可编程VCO、校准VCO的方法、具有可编程VCO的PLL电路以及PLL电路的设置方法与流程

压控振荡器的性能由其特性曲线表示，该特性曲线给出根据输入电压变化的输出频率。相关特征尤其是振荡器的标称或目标频率以及增益。压控振荡器通常被设计成具有覆盖不同频率范围的多个操作曲线。

电源电压的意外波动或环境影响(如环境温度)，例如，可能导致与压控振荡器的常规性能的偏差。如果振荡器是锁相环的一部分，则这种偏差可能不利地影响锁相环的期望的稳定操作。

us5,942,949公开了一种自校准锁相环，其自动选择压控振荡器的适当操作曲线。该pll具有：通过比较输入信号和反馈信号产生误差信号的频率检测器、产生与误差信号对应的大量电荷的电荷泵、累积电荷以产生环路滤波器电压的环路滤波器以及产生用于反馈的输出信号的压控振荡器。在校准期间，将一系列数字控制输入值应用到压控振荡器来选择不同的操作曲线，直到为当前pll应用找到适当的操作曲线。可以使用不同的信号来确定序列中每个操作曲线的中心频率是高于还是低于压控振荡器的期望标称操作频率。

us6,552,618b2公开了一种具有压控振荡器的自校准锁相环。通过选择适当的操作曲线自动校准振荡器的中心频率和增益。

us6,859,073b1公开了一种校准在锁相环中使用的压控振荡器的方法。进一步地，对于与电荷泵输出有关的粗调控制，振荡器的中心频率被调整到接近期望频率。振荡器的增益不是独立于中心频率被校准的。

本发明的目的是提供一种能确保独立调节中心频率和增益的压控振荡器，以及一种校准该压控振荡器的方法。另一个目的是提供一种用于改善操作稳定性的锁相环电路和一种用于锁相环电路的设置方法。

这些目的的实现是借助根据权利要求1所述的可编程压控振荡器、根据权利要求7所述的可编程压控振荡器的校准方法、根据权利要求8所述的锁相环电路以及根据权利要求15所述的锁相环电路的设置方法。

压控振荡器(vco)允许分别调节中心频率和增益。在具有压控振荡器的锁相环(pll)中，在锁相环的正常操作开始之前进行振荡器的调节。

执行两个阶段以进行校准。在第一阶段，将压控振荡器调整到期望的中心频率。在第二阶段，调节压控振荡器的增益而不改变所选择的中心频率。因此，压控振荡器具有期望的特性曲线，特别是用于过程、电源电压和/或温度的变化条件的特性曲线。在变化条件下的锁相环的操作稳定性得到改善。

可编程压控振荡器包括电压输入端、输出端和电路，该电路被配置成根据施加到电压输入端的电压产生振荡器频率。振荡器频率在输出端处被提供。vco的电路包括调整电路和流控振荡器。调整电路为流控振荡器提供输入电流。调整电路是可编程的，并且被配置成根据第一编程代码和第二编程代码产生输入电流，其中，第二编程代码独立于第一编程代码。

在可编程压控振荡器的实施例中，调整电路包括第一可编程组件和第二可编程组件。第一可编程组件被配置成在恒定参考电压施加到电压输入端的同时根据第一编程代码产生第一电流。第二可编程组件被配置成在该参考电压施加到电压输入端的同时根据第二编程代码产生第二电流。输入电流包括第一电流和第二电流。

在可编程压控振荡器的另一实施例中，第一可编程组件包括数-模转换器，第二可编程组件包括电压-电流转换器。

在可编程压控振荡器的另一实施例中，调整电路包括电流求和电路，电流求和电路被配置成通过将第一电流和第二电流相加为流控振荡器产生输入电流。

在可编程压控振荡器的另一实施例中，第一编程代码是可变的，因此使得能够调节中心频率，并且第二编程代码是可变的，其独立于第一编程代码变化，因此使得能够在保持调节中心频率的同时调节增益。

