專利名稱：頻率合成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電子電路設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及頻率合成器的溫度頻率漂移 的補償技術(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)計中提供精
確的時鐘信號是非常重要的。通常，所述時鐘信號是由晶體振蕩器(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)生一定頻率電信號的電子電路。這個頻率通?？梢杂糜谟嫊r(比如石英 手表中)，也可以用于為數(shù)字集成電路提供時鐘信號，還可以用于穩(wěn)定無線發(fā)射 器/接收器的頻率。導(dǎo)致時鐘信號不同于設(shè)計的一個原因在于溫度，它可能影響 壓電材料和晶體振蕩器的運作。隨著溫度的變化，晶體振蕩器輸出的頻率會也 會隨之變化。事實上，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)中使用低成本獨立晶體 振蕩器是不可能的。
無線通訊設(shè)備或移動電話的頻率源包括有數(shù)控晶體振蕩器(digitally controlled crystal oscillator )或溫度補償晶體振蕩器(temperature-compensated crystal oscillator》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，尤其對于深亞微米COMS工藝的數(shù)控晶體振蕩器。此外，通過對數(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)顯度補償晶體振蕩器(temperature-compensated crystal oscillator)中，自動調(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)行溫度補償。
然而，這樣的壓控溫度補償晶體振蕩器首先需要一高品質(zhì)晶體來滿足所述三級線性補償需要，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模擬電壓，所述壓控溫度補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)過溫度補償?shù)念l率。
實用新型內(nèi)容
有鑒于此，本實用新型的目的在于提供低成本、高精度的頻率合成器，其 可以對其輸出頻率進(jìn)行溫度補償。
為了達(dá)到上述目的，本實用新型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償?shù)牡诙?shù)。其中當(dāng)?shù)谝粎?shù)為常數(shù)時所述鎖頻環(huán)生成 固定時鐘信號或當(dāng)?shù)谝粎?shù)為表示調(diào)制信號的頻率改變的二進(jìn)制序列時所述鎖 頻環(huán)生成頻率調(diào)制信號。
進(jìn)一步的，Z。^表示所述輸出時鐘信號，/ 表示參考頻率，F(xiàn)C『—"m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使時鐘信號達(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參考頻率的頻率漂移進(jìn)行補償以 至于所述輸出時鐘信號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，其是表示輸出時鐘信號 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)射的計時信息。 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)字溫度測量值；查找表，用于存儲 頻率校正信號和溫度的對應(yīng)關(guān)系，并驅(qū)動插值邏輯單元調(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，其中所述時鐘信號或頻率調(diào)制信號的頻率精度是由數(shù)字 相位累加器的字長和參考頻率決定；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，用于對數(shù)字頻率比較器輸出的誤差信號進(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；低通濾波器，用于對所述模擬信號進(jìn)行濾波，所述模擬信號進(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對參考頻率進(jìn)行采樣從而直接將壓控振蕩器的輸出信號轉(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)一步包括用于對壓控振蕩器的輸出進(jìn)行分頻 以獲得所述時鐘信號的分頻器。
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，其中所述時鐘信號或頻率調(diào)制信 號的頻率精度是由數(shù)字相位累加器的字長和參考頻率決定；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，用于對數(shù)字頻率比較器輸出 的誤差信號進(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，其中所述數(shù)控振 蕩器增益控制單元用于消除工藝、電壓和溫度對相位和頻率的影響；和數(shù)字控
10制振蕩器，生成無線頻率信號，所述無線頻率信號被轉(zhuǎn)換為中頻信號，頻率數(shù) 字轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步將所述中頻信號轉(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)字控制信號的位數(shù)可獲 得輸出時鐘信號或頻率調(diào)制信號的高分辨率。
這樣與現(xiàn)有技術(shù)相比，在本實用新型提出的技術(shù)方案中，通過對頻率校正 控制信號的控制，實現(xiàn)對參考時鐘的頻率漂移的溫度補償。

圖1是本實用新型中的溫度補償頻率合成器的功能方框圖，其中所述溫度 補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償溫度頻率特性曲線圖3是與晶體振蕩器的未補償溫度頻率特性對應(yīng)的點對點校正溫度補償曲 線圖4是本實用新型中的鎖頻環(huán)的功能方框圖，其中所述鎖頻環(huán)在參考頻率 A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/。^ ;圖5是本實用新型中的鎖頻環(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-djgital converter);
