減少pll鎖定時間的方法和設備的製作方法
2023-04-28 05:46:51
專利名稱：減少pll鎖定時間的方法和設備的製作方法
背景技術：
I.發明領域本發明涉及鎖相環(PLL)。本發明尤其涉及減少在緊接等待模式工作啟動的PLL中得到相位鎖定所需的時間的新穎和改進的方法和設備。
II.相關技術描述精確頻率源對於許多電子系統和設備的操作是至關重要的。在電子設備內頻率源用作為定時源，並且也用於把電子設備調諧到期望通信信道。
可採用許多類型的精確頻率源。根據特定應用的設計限制確定特定應用中實現的特定類型頻率源。原子鐘顯示出頻率精確度的出眾水平，但是它們的尺寸、成本以及缺少調諧範圍大大地制約其在電子系統內的應用。相似地，可使用石英晶體的壓電效應設計精確頻率源。基於石英晶體的頻率源的小型和相對的精確性使它們對於基於大多數消費者的電子設備變得流行起來。然而，由石英晶體的基頻的最小調諧範圍以及局限性制約了基於石英晶體基頻的頻率源。
間接頻率合成用於克服與基頻石英晶體頻源相關的缺少頻率調諧和有限中心頻率的問題。間接頻率合成使用鎖相環(PLL)產生頻率源，它是參考頻率多重倍頻。間接頻率合成的特定實現通常使用石英晶體振蕩器作為參考頻率。
採用間接頻率合成實現的頻率源通常稱為頻率合成器。
圖1中示出頻率合成器的普通實現。石英晶體20耦合于振蕩器30以產生參考頻率。參考分頻器32耦合于振蕩器30的輸出以定標參考頻率。操作壓控振蕩器(VCO)60提供頻率合成器10的期望輸出。VCO 60的輸出也耦合於產生VCO 60定標輸出的輸出頻率分頻器62。參考分頻器32的輸出耦合於鑑相器40的第一輸入。輸出頻率分頻器62的輸出耦合到鑑相器40的第二輸入。鑑相器40把來自輸出頻率分頻器62的定標輸出與來自參考分頻器32的定標輸出作比較。鑑相器40的輸出是根據輸入信號比較的控制信號。鑑相器40的輸出耦合於限定鑑相器40輸出的頻率分量的迴路濾波器50。迴路濾波器50的輸出耦合於VCO 60上的控制輸入。VCO 60控制輸入上的信號作用於調諧VCO 60的輸出頻率。這樣頻率合成器10就是鎖相環，其中該環作用為保持定標參考頻率和定標輸出頻率之間的相位鎖定。頻率合成器10的一般結構考慮了在單片集成電路(IC)內組合的多個功能塊。通常頻率合成器IC集成了振蕩器30、參考分頻器32、輸出頻率分頻器62和鑑相器40。只需要用戶提供由用于振蕩器30、VCO 60以及迴路濾波器50的晶體20所組成的附加元件來組成頻率合成器10。
鎖相環(PLL)的工作由多個參數表徵。這些特性包括捕捉時間和捕捉帶。捕捉帶定義為PLL對於參考頻率捕捉並鎖定VCO的輸出所處的頻帶。捕捉時間表示捕捉過程所需的時間。捕捉帶和捕捉時間都受PLL中使用的鑑相器類型以及迴路濾波器的階數所影響。
PLL捕捉和鎖定VCO輸出信號所花費的時間在許多應用中是十分重要的。由特定應用確定PLL鎖定時間的設計約束。使用PLL的頻率合成器用於可攜式通信設備以產生本地振蕩器(LO)信號。LO信號用於把接收機和發射機調諧為指定信道。通常在接收機中，LO用於把所接收的RF信號下變頻為基帶信號。相反，在發射機中，LO用於把基帶信號上變頻為指定的RF信道。在諸如雙向無線電、立體聲接收機、電視機以及無線電話的設備中發現用於LO信號產生的頻率合成器。然而，一個本領域的普通技術人員會理解頻率合成器不限於LO信號的產生。頻率合成器能夠滿足大多數頻率源應用的需要。
當頻率合成器用於可攜式電子設備中時，頻率合成器的功耗就是重要的設計因素。可攜式電子設備的電池壽命是隨著功耗的增加而按比例減少的。因此，在用於可攜式電子設備的電子電路中功耗的最小化是非常需要的。
為了保存電池能量以及延長電池壽命，在某些條件下關閉部分無線電話。在工作於碼分多址(CDMA)通信系統中的無線電話中，比如在電信工業協會(TIA)/電子工業協會(EIA)95-B MOBILE STATION-BASE STATION COMPATIBILITY STANDARDFOR DUAL-MODE SPREAD SPECTRUM SYSTEMS中描述的一種無線電話中，在不同條件下電話可以關閉指定電路。由TIA/EIA 95-B所述的系統允許電話在某些條件下在電話呼叫期間以減少的數據率工作。當電話工作於減少的數據率模式時，電話的發射機發送突發的數據分組。為了保存能量，在電話不需要發送任何數據的時段期間關閉部分電話的發送鏈。
