專利名稱：鎖相環(huán)濾波器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及鎖相環(huán)濾波器。
背景技術(shù)：
無線電話系統(tǒng)通常需要低相位噪聲、快速的交換時間、以及高精確度的信道頻率。
為設計具有所需特征(例如低相位噪聲)的鎖相環(huán)，相關(guān)的鎖相環(huán)濾波器通常需要大于10nF的電容值，其中最大的鎖相環(huán)電容應該是“零點”電容(即用于在濾波器傳遞函數(shù)中創(chuàng)建零點的鎖相環(huán)濾波電容，這是對于鎖相環(huán)的穩(wěn)定性而言是必需的)。
然而，對于需要如此大的電容值的鎖相環(huán)來說，對其實現(xiàn)單片集成的是很困難并且昂貴的。
已經(jīng)開發(fā)了一種技術(shù)，用于減少鎖相環(huán)所需的電容值，由此允許進行單片集成，同時還保持相同的整體鎖相環(huán)傳遞函數(shù)(即鎖相環(huán)動態(tài)地成環(huán))，這種技術(shù)包括利用雙通道的鎖相環(huán)濾波器，其中每一鎖相環(huán)濾波器通道由單獨的電荷泵通道驅(qū)動，例如來自于具有兩個輸出通道的電荷泵或是兩個具有單一輸出通道的單獨電荷泵。
雙通道鎖相環(huán)濾波器的一個例子是由Craninckx和Steyaert在1998年12月的IEEE Journal of Solid-State Circuit，Vol.33，No.12中提出的，其中雙通道鎖相環(huán)濾波器包括兩個有源器件、一個放大器和一個電壓加法器。
雙通道鎖相環(huán)濾波器的另一個例子是由Koo在2002年5月的IEEE Journal of Solid-State Circuit，Vol.37，No.5中提出的，其中雙通道鎖相環(huán)濾波器包括單個有源器件和放大器。
然而，在鎖相環(huán)濾波器之中使用有源器件同時增加了相位噪聲和功耗，并且增加了鎖相環(huán)濾波器的復雜程度。
US 5,774,023公開了一種環(huán)路濾波器，其包括強電流第一極點濾波電容、強電流第一極點阻尼電阻、弱電流第一極點濾波電容、弱電流第一極點阻尼電阻和第一極點濾波電容，其中當來自電荷泵的電流脈沖與最終的窄環(huán)路帶度相當時，環(huán)路濾波器由第一電荷泵輸出來驅(qū)動，而其他情況該環(huán)路濾波器由第二電荷泵輸出來驅(qū)動。如上述US5,774,023公開的，在第一電荷泵輸出和第二電荷泵輸出之間切換電流源，而不是同時輸出。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種根據(jù)權(quán)利要求1的鎖相環(huán)濾波器。
其提供如下優(yōu)點，在不需要使用諸如電壓加法器或積分器的有源器件的情況下，使得能夠?qū)h(huán)路濾波器電容集成到單一芯片上。


以下將通過實例并參考附圖對本發(fā)明的實施例進行描述，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的包括濾波器的鎖相環(huán)；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的鎖相環(huán)濾波器；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的鎖相環(huán)濾波器的雙通道特性圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的鎖相環(huán)濾波器的相位噪聲特性圖。
具體實施例方式
圖1示出在無線電話(未示出)中使用的鎖相環(huán)10。鎖相環(huán)10包括相位檢測器11，其具有用于接收基準頻率的第一輸入端、用于接收鎖相環(huán)頻率的第二輸入端以及用于連接到電荷泵12的輸出端。電荷泵12具有兩個輸出通道，其分別與環(huán)路濾波器13的相應輸入通道相連接。環(huán)路濾波器13連接到電壓控制振蕩器VCO14。VCO14與第一2倍分頻器15相連接，該第一2倍分頻器15向無線電話DCS部分和第二2倍分頻器16提供輸入。第二2倍分頻器16向無線電話GSM部分和N分頻器17提供輸入。N分頻器17連接到相位檢測器11的第二輸入端，用于向相位檢測器11提供鎖相環(huán)頻率。
盡管示出在圖1中的實施例被設置為在同時支持GSM和DCS的多頻帶無線電話中使用，但是本領域技術(shù)人員能夠知曉能夠使用更一般的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，例如，VCO14可以被配置為在期望頻率下提供輸出頻率而無需使用分頻器。
