一种用于电荷泵锁相环的快速启动电路

摘要

本发明属于电子电路技术领域，具体的说涉及一种用于电荷泵锁相环的快速启动电路。本发明的电路，包括鉴频鉴相器、快速充电模块、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器；所述鉴频鉴相器接外部时钟信号，其输入端接压控振荡器的输出端，其第一输出端接电荷泵的第一输入端，第二输出端接电荷泵的第二输入端；电荷泵的输出端通过低通滤波器后接压控振荡器的输入端；快速充电模块的输出端通过开关管后接低通接低通滤波器；压控振荡器的输出端接分频器的输入端；分频器的输出端通过D触发器后输出使能信号，使能信号接开关管的控制端。发明的有益效果为，提供了能够快速锁定的电荷泵锁相环。

说明书

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体的说涉及一种用于电荷泵锁相环的快速启动电路。

背景技术

在电子学和通信领域中，锁相环已成为不可缺少的基本器件，随着大规模集成电路技术 的发展与成熟，采用电荷泵结构的锁相环以其易于集成、低功耗、低抖动、无相差锁定等优 点，得到了广泛的应用。如图1所示，基本的电荷泵锁相环包含鉴频鉴相器PFD、电荷泵CP、 低通滤波器LPF、压控振荡器VCO、分频器DIV。鉴频鉴相器比较两个信号的相位与频率差， 并且产生控制信号给电荷泵，电荷泵相应的给环路滤波器充放电，压控振荡器的输出频率正 比于低通滤波器上的控制电压，最终使参考时钟与N分频器输出信号同频同相，从而压控振 荡器输出频率为参考时钟频率的N倍。

在传统的低频电荷泵锁相环应用中，锁相环工作在较低频率，环路带宽也被限制得较低， 而环路带宽与电荷泵上下拉电流成正比关系，故电荷泵的上拉电流通常较小，对低通滤波器 中大的积分电容充电速度很慢，这导致电路启动时压控振荡器要达到需要的控制电压需要很 长的时间，从而锁相环不能快速锁定。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对现有锁相环存在的不能快速锁定的问题，提出一种用于电 荷泵锁相环的快速启动电路。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于电荷泵锁相环的快速启动电路，包括鉴频鉴相器、快速充电模块、电荷泵、低 通滤波器、压控振荡器和分频器；所述鉴频鉴相器接外部时钟信号，其输入端接流控振荡器 的输出端，其第一输出端接电荷泵的第一输入端，第二输出端接电荷泵的第二输入端；电荷 泵的输出端通过低通滤波器后接电压转电流模块的输入端；快速充电模块的输出端通过开关 管后接低通接低通滤波器；电压转电流模块的输出端接流控振荡器的第一输入端；流控振荡 器的第二输入端接外部直流电流Idc，输出端接16分频器的输入端；16分频器的输出端Fout 接回鉴频鉴相器并通过D触发器后输出使能信号，使能信号接开关管的控制端；

所述快速充电模块用于启动时对低通滤波器中的大电容进行快速充电，实现对压控振荡 器(由电压转电流模块和流控振荡器构成)的控制电压进行快速调整。

本发明总的技术方案，为了解决常规电荷泵锁相环启动时低通滤波器中积分电容充电过 慢而导致的锁相环不能快速锁定的问题，通过嵌入快速充电模块，实现启动时对低通滤波器 中大电容的快速充电。锁相环启动时，低通滤波器中电容两端电压为零，通过快速充电模块 中的大驱动电流对电容进行快速充电，对电压转电流模块的控制电压进行粗调，充电时间为 流控振荡器中心频率的16个周期,中心频率为外围输入电流Idc控制流控振荡器产生的信号 频率，保证有足够时间充电至中心频率所需的控制电压附近，Fout经过16周期，16分频器 输出翻转与D触发器置位端作用使触发器输出使能信号EN，关断快速充电模块并使PFD模 块正常工作输出控制信号控制电荷泵对积分电容进行充放电，对电压转电流模块的控制电压 进行微调，直至PFD两输入信号同频同相。

