專利名稱：用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
鎖相環(huán)是無線收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵模塊，它輸出一系列高精度頻率信號，為收發(fā)機(jī)的頻率變換提供本振信號。在各種鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)中，電荷泵鎖相環(huán)因其低功耗，高速， 低抖動(dòng)和低成本的優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用。電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由依次連接的鑒相鑒頻器、電荷泵、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和連接在鑒相鑒頻器輸入端和壓控振蕩器輸出端之間的分頻器構(gòu)成。鑒相鑒頻器比較分頻器輸出和參考信號之間的相差和頻差，產(chǎn)生U 和D脈沖控制電荷泵；電荷泵提供充電或放電電流到具有低通特性的環(huán)路濾波器；環(huán)路濾波器消除電流脈沖中的高頻部分，產(chǎn)生壓控振蕩器的控制電壓；壓控振蕩器的輸出正比于控制電壓的射頻信號；分頻器產(chǎn)生所需要的分頻比。鎖相環(huán)頻率綜合器的基本工作原理用一句話簡單概括，即來自壓控振蕩器的輸出經(jīng)過分頻器鎖定到參考頻率。相位噪聲是鎖相環(huán)頻率綜合器的一個(gè)主要性能指標(biāo)，分為帶內(nèi)相位噪聲和帶外相位噪聲。帶外相位噪聲主要跟壓控振蕩器有關(guān)；帶內(nèi)相位噪聲跟分頻器、電荷泵和鑒相鑒頻器有關(guān)。提高帶外相位噪聲主要途徑是優(yōu)化無源器件的品質(zhì)因素和增加壓控振蕩器的電流，提高帶內(nèi)相位噪聲的一個(gè)辦法是降低各個(gè)模塊的噪聲，另外的一個(gè)辦法是通過改變環(huán)路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，比如一些文獻(xiàn)提出的無分頻器的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是基于亞采樣/過采樣的方法，當(dāng)壓控振蕩器的輸出信號頻率和參考信號頻率保持整數(shù)倍關(guān)系時(shí)，環(huán)路達(dá)到鎖定狀態(tài)。亞采樣方法面臨的問題是采樣器輸出的有效信號幅值太小，參考雜散問題比較嚴(yán)重，過采樣方法的問題是頻差有限，只能應(yīng)用在參考頻率和壓控振蕩器頻率之間頻差很小的應(yīng)用場合。無線收發(fā)機(jī)對鎖相環(huán)頻率綜合器的噪聲性能提出了越來越苛刻的要求，上述因素制約了傳統(tǒng)鎖相環(huán)頻率綜合器的相位噪聲，因此，需要一種鎖相環(huán)頻率綜合器的解決方案， 能夠解決上述相關(guān)技術(shù)中的問題。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，以解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶內(nèi)相位噪聲受限于分頻器的問題，通過引入精調(diào)諧回路， 在鎖定狀態(tài)時(shí)有效減少分頻器的噪聲，提高鎖相環(huán)頻率綜合器的帶內(nèi)相位噪聲性能。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，該鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)由粗調(diào)諧回路和精調(diào)諧回路兩個(gè)環(huán)路構(gòu)成，其中，該粗調(diào)諧回路用來選擇不同的頻率控制字，實(shí)現(xiàn)環(huán)路的頻率鎖定，該精調(diào)諧回路用來實(shí)現(xiàn)環(huán)路的相位鎖定。上述方案中，所述粗調(diào)諧回路由粗調(diào)諧鑒相鑒頻器、第一電荷泵1、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器依次連接而成，精調(diào)諧回路由觸發(fā)器、精調(diào)諧鑒相鑒頻器、異或門、選擇器、第二電荷泵2、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器依次連接而成，其中壓控振蕩器和環(huán)路濾波器為兩個(gè)環(huán)路所共有。