專利名稱：鎖相環裝置中的濾波器及鎖相環裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及濾波電路，特別涉及一種鎖相環(Phase-Locked Loop )裝置
中的濾波器及鎖相環裝置。
背景技術：
集成電路(IC， Integrated Circuit)設計中，電子器件的大小是非常重 要的考慮因素。電子器件的微型化及集成化是電子器件發展的趨勢，而且， 隨著系統芯片(SOC， System-On-Chip)技術的發展，電子器件應用的頻率 越來越高，要求的帶寬也越來越寬，因此，對電子元器件的性能提出了更高 的要求，如降低寄生電感、寄生電容、提高自諧振頻率、各電子元器件之間
的微型化也受到越來越多的關注。
鎖相環技術應用極為廣泛，例如，應用于空間的鎖相環4支術，可以實現 對目標的跟蹤、遙測和遙控；應用于數字通信領域的鎖相環技術，可以為相 干解調提'取參考載波、建立位同步及進行頻率合成等。
鎖相環技術是使壓控振蕩器(VCO, Voltage Controlled Oscillator)產生 的輸出信號與一個輸入參考信號在相位和頻率上實現同步的技術。在同步狀 態時，即通常所說的鎖定時，VCO的輸出信號和輸入參考信號之間的相位 差為0或某一個固定的常數。如果兩者之間的相位發生變化，鎖相環中存在 一個反饋控制機制，通過反饋調節VCO的輸出信號，使得輸出信號和輸入 參考信號之間的相位差減小，并最終達到鎖定狀態，也就是將VCO的輸出
信號鎖定到輸入參考信號的相位上。
圖1為現有鎖相環裝置的結構示意圖。參見圖1 ，該裝置包括鑒相器(PD，Phase Detector)、濾波器及VCO，其中，
PD,用于比較輸入參考信號t/,力)和VCO輸出的反饋信號"一(,)的相
位，輸出對應于兩個信號相位差的輸出信號^(/);
濾波器，用于對C^W進行濾波，濾除^W中的高頻成分和噪聲，以保 證環路所要求的性能，增加系統的穩定性，輸出控制電壓信號t^^;
VCO，用于根據環路濾波器輸出的C/,W,使其輸出信號f/。JO的頻率向 W的頻率逼近，直至與K W的頻率相等而進入鎖定狀態。
上述中，tu,)與tv(,)為同一信號。
實際應用中，鎖相環還可以包括電荷泵(CP， Charge Pump ),用于接 收W(f)，對濾波器進行充、放電控制(濾波控制)，環路濾波器根據CP輸
出的控制信號進行充放電并輸出相應的t/,W，控制t/。"(W,輸出f/。J0和 t/~W，并將t/,wW輸出至PD形成反饋，最終達到相位鎖定。鎖定狀態時，
f4W和"。w(0同頻同相。
"一 (0也可以經過分頻器進行分頻后輸出至PD,可以調節t/。 ( W的角頻率。
濾波器也可以是環路低通濾波器(LPF, Lowpass Filter)。
圖2為現有鎖相環裝置中濾波器的結構示意圖。參見圖2，包括期望值 為C,的第一電容、期望值為Cp的第二電容、及期望值為/ 的電阻。
其中，本文所述的期望值是指基于如圖2所示的電路結構，產生該電 路所在應用環境所需濾波效果的電容值或電阻值。
第一電容與電阻串連后，與第二電容并聯。
電阻與第二電容相連的一端為環路電流的輸入端、第一電容與第二電容 相連的一端為環路電流的輸出端，環路電流由CP提供，其電流取值為~。 t/,(《)通過第 一 濾波電容兩端輸出。
其中，第一電容的主要作用是，結合電阻形成一個低通濾波器，同時提供一個使整個鎖相環系統穩定性所需的頻域零點；第二電容的主要作用是， 過濾掉相對較高的頻率的噪聲成分；通常情況下，第一電容的期望值C,為第 二電容期望值c^的幾十倍。
環路電流的電流取值為/p，則由圖2，可以得出
"~i 1 r (2-1)
其中，f/,W為在s域中的電壓值。
由于第一電容的期望值c;為第二電容期望值Cp的幾十倍，因此，式(2-1) 中的第二電容的期望值Cp可忽略不計，從而得到
