專利名稱：鎖相環(huán)及其壓控振蕩器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及鎖相環(huán)，尤其涉及一種自動頻率控制的壓控振蕩器及包含該壓控振蕩器的鎖相環(huán)。
背景技術：
在現(xiàn)有技術中，常用的鎖相環(huán)電路如圖I所示，壓控振蕩器14產(chǎn)生輸出信號fo，它的頻率受調諧電壓Vctrl控制，可編程分頻器11根據(jù)接收到的分頻數(shù)控制信號對輸出信號fo進行分頻后產(chǎn)生反饋信號fb，反饋信號fb被傳送給鑒頻鑒相器12 (反饋信號fb的頻率等于fo/N，其中N為可編程分頻器11的分頻倍數(shù))，鑒頻鑒相器12將反饋信號fb和參考時鐘fr進行相位和頻率比較，根據(jù)比較的結果來控制電荷泵13對調諧電壓Vctrl進行充 電或者放電，調諧電壓Vctrl再來控制壓控振蕩器14，最終使得fb = fr,即壓控振蕩器14的輸出信號fo的頻率等于NXfr (其中N為可編程分頻器11的分頻倍數(shù)，fr為參考時鐘的頻率)。在很多應用場合，常要求鎖相環(huán)具有寬的頻率鎖定范圍，即要求壓控振蕩器具有寬的調諧范圍，即其輸出信號頻率能覆蓋較寬的頻段。隨著工藝技術的發(fā)展，芯片電源電壓不斷下降，調諧電壓范圍也不斷減小。寬的調諧范圍和小的調諧電壓將導致比較大的壓控振蕩器增益，這樣將會使壓控振蕩器更容易受到外界干擾的影響，相位噪聲性能惡化，進而影響鎖相環(huán)的性能。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題是提供一種鎖相環(huán)及其壓控振蕩器，能夠擴大鎖相環(huán)頻率鎖定范圍而不影響相位噪聲性能。為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種壓控振蕩器，包括壓控振蕩器組合模塊，所述壓控振蕩器組合模塊包含兩個或更多個子振蕩器以及與各個子振蕩器的輸出端相連的選擇開關，其中各個子振蕩器具有不同的輸出信號頻段，且相鄰的兩個頻段之間具有交疊；電壓控制裝置，接收外部的調諧電壓并生成窗口上限電壓和窗口下限電壓，由充電控制信號控制，將所述調諧電壓、窗口上限電壓、窗口下限電壓其中之一作為控制電壓輸出至所述壓控振蕩器組合模塊中的各個子振蕩器，以控制各子振蕩器的輸出信號頻率；電壓監(jiān)測模塊，監(jiān)測所述電壓控制裝置輸出的控制電壓，在所述控制電壓大于所述窗口上限電壓或小于所述窗口下限電壓時產(chǎn)生觸發(fā)信號；自動頻率控制單元，接收所述壓控振蕩器組合模塊產(chǎn)生的對外輸出信號、以及外部的目標頻率、參考時鐘，由所述電壓監(jiān)測裝置產(chǎn)生的觸發(fā)信號觸發(fā)，產(chǎn)生控制所述選擇開關選擇其中一個子振蕩器的輸出信號作為對外輸出信號的子振蕩器選擇信號以及所述充電控制信號，直至所述目標頻率落入當前被選擇的子振蕩器的輸出信號頻段內(nèi)?？蛇x地，所述壓控振蕩器還包括[0011]預分頻器，所述對外輸出信號經(jīng)由所述預分頻器分頻后輸入至所述自動頻率控制單元?？蛇x地，所述壓控振蕩器組合模塊還包括連接在各個子振蕩器的輸出端的數(shù)控電容陣列，所述自動頻率控制單元由所述觸發(fā)信號觸發(fā)還產(chǎn)生對所述數(shù)控電容陣列的等效電容值進行調節(jié)的電容選擇信號?？蛇x地，所述數(shù)控電容陣列包括并聯(lián)的多個數(shù)控電容單元，其中每個數(shù)控電容單元包括:第一電容，一個極板連接所述子振蕩器的正相輸出端；第一 MOS晶體管，其漏極連接所述第一電容的另一個極板，源極接地，柵極接收所述電容選擇信號；第二電容，一個極板連接所述子振蕩器的反相輸出端；第二 MOS晶體管，其漏極連接所述第二電容的另一個極板，源極接地，柵極接收所述電容選擇信號?？