專利名稱：具有數(shù)字粗調(diào)諧環(huán)路的鎖相環(huán)頻率綜合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線收發(fā)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及頻率綜合器結(jié)構(gòu)的改良設(shè)計(jì)。
PLL頻綜的工作原理為壓控振蕩器輸出的頻率信號(hào)Fout經(jīng)過(guò)N分頻器，得到分頻后的信號(hào)Fdiv，然后將Fdiv和參考頻率信號(hào)Fref在鑒相器中進(jìn)行相位比較，其結(jié)果被送入環(huán)路濾波器進(jìn)行低通濾波，得到一個(gè)和相位差成正比的電壓信號(hào)，該信號(hào)連接到壓控振蕩器中可變電容的控制端作為控制信號(hào)，這樣，可變電容值就隨該電壓改變而改變，從而導(dǎo)致VCO輸出頻率發(fā)生變化。
采用上述結(jié)構(gòu)的頻綜由于理論和技術(shù)最為成熟、設(shè)計(jì)所用的電路比較簡(jiǎn)單，因此一直以來(lái)應(yīng)用最為廣泛，但該結(jié)構(gòu)仍存在以下問(wèn)題1)鑒相器輸出的壓控信號(hào)隨VCO頻率變化而變化的過(guò)程比較緩慢，因此整個(gè)壓控振蕩器的頻率調(diào)諧過(guò)程很長(zhǎng)，使得它無(wú)法用于對(duì)頻率鎖定時(shí)間要求較高的跳頻通信系統(tǒng)。
2)其次，由于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝無(wú)法在芯片上無(wú)法集成高精度、高性能的電感和電容，同時(shí)又需要保證頻綜性能不下降，通常的集成方法是將VCO放在整個(gè)頻綜芯片之外，從而導(dǎo)致集成度不高，代價(jià)隨之也升高。
3)另外，由于構(gòu)成環(huán)路濾波器的濾波電容過(guò)大，芯片集成比較困難，為此只能將環(huán)路濾波器作為一個(gè)分立元件放在芯片外，從而增加頻綜成本。
在無(wú)線收發(fā)機(jī)越來(lái)越走向單芯片設(shè)計(jì)的過(guò)程中，上述因素制約了傳統(tǒng)PLL頻率綜合器的高集成，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單芯片設(shè)計(jì)以節(jié)約成本，因此，開(kāi)發(fā)新型結(jié)構(gòu)的頻率綜合器以適應(yīng)單芯片集成就成了一個(gè)很緊迫的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決傳統(tǒng)的PLL頻率綜合器在單芯片集成中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種具有高精度數(shù)字粗調(diào)諧環(huán)路的PLL頻率綜合器，該頻綜是在傳統(tǒng)PLL頻綜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)VCO的改進(jìn)，增加了一個(gè)粗調(diào)諧環(huán)路，使其不但具有相位噪聲小、頻率調(diào)諧速度快的特點(diǎn)，還有利于單芯片集成。
本發(fā)明具有如下特點(diǎn)及良好效果1)粗調(diào)諧環(huán)路中用于調(diào)諧VCO輸出頻率的固定電容占據(jù)整個(gè)調(diào)諧電路的大部分，這樣，鎖相環(huán)路中可變電容管的電容值就可以大大減小，從而為可變電容管的性能提高和芯片上集成帶來(lái)好處；2)固定電容的設(shè)計(jì)可以通過(guò)線性度很好的金屬板電容組成，如TSMC 0.18um工藝提供的MIM電容，這樣就可以大大降低壓控振蕩器的相位噪聲，從而減小整個(gè)頻綜的噪聲性能；3)由于粗調(diào)諧環(huán)路以數(shù)字方式將振蕩器頻率調(diào)諧至中心頻率的附近，相比鎖相環(huán)的頻率調(diào)諧過(guò)程，這種調(diào)諧方法可以大大提高頻綜的頻率調(diào)諧速度。盡管鎖相環(huán)路仍需要鎖相環(huán)路完成最終的頻率調(diào)諧，但整體來(lái)講，該頻綜的頻率鎖定時(shí)間還是大大減小了；4)由于鎖相環(huán)路工作在中心頻率附近，因此用于低通濾波器的電容可以大大減小，從而為濾波器的芯片上集成帶來(lái)了好處。