进一步的，所述电荷泵由第一PMOS管P1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS 管MP4、第五PMOS管MP5、第十五PMOS管MP15、第十六PMOS管MP16、第一NMOS管MN1、 第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第十NMOS管MN10、第一反相器INV1 和第一电流源I1构成；第一反相器INV1的输入端接使能信号，其输出端接第三PMOS管MP3 的栅极；第三PMOS管MP3的源极接电源，其漏极接第四PMOS管MP4的栅极、第五PMOS管 MP5的栅极和第二PMOS管MP2的栅极；第十五PMOS管MP15的源极接电源，其栅极接地，其 漏极接第四PMOS管MP4的源极；第十六PMOS管MP16的源极接电源，其栅极接地，其漏极接 第五PMOS管MP5的源极；第四PMOS管MP4的漏极接第一电流源I1的正极，第一电流源I1 的负极接地；第五PMOS管MP5的漏极接第四NMOS管MN4的漏极；第四NMOS管MN4的源极接 第十NMOS管MN10的漏极，其栅极接第一NMOS管MN1的栅极和第三NMOS管MN3的漏极；第 三NMOS管MN3的栅极接使能信号，其源极接地；第十NMOS管MN10的栅极接电源，其源极接 地；第一NMOS管MN1的漏极接第二PMOS管MP2的漏极，其源极接第二NMOS管MN2的漏极； 第二PMOS管MP2的源极接第一PMOS管MP1的漏极；第一PMOS管MP1的栅极为电荷泵的第一 输入端；第二NMOS管MN2的源极接地，其栅极为电荷泵的第二输入端；第二PMOS管MP2漏 极与第一NMOS管MN1漏极的连接点为电荷泵的输出端。

进一步的，所述低通滤波器由第一电容C1、第二电容C2和第一电阻R1构成；第二电容 C2和第一电阻R1串联后与第一电容C1并联；第一电容C1与第一电阻R1的连接点接电荷泵、 压控振荡器和快速充电模块；其中第一电容C1为大电容。

进一步的，所述快速充电模块由第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、 第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十五 PMOS管MP15、第五NMOS管MN5、第十一NMOS管MN11、第二电流源I2、第二电阻R2、第一 运算放大器和传输门构成；第六PMOS管MP6的源极接电源，其栅极接第七PMOS管MP7的栅 极和第二电流源I2的正极，其漏极与栅极互连；第七PMOS管MP7的源极接电源，其漏极通 过第二电阻R2后接地；第七PMOS管MP7漏极与第二电阻R2的连接点接第十一PMOS管MP11 的栅极；第十一PMOS管MP11的源极接第九PMOS管MP9的漏极，其漏极接地；第九PMOS管 MP9的源极接电源，其栅极接第八PMOS管MP8的栅极、第十PMOS管MP10的栅极和第十五PMOS 管MP15的漏极；第十五PMOS管MP15的栅极接使能信号，其源极接电源；第八PMOS管MP8 的源极接电源，其栅极和漏极互连，其漏极接第五NMOS管MN5的漏极；第五NMOS管MN5的 栅极接使能信号，其源极接第十一NMOS管MN11的漏极；第十一NMOS管MN11的栅极接偏置 电压，其源极接地；第十PMOS管MP10的源极接电源，其漏极接第十二PMOS管MP12的源极； 第十二PMOS管MP12的栅极接传输门的输出端，其漏极接地；第九PMOS管MP9漏极与第十一 PMOS管MP11源极的连接点接第一运算放大器的第一输入端，第十PMOS管MP10漏极与第十 二PMOS管MP12源极的连接点解第一运算放大器的第二输入端；运算放大器的偏置端接偏置 电压，其输出端接传输门的第一输入端；传输门的第二输入端接使能信号，其第三输入端接 反向后的使能信号。

进一步的，所述第一运算放大器由第十七POMS管MP17、第十八PMOS管MP18、第十三 NMOS管MN13、第十四NMOS管MN14、第十五NMOS管MN15、第十六NMOS管MN16和第十七NMOS 管MN17构成；第十七PMOS管MP17的源极接电源，其栅极与漏极互连，其栅极接第十八PMOS 管MP18的栅极，其漏极接第十二NMOS管MN12的漏极；第十二NMOS管MN12的栅极为第一运 算放大器的第一输入端，其源极接第十五NMOS管MN15的漏极和第十三NMOS管MN13的源极； 第十五NMOS管MN15的栅极接偏置电压，其源极接地；第十三NMOS管MN13的栅极为第一运 算放大器的第二输入端，其漏极接电源；第十八PMOS管MP18的源极接电源，其漏极接第十 四NMOS管MN14的栅极和第十六NMOS管MN16的漏极；第十六NMOS管MN16的栅极接偏置电 压，其源极接地；第十四NMOS管MN14的源极接第十七NMOS管MN17的漏极；第十七NMOS管 MN17的栅极接偏置电压，其源极接地；第十四NMOS管MN14源极与第十七NMOS管MN17漏极 的连接点为第一运算放大器的输出端。