上述方案中，所述精調(diào)諧鑒相鑒頻器用來比較參考頻率和經(jīng)過壓控振蕩器同步后的參考頻率之間的相差。上述方案中，當(dāng)參考信號超前反饋信號時(shí)，選擇器輸出精調(diào)諧鑒相鑒頻器的輸出信號，當(dāng)參考信號滯后反饋信號時(shí)，選擇器輸出精調(diào)諧鑒相鑒頻器輸出與參考信號異或后的信號。上述方案中，所述觸發(fā)器的時(shí)鐘信號為壓控振蕩器的輸出，而觸發(fā)信號為參考信號，觸發(fā)器將參考信號同步到壓控振蕩器的輸出。上述方案中，所述第二電荷泵2的輸入信號為選擇器的輸出，粗鑒相鑒頻器輸出的相差和符號位，當(dāng)相差信號為高電平時(shí)，選擇器的輸出和符號位通過邏輯電路形成第二電荷泵2的輸入，當(dāng)相差信號為低電平時(shí)，第二電荷泵2的輸入為低電平。上述方案中，在環(huán)路的相位被鎖定時(shí)，粗調(diào)諧回路被關(guān)斷，僅精調(diào)諧回路工作。上述方案中，當(dāng)相差大于粗調(diào)諧鑒相鑒頻器的死區(qū)大小時(shí)，兩個(gè)環(huán)路同時(shí)工作，注入到環(huán)路濾波器的電流為兩個(gè)電荷泵電流之和；當(dāng)相差小于粗調(diào)諧鑒相鑒頻器的死區(qū)大小時(shí)，粗調(diào)諧回路自動(dòng)關(guān)斷，僅精調(diào)諧回路工作。上述方案中，在頻率切換時(shí)，粗調(diào)諧回路和精調(diào)諧回路同時(shí)工作，當(dāng)接近鎖定時(shí)， 粗調(diào)諧回路自動(dòng)關(guān)斷，僅精調(diào)諧回路工作，粗調(diào)諧回路的關(guān)斷是自動(dòng)平滑進(jìn)行的；在鎖定狀態(tài)時(shí)，粗調(diào)諧回路對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能沒有影響。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)及良好效果本發(fā)明提供的這種用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，在鎖定狀態(tài)時(shí)，包含分頻器的粗調(diào)諧回路的輸出被關(guān)斷，僅僅精調(diào)諧回路工作。分頻器引起的切換噪聲得到有效消除，減少了鎖相回路的帶內(nèi)噪聲源，因而有助于提高系統(tǒng)的帶內(nèi)相位噪聲性能。另外，本發(fā)明引入的精調(diào)諧回路除觸發(fā)器外，都工作在低頻段，沒有增加很多的附加功耗。


圖1是傳統(tǒng)鎖相環(huán)頻率綜合器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明提供的鎖相環(huán)頻率綜合器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2中粗調(diào)諧鑒相鑒頻器電路的結(jié)構(gòu)和時(shí)序狀態(tài)圖；圖4是圖2中第一電荷泵電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是鎖相環(huán)頻率綜合器的鎖定過程仿真波形。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖2示出了本發(fā)明提供的可提高帶內(nèi)相位噪聲性能和降低功耗的鎖相環(huán)頻率綜合器的結(jié)構(gòu)示意圖。鎖相環(huán)頻率綜合器由兩個(gè)回路構(gòu)成，即粗調(diào)諧回路和精調(diào)諧回路。粗調(diào)諧回路由粗調(diào)諧鑒相鑒頻器、第一電荷泵1、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器依次連接而成。精調(diào)諧回路由觸發(fā)器、精調(diào)諧鑒相鑒頻器、異或門、選擇器、第二電荷泵2、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器依次連接而成。