一种高集成度有源动态环路滤波器

1.本发明属于滤波器技术领域，具体涉及一种高集成度有源动态环路滤波器。


背景技术：

2.对于工作在超低压且要求小面积高集成度的有源环路滤波器应用，锁相环频率综合器电路直接影响着无线收发机性能的好坏，而环路滤波器是频率综合器的重要模块，其本身有时域积分、频域低通滤波的作用，可以滤除鉴相器输出的比较电压中的杂波成分，更重要的是在鉴相器和压控振荡器设计完成时，通过调节环路滤波器参数可以控制整个锁相环的性能，所以其设计的好坏决定了该系统的相位噪声、杂散和跳频时间等重要指标，对锁相环乃至整个无线收发机系统有很大的贡献。
3.环路滤波器分为有源和无源两种，传统无源结构要实现窄带带宽需要很大的电容电阻，难以实现片上集成，与当前设计高性能、低功耗、小面积、集成度高的发展趋势和市场要求相矛盾，最常见的减小滤波电容的方法是使用有源滤波器。传统的有源滤波器结构如图1所示，电容c0、c1和电阻r1以及运放构成二阶有源滤波器。虽然传统的结构也可以减小片上电容的面积，但依然有两个主要缺点。首先，必须选择环路滤波器极点的位置作为环路相位裕度和抖动性能之间的折衷。其次，回路阻尼因子需要较大的固有相位来稳定零点分离，以使抖动峰值和瞬态超调保持在规定的最大值。
4.针对上述问题，有改进的滤波器结构提出，如图2所示，这种结构把积分路径cpi和比例路径cpp分离，c
int
是积分电容，r1和c
prop
分别是比例路径的电阻和电容。使得环路滤波器的相位裕度设计有更大的灵活性。但这一结构同样有传统滤波器的缺点，首先，此结构依然是在输入相位差期间产生大比例电流，这导致振荡器控制电流有很大毛刺和过冲。另外在低压下很难保证电荷泵电流的良好匹配，同时会大幅压缩vco的输入电压v
ctrl
。电荷泵mismatch电流是电荷泵最重要的性能指标，过大的电流失配会严重影响锁相环的噪声性能甚至功能，同时v
ctrl
的压缩要求更大的kvco，同样也会使得噪声性能变差，另外，电阻r1也会有热噪声。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高集成度有源动态环路滤波器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明提供了一种高集成度有源动态环路滤波器，包括：积分路径、比例路径、第一积分电容、第二积分电容和运算放大器，其中，
7.所述积分路径和所述比例路径均采用差分结构，呈内部对称结构的所述积分路径包括积分路径第一差分电路和积分路径第二差分电路，呈内部对称结构的所述比例路径包括比例路径第一差分电路和比例路径第二差分电路；
8.所述积分路径第一差分电路的输入端输入第一积分电流，输出端连接所述第一积分电容的第一端；
9.所述比例路径第一差分电路的输入端输入第一比例电流，输出端分别连接所述第一积分电容的第一端以及所述运算放大器的反相输入端；
10.所述积分路径第二差分电路的输入端输入第二积分电流，输出端连接所述第二积分电容的第一端；
11.所述比例路径第二差分电路的输入端输入第二比例电流，输出端分别连接所述第二积分电容的第一端以及所述运算放大器的正相输入端；
12.所述第一积分电容的第二端和所述第二积分电容的第二端均连接所述运算放大器的输出端，所述第一积分电容的第二端和所述第二积分电容的第二端作为滤波器的输出端。
13.在本发明的一个实施例中，所述积分路径第一差分电路、所述积分路径第二差分电路、所述比例路径第一差分电路和所述比例路径第二差分电路均采用开关电容结构。
14.在本发明的一个实施例中，所述积分路径第一差分电路包括若干开关、第一电容和第二电容，其中，
15.所述第一电容的第一端通过对应开关分别与所述积分路径第一差分电路的输入端和电压端连接，所述第一电容的第二端通过对应开关分别与所述第一积分电容的第一端和所述电压端连接；
16.所述第二电容的第一端通过对应开关分别与所述积分路径第一差分电路的输入端和所述电压端连接，所述第二电容的第二端通过对应开关分别与所述第一积分电容的第一端和所述电压端连接。
17.在本发明的一个实施例中，所述比例路径第一差分电路包括若干开关、第三电容和第四电容，其中，
18.所述第三电容的第一端通过对应开关分别与所述比例路径第一差分电路的输入端和所述电压端连接；
19.所述第四电容的第一端通过对应开关分别与所述比例路径第一差分电路的输入端和所述电压端连接；
20.所述第三电容的第二端分别连接所述第一积分电容的第一端以及所述运算放大器的反相输入端；
21.所述第四电容的第二端分别连接所述第一积分电容的第一端以及所述运算放大器的反相输入端。
22.在本发明的一个实施例中，所述第一电容的第一端与所述积分路径第一差分电路的输入端之间的开关，以及所述第一电容的第二端与所述电压端之间的开关，根据第一开关信号实现闭合或断开；
