专利名称：一种锁相环频率综合器的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种用于提高带内噪声性能和降低功耗的锁 相环频率综合器。
背景技术：
锁相环是无线收发机设计中的一个关键模块，它输出一系列高精度频率信号，为 收发机的频率变换提供本振信号。在各种锁相环结构中，电荷泵锁相环因其低功耗、高速、 低抖动和低成本的优良特性被广泛应用。电荷泵锁相环结构如图1所示，由依次连接的鉴相鉴频器、电荷泵、环路滤波器、 压控振荡器和分频器构成，分频器连接在鉴相鉴频器输入端与压控振荡器输出端之间。鉴 相鉴频器比较分频器输出和参考信号之间的相差和频差，产生U和D脉冲控制电荷泵；电荷 泵提供充电或放电电流到具有低通特性的环路滤波器；环路滤波器消除电流脉冲中的高频 部分，产生压控振荡器的控制电压；压控振荡器的输出正比于控制电压的射频信号；分频 器产生所需要的分频比。锁相环频率综合器的基本工作原理用一句话简单概括，即来自压 控振荡器的输出经过分频器锁定到参考频率。相位噪声是锁相环频率综合器的一个主要性能指标，分为带内相位噪声和带外相 位噪声。带外相位噪声主要跟压控振荡器有关；带内相位噪声跟分频器、电荷泵和鉴相鉴频 器有关。提高带外相位噪声主要途径是增加压控振荡器的电流，提高带内相位噪声的一个 办法是降低各个模块的噪声，另外的一个办法是通过改变环路结构实现，比如一些文献提 出的无分频器的锁相环频率综合器结构，该结构是基于亚采样/过采样的方法，当压控振 荡器的输出信号频率和参考信号频率保持整数倍关系时，环路达到锁定状态。亚采样方法 面临的问题是采样器输出的有效信号幅值太小，参考杂散问题比较严重，过采样方法的问 题是频差有限，只能应用在参考频率和压控振荡器频率之间频差很小的应用场合。芯片功耗是锁相环频率综合器另外一个主要的性能指标，锁相环频率综合器功耗 的主要瓶颈是分频器和压控振荡器。压控振荡器的功耗跟相位噪声直接相关，因而功耗无 法进一步降低。目前降低分频器功耗的方法主要是采用不同类型的分频器，同时对构成分 频器的晶体管进行优化设计。该方法对降低功耗作用有限，因而从锁相环频率综合器系统 结构层次探索减小功耗的电路设计技术变得非常必要。无线收发机对锁相环频率综合器的噪声性能和功耗提出了越来越苛刻的要求，上 述因素制约了传统锁相环频率综合器的相位噪声和功耗，因此，需要一种锁相环频率综合 器的解决方案，能够解决上述相关技术中的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种锁相环频率综合器，以克服传统结构带 内相位噪声受限于分频器的问题，通过引入精调谐鉴相鉴频器和采样混频器，在锁定状态时无需分频器参与工作，从而提高锁相环频率综合器的带内相位噪声性能和降低环路的功
^^ o( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种锁相环频率综合器，用于提高带内相位噪声 性能和降低功耗，该锁相环频率综合器包括粗调谐回路，用于选择不同的频率控制字，实现频率锁定；精调谐回路，用于实现环路的相位锁定；其中，在锁定状态时，粗调谐回路被关断，仅仅精调谐回路工作。上述方案中，所述粗调谐回路由粗调谐鉴相鉴频器、电荷泵、环路滤波器、压控振 荡器和分频器依次连接而成。上述方案中，所述粗调谐鉴相鉴频器用来鉴别参考信号和分频器输出信号之间的 相差和频差，紧接着的电荷泵通过输出电流控制环路滤波器上的控制电压。上述方案中，所述精调谐回路由精调谐鉴相鉴频器、采样电荷泵，环路滤波器和压 控振荡器依次连接而成。上述方案中，所述精调谐鉴相鉴频器用来鉴别参考输出信号分压控振荡器输出信 号之间的相差和频差，紧接着的采样电荷泵通过输出电流来控制环路滤波器上的控制电 压。上述方案中，所述采样电荷泵受精调谐鉴相鉴频器控制，采样电荷泵有两个工作 状态，当采样工作状态时，将精调谐鉴相鉴频器的输出转为采样电容上的控制电压，在保持 阶段，采样电容上的电荷转移到环路滤波器。上述方案中，所述压控振荡器和环路滤波器为粗调谐回路和精调谐回路所共有。上述方案中，当上电复位或者分频比改变时，粗调谐回路和精调谐回路同时工作， 当接近锁定时，粗调谐回路自动关断，仅仅精调谐回路工作。