專利名稱：積分速率可變的單位增益正反饋積分器及時鐘恢復電路的制作方法
技術領域：
本發明屬于積分器領域，尤其涉及一種積分速率可變的單位增益正反饋積分器及時鐘恢復電路。
背景技術：
積分器的主要作用是輸出信號等于輸入信號的時間積分。積分器的主要性能參數為積分速率和對積分值的保持能力。對于電容型的積分器，充電電流大小和電容值決定了積分速率，而電容上的漏電流的大小決定了積分器對積分結果的保持能力。電容型積分器用電容來存儲和保持電荷。通常的積分器是由運放通過增益接近無限大的負反饋實現的。然而，高的開環增益要求較好的補償來保證運放的穩定性，這種補償是比較困難的，尤其是在一些要求高速運用的領域，由于運放的高增益導致積分器容易受噪聲的影響。當積分器運用在鎖相環路中時，對電容值的選擇必須使得鎖相環路在要求的工作頻率范圍內保持穩定。對于確定的電容值，積分速率由充電電流大小決定，然而，當積分器運用于鎖相環時鐘恢復(Clock and Data Recovery,⑶R)電路中時,在頻率捕獲階段,較大的積分速率有利于縮短頻率捕獲時間，加快環路鎖定，而環路進入相位跟蹤后，較小的積分速率有利于環路穩定性。
發明內容
本發明實施例的目的在于提供一種積分速率可變的單位增益正反饋積分器，旨在解決傳統積分器負反饋導致穩定性差的問題。本發明實施例是這樣實現的，一種積分速率可變的單位增益正反饋積分器，包括電荷注入電路和自舉電路；所述電荷注入電路的輸入端連接輸入信號，差分控制端連接外部的電流控制信號，輸出端連接所述自舉電路的輸入端；所述自舉電路包括積分電容，輸入信號經電荷注入電路后輸出的電荷存儲至所述積分電容，通過積分電容積分的結果由所述自舉電路的輸出端以電壓信號輸出，通過調節外部的電流控制信號控制電荷注入電路的電流大小并改變積分速率。更進一步地，所述自舉電路還包括第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第一電流源、第二電流源、第三電流源和第四電流源；所述積分電容的正極連接至第一節點，所述積分電容的負極連接至第二節點；所述第一開關管的第一端與所述第二開關管的第一端均連接至電源，所述第一開關管的第二端連接至第三節點，所述第二開關管的第二端連接至第四節點；所述第一電阻連接在所述電源與所述第一節點之間，所述第二電阻連接在所述電源與所述第二節點之間；所述第三開關管的第一端連接至所述第二節點，所述第三開關管的第二端通過第一電流源接地；所述第四開關管的第一端連接至所述第一節點，所述第四開關管的第二端通過第二電流源接地；所述第三電阻連接在所述第三開關管的第二端與所述第四開關管的第二端之間；所述第三節點通過第三電流源接地，所述第四節點通過第四電流源接地；第一開關管的控制端為所述第一節點，第二開關管的控制端為第二節點，第三開關管的控制端為第三節點，第四開關管的控制端為第四節點；所述第一開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第二開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第三開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第四開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第一節點和所述第二節點作為所述自舉電路的輸入端，所述第三節點和所述第四節點作為所述自舉電路的輸出端。更進一步地，所述自舉電路還包括第一二極管和第二二極管，所述第一二極管的陰極連接至所述第二節點，所述第一二極管的陽極連接至所述第一節點，所述第二二極管的陰極連接至所述第一節點，所述第二二極管的陽極連接至所述第二節點。更進一步地，所述第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管均為三極管，所述三極管的基極作為控制端，所述三極管的集電極作為第一端，所述三極管的發射極作為第二端。