CN102263554A - 用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，该锁相环频率综合器结构由粗调谐回路和精调谐回路两个环路构成，其中，该粗调谐回路用来选择不同的频率控制字，实现环路的频率锁定，该精调谐回路用来实现环路的相位锁定。在锁定状态时，粗调谐回路被关断，仅仅精调谐回路工作。利用本发明，解决了传统结构带内相位噪声受限于分频器的问题，通过引入精调谐回路，在锁定状态时有效减少了分频器的噪声，提高了锁相环频率综合器的带内相位噪声性能。

Description

用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构。

背景技术

锁相环是无线收发机设计中的一个关键模块，它输出一系列高精度频率信号，为收发机的频率变换提供本振信号。在各种锁相环结构中，电荷泵锁相环因其低功耗，高速，低抖动和低成本的优良特性被广泛应用。电荷泵锁相环结构如图1所示，由依次连接的鉴相鉴频器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和连接在鉴相鉴频器输入端和压控振荡器输出端之间的分频器构成。鉴相鉴频器比较分频器输出和参考信号之间的相差和频差，产生U和D脉冲控制电荷泵；电荷泵提供充电或放电电流到具有低通特性的环路滤波器；环路滤波器消除电流脉冲中的高频部分，产生压控振荡器的控制电压；压控振荡器的输出正比于控制电压的射频信号；分频器产生所需要的分频比。锁相环频率综合器的基本工作原理用一句话简单概括，即来自压控振荡器的输出经过分频器锁定到参考频率。

相位噪声是锁相环频率综合器的一个主要性能指标，分为带内相位噪声和带外相位噪声。带外相位噪声主要跟压控振荡器有关；带内相位噪声跟分频器、电荷泵和鉴相鉴频器有关。提高带外相位噪声主要途径是优化无源器件的品质因素和增加压控振荡器的电流，提高带内相位噪声的一个办法是降低各个模块的噪声，另外的一个办法是通过改变环路结构实现，比如一些文献提出的无分频器的锁相环频率综合器结构，该结构是基于亚采样/过采样的方法，当压控振荡器的输出信号频率和参考信号频率保持整数倍关系时，环路达到锁定状态。亚采样方法面临的问题是采样器输出的有效信号幅值太小，参考杂散问题比较严重，过采样方法的问题是频差有限，只能应用在参考频率和压控振荡器频率之间频差很小的应用场合。

无线收发机对锁相环频率综合器的噪声性能提出了越来越苛刻的要求，上述因素制约了传统锁相环频率综合器的相位噪声，因此，需要一种锁相环频率综合器的解决方案，能够解决上述相关技术中的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，以解决传统结构带内相位噪声受限于分频器的问题，通过引入精调谐回路，在锁定状态时有效减少分频器的噪声，提高锁相环频率综合器的带内相位噪声性能。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，该锁相环频率综合器结构由粗调谐回路和精调谐回路两个环路构成，其中，该粗调谐回路用来选择不同的频率控制字，实现环路的频率锁定，该精调谐回路用来实现环路的相位锁定。

上述方案中，所述粗调谐回路由粗调谐鉴相鉴频器、第一电荷泵1、环路滤波器、压控振荡器和分频器依次连接而成，精调谐回路由触发器、精调谐鉴相鉴频器、异或门、选择器、第二电荷泵2、环路滤波器和压控振荡器依次连接而成，其中压控振荡器和环路滤波器为两个环路所共有。

上述方案中，所述精调谐鉴相鉴频器用来比较参考频率和经过压控振荡器同步后的参考频率之间的相差。

上述方案中，当参考信号超前反馈信号时，选择器输出精调谐鉴相鉴频器的输出信号，当参考信号滞后反馈信号时，选择器输出精调谐鉴相鉴频器输出与参考信号异或后的信号。

上述方案中，所述触发器的时钟信号为压控振荡器的输出，而触发信号为参考信号，触发器将参考信号同步到压控振荡器的输出。

上述方案中，所述第二电荷泵2的输入信号为选择器的输出，粗鉴相鉴频器输出的相差和符号位，当相差信号为高电平时，选择器的输出和符号位通过逻辑电路形成第二电荷泵2的输入，当相差信号为低电平时，第二电荷泵2的输入为低电平。

上述方案中，在环路的相位被锁定时，粗调谐回路被关断，仅精调谐回路工作。

上述方案中，当相差大于粗调谐鉴相鉴频器的死区大小时，两个环路同时工作，注入到环路滤波器的电流为两个电荷泵电流之和；当相差小于粗调谐鉴相鉴频器的死区大小时，粗调谐回路自动关断，仅精调谐回路工作。

上述方案中，在频率切换时，粗调谐回路和精调谐回路同时工作，当接近锁定时，粗调谐回路自动关断，仅精调谐回路工作，粗调谐回路的关断是自动平滑进行的；在锁定状态时，粗调谐回路对***的稳态性能没有影响。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有如下特点及良好效果：

