含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路的製作方法

2023-08-03 15:05:21

專利名稱：含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及頻率或相位的自動控制和同步，特別是涉及構成鎖相環的各功能單元，尤其涉及用於電荷泵型鎖相環電路的雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路。
技術背景電荷泵型鎖相環(Phase Locked Loop)作為鎖相環的最重要結構已廣泛應用於數 字通信系統、無線通信系統、數字電路系統和磁碟驅動系統等領域。電荷泵型鎖相環結構如 圖3所示，是一個由鑑相鑑頻器101、電荷泵102、環路濾波器103、壓控振蕩器104和分頻 器105組成的反饋系統。所述電荷泵型鎖相環採用外置晶振提供參考信號，片上壓控振蕩 器104產生輸出信號，分頻器105實現將壓控振蕩器104的輸出信號進行N分頻，鑑相鑑頻 器101將輸入參考信號和分頻器105的輸出信號(即反饋信號)進行相位比較，其輸出通 過電荷泵102並經環路濾波器103濾波後調節壓控振蕩器104的振蕩頻率Fv。。，使其最終鎖 定在NXF&上，其中N為分頻器105的分頻數，Fref為參考信號頻率。鑑相鑑頻器和電荷泵作為電荷泵型鎖相環的關鍵組成部分，其存在的最大問題是 當參考信號和反饋信號的相位差很小時，鑑相鑑頻器產生的UP和DN信號脈衝太窄而沒有 足夠的時間來打開電荷泵開關，使得電荷泵沒有電流輸出，環路開環增益降為零，從而導致 鎖相環輸出相位無法鎖定、延長環路鎖定時間或者導致鎖相環鎖定時的相位噪聲性能變 壞。通常這個不能鑑別的相位差區域稱為死區。為解決上述問題，研究者提出了多種消除死區的方法，Michae 1 Henderson Perrott在文獻"Techniques for High Data Rate Modulation and Low Power Operation ofFractional-N Frequency Synthesizer」中提出其中一種解決方法，對參考信號和反饋 信號分別進行二分頻，之後再用異或門進行鑑相消除死區，但是這種方法導致在二分之一 的參考頻率頻偏處存在較大雜散分量，所要求環路濾波器的帶寬更窄，最終影響到鎖相環 的穩定時間和相位噪聲性能。另一種常用的方法是，在鑑相鑑頻器的復位路徑上加入延遲單元(延遲時間 為δ )，如圖4所示，這使得在環路鎖定時UP和DN信號的脈衝足夠寬以開啟電荷泵開 關。因此，當相位差變化一個極小的量時，電荷泵總能產生成比例變化的淨輸出電流，死 區得以消除。但是，此方法也帶來了諸多問題①Mehmet Soyuer等人在文獻「Frequency Limitations of a Conventional Phase-Frequency Detector，，提出，為了保證鑑相鑑頻 器的工作速度，復位延遲時間需滿足S < 1/(2\&^,_)，其中4^,_是鑑相鑑頻器的最大 工作速度。在一些應用中，比如乙太網通信，鑑相頻率為幾百MHz或更高，所以復位延遲時 間的選取存在著一定的約束；②復位延遲的存在使得環路在鎖定時充放電電流仍能同時導 通，由於充放電電流間的失配會造成同時導通期間電荷泵輸出的淨電流不為零。根據John Rogers等人在文獻Integrated Circuit Design for High-Speed FrequencySynthesis
所提，參考雜散淨formula see original document page 4其中ICP、ΔΙ分別為電荷泵充放電電
流和失配電流，Kvco為壓控振蕩器增益，C2為環路濾波器電容。因此，為了減小參考雜散，復 位延遲時間δ應儘量小。③復位延遲單元在不同的電源電壓、溫度和工藝條件下，其延遲 時間變化較大。
