專利名稱：用于頻率合成器的校準技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及頻率合成器，更具體而言，涉及可以靈活實現(xiàn)的頻率合成器。
背景技術(shù)：
頻率合成器一般用于發(fā)送和接收已編碼射頻(RF)信號的無線通信設(shè)備中。目前，已經(jīng)開發(fā)了許多不同的無線通信技術(shù)，包括頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)和各種擴頻技術(shù)。一種在無線通信中常用的擴頻技術(shù)是碼分多址(CDMA)信號調(diào)制，其中在一個擴頻的射頻(RF)信號上可同時發(fā)送多個通信。一些結(jié)合了一種或多種無線通信技術(shù)的無線通信設(shè)備實例，包括蜂窩無線電話、插入在便攜式計算機中的PCMCIA卡、配備無線通信能力的個人數(shù)字助理(PDA)等等。
在RF信號的接收和發(fā)送過程中都可以使用無線通信設(shè)備的頻率合成器。例如，在CDMA編碼信號的RF信號接收過程中，通常將RF信號下混頻成基帶信號，該基帶信號可以被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在該下混頻過程中，通過一個頻率合成器產(chǎn)生參考波形，其中該頻率合成器將無線通信設(shè)備的本地時鐘用作參考時序。在將RF信號下混頻成基帶信號后，該基帶信號通常經(jīng)過一個模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生可跟蹤和解調(diào)的數(shù)字值。例如，可利用RAKE接收機來跟蹤和解調(diào)CDMA系統(tǒng)的多徑信號。目前，已經(jīng)開發(fā)出了多種不同的CDMA體系架構(gòu)，如包括一個中頻(IF)部分和一個RF部分的外差架構(gòu)，又如一個零中頻(IF)架構(gòu)，其將輸入RF信號直接轉(zhuǎn)化為基帶信號，而無需先將該RF信號轉(zhuǎn)換成IF信號。依照該體系架構(gòu)，可以使用任何數(shù)目的頻率合成器來向混頻器提供參考波形。
在RF信號的發(fā)送過程中也使用頻率合成器。在這種情況下，基帶信號上混頻為RF信號。在該上混頻過程中，頻率合成器產(chǎn)生RF載波。隨后在無線發(fā)送之前，對載波和基帶信號進行編碼。此外，頻率合成器通常將該無線通信設(shè)備的本地時鐘用作參考時序。例如，RF載波可以由一個壓控振蕩器(VCO)生成，該VCO的頻率由一個鎖相環(huán)(PLL)確定。用于該PLL的參考時序則由一個高精度低頻晶體振蕩器產(chǎn)生，比如一個壓控溫度補償晶體振蕩器(VCTCXO)。該VCO可以在芯片外，也可以選用集成在芯片上。提供該振蕩器閉環(huán)模擬控制的鎖相環(huán)(PLL)，可以集成到與VCO相同的芯片上，或者也可以是分離的片外元件。
VCO的頻率變化是一個主要關(guān)注的問題。頻率變化可能是由一個或多個因素導(dǎo)致的，該因素包括制造過程變化、工藝變化，以及諸如溫度等周圍環(huán)境條件的改變所引起的頻率變化。為了解決頻率誤差，可以改變施加在VCO上的模擬電壓，但該VCO的模擬增益是有限的。而且，為了限制引入系統(tǒng)的噪聲，常常期望降低VCO的增益。在將VCO與鎖相環(huán)集成在同一芯片上的集成頻率合成器中，頻率變化是很突出的問題。具體而言，片上VCO的變?nèi)荻O管呈現(xiàn)出的平均電容的變化，超出了VCO在壓控電容中所能補償?shù)姆秶?br>
發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，一個頻率合成器包括一個振蕩器和一個校準單元。該振蕩器可以是一個壓控振蕩器(VCO)，其包括一個可配置電路，對于給定的輸入電壓可有選擇地激活該可配置電路以調(diào)節(jié)該振蕩器的頻率。例如，該可配置電路可以包括一組開關(guān)電容器。基于表示VCO振蕩頻率的信號和表示參考頻率的信號的比較結(jié)果，該頻率合成器的校準單元可以有選擇地激活該VCO的可配置電路。更具體地，該校準單元可以幾乎同時地初始化用于提供表示VCO頻率和表示參考頻率的信號的分頻器，從而使得所產(chǎn)生信號的頻率在校準開始時基本同相。按照這種方法，可以迅速校準頻率合成器，保證該頻率合成器的模擬增益足以用來調(diào)諧該VCO。
下面所要詳細闡述的各實施例及其技術(shù)，可以用硬件、軟件、固件，或其任何組合來實現(xiàn)。在附圖和下面的描述中闡明了這些以及其他實施例的其他細節(jié)。通過說明書和附圖，以及權(quán)利要求書，本發(fā)明的其他特點、目標和優(yōu)點將變得清晰明了。
附圖簡述

圖1是使用頻率合成器的用于RF信號接收的無線通信設(shè)備的方框圖；圖2是使用頻率合成器的用于RF信號發(fā)送的無線通信設(shè)備的方框圖；圖3是根據(jù)一個實施例的頻率合成器實例的具體方框圖；圖4是一個壓控振蕩器實例的電路圖，該壓空振蕩器包括開關(guān)電容器形式的可配置電路；圖5是一組并聯(lián)的開關(guān)電容器的具體電路圖，其中，該開關(guān)電容器可有選擇地被激活以校準一個壓控振蕩器；圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的流程圖，其說明了一種頻率合成器的校準技術(shù)；圖7是用于說明表示參考頻率和振蕩器頻率的信號的生成過程的時序圖；圖8A-8C是用于說明表示振蕩器頻率信號和表示參考頻率信號的比較結(jié)果的時序圖；圖9是根據(jù)另一個實施例的另一個流程圖。
