用于在分数-N型锁相环中量化降噪的方法和设备

摘要

本申请公开了一种用于在分数-N型锁相环中量化降噪的方法和设备，其中第一电流源响应于来自相位频率检测器的第一脉冲信号供应第一电荷量，以及第二电流源根据固定值和可变值供应第二电荷量。可变值对应于第一反馈时钟信号和假定的具有量化降噪的反馈时钟信号之间的相位差。第一和第二电荷量极性相反。第一和第二电流源的单组执行电荷泵和降噪DAC的功能。

说明书

技术领域

本申请涉及分数-N型锁相环，以及更具体地涉及克服这种锁相环 (PLL)的缺点。

背景技术

宽带分数-N型锁相环在各种领域中存在增多的需求，尤其是在无线 通信领域中。PLL的较大带宽有助于抑制VCO的固有噪声，并在频率切 换期间提供较快的建立时间。

不像整数-N型锁相环，由于不断变化的分频比，反馈分频器输出时 钟(fbclk)在分数-N型锁相环中定期超前参考时钟(refclk)以及使得 参考时钟滞后。这种变化对于将平均VCO时钟维持在包含分数的参考时 钟频率比值下是必要的。这种反馈时钟相位的量化噪声是通过相位频率检 测器(PFD)和电荷泵(CP)注入的，并很容易成为系统的主要噪声源。 同时，主要是由于上下电流源之间的大小不匹配，电荷泵显现非线性。高 频量化噪声通过将非线性向下调制到PLL的通带内而破坏输出时钟。

参照图1，示出一典型的用于驱动PLL电荷泵的三态PFD。在锁定稳 态运行的过程中，参考时钟(refclk)的上升沿触发向上输出脉冲以及反 馈分频器输出时钟(fbclk)的上升沿触发下输出脉冲。在两个脉冲上升之 后存在短暂延迟，进行PFD复位，且两个脉冲同时清除(图1(b))。由 电荷泵传输到环路滤波器的总电荷Q为：

当反馈分频器输出时钟(fbclk)超前时，Q＝I_up·t_d-I_dn·t-I_dn·t_d，

以及反馈分频器输出时钟(fbclk)滞后时，Q＝I_up·(-t)+I_up·t_d- I_dn·t_d

在此t是fbclk导向参考时钟(refclk)的时间，t_d是在PFD中的复位 延迟，以及I_up和I_dn是向上和向下的电流源的值。如果I_up≠I_dn时，Q相对 于t是非线性的，导致反馈分频器输出时钟(fbclk)相位中的高频量化噪 声，混淆在PLL带宽内。

如上所述的另一误差来源是量化噪声，其原因在于由于不断变化的分 频比，反馈分频器输出时钟(fbclk)在分数-N型锁相环中定期导向参考 时钟(refclk)以及使得参考时钟滞后。减少量化噪声的常见方法是添加 专用的电流源来实现取消数模转换器(DAC)，其传输了几乎与量化噪声 对等的电荷。图1C中示出减少量化噪声的典型分数-N型锁相环。Δ- ∑调制器(DSM)150不仅决定了适于多模分频器152的即时反馈分频比， 而且对于用于取消数模转换器(DAC)156的数字控制电路154而言， 还提供了反馈分频器输出时钟(fbclk)相对于参考时钟(refclk)的相位 差。该DAC 156是典型的单独电流源储存所，每一个可打开且持续大致 与电荷泵(CP)电流脉冲对准的短暂时间。该DAC受到第二个Δ-∑(Delta -Sigma)调制器(DAC DSM)154的控制，该调制器(DAC DSM)154 将其自身的量化噪音调制到PLL通带之外。对应增加电路元件的不利因 素包括热和I/f噪声，开关电荷注入，由于元件不匹配导致的电荷误差， 设备电流和电源电流泄漏。虽然总平均电流为零，但是不同的电流脉冲具 有不同的幅度，持续时间和，导致高频率的残余噪音。

因此，希望对PLL中的噪声、电荷注入、不匹配误差以及电流泄漏 的控制进行改进。

发明内容

因此，本发明实施例提供了一种量化噪声降低的方法，其包括根据来 自相位频率检测器的第一脉冲信号从第一电流源供应第一电流，该第一电 流具有第一极性。根据固定宽度的第二脉冲信号、第一预定值和第二可变 值，第二电流源供应具有第二极性的第二电流。第二可变值对应于第一反 馈时钟信号和反馈时钟信号的所需位置之间的相位差。

