專利名稱：頻率合成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及頻率合成器的溫度頻率漂移的補(bǔ) 償技術(shù)。 技術(shù)背景為了確保所有的電子器件都能正?；蛲焦ぷ?，在電子電路設(shè)計(jì)中提供精確的時(shí)鐘信號(hào)是非常重要的。通常，所述時(shí)鐘信號(hào)是由晶體振蕩器(crystal oscillator )產(chǎn)生的，其中所述晶體振蕩器是利用壓電材料的振蕩晶體的機(jī)械諧 振來產(chǎn)生一定頻率電信號(hào)的電子電路。這個(gè)頻率通?？梢杂糜谟?jì)時(shí)(比如石英 手表中)，也可以用于為數(shù)字集成電路提供時(shí)鐘信號(hào)，還可以用于穩(wěn)定無線發(fā)射 器/接收器的頻率。導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)不同于設(shè)計(jì)的一個(gè)原因在于溫度，它可能影響 壓電材料和晶體振蕩器的運(yùn)作。隨著溫度的變化，晶體振蕩器輸出的頻率會(huì)也 會(huì)隨之變化。事實(shí)上，電子設(shè)備比如便攜式電腦、手機(jī)和電子儀表可能被用于 各種溫度變化的環(huán)境中，因此保證這些電子設(shè)備在各種溫度環(huán)境下都能正常無 誤的工作是非常重要的。許多現(xiàn)代通信設(shè)備比如GPS和GSM系統(tǒng)需要高精度、穩(wěn)定的頻率來增加 其內(nèi)無線電收發(fā)器的靈敏度以及來降低采集時(shí)間。在頻率合成器(frequencysynthesizer)中，將晶體振蕩器的輸出頻率乘以己知系數(shù)就可以獲得期望信道 頻率。通常，晶體振蕩器的輸出頻率的范圍是數(shù)兆赫茲，而信道頻率的范圍是 千兆赫茲。然而，晶體振蕩器的輸出頻頻隨著壽命和溫度的變化會(huì)發(fā)生漂移， 并且晶體振蕩器也沒有提供抑制晶體頻率隨周圍溫度發(fā)生變化的機(jī)制。由于苛 刻的需求，在沒有來自基站的頻率調(diào)諧支持的蜂窩系統(tǒng)中使用低成本獨(dú)立晶體 振蕩器是不可能的。無線通訊設(shè)備或移動(dòng)電話的頻率源包括有數(shù)控晶體振蕩器(digitally controlled crystal oscillator ) 或溫度補(bǔ)償晶體振蕩器 (temperature-compensated crystal osc'illator )b然而，數(shù)控晶體振蕩器電路 需要在晶體振蕩器中引入電容陣列來進(jìn)行頻率校正。這樣，使用數(shù)控晶體振蕩 器就變得非常昂貴，尤其對(duì)于深亞微米COMS工藝的數(shù)控晶體振蕩器。此外， 通過對(duì)數(shù)控晶體振蕩器中的大量電容的切換來調(diào)整晶體振蕩器的輸出頻率很可 能會(huì)導(dǎo)致頻率跳變效應(yīng)(frequency beating effects ),從而難以滿足輸出頻率 穩(wěn)定性的要求。在現(xiàn)有的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(temperature-compensated crystal oscillator)中，自動(dòng)調(diào)溫器生成校正電壓以保證振蕩器頻率恒定。這樣的壓控 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器具有一根據(jù)溫度成比例產(chǎn)生線性電壓的溫度傳感器。將三 級(jí)線性函數(shù)電壓發(fā)生器和溫度傳感器的輸出提供給壓控晶體振蕩器，所述壓控 晶體振蕩器進(jìn)而可以根據(jù)所使用晶體的溫度頻率特性來進(jìn)行溫度補(bǔ)償。然而，這樣的壓控溫度補(bǔ)償晶體振蕩器首先需要一高品質(zhì)晶體來滿足所述 三級(jí)線性補(bǔ)償需要，這樣的高品質(zhì)晶體非常昂貴，尤其是小尺寸的晶體。由于 限制了晶體振蕩器的最大輸出頻率，因此也很難保證高頻穩(wěn)定性和精確性。此 外，由于很難精確生成微伏級(jí)模擬電壓，所述壓控溫度補(bǔ)償晶體振蕩器很難控制小頻率的改變(比如，小于1.0赫茲>>因此，亟待提出一種低成本、低噪聲、高精度的解決方案來生成具有寬頻 范圍且經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)念l率。 發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供低成本、高精度的頻率合成器，其可以 對(duì)其輸出頻率進(jìn)行溫度補(bǔ)償。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種頻率合成器，其包括以來自晶體振 蕩器的參考頻率為基礎(chǔ)運(yùn)行的鎖頻環(huán)、頻率校正單元和插值邏輯單元。所述頻 率校正單元以第一參數(shù)和第二參數(shù)為基礎(chǔ)生成數(shù)字頻率校正控制字，所述第一 參數(shù)是自動(dòng)頻率校正字和固定頻率控制字的結(jié)合。所述插值邏輯單元用于生成 表示溫度變化補(bǔ)償?shù)牡诙?shù)。其中當(dāng)?shù)谝粎?shù)為常數(shù)時(shí)所述鎖頻環(huán)生成固定 的時(shí)鐘信號(hào)或當(dāng)?shù)谝粎?shù)為表示調(diào)制信號(hào)的頻率改變的二進(jìn)制序列時(shí)所述鎖頻 環(huán)生成頻率調(diào)制信號(hào)。進(jìn)一步的，A^表示所述時(shí)鐘信號(hào)，/"表示參考頻率，F(xiàn)C『-"ew表示所 述數(shù)字頻率校正控制字，則有下式其中K表示比例系數(shù)K。更進(jìn)一步的，通過調(diào)整比例系數(shù)K使輸出時(shí)鐘信號(hào)達(dá)到期望頻率。 再進(jìn)一步的，所述數(shù)字頻率校正控制字對(duì)參考頻率的頻率漂移進(jìn)行補(bǔ)償以 至于所述輸出時(shí)鐘信號(hào)不受溫度變化影響而保持穩(wěn)定。