蛇x地,所述自動頻率控制單元包括頻率計算模塊，由所述觸發(fā)信號觸發(fā)，根據(jù)所述參考時鐘和經(jīng)由所述預分頻器分頻后的對外輸出信號計算所述對外輸出信號的頻率；頻率比較模塊，由所述觸發(fā)信號觸發(fā)，將所述輸出信號的頻率與所述目標頻率進行比較；子頻段搜索模塊，由所述觸發(fā)信號觸發(fā)，根據(jù)所述頻率比較模塊輸出的比較結果產(chǎn)生所述子振蕩器選擇信號、電容選擇信號和充電控制信號，以對各個子振蕩器進行選擇、調節(jié)所述數(shù)控電容陣列的等效電容、切換所述電壓控制裝置輸出的控制電壓，直至所述目標頻率落入當前被選擇的子振蕩器在數(shù)控電容陣列當前的等效電容值下的子頻段內(nèi)?？蛇x地，所述電壓控制裝置包括電阻網(wǎng)絡，一端連接電源，另一端接地，分壓產(chǎn)生所述窗口上限電壓和窗口下限電壓；第一開關，其輸入端接收所述窗口上限電壓，其控制端受所述充電控制信號控制；第二開關，其輸入端接收所述窗口下限電壓，其控制端受所述充電控制信號控制；電壓跟隨器，其輸入端連接所述第一開關的輸出端和所述第二開關的輸出端；第三開關，其輸入端連接所述電壓跟隨器的輸出端，其控制端受所述充電控制信號控制；第四開關，其輸入端接收所述調諧電壓，其輸出端與所述第三開關的輸出端相連以輸出所述控制電壓，其控制端受所述充電控制信號控制。可選地，所述電壓跟隨器包括運算放大器，其正輸入端連接所述第一開關的輸出端，其負輸入端連接該運算放大器的輸出端?？蛇x地，所述電壓監(jiān)測模塊包括第一比較器，其第一輸入端接收所述控制電壓，其第二輸入端接收所述窗口下限電壓；第二比較器，其第一輸入端接收所述控制電壓，其第二輸入端接收所述窗口上限電壓；與門，其輸入端分別與所述第一比較器和第二比較器的輸出端相連，其輸出端輸出所述觸發(fā)信號?？蛇x地，所述子振蕩器包括第一 PMOS晶體管，其源極連接電源；第一 NMOS晶體管，其源極接地，柵極接收所述子振蕩器選擇信號；第二 PMOS晶體管，其源極連接所述第一 PMOS晶體管的漏極；第三PMOS晶體管，其源極連接所述第一 PMOS晶體管的漏極，柵極連接所述第二PMOS晶體管的漏極，漏極連接所述第二 PMOS晶體管的柵極；第二 NMOS晶體管，其漏極連接所述第二 PMOS晶體管的漏極，源極連接所述第一NMOS晶體管的漏極；第三NMOS晶體管，其漏極連接所述第三PMOS晶體管的漏極，源極連接所述第一NMOS晶體管的漏極和所述第二 NMOS晶體管的柵極，柵極連接所述第二 NMOS晶體管的漏極；非門，其輸入端接收所述子振蕩器選擇信號，輸出端連接所述第一 PMOS晶體管的柵極；電感，其一端連接所述第二 PMOS晶體管的漏極，另一端連接所述第三PMOS晶體管的漏極，其中，所述第二 PMOS晶體管的漏極作為所述子振蕩器的正相輸出端，所述第三PMOS晶體管的漏極作為所述子振蕩器的反相輸出端；變?nèi)莨?，連接在所述正相輸出端和反相輸出端之間，其電容大小由所述控制電壓控制。本實用新型還提供了一種鎖相環(huán)，包括上述任一項所述的壓控振蕩器。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點本實用新型實施例的壓控振蕩器中的壓控振蕩器組合模塊包括兩個或更多個子振蕩器，各個子振蕩器具有不同的輸出信號頻段且相鄰的兩個頻段之間具有交疊部分，在外部的調諧電壓大于窗口上限電壓或小于窗口下限電壓時(即鎖相環(huán)未鎖定)產(chǎn)生觸發(fā)信號，以觸發(fā)自動頻率控制單元對各個子振蕩器進行選擇，直至目標頻率落入某一個子振蕩器的頻段范圍內(nèi)(即鎖相環(huán)鎖定)，從而增大了整個壓控振蕩器的調諧范圍而且并不會影響相位噪聲性能。進一步地，各個子振蕩器的輸出端還連接有數(shù)控電容陣列，其等效電容值由自動頻率控制單元控制，拓寬了子振蕩器的調諧范圍，有利于進一步增大整個壓控振蕩器的調諧范圍。

圖I是現(xiàn)有技術中一種鎖相環(huán)的結構框圖；圖2是本實用新型實施例的壓控振蕩器的結構框圖；圖3是圖2中的壓控振蕩器組合模塊的結構框圖；[0052]圖4是圖3中的子振蕩器的電路結構示意圖；圖5是圖4中的數(shù)控電容陣列的電路結構示意圖；圖6是圖2中的一個子振蕩器的電壓-頻率響應曲線示意圖；圖7是圖2中的壓控振蕩器組合模塊內(nèi)各子振蕩器的電壓-頻率響應曲線示意圖；圖8是圖2中的電壓控制裝置的電路結構示意圖；圖9是圖2中的電壓監(jiān)測模塊的電路結構示意圖；圖10是圖2中的自動頻率控制單元的結構框圖。
具體實施方式