更進一步地，所述第三節點和第四節點的差分輸出到第一節點和第二節點的差分輸入的電壓增益為I。更進一步地，所述第三電阻的阻值為第一電阻的阻值2倍。更進一步地，所述電荷注入電路包括第五開關管、第六開關管、第七開關管、第八開關管、第五電流源和第六電流源；所述第五開關管的控制端和所述第六開關管的控制端作為所述電荷注入電路的輸入端，所述第五開關管的第一端和所述第六開關管的第一端作為所述電荷注入電路的輸出端，所述第七開關管的控制端和所述第八開關管的控制端作為所述電荷注入電路的差分控制端；所述第五開關管的第二端與所述第六開關管的第二端連接后再通過第五電流源接地，所述第七開關管的第二端和所述第八開關管的第二端連接后再通過第六電流源接地，所述第七開關管的第一端連接至所述第五開關管和第六開關管的連接端，所述第八開關管的第一端連接至電源；所述第五開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第六開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第七開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第八開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通。更進一步地，所述第五開關管、第六開關管、第七開關管和第八開關管均為三極管，三極管的基極為控制端，三極管的集電極為第一端，三極管的發射極為第二端。本發明還提供了一種時鐘恢復電路，包括鑒相器、鑒頻器、二選一多路選擇器、鎖定檢測電路、積分器、比例通路、壓控振蕩器和分頻器，所述積分器為上述的單位增益正反饋積分器。更進一步地，所述第六電流源的值為所述第五電流源的N倍，N為大于等于I的正整數。本發明提出的積分器運用了單位增益的正反饋，可以不用改變積分電容的值實現積分速率的變化，在鎖相環CDR運用中，通過控制端可以實現在頻率捕獲階段有較大的積分速率以縮短鎖定時間而在相位跟蹤階段有較小的積分速率實現環路更好的穩定性。
圖1本發明實施例提供的基于鎖相環的時鐘恢復電路的原理框圖；圖2是本發明實施例提供的積分速率可變的單位增益正反饋積分器的原理框圖；圖3本發明實施例提供的積分速率可變的單位增益正反饋積分器中自舉電路的具體電路圖；圖4是本發明實施例提供的積分速率可變的單位增益正反饋積分器中電荷注入電路的具體電路圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。本發明實施例提供的積分速率可變的單位增益正反饋積分器主要應用于基于鎖相環的時鐘恢復電路中，單位增益正反饋積分器中的自舉電路用正反饋來保持積分電容上的電荷，通過控制端對充電電流的大小進行控制來改變積分速率。圖1示出了時鐘恢復電路的模塊結構，為了便于說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分，詳述如下:時鐘恢復電路包括鑒相器、鑒頻器、二選一多路選擇器、鎖定檢測電路、積分器、t匕例通路、壓控振蕩器和分頻器等模塊。其中鑒相器將輸入的串行數據與壓控振蕩器輸出的時鐘信號進行相位比較后輸出代表超前或滯后相位關系的高低電平，鑒相器的輸出信號經過二選一多路選擇器模塊后分別通過積分器和比例通路控制壓控振蕩器的頻率。鑒頻器將參考時鐘與壓控振蕩器輸出的經分頻器分頻的時鐘信號進行鑒頻后出結果到二選一多路選擇器模塊。鎖定檢測電路將參考時鐘與壓控振蕩器輸出的經分頻器分頻的時鐘信號進行頻率比較，兩者頻率差小于設定值則輸出高電平到二選一多路選擇器的控制端。比例通路的作用則是在相位跟蹤階段對壓控振蕩器輸出信號的相位進行微調。系統開始工作時二選一多路選擇器模塊在鎖定檢測模塊的控制下選通鑒頻器的輸出，下面的頻率捕獲環路開始工作促使壓控振蕩器的頻率接近串行數據率。之后鎖定檢測模塊控制二選一多路選擇器選通鑒相器的輸出，從而相位追蹤的環路開始工作。