在另一实施例中提供了包括相位频率检测器的设备。第一电流源响应 于来自相位频率检测器的第一脉冲信号供应第一电荷量，以及第二电流源 根据固定值和可变值供应第二电荷量。可变值对应于第一反馈时钟信号和 假定的反馈时钟信号之间的相位差。第一和第二电荷量极性相反。

在另一实施例中提供包括相位频率检测器的设备。第一电流源响应于 来自相位频率检测器的第一脉冲信号供应第一极性的第一电流。第二电流 源响应于固定宽度的第二脉冲信号以及根据与可变值结合的固定值供应 第二极性的第二电流。选择可变值，以减少与反馈分频器电路相关的量化 误差。固定宽度的第二脉冲信号决定第二电流被供应多长时间(该电流脉 冲宽度)，以及固定值和可变值决定第二电流的幅度大小。

附图说明

通过参照附图对于本领域的那些技术人员而言可以更好地理解本发 明以及明了其众多的目的，特点和优势。

图1A示出用于驱动PLL中电荷泵的典型PFD；

图1B示出与图1A所示PFD相关联的时序图；

图1C示出利用专用除噪DAC的量化降噪技术

图2示出根据本发明实施例的线性化PFD；

图3示出与图2的线性化PFD相关联的时序图；

图4示出与非门实现图2中所示的线性化PFD；

图5A示出反馈分频器输出时钟(fbclk)超前于参考时钟(refclk)时 用假想的RVCO计时；

图5B示出参考时钟(refclk)超前于反馈分频器输出时钟(fbclk)时 用假想的RVCO计时；

图5C示出RVCO时钟周期为T_VCO/4时的实例；

图6示出根据本发明实施例的电荷泵线性化和量化噪声降低的示例 性分数-N型PLL 600；

图7示出根据本发明实施例的电荷泵控制逻辑的实施例；

图8示出可在一个实施例中使用的自我纠正机制；

图9示出形状相同的进行系统偏斜的一对向上和向下的电流脉冲；

图10示出根据本发明实施例的脉冲宽度不变的PFD。

在不同附图中使用相同的参考符号表示类似或相同的物件。

具体实施方式

参照图2，示出根据本发明实施例的线性化PFD，其提供电荷泵线性 化以致力于解决不匹配的非线性问题。假定上下脉冲的上升沿是由参考时 钟(refclk)和反馈时钟(fbclk)触发，通过使向下脉冲具有固定宽度的 T_P，可使得电荷Q线性化。使得向下脉冲足够宽，以便容纳fbclk上的量 化噪声，这样在向下脉冲下降之前向上脉冲总是上升的(存在下文所述的 一些例外)。此外，在PFD的线性化过程中，当向下脉冲由于该fbclk下 降而下降时，使得向上脉冲下降。应该注意，反馈时钟(fbclk)应该为恒 定宽度的脉冲，而不是一个50％占空比的时钟。该fbclk脉冲可在反馈时 钟分频器中产生以及用VCO时钟重新定时，其中脉冲t_p通常是两到四个 VCO时钟周期的时长。在一个实施例中，利用反馈分频器内的小状态机 在反馈时钟分频器内产生fbclk脉冲，在fbclk前沿之后反馈时钟分频器使 得fbclk的后沿(下降沿)产生固定数量的VCO时钟周期。fbclk脉冲的 前沿和后沿用VCO时钟重新定时。在其它实施例中，小状态机被移入到 线性化的PFD内，且在PFD中用VCO时钟重新定时。备选的，在分频 器或PFD中可一次产生fbclk(脉冲)。

为了使得线性化PFD在频率采集过程中以相同于传统PFD的方式进 行作用，fbclk(脉冲)不应该保持于高态下。当向下脉冲下降时向上脉冲 下降，也就是，当节点201上的fbclk脉冲下降时，假定在fbclk脉冲下 降之前refclk已经被接收到且向上脉冲进行上升，与门203输出使得D触 发器(双稳态多谐振荡器)复位。图4中示出与非门实现线性化PFD，其 中所有输入和输出都是反向的感测。