鑑於以上背景，為了消除電荷泵型鎖相環的死區問題，本發明提出一種無死區的鑑相鑑頻器及電荷泵電路，其復位信號根據復位電路中倆比較器是否檢測到電荷泵中充放 電電流源上的壓降而產生，形成復位延遲的閉環控制，克服了上述電源電壓、工藝和溫度變 化的影響。其復位時間能夠取得足夠小，提高了鑑相鑑頻器的工作速度和鎖相環的雜散性 能。現有技術存在以下不足1、採用分頻的方法導致在二分之一的參考頻率頻偏處存在較大雜散分量，所要求 環路濾波器的帶寬更窄，最終影響到鎖相環的穩定時間和相位噪聲性能；2、在鑑相鑑頻器的復位路徑上加入延遲單元的方法，由於復位延遲的存在使得環 路在鎖定時充放電電流仍能同時導通，由於充放電電流間的失配會造成同時導通期間電荷泵輸出的淨電流不為零；復位延遲單元在不同的電源電壓、溫度和工藝條件下，其延遲時間變化較大。發明內容本發明要解決的技術問題在於避免上述現有技術的不足之處而提出一 種含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路。本發明解決所述技術問題可以通過採用以下技術方案來實現提出一種用於電 荷泵型鎖相環的電路，包括鑑相鑑頻器和電荷泵，還包括復位電路，所述鑑相鑑頻器用於接 收電荷泵型鎖相環的參考信號和反饋信號，並基於所述的參考信號和反饋信號分別產生 UP(UP)和DN(Down)信號；UP信號經反相後與DN信號一起被送至電荷泵處理，產生指示 參考信號與時鐘信號之間相位差的電流輸出信號，即電荷泵型鎖相環下一級電路所需的信 號；所述復位電路接收從電荷泵第一和第二電流源上採樣到的電壓降信號，並最終產生鑑 相鑑頻器復位所需的復位信號，該復位信號輸入鑑相鑑頻器時能使鑑相鑑頻器復位。所述鑑相鑑頻器為三態鑑相鑑頻器結構，包括第一 D觸發器、第二 D觸發器和反相 器；所述第一 D觸發器用於接收參考信號、產生UP信號以及接收復位信號以便對UP信號進 行重置；所述第二 D觸發器用於接收反饋信號、產生DN信號以及接收復位信號對DN信號進 行重置；所述反相器對第一 D觸發器產生的UP信號進行反相，然後送至電荷泵處理。所述第一 D觸發器和第二 D觸發器為邊沿觸發的、帶復位的D觸發器。所述鑑相鑑頻器的第一 D觸發器和第二 D觸發器的D輸入端接邏輯高電平；第一 D觸發器的時鐘輸入端接參考信號，輸出端產生UP信號；第二 D觸發器的時鐘輸入端接反 饋信號，輸出端產生DN信號。所述電荷泵包括串聯耦合在電源和電路地之間的第一電流源、第二電流源、第一 開關Sl和第二開關S2 ；所述第一電流源用於提供充電電流；所述第二電流源用於洩導放電 電流。所述反相器對第一 D觸發器產生的UP信號進行反相，然後送至電荷泵的第一開關 Si。所述第一開關Sl接收UP信號的反相信號，當UP為邏輯高時，將電流源(3021)的 充電電流耦合到電荷泵的電流輸出端信號Iout ；第二開關S2接收DN信號，當DN為邏輯高時，將電流源的放電電流耦合到電荷泵的電流輸出端信號lout。所述復位電路包括比較器、比較器和與門，所述比較器檢測第一電流源上的電壓降，比較器檢測第二電流源上的電壓降；當UP為邏輯低時，開關Sl斷開，充電電流源上的電 壓降為零，比較器輸出邏輯低電平；當UP為邏輯高時，開關Sl接通，電流源上有正向電壓 降，比較器輸出邏輯高電平；當DN為邏輯低時，開關S2斷開，放電電流源上有正向電壓降， 比較器輸出邏輯低電平；當DN為邏輯高時，開關S2接通，電流源上的電壓降為非零，比較器 輸出邏輯高電平；當比較器和比較器的輸出均為邏輯高時，其經由與門實現「與」邏輯運算， 使得復位信號由邏輯低變為邏輯高，從而使該復位信號輸入至鑑相鑑頻器後使鑑相鑑頻器 復位。所述復位信號為邏輯高時，鑑相鑑頻器接收到復位信號後重置UP和DN信號，即使 UP和DN均為邏輯高，且指示其邏輯高電平的維持時間足以使電荷泵開關開啟。UP信號由邏輯低變為邏輯高時，指示參考信號由邏輯低變為邏輯高；DN信號由邏 輯低變為邏輯高時，指示反饋信號由邏輯低變為邏輯高。同現有技術相比較，本發明所述技術方案的有益效果在於1、本發明所述電路沒有復位延遲單元，復位信號根據復位電路中的兩個比較器是 否同時檢測到電荷泵中充放電電流源上的電壓降而產生，形成復位延遲時間的閉環控制， 在各種電源電壓、溫度和工藝變化條件下，其復位延遲時間能夠足夠小、且保證在環路鎖定 條件下電荷泵開關總能開啟，可實現鑑相鑑頻器的高速工作和鎖相環良好的雜散性能；2、本發明所述用於電荷泵型鎖相環的電路復位延遲時間小、無死區。


圖1為本發明含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路優選實施例 的原理電路圖；圖2為所述電路的時序圖；圖3為現有技術電荷泵型鎖相環結構框圖；圖4為現有技術帶延遲單元的鑑相鑑頻器及電荷泵原理電路圖；圖5(a)為現有技術鑑相鑑頻器及電荷泵結構的時域仿真波形圖；圖5(b)為本發明實施例的時域仿真波形圖。
