专利名称：带有抖动补偿的分数n分频的频率综合器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有带有补偿电路以便补偿相位抖动的分数N分频的频率综合器的电子装置。该装置包括，例如，集成电路或数字通信设备。本发明也涉及在分数N分频的频率综合器中补偿相位抖动的方法。
背景技术：
频率综合器从具有高稳定的参考频率的参考信号产生多个输出信号，每个信号具有不同的频率。参考信号是由晶体振荡器产生的。典型地，综合器包括在锁相环(PLL)中的压控振荡器(VCO)。PLL控制振荡器保持振荡器的输出信号的频率与相位锁定到参考信号的频率与相位。PLL具有鉴相器，把振荡器输出信号的相位与参考信号的相位进行比较。鉴相器控制电荷泵，它把正比于所检测的相位差的误差信号提供给VCO。如果相位差是零，则该泵提供零误差信号。PLL具有在泵的输出端与VCO的控制输入端之间的低通滤波器。滤波器的任务是去除来自误差信号的高频贡献，例如，噪声，否则它会调制VCO的频率。如果滤波器的带宽做得较小，则PLL的噪声性能得以提高。然而，减小带宽也增加了PLL锁定到参考信号所需要的设定时间。典型地，在实行与参考频率的相位比较以前，输出频率被除以整数N。分频使得能比较具有相同数值的频率。因子N可以被做成可变的，以便提供多个不同的输出频率，例如，用于在通信设备中的不同信道之间切换。分频器通常用计数器来实现。所以，因子N是整数。被分频的输出频率中的分辨率等于参考频率。通过使用较低的参考频率，可以把分辨率做得更细。然而，由鉴相器提供的误差信号然后更慢地跟随所检测的相位误差。另外，低通滤波器然后必须具有更低的截止频率，这会如上所述地增加设定时间。
分数N分频的频率综合器提供了解决这个在精细分辨率与设定时间之间的冲突的办法。在英国专利1,560,233中和在Wing S.Djen和Daniel Linebarger的“Fractional-N PLL Provides Fast，Low-NoiseSynthesis(分数N分频的PLL提供快速的低噪声综合)”，Microwave&RF，May 1994中讨论了带有PLL和分数N分频的频率综合器。分数N分频产生输出频率，它与参考频率的比值不是整数。可编程分频器位于VCO与鉴相器之间，分频因子在VCO的周期的部分x内在N与N+1之间切换，给出平均接近于N+x的分频比。频率综合器中的分数N分频有助于得到好的频率分辨率，这对于数字蜂窝标准是特别重要的。
分数分频过程造成在可编程分频器的输出端处的波形周期上的变化。结果是周期的相位误差，这造成VCO的输出频谱上相应的边带(分数的寄生)。换句话说，分频器的输出由于周期地改变的分频比而被调制以分数相位起伏。这个起伏造成VCO输出信号上的相位起伏。这个起伏是VCO的输出信号的重要时刻离它们的理想位置的随时间的短期变化。
上述的以及在此引用以供参考的英国专利1,560,233教导使用电压补偿来缓和起伏效应。模拟的补偿电压被产生，这被加到在环路滤波器的输入端处的相位比较器的输出电压。这是如下地达到的。已知的综合器包括累加器，其容量被称为分数模量，以及其内容在每次可编程分频器提供一个输出脉冲时增加某个分数增量。假定累加器被设定为零。每N个VCO的周期，分频器提供一个输出脉冲，响应于它，分数增量被加到累加器的内容中。当累加器溢出时，即，达到分数模量时，分频因子被改变为N+1。在分频器提供了它的下一个输出脉冲以后，分频比被复位为N。因此，分数x等于整数的倒数乘以适合于分数模量的分数增量。虽然，平均来说，因子N+x的分频比是正确的，但VCO的输出信号的瞬时相位不是常数。代表VCO信号除以N的加到鉴相器的输入领先于参考信号，并产生相位差上的斜坡误差。这个斜坡在VCO输出端处造成抖动。累加器的内容正比于这个相位差，如果被适当地缩放，被变换成一个电压，并从由鉴相器提供的误差信号中减去，则对于抖动补偿到某个程度。
Philips Electronics N.V.的分公司，Philips Semiconductors公司，的低压2GHz分数N分频综合器SA 8025A使用分数电流补偿。更详细的内容，请见Philips Semiconductors数据手册IC-17，1996。所引入的抖动被看作为从低通滤波器取得的电荷量QJITTER，它正比于(1)QJITTER∝IPUMP/[FVCO*FMOD]，
其中IPUMP是主充电泵电流值；FVCO是VCO的频率；以及FMOD是分数模量(无量纲的数量)。通过提供按照比例关系乘以参考频率FREF的补偿电荷QCOMP，可达到补偿(2)QCOMP∝ICOMP/FREF，其中ICOMP是补偿电流幅度。把表示式(1)和(2)相组合，给出用于补偿电流的结果(3)ICOMP∝[IPUMP*FREF]/[FVCO*FMOD].
