一种基于锁相环的带宽校准方法及电路与流程

1.本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种基于锁相环的带宽校准方法及电路。


背景技术：

2.如图1所示，一般锁相环(phase locked loop，pll)结构主要由鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器、
÷
n分频器组成。如图2所示，其中滤波器包括电容c0、电容c1以及电阻r1。在一般的锁相环结构，锁相环带宽主要取决于电荷泵的电流i
cp
，压控振荡器的放大系数k
vco
，滤波器中的电容值和电阻值，通过计算，将上述各值分别设计在所需的目标带宽值附近，并通过控制比特调节电荷泵，使锁相环的带宽接近目标带宽值，这种频率校准方法过于依赖上述各值，并且随着工艺和批次的变化，电荷泵的电流i
cp
，压控振荡器的放大系数k
vco
，滤波器中的电容值和电阻值等参数变化较大，一致性较差。
3.在两点式锁相环系统中，如图3所示，主要包括鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器、
÷
n分频器、数模转换器和数字调制模块。频率校准过程中，如图4所示，将锁相环开环，即电荷泵和滤波器之间断开，为滤波器提供一个固定电压，通过计算确定带内带宽，通过数模转换器(digital to analog converter，dac)的输出范围控制带外带宽靠。两点式锁相环的校准精度依赖于数模转换器dac的精度，而且由于校准结果对于滤波器的固定电压较敏感，校准过程中容易受到外部的干扰，从而影响校准结果，导致校准误差较大，因此针对以上问题，迫切需要设计出一种基于锁相环的带宽校准方法及电路，以满足实际使用的需要。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种基于锁相环的带宽校准方法及电路。
5.本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
6.一种基于锁相环的带宽校准方法，所述锁相环包括依次连接的鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器和第一分频器，以及连接于所述压控振荡器的输出端和所述鉴频鉴相器的输入端之间的第二分频器；
7.所述带宽校准方法包括如下步骤：
8.步骤s1，所述锁相环处于闭环状态，等待所述锁相环锁定，得到所述压控振荡器输出的第一频率以及所述压控振荡器的压控输入电压；
9.步骤s2，所述锁相环处于第一模式，控制所述电荷泵输出一第一电流，以使所述压控振荡器的输入电压为一预设的第一输入电压，并根据一预设时间内的所述压控振荡器输出的第二频率、所述第一分频器的分频值，得到一第一周期；
10.步骤s3，所述锁相环处于第二模式，控制所述电荷泵输出一第二电流，以使所述压控振荡器的输入电压为一预设的第二输入电压，并根据所述预设时间内的所述压控振荡器输出的第三频率、所述第一分频器的分频值，得到一第二周期；
11.步骤s4，根据所述第一周期和所述第二周期，得到一频率差值，随后根据所述第一周期、所述第二周期以及目标增益带宽，得到一控制比特值；
12.步骤s5，根据所述步骤s4得到的所述控制比特值对所述电荷泵进行配置，以使所述锁相环的增益带宽校准为所述目标增益带宽。
13.优选地，所述步骤s2和所述步骤s3中，所述鉴频鉴相器和所述第二分频器均为关闭状态。
14.优选地，所述步骤s4中，根据所述第一周期、所述第二周期以及目标增益带宽，得到所述控制比特值，具体计算公式如下：
[0015][0016]
其中，
[0017]
i
cp
表示所述电荷泵的输出电流；