圖2為

圖1中的LC壓控振蕩器結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3為本發(fā)明的包含粗調(diào)諧環(huán)路的頻率綜合器結(jié)構(gòu)框圖。
圖4為本發(fā)明的LC壓控振蕩器實(shí)施例結(jié)構(gòu)原理圖。
圖5為本發(fā)明的粗調(diào)諧環(huán)路實(shí)施例實(shí)現(xiàn)框圖。
圖6為本發(fā)明的頻率比較原理示意圖。
在本發(fā)明的頻綜結(jié)構(gòu)中，由于粗調(diào)諧環(huán)路的增加，對(duì)傳統(tǒng)頻綜中的VCO的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，該VCO的實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖4所示，它在圖2的基礎(chǔ)上，又增加了一組固定電容(C0、C1、C2...Cn-1)，它僅用于粗調(diào)諧環(huán)路。各個(gè)固定電容都串接在一個(gè)開(kāi)關(guān)(SW0、SW1、SW2...SWn-1)上，各開(kāi)關(guān)受控于一組N位的控制字(CW0、CW1、CW2...CWn-1)，這樣通過(guò)改變控制字就能夠以數(shù)字化的方式調(diào)節(jié)可變電容值，從而改變VCO輸出頻率。由于固定電容無(wú)法做到非常高的精確度，因此粗調(diào)諧環(huán)路只能完成VCO中心頻率的粗調(diào)諧，將VCO輸出頻率調(diào)至中心頻率附近，頻率誤差要求保持在中心頻率1％以內(nèi)，精確的頻率調(diào)諧任務(wù)仍由鎖相環(huán)路在粗調(diào)諧完成之后進(jìn)行。粗調(diào)諧環(huán)路用于補(bǔ)償工藝制造中的電感和電容誤差以及完成頻率粗調(diào)諧，環(huán)路中的固定電容占整個(gè)壓控振蕩器可變電容的大部分，只有這樣，才能夠完成VCO頻率的粗調(diào)諧，而用于鎖相環(huán)路中的可變電容值占整個(gè)調(diào)諧電容的小部分，該可變電容仍由可變電容二極管形成。
在頻綜正常開(kāi)始工作時(shí)，首先啟動(dòng)粗調(diào)諧環(huán)路，將VCO輸出N分頻后的信號(hào)(Fdiv)頻率同參考信號(hào)(Fref)頻率相比較，根據(jù)比較結(jié)果，數(shù)字粗調(diào)諧模塊改變數(shù)字控制字，從而改變固定可變電容值以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)整；粗調(diào)諧完畢，數(shù)字粗調(diào)諧模塊產(chǎn)生一個(gè)使能信號(hào)啟動(dòng)鎖相環(huán)路工作，鎖相環(huán)路完成頻綜的精確頻率調(diào)諧。兩個(gè)環(huán)路非并行工作，首先粗調(diào)諧環(huán)路工作，此時(shí)鎖相環(huán)路不工作；粗調(diào)諧完畢，啟動(dòng)鎖相環(huán)路工作，粗調(diào)諧環(huán)路不再工作。鎖相環(huán)路的啟動(dòng)和關(guān)閉由數(shù)字粗調(diào)諧模塊產(chǎn)生的使能信號(hào)控制。使能信號(hào)通過(guò)控制圖3中的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)路斷開(kāi)和閉合，以此決定鎖相環(huán)路能否工作。