鎖相環(huán)10以如下方式工作，向相位檢測器11饋送例如26MHz的基準信號。相位檢測器11比較基準信號和N分頻器17的輸出信號之間的相位差，生成與兩個信號相位之間的差值成比例的輸出脈沖。相位檢測器11的輸出脈沖用于對電荷泵12充電或放電，而電荷泵12具有如下所述的第一電流輸出通道和第二電流輸出通道。相位檢測器11和電荷泵12之間的信號是電壓信號。
電荷泵12對環(huán)路濾波器13進行充電或放電。
如下所述，環(huán)路濾波器13接收來自第一通道和第二通道的輸出電流，并將該輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓電平，所述輸出電流表現(xiàn)了兩個頻率之間的相位差。環(huán)路濾波器13產(chǎn)生的電壓用于驅(qū)動VCO14，其中VCO14用于減小基準頻率和N分頻器17輸出頻率之間的相位差。第一2倍分頻器15、第二2倍分頻器16和N分頻器17的用途是允許產(chǎn)生除了基準頻率之外的頻率。本領域的技術(shù)人員能夠理解，通過改變N的值可以生成不同的頻率，也就是說，可以作為合成器使用。例如，當鎖相環(huán)10鎖定在26MHz基準頻率時，壓控振蕩器14可以被設置為生成3.6GHz的信號，第一2倍分頻器15將3.6GHz信號轉(zhuǎn)換為適用于DCS使用的1.8GHz的信號。相應地，第二2倍分頻器16將1.8GHz信號轉(zhuǎn)換為適用于GSM使用的0.9GHz信號。N分頻器17用于將0.9GHz信號轉(zhuǎn)換26MHz信號以保持與26MHz基準信號的鎖相。
圖2示出連接到第一電荷泵通道21和第二電荷泵通道22的環(huán)路濾波器13。第一電荷泵通道21和第二電荷泵通道22可以由單個電荷泵或兩個單獨電荷泵構(gòu)成。第一電荷泵通道21被設置為具有相當于電荷泵增益Icp除以因數(shù)B的增益。第二電荷泵通道22被設置為生成第二電流，所述第二電流相當于電荷泵電流Icp減去電荷泵電流Icp除以因數(shù)B(即Icp-Icp/B)。然而，在第一電流泵通道21和第二電流泵通道22之間也可以使用其他電流關(guān)系，以確保保持較低的環(huán)路濾波器的總電容值。最好是第一電流泵通道21上生成的電流小于第二電流泵通道22上的電流。
環(huán)路濾波器13包括并聯(lián)的電阻/電容電路23，其具有第一電阻性元件R1(例如，電阻或具有相同功能的元件，例如電容開關(guān)電路或工作在線性區(qū)的MOS晶體管)和與之并聯(lián)的第一電容C1。并聯(lián)的電阻/電容電路23的一端連接到基準電壓，例如地或者其他穩(wěn)定電壓，而另一端連接到第二電荷泵通道22并且串聯(lián)地連接到第二電容C2。第二電容C2的另一端連接到第一電荷泵通道21，由此電荷泵12的第一電荷泵通道21和第二電荷泵通道22同時向環(huán)路濾波器13提供電流，用于同時進行頻率獲得和鎖定模式。
為了本實施例的目的，環(huán)路濾波器13包括附加極點，所述附加極點由串聯(lián)連接在第一電荷泵通道21和VCO14之間的第二電阻性元件R2(例如，電阻或具有相同功能的元件，例如電容開關(guān)電路或工作在線性區(qū)的MOS晶體管)和第三電容C3所建立，所述第三電容C3的一端連接在電阻性元件R2和VCO14之間，而另一端連接到基準電壓，例如地或者其他穩(wěn)定電壓。由第二電阻性元件R2和第三電容C3建立的附加極點的目的是進一步地抑制相位噪聲，并且也是期望的特點(盡管并不是必要的)。
第二電容C2兩端形成的電壓對應于積分輸入電流，并且由s域中的公式?jīng)Q定，如圖3所示VB=IcpB1sC2]]>并聯(lián)的電阻/電容電路23兩端形成的電壓對應于以極點ωp的低通傳遞函數(shù)并且由以下公式?jīng)Q定，如圖3所示VA＝Icp(R1‖C1)因此，可以按如下公式計算環(huán)路濾波器的等效阻抗 由于第一電容C1和第二電容C2串聯(lián)地配置，因此使得電壓VA和VB相加，由此使積分電壓和低通傳遞電壓相結(jié)合。結(jié)果得到的環(huán)路濾波器阻抗和環(huán)路濾波器增益在圖3中示出。
當?shù)诙娙軨2用于對輸入電壓進行積分，并且相應地用于形成所需的環(huán)路濾波器13的零點時，使用電荷泵電流Icp除以因數(shù)B提供了如下優(yōu)點在不需要大電容值的情況下，允許將零點設置的足夠低，如在圖3中的濾波器阻抗和環(huán)路增益圖中所示出的。
