专利名称：一种利用校准算法实现频率控制的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及压控振荡器电路设计领域，特别是涉及一种利用校准 算法实现频率控制的电路设计方法及装置。
背景技术：
振荡器的频率可以由电压控制，这样的电路称作一个压控振荡器。压控振荡器一般采用两种结构LC谐振型压控振荡器和环形压 控振荡器。LC谐振型压控振荡器利用电感与电容的并联谐振产生频 率为f"/pWI。的正弦波，并通过控制电压调节变容二极管的电容值C，从而实现对频率的调节。LC谐振型压控振荡器的优点在于输出 摆幅大，相位噪声低；LC谐振型压控振荡器的缺点在于电流消耗大， 调谐范围小，并由于用到了电感集成电感而面积较大。环形压控振荡 器实现方式有多种，但是其原理基本一致，一4殳由奇数个延时单元依 次首尾相连而成，若每级(每个延时单元)的传输延时为Td,则输 出频率f-1/(2+ISTTd)， N为级数。环形压控振荡器通过调节控制电压 调节每级的传输延时Td来实现对频率的调节。环形压控振荡器的优 点在于结构简单，频率调谐范围大，电流消库C小，面积小；环形压控 振荡器的缺点在于选频性能较差，频率精度不高，相位噪声高，从而 限制了其应用范围。
压控振荡器是锁相环系统中的一个重要^t块，能够通过调整控制 电压的大小来调整它的输出频率范围。当锁相环系统锁定在某一频率 点时，要求压控振荡器的输出频率也应在某一频率点上。但是随工艺 偏差和温度变化压控振荡器电路参数的输出频率会产生很大变化。为 了保证锁相环在各种工艺条件下都能锁定在指定的频带或频点，压控 振荡器需要覆盖很大的输出频率范围。在现有技术中，这就需要压控振荡器控制电压到输出频率的增益Kvco的值较大(Kvco=A//Ar )， 然而大的Kvco值会影响锁相环最终输出的相位噪声。而且，由于控制电压调整范围有限，若超出了电压调整范围，则无法将输出频率调 整到预期值上。以环行压控振荡器为例，环形压控振荡器每级的传输延时为TchF^C，输出频率为f=1/(2*N*Td)。延时单元可釆用单端结构或者差分结构。环形压控振荡器应由级 数最少为3的延时单元组成的环路。图1是典型环形压控振荡器的结 构示意图。如图1所示，典型环形压控振荡器由3级差分结构的延时 单元依次首尾相接而成。所述延时单元的输入端为(Vinp，Vinn), 输出端为(Voutn，Voutp)。图2是典型环形压控振荡器等效电路的结构示意图。如图2所示， R为每级延时单元的等效电阻，C为每级延时单元的等效电容。图3是现有技术延时单元的电路图。延时单元可以采用单端或者 差分结构，如图3所示的现有技术延时单元电路图为一常用的差分结 构延时电路。Vinp与Vinn为差分输入；Voutn与Voutp为差分输 出；M1为第一MOS管，M2为第二MOS管，所述M1与M2为接
成二极管形式的负载电阻；M3为第三MOS管，M4为第四MOS管 理，所述M3与M4为提供负阻的交互式耦合对；M5为第五MOS 管，M6为第六MOS管，所述M5与M6为输入放大管；Vdd为电 源；gnd为接地端；11为第一电流源，12为第二电流源。所述交M3， M4产生负阻-1/gm1，所述M1， M2作为负载，阻值为1/gm2。所述 M3， M4产生的负阻-1/gm1与所述M1， M2产生的负载1/gm2并联 作为输出端的负载电阻。由于gm(跨导)的值与工艺、温度等因素有 关，必须依靠控制电压来调整gm。 由公式c:c。x.w.L (其中Cox 为单位面积栅氧化层电容，W为MOS管的宽，L为MOS管的长)， 因此对MOS管的gm进行调整时，势必影响该节点的电容值，从而foc丄.C导致了两个参数的变化。由 狎 ，gm的变化量也将极大的影响 输出频率的变化，这将极大的影响电路性能。例如，如gm变化了 10%, f也将变化10。/。，对于射频段，f变化10。