图3示出如图2中所示实施例的fbclk超前还是滞后于refclk时的向 上和向下CP电流脉冲的时序图。在两种情况下，电荷Q＝I_up·(-t)+I_up·t_d-I_dn·t_d。由于I_dn对Q的贡献是不变的，不匹配的非线性被消除。例如 在在PLL频率采集的过程中，当refclk滞后fbclk的滞后量大于t_p时，在 向上脉冲上升之后的时间t_d下，向下脉冲应该扩展到与向上脉冲一起下 降。这样，与门205通过确保触发器207不复位来确保向下脉冲不延长。 在这种情况下，改变后的PFD的行为就像图1A所示的三态PFD。

量化降噪

将具有固定宽度的向下电流脉冲的电荷泵线性化以及使得向上脉冲 随着向下脉冲下降，根据实施例的量化降噪技术将向下电流本身用作取消 DAC。

来自DSM的分数-N型分频的量化噪声与VCO时钟周期(T_VCO) 成正比。假定“量化降噪VCO”(RVCO)以四倍于VCO频率的频率运 行，并且相位与VCO对准。如果是RVCO时钟沿而不是VCO时钟沿用 于生成fbclk和向下脉冲上升沿，这将成四倍地更接近向上脉冲的上升沿。 如果使用类似于DSM的“量化降噪Δ-∑调制器”(RDSM)与另一个时 钟分频器来从RVCO产生fbclk，量化噪声减少四倍。该时钟分频器的分 频比为原始时钟分频器的大约四倍。同时，基于VCO的时钟沿，向下脉 冲的下降沿应该保持在以前的位置。这在图5A和5B中示出。沿A和C 是原始向下脉冲的上升沿和下降沿的位置，两者都与VCO的时钟沿对准。 基于RDSM，沿B和C是向下脉冲的上升沿和下降沿的位置。沿B与RVCO 时钟沿对准，但不必要是VCO的时钟沿。在图5A中，fbclk超前于refclk， 如果反馈时钟沿从A移动到B，阴影区域501代表量化噪声减少。在图 5B中，refclk超前于fbclk，假设由阴影区域503所代表的电荷供应给电 荷泵，阴影区域503代表获得的量化噪声减少。

考虑t_p＝4·T_VCO以及RVCO时钟周期为T_VCO/4的实例。请记住，t_p代表恒定宽度的向下脉冲。参考图5C，假定DSM(控制反馈分频器)选 择适于向下脉冲上升沿的VCO时钟沿A，而RDSM选择适于向下脉冲上 升沿的RVCO时钟沿B，则在A之前，B是(3/4)T_VCO。在两种情况下， 向下脉冲的下降沿是C，在该处RVCO和VCO时钟边沿重叠。在A之后， C是4·T_VCO。也就是，RDSM需要一个向下的电流脉冲，其幅度为I_dn以 及在宽度上：(3/4)T_VCO+4·T_VCO＝(19/16)·4T_VCO。在实际中，RVCO 和相关的时钟沿不存在。然而，基于VCO时钟和DSM，而不需要RVCO， 同样的电荷可通过向下的电流脉冲注入，该脉冲的幅度为(19/16)·I_dn以及在宽度上为4·T_VCO。代替幅度为I_dn的单一电流源，CP向下电流以 每个(1/16)·I_dn的32个电流源单位实现，以及在这种情况下，其中19 个启动。

由于基于量化噪音消除方案通常利用电流DAC，所需的脉冲宽度调 制由可行的脉冲幅度调制替代。在这里，每个电流源单位启动将T_VCO/4 添加到有效的向下脉冲宽度，并且相应于对应于零至8T_VCO的有效脉冲宽 度启动零至32个之间的电流源单位。经过一段时间取平均，DSM和RDSM 会选择与向上脉冲上升沿对准的一个向下脉冲上升沿的位置。因此，平均 有16个电流源单位启动以便提供平均等于由向上脉冲传输的电荷。相对 于完全消除量化噪声，量化降噪技术的目标是来抑制噪声，因此其明显低 于系统的其余部分的噪声。