再進(jìn)一步的，所述固定頻率控制字是由外部提供，其是表示輸出時(shí)鐘信號(hào) 期望頻率的二進(jìn)制序列。仍進(jìn)一步的，根據(jù)精確的頻率源確定所述自動(dòng)頻率校正字。 再進(jìn)一步的，所述精確的頻率源是無線基站發(fā)射的計(jì)鐘信息。 進(jìn)一步的，其進(jìn)一步包括數(shù)字溫度傳感器，用于感應(yīng)包括所述頻率合成 器所在集成電路的溫度在內(nèi)的周圍溫度；解碼邏輯單元，與數(shù)字溫度傳感器相 連接，接收并解碼來自數(shù)字溫度傳感器的數(shù)字溫度測(cè)量值；查找表，用于存儲(chǔ) 頻率校正信號(hào)和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并驅(qū)動(dòng)插值邏輯單元調(diào)整第二參數(shù)。進(jìn)一步的，所述鎖頻環(huán)包括數(shù)字相位累加器，從所述頻率校正單元接收 數(shù)字頻率校正控制字，其中所述時(shí)鐘信號(hào)或頻率調(diào)制信號(hào)的頻率精度是由數(shù)字 相位累加器的字長(zhǎng)和參考頻率決定；數(shù)字頻率比較器，比較數(shù)字相位累加器的 輸出和包括分頻器與頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器的反饋回路的輸出；數(shù)字回路濾波器，與 數(shù)字頻率比較器相連接，用于對(duì)數(shù)字頻率比較器輸出的誤差信號(hào)進(jìn)行濾波，其 中所述數(shù)字回路濾波器提供環(huán)路帶寬和鎖定調(diào)節(jié)時(shí)間的控制；數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，與數(shù)字回路濾波器相連接，接收數(shù)字回路濾波器的輸出以生成模擬信號(hào)；低通 濾波器，用于對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，所述模擬信號(hào)進(jìn)一步控制了壓控振蕩 器的輸入電壓，其中在壓控振蕩器的輸出鎖定于期望頻率時(shí)所述鎖頻環(huán)進(jìn)入鎖 定狀態(tài)。更進(jìn)一步的，所述鎖頻環(huán)進(jìn)一步包括直接頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于利用參 考頻率將壓控振蕩器的輸出信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流。更進(jìn)一步的，所述鎖頻環(huán)進(jìn)一步包括直接頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于利用壓 控振蕩器的輸出信號(hào)對(duì)參考頻率進(jìn)行采樣從而直接將壓控振蕩器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn) 換為數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流。再進(jìn)一步的，所述鎖頻環(huán)進(jìn)一步包括用于對(duì)壓控振蕩器的輸出進(jìn)行分頻 以獲得所述時(shí)鐘信號(hào)的分頻器。進(jìn)一步的，所述鎖頻環(huán)包括數(shù)字相位累加器，從所述頻率校正單元接收 數(shù)字頻率校正控制字并生成參考頻率數(shù)據(jù)流，其中所述時(shí)鐘信號(hào)或頻率調(diào)制信 號(hào)的頻率精度是由數(shù)字相位累加器的字長(zhǎng)和參考頻率決定；數(shù)字頻率比較器， 比較數(shù)字相位累加器的輸出和包括分頻器與頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器的反饋回路的輸 出；數(shù)字回路濾波器，與數(shù)字頻率比較器相連接，用于對(duì)數(shù)字頻率比較器輸出 的誤差信號(hào)進(jìn)行濾波，其中所述數(shù)字回路濾波器提供環(huán)路帶寬和鎖定調(diào)節(jié)時(shí)間 的控制；數(shù)控振蕩器增益控制電路，以數(shù)字回路濾波器的輸出為基礎(chǔ)生成用于 控制數(shù)控振蕩器的加權(quán)開關(guān)二進(jìn)制電容陣列的數(shù)字控制信號(hào)，其中所述數(shù)控振蕩器增益控制單元用于消除工藝、電壓和溫度對(duì)相位和頻率的影響；和數(shù)字控 制振蕩器，生成無線頻率信號(hào)，所述無線頻率信號(hào)被轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，頻率數(shù) 字轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步將所述中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流，其中在數(shù)字頻率數(shù)據(jù) 流鎖定于參考頻率數(shù)據(jù)流時(shí)所述鎖頻環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。再進(jìn)一步的，加權(quán)開關(guān)二進(jìn)制電容陣列根據(jù)數(shù)字控制信號(hào)的控制可切換至 高電容模式或低電容模式。更進(jìn)一步的，通過改變使用delta-sigma調(diào)制的數(shù)字控制信號(hào)的位數(shù)可獲 得輸出時(shí)鐘信號(hào)或頻率調(diào)制信號(hào)的高分辨率。這樣與現(xiàn)有技術(shù)相比，在本發(fā)明提出的技術(shù)方案中，通過對(duì)頻率校正控制 信號(hào)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)參考時(shí)鐘的頻率漂移的溫度補(bǔ)償。


