锁相环频率综合器的制作方法

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种输出频率范围较大的锁相环频率综合器。

背景技术：

锁相环频率综合器是无线通讯和图像传感器系统中的关键模块，其具有输出信号频谱纯净、实现和应用成本低的特点，广泛应用于对传输速度要求比较高的场合，同时又由于应用的场景和模式不同，其输出频率在不断的变化，要求频率综合其能够快速、稳定地响应输出频率的切换，保障系统的稳定工作。

现有的锁相环频率综合器的输出频率根据实际的应用场景不同，其频率变化范围非常大，导致锁相环频率综合器在频率切换时，锁定时间不确定，无法快速稳定的响应输出频率的切换，限制了其应用；另一方面，由于滤波器等的电阻在工艺实现时，其阻值会存在10％以上的未知偏差，所以可能导致带宽偏离芯片设计所设定的值，甚至导致相位裕度偏离过大，从而影响环路的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有较好系统稳定性和响应速度的锁相环频率综合器。

本发明的一个方面公开了一种锁相环频率综合器，其包括鉴频鉴相器、电荷泵、自适应滤波器、压控振荡器、分频器和译码器，所述鉴频鉴相器、电荷泵、自适应滤波器、压控振荡器、分频器依次串联构成反馈回路，所述译码器连接在分频器和自适应滤波器之间，所述译码器用于对所述分频器的分频比进行译码处理并提供相应的控制信号给所述自适应滤波器，所述自适应滤波器包括在所述控制信号控制下具有不同电阻值且能够使得所述锁相环频率综合器的环路带宽保持恒定的自适应导通电阻网络。

可选的，所述自适应滤波器包括电阻锁定晶体管、多个电阻选择晶体管、第一电容、第二电容和放大器，电源电压通过一个基准电流源连接放大器的正极输入端和锁定电阻晶体管的漏极，一个基准电压源连接放大器的负极输入端，所述放大器的输出端连接所述电阻锁定晶体管的栅极，并且还分别通过多个导通开关连接到第一至第n晶体管的栅极，所述多个电阻选择晶体管的栅极分别通过接地开关连接地电压，所述锁定电阻晶体管和多个电阻选择晶体管的源极连接地电压，所述多个电阻选择晶体管构成自适应导通电阻网络。

可选的，所述自适应滤波器进一步包括第一电容和第二电容，所述多个电阻选择晶体管的漏极连接第一电容的一端，所述第一电容的另一端接收来自电荷泵的电流且连接到第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接地电压，所述自适应导通电阻网络和第一电容组成的串联支路和第二电容并联。

可选的，所述基准电压源为低压基准电压源，所述电阻锁定晶体管的漏级电压等于所述基准电压源电压，所述电阻锁定晶体管的导通电阻为恒定值。

可选的，所述多个电阻选择晶体管包括第一至第n(n＞0)晶体管，所述第一至第n晶体管的导通电阻满足其中r为所述电阻锁定晶体管的导通电阻，所述第一晶体管和所述电阻锁定晶体管的导通电阻相等。

可选的，所述鉴频鉴相器能够根据输入信号的相位差输出相应的脉冲信号，所述电荷泵能够根据所述鉴频鉴相器输出的脉冲信号产生对应的输出电流，所述自适应滤波器能够根据所述电荷泵的输出电流提供控制电压到所述压控振荡器，所述压控振荡器能够根据所述控制电压生成不同频率的输出信号。

可选的，所述译码器能够生成用于控制所述自适应滤波器的自适应导通电阻网络的开关控制信号，使得所述锁相环频率综合器对于不同的分频比能够具有恒定的环路带宽。

可选的，所述导通开关包括第一至第n导通开关，所述接地开关包括第一至第n接地开关，所述开关控制信号包括第一至第n导通控制信号和第一至第n接地控制信号，所述第一至第n导通控制信号分别用于控制第一至第n导通开关导通或关断，所述第一至第n接地控制信号分别用于控制第一至第n接地开关的导通或关断，通过控制所述第一至第n导通开关的导通或关断，以及控制第一至第n接地开关的导通或关断，能够控制所述自适应导通电阻网络具有不同的电阻值。

