专利名称：锁相回路系统的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种锁相回路系统。
背景技术：
锁相回路系统被广泛使用在模拟及数字电路。这些系统典型地包括一相位频率检测器、一电荷泵及一压控振荡器(voltage-controlled oscillator,VC0)。VCO产生锁相回路系统的一输出信号，此输出信号的频率趋向并最终锁定于一目标频率，此目标频率基于输入相位频率检测器的一参考信号而得到。当锁相回路系统接近匹配时，输出信号的频率或是相位可能会产生抖动。最小化或是降低不受控制的抖动是锁相回路系统中的一个重要设计议题。
发明内容
本发明是有关于一种锁相回路系统，可以改善单位增益频率一致性。根据本发明的第一方面，提出一种锁相回路系统，包括一电荷泵、一压控振荡器以及一偏压转换器。电荷泵基于一相位频率检测信号而输出一控制电压，并依据一偏压信号而产生一输出电流。压控振荡器依据控制电压产生一输出信号。偏压转换器I禹接于压控振荡器与电荷泵之间，用以依据控制电压产生偏压信号。根据本发明的第二方面，提出一种锁相回路系统，包括一电荷泵、一压控振荡器以及一偏压转换器。电荷泵基于一相位频率检测信号而输出一控制电压，并依据一偏压信号而产生一输出电流。压控振荡器依据控制电压产生一输出信号。偏压转换器I禹接于压控振荡器与电荷泵之间，其包括一第一晶体管及一电流转电压区块。第一晶体管被控制电压偏压以产生与控制电压成比例的一电流。电流转电压区块接收电流，并依据电流输出偏压信号。为了对本发明的上述及其它方面有更佳的了解，下文特举一实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
图1绘示依照一实施范例的锁相回路系统的方块图。图2A绘示依照一实施范例的偏压转换器的电路图。图2B绘示依照另一实施范例的偏压转换器的电路图。图3绘示依照一实施范例的电荷泵的电路图。图4绘示依照一实施范例的增益频率与相位边际的示意图。[主要元件标号说明]100:锁相回路系统110:相位频率检测器120:电荷泵122:第一差动偏压电流源123:第一主动 负载124:第二差动偏压电流源
125:第二主动负载130:压控振荡器140、140’:偏压转换器142:电流转电压区块144:电流源区块150:滤波器160:除频器
具体实施例方式本发明所提出的锁相回路(phase-locked loop, PLL)系统,可以改善在不同乘数N值下单位增益频率一致性(consistency),故可以扩展频率乘除运算的范围。本发明提出一种锁相回路系统，包括一电荷泵、一压控振荡器以及一偏压转换器。电荷泵基于一相位频率检测信号而输出一控制电压，并依据一偏压信号而产生一输出电流。压控振荡器依据控制电压产生一输出信号。偏压转换器耦接于压控振荡器与电荷泵之间，用以依据控制电压产生偏压信号。请参照图1，其绘示依照一实施范例的锁相回路系统的方块图。锁相回路系统100 包括一相位频率检测器(phase frequency detector, PFD)110、一电荷泵(chargepump) 120、一压控振荡器(voltage-controlledoscillator, VC0) 130、一偏压转换器(biasconverter) 140、一滤波器150以及一除频器(divider) 160。其中，滤波器150 I禹接于电荷泵120与压控振荡器13 0之间；除频器160耦接于压控振荡器130与相位频率检测器110之间。锁相回路系统100会产生一输出信号CKVC0，此输出信号CKVCO的频率趋向并最终锁定于一目标频率，此目标频率基于输入相位频率检测器110的一参考信号CKREF而得到，例如为参考信号CKREF的频率的N倍而得，如等式(I)所式。F (CKVCO) = NXF(CKREF) eq.(I)相位频率检测器110接收参考信号CKREF与一反馈信号CKFB，并比较参考信号CKREF与反馈信号CKFB的频率以产生一相位频率检测信号UP/DN至电荷泵120。其中反馈信号CKFB例如由除频器160将输出信号CKVCO除以N倍频而产生。相位频率检测器110实质上可检测到输出信号的频率CKVCO与目标频率间的差异。电荷泵120基于相位频率检测信号UP/DN而输出一控制电压VCNTL，并依据一偏压信号BN而产生一输出电流IP，其中输出电流Ip是安排为与控制电压VCNTL成比例，如等式(2)所式。