壓控振蕩器和環(huán)路濾波器為兩個(gè)環(huán)路共有。粗調(diào)諧回路用于實(shí)現(xiàn)頻率鎖定；精調(diào)諧回路用于實(shí)現(xiàn)相位鎖定。當(dāng)上電復(fù)位或者分頻比改變時(shí)，粗調(diào)諧回路和精調(diào)諧回路同時(shí)啟動(dòng)，粗調(diào)諧回路起主要作用，當(dāng)環(huán)路接近相位鎖定時(shí)，粗調(diào)諧回路關(guān)斷，僅僅精調(diào)諧回路工作。觸發(fā)器將參考信號同步到壓控振蕩器的輸出。精調(diào)諧鑒相鑒頻器不是用來鑒別參考信號和反饋信號的相差，而是用來鑒別參考信號和被壓控振蕩器同步過的參考信號之間的相差。當(dāng)參考信號領(lǐng)先反饋信號時(shí)，精調(diào)諧鑒相鑒頻器的輸出為實(shí)際的相差；當(dāng)參考信號滯后反饋信號時(shí)，精調(diào)諧鑒相鑒頻器的輸出不是實(shí)際的相差，該輸出需要同參考信號異或后輸出才是實(shí)際的相差信號。選擇器的目的是根據(jù)符號位來選擇輸出，符號位為高時(shí)，輸出精調(diào)諧鑒相鑒頻器的輸出，當(dāng)符號位為低時(shí)，輸出為異或門的輸出。圖3(a)為粗調(diào)諧鑒相鑒頻器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。由傳統(tǒng)的鑒相鑒頻器和附加電路構(gòu)成，所有電路都工作在低頻頻段。輸出信號狀態(tài)由輸入信號上升邊沿決定。當(dāng)參考信號fref領(lǐng)先反饋信號fdiv時(shí)，輸出up為高，將被緊接著的反饋信號fdiv的上升沿復(fù)位。 當(dāng)信號fdiv領(lǐng)先參考信號fref時(shí)，輸出信號dn置高，將被緊接著的fref信號的上升沿復(fù)位。當(dāng)參考信號fref領(lǐng)先fdiv信號時(shí)，符號位為高電平，當(dāng)參考信號fref滯后fdiv時(shí)， 符號位為低電平。延時(shí)電路用于產(chǎn)生一定脈寬的信號，該信號決定了死區(qū)的寬度。粗調(diào)諧鑒相鑒頻器時(shí)序圖如圖3(b)和圖3(c)所示，此時(shí)，假設(shè)fref，fdiv信號的相差為Δ t，fref信號領(lǐng)先fdiv信號，設(shè)延時(shí)產(chǎn)生td寬度的信號。當(dāng)fref信號和fdiv 信號的相差小于由延時(shí)電路定義的延時(shí)寬度td時(shí)，粗調(diào)諧鑒相鑒頻器的輸出up，dn為低電平，整個(gè)粗調(diào)諧回路被關(guān)斷，對整個(gè)鎖相環(huán)路的穩(wěn)態(tài)性能影響可以忽略。當(dāng)fref信號和 fdiv信號的相差Δ t大于延時(shí)電路產(chǎn)生的延時(shí)寬度td時(shí)，鑒相鑒頻器的輸出up或dn輸出信號的寬度為fref信號和fdiv信號之間的實(shí)際相差。在up或者dn信號輸出置高的期間，將打開后續(xù)的電荷泵給環(huán)路濾波器充放電，達(dá)到控制壓控振蕩器輸出頻率的目的。死區(qū)的大小必須大于環(huán)路鎖定時(shí)靜態(tài)相差(這是由于電荷泵電流失配，電流泄露和鑒相鑒頻器輸出延時(shí)差異所導(dǎo)致)。如果死區(qū)的寬度小于靜態(tài)相差，這使得即使環(huán)路鎖定時(shí)，粗調(diào)諧回路也沒有有效關(guān)斷，這將干擾精調(diào)諧回路工作。死區(qū)的大小不能超過粗調(diào)諧回路能處理的頻差。參考頻率和壓控振蕩器輸出的頻差是受限于精調(diào)諧鑒相鑒頻器，過大的死區(qū)使得精調(diào)諧回路無法正常工作。圖4為第一電荷泵電路結(jié)構(gòu)示意圖，它提供充電或放電電流到具有低通特性的環(huán)路濾波器，可以被簡單地描述為一個(gè)開關(guān)切換的電流源。輸入為相差、選擇器輸出和符號位。引入相差作為輸入信號主要的考慮在接近鎖定的時(shí)候，觸發(fā)器不能正確處理壓控振蕩器輸出和參考信號之間的時(shí)序關(guān)系。相差信號作為控制信號，當(dāng)相差信號為高電平時(shí)，選擇器輸出和符號位通過組合電路形成up和dn信號。相差信號高低電平變換的邊沿，up和dn信號被有效地關(guān)斷，因而由分頻器引入的噪聲在精調(diào)諧回路基本不起作用，這使得精調(diào)諧回路能有效地提高帶內(nèi)相位噪聲性能。