圖1是本發(fā)明中的溫度補(bǔ)償頻率合成器的功能方框圖，其中所述溫度補(bǔ)償 頻率合成器包括數(shù)控鎖頻環(huán)(Digitally-Controlled Frequency-Looked Loop )和 晶體振蕩器；圖2是晶體振蕩器的未補(bǔ)償溫度頻率特性曲線圖；圖3是與晶體振蕩器的未補(bǔ)償溫度頻率特性對(duì)應(yīng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)校正溫度補(bǔ)償曲 線圖；圖4是本發(fā)明中的鎖頻環(huán)的功能方框圖，其中所述鎖頻環(huán)在參考頻率厶的 基礎(chǔ)上使用數(shù)字頻率控制字FCW( digital frequency control word )設(shè)置期望輸出頻率<formula>formula see original document page 12</formula>;圖5是本發(fā)明中的鎖頻環(huán)的另一架構(gòu)的功能方框圖，其中所述鎖頻環(huán)包括直接頻率/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(frequency-to-digital converter);圖6是本發(fā)明中的鎖頻環(huán)的功能方框圖，其中所述鎖頻環(huán)利用數(shù)控振蕩器 (digitally controlled oscillator )來替f5壓控振蕩器(voltage controlled oscillator);圖7是使用鎖頻環(huán)和壓控振蕩器的雙點(diǎn)調(diào)制架構(gòu)的方框圖；圖8是使用鎖頻環(huán)和數(shù)控振蕩器的雙點(diǎn)調(diào)制架構(gòu)的方框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合說明書附圖來說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。圖1示出了本發(fā)明中的提供溫度補(bǔ)償輸出頻率/。 ,的溫度補(bǔ)償頻率合成器 100。振蕩電路101借助晶體振蕩器117生成參考頻率信號(hào)厶。所述參考頻率 信號(hào)A用作鎖頻環(huán)107 ( Frequency-Looked Loop ,簡(jiǎn)稱FLL )的參考時(shí)鐘。 所述鎖頻環(huán)107通過利用頻率校正控制信號(hào)FCW—new (frequency corrected control signal )生成期望輸出頻率/。m。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)、目的或特點(diǎn)之一就是 通過頻率校正控制信號(hào)FCW一new對(duì)參考時(shí)鐘^的頻率漂移進(jìn)行補(bǔ)償。在一個(gè) 實(shí)施例中，頻率校正控制信號(hào)FCW_new由頻率校正單元109生成，可得其中K表示比例系數(shù)。根據(jù)比例系數(shù)K ，可以得到期望的輸出頻率信號(hào)。 頻率校正單元109用于生成頻率校正控制數(shù)據(jù)，其通常用二進(jìn)制序列表示(比如32位)，其也可以被稱為頻率校正控制字FCW—new。通過利用來自插 值邏輯單元115的頻率校正值FCWtmp來補(bǔ)償自動(dòng)頻率控制字FCWAFC(automatic frequency control data or word )得到頻率校正控制字FCW—new。 其中<formula>formula see original document page 13</formula>
所述自動(dòng)頻率控制字FCWafc包括固定頻率控制字FCW( fixed frequencycontrol signal or word )和自動(dòng)頻率校正字AFC ( automatic frequencycorrection word》在一個(gè)實(shí)施例中，固定頻率控制字FCW可以在一定范圍內(nèi)變化，這樣固定頻率控制字FCW也可以被用作頻率調(diào)制信號(hào)以生成調(diào)制輸出頻率/。^。在這里，字(word )并不一定意味著8位，它意味著用二進(jìn)制序列(比如8位、16位或32位)來表現(xiàn)數(shù)據(jù)。所述自動(dòng)頻率控制字FCWafc可以表達(dá)為下式。<formula>formula see original document page 13</formula>比如，需要生成890MHz ~ 910MHz頻率范圍的頻率調(diào)制(Frequency Modulated )ft號(hào)，固定頻率控制字FCW可以表示所述頻率范圍的二進(jìn)制序列。 隨著固定頻率控制字FCW的改變，自動(dòng)頻率控制字FCWafc也會(huì)隨之改変。 同樣，自動(dòng)頻率校正字AFC也可以用作表示所述頻率范圍的二進(jìn)制序列。這樣， 圖1所示的所述溫度補(bǔ)償頻率合成器100可以被看作具有溫度補(bǔ)償頻率的頻率 調(diào)制生成器。自動(dòng)頻率校正字AFC可由外部提供。在一個(gè)實(shí)施例中，自動(dòng)頻率校正字AFC可根據(jù)無線基站或其他精確頻率源發(fā)出的時(shí)鐘信息的確定。通過改變自動(dòng)頻率校正字AFC的值就可以對(duì)所述參考時(shí)鐘厶的頻率漂移進(jìn)行補(bǔ)償。這樣，所述參考時(shí)鐘厶可以采用低成本的簡(jiǎn)單晶體通過AFC控制數(shù)值進(jìn)行精確的溫度頻率補(bǔ)償，而不需要在晶體振蕩器電路中進(jìn)行復(fù)雜，高成本的直接頻率補(bǔ)償。在頻率調(diào)制時(shí)，作為頻率調(diào)制信號(hào)的自動(dòng)頻率校正字AFC可以用作頻率合成器100的輸入，而所述固定頻率控制字FCW用作設(shè)置所述信道的頻率。