系统的执行

图6中示出根据本发明实施例的电荷泵线性化和量化噪声降低的示 例性分数-N型PLL 600。反馈多模控制时钟分频器601像往常一样受到 DSM 603的控制，除了它的输出是固定数目n的VCO时钟周期的短脉冲。 请注意，对于n值，越小越好，但n·T_VCO应该足够长，以适应具有极限 的峰—峰DSM量化噪声的一半。该fbclk和refclk通过线性化PFD 609 来驱动CP 605和607。为了将DSM的量化噪声减少r位或6r分贝，与向 上电流源605相比，向下电流源607加倍，并且分流成2n·2^r的相等单位， 其中n·2^r取平均使用。在示例性的实施例中，电流源605供应160μA以 及电流源607作为三十二个10μA的电流源单位执行，其中n＝4和r＝2。 每个单元对应一个T_VCO/2^r的相位增量。假定RVCO运行的比VCO快2^r倍，那么相关时钟分频器的分频比约大2^r倍。

在示例性的实施例中，PLL 600是具有双通路环路滤波器的II型分数 -N型PLL，其中整合通路的电荷泵电流从那些直接通路按比例下降，但 是它们却受到来自同一PFD的同样的向上和向下脉冲的控制。由于整合 通路对于量化噪声具有低增益，降噪技术可仅仅应用于直接通路而已。图 6中所示的PLL是示例性的，以及降噪可被应用到其他类型的PLL，包括 具有不同环路滤波器和不同数量的向下电流源的那些PLL。

分数分频比是I+F，其中I是i位的整数部分，以及F是f位小数部 分。小数部分F提供给RDSM 611。电荷泵控制逻辑615供给2n·2^r的控 制信号608以便在电荷泵的电荷泵向下电流部分607中控制2n·2^r的电流 单位。在所示的实施例中，电荷泵控制逻辑615使用加权平均动态元件匹 配(DWA DEM)来执行，以抑制由幅度变化在2n·2^r的向下电流源单位之 间产生的噪声。根据具体执行的要求，其他实施例可利用任何其他适当的 不匹配形式的动态元件匹配算法。

在图7中示出概念性的电荷泵控制逻辑。DSM 603将F调节成一个 时变的整数，并将其添加到I。该总和是时钟分频比。在RDSM 611中， 分数F在701中左移r位以便产生F最低有效位的(f-r)，其由RDSM 调制成另一种时变整数，并增加了加法器715中的F的最高位的r。然后 如果该总和添加到I·2^r，基于假定的RVCO时钟，其结果将是一个时钟分 频器的分频比，该RVCO时钟在图5A和5B中的B处产生了向下电流脉 冲的上升沿。相反，该总和利用DSM输出来计算所需的超过fbclk的RVCO 时钟沿的相位超前，用Δφ表示，以T_VCO/2^r为单位。加法器715的输出 减去加法器719中的调制后F的左移输出。将该差值在积分器721中集成 以便提供相位超前Δφ。一个时钟沿的相位是其发生时的时间，以T_VCO/2^r为单位。返回参照图5A，5B和5C，Δφ可看作为沿B超过沿A的超前 相位。如果Δφ是正值，则意味着RVCO沿(B)在fbclk沿(A)之前到 来(时间比fbclk沿(A)早)。用φ_RDSM表示的所需RVCO时钟沿的相位 阶段通过从用φ_DSM表示的fbclk相位减去Δφ取得。Δφ+n·2^r是为了当 前fbclk循环而启动的向下电流源单位数目，其中经过一段时间取平均Δ φ为零。返回参照图2和图3，固定宽度dn脉冲决定向下电流供应多久 (该电流脉冲宽度)，以及固定值(n·2^r)和可变值Δφ确定dn电流的幅 度大小。因此，例如，假设n＝4和r＝2，当Δφ＝0时，16个电流源(n·2^r) 启动。参考图5B，如果Δφ为正值，则需要额外电荷，以减少量化误差 以及选择电流源超过16个电流源元件。如果Δφ是负值，如图5A所示， 选择少于16个电流源元件。在示范性的实施例中，DSM和RDSM都是 三阶调制器。在实际的实施例中，没有必要如图7所示那样计算φ_RDSM或 φ_DSM。只有需要计算实际反馈时钟和假定反馈时钟之间的相位差Δφ。 请注意，虽然一个特定实施例可以利用32个同等大小的电流源元件，但 是其他实施例可使用不同大小的加权电流源元件和/或不同数量的电流源 元件，以提供向下脉冲电荷。

