一种基于频率电压转换的注入锁定锁频环路及方法

本发明属于集成电路和锁相环设计，具体涉及一种基于频率电压转换的注入锁定锁频环路及方法。

背景技术：

1、随着现代通信系统的不断发展，通信速率不断提升，对时钟信号的抖动性能要求也越来越高。精准的时钟信号是通信系统正常工作的必要条件，频率综合器是用于产生精准时钟信号的设备，是通信系统的重要组成部分。锁相环系统因其功耗较低、输出频率范围较大的特点，被认为是频率综合器最好的实现方案。

2、在锁相环系统中，输出信号的相位噪声主要来源于压控振荡器，减小压控振荡器相位噪声对输出噪声的贡献只能通过增大环路带宽来实现。尤其是在集成电路追求小型化的今天，基于环形振荡器的锁相环成为了设计的主流，而环形振荡器的相位噪声性能远低于传统的lc振荡器，抑制压控振荡器相位噪声贡献成为了重点研究方向。注入锁定是指利用参考信号周期性注入到振荡器中，对振荡器的输出信号进行周期性的修正，进而提高振荡器的相位噪声性能。利用注入锁定的方法可以大幅提高锁相环的带宽，理论上使用注入锁定的结构可以将锁相环的环路带宽做到参考信号的1/2。但注入锁定的方法也存在一些缺陷，其中最大的问题就是其不具有频率校正的能力。由于注入锁定的方法使用的是相位校正机制，所以不能对频率进行实时校正。这使得在使用注入锁定锁相环时，必须保证输出信号的频率与n倍的参考信号频率之间的误差很小，否则就会大幅降低锁相环的抖动性能，让输出信号的参考杂散大幅提高，而过大的频率误差甚至可能让注入锁定锁相环失锁，导致输出其他频率信号。从误差来源上看，注入锁定方法缺少有效的频率校正功能，导致锁相环的频率捕获范围很小，进而限制了注入锁定锁相环的使用。

技术实现思路

1、本发明的技术目的是针对上述现有技术的不足，提供一种功耗低的基于频率电压转换的注入锁定锁频环路及方法，利用所述锁频环路和锁频方法可对压控振荡器输出信号进行频率粗调，以解决现有技术存在的问题，改善现有技术。

2、为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：

3、一种基于频率电压转换的注入锁定锁频环路，其特征在于，包括分频器、频率电压转换器、动态比较器、d触发器、异或门和电荷泵；

4、所述分频器的信号输入端与压控振荡器的信号输出端连接，用于对压控振荡器的输出信号进行分频操作；

5、所述频率电压转换器，包括第一频率电压转换器和第二频率电压转换器，所述第一频率电压转换器的信号输入端与分频器的信号输出端连接，第二频率电压转换器的信号输入端用于接收参考信号，所述第一频率电压转换器和第二频率电压转换器用于将其输入信号的频率信息转换为电压信息；

6、所述动态比较器的第一信号输入端与第一频率电压转换器的信号输出端连接，动态比较器的第二信号输入端与第二频率电压转换器的信号输出端连接，所述动态比较器用于对其两路接收端信号的电压信息进行比较，并将对比较结果通过第一信号输出端和第二信号输出端输出；

7、所述d触发器，包括第一d触发器和第二d触发器，所述第一d触发器的信号输入端与动态比较器的第一信号输出端连接，第二d触发器的信号输入端与动态比较器的第二信号输出端连接，所述第一d触发器和第二d触发器用于对动态比较器输出的两路控制信号进行锁存，以配合其时钟信号clk2的脉冲宽度调节控制电压检测死区的范围；