非線性的鑒相器將輸入的串行信號的相位和壓控振蕩器輸出的時鐘信號的相位進行比較，產生時鐘信號超前和滯后的兩種狀態的信號。這個信號分別經過積分通路和比例通路來控制壓控振蕩器。其中積分器的積分速率控制端由鎖定檢測模塊的輸出控制。頻率捕獲環路工作期間，鎖定檢測模塊的輸出使積分器工作在積分速率較大模式下來加快頻率捕獲。當壓控振蕩器的頻率與參考時鐘的頻率差小于設定的值時鎖定檢測模塊控制二選一多路選擇器選通鑒相器的輸出，相位跟蹤環路開始工作，鎖定檢測模塊的輸出使積分器工作在較小的積分速率下，從而使相位追蹤的環路工作于較好的穩定性下。本發明在鎖相環CDR的應用中，解決傳統積分器負反饋導致穩定性問題以及傳統積分器應用于鎖相環時鐘恢復電路中帶來的鎖定時間與環路穩定性的矛盾，利用改變積分速率的積分器來解決這個矛盾。圖2示出了本發明實施例提供的積分速率可變的單位增益正反饋積分器的原理，為了便于說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分，詳述如下:積分速率可變的單位增益正反饋積分器包括電荷注入電路和自舉電路；電荷注入電路的輸入端2a、2b連接輸入信號，差分控制端5a、5b連接外部的電流控制信號，輸出端6a、6b連接自舉電路的輸入端；自舉電路包括積分電容Cl，輸入信號經電荷注入電路后輸出的電荷存儲至積分電容Cl，通過積分電容Cl積分的結果由自舉電路的輸出端12a、12b以電壓信號輸出，通過調節外部的電流控制信號控制電荷注入電路的電流大小并改變積分速率。積分器工作時，自舉電路通過對積分電容Cl上的漏電進行補償來保持電容上的電荷，因此端口 12a、12b的輸出較好地代表了輸入信號的積分結果。該積分器運用了單位增益的正反饋，可以不用改變積分電容的值實現積分速率的變化，在鎖相環CDR運用中，通過控制端可以實現在頻率捕獲階段有較大的積分速率以縮短鎖定時間而在相位跟蹤階段有較小的積分速率實現環路更好的穩定性。在本發明實施例中，如圖3所示，自舉電路還包括第一開關管Q1、第二開關管Q2、第三開關管Q3、第四開關管Q4、第一電阻Ru、第二電阻&、第三電阻Re、第一電流源I11、第二電流源I12、第三電流源I21和第四電流源I22 ;積分電容Cl的正極連接至第一節點A，積分電容的負極連接至第二節點B ;第一開關管Ql的第一端與第二開關管Q2的第一端均連接至電源VCC，第一開關管Ql的第二端連接至第三節點C，第二開關管Q2的第二端連接至第四節點D ;第一電阻Ru連接在電源VCC與第一節點A之間，第二電阻&連接在電源VCC與第二節點B之間；第三開關管Q3的第一端連接至第二節點B，第三開關管Q3的第二端通過第一電流源I11接地；第四開關管Q4的第一端連接至第一節點A，第四開關管Q4的第二端通過第二電流源112接地；第三電阻Re連接在第三開關管Q3的第二端與第四開關管Q4的第二端之間；第三節點C通過第三電流源I21接地，第四節點D通過第四電流源I22接地；第一開關管Ql的控制端為第一節點A，第二開關管Q2的控制端為第二節點B，第三開關管Q3的控制端為第三節點C，第四開關管Q4的控制端為第四節點D ;第一開關管Ql的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，第二開關管Q2的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，第三開關管Q3的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，第四開關管Q4的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，第一節點A和第二節點B作為自舉電路的輸入端6a、6b,第三節點C和第四節點D作為自舉電路的輸出端12a、12b。在本發明實施例中，自舉電路還包括第一二極管Dl和第二二極管D2，第一二極管Dl的陰極連接至第二節點B，第一二極管Dl的陽極連接至第一節點A，第二二極管D2的陰極連接至第一節點A，第二二極管D2的陽極連接至第二節點B。