专利名称：注入锁定锁相回路的制作方法
技术领域：
本发明有关于锁相回路(phase-locked loops, PLLs)，特别有关于注入锁定锁相回路(injection-locked phase-locked loops, ILPLLS)。
背景技术：
现今模拟前端设计对高性能模拟数字转换器的需求愈来愈高。高性能模拟数字转换器需要使用高取样频率以及低抖动频率。因此，仅以几个微微秒(picoseconds)抖动的锁相回路为理想的选择。为了在相位噪声上有更佳的表现，设计上需要扩展回路带宽，以抑制锁相回路的电压控制振荡器的噪声。关于锁相回路的回路带宽扩展，注入锁定技术(injection-locked technique)是一种解决方案，应用在锁相回路的电压振荡器设计上。然而，不适当的注入时机可能引发破坏性的扰动。因此，此领域需要一种注入时机调整技术。
发明内容
本发明揭露一种其注入窗口(injection window)具有自我对准功能的注入锁定锁相回路。根据本发明一种实施方式所实现的一种注入锁定锁相回路包括一回路滤波器 (loop filter)、一注入脉冲产生器、一注入锁定电压控制振荡器、以及一相位侦测器。该回路滤波器提供一控制电压。该注入脉冲产生器基于一参考振荡信号产生一注入脉冲。该注入锁定电压控制振荡器由上述控制电压以及该注入脉冲控制、且具有一对差动端，用以生成一振荡输出。该控制电压用于调整该振荡输出的频率以及/或相位，且该振荡输出向该注入脉冲对准，使该振荡输出以及该注入脉冲之间的相位差限制于一预设范围内。该相位侦测器耦接该注入锁定电压控制振荡器的该对差动端，且是由该注入脉冲控制。根据该注入脉冲，相位侦测器侦测该对差动端上的信号的相位差，藉此产生一控制信号。所述控制信号用于更加调整该振荡输出以及该注入脉冲之间的相位差。在某些实施方式中，该相位侦测器包括一取样保持电路以及一电压转电流转换器。根据所述注入脉冲，该取样保持电路取样且保持该注入锁定电压控制振荡器的该对差动端上的信号，藉此产生一第一取样保持输出以及一第二取样保持输出。该电压转电流转换器将该第一以及该第二取样保持输出间的一电压差转换为一电流输出，并且供应该电流输出作为上述控制信号。在某些实施方式中，该相位侦测器的该电压转电流转换器所供应的该电流输出可被耦接到该回路滤波器，以调整上述控制电压。如此一来，该振荡输出的相位以及频率随的校正，进而校正该振荡输出以及该注入脉冲之间的差值，从而达成注入窗口的自我校正。在其他实施方式中，该注入锁定锁相回路更包括一延迟线(delay line)。该延迟线耦接该注入脉冲产生器，且是由该相位侦测器的电压转电流转换器所提供的电流输出驱动。如此一来，该注入脉冲的相位随的校正，进而校正该振荡输出以及该注入脉冲之间的差值，从而达成自我校正注入窗口的功能。
图1为根据本发明一种实施方式所实现的一注入锁定锁相回路；图2为本发明的一种实施例，描绘有一注入锁定电压控制振荡器、一相位侦测器 (包括一取样保持电路以及一电压转电流转换器)、以及一差动转单端转换器；图3A以及3B为一注入锁定技术的示意图；图4为根据本发明一种实施方式所实现的电压转电流转换器；图5为根据本发明一种实施方式所实现的另一种注入锁定锁相回路，其中该相位侦测器所供应的控制信号耦接该回路滤波器调整该控制电压；以及图6为根据本发明一种实施方式所实现的另一种注入锁定锁相回路，其中采用一延迟线，且该相位侦测器所提供的控制信号用于驱动该延迟线。