當(dāng)相差為高電平時(shí)，選擇器輸出和符號位起作用，當(dāng)相差為低電平時(shí)，選擇器輸出和符號位輸出被關(guān)斷。當(dāng)符號位為高電平時(shí)，up開關(guān)起主要作用，當(dāng)符號位為低電平時(shí)，dn開關(guān)起主要作用。當(dāng)up信號為低時(shí)，Iup向環(huán)路濾波器充電， 導(dǎo)致壓控振蕩器的控制電壓升高；當(dāng)dn信號為高，環(huán)路濾波器通過Idn放電，導(dǎo)致壓控振蕩器的控制電壓下降。電荷泵的電流跟環(huán)路帶寬有直接關(guān)系，為了使得靜態(tài)時(shí)環(huán)路帶寬和動(dòng)態(tài)時(shí)環(huán)路帶寬保持合理的關(guān)系，電荷泵的電流選擇需要合理選擇。圖5為鎖相環(huán)頻率綜合器的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，參考頻率為2. 046MHz，壓控振蕩器輸出頻率范圍為2. 44GHz-2. 67GHz，分頻比為1255，第一電荷泵1電流為1mA，第二電荷泵2電流為luA，粗鑒相鑒頻器的死區(qū)范圍為1.5ns。仿真表明，當(dāng)粗調(diào)諧回路關(guān)斷時(shí)，精調(diào)諧回路起主要作用，因?yàn)榈诙姾杀?電流較小，在較長的時(shí)間內(nèi)，壓控振蕩器的控制電壓開始趨向穩(wěn)定，這說明精調(diào)諧回路能實(shí)現(xiàn)相位鎖定。當(dāng)上電復(fù)位或者分頻比改變時(shí)，粗調(diào)諧回路和精調(diào)諧回路同時(shí)工作，起主要作用的是粗調(diào)諧回路，當(dāng)接近鎖定時(shí)，粗調(diào)諧回路的粗調(diào)諧鑒相鑒頻器自動(dòng)關(guān)斷，粗調(diào)諧回路也相應(yīng)關(guān)斷。此時(shí)參考信號fref和反饋信號fdiv實(shí)現(xiàn)了同頻率，但沒有實(shí)現(xiàn)同相位，相差的大小跟粗調(diào)諧鑒相鑒頻器的延時(shí)電路有關(guān)。此時(shí)僅僅精調(diào)諧回路工作，第二電荷泵2的電流遠(yuǎn)小于第一電荷泵1的電流，避免精調(diào)諧回路環(huán)路帶寬過寬。精調(diào)諧回路沒有分頻器，因而環(huán)路帶寬是粗調(diào)諧回路環(huán)路帶寬的N倍，N是分頻器的分頻比。為了縮小精調(diào)諧回路帶寬，需要減小采樣電荷泵的電流，避免兩個(gè)環(huán)路的環(huán)路帶寬差距過大。本發(fā)明優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鎖相環(huán)頻率綜合器，因?yàn)樵阪i定狀態(tài)時(shí)，粗調(diào)諧回路輸出被有效關(guān)斷，僅僅精調(diào)諧回路工作。精調(diào)諧回路不包括反饋路徑上的分頻器，這意味著少了一個(gè)帶內(nèi)相位噪聲源。由分頻器引起的相位噪聲得到有效消除，因而能提高系統(tǒng)的帶內(nèi)相位噪聲。另外，本發(fā)明引入的精調(diào)諧回路除觸發(fā)器外，都工作在低頻段，沒有增加很多的附加功耗。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，其特征在于，該鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)由粗調(diào)諧回路和精調(diào)諧回路兩個(gè)環(huán)路構(gòu)成，其中，該粗調(diào)諧回路用來選擇不同的頻率控制字，實(shí)現(xiàn)環(huán)路的頻率鎖定，該精調(diào)諧回路用來實(shí)現(xiàn)環(huán)路的相位鎖定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述粗調(diào)諧回路由粗調(diào)諧鑒相鑒頻器、第一電荷泵(1)、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器依次連接而成，精調(diào)諧回路由觸發(fā)器、精調(diào)諧鑒相鑒頻器、異或門、選擇器、第二電荷泵( 、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器依次連接而成，其中壓控振蕩器和環(huán)路濾波器為兩個(gè)環(huán)路所共有。