圖6是本實用新型中的鎖頻環(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 osdilator)來替代壓控振蕩器(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)控振蕩器的雙點調(diào)制架構(gòu)的方框圖。
具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖來說明本實用新型的具體實施方式
。 圖1示出了本實用新型中的提供溫度補償輸出頻率/。 ,的溫度補償頻率合 成器100。振蕩電路101借助晶體振蕩器117生成參考頻率信號/,。所述參考 頻率信號/ 用作鎖頻環(huán)107 ( Frequency-Looked Loop ,簡稱FLL )的參考時 鐘。所述鎖頻環(huán)107通過利用頻率校正控制信號FCW—new ( frequency corrected control signal)生成期望輸出頻率/。OT。本實用新型的優(yōu)點、目的或 特點之一 就是通過頻率校正控制信號FCW一new對參考時鐘/8的頻率漂移進(jìn)行 補償。在一個實施例中，頻率校正控制信號FCW_new由頻率校正單元109生
成，可得
/離=《*冗『—
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。 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來補償自動頻率控制字FCWAFC
(automatic frequency control data or word )得到頻率校正控制字FCW_new0 其中
FCW一new = FCWAFC + FCWtmp
所述自動頻率控制字FCWafc包括固定頻率控制字FCW( fixed frequency
control signal or word )和自動頻率校正字AFC ( automatic frequency
correction word >>在一個實施例中，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)制信號以生成調(diào)制輸出
頻率/。w。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)。所述自動頻率控制字FCWafc可以
表達(dá)為下式。
FCWAFC=FCW+ AFC
比如，需要生成890MHz 910MHz頻率范圍的頻率調(diào)制(Frequency Modulated )ff號，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，自動頻率控制字FCWArc也會隨之改變。 同樣，自動頻率校正字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所示的所述溫度補償頻率合成器100可以被看作具有溫度補償頻率的頻率 調(diào)制生成器。自動頻率校正字AFC可由外部提供。
在一個實施例中，自動頻率校正字AFC可根據(jù)無線基站或其他精確頻率源發(fā)出的計時信息的確定。通過改變自動頻率校正字AFC的值就可以對所述參考 時鐘厶的頻率漂移進(jìn)行補償。這樣，所述參考時鐘/,可以采用低成本的簡單晶 體通過AFC控制數(shù)值進(jìn)行精確的溫度頻率補償，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償。在頻率調(diào)制時，作為頻率調(diào)制信號的自動 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 "3GPPTS 05,10V8.12.0(2003-08)， Digital Cellular
Telecommunications System (Phase 2+); Radio Subsystem Synchronization (Release 1999)"描述的GSM和WCDMA標(biāo)準(zhǔn)，需要移動設(shè)備(比如手機(jī))的
發(fā)射信號與從基站接受的信號相比具有大于0.1 ppm載波頻率精確度。這個精
度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出最好的晶體振蕩器在沒有頻率反饋校正時所能獲得的精度。這個頻
率反饋校正環(huán)在GSM標(biāo)準(zhǔn)中通常是指自動頻率控制。所述自動頻率控制信號
是一個數(shù)字信號?，F(xiàn)有自動頻率控制環(huán)實現(xiàn)通常會通過AFC數(shù)模轉(zhuǎn)換器將自動
頻率控制信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。之后，用這個模擬信號來控制片外壓控晶體振
蕩器(voltage-controlled crystal oscillator, VCXO)或壓控溫度補償振蕩器 (voltage-controlled temperature compensated crystal oscillator, VCTCXO)的 頻率。與本實用新型相比，這種傳統(tǒng)實現(xiàn)方案需要采用附加的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和 獨立的高質(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。在一個實施例中，所述數(shù)字溫度值應(yīng)該具有足夠的精
14度來豕蓋所述溫度補償頻率合成器100的需求溫度范圍和補償?shù)念l率精度。
所述解碼邏輯單元105對數(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。所述查找表111提供適當(dāng)?shù)念l率校正信號給所 述插值邏輯單元115。換句話說，所述査找表111驅(qū)動所述插值邏輯單元115 根據(jù)解碼的數(shù)字溫度值來調(diào)整頻率校正信號FCWtmp。
圖2示出了普通AT切割石英晶體振蕩器的未補償溫度頻率特性曲線圖， 其中所述普通AT切割石英晶體在-5(TC至125°C溫度范圍內(nèi)具有大約 士10ppm的頻率穩(wěn)定性。圖3示出了與未補償溫度頻率特性對應(yīng)的點對點校正 溫度補償曲線。如圖3所示，補償后的輸出的頻率漂移較未補償輸出的頻率漂 移大大降低。
在圖3中示出了頻率溫度補償點。解碼數(shù)字溫度值與其對應(yīng)的頻率校正字 FCWtmp存儲與查找表111中。在生產(chǎn)或測試過程中通過比較輸出頻率/。w和期 望頻率精確測定每個溫度點上的頻率校正字FCWtmp。使用輸入信號DATA將 頻率校正字FCWtmp編入查找表內(nèi)。在兩個補償點之間的頻率校正值，比如圖3 中的補償點A和B之間的溫度頻率校正點，可以由線性插值邏輯單元115估算 出來。存儲于査找表的補償點越多，插值獲得的頻率校正字越精確。然而，査 找表的硬件開銷也會隨著查找表中補償點數(shù)目的增加而增加。在一個實施例中， 可以在滿足工作溫度范圍內(nèi)輸出頻率穩(wěn)定的情況下使査找表的尺寸最小。
