[发明专利]含双电流源电荷泵及双比较器复位电路的锁相环电路

说明书

技术领域  本发明涉及频率或相位的自动控制和同步，特别是涉及构成锁相环的各功能单元，尤其涉及用于电荷泵型锁相环电路的双电流源电荷泵及双比较器复位电路。背景技术电荷泵型锁相环(Phase Locked Loop)作为锁相环的最重要结构已广泛应用于数字通信系统、无线通信系统、数字电路系统和磁盘驱动系统等领域。电荷泵型锁相环结构如图3所示，是一个由鉴相鉴频器101、电荷泵102、环路滤波器103、压控振荡器104和分频器105组成的反馈系统。所述电荷泵型锁相环采用外置晶振提供参考信号，片上压控振荡器104产生输出信号，分频器105实现将压控振荡器104的输出信号进行N分频，鉴相鉴频器101将输入参考信号和分频器105的输出信号(即反馈信号)进行相位比较，其输出通过电荷泵102并经环路滤波器103滤波后调节压控振荡器104的振荡频率F_vco，使其最终锁定在N×F_ref上，其中N为分频器105的分频数，F_ref为参考信号频率。 

鉴相鉴频器和电荷泵作为电荷泵型锁相环的关键组成部分，其存在的最大问题是当参考信号和反馈信号的相位差很小时，鉴相鉴频器产生的UP和DN信号脉冲太窄而没有足够的时间来打开电荷泵开关，使得电荷泵没有电流输出，环路开环增益降为零，从而导致锁相环输出相位无法锁定、延长环路锁定时间或者导致锁相环锁定时的相位噪声性能变坏。通常这个不能鉴别的相位差区域称为死区。 

为解决上述问题，研究者提出了多种消除死区的方法，Michael Henderson Perrott在文献“Techniques for High Data Rate Modulation and Low Power Operation ofFractional-N Frequency Synthesizer”中提出其中一种解决方法，对参考信号和反馈信号分别进行二分频，之后再用异或门进行鉴相消除死区，但是这种方法导致在二分之一的参考频率频偏处存在较大杂散分量，所要求环路滤波器的带宽更窄，最终影响到锁相环的稳定时间和相位噪声性能。 

另一种常用的方法是，在鉴相鉴频器的复位路径上加入延迟单元(延迟时间为δ)，如图4所示，这使得在环路锁定时UP和DN信号的脉冲足够宽以开启电荷泵开关。因此，当相位差变化一个极小的量时，电荷泵总能产生成比例变化的净输出电流，死区得以消除。但是，此方法也带来了诸多问题：①Mehmet Soyuer等人在文献“ Frequency Limitations of a Conventional Phase-Frequency Detector”提出，为了保证鉴相鉴频器的工作速度，复位延迟时间需满足δ＜1/(2×f_PFD，max)，其中f_PFD，max是鉴相鉴频器的最大工作速度。在一些应用中，比如以太网通信，鉴相频率为几百MHz或更高，所以复位延迟时间的选取存在着一定的约束；②复位延迟的存在使得环路在锁定时充放电电流仍能同时导通，由于充放电电流间的失配会造成同时导通期间电荷泵输出的净电流不为零。根据John Rogers等人在文献【Integrated Circuit Design for High-Speed FrequencySynthesis】所提，参考杂散 其中I_CP、ΔI分别为电荷泵充放电电流和失配电流，K_VCO为压控振荡器增益，C₂为环路滤波器电容。因此，为了减小参考杂散，复位延迟时间δ应尽量小。③复位延迟单元在不同的电源电压、温度和工艺条件下，其延迟时间变化较大。 

鉴于以上背景，为了消除电荷泵型锁相环的死区问题，本发明提出一种无死区的鉴相鉴频器及电荷泵电路，其复位信号根据复位电路中俩比较器是否检测到电荷泵中充放电电流源上的压降而产生，形成复位延迟的闭环控制，克服了上述电源电压、工艺和温度变化的影响。其复位时间能够取得足够小，提高了鉴相鉴频器的工作速度和锁相环的杂散性能。 

现有技术存在以下不足： 

1、采用分频的方法导致在二分之一的参考频率频偏处存在较大杂散分量，所要求环 

路滤波器的带宽更窄，最终影响到锁相环的稳定时间和相位噪声性能； 

2、在鉴相鉴频器的复位路径上加入延迟单元的方法，由于复位延迟的存在使得环路 

在锁定时充放电电流仍能同时导通，由于充放电电流间的失配会造成同时导通期 

间电荷泵输出的净电流不为零；复位延迟单元在不同的电源电压、温度和工艺条