可选的，所述分频器的分频比为k(0＜k≤n)时，第k导通控制信号和第k接地控制信号控制第k导通开关导通且第k接地开关关断，其他的电阻选择晶体管都保持接地开关导通、导通开关关断，从而只有第k晶体管形成的自适应导通电阻接入所述自适应滤波器中。

可选的，所述电阻锁定和电阻选择晶体管为nmos晶体管。

相较于现有技术，本发明锁相环频率综合器采用自适应滤波器，其具有自适应导通电阻网络，能够根据不同分频比具有不同的导通电阻值，从而使得所述锁相环频率综合器保持恒定的环路带宽。另外，采用晶体管实现的自适应电阻的尺寸比传统电阻的尺寸小，从而减小芯片的版图面积。本发明锁相环频率综合器实现了环路的带宽不随输出频率变化而变化，具有较好的系统稳定性和响应速度。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的示意图；

图2是是本发明的一个实施例的自适应滤波器的电路示意图；

图3是本发明的一个实施例的译码器原理示意图；

图4和图5是本发明的一个实施例的鉴频鉴相器的输入和输出信号示意图；

图6至图8是现有的锁相环电路相关示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请文件中所描述的特征、结构可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下文的描述中，提供许多具体细节以便能够充分理解本申请的实施方式。然而，本领域技术人员应意识到，即使没有所述特定细节中的一个或更多，或者采用其它的结构、组元等，也可以实践本申请的技术方案。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构或者操作以避免模糊本申请之重点。

请同参阅图6，一种典型的锁相环频率综合器包括鉴频鉴相器(phasefrequencydetector，pfd)，电荷泵(chargepump，cp)，滤波器(lowpassfilter，lpf)，压控振荡器(voltagecontrolledoscillator，vco)和分频器(divider)组成。锁相环的工作原理是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号通过鉴相器转换成电压信号输出，经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压，对振荡器输出信号的频率实施控制，再通过反馈通路把振荡器输出信号的频率、相位反馈到鉴频鉴相器。为了保证锁相环频率综合器的稳定性，其环路带宽通常小于最小输入频率的十分之一。

为了实现较大的带宽、较好的环路稳定性和适中的电路复杂程度，锁相环电路的滤波器一般采用二阶低频滤波，如图7中所示滤波电路的传输函数具有两个极点(包括一个零极点)和一个零点。

对锁相环频率综合器整个环路进行线性建模，在环路带宽小于输入信号频率的1/10时，可建立如图8所示的小信号模型，其中kpfd+cp(s)、klpf(s)和kvco(s)分别表示鉴频鉴相器和电荷泵模块、滤波器模块和压控振荡器模块的传输函数。

其中，对于鉴频鉴相器和电荷泵模块，假设电荷泵的导通时间为ton，鉴频鉴相器的输入信号的相位差为θe，可以得到：

其中，tref为输入信号fin的周期，由相位差引起的平均电流id为：

可得所述鉴频鉴相器和电荷泵模块传输函数的表达式为：

对于滤波器模块，其传输函数的表达式为：

对于压控震荡器模块，由于输出相位是频率的积分，所以有：

θo＝kvco∫vcdt

对该式进行拉普拉斯变换得：

于是得到压控震荡器模块的传输函数为：

由此可得所述锁相环频率综合器的环路开环的输出函数为：

其中，n为分频器的分频比。为了系统获得足够的相位裕度，环路带宽ωc位于补偿极点和零点之间。由于s＝jω，根据带宽的定义，当ω＝ωc时有：

可推导得到环路带宽ωc的表达式如下：

从上述表达式可以看出，对于固定的输入频率和输出频率的锁相环应用，由于分频比n不变，所以环路带宽不变；但是对于锁相环应用于频率综合器时，其输入频率保持不变，而输出频率根据实际的应用场景不同，其频率变化范围非常大。一般其分频比n的变化范围达到2倍以上，并且当n变化k倍时，其环路带宽也会跟随变化k倍，从而使得锁相环频率综合器在频率切换时，锁定时间不确定，变化范围较大，从而限制了应用；另一方面，由于滤波器等的电阻在工艺实现时，其阻值会存在10％以上的未知偏差，所以可能导致带宽偏离设计所设定的值，甚至导致相位裕度偏离过大，从而影响环路的稳定性。

