锁相环电路及压控振荡器的特性曲线的校准方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种锁相环电路及压控振荡器的特性曲线的校准方法。
【背景技术】
[0002]锁相环(PLL, Phase-locked loops)电路是一种利用反馈控制原理实现的频率及相位的同步技术，其作用是将电路的输出信号与其外部的参考信号保持同步。当参考信号的频率或相位发生改变时，锁相环电路会检测到这种变化，并且通过其内部的反馈系统来调节输出信号的频率或相位，直到两者重新同步。锁相环电路的这一特性被广泛应用于时钟信号的发生。
[0003]图1是常见的一种锁相环电路的结构示意图。参考图1，所述锁相环电路包括鉴频鉴相器(PFD, Phase Frequency Detector) 11、电荷泵 12、环路滤波器(LPF, Loop Filter)13、压控振荡器(VC0, Voltage Controlled Oscillator) 14 以及分频器 15。
[0004]所述鉴频鉴相器11适于检测输入信号Vin与分频信号Vdiv的相位差，并输出与所述相位差成正比的误差电压信号；所述电荷泵12适于将所述误差电压信号转化为环路的充放电电流；所述环路滤波器13适于滤除所述电荷泵12输出的高频成分，抑制电压纹波，在所述充放电电流的控制下输出控制电压Vc ;所述压控振荡器14适于产生频率与所述控制电压Vc成正比的输出信号Vout ;所述分频器15适于对所述输出信号Vout进行小数分频，产生所述分频信号Vdiv。
[0005]所述输出信号Vout的频率Fout与所述控制电压Vc的关系如下:Fout=F0+Kvco*Vc,F0为所述控制电压Vc等于零时所述输出信号Vout的频率，也被称为所述压控振荡器14的自由振荡频率，Kvco为所述压控振荡器14的增益。描述压控振荡器输出信号的频率与控制电压之间关系的曲线称之为压控振荡器的特性曲线(tuning curve),图2示出了所述压控振荡器14的理想特性曲线CO和实际特性曲线Cl。
[0006]参考图2，在理想情况下，通常将期望获得的所述输出信号Vout的频率Fout的频率值H)和所述控制电压Vc的理想电压值VO设计在所述理想特性曲线CO的中间，即点PO(V0,F0)位于所述理想特性曲线CO的中心线性区，所述控制电压Vc的理想电压值VO接近于所述控制电压Vc的中心值，以获得足够的电压控制范围及相对线性度最好的区间，所述控制电压Vc的中心值是指所述控制电压的最小电压值Vmin和最大电压值Vmax之和的一半。
[0007]然而，由于所述锁相环电路生产环节中存在不可避免的工艺偏差，构成所述锁相环电路的器件(例如晶体管、电阻、电容等)的性能会偏离其理想性能，这些偏离使得所述压控振荡器14的实际特性曲线Cl偏离其理想曲线CO。因此，想要获得所述输出信号Vout的频率Fout的频率值H)，所述控制电压Vc的实际电压值为VI，即点Pl (VI，FO)偏离了所述实际特性曲线Cl的中心线性区，所述控制电压Vc的实际电压值Vl偏离了所述控制电压Vc的中心值。
[0008]所述压控振荡器14的实际特性曲线Cl偏离其理想曲线CO通常会使得所述锁相环电路的性能恶化，例如出现相位抖动(phase jitter)。极端情况下,所述控制电压Vc的实际电压值Vl可能不在所述控制电压Vc的最小电压值Vmin和最大电压值Vmax之间，所述锁相环电路根本无法产生所需的时钟频率，也就是说，所述压控振荡器14的可控频率变化范围由于工艺偏差被压缩了。
【发明内容】
[0009]本发明解决的是压控振荡器的实际特性曲线与其理想特性曲线偏移造成锁相环电路性能恶化的问题。
[0010]为解决上述问题，本发明提供一种锁相环电路，包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器以及分频器，所述压控振荡器包括至少两个具有不同特性曲线的压控振荡单元；所述锁相环电路还包括:
[0011]频率比较单元，适于比较所述锁相环电路的输入信号的频率与所述分频器产生的分频信号的频率，在所述输入信号的频率与所述分频信号的频率相等时产生第一选择信号，否则产生第二选择信号；
[0012]控制单元，适于在接收到所述第一选择信号时保持选择当前工作的压控振荡单元工作，在接收到所述第二选择信号时选择非当前工作的压控振荡单元工作；
