专利名称：压控振荡器的自动调谐的制作方法
背景技术：
本发明一般地涉及压控振荡器领域，具体讲，涉及一种在宽的频率范围内对压控振荡器自动调谐的方法。
无线通信系统通过射频(RF)电磁波的传播在固定的接收机和移动无线通信终端之间传输语音和其它数据。这种无线通信系统的功能所必需的是振荡电信号的稳定而精确的产生。一种广泛用于产生这种振荡信号的电路是锁相环(PLL)。PLL是产生振荡输出信号的电子电路，所述振荡输出信号与振荡输入信号有恒定的相位关系。通过利用高度稳定和精确的源(例如晶体振荡器)产生振荡输入信号、以及各种倍频器和分频器，就可以在一定的频率范围内产生稳定而精确的振荡输出信号。
典型PLL的关键部件是压控振荡器(VCO)。VCO在其输出端产生振荡信号，该信号的频率是对加至VCO输入端的电压电平的响应。在PLL中，电压输入(本说明书中称为调谐电压)是VCO输出与所需振荡信号之间相位/频率误差的函数。因此，VCO以这样的频率产生振荡信号该频率在有限范围内变化，与相应有限范围内调谐电压的变化相对应。
这种电压/频率关系的具体参数取决于VCO的设计、构成VCO的电子元件的值、环境温度以及其它电子技术领域众所周知的效应。理论上，如果将这种关系画在电压/频率轴上，则它将定义一条具有正斜率的线性曲线，即调谐电压的升高或降低会引起VCO产生的振荡信号频率的相应增大或减小。这种电压/频率曲线在本说明书中称为VCO的工作曲线。
为了扩展VCO的频率范围，已知的是有选择地将频率改变部件(例如电容器、变容二极管、FET(场效应晶体管)晶体管等)耦合到VCO中的谐振电路。这改变了所产生的频率范围，以响应调谐电压，其结果是为VCO建立一条新的工作曲线。例如，众所周知，可经由可编程开关矩阵将各种电容器耦合到VCO，以便通过有选择地配置开关为VCO选择多个重叠的频率范围。这确保以这样的方式对VCO校准通过选择VCO工作曲线以包括所需的VCO工作范围，以补偿使用时因制造过程差异或其它寄生效应引起的其频率范围的偏移。这种校准，亦称为VCO微调，一般在制造含VCO的集成电路时在工厂，通过例如烧断熔丝或者通过将特定值编程到寄存器中(该寄存器的内容控制将晶体管连接到VCO振荡器的开关)而得以执行。
在工厂将VCO调谐到某条特殊的工作曲线是制造过程的一部分，但很耗时，因此成本高。另外，一旦经过这样的调谐，VCO就被局限于单个有限的工作范围，正如它被限制于单条工作曲线。
发明概述本发明提出自调谐压控振荡器电路。VCO在其输出端产生振荡信号，该信号的频率是对VCO输入端的调谐电压的响应。有选择地将至少一个频率改变部件耦合到VCO，该频率改变部件可用于改变调谐电压与VCO输出频率的关系，从而建立至少两条描述VCO调谐电压与VCO输出频率关系的工作曲线。通过控制电路使VCO在这些工作曲线之间切换。在本发明的一个方面中，控制电路监视调谐电压并仅基于调谐电压值产生输出，该输出可用于有选择地将频率改变部件耦合到VCO。在另一方面，控制电路接收多个参考电压以建立多个切换门限，并根据VCO调谐电压与多个切换门限的比较结果以及其以前的输出而输出切换信号。
附图简述
图1是现有技术PLL的功能框图。
图2是本发明的PLL的功能框图。
图3是表示根据本发明的一个实施例、具有正斜率的两条VCO工作曲线的图。
图4是表示根据本发明的一个实施例、具有负斜率的两条VCO工作曲线的图。
图5是表示图3所示本发明的实施例的一个示范性控制电路的框图。
图5A是图5所示门限逻辑的一种实现的原理图。
图6是表示根据本发明的另一个实施例的四条VCO工作曲线的图。
图7是图6所示本发明实施例的示范性控制电路的框图。
本发明的详细描述图1表示典型的锁相环(PLL)，即本领域周知的一种电路，其总体用标号10表示。PLL 10包含相位/频率检测器12、低通滤波器14、压控振荡器(VCO)16和混频器18。VCO 16产生射频振荡输出信号RFout，以响应调谐电压VTUNE。RF输出在混频器18与来自本地振荡器的信号合并，产生中频信号，相位/频率检测器12将该中频信号与本地产生的IF信号作比较。相位/频率检测器12产生输出信号，该信号的电压取决于相位/频率检测器12两个输入之间的相位和/或频率关系。低通滤波器14对该输出信号滤波，产生用于驱动VCO16的调谐电压VTUNE。