上述方案中，所述上电复位或者分频比改变时是相差大于粗调谐鉴相鉴频器的死 区大小时，此时，注入到环路滤波器的电流为两个电荷泵电流的和。上述方案中，所述接近锁定时是相差小于粗调谐鉴相鉴频器的死区大小时，此时， 粗调谐回路的关断是自动平滑进行的。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有如下特点及良好效果1、锁定状态时，包含分频器的粗调谐回路的输出被关断，仅仅精调谐回路工作，无 需反馈路径上的分频器。分频器引起的切换噪声得到有效消除，减少了锁相回路的带内噪 声源，因而有助于提高系统的带内相位噪声性能。2、锁定状态时，仅仅精调谐回路工作，包含分频器的粗调谐回路被有效地关断，分 频器模块工作在断电模式，因而能有效地降低锁相环频率综合器的功耗。
图1是传统锁相环频率综合器的电路结构示意图；图2是本发明提供的锁相环频率综合器结构；图3(a)是图2中粗调谐鉴相鉴频器的电路结构示意4
图3 (b)是图2中粗调谐鉴相鉴频器的时序状态图；图4(a)是图2中精调谐鉴相鉴频器电路结构示意图；图4(b)是图2中精调谐鉴相鉴频器的锁定状态时序状态图；图4(c)是图2中精调谐鉴相鉴频器电路的失锁状态时序状态图；图5是图2中电荷泵电路结构示意图；图6是图2中采样电荷泵电路结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。图2示出了本发明提供的可提高带内相位噪声性能和降低功耗的锁相环频率综 合器的结构示意图。锁相环频率综合器由两个回路构成，即粗调谐回路和精调谐回路。粗调 谐回路由粗调谐鉴相鉴频器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器依次连接而成。精 调谐回路由精调谐鉴相鉴频器、采样电荷泵、环路滤波器、压控振荡器依次连接而成，两个 环路共用环路滤波器和压控振荡器。粗调谐回路用于实现频率锁定；精调谐回路用于实现 相位锁定。当上电复位或者分频比改变时，粗调谐回路和精调谐回路同时启动，粗调谐回路 起主要作用，当环路接近相位锁定时，粗调谐回路关断，仅仅精调谐回路工作。图3(a)为粗调谐鉴相鉴频器的电路结构示意图。由传统的鉴相鉴频器和一些逻 辑门构成，所有电路都工作在低频频段。输出信号状态由输入信号上升边沿决定。当参考信 号fref领先反馈信号fdiv时，输出up为高，将被紧接着的反馈信号fdiv的上升沿复位。 当信号fdiv领先参考信号fref时，输出信号dn置高，将被紧接着的fref信号的上升沿复 位。延时delay2用于产生一定脉宽的信号，该信号决定了死区的宽度。粗调谐鉴相鉴频器的时序图如图3(b)，此时，假设fref，fdiv信号的相差为At， fref信号领先fdiv信号，设延时delay2产生td宽度的信号。当fref信号和fdiv信号的 相差小于由delay2定义的延时宽度td时，粗调谐鉴相鉴频器的输出up，dn为低电平，整个 粗调谐回路被关断，对整个锁相环路的稳态性能影响可以忽略。当fref信号和fdiv信号的 相差Δ t大于延时delay2产生的延时宽度td时，鉴相鉴频器的输出up或dn输出信号的宽 度为fref信号和fdiv信号之间的实际相差减去死区的宽度。在up或者dn信号输出置高 的期间，将打开后续的电荷泵给环路滤波器充放电，达到控制压控振荡器输出频率的目的。 死区的大小必须大于环路锁定时静态相差(这是由于电荷泵电流失配，电流泄露和鉴相鉴 频器输出延时差异所导致)。如果死区的宽度小于静态相差，这使得即使环路锁定时，粗调 谐回路也没有有效关断，这将干扰精调谐回路工作。死区的大小不能超过粗调谐回路能处 理的频差。参考频率和压控振荡器输出的频差是受限于精调谐鉴相鉴频器，过大的死区使 得精调谐回路无法正常工作。图4(a)为精调谐鉴相鉴频器电路结构示意图。输入信号为参考信号fref和压控 振荡器的输出信号fvco。信号vl是fvco信号对fref采样后的输出；而信号v2是fvco信 号取反后对fref采样后的输出。信号Vl和信号v2之间相差半个压控振荡器输出信号周 期。触发器1和触发器2工作在射频频段。鉴相鉴频器1 (PFDl)和鉴相鉴频器2 (PFD2)工 作在较低的工作频率。