發(fā)明詳述總體來講，本發(fā)明旨在用于無線通信設(shè)備中的，或用于需要高精度頻率合成且噪聲小的類似設(shè)備中的頻率合成器。具體而言，該頻率合成器可以使用一個鎖相環(huán)(PLL)，來提供一個集成振蕩器，如一個集成壓控振蕩器(VCO)的模擬調(diào)諧控制。
另外，在實施模擬調(diào)諧控制之前，頻率合成器可以執(zhí)行開環(huán)離散校準。具體而言，該頻率合成器可以實施在下文中更詳細論述的離散校準技術(shù)，以使在經(jīng)由鎖相環(huán)(PLL)實施模擬控制之前快速準確地校準VCO。按照這種方法，可以顯著地降低VCO的模擬增益，從而可以通過降低與大增益值相關(guān)的噪聲來提高無線通信設(shè)備的性能。
在一個實施例中，一個頻率合成器包括一個與鎖相環(huán)(PLL)集成的壓控振蕩器(VCO)。該頻率合成器可以調(diào)用一個校準程序，以校準該VCO。例如，一個校準單元可以將在所定義的參考電壓下的VCO頻率與一個已知參考頻率進行比較。然后該校準單元調(diào)整該VCO的初始電容，從而確保該VCO已經(jīng)被校準到該PLL的調(diào)諧范圍之內(nèi)。更具體地，在校準過程中，該校準單元可以初始化提供VCO頻率和參考頻率測量的分頻器按照以下更為詳細的論述，通過幾乎同時初始化該分頻器，可以避免表示VCO頻率的信號和表示參考頻率的信號之間的實際相位誤差。并且，通過避免表示VCO頻率的信號和表示參考頻率的信號之間的實際相位誤差，可以更快更精確地完成校準。
圖1和2是無線通信設(shè)備10的方框圖，無線通信設(shè)備10在RF信號接收和發(fā)送過程中分別使用頻率合成器20A和20B。在以上二者中任一情況下，頻率合成器20可以使用以下所述的一項或多項技術(shù)來改進無線通信設(shè)備10的工作。
具體地，圖1是一個采用了零IF架構(gòu)的無線通信設(shè)備(WCD)實例10的方框圖，但是本發(fā)明并不局限于此。在該例中，WCD 10將輸入的RF信號直接轉(zhuǎn)換成基帶信號，并且，尤其是，無需先將RF信號轉(zhuǎn)化成中頻(IF)信號。然而，應(yīng)該理解的是，這里描述的技術(shù)可以很容易地應(yīng)用于使用一個或多個頻率合成器的任何架構(gòu)中。
WCD 10包括接收輸入RF信號的天線12。例如，輸入RF信號可以包括從一個碼分多址(CDMA)基站發(fā)出的CDMA調(diào)制信號。由天線12接收到的RF信號由RF接收機14進行處理，比如使該信號通過低噪聲放大器(LNA)和一個或多個濾波器。然后，由下混頻器15將該RF信號下混頻為基帶信號。具體地，下混頻器15可以接收由頻率合成器20A產(chǎn)生的參考波形。頻率合成器20A可以使用一個在下文將做更詳細描述的校準程序，用以將頻率合成器校準到接近于準確(correct)的工作頻率。校準程序可以改進該頻率合成過程，降低系統(tǒng)噪聲，并允許簡化頻率合成器20A中的各個元件。
下混頻器15產(chǎn)生基帶信號，模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器17對該基帶信號由進行濾波和采樣，從而產(chǎn)生與該信號相應(yīng)的數(shù)字值。一個或多個放大器18，比如數(shù)字電壓增益放大器(VGA)，根據(jù)從自動增益控制單元(未示出)接收的增益值，通過放大或者衰減所述數(shù)字值，用來縮放該數(shù)字基帶信號。在由放大器18縮放之后，將縮放后的數(shù)字基帶信號提供給RAKE接收機19，RAKE接收機19分離和跟蹤來自不同源，即不同基站的接收信號，或者來自同源但經(jīng)由多個傳播途徑的接收信號，即多徑信號。例如RAKE接收機19可以包括一些“支路(fingers)”，這些支路用于執(zhí)行解擴、Walsh碼分離(decovering)和累加、導(dǎo)頻時間跟蹤和頻率跟蹤。RAKE接收機19的每一支路對于相應(yīng)的路徑輸出導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)符號。然后，對該導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)符號進行符號解調(diào)和/或其他信號處理。按照需要，WCD 10也可以包含附加部件(未示出)，如濾波器和各種數(shù)字或模擬信號處理元件。
圖2是WCD 10的另一方框圖，用于說明在RF信號發(fā)送過程中所使用的元件。在該例中，基帶發(fā)射機24可以產(chǎn)生基帶信號，并將其傳送給上混頻器25。頻率合成器20B向上混頻器25提供RF載波。頻率合成器20B可以是與頻率合成器20A(圖1)相同的合成器，或者是與用于信號接收過程的合成器不同的合成器。在以上二者中任一情況下，頻率合成器20B執(zhí)行如下所述的校準技術(shù)，以自行校準，從而在準確的工作頻率上產(chǎn)生振蕩信號。上混頻器25將基帶信號調(diào)制到RF載波上，并將已調(diào)RF信號傳送給用于縮放信號的放大器26。放大器26可以包括一個或多個電壓增益放大器(VGA)、驅(qū)動放大器(DA)以及功率放大器(PA)。不同的放大器可以屬于同一集成電路芯片，或?qū)儆诙鄠€不同的芯片。一旦已調(diào)RF信號被充分放大或衰減，RF發(fā)射機28就可以將已調(diào)RF信號經(jīng)由天線12從無線通信設(shè)備10發(fā)送出去。