参照图8，示出是一种自我纠正监测器801，其对启动处于活性的的 电流源元件数目进行平均。如果平均值与电流源元件的预定数目不同，例 如，16个，那么将信号提供给加法器803以便调节供给到积分器721的 值，其继而调整Δφ以便使得平均值回归为零。以该方式，可能发生的任 何错误可以得到纠正。

图7还示出，通过两个具有相同幅度但符号相反的增益的通路，DSM 的量化噪声对φ_RDSM有所贡献。第一通路从DSM 603中的调制器1(调 制器1)723通过时钟分频器601输出。第二通路从调制器1(调制器1) 723通过左偏移器722以及积分器721输出。如果没有模拟的不匹配，那 么将该量化噪声从φ_RDSM中消除。

脉冲宽度不变化的PFD

与量化噪声减少有关的剩余误差来自以下几个来源。(1)在向下电流 源单元形式的除噪DAC具有其自身的量化噪声，其与RVCO周期成正比。 (2)向上和向下电流源之间的幅度不匹配导致DSM量化噪声的不完全 消除。(3)向下脉冲的宽度可偏离于n·T_VCO，导致传输电荷中的误差。在 低频率下，这等同于向下电流与向上电流的幅度不匹配。向下脉冲的上升 和下降时间之间的任何不匹配等同于向下脉冲的宽度偏差，并且包括在 此。(4)在向下电流源单位之间的不匹配造成误差，虽然该误差通过动态 元件匹配从PLL带宽中调制出去。(5)由于脉冲宽度对抗于脉冲幅度调 制，在高频率下向上和向下电流脉冲的形状不匹配显现成不完全消除。 (6)由于PFD和CP电路中的不同通路延迟，即使可忽略形状不匹配时， 向上和向下电流脉冲可在相位上被系统偏斜。

第二误差是等于远时DSM噪声乘以相对的不匹配，并具有整形为原 始量化噪声的相同频谱。通过相对于向下电流源来修整向上电流源可减少 第二和第三误差。如图9所示，对于相同形状的具有幅度±I_cp和系统偏斜 量τ的一对向上和向下电流脉冲而言，傅立叶变换的幅度为：

$\left|F\left(f\right)\right|=2{\mathrm{\tau I}}_{\mathrm{cp}}·\frac{\sin \left(\mathrm{\pi \tau f}\right)}{\mathrm{\pi \tau f}}·\sin \left(\mathrm{\pi n}{T}_{\mathrm{VCO}}f\right)$

其中低频容量与τ成比例。因此，上述第六误差通过减少τ而减少。

在图4的线性化PFD实施例中，upb和dnb的上升沿(下降边)很 好地对准，两者都在fbclkb上升沿之后的四门延迟处。但是dnb脉冲比 fbclkb脉冲长n·T_VCO，因为其上升沿延迟是两门延迟(1-2)，而下降沿 延迟为四门延迟(3-4-5-2)。这将导致上述的第三误差。因此将线性化PFD 改变成脉冲宽度不变的PFD(PWI PFD)以便克服这个缺点，在图10中 示出其一个实施例，其还具有在输入和输出上的颠倒逻辑感觉。虽然在该 PFD中upb脉冲是由D触发器产生的，dnb脉冲由单一的RS锁存器产生。 图10中所示实施例的操作逻辑和计时利用了fbclkb上升沿应该触发dnb 复位事实的优势，并且对于本领域的那些技术人员而且是自然明白的。在 fbclkb上升沿处，upb和dnb在四门延迟(1-2-3-4对5-6-7-8)后将被清 除。由于dnb的下降沿和上升沿分别由fbclkb的下降沿和上升沿触发， 两者都是在四门延迟(1-2-3-4)后，dnb脉冲保持fbclkb脉冲宽度为n·T_VCO。

在频率和相位采集的过程中，refclkb下降沿可在fbclkb上升沿之后抵 达。PWI PFD以n·T_VCO延伸超过向下脉冲宽度，正如线性化PFD一样。 在这种情况下，适于量化降噪技术的基础是无效的，而且这项技术可能会 干扰锁定过程。“量化降噪准备”的指示(qnr_ready)通过用fbclkb将向 下脉冲输出dnb锁定到D触发器中而产生。只有当qnr_ready高时量化降 噪才是活性的。否则，应该正好使用n·2^r的向下电流源单位。

