專利名稱：混合模式鎖相環(huán)及減少全數(shù)字鎖相環(huán)中分?jǐn)?shù)雜散的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種全數(shù)字鎖相環(huán)(All Digital Phase Locked Loop, ADPLL), 更具體地，是關(guān)于一種混合模式鎖相環(huán)(mixed-mode PLL)及用于減少全數(shù)字鎖相環(huán)中的分 數(shù)雜散(fractional spur)的方法。
背景技術(shù)：
通常，全數(shù)字鎖相環(huán)成本低且性能優(yōu)良。然而，與作為無(wú)線應(yīng)用最常用架構(gòu)的傳統(tǒng) 基于電荷泵的分?jǐn)?shù)-N型鎖相環(huán)相比，全數(shù)字鎖相環(huán)的分?jǐn)?shù)-N型操作會(huì)引發(fā)較高的分?jǐn)?shù)雜散。在傳統(tǒng)三角積分分?jǐn)?shù)式鎖相環(huán)中，分?jǐn)?shù)雜散是由環(huán)路的非線性(如電荷泵電流不 匹配)與反饋頻率(clock feed-through)所引發(fā)。然而，引發(fā)的該分?jǐn)?shù)雜散可通過(guò)無(wú)源 低通濾波器(passive low pass filter)抑制至零，以使電路設(shè)計(jì)更具魯棒性(robust)。 另一方面，對(duì)圖1所示的全數(shù)字鎖相環(huán)而言，環(huán)路的非線性是由時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time to Digital Converter,TDC)與數(shù)控振蕩器(Digital Controlled 0scillator，DC0)的量化誤 差/非線性/亞穩(wěn)定性所引發(fā)。由于受限于數(shù)控振蕩器的量化誤差，該數(shù)字環(huán)路濾波器的 分辨率有限，因此，由該非線性引發(fā)的雜散無(wú)法通過(guò)數(shù)字低通濾波器或數(shù)字算法過(guò)濾至零。 結(jié)果導(dǎo)致在全數(shù)字鎖相環(huán)中存在分?jǐn)?shù)雜散。相應(yīng)地，若數(shù)控振蕩器的量化誤差可降低，則數(shù) 字環(huán)路濾波器的分辨率可更接近于模擬環(huán)路濾波器。因此，數(shù)字低通濾波器與數(shù)字算法可 更有效地消除雜散。為提高數(shù)控振蕩器的分辨率，推薦使用頻率抖動(dòng)(frequency dithering)技術(shù)以 獲取較高分辨率的平均頻率。盡管使用該技術(shù)可降低由量化誤差引發(fā)的噪聲，但該技術(shù)仍 然無(wú)法消除分?jǐn)?shù)雜散。這是因?yàn)槎唐诘臄?shù)控振蕩器的量化誤差仍然存在于輸出信號(hào)中。該 暫態(tài)(transient)量化誤差將于該環(huán)路中進(jìn)行采樣，并通過(guò)該時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的增益變化 而放大。另外，由于所需M0S電容的構(gòu)造小于高階處理可提供的構(gòu)造，因此，不可能實(shí)現(xiàn)較 低的數(shù)控振蕩器的量化誤差。圖1為傳統(tǒng)的基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分?jǐn)?shù)-N型全數(shù)字鎖相環(huán)的方塊示意圖。時(shí) 間數(shù)字轉(zhuǎn)換器將相位誤差轉(zhuǎn)換入數(shù)字域，然后，數(shù)字環(huán)路濾波器處理該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。該數(shù)控振 蕩器將該數(shù)字環(huán)路濾波器的輸出轉(zhuǎn)換至?xí)r域。由于該輸出的量化誤差由該數(shù)控振蕩器的分 辨率來(lái)決定，而非由該數(shù)字環(huán)路濾波器來(lái)決定，因此，需要數(shù)字調(diào)制器來(lái)提高該數(shù)控振蕩器 的平均頻率分辨率。圖2 (圖2A與圖2B)為用于圖1所示傳統(tǒng)的基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分?jǐn)?shù)_N型全 數(shù)字鎖相環(huán)的傳統(tǒng)數(shù)控振蕩器的功能方塊示意圖。