專利名稱：一種鎖相環(huán)路的環(huán)路濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到鎖相環(huán)路，尤其涉及到其中使用的環(huán)路濾波器。
用作頻率合成器的鎖相環(huán)路包括

圖1中示出的各部分。輸入頻率在數(shù)字相位/頻率檢波器2中進(jìn)行比較，其中一種頻率是基準(zhǔn)頻率fref，在基準(zhǔn)分頻器1中除以因子R，另一種是輸出頻率fvco，在環(huán)路分頻器6中除以因子N。相位比較器2產(chǎn)生U(上行)和D(下行)脈沖，脈沖寬度正比于輸入信號(hào)的頻率和/或相位差。充電泵3將U和D脈沖轉(zhuǎn)換成雙極脈沖，其極性指示頻率和/或相位差的方向，其寬度指示該差值的幅度。充電泵提供的脈沖在環(huán)路濾波器4中合成，從該濾波器獲取的直流電壓Vt是壓控振蕩器VCO5的控制電壓，它控制VCO以使相位比較器的輸入信號(hào)的頻率和/或相位差最小。
第一代的充電泵有一電壓輸出，而現(xiàn)在絕大多數(shù)包含PLL電路部分的IC電路的充電泵都有電流輸出。最先提到的充電泵是三態(tài)電壓輸出輸出連接正向電源電壓VDD，輸出連接負(fù)向電源電壓VSS(經(jīng)常是地)，或保持?jǐn)嚅_。在濾波器(積分電路)中使用偏置電阻將輸出電壓轉(zhuǎn)換成積分電路(濾波器)的電流激勵(lì)。當(dāng)相位比較器輸入信號(hào)的相位差較小時(shí)，充電泵的輸出窄脈沖并且該充電泵大部分時(shí)間保持?jǐn)嚅_。這樣，積分電路通過一個(gè)比偏置電阻大得多的電阻供電，也就是說，從電流源供電。然而，電源電流的值取決于濾波器的輸出電壓，也就是說，VCO調(diào)諧電壓Vt，電源電流只有在Vt恰等于VDD/2的情況下才是對(duì)稱的，當(dāng)然要求VSS＝0。否則，它取決于相位差的符號(hào)。
圖2示出了一種典型的無(wú)源環(huán)路濾波器。濾波器21包括一個(gè)積分電容C2，一個(gè)阻尼電阻R2和一個(gè)平滑電容C3。充電泵3產(chǎn)生的脈沖(圖1和2)是該濾波器的輸出。通常使用一個(gè)附加的無(wú)源低通濾波器以減少噪音和可能穿過濾波器21的基準(zhǔn)頻率信號(hào)。電阻R1是一個(gè)偏置電阻。以上示出的第一代充電泵和無(wú)源濾波器的缺陷是充電泵的輸出電流取決于該濾波器的輸出電壓Vt。
眾所周知，為了使積分電路的輸入電流與它的輸出電壓Vt和相位差的符號(hào)無(wú)關(guān)，使用圖3所示的帶有運(yùn)算放大器的有源濾波器(積分電路)來(lái)代替無(wú)源濾波器。在理想情況下，運(yùn)算放大器31將保持輸入端口上的電壓相等。這樣，如果在它正輸入極施加的電壓是VDD/2，在它負(fù)輸入極也將施加相等的電壓，通過偏置電阻R1的電流也將與相位差的符號(hào)無(wú)關(guān)。
有源濾波器的一個(gè)普遍存在的問題是運(yùn)算放大器非常慢，它無(wú)法由數(shù)字電路所產(chǎn)生的快速脈沖供電。實(shí)際上，由充電泵提供的脈沖直接通過圖3中反饋通路中的C33，到達(dá)運(yùn)算放大器的輸入端，導(dǎo)致運(yùn)算放大器激勵(lì)過度。當(dāng)環(huán)路處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，因?yàn)樵胍舨粩嘁鹣辔槐容^器輸入信號(hào)的相位差，充電泵也產(chǎn)生脈沖。在最壞的情況下，這些脈沖會(huì)防礙環(huán)路到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，使環(huán)路在穩(wěn)定狀態(tài)附近振蕩。因?yàn)檫@些脈沖到達(dá)運(yùn)算放大器1的輸出端而沒有倒相，而放大器本身正對(duì)低頻進(jìn)行倒相，所以上述情況就有可能發(fā)生。這樣，這些脈沖在環(huán)路中產(chǎn)生了正反饋，增加了相位抖動(dòng)。并且，在脈沖消失之后，運(yùn)算放大器需要一些時(shí)間從過激勵(lì)狀態(tài)中恢復(fù)。然后，它嘗試恢復(fù)C33中的電荷。因此，放大器輸入端一些毫微秒脈沖會(huì)干擾放大器運(yùn)算幾微秒。