圖3是根據(jù)一個實施例的頻率合成器20的具體方框圖。例如，頻率合成器20可以分別對應(yīng)于如圖1和圖2所示的頻率合成器20A或20B。頻率合成器20可以包括一個振蕩器，如一個與鎖相環(huán)(PLL)31集成的壓控振蕩器(VCO)30。例如，PLL 31可以經(jīng)由一個輸入控制電壓來提供VCO 30的模擬閉環(huán)控制。PLL 31可以包括多個元件，如包括分頻器32和33、鑒相器34、充電泵35以及環(huán)路濾波器36。例如，分頻器32和33可以分別縮放一個參考頻率(比如由溫度補償晶體振蕩器(TCXO)提供)和一個VCO頻率，使得鑒相器34可以確定兩個頻率間的頻率差。然后充電泵35就可以根據(jù)需要，調(diào)節(jié)VCO 30的輸入電壓，以提高或降低振蕩器的頻率。環(huán)路濾波器36可以對輸入到VCO 30的輸入信號進行濾波，從而提高頻率合成器20的性能，并且可以降低系統(tǒng)噪聲。
然而，PLL 31的模擬增益是有限的。換言之，充電泵35能夠在一個有限的電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生VCO 30的輸入電壓。而且，大增益常常導(dǎo)致頻率合成器20提供的系統(tǒng)噪聲增大。因此，一般來說需要降低充電泵35提供給振蕩器30的增益范圍。
為了解決由PLL 31中的大增益所帶來的問題，VCO 30可具有相對較大的頻率變化，這是由諸如制造過程變化、工藝變化和周圍環(huán)境條件變化導(dǎo)致的頻率變化等因素帶來的。改變由充電泵34施加給VCO 30的模擬電壓可補償這些頻率誤差，但如上所述，該VCO的模擬增益是有限的。由于片上VCO的變?nèi)荻O管在平均電容上的變化，可能超出VCO在壓控電容上所能補償?shù)姆秶?，在將VCO 30和PLL 31片上集成的集成頻率合成器中，頻率變化可能會帶來很突出的問題。
由于這些和其他的原因，頻率合成器20包括了一個校準單元38，用以在激活VCO 30的模擬閉環(huán)電壓控制之前校準VCO 30。例如，對于一個定義的電壓，比如，該定義的電壓對應(yīng)于充電泵35所產(chǎn)生的可用電壓的中心，校準單元38可以校準VCO 30以使其工作在最優(yōu)或接近最優(yōu)的頻率上。通過這種辦法，可以減少PLL 31的所需增益，這樣可以減少頻率合成器20引入的噪聲從而提高WCD 10(圖1和圖2)的性能。
VCO 30是可以配置的，從而使得其在閉環(huán)模擬控制之前可以進行校準。例如，VCO 30包括一些開關(guān)電容器。校準單元38可以有選擇地激活VCO 30中的一些開關(guān)電容器，從而恰當(dāng)?shù)貙CO 30校準至一個最佳或者近似最佳的工作頻率。校準后的VCO 30可以經(jīng)由PLL 31進行控制。
頻率合成器20可以包括一個校準開關(guān)41，用于將頻率合成器20設(shè)置在校準狀態(tài)或者正常工作狀態(tài)。例如，在校準過程中，開關(guān)41可以選擇“校準參考電壓”42作為對振蕩器30的輸入。校準參考電壓42可以由一個運算放大器(op amp)提供，并且該校準參考電壓可選擇為對應(yīng)于充電泵35提供的可用電壓的中值。在校準過程中可以對校準參考電壓42進行測試或檢查，以確保它是所需的參考電壓。
另外，在某些情況下，校準參考電壓42可以偏移，以補償諸如溫度等周圍環(huán)境條件的變化。例如，如果外界溫度低于正常工作溫度，就可能需要將校準參考電壓42向充電泵35提供的電壓范圍的下邊界偏移。同樣，如果外界溫度高于正常工作溫度，就可能需要將校準參考電壓42向充電泵35提供的電壓范圍的上邊界偏移。例如，可以在產(chǎn)生參考電壓42的電路中執(zhí)行溫度補償算法，執(zhí)行該溫度補償算法產(chǎn)生的電壓與絕對溫度(PTAT)成正比。按照這個方法，在正常工作時，可以減小PLL控制電壓超出充電泵可以提供的電壓范圍的可能性。在任何情況下，校準參考電壓42使得VCO 30在一個初始頻率上起振。
第一分頻器32縮放振蕩器的頻率，比如將頻率除以一個整數(shù)。同樣，第二分頻器33縮放參考頻率43，比如將參考頻率除以一個整數(shù)。可以通過一個具有比VCO 30更高精度、更低頻率的時鐘，如一個溫度補償晶體振蕩器(TCXO)來提供參考頻率43。分頻器32、33的輸出分別包括一個表示振蕩頻率(本例中，VCO 30的頻率)的信號和一個表示參考頻率43的信號。對分頻器32和33的輸出信號進行縮放，從而使得信號間的相位差的測量可以提供VCO 30中誤差的測量。
通過廣泛使用各種不同的硬件配置，包括乘法電路，除法電路，移位寄存器以及計數(shù)器等，來實現(xiàn)分頻器32和33。在一個相對簡單的配置中，分頻器32、33包括用以對振蕩脈沖的上升或下降沿進行計數(shù)的計數(shù)器，并且每當(dāng)檢測到的脈沖個數(shù)為某一整數(shù)時，就提供一個信號。按照這種方法，就可以產(chǎn)生表示VCO 30頻率和參考頻率43的信號，并將其提供給校準單元38，校準單元38利用這些信號來校準VCO 30。
為了大大改善校準處理，校準單元38幾乎同時地(如圖所示通過控制信號45和46)初始化分頻器32、33。按照這種方法，幾乎同時地縮放表示VCO 30的頻率和參考頻率43的信號。換言之，通過幾乎同時地初始化分頻器32、33，分頻器32、33產(chǎn)生的信號可基本同相。因此，校準單元38只需在一個信號周期之后便能夠確定分頻器32、33產(chǎn)生的頻率差。按照這種方法，校準單元38無需為了確定頻率差，而累加和跟蹤那些在時間擴展期內(nèi)產(chǎn)生的信號。相反，通過幾乎同時地初始化分頻器32、33，校準單元38可以確定信號間的頻率差，并可更迅速地調(diào)節(jié)VCO 30。換言之，幾乎同時地初始化分頻器32、33可以顯著地減少校準VCO 30的耗時。