具体实施例方式在本说明书以及权利要求书当中使用了某些词汇来指代特定的组件。本领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。 在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”是一个开放式的用语，因此应解释成“包含但不限定于”。另外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可以直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。图1为根据本发明一种实施方式所实现的一注入锁定锁相回路(简称ILPLL) 100。方块120所示为采用注入锁定技术但无注入窗口自动对准功能的一锁相回路。与传统锁相回路设计(不采用注入锁定技术者)相较，锁相回路方块120同样包括一除频器 102、一相位频率侦测器104、一电荷泵106以及一回路滤波器108。然而，锁相回路120采用一注入脉冲产生器110以及一注入锁定电压控制振荡器112取代传统锁相回路中的电压控制振荡器。注入脉冲产生器110耦接一石英振荡器114。基于该石英振荡器114所提供的一参考振荡信号Ref，注入脉冲产生器110产生一注入脉冲Inj_pulse。在某些实施方式中，注入脉冲产生器110可将该参考振荡信号Ref的工作区间缩短形成该注入脉冲Inj_ pulse.该注入锁定电压控制振荡器112接收该注入脉冲Inj_pulse以及该控制电压Vctrl。 如图所示，该注入锁定电压控制振荡器112具有一对差动端(提供差动信号P与N，同样标号为’ P’与’ N’)，且该对差动信号P与N被耦接至一差动转单端转换器116生成一振荡输出Out。基于该控制电压Vctrl，该注入锁定电压控制振荡器112校正该对差动信号P与N， 进而校正该振荡输出Out的频率以及/或相位。基于该注入脉冲Inj_pulSe，该注入锁定电压控制振荡器112内实行一注入锁定技术。通过该注入锁定技术，该对差动信号P以及N 向该注入脉冲Inj_pulse对准，致使该振荡输出Out向该注入脉冲Inj_pulse对准。进一步的，该振荡输出Out以及该注入脉冲Inj_pulSe之间的相位差因而限制在一预设范围内 (视注入锁定技术的强度而定)。因此，图1所示的整体回路的带宽较传统的锁相回路宽， 可达到低抖动的要求。
为了实现该锁相回路方块120的注入锁定设计的注入窗口自我校正功能，以下介绍一相位侦测器118。相位侦测器118耦接该注入锁定电压控制振荡器112的该对差动端 P与N，且是由该注入脉冲Inj_pulSe控制。根据该注入脉冲Inj_pulse，相位侦测器118侦测该对差动端P与N之间的一相位差，据以生成一控制信号CS。控制信号CS被灌入该锁相回路方块120，帮助调整该振荡输出Out以及该注入脉冲Inj_pulSe之间的相位差(即调整该锁相回路方块以及该注入脉冲产生器之间的不匹配)。如此一来，可在适当的时机进行注入锁定操作，并且提供注入窗口的自我对准回路。图2用于说明本发明一个实施例，其中描绘一注入锁定电压控制振荡器112、一相位侦测器118 (包括一取样保持电路204以及一电压转电流转换器206)、以及一差动转单端转换器116。在图2所示实施方式中，注入锁定电压控制振荡器112包括一差动环式振荡器208 以及一注入开关Minj。该振荡器的尺寸可随环型架构变化。该注入开关Minj用于实现所述注入锁定技术。该差动环式振荡器208包括一驱动控制电路210以及数级的差动延迟单元Dl D4。驱动控制电路210根据该控制电压Vctrl供电给该等差动延迟单元Dl D4，使得串迭的该等差动延迟单元Dl D4所产生的振荡随之调整。该等差动延迟单元Dl D4中任一级的差动输出可更被耦接至一差动转单端转换器，用以产生一振荡输出。如所示实施例，其中是将差动延迟单元D4的差动输出耦接至一运算型放大器116产生一振荡输出Out。此外，该差动延迟单元D4的差动输出更被耦接至该相位侦测器118 (包括一取样保持电路204 以及一电压转电流转换器206)作为上述该对差动端P与N使用。请注意该对差动端P与 N并不限定为该差动延迟单元D4的差动输出。