一種應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路的製作方法
2023-05-12 21:40:11 3
一種應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路的製作方法
【專利摘要】本實用新型屬於集成電路中混合信號【技術領域】，具體涉及一種應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路。此鑑相器電路包括一個與晶振同頻率的採樣器，一個脈衝信號產生電路，一個數字邏輯電路和數模轉換器，他們三者的輸出信號一起供給了電荷泵電路。這種新型的由採樣器和數字邏輯電路構成的鑑相器替代了傳統的由D觸發器構成的鑑頻鑑相器，降低了鎖相環噪聲和雜散，電荷泵的開關控制信號由脈衝信號產生電路來產生，這種同頻同相的控制信號更加有利於電路的匹配，達到更好的雜散抑制效果。
【專利說明】—種應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及混合信號鎖相環領域，具體的涉及一種應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路。
【背景技術】
[0002]鎖相環被廣泛應用於現代通訊領域中，它被用來提供時鐘信號，隨著無線通訊領域的快速發展，對鎖相環的各種性能的要求也越來越高，尤其是相位噪聲和雜散成為改善性能的重要指標。
[0003]傳統的整數分頻的鎖相環一般由鑑頻鑑相器、電荷泵、環路濾波器、壓控振蕩器和除法器構成。其中，傳統的鑑頻鑑相器由兩個D觸發器作為前端，用來探測由晶振輸入的參考信號和由除法器反饋回來的信號之間的相位和頻率差信息，並輸出相應的寬不等的窄脈衝信號去控制後面級聯的電荷泵電路。電荷泵電路將鑑頻鑑相器輸出的寬度不等的電壓脈衝轉換成相應的電流脈衝供給後級電路。
[0004]對於鎖相環輸出中的雜散信號，很大一部分是由於電荷泵在參考頻率下開關時引入的噪聲造成的。由於傳統的鑑頻鑑相器輸出的是寬度不等的窄脈衝信號，在後級的電荷泵電路中，這種寬度不等的窄脈衝信號很難實現很好的匹配，這種頻率和參考信號相同，寬度不等的窄寬度脈衝信號引起的電荷泵電流不匹配會在輸出造成小的電壓波動從而調製壓控振蕩器以至輸出本振信號兩邊帶出現較大的參考雜散。
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的是提供一種應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路，由參考雜散的產生原因可以推想而知，如果能使用相同頻率而且脈衝寬度相同的窄脈衝去控制電荷泵的開關，就能實現較好的電流匹配，環路濾波器的輸出電壓紋波較小，那麼壓控振蕩器的輸出頻譜就包含了較低的雜散能量。
[0006]基於使用相同頻率相同寬度脈衝信號控制電荷泵的思想，由於電荷泵的開關控制信號來源於鑑頻鑑相器，可以將輸入的參考信號和除法器反饋回來的信號之間的相位差轉化成模擬電壓差，將包含相位信息的直流電壓輸入到電荷泵中，對於電荷泵中的開關控制信號，則通過一個脈衝信號產生電路來產生，使得電荷泵的注入電流支路和抽取電流支路同時打開和關斷，實現了較好的電流匹配，這樣電荷泵的注入電流噪聲大幅較小，達到了環路濾波器輸出噪聲電壓波動減弱的目的。
[0007]本實用新型的技術方案是:
[0008]—種應用於鎖相環中的基於米樣技術的鑑相器和電荷泵電路,包括一個米樣器、一個脈衝信號產生電路、一個數字邏輯電路、一個數模轉換器，以及它們後面級聯的同步開關的電荷慄電路；
[0009]採樣器的輸入端分別連接外部VCO電路的輸出端和外部晶振電路的輸出端，採樣器輸出端輸出米樣電壓；
[0010]脈衝信號產生電路的輸入端連接外部晶振,脈衝信號產生電路的輸出端輸出脈衝控制信號；
