一種擴展頻譜控制的鎖相環電路和方法
【專利摘要】本發明披露了一種鎖相環電路和方法。在實施例中，該鎖相環電路包括：開關電容電路，開關電容電路產生調制波形，該調制波形以電流形式注入鎖相環電路，使得鎖相環輸出頻率被調制。與現有技術的擴頻鎖相環相比，本發明實施例的擴頻鎖相環結構簡單，功率消耗低，硅開銷低，并且在擴頻比和調制頻率兩方面均具有靈活性。
【專利說明】一種擴展頻譜控制的鎖相環電路和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及鎖相環PLL電路，具體地說涉及擴展頻譜控制的鎖相環電路。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著SoC(系統級芯片)的高速化，大規模集成電路和數字家電產品的電磁 干擾的問題日益嚴重。擴展頻譜控制的鎖相環（SS-PLL)是一種降低電磁干擾的有效手段， 它通過對集成電路中的基準時鐘信號的頻率進行微調，從而將輸出時鐘信號的頻譜擴展來 降低電磁干擾。
[0003] 圖1是一種現有技術的擴頻鎖相環SS-PLL的框圖。該擴頻鎖相環除包括相位頻 率檢測器（Phase-frequencydetector,簡稱PFD)、第一電流泵（chargepump,簡稱CP)、低 通濾波器（lowpassfilter，簡稱LPF)和壓控振蕩器（VoltageControlledOscillator， 簡稱VC0)外，還包括第二電流泵。該第二電流泵工作頻率比第一電流泵的工作頻率低。第 二電流泵的充放電電流通過低通濾波器疊加到來自第一電流泵的充放電電流上，從而調制 施加在VCO的輸入端上的電壓，進而調制輸出時鐘信號的頻率。然而，該方案要求低通濾波 器滿足R1*C1=R2*C2。尤為重要的是，由于PFD的輸入信號之一也包含了調制信號的成分， PLL在非擴頻模式下的帶寬必須足夠小以濾除調制信號所產生的這一反饋分量。
[0004] 圖2示意了另一種現有技術的擴頻鎖相環的框圖。該擴頻鎖相環(利用對其中的 分頻器進行調制。該方案雖然取得不錯的效果，但是結構較為復雜。
【發明內容】
[0005] 本發明實施例在第一方面提供一種鎖相環電路。該鎖相環電路包括：開關電容電 路，開關電容電路產生調制波形，該調制波形以電流形式注入鎖相環電路，使得鎖相環輸出 頻率被調制。
[0006] 優選地，鎖相環電路包括擴頻時鐘發生器，所述開關電容電路位于擴頻時鐘發生 器中，擴頻時鐘發生器還具有第一電流源和第二電流源，擴頻時鐘發生器以低于反饋時鐘 信號的頻率周期性交替選擇分別與第一電流源和第二電流源相應的信號，開關電容電路對 選擇出的信號作低通濾波，所述低通濾波后的信號為調制波形。
[0007] 優選地，鎖相環電路包括擴頻時鐘發生器，所述開關電容電路位于擴頻時鐘發生 器中，擴頻時鐘發生器還具有第一電流源、第二電流源和放大器，第二電流源、放大器和一 個第三電容連接成積分器；擴頻時鐘發生器以低于反饋時鐘信號的頻率周期性交替選擇分 別與第一電流源和第二電流源相應的信號，作為積分器的正負輸入信號；積分器的輸出信 號為調制波形。
[0008] 優選地，擴頻時鐘發生器包括第三電流源，擴頻時鐘發生器將調制波形與第三電 流源的電流比較得到差信號，環路濾波器電路將該差信號調制到控制電壓。進一步優選地， 擴頻時鐘發生器包括晶體管，其柵極接收低通濾波后的信號，漏極接收第三電流源的電流。
[0009] 優選地，調制波形是三角波。
[0010] 優選地，擴頻鎖相環電路包括：電荷泵電路，根據所述鎖相環電路的輸出時鐘信號 的反饋時鐘信號和基準時鐘信號的相位差來切換充放電電流的釋放和吸入；環路濾波器電 路，具有濾波電容，該濾波電容由充放電電流進行充放電并生成控制電壓；壓控振蕩器，以 與所述控制電壓相應的頻率進行振蕩。
[0011] 本發明實施例在第二方面提供一種鎖相環電路的擴頻方法，該方法包括：開關電 容電路產生調制波形；該調制波形以電流形式注入鎖相環電路，使得鎖相環輸出頻率被調 制。