通過在電話處於空閒狀態期間(其中沒有進行呼叫)關閉部分電話來完成附加的能量保存。工作於TIA/EIA 95B系統中的CDMA電話在空閒狀態中執行多項任務。這些任務包括進行登記過程和空閒切換過程。附加任務包括接收開銷消息、配置消息、尋呼消息、移動臺定向順序、數據突發消息以及接入信道消息的確認。電話在空閒狀態中是不持續活動的。為了利用在空閒狀態中的有限電話活動，可以在空閒狀態內的時段期間關閉部分電話以進一步減少功耗並增加電池壽命。擋不需要電話活動時，在空閒狀態期間把電話置於待機或睡眠模式。在睡眠模式只有電話的關鍵部分保持開啟。關閉電話所有剩餘非關鍵部分以最小化電話功耗。用於產生LO信號地的頻率合成器就是在睡眠模式期間關閉的非關鍵電路之一。
然而，需要周期性的喚醒電話並為所需空閒狀態任務提供服務。當電話喚醒時，需要在它能發送或接收通信之前與系統同步它的定時。為了最大化通過把電話置於睡眠模式得到的能量保存，必須最小化電話與系統重新同步所用的時間。對於所分配的頻率頻率合成器調諧和鎖定所述的時間表示部分電話同步時間。因此，最小化頻率合成器調諧及鎖定到期望頻率所使用的時間是有利的。
減少PLL的鎖定時間的標準方法包括增加VCO增益、增加迴路濾波器帶寬以及減小迴路濾波器的阻尼因子。然而，對於對減少用於在無線電話中從睡眠狀態轉換到空閒模式的頻率合成器的PLL鎖定時間感興趣的設計者，這些鎖定時間減少的方法是不可用的。這是因為在鎖定狀態中頻率合成器的性能確定大多數PLL參數。由施加於頻率合成器鎖定輸出上的設計約束限制VCO增益、迴路濾波器帶寬以及迴路濾波器阻尼因子的值。所需要的是一種當鎖定迴路時改善頻率合成器PLL鎖定時間但並不降低頻率合成器輸出性能的方式。
發明概述本發明是一種減少在從睡眠或待機模式喚醒之後頻率合成器鎖定所需時間的新穎和改進的方法。把頻率合成器置於睡眠或待機模式時，保持VCO調諧線上的電壓。在睡眠模式期間關閉保持相位鎖定所需的頻率合成器的部分以保存能量。鎖關閉的電路包括參考分頻器、鑑相器以及輸出頻率分頻器。把VCO調諧線上電壓保持在正好把頻率合成器置於睡眠模式之前VCO調諧線上的電壓。
在頻率合成器集成電路(IC)中，當把IC置於睡眠模式時保持在VCO調諧管腳處的電壓。就在把IC置於睡眠模式之前，IC對VCO控制線的電壓值進行採樣。把採樣值保持在頻率合成IC的VCO調諧管腳處。
附圖簡述從以下結合附圖詳細描述中，本發明的特徵、性質和優點將會變得更明顯，全部附圖中類似的標號標註相應的部分，其中圖1是頻率合成器的框圖；圖2是無線電話中頻率合成器的框圖；圖3是把VCO控制電壓保持在低功耗模式中的頻率合成器的框圖；以及圖4是用於保持VCO控制電壓的電路框圖。
較佳實施例詳述如上所指出的，無線電話環境存在著一種通常使用頻率合成器的應用。圖2給出了顯示頻率合成器應用的無線電話一種可能配置的框圖。
把無線電話200配置為在分別定義的RF信道上工作。把一個RF頻率帶指定為發送帶，而把顯著不同的RF頻率帶指定為接收帶。兩個頻帶通常相隔較近但不覆蓋。接收信號通過天線210耦合於無線電話200。所接收信號從天線耦合於雙工器220。雙工器220用於把接收信號從天線210耦合到接收機230，而同時衰減發送帶中的能量。從雙工器220輸出的接收信號耦合於接收機230。接收機230對所接收的信號進行濾波、放大、下變頻以及處理。接收機230結合用戶接口，使它能向用戶給出所接收的信息。用戶接口包括提供用戶音頻輸出的耳機揚聲器以及提供用戶文本或圖形輸出的顯示器。
無線電話200的發送路徑包括基帶250電路，它提供電話200和用戶之間的接口。用戶接口可以包括鍵盤、觸摸感應顯示屏以及話筒。基帶電路250收集和處理用戶輸入。處理的類型包括調節輸入以及以電話系統所指定的格式對輸入進行調製。輸入信號調節可以包括濾波以及數位化。