VCNTL a Ip eq.(2)压控振荡器130依据控制电压VCNTL产生输出信号CKVC0，输出信号CKVCO的频率与控制电压VCNTL成比例，如等式(3)所式，其中K为常数。F(CKVCO) = KXVCNTL eq.(3)偏压转换器140耦接于压控振荡器130与电荷泵120之间，用以依据控制电压VCNTL产生偏压信号BN。综合上述等式(I) (3)，可以得到等式(4)。由等式(4)中可以得知，在本实施范例中，输出电流Ip与除频器160的乘数N值成比例。F(CKVCO) = NXF(CKREF) = KXVCNTL Ip eq.(4)兹举滤波器150具有一串联电容(；、一串联电阻R以及一并联电容Cp为例做说明，并假定本实施例中的锁相回路系统100为三阶锁相回路。承上，可以得到单位增益频率ω ，如等式(5)所示。eq.(5)观察等式(5)可以得知，由于本实施例将输出电流Ip设定为与除频器160的乘数N值成比例，可使得使单位增益频率实质上为固定不变。换言之，即使N值改变，单位增益频率《 仍可维持为定值，进一步扩展频率乘除运算或输出频率的范围，并使锁相回路系统100维持良好的稳定性。较佳地，偏压转换器140可配置为依据控制电压VCNTL产生一第一电流，其中第一电流并安排为与控制电压VCNTL成比例，偏压转换器140并依据第一电流输出偏压信号ΒΝ。请参照图2Α，其绘示依照一实施范例的偏压转换器的电路图。偏压转换器140包括一第一晶体管Ml以及一电流转电压区块142。第一晶体管Ml被控制电压VCNTL偏压在一三极体区以产生与控制电压VCNTL成比例的一第二电流12。电流转电压区块142接收第二电流12，并依据第二电流I2输出偏压信号ΒΝ。换言之，于此实施例中，第二电流I2是作为第一电流I1的一电流成分。图2Α亦显示电流转电压区块142的一细部架构的实施例。如图2Α所示，电流转电压区块142可包括一第二晶体管M2以及一放大器143。第二晶体管M2具有一第一端率禹接至第一晶体管Ml并接收第二电流I2以作为第一电流I1的电流成分。放大器143具有一第一输入端稱接至第二晶体管M2的第一端,一第二输入端接收一输入电压VD, —输出端率禹接至第二晶体管M2的控制端，并依据第一电流I1输出偏压信号ΒΝ。图2Α所示的偏压转换器140适用于参考信号CKREF的频率固定，且对应于不同的N值以使得输出信号CKVCO的频率趋向于不同的目标频率。请参照图2Β，其绘示依照另一实施范例的偏压转换器的电路图。如图2Β所示，偏压转换器140可还包括一电流源区块144，受控于一选择信号CSSEL，以复制第二电流I2而产生一第三电流I3作为第一电流I1的另一电流成分，并提供第三电流I3至电流转电压区块142，以使电流转电 压区块142依据第一电流I1 (此时为第二电流I2与第三电流I3的和)来输出偏压信号ΒΝ。更具体言之，电流源区块144可包括如图2所示的由第一晶体管Ml分别与多个晶体管Mn MN+m相并联耦接所组成的多个电流镜。此些电流镜受控于选择信号CSSEL而导通或关闭，并用以复制第二电流I2为一第三电流I3，且提供第三电流I3至电流转电压区块142以作为第一电流I1在第二电流I2外的另一电流成分。选择信号CSSEL实质上指示第三电流I3与第二电流I2间的一复制倍率，此复制倍率例如与参考信号CKREF的频率成反比。举例来说，当目标频率确定，则对应不同的参考信号CKREF，N值改变，输出电流Ip亦要随着N值改变。而输出电流Ip的大小相关于这些电流镜的导通数目。换言之，这些电流镜的导通数目是与参考信号CKREF的频率成反比。当参考信号CKREF的频率较大，N值须较小，输出电流Ip亦较小，选择信号CSSEL控制导通的电流镜数目减少；当参考信号CKREF的频率较小，N值须较大，输出电流Ip亦较大，选择信号CSSEL控制导通的电流镜数目增加。图2B所示的偏压转换器140’适用于目标频率固定，且对应于不同的参考信号CKREF的频率，调整N值/输出电流Ip以使得输出信号CKVCO的频率趋向于目标频率。换言之，通过使得电荷泵120的输出电流Ip与输入信号CKREF的频率成反比，可进一步使得锁相回路系统100在输入频率的大范围中，维持良好的稳定性。