B值的選擇取決于多個因素。如果B值增大則總電容值減少，由此如果希望減小電容值，在可能希望將B設置的盡可能的大。然而，B值存在多個上限。首先，當B增加時，帶內(nèi)相位噪聲也以相同的速率增大。其次，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對于帶有附加極點(即R1/C2與C1串聯(lián)，之后是R3/C2極點)的無源雙通道濾波器來說，當B達到35到40之間的值時，在數(shù)學上無解(這略微取決于環(huán)路參數(shù))。第三，是實際上可獲得的最小電流源；如果B增大，則輔助的充電泵增益按1/B的比率減少。這可能導致極小的難以控制的電流源(低于1uA)。
由于電荷泵電流除以因數(shù)B的影響，在第一電荷泵通道21和VCO14之間形成的環(huán)路濾波器13的低頻通道將比在第二電荷泵通道22和VCO14之間形成的高頻通道具有更大的噪聲。然而，由于低頻通道的頻帶寬度小于由高頻通道決定的環(huán)路濾波器的頻帶寬度，在低頻通道上產(chǎn)生的附加噪聲將不會影響帶外相位噪聲。事實上，如圖4所示，在高于環(huán)路濾波器頻帶寬度的偏移頻率上，低頻通道產(chǎn)生的噪聲將小于高頻通道所產(chǎn)生的噪聲。
舉例來說，通過使用上述的環(huán)路濾波器，根據(jù)下列環(huán)路濾波器參數(shù)進行計算可以獲知第一電容C1的值、第二電容C2的值、第三電容C3的值、第一電阻性元件R1的值以及第二電阻性元件R2的值。
頻帶寬度100kHzKVCO＝400MHz/V基準頻率26MHz雙通道比率因數(shù)B＝30通過給定Icp、KVCO、基準頻率、頻帶寬度的值并且通過解環(huán)路濾波器阻抗公式Zeq(s)，則可以獲得所需的電容和電阻的適當?shù)闹?。因此，通過利用如上給出的環(huán)路濾波器阻抗公式Zeq(s)以及第一電流泵通道電流20uA(即600uA/30)和第二電流泵通道電流580uA(即600uA-20uA)，則可以計算下列元件的數(shù)值C2＝90pFR1＝1480ohmsC1＝225pFR2＝4700ohmsC3＝300pF因此，基于上述環(huán)路濾波器，環(huán)路濾波器的總環(huán)路濾波器電容值是615pF。
這可以與相應元件值如下的連接到單通道電荷泵的標準環(huán)路濾波器相比C2＝10nFR1＝410ohmsC1＝880pFR2＝1110ohmsC3＝300pF因此，對于單通道環(huán)路濾波器，總的環(huán)路濾波器電容數(shù)值大約是11nF。
權(quán)利要求
1.一種集成在集成電路上的鎖相環(huán)系統(tǒng)，包括電荷泵(12)，被設置為在第一電荷泵通道上輸出第一電流，同時在第二電荷泵通道上輸出第二電流；以及鎖相環(huán)濾波器(13)，其具有電氣地連接到第一電荷泵通道的第一電容(C2)；以及并聯(lián)的電阻/電容電路(23)，所述并聯(lián)電阻/電容電路電氣地連接到第二電荷泵通道，并且所述電阻/電容電路(23)具有第二電容(C1)和第一電阻性元件(R1)；其中第一電容(C2)和第二電容(C1)串聯(lián)連接，以允許與第一電容(C2)相關(guān)的電壓和與所述并聯(lián)的電阻/電容電路(23)相關(guān)的電壓相加起來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鎖相環(huán)系統(tǒng)，其中第二通道中的電流大于第一通道中的電流，以使得所述鎖相環(huán)濾波器(13)的電容值減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鎖相環(huán)系統(tǒng)，還包括第三電容(C3)和電阻R2，以允許產(chǎn)生極點。
4.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的鎖相環(huán)系統(tǒng)，其中相加的電壓用于控制電壓控制振蕩器(13)。
5.一種電子設備，其包括根據(jù)上述任一權(quán)利要求的鎖相環(huán)系統(tǒng)。
6.一種無線電話，其包括根據(jù)上述任一權(quán)利要求的鎖相環(huán)系統(tǒng)。
全文摘要
一種鎖相環(huán)濾波器，包括連接到第一電荷泵通道的第一電容；以及連接到第二電荷泵通道的并聯(lián)的電阻/電容電路，并且所述電阻/電容電路具有第二電容；其中第一電容和第二電容串聯(lián)連接，以使得第一電容相關(guān)的電壓和并聯(lián)的電阻/電容電路相關(guān)的電壓相加在一起。
文檔編號H03H7/01GK1839548SQ200480017194
公開日2006年9月27日 申請日期2004年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月17日
發(fā)明者米卡埃爾·格奈斯 申請人:飛思卡爾半導體公司