現(xiàn)有技術中，壓控振蕩器的調諧范圍增大將導致較大的壓控振蕩器增益，使得壓控振蕩器更容易受外界干擾的影響，相位噪聲性能較差。本實用新型實施例的壓控振蕩器中的壓控振蕩器組合模塊包括兩個或更多個子振蕩器，各個子振蕩器具有不同的輸出信號頻段且相鄰的兩個頻段之間具有交疊部分，在外部的調諧電壓大于窗口上限電壓或小于窗口下限電壓時(即鎖相環(huán)未鎖定)產(chǎn)生觸發(fā)信號，以觸發(fā)自動頻率控制單元對各個子振蕩器進行選擇，直至目標頻率落入某一個子振蕩器的頻段范圍內(nèi)(即鎖相環(huán)鎖定)，從而增大了整個壓控振蕩器的調諧范圍而且并不會影響相位噪聲性能。進一步地，各個子振蕩器的輸出端還連接有數(shù)控電容陣列，其等效電容值由自動頻率控制單元控制，拓寬了子振蕩器的調諧范圍，有利于進一步增大整個壓控振蕩器的調諧范圍。下面結合具體實施例和附圖對本實用新型作進一步說明，但不應以此限制本實用新型的保護范圍。圖2示出了本實施例的壓控振蕩器的框圖，包括壓控振蕩器組合模塊21、預分頻器22、電壓控制裝置25、電壓監(jiān)測模塊24、自動頻率控制單元23。其中，壓控振蕩器組合模塊21包含兩個或更多個子振蕩器以及與各個子振蕩器的輸出端相連的選擇開關，其中各個子振蕩器具有不同的輸出信號頻段，且相鄰的兩個頻段之間具有交疊。電壓控制裝置25接收外部的調諧電壓Vctrl并生成窗口上限電壓和窗口下限電壓，由充電控制信號控制，將調諧電壓Vctrl、窗口上限電壓、窗口下限電壓其中之一作為控制電壓VctrlB輸出至壓控振蕩器組合模塊21中的各個子振蕩器，以控制各子振蕩器的輸
出信號頻率。電壓監(jiān)測模塊24監(jiān)測電壓控制裝置25輸出的控制電壓VctrlB，在控制電壓VctrlB大于窗口上限電壓或小于窗口下限電壓時產(chǎn)生觸發(fā)信號。自動頻率控制單元23接收壓控振蕩器組合模塊21產(chǎn)生的對外輸出信號、以及外部的目標頻率、參考時鐘，由電壓監(jiān)測裝置24產(chǎn)生的觸發(fā)信號觸發(fā)，產(chǎn)生控制所述選擇開關選擇其中一個子振蕩器的輸出信號作為對外輸出信號的子振蕩器選擇信號以及所述充電控制信號，直至目標頻率落入當前被選擇的子振蕩器的輸出信號頻段內(nèi)。此外，作為一個優(yōu)選的實施例，自動頻率控制單元23并不直接接收壓控振蕩器組合模塊21產(chǎn)生的對外輸出信號，而是對外輸出信號經(jīng)過預分頻器22分頻后(圖2中標記為反饋信號)再輸入至自動頻率控制單元23。壓控振蕩器組合模塊21的更詳細的結構框圖如圖3所示，包括兩個或更多個子振蕩器(作為示例，圖3中包括子振蕩器211和212)，以及與各個子振蕩器的輸出端相連的選擇開關213。各 個子振蕩器可以是各種壓控振蕩器，并且彼此具有不同的輸出信號頻段，且相鄰的兩個頻段之間具有交疊。同時參考圖7，圖7中曲線a、b、c分別表示其中一個子振蕩器的調諧曲線中的各子頻段(調諧曲線包括多個子頻段的原因將在下文進行詳述)，其對應的子振蕩器的輸出信號的整體頻段可以覆蓋fa至fc，曲線b、C、d對應的子振蕩器的輸出信號的整體頻段為fb至fd，它們共同覆蓋的頻段為fb至fd，其中，fb至fc之間的頻段是二者交疊的頻段。因此，可以形成無縫的頻段覆蓋，保證目標頻率能夠被鎖定。以圖3為例，子振蕩器211的輸出信號通過正相輸出端OUTPl和反相輸出端OUTMl輸出，其頻率受控制電壓VctrlB和電容選擇信號D〈l:3>的控制；類似地，子振蕩器212的輸出信號通過正相輸出端0UTP2和反相輸出端0UTM2輸出，其頻率也受到控制電壓VctrlB和電容選擇信號的控制。子振蕩器211和子振蕩器212中被選中的一個的輸出信號通過選擇開關213的正相輸出端OUTP和反相輸出端OUTM輸出。選擇開關213可以是各種類型的多路選擇開關，例如模擬選擇開關等。在自動頻率控制單元23輸出的子振蕩器選擇信號的控制下，選擇其中一個子振蕩器的輸出信號作為對外輸出信號，即作為整個壓控振蕩器向外輸出的信號。圖4示出了各個子振蕩器的詳細電路結構圖，各子振蕩器的電路結構類似但是具體硬件參數(shù)不同，包括增益單元214、變?nèi)莨?16，此外作為一個優(yōu)選的實施例，子振蕩器的輸出端還連接有數(shù)控電容陣列215。