本實(shí)用新型涉及通信設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及一種鎖相環(huán)(PLL)的低通濾波電路和一種采用該低通濾波電路的鎖相環(huán)。

背景技術(shù)：

鎖相環(huán)作為一種反饋控制電路，廣泛應(yīng)用于廣播通信、自動(dòng)控制和頻率合成等領(lǐng)域。鎖相環(huán)通常是由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器組成。其中，環(huán)路濾波器多具有低通性質(zhì)，可以將鑒相器輸出信號中的噪聲和干擾成分濾除，并形成壓控振蕩器的控制電壓。

在傳統(tǒng)的鎖相環(huán)中，環(huán)路濾波器所形成的環(huán)路濾波電路多為低通濾波電路，以圖1所示的鎖相環(huán)為例，該鎖相環(huán)包括鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、低通濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)以及環(huán)路分頻器(DIV)，其中，鑒頻鑒相器通過比較輸入?yún)⒖碱l率Fref與反饋時(shí)鐘頻率Fbck的頻率差、相位差信號后，會(huì)輸出脈沖信號UP、DN，該脈沖信號UP、DN可以控制電荷泵的開關(guān)；而電荷泵會(huì)將鑒頻鑒相器輸出的頻率差、相位差信號轉(zhuǎn)換為電流Icp，該電流Icp經(jīng)低通濾波器積分轉(zhuǎn)換為壓控振蕩器的控制電壓Vc，進(jìn)而控制壓控振蕩器的輸出頻率Fout；之后，環(huán)路分頻器將壓控振蕩器的輸出頻率Fout分頻后會(huì)將反饋時(shí)鐘頻率Fbck反饋回鑒頻鑒相器進(jìn)行頻率、相位比較。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí)，輸入?yún)⒖碱l率Fref與反饋時(shí)鐘頻率Fbck的頻率差、相位差為零，而壓控振蕩器的控制電壓Vc不再變化，進(jìn)而使輸出頻率Fout保持穩(wěn)定。

為了保證上述鎖相環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常會(huì)通過增大低通濾波器的電容以使鎖相環(huán)的性能滿足要求。而在當(dāng)前的CMOS工藝下，單位面積的電容往往很小，增大低通濾波器的電容會(huì)導(dǎo)致低通濾波電路中低通濾波器的總電容面積變大，從而提高了芯片設(shè)計(jì)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要提供一種鎖相環(huán)的低通濾波電路，可以降低低通濾波電路中低通濾波器的總電容面積。

一種鎖相環(huán)的低通濾波電路，包括：第一電荷泵、第二電荷泵和低通濾波器；所述低通濾波器包括：串聯(lián)電阻和串聯(lián)電容；

所述串聯(lián)電阻的一端分別與所述低通濾波器的輸入端、所述低通濾波器的輸出端連接，所述串聯(lián)電阻的另一端與所述串聯(lián)電容的一端連接；所述第一電荷泵的輸出端與所述低通濾波器的輸入端連接，所述第二電荷泵的輸出端與所述串聯(lián)電阻的另一端連接；所述低通濾波器的輸出端與壓控振蕩器的輸入端連接；所述第一電荷泵的輸入端和所述第二電荷泵的輸入端均與鑒相器的輸出端連接；

所述第一電荷泵用于對低通濾波器充電，所述第二電荷泵用于對所述低通濾波器放電；所述第一電荷泵對所述低通濾波器的充電電流大于所述第二電荷泵對所述低通濾波器的放電電流。

上述鎖相環(huán)的低通濾波電路，采用第一電荷泵對低通濾波器充電，采用第二電荷泵對低通濾波器放電，并使第一電荷泵對低通濾波器的充電電流大于第二電荷泵對低通濾波器的放電電流，如此，在低通濾波器中會(huì)增加一電流，該電流可以降低低通濾波器的總電容，從而降低通濾波器的總電容面積，并降低芯片設(shè)計(jì)成本。