隨後把所處理的基帶信號上變頻為中頻(IF)。使用混頻器252結合第一本地振蕩器(LO)254進行基帶信號的上變頻。第一LO 254通常是固定LO，這樣在預定窄帶內IF就是恆量。固定第一LO 254最小化IF處理部件260所需的複雜性。IF處理電路260對上變頻的基帶信號進行濾波和放大。IF部件260可以包括自動增以控制(AGC)部件以確保不壓縮後續的放大器。IF部件260的輸出耦合於第二混頻器262，它使用頻率合成器264的輸出把IF信號上變頻為RF信號。頻率合成器264能夠在頻帶上以離散步長調諧以提供IF信號到指定RF信道的上變頻。
第二混頻器262的上變頻輸出耦合於RF部件266，其中對RF信號進行濾波和放大。RF部件266濾除多餘的混頻器產物以及濾除降低RF信號質量的寄生頻率分量。RF部件266的輸出耦合於為發送信號提供最終增益級的放大器270。放大器270的輸出耦合於隔離器280。隔離器280用於防止信號反射和在發送頻帶中耦合的能量到達電話200的發送電路。隔離器280的輸出耦合於把發送RF信號耦合到天線210的雙工器220。
通過使用雙工器220把信號耦合到天線210並耦合來自天線210的信號來完成對於發送和接收信號一般天線的使用。在接收路徑中，雙工器220把在天線210接收的信號耦合到接收機230，它拒絕發送頻帶中的信號。在通向接收機的雙工器220的路徑中拒絕發送頻帶中的信號以消除發送功率使接收機230飽和的可能性。
在把無線電話200置於睡眠模式時，無線電話200關閉多個電路以保存電池能量。關閉部分接收機230以及發射機的重要部分。當無線電話200在睡眠模式時關閉放大器270、RF部件266、IF部件260以及頻率合成器264。
然而，完全關閉所有電路不是有利的，因為無線電話200需要周期性的喚醒並提供通信系統中所需的內部開銷任務。最小數量的電路保持開啟以最小化無線電話200所需的喚醒時間。最大化睡眠時間最大化所保存的能量。最小化電話的喚醒時間最大化了電話的睡眠時間。
一種最小化電話喚醒時間的方法就是最小化頻率合成器相關的鎖定時間。圖3示出了完成該方法的示例實施例。圖3描述了具有活動和睡眠模式的頻率合成器300的框圖。當把頻率合成器300置於睡眠模式時，保持VCO控制線352上的電壓值。當頻率合成器300工作於活動模式時，示例實施例的頻率合成器作為傳統的頻率合成器。
參考振蕩器330產生穩定參考信號。參考振蕩器330的輸出耦合於參考分頻器332的輸入。參考分頻器332對參考振蕩器330的頻率進行定標。參考分頻器330的輸出耦合於鑑相器340上的第一輸入。參考分頻器332由睡眠信號302控制，該信號命令參考分頻器332在電話處於睡眠模式時關閉。當在睡眠模式中關閉參考分頻器332時，就可能丟失分頻比的值。如果是這樣，就需要在命令喚醒參考分頻器332時對分頻比進行重新編程。另外，參考分頻器的分頻比可能是硬連線的或是存儲在非易失性存儲器中的，這樣功率的損失不會導致它的丟失。參考分頻器332的分頻比也可以存儲在當命令參考分頻器332進入睡眠模式時不關閉的一部分存儲器中。關於那種配置是最佳的要依照特定的頻率合成器300的應用。
參考分頻器332通常用於大多數頻率合成器300以允許使用較高頻率的參考振蕩器330同時在到鑑相器340的輸入保持較低頻率。較高頻率的參考振蕩器330有可能是較合理尺寸的晶體振蕩器。然而，在鑑相器340的輸入處較低頻率是不希望的，因為鑑相器340的頻率確定頻率合成器300的調諧步長大小。把參考分頻器332包括在頻率合成器300中不是強制性的，並且本領域的普通技術人員會理解不要參考分頻器332頻率合成器也可以實現。
