一种精准时钟信号占空比校正电路

摘要

本发明提供一种精准时钟信号占空比校正电路，其包括波形校正模块、单转双模块、电荷泵以及低通滤波电路；本发明通过在占空比调整环路中设置负反馈的方式，利用电荷泵和低通滤波器将输出信号的直流分量提取出来并反馈给波形校正模块，波形校正模块通过比较反馈电压和参考电压的相对大小，来调整输入时钟信号的占空比，并输出调整后的精准50％占空比的时钟信号；通过在环路中设置电荷泵，将输入的时钟信号占空比信息转换成相应的模拟充放电电流，实现了从数字到模拟的转换，降低了对低通滤波器的要求，此方式在实现占空比精准校正的同时，提高了系统稳定性，降低了输出信号的抖动。

说明书

技术领域

本发明涉及数模混合集成电路技术领域，具体涉及一种精准时钟信号占空比校正电路。

背景技术

随着信息技术的不断发展，工艺水平的不断提高，芯片系统的工作速度越来越快，数据传输速率也越来越高，随之对系统时钟质量的要求越来越高，尤其是对于需要双沿采样的系统，或者工作在半速时钟的系统，采样时钟信号占空比的好坏直接影响到采样后数据的质量，比如抖动、误码率等，所以需要保证采样时钟的占空比精准控制在50％。然而即便时钟生成系统产生的差分时钟信号占空比为精确的50％，随着对时钟信号的传送过程中各种因素对其的影响，比如传输路径上的寄生、失配、干扰、插入的Buffer等，最终在数据采样处的时钟信号也会发生畸变，其占空比会偏离理想的50％，如果不加以处理，就会造成采样数据质量问题，甚至发生错误，所以这就需要专门的电路来严格控制时钟信号的占空比，使其恢复到精确的50％。

现有的技术中心，校正时钟信号占空比的方法很多，但大多结构复杂，功耗及占用的面积较大，难以应用在对面积要求高的系统中，甚至在一个系统中多次重复使用，而且调整能力及精度有限。

因此，实有必要提供一种新的占空比校正电路来解决上述技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种精准时钟信号占空比校正电路，该校正电路能够有效处理恢复占空比严重失真的信号，同时使输出时钟信号具有高稳定性、低抖动的优点，且系统结构简单，易于实现。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种精准时钟信号占空比校正电路，所述校正电路包括：波形校正模块、单转双模块、电荷泵以及低通滤波电路；

其中，所述波形校正模块的第一输入端为需要校正的时钟信号的输入端，第二输入端连接参考电压Vref，第三输入端连接所述低通滤波器的输出端，所述波形校正模块的第一输出端连接时钟信号的输出端CKO，第二输出端CK2连接单转双模块的输入端；

所述单转双模块的第一输出端VA和第二输出端VB分别连接电荷泵的第一输入端和第二输入端；

所述电荷泵的输出端连接低通滤波器的输入端。

在一些实施例中，所述参考电压Vref为电源电源的1/2，其中所述参考电压Vref可通过连接在电源地之间的电阻分压获得。

在一些实施例中，所述波形校正模块包括：第一放大器AMP1、第二放大器AMP2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2、第二电容C2以及输出级缓冲器BUFF和反相器INV0；

所述第一放大器AMP1的正向输入端与所述第二放大器AMP2的正向输入端连接在一起，并与参考电压Vref相接，所述第一放大器AMP1的反向输入端与所述第二放大器AMP2的反向输入端连接在一起，并与所述低通滤波器的输出电压VLPF相接，所述第一放大器AMP1的输出端连接第三PMOS管PM3的栅极和第一电阻R1的第一端，所述第二放大器AMP2的输出端连接第四NMOS管NM4的栅极和第二电阻R2的第一端，第三PMOS管PM3的源极接电源，第三PMOS管PM3的漏极接第四PMOS管PM4的源极和第一电容C1的第二端，第四PMOS管PM4的栅极与第三NMOS管NM3的栅极连接在一起，并与输入时钟信号的输入端连接，第四PMOS管PM4的漏极与第三NMOS管NM3的漏极连接在一起，并连接至输出级缓冲器BUFF的输入端，第三NMOS管NM3的源极连接第四NMOS管NM4的漏极和第二电容C2的第二端，第四NMOS管NM4的源极接地，第一电阻R1的第二端连接第一电容C1的第一端，第二电阻R2的第二端连接第二电容C2的第一端，输出级缓冲器BUFF的输出端CK2连接反相器INV0的输入端，同时为波形校正模块的第二输出端，反相器INV0的输出端为波形校正模块的第一输出端。