[0013]参考电压产生单元，适于产生参考电压，所述参考电压与所述压控振荡单元的控制电压的中心值相关；
[0014]开关单元，所述开关单元的第一输入端连接所述环路滤波器的输出端，所述开关单元的第二输入端适于接收所述参考电压，所述开关单元的输出端连接所述压控振荡器的输入端，所述开关单元的控制端适于接收第一控制信号，所述第一控制信号适于控制所述开关单元的输出端与所述开关单元的第一输入端连接或者与所述开关单元的第二输入端连接。
[0015]本发明还提供一种压控振荡器的特性曲线的校准方法，所述压控振荡器应用于锁相环电路中，所述锁相环电路包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、分频器以及所述压控振荡器，其特征在于，所述压控振荡器包括至少两个具有不同特性曲线的压控振荡单元，所述校准方法包括:
[0016]断开所述环形滤波器与所述压控振荡器之间的连接；
[0017]施加参考电压至所述压控振荡器，所述参考电压与所述压控振荡单元的控制电压的中心值相关；
[0018]选择所述至少两个具有不同特性曲线的压控振荡单元中的一个压控振荡单元工作；
[0019]判断所述锁相环电路的输入信号的频率与所述分频器产生的分频信号的频率是否相等；
[0020]若所述输入信号的频率与所述分频信号的频率相等，则保持选择当前工作的压控振荡单元工作，并停止施加所述参考电压，连接所述环形滤波器和所述压控振荡器；
[0021]若所述输入信号的频率与所述分频信号的频率不等，则选择非当前工作的压控振荡单元工作。
[0022]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0023]本发明技术方案提供的锁相环电路中的压控振荡器包括至少两个具有不同特性曲线的压控振荡单元。在校准所述压控振荡器的特性曲线时，通过开关单元断开环路滤波器与所述压控振荡器的连接，施加参考电压至所述压控振荡单元，再通过比较分频信号与输入信号的频率，判断期望获得的输出频率的频率值与其对应的控制电压是否在当前工作的压控振荡单元的特性曲线中间。
[0024]若所述分频信号与所述输入信号的频率相等，表示期望获得的输出频率的频率值与其对应的控制电压在当前工作的压控振荡单元的特性曲线中间，则保持选择当前工作的压控振荡单元工作，并停止施加所述参考电压至所述压控振荡器，连接所述环形滤波器和所述压控振荡器，校准结束；若所述分频信号与所述输入信号的频率不等，表示期望获得的输出频率的频率值与其对应的控制电压不在当前工作的压控振荡单元的特性曲线中间，则切换至另一压控振荡单元工作，继续比较所述输入信号与所述分频信号的频率。
[0025]本发明技术方案通过在所述压控振荡器中设置多个具有不同特性曲线的压控振荡单元，将期望获得的输出频率的频率值与其对应的控制电压定位在当前工作的压控振荡单元的特性曲线中间，减小了由所述压控振荡器的非线性特性引起的相位抖动，提升了所述锁相环电路的整体性能，所述锁相环电路在生产过程中的产生良率提高。
[0026]本发明技术方案利用所述锁相环电路本身的输入信号作为校准源，而没有采用其他额外受工艺、温度、电压等因素影响的模拟电压源或模拟电流源作为校准源，所述输入信号通常由晶体振荡器产生，因此，校准结果的精确度高。
[0027]本发明技术方案利用了所述锁相环电路本身的大部分电路对所述压控振荡器的特性曲线进行校准，只增加了参考电压产生单元、开关单元、频率比较单元以及控制单元，增加的各单元均可以采用简单的模拟电路或数字电路实现，校准结果几乎不受工艺变化影响，同时校准结果的精度可控。
[0028]由于在多数锁相环电路中，电荷泵电流平衡点输出电压和压控振荡器的控制电压的中心值均是锁相环电路的电源电压的二分之一，因此，在本发明的可选方案中，所述参考电压为所述锁相环电路的电源电压的二分之一，该参考电压的选择可以对准电流型电荷泵最佳电流平衡输出电压，消除由不平衡电流造成的参考频率噪声带(Reference Spur )。
[0029]本发明的可选方案中，所述参考电压产生单元包括两个阻值相等的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻串联以产生所述参考电压。由于所述参考电压产生单元的电路结构简单，因此，所述参考电压的精确度高，不受工艺变化影响。
[0030]本发明的可