[0012] 與現有技術的擴頻鎖相環相比，本發明實施例的擴頻鎖相環結構簡單，功率消耗 低，硅開銷低，并且在擴頻比和調制頻率兩方面均具有靈活性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0014] 圖1是一種現有技術的擴頻鎖相環SS-PLL的框圖；
[0015] 圖2示意了另一種現有技術的擴頻鎖相環的框圖；
[0016] 圖3示意了根據本發明實施例的擴頻鎖相環PLL電路；
[0017] 圖4示意了鎖相環的各種電壓、頻率波形圖；
[0018] 圖5是擴展頻譜和開關電容調制的關系示意圖；
[0019] 圖6不意了根據本發明另一實施例的擴頻鎖相環PLL電路。
【具體實施方式】
[0020] 本發明實施例提供一種基于開關電容電路的擴頻鎖相環電路架構。該開關電容電 路產生調制波形，比如三角波，該調制波形以電流形式注入鎖相環電路，使得鎖相環輸出頻 率被調制。因此，鎖相環輸出時鐘的頻譜得以擴展。
[0021] 圖3示意了根據本發明實施例的擴頻鎖相環PLL電路。如圖3所示，鎖相環作為 閉環控制系統工作，它包括相位檢波器30、電荷泵31、環路濾波器32和壓控振蕩器（VCO) 33、環路分頻器34和擴頻時鐘發生器（SSCG)35。在一個例子中，可以將相位檢波器和電荷 泵組合在一個功能塊中。
[0022] 在相位檢波器30中，比較基準頻率Fclk和反饋頻率Ffb。在大多數系統中，這種 相位檢波器是一個相位和頻率檢波器。該相位-頻率檢波器生成一個與基準頻率Fclk和 反饋頻率Ffb的相位差相應的信號up或dn。在一個例子中，環路分頻器34對擴頻鎖相環 的輸出時鐘信號Fout進行分頻并生成反饋時鐘信號Ffb。
[0023] 電荷泵電路（CP)31根據PFD30的輸出切換充電電流Icp的釋放和吸入。當up有 效時，釋放充電電流；當dn有效時，吸入放電電流。
[0024] 環路濾波器電路（LPF)32使充電電流平滑化并生成電壓Vc。在圖示的例子中，環 路濾波器電路包括一個3次RC結構的低通濾波器，第1級包括電阻R2,電阻R2和電容Cl; 第2級包括電容C2 ;第3級包括電阻R3和電容C3。其中，R3和C3可以進一步消除由基準 時鐘帶來的尖峰（spike)問題。該低通濾波器對來自電荷泵電路12的電流進行平滑。當 然，本領域的技術人員將會意識到，也可采用其它形式的低通濾波器，比如2次RC結構的低 通濾波器，而不偏離本發明的范圍。
[0025] 環路濾波器電路還可以包括由RUR2構成的分壓電路，該分壓電路將來自擴頻時 鐘發生器35的電流疊加到來自電荷泵電路12的電流上。
[0026] 壓控振蕩器（VCO) 33以與Vc相應的頻率進行振蕩，并輸出具有頻率Fout的時鐘 信號。
[0027] 相位檢波器30、電荷泵電路31、環路濾波器電路32和壓控振蕩器33構成非擴頻 模式下的鎖相環，本領域的技術人員意識到，該鎖相環也可以采用其它構形的電路構成，而 不偏離本發明的范圍。
[0028] 擴頻時鐘發生器（SSCG)具有開關電容電路、第一電流源Issl和第二電流源Iss2。 擴頻時鐘發生器以低于反饋時鐘信號Ffb的頻率Fmod周期性交替通斷開關Φ1和Φlb，從 而交替選擇分別與第一電流源Issl和第二電流源Iss2相應的信號Issl*RM1，Iss2*RM2流 入開關電容電路352。RM1、Rm2分別是晶體管Ml和M2所呈現的電阻。
[0029] 開關電容電路352中的開關以高于流入電壓信號頻率的頻率fc工作，開關電容電 路等效于阻值為lAfc*Cssl)的電阻，其中Cssl為開關電容的電容值。該電阻和電容Css2 構成一個低通濾波器。由此，晶體管M3的柵極電壓為頻率為Fmod的類三角波40 (圖4)， 該類三角波的上升沿或下降沿的時間常數為
[0030]T=R*Css2=l/F*Css2/Cssl。
[0031] 由于F、Cssl和Css2均與功率、電壓和溫度中的任何一個因素無關，因此該時間常 數和功率、電壓和溫度均無關。因此，不易受上述因素干擾。
