专利名称：积分速率可变的单位增益正反馈积分器及时钟恢复电路的制作方法
技术领域：
本发明属于积分器领域，尤其涉及一种积分速率可变的单位增益正反馈积分器及时钟恢复电路。
背景技术：
积分器的主要作用是输出信号等于输入信号的时间积分。积分器的主要性能参数为积分速率和对积分值的保持能力。对于电容型的积分器，充电电流大小和电容值决定了积分速率，而电容上的漏电流的大小决定了积分器对积分结果的保持能力。电容型积分器用电容来存储和保持电荷。通常的积分器是由运放通过增益接近无限大的负反馈实现的。然而，高的开环增益要求较好的补偿来保证运放的稳定性，这种补偿是比较困难的，尤其是在一些要求高速运用的领域，由于运放的高增益导致积分器容易受噪声的影响。当积分器运用在锁相环路中时，对电容值的选择必须使得锁相环路在要求的工作频率范围内保持稳定。对于确定的电容值，积分速率由充电电流大小决定，然而，当积分器运用于锁相环时钟恢复(Clock and Data Recovery,⑶R)电路中时,在频率捕获阶段,较大的积分速率有利于缩短频率捕获时间，加快环路锁定，而环路进入相位跟踪后，较小的积分速率有利于环路稳定性。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种积分速率可变的单位增益正反馈积分器，旨在解决传统积分器负反馈导致稳定性差的问题。本发明实施例是这样实现的，一种积分速率可变的单位增益正反馈积分器，包括电荷注入电路和自举电路；所述电荷注入电路的输入端连接输入信号，差分控制端连接外部的电流控制信号，输出端连接所述自举电路的输入端；所述自举电路包括积分电容，输入信号经电荷注入电路后输出的电荷存储至所述积分电容，通过积分电容积分的结果由所述自举电路的输出端以电压信号输出，通过调节外部的电流控制信号控制电荷注入电路的电流大小并改变积分速率。更进一步地，所述自举电路还包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电流源、第二电流源、第三电流源和第四电流源；所述积分电容的正极连接至第一节点，所述积分电容的负极连接至第二节点；所述第一开关管的第一端与所述第二开关管的第一端均连接至电源，所述第一开关管的第二端连接至第三节点，所述第二开关管的第二端连接至第四节点；所述第一电阻连接在所述电源与所述第一节点之间，所述第二电阻连接在所述电源与所述第二节点之间；所述第三开关管的第一端连接至所述第二节点，所述第三开关管的第二端通过第一电流源接地；所述第四开关管的第一端连接至所述第一节点，所述第四开关管的第二端通过第二电流源接地；所述第三电阻连接在所述第三开关管的第二端与所述第四开关管的第二端之间；所述第三节点通过第三电流源接地，所述第四节点通过第四电流源接地；第一开关管的控制端为所述第一节点，第二开关管的控制端为第二节点，第三开关管的控制端为第三节点，第四开关管的控制端为第四节点；所述第一开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第二开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第三开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第四开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第一节点和所述第二节点作为所述自举电路的输入端，所述第三节点和所述第四节点作为所述自举电路的输出端。更进一步地，所述自举电路还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阴极连接至所述第二节点，所述第一二极管的阳极连接至所述第一节点，所述第二二极管的阴极连接至所述第一节点，所述第二二极管的阳极连接至所述第二节点。更进一步地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为三极管，所述三极管的基极作为控制端，所述三极管的集电极作为第一端，所述三极管的发射极作为第二端。更进一步地，所述第三节点和第四节点的差分输出到第一节点和第二节点的差分输入的电压增益为I。更进一步地，所述第三电阻的阻值为第一电阻的阻值2倍。