在該數(shù)控振蕩器中使用切換電容陣列 (或可變電容陣列)以數(shù)字化控制該LC震蕩器的頻率。該電容陣列根據(jù)輸出信號(hào)裝置的 大小分為整數(shù)部分與分?jǐn)?shù)部分。為了消除由整數(shù)比特與分?jǐn)?shù)比特的不匹配引發(fā)的非單調(diào) (non-monotonic)的數(shù)控振蕩器增益，使用動(dòng)態(tài)元件匹配(Dynamic Element Match, DEM) 技術(shù)。圖3所示為三角積分調(diào)制器的輸出信號(hào)示意圖。如圖3所示，由三角積分調(diào)制器(Sigma-Delta Modulator, SDM)所產(chǎn)生的高速抖動(dòng)信號(hào)用以調(diào)制單元電容，從而達(dá)到較高 的數(shù)控振蕩器的平均頻率分辨率。通過(guò)在頻率fl與fl+Af之間觸變(toggling)該數(shù)控 振蕩器，從而達(dá)到期望的高分辨率。長(zhǎng)期平均的該頻率分辨率小于量化誤差A(yù) f，但是短期 的量化誤差仍然等于Af。

發(fā)明內(nèi)容
為消除量化誤差引發(fā)的分?jǐn)?shù)雜散，本發(fā)明提供一種混合模式鎖相環(huán)及用于減少全 數(shù)字鎖相環(huán)中的分?jǐn)?shù)雜散的方法。本發(fā)明提供一種混合模式鎖相環(huán)，包含數(shù)字三角積分調(diào)制器，用以接收分?jǐn)?shù)比特 信號(hào)并產(chǎn)生第一輸出信號(hào)；低通濾波器，耦接于該數(shù)字三角積分調(diào)制器，該低通濾波器接收 該第一輸出信號(hào)，并將該第一輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)；數(shù)控振蕩器，動(dòng)態(tài)耦接于該低 通濾波器并接收該模擬控制信號(hào)。本發(fā)明另提供一種用于減少全數(shù)字鎖相環(huán)中的分?jǐn)?shù)雜散的方法，包含對(duì)整數(shù)比 特信號(hào)執(zhí)行三角積分調(diào)制，以產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)；將該數(shù)字輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)； 以及根據(jù)該模擬控制信號(hào)控制數(shù)控振蕩器的輸出頻率。本發(fā)明所提供的混合模式鎖相環(huán)及用于減少全數(shù)字鎖相環(huán)中的分?jǐn)?shù)雜散的方法， 通過(guò)提高數(shù)控振蕩器的短期頻率分辨率來(lái)消除分?jǐn)?shù)雜散。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，僅需增加簡(jiǎn)單模 擬低通濾波器以及重新安排傳統(tǒng)全數(shù)字鎖相環(huán)所用的數(shù)控振蕩器中的切換器。因此，利用 本發(fā)明可減少雜散，從而使電路達(dá)到較優(yōu)的性能。以下是根據(jù)多個(gè)圖式對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀 后應(yīng)可明確了解本發(fā)明的目的。


圖1為傳統(tǒng)的基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分?jǐn)?shù)-N型全數(shù)字鎖相環(huán)的方塊示意圖。圖2 (圖2A與圖2B)為用于圖1所示傳統(tǒng)的基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分?jǐn)?shù)_N型全 數(shù)字鎖相環(huán)的傳統(tǒng)數(shù)控振蕩器的功能方塊示意圖。圖3所示為三角積分調(diào)制器的輸出信號(hào)示意圖。圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的混合模式鎖相環(huán)示意圖。圖5A所示為本發(fā)明所揭露實(shí)施例的概念說(shuō)明示意圖。圖5B所示為圖5A所示數(shù)控振蕩器530的特性說(shuō)明示意圖。圖6為應(yīng)用和未應(yīng)用本發(fā)明所提出的雜散減少技術(shù)而分別得到的已測(cè)相位噪聲 的示意圖。圖7所示為根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的減少全數(shù)字鎖相環(huán)中的分?jǐn)?shù)雜散的方法流 程圖。
