專利名稱：具有快速鎖定功能的鎖相環(huán)頻率綜合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子通信或無線射頻的技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種具有快速鎖定功能的鎖相 環(huán)頻率綜合器。
背景技術(shù)：
目前，鎖相環(huán)頻率綜合器廣泛應(yīng)用于電子通信和無線射頻技術(shù)領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代無線 通信不可缺少的模塊。在要求頻綜快速鎖定的數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)，車載射頻接收系統(tǒng)和跳頻系 統(tǒng)等現(xiàn)代無線射頻通信里面，頻綜的快速鎖定是非常重要的一個(gè)指標(biāo)。因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)鎖相環(huán)頻 綜在實(shí)現(xiàn)窄信道間隔的同時(shí)可以提供大的環(huán)路帶寬，與整數(shù)鎖相環(huán)相比，具有環(huán)路鎖定速 度快優(yōu)勢(shì)，同時(shí)采取一些其他技術(shù)，相位噪聲和參考毛刺也不比整數(shù)頻綜差。正因?yàn)榉謹(jǐn)?shù) 頻綜具有鎖定速度快等這些優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)代射頻無線通信基本上采用分?jǐn)?shù)頻綜，傳統(tǒng)分?jǐn)?shù)頻綜 的鎖定時(shí)間對(duì)于多數(shù)系統(tǒng)的要求是足夠的。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，許多無線射頻收發(fā)機(jī) 需要一個(gè)寬帶頻綜和一個(gè)復(fù)雜的本地振蕩產(chǎn)生器來為接收機(jī)和發(fā)射機(jī)提供各種本振信號(hào)，
或者是像PHS等系統(tǒng)需要一個(gè)更快的鎖定時(shí)間， 一個(gè)顯而易見的方法就是增大壓控振蕩器 (VC0)的靈敏度，但是當(dāng)VC0的靈敏度增大，相位噪聲特性就會(huì)惡化變差，對(duì)于低電源電
壓頻綜來說，相位噪聲的惡化使通過增大vco靈敏度來達(dá)到快速鎖定的目的使頻綜是不可
能應(yīng)用到低相位噪聲要求的系統(tǒng)中去的。因此，要實(shí)現(xiàn)頻率綜合器的快速鎖定，就必須采 用其他的環(huán)路快速鎖定技術(shù)，同時(shí)滿足低的相位噪聲和參考毛刺要求，并且保證環(huán)路穩(wěn)定。
現(xiàn)有的環(huán)路快速鎖定技術(shù)主要有以下兩類
1、 VC0預(yù)調(diào)節(jié)模式(VC0 pre-tuning)。通過選擇VC0電感或開關(guān)電容陣列來改變VC0 振蕩頻率，也稱自動(dòng)頻率校正(AFC: adaptive frequency calibration),如圖1所示； 或通過DAC來預(yù)設(shè)置VC0的控制電壓來達(dá)到環(huán)路快速鎖定的目的。相關(guān)文獻(xiàn)有[1] Han-il Lee, Je-Kwang Cho, and Kun-Seok Lee， etc, "a sigma-delta fractinal-N Frequency Synthesizer Using a Wide-band Integrated VCO and a Fast AFC Technique for GSM/GPRS/WCDMA Applications" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 39, NO. 7， JULY 2004。 [2] Chi-Wa Lo and Howard Cam Luong, "a 1, 5V 900—MHz Monolithic CMOS Fast-Switching Frequency Synthesizer for Wireless Application" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 37， NO. 4， APRIL 2004。 AFC模式不足是鎖定時(shí)間等于AFC 時(shí)間與正常鎖定時(shí)間之和，而且AFC控制電路規(guī)模比較大，直接增加了功耗與復(fù)雜度，與 現(xiàn)代低功耗、低成本不符；通過DAC預(yù)設(shè)置的不足是需要一個(gè)DAC模塊，DAC的噪聲直接加 在VCO控制線上，而且DAC的精度直接影響環(huán)路的鎖定時(shí)間。