圖4是一個說明VCO 30實例的電路圖，雖然參照VCO詳細描述了各個實施例，但本發(fā)明并不僅僅局限于該方面。其他實施例，如在頻率合成器中使用各種不同的振蕩器，比如電流控制振蕩器等的實施例，也可使用與這里所具體描述的例子相同的技術(shù)。
如圖4所示，VCO 30包括一個耦合至尾電流(tail current)源58的振蕩盒57。VCO 30的振蕩盒57可以包括一個包含由電壓源52抽頭的電感51的LC電路(電感-電容電路)。VCO 30的振蕩盒57還可以包含一個或多個變?nèi)荻O管53，以及晶體管54A和54B。例如，變?nèi)荻O管53可以由一些反偏二極管構(gòu)成，這些反偏二極管在一起表現(xiàn)為一個電容。并且，VCO 30的振蕩盒57包括一個可配置電路，該可配置電路形式上是開關(guān)電容器56的陣列。在校準過程中，開關(guān)電容56可以被有選擇地激活，從而將VCO 30校準至一個可接受的工作頻率。
圖5是開關(guān)電容器56陣列實例的一個更詳細的電路圖。總體來講，開關(guān)電容56陣列可以包括多(N)個并聯(lián)的電容，但是也可以使用其他配置。在圖示的例子中，每個開關(guān)(S1-SN)可以用于激活兩個串聯(lián)電容。也就是說，每個開關(guān)電容包括串聯(lián)的一個激活開關(guān)(S)和兩個電容(C和C′)。在圖5的實施例中，當(dāng)越多的開關(guān)被激活時，越多的電容就加入到電路中，并且電路的總體電容值增加。因此，校準單元38可以通過有選擇地激活或關(guān)閉一定數(shù)量的開關(guān)來對VCO30進行校準，使其足以補償測得的在表示振蕩器頻率的信號和表示參考頻率的信號之間的頻率差。應(yīng)該理解的是，圖5只是一個開關(guān)電容器的配置實例，并且在本發(fā)明的指引下，其他可選配置也是顯而易見的。
圖6是一個用于闡明頻率合成器的校準技術(shù)的流程圖。具體地，圖6中的技術(shù)可以看作是在激活模擬閉環(huán)控制之前，作為用于校準VCO 30的開環(huán)校準使用。如圖所示，校準單元38使鎖相環(huán)(PLL)31(61)失效，比如通過激活開關(guān)41來將校準參考電壓42作為輸入提供給VCO 30。在該處，若有需要，校準單元38可以等待一小段時間，用以確保VCO 30的初始振蕩頻率達到穩(wěn)態(tài)。也就是說，在校準參考電壓42輸入到VCO 30之后，可能需要允許頻率合成器20的各元件預(yù)熱一小段時間。
一旦系統(tǒng)預(yù)熱后，校準單元38開始初始化分頻器32、33(62)，如發(fā)出一個或多個控制信號45、46。具體地，校準單元38可以幾乎同時地初始化分頻器32、33。在一個實施例中，分頻器32、33包括計數(shù)振蕩脈沖的上升或下降沿的計數(shù)器。在這種情況下，通過幾乎同時啟動計數(shù)器來初始化分頻器32、33。第一分頻器32產(chǎn)生一個振蕩信號(63)，即一個表示VCO 30初始頻率的信號。同樣，第二分頻器33產(chǎn)生一個參考信號(64)，即一個表示參考頻率43的信號。按照這種方法，分頻器32、33產(chǎn)生同相的、表示VCO 30的初始頻率的信號和表示參考頻率的信號。分頻器32、33可以分別縮放各自的輸入頻率，使得產(chǎn)生的信號彼此歸一化。
校準單元38對振蕩器信號與參考信號(65)進行比較，從而確定VCO 30是否在一個可接受的頻率上振蕩。具體地，校準單元38可以測量由分頻器32、33產(chǎn)生的信號的上升沿之間的時間差，用以確定兩個信號間的頻率差。校準單元38可以包含一個用于此目的比較電路。按照這種方法，校準單元可以確定VCO 30是否在一個可接受的頻率上振蕩。
然后校準單元38可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)VCO 30(66)。例如，校準單元38可以包括一個用于控制VCO 30的可配置電路的數(shù)字狀態(tài)機。如圖4和5所示，VCO 30的可配置電路可以包括一組開關(guān)電容器56。因此，校準單元38可以有選擇性地激活或關(guān)閉一個或多個開關(guān)，從而將VCO 30校準在最佳或者近似最佳的振蕩頻率上。在一些情況下，開關(guān)的一個子集可以同時被激活或關(guān)閉。在其他情況下，開關(guān)的激活可以在校準過程中增加。在任何情況下，一旦VCO 30被正確調(diào)節(jié)(66)，就可以啟動PLL 31(67)，比如通過激活開關(guān)41將PLL的輸出作為電壓控制輸入提供給VCO 30。按照這種方法，在離散校準后就啟動VCO 30的模擬控制。
如有需要，可以周期性重復(fù)校準程序。具體地，在正常工作過程中測試或檢查用作VCO 30的電壓控制輸入的PLL控制電壓(在圖3中標注但未標附圖標記)，以確定在下一個可能的時機是否應(yīng)當(dāng)重復(fù)校準。一個表明應(yīng)該重復(fù)進行校準的條件可以對應(yīng)于PLL控制電壓超出了充電泵在不降低其性能時所能供給的電壓范圍的條件。該電壓范圍可以合成一個小的安全域，使得相對于充電泵可以提供的電壓范圍內(nèi)的一小段電壓，對PLL控制電壓進行檢查。