本發(fā)明中的粗調(diào)諧模塊以及由其構(gòu)成的粗調(diào)諧環(huán)路的具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖5所示。整個(gè)環(huán)路由壓控振蕩器(VCO)、雙模預(yù)分頻器(DMP)和數(shù)字粗調(diào)諧三個(gè)模塊組成；其中，VCO是如圖3所示壓控振蕩器的一部分，由一組固定電容(C0、C1、C2...Cn-1)，及各個(gè)固定電容串接的一組開(kāi)關(guān)(SW0、SW1、SW2...SWn-1)構(gòu)成；DMP是N分頻器(如圖中方框2所示)中的一個(gè)模塊，DMP和VCO均為模擬電路，而本實(shí)施例中的粗調(diào)諧模塊是數(shù)字電路，如圖中方框1所示，通過(guò)數(shù)字邏輯的直接綜合完成。正是從電路實(shí)現(xiàn)的角度，在本實(shí)施例中，將N分頻器中的DMP單獨(dú)作為一個(gè)模塊來(lái)劃分，而構(gòu)成N分頻的可編程計(jì)數(shù)器和脈沖吞吐計(jì)數(shù)器被劃歸到數(shù)字粗調(diào)諧模塊中。
本實(shí)施例的數(shù)字粗調(diào)諧模塊由數(shù)據(jù)寫入接口、可編程計(jì)數(shù)器、脈沖吞吐計(jì)數(shù)器、頻率比較模塊和粗調(diào)諧控制模塊組成，其中的可編程計(jì)數(shù)器和脈沖吞吐計(jì)數(shù)器就是上面提到的N分頻器的兩個(gè)子模塊。
數(shù)字寫入接口通常用串行結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，用于向N分頻器寫入分頻數(shù)Data_N和其它各種控制命令字。
本實(shí)施例的N分頻器結(jié)構(gòu)如圖5中方框2所示，由DMP、可編程計(jì)數(shù)器和脈沖吞吐計(jì)數(shù)器組成，其中脈沖吞吐計(jì)數(shù)器用于DMP的分頻比控制，控制信號(hào)為mc，N分頻的結(jié)果Fdiv由可編程計(jì)數(shù)器輸出。開(kāi)始時(shí)，DMP對(duì)VCO輸出信號(hào)Fout進(jìn)行N+1分頻，脈沖吞吐計(jì)數(shù)器對(duì)DMP輸出Fin進(jìn)行記數(shù)，當(dāng)記滿時(shí)，將DMP的分頻比由原來(lái)的N+1改為N，與此同時(shí)，PC也在對(duì)DMP的輸出進(jìn)行記數(shù)，當(dāng)它也記滿時(shí)，就輸出reset信號(hào)將它本身和脈沖吞吐計(jì)數(shù)器同時(shí)復(fù)位，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。
頻率比較模塊用于Fdiv和參考信號(hào)Fref的頻率比較，在方框1中，沒(méi)有畫出Fref信號(hào)，而給出了晶振輸出信號(hào)Xin，這是因?yàn)?，F(xiàn)ref參考信號(hào)通常不是從外部獨(dú)立引入的，而是通過(guò)對(duì)Xin信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的。通常用于頻率比較和鑒相的參考信號(hào)Fref的頻率為通信系統(tǒng)的信道帶寬，如GSM的信道帶寬200KHz，因此要求Fref的頻率為200KHz。然而，晶振頻率都很固定，通常為13MHz或者26MHz等。以26MHz晶振為例，為產(chǎn)生200KHz的參考比較信號(hào)Fref，需要對(duì)晶振輸出信號(hào)Xin作130分頻，參考圖6。
