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CN102291129A - 一种用于抑制vco电压纹波的锁相环电路 - Google Patents

一种用于抑制vco电压纹波的锁相环电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于抑制VCO电压纹波的锁相环电路，包括鉴频鉴相器、电荷泵、自动频带选择器、环路滤波器、压控振荡器、分频器和第一传输门。本发明通过采用传输门作为模式切换开关，减小了由于传统MOS管在锁相环不同工作模式切换时所引起的VCO控制电压纹波，减小了电荷注入和时钟馈通，从而达到抑制VCO电压纹波的目的；同时本发明将传输门嵌入到三阶环路滤波器中，既起到锁相环不同工作模式切换的作用，又利用了传输门的导通电阻作为三阶环路滤波器的电阻，有效地滤除了噪声，从而大大减小了由于噪声而导致的VCO电压纹波。

Description

一种用于抑制VCO电压纹波的锁相环电路
技术领域
本发明属于无线电锁相技术领域，具体涉及一种用于抑制VCO电压纹波的锁相环电路。
背景技术
电荷泵锁相环(CP-PLL)具有快速、低噪声、高精度等特点，被广泛应用于各种通信电路、频率综合器和时钟恢复电路中。传统的电荷泵锁相环如图1所示，它包括以下几个模块：鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector，PFD)、电荷泵(Charge-Pump，CP)、环路滤波器(Loop Filter)、压控振荡器(VoltageControlled Oscillator，VCO)和分频器(Frequency Divider)。其中鉴频鉴相器检测参考信号和分频器输出的反馈信号的相位差，输出离散的电压脉冲信号，电荷泵将该信号转化为连续电流信号，并对环路滤波器进行充放电，环路滤波器滤除环路的高频噪声，输出的电压控制压控振荡器的压控输入端，从而对压控振荡器的输出频率进行调谐。压控振荡器采用LC振荡结构，为了在降低相位噪声的同时保证它的调谐范围，可以采用多频带的VCO，它可以通过离散调谐和连续调谐相结合的方法来解决这个难题。
带自动频带选择功能的锁相环如图2所示，它与传统的电荷泵锁相环结构相比，增加了自动频带选择器和两个用来切换锁相环工作模式的开关。自动频带选择器通过比较参考信号和反馈信号的频率，控制开关电容阵列和锁相环工作模式，使得VCO工作在所需要的频带。此种锁相环有两种工作模式，分别为频率锁定模式和相位锁定模式，分别由频率锁定环路和相位锁定环路实现。工作过程如下：当环路开始工作时，开关S1闭合，开关S2断开，锁相环先进行频率锁定，选择合适的开关电容阵列的控制字。然后开关S1断开，开关S2闭合，锁相环进行相位锁定，使锁相环锁定在精确的频率上。
该锁相环中的环路滤波器采用的是三阶环路滤波器，三阶环路滤波器与二阶环路滤波器相比能更好的滤除高频噪声；同时锁相环采用MOS管作为开关，在实际应用中，把MOS管的源极和漏极串接到环路中，通过控制MOS管的栅端来实现环路的断开或闭合。
但是上述带自动频带选择功能的锁相环在开关断开和闭合的时候，会产生电荷注入和时钟馈通现象，这将直接导致VCO控制电压的波动。另外，由于MOS管寄生电阻的存在，其产生的热噪声也导致VCO控制电压的波动。因此带自动频带选择功能的锁相环中VCO的控制电压存在着很大的电压纹波，这大大地恶化了锁相环的相位噪声。
发明内容
本发明提供了一种用于抑制VCO电压纹波的锁相环电路，通过采用传输门及其导通电阻来减少电荷注入和时钟馈通，有效地抑制了VCO的电压纹波，滤除了相位噪声。
一种用于抑制VCO电压纹波的锁相环电路，包括：
鉴频鉴相器，用于接收分频器和外部基准源分别提供的反馈信号和参考信号，并产生离散电压脉冲信号；
电荷泵，用于将所述的离散电压脉冲信号转化为连续电流信号；
环路滤波器，用于将所述的连续电流信号转化为电压信号；
自动频带选择器，用于接收分频器和外部基准源分别提供的反馈信号和参考信号，并产生状态控制字和正反相模式控制信号；
压控振荡器，用于接收所述的电压信号和状态控制字，并产生VCO输出信号；
分频器，用于接收所述的VCO输出信号，并产生所述的反馈信号；
第一传输门，其中，第一传输门的输入端接收半幅值的电源电压信号，第一传输门的输出端与所述的压控振荡器的压控输入端相连，第一传输门的第一控制端和第二控制端分别接收所述的正相模式控制信号和反相模式控制信号。
所述的环路滤波器由三个电容、一个电阻和一个传输门构成；其中，第一电容的一端与电阻的一端和第二传输门的输入端相连并构成所述的环路滤波器的输入端，第一电容的另端接地，电阻的另端与第二电容的一端相连，第二电容的另端接地，第二传输门的输出端与第三电容的一端相连并构成所述的环路滤波器的输出端，第三电容的另端接地，第二传输门的第一控制端和第二控制端分别接收所述的反相模式控制信号和正相模式控制信号。
所述的电荷泵的工作电压为满幅值的电源电压信号。
优选的技术方案中，所述的第一传输门和第二传输门都是由宽长比为3∶1的PMOS管和NMOS管构成，传输门导通时的等效电阻的线性度最好，能提高环路滤波器的稳定性并能有效的抑制压控输入端的电压纹波。
优选的技术方案中，所述的压控振荡器为多频带压控振荡器，能在降低相位噪声的同时保证VCO的调谐范围。
本发明的工作原理为：
锁相环开始工作时，自动频带选择器开始工作，其状态输出端产生预设状态控制字，其模式输出端输出的正相模式控制信号为低电平，反相模式控制信号为高电平，使第二传输门断开，第一传输门闭合，压控振荡器的压控输入端接到基准电压上，压控振荡器中开关电容阵列的MOS管的栅极接收自动频带选择器输出的预设状态控制字，此时环路为频率锁定模式；自动频带选择器通过比较参考信号和反馈信号的频率来确定状态控制字。若检测到反馈信号的频率小于参考信号的频率，则通过减小控制字来提高反馈信号的频率，若检测到反馈信号的频率大于参考信号的频率，则通过增大控制字来减小反馈信号的频率，若检测到反馈信号的频率等于参考信号的频率，则保持控制字不变。