更进一步地，所述电荷注入电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第五电流源和第六电流源；所述第五开关管的控制端和所述第六开关管的控制端作为所述电荷注入电路的输入端，所述第五开关管的第一端和所述第六开关管的第一端作为所述电荷注入电路的输出端，所述第七开关管的控制端和所述第八开关管的控制端作为所述电荷注入电路的差分控制端；所述第五开关管的第二端与所述第六开关管的第二端连接后再通过第五电流源接地，所述第七开关管的第二端和所述第八开关管的第二端连接后再通过第六电流源接地，所述第七开关管的第一端连接至所述第五开关管和第六开关管的连接端，所述第八开关管的第一端连接至电源；所述第五开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第六开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第七开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第八开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通。更进一步地，所述第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管均为三极管，三极管的基极为控制端，三极管的集电极为第一端，三极管的发射极为第二端。本发明还提供了一种时钟恢复电路，包括鉴相器、鉴频器、二选一多路选择器、锁定检测电路、积分器、比例通路、压控振荡器和分频器，所述积分器为上述的单位增益正反馈积分器。更进一步地，所述第六电流源的值为所述第五电流源的N倍，N为大于等于I的正整数。本发明提出的积分器运用了单位增益的正反馈，可以不用改变积分电容的值实现积分速率的变化，在锁相环CDR运用中，通过控制端可以实现在频率捕获阶段有较大的积分速率以缩短锁定时间而在相位跟踪阶段有较小的积分速率实现环路更好的稳定性。
图1本发明实施例提供的基于锁相环的时钟恢复电路的原理框图；图2是本发明实施例提供的积分速率可变的单位增益正反馈积分器的原理框图；图3本发明实施例提供的积分速率可变的单位增益正反馈积分器中自举电路的具体电路图；图4是本发明实施例提供的积分速率可变的单位增益正反馈积分器中电荷注入电路的具体电路图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明实施例提供的积分速率可变的单位增益正反馈积分器主要应用于基于锁相环的时钟恢复电路中，单位增益正反馈积分器中的自举电路用正反馈来保持积分电容上的电荷，通过控制端对充电电流的大小进行控制来改变积分速率。图1示出了时钟恢复电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下:时钟恢复电路包括鉴相器、鉴频器、二选一多路选择器、锁定检测电路、积分器、t匕例通路、压控振荡器和分频器等模块。其中鉴相器将输入的串行数据与压控振荡器输出的时钟信号进行相位比较后输出代表超前或滞后相位关系的高低电平，鉴相器的输出信号经过二选一多路选择器模块后分别通过积分器和比例通路控制压控振荡器的频率。鉴频器将参考时钟与压控振荡器输出的经分频器分频的时钟信号进行鉴频后出结果到二选一多路选择器模块。锁定检测电路将参考时钟与压控振荡器输出的经分频器分频的时钟信号进行频率比较，两者频率差小于设定值则输出高电平到二选一多路选择器的控制端。比例通路的作用则是在相位跟踪阶段对压控振荡器输出信号的相位进行微调。系统开始工作时二选一多路选择器模块在锁定检测模块的控制下选通鉴频器的输出，下面的频率捕获环路开始工作促使压控振荡器的频率接近串行数据率。之后锁定检测模块控制二选一多路选择器选通鉴相器的输出，从而相位追踪的环路开始工作。非线性的鉴相器将输入的串行信号的相位和压控振荡器输出的时钟信号的相位进行比较，产生时钟信号超前和滞后的两种状态的信号。这个信号分别经过积分通路和比例通路来控制压控振荡器。其中积分器的积分速率控制端由锁定检测模块的输出控制。频率捕获环路工作期间，锁定检测模块的输出使积分器工作在积分速率较大模式下来加快频率捕获。当压控振荡器的频率与参考时钟的频率差小于设定的值时锁定检测模块控制二选一多路选择器选通鉴相器的输出，相位跟踪环路开始工作，锁定检测模块的输出使积分器工作在较小的积分速率下，从而使相位追踪的环路工作于较好的稳定性下。本发明在锁相环CDR的应用中，解决传统积分器负反馈导致稳定性问题以及传统积分器应用于锁相环时钟恢复电路中带来的锁定时间与环路稳定性的矛盾，利用改变积分速率的积分器来解决这个矛盾。图2示出了本发明实施例提供的积分速率可变的单位增益正反馈积分器的原理，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下:积分速率可变的单位增益正反馈积分器包括电荷注入电路和自举电路；电荷注入电路的输入端2a、2b连接输入信号，差分控制端5a、5b连接外部的电流控制信号，输出端6a、6b连接自举电路的输入端；自举电路包括积分电容Cl，输入信号经电荷注入电路后输出的电荷存储至积分电容Cl，通过积分电容Cl积分的结果由自举电路的输出端12a、12b以电压信号输出，通过调节外部的电流控制信号控制电荷注入电路的电流大小并改变积分速率。积分器工作时，自举电路通过对积分电容Cl上的漏电进行补偿来保持电容上的电荷，因此端口 12a、12b的输出较好地代表了输入信号的积分结果。