专利名称：具有环路增益校正功能的锁相环频率综合器的制作方法
技术领域：
本发明属于电子通信或无线射频技术领域，特别涉及要求环路增益恒定的高性能锁相 环频率综合器。
背景技术：
目前，锁相环频率综合器广泛应用于电子通信和无线射频技术领域，已成为现代无线 通信不可缺少的模块，在一些系统中要求锁相环频率综合器的环路增益保持恒定，比如， 在GSM系统发射机中的锁相环环路增益要求恒定，传统的GSM手机发射机多采用偏移锁相 环由于较低的噪声特性，但是随着sigma-delta调制技术的成熟，目前，锁相环基本上都 采用sigma-delta PLL,因为其与偏移锁相环相比可以达到同等的噪声性能却消耗较低的功 耗。由于Sigma-delta锁相环发射机对环路增益或带宽的变化非常敏感，当环路增益或带 宽小于所设计的值时，调制相位误差就会恶化；当环路增益或带宽大于所设计的增益或带 宽时，相位噪声就会被恶化，因此必须对sigma-delta锁相环的环路增益或带宽进行校JF。 sigam-delta锁相环环路增益或带宽变化带来的不是调制相位误差的恶化就是相位噪声的 恶化，不只是GSM系统发射机中要克服的，实际上在任何高性能的sigma-delta锁相环中 都是需要解决的问题。幸运的是，工程师们一直都在努力的解决这些问题，并且校正了部 分影响环路增益或带宽的变化的参数，比如分频比因子N变化引起环路增益或带宽的变化， 环路滤波器中RC的变化导致环路增益或带宽的变化等都得到了校正，并得到了广泛的应用。
引起环路增益或带宽变化的因数有工艺、温度、电压、频率和老化现象等，但是目前 存在的校正方法非常片面单一，校正程度有限。
文献[l] Takashi Morie， Shiro Dosho and Kouji 0kamoto elx, ， -90dBCkHz Phase Noise Fractiorml-N Frequency Synthesizer with Accurate Loop Bandwidth Control Circuit" 2005 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical papers。 为了得至U 较好的相位噪声，对环路带宽或环路增益进行了校正，文献是通过数字控制单元校正压控 振荡器的增益和环路滤波器的时间常数，用模拟单元补偿温度对环路带宽或增益的影响， 如图1 (a)所示 一个温度控制模块(102)， 一个环路滤波器时间常数控制模块(100)， 一个压控振荡器增益控制模块(101)，在增益和时间常数控制的数字模块里都使用了计数 器，并且计数器直接对压控振荡器的输出频率脉冲进行计数，因此该种方法只适用于输出 频率兆赫兹量级的锁相环，对于频率是吉赫兹量级的锁相环，这种方法显然是行不通的， 因为对压控振荡器输出脉冲直接计数的计数器在数字电路虽是不可能实现的，即使用模拟 电路设计也是有困难的，即使实现了，功耗也是非常惊人的。
文献[2] Jan C，inckx， and Michel S. J. Steyaert' "A Fully Integrated CMOS DCS-l簡Frequency Synthesizer" IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 33,NO. 12， December 1998。仅是对变化比较大的压控振荡器的增益进行了校正，以期得到稳 定的环路增益。其校正原理是基于环路增益正比于电荷泵电流与压控振荡器增益之乘积， 通过对压控振荡器增益分段线性化，然后通过电荷泵电流阵列导通与关闭进行分段补偿得 到压控振荡器增益与电荷泵电流的乘积不变，此种方法的不足是影响环路增益的因数很多， 此文献方法仅仅可以补偿压控振荡器增益对环路增益的影响，而且分段线性技术的精度直 接正比于分段数目，但是随着分段数目的增加，电路也越来越庞大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实现环路增益或带宽的自动校正，结构简单，功耗低的 具有环路增益校正功能的锁相环频率综合器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为具有环路增益校正功能的锁相环频 率综合器，包括锁相环路和增益校正单元。所述的锁相环路由鉴频鉴相器、电荷泵、环路 滤波器、压控振荡器、分频器组成，所述的鉴频鉴相器的一个输入端接参考频率信号，另 一输入端接分频器的输出端，所述的电荷泵的输入端接鉴频鉴相器的输出端，所述的环路 滤波器输入端接电荷泵输出端，所述的压控振荡器的输入端接环路滤波器的输出端，所述 的分频器的输入端接压控振荡器的输出端；所述的增益校正单元由状态机、比较器、两个 模数转换器、复制的电荷泵电流源、复制的环路滤波电阻R组成，所述的比较器的输出端 接状态机的输入端，状态机的输出b位用来控制电荷泵的可变电流源，比较器输入端分别 接两个模数转化器的输出端， 一个模数转换器的输入端接参考电压源，另一个模数转化器 的输入端接到电阻R非地的一端E点。