其中，增益單元214包括第一 PMOS晶體管pmosl，其源極連接電源；第一 NMOS晶體管nmosl，其源極接地，柵極接收子振蕩器選擇信號；第二 PMOS晶體管pmoS2，其源極連接第一 PMOS晶體管pmosl的漏極；第三PMOS晶體管pmoS3，其源極連接第一 PMOS晶體管pmosl的漏極,柵極連接第二 PMOS晶體管pmos2的漏極,漏極連接第二 PMOS晶體管pmos2的柵極；第二 NMOS晶體管nmos2，其漏極連接第二 PMOS晶體管pmoS2的漏極，源極連接第一NMOS晶體管nmosl的漏極；第三NMOS晶體管nmos3，其漏極連接第三PMOS晶體管pmoS3的漏極，源極連接第一 NMOS晶體管nmosl的漏極和第二 NMOS晶體管nmos2的柵極,柵極連接第二 NMOS晶體管nmos2的漏極；非門217，其輸入端接收子振蕩器選擇信號，輸出端連接第
一PMOS晶體管pmosl的柵極；電感218，其一端連接第二 PMOS晶體管pmoS2的漏極，另一端連接第三PMOS晶體管pm0S3的漏極，其中，第二 PMOS晶體管pmoS2的漏極作為該子振蕩器的正相輸出端OutP，第三PMOS晶體管pm0S3的漏極作為該子振蕩器的反相輸出端OutM。其中，電感218可以采用分立器件也可以采用集成在芯片中的電感器件。其中，當子振蕩器選擇信號為I (邏輯高電平)時，第一 NMOS晶體管nmosl和第一PMOS晶體管pmosl都處于截止狀態(tài)，子振蕩器處于斷電狀態(tài)，此時其輸出端為高阻。因此，在子振蕩器組合模塊中，僅僅是被子振蕩器選擇信號選中的子振蕩器處于工作狀態(tài)，并且其輸出頻率作為整個子振蕩器組合模塊的對外輸出信號。變?nèi)莨?16連接在正相輸出端OutP和反相輸出端OutM之間，其電容大小由控制電壓VctrlB控制。變?nèi)莨苁且粋€被電壓控制的可變電容，如反向偏置的二極管、MOS管可變電容等。變?nèi)莨?16的電容大小可以被控制數(shù)控電容陣列215是可選的，可以有效地拓寬子振蕩器的頻率輸出范圍，其等效電容值由電容選擇信號D〈l:3>控制。作為示例，此處的電容選擇信號為3位，但是應當理解，電容選擇信號可以包含任何適當數(shù)量的位。子振蕩器的輸出信號頻率由連接在其 輸出端的電感218以及等效電容的大小來確定。數(shù)控電容陣列215中的電容大小被電容選擇信號控制，通過改變電容選擇信號的值可以對子振蕩器的輸出信號頻率進行粗調，形成一系列子頻段。變?nèi)莨?16的電容大小被控制電壓VctrlB控制，通過改變控制電壓VctrlB的大小，可以對子振蕩器的輸出信號頻率進行微調。圖6示出了一個子振蕩器中的子頻段示意圖，橫軸為控制電壓VctrlB，縱軸為子振蕩器的輸出頻率。圖中每條曲線代表數(shù)控電容陣列215的各個等效電容值所對應的子頻段內(nèi)的調諧曲線，相鄰子頻段之間有一定的交疊，這樣，對于一個目標頻率，都至少有一個子頻段可以覆蓋到目標頻率。具體的，Tb是窗口下限電壓，Tc是窗口上限電壓，當控制電壓VctrlB處于窗口下限電壓Tb和窗口上限電壓Tc之間的窗口內(nèi)時，調諧曲線是單調的且線性度較好，鎖相環(huán)能夠正常鎖定。圖5示出了數(shù)控電容陣列的詳細電路，包括多個相互并聯(lián)的數(shù)控電容單元215a，其中每個數(shù)控電容單元215a的結構相同但具體元器件參數(shù)可以不同，以其中一個為例，包括第一電容C11、其一個極板(例如上極板)連接子振蕩器的正相輸出端OutP ;第一 MOS晶體管nmosl I (作為示例，圖5中第一 MOS晶體管具體為NMOS晶體管)，其漏極連接第一電容Cll的另一個極板(例如下極板)，源極接地，柵極接收電容選擇信號(例如，電容選擇信號的第一個比特D〈l>);第二電容C12，其一個極板連接子振蕩器的反相輸出端OutM ;第