圖7是說明分頻器32、33產(chǎn)生的振蕩信號和參考信號時序的時序圖。如圖所示，當(dāng)時間＝初始化時，分頻器32、33中的計數(shù)器同時被復(fù)位。分頻器32和33中的計數(shù)器分別對各自信號脈沖的上升沿進行計數(shù)，并且在各自數(shù)出所定義數(shù)量的脈沖后，分別產(chǎn)生一個參考信號脈沖和一個振蕩信號脈沖。例如，如圖所示，TCXO提供的參考頻率可以被3整除。在此種情況下，分頻器33對TCXO脈沖的上升沿進行計數(shù)，并在3個數(shù)后產(chǎn)生一個參考信號脈沖。同樣，VCO提供的振蕩器頻率可以被4整除。在此種情況下，分頻器32對VCO脈沖的上升沿進行計數(shù)，并在4個脈沖后產(chǎn)生一個振蕩器信號。然后，比較振蕩器信號和參考信號，以確認是否存在相位差，從而確認VCO30的頻率是太高，還是太低，或是在一個可接受的范圍內(nèi)。出于說明的目的，對圖7進行了簡化。在工作過程中，TCXO的頻率通常比VCO的頻率低很多。因此，在產(chǎn)生各自信號前，通常，分頻器33計數(shù)的脈沖數(shù)目遠小于分頻器32計的脈沖數(shù)目。
定義用于規(guī)定分頻器32和33所計的脈沖數(shù)目的整數(shù)，從而使得產(chǎn)生的參考信號和振蕩器信號近似歸一化。而且，由于兩信號同相，所以能夠很快確定兩個產(chǎn)生的信號之間的頻率差。具體而言，產(chǎn)生的兩個信號間的頻率差可以在僅僅一個信號周期后得到確定。按照這種方法，可以避免對累加器或更復(fù)雜的比較電路的需求。而且，由于所產(chǎn)生的兩個信號同相，因而可以顯著縮短校準時間。
圖8A-8C是另一個時序圖，說明了一個校準單元38如何比較振蕩器信號和參考信號的實例。在該例中，校準單元38檢查振蕩器信號和參考信號，以確定VCO的振蕩頻率是否可以接受。該參考信號提供一個用于檢查振蕩器信號的參考。參考分頻器33也可以在參考信號脈沖的上升沿附近定義一個可接受窗。如果該振蕩器信號的上升沿落到該窗口中，它就是可以接受的。如果沒有落到該窗口內(nèi)，就調(diào)節(jié)VCO 30。該窗口的大小，可以根據(jù)校準程序需要的精度進行選擇。
在圖8A中，振蕩器信號的上升沿在窗口之前到來。在此種情況下，VCO 30工作在一個過高(或“太快”)的頻率上。因此，在此種情況下，校準單元38可以激活電容開關(guān)以降低VCO 30的頻率。如圖8B所示，振蕩器信號的上升沿在窗口之后到來，在此種情況下，VCO工作在一個過低(或“太慢”)的頻率上。因此，在此種情況下，校準單元38可以關(guān)閉電容開關(guān)以提高VCO 30的頻率。如圖8C所示，振蕩器信號的上升沿落在窗口之內(nèi)，在此種情況下，VCO工作在一個可接受的頻率上。因此，在此種情況下，校準單元38無需激活或關(guān)閉VCO的電容開關(guān)。圖8C標注“恰好”是因為振蕩器信號的上升沿正好與參考信號的窗口對齊。
所述實施例能夠提供許多優(yōu)點。具體地，在調(diào)用用于模擬控制的PLL 31之前執(zhí)行VCO 30的離散校準，可以通過減小PLL 31的必要增益來降低系統(tǒng)的噪聲。而且，降低PLL的必要增益可以簡化充電泵35的元件，并可能得到一個更先進的環(huán)路濾波器36的設(shè)計，因此進一步降低噪聲。
此外，幾乎同時地初始化分頻器33、34，通過給校準單元38提供同相信號，可以顯著地減少校準的耗時。當(dāng)信號同相時，可以極大地簡化信號比較。而且，該優(yōu)點還可延及到實際提高校準之后的PLL31的性能。例如，由于同時初始化分頻器32、33，PLL 31的鑒相器34也能夠更迅速地檢測到信號之間的相位差。換言之，可以縮短PLL31的鎖定時間。
在一些實施例中，校準單元38在校準程序后重新初始化分頻器32和33。換言之，校準單元38在激活開關(guān)41以啟動PLL 31后，重新初始化分頻器32和33。尤其是由于分頻器32和33提供給鑒相器34的信號在PLL 31的工作之初同相，該重新初始化可以進一步降低PLL 31的鎖定時間。另外，由于經(jīng)過校準過程，在PLL啟動時可具有可忽略的相位差和非常小的頻率誤差，因此可以進一步改善PLL的鎖定時間。
此處，所述實施例的另一個優(yōu)點是，同樣的分頻器32和33可以用于離散校準環(huán)路和PLL 31的模擬控制環(huán)路。在這兩種情況下，分頻器32和33可以同時被初始化，使得所產(chǎn)生的信號同相。通過在離散校準開始時初始化分頻器32和33，可以降低校準的耗時，并且通過在離散校準之后初始化分頻器，可以縮短PLL 31的鎖定時間。而且，通過在離散校準環(huán)路和PLL 31的模擬控制環(huán)路中使用相同的分頻器，可以減少頻率合成器20的電路整體數(shù)量。
基于在校準過程中得到的信息，可以實施更多的附加特點以提高PLL的性能。換言之，校準的結(jié)果可以提供有關(guān)VCO模擬增益的有關(guān)信息。通過使用這些信息，當(dāng)PLL啟動的時候，可以調(diào)節(jié)充電泵的模擬增益，使得PLL的總體增益保持相對恒定。
更具體而言，當(dāng)校準程序已經(jīng)確定一個具體開關(guān)電容設(shè)置后，該確定的設(shè)置可用于初始化PLL充電泵的增益。例如，開關(guān)電容設(shè)置可以以一個數(shù)值的形式出現(xiàn)，即在1和32之間的一個數(shù)值。通過仿真，可以確定的是，如果頻率校準環(huán)路的最終設(shè)置是16，那么對于該振蕩器的額定頻率，VCO(Kv)的模擬增益應(yīng)該是X。然而，假如校準環(huán)路的最終設(shè)置為17，則VCO的模擬增益可能會增加，比如，達到X+5％*X。同樣，如果設(shè)置為15，則VCO的模擬增益可能會減少，比如，減小到X-5％*X。