具體實(shí)施例方式在說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求當(dāng)中使用了某些詞匯來(lái)指稱特定的組件。所屬領(lǐng)域中技術(shù)人 員應(yīng)可理解，硬件制造商可能會(huì)用不同的名詞來(lái)稱呼同一個(gè)組件。本說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求并 不以名稱的差異來(lái)作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來(lái)作為區(qū)分的準(zhǔn)則。在通篇說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求當(dāng)中所提及的“包含”為一開(kāi)放式的用語(yǔ)，故應(yīng)解釋成“包含但不 限定于”。說(shuō)明書(shū)后續(xù)描述為實(shí)施本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，然該描述乃以說(shuō)明本發(fā)明的一般 原則為目的，并非用以限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求所界定 者為準(zhǔn)。圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的混合模式鎖相環(huán)示意圖。在圖4中，該混合模 式鎖相環(huán)包含數(shù)字三角積分調(diào)制器410、熱碼譯碼器(thermal code decoder) 420、邊緣檢 測(cè)器430、低通濾波器440以及數(shù)控振蕩器450。數(shù)字三角積分調(diào)制器410接收分?jǐn)?shù)比特信 號(hào)。熱碼譯碼器420接收整數(shù)比特信號(hào)。低通濾波器440耦接于數(shù)字三角積分調(diào)制器410。 低通濾波器440接收數(shù)字三角積分調(diào)制器410的輸出信號(hào)，并將該輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬控 制信號(hào)。數(shù)控振蕩器450包含多個(gè)可變電容C。該多個(gè)可變電容C中的每一個(gè)動(dòng)態(tài)耦接于 低通濾波器440，且該多個(gè)可變電容C中的每一個(gè)通過(guò)相應(yīng)的傳輸門(mén)(Transmission Gate) TP接收該模擬控制信號(hào)。該多個(gè)傳輸門(mén)TP中的每一個(gè)由邊緣檢測(cè)器430中相應(yīng)的異或門(mén) (exclusive-or gate，X0R gate) X0R控制。異或門(mén)X0R中的每一個(gè)接收兩個(gè)相鄰的比特(N/ N+l，N-l/N, N-2/N-1.)，該多個(gè)比特來(lái)自熱碼譯碼器420的輸出信號(hào)。通過(guò)異或門(mén)X0R， 邊緣檢測(cè)器430決定該多個(gè)可變電容C中的何者耦接于低通濾波器440。圖5A所示為本發(fā)明所揭露實(shí)施例的概念說(shuō)明示意圖。無(wú)源低通濾波器520添加于 數(shù)字三角積分調(diào)制器510的輸出端，用以對(duì)全擺幅(full-swing)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波，以產(chǎn) 生模擬控制信號(hào)，該模擬控制信號(hào)用以控制具有20KHz/V數(shù)控振蕩器增益的單位電容。如 圖5A所示，頻率變化是連續(xù)的，從而消除了數(shù)控振蕩器530的短期量化誤差。盡管抖動(dòng)信號(hào) 的數(shù)字性質(zhì)轉(zhuǎn)換至模擬域，但數(shù)控振蕩器530仍保留其對(duì)熱力、基體和切換噪聲的抗擾性， 其中，該基體和切換噪聲是由低增益20KHz/V所引發(fā)，20KHz/V僅為模擬鎖相環(huán)中所用傳統(tǒng) 壓控振蕩器的增益的1/1000。圖5B所示為圖5A所示數(shù)控振蕩器530的特性說(shuō)明示意圖。