粗調(diào)諧控制模塊用于整個(gè)粗調(diào)諧模塊的控制輸出同步信號(hào)，使頻率比較模塊的初始比較時(shí)刻同步，消除頻率比較誤差；輸出N計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)，使N分頻器在頻率比較的起始時(shí)刻復(fù)位，重新開(kāi)始對(duì)DMP輸出信號(hào)Fin的計(jì)數(shù)；輸出DMP復(fù)位信號(hào)，使DMP同樣在頻率比較的起始時(shí)刻復(fù)位，重新開(kāi)始對(duì)VCO輸出信號(hào)Fout的計(jì)數(shù)。另外，粗調(diào)諧控制模塊還要根據(jù)頻率比較模塊提供的反饋信號(hào)，對(duì)頻率比較結(jié)果進(jìn)行判斷，并調(diào)整輸出控制字CW以改變VCO中的固定電容。
粗調(diào)諧模塊是整個(gè)粗調(diào)環(huán)路的核心，它協(xié)調(diào)環(huán)路中個(gè)模塊的工作，實(shí)現(xiàn)粗調(diào)諧環(huán)路的核心功能頻率比較和VCO輸出頻率調(diào)整。
依據(jù)前面對(duì)各個(gè)模塊的分析，粗調(diào)諧模塊的工作步驟可以簡(jiǎn)單描述如下1)數(shù)據(jù)寫入接口模塊接收數(shù)據(jù)N_data，改變N分頻器中的脈沖吞吐計(jì)數(shù)器和可編程技術(shù)器的計(jì)數(shù)模值，完成VCO輸出頻率N分頻的設(shè)定；2)對(duì)晶振輸出信號(hào)Xin進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生參考比較信號(hào)Fref，然后將它和VCO輸出N分頻后的信號(hào)Fdiv在頻率比較模塊中做頻率比較，比較結(jié)果由反饋信號(hào)送入粗調(diào)諧控制模塊；3)粗調(diào)諧控制模塊根據(jù)頻率比較模塊提供的反饋信號(hào)，判斷出VCO輸出頻率的快慢，輸出一組數(shù)字控制字CW，改變VCO的固定電容值，從而改變VCO的輸出頻率。
4)步驟2)和3)每次只能改變CW中的一位，假定CW有N位，則步驟2)和3)需要重復(fù)N次，直至CW的N位全部被調(diào)整。
粗調(diào)諧環(huán)路的工作原理為粗調(diào)諧模塊輸出控制字CW改變VCO中的固定電容，VCO的輸出信號(hào)Fout送入DMP做預(yù)分頻，分頻結(jié)果Fin送入粗調(diào)諧模塊做進(jìn)一步的分頻，得到N分頻輸出信號(hào)Fdiv，然后將它與參考信號(hào)Fref做頻率比較，根據(jù)頻率比較結(jié)果產(chǎn)生的反饋信號(hào)，粗調(diào)諧模塊調(diào)整輸出控制字CW，改變VCO的固定電容值，從而改變VCO的振蕩頻率。
本實(shí)施例的頻率比較功能是通過(guò)比較Fdiv的周期和參考信號(hào)Fref的周期來(lái)完成，比較過(guò)程要求兩個(gè)信號(hào)的初始時(shí)刻必須保持同步，這樣可以減小頻率比較誤差，否則將會(huì)嚴(yán)重影響到后面的頻率調(diào)整。根據(jù)粗調(diào)所要達(dá)到的頻率精度(小于1％的頻率誤差)，通常的DMP設(shè)計(jì)無(wú)法滿足頻率比較精度的要求。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單分析可知，如果中心頻率為1GHz，DMP的模值為64/65，則最大的初始同步誤差為64ns，它造成的頻率誤差約為50MHz。為此，本發(fā)明的頻綜為通常的DMP結(jié)構(gòu)引入一個(gè)DMP異步復(fù)位信號(hào)，在它有效的時(shí)候，DMP立即結(jié)束上次的計(jì)數(shù)，并開(kāi)始新的計(jì)數(shù)，這樣就避免了原來(lái)DMP必須要等到一次N/N+1計(jì)數(shù)完畢之后才能夠重新計(jì)數(shù)的缺點(diǎn)，從而大大消除了初始同步造成的誤差，使得誤差控制在一個(gè)VCO周期之內(nèi)。由于假定VCO中心頻率為1GHz，因此最大初始同步誤差為1ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原來(lái)的64ns。