在 "3GPP TS 05.10 V8.12.0(2003-08)， Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+); Radio Subsystem Synchronization (Release 1999)"描述的GSM和WCDMA標(biāo)準(zhǔn)，需要移動(dòng)設(shè)備(比如手機(jī))的發(fā)射信號(hào)與從基站接受的信號(hào)相比具有大于0.1 ppm載波頻率精確度。這個(gè)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出最好的晶體振蕩器在沒有頻率反憤校正時(shí)所能獲得的精度。這個(gè)頻率反饋校正環(huán)在GSM標(biāo)準(zhǔn)中通常是指自動(dòng)頻率控制。所述自動(dòng)頻率控制信號(hào)是一個(gè)數(shù)字信號(hào)?，F(xiàn)有自動(dòng)頻率控制環(huán)實(shí)現(xiàn)通常會(huì)通過AFC數(shù)模轉(zhuǎn)換器將自動(dòng)頻率控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。之后，用這個(gè)模擬信號(hào)來控制片外壓控晶體振蕩器(voltage-controlled crystal oscillator, VCXO)或壓控溫度補(bǔ)償振蕩器 (voltage-controlled temperature compensated crystal oscillator, VCTCXO)的 頻率。與本發(fā)明相比，這種傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案需要采用附加的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和獨(dú)立的高質(zhì)量的模擬壓控振蕩器來達(dá)到高精度的頻率補(bǔ)償效果。數(shù)字溫度傳感器103用于感應(yīng)晶體振蕩器117周圍的溫度并給解碼邏輯單 元105提供數(shù)字溫度值。在一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字溫度值應(yīng)該具有足夠的精度禾豕蓋所述溫度補(bǔ)償頻率合成器100的需求溫度范圍和補(bǔ)償?shù)念l率精度。^Jf述解碼邏輯單元105對(duì)數(shù)字溫度進(jìn)行解碼并給頻率校正查找表111和插 值邏輯單元115提供解碼信號(hào)。所述查找表111提供適當(dāng)?shù)念l率校正信號(hào)給所 述插值邏輯單元115。換句話說，所述查找表111驅(qū)動(dòng)所述插值邏輯單元115根據(jù)解碼的數(shù)字溫度值來調(diào)整頻率校正信號(hào)FCWtmp。圖2示出了普通AT切割石英晶體振蕩器的未補(bǔ)償溫度頻率特性曲線圖， 其中所述普通AT切割石英晶體在-50。C至125°C溫度范圍內(nèi)具有大約 士10ppm的頻率穩(wěn)定性。圖3示出了與未補(bǔ)償溫度頻率特性對(duì)應(yīng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)校正 溫度補(bǔ)償曲線。如圖3所示，補(bǔ)償后的輸出的頻率漂移較未補(bǔ)償輸出的頻率漂 移大大降低。在圖3中示出了頻率溫度補(bǔ)償點(diǎn)。解碼數(shù)字溫度值與其對(duì)應(yīng)的頻率校正字 FCWtmp存儲(chǔ)與査找表111中。在生產(chǎn)或測(cè)試過程中通過比較輸出頻率/。w和期 望頻率精確測(cè)定每個(gè)溫度點(diǎn)上的頻率校正字FCWtmp。使用輸入信號(hào)DATA將 頻率校正字FCWtmp編入查找表內(nèi)。在兩個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)之間的頻率校正值，比如圖3 中的補(bǔ)償點(diǎn)A和B之間的溫度頻率校正點(diǎn)，可以由線性插值邏輯單元115估算 出來。存儲(chǔ)于查找表的補(bǔ)償點(diǎn)越多，插值獲得的頻率校正字越精確。然而，查 找表的硬件開銷也會(huì)隨著查找表中補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)目的增加而增加。在一個(gè)實(shí)施例中， 可以在滿足工作溫度范圍內(nèi)輸出頻率穩(wěn)定的情況下使查找表的尺寸最小。圖4示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的鎖頻環(huán)107的方框圖。所述鎖頻環(huán)107可以用于圖1中并根據(jù)頻率控制字FCW定義的期望輸出頻率來鎖定頻率。所 述鎖頻環(huán)107包括相位累加器120、數(shù)字頻率比較器121 、數(shù)字環(huán)路濾波器123、 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器125、低通濾波器127、壓控振蕩器129及包括分頻器133及 頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器131的反饋回路。與傳統(tǒng)工作在相域的鎖相環(huán)不同，所述鎖頻環(huán)107工作在頻域。所述鎖頻 環(huán)107的主要優(yōu)點(diǎn)在于所述頻率比較器121具有高線性度并且可以設(shè)計(jì)為全數(shù) 字邏輯電路。對(duì)于傳統(tǒng)鎖相環(huán)來說，所述相位信號(hào)是周期為2tt的周期性信號(hào)， 所述相位檢測(cè)器(或比較器)將會(huì)引入噪聲和相位突波。所述傳統(tǒng)的鎖相環(huán)通 常用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，這樣使它的設(shè)計(jì)成本增加而且難以實(shí)現(xiàn)和數(shù)字電路的自 由集成。