图1所示PLL 10可以调谐的频率范围取决于VCO 16的特性。设计压控振荡器时必需折衷考虑的是调谐电压与相位噪声之间的相互作用。当扩展VCO 16的频率调谐范围时，PLL就更易受相位噪声影响，这是因为VTUNE的有限的分辨率。通过限制VCO 16的调谐范围，就可以减少相位噪声，因为VTUNE电压的波动在输出频率中产生窄得多的相应的波动。
根据本发明，可扩展VCO的(因此还有PLL的)调谐范围而又不会随之增加相位噪声。这是通过在PLL工作期间动态切换VCO工作曲线而得以实现的。图2表示根据本发明的PLL，其总体用标号20表示。PLL 20包含相位/频率检测器22、低通滤波器24、VCO 26和混频器28，所有这些在结构和功能上都与图1所示PLL 10的类似元件相对应。另外，PLL 20包括控制电路30，切换网络32以及一个或多个频率改变部件34。控制电路30监视调谐电压VTUNE，将它与一系列切换门限电压作比较。当PLL 20试图锁定到比其当前工作频率高或低的频率时，控制电路30监视VTUNE电压的相应的升高或降低。当VTUNE电压越过上门限值或下门限值时，控制电路就驱动切换网络32，以使一个或多个频率改变部件34与VCO 26的谐振电路相连或断开。频率改变部件34可包括电容器、变容二极管、FET(场效应晶体管)晶体管等。当将这一个或多个频率改变部件34有选择地通过切换网络32与VCO 26相连或断开时，VCO 26的电压-频率关系或“工作曲线”就会改变。
图3的曲线图说明本发明的PLL 20的工作机制，其中定义了两条工作曲线A和B。如图3中点1所示，PLL 20最初锁定到频率f1，其输入电压为VTUNE1。当PLL 20试图调谐到频率f2(例如，通过改变提供给相位/频率检测器22的中频)时，VTUNE就会增加，使VCO 26产生相应较高的频率输出。当VTUNE达到工作曲线A所用的高切换门限(如点2处VTH HIGH所示)时，控制电路30就使切换网络32将一个或多个频率改变部件34耦合到VCO 26或使其与VCO 26去耦合。这将VCO 26的工作状态切换到较高频率工作曲线B。因为调谐电压VTUNE此时尚未改变，所以VCO就在工作曲线B上的点3处工作，产生高于所需的输出频率。正常的PLL 20操作随后将会降低VTUNE的值，从而使VCO 26减小其输出频率，如图示那样沿着工作曲线B移动，直到达到点4所示的所需频率f2。
如果PLL 20以后试图调谐到较低的频率，例如f1，则会发生类似的过程。VTUNE的值将会减小，使VCO 26的工作点沿工作曲线B下移，直到达到下切换门限VTH LOW。此时，将使一个或多个频率改变部件34耦合到VCO 26或使其与VCO 26去耦合，从而使VCO 26的工作基于工作曲线A，且远低于所需频率f1。然后正常的PLL 20操作将会驱使VTUNE更高，直到系统锁定到频率f1。
图3还显示本发明的可调谐VCO内在的滞后现象。在本说明中，“滞后(hysteresis)”指VCO 26的相邻工作曲线上切换点之间，即较低频率工作曲线的上切换门限与相邻的较高频率工作曲线的下切换门限之间的电压/频率关系。如图3所示，工作曲线A的上切换点应该这样设置使其频率高于工作曲线B上的下切换点的频率。这就避免了两条工作曲线之间的振荡。