因此，产生补偿电流的泵的运行取决于参考频率FREF以及VCO的输出信号的频率FVCO。
发明目的已知的电流补偿方案能很好地工作，但取决于所选择的参考频率以及设想VCO所运行的频率。这要求产生补偿电流的补偿泵在一个取决于所选择的频率的电流密度的范围上工作。换句话说，补偿泵要对于每个单独的频率范围被重新设计，以便于提供最佳的性能。本发明的一个目的是提供带有分数N分频的频率综合器的系统，其补偿电路使得综合器适合于比已知的综合器更宽的频率范围。
发明概要本发明提供带有分数N分频的频率综合器的电子装置。综合器具有VCO，其输出端用于提供特定频率的输出信号，以及其输入端用于接收用于控制VCO运行的控制信号。综合器具有被耦合到其输入端的补偿电路，用来为了相位抖动而补偿输出信号，它包括电荷泵，用于提供补偿电流到输入端，以及其时序从输出信号得出，用于补偿电荷的时序从VCO的频率得出，优选地，补偿电荷按照下式基本上反比于VCO的频率(4)QCOMP∝ICOMP/FVCO，现在，把公式(1)和(4)的右边相组合，给出(5)ICOMP∝IPUMP/FMOD.
结果是本发明中的补偿电流与VCO的频率范围无关以及与参考频率无关。这个方法使得本发明的综合器高度地适合于用作为模块构造块。注意到，在低压2GHz分数N分频综合器SA 8025A中，如上面提到的，时序从参考频率得出，所以，每个频率范围需要单独的补偿电流源的最佳化。
附图简述本发明可通过实例和参照附图来说明，其中
图1是分数N分频综合器的方框图；图2是综合器中的分数控制器部分的方框图；以及图3是本发明的被控制的补偿电荷泵的方框图。
在所有图中，相同的参考数字表示相同的或相应的特征。
图1是典型的分数N分频综合器100的方框图。综合器100包括VCO 102，可编程分频器104，鉴相器106，和低通环路滤波器108。VCO 102的输出端提供频率FVCO的输出信号。分频器104被连接到VCO102的输出端，并把具有被分频的频率的信号提供给鉴相器106。具有参考频率FREF的参考信号被提供给鉴相器106，这个信号是由晶体振荡器110通过第二分频器111得出的。鉴相器106提供误差信号，通过环路滤波器108送到VCO 102。典型地，鉴相器包括以传统方式驱动的电荷泵(未示出)，用来对VCO 102的的控制输入端的电容充电或放电。例如，参考上面提到的Philips Semiconductors数据手册IC-17中描述的低压2GHz分数N分频综合器SA 8025A。电荷泵包括电流源，它提供或吸附典型地正比于所检测的相位差的电荷量。关于已知的电荷泵和鉴相器的更详细的细节，可参考，例如，美国专利5,485,125，美国专利5,475,718，美国专利5,436,596，和美国专利5,349,613；这些专利在此引用，以供参考。
正如在分数N分频综合器领域中所熟知的，分频器104交替地以因子N和因子N+1来除以频率FVCO，其中N是整数。由非整数值的分频是通过在一部分时间以N+1分频来代替以N分频而在平均意义上达到的。为此，综合器具有用于控制分频器104的分数控制器112。在本例中，分数控制器112是对于可编程分频器104的分频数N、分数模量FMOD、和分数增量NF是可编程的，下面进一步解释。
图2显示控制器112的一部分。控制器112包括模-FMOD累加器202和加法器204。累加器202的容量被称为分数模量或FMOD。累加器112存储一个数字字，其数值以数字表示可以具有高到分数模量FMOD的数值。响应于由分频器104提供的脉冲，加法器114把累加器112的内容加增加一个分数增量NF。当累加器112溢出时，它产生一个进位信号，进位信号被提供给分频器104。存在或不存在进位信号确定了分频器104的分频比被设定为N+1还是被设定为N。
累加器112中所包含的数字值代表了在VCO 102的被分频的输出信号与具有参考频率FREF的参考信号之间的相位差。VCO 102的被分频的信号每个周期领先于参考信号一个正比于1/FMOD的量。所以，从滤波器108取得的电荷由以上引入的表示式(1)给出(1)QJITTER∝IPUMP/[FVCO*FMOD].