请注意，为了使得PWI PFD在频率采集过程中以相同于传统PFD的 方式进行作用，fbclkb(脉冲)不应该保持于低态下。PWI PFD的可替代 图2和图4中的线性化PFD，以便用于量化降噪，而图2和图4的线性化 PFD适于在电荷泵线性化过程中独立使用。

在与PFD相关联的各种实施例中，提供一种方法，其包括在相位频 率检测器的第一输入下接收具有固定脉冲宽度的反馈信号。响应于反馈信 号的查验(assertion)，查验指示第一电荷量的固定宽度的第一脉冲信号。 在相位频率检测器的第二输入下接收参考时钟信号。响应于查验的参考时 钟信号，查验指示第二电荷量的第二脉冲信号。响应于不能查验反馈信号 的反馈信号沿，第一和第二脉冲信号置为无效。该方法可包括，当参考时 钟信号以多于一个固定的脉冲宽度滞后于反馈信号时，延长第一脉冲信 号，这样第一脉冲信号连同第二脉冲信号下降，在第二脉冲信号后的固定 延迟升高。第一脉冲信号适于电荷泵以及对应于一个控制振荡器输出信号 的频率降低，以及第二脉冲信号适于电荷泵并且对应于受控振荡器输出信 号的频率增加。该方法可进一步包括利用来自反馈分频器的反馈分频器信 号来产生反馈脉冲信号，该反馈分频器利用电压受控振荡器的输出重新定 时。该方法可进一步包括相对于其触发条件同等地延迟第一脉冲信号的上 升沿和下降沿。该方法可进一步包括提供相对于一个共同触发条件使得第 一脉冲信号和第二脉冲信号无效的等效电路延迟。该方法可进一步包括将 第二脉冲信号与反馈脉冲锁存，以便提供量化降噪准备指示信号。根据量 化降噪准备指示值可启用量化降噪。

在与PFD相关的各种实施例中，PFD包括第一电路，其耦合以便接 收固定脉冲宽度的反馈信号以及供应第一脉冲信号，该信号具有对应于固 定脉冲宽度反馈信号的固定脉冲宽度，第一脉冲信号的第一沿由固定脉冲 宽度反馈信号的第一沿确定，以及第一脉冲信号的第二沿由复位信号决 定。第二电路耦合以便接收参考时钟信号以及供应第二脉冲信号，第二脉 冲信号的第一沿由参考时钟信号的第一沿决定，以及第二脉冲信号的第二 沿由复位信号决定。复位电路响应于固定脉冲宽度反馈信号的第二沿以便 产生复位信号。第一和第二电路可分别包括第一和第二D触发器。在PFD 中的第一门延迟等于第二门延迟，第一门延迟用于响应于固定脉冲宽度反 馈信号的第一沿产生第一脉冲信号的第一沿，第二门延迟用于响应于固定 脉冲宽度反馈信号的第二沿产生第一脉冲信号的第二沿。第一门延迟等于 第二门延迟，第一门延迟用于响应于触发条件产生第一脉冲信号的第二 沿，第二门延迟用于响应于触发条件产生第二脉冲信号的第二沿，以及其 中触发条件是固定脉冲宽度反馈信号的第二沿。第一电路可包括SR锁存 器，以及第二电路包括D触发器。当参考时钟信号以多于固定脉冲宽度 滞后于反馈信号时，复位电路可操作以便通过使得复位信号延迟无效而延 长第一脉冲信号，这样第一脉冲信号与第二脉冲信号一起下降，在第二脉 冲信号上升之后，延迟固定。一个电路可耦合以便接收第二脉冲信号和反 馈时钟信号，以及以便利用反馈时钟信号锁存第二脉冲信号，并且将其指 示提供为量化降噪准备指示。包括PFD的设备可包括锁相环，其包括 PFD，电荷泵，环路滤波器，可控振荡器，以及反馈分频器。

在此提出的本发明的说明是解释说明性的，而并不预期对本发明的范 围进行限定，本发明的范围由以下权利要求限定。可基于在此提出的说明 在不脱离本发明范围和精神的情况下对在此公开的实施例进行变化和变 型，本发明的范围和精神由以下权利要求限定。