如前曾述，偏压信号BN实质上被输出至电荷泵120内的电流镜电路以复制第一电流I1为输出电流Ip。请参照图3，其绘示依照一实施范例的电荷泵的电路图。电荷泵120包括一第一差动偏压电流源122以及一第二差动偏压电流源124。第一差动偏压电流源122耦接至相位频率检测信号的一第一信号成分DN与偏压信号BN，并产生一门控信号。第二差动偏压电流源124耦接至相位频率检测信号的一第二信号成分UP、门控信号与偏压信号BN,并产生控 制电压VCNTL与输出电流Ip。第一差动偏压电流源122可包括一第一偏压晶体管B1、一第一差动输入对(D11,D12)以及一第一主动负载123。第一偏压晶体管BI具有一栅极稱接至偏压信号BN。第一差动输入对(Dn，D12)耦接至第一偏压晶体管BI，并接收第一信号成分DN与其反相信号DNB。第一主动负载123耦接至第一差动输入对(Dn，D12),并产生门控信号。第二差动偏压电流源124可包括一第二偏压晶体管B2、一第二差动输入对(D21,D22)以及一第二主动负载125。第二偏压晶体管B2具有一栅极耦接至偏压信号BN。第二差动输入对(D21，D22)耦接至第二偏压晶体管B2，并接收第二信号成分UP与其反相信号UPB。第二主动负载125耦接至门控信号，并产生控制电压VCNTL与输出电流Ip。综合上述，由于第一电流I1与控制电压VCNTL成比例，且输出电流Ip由第一电流I1复制得到，故输出电流Ip与控制电压VCNTL成比例。此外，输出信号CKVCO的频率与控制电压VCNTL成比例，因此输出电流Ip与输出信号CKVCO的频率成比例，如前述所提的等式
(4)所示。请参照图4，其绘示依照一实施范例的增益频率与相位边际的示意图。在锁相回路系统中，单位增益频率(^会被要求对应到最大相位边际(phase margin),如曲线ClO所示。然而，传统的锁相回路系统在N值改变的情况下，曲线会移动而得到如曲线C20，而使得单位增益频率无法对应到最大相位边际。但在本实施例中，偏压转换器140控制输出电流Ip与乘数N值成比例。如此一来，当N值改变时，电荷泵120的输出电流Ip会跟着改变而补偿掉N改变的量，使得单位增益频率ω υ可以维持不变，而如曲线ClO所示维持于对应到最大相位边际。结果，锁相回路系统100中频率乘除处理的范围，或是输出信号CKVCO的频率范围，可以扩大。本发明上述实施例所揭露的锁相回路系统，通过使得电荷泵的输出电流与N值成正比，故单位增益频率可以维持并对应至最大相位边际，改善在不同乘数N值下的单位增益频率一致性，进而得可以扩展频率乘除运算或输出频率的范围。此外，通过使得电荷泵的输出电流与输入信号的频率成反比，可进一步使得锁相回路系统在输入频率的大范围中，维持良好的稳定性。综上所述，虽然本发明已以多个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。
权利要求
1.一种锁相回路系统,包括: 一电荷泵，基于一相位频率检测信号而输出一控制电压，并依据一偏压信号而产生一输出电流； 一压控振荡器，依据该控制电压产生一输出信号；以及 一偏压转换器，耦接于该压控振荡器与该电荷泵之间，用以依据该控制电压产生该偏压信号。
2.根据权利要求1所述的锁相回路系统，其中该输出电流是与该控制电压成一比例。
3.根据权利要求1所述的锁相回路系统，其中该偏压转换器依据该控制电压以产生一第一电流，该第一电流是与该控制电压成一比例，该偏压转换器并依据该第一电流输出该偏压信号。
4.根据权利要求3所述的锁相回路系统，其中该偏压转换器包括: 一第一晶体管，被该控制电压偏压以产生一第二电流作为该第一电流的一电流成分；以及 一电流转电压区块，接收该第二电流，并依据该第二电流输出该偏压信号。
5.根据权利要求4所述的锁相回路系统，其中该第一晶体管被该控制电压偏压在一三极体区，以产生与该控制电压成比例的该第二电流。
6.根据权利要求4所述的锁相回路系统，其中该电流转电压区块包括: 一第二晶体管，具有一第一端`耦接至该第一晶体管；以及 一放大器，具有一第一输入端稱接至该第二晶体管的第一端，一第二输入端接收一输入电压，一输出端耦接至该第二晶体管的控制端并输出该偏压信号。
7.根据权利要求4所述的锁相回路系统，其中该偏压转换器还包括: 一电流源区块，受控于一选择信号，以复制该第二电流而产生一第三电流作为该第一电流的另一电流成分，并提供该第三电流至该电流转电压区块，以使该电流转电压区块依据该第二电流与该第三电流来输出该偏压信号。