在可编程压控振荡器的另一实施例中，第一编程组件提供第一编程代码，第二编程组件提供第二编程代码。

校准可编程压控振荡器的方法包括：向电压输入端施加恒定参考电压，应用第一编程代码，反复调节第一编程代码直到获得期望的中心频率，在保持应用调节的第一编程代码的同时，应用第二编程代码，并反复调节第二编程代码直到获得期望的增益。

锁相环电路包括相位/频率检测器、连接到相位/频率检测器的环路滤波器、具有电压输入端和输出端的压控振荡器以及从输出端到相位/频率检测器的反馈环路。压控振荡器的电压输入端连接到环路滤波器。压控振荡器能够与环路滤波器和反馈环路电气断开。压控振荡器包括调整电路和流控振荡器。调整电路为流控振荡器提供输入电流。调整电路是可编程的，并且被配置成根据第一编程代码和第二编程代码产生输入电流，该第二编程代码独立于第一编程代码。

在锁相环电路的实施例中，调整电路包括第一可编程组件和第二可编程组件。第一可编程组件被配置成在恒定参考电压施加到电压输入端的同时根据第一编程代码生成第一电流。第二可编程组件被配置成在参考电压施加到电压输入端的同时根据第二编程代码产生第二电流。输入电流包括第一电流和第二电流。

在锁相环电路的另一实施例中，第一可编程组件包括数-模转换器，第二可编程组件包括电压-电流转换器。

在锁相环电路的另一实施例中，调整电路包括电流求和电路，电流求和电路被配置成通过将第一电流和第二电流相加为流控振荡器产生输入电流。

在锁相环电路的另一实施例中，第一编程代码是可变的，因此使得能够调节中心频率，并且第二编程代码是可变的，其独立于第一编程代码而变化，因此使得能够在保持调节中心频率的同时调节增益。

在锁相环电路的另一实施例中，第一编程组件提供第一编程代码，第二编程组件提供第二编程代码。

锁相环电路的另一实施例包括开关，开关被配置成允许暂时将压控振荡器与环路滤波器和反馈环路断开，暂时将参考电压施加到压控振荡器的电压输入端，以及将第一编程代码和第二编程代码交替连接到调整电路。

锁相环电路的设置方法包括：从环路滤波器和反馈环路断开压控振荡器，向电压输入端施加恒定参考电压，应用第一编程代码，反复调节第一编程代码直到获得期望的中心频率，在保持应用调节的第一编程代码的同时，应用第二编程代码，反复调节第二编程代码直到获得期望的增益，以及将压控振荡器连接到环路滤波器和反馈环路，从而使锁相环电路准备好正常操作。

以下结合附图对压控振荡器和锁相环进行更详细的描述。

图1是具有可调节压控振荡器的锁相环的框图。

图2是压控振荡器的调整电路的框图。

图3是用于vco中心频率调整的可编程电路图。

图4是用于vco增益调整的可编程电路图。

图5示出了电流求和的电路图。

图6是锁相环的调节过程的流程图。

图1是包括可调节压控振荡器(vco)的锁相环的框图。锁相环包括相位/频率检测器302、环路滤波器304/306和压控振荡器308。相位/频率检测器302具有信号输入端in1并且被配置成检测施加到信号输入端in1的输入信号的频率fin。环路滤波器304/306连接到相位/频率检测器302的输出端。

在环路滤波器304/306的输出端供应环路滤波器电压vlf。压控振荡器308的电压输入端in能够连接到环路滤波器304/306的输出端，使得环路滤波器电压vlf能够施加到压控振荡器308的输入端in。

压控振荡器308的输出端out与反馈环路320可释放地连接，反馈环路320连接到相位/频率检测器302的反馈输入端in2。例如，反馈环路320能够包括可选的反馈分频器310。在压控振荡器308的输出端out处提供的振荡器频率fosc能够经由反馈环路320，特别是经由反馈分频器310，施加到相位/频率检测器302的反馈输入端in2。