当环路频率已经锁定，则模式输出端输出的正相模式控制信号为高电平，反相模式控制信号为低电平，使第二传输门闭合，第一传输门断开，压控振荡器的压控输入端接到环路滤波器的输出端，此时环路进入相位锁定模式；鉴频鉴相器检测参考信号和反馈信号的相位差，输出与相位差成比例的离散电压脉冲信号至电荷泵的输入端，控制电荷泵的开启和关断，进而对环路滤波器进行充放电，从而改变压控振荡器的压控输入端的电压，直到环路锁定。
本发明的有益技术效果为：
(1)本发明通过采用传输门作为模式切换开关，减小了由于传统MOS管在锁相环不同工作模式切换时所引起的VCO控制电压纹波，减小了电荷注入和时钟馈通，从而达到抑制VCO电压纹波的目的。
(2)本发明将传输门嵌入到三阶环路滤波器中，既起到锁相环不同工作模式切换的作用，又利用了传输门的导通电阻作为三阶环路滤波器的电阻，有效地滤除了噪声，从而大大减小了由于噪声而导致的VCO电压纹波。
附图说明
图1为传统锁相环电路的结构示意图。
图2为传统带自动频带选择功能的锁相环电路的结构示意图。
图3为本发明的锁相环电路的结构示意图。
图4为传统带自动频带选择功能的锁相环电路中压控振荡器的电压纹波仿真图。
图5为本发明的锁相环电路中压控振荡器的电压纹波仿真图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
如图3所示，一种用于抑制VCO电压纹波的锁相环电路，包括：鉴频鉴相器、电荷泵、自动频带选择器、环路滤波器、压控振荡器、分频器和第一传输门。
鉴频鉴相器的参考输入端与外部基准源相连，鉴频鉴相器的反馈输入端与分频器的输出端相连，以分别接收参考信号和反馈信号，从而产生离散电压脉冲信号。
电荷泵UP输入端与鉴频鉴相器的UP输出端相连，电荷泵DN输入端与鉴频鉴相器的DN输出端相连，以接收离散电压脉冲信号并将其转化为连续电流信号。
自动频带选择器的参考输入端与外部基准源相连，自动频带选择器的反馈输入端与分频器的输出端相连，以分别接收参考信号和反馈信号，从而产生状态控制字和正反相模式控制信号。
环路滤波器的输入端与电荷泵的输出端相连，以接收连续电流信号并将其转化为电压信号；
环路滤波器由三个电容、一个电阻和一个传输门构成；其中，第一电容C1的一端与电阻R的一端和第二传输门S2的输入端相连并构成环路滤波器的输入端，第一电容C1的另端接地，电阻R的另端与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另端接地，第二传输门S2的输出端与第三电容C3的一端相连并构成环路滤波器的输出端，第三电容C3的另端接地，第二传输门S2的第一控制端和第二控制端与自动频带选择器的模式输出端相连，并分别接收反相模式控制信号/SW和正相模式控制信号SW。
压控振荡器的压控输入端与环路滤波器的输出端相连，以接收电压信号；压控振荡器中开关电容阵列的MOS管的栅极与自动频带选择器的状态输出端相连，以接收状态控制字，从而产生VCO输出信号。
分频器的输入端与压控振荡器的输出端相连，以接收VCO输出信号并产生反馈信号。
第一传输门的输入端接收半幅值的电源电压信号VDD/2，第一传输门的输出端与压控振荡器的压控输入端相连，第一传输门的第一控制端和第二控制端与自动频带选择器的模式输出端相连，并分别接收正相模式控制信号SW和反相模式控制信号/SW。
第一传输门和第二传输门都是由宽长比为3∶1的PMOS管和NMOS管构成，PMOS管和NMOS管都是采用普通的四端口结构，分别是源极、漏极、栅极和体端。PMOS管的体端都接收电源电压信号VDD以减小电流泄漏，NMOS管的体端都接地以减小电流泄漏。
本实施方式锁相环开始工作时，自动频带选择器开始工作，其状态输出端产生预设状态控制字，其模式输出端输出的正相模式控制信号SW为低电平，反相模式控制信号/SW为高电平，使第二传输门S2断开，第一传输门S1闭合，压控振荡器的压控输入端接到基准电压VDD/2上，压控振荡器中开关电容阵列的MOS管的栅极接收自动频带选择器输出的预设状态控制字，此时环路为频率锁定模式；自动频带选择器通过比较参考信号和反馈信号的频率来确定状态控制字。若检测到反馈信号的频率小于参考信号的频率，则通过减小控制字来提高反馈信号的频率，若检测到反馈信号的频率大于参考信号的频率，则通过增大控制字来减小反馈信号的频率，若检测到反馈信号的频率等于参考信号的频率，则保持控制字不变。
当环路频率已经锁定，则模式输出端输出的正相模式控制信号SW为高电平，反相模式控制信号/SW为低电平，使第二传输门S2闭合，第一传输门S1断开，压控振荡器的压控输入端接到环路滤波器的输出端，此时环路进入相位锁定模式；鉴频鉴相器检测参考信号和反馈信号的相位差，输出与相位差成比例的离散电压脉冲信号UP、DN至电荷泵的输入端，控制电荷泵的开启和关断，进而对环路滤波器进行充放电，从而改变压控振荡器的压控输入端的电压，直到环路锁定。
图4所示为传统带自动频带选择功能的锁相环电路的Spectre模拟结果示意图，其中横坐标表示仿真时间，纵坐标表示压控输入端的电压。从图中可知，当锁相环锁定时，压控振荡器的压控输入端电压纹波为173mv。
图5所示为本实施例带自动频带选择功能的锁相环电路的Spectre模拟结果示意图。从放大图中可知，当锁相环锁定时，压控振荡器的压控输入端电压纹波为1.85mv。对比可知，本实施例能把压控振荡器的压控输入端电压纹波从原来的173mv减小到1.85mv，抑制了98.93％的纹波。