本實(shí)用新型還提供了一種鎖相環(huán)，包括：鑒相器、所述低通濾波電路、壓控振蕩器以及分頻器；

所述鑒相器通過所述低通濾波器與所述壓控振蕩器連接；所述壓控振蕩器通過所述分頻器與所述鑒相器連接。

上述鎖相環(huán)的低通濾波電路總電容小，對應(yīng)的低通濾波電路中的總電容面積會(huì)降低，從而降低鎖相環(huán)的芯片設(shè)計(jì)成本。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)鎖相環(huán)的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為鎖相環(huán)的低通濾波電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為一個(gè)實(shí)施例中鎖相環(huán)的低通濾波電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為低通濾波電路結(jié)構(gòu)的幅頻和相頻曲線。

具體實(shí)施方式

為更進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型所采取的技術(shù)手段及取得的效果，下面結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案，進(jìn)行清楚和完整的描述。

參見圖1和圖3，本實(shí)施例中鎖相環(huán)的低通濾波電路包括第一電荷泵100、第二電荷泵200和低通濾波器；所述低通濾波器包括串聯(lián)電阻R001和串聯(lián)電容C001；該串聯(lián)電阻R001的一端分別與低通濾波器的輸入端及低通濾波器的輸出端連接，串聯(lián)電阻R001的另一端與串聯(lián)電容C001的一端連接；第一電荷泵100的輸出端與低通濾波器的輸入端連接，第二電荷泵200的輸出端與串聯(lián)電阻R001的另一端連接；低通濾波器的輸出端與壓控振蕩器的輸入端連接；第一電荷泵100的輸入端和第二電荷泵200的輸入端均與鑒相器的輸出端連接；低通濾波電路中的第一電荷泵100用于對低通濾波器充電，第二電荷泵200用于對低通濾波器放電，并且第一電荷泵100對低通濾波器的充電電流大于第二電荷泵200對低通濾波器的放電電流，因此可保證有微弱電流流入低通濾波器，該電流可以降低低通濾波器的總電容，從而降低低通濾波器的總電容面積，并降低芯片設(shè)計(jì)成本。

在一個(gè)實(shí)施例中，流入低通濾波器的電流與第一電荷泵100對低通濾波器的充電電流的比值為1/β，其中，β為所述串聯(lián)電容C001的電容倍增因子。流入低通濾波器的電流等于第一電荷泵100對低通濾波器的充電電流與第二電荷泵200對低通濾波器的放電電流之間的差值。

在一個(gè)實(shí)施例中，低通濾波器還包括并聯(lián)電容C003，該并聯(lián)電容C003的一端與串聯(lián)電阻R001的一端連接，并聯(lián)電容C003的另一端與串聯(lián)電容C001的另一端連接。當(dāng)然，也可以根據(jù)實(shí)際需要，在低通濾波器中設(shè)定多個(gè)并聯(lián)電容。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一電荷泵100包括第一上電流源支路與第一下電流源支路，第二電荷泵200包括第二上電流源支路與第二下電流源支路；第一上電流源支路與第一下電流源支路串聯(lián)，第二上電流源支路與第二下電流源支路串聯(lián)，第一電荷泵100的輸出端連接于第一上電流源支路與第一下電流源支路之間，第二電荷泵200的輸出端連接于第二上電流源支路與第二下電流源支路之間；而第一上電流源支路與第二下電流源支路接收鑒相器的第一控制信號(即脈沖信號UP)，第一下電流源支路與第二上電流源支路接收鑒相器的第二控制信號(即脈沖信號DN)。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一上電流源支路包括第一電流源(即電流源1)與第一開關(guān)S1，第一下電流源支路包括第二電流源(即電流漏1)與第二開關(guān)S2；其中，第一電流源通過第一開關(guān)S1與第一電荷泵100的輸出端連接，第二電流源通過第二開關(guān)S2與第一電荷泵100的輸出端連接。

在一個(gè)實(shí)施例中，第二上電流源支路包括第三電流源(即電流源2)與第三開關(guān)S3，第二下電流源支路包括第四電流源(即電流漏2)與第四開關(guān)S003；其中，第三電流源通過第三開關(guān)S3與第二電荷泵200的輸出端連接，第四電流源通過第四開關(guān)S4與第二電荷泵200的輸出端連接。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一電流源、第二電流源、第三電流源以及第四電流源均為恒流源。