2、 加速模式(speed-up mode)。基本思想就是通過在不同環(huán)路帶寬或增益之間的切換，來實(shí)現(xiàn)快速鎖定和鎖定后的低噪聲，頻綜在頻率切換鎖定過程中工作在環(huán)路帶寬較大的加 速模式狀態(tài)下，當(dāng)鎖定后或在一定的時(shí)間后環(huán)路由較大環(huán)路帶寬加速模式狀態(tài)變換到較小 環(huán)路帶寬的正常模式工作狀態(tài)。如圖2所示，相關(guān)文獻(xiàn)有[1] Kyoungho Woo， Yong Liu， Eunsoo Nam etc， "Fast-Lock Hybrid PLL Combining Fractional-N and Integer-N Modes of Differing Bandwidths" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUIT, VOL. 43, NO. 2' FEBRUARY 2008。 [2] KU0-Hsing Cheng, Wei-Bin Yang, and Cheng-Ming Ying， "A Dual-Slope Phase Frequency Detector and Charge Pump Architecture to Achieve Fast Locking of Phase-Locked Loop" IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTENS-II: ANANLOG AND DIGITAL SIGNAL PROCESSING, VOL. 50, NO. 11' NOVEMBER 2003。 [3] Ching-Yuan Yang, and Shen-Iuan Liu， "Fast-Switching Frequancy with a Discriminator-Aided Phase Detector"IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 35， NO. 10, OCTOBER 2000。加速模式的不足之處就是當(dāng)環(huán)路由加速狀態(tài)向正常模式狀態(tài)切換時(shí)，VCO的電壓控制 線會(huì)受到較大的擾動(dòng)，而且由于在加速模式狀態(tài)下的環(huán)路增益或零、極點(diǎn)改變的不夠大， 環(huán)路鎖定時(shí)間仍然有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能實(shí)現(xiàn)整數(shù)頻綜和分?jǐn)?shù)頻綜的快速鎖定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗 低、而且快速鎖定過程的處理是在電荷泵高阻第三態(tài)即不放電也不存電狀態(tài)下完成的、環(huán) 路穩(wěn)定性不受影響的具有快速鎖定功能的鎖相環(huán)頻率綜合器。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為具有快速鎖定功能的鎖相環(huán)頻率綜 合器，包括鎖相環(huán)路和快速鎖定邏輯單元，所述的鎖相環(huán)路由鑒頻鑒相器、電荷泵、壓控 振蕩器、可編程多模分頻器、環(huán)路濾波器組成，所述的鑒頻鑒相器的一個(gè)輸入端接參考頻 率信號(hào)，另一輸入端接分頻器的輸出端，鑒頻鑒相器的輸出端接所述的電荷泵的輸入端， 電荷泵的輸出端接所述的環(huán)路濾波器輸入端，環(huán)路濾波器的輸出端接所述的壓控振蕩器的 輸入端，壓控振蕩器的輸出端接分頻器的輸入端。所述的快速鎖定邏輯單元由邏輯控制電 路、單位增益跟隨器、相位鎖定監(jiān)控器組成，所述的相位鎖定監(jiān)控器的輸入端分別接參考 頻率信號(hào)Fref和分頻器的輸出端，輸出信號(hào)端接邏輯控制電路的一個(gè)輸入端，邏輯控制電 路的另兩個(gè)輸入分別接鑒頻鑒相器的輸出端，邏輯控制電路的三個(gè)輸出端分別控制開關(guān)sw、 sw和跟隨器，開關(guān)sw跨接在點(diǎn)Vc和跟隨器的輸入端i叩之間，開關(guān)sw跨接在點(diǎn)E和跟隨 器的輸輸出端vo之間。
所述的鎖相環(huán)路還包括加法器、調(diào)制器和接口電路，所述的調(diào)制器的輸入端接分頻器 的輸出端，調(diào)制器的輸出和由接口電路送入的分頻比整數(shù)部分經(jīng)加法器相加后送入分頻器 的模式控制端，實(shí)現(xiàn)整數(shù)分頻比或分?jǐn)?shù)分頻比，所述的數(shù)據(jù)接口單元由外部寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行
4分頻比的選擇與控制。