8、所述异或门的两个信号输入端分别与所述第一d触发器和第二d触发器的信号输出端连接，用于比较两d触发器的锁存结果，根据所述锁存结果控制电荷泵的选通开关；

9、所述电荷泵的信号输出端与所述压控振荡器的控制信号输入端连接，将其接收的控制信号转换成压控振荡器的控制电压，输出到压控振荡器的控制端。

10、在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

11、进一步的，所述电荷泵的信号输出端与一接地的滤波电容连接，所述滤波电容是用于调整环路的动态特性，确保环路的稳定性。

12、进一步的，所述第一频率电压转换器和第二频率电压转换器采用电容充放电模型结构。

13、进一步的，所述动态比较器为带锁存功能的比较器，在时钟信号为低电平时进行比较，在时钟信号为高电平时锁存输出，通过交叉耦合结构对比较结果进行锁存并放大到轨到轨输出。

14、进一步的，本发明锁频环路包括设有两条延时链的时钟产生电路，参考信号为所述时钟产生电路的输入信号，两条延时链分别用于输出动态比较器的时钟信号与d触发器的时钟信号 ，两延时链对应的延时时间不同，控制d触发器的时钟信号的脉冲宽度小于动态比较器时钟信号的脉冲宽度。

15、一种基于频率电压转换的注入锁定锁频方法，用于对压控振荡器的输出信号进行频率粗调，其特征在于，包括以下步骤：

16、步骤s1,通过分频器对对压控振荡器的输出信号进行分频操作；

17、步骤s2,通过第一频率电压转换器将分频器输出的分频信号转换为对应的第一电压信号，通过第二频率电压转换器将参考信号转换为对应的第二电压信号，并将所述第一电压信号送入动态比较器的第一信号输入端，将所述第二电压信号送入动态比较器的第二信号输入端；

18、步骤s3,通过动态比较器对其接收的两路电压信号进行比较，将动态比较器其中一个信号输出端的信号送入第一d触发器，将另外一个信号输出端的信号送入第二d触发器；

19、步骤s4, 通过第一d触发器和第二d触发器对动态比较器的两路输出信号进行锁存，同时调节所述动态比较器的时钟信号或两d触发器的时钟信号的脉冲宽度，控制电压检测死区达到粗调的预期范围；

20、步骤s5,将所述第一d触发器和第二d触发器的输出信号送入异或门，通过异或门比较两d触发器的锁存结果，根据所述锁存结果控制电荷泵的选通开关，以通过电荷泵将对应所述锁存结果的控制信号转换成压控振荡器的控制电压，并输出到压控振荡器的控制端，调节压控振荡器的输出信号。

21、进一步的，所述电荷泵的输出端与所述压控振荡器的控制端连接，一接地的滤波电容连接在所述电荷泵的输出端，根据预设的压控振荡器的控制电压范围确定电荷泵充放电的电流大小和所述滤波电容的容值，其计算方法为：

22、；

23、上式中，为压控振荡器的控制电压，为电荷泵充放电电流的大小，为电荷泵的导通时间，为滤波电容的容值。

24、本发明具有以下有益效果：

25、（1）注入锁定锁相环需要在压控振荡器输出信号频率接近参考信号频率n倍频时才能发挥其优秀的相位噪声性能，传统的方法是通过手动调节压控振荡器的振荡频率，使其满足注入锁定的频率要求，效率较低，本发明设计的基于频率电压转换的注入锁定锁频环路，利用动态比较器和d触发器等组件的逻辑功能组合，可实现对压控振荡器控制电压的快速调节，将与输入电压有对应关系的压控振荡器输出信号频率快速锁定到要求的频率范围内；

26、（2）传统的锁频环路在检测信号频率时多使用计数的数字逻辑方法，不仅速度较慢，功耗大而且结构复杂，本发明设计通过频率电压转换器实现测频功能，不仅转换速度快，功耗较低而且结构简单；

27、（3）传统的静态电压比较器，精度虽然很高，但是功耗很大，本发明采用动态比较器，不仅降低了功耗，还有助于设计检测死区；

28、（4）传统的锁频环路检测死区大都采用数字逻辑控制，电路结构复杂而且功耗大，本发明采用动态比较器和d触发器协同控制的方法，控制逻辑相对简单，只要合理设计相应的时钟电路就可以实现很好的控制效果。