两个鉴相鉴频器均采用传统结构实现，并对输出信号取或，从而输出无方向的相差信号。PFD1输出fref信号vl之间的相差；而PFD2输出vl信号和v2信号 之间的相差。精调谐鉴相鉴频器输出信号为upl、sw和dnl。信号upl和信号dnl用来控 制后级电荷泵的充放电流，而信号sw用来控制后级电荷泵的电荷采样。图4(b)为精调谐鉴相鉴频器的锁定状态时序状态图，upl信号和dnl轮流工作半 个fvco周期，当upl信号dnl信号都置低时，SW信号置高。图4(c)为精调谐鉴相鉴频器的失锁状态时序状态图，upl信号置高的时间大于或 者小于半个fvco周期，变化范围是
，这里Tvco是压控振荡器的周期。而dnl信 号依旧工作半个fvco周期，当upl信号和dnl信号都置低时，sw信号置高。三个输出信号 在一个fref周期内更新一次，且upl、dnl和sw的时序是错开的，三个信号在一个fref 周 期内轮流工作，时序上没有重合的部分。fvco信号和fref信号之间的频率的比值必须是整 数，这意味着在一个fref信号周期里正好容纳整数个fvco信号周期。如果比值是非整数， 这意味着参考信号fref和压控振荡器输出信号fvco理论上无法达到同频同相，环路不能 正常工作，因而本发明只适应整数型的锁相环频率综合器。参考信号fref和压控振荡器输 出信号fvco之间的延时将引起相位失配。为了避免这个问题，需要在压控振荡器输出引入 延时电路，从而使得延时差异尽可能的小，从而达到削弱相位失配的影响。信号fvco和信 号fref之间的相差变化范围在[-Tvco/2，Tvco/2]。图5为电荷泵电路结构示意图，它提供充电或放电电流到具有低通特性的环路滤 波器，可以被简单地描述为一个开关切换的电流源。它输出电流到环路滤波器，受鉴相鉴频 器的输出信号up和dn信号控制。当up信号为低时，Iup向环路滤波器充电，导致压控振荡 器的控制电压升高；当dn信号为高，环路滤波器通过Idn放电，导致压控振荡器的控制电压 下降。当参考频率fref和反馈频率fdiv之间的相差小于粗调谐鉴相鉴频器死区的宽度时， 粗调谐鉴相鉴频器的输出置低，这将关断电荷泵的电流源，这使得分频器，粗调谐鉴相鉴频 器和电荷泵的噪声不会传递到压控振荡器上，有助于提高锁相环路稳定状态的性能。电荷 泵的电流跟环路带宽有直接关系，为了使得静态时环路带宽和动态时环路带宽保持合理的 关系，电荷泵的电流选择需要合理选择。图6为采样电荷泵结构示意图，它有两个电流源，一个采样电容和三个控制开关 构成。它不仅提供充放电功能，同时提供电荷采样功能，当upl或dnl信号置高的时候，实现 充放电功能，采样电容的电压升高或者降低。当upl信号和dnl信号置低的时候，采样电容 上的电荷转移到环路滤波器上面。环路锁定时，充电和放电时间都是半个压控振荡器输出 信号周期，当环路失锁时，充电时间小于或者大于半个压控振荡器输出信号周期，而放电时 间依旧保持半个压控振荡器输出信号周期不变。在在电荷泵充放电时，采样开关断开，当电 荷泵充电放电结束时，采样开关闭合，开始电荷转移过程。采样过程和电荷保持阶段时序上 错开的。采样电容的选择需要和环路滤波器综合在一起合理选择。过大和过小的采样电容 都无益于环路的锁定过程。采样电容的平均采样电压跟At/Tvco成正比，这里At是fvco 信号和fref信号之间的相差，而Tvco是fvco信号的周期。采样电容上最大的采样电压是 正比于TvC0/2Tref，这里Tref是fref信号的周期。当参考信号频率较大时，采样电容上的 最大采样电压相应减小。为了获得大的采样电压，需要减小参考信号fref的周期。当上电复位或者分频比改变时，粗调谐回路和精调谐回路同时工作，起主要作用 的是粗调谐回路，当接近锁定时，粗调谐回路的粗调谐鉴相鉴频器自动关断，粗调谐回路也相应关断。此时参考信号fref和反馈信号fdiv实现了同频率，但没有实现同相位，相差的 大小跟粗调谐鉴相鉴频器的延时电路delay2的死区大小有关。此时仅仅精调谐回路工作， 采样电荷泵的电流远小于电荷泵的电流，避免精调谐回路环路带宽过宽。精调谐回路没有 分频器，因而环路带宽是粗调谐回路环路带宽的N倍，N是分频器的分频比。为了缩小精调 谐回路带宽，需要减小采样电荷泵的电流，避免两个环路的环路带宽差距过大。