[0018]
i0表示所述电荷泵的单位电流；
[0019]
f1表示所述目标增益带宽；
[0020]
n1表示所述第一周期；
[0021]
n2表示所述第二周期；
[0022]
t0表示所述预设时间；
[0023]
m表示所述第一分频器的分频值；
[0024]
n表示所述第二分频器的分频值；
[0025]
ncontrol表示所述控制比特值。
[0026]
优选地，所述步骤s2和所述步骤s3中，所述第一电流和所述第二电流的大小相同，电流方向不同。
[0027]
本发明还提供一种基于锁相环的带宽校准电路，包括如上述的基于锁相环的带宽校准方法，包括：
[0028]
一锁相环，所述锁相环包括依次连接的鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器和第一分频器，以及连接于所述压控振荡器的输出端和所述鉴频鉴相器的输入端之间的第二分频器；
[0029]
一计数器，连接所述第一分频器的输出端，用于对所述第一分频器分频处理后输出的时钟信号的周期进行计数；
[0030]
一逻辑运算器，连接所述计数器的输出端，用于根据所述锁相环处于第一模式下或第二模式下时，所述计数器的输出周期数，得到一控制比特值；
[0031]
一控制单元，分别连接所述逻辑运算器的输出端和所述电荷泵的输入端，用于控制所述锁相环中各器件的工作状态，用于控制所述电荷泵的输出电流，以使所述滤波器的输出电压为目标电压，以及根据所述控制比特值配置所述电荷泵，以使所述锁相环的增益带宽校准为目标增益带宽。
[0032]
优选地，所述滤波器包括：
[0033]
一第一电阻，所述第一电阻连接于所述滤波器的输出端和一第一节点之间；
[0034]
一第二电阻，所述第二电阻连接于所述第一节点和一第二节点之间；
[0035]
一第一电容，所述第一电容的一端连接所述第二节点，所述第一电容的另一端通
过一第二电容连接所述滤波器的输出端。
[0036]
优选地，所述滤波器还包括：
[0037]
一第一开关，连接于所述第一电阻和所述第一节点之间；
[0038]
一第二开关，连接于所述第二电阻和所述第二节点之间；
[0039]
一放大器，所述放大器的正相输入端连接所述第二节点，所述放大器的输出端连接所述第一节点和所述放大器的反相输入端。
[0040]
优选地，所述电荷泵连接于供电端和接地端之间，所述电荷泵具体包括：
[0041]
一第一电荷泵模块，连接于所述供电端和一第三节点之间，所述第一电荷泵模块的输入端连接所述控制单元；
[0042]
一第二电荷泵模块，连接于所述第三节点和所述接地端之间，所述第二电荷泵模块的输入端连接所述控制单元。
[0043]
优选地，所述电荷泵还包括：
[0044]
一第三开关，连接于所述第一电荷泵模块和所述第三节点之间；
[0045]
一第四开关，连接于所述第三节点和所述第二电荷泵模块之间。
[0046]
本发明技术方案的有益效果在于：
[0047]
本发明所提供的校准方法中只需要控制电荷泵的电流大小，即可将电荷泵输出电流、压控振荡器的放大系数，滤波器中的电容值和电阻值作为一个整体进行校准，进而使得锁相环的带宽控制在目标增益带宽上，保证了频率校准的准确性。
附图说明
[0048]
图1是现有技术中，一般锁相环的结构框图；
[0049]
图2是现有技术中，一般锁相环中的滤波器的电路示意图；
[0050]
图3是现有技术中，两点式锁相环的结构框图；
[0051]
图4是现有技术中，两点式锁相环校准时的结构框图；
[0052]
图5是本发明中一种基于锁相环的带宽校准方法的流程示意图；
[0053]
图6是本发明中锁相环具体实施例的结构框图；
[0054]
图7是本发明中一种基于锁相环的带宽校准电路具体实施例的电路示意图。
[0055]
附图标记：
[0056]