[0011]數字邏輯電路的輸入端由外部的SPI供給，經過內部邏輯電路後產生多位並行數字控制信號，其輸出端連接到數模轉換器的輸入端；
[0012]數模轉換器的輸入端連接數字邏輯電路的輸出端，將來自數字邏輯電路的多位並行數字控制信號轉化後輸出模擬直流信號給電荷泵，數模轉換器的輸出端連接電荷泵；
[0013]電荷泵的輸入端信號，即米樣電壓、脈衝控制信號、參考電壓分別來自米樣器的輸出端、脈衝信號產生電路的輸出端、數模轉換器的輸出端。電荷泵的輸出端供給鎖相環中的濾波器。
[0014]所述鑑相器中包含一個採樣器電路，採樣器電路是由晶振控制的開關組合構成，和晶振同頻率的工作周期，採樣外部的VCO輸入信號，得到一個直流電壓輸出。
[0015]所述鑑相器中包含一個脈衝信號產生電路，脈衝信號產生電路的輸入是外部的晶振信號，利用脈衝信號產生電路內部的邏輯門產生窄脈衝信號，控制後級的電荷泵電路。
[0016]所述鑑相器中包含一個數字邏輯電路，數字邏輯電路的輸入端來自外部SPI信號，將外部SPI的串行控制信號轉為相應的多位並行數字控制信號輸出給後級的數模轉換器。
[0017]所述鑑相器中包含一個數模轉換器，數模轉換器的輸入是多位並行數字控制信號，數模轉換器將多位並行數字控制信號轉化成模擬直流電壓輸出，供給後級的電荷泵電路。
[0018]所述電荷泵電路的開關是同頻率工作的，控制信號的脈衝寬度也相同；電荷泵的注入電流支路開關的控制信號和電荷泵的抽取電流支路開關的控制信號都是由脈衝信號產生電路產生的脈衝控制信號來控制，能實現PMOS和NMOS電流源同步打開和關斷。
[0019]所述採樣器由兩組受晶振控制的採樣開關以及採樣開關後級聯的電容組成；
[0020]對於兩組採樣開關，他們的控制信號是電平相反的，即第一組開關由晶振信號經過反相器後控制，第二組開關由晶振直接控制；
[0021]兩組採樣開關中間由驅動電路隔開。
[0022]所述脈衝信號產生電路的輸入來自外部的晶振信號。
[0023]脈衝產生電路中的一個與門電路將兩條並行的具有不同延遲時間的支路信號做與邏輯操作。
[0024]脈衝信號產生電路中一條延遲支路由一個反相器構成，另一條延遲支路由一個可以調節的延遲單元構成。
[0025]本實用新型是一種應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路。此鑑相器和電荷泵電路包括一個採樣器、一個脈衝信號產生電路、一個數字邏輯電路、一個數模轉換器，以及它們後級的同步開關的電荷泵電路。首先由晶振控制的採樣器電路採樣外部的VCO輸出信號，能到一個直流電壓採樣信號輸出供給電荷泵；脈衝信號產生電路讀取外部的晶振輸入信號，然後由內部的兩組並行的不同延遲支路做與邏輯操作得到窄脈衝信號作為脈衝控制信號輸出給電荷泵。外部的SPI輸入控制信號給數字邏輯電路，數字邏輯電路將輸入的串行控制信號轉為並行的數字控制信號輸出給數模轉換電路，數模轉換電路將輸入的並行數字控制信號轉換為模擬直流電壓，也就是參考電壓供給電荷泵電路。電荷泵PMOS端的注入電流開關和NMOS端的抽取電流開關都是由脈衝產生電路產生的相同的脈衝信號控制，實現了很好的電流匹配，相位差信號包含在採樣電壓和參考電壓的電壓差中。
[0026]本實用新型的有益效果是:
[0027]—個脈衝信號產生電路被應用在此鑑相電路中，輸出一系列窄脈衝波來控制電荷泵電路的開啟與關斷。數字邏輯電路由外部SPI輸入的信號控制，根據外部輸入的指令產生多位並行數字控制信號，然後經過後面級聯的數模轉化器轉成相應的模擬電壓，此直流電壓作為參考電壓被輸入到後級的電荷泵電路中。這種新型的由採樣器和數字邏輯電路構成的鑑相器替代了傳統的由D觸發器構成的鑑頻鑑相器，降低了鎖相環噪聲和雜散，電荷泵的開關控制信號由脈衝信號產生電路來產生，這種同頻同相的控制信號更加有利於電路的匹配，達到更好的雜散抑制效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本實用新型基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路整體結構框圖。