由于采用了上述的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了頻率綜合器的快速鎖定，而且快速鎖定邏輯單 元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低。特別適合于要求低功耗快速鎖定的無線射頻通信系統(tǒng)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。 圖1是現(xiàn)有的采取AFC技術(shù)快速鎖定頻率綜合器的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是現(xiàn)有的采取加速模式技術(shù)快速鎖定頻率綜合器的原理圖； 圖3是本發(fā)明具有快速鎖定功能的鎖相環(huán)頻率綜合器的結(jié)構(gòu)框圖； 圖4是本發(fā)明快速鎖定原理圖5本發(fā)明與傳統(tǒng)方法的頻綜鎖定過程VC0控制電壓線曲線對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式
如圖3所示，本發(fā)明所述的具有快速鎖定功能的鎖相環(huán)頻率綜合器，包括鎖相環(huán)路101 和快速鎖定邏輯單元102，所述的鎖相環(huán)路101由鑒頻鑒相器501、電荷泵502、壓控振蕩 器503、可編程多模分頻器504、三階無源lead-lag環(huán)路濾波器511組成，所述的鑒頻鑒 相器501的一個(gè)輸入端接參考頻率信號(hào)，另一輸入端接分頻器504的輸出端，鑒頻鑒相器 501的輸出端接所述的電荷泵502的輸入端，電荷泵502的輸出端接所述的環(huán)路濾波器511 輸入端，環(huán)路濾波器511的輸出端接所述的壓控振蕩器503的輸入端，壓控振蕩器503的 輸出端接分頻器504的輸入端；
所述的快速鎖定邏輯單元102由邏輯控制電路508、單位增益跟隨器509、相位鎖定監(jiān) 控器510組成，所述的相位鎖定監(jiān)控器510的輸入端分別接參考頻率信號(hào)Fref和分頻器504 的輸出端，輸出信號(hào)端接邏輯控制電路508的一個(gè)輸入端，邏輯控制電路508的另兩個(gè)輸 入分別接鑒頻鑒相器501的輸出端，邏輯控制電路508的三個(gè)輸出端分別控制開關(guān)swl、 sw2 和跟隨器509，開關(guān)sw2跨接在點(diǎn)Vc和跟隨器509的輸入端i叩之間，開關(guān)swl跨接在點(diǎn) E和跟隨器509的輸輸出端vo之間。
所述的鎖相環(huán)路101還包括加法器505、三階sgma-delta調(diào)制器506和接口電路507， 所述的調(diào)制器506的輸入端接分頻器504的輸出端，調(diào)制器506的輸出和由接口電路507 送入的分頻比整數(shù)部分經(jīng)加法器505相加后送入分頻器504的模式控制端，實(shí)現(xiàn)整數(shù)分頻 比或分?jǐn)?shù)分頻比，所述的數(shù)據(jù)接口單元507由外部寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行分頻比的選擇與控制。
當(dāng)頻綜開始工作時(shí)，假設(shè)參考頻率信號(hào)Fref頻率高于分頻器(504)輸出信號(hào)Fdiv頻 率，則參考頻率信號(hào)Fref上升沿先于分頻器(504)輸出信號(hào)Fdiv上升沿，鑒頻鑒相器(501) 通過檢査兩輸入信號(hào)的上升沿到達(dá)的時(shí)間差，并把其通過電荷泵(502)轉(zhuǎn)化為輸出電流注 入到環(huán)路濾波器(511)輸入端Vc，環(huán)路濾波器(511)輸出連接到壓控振蕩器(503)輸入端使控制線Vtune上的直流電位升高，從而壓控振蕩器(503)的輸出頻率升高，相應(yīng)分頻 器(504)的輸出頻率升高，其上升沿逐漸靠近參考頻率信號(hào)的上升沿，直至重合即環(huán)路鎖 定。
當(dāng)環(huán)路沒有鎖定，并且快速鎖定邏輯單元工作時(shí)，相位鎖定監(jiān)控器首先檢査參考頻率 信號(hào)Fref與分頻器輸出信號(hào)Fdiv的相位是否對(duì)齊，如果對(duì)齊輸出端Id為高電平，否則為 低電平。邏輯控制電路檢查相位鎖定監(jiān)控器的輸出信號(hào)ld、 PFD的輸出信號(hào)叩和dn，如果 ld為低電平，輸出信號(hào)ctr始終為高電平使單位增益源跟隨器處于工作狀態(tài)，并且up信號(hào) 上升沿先于dn信號(hào)上升沿到達(dá)邏輯控制電路，則邏輯控制電路從dn信號(hào)的上升沿到來之 后輸出信號(hào)swl和sw2為高電平，保持到up信號(hào)上升沿到來變?yōu)榈碗娖?