相位抖动是这种不想要的电荷QJITTER流动的现象。
在本发明中，相位抖动通过提供补偿电荷QCOMP而被补偿，按照以上的表示式(4)给出(4)QCOMP∝ICOMP/FVCO.
因此，补偿泵必须提供电流ICOMP，它正比于(5)ICOMP∝IPUMP/FMOD.
对于已知补偿方案的优点已经在上面提到过。
图3是按照本发明的综合器300的一部分的方框图，它被集成在数字通信装置中，例如，用于GSM系统(全球移动系统，泛欧蜂窝)或ADC(美国数字蜂窝)。综合器300包括电路302，具有用于产生参考电流Iref的发生器。在本例中，发生器具有差分放大器304，它控制晶体管306，以使得在参考电阻RN上的电压保持等于参考电压VBG。由此规定的参考电流Iref通过电流反射镜308被映出和缩放。反射镜308具有第一输出端，它提供第一输出电流IM，被用来缩放由主电荷泵(未示出)传送的电流，和第二输出电流IC1，被用来缩放由补偿电荷泵310提供的电流ICOMP。在本例中，电流IC1被提供给电路312，它在数字信号FC的控制下缩放它的输出电流IC2，该数字信号使能在数字通信系统中对于每个单独的频道调整分数补偿。电路312可任选地用来改进总的性能。电流IC2被提供给泵310，它在代表累加器202的瞬时内容的数字信号FRD的控制下缩放电流IC2。这决定了泵的电流脉冲的幅度。泵310接收从VCO 102的输出端处的信号得出的时序信号TCOMP。也就是，时序信号TCOMP与VCO的输出信号同步进行。电路310和312起到可数字地控制的电流源的作用。可数字的控制的电流源包括，例如，多电流源的并联装置，它们的接通或关断取决于在其各自的控制电极上的二进制信号。寄存器中的数字字因此被映射成接通和关断电流源的图案，因而，它控制了总计的输出电流IC2和ICOMP的幅度。
权利要求
1.带有分数N分频的频率综合器(300)的电子装置，综合器包括-VCO(102)，带有输出端，用于提供特定频率的输出信号，和输入端，用于接收用来控制VCO运行的控制信号；以及-被耦合到其输入端的补偿电路(302)，用于为了相位抖动而补偿输出信号，它包括电荷泵(310)，用于提供补偿电流到输入端，以及其时序从输出信号得出。
2.权利要求1的设备，其特征在于，包括模-累加器(202)，以及其中补偿电路包括-第一输入端，用于接收代表累加器的内容的内容信号(FRD)，用于控制由电荷泵提供的电流脉冲的幅度；以及-第二输入端，用于接收代表VCO的输出信号的时序信号(Tcomp)，用于使电荷泵能工作。
3.权利要求2的设备，其特征在于，其中补偿电路包括第三输入端，用于接收控制信号(FC)，用来取决于所选择的VCO的频率范围而调整分数补偿。
4.对于分数抖动而补偿分数N分频的频率综合器(300)的方法，其中综合器包括-VCO(102)，带有输出端，用于提供特定频率的输出信号，和输入端，用于接收用来控制VCO运行的控制信号；以及-电荷泵(310)，用于提供补偿电流到输入端；以及其中该方法包括-从输出信号得出用于电荷泵的时序信号。
5.包括按照权利要求1、2、或3之一的设备在内的通信终端。
全文摘要
分数N分频的频率综合器具有VCO,其输出端用于提供特定频率的输出信号,以及其输入端用于接收用来控制VCO运行的控制信号,这样它锁定到一个参考频率上。补偿电路被耦合到输入端,用来为了相位抖动而补偿输出信号。补偿电路具有电荷泵,它提供补偿电流到输入端。时序是从输出信号得出的,这样使得补偿电流与VCO的频率范围无关以及与参考频率无关。
文档编号H03L7/08GK1253673SQ98804427
公开日2000年5月17日 申请日期1998年12月7日 优先权日1997年12月22日
发明者D·莱恩巴格, R·格斯克 申请人:皇家菲利浦电子有限公司