23.所述第二电容的第一端与所述积分路径第一差分电路的输入端之间的开关，以及所述第二电容的第二端与所述电压端之间的开关，根据第二开关信号实现闭合或断开；
24.所述第一电容的第一端与所述电压端之间的开关，以及所述第一电容的第二端与所述第一积分电容的第一端之间的开关，根据第一复位信号实现闭合或断开；
25.所述第二电容的第一端与所述电压端之间的开关，以及所述第二电容的第二端与所述第一积分电容的第一端之间的开关，根据第二复位信号实现闭合或断开。
26.在本发明的一个实施例中，所述第三电容的第一端与所述比例路径第一差分电路
的输入端之间的开关，根据第一开关信号实现闭合或断开；
27.所述第四电容的第一端与所述比例路径第一差分电路的输入端之间的开关，根据第二开关信号实现闭合或断开；
28.所述第三电容的第一端与所述电压端之间的开关，根据第一复位信号实现闭合或断开；
29.所述第四电容的第一端与所述电压端之间的开关，根据第二复位信号实现闭合或断开。
30.在本发明的一个实施例中，所述第一开关信号和所述第二开关信号为一对两相不交叠的时钟信号，所述第一复位信号和所述第二复位信号为一对两相不交叠的时钟信号；
31.两对所述时钟信号的工作频率为pfd输入参考时钟频率的1/2。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
33.1.本发明的高集成度有源动态环路滤波器，采用双电容结构将采样、复位和相位保持分离，结构采用分离电荷泵的双环结构，用开关电容代替电阻，可以具有更好的精度，减少了电阻热噪声；
34.2.本发明的高集成度有源动态环路滤波器，该结构允许在一定范围内选择环路电容大小，增加了设计灵活性，最大程度上在电容大小和锁相环抖动之间取得的平衡。且采样复位环路滤波器在整个输入更新期间产生适当比例的恒定电流，而不是在输入相位差期间产生大比例电流，得到一个更稳定的控制电流，减少了毛刺和过冲；
35.3.本发明的高集成度有源动态环路滤波器，双采样电容结构具有更高的电源和衬底噪声抑制能力，从而产生了更好的抖动性能，使整体滤波器在低压下实现并保证电荷泵的电流匹配成为可能。
36.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
37.图1是本发明实施例提供的一种传统二阶有源滤波器的结构示意图；
38.图2是本发明实施例提供的一种双环有源滤波器的结构示意图；
39.图3是本发明实施例提供的一种高集成度有源动态环路滤波器的结构框图；
40.图4是本发明实施例提供的一种高集成度有源动态环路滤波器的结构示意图；
41.图5是本发明实施例提供的一种高集成度有源动态环路滤波器的工作示意图；
42.图6是本发明实施例提供的一种滤波器工作时序图。
具体实施方式
43.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种高集成度有源动态环路滤波器进行详细说明。
44.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所
采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
45.实施例一
46.请结合参见图3和图4，图3是本发明实施例提供的一种高集成度有源动态环路滤波器的结构框图；图4是本发明实施例提供的一种高集成度有源动态环路滤波器的结构示意图。如图所示，本实施例的高集成度有源动态环路滤波器，包括：积分路径1、比例路径2、第一积分电容c
int1
、第二积分电容c
int2
和运算放大器opa。
47.其中，积分路径1和比例路径2均采用差分结构，呈内部对称结构的积分路径1包括积分路径第一差分电路11和积分路径第二差分电路12，呈内部对称结构的比例路径2包括比例路径第一差分电路21和比例路径第二差分电路22。
48.具体地，积分路径第一差分电路11的输入端输入第一积分电流cpi_inp，输出端连接第一积分电容c
int1
的第一端；比例路径第一差分电路21的输入端输入第一比例电流cpp_inp，输出端分别连接第一积分电容c
int1
的第一端以及运算放大器opa的反相输入端；积分路径第二差分电路12的输入端输入第二积分电流cpi_inn，输出端连接第二积分电容c
int2
的第一端；比例路径第二差分电路22的输入端输入第二比例电流cpp_inn，输出端分别连接第二积分电容c
int2
的第一端以及运算放大器opa的正相输入端；第一积分电容c
int1
的第二端和第二积分电容c
int2
的第二端均连接运算放大器opa的输出端，第一积分电容c
int1
的第二端和第二积分电容c
int2
的第二端作为滤波器的输出端。