有鉴于此，为了提高锁相环电路在频率综合器上的响应速度和稳定性，本发明提供一种环路带宽自适应锁定的锁相环电路。

请参阅图1，本发明的一个实施例中，一种环路带宽自适应锁定的锁相环频率综合器包括鉴频鉴相器10、电荷泵20、自适应滤波器30、压控振荡器40、分频器50和译码器60。所述鉴频鉴相器10、电荷泵20、自适应滤波器30、压控振荡器40、分频器50依次串联构成反馈回路，所述译码器60连接在分频器50和自适应滤波器30之间。所述鉴频鉴相器10能够根据输入信号的相位差输出相应的脉冲信号，所述电荷泵20能够根据所述鉴频鉴相器10输出的脉冲信号产生对应的输出电流，所述自适应滤波器30能够根据所述电荷泵20的输出电流提供控制电压到所述压控振荡器40，所述压控振荡器40能够根据所述控制电压生成不同频率的输出信号。

具体地，外部时钟电路产生输入信号fin并施加到所述锁相环频率综合器的鉴频鉴相器10的参考输入端。所述锁相环频率综合器的输出信号fout经分频器50分频后的反馈信号ffb反馈输入到所述鉴频鉴相器10的反馈输入端。所述鉴频鉴相器10根据参考输入端信号和反馈输入端信号的相位差输出第一输出信号up和第二输出信号dn到所述电荷泵20。所述鉴频鉴相器10是锁相环频率综合器中的重要模块，其用来检测两个输入信号fin和ffb之间的相位差并基于该相位差的产生对应的输出信号up和dn。所述鉴频鉴相器10工作原理叙述如下：

请参阅图4，当所述输入信号fin的相位超前于所述反馈信号ffb时，所述输入信号fin的上升沿使得第一输出信号up变为高电平且持续到所述反馈信号ffb的上升沿到来时，此时所述第一输出信号up变为低电平；上述过程中，所述第二输出信号dn一直为低电平。

请参阅图5，当所述输入信号fin的相位滞后于所述反馈信号ffb时，所述反馈信号ffb的上升沿使得第二输出信号dn变为高电平且持续到所述输入信号fin的上升沿到来时，此时所述第二输出信号dn变为低电平；上述过程中，所述第一输出信号up一直为低电平。

所述电荷泵20在第一输出信号up为高电平且第二输出信号dn为低电平时，输出电流icp给所述滤波器充电。所述电荷泵20在所述第一输出信号up为低电平且第二输出信号dn为高电平时，输出电流icp给所述滤波器放电。第一输出信号up为低电平且第二输出信号dn为低电平时，所述电荷泵20处于保持状态，输出电流icp为0，所述自适应滤波器30不充电也不放电。

所述自适应滤波器30可以为低通滤波器(lpf)，其可包括例如图2所示的滤波电路。所示自适应滤波器30能够用于给所述输出电流icp产生的输出控制电压vctrl进行滤波，所述控制电压vctrl连接所述压控振荡器40。所述控制电压vctrl能够用于控制所述压控振荡器40的震荡频率。当所述自适应滤波器30被充电时，所述控制电压vctrl增大，当所述自适应滤波器30被放电时，所述控制电压vctrl减小。当电荷泵20处于保持状态时，所述自适应滤波器30输出的控制电压vctrl保持不变。

所述压控振荡器40产生输出信号fin，所述输出信号fin一方面作为本发明锁相环频率综合器整个环路的输出信号，一方面通过分频器分频后作为反馈信号ffb输入到鉴频鉴相器10。

本发明的一个实施例中，所述自适应滤波器30包括电阻锁定晶体管、多个电阻选择晶体管、第一电容、第二电容和放大器，电源电压通过一个基准电流源连接放大器的正极输入端和锁定电阻晶体管的漏极，一个基准电压源连接放大器的负极输入端，所述放大器的输出端连接所述电阻锁定晶体管的栅极，并且还分别通过开关连接到第一至第n晶体管的栅极，所述多个电阻选择晶体管的栅极分别通过开关连接地电压，所述锁定电阻晶体管和多个电阻选择晶体管的源极连接地电压，所述多个电阻选择晶体管构成自适应导通电阻网络。