，輸出信?hào)swl和 sw2高電平使開關(guān)swl和sw2閉合導(dǎo)通，使電荷泵在進(jìn)入高阻第三態(tài)后E點(diǎn)電位立刻被拉升 到等于Vc的電位，從而使Vc的電位保持不變，有效的提高了 VC0輸入控制電壓線Vtune 上的直流電位，從而達(dá)到快速提高VC0的輸出頻率，使分頻器的輸出相位快速跟上參考頻 率的相位，達(dá)到快速縮小二者之間的輸入相位差；如果ld為低電平，并且叩信號(hào)上升沿 滯后于dn信號(hào)上升沿到達(dá)邏輯控制電路，則邏輯控制電路從叩信號(hào)的上升沿到來之后輸 出信號(hào)swl和sw2為高電平，保持到dn信號(hào)上升沿到來后變?yōu)榈碗娖?，輸出信?hào)swl和sw2 高電平使開關(guān)swl和sw2閉合導(dǎo)通，使電荷泵在進(jìn)入高阻第三態(tài)后E點(diǎn)電位立刻被拉低到 等于Vc的電位，從而使Vc的電位保持不變，有效的降低了 VCO輸入控制電壓線VUine上 的直流電位，從而達(dá)到快速降低VC0的輸出頻率，使參考頻率信號(hào)的相位快速跟上分頻器 輸出信號(hào)相位，達(dá)到快速縮小二者之間的輸入相位差；當(dāng)輸入信號(hào)頻率的相位和分頻器輸 出信號(hào)的相位之差很小時(shí)或?yàn)榱銜r(shí)，相位鎖定監(jiān)控器的輸出為高電平，此時(shí)不論cp與dn 處于何種狀態(tài)，邏輯控制電路的輸出ctr為低電平使單位增益源跟隨器關(guān)斷不工作，而且 swl和sw2輸出信號(hào)為低電平，使開關(guān)swl和sw2斷開，這樣快速鎖定邏輯單元與頻綜的主 環(huán)路斷開，不影響主環(huán)路的工作。
在鎖定速度方面，分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)要優(yōu)于整數(shù)鎖相環(huán)，如果噪聲特性允許的話，分?jǐn)?shù)鎖相 環(huán)的環(huán)路帶寬可以達(dá)到很寬，鎖定時(shí)間一般是可以滿足要求的，但是，對(duì)于很多無線通信 系統(tǒng)來說，尤其是語音傳輸系統(tǒng)對(duì)相位噪聲的要求是比較苛刻的，因此，基于噪聲的考慮， 分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)的帶寬對(duì)于鎖定時(shí)間來說仍然太窄或鎖定時(shí)間仍然不能滿足系統(tǒng)的要求。目前 常用的快速鎖定技術(shù)主要有加速模式和壓控振蕩器預(yù)調(diào)節(jié)模式。本發(fā)明屬于加速模式，但 是與傳統(tǒng)的加速模式是截然不同的，其工作原理如圖4所示
縱坐標(biāo)Vc表示環(huán)路濾波器輸入端電壓，是電荷泵電流通過環(huán)路濾波器轉(zhuǎn)化為電壓的形 式。圖4 (b)是傳統(tǒng)加速模式環(huán)路濾波器輸入端電壓變化波形，電荷泵在存電狀態(tài)期間， 主要在積分電容Cp上積累電荷，由于積分電容Cp遠(yuǎn)小于零點(diǎn)電容Cl，在電荷泵存電期間 Vc近似線性上升，上升電壓約AV4cp沐At/Cp，存電完畢，電荷泵進(jìn)入即不存電也不放電的高阻第三態(tài)，直到前面PFD輸入的一個(gè)周期結(jié)束。在第三態(tài)期間積分電容Cp與零點(diǎn)電容 Cl要發(fā)生電荷共享，由于Cp上的電位要高于Cl上的電位，因此，Cp上的電荷要通過電阻 R1流向C1，直到二者上的電位相等或第三態(tài)結(jié)束，如圖4 (b)所示。現(xiàn)有的加速技術(shù)都是 在電荷泵存電期間通過各種方式或各種途徑注入更多的電流，使存電期間的Vc上升的更高， 從而VC0的輸入有效控制電壓Vtune就上升的更快，但是在電荷泵存電狀態(tài)期間注入更多 的電流等操作，勢(shì)必考慮整個(gè)環(huán)路的穩(wěn)定性等因數(shù)，而且在第三態(tài)發(fā)生的電荷共享，實(shí)際 上注入的電荷是在Cp和Cl上，由于C1通常比較大，因此Vc有效上升仍然很小，同理， 電荷泵放電也是一樣。本發(fā)明通過在電荷泵第三態(tài)的高阻態(tài)期間進(jìn)行電流的注入，避免了 環(huán)路的不穩(wěn)定，而且注入更有效，使環(huán)路鎖定的速度更快，如圖4 (a)所示，在電荷泵存 電期間也是AV=Icp*At/Cp，但是這里Icp是正常工作時(shí)的電荷泵電流，當(dāng)存電結(jié)束，電 荷泵進(jìn)入高阻第三態(tài)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)這時(shí)要發(fā)生電荷共享Vc下降，而本發(fā)明通過外部注入電 荷使Vc保持恒定，因此注入更有效，而且注入是在高組態(tài)發(fā)生，因此不需要考慮環(huán)路的穩(wěn) 定性，在接近鎖定時(shí)或經(jīng)過特定的一段時(shí)間后必須關(guān)斷第三態(tài)的注入，否則環(huán)路穩(wěn)定性受 影響。