本发明提供的这种用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，在锁定状态时，包含分频器的粗调谐回路的输出被关断，仅仅精调谐回路工作。分频器引起的切换噪声得到有效消除，减少了锁相回路的带内噪声源，因而有助于提高***的带内相位噪声性能。

另外，本发明引入的精调谐回路除触发器外，都工作在低频段，没有增加很多的附加功耗。

附图说明

图1是传统锁相环频率综合器的电路结构示意图；

图2是本发明提供的锁相环频率综合器的结构示意图；

图3是图2中粗调谐鉴相鉴频器电路的结构和时序状态图；

图4是图2中第一电荷泵电路的结构示意图；

图5是锁相环频率综合器的锁定过程仿真波形。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图2示出了本发明提供的可提高带内相位噪声性能和降低功耗的锁相环频率综合器的结构示意图。锁相环频率综合器由两个回路构成，即粗调谐回路和精调谐回路。粗调谐回路由粗调谐鉴相鉴频器、第一电荷泵1、环路滤波器、压控振荡器和分频器依次连接而成。精调谐回路由触发器、精调谐鉴相鉴频器、异或门、选择器、第二电荷泵2、环路滤波器和压控振荡器依次连接而成。压控振荡器和环路滤波器为两个环路共有。粗调谐回路用于实现频率锁定；精调谐回路用于实现相位锁定。当上电复位或者分频比改变时，粗调谐回路和精调谐回路同时启动，粗调谐回路起主要作用，当环路接近相位锁定时，粗调谐回路关断，仅仅精调谐回路工作。

触发器将参考信号同步到压控振荡器的输出。精调谐鉴相鉴频器不是用来鉴别参考信号和反馈信号的相差，而是用来鉴别参考信号和被压控振荡器同步过的参考信号之间的相差。当参考信号领先反馈信号时，精调谐鉴相鉴频器的输出为实际的相差；当参考信号滞后反馈信号时，精调谐鉴相鉴频器的输出不是实际的相差，该输出需要同参考信号异或后输出才是实际的相差信号。选择器的目的是根据符号位来选择输出，符号位为高时，输出精调谐鉴相鉴频器的输出，当符号位为低时，输出为异或门的输出。

图3(a)为粗调谐鉴相鉴频器的电路结构示意图。由传统的鉴相鉴频器和附加电路构成，所有电路都工作在低频频段。输出信号状态由输入信号上升边沿决定。当参考信号fref领先反馈信号fdiv时，输出up为高，将被紧接着的反馈信号fdiv的上升沿复位。当信号fdiv领先参考信号fref时，输出信号dn置高，将被紧接着的fref信号的上升沿复位。当参考信号fref领先fdiv信号时，符号位为高电平，当参考信号fref滞后fdiv时，符号位为低电平。延时电路用于产生一定脉宽的信号，该信号决定了死区的宽度。

粗调谐鉴相鉴频器时序图如图3(b)和图3(c)所示，此时，假设fref，fdiv信号的相差为Δt，fref信号领先fdiv信号，设延时产生td宽度的信号。当fref信号和fdiv信号的相差小于由延时电路定义的延时宽度td时，粗调谐鉴相鉴频器的输出up，dn为低电平，整个粗调谐回路被关断，对整个锁相环路的稳态性能影响可以忽略。当fref信号和fdiv信号的相差Δt大于延时电路产生的延时宽度td时，鉴相鉴频器的输出up或dn输出信号的宽度为fref信号和fdiv信号之间的实际相差。在up或者dn信号输出置高的期间，将打开后续的电荷泵给环路滤波器充放电，达到控制压控振荡器输出频率的目的。死区的大小必须大于环路锁定时静态相差(这是由于电荷泵电流失配，电流泄露和鉴相鉴频器输出延时差异所导致)。如果死区的宽度小于静态相差，这使得即使环路锁定时，粗调谐回路也没有有效关断，这将干扰精调谐回路工作。死区的大小不能超过粗调谐回路能处理的频差。参考频率和压控振荡器输出的频差是受限于精调谐鉴相鉴频器，过大的死区使得精调谐回路无法正常工作。

图4为第一电荷泵电路结构示意图，它提供充电或放电电流到具有低通特性的环路滤波器，可以被简单地描述为一个开关切换的电流源。输入为相差、选择器输出和符号位。引入相差作为输入信号主要的考虑在接近锁定的时候，触发器不能正确处理压控振荡器输出和参考信号之间的时序关系。相差信号作为控制信号，当相差信号为高电平时，选择器输出和符号位通过组合电路形成up和dn信号。相差信号高低电平变换的边沿，up和dn信号被有效地关断，因而由分频器引入的噪声在精调谐回路基本不起作用，这使得精调谐回路能有效地提高带内相位噪声性能。当相差为高电平时，选择器输出和符号位起作用，当相差为低电平时，选择器输出和符号位输出被关断。当符号位为高电平时，up开关起主要作用，当符号位为低电平时，dn开关起主要作用。当up信号为低时，Iup向环路滤波器充电，导致压控振荡器的控制电压升高；当dn信号为高，环路滤波器通过Idn放电，导致压控振荡器的控制电压下降。电荷泵的电流跟环路带宽有直接关系，为了使得静态时环路带宽和动态时环路带宽保持合理的关系，电荷泵的电流选择需要合理选择。