进一步的实施例中，所述多个电阻选择晶体管的漏极连接第一电容的一端，所述第一电容的另一端接收来自电荷泵的电流且连接到第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接地电压，所述多个电阻选择晶体管构成自适应导通电阻网络，所述自适应导通电阻网络和第一电容组成的串联支路和第二电容并联。

请参阅图2，是本发明的一个实施例的自适应滤波器30的电路示意图。图2中自适应滤波器30的部分电路可以看作是图4中滤波器电路的电阻r的一种实现自适应电阻的改进方式。所述自适应滤波器30包括电阻锁定晶体管mc，第一至第n(n＞0且n为正整数)晶体管m1至mn，第一电容c1，第二电容c2和放大器a。电源电压vdd通过一个基准电流源ib连接放大器a的正极输入端和晶体管mc的漏极(drain)。一个基准电压源vb连接放大器a的负极输入端，放大器a输出端输出电压vg。所述放大器a的输出端连接所述电阻锁定晶体管mc的栅极(gate)，并且还分别通过多个导通开关sc1至scn(本实施例中即为第一至第n导通开关sc1至scn)连接到第一至第n晶体管m1至mn的栅极。所述第一至第n晶体管m1至mn的栅极分别通过多个接地开关sr1至srn(本实施例中即为第一至第n接地开关sr1至srn)连接地电压vss。所述晶体管mc和第一至第n晶体管m1至mn的源极(source)连接地电压vss。所述晶体管m1至mn的漏极连接第一电容c1的一端，所述第一电容c1的另一端连接到压控振荡器40的输入端控制电压vctrl。且连接到第二电容c2的一端，所述第二电容c2的另一端连接地电压vss。所述第一至第n晶体管m1至mn构成自适应导通电阻网络100，所述自适应导通电阻网络100和第一电容c1组成的串联支路和第二电容c2并联。上述电源电压vdd和地电压vss又可称为漏极电压和源极电压。

其中，ib为基准电流源，vb为低压基准电压源，放大器a为运算放大器，电阻锁定晶体管mc为一个电阻锁定晶体管，第一至第n晶体管m1至mn构成自适应导通电阻网络100，开关sc1至scn与开关sr1至srn构成用于所述自适应电阻导通网络切换的开关网络。上述第一至第n晶体管m1至mn可以看作多个电阻选择晶体管。根据负反馈原理，电阻锁定晶体管mc的漏级电压等于所述基准电压源电压vb，同时由于vb电压较低，从而使得晶体管mc工作在线性区，从而所述电阻锁定晶体管mc的导通电阻rmc的大小为：

所述第一晶体管m1和所述电阻锁定晶体管mc的宽长比和导通电阻相等。

且，所述晶体管m1至mn的宽长比满足：

所以晶体管mc和晶体管m1至mn的导通电阻比满足：

其中，上式中r为所述电阻锁定晶体管的导通电阻，所述第一晶体管m1和所述电阻锁定晶体管mc的导通电阻相等。

所示译码器60为m到n位译码器，能够用于对所述分频器50的分频比进行译码处理并提供相应的控制信号给所述自适应滤波器30。本实施例中，所述译码器60可为二进制到十进制译码器。所述m到n位译码器具体的实现方式如图3所示，所述译码器60能够生成用于选择和调整所述自适应滤波器的自适应导通电阻网络的开关控制信号，使得所述锁相环频率综合器对于不同的分频比能够具有恒定的环路带宽。所述开关控制信号包括多个导通控制信号sc<1>至sc<n>和多个接地控制信号sr<1>至sr<n>。本实施例中，所述多个导通控制信号sc<1>至sc<n>即为第一至第n导通控制信号sc<1>至sc<n>，所述多个接地控制信号sr<1>至sr<n>即为第一至第n接地控制信号sr<1>至sr<n>。所述第一至第n导通控制信号sc<1>至sc<n>分别用于控制第一至第n导通开关sc1至scn导通或关断。所述第一至第n接地控制信号sr<1>至sr<n>分别用于控制第一至第n接地开关sr1至srn的导通或关断。通过控制所述第一至第n导通开关sc1至scn的导通或关断，以及控制第一至第n接地开关sr1至srn的导通或关断能够控制所述自适应导通电阻网络具有不同的电阻值。

