鎖相回路和用于操作該鎖相回路的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請一般涉及鎖相回路(PLL)，并且更具體地涉及超低帶寬鎖相回路。
【背景技術(shù)】
[0002]鎖相回路通常配備有受控振蕩器，例如電壓受控振蕩器(VCO)。VCO在反饋回路中耦合以便從低頻率參考時鐘生成高頻率時鐘。該參考時鐘是更低的頻率，因為它更容易在更低的頻率處生成各種穩(wěn)定和精確的時鐘信號。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的鎖相回路示例在圖1中示出。存在VC0、相位頻率檢測器PFD、電荷泵、分頻器DIV和補償電容器Cl、包括電阻器R和電容器C2的積分模擬元件。相位頻率檢測器PFD比較參考時鐘REFCLK的相位與具有基本上相同時鐘頻率的反饋時鐘信號SYSCLK的相位。反饋時鐘信號SYSCLK是由PLL輸出并且由分頻器DIV分頻的時鐘信號PLL0UT。如果反饋時鐘信號SYSCLK的頻率或相位與參考時鐘信號REFCLK的相位或頻率不同，則電荷泵CP施加信號給VCO以便增大或減小VCO的輸出信號PLLOUT的相位或頻率。由電荷泵發(fā)出的信號ICH是在參考時鐘REFCLK和反饋時鐘信號SYSCLK之間差的函數(shù)。
[0003]VCO可以實現(xiàn)為環(huán)形振蕩器。環(huán)形振蕩器拓撲結(jié)構(gòu)提供了一系列級聯(lián)延遲級(一般為反相器)。來自最后一個延遲級的輸出信號被反饋回到第一延遲級的輸入。通過級聯(lián)級(包括系統(tǒng)內(nèi)信號的任何凈反轉(zhuǎn))的總延遲被設(shè)計為滿足持續(xù)振蕩的標準。通常每個延遲級具有由獨立輸入支配的可變延遲。VCO的振蕩頻率然后由該輸入信號控制，以便改變級延遲。用于環(huán)形振蕩器的振蕩頻率可以在寬范圍內(nèi)調(diào)諧為例如VCO額定中心頻率的20%至50%。
[0004]為了遵守REFCLK信號的非常低的頻率，PLL必須具有非常低的帶寬。具有這種低帶寬的PLL需要外部組件(諸如大電容器)，并且還消耗大量的電力。然而，在手持和移動裝置中使用的集成電路要求低功耗和較少數(shù)量的外部元件，同時使用盡可能少的芯片面積。實現(xiàn)這樣低帶寬PLL的替代方法例如在公開的德國專利申請DE 10 2010 048 584和2011年9月29日提交的歐洲專利申請EP 11 183 369.5中描述。在后一專利申請中，所描述的PLL使用半數(shù)字存儲單元，其中一組N個半數(shù)字存儲單元和4個電容器使用少得多的芯片面積替換回路濾波器電容器C。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的另一個一般目的是提供可構(gòu)建在相對小管芯上的低帶寬PLL。本發(fā)明的另一個一般目的是提供一種PLL，其需要比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的PLL較少的外部組件，并消耗更少的功率。本發(fā)明的另外一般目的是提供具有較低峰值的低帶寬PLL。本發(fā)明的另一個目的是提供用于PLL的更好工藝補償。
[0006]在本發(fā)明的第一方面，鎖相回路被提供有僅使用兩個存儲單元、計數(shù)器和數(shù)模(DAC)轉(zhuǎn)換器的控制級。與例如在歐洲專利申請EP 11 183 369.5或公開的德國專利申請DE 10 2010 048 584中描述的PLL相比，PLL控制級的這種配置進一步減少PLL所需的芯片面積，因為電容器的數(shù)量以及存儲單元的數(shù)量可以減少。在僅使用兩個存儲單元(和兩個存儲電容)的示例實現(xiàn)中，并與其中存儲單元共享四個電容的在歐洲專利申請EP 11183 369.5中描述的示例比較，在PLL控制級中的組件減少可能占整個芯片面積中20%的減少。
