[发明专利]用于数字鉴相器的低功率小面积数字积分器

说明书

发明领域

本发明可涉及锁相环系统。

背景技术

锁相环系统是一种配置成产生相对于参考信号具有固定相位关系的源信号的控制系统。锁相环广泛用于无线电、远程通信、计算机和其它电子应用中。锁相环可被用在包括时钟和数据恢复(CDR)电路的许多应用中。例如，在一些系统中，数据可以在没有额外的定时参考(timing reference)的情况下被发送到接收机，且可以利用CDR电路在接收机处恢复定时信息。

图1示出了常规的模拟锁相环100的例子。该锁相环100输入参考信号102，输出源信号104。输出的源信号104的相位可与参考信号102的相位有关。

锁相环100可包括鉴相器106。鉴相器106可接收参考信号102和源信号104作为输入，并产生指示参考信号102和源信号104的相位差的校正信号110。许多鉴相器设计可用于产生校正信号110。鉴相器通常以线性和非线性为特征。线性鉴相器输出与参考信号102和源信号104之间的相位差成比例的信号。非线性鉴相器没有这种比例性，通常具有两个状态：早或晚。非线性鉴相器还已知的是数字鉴相器。校正信号110可由环路滤波器112滤波，以产生控制信号114。环路滤波器112可包括低通滤波器以减弱校正信号110的高频部分。这种低通滤波器一般以具有零补偿的积分器的形式实现。具有零补偿的积分器通常用电荷泵电路和串联电阻-电容器实现。需要的电容一般非常大(比1nF大得多)，因此其通常为外部部件，从而难以将具有零补偿的该积分器引入集成电路(IC)技术。

锁相环100可包括压控振荡器116。压控振荡器116通常可被配置为输出振荡信号，例如源信号104。振荡信号的频率可取决于由压控振荡器116输入的电压。控制信号114可驱动压控振荡器116，以产生具有周期振荡的源信号104。源信号104的频率可由控制信号14的电压控制。

如果源信号104和参考信号102相位匹配，则控制信号114的电压并由此源信号104的频率可保持不变。如果源信号104的相位落在参考信号102的相位之后，则鉴相器106可产生校正信号110，从而得到的控制信号114使压控振荡器116加快源信号104的频率。例如，控制信号114的电压可增加。相反，如果源信号104的相位在参考信号102之前，则鉴相器106可产生校正信号110，从而控制信号114使压控振荡器116放慢源信号104的频率。例如，控制信号114的电压可降低。

在一些系统中，如果参考频率太高或者太低，源信号104和参考信号102会失去相位锁定的能力。例如，如果系统难以达到产生频率匹配所需的电压，则源信号104和参考信号102会失去相位锁定的能力。在一些系统中，如果锁相环100不能实现锁定，则控制信号114的电压可以在系统的电源电压或者地电压附近被驱动。在一些系统中，在获取环相位的频率期间，窗口比较器可监视控制信号114的电压。如果控制信号114的最后集中的电压低于高阈值且高于低阈值，则窗口比较器可输出一个信号，该信号表明在设计CDR的所有环境条件下保证锁定的合适范围内，源信号104在参考信号102的频率下被锁定。高阈值可以是基于电源电压，低阈值是基于低电压。如果控制信号114的电压高于高阈值或者低于低阈值，则窗口比较器可输出一个信号，该信号表明源信号104在参考信号102的频率没有被锁定。

在一些应用中，源信号104可用于确定参考信号102的定时参考(时钟)。例如，在一些通信系统中，数据可在无附加时钟信息的情况下被传输到接收机。例如，在一些光通信系统中，数据可由光纤传送，在无伴随的时钟信息的情况下被接收机接收。在一些实施方式中，锁相环100可用于从接收的数据中得到时钟信息，如公知的CDR。

传统的CDR也需要图1所示的环路滤波器。也需要大电容，因此在现代IC工艺中集成这种部件非常困难。

图2示出的是包含数字滤波器206的常规数字锁相环200。由模数转换器204将校正信号110转化为数字校正信号202。可由数字滤波器206利用数字信号处理技术对数字校正信号202进行处理，以获得参考图1所

述的环路滤波器112的等效滤波。数字滤波器输出208可由数模转换器212转换为模拟信号210。可供选择地，数字滤波器输出208可直接驱动数字控制振荡器(未示出)。本申请所述的实施方式描述了使数字鉴相器的输出数字化的系统和方法，所述数字鉴相器具有极低功率和小尺寸，适合于利用现代IC工艺实现高度集成。