圖4示出了本實用新型一個實施例中的鎖頻環(huán)107的方框圖。所述鎖頻環(huán)
15107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)點在于所述頻率比較器121具有高線性度并且可以設(shè)計為全數(shù) 字邏輯電路。對于傳統(tǒng)鎖相環(huán)來說，所述相位信號是周期為2tt的周期性信號， 所述相位檢測器(或比較器)將會引入噪聲和相位突波。所述傳統(tǒng)的鎖相環(huán)通 常用模擬電路來實現(xiàn)，這樣使它的設(shè)計成本增加而且難以實現(xiàn)和數(shù)字電路的自 由集成。此外，所述模擬鎖相環(huán)還對工藝、電壓和環(huán)境的變化很敏感。
對于鎖頻環(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FCW—new。頻率的精度由 相位累加器的FCW的字長和參考頻率厶決定。舉例來說，參考頻率厶為 50MHz , FCW的字長為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。然而，輸出頻率/。^會隨著參考頻率厶的改變 而改變，輸出頻率/。^的頻率漂移補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/i,e。 分頻至中頻信號/w ,其中/,, , ",vj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A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/,對輸入信號 力,.的時鐘周期(比如上升沿或下降沿)進(jìn)行計數(shù)。預(yù)定時鐘數(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將會作為數(shù)字頻率比較器121的 一個輸入。
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)生一個誤差信號。隨后，所述數(shù)字環(huán)路 濾波器123對所述誤差信號進(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)時間)有效控制環(huán)路帶寬和鎖定調(diào)節(jié)時間。
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 模擬信號。所述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器125的模擬輸出信號在經(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示出了本實用新型另一種架構(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的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流 Pvco。對于所述直接頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器531來說，所述頻率采樣是通過高頻輸出信號(比如VCO輸出Pvco )采樣已知低頻參考頻率厶實現(xiàn)。本架構(gòu)的優(yōu)點之一在于由于用高頻的VCO輸出Pvco來對低頻參考頻率厶進(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)簡化了反饋路徑中的分頻器的設(shè)計并降低了硬件成本和相關(guān)功耗。對于不同的輸出頻率，分頻器533可以被用于分頻壓控振蕩器的輸出/m。以得到需要輸出頻率。
圖6本實用新型中的鎖頻環(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(voltagecontrolled 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)級數(shù)字控制信號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/,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/w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)生一個誤差信號。隨后，所述數(shù)字環(huán)路濾波器605對所述誤差信號進(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)控振蕩器增益控制單元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。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、電壓和溫度的對數(shù)控振蕩器相位和頻率的影響。用在反饋路徑中的分頻器611可以將數(shù)控振蕩器609生成的頻率信號/^。分頻至中頻信號A。所述頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器613進(jìn)一步將所述中頻信號/,f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，這樣整個鎖頻環(huán)600可以通過全數(shù)字邏輯方式實現(xiàn)。這樣，頻率信號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，因為傳統(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調(diào)制架構(gòu)的方框圖。所述頻率調(diào)制信號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)制信號相位差。所述調(diào)制數(shù)據(jù)FW被注入鎖頻環(huán)的兩點用于直接頻率調(diào)制。在一個注入點，
19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。
在另一個注入點，首先利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器721將所述調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成模擬信號,之后利用加法器717將所述模擬信號加入壓控振蕩器709的輸入控制信號中。這種注入調(diào)制信號將直接調(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頻率校正字AFC來補償頻率漂移時，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)追蹤載波頻率時不需寬帶調(diào)制信號經(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，利用自適應(yīng)增益控制單元直接將所述寬帶頻率調(diào)制信號用于調(diào)制VCO。這樣，可以同時獲得對寬帶信號的調(diào)制和低輸出噪聲的頻率合成和調(diào)制的要求。