49.在本实施例中，积分路径第一差分电路11、积分路径第二差分电路12、比例路径第一差分电路21和比例路径第二差分电路22均采用开关电容结构。
50.本实施例的高集成度有源动态环路滤波器，采用双电容结构将采样、复位和相位保持分离，结构采用分离电荷泵的双环结构，用开关电容代替电阻，可以具有更好的精度，减少了电阻热噪声。
51.进一步地，对本实施例的高集成度有源动态环路滤波器的具体电路结构进行说明，如图4所示，在本实施例中，积分路径第一差分电路11包括若干开关、第一电容c
oddi
和第二电容c
eveni
。其中，第一电容c
oddi
的第一端通过对应开关分别与积分路径第一差分电路11的输入端和电压端vcom连接，第一电容c
oddi
的第二端通过对应开关分别与第一积分电容c
int1
的第一端和电压端vcom连接；第二电容c
eveni
的第一端通过对应开关分别与积分路径第一差分电路11的输入端和电压端vcom连接，第二电容c
eveni
的第二端通过对应开关分别与第一积分电容c
int1
的第一端和电压端vcom连接。
52.具体地，第一电容c
oddi
的第一端与积分路径第一差分电路11的输入端之间的开关，以及第一电容c
oddi
的第二端与电压端vcom之间的开关，根据第一开关信号ph1实现闭合或断开。
53.第二电容c
eveni
的第一端与积分路径第一差分电路11的输入端之间的开关，以及第二电容c
eveni
的第二端与电压端vcom之间的开关，根据第二开关信号ph2实现闭合或断开。
54.第一电容c
oddi
的第一端与电压端vcom之间的开关，以及第一电容c
oddi
的第二端与第一积分电容c
int1
的第一端之间的开关，根据第一复位信号res1实现闭合或断开。
55.第二电容c
eveni
的第一端与电压端vcom之间的开关，以及第二电容c
eveni
的第二端与第一积分电容c
int1
的第一端之间的开关，根据第二复位信号res2实现闭合或断开。
56.进一步地，积分路径第二差分电路12与积分路径第一差分电路11形成对称结构，其电路结构与积分路径第一差分电路11的结构类似。需要说明的是，在积分路径第二差分电路12中，第一电容c
oddi
的第二端通过对应开关分别与第二积分电容c
int2
的第一端和电压端vcom连接；第二电容c
eveni
的第二端通过对应开关分别与第二积分电容c
int2
的第一端和电压端vcom连接。
57.相应地，在积分路径第二差分电路12中，第一电容c
oddi
的第二端与第二积分电容c
int2
的第一端之间的开关，根据第一复位信号res1实现闭合或断开。第二电容c
eveni
的第二端与第二积分电容c
int2
的第一端之间的开关，根据第二复位信号res2实现闭合或断开。
58.进一步地，在本实施中，比例路径第一差分电路21包括若干开关、第三电容c
oddp
和第四电容c
evenp
。其中，第三电容c
oddp
的第一端通过对应开关分别与比例路径第一差分电路21的输入端和电压端vcom连接；第四电容c
evenp
的第一端通过对应开关分别与比例路径第一差分电路21的输入端和电压端vcom连接；第三电容c
oddp
的第二端分别连接第一积分电容c
int1
的第一端以及运算放大器opa的反相输入端；第四电容c
evenp
的第二端分别连接第一积分电容c
int1
的第一端以及运算放大器opa的反相输入端。
59.具体地，第三电容c
oddp
的第一端与比例路径第一差分电路21的输入端之间的开关，根据第一开关信号ph1实现闭合或断开；第四电容c
evenp
的第一端与比例路径第一差分电路21的输入端之间的开关，根据第二开关信号ph2实现闭合或断开；第三电容c
oddp
的第一端与电压端vcom之间的开关，根据第一复位信号res1实现闭合或断开；第四电容c
evenp
的第一端与电压端vcom之间的开关，根据第二复位信号res2实现闭合或断开。
60.进一步地，比例路径第二差分电路22与比例路径第一差分电路21形成对称结构，其电路结构与比例路径第一差分电路21的结构类似。需要说明的是，在比例路径第二差分电路22中，第三电容c
oddp
的第二端分别连接第二积分电容c
int2
的第一端以及运算放大器opa的正相输入端；第四电容c
evenp
的第二端分别连接第二积分电容c
int2
的第一端以及运算放大器opa的正相输入端。
61.在本实施例中，第一开关信号ph1和第二开关信号ph2为一对两相不交叠的时钟信号，第一复位信号res1和第二复位信号res2为一对两相不交叠的时钟信号；两对时钟信号的工作频率为pfd输入参考时钟频率的1/2。