1、鉴频鉴相器；2、电荷泵；21、充电控制支路；211、第一电荷泵模块；22、放电控制支路；221、第二电荷泵模块；3、滤波器；31、第一控制支路；32、第二控制支路；4、压控振荡器；5、第二分频器；6、第一分频器；7、计数器；8、逻辑运算器；9、控制单元。
具体实施方式
[0057]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0059]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0060]
本发明提供一种基于锁相环的带宽校准方法，可应用于蓝牙、wifi等系统的锁相环内，属于集成电路领域，如图6所示，本实施例中锁相环的组成结构主要包括鉴频鉴相器1、电荷泵2、滤波器3、压控振荡器4、第一分频器6和第二分频器5，鉴频鉴相器1的第一输入端用于接收一参考频率，电荷泵2的输入端连接鉴频鉴相器1的输出端，滤波器3的输入端连接电荷泵2的输出端，压控振荡器4的输入端连接滤波器3的输出端；第一分频器6连接压控振荡器4的输出端，用于对压控振荡器4输出的频率进行分频处理，第二分频器5连接于压控振荡器4的输出端和鉴频鉴相器1的第二输入端之间，用于对压控振荡器4输出的频率进行分频处理后反馈给连接鉴频鉴相器1。
[0061]
其中，上述电荷泵2包括：
[0062]
一充电控制支路21，连接于一供电端和一交汇节点之间；
[0063]
一放电控制支路22，连接于交汇节点和接地端；
[0064]
滤波器3包括：
[0065]
一第一控制支路31，第一控制支路31的一端连接交汇节点和滤波器3的输出端，第一控制支路31的另一端连接于一第一节点；
[0066]
一第二控制支路32，第二控制支路32连接第一节点和一第二节点之间；
[0067]
一储能支路，连接于第二节点和滤波器3的输出端，且储能支路通过一缓冲支路连接第一节点。
[0068]
如图5
‑
6所示，带宽校准方法具体包括如下步骤：
[0069]
步骤s1，锁相环处于闭环状态，等待锁相环锁定，得到压控振荡器4输出的第一频率以及压控振荡器4的压控输入电压；
[0070]
在步骤s1中，控制锁相环处于闭环状态，此时锁相环中的鉴频鉴相器1、电荷泵2、滤波器3、压控振荡器4和第二分频器5均为工作状态，充电控制支路21、放电控制支路22、第一控制支路31和第二控制支路32均闭合，但滤波器3中的缓冲支路断开，等待锁相环锁定输出稳定频率，即压控振荡器4的输出频率作为第一频率f
vco
，以及滤波器3的输出电压作为压控振荡器4的压控输入电压v0。
[0071]
优选的，在本实施例中，控制锁相环处于闭环状态时，即相当于现有技术中一般锁相环处于工作状态时的工作原理对应，如图1所示，一般锁相环的环路函数转化到s域为：
[0072][0073]
其中，
[0074]
i
cp
表示电荷泵2的输出电流；
[0075]
n表示第二分频器5的分频值；
[0076]
k
vco
表示压控振荡器4的放大系数，即为压控振荡器4的输出频率与输入电压的比例，单位为hz/v；
[0077]
s表示s域的频域因子；
[0078]
h(lp)表示滤波器函数。
[0079]
作为优选的实施方式，现有技术中的一般锁相环的滤波器包括电容c0、电容c1以及电阻r1，其中，电容c1的容值远远大于电容c0的容值，
[0080]
经计算，得到环路函数的单位增益带宽可近似为：
[0081][0082]
其中，
[0083]
i
cp
表示电荷泵2的输出电流；
[0084]
n表示第二分频器5的分频值；
[0085]
k
vco
表示压控振荡器4的放大系数，即为压控振荡器4的输出频率与输入电压的比例，单位为hz/v；
[0086]
f
loop
表示现有技术中一般锁相环的环路函数的单位增益带宽。