由于分?jǐn)?shù)比特的模擬信號(hào)與整數(shù)比特的數(shù)字信號(hào)在本結(jié)構(gòu)中無(wú)法進(jìn)行數(shù)字化交 換，因此，無(wú)法使用動(dòng)態(tài)組件匹配技術(shù)。為了在不使用動(dòng)態(tài)組件匹配技術(shù)的條件下消除非單 調(diào)的頻率增益，本發(fā)明重新安排圖4所示的多個(gè)可變電容C的連接。所有可變電容C共享 模擬低通濾波器440，并且低通濾波器440通過(guò)邊緣檢測(cè)信號(hào)動(dòng)態(tài)耦接于該多個(gè)可變電容C 中的一個(gè)，以降低成本并減少低通濾波器440中的電阻的熱噪聲引發(fā)的相位噪聲。邊緣檢 測(cè)器430檢測(cè)該熱碼的暫態(tài)比特并決定耦接于模擬低通濾波器440的可變電容應(yīng)為何者， 其中，該決定的可變電容將充當(dāng)數(shù)控振蕩器450的分?jǐn)?shù)比特。熱碼譯碼器420用以于該整 數(shù)比特被觸變時(shí)保證電容的單調(diào)性。由于當(dāng)分?jǐn)?shù)碼上溢(overflow)或下溢(underflow)時(shí)，數(shù)字三角積分調(diào)制器410 的輸出信號(hào)的分?jǐn)?shù)比特關(guān)閉或打開(kāi)以作為該整數(shù)比特，因此電容是不連續(xù)的。維持?jǐn)?shù)控振 蕩器的單調(diào)性以消除增加噪聲與雜散的可能性，其中，該噪聲與雜散的增加是由于該數(shù)控 振蕩器的非單調(diào)的頻率增益所引發(fā)的正反饋所引發(fā)的。在0. 13um的CMOS技術(shù)中采用了硅原型。圖6為應(yīng)用和未應(yīng)用本發(fā)明所提出的雜 散減少技術(shù)而分別得到的已測(cè)相位噪聲的示意圖。如圖6所示，即使當(dāng)應(yīng)用高階數(shù)字低通 濾波器與數(shù)字算法(如相位抵消算法)時(shí)，仍然存在分?jǐn)?shù)雜散。當(dāng)應(yīng)用本發(fā)明提出的技術(shù) 時(shí)，分?jǐn)?shù)雜散小于相位噪聲基底(noise floor)，這暗示減少了大于9dB的雜散。無(wú)論是否 應(yīng)用本發(fā)明的雜散減少技術(shù)，400KHZ的噪聲基底為輸出信號(hào)。這意味著用于傳統(tǒng)數(shù)控振蕩器中的頻率抖動(dòng)真正減少了相位噪聲，但卻未消除分?jǐn)?shù)雜散。與傳統(tǒng)數(shù)控振蕩器相比，用于 實(shí)施無(wú)源低通濾波器及M0S切換器所需的額外硅區(qū)域僅為0. 02mm2。圖7所示為根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的減少全數(shù)字鎖相環(huán)中的分?jǐn)?shù)雜散的方法流 程圖。該方法包含對(duì)整數(shù)比特信號(hào)執(zhí)行三角積分調(diào)制并產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)(步驟710)，將 該數(shù)字輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)(步驟720)，以及根據(jù)該模擬控制信號(hào)控制數(shù)控振蕩 器的輸出頻率(步驟730)。本發(fā)明提供了一種減少雜散的技術(shù)，通過(guò)提高數(shù)控振蕩器的短期頻率分辨率來(lái)消 除分?jǐn)?shù)雜散。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，僅需增加一個(gè)或多個(gè)簡(jiǎn)單模擬低通濾波器以及重新安排傳統(tǒng) 全數(shù)字鎖相環(huán)所用的數(shù)控振蕩器中的切換器。上述的實(shí)施例僅用來(lái)例舉本發(fā)明的實(shí)施方式，以及闡釋本發(fā)明的技術(shù)特征，并非 用來(lái)限制本發(fā)明的范疇。