在本發明實施例中，第一開關管Q1、第二開關管Q2、第三開關管Q3和第四開關管Q4可以為MOS管，還可以為三極管，當為三極管時，三極管的基極作為控制端，三極管的集電極作為第一端，三極管的發射極作為第二端。當為MOS管時，MOS管的柵極作為控制端，MOS管的漏極作為第一端，MOS管的源極作為第二端。為了更進一步的說明本發明實施例提供的自舉電路，開關管以三極管為例并結合圖3詳述其工作原理如下:為了保持住積分電容Cl上的電荷，自舉電路檢測流過積分電容的電流，然后對漏電導致的電荷損失進行補償。當電荷注入電路將+ Aq的電荷注入積分電容Cl的一個極板，-Λ q的電荷注入另一個極板，這將導致第一節點A有+ Δ V的電壓變化，而第二節點B有-Λ V的電壓變化，第一節點A處+ Λ V的電壓變化將導致流過Ru的電流有-Λ iaC= Δ V/Ru)的變化，同樣對于第二節點B，- Λ V的電壓變化將導致流過Ru的電流有Λ ia的變化，Λ ia即為漏電流，這一漏電流導致的電容上的電荷損失必須得到補償以使注入到電容上的電荷Λ q得到保持。為了實現電荷補償，第一節點A處+ Λ V的電壓變化將通過Ql管傳輸到節點C，同樣第二節點B處+ Λ V的電壓變化將通過Q2管傳輸到節點D。第三節點C和第四節點D處的相應的電壓變化又會分別導致流出第二節點B和第一節點A的電流分別有Λ ib和-Λ ib的變化。于是可以得到關系式Λ ic= Δ ia- Δ ib ;當對該電路進行較好的設計和優化后，可以使Λ ib=A ia，從而使得漏電流Λ ic=0，于是通過以上對漏電流的補償機制使得積分電容上的電荷得到了保持。為了較好地實現上述的電荷補償機制，需要對電路進行優化使得第三節點C和第四節點D節點的差分輸出到第一節點A和第二節點B的差分輸入的電壓增SAv等于I。通常可以將Ru與I的值均設計為Re值的一半，即Ru=Ru=Re/2。自舉電路中第一電流源In提供第三三極管Q3的偏置，第二電流源I12提供第四三極管Q4的偏置，決定了電路的單位增益的動態范圍，即能保持單位增益的第三節點C和第四節點D節點的最大電壓差。而第三電流源I21和第四電流源I22的作用是分別給第一三極管Ql和第二三極管Q2提供偏置。其中第一節點A和第二節點B接的第一二極管Dl和第二二極管D2將第一節點A和第二節點B的電壓差最大值鉗位在約0.8，保證了第三三極管Q3和第四三極管Q4形成的差分對工作在單位增益范圍。最后，該電路實現的積分結果從12a和12b輸出。如果自舉電路的增益略小于1，則會產生較小的漏電流，自舉電路的增益略大于1，則會使得積分電容上的電壓差趨于最大值。然而在以上兩種情況下，電路都不會振蕩。實際應用中電路的增益越接近1，積分電容上的電荷保持效果越好。在鎖相環的應用中，自舉電路的增益略大于或略小于I不會影響其功能，因為積分電容上的電荷是得到不斷更新的。本發明提出的積分電流可變的電荷注入電路實現了不用改變積分電容值就可實現積分器積分速率可變，較好地解決了鎖相環應用中鎖定時間與環路穩定性的折中關系。在本發明實施例中，如圖4所示，電荷注入電路包括第五開關管Q5、第六開關管Q6、第七開關管Q7、第八開關管Q8、第五電流源Ia和第六電流源Ib ;第五開關管Q5的控制端和第六開關管Q6的控制端作為電荷注入電路的輸入端Vin，第五開關管Q5的第一端和第六開關管Q6的第一端作為電荷注入電路的輸出端6a、6b,第七開關管Q7的控制端和第八開關管Q8的控制端作為電荷注入電路的差分控制端5a、5b ;第五開關管Q5的第二端與第六開關管Q6的第二端連接后再通過第五電流源Ia接地，第七開關管Q7的第二端和第八開關管Q8的第二端連接后再通過第六電流源Ib接地，第七開關管Q7的第一端連接至第五開關管Q5和第六開關管Q6的連接端，第八開關管Q8的第一端連接至電源VCC ;第五開關管Q5的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，第六開關管Q6的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，第七開關管Q7的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，第八開關管Q8的控制端控制其第一端與第二端之間的導通。