[0029]圖2是本實用新型中的採樣器的電路示意圖。
[0030]圖3是本實用新型中脈衝信號產生電路的電路示意圖。
[0031]圖4是【具體實施方式】中採用的延遲單元的電路示意圖。
[0032]圖5是本實用新型中採樣技術電荷泵電路的電路示意圖。
[0033]圖6是【具體實施方式】中採樣器的開關電路的電路示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施方式做進一步詳細說明。
[0035]本實用新型【具體實施方式】中所述的基於採樣技術鑑相器和電荷泵電路是在傳統的鑑頻鑑相器和電荷泵電路基礎上進行的創新和改進，通過使用和晶振同頻率工作的採樣器，得到包含VCO相位信息的採樣電壓，外部輸入的控制信號經過數字邏輯電路和數模轉化器得到參考電壓，電荷泵的開關控制信號則是通過脈衝產生電路得到，電荷泵的注入電流和抽取電流的大小由採樣電壓和參考電壓的大小決定。
[0036]本技術方案採用的採樣器由一個反相器，兩個採樣開關，兩個電容組成，如圖2所示，採樣器中，採樣器的控制信號是連接外部晶振的輸出，採樣開關22和採樣開關24的控制信號是電平相反的信號，所以輸入的控制信號經過反相器21再輸入到採樣開關22 ;外部VCO輸入的信號先經過採樣開關22，採樣開關22後面級聯電容25，電容25後級有一個驅動電路23以隔開米樣開關22和米樣開關24 ;驅動23的輸出連接米樣開關24,米樣開關24的輸出連接電容26，信號由電容26輸出。
[0037]本實用新型中的脈衝信號產生電路是一個由3級反相器、一個延遲單元、一個與門組成的數字邏輯電路，如圖3所示，前2級反相器，(即反相器31，32)依次級聯，輸入信號接反相器31的輸入端，反相器31的輸出端接反相器32的輸入端；反相器32的輸出分為兩條並行支路，一條支路連接延遲單元33的輸入端，另外一條支路連接反相器34的輸入端；延遲單元33的輸出端和反相器34的輸出端分別連接與門35的輸入端，與門35的輸出就是脈衝信號產生電路的輸出端。延遲單元是一個傳輸延遲可以調節的電路，通過改變延遲單元的時間差來改變輸出的脈衝信號的脈衝寬度。
[0038]圖4是本技術方案中延遲單元的電路圖，它由4級反相器和一個電容組成，輸入信號連接反相器41的輸入端，反相器41的輸出端連接反相器42的輸入端，反相器42的輸出端連接反相器44的輸入端和電容43，反相器44的輸出端連接反相器45的輸入端，反相器45的輸出端即是延遲單元電路信號的輸出端。延遲單元可以通過調節電容43的大小來改變延遲的時間。
[0039]相對於傳統的注入和抽取電流都相等的電荷泵，本實用新型提出了注入和抽取電流可變的由參考電壓和採樣電壓分別控制的方案，如圖5所示；對於PMOS支路，提供注入電流的PMOS管51由採樣電壓控制，對於NMOS支路，提供抽取電流的NMOS管56由參考電壓控制；PM0S管51的漏端接PMOS管52和PMOS管53的源端，NMOS管56的漏端接NMOS管54和NMOS管55的源端；PM0S管53和NMOS管55分別是注入電流支路和抽取電流支路的開關，它們的控制信號電平相反；開關控制信號由脈衝產生電路產生，所以他們的頻率和脈衝寬度相等。
[0040]米樣器中的米樣開關由一對NMOS和PMOS電晶體並聯而成,如圖6所不。對於相同的導通或者關斷狀態，NMOS電晶體和PMOS電晶體柵極的控制電壓正好是相反的電平，所以控制信號經過一個反相器61後再輸入到PMOS管62的柵極，控制信號直接輸入到NMOS管65的柵極；採樣開關的輸入端和輸出端分別接有MOS電容63和MOS電容64。
【權利要求】