[0007]在本發(fā)明的另一個第二方面，提出了用于PLL的改進工藝-電壓-溫度(PVT)補償技術(shù)。在該方面中，由受控振蕩器VCO消耗的電流分別被用作鎖相回路、包括該鎖相回路的芯片/集成電路(IC)的操作點(工藝、電壓和溫度)的指示。受控振蕩器VCO的輸出電流被鏡像以在電荷泵電流中使用。以這種方式，對于在弱PVT條件中的芯片/集成電路，受控振蕩器VCO使用更多的電流以在目標頻率處振蕩，并且電荷泵電流基于受控振蕩器VCO的輸出電流以相同的比例增加。類似地，對于在強PVT角中的芯片/集成電路，受控振蕩器VCO的電流消耗被降低，反映在電荷泵電流中的成比例減少。因此，PLL可以因此是自補償?shù)?，并且可以提供跨各種PVT條件的恒定帶寬。在使用兩個充電泵的實施方式中，如例如在本發(fā)明的第一方面，受控振蕩器VCO的輸出電流可以被反饋回到用于PVT補償?shù)膬蓚€電荷泵。本發(fā)明的第二方面可以容易與本發(fā)明的第一方面組合。
[0008]本發(fā)明的另外第三方面(它可以與兩個上面提到的方面容易地組合)允許實施在其頻率響應(yīng)中具有較低峰值的PLL，這導致更好的停息響應(yīng)(settling response)。頻率響應(yīng)峰值可以例如通過降低PLL的積分路徑增益來降低。在半數(shù)字結(jié)構(gòu)中，如例如在歐洲專利申請EP 11 183 369.5或公開的德國專利申請DE 10 2010 048 584中描述的，或符合本發(fā)明第一方面的PLL，這可以通過增加對存儲單元的電容器充電或放電的時間實現(xiàn)。為增加存儲單元的充電/放電時間，電荷泵電流可以減小或存儲單元電容器的大小可以增加。在一些應(yīng)用中，從可靠性的角度來看，降低電荷泵電流可能不可取，因為通常電荷泵電流已經(jīng)非常低(例如，在一個數(shù)字nA(納米安培)范圍例如InA中)。增加存儲單元電容器的面積將增加芯片的面積。因此，根據(jù)另一示例性實施方式，建議采樣通過積分路徑的電流，其可以使用例如在GHz范圍(例如IGHz或更高)中的高速時鐘信號來對存儲電容器充電。時鐘的占空比可以例如設(shè)定為小于25%，以使得存儲電容器被允許充電或放電僅25%的時間。25%的占空比可以將有效充電電流降低到1/4，并且可以以相同的量增加充電時間，這可能導致回路中減小的頻率峰值。
[0009]第一方面的示例性實施例提供了鎖相回路。鎖相回路包括接收反饋時鐘(或系統(tǒng)時鐘信號)和參考時鐘的相位頻率檢測器。該相位頻率檢測器響應(yīng)于在反饋時鐘和參考時鐘之間的相位和/或頻率差，提供用于控制受控振蕩器的振蕩頻率的UP脈沖和DOWN脈沖。鎖相回路進一步包括從相位頻率檢測器接收UP脈沖和DOWN脈沖的第一電荷泵。第一電荷泵可響應(yīng)于來自相位頻率檢測器的UP脈沖和DOWN脈沖，向受控振蕩器的第一控制輸入提供第一模擬控制信號，以控制其振蕩頻率。
[0010]鎖相回路進一步包括第二電荷泵。第二電荷泵從相位頻率檢測器接收UP脈沖和DOWN脈沖。第二電荷泵可向控制級提供與來自相位頻率檢測器的UP脈沖和DOWN脈沖對應(yīng)的第一模擬存儲控制信號和第二模擬存儲控制信號。鎖相回路的控制級響應(yīng)于第一模擬存儲控制信號和第二模擬存儲控制信號，向受控振蕩器的第二控制輸入提供第二模擬控制信號，以控制其振蕩頻率。
[0011]受控振蕩器響應(yīng)于在第一控制輸入處接收的第一模擬控制信號和至第二控制輸入的第二模擬控制信號，輸出具有所需振蕩頻率的輸出信號。鎖相回路進一步包括反饋回路，其向相位頻率檢測器的輸入反饋受控振蕩器的輸出信號，或可替代地其電平移位版本作為反饋時鐘信號。