二MOS晶體管nmosl2 (作為示例，也是NMOS晶體管)，其漏極連接第二電容C12的另一個極板，源極接地，柵極接收電容選擇信號。需要說明的是，圖5僅僅是示意，數(shù)控電容單元215a中所采用的電容可以是多晶電容、金屬-金屬電容、MOS管電容等任何適當類型的電容。電容選擇信號是一組數(shù)字信號，通過控制與電容串聯(lián)的MOS晶體管的導通或關斷狀態(tài)，可以改變數(shù)控電容陣列215的等效電容值，從而使得子振蕩器的輸出頻率也跟著改變，以此來實現(xiàn)對子頻段的選擇。仍然參考圖5，更加具體地，作為開關管的多個MOS晶體管的導通和關斷被電容選擇信號控制，導通的MOS晶體管越多，則連接到子振蕩器輸出端的等效負載電容越大、子振蕩器的輸出信號頻率越低；導通的MOS晶體管越少，則連接到子振蕩器輸出端的等效負載電容越小、子振蕩器的輸出信號頻率越高。在這里，各個電容的大小關系為二進制倍增的關系，即Cll = C12 = C，C21 = C22 = 2C，C31 = C32 = 4C，這樣通過電容選擇信號可以將等效負載電容的大小設置成C、2C、3C、4C、5C、6C、7C中的任何一個值，也就是可以將子振蕩器的頻段劃分為7個子頻段，通過電容選擇信號可以對子頻段進行選擇。圖8為電壓控制裝置的電路結構圖，包括電阻網(wǎng)絡，一端連接電源，另一端接地，分壓產(chǎn)生窗口上限電壓Tc和窗口下限電壓Tb ;第一開關252,其輸入端接收窗口上限電壓Tc，其控制端受充電控制信號控制；第二開關253，其輸入端接收窗口下限電壓Tb，其控制端受充電控制信號控制；電壓跟隨器251,其輸入端連接第一開關252的輸出端和第二開關253的輸出端；第三開關254，其輸入端連接電壓跟隨器251的輸出端，其控制端受充電控制信號控制；第四開關255，其輸入端接收調諧電壓Vctrl，其輸出端與第三開關254的輸出端相連以輸出控制電壓VctrlB，其控制端受充電控制信號控制。其中，電阻網(wǎng)絡可以具體包括依次串聯(lián)的第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3，通過對各電阻的電阻值進行選擇以分壓得到窗口上限電壓Tc和窗口下限電壓Tb。電壓跟隨器251的輸出端電壓始終跟隨輸入端的電壓，可以基于運算放大器來實現(xiàn)，具體地，將運算放大器的正輸入端連接至第一開關252的輸出端，將其負輸入端連接至運算放大器自身的輸出端。充電控制信號對各個開關的控制機制如下當?shù)谝婚_關252和第二開關253都斷 開時，第四開關255導通、第三開關254斷開，此時控制電壓VctrlB =調諧電壓Vctrl (當連接在如圖I所示的鎖相環(huán)中時，調諧電壓Vctrl的電壓值受電荷泵13的控制)；當?shù)谝婚_關252導通或者第二開關253導通時，第四開關255斷開、第三開關254導通，此時控制電壓VctrlB =窗口上限電壓Tc，或者控制電壓VctrlB =窗口下限電壓Tb。仍然參考圖2，電壓監(jiān)測模塊24用于實時監(jiān)測電壓控制裝置25輸出的控制電壓VctrlB的狀態(tài)，當控制電壓VctrlB處于預設的參考窗口之內(nèi)時(即前述窗口下限電壓Tb和窗口上限電壓Tc所界定的電壓窗口)，表明鎖相環(huán)能夠正常鎖定在目標頻率(目標頻率指的是鎖相環(huán)想要得到的輸出頻率，其具體頻率值可以由鎖相環(huán)中的分頻器的分頻倍數(shù)以及參考頻率決定)；當控制電壓VctrlB偏離預設的參考窗口時，就發(fā)送一個觸發(fā)信號給自動頻率控制單元23，表明目標頻率已經(jīng)改變，當前壓控振蕩器組合模塊21的狀態(tài)設置已經(jīng)不能讓鎖相環(huán)正常鎖定在新的目標頻率，需要對壓控振蕩器組合模塊21的設置進行調整才能讓其正常鎖定在新的目標頻率，也就是當前的子頻段已經(jīng)不能覆蓋新的目標頻率，需要改變子振蕩器選擇信號和/或需要改變電容選擇信號來選擇一個新的子振蕩器和/或新的等效電容值，來覆蓋新的目標頻率。圖9是電壓監(jiān)測模塊24的具體結構，包括第一比較器241，其第一輸入端接收控制電壓VctrlB，其第二輸入端接收窗口下限電壓Tb ;第二比較器242，其第一輸入端接收控制電壓VctrlB，其第二輸入端接收窗口上限電壓Tc;與門243，其輸入端分別與第一比較器241和第二比較器242的輸出端相連，其輸出端輸出所述觸發(fā)信號。當控制電壓VctrlB大于窗口下限電壓Tb且小于窗口上限電壓Tc時，觸發(fā)信號為高電平，表示控制電壓VctrlB處于參考窗口之內(nèi)；當控制電壓VctrlB小于窗口下限電壓Tb或者高于窗口上限電壓Tc時，表明控制電壓VctrlB已經(jīng)處于參考窗口之外了，需要喚醒自動頻率控制單元23。