[0032] 晶體管M3將低通濾波后的信號轉換為電流信號，并且與第三電流源Iss3的電流 比較得到差信號，該差信號具體為頻率Fmod的充放電電流，即完整周期的一部分為充電電 流，另一部分為放電電流。環路濾波器電路32將該差信號調制到控制電壓Vc上。
[0033] 在一個例子中，第三電流源Iss3的電流取值為10,第一電流源Issl和第二電流源 Iss2的電流分別取值為210和0. 510。由此，擴頻時鐘發生器產生并且輸出周期為Fmod的 類三角波充放電電流。當然，也可以通過配置晶體管M1、M2和M3,使得在M3的漏極產生等 間隔的充電和放電電流。
[0034] 在操作中，鎖相環啟動時，壓控振蕩器33的輸出時鐘信號還未達到預期的頻率， 反饋時鐘信號和基準時鐘信號存在相位差，因此會產生up或dn信號。在up或dn信號的 作用下，電荷泵31產生相應的充放電電流。此時，對環路濾波器32進行充放電的電流主要 來自電荷泵31。環路濾波器32充放電后產生電壓Vc，施加到鎖相環33的輸入端，從而調 整鎖相環33的輸出頻率。
[0035] 當反饋時鐘信號和基準時鐘信號不存在相位差或者接近相同相位時，up和dn信 號變窄或者消失，因此Vcp接近或者等于0。此時，作用在環路濾波器電路32的充放電電 流主要是擴頻時鐘發生器所產生的與Issl、ISS2和Iss3相關的差電流，該差電流調制電壓 Vc，進而調制鎖相環的輸出時鐘信號的頻率。
[0036] 圖4示意了鎖相環的各種電壓、頻率波形圖。波形42對應于輸入開關電容電 路前的波形，基本呈方波；這是一個頻率為Fmod的矩形波，高電平為Issl*RM1,低電平為 1^2*?。波形40對應于開關電容電路處理之后的波形；標號44示意了調制后VCO的輸出 信號的頻率的變化情況，這個頻率呈現近似三角波的變化趨勢。
[0037] 在一個例子中，Ffb為IOMHz;Fc可以等于Ffb，也可以是Ffb的分頻，比如2MHz。 Fmod則可設定為Fe的進一步分頻，例如為100kHz。由此，可以形成Fmod/Ffb(在本例中， 1%)的擴頻效果。
[0038] 與現有技術的擴頻鎖相環相比，本發明實施例的擴頻鎖相環結構簡單。本發明實 施例的擴頻鎖相環與非擴頻鎖相環的僅有區別在于開關電容電路，并且該開關電容電路控 制電荷泵電流源的一小部分。這確保了硅開銷極低以及較低的功率消耗。
[0039] 本發明實施例的擴頻鎖相環在擴頻比和調制頻率兩方面均具有靈活性。改變開關 電容電路中的電容比將改變擴頻比。調制頻率也可以通過改變開關電容開關頻率加以調 節。因此，本發明實施例的擴頻鎖相環特別適用于SOC應用和其它嵌入式系統。
[0040] 開關電容電路也可以實施不同類型的調制波形，比如梯形。在一個例子中，改變電 容比來改變調制波形。圖5是擴展頻譜和開關電容調制的關系示意圖。如圖5所示，開關 Φ1和（Mb的波形互補。出現在Css2端的電壓隨著RC的變化而改變，其中，R是開關電容 等效電阻，R=T/C，T是開關電容電路的開關頻率，C=Cssl。當RC較大的時候，Css2端的電 壓較接近于三角形；而RC較小的時候，Css2端的電壓較接近于矩形。
[0041] 圖6示意了根據本發明另一實施例的擴頻鎖相環PLL電路。圖6不同于圖3的地 方在于，以一個放大器Op替代了串聯著的開關電容電路中的一個開關電容濾波器。具體地 講，放大器Op的負輸入端連接有一個開關電容電路。開關電容濾波器在切換頻率為fc的 信號Φ2的控制下交替接通和斷開電容，起低通濾波器的作用，它等效于阻值為1/fcCssl 的電阻R，其中Cssl為開關電容的電容值。放大器Op的輸出端和負輸入端之間連接有電容 Css3。因此，放大器Op起積分器的作用。積分器的積分功能如下式表示：
[0042] Vo(I)=--!- ΓVi(l)dl+Vo(IO) RCss3Jt0
[0043] 其中，Vo為積分器的輸出，Vi為在開關電容電路一側的積分器的輸入電壓；R為開 關電容電路的電阻。