圖5是本發(fā)明的具有快速鎖定功能的鎖相環(huán)頻率綜合器鎖定過程中VC0輸入電壓控制 線上的電壓波形以及采用傳統(tǒng)快速鎖定功能的鎖相環(huán)頻率綜合器鎖定過程中VC0輸入電壓 控制線上的電壓波形，從圖中可以看出本發(fā)明的快速鎖定頻綜VC0輸入控制線上的電壓明 顯上升非常的快，很快就達(dá)到了最終的穩(wěn)定值，而傳統(tǒng)的快速鎖定頻綜VC0輸入控制線上 的電壓上升到最終穩(wěn)定值要晚10yS以上，由于切換的影響，最終穩(wěn)定下來還需要一段更 長(zhǎng)的時(shí)間。
總之，本發(fā)明雖然例舉了上述優(yōu)選實(shí)施方式，但是應(yīng)該說明，雖然本領(lǐng)域的技術(shù)人員 可以進(jìn)行各種變化和改型，除非這樣的變化和改型偏離了本發(fā)明的范圍，否則都應(yīng)該包括 在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有快速鎖定功能的鎖相環(huán)頻率綜合器，包括鎖相環(huán)路(101)和快速鎖定邏輯單(102)，其特征在于所述的鎖相環(huán)路(101)由鑒頻鑒相器(501)、電荷泵(502)、壓控振蕩器(503)、可編程多模分頻器(504)、環(huán)路濾波器(511)組成，所述的鑒頻鑒相器(501)的一個(gè)輸入端接參考頻率信號(hào)，另一輸入端接分頻器(504)的輸出端，鑒頻鑒相器(501)的輸出端接所述的電荷泵(502)的輸入端，電荷泵(502)的輸出端接所述的環(huán)路濾波器(511)輸入端，環(huán)路濾波器(511)的輸出端接所述的壓控振蕩器(503)的輸入端，壓控振蕩器(503)的輸出端接分頻器(504)的輸入端；所述的快速鎖定邏輯單元(102)由邏輯控制電路(508)、單位增益跟隨器(509)、相位鎖定監(jiān)控器(510)組成，所述的相位鎖定監(jiān)控(510)的輸入端分別接參考頻率信號(hào)Fref和分頻器(504)的輸出端，輸出信號(hào)端接邏輯控制電路(508)的一個(gè)輸入端，邏輯控制電路(508)的另兩個(gè)輸入分別接鑒頻鑒相器(501)的輸出端，邏輯控制電路(508)的三個(gè)輸出端分別控制開關(guān)(sw1)、(sw2)和跟隨器(509)，開關(guān)(sw2)跨接在點(diǎn)Vc和跟隨器(509)的輸入端inp之間，開關(guān)(sw1)跨接在點(diǎn)E和跟隨器(509)的輸輸出端vo之間。
2. 按照權(quán)利要求1所述的具有快速鎖定功能的鎖相環(huán)頻率綜合器，其特征在于所述 的鎖相環(huán)路(101)還包括加法器(505)、調(diào)制器(506)和接口電路(507)，所述的調(diào)制 器(506)的輸入端接分頻器(504)的輸出端，調(diào)制器(506)的輸出和由接口電路(507) 送入的分頻比整數(shù)部分經(jīng)加法器(505)相加后送入分頻器(504)的模式控制端，實(shí)現(xiàn)整 數(shù)分頻比或分?jǐn)?shù)分頻比，所述的數(shù)據(jù)接口單元(507)由外部寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行分頻比的選擇與 控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有快速鎖定功能的鎖相環(huán)頻率綜合器。包括鎖相環(huán)路(101)和快速鎖定邏輯單元(102)，所述的鎖相環(huán)路(101)由鑒頻鑒相器(501)、電荷泵(502)、壓控振蕩器(503)、可編程多模分頻器(504)、環(huán)路濾波器(511)組成。所述的快速鎖定邏輯單元(102)由邏輯控制電路(508)、單位增益跟隨器(509)、相位鎖定監(jiān)控器(510)組成。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了頻率綜合器的快速鎖定，而且快速鎖定邏輯單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低。特別適合于要求低功耗快速鎖定的無線射頻通信系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H03L7/16GK101582695SQ20091004038
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者飛 蔡, 陳紅林 申請(qǐng)人:廣州潤(rùn)芯信息技術(shù)有限公司