/。则有几百兆赫兹的变化量。综上所述，由于现在技术中通常没有校准算法，而仅能靠控制电 压来调整输出频率范围，因此通常需要将控制电压的调整范围即压控 振荡器增益调整到极大的值，这将极大地影响相位噪声。受相关工艺 限制，环形压控振荡器的电路参数R、 C不能做到又小又准，限制了 环形压控振荡器的输出频率大小。因此，为了使锁相环在各种条件下 均能锁定在某一频率，并且不影响相位噪声，就必须保证环行压控振 荡器即使在工艺条件变化时仍能将压控振荡器电路的参数调整到合 适的值。 发明内容为了在不影响相位噪声的情况下实现压控振荡器的输出频率的 控制，提出一种利用校准算法实现频率控制的方法及装置，能有效地 利用校准算法将压控振荡器的输出频率调整到控制电压的调整范围 内。本发明包括如下步骤步骤1,利用校准算法，通过将压控振荡 器的输出频率与锁相环的参考频率进行比较，根据比较结果对电阻进 行选择，使每级的传输延时尽量与期望值接近，从而使压控振荡器的 输出频率被粗调到控制电压的调整范围内；步骤2，然后由控制电压 对压控振荡器的输出频率进行微调，从而使锁相环能在各种条件下锁 定在某一频率点上。所述步骤1进一步地包括步骤1.1，首先将压控^振荡器的输出 频率与锁相环的参考频率进行比较；步骤1.2,根据所述比较结果对 R进行选择，即让Td达到期望值，完成频率的粗调。所述校准算法的实现过程如下压控振荡器输出频率经过分频 后，与锁相环的参考频率进行比较；若小于锁相环的参考频率，则减 小电阻阵列的阻值，增大压控振荡器输出频率，若大于锁相环的参考 频率，则增大电阻阵列的阻值，减小压控振荡器输出频率，若压控振 荡器输出频率与锁相环的参考频率的差距在算法精度之内，则比4支结 束；否则再次执行比较，直至比较步数全部完成本发明的结构至少包括第三MOS管(M5),第四MOS管(M6 ),
第一电流源(11),第二电流源(12)，差分输入端(Vinp，Vinn)， 差分输出端(Voutn，Voutp),电源(Vdd)，接地端(gnd)，其特征在于还 包括第一电阻阵列(Rn1 )和第二电阻阵列(Rn2),所述第一电阻阵 列(Rn 1 )和第二电阻阵列(Rn2)串联起来作为负载电阻与第三MOS 管(M3)和第四MOS管(M4)连接而成的负阻并联，与输出端 (Vinp，Vinn)连接。所述的电阻阵列包括调节电阻(R0),第一电阻(R1)，第二 电阻(R2),第三电阻(R3),第四电阻(R4),第五电阻(R5)， 第六电阻(R6)，第七电阻(R7),第八电阻(R8)，第九电阻(R9), 第十电阻(R10)，第十一电阻(R11 )，第十二电阻(R12)，第 十三电阻(R13),第十四电阻(R14)，第十五电阻(R15);选 通开关(S0)，第一选通开关(S1)，第二选通开关(S2),第三 选通开关(S3)，第四选通开关(S4)，第五选通开关(S5),第 六选通开关(S6),第七选通开关(S7),第八选通开关(S8), 第九选通开关(S9)，第十选通开关(S10)，第十一选通开关(S11 )， 第十二选通开关(S12)，第十三选通开关(S13),第十四选通开 关(S14)，第十五选通开关(S15);每个电阻对应一个选通开关， 所述的选通开关控制该电阻的选通，所述的电阻阵列每次只能选通一 个开关。所述的电阻阵列选通开关的选通由控制位决定，所述控制位直接 由压控振荡器的输出频率与缩相环的参考频率的比较结果决定。所述控制位个数的取值范围为2~6位，所述控制位个数的最佳
取值为4位。所述控制位个数决定电阻阵列的电阻个数。当控制位个数为2位时，电阻阵列的电阻个数为4个；当控制位 个数为3位时，电阻阵列的电阻个数为8个；当控制位个数为4位 时，电阻阵列的电阻个数为16个；当控制位个数为5位时，电阻阵 列的电阻个数为32个；当控制位个数为6位时，电阻阵列的电阻个 数为64个。本发明仅增加了，电阻阵列、控制位和选通开关的逻辑控制电路 都可集成于芯片内部，无需任何外部器件，结构简单成本低； 本发明采用校准算法，保证压控振荡器频率调谐范围，并且不影响相 位噪声；本发明将现有技术的负载电阻的MOS管用电阻阵列代替， 可以按照所需精度要求控制电压范围和各种条件下电阻阵列阻值的 偏差范围来制定步数和每一步电阻阵列阻值的变化量。