眾所周知，為了解決使用圖3所示電路所引起的上述問題，在放大器之前使用預(yù)濾波。這在圖4中示出，其中適當(dāng)?shù)厥褂昧伺c圖3相同的參考數(shù)字。一系列電阻連接R1a和R1b替代了運(yùn)算放大器31的負(fù)輸入極的偏置電阻，這些電阻間的電容C13接地，電壓Vdd/2現(xiàn)在施加在電阻R1a和R1b之間。電容C13平滑充電泵3的脈沖，以使運(yùn)算放大器能夠跟蹤它們。因?yàn)檫\(yùn)算放大器31的DC輸入電流在理想情況下是零，施加在電容C13上的電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，與運(yùn)算放大器輸入極的電壓相等，也就是，VDD/2。
使用圖4所示的預(yù)濾波，可以獲得相當(dāng)純的調(diào)諧電壓。然而，一個(gè)缺陷是，如果目標(biāo)是短穩(wěn)定時(shí)間，低噪音和基準(zhǔn)頻率信號(hào)調(diào)諧電壓的漏瀉可以忽略，均衡就要照顧到幾個(gè)方面并且非常困難。這是因?yàn)榈屯V波器的限制和選擇了電阻R1a和R1b所引起的。根據(jù)圖4選擇所知的有源濾波器的組件值也很困難對(duì)噪音而言，圖3中的有源積分電路可以看作是增益為1的同相放大器。在圖4的電路中，如果沒有C3，高頻增益是(R2＋R1b)/R1b。這樣，電容C13的存在大大地增加了噪音，R1b也就不能太小。另一方面，R1a也不能太小，因?yàn)镽1a如果太小，充電泵的輸出電流將變得太大。輸出電流有一個(gè)很大的容差范圍，它對(duì)正和負(fù)相位誤差往往是不同的。所有這些產(chǎn)生了不可預(yù)測(cè)的效果，這在大規(guī)模生產(chǎn)中不能容忍。如果C33存在，高頻時(shí)噪音將減少，但需要減少電容C13的值以保持短的穩(wěn)定時(shí)間。這增加了放大器輸入端的充電泵脈沖的變化率，因而放大器可能飽和。
圖4所示電路的另一個(gè)缺陷是減少了輸出電流，也就是，如果頻率間距大，穩(wěn)定時(shí)間將變長(zhǎng)。在這種情況下，有源積分電路需要高控制電流，以迫使電容C13的電壓值偏離穩(wěn)定狀態(tài)值VDD/2。
因?yàn)樯鲜龅挠性礊V波器的缺陷，也就是，它們的復(fù)雜性，難于優(yōu)化和基準(zhǔn)頻率信號(hào)的少量衰減，人們對(duì)無(wú)源濾波器仍存在一些興趣。當(dāng)開發(fā)了第二代恒流輸出的充電泵，也就是，在充電泵中的輸出電流與輸出電壓無(wú)關(guān)，只要調(diào)諧電壓不需超過0-工作電壓Vdd，又可能根據(jù)圖2使用無(wú)源濾波器了。因?yàn)槌潆姳玫碾娏髟床皇抢硐霠顟B(tài)下的，實(shí)際上調(diào)諧電壓在1V，...，Vdd-1V之間變化。當(dāng)使用這樣的充電泵時(shí)，圖2電路中電阻R1值為0。該鎖相環(huán)路PLL的恒流輸出充電泵使用現(xiàn)有技術(shù)的無(wú)源積分電路，當(dāng)振蕩器的控制電壓區(qū)不需要很大時(shí)，該鎖相環(huán)路運(yùn)轉(zhuǎn)得很好。也有擴(kuò)展了調(diào)諧區(qū)的充電泵，其輸出級(jí)的電源電壓甚至比正向邏輯電源電壓還要高。然而，在使用無(wú)源濾波器的情況下，沒有方法可以獲取高于6V的電源電壓。本領(lǐng)域的技術(shù)人員所采用的最通常的解決方案是放棄無(wú)源濾波器，按照?qǐng)D3或4使用所知的有源濾波器。
本發(fā)明公開了一種鎖相環(huán)路，它的環(huán)路濾波器使用了一種消除了現(xiàn)有技術(shù)中的有源濾波器的缺陷的充電泵，并且該鎖相環(huán)路允許大的VCO調(diào)諧電壓區(qū)域。
本發(fā)明的特征在權(quán)利要求1中陳述。