[0012]根據(jù)該實施例，控制級包括多個存儲元件、計數(shù)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器?？刂萍壙煞謩e響應(yīng)于第一模擬存儲控制信號和第二模擬存儲控制信號，(在相應(yīng)循環(huán)中)對每個存儲元件連續(xù)充電和復位，或放電和復位。在該實施例的一個示例實施方式中，存在兩個存儲元件，但一般也可提供更多的存儲元件。
[0013]計數(shù)器適于分別響應(yīng)于由存儲元件執(zhí)行的充電循環(huán)或放電循環(huán)數(shù)，來增加或降低其計數(shù)器值。數(shù)模轉(zhuǎn)換器將計數(shù)器的計數(shù)器值轉(zhuǎn)換成控制電流?？刂萍壪蚴芸卣袷幤魈峁┋B加有表示相應(yīng)存儲元件的相應(yīng)充電/放電狀態(tài)的電流的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的控制電流，作為到第二控制輸入的第二模擬控制信號。
[0014]在另一個示例實施例的鎖相回路中，每個存儲元件包括電容器。每個存儲元件的電容器響應(yīng)于第一模擬存儲控制信號和第二模擬存儲控制信號來充電或放電。表示相應(yīng)一個存儲元件的相應(yīng)充電/放電狀態(tài)的電流可例如代表在存儲元件的相應(yīng)電容器上存儲的電流。
[0015]此外，在另一個示例實施方式中，每個存儲元件提供輸出信號作為到相應(yīng)的其它存儲元件的輸入信號。通過一個存儲元件斷言輸出信號使(接收該輸出信號作為輸入信號的)的另一個存儲元件對其電容器充電或放電。在一個實施例中，僅當在其輸入上的信號是邏輯高時，存儲元件將被啟用，并且當在其輸入上的信號是邏輯低時將被禁用。啟用意味著存儲元件可響應(yīng)于第一模擬存儲控制信號和第二模擬存儲控制信號，對其電容器充電或放電。禁用意味著存儲元件不能對其電容器充電或放電。在一個示例實施例中，當其電容器兩端的電壓跨越中間電位閾值電平(參見如下)時，輸出信號由存儲元件斷言。
[0016]在不失去一般性的情況下，在鎖相回路的另一個示例性實施方式中，存在低電位閾值電平、高電位閾值電平，以及在低電位閾值電平和高電位閾值電平之間的中間電位閾值電平。當其電容器充電或放電到中間電位閾值電平時，相應(yīng)存儲元件可斷言輸出信號。在一個示例實施方式中，低電位閾值電平等于預定電位(例如VDD)的1/4，高電位閾值電平等于預定電位的3/4，并且中間電位閾值電平等于預定電位的1/2。預定電位可例如是提供給鎖相回路的導軌電壓。這可以例如是在電路板或集成電路上提供的導軌電壓，在該電路板或集成電路上/中實施鎖相回路。在另一個示例實施方式中，預定電位也可以是PLL電路的電源電位，其可以等于或不等于導軌電壓。
[0017]此外，在另一示例性實施方式中，存儲元件(連續(xù)地)確定其電容器是否被充電到高電位閾值電平。如果電容器被充電到高電位閾值電平，則存儲元件將其電容器兩端的電壓復位到低電位閾值電平，并且輸出時鐘脈沖給計數(shù)器以增加其計數(shù)器值。同樣地，存儲元件(連續(xù)地)確定其電容器是否被放電到低電位閾值電平。如果電容器被放電到低電位閾值電平，則存儲元件將其電容器兩端的電壓復位到高電位閾值電平，并且輸出時鐘脈沖給計數(shù)器以降低其計數(shù)器值。