在本發明實施例中，第五開關管Q5、第六開關管Q6、第七開關管Q7和第八開關管Q8可以為MOS管，也可以為三極管，當為三極管時，三極管的基極為控制端，三極管的集電極為第一端，三極管的發射極為第二端。當為MOS管時，MOS管的柵極作為控制端，MOS管的漏極作為第一端，MOS管的源極作為第二端。
為了更進一步的說明本發明實施例提供的電荷注入電路，現開關管以三極管為例并結合圖4詳述電荷注入電路的工作原理如下:積分器的輸入電壓加在電荷注入電路的差分輸入端，通過6a和6b節點對積分電容Cl進行充放電，積分電流的大小由第五電流源Ia和第六電流源Ib兩個電流源確定，當積分器應用在基于鎖相環的CDR中時，可以根據系統指標要求相應地將第六電流源Ib的值設計為第五電流源Ia的N倍(N為大于等于I的正整數)。在鎖相環的頻率捕獲階段，鎖定檢測模塊輸出信號作用于差分控制端5a，5b使第七三極管Q7導通，第八三極管Q8截止，積分電流等于、與Ib的和，實現了較大的積分電流，從而縮短頻率捕獲時間。而在鎖相環的相位跟蹤階段，鎖定檢測模塊輸出信號作用于差分控制端5a，5b使第七三極管Q7截止，第八三極管Q8導通，積分電流等于Ia，實現了較小的積分電流，有利于環路的穩定性。本發明提出的積分器運用了單位增益的正反饋，可以不用改變積分電容的值實現積分速率的變化，在鎖相環CDR運用中，通過控制端可以實現在頻率捕獲階段有較大的積分速率以縮短鎖定時間而在相位跟蹤階段有較小的積分速率實現環路更好的穩定性。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、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種積分速率可變的單位增益正反饋積分器，其特征在于，包括電荷注入電路和自舉電路；所述電荷注入電路的輸入端連接輸入信號，差分控制端連接外部的電流控制信號，輸出端連接所述自舉電路的輸入端； 所述自舉電路包括積分電容，輸入信號經電荷注入電路后輸出的電荷存儲至所述積分電容，通過積分電容積分的結果由所述自舉電路的輸出端以電壓信號輸出，通過調節外部的電流控制信號控制電荷注入電路的電流大小并改變積分速率。
2.如權利要求1所述的單位增益正反饋積分器，其特征在于，所述自舉電路還包括第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第一電流源、第二電流源、第三電流源和第四電流源； 所述積分電容的正極連接至第一節點，所述積分電容的負極連接至第二節點； 所述第一開關管的第一端與所述第二開關管的第一端均連接至電源，所述第一開關管的第二端連接至第三節點，所述第二開關管的第二端連接至第四節點； 所述第一電阻連接在所述電源與所述第一節點之間，所述第二電阻連接在所述電源與所述第二節點之間； 所述第三開關管的第一端連接至所述第二節點，所述第三開關管的第二端通過第一電流源接地； 所述第四開關管的第一端連接至所述第一節點，所述第四開關管的第二端通過第二電流源接地； 所述第三電阻連接在所述第三開關管的第二端與所述第四開關管的第二端之間； 所述第三節點通過第三電流源接地，所述第四節點通過第四電流源接地； 第一開關管的控制端為所述第一節點，第二開關管的控制端為第二節點，第三開關管的控制端為第三節點，第四開關管的控制端為第四節點； 所述第一開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第二開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第三開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第四開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通， 所述第一節點和所述第二節點作為所述自舉電路的輸入端，所述第三節點和所述第四節點作為所述自舉電路的輸出端。