图5为锁相环频率综合器的一个设计实例，参考频率为2.046MHz，压控振荡器输出频率范围为2.44GHz-2.67GHz，分频比为1255，第一电荷泵1电流为1mA，第二电荷泵2电流为1uA，粗鉴相鉴频器的死区范围为1.5ns。仿真表明，当粗调谐回路关断时，精调谐回路起主要作用，因为第二电荷泵2电流较小，在较长的时间内，压控振荡器的控制电压开始趋向稳定，这说明精调谐回路能实现相位锁定。

当上电复位或者分频比改变时，粗调谐回路和精调谐回路同时工作，起主要作用的是粗调谐回路，当接近锁定时，粗调谐回路的粗调谐鉴相鉴频器自动关断，粗调谐回路也相应关断。此时参考信号fref和反馈信号fdiv实现了同频率，但没有实现同相位，相差的大小跟粗调谐鉴相鉴频器的延时电路有关。此时仅仅精调谐回路工作，第二电荷泵2的电流远小于第一电荷泵1的电流，避免精调谐回路环路带宽过宽。精调谐回路没有分频器，因而环路带宽是粗调谐回路环路带宽的N倍，N是分频器的分频比。为了缩小精调谐回路带宽，需要减小采样电荷泵的电流，避免两个环路的环路带宽差距过大。

本发明优于传统结构的锁相环频率综合器，因为在锁定状态时，粗调谐回路输出被有效关断，仅仅精调谐回路工作。精调谐回路不包括反馈路径上的分频器，这意味着少了一个带内相位噪声源。由分频器引起的相位噪声得到有效消除，因而能提高***的带内相位噪声。另外，本发明引入的精调谐回路除触发器外，都工作在低频段，没有增加很多的附加功耗。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，其特征在于，该锁相环频率综合器结构由粗调谐回路和精调谐回路两个环路构成，其中，该粗调谐回路用来选择不同的频率控制字，实现环路的频率锁定，该精调谐回路用来实现环路的相位锁定。

2.根据权利要求1所述的用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，其特征在于，所述粗调谐回路由粗调谐鉴相鉴频器、第一电荷泵(1)、环路滤波器、压控振荡器和分频器依次连接而成，精调谐回路由触发器、精调谐鉴相鉴频器、异或门、选择器、第二电荷泵(2)、环路滤波器和压控振荡器依次连接而成，其中压控振荡器和环路滤波器为两个环路所共有。

3.根据权利要求2所述的用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，其特征在于，所述精调谐鉴相鉴频器用来比较参考频率和经过压控振荡器同步后的参考频率之间的相差。

4.根据权利要求2所述的用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，其特征在于，当参考信号超前反馈信号时，选择器输出精调谐鉴相鉴频器的输出信号，当参考信号滞后反馈信号时，选择器输出精调谐鉴相鉴频器输出与参考信号异或后的信号。

5.根据权利要求2所述的用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，其特征在于，所述触发器的时钟信号为压控振荡器的输出，而触发信号为参考信号，触发器将参考信号同步到压控振荡器的输出。

6.根据权利要求2所述的用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，其特征在于，所述第二电荷泵(2)的输入信号为选择器的输出，粗鉴相鉴频器输出的相差和符号位，当相差信号为高电平时，选择器的输出和符号位通过逻辑电路形成第二电荷泵(2)的输入，当相差信号为低电平时，第二电荷泵(2)的输入为低电平。

7.根据权利要求1所述的用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，其特征在于，在环路的相位被锁定时，粗调谐回路被关断，仅精调谐回路工作。

8.根据权利要求1所述的用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，其特征在于，当相差大于粗调谐鉴相鉴频器的死区大小时，两个环路同时工作，注入到环路滤波器的电流为两个电荷泵电流之和；当相差小于粗调谐鉴相鉴频器的死区大小时，粗调谐回路自动关断，仅精调谐回路工作。

9.根据权利要求1所述的用于提高带内相位噪声性能的锁相环频率综合器结构，其特征在于，在频率切换时，粗调谐回路和精调谐回路同时工作，当接近锁定时，粗调谐回路自动关断，仅精调谐回路工作，粗调谐回路的关断是自动平滑进行的；在锁定状态时，粗调谐回路对***的稳态性能没有影响。

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