在其他实施方式中，其他差动延迟单元D1、 或D2或D3的差动输出也可被用来实现该对差动端P与N。此外，请注意该差动环式振荡器 208可由其他振荡架构取代。可供应两个信号作差动输出的的振荡器都是合适的选项。关于该注入开关Minj，是耦接在该差动延迟单元D4的差动输出之间(即该对差动端P与N之间)，且是随着该注入脉冲Inj_pulSe导通。为了帮助了解该注入锁定技术，图 3B图3A以及第3B图为该注入锁定的效应。图3B图3A上方的波形显示一差动环式振荡器的振荡(观察自信号P与N)的相位落后一注入脉冲Inj_pulSe。通过注入锁定程序(参阅图3B图3A的下方波形)，该差动环式振荡器的振荡落后该注入脉冲Inj_pulSe的状况被限制在一预设范围，所述预设范围随该注入锁定设计决定。所述注入锁定技术可产生较宽的回路带宽。相反地，第3B图上方波形显示一差动环式振荡器的振荡(观察自信号P与N) 领先一注入脉冲Inj_pulSe的状况。通过注入锁定程序(参阅第3B图下方波形)，该差动环式振荡器的振荡领先该注入脉冲Inj_pulSe的状况限制在该特定范围内。注入锁定程序实行前、后所观察到的相位误差分别为Φ、Φ’。因此，一注入强度β可定义为(Φ-Φ ‘)/ Φ。 回到图2，此段落讨论该取样保持电路204以及该电压转电流转换器206所组成的相位侦测器118。该取样保持电路204耦接该注入锁定电压控制振荡器112所提供的该对差动端P与N。根据该注入脉冲Inj_pulse，该取样保持电路204取样并且保持差动信号 P以及N，以产生一第一取样保持输出SHP以及一第二取样保持输出SHN。参考图3B图3A 以及第3B图的下方波形，其中显示有根据该注入脉冲Inj_pulse所取样的第一以及第二取样保持输出SHP以及SHN。电压转电流转换器206负责将该第一以及该第二取样保持输出 SHP以及SHN之间的电位差值转换为一电流输出，以作为控制信号CS使用。在图2所示实施例中，该取样保持电路204包括一第一电容Cl、一第二电容C2、一第一取样开关Msl以及一第二取样开关Ms2。第一电容Cl以及第一取样开关Msl负责信号 P的取样以 及保持，且第二电容C2以及第二取样开关Ms2负责信号N的取样以及保持。第一以及第二取样开关Msl以及Ms2皆是根据该注入脉冲Inj_pulSe导通，使得差动端P与N 的状态被取样并且保持在该第一以及该第二电容Cl以及C2中，以形成该第一以及该第二取样保持输出SHP以及SHN。请注意该电路204非意图限定所述取样保持电路的设计。电路204可被其他的取样保持设计取代。图4为根据本发明一种实施方式所实现的一电压转电流转换器206。在该电压转电流转换器206中，一第一偏压电流源Ibl是由一第一电流镜(由金氧半晶体管M11、M12、 M13、M14以及M15组成)以及一第二电流镜(由金氧半晶体管M21、M22以及M23组成)共享。根据该第一以及该第二取样保持输出SHP以及SHN，上述第一以及第二电流镜产生一第一电流Il以及一第二电流12。该第一以及该第二电流镜耦接该电压转电流转换器206的一输出端VIout，以提供该第一以及该第二电流Il以及12之间的一电流差作为该电压转电流转换器206的电流输出。图4所示的电压转电流转换器206中使用有四个开关Ml M4以及一单位增益缓冲器402，用以耦接上述第一以及第二电流镜至该电压转电流转换器206的该输出端 VIout ；此外，图例更介绍了一脉冲产生器404，负责控制上述四个开关Ml M4。为了控制上述四个开关Ml M4，脉冲产生器404产生一电流路径设定脉冲SW以及该电流路径设定脉冲SW的反相信号SWB。所述第一开关Ml可由一 P型金氧半晶体管实现，随该电流路径设定脉冲SW的反相信号SWB导通，以耦接该第一电流镜的输出端01至该电压转电流转换器 206的输出端VIout。