此外，所述模擬鎖相環(huán)還對(duì)工藝、電壓和環(huán)境的變化很敏感。對(duì)于鎖頻環(huán)來說，通過設(shè)定FCW值可以產(chǎn)生任何期望的輸出頻率，其中 所述FCW值可以是前文提到的頻率校正控制信號(hào)FCW—new。頻率的精度由 相位累加器的FCW的字長(zhǎng)和參考頻率厶決定。舉例來說，參考頻率^為 50MHz , FCW的字長(zhǎng)為32位，那么頻率的精度可達(dá)到50MHz/232= 0.01Hz。通過使用數(shù)字環(huán)路濾波器123和高線性度的數(shù)字頻率比較器121 ,鎖頻環(huán) 可以獲得低噪聲和高精度信號(hào)。然而，輸出頻率/。w會(huì)隨著參考頻率/,的改變 而改變，輸出頻率/。^的頻率漂移補(bǔ)償方案可以參照上文描述。用在反饋路徑中的分頻器133可以將壓控振蕩器129生成的頻率信號(hào) 分頻至中頻信號(hào)/,f ,其中/^=/^。/*—" ， &》—"是分頻器133的分頻因子。所述頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器131提供表示其輸入信號(hào)/,f的頻率值的數(shù)字頻率數(shù) 據(jù)流Pvco。所述頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器131的作用在于利用參考頻率/,對(duì)輸入信號(hào) /,F的時(shí)鐘周期(比如上升沿或下降沿)進(jìn)行計(jì)數(shù)。預(yù)定時(shí)鐘數(shù)被標(biāo)準(zhǔn)化為數(shù)字 頻率數(shù)據(jù)流Pvco ，所述數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流Pvco將會(huì)作為數(shù)字頻率比較器121的 一個(gè)輸入。所述相位累加器120以參考頻率厶為基礎(chǔ)生成表示輸入頻率控制字FCW 設(shè)定頻率值的參考頻率數(shù)據(jù)流Posc。當(dāng)環(huán)路鎖定后，數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流Pvco應(yīng) 當(dāng)與參考頻率數(shù)據(jù)流Posc相同。所述數(shù)字頻率比較器121通過比較數(shù)字頻率 數(shù)據(jù)流Pvco和參考頻率數(shù)據(jù)流Posc產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)。隨后，所述數(shù)字環(huán)路 濾波器123對(duì)所述誤差信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。所述數(shù)字環(huán)路濾波器123提供環(huán)路 帶寬和鎖定調(diào)節(jié)時(shí)間的控制。通過使用所述數(shù)字環(huán)路濾波器123 ，可以根據(jù)鎖 頻環(huán)的需要(比如相位噪聲和調(diào)節(jié)時(shí)間)有效控制環(huán)路帶寬和鎖定調(diào)節(jié)時(shí)間。所述數(shù)字環(huán)路濾波器123的輸出被輸入至數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器125以生成一個(gè) 模擬信號(hào)。所述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器125的模擬輸出信號(hào)在經(jīng)過所述低通濾波器 127的進(jìn)一步的低通濾波后用于控制壓控振蕩器129的輸入電壓。當(dāng)環(huán)路鎖定 后，壓控振蕩器129的輸出被鎖定于頻率控制字FCW設(shè)定的期望頻率。圖5示出了本發(fā)明另一種架構(gòu)的鎖頻環(huán)500的方框圖。直接頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換 器531用于直接將壓控振蕩器VC0529的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流 Pvco。對(duì)于所述直接頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器531來說，所述頻率采樣是通過高頻輸出信號(hào)(比如VCO輸出Pvco )采樣已知低頻參考頻率厶實(shí)現(xiàn)。本架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)之 一在于由于用高頻的VCO輸出Pvco來對(duì)低頻參考頻率A進(jìn)行采樣，從而提高 了頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器531的精度。通常頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器的精度是與使用采樣頻率 成比例的。采樣頻率越高，結(jié)果越精確，噪聲越低。此外，這種架構(gòu)簡(jiǎn)化了反 饋路徑中的分頻器的設(shè)計(jì)并降低了硬件成本和相關(guān)功耗。對(duì)于不同的輸出頻率， 分頻器533可以被用于分頻壓控振蕩器的輸出A:。以得到需要輸出頻率。圖6本發(fā)明中的鎖頻環(huán)600的功能方框圖，其中所述鎖頻環(huán)600利用數(shù)控 振蕩器(digitally controlled oscillator)來替代壓控振蕩器(voltage controlled oscillator 所述數(shù)控振蕩器是通過使用數(shù)控電容陣列來替代傳統(tǒng)壓控振蕩器中 的壓控可變電容器而設(shè)計(jì)完成。