62.本实施例的高集成度有源动态环路滤波器，其结构允许在一定范围内选择环路电容大小，增加了设计灵活性，最大程度上在电容大小和锁相环抖动之间取得的平衡。且采样复位环路滤波器在整个输入更新期间产生适当比例的恒定电流，而不是在输入相位差期间产生大比例电流，得到一个更稳定的控制电流，减少了毛刺和过冲。而且双采样电容结构具有更高的电源和衬底噪声抑制能力，从而产生了更好的抖动性能，使整体滤波器在低压下实现并保证电荷泵的电流匹配成为可能。
63.实施例二
64.本实施例对实施例一的高集成度有源动态环路滤波器的工作过程进行了具体说明。请结合参见图5和图6，图5是本发明实施例提供的一种高集成度有源动态环路滤波器的工作示意图；图6是本发明实施例提供的一种滤波器工作时序图。
65.第一开关信号ph1/第二开关信号ph2、第一复位信号res1/第二复位信号res2以及up/down的时序图如图6所示，up/down信号为前级电荷泵的输入信号，也就是pfd的输出，是
用于控制第一比例电流cpp_inp、第一积分电流cpi_inp、第二比例电流cpp_inn和第二积分电流cpi_inn的四个输入信号。
66.为了方便说明，只看运算放大器opa的反相输入端，如图5中的(a)图所示，ph1/ph2和res1/res2分别是两对两相不交叠的时钟信号，工作在pfd输入参考时钟的一半频率。对于每一个交替的时钟周期，第一电容c
oddi
和第二电容c
eveni
，以及第三电容c
oddp
和第四电容c
evenp
交替放电且互不影响。因此，对第一开关信号ph1和第二开关信号ph2控制的两条路径分别分析。
67.当第一开关信号ph1为高电平时，第一积分电流cpi_inp对第一电容c
oddi
充电，第一比例电流cpp_inp对第三电容c
oddp
充电，如图5中的(b)所示，比例路径2的电荷积累在第一积分电容c
int1
上，此时，控制电压v
ctrl
(也就是滤波器的输出电压vout)为，
68.此时，第二开关信号ph2为低电平，第二电容c
eveni
和第四电容c
evenp
上的电荷保持。当第一复位信号res1为高电平时，对图5中的(a)图所示的节点v1a、v1b复位，同时第一电容c
oddi
上的电荷积累在第一积分电容c
int1
上，此时，控制电压
69.同理，当第二开关信号ph2为高电平时，第一积分电流cpi_inp对第二电容c
eveni
充电，第一比例电流cpp_inp对第四电容c
evenp
充电，如图5中的(c)图所示，比例路径2的电荷积累在第一积分电容c
int1
上。当第二复位信号res2为高电平时，对图5中的(a)图所示的节点v2a、v2b复位，同时，第二电容c
eveni
上的电荷积累在第一积分电容c
int1
上，控制电压
70.将两条路径的结果叠加起来，完整的过程的时序图如图6所示。可以看出，最终，积分路径1的电荷可以在第一积分电容c
int1
上不断积累，而比例路径2上的电荷在第一积分电容c
int1
上没有记忆，相当于电阻，因此，比例路径2的开关电容结构代替电阻得以实现。
71.在本实施例中，第一电容c
oddi
/第二电容c
eveni
、第三电容c
oddp
/第四电容c
evenp
交替工作，第一复位信号res1和第二复位信号res2的脉冲时间没有了严格限制，复位信号产生更加容易，同时在积分路径上也同样使用了复位信号，每次积分之后，第一积分电容c
int1
上的电荷量不断累积，vco的控制电压(积分电容c
int
的输出端电压)不断上升/下降，可以达到较大范围，而连接前级电荷泵的节点v1a、v2a、v1b和v2b在每次复位前后都保持在vcom周围一个很小范围内，基本可以认为保持不变，这就解决了低电压时电荷泵匹配性和控制电压范围的矛盾，减小电荷泵电流失配的同时也扩大了控制电压范围，使得kvco(vco的压控增益)取值减小，对于整体锁相环的噪声有了很大改善。
72.本实施例的高集成度有源动态环路滤波器，相较于一般的采样复位电路，采用双电容结构将采样、复位和相位保持分离，通过复位信号控制的开关的打开和关断使积分和比例路径上的电容两端的电压处于不同状态，也就是采样、复位和相位保持。由不同复位信号控制的开关交替工作，并且复位信号的脉冲时间没有严格限制复位信号产生更加容易，同时在积分路径上也同样使用了复位信号，每次积分之后，积分电容上的电荷量不断累积，输出的控制电压不断上升/下降，可以达到较大范围，而连接前级电荷泵的节点在每次复位前后都保持在共模电压(vcom)周围一个很小范围内，基本可以认为保持不变，这就解决了
低电压时电荷泵匹配性和控制电压范围的矛盾，减小电荷泵电流失配的同时也扩大了控制电压范围，使得kvco取值减小，对于整体锁相环的噪声有了很大改善。
73.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
74.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。