快速锁定的低抖动锁相环

本发明涉及一种快速锁定的低抖动锁相环，属于集成电路。

背景技术：

1、锁相环pll被广泛应用于通信系统和时钟生成的处理器中。锁相环的功能和性能对整个系统的有着决定性作用。例如当pll处于切换频率时，无法传输数据，所以pll的锁定时间必须锁定得足够快，以免降低数据速率，并且快速锁定是低功耗的重要组成部分；相位噪声与抖动会影响着数据的误码等。因此锁相环需要具有良好的相位噪声、抖动与锁定时间。

2、由于锁相环系统的相位噪声、相位抖动和稳定时间等性能与环路的传递函数密切相关，在锁定过程中，可以通过增加带宽来加快锁定时间，但是带宽的增加，相位噪声的性能也会变差。

3、目前通过带宽切换技术来加快锁定时间，但是输出频率达到最终频率还有相位需要锁定，还会通过调频来继续进行相位锁定，从而会浪费锁定时间；随着pvt(工艺、电源电压、温度)的变化，构成环路传递函数的参数(电荷泵电流、振荡器增益等)会发生变化，这些都会恶化整个锁相环的输出噪声。

4、如图1，对基于传统双环的电荷泵锁相环进行理论分析，其环路传递函数为：其中，hloop为环路增益，c为电容，s为复频率，ai为电压电流转换电路的转换增益，n为分频器的分频比，icp1与icp2为两条电荷泵支路的充放电电流，kcco为电流控制振荡器的流控增益。

5、可以得到锁相环系统的环路带宽w-3db与阻尼因子ξ分别为：由上式可发现，环路带宽与阻尼因子和电荷泵电流、分频比、电容、流控增益等参数息息相关，而且可以发现环路带宽与电荷泵电流icp1无关，因此双环的电荷泵锁相环更适合对分别环路参数的控制，以加快锁相环的锁定速度并降低抖动。但是当环路带宽增加，锁定时间加快，参考频率等于反馈频率时相位误差并不为零，还需要进行调频来实现相位锁定，这会造成锁定时间变长。

6、上述问题是在快速锁定的低抖动锁相环的设计过程中应当予以考虑并解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种快速锁定的低抖动锁相环解决现有技术中存在的在频率锁定的过程中相位误差较大、锁定时间较长，pvt变化对相位噪声与抖动的性能影响有待降低问题。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种快速锁定的低抖动锁相环，采用基于双环的电荷泵锁相环，利用辅助相位误差检测与相位差增益放大模块apd&at动态放大相位误差来加快频率的锁定速度，并通过控制分频比变化来调整参考时钟信号与反馈时钟信号在频率锁定的过程中保持相位误差最小化；包括鉴频鉴相器pfd、辅助相位误差检测与相位差增益放大模块apd&at、电压电流转换电路v-i、分频器div、电流控制振荡器cco和频率转电压模块f-v，

4、鉴频鉴相器pfd：检测输入的参考时钟信号与来自分频器div的反馈时钟信号的频差或相差，并输出反映相位误差的up信号和dn信号，直接控制电荷泵icp2的充放电时间；

5、辅助相位误差检测与相位差增益放大模块apd&at：对输入的up信号和dn信号，动态放大相位误差，产生up1信号与dn1信号来控制电荷泵icp1对电容c进行充放电的时间，并产生控制信号s0-s3来控制电荷泵icp2的充电电流大小与控制分频器的分频比变化；

6、电压电流转换电路v-i：将电容c的电压转为输出电流ii，输出电流ii与电荷泵icp2产生的电流相加得到电流ictr；

7、电流控制振荡器cco：由输入的电流ictr来产生最终所需的输出时钟频率fout；并将控制电压vc按设定比例线性反馈电荷泵icp2，作为电荷泵icp2的电流，来实现带宽不随分频比的变化；

8、频率转电压模块f-v：将输出时钟频率fout转换为输出电压vf并反馈到电流控制振荡器cco构成闭环，来增加电流控制振荡器cco的线性度，并检测输出频率来预启动电流控制振荡器cco达到预定频率；

9、分频器div：对输出时钟频率fout，依据辅助相位误差检测与相位差增益放大模块apd&at的分频比变化，产生反馈时钟信号并输出给鉴频鉴相器pfd。

10、进一步地，辅助相位误差检测与相位差增益放大模块apd&at包括一个两输入异或门、四个可调延迟单元、四个d触发器、四个开关、一个六输入或门、两个两输入或非门构成的rs触发器、两个与门，