本發(fā)明基于以下事實(shí)在現(xiàn)有技術(shù)的有源濾波器中，一個(gè)無(wú)源積分電路連接倒相運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端，也就是，進(jìn)入反饋通路，反饋通路使充電泵產(chǎn)生的快速脈沖可以直接接入到放大器的輸出端。根據(jù)本發(fā)明，無(wú)源積分電路放置于同相運(yùn)算放大器之前，它將充電泵的脈沖短路到地，在運(yùn)算放大器之前不再需要附加的低通濾波器。這樣，無(wú)源積分電路可以包括更多的低通濾波器，當(dāng)需要時(shí)，置于運(yùn)算放大器之后的濾波器可以包括更多的低通濾波器，而環(huán)路的穩(wěn)定時(shí)間仍保持很短。因?yàn)檫\(yùn)算放大器是同相的，在相同的放大因子下，它比倒相放大器產(chǎn)生更少的噪音。該電路的復(fù)雜性也比現(xiàn)有技術(shù)的電路要小，在環(huán)路穩(wěn)定時(shí)間、振蕩器調(diào)諧電壓純度之間均衡時(shí)，更容易達(dá)成折衷。
在后續(xù)說明中，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，參照相關(guān)圖形對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中圖1示出了鎖相環(huán)路的框圖，圖2示出了一種眾所周知的無(wú)源環(huán)路濾波器，圖3和圖4示出了眾所周知的有源環(huán)路濾波器電路，圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的環(huán)路濾波器電路的框圖，和圖6是圖5中濾波器的一種電路解決方案。
如圖5所示，恒流充電泵3所產(chǎn)生的脈沖被導(dǎo)向眾所周知的無(wú)源積分電路51，例如，如圖2所示，它所提供的輸出電壓在同相運(yùn)算放大器52中被放大。必須注意到，無(wú)源積分電路用以防止充電泵3的脈沖進(jìn)入運(yùn)算放大器52。這樣就不需要一個(gè)附加的低通濾波。當(dāng)無(wú)源濾波器52用于保護(hù)作用時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)濾波器比較，其脈沖衰減更好，組件數(shù)量可以減少，均衡也更簡(jiǎn)單。通過放大器52向任一輸入極電壓增加DC電壓V0，DC電平移位也可以實(shí)現(xiàn)。通過這種方法，VCO可以很容易地獲取所需的最高電壓超過6V的調(diào)諧電壓區(qū)域。圖5中通過加法器54示出了DC電平移位。在需要時(shí)，可以使用濾波器53對(duì)放大器2的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波。
各組件的均衡方式實(shí)際上與無(wú)源積分電路相同，但是相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)榉糯笃?2隔開了積分電路和可選的低通濾波器。
圖6示出了本發(fā)明濾波器的一種電路電平解決方案。通過一個(gè)偏置電阻R65向放大器62倒相輸入端提供直流電壓V0，導(dǎo)致了該放大器輸出電壓的DC電平移位。實(shí)際上， 電壓V0是該設(shè)備的工作電壓之一，可能已經(jīng)過濾波。在放大器反饋通路中的電容Comp是個(gè)小電容，用以補(bǔ)償放大器輸入端和地之間的寄生電容Cpar。過補(bǔ)償會(huì)使放大器變成一種低通濾波器。這種特性有利于衰減輸出電壓Vt，也就是VCO調(diào)諧電壓，的高頻噪音。二極管D1用于在充電泵輸出為零的異常情況下，防止運(yùn)算放大器的輸出過慢。