圖6給出了頻率比較示意圖，整個(gè)粗調(diào)諧環(huán)路的工作首先是從數(shù)據(jù)寫入接口輸入分頻數(shù)N開(kāi)始的，頻率比較是以晶振信號(hào)Xin為基準(zhǔn)進(jìn)行的，即一旦粗調(diào)諧環(huán)路開(kāi)始工作，則粗調(diào)諧控制模塊產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)，對(duì)Xin的計(jì)數(shù)從該同步信號(hào)有效開(kāi)始，從而確定了頻率比較的起始時(shí)刻；同時(shí)粗調(diào)諧控制模塊輸出N計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)和DMP復(fù)位信號(hào)，讓DMP復(fù)位，對(duì)VCO輸出信號(hào)Fout開(kāi)始計(jì)數(shù)，N分頻器也得到復(fù)位并開(kāi)始計(jì)數(shù)。顯然，所有信號(hào)的起始時(shí)刻都受控于晶振輸出Xin，這樣就確保了頻率比較起始點(diǎn)的同步，消除頻率比較誤差。
頻率比較就是將上述起始時(shí)刻保持同步的參考信號(hào)Fref與Fdiv在時(shí)域進(jìn)行比較，這里的Fref由Xin(假定頻率為26MHz)做130分頻得到。在參考信號(hào)Fref一個(gè)周期的結(jié)束時(shí)刻對(duì)Fdiv進(jìn)行采樣，“1”表示Fdiv的周期小于參考信號(hào)周期，VCO輸出信號(hào)頻率太大；“0”表示Fdiv的周期小于參考信號(hào)周期，VCO輸出信號(hào)頻率太慢，這樣就判斷出兩者頻率的大小，然后將判決結(jié)果通過(guò)反饋信號(hào)送給粗調(diào)諧控制模塊，由粗調(diào)諧控制模塊來(lái)調(diào)整控制字CW，從而完成一次頻率比較過(guò)程。由于Fref是Xin的130分頻結(jié)果，因此，在實(shí)際做頻率比較時(shí)，并不需要Fref信號(hào)，可以直接采用對(duì)Xin做計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器。即在同步信號(hào)有效開(kāi)始，該計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)記到130時(shí)對(duì)Fdiv進(jìn)行采樣，因?yàn)椋琗in的130分頻結(jié)果就是參考信號(hào)Fref的一個(gè)周期。圖6的比較示意圖中，雖然給出了參考信號(hào)Fref，但它是一個(gè)虛擬的信號(hào)。但在鎖相環(huán)路中，該信號(hào)是必需的，因?yàn)殍b相器不能對(duì)Xin計(jì)數(shù)器做鑒相，而只能用Xin的計(jì)數(shù)結(jié)果信號(hào)Fref做鑒相。
本實(shí)施例的頻率調(diào)諧控制模塊的功能實(shí)現(xiàn)如下為了加快粗調(diào)諧速度，控制字CW從高位到低位對(duì)應(yīng)的電容值和控制字的權(quán)重成比例，如C[4]∶C
＝BC[4]∶BC
＝16∶1。而且為了滿足粗調(diào)諧精度的要求，粗調(diào)諧環(huán)路具體實(shí)現(xiàn)中要根據(jù)VCO工作頻率和最小單位的固定電容值首先確定控制字(CW)位數(shù)。由于每次頻率比較只能對(duì)其中的一位控制字做出調(diào)整，這樣假定CW有5位，則整個(gè)粗調(diào)諧過(guò)程由5步完成。