加權(quán)開關(guān)二進(jìn)制電容(比如可變電容器)陣列 可以通過二進(jìn)級(jí)數(shù)字控制信號(hào)切換至高電容模式或低電容模式。通過使用 delta-sigma調(diào)制的數(shù)控位就可以獲得高分辨率的電容值。如圖6所示，相位累加器601 、數(shù)字頻率比較器603、數(shù)字環(huán)路濾波器605、 反饋路徑中的分頻器611及頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器613與圖4中的相應(yīng)模塊具有相同 的功能。所述相位累加器601以參考頻率厶為基礎(chǔ)生成表示輸入頻率控制字 FCW設(shè)定頻率值的參考頻率數(shù)據(jù)流Posc。所述頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器613提供表示 其輸入信號(hào)A的頻率值的數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流Pvco。所述數(shù)字頻率比較器603通 過比較數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流Pvco和參考頻率數(shù)據(jù)流Posc產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)。隨后， 所述數(shù)字環(huán)路濾波器605對(duì)所述誤差信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。所述數(shù)字環(huán)路濾波器605的輸出連接至數(shù)控振蕩器坩益控制單元607的輸 入，數(shù)控振蕩器增益控制單元607可以生成用于控制數(shù)控振蕩器的加權(quán)開關(guān)二 進(jìn)制電容陣列的數(shù)字控制信號(hào)。所述數(shù)控振蕩器增益控制單元607用于歸一化 數(shù)控振蕩器增益并消除來自工藝、電壓和溫度的對(duì)數(shù)控振蕩器相位和頻率的影 響。用在反憤路徑中的分頻器611可以將數(shù)控振蕩器609生成的頻率信號(hào)/^。 分頻至中頻信號(hào)/,,。所述頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器613進(jìn)一步將所述中頻信號(hào)/,,轉(zhuǎn)換 為數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流Pvco。當(dāng)環(huán)路鎖定后，通過使用數(shù)字頻率比較器603 ,數(shù)字 頻率數(shù)據(jù)流Pvco被鎖定至參考頻率數(shù)據(jù)流Posc。這樣，數(shù)控振蕩器609的輸 出被鎖定于頻率控制字FCW設(shè)定的期望頻率。如圖6所示，通過利用數(shù)控振蕩器來替代壓控振蕩器從而可以去除圖4中 的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器和低通濾波器，這樣整個(gè)鎖頻環(huán)600可以通過全數(shù)字邏輯方 式實(shí)現(xiàn)。這樣，頻率信號(hào)將不容易受到噪聲和其他環(huán)境的影響。這種架構(gòu)尤其 適合低壓、深亞微米COMS工藝，因?yàn)閭鹘y(tǒng)模擬振蕩器的的線性范圍由于低 電壓而變得很小，并且具有較高增益，這使模擬壓控振蕩器極易受到噪聲和工 作點(diǎn)漂移的影響，但是，采用數(shù)字壓控振蕩器就將不容易受到低電壓和其他環(huán) 境的因素的影響。圖7是使用鎖頻環(huán)和壓控振蕩器的雙點(diǎn)調(diào)制架構(gòu)的方框圖。所述頻率調(diào)制 信號(hào)FM是符合鎖頻環(huán)輸入的頻率校正字FCW頻率格式表示的調(diào)制信號(hào)相位 差。所述調(diào)制數(shù)據(jù)FW被注入鎖頻環(huán)的兩點(diǎn)用于直接頻率調(diào)制。在一個(gè)注入點(diǎn)，利用加法器723將所述調(diào)制數(shù)據(jù)FW與FCW和AFC數(shù)字字加在一起。之后， 將這個(gè)合成調(diào)制數(shù)據(jù)FCW"轉(zhuǎn)換為表示輸入頻率控制字FCW"設(shè)定頻率值的參 考頻率數(shù)據(jù)流Posc。在另一個(gè)注入點(diǎn)，首先利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器721將所述調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信 號(hào)，之后利用加法器717將所述模擬信號(hào)加入壓控振蕩器709的輸入控制信號(hào) 中。這種注入調(diào)制信號(hào)將直接調(diào)制壓控振蕩器的輸出并導(dǎo)致頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器 713產(chǎn)生的頻率數(shù)據(jù)流Pvco的變化。由FM調(diào)制信號(hào)的注入引起的頻率數(shù)據(jù)流 Pvco和參考頻率數(shù)據(jù)流Pose的變化將會(huì)在數(shù)字頻率比較器701的輸出上相互 抵消。這樣，在通過頻率校正字FCW鎖定信道頻率及利用自動(dòng)頻率校正字AFC 來補(bǔ)償頻率漯移時(shí)，所述環(huán)路濾波器703可以工作在很窄帶寬上以降低輸出的 雜散頻率和噪聲。由于在所述鎖頻環(huán)追蹤載波頻率時(shí)不需寬帶調(diào)制信號(hào)經(jīng)過環(huán) 路低通濾波器，所以該鎖頻環(huán)可以工作在窄環(huán)路帶寬條件下，以降低輸出的雜 散頻率。在開環(huán)狀態(tài)時(shí)，利用自適應(yīng)增益控制單元直接將所述寬帶頻率調(diào)制信 號(hào)用于調(diào)制VCO。