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述精調(diào)諧鑒相鑒頻器用來比較參考頻率和經(jīng)過壓控振蕩器同步后的參考頻率之間的相差。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，其特征在于，當(dāng)參考信號超前反饋信號時(shí)，選擇器輸出精調(diào)諧鑒相鑒頻器的輸出信號，當(dāng)參考信號滯后反饋信號時(shí)，選擇器輸出精調(diào)諧鑒相鑒頻器輸出與參考信號異或后的信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述觸發(fā)器的時(shí)鐘信號為壓控振蕩器的輸出，而觸發(fā)信號為參考信號，觸發(fā)器將參考信號同步到壓控振蕩器的輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二電荷泵O)的輸入信號為選擇器的輸出，粗鑒相鑒頻器輸出的相差和符號位，當(dāng)相差信號為高電平時(shí)，選擇器的輸出和符號位通過邏輯電路形成第二電荷泵⑵ 的輸入，當(dāng)相差信號為低電平時(shí)，第二電荷泵⑵的輸入為低電平。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，其特征在于，在環(huán)路的相位被鎖定時(shí)，粗調(diào)諧回路被關(guān)斷，僅精調(diào)諧回路工作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，其特征在于，當(dāng)相差大于粗調(diào)諧鑒相鑒頻器的死區(qū)大小時(shí)，兩個(gè)環(huán)路同時(shí)工作，注入到環(huán)路濾波器的電流為兩個(gè)電荷泵電流之和；當(dāng)相差小于粗調(diào)諧鑒相鑒頻器的死區(qū)大小時(shí)，粗調(diào)諧回路自動(dòng)關(guān)斷，僅精調(diào)諧回路工作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，其特征在于，在頻率切換時(shí)，粗調(diào)諧回路和精調(diào)諧回路同時(shí)工作，當(dāng)接近鎖定時(shí)，粗調(diào)諧回路自動(dòng)關(guān)斷，僅精調(diào)諧回路工作，粗調(diào)諧回路的關(guān)斷是自動(dòng)平滑進(jìn)行的；在鎖定狀態(tài)時(shí)，粗調(diào)諧回路對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能沒有影響。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于提高帶內(nèi)相位噪聲性能的鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)，該鎖相環(huán)頻率綜合器結(jié)構(gòu)由粗調(diào)諧回路和精調(diào)諧回路兩個(gè)環(huán)路構(gòu)成，其中，該粗調(diào)諧回路用來選擇不同的頻率控制字，實(shí)現(xiàn)環(huán)路的頻率鎖定，該精調(diào)諧回路用來實(shí)現(xiàn)環(huán)路的相位鎖定。在鎖定狀態(tài)時(shí)，粗調(diào)諧回路被關(guān)斷，僅僅精調(diào)諧回路工作。利用本發(fā)明，解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶內(nèi)相位噪聲受限于分頻器的問題，通過引入精調(diào)諧回路，在鎖定狀態(tài)時(shí)有效減少了分頻器的噪聲，提高了鎖相環(huán)頻率綜合器的帶內(nèi)相位噪聲性能。
文檔編號H03L7/18GK102263554SQ20101019119
公開日2011年11月30日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者劉磊, 張海英, 李東岳, 王小松, 黃水龍 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所