所述的锁相环路还包括SDM调制器，该SDM调制器的输入端接分频器的输出端，控制 输入端接外部送入的k位模式输入控制位，模式控制位同时也控制压控振荡器和电荷泵， 该SDM调制器的输出送入分频器的模式控制端，以实现分频比的变化。
由于采用了上述的结构，本发明所述的具有环路增益校正功能的锁相环频率综合器实 现了频率综合器的环路增益或带宽的自动校正，而且校正是动态的，对工艺、温度、电压 和寿命等因素都可以自动校正，其单元结构简单，功耗低，特别适合于要求环路增益稳定 的无线射频通信系统。
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细的描述，。
图1是现有的具有环路增益校正功能的频率综合器结构框图2是本发明所述的具有环路增益校正功能的频率综合器结构框图3是N、 Icp、 Kvco和Rl变化引起环路增益变化曲线图4是发明中的具有高稳定性VC0灵敏度的V-F曲线示意图5是本发明中的可控电流源电荷泵结构原理图； 图6是本发明快速校正原理图。
具体实施例方式
如图2所示，本发明所述的具有环路增益校正功能的锁相环频率综合器，包括锁相环 路201和增益校正单元202。所述的锁相环路201由鉴频鉴相器501、电荷泵502、环路滤 波器503、压控振荡器504、分频器505组成，所述的鉴频鉴相器501的一个输入端接参考 频率信号，另一输入端接分频器505的输出端，所述的电荷泵502的输入端接鉴频鉴相器 501的输出端，所述的环路滤波器503输入端接电荷泵502输出端，所述的压控振荡器504 的输入端接环路滤波器503的输出端，所述的分频器505的输入端接压控振荡器504的输 出端；所述的增益校正单元202由状态机507、比较器508、两个模数转换器509、复制的 电荷泵电流源510、复制的环路滤波电阻Rl组成，所述的比较器508的输出端接状态机507 的输入端，状态机507的输出b位用来控制电荷泵502的可变电流源，比较器508输入端 分别接两个模数转化器509的输出端， 一个模数转换器509的输入端接参考电压源，另一 个模数转化器509的输入端接到电阻Rl非地的一端E点。
所述的锁相环路201还包括S面调制器506 (三阶sgma-delta调制器)，该SDM调制 器的输入端506接分频器505的输出端，控制输入端接外部送入的k位模式输入控制位， 模式控制位同时也控制压控振荡器504和电荷泵502，该SDM调制器的输出送入分频器505 的模式控制端，以实现分频比的变化。
本发明的工作原理如下
在高性能要求的锁相环中或是一些发射机锁相环中，环路增益的变化直接影响到系统 的性能或是数据的传输，因此环路增益的稳定是必须的，四阶电荷泵锁相环的开环增益可
以表示为
iV q+C2+c"3 iV (2)
环路增益K也称为环路带宽w。，所以在这里环路增益与环路带宽是等价的，在公式(l) 和(2)中，参数Icp表示电荷泵存放电电流，Kvco表示VCO压控灵敏度，Rl是环路滤波 器零点电阻，N表示分频器分频比值，C2与C3分别是环路滤波器的积分电容与第三极点电 容，^2、 &3和4分别是环路滤波器第二极点、第三极点和零点相关的相位阈度或相位阈 度恶化。影响零极点位置的变化主要是RC常数的变化，同时RC常数的变化也会影响环路 增益K，如公式(2)所示；公式(2)也表明影响环路增益K的变化因素除了RC常数外， 还有Icp、 Kvco及N的变化，在所有这些影响环路增益K变化的因素中，分频比值N是确 定的，由系统要求和电路设计决定的，由模式控制位M决定，因此N的变化带来环路增益
环路增益K表示为
r 一 A/ACi *_^的变化及输出频率的变化在这里可以直接用模式控制位M直接同时控制VC0进行频带选择 和改变电荷泵的电流来补偿由于N变化导致增益变化的影响。其他影响环路增益的因素如 RC常数、Icp、 Kvco和Rl是随工艺、温度、电压和时间而变化的，因此不能像补偿N那样 直接进行补偿，必须采用其他的补偿技术。，
如图3所示的N、 Icp、 Kvco和Rl变化引起环路增益的变化曲线图，在保证环路滤波 器RC常数不变的情况下，N、 Icp、 Kvco和Rl的变化不影响环路零极点的位置，因此我们 可以通过改变电荷泵存放电电流Icp来进行补偿由于N、 Icp、 Kvco和Rl变化所引起的环 路增益变化。
下面结合图2说明补偿由于N、 Icp、 Kvco和Rl变化引起环路增益的变化，分频比N 的变化是直接通过模式控制位M控制的，因此如图2所示，模式控制位直接控制电荷泵电 流源来使电荷泵电流与分频比N同比例变化来补偿由于N变化所引入的环路增益变化。