這樣，可以同時(shí)獲得對(duì)寬帶信號(hào)的調(diào)制和低輸出噪聲的頻率 合成和調(diào)制的要求。為了補(bǔ)償壓控振蕩器709由于工藝、電壓和溫度漂移的非線性對(duì)調(diào)制信號(hào) 的影響，自適應(yīng)增益控制單元719用來將數(shù)字頻率比較器701生成的頻率誤差 作為輸入，根據(jù)接收到的頻率誤差按比例縮放調(diào)制信號(hào)FM以自適應(yīng)改變壓控 振蕩器的增益，達(dá)到對(duì)壓控振蕩器調(diào)制線性化的要求。圖8是使用鎖頻環(huán)和數(shù)控振蕩器的雙點(diǎn)調(diào)制架構(gòu)的方框圖，它使用了以數(shù) 控振蕩器為基礎(chǔ)的鎖頻環(huán)830。所述頻率調(diào)制信號(hào)FM被注入鎖頻環(huán)的兩點(diǎn)， 其中一個(gè)是加法器823點(diǎn)，它導(dǎo)致參考頻率數(shù)據(jù)流Pose的改變，另一個(gè)是加 法器807點(diǎn)，它導(dǎo)致頻率數(shù)據(jù)流Pvco的改變。頻率數(shù)據(jù)流Pvco和參考頻率 數(shù)據(jù)流Pose的變化將會(huì)在數(shù)字頻率比較器801的輸出上相互抵消。為了補(bǔ)償數(shù)控振蕩器增益由于工藝、電壓和溫度漂移的影響，在調(diào)制信號(hào) FM注入數(shù)控振蕩器809的輸入前，自適應(yīng)增益控制單元819會(huì)根據(jù)數(shù)字頻率 比較器801產(chǎn)生的頻率誤差信號(hào)的大小對(duì)調(diào)制信號(hào)FM進(jìn)行增益修正，以使比 較器801產(chǎn)生的頻率誤差信號(hào)值最小。圖8所示的鎖頻環(huán)可以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字電路 的寬帶頻率調(diào)制。本發(fā)明除上述方式實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的合成和調(diào)制外也可以采用其他不同的方式 實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明可用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)集成電路或系統(tǒng)集成芯片的穩(wěn) 定的時(shí)鐘頻率合成。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明可用于調(diào)制信號(hào)頻率。在另外 一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明可用于儀器儀表中通過手動(dòng)控制合成各種不同頻率的信 號(hào)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā) 明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種頻率合成器，其特征在于，其包括以來自晶體振蕩器的參考頻率為基礎(chǔ)運(yùn)行的鎖頻環(huán)；頻率校正單元，以第一參數(shù)和第二參數(shù)為基礎(chǔ)生成數(shù)字頻率校正控制字，所述第一參數(shù)是自動(dòng)頻率校正字和固定頻率控制字的結(jié)合；插值邏輯單元，用于生成表示溫度變化補(bǔ)償?shù)牡诙?shù)；其中，當(dāng)?shù)谝粎?shù)為常數(shù)時(shí)所述鎖頻環(huán)生成定時(shí)時(shí)鐘信號(hào)或當(dāng)?shù)谝粎?shù)為表示調(diào)制信號(hào)的頻率改變的二進(jìn)制序列時(shí)所述鎖頻環(huán)生成頻率調(diào)制信號(hào)。
2、 如權(quán)利要求1所述的頻率合成器，其特征在于，/。^表示所述輸出時(shí)鐘 信號(hào)，/ 表示參考頻率，F(xiàn)C,-"ew表示所述數(shù)字頻率校正控制字，則有下式其中K表示比例系數(shù)K。
3、 如權(quán)利要求2所述的頻率合成器，其特征在于，通過調(diào)整比例系數(shù)K 使輸出時(shí)鐘信號(hào)達(dá)到期望頻率。
4、 如權(quán)利要求3所述的頻率合成器，其特征在于，所述數(shù)字頻率校正控 制字對(duì)參考頻率的頻率漂移進(jìn)行補(bǔ)償以至于所述輸出時(shí)鐘信號(hào)不受溫度變化影 響而保持穩(wěn)定。
5、 如權(quán)利要求4所述的頻率合成器，其特征在于，所述固定頻率控制字是由外部提供，其是表示輸出時(shí)鐘信號(hào)期望頻率的二進(jìn)制序列。
6、 如權(quán)利要求5所述的頻率合成器，其特征在于，根據(jù)精確的頻率源確 定所述自動(dòng)頻率校正字。
7、 如權(quán)利要求6所述的頻率合成器，其特征在于，所述精確的頻率源是 無線基站發(fā)射的時(shí)鐘信息。
8、 如權(quán)利要求1所述的頻率合成器，其特征在于，其進(jìn)一步包括 數(shù)字溫度傳感器，用于感應(yīng)包括所述頻率合成器所在集成電路的溫度在內(nèi)的周圍溫度；解碼邏輯單元，與數(shù)字溫度傳感器相連接，接收并解碼來自數(shù)字溫度傳感 器的數(shù)字溫度測(cè)量值；查找表，用于存儲(chǔ)頻率校正信號(hào)和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并驅(qū)動(dòng)插值邏輯單元 調(diào)整第二參數(shù)。