VCO 360產生頻率合成器300的輸出信號364。VCO 360的輸出頻率由應用於VCO 360控制輸入的信號確定。VCO 360的輸出還耦合於輸出頻率分頻器362。輸出頻率分頻器362把VCO 360的頻率定標為鑑相器340的頻率。當需要頻率合成器300在多個信道上調諧時輸出頻率分頻器362是有利的。通過改變參考分頻器332或參考振蕩器330還可以調諧頻率合成器300，然而最普通的方法就是使用輸出頻率分頻器362。
輸出頻率分頻器362由睡眠信號302控制，該信號命令輸出頻率分頻器362在電話處於睡眠模式時關閉。類似於參考分頻比，在命令輸出頻率分頻器362進入睡眠模式時輸出分頻比的值可能會丟失。然而，類似參考分頻比值，可以把輸出頻率分頻比值保存在非易失性存儲器中或保存在當命令輸出頻率分頻器進入睡眠模式時不關閉的存儲器位置中。
輸出頻率分頻器362的定標頻率輸出366耦合於鑑相器340上的第二輸出。鑑相器340比較兩個輸入信號並根據兩個輸入信號的相位誤差輸出信號。鑑相器340由由睡眠信號302控制，該信號命令鑑相器340在電話處於睡眠模式時關閉。
鑑相器340的輸出耦合於電壓保持電路342的輸入，該電路設計為當頻率合成器置於睡眠模式時保持VCO 360的控制電壓信號。電壓保持電路342的實際實現根據用於迴路中鑑相器340的類型。電壓保持電路342可以是採樣和保持電路，其中當睡眠信號302表示把頻率合成器300置於睡眠狀態時對鑑相器的輸出電壓進行連續採樣和保持。命令電壓保持電路342的睡眠信號302不會使它在睡眠模式中關閉。而是睡眠信號302命令電壓保持電路342從在睡眠信號302表示活動模式時對控制線上電壓的採樣變為在睡眠信號302表示睡眠模式時保持控制線上的電壓。
電壓保持電路342的輸出耦合於迴路濾波器350的輸入。迴路濾波器用作限制VCO 360控制信號的帶寬。迴路濾波器通常實現為無源濾波器，並且因此不需要外部電源。然而迴路濾波器350可實現為有源濾波器。迴路濾波器350的輸出耦合於VCO 360的控制輸入。如上所指出的，VCO 360的輸出頻率由應用於控制輸入的信號確定。
當頻率合成器300工作於活動模式時，合成器中的所有元件是活動的，並且電壓保持電路342使得來自鑑相器340的輸出不變地進入迴路濾波器350。當頻率合成器300處於活動模式中時，操作迴路對於參考頻率鎖定VCO 360的輸出。當命令頻率合成器到達睡眠模式時，關閉那些把睡眠信號302用作功率控制信號的元件。電壓保持電路342使用睡眠信號302把VCO 360的控制線電壓保持在正好睡眠信號應用之前的電壓。
當命令頻率合成器300從睡眠模式回到活動模式時，VCO 360最初工作於與鎖定迴路時所期望的頻率十分接近的頻率。因此，迴路中的初始頻率誤差小於睡眠模式期間未被控制的VCO控制電壓的情況。由於較小的初始頻率誤差，該迴路能夠減少對於參考頻率330鎖定VCO 360所花費的時間。鎖定時間的減少識的減少了電話服務任何空閒狀態開銷任務所需的時間。這使得電話最大化睡眠時間由此最大化電池壽命。
圖4示出了電壓保持電路342的示例配置。電壓保持電路342結合輸入402用於把信號耦合到電路。來自鑑相器340輸出的信號耦合於電壓保持電路342的輸402。輸入402是到配置為單位增益緩衝器的第一放大器404的非倒向輸入。第一放大器404的輸出耦合於開關410的輸入。在圖410中開關410示為FET，但在本應用中可以使用具有合適開關特性的任何類型開關。開關410的輸出耦合於配置為單位增益緩衝器的第二放大器420的非倒向輸入。此外，電容器414耦合於第二放大器420的非倒向輸入。電容器414的第一端耦合於第二放大器420的非倒向輸入，同時電容器414的第二端耦合於地。第二放大器420的輸出用作電壓保持電路342的輸出422。在圖4中標為保持控制412的控制線用於控制開關410的位置。當圖4的電路用作為圖3的電壓保持電路342時，保持控制412線由睡眠信號302控制。
電壓保持電路可用於透明模式也可用於保持模式。當保持控制412線命令開關410到閉合電路位置時，電壓保持電路342工作於透明模式中，也稱為採樣模式。第一放大器404的輸出同時就是到電壓保持電路342的輸入。當開關處於閉合位置時，第一放大器404的輸出耦合於第二放大器420的非倒向輸入。耦合於到第二放大器420的同一非倒向輸入的電容器414跟蹤第一放大器404的電壓輸出。第二放大器420的輸出(它用作電壓保持電路342的輸出422)跟蹤電容器414上的電壓。