环路滤波器304/306尤其可以由电荷泵304和低通滤波器306形成，低通滤波器累积来自电荷泵304的净电荷，如图1中所示例的。低通滤波器306连接到电荷泵304和压控振荡器308的电压输入端in之间的节点。低通滤波器306可以包括与电阻器r和相对大的电容器cl的串联连接并联的电容器cs。还能够应用其他类型的低通滤波器。

压控振荡器308包括调整电路316和流控振荡器(ico)318，调整电路316还提供压控振荡器308的电压输入端in，流控振荡器318连接到调整电路316的输出端并且还提供压控振荡器308的输出端out。流控振荡器318可以是任何合适类型的振荡器，特别地，例如能够被设计为传统的环形振荡器。流控振荡器318由调整电路316的输出电流直接驱动。

第一编程组件312和第二编程组件314连接到调整电路316。第一编程组件312提供vco中心频率编程代码l。第二编程组件314提供vco增益编程代码k。

参考电压vref由外部电路或锁相环的组件提供，特别地，由压控振荡器308的组件提供。参考电压vref被选择为压控振荡器308被设计在之上工作的输入电压范围的标称中心电压，例如，尤其可以设置为vdd/2，其中vdd是电源电压。

锁相环允许参考电压vref暂时施加到压控振荡器308的电压输入端in。参考电压vref可以特别地由调整电路316提供，并且可以经由另一反馈环路322施加到压控振荡器308的电压输入端in，该另一反馈环路322将调整电路316的另一输出端连接到压控振荡器308的电压输入端in。

第一开关sw1被提供用于同时打开或闭合环路滤波器304/306和压控振荡器308之间的连接以及压控振荡器308和反馈环路320之间的连接。第一开关sw1被提供用于将压控振荡器308连接到锁相环的其他组件以进行正常操作，以及使压控振荡器308与锁相环的该其他组件断开以进行校准。

第二开关sw2被提供用来允许将参考电压vref暂时施加到压控振荡器308的电压输入端in。如果参考电压vref由调整电路316提供，则第二开关sw2可以适当地布置在调整电路316的另一输出端和压控振荡器308的电压输入端in之间的另一反馈回路322中。

第三开关sw3布置在提供vco增益编程代码k的组件314和调整电路316之间，并且允许在校准期间向调整电路316提供vco增益编程代码k。第四开关sw4允许将地连接到第三开关sw3和调整电路316之间的节点。

因为第一开关sw1和第二开关sw2会被同时切换，因此可以将它们耦合起来。同样，第三开关sw3和第四开关sw4可以耦合。通过开关sw1、sw2、sw3、sw4获得锁相环的不同配置。

第一开关sw1和第二开关sw2用于在用于校准的配置和用于正常pll操作的配置之间进行切换。第三开关sw3和第四开关sw4用于在校准期间在用于调节中心频率的配置和用于调节压控振荡器308的增益的配置之间进行切换，压控振荡器308因此被校准为具有适当的特性曲线。当校准完成时，通过切换第一开关sw1和第二开关sw2来改变配置，以允许锁相环的常规操作。

图2是压控振荡器308的合适的调整电路316的框图。根据图2的调整电路316的示例包括电压-电流转换器402、用于电流的数-模转换器(dac、d/a)404以及电流求和电路406。

数-模转换器404被提供作为用于vco中心频率调整的可编程电路。数-模转换器404根据提供的vco中心频率编程代码l产生第一电流i1。在图2中，表示数-模转换器404的框图示出了所产生的第一电流i1对vco中心频率编程代码l的比特串的功能依赖性。

图3是用于vco中心频率调整的可编程电路图。它示出了晶体管级的可编程电路的合适设计。例如，该电路能够通过传统的电流数-模转换器来实现。晶体管由n比特二进制字b0、b1、……bn-1控制，并用作负责切换源电流的开关。

电压-电流转换器402被提供作为用于vco增益调整的可编程电路。电压-电流转换器402根据所提供的vco增益编程代码k从输入电压产生第二电流i2。在图3中，表示电压-电流转换器402的框图示出了跨导gm对vco增益编程代码k的比特串的功能依赖性。输出电流i2是gm和输入电压的乘积，在校准期间输入电压是参考电压vref。