[0018]在示例實施方式中，電位閾值電平的監(jiān)視可例如借助于比較器來實現(xiàn)。比較器的一個輸入耦合到指示存儲元件的存儲電容器兩端的電壓的節(jié)點(電位)。到比較器的第二輸入耦合到相應(yīng)一個電位閾值電平，以使得比較器輸出將指示在其第一和第二輸入上的電位何時彼此相等。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一個示例實施例，第二電荷泵根據(jù)UP脈沖和DOWN脈沖產(chǎn)生第一模擬存儲控制信號和第二模擬存儲控制信號。在一個示例實施方式中，第二電荷泵通過將UP脈沖和DOWN脈沖的占空比降低到25%或更低來產(chǎn)生第一模擬存儲控制信號和第二模擬存儲控制信號。在另一個示例實施方式中，除了降低占空比之外或可替代它，UP脈沖和DOWN脈沖的信號電平等于預定電位，并且第二電荷泵適于通過降低UP脈沖和DOWN脈沖的信號電平來產(chǎn)生第一模擬存儲控制信號和第二模擬存儲控制信號。
[0020]信號電平的降低可例如借助于可變電阻來控制?？勺冸娮杩衫缬杀舜瞬⒙?lián)連接的多對電阻器和開關(guān)的串聯(lián)連接形成，其中開關(guān)控制總體電阻。開關(guān)可借助于控制信號來控制?？刂菩盘柨衫缬墒芸卣袷幤骰蚩刂萍墎硖峁?。
[0021]在一個實施例中，控制信號根據(jù)受控振蕩器或控制級的輸出信號來變化，從而使鎖相回路的工藝-電壓-溫度補償實現(xiàn)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明第二方面的另一個示例性實施例涉及鎖相回路。鎖相回路包括相位頻率檢測器，其接收反饋時鐘和參考時鐘并且進一步響應(yīng)于在反饋時鐘和參考時鐘之間的相位和/或頻率差，提供用于控制受控振蕩器的振蕩頻率的UP脈沖和DOWN脈沖。鎖相回路也包括從相位頻率檢測器接收UP脈沖和DOWN脈沖的第一電荷泵。第一電荷泵響應(yīng)于來自相位頻率檢測器的UP脈沖和DOWN脈沖，向受控振蕩器的第一控制輸入提供第一模擬控制信號，以控制其振蕩頻率。鎖相回路也可包括第二電荷泵，其從相位頻率檢測器接收UP脈沖和DOWN脈沖。第二電荷泵可向控制級提供與來自相位頻率檢測器的UP脈沖和DOWN脈沖對應(yīng)的第一模擬存儲控制信號和第二模擬存儲控制信號?？刂萍夗憫?yīng)于第一模擬存儲控制信號和第二模擬存儲控制信號，向受控振蕩器的第二控制輸入提供第二模擬控制信號，以控制其振蕩頻率。
[0023]此外，受控振蕩器響應(yīng)于在第一控制輸入處接收的第一模擬控制信號和至第二控制輸入的第二模擬控制信號，輸出具有所需振蕩頻率的輸出信號。鎖相回路也可具有反饋回路，其向相位頻率檢測器的輸入反饋受控振蕩器的輸出信號作為所述反饋時鐘。第一電荷泵和/或第二電荷泵可接收受控振蕩器的輸出信號，并且使用該輸出信號用于工藝-電壓-溫度補償。
[0024]在另一個示例實施例中，根據(jù)該發(fā)明各方面的實施例的鎖相回路，響應(yīng)于受控振蕩器的輸出信號，第一電荷泵增加或降低由第一模擬控制信號提供的電流量。
[0025]在根據(jù)另一個實施例的鎖相回路中，響應(yīng)于受控振蕩器的輸出信號，第二電荷泵分別增加或降低由第一模擬存儲控制信號和第二模擬存儲控制信號提供的電流量。電流量可例如通過分別增加或減小第一模擬存儲控制信號和第二模擬存儲控制信號的脈沖寬度來增加或降低。
[0026]如上所述，借助于在電路板上的專用電路，根據(jù)本文描述的各種實施例的鎖相回路可以例如由集成電路(IC)實現(xiàn)。此外，根據(jù)本文描述的各種實施例的鎖相回路也可以是電子裝置的一部分。
[0027]根據(jù)本發(fā)明第一方面的另一個實施例提供了用于操作鎖相回路的方法。該方法可包括在相位頻率檢測器處接收反饋時鐘和參考時鐘。該方法可進一步包括響應(yīng)于在反饋時鐘和參考時鐘之間的相位和/或頻率差，提供用于控制受控振蕩器的振蕩頻率的UP脈沖和DOWN脈沖，并且在第一電荷泵處接收UP脈沖和DOWN脈沖。該方法可包括向受控振蕩器的第一控制輸入提供來自第一電荷泵的第一模擬控制信號，以控制其振蕩頻率。
[0028]該方法可另外包括在第二電荷泵處接收UP脈沖和