本實施例中，自動頻率控制單元23由數(shù)字電路實現(xiàn)，其工作頻率較低，而壓控振蕩器組合模塊21的對外輸出信號頻率一般非常高，不能直接將其輸入至自動頻率控制單元23進行處理，所以在壓控振蕩器組合模塊21和自動頻率控制單元23之間加入了預分頻器22用于對壓控振蕩器組合模塊21的對外輸出信號進行分頻，產(chǎn)生頻率較低的反饋信號送給自動頻率控制單元23。當然，如果自動頻率控制單元23的工作頻率足夠高，或者壓控振蕩器組合模塊21的對外輸出信號頻率足夠低，那么也可以并不采用預分頻器22，而直接將壓控振蕩器組合模塊21產(chǎn)生的對外輸出信號直接輸入至自動頻率控制單元23內(nèi)進行處理和計算。[0092]自動頻率控制單元23的結構框圖如圖10所示,包括頻率計算模塊231、頻率比較模塊232和子頻段搜索模塊233。同時結合圖2，觸發(fā)信號來自于電壓監(jiān)測模塊24，參考時鐘是一個頻率非常精確的信號，一般可以來自于晶振；反饋信號來自于預分頻器22的輸出。頻率計算模塊231由觸發(fā)信號觸發(fā)，使用參考時鐘計算出反饋信號的頻率，然后再乘上預分頻器22的分頻比就可以得到壓控振蕩器組合模塊21的對外輸出信號的頻率值。頻率計算模塊231將計算得到的對外輸出信號的頻率發(fā)送給頻率比較模塊232，之后頻率比較模塊232將壓控振蕩器組合模塊21的對外輸出信號的頻率與目標頻率進行比較，并將比較結果輸出給子頻段搜索模塊233。子頻段搜索模塊233根據(jù)頻率比較模塊232輸出的比較結果，產(chǎn)生子震蕩器選擇信號、電容選擇信號和充電控制信號，以對各個子振蕩器進行選擇、調節(jié)被選中的子振蕩器所連接的數(shù)控電容陣列的電容、切換電壓控制裝置25輸出的控制電壓VctrlB，直至目標頻率落入當前被選擇的子振蕩器在當前的數(shù)控電容陣列的等效電容值下的子頻段內(nèi)。同時結合圖2、圖8和圖10，自動頻率控制單元23的工作原理如下當整個壓控振蕩器正常鎖定在目標頻率時它處于休眠狀態(tài)，此時電壓控制裝置25中的第一開關252、第二開關253、第三開關254都處于斷開狀態(tài)，第四開關255處于導通狀態(tài)，此時控制電壓VctrlB =調諧電壓Vctrl ;當自動頻率控制單元23接收到從電壓監(jiān)測模塊24發(fā)送來的觸發(fā)信號時就會被喚醒，然后通過以下機制(僅是示例，也可以采用其他方式)來重新搜索符合鎖定條件的子振蕩器和/或子頻段首先選中頻率最低的一個子振蕩器(例如，圖3中的子振蕩器211)，然后不斷地調整電容選擇信號，以確定在數(shù)控電容陣列的各個不同的等效電容下，是否有子頻段能夠覆蓋目標頻率(即能夠鎖定)，如果能夠找到滿足條件的子頻段，則不再繼續(xù)搜索下一個頻率較高的子振蕩器(例如，圖3中的子振蕩器212);如果在當前的子振蕩器中沒有找到滿足條件的子頻段，則繼續(xù)選中下一個頻率較高的子振蕩器(例如，圖3中的子振蕩器212)，然后再次搜索遍歷該電容選擇信號，直至在某個被選中的子振蕩器在其數(shù)控電容陣列當前的等效電容值下，能夠滿足鎖定的條件為止(即，目標頻率落入當前被選中的子振蕩器的當前子頻段內(nèi))。更加具體地，選中某個子振蕩器后，判斷某個子振蕩器是否滿足鎖定條件的機制如下首先通過充電控制信號控制電壓控制裝置25將控制電壓VctrlB固定在窗口下限電壓Tb (第一開關252斷開、第二開關253導通、第三開關254導通、第四開關255斷開)，根據(jù)預分頻器22產(chǎn)生的反饋信號和參考時鐘來計算當前壓控振蕩器組合模塊21的對外輸出信號的頻率，記為fL ;之后通過充電控制信號來控制電壓控制裝置25將控制電壓VctrlB固定在窗口上限電壓Tc(第一開關252導通、第二開關253斷開、第三開關254導通、第四開關255斷開)，根據(jù)分頻器22送來的反饋信號和參考時鐘來計算壓控振蕩器組合模塊21的對外輸出頻率，記為fH ;如果目標頻率落在fL和fH之間，那么可以判斷當前的等效電容值對應的子頻段滿足鎖定條件，否則不滿足。