11、在六输入或门的使能信号s4为1时开始工作，鉴频鉴相器pfd产生携带相位误差的信号up与信号dn通过异或门产生信号t0输出给六输入或门，并分别输出信号t0到四个d触发器的d输入端；且信号t0一路通过级联的四个可调延迟单元，分别生成信号t1、信号t2、信号t3、信号t4，以信号t1、信号t2、信号t3、信号t4的上升沿分别作为触发信号连接到分别连接四个d触发器的clk端，以判断脉冲宽度，四个d触发器的的q输出端分别连接开关s0、s1、s2、s3；

12、鉴频鉴相器pfd产生携带相位误差的信号up与信号dn输入到rs触发器上，用来判断参考时钟信号相位是超前还是滞后于反馈时钟信号；

13、将信号t1、信号t2、信号t3、信号t4分别通过开关s0、s1、s2、s3后输入六输入或门并输出信号t5，四个开关s0-s3对相位误差的增益大小实现动态控制，信号t5分别与rs触发器的lead端和lag端的输出信号通过两个与门相与，分别输出信号up1与信号dn1用来控制icp1。

14、进一步地，鉴频鉴相器pfd产生携带相位误差的信号up与信号dn还输入到rs触发器上，用来判断参考时钟信号相位是超前还是滞后于反馈时钟信号，具体为，当参考时钟信号相位超前反馈时钟信号相位，rs触发器的lead端输出为1，rs触发器的lag端输出为0；当参考时钟信号相位滞后反馈时钟信号相位，rs触发器的lead端输出为0，rs触发器的lag端输出为1。

15、进一步地，控制信号s0-s3控制分频器的分频比变化，具体为，

16、在代表相位误差信号t0的脉冲宽度t0小于延迟单元的延迟时间τ时，4位控制信号s0-s3为0000，控制分频比变化大小为△n0＝0；

17、在代表相位误差信号t0的脉冲宽度t0小于2τ大于τ时，4位控制信号s0-s3为1000，假设振荡器输出振荡周期为tcco，参考时钟周期为tref，控制分频比变化最大为

18、在代表相位误差信号t0的脉冲宽度t0小于3τ大于2τ时，4位控制信号s0-s3为1100，控制分频比变化最大为

19、在代表相位误差信号t0的脉冲宽度t0小于4τ大于3τ时，4位控制信号s0-s3为1110，控制分频比变化最大为

20、在代表相位误差信号t0的脉冲宽度t0大于4τ时，4位控制信号s0-s3为1111，控制分频比变化最大为

21、进一步地，该快速锁定的低抖动锁相环具有快速锁定模式和正常锁定模式两个工作模式；

22、在相位误差大于时，为快速锁定模式，此时开关s3为1，控制电荷泵icp2关闭，通过电荷泵icp1环路来进行相位频率锁定；

23、在相位误差小于时，为正常锁定模式，开关s3为0，控制电荷泵icp2打开，提供零点补偿，利用双环锁相环来进行相位锁定。

24、进一步地，频率转电压模块f-v中，检测输出频率来预启动电流控制振荡器cco达到预定频率，具体为，比较频率转电压模块f-v的输出电压vf与设置的参考电压v2，在vf>v2时，振荡频率达到预设要求，关闭电容的充电通路，启动锁相环，通过环路来进行频率相位锁定过程；在vf≤v2时，振荡频率没有达到所预设的要求，继续对电容进行充电，用来加快频率锁定速度。

25、进一步地，还包括配置模块config：用于配置分频器的分频比、电流控制振荡器cco的流控增益的调谐曲线与辅助相位误差检测与相位差增益放大模块apd&at的延迟单元的延迟时间τ的大小，以及进行初始化的复位。

26、本发明的有益效果是：

27、一、该种快速锁定的低抖动锁相环，通过基于双环的电荷泵锁相环，并自适应动态控制反馈回路分频器的分频比，使得在频率锁定的过程中保持参考时钟信号与反馈时钟信号的相位误差的最小化，并通过动态放大相位误差来加快频率的锁定速度；利用反馈来增加输出频率的范围，并减小pvt变化对相位噪声与抖动的性能影响。

28、二、本发明，通过利用辅助相位误差检测与相位差增益放大模块apd&at来检测相位误差大小，通过分频比来调整参考时钟信号与反馈时钟信号在频率锁定的过程中保持相位误差最小化，并通过at为误差进行放大增加对电容c的充电时间减小对频率锁定时间的影响，使得在频率锁定时相位误差达到最小，用于加速锁定时间，相比于带宽切换技术有更快的锁定时间。

29、三、该种快速锁定的低抖动锁相环，利用频率转电压模块f-v与电流控制振荡器cco构成负反馈来增加振荡器的线性度来减低pvt变化的影响，来提升抖动性能，并利用多条调谐曲线来降低对噪声的灵敏度。

30、四、该种快速锁定的低抖动锁相环，通过预启动过程，由频率转电压模块f-v来检测输出频率是否达到预设频率，加速频率锁定过程。