图4是用于vco增益调整的可编程电路图。它示出了晶体管级的可编程电路的合适设计。该电路能够通过电压-电流转换器实现。根据图4的电压-电流转换器的跨导能够被调整。图4中示意性地示出了恒定跨导电路700，其用于提供偏置电流。晶体管由n比特二进制字b0、b1、……bn-1控制，并用作负责切换源电流的开关。通过切换电路的每个差分支路，能够获得可编程电路的不同跨导

可以采用分压器来提供参考电压vref。例如，它能够用晶体管实现。分压器尤其可以是电压-电流转换器402的一部分，特别地作为集成电路。在图4中所示的用于vco增益调整的可编程电路中，分压器720由电源电压vdd和地之间的串联连接的两个电阻器r形成。这种分压器具有能够制造得非常小的优点。此外，由于分压器720总是产生相同的电压，不管开关sw1、sw2如何，校准期间施加的电压与正常pll操作期间施加的电压的失配不会引起误差。

电流求和电路406被提供用来对数-模转换器404产生的第一电流i1和电压-电流转换器402产生的第二电流i2进行求和。电流求和电路406可以是能用于对电流求和的任何电路，例如尤其是电流镜。作为示例，图5示出了简单电流镜408、级联电流镜410和宽摆幅级联电流镜412。

以下是对压控振荡器308的校准的描述。在校准期间，将预先选择的参考电压vref持续施加到压控振荡器308的电压输入端in。为此目的，断开第一开关sw1以中断环路滤波器304、306和压控振荡器308之间的连接，并且闭合第二开关sw2。特别地，通过第二开关sw2使另一反馈回路322闭合。

在校准的第一阶段，断开第三开关sw3并闭合第四开关sw4，使得调整电路316仅由vco中心频率编程代码l编程。特别地，对于根据图2的调整电路316，由vco中心频率编程代码l对数-模转换器404编程，并且相应地产生第一电流i1。由vco中心频率编程代码l产生的第一电流i1被指定为i1(l)。由于电压-电流转换器402未被编程，第二电流i2保持恒定。

在电流求和电路406中，将第一电流i1(l)和第二电流i2相加。使用和电流i1(l)+i2来驱动流控振荡器318，流控振荡器318在压控振荡器308的输出端out处产生相应的振荡器频率fosc(l；vref)。

如果振荡器频率fosc(l；vref)不等于期望的vco中心频率，则反复改变vco中心频率编程代码l以调节调整电路316的输出电流i1(l)+i2，直到流控振荡器318产生期望的振荡器频率fosc*。产生期望振荡器频率fosc*＝fosc(lfinal；vref)的最终vco中心频率编程代码lfinal被选择作为用于控制调整电路316的设置，并且特别地，数-模转换器404产生的第一电流i1(lfinal)在以下校准阶段保持。

在校准的第二阶段，闭合第三开关sw3并断开第四开关sw4，使得仅由vco增益编程代码k对调整电路316进行编程。特别地，由vco增益编程代码k对电压-电流转换器402编程，并且相应地产生第二电流i2。由vco增益编程代码k产生的第二电流i2被指定为i2(k)。由于数-模转换器404未被编程，第一电流i1＝i1(lfinal)保持恒定。再次使用电流求和电路406提供的和电流i1+i2(k)来驱动流控振荡器318，流控振荡器318在压控振荡器308的输出端out处产生相应的振荡器频率fosc(k)。

当对应于所应用的vco增益编程代码k的电压v(k)与参考电压vref不相同时，差为δv＝v(k)-vref，调整电路316在电压v(k)施加到压控振荡器308时产生的电流与调整电路316在电压vref施加到压控振荡器308时产生的电流之间存在相应的差δi。特别地，对于根据图2的调整电路316，电流差δi由电压-电流转换器402生成的不同的第二电流i2(k)、i2ref产生。在这种情况下，电流差δi是和电流i1+i2(k)与和电流i1+i2ref之间的差，该差为δi＝δi2＝i2(k)-i2ref。