该积分器运用了单位增益的正反馈，可以不用改变积分电容的值实现积分速率的变化，在锁相环CDR运用中，通过控制端可以实现在频率捕获阶段有较大的积分速率以缩短锁定时间而在相位跟踪阶段有较小的积分速率实现环路更好的稳定性。在本发明实施例中，如图3所示，自举电路还包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一电阻Ru、第二电阻&、第三电阻Re、第一电流源I11、第二电流源I12、第三电流源I21和第四电流源I22 ;积分电容Cl的正极连接至第一节点A，积分电容的负极连接至第二节点B ;第一开关管Ql的第一端与第二开关管Q2的第一端均连接至电源VCC，第一开关管Ql的第二端连接至第三节点C，第二开关管Q2的第二端连接至第四节点D ;第一电阻Ru连接在电源VCC与第一节点A之间，第二电阻&连接在电源VCC与第二节点B之间；第三开关管Q3的第一端连接至第二节点B，第三开关管Q3的第二端通过第一电流源I11接地；第四开关管Q4的第一端连接至第一节点A，第四开关管Q4的第二端通过第二电流源112接地；第三电阻Re连接在第三开关管Q3的第二端与第四开关管Q4的第二端之间；第三节点C通过第三电流源I21接地，第四节点D通过第四电流源I22接地；第一开关管Ql的控制端为第一节点A，第二开关管Q2的控制端为第二节点B，第三开关管Q3的控制端为第三节点C，第四开关管Q4的控制端为第四节点D ;第一开关管Ql的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，第二开关管Q2的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，第三开关管Q3的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，第四开关管Q4的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，第一节点A和第二节点B作为自举电路的输入端6a、6b,第三节点C和第四节点D作为自举电路的输出端12a、12b。在本发明实施例中，自举电路还包括第一二极管Dl和第二二极管D2，第一二极管Dl的阴极连接至第二节点B，第一二极管Dl的阳极连接至第一节点A，第二二极管D2的阴极连接至第一节点A，第二二极管D2的阳极连接至第二节点B。在本发明实施例中，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4可以为MOS管，还可以为三极管，当为三极管时，三极管的基极作为控制端，三极管的集电极作为第一端，三极管的发射极作为第二端。当为MOS管时，MOS管的栅极作为控制端，MOS管的漏极作为第一端，MOS管的源极作为第二端。为了更进一步的说明本发明实施例提供的自举电路，开关管以三极管为例并结合图3详述其工作原理如下:为了保持住积分电容Cl上的电荷，自举电路检测流过积分电容的电流，然后对漏电导致的电荷损失进行补偿。当电荷注入电路将+ Aq的电荷注入积分电容Cl的一个极板，-Λ q的电荷注入另一个极板，这将导致第一节点A有+ Δ V的电压变化，而第二节点B有-Λ V的电压变化，第一节点A处+ Λ V的电压变化将导致流过Ru的电流有-Λ iaC= Δ V/Ru)的变化，同样对于第二节点B，- Λ V的电压变化将导致流过Ru的电流有Λ ia的变化，Λ ia即为漏电流，这一漏电流导致的电容上的电荷损失必须得到补偿以使注入到电容上的电荷Λ q得到保持。为了实现电荷补偿，第一节点A处+ Λ V的电压变化将通过Ql管传输到节点C，同样第二节点B处+ Λ V的电压变化将通过Q2管传输到节点D。第三节点C和第四节点D处的相应的电压变化又会分别导致流出第二节点B和第一节点A的电流分别有Λ ib和-Λ ib的变化。于是可以得到关系式Λ ic= Δ ia- Δ ib ;当对该电路进行较好的设计和优化后，可以使Λ ib=A ia，从而使得漏电流Λ ic=0，于是通过以上对漏电流的补偿机制使得积分电容上的电荷得到了保持。为了较好地实现上述的电荷补偿机制，需要对电路进行优化使得第三节点C和第四节点D节点的差分输出到第一节点A和第二节点B的差分输入的电压增SAv等于I。通常可以将Ru与I的值均设计为Re值的一半，即Ru=Ru=Re/2。自举电路中第一电流源In提供第三三极管Q3的偏置，第二电流源I12提供第四三极管Q4的偏置，决定了电路的单位增益的动态范围，即能保持单位增益的第三节点C和第四节点D节点的最大电压差。而第三电流源I21和第四电流源I22的作用是分别给第一三极管Ql和第二三极管Q2提供偏置。其中第一节点A和第二节点B接的第一二极管Dl和第二二极管D2将第一节点A和第二节点B的电压差最大值钳位在约0.8，保证了第三三极管Q3和第四三极管Q4形成的差分对工作在单位增益范围。