在一個(gè)實(shí)施例中，鑒相器的第一控制信號與鑒相器的第二控制信號具有互補(bǔ)關(guān)系。

此外，本實(shí)施例中還包括采用上述各實(shí)施例中的低通濾波電路的鎖相環(huán)，該鎖相環(huán)包括鑒相器、低通濾波電路、壓控振蕩器以及分頻器；其中，鑒相器通過低通濾波器與壓控振蕩器連接；壓控振蕩器通過分頻器與鑒相器連接。

在一個(gè)實(shí)施例中，鑒相器可以為鑒頻鑒相器，當(dāng)然也可以是其他類型的鑒相器。

以上就是本實(shí)用新型中鎖相環(huán)的低通濾波電路和鎖相環(huán)電路的實(shí)施例，為了更加凸顯上述低通濾波電路在減小電容面積，降低芯片設(shè)計(jì)成本方面的優(yōu)異性，下面對上述低通濾波電路在實(shí)際應(yīng)用中的一些示例進(jìn)行闡述。

在圖3所示的低通濾波電路中，第一電荷泵100對低通濾波器的充電電流為I_cp'，而第二電荷泵200對低通濾波器的放電電流為其中β為串聯(lián)電容C001的電容倍增因子，且滿足1＜β＜b+1。因此，實(shí)際流入低通濾波器的電流為

為了便于對本實(shí)施例中的低通濾波電路原理進(jìn)行說明，將圖2所示的電路作為參考電路進(jìn)行比較。在圖2所示的低通濾波電路中，I_cp為從電荷泵流入低通濾波器的電流，那么低通濾波器的輸出阻抗，即傳輸函數(shù)H(s)可表示為式(1)：

其中，R_s為低通濾波器的串聯(lián)電阻R002的阻值，C_s為低通濾波器的串聯(lián)電容C002的電容值，C_p為低通濾波器的并聯(lián)電容C004的電容值，s為拉普拉斯變化符號。V_c為壓控振蕩器的控制電壓，I_cp為流入低通濾波器的電流。

對應(yīng)的，傳輸函數(shù)H(s)的零點(diǎn)為非零點(diǎn)為

在含有圖2所示低通濾波電路的鎖相環(huán)系統(tǒng)中，如圖1所示，鎖相環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性通常由電容C_s和C_p的比值確定，記為電容比b，即對此電路進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)電容比b的取值在10～14時(shí)，對應(yīng)鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位裕度為55°～60°。即，為了保證鎖相環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要使串聯(lián)電容C002的電容值C_s遠(yuǎn)大于并聯(lián)電容C004的電容值C_p。而且，當(dāng)鎖相環(huán)系統(tǒng)對環(huán)路帶寬要求較小時(shí)，圖2所示的低通濾波電路中串聯(lián)電容C002的電容值C_s將會(huì)很大。

在本實(shí)施例中低通濾波電路中，如圖3所示，依然保持壓控振蕩器的控制電壓值V_c不變，而實(shí)際流入低通濾波器的電流為相應(yīng)的，低通濾波器的輸出阻抗將會(huì)增大β倍。并且，為了增強(qiáng)對比性，本實(shí)施例中的低通濾波電路與圖2所示的低通濾波電路還具有相同的幅頻、相頻特性效果，如圖4所示。因此，圖3所示電路中低通濾波器的元器件與圖2所示電路中低通濾波器的元器件均具有特定關(guān)系。而圖3所示低通濾波電路的輸出阻抗，即傳輸函數(shù)H(s)'為：

其中，R₁為低通濾波器的串聯(lián)電阻R001的阻值，C₁為低通濾波器的串聯(lián)電容C001的電容值，C₀為低通濾波器的并聯(lián)電容C003的電容值，s為拉普拉斯變化符號，V_c為壓控振蕩器的控制電壓，I_cp'為流入低通濾波器的電流。

對應(yīng)的，傳輸函數(shù)H(s)'的零點(diǎn)為非零極點(diǎn)為

下面設(shè)定I_cp'與I_cp的關(guān)系為I_cp'＝mβI_cp，其中，m為I_cp'的電流系數(shù)，且大于0。重新給出圖3所示低通濾波電路的傳輸函數(shù)為：

