[發明專利]一種恒定環路帶寬的寬帶鎖相環

有效

• 申請號: 201711126350.2
• 申請日: 2017-11-15
• 公開（公告）號: CN107911114B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 張吉利;李宇;楊家琪;閆旭;林福江
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H03L7/18
• 分類號: H03L7/18;H03L7/099
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;盧紀

1.一種恒定環路帶寬的寬帶鎖相環，其特征在于：包括電荷泵鎖相環(1)和全數字自動校準電路(2)；電荷泵鎖相環(1)用于產生頻率輸出信號；全數字自動校準電路(2)負責校準電荷泵鎖相環(1)的環路帶寬，保證其在寬輸出頻率范圍內都能正常工作；電荷泵鎖相環(1)包括鑒頻鑒相器(3)、可編程電荷泵(4)、環路濾波器(5)、壓控振蕩器(6)、反饋分頻器(7)、第一開關(8)和第二開關(9)，其中，第一開關(8)負責實現鎖相環環路的開環和閉環狀態，并與第二開關(9)共同決定壓控振蕩器(6)控制電壓的來源；第一開關(8)和第二開關(9)工作狀態相反，即第一開關(8)閉合時第二開關(9)斷開，反之亦然；壓控振蕩器采用粗調和細調相結合的方式，產生多根調諧曲線覆蓋目標頻率段，并具有較小的增益；全數字自動校準電路(2)包括頻率檢測器(10)、時序控制單元(11)、鎖相環環路帶寬校準電路(12)、壓控振蕩器頻率校準電路(13)和壓控振蕩器控制電壓產生電路(14)，頻率檢測器(10)通過對壓控振蕩器的多路輸出信號及其反向信號的邊沿變化的計數，測量壓控振蕩器(6)的頻率值N_cnt，壓控振蕩器頻率校準電路(13)利用頻率檢測器(10)的輸出N_cnt選擇壓控振蕩器(6)的工作頻帶，通過使用壓控振蕩器頻率校準電路(13)和結合了粗調和細調方式的壓控振蕩器(6)，電荷泵鎖相環(1)在獲得寬輸出頻率范圍的同時，可以將壓控振蕩器的輸入調諧電壓限定在一定的范圍，減小壓控振蕩器在單根調諧曲線上的增益變化，在壓控振蕩器頻率校準電路(12)工作完成之后，鎖相環環路帶寬校準電路(12)利用頻率檢測器(10)的輸出N_cnt在片檢測壓控振蕩器工作的調諧曲線的增益大小，并相應調整可編程電荷泵的輸出電路大小，保證電荷泵鎖相環(1)在寬工作頻率范圍內環路帶寬恒定，時序控制單元(11)產生頻率檢測器(10)、鎖相環環路校準(12)、壓控振蕩器校準電路(13)、第一開關(8)和第二開關(9)所需的時序，壓控振蕩器控制電壓產生電路(14)產生在壓控振蕩器頻率校準電路(12)工作中需要的電壓VDD/2和在鎖相環環路帶寬校準電路(12)工作中需要的電壓V_H和V_L，在全數字自動校準電路(2)工作過程中，第一開關(8)斷開，第二開關(9)閉合，此時電荷泵鎖相環(1)處于開環狀態，第二開關(9)將壓控振蕩器控制電壓產生電路(14)產生的控制電壓連接到壓控振蕩器(6)的電壓控制端，在全數字自動校準電路(2)完成校準之后，第一開關(8)閉合，第二開關(9)斷開，此時電荷泵鎖相環(1)處于閉環狀態，第一開關(8)將環路濾波器(5)產生的控制電壓連接到壓控振蕩器(6)的電壓控制端；

一個傳統的電荷泵鎖相環，其開環增益可以表示為：

其中I_CP是電荷泵的增益，LF(s)是環路濾波器的阻抗，K_VCO是VCO的增益，N是鎖相環的倍頻系數；閉環的帶寬與I_CP、K_VCO和N成比例，表示為：

在鎖相環閉環工作前，第二開關將壓控振蕩器控制電壓產生電路產生的電壓連接到壓控振蕩器的控制電壓端，頻率檢測器檢測壓控振蕩器的多路輸出信號及其反向信號的邊沿變化，對于頻率檢測時間k·T_REF，頻率檢測器檢測到的總的邊沿變化為N_cnt，頻率檢測時間等于N_cnt倍的壓控振蕩器基本單元的延時T_unit，可以表示為：

(N_cnt-1)·T_unit＜k·T_REF≤N_cnt·T_unit (4)

或

N_cnt·T_unit≤k·T_REF＜(N_cnt+1)·T_unit (5)

其中T_REF是參考時鐘的周期，公式(4)(5)中的不等號是由參考信號和VCO輸出信號二者之間起始邊沿的不相關性導致的，檢測到的VCO頻率可以表示為：

或

其中f_VCO＝1/(2M·T_unit)；

全數字校準電路中的壓控振蕩器頻率校準電路利用頻率檢測器得到的頻率值查找中心頻率離目標頻率最近的子頻帶為壓控振蕩器的工作頻帶，在選擇完壓控振蕩器工作的最優子頻帶之后，壓控振蕩器控制電壓產生電路產生電壓V_H和V_L，分別在這兩種控制電壓下頻率檢測電路得到壓控振蕩器的工作頻率f_H和f_L，全數字校準電路中的鎖相環環路帶寬校準電路計算壓控振蕩器的增益：

在獲得準確的壓控振蕩器增益之后，鎖相環環路帶寬校準電路重新調整可編程電荷泵的增益，以補償由于壓控振蕩器增益變化和分頻比變化導致的環路帶寬的變化，即調整I_CP保證公式(1)、(2)的值不變化；

電荷泵鎖相環負責產生頻率輸出信號；全數字自動校準電路負責校準電荷泵鎖相環的環路帶寬，保證其在寬頻率范圍內都能正常工作。