8.根据权利要求7所述的锁相回路系统，其中该电流源区块包括多个电流镜，该多个电流镜的导通数目是受控于该选择信号。
9.根据权利要求7所述的锁相回路系统，还包括一相位频率检测器，接收参考信号与反馈信号，并产生该相位频率检测信号至该电荷泵，其中该反馈信号是依据该输出信号而产生，且该选择信号是取决于该参考信号的频率。
10.根据权利要求9所述的锁相回路系统，其中该选择信号指示该第三电流与该第二电流间的一复制倍率，该复制倍率是与该参考信号的频率成反比。
11.根据权利要求1所述的锁相回路系统，还包括: 一相位频率检测器，接收一参考信号与一反馈信号，并产生该相位频率检测信号至该电荷泵，其中该反馈信号是依据该输出信号而产生。
12.根据权利要求11所述的锁相回路系统，还包括: 一除频器，耦接于该压控振荡器与该相位频率检测器之间。
13.根据权利要求1所述的锁相回路系统，还包括: 一滤波器，耦接于该电荷泵与该压控振荡器之间。
14.根据权利要求1所述的锁相回路系统，其中该偏压转换器包括:一第一晶体管，具有一控制端耦接至该控制电压； 一第二晶体管，具有一第一端耦接至该第一晶体管的一第一端；以及一放大器，具有一第一输入端稱接至该第二晶体管的第一端，一第二输入端稱接一输入电压，一输出端耦接至该第二晶体管的一控制端并输出该偏压信号。
15.根据权利要求14所述的锁相回路系统，其中该偏压转换器还包括: 多个电流镜，与该第一晶体管相并联耦接，并受控于一选择信号而导通或关闭。
16.根据权利要求15所述的锁相回路系统，还包括一相位频率检测器，接收参考信号与反馈信号，并产生该相位频率检测信号至该电荷泵，其中该反馈信号是依据该输出信号而产生，该选择信号是取决于该参考信号的频率，且该偏压转换器的该些电流镜的导通数目是与该参考信号的频率成反比。
17.根据权利要求1所述的锁相回路系统，其中该电荷泵包括: 一第一差动偏压电流源，耦接至该相位频率检测信号的一第一信号成分与该偏压信号，并产生一门控信号；以及 一第二差动偏压电流源，耦接至该相位频率检测信号的一第二信号成分、该门控信号与该偏压信号，并产生该控制电压与该输出电流。
18.根据权利要求17所述的锁相回路系统，其中该第一差动偏压电流源包括: 一第一偏压晶体管，具有一栅极耦接至该偏压信号； 一第一差动输入对，耦接至该第一偏压晶体管，并接收该第一信号成分与其反相信号；以及 一第一主动负载，耦接至该第一差动输入对，并产生该门控信号。
19.根据权利要求17所述的锁相回路系统，其中该第二差动偏压电流源包括: 一第二偏压晶体管，具有一栅极耦接至该偏压信号； 一第二差动输入对，耦接至该第二偏压晶体管，并接收该第二信号成分与其反相信号；以及 一第二主动负载，耦接至该门控信号，并产生该控制电压与该输出电流。
20.—种锁相回路系统,包括: 一电荷泵，基于一相位频率检测信号而输出一控制电压，并依据一偏压信号而产生一输出电流； 一压控振荡器，依据该控制电压产生一输出信号；以及 一偏压转换器，耦接于该压控振荡器与该电荷泵之间，包括: 一第一晶体管，被该控制电压偏压以产生与该控制电压成比例的一电流；及 一电流转电压区块，接收该电流，并依据该电流输出该偏压信号。
21.根据权利要求20所述的锁相回路系统，其中该偏压转换器还包括: 一电流源区块，受控于一选择信号，以复制该电流来产生另一电流，并提供该另一电流至该电流转电压区块，以使该电流转电压区块依据该电流与该另一电流来输出该偏压信号。
22.根据权利要求21所述的锁相回路系统，还包括: 一相位频率检测器，接收一参考信号与一反馈信号，并产生一相位频率检测信号至该电荷泵；其中，该电流源区块包括多个电流镜，该多个电流镜的导通数目是与该参考信号的频率成 反比。
全文摘要
一种锁相回路系统，包括一电荷泵、一压控振荡器以及一偏压转换器。电荷泵基于一相位频率检测信号而输出一控制电压，并依据一偏压信号而产生一输出电流。压控振荡器依据控制电压产生一输出信号。偏压转换器耦接于压控振荡器与电荷泵之间，用以依据控制电压产生偏压信号。
文档编号H03L7/08GK103248359SQ201210024720
公开日2013年8月14日 申请日期2012年2月6日 优先权日2012年2月6日
发明者许哲豪 申请人:联咏科技股份有限公司