具體實施方式
以下結合各附圖所示之優選實施例作進一步詳述。本發明之一種用於電荷泵型鎖相環的電路，如圖1所示，包括鑑相鑑頻器301和電 荷泵302，尤其是還包括復位電路303，所述鑑相鑑頻器301用於接收電荷泵型鎖相環的參 考信號和反饋信號，並基於所述的參考信號和反饋信號分別產生UP和DN(Down)信號；UP 信號經反相後與DN信號一起被送至電荷泵302處理，產生指示參考信號與時鐘信號之間相 位差的電流輸出信號，即電荷泵型鎖相環下一級電路所需的信號；所述復位電路303接收 從電荷泵302第一電流源3021和第二電流源3022上採樣到的電壓降信號，並最終產生鑑 相鑑頻器301復位所需的復位信號，該復位信號輸入鑑相鑑頻器301時能使鑑相鑑頻器301 復位。所述鑑相鑑頻器301為三態鑑相鑑頻器結構，包括第一 D觸發器3011、第二 D觸發 器3012和反相器3013 ；所述第一 D觸發器3011用於接收參考信號、產生UP信號以及接收復位信號以便對UP信號進行重置；所述第二 D觸發器3012用於接收反饋信號、產生DN信 號以及接收復位信號對DN信號進行重置；所述反相器3013對第一 D觸發器3011產生的UP 信號進行反相，然後送至電荷泵302處理。所述第一 D觸發器3011和第二 D觸發器3012為邊沿觸發的、帶復位的D觸發器。所述鑑相鑑頻器301的第一 D觸發器3011和第二 D觸發器3012的D輸入端接邏 輯高電平；第一 D觸發器3011的時鐘輸入端接參考信號，輸出端產生UP信號；第二 D觸發 器3012的時鐘輸入端接反饋信號，輸出端產生DN信 號。所述電荷泵302包括串聯耦合在電源和電路地之間的第一電流源3021、第二電流 源3022、第一開關Sl和第二開關S2;所述第一電流源3021用於提供充電電流；所述第二電 流源3022用於洩導放電電流。所述反相器3013對第一 D觸發器3011產生的UP信號進行反相，然後送至電荷泵 302的第一開關Si。所述第一開關Sl接收UP信號的反相信號，當UP為邏輯高時，將電流源3021的充 電電流耦合到電荷泵302的電流輸出端信號Iout ；第二開關S2接收DN信號，當DN為邏輯 高時，將電流源3022的放電電流耦合到電荷泵的電流輸出端信號lout。所述復位電路303包括比較器3031、比較器3032和與門3033，所述比較器3031 檢測第一電流源3021上的電壓降，比較器3032檢測第二電流源3022上的電壓降；當UP為 邏輯低時，開關Sl斷開，充電電流源3021上的電壓降為零，比較器3031輸出邏輯低電平； 當UP為邏輯高時，開關Sl接通，電流源3021上的電壓降為非零，比較器3031輸出邏輯高 電平；當DN為邏輯低時，開關S2斷開，放電電流源3022上有正向電壓降，比較器3032輸 出邏輯低電平；當DN為邏輯高時，開關S2接通，電流源3022上有正向電壓降，比較器3032 輸出邏輯高電平；當比較器3031和比較器3032的輸出均為邏輯高時，其經由與門3033實 現「與」邏輯運算，使得復位信號由邏輯低變為邏輯高，從而使該復位信號輸入至鑑相鑑頻 器301後使鑑相鑑頻器301復位。所述復位信號為邏輯高時，鑑相鑑頻器301接收到復位信號後重置UP和DN信號， 即使UP和DN均為邏輯高，且指示其邏輯高電平的維持時間足以使電荷泵開關開啟。UP信號由邏輯低變為邏輯高時，指示參考信號由邏輯低變為邏輯高；DN信號由邏 輯低變為邏輯高時，指示反饋信號由邏輯低變為邏輯高。圖2為本發明所述用於電荷泵型鎖相環的電路(即圖3中鑑相鑑頻器301和電荷 泵302電路)的時序圖。起初，UP信號和DN信號均為邏輯低，開關Sl和開關S2斷開，電 流源3021和電流源3022上的電壓降為零，比較器3031和比較器3032輸出邏輯為低，復位 信號為邏輯低。當參考信號先於反饋信號時，在時間Tl處，參考信號從邏輯低變為邏輯高， 觸發D觸發器3011，使得UP信號為邏輯高，經過開關開啟時間Ton之後，開關Sl接通，電流 源3021上的電壓降由零升高，比較器3031輸出邏輯高。