可選用的低通濾波器63可以簡(jiǎn)單地通過一個(gè)RC濾波器R75，C75來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖5中的電路可以以下述方式均衡首先選擇放大器52的增益。它可能等于所需的VCO調(diào)諧電壓區(qū)域除以充電泵3允許輸出電壓的可用電壓區(qū)域。該增益不能太大以免增加噪音。然后，計(jì)算將充電泵的最小輸出電壓移位到最小所需VCO調(diào)諧電壓Vtmin所需的電平移位。積分電路61的時(shí)間常量的均衡方式通常與無(wú)源積分電路相同，但不是實(shí)際的VCO調(diào)諧敏感度，而是它的值乘以放大器62的增益。還可以保證調(diào)諧電壓Vt下運(yùn)算放大器的噪音效果足夠低。如果不是這樣，可以通過，例如，在濾波器63上增加低通濾波來(lái)減少噪音效果和降低電容C35。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)算放大器是同相的。一些商用集成PLL電路無(wú)法改變相位檢波器的極性，而這種極性改變正是使用倒相有源濾波器所需要的。這樣，本發(fā)明的濾波器也可以用于這些IC電路。
上述解釋和相關(guān)的示圖僅用于說明本發(fā)明。在不偏離后附權(quán)利要求書所公開的本發(fā)明的范圍和精神的前提下，本發(fā)明的許多不同變化和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯然的。這樣，使用負(fù)調(diào)諧電壓的VCO電路可以使用本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種鎖相環(huán)路，包括一個(gè)由電壓(Vt)控制的振蕩器，一種相位檢波器，其第一輸入用以接收基準(zhǔn)信號(hào)，其第二輸入用以接收從壓控振蕩器輸出端獲取的振蕩器信號(hào)(fvco)，可能在一個(gè)分頻器中進(jìn)行分頻，并且響應(yīng)輸入信號(hào)差產(chǎn)生U(上行)和D(下行)脈沖，一充電泵，將傳導(dǎo)的U和D脈沖轉(zhuǎn)換成輸出端的雙極電流脈沖，充電泵的電流實(shí)際上取決于輸出電流，將充電泵提供的脈沖轉(zhuǎn)換成壓控振蕩器調(diào)諧電壓(Vt)的積分裝置，其特征在于，積分裝置包括一個(gè)無(wú)源積分器(51)，用以傳導(dǎo)充電泵提供的脈沖以形成一個(gè)合成電壓，和一個(gè)運(yùn)算放大器(52)，所述合成電壓向其同相輸入端傳導(dǎo)，其輸出電壓是電壓操作振蕩器的調(diào)諧電壓(Vt)，通過它無(wú)源積分器(51)保護(hù)運(yùn)算放大器(52)免受電流脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鎖相環(huán)路，其特征在于，積分裝置也包括移位合成電壓的電壓值的裝置(54)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的鎖相環(huán)路，其特征在于，移位合成電壓的電壓值的裝置(54)包括轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器(52)倒相輸入端的DC電平的裝置(V0，R65)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的鎖相環(huán)路，其特征在于，運(yùn)算放大器(52)的輸出端連接低通濾波器，以進(jìn)一步進(jìn)行輸出電壓(Vt)的濾波。
全文摘要
在鎖相環(huán)路PLL中的有源濾波器包括一個(gè)無(wú)源積分電路，以連接倒相運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端。因此，充電泵產(chǎn)生的快速脈沖直接移向放大器。根據(jù)本發(fā)明，在同相運(yùn)算放大器(52)之前放置一個(gè)無(wú)源積分電路，它將充電泵的脈沖短路到地，在運(yùn)算放大器之前不再需要附加的低通濾波器。這樣，無(wú)源積分電路可以包括更多的低通濾波器。通過移位運(yùn)算放大器(52)輸入端的DC電平使增益A＞1，從而擴(kuò)展VCO調(diào)諧電壓區(qū)域。
文檔編號(hào)H03L7/08GK1149944SQ96190290
公開日1997年5月14日 申請(qǐng)日期1996年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月4日
發(fā)明者安德雷·德克爾 申請(qǐng)人:諾基亞電信公司