Claims (4)

1.一种用于抑制VCO电压纹波的锁相环电路，其特征在于：包括：
鉴频鉴相器，用于接收分频器和外部基准源分别提供的反馈信号和参考信号，并产生离散电压脉冲信号；
电荷泵，用于将所述的离散电压脉冲信号转化为连续电流信号；
环路滤波器，用于将所述的连续电流信号转化为电压信号；
自动频带选择器，用于接收分频器和外部基准源分别提供的反馈信号和参考信号，并产生状态控制字和正反相模式控制信号；
压控振荡器，用于接收所述的电压信号和状态控制字，并产生VCO输出信号；
分频器，用于接收所述的VCO输出信号，并产生所述的反馈信号；
第一传输门，其中，第一传输门的输入端接收半幅值的电源电压信号，第一传输门的输出端与所述的压控振荡器的压控输入端相连，第一传输门的第一控制端和第二控制端分别接收所述的正相模式控制信号和反相模式控制信号。
2.根据权利要求1所述的用于抑制VCO电压纹波的锁相环电路，其特征在于：所述的环路滤波器由三个电容、一个电阻和一个传输门构成；其中，第一电容的一端与电阻的一端和第二传输门的输入端相连并构成所述的环路滤波器的输入端，第一电容的另端接地，电阻的另端与第二电容的一端相连，第二电容的另端接地，第二传输门的输出端与第三电容的一端相连并构成所述的环路滤波器的输出端，第三电容的另端接地，第二传输门的第一控制端和第二控制端分别接收所述的反相模式控制信号和正相模式控制信号。
3.根据权利要求1或2所述的用于抑制VCO电压纹波的锁相环电路，其特征在于：所述的第一传输门和第二传输门都是由宽长比为3∶1的PMOS管和NMOS管构成。
4.根据权利要求1所述的用于抑制VCO电压纹波的锁相环电路，其特征在于：所述的压控振荡器为多频带压控振荡器。
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