进一步的，所述压控振荡器由电压转电流模块和电流控制振荡器模块构成；所述电压转 电流模块由第十三PMOS管MP13、第十四PMOS管MP14、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、 第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9、第三电阻R3、第三电容C3、第二反相器INV2、第二运 算放大器、第二电流源I2构成；第二运算放大器的第一输入端接电荷泵的输出端，其第二输 出端通过第三电阻R3后接地，其输出端接第六NMOS管MN6的栅极；第六NMOS管MN6的漏极 接第十三PMOS管MP13的漏极；第十三PMOS管MP13的栅极和漏极互连，其栅极接第十四PMOS 管MP14的栅极，其源极接电源；第十四PMOS管MP14的源极接电源，其漏极接第七NMOS管 MN7的漏极；第七NMOS管MN7的栅极接第九NMOS管MN9的源极，其源极接地；第七NMOS管 MN7栅极与第九NMOS管MN9源极的连接点通过第三电容C3后接地；第九NMOS管MN9的栅极 接第二反相器INV2的输出端，其漏极接第八NMOS管MN8的栅极；第八NMOS管MN8的漏极接 第二电流源I2的负极，其源极接地；第十四PMOS管MP14漏极与第第七NMOS管MN7漏极的 连接点为电压转电流模块的输出端，该输出端接电流控制振荡器的输入端。

发明的有益效果为，提供了能够快速锁定的电荷泵锁相环。

附图说明

图1为一种典型的电荷泵锁相环示意图；

图2为本发明的一种快速充电电荷泵锁相环示意图；

图3为快速充电模块电路图；

图4为快速充电模块中运放OP1电路图；

图5为电荷泵电路图；

图6为电压转电流模块电路图。

具体实施方式

本发明提出了一种快速充电电荷泵锁相环，具体电路结构如图2-图6所示，具体连接关 系如下：

所述鉴频鉴相器输入为时钟信号CLK和流控振荡器输出信号Fout，输出为电荷泵所需的 两个充放电控制信号up和down。

所述电荷泵内部MP1、MP3、MP15、MP16的源极和衬底与MP2、MP4、MP5的衬底接电源电 压，MN2、MN3、MN10的源极和衬底与MN1、MN4的衬底接地电位，MP1的漏极接MP2的源极， MP15漏极接MP4的源极，MP16漏极接MP5的源极，MN1的源极接MN2的漏极，MN4的源极接 MN10的漏极，MP1的栅极接up，MP15、MP16的栅极接VSS，MP2的栅极与MP3、MP4的漏极和 MP4、MP5的栅极相连接至电流源输入I 1，MN1的栅极与MN4的栅极和MN3的漏极相连，MN4 的漏极接MP5的漏极，MN3的栅极与反相器INV1输入端相连接EN，MP3的栅极接反相器INV1 的输出端，MN2的栅极接down，MN10的栅极接VCC，MP2的漏极接MN1的漏极并接至低通滤 波器电容C1的上极板Vcont。

所述低通滤波器由两个电容C1、C2和电阻R1组成，C1上极板Vcont接R1一端，C1、C2 下极板接地电位，R1另一端接C2的上极板。

所述快速充电模块MP6-MP10的源极和衬底以及MP11、MP12、MP15的衬底接电源电压， MP6的栅极和漏极、MP7的栅极接I2，MP8的栅极、漏极与MP9、MP10的栅极以及MN5、MP15 的漏极相连，MP7的漏极与MP11的栅极、R2的一端相连，MP15的漏极与MP14的源极和OP1 的正向输入端相连，MP9的漏极与MP11的源极和OP1的负向输入端相连，MP12的栅极接Vcont， R2的下端与MN11的源极、衬底和MP11、MP12的源极接地电位，MN5的源极接MN11的漏极， MN5、MP15的栅极与OP1的使能端接EN，MN11和OP1的偏置端接Vb，OP1的输出端接传输门 的输入，传输门的输出接Vcont，传输门的上端和下端分别接和EN。

