阅读说明：本技术 一种锁相环带宽拓展电路 (Phase-locked loop bandwidth expanding circuit ) 是由 高翔 罗鲍 金高锋 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种锁相环带宽拓展电路,其包括多相信号产生模块、鉴相模块、电荷泵模块、低通滤波器、压控振荡器和分频模块,鉴相模块包括多个鉴相器,电荷泵模块包括多个电荷泵,参考信号从多相信号产生模块输入,输出多相信号进入鉴相模块,鉴相模块将多相信号产生模块的输出的多路参考信号和分频模块的输出的多相时钟信号进行鉴相,输出多路信号控制电荷泵模块,产生一路控制电流信号,经低通滤波器形成控制电压,调整压控振荡器的振荡频率,压控振荡器输出振荡信号到分频模块,分频模块输出的时钟信号到鉴相模块；多相信号产生模块输出的多路参考信号和分频模块的输出的多相时钟信号的相位一一对应。该电路拓展了锁相环的带宽。(The invention discloses a phase-locked loop bandwidth expanding circuit, which comprises a multiphase signal generating module, a phase discrimination module, a charge pump module, a low-pass filter, a voltage-controlled oscillator and a frequency division module, wherein the phase discrimination module comprises a plurality of phase discriminators, the charge pump module comprises a plurality of charge pumps, reference signals are input from the multiphase signal generating module, output multiphase signals enter the phase discrimination module, the phase discrimination module performs phase discrimination on multi-path reference signals output by the multiphase signal generating module and multi-phase clock signals output by the frequency division module, outputs multi-path signals to control the charge pump module, generates a path of control current signals, forms control voltage through the low-pass filter, adjusts the oscillation frequency of the voltage-controlled oscillator, the voltage-controlled oscillator outputs oscillation signals to the frequency division module, and the clock signals output by the frequency division module are sent to the phase discrimination module; the multi-path reference signals output by the multi-phase signal generating module correspond to the phases of the multi-phase clock signals output by the frequency dividing module one by one. The circuit expands the bandwidth of the phase-locked loop.)

一种锁相环带宽拓展电路

技术领域

本发明涉及射频集成电路领域，特别涉及到一种锁相环带宽拓展电路。

背景技术

锁相环是一种对输入信号进行相位跟踪的电路，随着通信行业的快速发展，锁相环在即将到来的第五代移动通信市场中有着广泛的应用，比如空间通信、雷达探测、生物医疗等行业。以锁相环为核心的频率综合器，为通信收发机中的混频器、数模/模数转换器等电路提供稳定低噪声的频率信号。同时，在雷达探测等需要用到扫频或者连续步进的系统中，对锁相环模块的快速调优能力有着很高的要求，这就需要我们设计出高带宽的锁相环。对此，我们常用的方法是使用辅助锁相环模块提高锁相环的输入参考频率，这种做法增加了系统的功耗和复杂度。

对于传统的电荷泵锁相环结构(如图1所示)，主要是采用D触发器结构的鉴频鉴相器对输入的参考信号和经由分频器的反馈信号进行比较，之后经由电荷泵和环路滤波器产生控制电压对压控振荡器进行控制，如果环路带宽变大，那么在连续的两次采样中电压和电流的变化会更加剧烈，当带宽接近1/10输入参考频率，鉴相模块的连续时间近似将不再保持成立，锁相环系统将无法正常工作。在实际电路中，由于鉴频鉴相器、电荷泵模块不是完全工作在理想工作状态，为了保证环路的稳定和较低的输出杂散，带宽被限制在1/20输入参考频率处，因此为了在恒定参考频率的条件下，能够显著的提高电荷泵锁相环的实际带宽，需要对系统结构进行优化。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种锁相环带宽拓展电路，该电路能够充分的利用多路采样特性，提高电荷泵模块输出信息的更新频率。使得实际设计在锁相环带宽超过1/10输入参考频率情况下，系统仍然有较好的相位裕度能正常工作在稳定状态。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种锁相环带宽拓展电路，其包括多相信号产生模块、鉴相模块、电荷泵模块、低通滤波器、压控振荡器和分频模块，所述的鉴相模块包括多个鉴相器，所述的电荷泵模块包括多个电荷泵，参考信号从多相信号产生模块输入，输出多相信号进入鉴相模块，鉴相模块将多相信号产生模块的输出的多路参考信号和分频模块的输出的多相时钟信号进行鉴相，输出多路信号控制电荷泵模块，产生一路控制电流信号，经低通滤波器形成控制电压，调整压控振荡器的振荡频率，压控振荡器输出振荡信号到分频模块，分频模块输出的时钟信号到鉴相模块；