9、 如權(quán)利要求1所述的頻率合成器，其特征在于，所述鎖頻環(huán)包括 數(shù)字相位累加器，從所述頻率校正單元接收數(shù)字頻率校正控制字，其中所述時(shí)鐘信號(hào)或頻率調(diào)制信號(hào)的頻率精度是由數(shù)字相位累加器的字長(zhǎng)和參考頻率 決定；數(shù)字頻率比較器，比較數(shù)字相位累加器的輸出和包括分頻器與頻率數(shù)字轉(zhuǎn) 換器的反饋回路的輸出；數(shù)字回路濾波器，與數(shù)字頻率比較器相連接，用于對(duì)數(shù)字頻率比較器輸出的誤差信號(hào)進(jìn)行濾波，其中所述數(shù)字回路濾波器提供環(huán)路帶寬和鎖定調(diào)節(jié)時(shí)間的控制；數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，與數(shù)字回路濾波器相連接，接收數(shù)字回路濾波器的輸出 以生成模擬信號(hào)；低通濾波器，用于對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，所述模擬信號(hào)進(jìn)一步控制了 壓控振蕩器的輸入電壓，其中在壓控振蕩器的輸出鎖定于期望頻率時(shí)所述鎖頻 環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
10、 如權(quán)利要求9所述的頻率合成器，其特征在于，所述鎖頻環(huán)進(jìn)一步包括直接頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于利用參考頻率將壓控振蕩器的輸出信號(hào)直接轉(zhuǎn) 換成數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流。
11、 如權(quán)利要求9所述的頻率合成器，其特征在于，所述鎖頻環(huán)進(jìn)一步包括直接頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于利用壓控振蕩器的輸出信號(hào)對(duì)參考頻率進(jìn)行采 樣從而直接將壓控振蕩器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流。
12、 如權(quán)利要求11所述的頻率合成器，其特征在于，所述鎖頻環(huán)進(jìn)一步包括用于對(duì)壓控振蕩器的輸出進(jìn)行分頻以獲得所述時(shí)鐘信號(hào)的分頻器。
13、 如權(quán)利要求8所述的頻率合成器，其特征在于，所述鎖頻環(huán)包括數(shù)字相位累加器，從所述頻率校正單元接收數(shù)字頻率校正控制字并生成參 考頻率數(shù)據(jù)流，其中所述時(shí)鐘信號(hào)或頻率調(diào)制信號(hào)的頻率精度是由數(shù)字相位累加器的字長(zhǎng)和參考頻率決定；數(shù)字頻率比較器，比較數(shù)字相位累加器的輸出和包括分頻器與頻率數(shù)字轉(zhuǎn) 換器的反饋回路的輸出；數(shù)字回路濾波器，與數(shù)字頻率比較器相連接，用于對(duì)數(shù)字頻率比較器輸出 的誤差信號(hào)進(jìn)行濾波，其中所述數(shù)字回路濾波器提供環(huán)路帶寬和鎖定調(diào)節(jié)時(shí)間 的控制；數(shù)控振蕩器增益控制電路，以數(shù)字回路濾波器的輸出為基礎(chǔ)生成用于控制 數(shù)控振蕩器的加權(quán)開關(guān)二進(jìn)制電容陣列的數(shù)字控制信號(hào)，其中所述數(shù)控振蕩器 增益控制單元用于消除工藝、電壓和溫度對(duì)相位和頻率的影響；和數(shù)字控制振蕩器，生成無線頻率信號(hào)，所述無線頻率信號(hào)被轉(zhuǎn)換為中頻信 號(hào)，頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步將所述中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流，其中在數(shù) 字頻率數(shù)據(jù)流鎖定于參考頻率數(shù)據(jù)流時(shí)所述鎖頻環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
14、 如權(quán)利要求13所述的頻率合成器，其特征在于，加權(quán)開關(guān)二進(jìn)制電 容陣列根據(jù)數(shù)字控制信號(hào)的控制可切換至高電容模式或低電容模式。
15、 如權(quán)利要求14所述的頻率合成器，其特征在于，通過改變使用 delta-sigma調(diào)制的數(shù)字控制信號(hào)的位數(shù)可獲得時(shí)鐘信號(hào)或頻率調(diào)制信號(hào)的高 分辨率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種頻率合成器，其包括以來自晶體振蕩器的參考頻率為基礎(chǔ)運(yùn)行的鎖頻環(huán)、頻率校正單元、插值邏輯單元。其中，所述頻率校正單元以第一參數(shù)和第二參數(shù)為基礎(chǔ)生成數(shù)字頻率校正控制字，所述第一參數(shù)是自動(dòng)頻率校正字和固定頻率控制字的結(jié)合。所述插值邏輯單元用于生成表示溫度變化補(bǔ)償?shù)牡诙?shù)。其中，當(dāng)?shù)谝粎?shù)為常數(shù)時(shí)所述鎖頻環(huán)生成固定的時(shí)鐘信號(hào)或當(dāng)?shù)谝粎?shù)為表示調(diào)制信號(hào)的頻率改變的二進(jìn)制序列時(shí)所述鎖頻環(huán)生成頻率調(diào)制信號(hào)。通過對(duì)頻率校正控制字的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)參考時(shí)鐘的頻率漂移的溫度補(bǔ)償。
文檔編號(hào)H03B5/00GK101272142SQ200810037670
公開日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2008年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月20日
發(fā)明者曹偉勛 申請(qǐng)人:曹秀娟