Kvco变化引入环路增益的变化，这里是通过多频带VCO实现的，如图4所示，图4(a) 是单频带VC0的V-F转化曲线，其频率在整个频带上的变化是通过VC0的输入控制电压Vtune 的变化实现的，因此要覆盖整个频带频率，要么VC0的增益非常高，要么VC0的输入控制 电压Vtune变化范围非常大，这些都会导致VCO的转化增益Kvco的严重不一致。图4 (b) 是本发明采用的多频带VC0的V-F转化曲线，VC0的频带选择控制由模式控制位预先确定， 在每一频带上转化增益非常小而且Vtime的调整范围也非常窄，这就使VC0的转化增益非 常的稳定，从而降低由于Kvco的变化引起环路增益变化的影响。
环路校正单元主要校正Icp和Rl的变化影响，其工作原理是使复制的电荷泵电流流过 复制的环路滤波器零点电阻，正常状态下IcpfRl是一个确定不变的值在E点，数模变换器 ADC把该点的模拟电位转换为数字位，与参考电压通过ADC转化为数字位进行比较，比较器 输出三种比较状态控制状态机的输出，当cru:crd=10时表示Icp*Rl小于参考电压，这时 cru:crd=10控制状态机打开更多的电荷泵电流支路使Icp*Rl增大并向参考电压逼近；当 cru:crd=01时表示Icp*Rl大于参考电压，这时cru:crd=01控制状态机关闭更多的电荷泵 电流支路使Icp*Rl降低并向参考电压逼近；当cru:crd=00时表示Icp*Rl等于参考电压， 这时cru:crd=00控制状态机维持原有的输出电流开关位保持Icp*Rl不变，
如图5所示的电荷泵开关电流源阵列，包括两部分开关阵列， 一是由模式控制位M直 接控制的电流源阵列， 一是由环路校正单元状态机控制的阵列B。
如图6所示的快速校正原理图，其是4位的状态机控制电荷泵电流源比较状态逻辑过 程，这种二分法大大缩短了比较所占用的时间。
总之，本发明虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员 可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括 在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种具有环路增益校正功能的锁相环频率综合器，包括锁相环路(201)和增益校正单元(202)，其特征在于所述的锁相环路(201)由鉴频鉴相器(501)、电荷泵(502)、环路滤波器(503)、压控振荡器(504)、分频器(505)组成，所述的鉴频鉴相器(501)的一个输入端接参考频率信号，另一输入端接分频器(505)的输出端，所述的电荷泵(502)的输入端接鉴频鉴相器(501)的输出端，所述的环路滤波器(503)输入端接电荷泵(502)输出端，所述的压控振荡器(504)的输入端接环路滤波器(503)的输出端，所述的分频器(505)的输入端接压控振荡器(504)的输出端；所述的增益校正单元(202)由状态机(507)、比较器(508)、两个模数转换器(509)、复制的电荷泵电流源(510)、复制的环路滤波电阻R1组成，所述的比较器(508)的输出端接状态机(507)的输入端，状态机(507)的输出b位用来控制电荷泵(502)的可变电流源，比较器(508)输入端分别接两个模数转化器(509)的输出端，一个模数转换器(509)的输入端接参考电压源，另一个模数转化器509的输入端接到电阻R1非地的一端E点。
2. 按照权利要求1所述的具有环路增益校正功能的锁相环频率综合器，其特征在于 所述的锁相环路(201)还包括SDM调制器(506),该SDM调制器的输入端(506)接分频 器(505)的输出端，控制输入端接外部送入的k位模式输入控制位，模式控制位同时也控 制压控振荡器(504)和电荷泵(502)，该SDM调制器的输出送入分频器(505)的模式控 制端，以实现分频比的变化。
全文摘要
本发明公开了一种具有环路增益校正功能的锁相环频率综合器。包括锁相环路和增益校正单元。所述的锁相环路由鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器组成，所述的增益校正单元由状态机、比较器、两个模数转换器、复制的电荷泵电流源、复制的环路滤波电阻R组成。本发明实现了频率综合器的环路增益或带宽的自动校正，而且校正是动态的，对工艺、温度、电压和寿命等因素都可以自动校正，其单元结构简单，功耗低，特别适合于要求环路增益稳定的无线射频通信系统。
文档编号H03L7/18GK101588176SQ200910040360
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月18日 优先权日2009年6月18日
发明者飞 蔡, 陈红林 申请人:广州润芯信息技术有限公司