[0087]
步骤s2，锁相环处于第一模式，控制电荷泵2输出一第一电流，以使压控振荡器4的输入电压为一预设的第一输入电压，并根据一预设时间内的压控振荡器4输出的第二频率、第一分频器6的分频值，得到一第一周期；
[0088]
在步骤s2中，第一模式下，锁相环的鉴频鉴相器1、第二分频器5均为断开状态，控制放电控制支路22和第二控制支路32断开，充电控制支路21、第一控制支路31和缓冲支路闭合，在此状态下，控制电荷泵2的输出电流为第一电流，使得压控振荡器4的输入电压为一预设的第一输入电压，其中预设的第一输入电压为压控输入电压v0+第一控制支路31两端的电压，第一控制支路31两端的电压取决于电荷泵2的输出电流和第一控制支路31的电阻；以及获取此时压控振荡器4输出的第二频率、第一分频器6的分频值为m，第二频率为锁相环在第一模式下压控振荡器4的输出频率，即第二频率等于为第一频率f
vco
+频率差值
△
f，通过计算得到在预设时间t0内的第一周期n1，具体计算公式如下：
[0089][0090]
步骤s3，锁相环处于第二模式，控制电荷泵2输出一第二电流，以使压控振荡器4的输入电压为一预设的第二输入电压，并根据预设时间内的压控振荡器4输出的第三频率、第一分频器6的分频值，得到一第二周期；
[0091]
在步骤s3中，第二模式下，锁相环的鉴频鉴相器1、第二分频器5均为断开状态，控制充电控制支路21和第二控制支路32断开，放电控制支路22、第一控制支路31和缓冲支路闭合，在此状态下，控制电荷泵2的输出电流为第二电流，使得压控振荡器4的输入电压为一预设的第二输入电压，其中预设的第二输入电压为压控输入电压v0减去第一控制支路31两端的电压，第一控制支路31两端的电压等于电荷泵2的输出电流乘以第一控制支路31的电阻；以及获取此时压控振荡器4输出的第三频率、第一分频器6的分频值为m，第三频率为锁相环在第二模式下压控振荡器4的输出频率，即第三频率等于为第一频率f
vco
－频率差值
△
f，计算得到在预设时间t0内的第二周期n2，具体计算公式如下：
[0092][0093]
需注意的是，在本发明中，对锁相环进行校准时需断开鉴频鉴相器1和第二分频器
5，即在步骤s2和步骤s3中，鉴频鉴相器1和第二分频器5均断开，不工作。
[0094]
步骤s4，根据第一周期和第二周期，得到一频率差值，随后根据第一周期、第二周期以及目标增益带宽，得到一控制比特值；
[0095]
在步骤s4中，首先，根据步骤s2中的压控振荡器4输出的第二频率fvco+
△
f，以及步骤s3中的压控振荡器4输出的第三频率fvco
‑△
f，根据上述公式(3)和公式(4)计算得到频率差值
△
f，频率差值为：
[0096][0097]
假设，我们需要要将锁相环的单位增益带宽设置在目标增益带宽f1处，根据上述公式(2)和公式(5)，计算得到控制比特值，具体计算公式如下：
[0098][0099]
其中，
[0100]
i
cp
表示电荷泵2的输出电流；
[0101]
i0表示电荷泵2的单位电流；
[0102]
f1表示目标增益带宽；
[0103]
r1表示现有技术中一般锁相环滤波器3中的电阻值，其中r
11
＝r1/10，r
12
＝9r1/10；
[0104]
n1表示第一周期；
[0105]
n2表示第二周期；
[0106]
t0表示预设时间；
[0107]
m表示第一分频器6的分频值；
[0108]
n表示第二分频器5的分频值；
[0109]
ncontrol表示控制比特值。
[0110]
步骤s5，根据步骤s4得到的控制比特值对电荷泵2进行配置，以使锁相环的增益带宽校准为目标增益带宽。
[0111]
作为优选的实施方式，步骤s5中，将设置的目标增益带宽f1，以及对应的控制比特值存储在数字寄存器中，通过数字寄存器对电荷泵2进行配置。