為了補償壓控振蕩器709由于工藝、電壓和溫度漂移的非線性對調(diào)制信號的影響，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FM以自適應(yīng)改變壓控振蕩器的增益，達(dá)到對壓控振蕩器調(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FM被注入鎖頻環(huán)的兩點，其中一個是加法器823點，它導(dǎo)致參考頻率數(shù)據(jù)流Pose的改變，另一個是加法器807點，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的變化將會在數(shù)字頻率比較器801的輸出上相互抵消。
為了補償數(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會根據(jù)數(shù)字頻率比較器801產(chǎn)生的頻率誤差信號的大小對調(diào)制信號FM進(jìn)行增益修正，以使比較器801產(chǎn)生的頻率誤差信號值最小。圖8所示的鎖頻環(huán)可以實現(xiàn)全數(shù)字電路的寬帶頻率調(diào)制。
本實用新型除上述方式實現(xiàn)對頻率的合成和調(diào)制外也可以采用其他不同的方式實現(xiàn)。在一個實施例中，本實用新型可用于實現(xiàn)一個集成電路或系統(tǒng)集成芯片的穩(wěn)定的時鐘頻率合成。在另一個實施例中，本實用新型可用于調(diào)制信號頻率。在另外一個實施例中，本實用新型可用于儀器儀表中通過手動控制合成各種不同頻率的信號。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(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)運行的鎖頻環(huán)，其中所述晶體振蕩器與所述鎖頻環(huán)相連接并將其輸出的參考頻率提供給所述鎖頻環(huán)；與所述鎖頻環(huán)相連接的頻率校正單元，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，并將所述數(shù)字頻率校正控制字提供給所述鎖頻環(huán)，所述第一參數(shù)是自動頻率校正字和固定頻率控制字的結(jié)合；與頻率校正單元相連接的插值邏輯單元，用于生成表示溫度變化補償?shù)牡诙?shù)，并將所述第二參數(shù)提供給所述頻率校正單元；其中，當(dāng)?shù)谝粎?shù)為常數(shù)時所述鎖頻環(huán)生成定時時鐘信號或當(dāng)?shù)谝粎?shù)為表示調(diào)制信號的頻率改變的二進(jìn)制序列時所述鎖頻環(huán)生成頻率調(diào)制信號。
2、 如權(quán)利要求1所述的頻率合成器，其特征在于，/。^表示所述時鐘信 號，/ 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)字溫度測量值；查找表，用于存儲頻率校正信號和溫度的對應(yīng)關(guān)系，并驅(qū)動插值邏輯單元 調(diào)整第二參數(shù)。
4、 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，其中所述時鐘信號或頻率調(diào)制信號的頻率精度是由數(shù)字相位累加器的字長和參考頻 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) 換器的反々赍回路的輸出；數(shù)字回路濾波器，與數(shù)字頻率比較器相連接，用于對數(shù)字頻率比較器輸出 的誤差信號進(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；低通濾波器，用于對所述模擬信號進(jìn)行濾波，所述模擬信號進(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所述鎖頻 環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
5、 如權(quán)利要求4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直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流。
6、 如權(quán)利要求4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對參考頻率進(jìn)行采 樣從而直接將壓控振蕩器的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字頻率數(shù)據(jù)流。
7、 如權(quán)利要求6所述的頻率合成器，其特征在于，所述鎖頻環(huán)進(jìn)一步包括用于對壓控振蕩器的輸出進(jìn)行分頻以獲得所述時鐘信號的分頻器。
8、 如權(quán)利要求3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，其中所述時鐘信號或頻率調(diào)制信號的頻率精度是由數(shù)字相位累 加器的字長和參考頻率決定；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，用于對數(shù)字頻率比較器輸出 的誤差信號進(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，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，所述無線頻率信號被轉(zhuǎn)換為中頻信 號，頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步將所述中頻信號轉(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)流時所述鎖頻環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
專利摘要本實用新型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償?shù)牡诙?shù)。其中，當(dāng)?shù)谝粎?shù)為常數(shù)時所述鎖頻環(huán)生成固定的時鐘信號或當(dāng)?shù)谝粎?shù)為表示調(diào)制信號的頻率改變的二進(jìn)制序列時所述鎖頻環(huán)生成頻率調(diào)制信號。通過對頻率校正控制字的控制，可以實現(xiàn)對參考時鐘的頻率漂移的溫度補償。
文檔編號H03L1/00GK201270504SQ20082005864
公開日2009年7月8日 申請日期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 申請人:曹秀娟