[發(fā)明專利]采用亞采樣技術(shù)的低噪聲鎖相環(huán)電路

在審

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• 申請日: 2016-11-22
• 公開（公告）號: CN106788417A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王宇濤;曾銘;林福江
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: H03L7/18
• 分類號: H03L7/18
• 代理公司: 北京凱特來知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11260
• 代理人: 鄭立明,鄭哲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及射頻和模擬集成電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用亞采樣技術(shù)的低噪聲鎖相環(huán)電路。

背景技術(shù)

隨著無線通信行業(yè)的高速發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)時代到來，人們對無線通信工具的性能要求越來越高。集成電路產(chǎn)業(yè)在過去的幾十年中迅猛發(fā)展，跟隨著摩爾定律，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

在集成電路設(shè)計中，時鐘信號很多時候是必不可少的，例如為無線通信收發(fā)機(jī)提供精確的本振信號。為了得到一個精確的時鐘信號，時域上的抖動所對應(yīng)頻域上的相位噪聲是其不可忽略的因素之一。降低相位噪聲會降低所需信號的信噪比(signal-to-noiseratio，SNR)。所以，一個性能較好的IC設(shè)計需要低噪聲的時鐘信號源。

在無線通信收發(fā)機(jī)中，鎖相環(huán)電路可以為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提供精確的時鐘信號，其相位噪聲性能決定了時鐘信號抖動的大小，對于數(shù)據(jù)發(fā)送、接收時信號的噪聲性能起著至關(guān)重要的作用。

如圖1所示，為傳統(tǒng)電荷泵鎖相環(huán)的示意圖，其包括：鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、環(huán)路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)、分頻器(Divider)。其噪聲模型如圖2所示，鎖相環(huán)的帶內(nèi)噪聲主要由PFD/CP的噪聲貢獻(xiàn)，可以得到PFD/CP的噪聲傳輸函數(shù)為：

G(s)＝K_d·F_LPF(s)·K_vco/s

其中，H_PDCP(s)是鎖相環(huán)的噪聲傳輸函數(shù)，φ_out,n是鎖相環(huán)的輸出噪聲，φ_PDCP,n是由PFD/CP貢獻(xiàn)的噪聲,G(s)是PLL開環(huán)傳遞函數(shù)，K_d是PFD/CP的線性增益，F(xiàn)_LPF(s)為環(huán)路濾波器的增益，K_VCO/s是壓控振蕩器的增益，N為分頻器的分頻比。

由PFD/CP貢獻(xiàn)的帶內(nèi)噪聲可以近似為：

其中，相位噪聲L_inband為傳統(tǒng)電荷泵鎖相環(huán)的噪聲功率，S_iPDCP,n表示為由SSPD/SSCP貢獻(xiàn)的噪聲頻率譜密度。由上式可以看出，對于傳統(tǒng)的電荷泵鎖相環(huán)，由于在鎖定狀態(tài)下有分頻器的作用，由鑒頻鑒相器和電荷泵所產(chǎn)生的帶內(nèi)噪聲會被放大N²倍，從而會使鎖相環(huán)的帶內(nèi)噪聲極大程度的增加，這使得傳統(tǒng)的電荷泵鎖相環(huán)的帶寬受限，從而會影響收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的整體性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種采用亞采樣技術(shù)的低噪聲鎖相環(huán)電路，可以降低鎖相環(huán)的帶內(nèi)噪聲，從而使得模擬時鐘電路或無線通信收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的噪聲性能以及其他性能得以提升。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種采用亞采樣技術(shù)的低噪聲鎖相環(huán)電路，包括：亞采樣環(huán)路與鎖頻環(huán)路；其中，亞采樣環(huán)路包括：亞采樣鑒相器、亞采樣電荷泵、脈沖發(fā)生器、環(huán)路濾波器與壓控振蕩器，所述亞采樣鑒相器、亞采樣電荷泵、環(huán)路濾波器與壓控振蕩器依次相連，脈沖發(fā)生器與亞采樣電荷泵相連，亞采樣鑒相器與壓控振蕩器相連；所述鎖頻環(huán)路包括：依次連接的分頻器、鑒頻鑒相器、死區(qū)產(chǎn)生器與電荷泵；所述亞采樣環(huán)路中的壓控振蕩器與鎖頻環(huán)路中的分頻器相連，所述鎖頻環(huán)路中的電荷泵還與亞采樣環(huán)路中的環(huán)路濾波器相連。

當(dāng)鎖相環(huán)電路尚未鎖定時，亞采樣環(huán)路與鎖頻環(huán)路同時工作，當(dāng)輸入的參考時鐘信號Ref與鎖頻環(huán)路中分頻器輸出信號Div相位差小于閾值π時，鎖頻環(huán)路中的鑒頻鑒相器的輸出會掉入死區(qū)，使得鎖頻環(huán)路中的電荷泵無法開啟，鎖頻環(huán)路停止工作，僅有亞采樣環(huán)路工作，直至鎖相環(huán)電路鎖定；

當(dāng)鎖相環(huán)電路鎖定時，輸入的參考時鐘信號Ref的上升沿與亞采樣環(huán)路中壓控振蕩器輸出波形的直流點對齊。

所述亞采樣電荷泵包括：15個MOS管，記為M0～M14；其中，M0、M1、M2、M7、M8、M12、M13與M14均為NMOS管，M3、M4、M5、M6、M9、M10與M11均為PMOS管；