當確定當前被選中的子振蕩器的當前子頻段滿足鎖定條件后，將子振蕩器選擇信號和電容選擇信號保持固定，自動頻率控制單元23重新回到休眠狀態(tài)，同時調整充電控制信號，使得電壓控制裝置25中的第一開關252斷開、第二開關253斷開、第三開關254斷開、第四開關255導通，此時控制電壓VctrlB =調諧電壓Vctrl，即控制電壓VctrlB受鎖相環(huán)中的電荷泵的控制，通過鎖相環(huán)路的反饋最終將壓控振蕩器的對外輸出信號的頻率鎖定在目標頻率上。需要說明的是，如果各個子振蕩器的輸出端并不連接數(shù)控電容陣列的話，那么上述鎖定過程中，自動頻率控制單元23僅需要控制子振蕩器選擇信號不停地改變，直至目標頻率落入當前被選中的子振蕩器的輸出頻段，而無需再調整電容選擇信號來選擇不同的子頻段。本實施例還提供了使用上述壓控振蕩器的鎖相環(huán)，該鎖相環(huán)的總體結構可以是如圖I所示的結構或者其他適當?shù)慕Y構。以圖I的結構為例，壓控振蕩器14采用的是圖2中所示的帶自動頻率控制的壓控振蕩器，其輸入的調諧電壓Vctrl受電荷泵13的控制，其對外輸出信號發(fā)送可編程分頻器11，經(jīng)由鑒頻鑒相器12后形成反饋環(huán)路。該鎖相環(huán)的整體工作原理與常規(guī)鎖相環(huán)相同，這里不再贅述，只是本實施例中的壓控振蕩器具有更寬的調諧范圍，能夠擴大真?zhèn)€鎖相環(huán)的頻率鎖定范圍而不影響相位噪聲性能。本實用新型雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本實用新型，任何本領域技術人員在不脫離本實用新型的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改，因此本實用新型的保護范圍應當以本實用新型權利要求所界定的范圍為準。
權利要求1.一種壓控振蕩器，其特征在于，包括 壓控振蕩器組合模塊，所述壓控振蕩器組合模塊包含兩個或更多個子振蕩器以及與各個子振蕩器的輸出端相連的選擇開關，其中各個子振蕩器具有不同的輸出信號頻段，且相鄰的兩個頻段之間具有交疊； 電壓控制裝置，接收外部的調諧電壓并生成窗口上限電壓和窗口下限電壓，由充電控制信號控制，將所述調諧電壓、窗口上限電壓、窗口下限電壓其中之一作為控制電壓輸出至所述壓控振蕩器組合模塊中的各個子振蕩器，以控制各子振蕩器的輸出信號頻率； 電壓監(jiān)測模塊，監(jiān)測所述電壓控制裝置輸出的控制電壓，在所述控制電壓大于所述窗口上限電壓或小于所述窗口下限電壓時產(chǎn)生觸發(fā)信號； 自動頻率控制單元，接收所述壓控振蕩器組合模塊產(chǎn)生的對外輸出信號、以及外部的目標頻率、參考時鐘，由所述電壓檢測裝置產(chǎn)生的觸發(fā)信號觸發(fā)，產(chǎn)生控制所述選擇開關選擇其中一個子振蕩器的輸出信號作為對外輸出信號的子振蕩器選擇信號以及所述充電控制信號，直至所述目標頻率落入當前被選擇的子振蕩器的輸出信號頻段內(nèi)。
2.根據(jù)權利要求I所述的壓控振蕩器，其特征在于，還包括 預分頻器，所述對外輸出信號經(jīng)由所述預分頻器分頻后輸入至所述自動頻率控制單J Li ο
3.根據(jù)權利要求2所述的壓控振蕩器，其特征在于，所述壓控振蕩器組合模塊還包括連接在各個子振蕩器的輸出端的數(shù)控電容陣列，所述自動頻率控制單元由所述觸發(fā)信號觸發(fā)還產(chǎn)生對所述數(shù)控電容陣列的等效電容值進行調節(jié)的電容選擇信號。
4.根據(jù)權利要求3所述的壓控振蕩器，其特征在于，所述數(shù)控電容陣列包括并聯(lián)的多個數(shù)控電容單元，其中每個數(shù)控電容單元包括 第一電容，其一個極板連接所述子振蕩器的正相輸出端； 第一 MOS晶體管，其漏極連接所述第一電容的另一個極板，源極接地，柵極接收所述電容選擇信號； 第二電容，其一個極板連接所述子振蕩器的反相輸出端； 第二 MOS晶體管，其漏極連接所述第二電容的另一個極板，源極接地，柵極接收所述電容選擇信號。