+ (2-2)
其中，i7, W為C/,(/)在s域中的電壓值。
現有濾波器設計中，第一電容的期望值q比較大，相應地，其尺寸也比 較大，需要占用一定的空間，不利于濾波器的微型化。但如果要減小第一電 容的尺寸，其電容值也會相應的減小，由式(2-2)中也可以看出，第一電 容的電容值小于期望值C"必然導致t;,.W的變化，從而影響VCO輸出信號
"加恭
因此，如果降低了第一電容的電容值，則為了保持J7,(,)不變，需要調節
環路電流的大小!'p變化相應的數值。但調整環路電流會對鎖相環裝置中的其
他器件造成影響，因而在實際應用中難以實現合理的調節。
可見，在現有技術中，由于對環路電流進行調節難以保證鎖相環裝置的 正常工作，因而難以在保證輸出電壓不變的前提下，減小第二濾波電容的尺 寸以實現濾波器的微型化。
發明內容
本發明實施例提供一種鎖相環裝置中的濾波器，能夠在保證輸出電壓不 變的前提下，減小第二濾波電容的尺寸以實現濾波器的微型化，且不需要對 環路電流進行調節。
本發明實施例還提供一種鎖相環裝置，能夠在保證輸出電壓不變的前提 下，減小第二濾波電容的尺寸以實現濾波器的微型化，且不需要對環路電流 進行調節。
為達到上述目的，本發明實施例的技術方案具體是這樣實現的 一種鎖相環裝置中的濾波器，該濾波器包含第一電容、第二電容及電
阻，所述第一電容與所述電阻串聯后與所述第二電容并聯；
所述第一電容由第三電容、第四電容及第五電容環形串接而成；其中，
所述第三電容、所述第四電容和所述第五電容的電容值均遠遠小于所述第一
電容的期望值G;
所述第五電容與所述電阻串聯后與所述第二電容并聯；
所述電阻與所述第二電容相連的 一端為環路電流的輸入端、所述電阻與
所述第五電容相連的 一端為所述環路電流的輸出端；
一附加電流從所述第三電容與所述第四電容相連的一端輸入、從所述第
五電容與所述第三電容的相連的一端輸出，該附加電流用于保證所述第五電
容兩端電壓趨近于電容值為期望值Cz的所述第一電容產生的電壓。 所述第三電容的電容值為"； 所述第四電容的電容值為"2 ; 所述第五電容的電容值為"；
其中，"為遠遠大于l的正整數；所述附加電流的大小與所述環路電流 相同。
8所述附加電流來自一電荷泵。
一種鎖相環裝置，該裝置包含鑒相器、濾波器及壓控振蕩器，其中， 所述濾波器包括第一電容、第二電容及電阻，所述第一電容與所述電阻串聯 后與所述第二電容并聯；
所述第一電容由第三電容、第四電容及第五電容環形串接而成；其中， 所述第三電容、所述第四電容和所述第五電容的電容值均遠遠小于所述第一 電容的期望值q;
所述第五電容與所述電阻串聯后與所述第二電容并聯； 所述電阻與所述第二電容相連的一端為環;f各電流的輸入端、所述電阻與 所述第五電容相連的 一 端為所述環路電流的輸出端；
一附加電流從所述第三電容與所述第四電容相連的一端輸入、從所述第 五電容與所述第三電容的相連的一端輸出，該附加電流用于保證所述第五電 容兩端電壓趨近于電容值為期望值q的所述第一電容產生的電壓。
所述第三電容的電容值為^; 所述第四電容的電容值為%; 所述第五電容的電容值為^;
其中，"為遠遠大于l的正整數；所述附加電流的大小與所述環路電流 相同。
該裝置中包括第一電荷泵，用于輸出所述環路電流。 所述第一電荷泵位于所述鑒相器中。 該裝置還包括第二電荷泵，用于輸出所述附加電流。 該裝置進一步包括分頻器，用于對所述壓控振蕩器輸出的信號進行分 頻，并將分頻后的信號輸出至所述鑒相器。
由上述技術方案可見，本發明利用一等效電容作為第一電容，由于構成等效電容的三個電容的電容值遠小于期望值c,,從而本發明中的等效電容相
比于原有濾波電路中取值為期望值G的第一電容，體積大大減小。而且，由
于等效電容的電容值小于期望值c"因此，本發明還在等效電容中增加了一