最后，该电路实现的积分结果从12a和12b输出。如果自举电路的增益略小于1，则会产生较小的漏电流，自举电路的增益略大于1，则会使得积分电容上的电压差趋于最大值。然而在以上两种情况下，电路都不会振荡。实际应用中电路的增益越接近1，积分电容上的电荷保持效果越好。在锁相环的应用中，自举电路的增益略大于或略小于I不会影响其功能，因为积分电容上的电荷是得到不断更新的。本发明提出的积分电流可变的电荷注入电路实现了不用改变积分电容值就可实现积分器积分速率可变，较好地解决了锁相环应用中锁定时间与环路稳定性的折中关系。在本发明实施例中，如图4所示，电荷注入电路包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第五电流源Ia和第六电流源Ib ;第五开关管Q5的控制端和第六开关管Q6的控制端作为电荷注入电路的输入端Vin，第五开关管Q5的第一端和第六开关管Q6的第一端作为电荷注入电路的输出端6a、6b,第七开关管Q7的控制端和第八开关管Q8的控制端作为电荷注入电路的差分控制端5a、5b ;第五开关管Q5的第二端与第六开关管Q6的第二端连接后再通过第五电流源Ia接地，第七开关管Q7的第二端和第八开关管Q8的第二端连接后再通过第六电流源Ib接地，第七开关管Q7的第一端连接至第五开关管Q5和第六开关管Q6的连接端，第八开关管Q8的第一端连接至电源VCC ;第五开关管Q5的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，第六开关管Q6的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，第七开关管Q7的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，第八开关管Q8的控制端控制其第一端与第二端之间的导通。在本发明实施例中，第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8可以为MOS管，也可以为三极管，当为三极管时，三极管的基极为控制端，三极管的集电极为第一端，三极管的发射极为第二端。当为MOS管时，MOS管的栅极作为控制端，MOS管的漏极作为第一端，MOS管的源极作为第二端。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的电荷注入电路，现开关管以三极管为例并结合图4详述电荷注入电路的工作原理如下:积分器的输入电压加在电荷注入电路的差分输入端，通过6a和6b节点对积分电容Cl进行充放电，积分电流的大小由第五电流源Ia和第六电流源Ib两个电流源确定，当积分器应用在基于锁相环的CDR中时，可以根据系统指标要求相应地将第六电流源Ib的值设计为第五电流源Ia的N倍(N为大于等于I的正整数)。在锁相环的频率捕获阶段，锁定检测模块输出信号作用于差分控制端5a，5b使第七三极管Q7导通，第八三极管Q8截止，积分电流等于、与Ib的和，实现了较大的积分电流，从而缩短频率捕获时间。而在锁相环的相位跟踪阶段，锁定检测模块输出信号作用于差分控制端5a，5b使第七三极管Q7截止，第八三极管Q8导通，积分电流等于Ia，实现了较小的积分电流，有利于环路的稳定性。本发明提出的积分器运用了单位增益的正反馈，可以不用改变积分电容的值实现积分速率的变化，在锁相环CDR运用中，通过控制端可以实现在频率捕获阶段有较大的积分速率以缩短锁定时间而在相位跟踪阶段有较小的积分速率实现环路更好的稳定性。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种积分速率可变的单位增益正反馈积分器，其特征在于，包括电荷注入电路和自举电路；所述电荷注入电路的输入端连接输入信号，差分控制端连接外部的电流控制信号，输出端连接所述自举电路的输入端； 所述自举电路包括积分电容，输入信号经电荷注入电路后输出的电荷存储至所述积分电容，通过积分电容积分的结果由所述自举电路的输出端以电压信号输出，通过调节外部的电流控制信号控制电荷注入电路的电流大小并改变积分速率。
2.如权利要求1所述的单位增益正反馈积分器，其特征在于，所述自举电路还包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电流源、第二电流源、第三电流源和第四电流源； 所述积分电容的正极连接至第一节点，所述积分电容的负极连接至第二节点； 所述第一开关管的第一端与所述第二开关管的第一端均连接至电源，所述第一开关管的第二端连接至第三节点，所述第二开关管的第二端连接至第四节点； 所述第一电阻连接在所述电源与所述第一节点之间，所述第二电阻连接在所述电源与所述第二节点之间； 所述第三开关管的第一端连接至所述第二节点，所述第三开关管的第二端通过第一电流源接地； 所述第四开关管的第一端连接至所述第一节点，所述第四开关管的第二端通过第二电流源接地； 