本发明优于传统结构的锁相环频率综合器，因为在锁定状态时，粗调谐回路输出 被有效关断，仅仅精调谐回路工作。精调谐回路不包括反馈路径上的分频器，这意味着少了 一个带内相位噪声源。由分频器引起的相位噪声得到有效消除，因而能提高系统的带内相 位噪声。本发明的第二个优点是当粗调谐回路输出关断时，粗调谐回路的模块如分频器等 可以工作在断电模式，分频器是回路中主要的功耗消耗模块，分频器的关断意味着功耗相 应降低。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种锁相环频率综合器，用于提高带内相位噪声性能和降低功耗，其特征在于，该锁相环频率综合器包括粗调谐回路，用于选择不同的频率控制字，实现频率锁定；精调谐回路，用于实现环路的相位锁定；其中，在锁定状态时，粗调谐回路被关断，仅仅精调谐回路工作。
2.根据权利要求1所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述粗调谐回路由粗调谐 鉴相鉴频器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器依次连接而成。
3.根据权利要求2所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述粗调谐鉴相鉴频器用 来鉴别参考信号和分频器输出信号之间的相差和频差，紧接着的电荷泵通过输出电流控制 环路滤波器上的控制电压。
4.根据权利要求1所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述精调谐回路由精调谐 鉴相鉴频器、采样电荷泵，环路滤波器和压控振荡器依次连接而成。
5.根据权利要求4所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述精调谐鉴相鉴频器用 来鉴别参考输出信号分压控振荡器输出信号之间的相差和频差，紧接着的采样电荷泵通过 输出电流来控制环路滤波器上的控制电压。
6.根据权利要求4所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述采样电荷泵受精调谐 鉴相鉴频器控制，采样电荷泵有两个工作状态，当采样工作状态时，将精调谐鉴相鉴频器的 输出转为采样电容上的控制电压，在保持阶段，采样电容上的电荷转移到环路滤波器。
7.根据权利要求2和4所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述压控振荡器和环路 滤波器为粗调谐回路和精调谐回路所共有。
8.根据权利要求1所述的锁相环频率综合器，其特征在于，当上电复位或者分频比改 变时，粗调谐回路和精调谐回路同时工作，当接近锁定时，粗调谐回路自动关断，仅仅精调 谐回路工作。
9.根据权利要求8所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述上电复位或者分频比 改变时是相差大于粗调谐鉴相鉴频器的死区大小时，此时，注入到环路滤波器的电流为两 个电荷泵电流的和。
10.根据权利要求8所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述接近锁定时是相差小 于粗调谐鉴相鉴频器的死区大小时，此时，粗调谐回路的关断是自动平滑进行的。
全文摘要
本发明公开了一种锁相环频率综合器，用于提高带内相位噪声性能和降低功耗，该锁相环频率综合器包括粗调谐回路，用于选择不同的频率控制字，实现频率锁定；精调谐回路，用于实现环路的相位锁定；其中，在锁定状态时，粗调谐回路被关断，仅仅精调谐回路工作。利用本发明，克服了传统结构带内相位噪声受限于分频器的问题，通过引入精调谐鉴相鉴频器和采样混频器，在锁定状态时无需分频器参与工作，从而提高了锁相环频率综合器的带内相位噪声性能和降低环路的功耗。
文档编号H03L7/08GK101931399SQ200910087889
公开日2010年12月29日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者张海英, 王小松, 黄水龙 申请人:中国科学院微电子研究所