為了使PLL的環(huán)增益保持相對恒定，充電泵的模擬增益(Kφ)可基于在頻率校準期間得到的有關(guān)信息進行初始化，即，電容設(shè)置或VCO模擬增益(Kv)。由此，如果充電泵的額定增益(Kφ)是Y，則當(dāng)最終校準設(shè)置為17時，可將Kφ調(diào)節(jié)為Y/(1+5％)。同樣，若最終設(shè)置為15，Kφ可以被調(diào)節(jié)為Y/(1-5％)?？傊?，最終校準設(shè)定提供VCO的模擬增益的相關(guān)信息。這些信息可以用來調(diào)節(jié)PLL的不同部分的模擬增益(如充電泵的增益)，從而將總體模擬增益保持為一個常量。由于整體增益與Kv*Kφ成正比，保持Kv*Kφ恒定同樣可以確保整體增益保持相對恒定。
如上所述，通過在校準過程中使用的附加技術(shù)，可以應(yīng)對諸如溫度等周圍環(huán)境條件的變化。例如，在一個集成片上VCO中，溫度的改變可能會引起變?nèi)荻O管電容值的變化。為此，需要偏移校準輸入電壓42用以補償諸如溫度等周圍環(huán)境條件的變化。如果與溫度無關(guān)，校準輸入電壓可選擇為與充電泵35可供電壓的中心值相對應(yīng)。然而，由于溫度變化將導(dǎo)致VCO 30中的變?nèi)荻O管的電容變化，就需要調(diào)節(jié)校準輸入電壓，以應(yīng)對溫度中將來可能發(fā)生的變化。
例如，若環(huán)境溫度小于正常工作溫度，就需要將校準參考電壓42向充電泵35可提供的電壓范圍的下邊界偏移。同樣，若環(huán)境溫度大于正常工作溫度，就需要將校準參考電壓42向充電泵35可提供的電壓范圍的上邊界偏移。使用一個溫度補償算法來生成校準參考電壓42，該溫度補償算法將能產(chǎn)生一個正比于絕對溫度(PTAT)的電壓。例如，在生成校準參考電壓42時，使用溫度補償電路來執(zhí)行PTAT算法。
圖9是根據(jù)實施例的另一個流程圖。如圖所示，選擇一個校準輸入?yún)?shù)(91)。例如，頻率合成器20可以包括一個溫度補償電路，用以執(zhí)行一個算法來選擇與絕對溫度(PTAT)成正比的校準參考電壓42。然后就可以依照上面所述的方法對VCO 30進行校準(92)。在校準之后，啟動PLL 31(93)，通過根據(jù)環(huán)境條件，如溫度，選擇校準輸入?yún)?shù)的方法，可使環(huán)境條件的變化對頻率合成器20的工作產(chǎn)生負面影響的可能性得到降低。
例如，如果在較低溫度下執(zhí)行校準，模擬調(diào)諧電壓就已經(jīng)向可能達到的電壓范圍的下邊界偏移。如果溫度增加，并且不能再次進行校準，充電泵35將具備一個更大的可用電壓提升的范圍，用以調(diào)諧VCO30?？捎玫碾妷航档偷姆秶鷮p少，而在低溫條件下進行校準，則不可能大幅降低電壓。
同樣，如果在較高溫度下進行校準，參考電壓從充電泵35可供電壓的上邊界開始。由此，充電泵35將具備一個更大的可用電壓降低的范圍，用以調(diào)諧VCO 30。在這種情況下，可用電壓提升的范圍將會減少，如果在高溫條件下進行校準，則大幅升高電壓將是不可能的。
已經(jīng)描述了許多實施例。例如，描述了在激活閉環(huán)模擬控制之前使用振蕩器的離散校準技術(shù)。然而，在本發(fā)明范疇以內(nèi)可以做多種修正。例如，相同或類似的技術(shù)可以使用到無線通信設(shè)備以外的設(shè)備中。而且，相同或類似的技術(shù)中也可以應(yīng)用到壓控振蕩器以外的振蕩器中。例如，相似的技術(shù)可以用于校準電流控制振蕩器等。
此外，雖然各種實施例中的許多細節(jié)方面都描述為以硬件來實現(xiàn)，但是相同或類似的技術(shù)也可以通過在一個可編程的數(shù)字信號處理器(DSP)上執(zhí)行的軟件來實現(xiàn)，或者通過固件來實現(xiàn)，以及通過硬件、軟件和固件相結(jié)合的方法實現(xiàn)。因此，這些和其他實施例都在下述權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于校準振蕩器的方法，包括產(chǎn)生針對于一個輸入?yún)?shù)的第一信號，該第一信號表示該振蕩器的初始頻率；產(chǎn)生表示參考頻率的第二信號，其中，產(chǎn)生該第一和該第二信號，包括幾乎同時縮放該振蕩器的該初始頻率和該參考頻率，從而使得該產(chǎn)生的信號基本同相；以及基于該第一和該第二信號的比較結(jié)果，調(diào)整該振蕩器的該初始頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述振蕩器包括一個壓控振蕩器，并且所述輸入?yún)?shù)包括一個校準電壓輸入，其中產(chǎn)生所述第一信號，包括將所述校準電壓輸入施加到所述壓控振蕩器上，以產(chǎn)生所述振蕩器的所述初始頻率，并且縮放所述振蕩器的所述初始頻率。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，進一步包括基于溫度產(chǎn)生所述校準電壓輸入。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括在調(diào)整所述初始頻率之后啟動一個鎖相環(huán)，并且測試從該鎖相環(huán)輸入至所述振蕩器的一個電壓控制輸入，以確定是否應(yīng)當(dāng)再次執(zhí)行校準。