路附加電流，以使得等效電容兩端的電壓，趨近于原有濾波電路中取值為期
望值G的第一電容兩端電壓，從而無需調節環路電流的大小!；即可保證C/,(f)
不變，從而能夠在保證輸出電壓不變的前提下，減小第二濾波電容的尺寸以 實現濾波器的微型化，且不需要對環路電流進行調節。
圖1為現有鎖相環裝置的結構示意圖2為現有鎖相環裝置中濾波器的結構示意圖3為本發明實施例一種鎖相環裝置中的濾波器結構示意圖4為本發明實施例濾波器中等效電容的結構示意圖5為基于圖3的一個鎖相環裝置的較佳實施例的結構示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉 實施例，對本發明作進一步詳細^兌明。
本發明利用電容值遠小于期望值c;的三個電容構成一等效電容，并利用 該等效電容作為現有濾波電路中的第一電容。由于構成等效電容的3個電容 的電容值遠小于期望值c;,因而使得等效電容相比于原有濾波電路中取值為 期望值c;的第一電容，體積大大減小。
而且，由于等效電容的電容值小于期望值c;，因此，本發明還在等效電 容中增加了一路附加電流，以使得等效電容兩端的電壓，無限趨近于原有濾 波電路中取值為期望值c,的第一電容兩端電壓，從而無需調節環路電流的大 小z;即可保證t/,(,)不變，從而能夠在保證輸出電壓不變的前提下，減小第二
10濾波電容的尺寸以實現濾波器的微型化，且不需要對環路電流進行調節。
當然，所述趨近的最佳狀態為等效電容兩端的電壓與原有濾波電路中
取值為期望值C,的第一電容兩端電壓相同。
為了實現上述目的，本發明實施例提出了一種鎖相環裝置中的濾波器。 圖3為本發明實施例一種鎖相環裝置中的濾波器結構示意圖。參見圖3,
該濾波電路包括第一電容、第二電容、以及電阻，第一電容與電阻串聯后與
第二電容并聯。
其中，第二電容的電容值仍為c,電阻的阻值仍為i 、該濾波電路中的 環^各電流大小仍為^。
本發明中的第一電容由第三電容、第四電容及第五電容環形串接而成， 其等效電容值為C:。
其中，第三電容、第四電容和第五電容的電容值均遠遠小于第一電容的 期望值G。
第五電容與電阻串聯后與第二電容并聯。 第三電容與第四電容串聯后，與第五電容并聯。
電阻與第二電容相連的一端為環3各電流的輸入端、電阻與第五電容相連 的一端為環路電流的輸出端，環^各電流可以由CP提供，其電流取值仍為z;。
一附加電流從第三電容與第四電容相連的一端輸入、從第五電容與第三 電容的相連的一端輸出，該附加電流用于保證等效電容兩端，即第五電容兩 端電壓[/2'無限趨近于現有濾波電路中期望值為c,的第一電容兩端的電壓"z。
其中，假設第三電容的電容值為&、第四電容的電容值為%、第五電
容的電容值為&,較佳地，取《為大于10的整數，則附加電流的大小可以
為環^各電流的電流取值^ 。
第二電容兩端仍輸出f/,(0。上述濾波電路中，附加電流能夠保證等效電容兩端電壓R'與現有濾波 電路中期望值為C,的第一電容兩端的電壓^相同、且電阻兩端電壓也與現有 濾波電路中的電阻兩端電壓相同，因此，在環路電流的大小與現有電流取值 Zp相同的情況下，能夠保證第二電容兩端輸出的電壓t/,(f)不變。
下面，對附加電流為何能夠保證等效電容兩端電壓f7/與現有濾波電路
中期望值為c;的第一電容兩端的電壓t/,相同，從而保證第二電容兩端輸出的 電壓t/,(f)不變進^f于詳細推導說明。
圖4為本發明實施例濾波器中等效電容的結構示意圖。參見圖4，構成 等效電容的第三電容、第四電容、第五電容之間的串并關系，在圖4中可以 看作第四電容與第五電容串聯后與第三電容并聯。
假設第三電容的電容值為&、第四電容的電容值為%、第五電容的電
容值為&,可以得出
《
xC7=
-"
其中，w為第三電容兩端的電壓。
第四電容與第五電容的等效電容值Q為
45 w(" + l)