5.根據(jù)權利要求3所述的壓控振蕩器，其特征在于，所述自動頻率控制單元包括 頻率計算模塊，由所述觸發(fā)信號觸發(fā)，根據(jù)所述參考時鐘和經(jīng)由所述預分頻器分頻后的對外輸出信號計算所述對外輸出信號的頻率； 頻率比較模塊，由所述觸發(fā)信號觸發(fā)，將所述輸出信號的頻率與所述目標頻率進行比較； 子頻段搜索模塊，由所述觸發(fā)信號觸發(fā)，根據(jù)所述頻率比較模塊輸出的比較結果產(chǎn)生所述子振蕩器選擇信號、電容選擇信號和充電控制信號，以對各個子振蕩器進行選擇、調節(jié)所述數(shù)控電容陣列的等效電容、切換所述電壓控制裝置輸出的控制電壓，直至所述目標頻率落入當前被選擇的子振蕩器在數(shù)控電容陣列當前的等效電容值下的子頻段內(nèi)。
6.根據(jù)權利要求I所述的壓控振蕩器，其特征在于，所述電壓控制裝置包括 電阻網(wǎng)絡，一端連接電源，另一端接地，分壓產(chǎn)生所述窗口上限電壓和窗口下限電壓； 第一開關，其輸入端接收所述窗口上限電壓，其控制端受所述充電控制信號控制;第二開關，其輸入端接收所述窗口下限電壓，其控制端受所述充電控制信號控制； 電壓跟隨器，其輸入端連接所述第一開關的輸出端和所述第二開關的輸出端； 第三開關，其輸入端連接所述電壓跟隨器的輸出端，其控制端受所述充電控制信號控制； 第四開關，其輸入端接收所述調諧電壓，其輸出端與所述第三開關的輸出端相連以輸出所述控制電壓，其控制端受所述充電控制信號控制。
7.根據(jù)權利要求6所述的壓控振蕩器，其特征在于，所述電壓跟隨器包括 運算放大器，其正輸入端連接所述第一開關的輸出端，其負輸入端連接該運算放大器的輸出端。
8.根據(jù)權利要求I所述的壓控振蕩器，其特征在于，所述電壓監(jiān)測模塊包括 第一比較器，其第一輸入端接收所述控制電壓，其第二輸入端接收所述窗口下限電壓； 第二比較器，其第一輸入端接收所述控制電壓，其第二輸入端接收所述窗口上限電壓； 與門，其輸入端分別與所述第一比較器和第二比較器的輸出端相連，其輸出端輸出所述觸發(fā)信號。
9.根據(jù)權利要求I所述的壓控振蕩器，其特征在于，所述子振蕩器包括 第一 PMOS晶體管，其源極連接電源； 第一 NMOS晶體管，其源極接地，柵極接收所述子振蕩器選擇信號； 第二 PMOS晶體管，其源極連接所述第一 PMOS晶體管的漏極； 第三PMOS晶體管，其源極連接所述第一 PMOS晶體管的漏極，柵極連接所述第二 PMOS晶體管的漏極，漏極連接所述第二 PMOS晶體管的柵極； 第二匪OS晶體管，其漏極連接所述第二 PMOS晶體管的漏極，源極連接所述第一 NMOS晶體管的漏極； 第三NMOS晶體管，其漏極連接所述第三PMOS晶體管的漏極，源極連接所述第一 NMOS晶體管的漏極和所述第二 NMOS晶體管的柵極，柵極連接所述第二 NMOS晶體管的漏極；非門，其輸入端接收所述子振蕩器選擇信號，輸出端連接所述第一 PMOS晶體管的柵極； 電感，其一端連接所述第二 PMOS晶體管的漏極，另一端連接所述第三PMOS晶體管的漏極，其中，所述第二 PMOS晶體管的漏極作為所述子振蕩器的正相輸出端，所述第三PMOS晶體管的漏極作為所述子振蕩器的反相輸出端； 變?nèi)莨埽B接在所述正相輸出端和反相輸出端之間，其電容大小由所述控制電壓控制。
10.一種鎖相環(huán)，其特征在于，包括權利要求I至9中任一項所述的壓控振蕩器。
專利摘要本實用新型提供了一種鎖相環(huán)及其壓控振蕩器，所述壓控振蕩器包括壓控振蕩器組合模塊，包含兩個或更多個子振蕩器以及選擇開關，各個子振蕩器具有不同的輸出信號頻段且相鄰的兩個頻段之間具有交疊；電壓控制裝置，由充電控制信號控制，將調諧電壓、窗口上限電壓、窗口下限電壓其中之一作為控制電壓輸出至壓控振蕩器組合模塊；電壓監(jiān)測模塊，在控制電壓大于窗口上限電壓或小于窗口下限電壓時產(chǎn)生觸發(fā)信號；自動頻率控制單元，由觸發(fā)信號觸發(fā)產(chǎn)生選擇其中一個子振蕩器的輸出信號作為對外輸出信號的子振蕩器選擇信號以及充電控制信號，直至目標頻率落入當前被選擇的子振蕩器的輸出信號頻段內(nèi)。本實用新型能夠擴大鎖相環(huán)頻率鎖定范圍而不影響相位噪聲性能。
文檔編號H03L7/08GK202435383SQ201120573198
公開日2012年9月12日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權日2011年12月31日
發(fā)明者周健, 胡鐵剛, 金安 申請人:杭州士蘭微電子股份有限公司