该第二开关M2可由一N型金氧半晶体管实现，根据该电流路径设定脉冲SW导通，以耦接该第二电流镜的输出端02至该电压转电流转换器206的输出端VIout。 该第三开关M3以及该第四开关M4连接在一连接端tl，可分别由一 P型金氧半晶体管以及一 N型金氧半晶体管实现。该第三开关M3是根据该电流路径设定脉冲SW导通，以耦接该第一电流镜的该输出端01至该连接端tl。该第四开关M4是根据信号SWB导通，以耦接该第二电流镜的该输出端02至该连接端tl。该单位增益缓冲器402具有一输入端耦接该电压转电流转换器206的输出端VIout、且具有一输出端耦接该连接端tl。如图所示，该电压转电流转换器206仅在该电流路径设定脉冲SW为作用状态时提供电流输出(经由输出端点VIout)。请留意上述四个开关Ml M4、单位增益缓冲器402以及脉冲产生器404为所述电压转电流转换器206内的非必要组件。与不具备该些非必要组件的电压转电流转换器相较，图标的电压转电流转换器206的电流输出维持在较适当的量、不会过小；理由是电压转电流转换器206的操作区间是有限制的。如此一来，电压至电流转换所产生的噪音可被有效压制，尤其是带频相位噪声(in-band phase noise)部分。图4的实施方式更显示脉冲产生器404可由一第二偏压电流源Ib2偏压。为了降低芯片变异性问题，第二偏压电流源Ib2可自该第一偏压电流源Ibl镜射产生。此外，如图所示，脉冲产生器404可基于石英振荡器(图1的组件114)所供应的参考振荡信号Ref产生该电流路径设定脉冲SW以及其反相信号SWB。
图5为根据本发明技术实现的另外一种注入锁定锁相回路200，其中，相位侦测器 118所供应的控制信号CS(例如，一电流输出)是耦接该回路滤波器108以校正该控制电压Vctrl。在某些实施方式中，该相位侦测器118—开始不动作，直至该振荡输出Out稳定 (例如，达到一预定程度)。该振荡输出Out的微调乃是基于该相位侦测器118的侦测以及该控制电压Vctrl的调整。如此一来，该振荡输出Out以及该注入脉冲Inj_pulse之间的相位差随之调整，改善所述注入锁定技术所使用的注入窗口。以上结构实现所谓注入窗口自我对准。
图6为根据本发明所实现的另外一种注入锁定锁相回路300，其中介绍有一延迟线602。如图所示，延迟线602耦接于该石英振荡器114以及该注入脉冲产生器110之间， 由该相位侦测器118所提供的该控制信号CS(例如，一电流输出)驱动。如此一来，该注入脉冲Inj_pulse的相位的调整乃基于该相位侦测器118所作的侦测以及该延迟线602所作的延迟控制。如此一来，该振荡信号Out以及该注入脉冲Inj_pulse之间的相位差随之调整，注入锁定技术所使用的注入窗口也有所改善。所述技术成功实现注入窗口自我对准。以上图5以及图6所述内容并非意图限定本发明的范围。该相位侦测器118所提供的控制信号CS可应用于控制一传统锁相回路的其他组件。所述概念涉及使用该相位侦测器118的侦测来调整该振荡输出Out以及该注入脉冲Inj_pulse之间的相位差，藉以实现注入窗口自我对准。虽然本发明已以较佳实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的范围内，可以做一些改动，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种注入锁定锁相回路，包括 一回路滤波器，提供一控制电压；一注入脉冲产生器，基于一参考振荡信号产生一注入脉冲；一注入锁定电压控制振荡器，其包括一对差动端用于产生一振荡输出，其中，该振荡输出的一频率以及/或一相位根据上述控制电压进行调整，且该振荡输出向该注入脉冲对准，以限制该振荡输出以及该注入脉冲之间的一相位差；以及一相位侦测器，耦接该注入锁定电压控制振荡器的该对差动端，根据该注入脉冲侦测该对差动端的信号的一相位差，藉以产生一控制信号，其中该控制信号用于校正该振荡输出以及该注入脉冲之间的该相位差。