所述OP1电路MP17、MP18的源极和衬底以及MN13、MN14的漏极接电源VCC，MN12、MN13、 MN14的衬底和MN15、MN16、MN17的源极和衬底接地电位，MP17的栅极和漏极接MN12的漏极， MN12的栅极为运放的正向输入端INp，MN13的栅极为运放的正向输入端INn，MN12、MN13的 源极接MN15的漏极，MN15、MN16、MN17的栅极接Vb，MP18的源极接MN16的漏极和MN14的 栅极，MN14的源极接MN17的漏极为运放的输出OUT。

所述压控振荡器由电压转电流模块V-i和电流控制振荡器模块CCO构成。

所述电压转电流模块的OP2正向输入端接Vcont，负向端与MN6漏极和R3上端相连，输 出接MN6栅极，且有使能端EN接入CP2，MP13、MP14的源极、衬底接电源电压，MP13、MP14 的栅极、MP13的漏极和MN6的源极相连，MN6、MN7、MN8、MN9的衬底与MN7、MN8的源极和 R3的下端、C3的下极板接地电位，MP14、MN7的漏极接输出I3，MN7的栅极与C3的上极板 接MN9的源极，MN8的栅极、漏极与MN9的漏极接I2，EN接反相器INV2输入端，INV2输出 端接MN9栅极。

所述电流控制振荡器模块CCO的输入接电压转电流模块输出，输出为Fout，Fout接分频 器输入和PFD输入，16分频器输出接D触发器的时钟输入，D触发器有置位端S和复位端R， 输出EN接入快速充电模块与电荷泵和电压转电流模块。

本发明的工作原理为：

本发明的一种应用于电荷泵锁相环的快速启动电路，如图2所示，与常规的电荷泵锁相 环相比，嵌入快速充电模块，通过16分频器分频产生的使能信号EN控制快速充电模块对低 通滤波器电压Vcont的快速充电和电荷泵对低通滤波器电压Vcont的精细调整，实现锁相环 启动时的快速、精确锁定。对VCO输入控制电压Vcont的调节可分为粗调和微调两部分。粗 调过程：锁相环启动时，外围D触发器通过复位端使EN为高，使如图3所示的快速充电模块 中MP15关断、MN5打开，快速充电模块正常工作。电路启动时Vcont电压很低，故OP1负向 端INn很低，而正向端INp被钳位至比R2×I2高，如图4所示，运放OP1设计了源随输出级， 这样MN3在电路启动时会对输出端提供较大的驱动电流，这股从OP1流出的较大驱动电流对 低通滤波器中电容C1、C2快速充电，Vcont电压从零开始充电较快上升，此时在如图5所示 的电荷泵中，EN为高时MN3、MP3都导通，MP2栅极被拉高MN1栅极被拉低使电荷泵不工作， 此时流控振荡器输出信号Fout的频率为只由Idc控制产生的中心频率，Idc为外部输入的直 流电流。本发明中的分频器不是起传统电荷泵锁相环中对VCO输出信号倍频的作用，而是通 过对VCO信号16分频，使快速充电模块有足够时间将Vcont充电至锁相环中心频率所需的控 制电压附近，Fout信号经过16周期后，分频器提供边沿触发使D触发器置位为低，输出使 能信号EN控制各开关管使快速充电模块关闭而打开电荷泵及电压转电流模块，至此，粗调过 程结束，微调过程开始。微调过程：如图4所示，外部较小的电流I 1镜像给电荷泵的上、下 拉电流源，鉴频鉴相器PFD比较Fout与CLK的频率和相位，输出控制信号up、down控制电 荷泵中的开关管MP1、MN2，实现对Vcont的充放电，从而调整Vcont大小直至Fout与CLK 同频同相。此外，本发明中VCO通过电流转电压模块和电流控制振荡器CCO实现，电流转电 压模块如图6所示，快速充电完成后，使能端EN为低，MP9导通且OP2可以正常工作，钳位 R3上电压为Vcont，而又由图3可知Vcont约等于R2×I2，R2与R3大小相等，故MN6上电 流等于I2，经镜像MN14上电流约为I2，而MN7上电流也为I2，PFD两输入信号未达到同频 同相时，所引起Vcont的变化会导致MP14与MN7的电流不相等，其差值即为输出电流I3， 直至PFD两输入信号同频同相，I3为零。电流控制振荡器CCO输入控制电流包括电压转电流 模块输出电流I3和外围输入电流Idc，Idc决定锁相环中心频率，I3为锁相环环路控制电流， 锁相过程中I3精确调整输出信号频率,锁频完成后I3电流为0。