[0112]
作为优选的实施方式，对电荷泵2进行配置，具体为控制电荷泵2的电流大小，其基本单位即最小单位为i0，通过以最小单位i0的倍数配置电荷泵2的输出电流。
[0113]
于上述较佳的实施例中，电荷泵2中充电控制支路21和放电控制支路22的具体组成如下：
[0114]
充电控制支路21包括：
[0115]
第一电荷泵模块211，连接于供电端和一交汇节点之间，第一电荷泵模块211的控制端连接控制单元9；
[0116]
第三开关s3，连接于第一电荷泵模块211和交汇节点之间。
[0117]
放电控制支路22包括：
[0118]
第二电荷泵模块221，连接于交汇节点和接地端之间，
[0119]
第四开关s4，连接于第三节点和第二电荷泵模块221之间，第二电荷泵模块221的控制端连接控制单元9；
[0120]
于上述较佳的实施例中，滤波器3中第一控制支路31、第二控制支路32、储能支路和缓冲支路的具体组成如下：
[0121]
第一控制支路31包括：
[0122]
第一电阻r
11
，第一电阻r
11
的一端连接交汇节点和滤波器3的输出端，第一电阻r
11
的另一端连接于一第一节点；
[0123]
第一开关s1，连接于第一电阻r
11
和第一节点之间；
[0124]
第二控制支路32包括：
[0125]
第二电阻r
12
，第二电阻r
12
连接于第一节点和一第二节点之间；
[0126]
第二开关s2，连接于第二电阻r
12
和第二节点之间；
[0127]
储能支路包括第一电容c1，第一电容c1的一端连接第二节点，第一电容c1的另一端通过一第二电容c0连接滤波器3的输出端
[0128]
缓冲支路包括放大器opa，放大器opa的正相输入端连接第二节点，放大器opa的输出端连接第一节点和放大器opa的反相输入端，即该放大器opa相当于一个缓冲器，用于将输入端的电压传输至输出端。
[0129]
具体的，在本实施例中，通过第一电阻r
11
和第二电阻r
12
替换现有技术中一般锁相环的滤波器3中的电阻r1，其中r
11
＝r
12
/9＝r1/10。
[0130]
进一步的，由于电容两端的电压不能突变，即第二电容两端的电压在一定时间内维持稳态，通过放大器将放大后的电压送至第一节点处，上述步骤s2和步骤s3中控制电荷泵2的电流，使得流经第一电阻r
11
的电流不同，第一电阻r
11
两端的压降不同，进而改变滤波器3的输出电压。
[0131]
于上述较佳的实施例中，步骤s2和步骤s3中，第一电流和第二电流的大小相同，但电流方向不同，即流经第一电阻r
11
的电流大小相同，方向相反。
[0132]
本发明还提供一种基于锁相环的带宽校准电路，包括如上述的基于锁相环的带宽校准方法，如图7所示，包括：
[0133]
一锁相环，锁相环包括依次连接的鉴频鉴相器1、电荷泵2、滤波器3、压控振荡器4和第一分频器6，以及连接于压控振荡器4的输出端和鉴频鉴相器1的输入端之间的第二分频器5；
[0134]
一计数器7，连接第一分频器6的输出端，用于对第一分频器6分频处理后输出的时钟信号的周期进行计数；
[0135]
一逻辑运算器8，连接计数器7的输出端，用于根据锁相环处于第一模式下或第二模式下时，计数器的输出周期数，得到一控制比特值；
[0136]
一控制单元9，分别连接逻辑运算器8的输出端和电荷泵2的控制端，用于控制锁相环中各器件的工作状态，用于控制电荷泵2的输出电流，以使滤波器3的输出电压为目标电压，以及根据控制比特值配置电荷泵2，以使锁相环的增益带宽校准为目标增益带宽。
[0137]
作为优选的实施方式，如图7所示，滤波器3包括：
[0138]
一第一电阻r
11
，第一电阻r
11
连接于滤波器3的输出端和一第一节点之间；
[0139]
一第二电阻r
12
，第二电阻r
12
连接于第一节点和一第二节点之间；