所述的多相信号产生模块输出的多路参考信号和分频模块的输出的多相时钟信号的相位一一对应。

进一步地，多相信号产生模块的输出的多路参考信号的振荡频率相同，等于输入的参考信号频率。

进一步地，所述的鉴相模块为采样型鉴相模块。

进一步地，所述的电荷泵的输入包括鉴相模块的输出信号、分频模块的输出的多相时钟信号和用于差分比较的基准电压信号。

进一步地，分频作用即输入信号频率等于输出频率的比值为电路设计的分频比，且具体分频数能按照电路设计需求进行配置。

进一步地，所述的分频模块输出的时钟信号的占空比可调。

进一步地，所述的压控振荡器为环形振荡器或LC振荡器。

进一步地，所述的电荷泵模块将采样型鉴相模块输出的多路电压信号和基准电压信号进行比较，输出一路电流信号；所述的基准电压信号采用一路固定电平，多路浮动电平。

本发明的有益效果如下：

锁相环的带宽受相位裕度的影响，环路延迟会使相位裕度减小，从而限制带宽的大小。环路延迟体现在环路信息的更新速度。本发明的锁相环带宽拓展电路在一个周期内将多路控制信号合并成一路，提高了控制信号的更新频率，从而减小环路延迟，拓展了锁相环的带宽；并且通过多路信号的合成提高环路信息的更新速度，使得环路延迟造成的相位影响减小，提高锁相环的带宽限制。

附图说明

图1为现有技术中的电荷泵锁相环结构示意图；

图2为本发明的锁相环带宽拓展电路的其中一种实施方式的结构示意图；

图3为本发明的四相信号产生模块信号传递的原来示意图；

图4为本发明的锁相环带宽拓展电路中的电荷泵模块信号传递的原理示意图；

图5为本发明的锁相环带宽拓展电路中的分频模块信号传递的原理示意图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的锁相环带宽拓展电路包括多相信号产生模块、鉴相模块、电荷泵模块、低通滤波器、压控振荡器和分频模块，鉴相模块包括多个鉴相器，所述的电荷泵模块包括多个电荷泵。

作为其中一种实施方式，如图2所示，多相信号产生模块为四路相邻正交信号产生电路，鉴相模块为采样型鉴相器。

参考信号从四路信号产生电路输入，输出四路信号进入鉴相器，鉴相器将四相信号产生电路输出的四路采样信号和分频模块的输出的四相时钟信号进行鉴相，输出四路信号控制电荷泵模块，产生一路控制电流信号，经低通滤波器形成控制电压，调整压控振荡器的振荡频率，压控振荡器输出振荡信号到分频模块，分频模块输出的时钟信号到鉴相模块；

如图3所示，四路信号产生电路的输入为一差分正弦波形式的参考信号，经由该电路产生相位依次间隔90度的四路信号。四路信号产生电路可以由开关切换成两种模式。这两种模式的区别在于，当电路参数受到PVT变化偏离理想设定值的时候，一种模式特征为：输出的四路信号相位间隔不变，仍为90度，信号的幅值会有偏差。另一种模式的特征为：输出的四路信号相位间隔会有一定偏差，输出信号的幅值仍保持相同。

四路信号产生电路输出的四路参考信号和分频模块的输出的四相时钟信号的相位一一对应。当环路工作时，多相信号等效提高了系统的信息刷新率。

四路采样型鉴相器有四个鉴相通路，每个通路由两个反向的采样时钟控制，实现对被采样信号的采样保持。分别输入四路的参考信号和四路的分频信号，两种不同产生源输入信号均可根据该系统结构需要作为被采样信号或者采样时钟，采样输出得到多路电压信号。电荷泵模块在时钟信号的控制下，将四路鉴相信息转换成一路电流信息，当四路鉴相信号在时钟信号控制下，电荷泵在一个参考信号周期内，依次输出每一路鉴相信号对应产生的电流，即每路工作时间为1/4个参考周期，如图4所示。

压控振荡器可以是环形压控振荡器，也可以是LC振荡器。电荷泵模块输出的一路电流信息，经低通滤波器积分滤波后产生的控制电压控制调节振荡器的振荡频率。

作为其中一种实施方式，分频模块对振荡器输出信号进行分频，输出分频后四路相邻正交占空比为25％的方波信号，如图5所示。

考虑到四路信号产生电路产生的相邻正交信号会因实际电路PVT的影响，产生的信号相位不等间隔，从而导致系统存在较大的杂散，四路鉴相信号在电荷泵模块里的基准比较信号采用一路固定电平，三路浮动电平的方式，浮动电平通过鉴相信号本身经低通滤波器后所得的直流低频部分。

在参考频率为50MHz时，现有的锁相环电路最大有效控制环路的更新频率为50MHz，造成的环路延迟为20nS，若环路带宽为参考频率的1/10即5MHz，则环路延迟造成的相位滞后为36°。采用此发明的四路锁相环电路，最大有效控制环路的更新频率为200MHz，造成的环路延迟为5nS，同样采用5MHz带宽，则环路延迟仅造成9°的相位滞后，如果采用20MHz带宽，环路延迟同样造成36°的相位滞后，但有效控制带宽为原先的4倍。

本发明的锁相环带宽拓展电路，能够实现电荷泵锁相环带宽超过输入参考频率的1/10这一上限带宽。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。