當保持控制412線命令開關410到達斷路位置時，電壓保持電路342工作於保持模式。當開關410處於斷路位置時，第一放大器404的輸出不再耦合於第二放大器420的輸入。而是電容器414用作耦合於第二放大器420輸入的唯一元件。然而電容器414存儲了在開關410處於閉合位置加到它兩端的電壓。這樣，當開關410處於斷路位置時，第二放大器420輸出存儲在電容器414中的電壓。存儲在電容器414中的電壓表示在斷路開關410之前來自第一放大器404的最後電壓輸出。由於第一放大器404不再驅動電容器414兩端的電壓電平，所以在保持模式中第二放大器420的輸出是恆量。
第二放大器420的輸出(它是電壓保持電路342的輸出)耦合於迴路濾波器350。迴路濾波器350用於把VCO控制電壓耦合到VCO 360。因此，可以看到圖4的電路可以用於允許VCO控制電壓上的持續控制或可用於把VCO控制電壓保持在給定電平。
之前提供該描述使本領域的技術人員能實施或採用本發明。對於本領域技術人員對這些實施例的各種修改是很明顯的，並且這裡所定義的一般原理可應用於其他實施例而不使用創造性才能。這樣，不希望本發明限於這裡所示的實施例，但要根據符合這裡所揭示原理和新穎性特點的最寬範圍。
權利要求
1.一種減少鎖相環(PLL)鎖定時間的方法，包括對活動PLL的壓控振蕩器(VCO)控制電壓進行採樣；以及響應於指令信號，把VCO控制電壓保持在採樣的VCO控制電壓。
2.按權利要求1所述的方法，其特徵在於指令信號是睡眠信號。
3.按權利要求1所述的方法，其特徵在於進一步包括把PLL置於低功耗模式中。
4.按權利要求3所述的方法，其特徵在於響應於指令信號進行把PLL置於低功耗模式中的任務。
5.一種具有減少的鎖定時間的鎖相環(PLL)，包括輸出壓控振蕩器(VCO)控制信號的鑑相器；耦合於鑑相器輸出的電壓保持電路；以及具有耦合於電壓保持電路的控制輸入的VCO；其中當PLL處於活動狀態時，電壓保持電路對VCO控制信號進行採樣，並且當PLL處於低功耗狀態時，電壓保持電路保持採樣的VCO控制信號。
6.按權利要求5所述的PLL，其特徵在於進一步包括迴路濾波器；其中VCO通過迴路濾波器耦合於電壓保持電路。
7.按權利要求5所述的PLL，其特徵在於響應於指令信號PLL從活動狀態轉換到低功耗狀態。
8.按權利要求7所述的PLL，其特徵在於指令信號是睡眠信號。
9.按權利要求5所述的PLL，其特徵在於電壓保持電路是採樣和保持電路。
10.一種頻率合成器集成電路(IC)包括控制信號輸出；以及電壓保持電路；其中當頻率合成器IC處於活動狀態時，電壓保持電路對控制信號輸出進行採樣，並且當頻率合成器IC處於低功耗狀態時，電壓保持電路保持控制信號輸出。
11.按權利要求10所述的頻率合成器IC，其特徵在於控制信號輸出是壓控振蕩器(VCO)控制信號輸出。
12.按權利要求11所述的頻率合成器IC，其特徵在於響應於指令信號頻率合成器從活動模式轉換到低功耗模式。
13.按權利要求12所述的頻率合成器IC，其特徵在於指令信號是睡眠信號。
全文摘要
在具有活動和待機模式的鎖相環頻率合成器中減少鎖定時間。在活動模式中操作頻率合成器保持穩定頻率輸出。在不需要頻率合成器提供頻率輸出的時候，待機或睡眠模式用於減少功耗。當把合成器置於等待模式時，把壓控振蕩器(VCO)調諧電壓的最近值保持在頻率合成器的VCO調諧控制線上。在集成電路(IC)頻率合成器中把電壓保持在VCO調諧輸出管腳上。最小化VCO調諧管腳上的電壓誤差，從而最小化頻率合成器的鎖定時間。
文檔編號H03L7/187GK1462508SQ01815697
公開日2003年12月17日 申請日期2001年5月8日 優先權日2000年5月9日
發明者K·嗄爾拉多 申請人:高通股份有限公司