当对应于应用的vco增益编程代码k的电压v(k)被施加到压控振荡器308时，产生的输出频率设为fosc(v(k))，当参考电压vref以恒定的第一电流i1(lfinal)施加到压控振荡器308时，产生的输出频率设为fosc(vref)。差fosc(v(k))-fosc(vref)指定为δf。当δf与δi成比例时，压控振荡器308的增益kvco＝δf/δv和跨导gm＝δi/δv成比例。

选择vco增益编程代码k的初始值，由此将施加到压控振荡器308的电压从参考电压vref转换到第一修正电压vref+δv。δv是小的电压差，例如能够在20mv至25mv的范围。在压控振荡器308中产生对应的第一转换振荡器频率f1＝fosc(vref+δv)。然后，将施加到压控振荡器308的电压转换到第二修正电压vref-δv。在压控振荡器308中产生对应的振荡器频率f2＝fosc(vref-δv)。压控振荡器308的增益为kvco＝δf/δv＝(f2-f1)/δv。如果增益不等于期望值，则改变vco增益编程代码k，直到获得最终vco增益编程代码kfinal的期望增益。

因此，能够在第二阶段中校准压控振荡器308的增益而不改变已经在第一阶段中调节的中心频率。在第二阶段中，仅改变了压控振荡器308的特性曲线的斜率。该校准允许针对不同条件调节增益，特别根据与过程、电源电压和温度相关的不同条件来调节增益。

当获得压控振荡器308的期望的特性曲线时，校准完成。闭合第一开关sw1，并断开第二开关sw2。因此，环路滤波器电压vlf被施加到压控振荡器308的电压输入端in，压控振荡器308的输出端out连接到反馈环路320，并且锁相环准备好正常操作。在锁相环的正常操作期间，使用在校准的第一阶段获得的最终vco中心频率编程代码lfinal和在校准的第二阶段获得的最终vco增益编程代码kfinal来调节压控振荡器308。

图9是根据本发明的用于校准pll电路的示例性过程的流程图。根据初始步骤900，在通电之后或响应于校准信号，执行vco中心频率校准。执行开关的第一配置902用于vco中心频率校准，通过该第一配置，第一开关sw1和第三开关sw3断开，并且第二开关sw2和第四开关sw4。然后执行校准的第一阶段904以调节中心频率。随后第一代码冻结906，由此冻结或存储最终数字控制字l以用于在正常pll操作期间调节中心频率。执行开关的第二配置908用于vco增益校准，通过该第二配置，第三开关sw3闭合，并且第四开关sw4断开。然后执行校准的第二阶段910以调节增益。随后第二代码冻结912，由此冻结或存储最终数字控制字k以用于在正常pll操作期间调节增益。执行开关的第三配置914，通过第三配置，第一开关sw1闭合，第二开关sw2断开以禁用校准电路并连接锁相环，然后该锁相环准备用于正常pll操作916。

本发明提高了锁相环在不同条件下的性能稳定性，有助于避免环境干扰。完整的vco和pll电路能够通过集成组件实现。

附图标记列表

302相位/频率检测器

304电荷泵

306低通滤波器

308压控振荡器

310反馈分频器

312第一编程组件

314第二编程组件

316调整电路

318流控振荡器

320反馈环路

322另一反馈环路

402电压-电流转换器

404数-模转换器

406电流求和电路

408电流镜

410级联电流镜

412宽摆幅级联电流镜

700恒定跨导电路

720分压器

900初始步骤

902开关的第一配置

904校准的第一阶段

906第一代码冻结

908开关的第二配置

910校准的第二阶段

912第二代码冻结

914开关的第三配置

916正常的pll操作

b0位

b1位

bn-1位

cl大电容器

cs电容器

fin输入信号的频率

fosc振荡器频率

i电流

i1第一电流

i2第二电流

in电压输入端

in1信号输入端

in2反馈输入端

kvco增益编程代码

lvco中心频率编程代码

out输出端

r电阻

sw1第一开关

sw2第二开关

sw3第三开关

sw4第四开关

vdd电源电压

vlf环路滤波器电压

vref参考电压