利用相反的电压/频率关系构造VCO是可能的。图4就描绘这种情形，其中电压/频率工作曲线A和B具有负斜率。当调谐电压VTUNE降低时，输出频率f就会增加。这种可调谐VCO从初始频率f1调谐到所需频率f2的工作情况直接类似于前述相关内容。开始时，VCO工作在曲线A上的点1，其调谐电压为VTUNE1和输出频率为f1。然后减小调谐电压，从而使输出频率增加，直到达到上切换门限VTH HIGH(本说明中门限标准“上”、“下”、“高”和“低”所涉及的是相关的输出频率而非调谐电压)。在越过VTH HIGH时，就将某个频率改变部件切换到VCO振荡电路，使工作状态切换到曲线B上的点3处。正常的PLL操作将会增大调谐电压VTUNE，从而减小输出频率，直到VCO保持在所需输出频率f2，且调谐电压为VTUNE2，如点4所示。图4还显示工作曲线A和B内建的滞后和相关的切换门限。具体讲，曲线A的上切换门限VTH HIGH所在频率比曲线B的下切换门限VTH LOW的高。如上所述，这种滞后防止VCO在两条工作曲线之间振荡。随后，将参照图3所示的正斜率工作曲线公开本发明的剩下部分。然而，本领域的普通技术人员应会欣然承认，图4所示的类似电路和算法亦可应用于具有负斜率工作曲线的VCO。
图5表示图3所示(即具有VCO 26所用的两条正斜率工作曲线A和B的)PLL 20的控制电路30的一种说明性的实施例。在图5中，将频率改变部件34示意性地画成电容器，将开关网络32画成简单开关。控制电路30产生或接收工作曲线A所用的上切换门限电压40以及对应于工作曲线B的下切换门限电压42。门限电压可以用各种本领域周知的方式产生。例如，门限电压可以从电阻分压网络获得。或者，它们可以通过数模转换器产生，其中数字门限值是这样设定的通过例如烧断熔丝、把数字写入寄存器、或者动态地例如从微处理器或数字信号处理器产生这些值。通过比较器44和46，将各切换门限电压连续地与调谐电压VTUNE作比较。当VTUNE越过任一门限，则从比较器44或46将相应的信号发送给门限逻辑48，由其驱动切换网络32。
门限逻辑48除了监视比较器44和46产生的电压门限越过信息，还监视其本身的当前切换信号输出状态。因此，门限逻辑48包含一些存储元件，例如，逻辑电路中的反馈、状态保持电路器件(例如锁存器或触发器)、等等。门限逻辑48的输出是其门限输入及其以前输出状态的函数。这种状态相关的逻辑在本说明书中称为“状态相关门限越过逻辑”。
表1显示实现用于图5所示门限逻辑48的状态相关门限越过逻辑的真值表。当VTUNE低于下门限电压时，比较器44和46均输出低逻辑电平，用0表示。当VTUNE等于或超过这些门限之一时，相关的比较器输出逻辑1。因此，比较器46输出逻辑1以及比较器44输出逻辑0指示所述两个门限之间的操作；而两个比较器均输出逻辑1指示VTUNE等于或已超过高门限。门限逻辑48的输出逻辑1使开关32闭合，从而如图3所示将VCO 26从工作曲线A切换到工作曲线B。门限逻辑48的当前输出状态用Qn表示，而先前的状态用Qn-1表示。表1中的“DC”表示无关的条件；相关状态可以为1或0。注意，在上下门限之间，即VCO 26沿两条曲线A或B中任一曲线工作时，低门限输入为1，而高门限输入为0。一种实现表1的状态相关门限越过逻辑的说明性电路如图5所示。
表1状态相关门限越过逻辑的真值表如上所述，可容易地扩展PLL 20，使之包括多条工作曲线，从而增加调谐范围。图6表示根据本发明的PLL 20的电压/频率关系，其中，VCO 26具有四个明显不同的工作曲线-A、B、C和D。每条工作曲线与至少一种切换门限相关联—高门限使VCO 26切换到较高频率的工作曲线，低门限使VCO 26切换到较低频率的工作曲线，或者与两种门限都相关。仔细观察该图可发现各种切换门限之间关系的若干优点和特性。
首先，注意，切换门限一般可包括由相位/频率检测器22和低通滤波器24产生的VTUNE的范围内的任意值。也就是说，切换门限不限于VTUNE电压范围的上下限。
第二，如上所述，每条工作曲线表现出滞后现象。具体讲，工作曲线A的高切换门限的频率fH-A高于工作曲线B的低切换门限的频率fL-B。类似地，fH-B＞fL-C和fH-C＞fL-D。