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，產(chǎn)生所述第二信號，包括接收來自一個溫度補償晶體振蕩器的所述參考頻率，并且縮放所述參考頻率。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，幾乎同時縮放所述振蕩器的所述初始頻率和所述參考頻率，包括幾乎同時初始化針對所述振蕩器的所述初始頻率和所述參考頻率的分頻器電路。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述振蕩器包括一個壓控振蕩器，該壓控振蕩器具有多個開關(guān)電容器，并且其中基于所述第一和所述第二信號的比較結(jié)果而調(diào)整所述振蕩器的所述初始頻率包括基于所述第一和所述第二信號的比較結(jié)果來激活該開關(guān)電容器的一個子集。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括在校準所述振蕩器之后啟動一個鎖相環(huán)，并且基于所述振蕩器的校準設(shè)置，調(diào)整所述鎖相環(huán)充電泵的初始增益。
9.一種頻率合成器，包括一個振蕩器，包括一個可配置電路，該可配置電路針對于一個初始輸入?yún)?shù)，定義該振蕩器的初始頻率；以及一個校準單元，基于表示該振蕩器的信號和表示一個參考的信號的比較結(jié)果，調(diào)整該可配置電路，其中該校準單元初始化表示該振蕩器的信號和表示該參考的信號，以使表示該振蕩器的信號和表示該參考的信號基本上同相。
10.如權(quán)利要求9所述的頻率合成器，其中所述振蕩器包括一個壓控振蕩器，并且所述初始輸入?yún)?shù)是一個初始輸入電壓，其中所述可配置電路具有多個開關(guān)電容器，其中所述校準單元，通過基于表示所述振蕩器的信號和表示所述參考的信號的比較結(jié)果，激活所述開關(guān)電容器的一個子集，來調(diào)整所述可配置電路。
11.如權(quán)利要求10所述的頻率合成器，進一步包括一個基于溫度產(chǎn)生所述初始輸入電壓的電路。
12.如權(quán)利要求9所述的頻率合成器，進一步包括第一分頻器，用于通過縮放由所述初始輸入?yún)?shù)定義的一個振蕩器頻率來生成表示所述振蕩器的信號，以及第二分頻器，用于通過縮放一個參考頻率來生成表示所述參考的信號。
13.如權(quán)利要求12所述的頻率合成器，其中所述校準單元幾乎同時初始化所述第一和所述第二分頻器，以初始化表示所述振蕩器的信號和表示所述參考的信號，從而使得表示所述振蕩器的信號和表示所述參考的信號基本同相。
14.如權(quán)利要求12所述的頻率合成器，進一步包括一個在校準以后提供所述振蕩器的模擬控制的鎖相環(huán)。
15.如權(quán)利要求14所述的頻率合成器，其中所述鎖相環(huán)和所述振蕩器被集成為集成電路，其中用于縮放所述參考和所述振蕩器頻率的所述分頻器也用于所述鎖相環(huán)中。
16.如權(quán)利要求14所述的頻率合成器，其中所述振蕩器是一個壓控振蕩器，并且其中所述鎖相環(huán)包括一個充電泵，用于在校準之后、生成所述壓控振蕩器的輸入電壓，該校準是基于表示所述振蕩器的信號和表示一個參考的所述頻率的比較結(jié)果而進行的。
17.一種設(shè)備，包括一個電路，用于產(chǎn)生針對于一個輸入?yún)?shù)的第一信號，該第一信號表示振蕩器初始頻率；一個電路，用于產(chǎn)生表示一個參考頻率的第二信號，其中產(chǎn)生該第一和該第二信號的電路，幾乎同時縮放該振蕩器的初始頻率和參考頻率，從而使得該產(chǎn)生的信號基本上同相；以及一個電路，用于基于該第一和該第二信號的比較結(jié)果來調(diào)整該振蕩器的初始頻率。
18.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述振蕩器包括一個壓控振蕩器，并且所述輸入?yún)?shù)包括一個校準電壓輸入，其中用于產(chǎn)生所述第一信號的電路將該校準電壓輸入施加到該壓控振蕩器上，以產(chǎn)生所述振蕩器的初始頻率，并且縮放所述振蕩器的初始頻率。
19.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，進一步包括一個基于溫度產(chǎn)生所述校準電壓輸入的電路。
20.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中用于產(chǎn)生所述第二信號的所述電路接收來自一個溫度補償晶體振蕩器的所述參考頻率，并且縮放所述參考頻率。
21.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，幾乎同時縮放所述振蕩器的所述初始頻率和所述參考頻率的所述電路，幾乎同時初始化針對所述振蕩器的所述初始頻率和所述參考頻率的分頻器電路。
22.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述振蕩器包括一個壓控振蕩器，該壓控振蕩器具有多個開關(guān)電容器，并且其中基于所述第一和所述第二信號的比較結(jié)果而調(diào)整所述振蕩器初始頻率的電路，基于所述第一和所述第二信號的比較結(jié)果來激活所述開關(guān)電容器的一個子集。