3.如權利要求2所述的單位增益正反饋積分器，其特征在于，所述自舉電路還包括第一二極管和第二二極管， 所述第一二極管的陰極連接至所述第二節點，所述第一二極管的陽極連接至所述第一節點， 所述第二二極管的陰極連接至所述第一節點，所述第二二極管的陽極連接至所述第二節點。
4.如權利要求2所述的單位增益正反饋積分器，其特征在于，所述第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管均為三極管，所述三極管的基極作為控制端，所述三極管的集電極作為第一端，所述三極管的發射極作為第二端。
5.如權利要求2所述的單位增益正反饋積分器，其特征在于，所述第三節點和第四節點的差分輸出到第一節點和第二節點的差分輸入的電壓增益為I。
6.如權利要求5所述的單位增益正反饋積分器，其特征在于，所述第三電阻的阻值為第一電阻的阻值2倍。
7.如權利要求1所述的單位增益正反饋積分器，其特征在于，所述電荷注入電路包括第五開關管、第六開關管、第七開關管、第八開關管、第五電流源和第六電流源； 所述第五開關管的控制端和所述第六開關管的控制端作為所述電荷注入電路的輸入端，所述第五開關管的第一端和所述第六開關管的第一端作為所述電荷注入電路的輸出端，所述第七開關管的控制端和所述第八開關管的控制端作為所述電荷注入電路的差分控制端； 所述第五開關管的第二端與所述第六開關管的第二端連接后再通過第五電流源接地，所述第七開關管的第二端和所述第八開關管的第二端連接后再通過第六電流源接地，所述第七開關管的第一端連接至所述第五開關管和第六開關管的連接端，所述第八開關管的第一端連接至電源； 所述第五開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第六開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第七開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通，所述第八開關管的控制端控制其第一端與第二端之間的導通。
8.如權利要求7所述的單位增益正反饋積分器，其特征在于，所述第五開關管、第六開關管、第七開關管和第八開關管均為三極管，三極管的基極為控制端，三極管的集電極為第一端，三極管的發射極為第二端。
9.一種時鐘恢復電路，包括鑒相器、鑒頻器、二選一多路選擇器、鎖定檢測電路、積分器、比例通路、壓控振蕩器和分頻器，其特征在于，所述積分器為權利要求1-8任一項所述的單位增益正反饋積分器。
10.如權利要求9所述的時鐘恢復電路，其特征在于，所述第六電流源的值為所述第五電流源的N倍，N為大于等于I的正整數。
全文摘要
本發明提供一種積分速率可變的單位增益正反饋積分器及時鐘恢復電路，積分器包括電荷注入電路和自舉電路，電荷注入電路的輸入端連接輸入信號，差分控制端連接外部的電流控制信號，輸出端連接自舉電路的輸入端；自舉電路包括積分電容，輸入信號經電荷注入電路后輸出的電荷存儲至積分電容，通過積分電容積分的結果由自舉電路的輸出端以電壓信號輸出，通過調節外部的電流控制信號控制電荷注入電路的電流大小并改變積分速率。本發明提出的積分器運用了單位增益的正反饋，不用改變積分電容的值實現積分速率的變化，通過控制端實現在頻率捕獲階段有較大的積分速率以縮短鎖定時間而在相位跟蹤階段有較小的積分速率實現環路更好的穩定性。
文檔編號H03K19/00GK103138735SQ201310028290
公開日2013年6月5日 申請日期2013年1月25日 優先權日2013年1月25日
發明者孫博文, 黎學超, 劉云龍, 李洛宇, 王艷東, 何初冬, 盧國新, 周錦, 武小玉 申請人:深圳市國微電子有限公司