最后，应注意，按照频率增加的顺序排列的每条相继工作曲线的上切换门限对应的电压比之前工作曲线所用的上切换门限的高。这种配置考虑到本发明的正确工作。例如，如果工作曲线B的上切换门限VH-B低于工作曲线A的上切换门限VH-A，那么在VTUNE达到VH-A后，会使VCO 26切换到工作曲线B，正常的PLL 20的操作就会降低VTUNE，使VCO 26减少它的输出频率。然而，一旦VTUNE达到VH-B，则控制电路30可立即将VCO 26切换到工作曲线C，使VCO26的输出远离其所需频率。通过将每条工作曲线的上切换门限限定为大于在前工作曲线上切换门限的值，就可以保证PLL 20沿每条工作曲线正确工作。类似地，每条工作曲线的下切换门限应大于在前工作曲线的下切换门限，这是有利的。
不过要注意，对相邻工作曲线的上切换门限和下切换门限之间的关系并无限制。考虑图6中的工作曲线D，其上下切换门限都超过工作曲线C的上切换门限值。
图7表示具有四条工作曲线的PLL 20的说明性实施例，如上参照图5所述。PLL 20包含相位检测器22、低通滤波器24、VCO 26和混频器28，它们的功能已在前面作过描述。频率改变部件34被示意性地画成电容器，而切换网络32则被示意性地画成开关阵列。控制电路30包括分压网络50、比较器52和逻辑块54。电阻分压网络50产生切换门限电压值。比较器52监视VTUNE并将其值与相对的切换门限值作比较。状态相关门限越过逻辑包含在逻辑块54中。每个逻辑块54依据一条工作曲线的上切换门限和下一条工作曲线的下切换门限产生切换信号输出。状态相关门限越过逻辑类似于前面所述。注意，如上所述，每个相继工作曲线的上下切换门限都高于以前工作曲线的上下切换门限。
实际上，本发明的可调谐VCO 26可有效地使射频输出RFOUT在大频率范围内摆动到所需频率，同时具有低相位噪声。由于工作曲线切换电路的环路带宽远大于例如移动无线电通信终端中信道选择环路中的相应的环路带宽，故在VCO各工作曲线之间切换时碰到的宽的频率偏移不会影响系统性能。然而，一旦PLL 20锁定到所需频率上，VCO 26一般就无需将其工作状态切换到不同的工作曲线。因此这确实会带来不希望的行为，例如，将输出频率的剧烈变化传送给发送模式期间的移动终端发射器。所以，实际中，当PLL 20已锁定到所需频率上时，就可以禁用本发明的控制逻辑30。
尽管已就各具体特性、方面及其实施例对本发明作了描述，但显而易见的是，在本发明的宽的范围内对所述实施例作各种变化、改进，以及其它的实施例都是可能的，因此，所有变化、改进和实施例都应视为属于本发明范围。因此应将本发明实施例各方面都理解成说明性而非限制性的，旨在将所有属于所附权利要求意义和等效范围之内的变化都包括在所附权利要求中。
权利要求
1.一种控制具有响应输入调谐电压的振荡输出的压控振荡器的方法，它包括以第一频率振荡；以及通过以下步骤切换到第二频率监视所述调谐电压；产生仅响应于所述调谐电压的切换信号；以及通过响应所述切换信号，有选择地将至少一个频率改变部件耦合到所述压控振荡器，从而改变所述压控振荡器的工作曲线。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，监视所述调谐电压包括将所述调谐电压与至少一个参考门限电压作比较。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个参考门限电压可取所述调谐电压范围内的任意值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个参考门限电压包括两个或两个以上参考门限电压，以及对所述参考门限电压作选择以包括各工作曲线之间的滞后。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，产生响应所述调谐电压的切换信号包括应用状态相关的门限越过逻辑。
6.一种控制具有响应输入调谐电压的振荡输出的压控振荡器的方法，它包括以第一频率振荡；通过有选择地将至少一个频率改变部件耦合到所述压控振荡器以改变所述压控振荡器的工作曲线，从而切换到第二频率；以及通过再次改变所述压控振荡器的所述工作曲线切换到第三频率；其中，通过有选择地将频率改变部件耦合到所述压控振荡器而改变所述工作曲线是对所述调谐电压与多个不同参考门限电压之间比较结果的响应。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一频率和所述第三频率是相同的。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一频率和所述第三频率是不同的。