當(dāng)式(1)、式(3)具有相同的幅頻特性時(shí)有：

因而，應(yīng)具有如下關(guān)系式：

在集成電路版圖設(shè)計(jì)中，電阻面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電容面積，因此，本實(shí)用新型取電阻R_s＝R₁。結(jié)合電容比b，可得到圖3所示電路的器件參數(shù)與圖2所示低通濾波電路結(jié)構(gòu)中低通濾波器的各器件參數(shù)的關(guān)系滿足下式：

C₀＝mβC_p(7)

由于mβ大于0，結(jié)合式(8)可得到1＜β＜b+1。同時(shí)滿足：

在鎖相環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常取電容比b為10～14時(shí)，對應(yīng)鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位裕度為55°～60°，就可以保證鎖相環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，在圖2所示的低通濾波電路中串聯(lián)電容C002的電容值遠(yuǎn)大于并聯(lián)電容C004的電容值，而在圖3所示的低通濾波電路中串聯(lián)電容C001的電容值遠(yuǎn)大于并聯(lián)電容C003的電容值；相應(yīng)的，串聯(lián)電容C002的面積遠(yuǎn)大于并聯(lián)電容C004的面積，而串聯(lián)電容C001的面積遠(yuǎn)大于并聯(lián)電容C003面積，因此，在圖2所示的低通濾波電路中，串聯(lián)電容C002的面積將會(huì)對低通濾波器的總電容面積有很大影響，而在圖3所示的低通濾波電路中，串聯(lián)電容C001的面積將會(huì)對低通濾波器的總電容面積有很大影響。

在本實(shí)施例的低通濾波電路中，即圖3所示的低通濾波電路，由式(6)～(8)可知在該低環(huán)路帶寬的鎖相環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在保證串聯(lián)電阻R001阻值不變的情況下，由于有微弱電流流入低通濾波器，因而可使本實(shí)施例的低通濾波電路中的串聯(lián)電容C001的電容值遠(yuǎn)小圖2所示低通濾波電路中的串聯(lián)電容C002的電容值，相應(yīng)的，采用CMOS工藝制作出的串聯(lián)電容C001的面積將遠(yuǎn)小于串聯(lián)電容C002的面積，因而極大地降低了本實(shí)施例中低通濾波器的總電容面積，從而整體上降低芯片設(shè)計(jì)成本。

與此同時(shí)，由式(8)～(10)也可得到圖3所示低通濾波電路的零、極點(diǎn)與圖2所示低通濾波電路的零、極點(diǎn)也完全相同。

進(jìn)一步的，通過具體試驗(yàn)對上述示例進(jìn)行驗(yàn)證：

以鎖相環(huán)系統(tǒng)的輸入?yún)⒖碱l率Fref為32kHz為例，設(shè)計(jì)環(huán)路帶寬為2kHz，電荷泵電流為1uA，V_c增益為430MHz/V時(shí)。按照傳統(tǒng)低通濾波電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示，取電容比b為14，則串聯(lián)電阻R002的阻值為520KΩ，串聯(lián)電容C002的大小為532pF，并聯(lián)電容C004的大小為38pF，該低通濾波電路總電容的大小為570pF。為實(shí)現(xiàn)與圖2所示低通濾波電路相同的幅頻、相頻特性，采用圖3所示的低通濾波電路結(jié)構(gòu)，取電容倍增因子β為8。由式(6)～(8)得到串聯(lián)電阻R001的阻值為520KΩ，串聯(lián)電容C001的大小為66.5pF，并聯(lián)電容C003的大小為76pF，第一電荷泵100充電電流為2uA，第二電荷泵200放電電流為1.75uA，該低通濾波電路總電容的大小為142.5pF。經(jīng)過計(jì)算驗(yàn)證，采用圖3所示的低通濾波電路與圖2所示的低通濾波電路具有相同的傳輸函數(shù)。因此，圖3所示的低通濾波電路總電容的大小與圖2所示低通濾波電路的總電容減小了427.5pF，圖3所示低通濾波電路中低通濾波器的總電容面積相較圖2所示低通濾波器電路中低通濾波器的總電容面積減小了75％，因此，圖3所示的低通濾波電路可以大大降低晶圓面積成本，從而降低芯片設(shè)計(jì)成本。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本實(shí)用新型的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對實(shí)用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。因此，本實(shí)用新型專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。