第三電容兩端的電壓"為
l.. 1 '
■ = z x-
c45) e+^t^) 將式(4-3)代入式(4-1)，可得:
〃 , 1 〃 1 ' "(" + l) .' w z + 1 3 + 1 p s(w + 2)Czp s(w + 2)Cz
w( +1) s(w + 2)Cz
(4-1)
(4-2)
(4-3)
(4-4)
如果式(4-4)中，《=z)、 ">〉1,則式(4-4)可以簡化為
12"z'"。x—— (4-5) p《
可見，式(4-5)得到的tv在滿足"》l的情況下，與現有濾波電路中的 t/z基本相同，最佳狀態下能夠與現有濾波電路中的R完全相同。
這樣，由于第二電容期望值C。極小，第二電容對^'的影響可忽略不計， 因此，可得到圖3中的t/,(,)為
+ (4-6)
禮z
其中，t/,(力為W在S域中的電壓值。
可見，式(4-6)得到的f/,(力在滿足"》l的情況下，與現有濾波電if各中 通過式(2-2)得到的C/,W幾乎相同，最佳狀態下能夠與現有濾波電路中通 過式(2-2)得到的C/,W完全相同。
實際應用中，只要保證構成等效電容的第三電容、第四電容、第五電容 的電容值較小、且附加電流能夠使得等效電容兩端電壓R'與現有濾波電路 中期望值為c;的第一電容兩端的電壓^相同，則第三電容、第四電容、第五 電容的電容值、以及附加電流的大小也可以設置為其他值。
圖5為基于圖3的一個鎖相環裝置的較佳實施例的結構示意圖。參見圖 5,該鎖相環裝置包括PD、濾波器、及VCO，其中，
PD,用于將f4^)和分頻器輸出信號f/^(0進行相位比較，向濾波器輸 出與信號相位差成比例的PD輸出信號C/JO。
濾波器包括第一電容、第二電容、以及電阻，第一電容與電阻串聯后與 第二電容并聯。
其中，第二電容的電容值仍為c"電阻的阻值仍為7 、該濾波電路中的
環5^電流大小仍為z;。
本發明中的第一電容由第三電容、第四電容及第五電容環形串接而成， 其等效電容值為C:。
13其中，第三電容、第四電容和第五電容的電容值均遠遠小于第一電容的 期望值q。
第五電容與電阻串聯后與第二電容并聯。 第三電容與第四電容串聯后，與第五電容并聯。
電阻與第二電容相連的一端為環路電流的輸入端、電阻與第五電容相連
的一端為環路電流的輸出端，環路電流可以由鎖相環裝置的CP提供，其電
流取值仍為Zp。
一附加電流從第三電容與第四電容相連的一端輸入、從第五電容與第三 電容的相連的一端輸出，該附加電流用于保證等效電容兩端，即第五電容兩
端電壓tz/無限趨近于現有濾波電路中期望值為c;的第一電容兩端的電壓
"z 。
當然，所述趨近的最佳狀態為等效電容兩端的電壓與原有濾波電路中 取值為期望值C,的第一電容兩端電壓相同。
其中，假設第三電容的電容值為&、第四電容的電容值為%、第五電
容的電容值為&,較佳地，取"為大于10的整數，則附加電流的大小可以
為環3各電流的電流取值/p 。
第二電容兩端仍輸出t//W。
實際應用中，如圖5所示的鎖相環裝置中還包括 第一CP，用于提供環路電流^;
第二CP,用于提供附加電流"
其中，在圖5中，第一CP為一獨立的裝置。但實際應用中，第一 CP 可以位于PD中，即采用現有的PD即可實現本發明。
如圖5所示的鎖相環裝置中，還進一步包括分頻器，用于對VCO輸出 的信號C/^)進行分頻，并將分頻后的信號作為反饋，輸出至PD。
實際應用中，也可以在輸入參考信號電路中設置分頻器，用于對輸入參
14考信號進行分頻。
當然，本發明中設置的分頻器是可選的，而非必需。