23.一種頻率合成器，包括一個振蕩器，包括一個可配置電路，該可配置電路針對于一個初始輸入?yún)?shù)定義該振蕩器初始頻率；以及一個裝置，用于基于表示該振蕩器的信號和表示一個參考的信號的比較結(jié)果來調(diào)整該可配置電路，其中用于調(diào)整的該裝置初始化表示該振蕩器的信號和表示該參考的信號，從而使表示該振蕩器的信號和表示該參考的信號基本上同相。
24.如權(quán)利要求23所述的頻率合成器，其中所述振蕩器包括一個壓控振蕩器，并且所述初始輸入?yún)?shù)是一個初始輸入電壓，其中所述可配置電路具有多個開關(guān)電容器，其中用于調(diào)整的所述裝置，基于表示所述振蕩器的信號和表示所述參考的信號的比較結(jié)果，通過激活所述開關(guān)電容器的一個子集來調(diào)整所述可配置電路。
25.如權(quán)利要求24所述的頻率合成器，進一步包括一個基于溫度產(chǎn)生所述初始輸入電壓的裝置。
26.如權(quán)利要求23所述的頻率合成器，進一步包括第一分頻裝置，用于通過縮放由所述初始輸入?yún)?shù)定義的一個振蕩器頻率而生成表示所述振蕩器的所述信號，以及第二分頻裝置，用于通過縮放一個參考頻率而生成表示所述參考的所述信號。
27.如權(quán)利要求26所述的頻率合成器，其中用于調(diào)整的所述裝置，通過對一個用于所述振蕩器初始頻率的分頻器電路和一個用于所述參考頻率的分頻器電路幾乎同時進行初始化，來初始化表示所述振蕩器的信號和表示所述參考的信號。
28.如權(quán)利要求23所述的頻率合成器，進一步包括一個在校準之后用于所述振蕩器的模擬控制的裝置。
29.如權(quán)利要求28所述的頻率合成器，其中用于模擬控制的所述裝置和所述振蕩器被集成為集成電路。
30.如權(quán)利要求28所述的頻率合成器，其中所述振蕩器是一個壓控振蕩器，并且其中用于模擬控制的所述裝置包括一個在校準之后、生成用于所述壓控振蕩器的輸入電壓的裝置，該校準是基于表示所述振蕩器的所述信號和表示一個參考的所述信號的比較結(jié)果而進行的。
31.一種無線通信設(shè)備，包括一個用于產(chǎn)生波形的頻率合成器，其中該頻率合成器包括一個振蕩器，該振蕩器包括一個可配置電路，該可配置電路針對于一個初始輸入?yún)?shù)定義該振蕩器的初始頻率，以及一個校準單元，該校準單元，基于表示該振蕩器的信號和表示一個參考的信號的比較結(jié)果來調(diào)整該可配置電路，其中該校準單元初始化表示該振蕩器的信號和表示該參考的信號，以使表示該振蕩器的信號和表示該參考的信號基本上同相；以及一個混頻器，用于使該波形混頻。
32.如權(quán)利要求31所述的無線通信設(shè)備，進一步包括一個用于接收RF波形的接收機，其中所述混頻器利用由所述頻率合成器產(chǎn)生的波形作為參考時序，將所述接收到的RF波形下混頻至基帶信號。
33.如權(quán)利要求31所述的無線通信設(shè)備，進一步包括一個用于發(fā)送所述波形的發(fā)射機，其中在發(fā)送之前，所述混頻器將基帶信號調(diào)制成所述波形。
34.一種方法，包括基于溫度選擇一個振蕩器的校準輸入?yún)?shù)；以及在該校準輸入?yún)?shù)下，基于該振蕩器的頻率來校準該振蕩器。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，進一步包括經(jīng)由一個鎖相環(huán)在校準之后控制所述振蕩器的頻率。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述振蕩器是一個壓控振蕩器，并且其中選擇所述校準輸入?yún)?shù)，包括基于溫度選擇一個校準輸入電壓。
37.如權(quán)利要求34所述的方法，其中，校準所述振蕩器，包括校準所述振蕩器的開關(guān)電路。
38.一種設(shè)備，包括一個振蕩器，包括一個可配置電路，該可配置電路在一個校準參數(shù)下，定義該振蕩器的初始頻率；以及一個溫度補償電路，用于基于溫度產(chǎn)生該校準參數(shù)。
39.如權(quán)利要求38所述的設(shè)備，進一步包括一個校準單元，用于基于表示所述振蕩器的信號和表示一個參考的信號的比較結(jié)果，有選擇地激活所述可配置電路。
40.如權(quán)利要求38所述的設(shè)備，其中，所述振蕩器是一個壓控振蕩器，并且其中所述校準參數(shù)是一個初始輸入電壓，其中所述溫度補償電路基于溫度選擇該初始輸入電壓。
41.如權(quán)利要求38所述的設(shè)備，進一步包括一個鎖相環(huán)，該鎖相環(huán)在校準之后、經(jīng)由所述振蕩器的閉環(huán)模擬控制，調(diào)整振蕩器頻率。
全文摘要
在一個實施例中，本發(fā)明描述了一個用于無線通信設(shè)備中或用于要求頻率精確且噪聲小的類似設(shè)備中的頻率合成器。更具體而言，該頻率合成器可以包括一個鎖相環(huán)(PLL)以及一個集成壓控振蕩器(VCO)。該頻率合成器可以執(zhí)行一種或多種校準技術(shù)，從而快速準確地校準VCO。按照這種方法，可以顯著降低VCO的模擬增益，從而可以提高無線通信設(shè)備的性能。此外，可以改善PLL的初始狀態(tài)以減少PLL的鎖定時間，從而增強無線通信設(shè)備的性能。
文檔編號H03L7/113GK1768478SQ03805106
公開日2006年5月3日 申請日期2003年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月6日
發(fā)明者杰里米·D·鄧恩沃思, 布雷特·C·沃克 申請人:高通股份有限公司