任何熟悉此技術(shù)者可輕易完成的改變或均等性的安排均屬于本發(fā) 明所主張的范圍，本發(fā)明的權(quán)利范圍應(yīng)以權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種混合模式鎖相環(huán)，其特征在于，該混合模式鎖相環(huán)包含數(shù)字三角積分調(diào)制器，用以接收分?jǐn)?shù)比特信號(hào)并產(chǎn)生第一輸出信號(hào)；低通濾波器，耦接于該數(shù)字三角積分調(diào)制器，該低通濾波器接收該第一輸出信號(hào)，并將該第一輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)；數(shù)控振蕩器，動(dòng)態(tài)耦接于該低通濾波器并接收該模擬控制信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的混合模式鎖相環(huán)，其特征在于，該數(shù)控振蕩器包括至少一個(gè)可 變電容，該至少一個(gè)可變電容中的每一個(gè)耦接于熱碼譯碼器，其中該熱碼譯碼器用以接收 整數(shù)比特信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的混合模式鎖相環(huán)，其特征在于，該至少一個(gè)可變電容中的每一 個(gè)動(dòng)態(tài)耦接于該低通濾波器，以及該至少一個(gè)可變電容中的每一個(gè)通過(guò)傳輸門(mén)接收該模擬 控制信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的混合模式鎖相環(huán)，其特征在于，該傳輸門(mén)由邊緣檢測(cè)器中相應(yīng) 的異或門(mén)來(lái)控制。
5.如權(quán)利要求4所述的混合模式鎖相環(huán)，其特征在于，該異或門(mén)用以接收來(lái)自該熱碼 譯碼器的第二輸出信號(hào)的兩個(gè)相鄰的比特。
6.如權(quán)利要求1所述的混合模式鎖相環(huán)，其特征在于，該數(shù)控振蕩器通過(guò)邊緣檢測(cè)器 耦接于熱碼譯碼器，以及該第一輸出信號(hào)確定該至少一個(gè)可變電容是否耦接于該低通濾波器。
7.如權(quán)利要求6所述的混合模式鎖相環(huán)，其特征在于，該邊緣檢測(cè)器包含異或門(mén)，該異 或門(mén)用以接收相鄰的比特。
8.一種用于減少全數(shù)字鎖相環(huán)中的分?jǐn)?shù)雜散的方法，其特征在于，該用于減少全數(shù)字 鎖相環(huán)中的分?jǐn)?shù)雜散的方法包含對(duì)整數(shù)比特信號(hào)執(zhí)行三角積分調(diào)制，以產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)；將該數(shù)字輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)；以及根據(jù)該模擬控制信號(hào)控制數(shù)控振蕩器的輸出頻率。
9.如權(quán)利要求8所述的用于減少全數(shù)字鎖相環(huán)中的分?jǐn)?shù)雜散的方法，其特征在于，三 角積分調(diào)制由三角積分調(diào)制器執(zhí)行。
10.如權(quán)利要求8所述的用于減少全數(shù)字鎖相環(huán)中的分?jǐn)?shù)雜散的方法，其特征在于，該 數(shù)字輸出信號(hào)通過(guò)低通濾波器轉(zhuǎn)換為該模擬控制信號(hào)。
全文摘要
一種混合模式鎖相環(huán)及用于減少全數(shù)字鎖相環(huán)中的分?jǐn)?shù)雜散的方法。其中一種混合模式鎖相環(huán)包含數(shù)字三角積分調(diào)制器，接收分?jǐn)?shù)比特信號(hào)并產(chǎn)生第一輸出信號(hào)；低通濾波器，耦接于該數(shù)字三角積分調(diào)制器，該低通濾波器接收該第一輸出信號(hào)，并將該第一輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)；數(shù)控振蕩器，動(dòng)態(tài)耦接于該低通濾波器并接收該模擬控制信號(hào)。本發(fā)明通過(guò)提高數(shù)控振蕩器的短期頻率分辨率來(lái)消除分?jǐn)?shù)雜散，使電路達(dá)到較優(yōu)的性能。
文檔編號(hào)H03L7/08GK101841326SQ200910148320
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2009年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月16日
發(fā)明者張湘輝, 汪炳穎 申請(qǐng)人:聯(lián)發(fā)科技股份有限公司