在時間T2處，反饋信號從邏輯低 變為邏輯高，觸發D觸發器3012，使得DN信號為邏輯高，經過開關開啟時間Ton之後，開關 S2接通，電流源3022上的電壓降也由零升高，比較器3032輸出邏輯高，比較器3031和比 較器3032輸出的邏輯高電平經過與操作使得復位信號由邏輯低變為邏輯高，D觸發器3011 和3012被復位，UP和DN信號變回邏輯低，開關Sl和S2斷開，電流源3021和電流源3022 上的電壓降重新降為零，比較器3031和比較器3032輸出邏輯由高變為低，復位信號由邏輯高變為邏輯低；當反饋信號先於參考信號時，在時間T6處，反饋信號從邏輯低變為邏輯高， 觸發D觸發器3012，使得DN信號為邏輯高，經過開關開啟時間Ton之後，開關S2接通，電流 源3022上的電壓降由零升高，比較器3032輸出邏輯高。在時間T7處，參考信號從邏輯低 變為邏輯高，觸發D觸發器3011，使得UP信號為邏輯高，經過開關開啟時間Ton之後，開關 Sl接通，電流源3021上的電壓降也由零升高，比較器3031輸出邏輯高。比較器3031和比 較器3032輸出的邏輯高電平經過與操作使得復位信號由邏輯低變為邏輯高，D觸發器3011 和3012被復位，UP和DN信號變回邏輯低，開關Sl和S2斷開，電流源3021和電流源3022 上的電壓降重新降為零，比較器3031和比較器3032輸出邏輯由高變為低，復位信號由邏輯 高變為邏輯低；當參考信號和反饋信號的上升沿同時到達時，在時間TlO處，參考信號和反 饋信號從邏輯低變為邏輯高，D觸發器3011和3012同時被觸發，UP和DN信號同時由邏輯 低變為邏輯高，經過開關開啟時間Ton之後，電流源3021和電流源3022上的電壓降均由零 升高，並為比較器3031和比較器3032所檢測到，比較器3031和比較器3032均輸出的邏輯 高電平經過與操作使得復位信號由邏輯低變為邏輯高，D觸發器3011和3012被復位，UP和 DN信號變回邏輯低，開關Sl和S2斷開，電流源3021和電流源3022上的電壓降重新為零， 比較器3031和比較器3032輸出邏輯由高變為低，復位信號由邏輯高變為邏輯低。圖5 (a)和圖5 (b)分別給出了現有技術鎖相環結構和本實施例結構在參考信號和 反饋信號的上升沿同時到達時的時域仿真波形圖。由圖5(a)和圖5(b)可知，本實施例電 路結構的復位信號在UP信號(或DN信號)的上升沿之後便能迅速由邏輯低變為邏輯高， 而不需要多餘的時間裕度，減小了電荷泵中充放電電流同時導通的時間，因此提高了鑑相 鑑頻器的工作速度和鎖相環路的雜散性能。由於復位控制屬於閉環控制，可以保證鎖相環 路在不同的電源電壓、溫度和工藝條件下不存在死區。上述為本發明的優選實現過程，本領域的技術人員在本發明的基礎上進行的通常變化和替換包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路，包括鎖相環電路整體，其中有無死區鑑相鑑頻器(301)和電荷泵(302)，其特徵在於還包括復位電路(303)；所述鑑相鑑頻器(301)用於接收電荷泵型鎖相環的參考信號和反饋信號，並基於所述的參考信號和反饋信號分別產生UP(UP)和DN(Down)信號；UP信號經反相後與DN信號一起被送至電荷泵(302)處理，產生指示參考信號與時鐘信號之間相位差的電流輸出信號，即電荷泵型鎖相環下一級電路所需的信號；所述復位電路(303)接收從電荷泵(302)第一和第二電流源(3021，3022)上採樣到的電壓降信號，並最終產生鑑相鑑頻器(301)復位所需的復位信號，該復位信號輸入鑑相鑑頻器(301)時能使鑑相鑑頻器(301)復位。
2.如權利要求1所述的含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路，其特徵 在於所述鑑相鑑頻器(301)為三態鑑相鑑頻器結構，包括第一D觸發器(3011)、第二D觸發 器(3012)和反相器(3013)；所述第一 D觸發器(3011)用於接收參考信號、產生UP信號以 及接收復位信號以便對UP信號進行重置；所述第二 D觸發器(3012)用於接收反饋信號、產生DN信號以及接收復位信號對DN信 號進行重置；所述反相器(3013)對第一 D觸發器(3011)產生的UP信號進行反相，然後送至電荷泵 (302)處理。
3.如權利要求2所述的含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路，其特徵 在於所述第一 D觸發器(3011)和第二 D觸發器(3012)為邊沿觸發的、帶復位的D觸發器。