图1是典型环形压控振荡器的结构示意图；图2是典型环形压控振荡器等效电路的结构示意图；图3是现有技术延时单元的电路图；图4是本发明的步骤流程图；图5是本发明电阻阵列的电路示意图；图6是本发明的校准算法流程示意图；图7是本发明控制位与电阻选通开关的解码对照表； 图8是本发明延时单元的电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。图4是本发明的步骤流程图。如图4所示，本发明方法的步骤包括步骤1,利用校准算法，通过将压控振荡器的输出频率与参考频 率进行比较，根据比较结果对电阻进行选择，使每级的传输延时尽量 与期望值接近，从而使压控振荡器输出频率被粗调到控制电压的调整 范围内；步骤2，然后由控制电压对压控振荡器输出频率进行孩B周，从而 使锁相环能在各种条件下锁定在某一频率点上。 进一步地，步骤1还包括如下步骤步骤1.1,首先将压控振荡器的输出频率与参考频率进行比较； 步骤1.2，才艮据所述比较结果对R进行选"I奪，即让Td达到期望 值，完成频率的粗调。图5是本发明的电阻阵列电i 各示意图。如图5所示，R1, R2…… R15为阻值相等的电阻，调节电阻R0值的大小可根据实际需要来设 置，各阻值大小由电路每一步变化所需精度确定；S0， S1......S15为各电阻对应的选通开关。同一时刻只有一个开关处于导通状态，不 同开关的选通决定了接入电路的电阻阻值大小。如果S0开通，本发 明电阻阵列的等效电阻为R0;如果S1开通，本发明电阻阵列的等
效电阻为R0+R1……如果S15开通，本发明电阻阵列的等效电阻为 R0+R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7+R8+R9+R10+R11+R12+R13+R1 4+R15。图6是本发明控制位与电阻选通开关的解码对照表。如图6所示， 左列为控制位，由锁相环的参考频率和锁定频率的比较结果决定，通 过4-16 i奪码产生开关选通信号；右列为选通的开关，每次只能选通 一个开关，由控制位的数值决定。如图6所示，当控制位为0000时， 选通开关S0;当控制位为0001时，选通开关S1......当控制位为1111时，选通开关S15。图7是本发明的校准算法流程示意图。本发明的校准算法采用二 分法，初始值设为1000，则分频数为1000。本发明的校准算法开始 时的初始状态默i人为控制电压为1V，控制位为1000，即开关S8选 通。如图7所示，校准算法的工作过程为压控振荡器输出频率f经 过1000分频后为f 。将f'与锁相环的参考频率进行比较，若f小于 锁相环的参考频率，则减小R(则控制位跳转为0100,即S7选通)， 增大f;若f'大于锁相环的参考频率，则增大R(则控位跳转为1100, 即S12选通)，减小f;若f与锁相环的参考频率的差距在算法精度 之内，则比较结束(即校准算法指向end)。否则再次执行比较，再 次执行比较仍按照压控振荡器输出频率经分频后的值与锁相环的参 考频率进行比较。若压控振荡器输出频率经分频后的值大于锁相环的 参考频率，则向左跳转到下一级；若压控振荡器输出频率经分频后的 值小于锁相环的参考频率，则向右跳转到下一级；直至比较步数全部