經(jīng)過(guò)頻率比較，粗調(diào)諧模塊根據(jù)來(lái)自頻率比較模塊的反饋信號(hào)(feedback)，對(duì)輸出控制字CW做出調(diào)整，控制VCO中的調(diào)諧電容值。如果對(duì)Fdiv采樣的結(jié)果為“1”，則表明當(dāng)前VCO頻率大于所要求的頻率，于是增加CW控制字；如果對(duì)Fdiv采樣的結(jié)果為“0”，則表明當(dāng)前VCO頻率小于所要求的頻率，于是減小CW控制字。從而將VCO的輸出頻率穩(wěn)定在1％的范圍之內(nèi)?？刂谱諧W的作用是控制接入VCO中固定電容的開(kāi)關(guān)，高電平(數(shù)字位為“1”)使得接通離散電容的開(kāi)關(guān)閉合，VCO總電容值增加，輸出頻率下降；低電平(數(shù)字位為“0”)則使得開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，VCO的總電容值減小，輸出頻率升高。
根據(jù)前面的描述，表1給出了控制字CW為5位時(shí)候的頻率粗調(diào)諧過(guò)程。在初始化階段，將BC控制字設(shè)定為中間值“10000”，它對(duì)應(yīng)調(diào)諧電容的中間值，這樣可以減小電容的調(diào)諧范圍，從而加快頻率調(diào)諧速度。
表1粗調(diào)諧過(guò)程

權(quán)利要求
1.一種具有數(shù)字粗調(diào)諧環(huán)路的鎖相環(huán)頻率綜合器，包括由依次連接的鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和連接在鑒相器輸入端及壓控振蕩器輸出端的N分頻器組成鎖相環(huán)路，其特征在于，還包括由該壓控振蕩器、N分頻器和連接在壓控振蕩器輸出端和N分頻器輸入端的數(shù)字粗調(diào)諧模塊構(gòu)成的粗調(diào)諧環(huán)路。
2.如權(quán)利要求1所述的鎖相環(huán)頻率綜合器，其特征在于，所說(shuō)的壓控振蕩器包括諧振電感L1、L2，可變電容二極管D1、D2，以及一個(gè)交叉耦合的負(fù)阻放大器M1、M2，還包括一組用于粗調(diào)諧環(huán)路的固定電容C0、C1、C2...Cn-1，各個(gè)固定電容都串接在一個(gè)開(kāi)關(guān)SW0、SW1、SW2...SWn-1上，各開(kāi)關(guān)受控于一組N位的控制字CW0、CW1、CW2...CWn-1，所說(shuō)的N分頻器由可編程計(jì)數(shù)器、脈沖吞吐計(jì)數(shù)器及雙模預(yù)分頻器組成。
3.如權(quán)利要求2所述的鎖相環(huán)頻率綜合器，其特征在于，所說(shuō)的數(shù)字粗調(diào)諧模塊包括粗調(diào)諧控制模塊及分別與其相連的數(shù)據(jù)寫入接口、頻率比較模塊和N分頻器中的可編程計(jì)數(shù)器和脈沖吞吐計(jì)數(shù)器。
全文摘要
本發(fā)明屬于無(wú)線收發(fā)機(jī)中頻率綜合器設(shè)計(jì)領(lǐng)域,涉及具有數(shù)字粗調(diào)諧環(huán)路的鎖相環(huán)頻率綜合器,包括由依次連接的鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和連接在鑒相器輸入端及壓控振蕩器輸出端的N分頻器組成鎖相環(huán)路,還包括由該壓控振蕩器、N分頻器和連接在壓控振蕩器輸出端和N分頻器輸入端的數(shù)字粗調(diào)諧模塊構(gòu)成的粗調(diào)諧環(huán)路。本發(fā)明通過(guò)采用一組電容值不同的固定電容取代整個(gè)可變電容值的一部分,并以數(shù)字方式控制這部分諧振電容值的大小,達(dá)到調(diào)諧VCO輸出頻率的目的。它能夠補(bǔ)償芯片上集成電感和可變電容管制作中帶來(lái)的誤差,降低頻綜的鎖定時(shí)間,減小VCO相位噪聲,減小環(huán)路濾波器的電容值,使得采用CMOS工藝單芯片集成頻率綜合器成為可能。
文檔編號(hào)H03L7/16GK1388649SQ02125270
公開(kāi)日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2002年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月22日
發(fā)明者李永明, 趙國(guó)光 申請(qǐng)人:清華大學(xué)