例如但不限于，第一至第n导通控制信号sc<1>至sc<n>为1或0时，第一至第n导通开关sc1至scn对应导通或关断。当然，在本发明其他或变更实施例中，也可能具有第一至第n导通控制信号sc<1>至sc<n>为0或1时，第一至第n导通开关sc1至scn对应导通或关断的情形。同样地，对于第一至第n接地控制信号sr<1>至sr<n>和第一至第n接地开关sr1至srn的也具有上述不同的实施情形，例如但不限于，第一至第n接地控制信号sr<1>至sr<n>为1或0时，第一至第n接地开关sr1至srn对应导通或关断，或者第一至第n接地控制信号sr<1>至sr<n>为0或1时，第一至第n接地开关sr1至srn对应导通或关断。上述导通控制信号或接地控制信号为0或1在一些实施例中可以表示为低电平或高电平。

需要指出的是，本领域技术人员可以理解，在不付出创造性劳动的前提下，本发明实施例的部分或全部，以及对于实施例的部分或全部的变形、替换、变更、拆分、组合、扩展等均应认为被本发明的发明创造思想所涵盖，属于本发明的保护范围。

回到前述关于实施例的描述，其中，所述多个导通控制信号sc<1>至sc<n>和多个接地控制信号sr<1>至sr<n>用于控制选择或调整所述自适应导通电阻网络的电阻值，进而使得所述锁相环频率综合器对于不同的分频比能够具有恒定的环路带宽。在分频器的分频比为k(0＜k≤n)时，第k导通控制信号sc<k>＝1，第k接地控制信号sr<k>＝0，从而第k导通开关sck导通、第k接地开关srk关断；其他的导通开关sc1至sc(k-1)、sc(k+1)至scn关断，接地开关sr1至sr(k-1)、sr(k+1)至srn导通。从而，除开第k晶体管mk之外的晶体管m1至mk-1和mk+1至mn都保持接地开关sr导通、导通开关sc关断，从而只有第k晶体管mk形成的自适应导通电阻接入所述自适应滤波器30中，其大小为k*r，此时所述自适应导通电阻网络100的电阻值等于k*r，因此此时的锁相环频率综合器的环路带宽大小为：

可以看出，本发明上述实施例中的环路带宽大小与输出信号分频比k无关，保持为恒定值(const表示恒定值)。

上述实施例中，所述晶体管mc和m1至mn为nmos晶体管。需要说明的是，本发明并不以此为限，在本发明的一些变更实施例中，晶体管mc和m1至mn也可为其他类型晶体管，如pmos晶体管，或其他类型mos管，或者其他能够实现自适应导通电阻100的电路或元件。

相较于现有技术，本发明锁相环频率综合器采用自适应滤波器，其具有自适应导通电阻网络，能够根据不同分频比具有不同的导通电阻值，从而使得所述锁相环频率综合器保持恒定的环路带宽。本发明锁相环频率综合器实现了环路的带宽不随输出频率变化而变化，从而提高了锁相环频率综合器的系统稳定性并且具有较稳定的响应速度。此外，通过用负反馈机制和工作在线性区的晶体管能够实现精确的电阻，避免了现有技术电阻阻值随工艺带来的偏差。另外，采用晶体管实现的自适应电阻的尺寸比传统电阻的尺寸小，从而减小芯片的版图面积，确保频率综合器的电路实际运行指标在设计范围之内。

本发明说明书中可能出现的“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“背面”、“正面”、“竖直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“内部”、“外部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个所述特征。在本发明的描述中，“多种”的含义是至少两种，除非另有明确具体的限定。本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。权利要求书中所使用的术语不应理解为将发明限制于本说明书中所公开的特定实施例。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。