完成。可以按照所需精度要求控制电压范围和各种条件下电阻阵列阻 值的偏差范围来制定步数和每一 步电阻阵列阻值的变化量。图8是本发明延时单元的电路图。如图8所示，Vinp与Vinn 为差分输入端；Voutn与Voutp为差分输出端；Rn1为第一电阻阵 列，Rn2为第二电阻阵列，连接在一起等效为的负载电阻；M3为第 三MOS管，M4为第四MOS管，所述M3与M4为提供负阻的交互 式耦合对；M5为第五MOS管，M6为第六MOS管，所述M5与 M6为输入放大管；Vdd为电源；gnd为接地端；11为第一电流源， I2为第二电流源。在电路实现上，本发明将作为负载管的M1， M2 直接用第一电阻阵列Rn1,第二Rn2替代。本发明采用电阻阵列， 可以将该节点的电象阮为定值，而单单对电阻值进行调节。所述电阻 阵列由一系列电阻串联而成，通过开关的选通来决定接入电路电阻的 阻值。所述开关的选通与否由控制位决定。所述控制位直接由压控振 荡器的输出频率与参考频率的比较结果决定。综合附4，图5,图6,图7,图8,本发明的原理如下环 形压控振荡器每级的传输延时可以用电阻和电容的值来表述，即 Td=R*C。由于输出频率f-1/(2NTd)，如果所述Td是常数，则f为定 值。在不同的工艺偏差和温度下，R与C会发生变化，而Td也必然 随着R与C的变化而变化，导致f也会发生变化。因此，本发明利 用校准算法，通过将压控振荡器的输出频率与参考频率进行比较，然 后根据所述比较结果对R进行选择，可以使Td尽量与预期值靠近， 并且压控振荡器的输出频率也被粗调到控制电压的调整范围内。然后
由控制电压对频率进行微调，使锁相环即使在外在条件下也能锁定在 某一频率点上。本发明可以实现用校准算法对压控电压的输出频率的 控制，从而使锁相环在各种条件下锁定在某一频率点上。在本具体实施例中，延时单元的级数N为3，锁相环的参考频率 为1MHz,锁相环的锁定频率为1GHz。本发明的构造和作用4又仅作 为本实施例进行说明，而本发明所述的技术思想和核心构成及作用并 不局限于此。结合附4，图5，图6,图7,图8,本实施例中采用校准算 法对压控振荡器的输出频率进行粗调，过程如下本发明校准算法开 始时的控制电压设置为1V，控制位为1000，即S8选通，接入电路 的电阻R为(R0+R1+R2+…+R7+R8)。压控振荡器输出频率f经过 1000分频后为f1。将fl与锁相环的参考频率1MHz进行比较，若 fK1MHz,则控制位转为0100，即S4选通，接入电路的电阻R变 为(R0+R1十…R4)， R减小了， f增大了;若fWMHz,则控制位转 为1100，即S12选通，接入电路的电阻R为(R0+R1+…R11+R12)， R增大了， f减小了；若f1与锁相环的参考频率1MHz的差距在算法 精度之内，则比较结束，否则再以控制位0100或1100决定的R接 入电路后压控振荡器的频率与参考频率进行比较，直至比较步数全部 完成。可以按照所需精度要求，控制电压范围，各种条件下R的偏 差范围来制定步数和每一步R的变化量，从而完成对压控振荡器的 输出频率进行粗调。校准算法结束后，将控制电压恢复为由锁相环环路控制的电压，
再对压控振荡器的频率进行纟鼓调，保证锁相环的锁定。以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明。凡 在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种利用校准算法实现频率控制的方法，其特征在于包括如下步骤步骤1，利用校准算法，通过将压控振荡器的输出频率与锁相环的参考频率进行比较，根据比较结果对电阻进行选择，使每级的传输延时尽量与期望值接近，从而使压控振荡器的输出频率被粗调到控制电压的调整范围内；步骤2，然后由控制电压对压控振荡器的输出频率进行微调，从而使锁相环能在各种条件下锁定在某一频率点上。
2. 如权利要求1所述的一种利用校准算法实现频率控制的方法， 其特征在于，所述步骤1进一步地包括步骤1.1,首先将压控振荡器的输出频率与锁相环的参考频率进 行比较；步骤1.2，根据所述比较结果对R进行选择，即让Td达到期望 值，完成频率的粗调。