2.如权利要求1所述的注入锁定锁相回路，其特征在于，该相位侦测器包括一取样保持电路，根据该注入脉冲取样且保持该注入锁定电压控制振荡器的该对差动端上的信号，以产生一第一取样保持输出以及一第二取样保持输出；以及一电压转电流转换器，将该第一以及该第二取样保持输出之间的一电压差转换为一电流输出，以提供上述控制信号。
3.如权利要求2所述的注入锁定锁相回路，其特征在于，该相位侦测器的该电压转电流转换器所产生的该电流输出耦接该回路滤波器以调整该控制电压。
4.如权利要求2所述的注入锁定锁相回路，更包括一延迟线，耦接该注入脉冲产生器，且由该相位侦测器内该电压转电流转换器所提供的该电流输出驱动。
5.如权利要求3或4所述的注入锁定锁相回路，更包括 一除频器，将该振荡输出的该频率除频，以产生一降频振荡信号；一相位与频率侦测器，侦测该降频振荡信号以及该参考振荡信号之间的一相位差以及一频率差，以产生一电荷泵控制信号；以及一电荷泵，由该电荷泵控制信号控制，以调整该回路滤波器所提供的该控制电压。
6.如权利要求3或4所述的注入锁定锁相回路，其特征在于，该注入锁定电压控制振荡器包括一差动环式振荡器，以其中一级的差动输出作为上述该对差动端；以及一注入开关，根据该注入脉冲导通，以短路上述该对差动端。
7.如权利要求5所述的注入锁定锁相回路，其特征在于，该取样保持电路包括一第一电容以及一第二电容；以及一第一取样开关以及一第二取样开关，皆由该注入脉冲导通，以分别耦接该注入锁定电压控制振荡器的该对差动端至该第一以及该第二电容，其中该第一以及该第二电容分别供应该第一以及该第二取样保持输出。
8.如权利要求3或4所述的注入锁定锁相回路，其特征在于，该相位侦测器的该电压转电流转换器包括一第一偏压电流源；以及一第一电流镜以及一第二电流镜，共享该第一偏压电流源，以根据该第一以及该第二取样保持输出产生一第一电流以及一第二电流，其中该第一电流镜以及该第二电流镜耦接该电压转电流转换器的一输出端，以提供该第一以及该第二电流之间的一电流差作为该电压转电流转换器的上述电流输出。
9.如权利要求8所述的注入锁定锁相回路，其特征在于，该相位转换器的上述电压转电流转换器更包括一脉冲产生器，产生一电流路径设定脉冲；一第一开关，根据该电流路径设定脉冲的一反相信号导通，以耦接该第一电流镜的一输出端至该电压转电流转换器的该输出端；一第二开关，根据该电流路径设定脉冲导通，以耦接该第二电流镜的一输出端至该电压转电流转换器的该输出端；一第三开关以及一第四开关，连接于一连接端，其中该第三开关是根据该电流路径设定脉冲导通，以耦接该第一电流镜的该输出端至该连接端，且该第四开关是根据该电流路径设定脉冲的该反相信号导通，以耦接该连接端至该第二电流镜的该输出端；以及一单位增益缓冲器，具有一输入端耦接该电压转电流转换器的该输出端，且具有一输出端耦接该第三以及该第四开关之间的该连接端。
10.如权利要求9所述的注入锁定锁相回路，其特征在于，该脉冲产生器是由一第二偏压电流源镜射该第一偏压电流源偏压。
11.如权利要求9所述的注入锁定锁相回路，其特征在于，该脉冲产生器乃基于石英振荡器所提供的上述参考振荡信号产生该电流路径设定脉冲。
全文摘要
本发明提供具有注入窗口自我对准功能的一种注入锁定锁相回路(ILPLL)。在所述ILPLL中供应有一相位侦测器，侦测该ILPLL中一注入锁定电压控制振荡器(ILVCO)内一对差动端的一相位差。根据侦测结果，该相位侦测器产生一控制信号，将产于该ILVCO该对差动端上的一振荡信号与该ILVCO所使用的一注入脉冲对准，从而达成自我校正注入窗口的功能。
文档编号H03L7/099GK102404003SQ201110263579
公开日2012年4月4日 申请日期2011年9月7日 优先权日2010年9月10日
发明者梁哲夫, 萧耕然 申请人:联发科技股份有限公司