4.如權利要求2所述的含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路，其特徵 在於所述鑑相鑑頻器(301)的第一 D觸發器(3011)和第二 D觸發器(3012)的D輸入端接 邏輯高電平；第一 D觸發器(3011)的時鐘輸入端接參考信號，輸出端產生UP信號；第二 D觸發器(3012)的時鐘輸入端接反饋信號，輸出端產生DN信號。
5.如權利要求1所述的含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路，其特徵 在於所述電荷泵(302)包括串聯耦合在電源和電路地之間的第一電流源(3021)、第二電流 源(3022)、第一開關Sl和第二開關S2 ；所述第一電流源(3021)用於提供充電電流；所述第二電流源(3022)用於洩導放電電流。
6.如權利要求2或5所述的含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路，其 特徵在於所述反相器(3013)對第一 D觸發器(3011)產生的UP信號進行反相，然後送至電荷泵 (302)的第一開關Si。
7.如權利要求5所述的含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路，其特徵在於所述第一開關S1接收UP信號的反相信號，當UP為邏輯高時，將電流源(3021)的充電 電流耦合到電荷泵(302)的電流輸出端信號lout;第二開關S2接收DN信號，當DN為邏輯 高時，將電流源(3022)的放電電流耦合到電荷泵的電流輸出端信號lout。
8.如權利要求1所述的含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路，其特徵 在於所述復位電路(303)包括比較器(3031)、比較器(3032)和與門(3033)，所述比較器 (3031)檢測第一電流源(3021)上的電壓降，比較器(3032)檢測第二電流源(3022)上的電 壓降；當UP為邏輯低時，開關S1斷開，充電電流源(3021)上的電壓降為零，比較器(3031) 輸出邏輯低電平；當UP為邏輯高時，開關S1接通，電流源(3021)上有正向電壓降，比較器(3031)輸出邏輯高電平；當DN為邏輯低時，開關S2斷開，放電電流源(3022)上的電壓降為零，比較器(3032) 輸出邏輯低電平；當DN為邏輯高時，開關S2接通，電流源(3022)上有正向電壓降，比較器(3032)輸出邏輯高電平；當比較器(3031)和比較器(3032)的輸出均為邏輯高時，其經由與門(3033)實現「與」 邏輯運算，使得復位信號由邏輯低變為邏輯高，從而使該復位信號輸入至鑑相鑑頻器(301) 後使鑑相鑑頻器(301)復位。
9.如權利要求1所述的含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路，其特徵 在於所述復位信號為邏輯高時，鑑相鑑頻器(301)接收到復位信號後重置UP和DN信號，即 使UP和DN均為邏輯高，且指示其邏輯高電平的維持時間足以使電荷泵開關開啟。
10.如權利要求1所述的含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路，其特 徵在於UP信號由邏輯低變為邏輯高時，指示參考信號由邏輯低變為邏輯高； DN信號由邏輯低變為邏輯高時，指示反饋信號由邏輯低變為邏輯高。
全文摘要
一種含雙電流源電荷泵及雙比較器復位電路的鎖相環電路，包括鑑相鑑頻器和電荷泵，還包括復位電路，所述鑑相鑑頻器用於接收電荷泵型鎖相環的參考信號和反饋信號，並基於所述的參考信號和反饋信號分別產生UP和DN信號；UP信號經反相後與DN信號一起被送至電荷泵處理，產生指示參考信號與時鐘信號之間相位差的電流輸出信號，即電荷泵型鎖相環下一級電路所需的信號；所述復位電路接收從電荷泵電流源上採樣到的電壓降信號，並最終產生鑑相鑑頻器復位所需要復位信號，該復位信號輸入鑑相鑑頻器時能使鑑相鑑頻器復位。使用本發明技術方案，電路復位延遲時間小、無死區。
文檔編號H03L7/08GK101826869SQ20091023880
公開日2010年9月8日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月29日
發明者劉磊, 張海英, 李東嶽, 李勇強, 王小松, 陳作添, 黃水龍 申請人:國民技術股份有限公司