1.一種應用於鎖相環中的基於米樣技術的鑑相器和電荷泵電路，其特徵在於:包括一個採樣器、一個脈衝信號產生電路、一個數字邏輯電路、一個數模轉換器，以及它們後面級聯的同步開關的電荷慄電路； 米樣器的輸入端分別連接外部VCO電路的輸出端和外部晶振電路的輸出端,米樣器輸出端輸出米樣電壓； 脈衝信號產生電路的輸入端連接外部晶振，脈衝信號產生電路的輸出端輸出脈衝控制信號; 數字邏輯電路的輸入端由外部的SPI供給，經過內部邏輯電路後產生多位並行數字控制信號，其輸出端連接到數模轉換器的輸入端； 數模轉換器的輸入端連接數字邏輯電路的輸出端，將來自數字邏輯電路的多位並行數字控制信號轉化後輸出模擬直流信號給電荷泵，數模轉換器的輸出端連接電荷泵； 電荷泵的輸入端信號，即米樣電壓、脈衝控制信號、參考電壓分別來自米樣器的輸出端、脈衝信號產生電路的輸出端、數模轉換器的輸出端；電荷泵的輸出端供給鎖相環中的濾波器。
2.根據權利要求1所述的應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路，其特徵是所述鑑相器中包含一個採樣器電路，採樣器電路是由晶振控制的開關組合構成，和晶振同頻率的工作周期，採樣外部的VCO輸入信號，得到一個直流電壓輸出。
3.根據權利要求1所述的應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路，其特徵是所述鑑相器中包含一個脈衝信號產生電路，脈衝信號產生電路的輸入是外部的晶振信號，利用脈衝信號產生電路內部的邏輯門產生窄脈衝信號，控制後級的電荷泵電路。
4.根據權利要求1所述的應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路，其特徵是所述鑑相器中包含一個數字邏輯電路，數字邏輯電路的輸入端來自外部SPI信號，將外部SPI的串行控制信號轉為相應的多位並行數字控制信號輸出給後級的數模轉換器。
5.根據權利要求1所述的應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路，其特徵是所述鑑相器中包含一個數模轉換器，數模轉換器的輸入是多位並行數字控制信號，數模轉換器將多位並行數字控制信號轉化成模擬直流電壓輸出，供給後級的電荷泵電路。
6.根據權利要求1所述的應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路，其特徵是所述電荷泵電路的開關是同頻率工作的，控制信號的脈衝寬度也相同；電荷泵的注入電流支路開關的控制信號和電荷泵的抽取電流支路開關的控制信號都是由脈衝信號產生電路產生的脈衝控制信號來控制，能實現PMOS和NMOS電流源同步打開和關斷。
7.根據權利要求2所述應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路，其特徵是所述採樣器由兩組受晶振控制的採樣開關以及採樣開關後級聯的電容組成； 對於兩組採樣開關，他們的控制信號是電平相反的，即第一組開關由晶振信號經過反相器後控制，第二組開關由晶振直接控制； 兩組採樣開關中間由驅動電路隔開。
8.根據權利要求3所述應用於鎖相環中的基於採樣技術的鑑相器和電荷泵電路，其特徵是所述脈衝信號產生電路的輸入來自外部的晶振信號； 脈衝產生電路中的一個與門電路將兩條並行的具有不同延遲時間的支路信號做與邏輯操作； 脈衝信號產生電路中一條延遲支路由一個反相器構成，另一條延遲支路由一個可以調節的延遲單元構成。
【文檔編號】H03L7/085GK204031123SQ201420413527
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年7月24日 優先權日:2014年7月24日
【發明者】徐厚軍, 俞志君, 姚英姿 申請人:江蘇星宇芯聯電子科技有限公司