9.一种自调谐压控振荡器电路，它包括具有第一输入和第二输入以及输出的压控振荡器，所述输出产生振荡信号，该振荡信号的频率是对加到所述第一输入的调谐电压的响应；至少一个频率改变部件，它有选择地耦合到所述第二输入，并可用于改变所述调谐电压与所述频率的关系；以及具有输入和至少一个输出的控制电路，所述输入接收所述调谐电压，以及所述至少一个输出中的每个输出可仅基于所述调谐电压，有选择地将至少一个所述频率改变部件耦合到所述压控振荡器。
10.如权利要求9所述的电路，其特征在于，通过所述至少一个频率改变部件实现的所述调谐电压与所述频率关系的所述改变建立起多条一般是线性的电压/频率工作曲线，每条所述曲线具有正斜率。
11.如权利要求10所述的电路，其特征在于，所述控制电路包括相邻工作曲线之间的滞后。
12.如权利要求9所述的电路，其特征在于，所述控制电路将多个参考电压与所述调谐电压作比较，从而建立上切换门限和下切换门限，以便使所述压控振荡器的工作状态从一条所述工作曲线切换到另一条。
13.如权利要求12所述的电路，其特征在于，每条相继的工作曲线所用的所述上切换门限比任何以前的工作曲线所用的所述上切换门限高。
14.如权利要求12所述的电路，其特征在于，每条相继的工作曲线所用的所述下切换门限比任何以前的工作曲线所用的所述下切换门限高。
15.如权利要求12所述的电路，其特征在于，所述控制电路还包括保持所述控制电路输出的先前值的存储单元。
16.如权利要求15所述的电路，其特征在于，所述控制电路还包括状态相关的门限越过逻辑。
17.如权利要求9所述的电路，其特征在于，通过所述至少一个频率改变部件实现的所述调谐电压与所述频率关系的所述改变建立多条一般是线性的电压/频率工作曲线，每条所述曲线具有负斜率，并且其中所述控制电路将多个参考电压与所述调谐电压作比较，从而建立上切换门限和下切换门限，以便使所述压控振荡器的工作状态从一条所述工作曲线切换到另一条。
18.如权利要求17所述的电路，其特征在于，每条相继的工作曲线所用的所述上切换门限低于任何以前的工作曲线所用的所述上切换门限，以及，其中每条相继的工作曲线所用的所述下切换门限低于任何以前的工作曲线所用的所述下切换门限，以及，对于两条相邻的工作曲线而言，所述较高频率曲线所用的所述下切换门限以比所述较低频率工作曲线所用的所述上切换门限低的频率切换。
19.一种自调谐压控振荡器电路，它包括具有第一输入和第二输入以及输出的压控振荡器，所述输出产生振荡信号，该振荡信号的频率是对加到所述第一输入的调谐电压的响应；至少一个频率改变部件，它有选择地耦合到所述第二输入，并可用于改变所述调谐电压与所述频率的关系，从而建立至少两条工作曲线；以及控制电路，所述控制电路将多个参考电压与所述调谐电压作比较，从而建立各个切换门限，以便通过有选择地将至少一个所述频率改变部件耦合到所述压控振荡器从而使所述压控振荡器的工作状态从一条所述工作曲线切换到另一条。
20.如权利要求19所述的电路，其特征在于，所述多个参考电压包括至少三个不同的参考电压。
全文摘要
一种压控振荡器(VCO)，它可在宽的频率范围内调谐，同时可通过在两个或两个以上电压/频率工作曲线之间动态切换而表现出低相位噪声。参考电压确定每条工作曲线的切换门限。控制电路将VCO调谐电压与基准门限电压作比较，根据比较结果及其以前的输出产生有效切换信号，以有选择地使一个或多个频率改变部件与VCO耦合或去耦合。
文档编号H03L7/08GK1496604SQ02806365
公开日2004年5月12日 申请日期2002年3月11日 优先权日2001年3月14日
发明者E·本特松, S·贾斯蒂斯, E 本特松, 沟偎 申请人:艾利森公司