[0044] 電流Issl和Iss2分別經在彼此互補的頻率脈沖Φ1和ΦIb控制下的開關，繼而 分別周期性地被交替選通連接到開關電容濾波器(繼而連接到放大器Op的負輸入端）和放 大器Op的正輸入端。具體地說，當Φ1有效時，電流Issl經開關電容電路耦合到放大器的 負輸入端，電流Iss2耦合到放大器的正輸入端；當ΦIb有效時，電流Iss2經開關電容電路 耦合到放大器的負輸入端，電流Issl耦合到放大器的正輸入端。因此，積分器在不同的時 間段內分別對電壓Issl*RM1和Isj^Rm2的差與電壓Isj^Rm2和Issl*RM1的差進行積分。
[0045] 晶體管M3將積分后的信號轉換為電流信號，并且與第三電流源Iss3的電流比較 得到差信號。環路濾波器32將該信號調制到控制電壓Vc上。
[0046] 圖6的擴頻鎖相環PLL電路同樣確保了硅開銷極低以及較低的功率消耗。另外， 通過改變開關電容電路中的電容比將改變擴頻比。調制頻率也可以通過改變開關電容開關 頻率加以調節。
[0047] 在本實施例中，晶體管M3柵極的直流點由放大器的輸出直流電平決定，因此，對 晶體管M3的控制更為靈活。
[0048] 此外，通過改變Φ2的頻率，可以改變電阻R，進而改變積分器的帶寬，以便于更好 地控制。
[0049] 以上所述的【具體實施方式】，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步 詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發明 的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、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. 一種鎖相環電路，包括： 開關電容電路，開關電容電路產生調制波形，該調制波形以電流形式注入鎖相環電路， 使得鎖相環輸出頻率被調制。
2. 如權利要求1所述的擴頻鎖相環電路，其中鎖相環電路包括擴頻時鐘發生器，所述 開關電容電路位于擴頻時鐘發生器中，擴頻時鐘發生器還具有第一電流源和第二電流源， 擴頻時鐘發生器以低于反饋時鐘信號的頻率周期性交替選擇分別與第一電流源和第二電 流源相應的信號，開關電容電路對選擇出的信號作低通濾波，所述低通濾波后的信號為調 制波形。
3. 如權利要求1所述的擴頻鎖相環電路，其中鎖相環電路包括擴頻時鐘發生器，所述 開關電容電路位于擴頻時鐘發生器中，擴頻時鐘發生器還具有第一電流源、第二電流源和 放大器，第二電流源、放大器和一個第三電容連接成積分器；擴頻時鐘發生器以低于反饋時 鐘信號的頻率周期性交替選擇分別與第一電流源和第二電流源相應的信號，作為積分器的 正負輸入信號；積分器的輸出信號為調制波形。
4. 如權利要求1所述的擴頻鎖相環電路，其中擴頻時鐘發生器包括第三電流源，擴頻 時鐘發生器將調制波形與第三電流源的電流比較得到差信號，環路濾波器電路將該差信號 調制到控制電壓。
5. 如權利要求4所述的擴頻鎖相環電路，其中擴頻時鐘發生器包括晶體管，其柵極接 收低通濾波后的信號，漏極接收第三電流源的電流。
6. 如權利要求1所述的擴頻鎖相環電路，其中調制波形是三角波。
7. 如權利要求1所述的擴頻鎖相環電路，其中包括： 電荷泵電路（CP)，根據所述鎖相環電路的輸出時鐘信號的反饋時鐘信號和基準時鐘信 號的相位差來切換充放電電流的釋放和吸入； 環路濾波器電路（LPF)，具有濾波電容，該濾波電容由充放電電流進行充放電并生成控 制電壓； 壓控振蕩器（VCO)，以與所述控制電壓相應的頻率進行振蕩。
8. -種鎖相環電路的擴頻方法，包括：開關電容電路產生調制波形；該調制波形以電 流形式注入鎖相環電路，使得鎖相環輸出頻率被調制。
【文檔編號】H03L7/099GK104426541SQ201310381769
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2013年8月28日
【發明者】麥日鋒, 劉明 申請人:京微雅格（北京）科技有限公司