜坡電流信號330。其工作原理為通過緩沖器270和晶體管300實現(xiàn)的負(fù)反饋回路實現(xiàn)了信號線310跟隨輸入信號線260的電壓變化，當(dāng)信號線260上的電壓線性增加時，信號線310上的電壓也在等值線性增加，結(jié)果使得經(jīng)過電阻320的電流線性增加，再經(jīng)由晶體管280和290組成的電流鏡輸出到信號線330，并最終疊加到電荷泵電流
上。假定電阻320的阻值為R，輸出斜坡電流為U。p。，則其對應(yīng)關(guān)系為
因此，總的電荷泵充電電流為
i chargei slope+土b (8)
其中，ib為電荷泵的基礎(chǔ)電流部分，即未加入斜坡電流的部分。
圖8為斜坡電荷泵鎖相環(huán)的工作原理示意。其中t^即為上述最小脈沖寬度，tr為電荷泵的復(fù)位脈沖，Vs一和isl，分別為斜坡電壓與斜坡電流信號，i。ha，為最終用于電荷泵的充電電流信號，i。為鎖定狀態(tài)下的電荷泵電流。從中可以清楚地看到，電荷泵電流隨著相位誤差的變化而線性變化，并且需要檢測一個最小脈沖寬度。這樣使得鎖相環(huán)的環(huán)路
帶寬在每個周期得到了實時調(diào)整，提高了鎖定速度；另一方面，在鎖定狀態(tài)下，電荷泵電流
恢復(fù)，環(huán)路帶寬恢復(fù)，則兼顧了相位噪聲的特性。 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定
本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所
提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種快速響應(yīng)的鎖相環(huán)，包括輸入頻率源、反饋頻率、鑒頻鑒相器、電荷泵、低通濾波器、壓控振蕩器和分頻器，鑒頻鑒相器、電荷泵、低通濾波器和壓控振蕩器依次順序連接，分頻器設(shè)置在鑒頻鑒相器輸入端和壓控振蕩器輸出端之間；其特征在于所述鑒頻鑒相器和電荷泵之間并聯(lián)設(shè)置了一個自適應(yīng)斜坡電荷泵電流控制模塊；所述自適應(yīng)斜坡電荷泵電流控制模塊由最小脈寬檢測電路、脈寬轉(zhuǎn)換斜坡電壓電路和斜坡電壓轉(zhuǎn)換斜坡電流電路構(gòu)成；所述最小脈寬檢測電路的輸入端與鑒頻鑒相器輸出邏輯連接，最小脈寬檢測電路的輸出端與脈寬轉(zhuǎn)換斜坡電壓電路的輸入端連接，脈寬轉(zhuǎn)換斜坡電壓電路的輸出端與斜坡電壓轉(zhuǎn)換斜坡電流電路的輸入端連接，斜坡電壓轉(zhuǎn)換斜坡電流電路的輸出端分別與電荷泵充電電流100及電荷泵放電電流110連接。
2. 如權(quán)利要求1所述一種快速響應(yīng)的鎖相環(huán)，其特征在于所述最小脈寬檢測電路包 括反相器(120、150、170)、兩輸入或門(130U90)及電容(160)。鑒頻鑒相器輸出的電荷泵 充電信號(50)接反相器(120)的輸入，鑒頻鑒相器輸出的電荷泵放電信號(60)與反相器 (120)的輸出分別接到兩輸入或門(130)的兩個輸入端，兩輸入或門(130)的輸出端(140) 接到反相器(150)及兩輸入或門(190)的輸入端，反相器(150)的輸出端接到電容(160)的 上極板及反相器(170)的輸入端，電容(160)的下極板接到信號地，反相器(170)的輸出端 接到兩輸入或門(190)的另外一個輸入端。反相器(150)、電容(160)與反相器(170)組成 最小脈寬設(shè)置電路，然后通過兩輸入或門(190)對輸入的電荷泵充放電脈沖寬度信號(50、 60)邏輯作用后的信號(140)進(jìn)行檢測，兩輸入或門(190)的輸出端即為最小脈寬檢測電路 的輸出。如果信號(140)的脈寬小于最小脈寬時，兩輸入或門(190)輸出的脈寬為O;如果 信號(140)的脈寬大于最小脈寬時，兩輸入或門(190)輸出的脈寬為信號(140)的脈寬與 最小脈寬之差。
3. 如權(quán)利要求1所述一種快速響應(yīng)的鎖相環(huán)，其特征在于所述脈寬轉(zhuǎn)換斜坡電壓電 路包括由PMOS晶體管(210、220)及電流源(250)組成的充電回路與NMOS晶體管(230)組 成的放電回路。其中PMOS晶體管(210、220)構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)，PMOS晶體管(210)為鏡像 源，電流源(250)為普通電流源，接到PMOS晶體管(210)的漏極輸入，PMOS晶體管(220)的 漏極接到電容(240)的上極板，電容(240)的下極板接地。NMOS晶體管(230)的源極接地， NMOS晶體管(230)的柵極接最小脈寬檢測電路的輸出信號(200)，NM0S晶體管(230)的漏 極接到電容(240)的上極板(260)。通過信號(200)的脈寬設(shè)置電容(240)的充電時刻與 充電時間，從而使電容(240)的上極板(260)電壓成為與信號(200)的脈寬相對應(yīng)的斜坡 電壓。
4. 如權(quán)利要求1所述一種快速響應(yīng)的鎖相環(huán)，其特征在于所述斜坡電壓轉(zhuǎn)換斜坡電 流電路包括由運放(270) 、NMOS晶體管(300)與電阻(320)組成的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)以及由PMOS 晶體管(280、290)組成的電流鏡結(jié)構(gòu)。運放(270)的正輸入端接脈寬轉(zhuǎn)換后的斜坡電壓信 號，運放(270)的負(fù)輸入端接到NMOS晶體管(300)的源極，NMOS晶體管(300)的柵極接到 運放(270)的輸出端，NMOS晶體管(300)的漏極接到PMOS晶體管(280)的漏極，成為鏡像 源的輸入端；電阻(320)的一端接NMOS晶體管(300)的源極，電阻(320)的另一端接地。 由于負(fù)反饋回路使電阻(320)兩端的電壓為斜坡電壓(260)，則流過電阻(320)的電流為斜 坡電流，從而NM0S晶體管(290)的漏極電流為斜坡電壓轉(zhuǎn)換的斜坡電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快速響應(yīng)的鎖相環(huán)，包括一個用于將鑒頻鑒相器輸出的電荷泵充電脈沖轉(zhuǎn)換為斜坡電壓的電路、一個將斜坡電壓轉(zhuǎn)換為斜坡電流的電路和最小脈寬檢測電路。通過在電荷泵充電期間，線性增加電荷泵充電電流，實現(xiàn)了快速鎖定功能。同時，在脈沖寬度小于一定值時，屏蔽斜坡電荷泵電流功能，使得相位噪聲不受影響。本發(fā)明通過使電荷泵鎖相環(huán)的電荷泵充電電流線性增加，使環(huán)路帶寬變寬，同時在鎖定狀態(tài)下，該電流恢復(fù)到原始值，使得快速啟動特性和相位噪聲均得到了很好的保障。
文檔編號H03L7/093GK101719767SQ20091021899
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者劉佑寶, 吳龍勝, 唐威, 汪西虎, 郭仲杰 申請人:中國航天科技集團公司第九研究院第七七一研究所