3. 如权利要求1所述的一种利用校准算法实现频率控制的方法， 其特征在于，所述校准算法的实现过程如下压控振荡器输出频率经 过分频后，与锁相环的参考频率进行比较；若小于锁相环的参考频率， 则减小电阻阵列的阻值，增大压控振荡器输出频率，若大于锁相环的 参考频率，则增大电阻阵列的阻值，减小压控振荡器输出频率，若压 控振荡器输出频率与锁相环的参考频率的差距在算法精度之内，则比较结束；否则再次执行比较，直至比较步数全部完成
4. 一种利用校准算法实现频率控制的装置，其结构至少包括第 三MOS管(M5)，第四MOS管(M6)，第一电流源(11 ),第 二电流源U2)，差分输入端(Vinp，Vinn)，差分输出端(Voutn,Voutp), 电源(Vdd),接地端(gnd)，其特征在于还包括第一电阻阵列(Rn1) 和第二电阻阵列(Rn2),所述第一电阻阵列(Rn1)和第二电阻阵列 (Rn2)串联起来作为负载电阻与第三MOS管(M3)和第四MOS管(M4)连接而成的负阻并联，与输出端(Vinp，Vinn)连接。
5. 如权利要求4所述的一种利用校准算法实现频率控制的方法， 其特征在于所述的电阻阵列包括调节电阻(R0)，第一电阻(R1 )， 第二电阻(R2)，第三电阻(R3),第四电阻(R4)，第五电阻(R5), 第六电阻(R6)，第七电阻(R7)，第八电阻(R8)，第九电阻(R9)， 第十电阻(R10)，第十一电阻(R11 ),第十二电阻(R12)，第 十三电阻(R13)，第十四电阻(R14)，第十五电阻(R15);选 通开关(S0)，第一选通开关(S1)，第二选通开关(S2),第三 选通开关(S3),第四选通开关(S4)，第五选通开关(S5),第 六选通开关(S6)，第七选通开关(S7)，第八选通开关(S8), 第九选通开关(S9),第十选通开关(S10)，第十一选通开关(S11 )， 第十二选通开关(S12)，第十三选通开关(S13),第十四选通开 关(S14),第十五选通开关(S15);每个电阻对应一个选通开关， 所述的选通开关控制该电阻的选通，所述的电阻阵列每次只能选通一 个开关。
6. 如权利要求5所述的一种利用校准算法实现频率控制的方法， 其特征在于所述的电阻阵列选通开关的选通由控制位决定，所述控 制位直接由压控振荡器的输出频率与缩相环的参考频率的比较结果 决定。
7. 如权利要求6所述的一种利用校准算法实现频率控制的方法， 其特征在于所述控制位个数的取值范围为2~6位，所述控制位个 数的最佳取值为4位。
8. 如权利要求7所述的一种利用校准算法实现频率控制的方法， 其特征在于所述控制位个数决定电阻阵列的电阻个数。
9. 如权利要求8所述的一种利用校准算法实现频率控制的方法， 其特征在于当控制位个数为2位时，电阻阵列的电阻个数为4个； 当控制位个数为3位时，电阻阵列的电阻个数为8个；当控制位个数 为4位时，电阻阵列的电阻个数为16个；当控制位个数为5位时， 电阻阵列的电阻个数为32个；当控制位个数为6位时，电阻阵列的 电阻个数为64个。
全文摘要
一种利用校准算法实现频率控制的方法及装置，涉及压控振荡器电路设计领域。本发明包括如下步骤步骤1，利用校准算法，通过将压控振荡器的输出频率与锁相环的参考频率进行比较，根据比较结果对电阻进行选择；步骤2，然后由控制电压对压控振荡器的输出频率进行微调。本发明的结构至少包括第三MOS管，第四MOS管，第一电流源，第二电流源，差分输入端，差分输出端，电源，接地端，第一电阻阵列，第二电阻阵列。本发明能够在工艺条件变化时仍将压控振荡器电路的参数调整到合适的值，并且不影响相位噪声。
文档编号H03L7/08GK101127507SQ20071004613
公开日2008年2月20日 申请日期2007年9月19日 优先权日2007年9月19日
发明者刘欢艳, 云 周 申请人:鼎芯通讯(上海)有限公司