所述第三电阻连接在所述第三开关管的第二端与所述第四开关管的第二端之间； 所述第三节点通过第三电流源接地，所述第四节点通过第四电流源接地； 第一开关管的控制端为所述第一节点，第二开关管的控制端为第二节点，第三开关管的控制端为第三节点，第四开关管的控制端为第四节点； 所述第一开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第二开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第三开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第四开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通， 所述第一节点和所述第二节点作为所述自举电路的输入端，所述第三节点和所述第四节点作为所述自举电路的输出端。
3.如权利要求2所述的单位增益正反馈积分器，其特征在于，所述自举电路还包括第一二极管和第二二极管， 所述第一二极管的阴极连接至所述第二节点，所述第一二极管的阳极连接至所述第一节点， 所述第二二极管的阴极连接至所述第一节点，所述第二二极管的阳极连接至所述第二节点。
4.如权利要求2所述的单位增益正反馈积分器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为三极管，所述三极管的基极作为控制端，所述三极管的集电极作为第一端，所述三极管的发射极作为第二端。
5.如权利要求2所述的单位增益正反馈积分器，其特征在于，所述第三节点和第四节点的差分输出到第一节点和第二节点的差分输入的电压增益为I。
6.如权利要求5所述的单位增益正反馈积分器，其特征在于，所述第三电阻的阻值为第一电阻的阻值2倍。
7.如权利要求1所述的单位增益正反馈积分器，其特征在于，所述电荷注入电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第五电流源和第六电流源； 所述第五开关管的控制端和所述第六开关管的控制端作为所述电荷注入电路的输入端，所述第五开关管的第一端和所述第六开关管的第一端作为所述电荷注入电路的输出端，所述第七开关管的控制端和所述第八开关管的控制端作为所述电荷注入电路的差分控制端； 所述第五开关管的第二端与所述第六开关管的第二端连接后再通过第五电流源接地，所述第七开关管的第二端和所述第八开关管的第二端连接后再通过第六电流源接地，所述第七开关管的第一端连接至所述第五开关管和第六开关管的连接端，所述第八开关管的第一端连接至电源； 所述第五开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第六开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第七开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通，所述第八开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通。
8.如权利要求7所述的单位增益正反馈积分器，其特征在于，所述第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管均为三极管，三极管的基极为控制端，三极管的集电极为第一端，三极管的发射极为第二端。
9.一种时钟恢复电路，包括鉴相器、鉴频器、二选一多路选择器、锁定检测电路、积分器、比例通路、压控振荡器和分频器，其特征在于，所述积分器为权利要求1-8任一项所述的单位增益正反馈积分器。
10.如权利要求9所述的时钟恢复电路，其特征在于，所述第六电流源的值为所述第五电流源的N倍，N为大于等于I的正整数。
全文摘要
本发明提供一种积分速率可变的单位增益正反馈积分器及时钟恢复电路，积分器包括电荷注入电路和自举电路，电荷注入电路的输入端连接输入信号，差分控制端连接外部的电流控制信号，输出端连接自举电路的输入端；自举电路包括积分电容，输入信号经电荷注入电路后输出的电荷存储至积分电容，通过积分电容积分的结果由自举电路的输出端以电压信号输出，通过调节外部的电流控制信号控制电荷注入电路的电流大小并改变积分速率。本发明提出的积分器运用了单位增益的正反馈，不用改变积分电容的值实现积分速率的变化，通过控制端实现在频率捕获阶段有较大的积分速率以缩短锁定时间而在相位跟踪阶段有较小的积分速率实现环路更好的稳定性。
文档编号H03K19/00GK103138735SQ201310028290
公开日2013年6月5日 申请日期2013年1月25日 优先权日2013年1月25日
发明者孙博文, 黎学超, 刘云龙, 李洛宇, 王艳东, 何初冬, 卢国新, 周锦, 武小玉 申请人:深圳市国微电子有限公司