以上舉較佳實施例，對本發明的目的、技術方案和優點進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以 限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、 改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1. 一種鎖相環裝置中的濾波器，包括第一電容、第二電容及電阻，所述第一電容與所述電阻串聯后與所述第二電容并聯；其特征在于，所述第一電容由第三電容、第四電容及第五電容環形串接而成；其中，所述第三電容、所述第四電容和所述第五電容的電容值均遠遠小于所述第一電容的期望值Cz；所述第五電容與所述電阻串聯后與所述第二電容并聯；所述電阻與所述第二電容相連的一端為環路電流的輸入端、所述電阻與所述第五電容相連的一端為所述環路電流的輸出端；一附加電流從所述第三電容與所述第四電容相連的一端輸入、從所述第五電容與所述第三電容的相連的一端輸出，該附加電流用于保證所述第五電容兩端電壓趨近于電容值為期望值Cz的所述第一電容產生的電壓。
2. 如權利要求1所述的濾波器，其特征在于，所述第三電容的電容值為&;所述第四電容的電容值為所述第五電容的電容值為&;其中，"為遠遠大于l的正整數；所述附加電流的大小與所述環路電流相同。
3. 如權利要求2所述的濾波器，其特征在于，所述附加電流來自一電荷泵。
4. 一種鎖相環裝置，其特征在于，該鎖相環裝置包含鑒相器、濾波器及壓控振蕩器，其中，所述濾波器包括第一電容、第二電容及電阻，所述第一電容與所述電阻串聯后與所述第二電容并聯；其特征在于，所述第一電容由第三電容、第四電容及第五電容環形串接而成；其中，所述第三電容、所述第四電容和所述第五電容的電容值均遠遠小于所述第一電容的期望值C/，所述第五電容與所述電阻串聯后與所述第二電容并聯；所述電阻與所述第二電容相連的一端為環路電流的輸入端、所述電阻與所述第五電容相連的 一 端為所述環路電流的輸出端；一附加電流從所述第三電容與所述第四電容相連的一端輸入、從所述第五電容與所述第三電容的相連的一端輸出，該附加電流用于保證所述第五電容兩端電壓趨近于電容值為期望值C,的所述第一電容產生的電壓。
5. 如權利要求4所述的鎖相環裝置，其特征在于，所述第三電容的電容值為&;所述第四電容的電容值為%;所述第五電容的電容值為^;其中，w為遠遠大于l的正整數；所述附加電流的大小與所述環路電流相同。
6. 如權利要求4或5所述的鎖相環裝置，其特征在于，該裝置中包括第一電荷泵，用于輸出所述環路電流。
7. 如權利要求6所述的鎖相環裝置，其特征在于，所述第一電荷泵位于所述鑒相器中。
8. 如權利要求6所述的鎖相環裝置，其特征在于，該裝置還包括第二電荷泵，用于輸出所述附加電流。
9.如權利要求4或5所述的鎖相環裝置，其特征在于，所述該裝置進一步包括分頻器，用于對所述接收壓控振蕩器輸出的信號t/。w(小進行分頻，并將分頻后的信號輸出至所述鑒相器。
全文摘要
本發明公開了一種鎖相環裝置中的濾波器。本發明利用一等效電容作為第一電容，由于構成等效電容的三個電容的電容值遠小于期望值C<sub>z</sub>，從而本發明中的等效電容相比于原有濾波電路中取值為期望值C<sub>z</sub>的第一電容，體積大大減小。而且，由于等效電容的電容值小于期望值C<sub>z</sub>，因此，本發明還在等效電容中增加了一路附加電流，以使得等效電容兩端的電壓，與原有濾波電路中取值為期望值C<sub>z</sub>的第一電容兩端電壓相同，從而無需調節環路電流的大小i<sub>p</sub>即可保證U<sub>f</sub>(t)不變，從而能夠在保證輸出電壓不變的前提下，減小第二濾波電容的尺寸以實現濾波器的微型化，且不需要對環路電流進行調節。本發明還公開了一種鎖相環裝置。
文檔編號H03L7/08GK101465647SQ20071017287
公開日2009年6月24日 申請日期2007年12月21日 優先權日2007年12月21日
發明者元 薛 申請人:那微微電子科技(上海)有限公司