[发明专利]一种恒定环路带宽的宽带锁相环

权利要求书

1.一种恒定环路带宽的宽带锁相环，其特征在于：包括电荷泵锁相环(1)和全数字自动校准电路(2)；电荷泵锁相环(1)用于产生频率输出信号；全数字自动校准电路(2)负责校准电荷泵锁相环(1)的环路带宽，保证其在宽输出频率范围内都能正常工作；电荷泵锁相环(1)包括鉴频鉴相器(3)、可编程电荷泵(4)、环路滤波器(5)、压控振荡器(6)、反馈分频器(7)、第一开关(8)和第二开关(9)，其中，第一开关(8)负责实现锁相环环路的开环和闭环状态，并与第二开关(9)共同决定压控振荡器(6)控制电压的来源；第一开关(8)和第二开关(9)工作状态相反，即第一开关(8)闭合时第二开关(9)断开，反之亦然；压控振荡器采用粗调和细调相结合的方式，产生多根调谐曲线覆盖目标频率段，并具有较小的增益；全数字自动校准电路(2)包括频率检测器(10)、时序控制单元(11)、锁相环环路带宽校准电路(12)、压控振荡器频率校准电路(13)和压控振荡器控制电压产生电路(14)，频率检测器(10)通过对压控振荡器的多路输出信号及其反向信号的边沿变化的计数，测量压控振荡器(6)的频率值N_cnt，压控振荡器频率校准电路(13)利用频率检测器(10)的输出N_cnt选择压控振荡器(6)的工作频带，通过使用压控振荡器频率校准电路(13)和结合了粗调和细调方式的压控振荡器(6)，电荷泵锁相环(1)在获得宽输出频率范围的同时，可以将压控振荡器的输入调谐电压限定在一定的范围，减小压控振荡器在单根调谐曲线上的增益变化，在压控振荡器频率校准电路(12)工作完成之后，锁相环环路带宽校准电路(12)利用频率检测器(10)的输出N_cnt在片检测压控振荡器工作的调谐曲线的增益大小，并相应调整可编程电荷泵的输出电路大小，保证电荷泵锁相环(1)在宽工作频率范围内环路带宽恒定，时序控制单元(11)产生频率检测器(10)、锁相环环路校准(12)、压控振荡器校准电路(13)、第一开关(8)和第二开关(9)所需的时序，压控振荡器控制电压产生电路(14)产生在压控振荡器频率校准电路(12)工作中需要的电压VDD/2和在锁相环环路带宽校准电路(12)工作中需要的电压V_H和V_L，在全数字自动校准电路(2)工作过程中，第一开关(8)断开，第二开关(9)闭合，此时电荷泵锁相环(1)处于开环状态，第二开关(9)将压控振荡器控制电压产生电路(14)产生的控制电压连接到压控振荡器(6)的电压控制端，在全数字自动校准电路(2)完成校准之后，第一开关(8)闭合，第二开关(9)断开，此时电荷泵锁相环(1)处于闭环状态，第一开关(8)将环路滤波器(5)产生的控制电压连接到压控振荡器(6)的电压控制端；

一个传统的电荷泵锁相环，其开环增益可以表示为：

其中I_CP是电荷泵的增益，LF(s)是环路滤波器的阻抗，K_VCO是VCO的增益，N是锁相环的倍频系数；闭环的带宽与I_CP、K_VCO和N成比例，表示为：

在锁相环闭环工作前，第二开关将压控振荡器控制电压产生电路产生的电压连接到压控振荡器的控制电压端，频率检测器检测压控振荡器的多路输出信号及其反向信号的边沿变化，对于频率检测时间k·T_REF，频率检测器检测到的总的边沿变化为N_cnt，频率检测时间等于N_cnt倍的压控振荡器基本单元的延时T_unit，可以表示为：

(N_cnt-1)·T_unit＜k·T_REF≤N_cnt·T_unit (4)

或

N_cnt·T_unit≤k·T_REF＜(N_cnt+1)·T_unit (5)

其中T_REF是参考时钟的周期，公式(4)(5)中的不等号是由参考信号和VCO输出信号二者之间起始边沿的不相关性导致的，检测到的VCO频率可以表示为：

或

其中f_VCO＝1/(2M·T_unit)；

全数字校准电路中的压控振荡器频率校准电路利用频率检测器得到的频率值查找中心频率离目标频率最近的子频带为压控振荡器的工作频带，在选择完压控振荡器工作的最优子频带之后，压控振荡器控制电压产生电路产生电压V_H和V_L，分别在这两种控制电压下频率检测电路得到压控振荡器的工作频率f_H和f_L，全数字校准电路中的锁相环环路带宽校准电路计算压控振荡器的增益：

在获得准确的压控振荡器增益之后，锁相环环路带宽校准电路重新调整可编程电荷泵的增益，以补偿由于压控振荡器增益变化和分频比变化导致的环路带宽的变化，即调整I_CP保证公式(1)、(2)的值不变化；

电荷泵锁相环负责产生频率输出信号；全数字自动校准电路负责校准电荷泵锁相环的环路带宽，保证其在宽频率范围内都能正常工作。