[0140]
一第一电容c1，第一电容c1的一端连接第二节点，第一电容c1的另一端通过一第二电容c0连接滤波器3的输出端。
[0141]
作为优选的实施方式，如图7所示，滤波器3还包括：
[0142]
一第一开关s1，连接于第一电阻r
11
和第一节点之间；
[0143]
一第二开关s2，连接于第二电阻r
12
和第二节点之间；
[0144]
一放大器opa，放大器opa的正相输入端连接第二节点，放大器opa的输出端连接第一节点和放大器opa的反相输入端。
[0145]
作为优选的实施方式，如图7所示，电荷泵2连接于供电端和接地端之间，电荷泵2具体包括：
[0146]
一第一电荷泵模块21，连接于供电端和一第三节点之间，第一电荷泵模块21的控制端连接控制单元9；
[0147]
一第二电荷泵模块22，连接于第三节点和接地端之间，第二电荷泵模块22的控制端连接控制单元9。
[0148]
作为优选的实施方式，如图7所示，电荷泵2还包括：
[0149]
一第三开关s3，连接于第一电荷泵模块21和第三节点之间；
[0150]
一第四开关s4，连接于第三节点和第二电荷泵模块22之间。
[0151]
下文中，提供一具体实施例以对本技术方案进行阐释和说明：
[0152]
首先，锁相环闭环，滤波器3中的第一开关s1、第二开关s2闭合，电荷泵2中的第三开关s3、第四开关s4闭合，但滤波器3中的放大器opa断开，等待锁相环锁定并输出稳定频率，即第一频率，此时压控振荡器4的输入电压为v0。
[0153]
其次，断开
÷
n分频器(即第二分频器5)和鉴频鉴相器，打开
÷
m分频器(即第一分频器6)；控制滤波器3中的第一开关s1闭合，第二开关s2断开，放大器opa工作；电荷泵2中的第三开关s3闭合、第四开关s4断开，通过控制单元输出控制电荷泵2，使电荷泵2输出单位电流i0，此时流经第一电阻r11的电流为电荷泵2的输出电流，且电流流向自交汇节点朝向第一节点的方向，使得压控振荡器4的输入电压为v0+i0*r1/20，在预设时间t0内通过数字计数器计算压控振荡器4输出频率(即第二频率f
vco
+
△
f)经
÷
m分频器分频后的时钟信号的第一周期n1。
[0154]
进而，控制电荷泵2中的第三开关s3断开、第四开关s4闭合，其余器件的状态不变，即此时
÷
n分频器(即第二分频器5)和鉴频鉴相器同样为断开状态，滤波器3中的第二开关s2断开，放大器opa工作；通过控制单元控制电荷泵2，使电荷泵2输出单位电流i0，此时流经第一电阻r
11
的电流大小与上述电流大小相同，但电流流向与上述相反，此时压控振荡器4的输入电压为v0‑
i0*r1/20，在预设时间t0内通过数字计数器计算压控振荡器4输出频率(即第三频率f
vco
‑△
f)经
÷
m分频器分频后的时钟信号的第二周期n2。
[0155]
最后，将上述得到的第一周期n1和第二周期n2进行比较，能够得到频率差值
△
f，进而假设需要使锁相环的增益带宽为f1，根据现有技术中一般锁相环的环路函数的单位增益带宽，以及电荷泵2的输出电流、电荷泵2的单位电流计算得到需要控制的电荷泵2的控制比特值，将计算得到的控制比特值配置给电荷泵2，再打开鉴频鉴相器和第二分频器5，断开放大器opa，使锁相环重新锁定，此时锁相环的单位增益单宽即为需要控制的假设的增益带
宽f1。
[0156]
本发明技术方案的有益效果在于：
[0157]
本发明所提供的校准方法中只需要控制电荷泵的电流大小，即可将电荷泵输出电流、压控振荡器的放大系数，滤波器中的电容值和电阻值作为一个整体进行校准，进而使得锁相环的带宽控制在目标增益带宽上，保证了频率校准的准确性。
[0158]
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。