在一些实施例中，所述第一放大器AMP1和第二放大器AMP2为相同的电路。

在一些实施例中，所述输出级缓冲器BUFF由两级反相器组成。

在一些实施例中，所述单转双模块包括：传输门SW、第一反相器INV1、第二反相器INV2以及第三反相器INV3；

其中所述传输门SW为常开状态，用于和第二反相器INV2的延时匹配，其第一端与第二反相器INV2的输入端连接，并连接至输出时钟信号输出端，其第二端连接第一反相器INV1的输入端，第一反相器的输出端VA连接至电荷泵的第一输入端，用于控制电荷泵的镜像支路开关，第二反相器的输出端连接第三反相器INV3的输入端，第三反相器INV3的输出端VB连接至电荷泵的第二输入端，用于控制电荷泵的主支路开关对低通滤波器进行充放电。

在一些实施例中，所述电荷泵包括：第一电流源I1、第二电流源I2、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2以及放大器AMP；

其中，所述所述第一电流源I1的正极连接电源，负极连接第一PMOS管PM1的源极和第二PMOS管PM2的源极；

所述第二电流源I2的正极连接第一NMOS管NM1的源极和第二NMOS管NM2的源极，负极接地；

所述放大器AMP的正向输入端连接第二PMOS管PM2的漏极和第二NMOS管NM2的漏极，同时作为电荷泵的输出端，所述放大器AMP的反向输入端与其输出端连接在一起，形成电压跟随器，放大器的输出端连接第一PMOS管PM1的漏极和第一NMOS管NM1的漏极；

所述第一PMOS管PM1的栅极和所述第一NMOS管NM1的栅极连接在一起，作为电荷泵的第一输入端；

所述第二PMOS管PM2的栅极和所述第二NMOS管NM2的栅极连接在一起，作为电荷泵的第二输入端。

在一些实施例中，所述第一电流源I1中的电流与所述第二电流源I2中的电流相等。

在一些实施例中，所述低通滤波器为无源一阶滤波器或无源二阶滤波器。

本发明的有益效果为：本发明通过在占空比调整环路中设置负反馈的方式，利用电荷泵和低通滤波器将输出信号的直流分量提取出来并反馈给波形校正模块，波形校正模块通过比较反馈电压和参考电压的相对大小，来调整输入时钟信号的占空比，并输出调整后的精准50％占空比的时钟信号；通过在环路中设置电荷泵，将输入的时钟信号占空比信息转换成相应的模拟充放电电流，此方式在实现占空比精准校正的同时，实现了从数字到模拟的转换，降低了对低通滤波器的要求，提高了系统稳定性，降低了输出信号的抖动，同时，电荷泵的使用提高了系统的直流增益，从而有效拓宽了系统的占空比校正范围；而且更优的是，电路结构简单且易于实现、版图面积小且系统功耗低，利于集成。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种精准时钟信号占空比校正电路的系统结构图；

图2为本发明实施例中提供的一种精准时钟信号占空比校正电路的波形校正模块电路图；

图3为本发明实施例中提供的一种精准时钟信号占空比校正电路的单转双模块电路图；

图4为本发明实施例中提供的现有技术中的电荷泵在本发明实施例中的应用电路图；

图5为本发明实施例中提供的现有技术中的无源低通滤波器电路图；

图6为本发明实施例中提供的一种精准时钟信号占空比校正电路的各个关键节点波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

参见附图1所示，一种精准时钟信号占空比校正电路，包括：波形校正模块、单转双模块、电荷泵、低通滤波器；

波形校正模块的第一输入端为需要校正的时钟信号的输入端，第二输入端连接参考电压Vref，第三输入端连接所述低通滤波器的输出端，所述波形校正模块的第一输出端连接时钟信号的输出端CKO，第二输出端CK2连接单转双模块的输入端；

单转双模块的第一输出端VA和第二输出端VB分别连接电荷泵的第一输入端和第二输入端；

电荷泵的输出端连接低通滤波器的输入端；

波形校正模块，通过比较低通滤波器输出的反馈电压和参考电压的相对大小，来调整输入时钟信号的占空比，并输出调整后的精准50％占空比的时钟信号；

单转双模块，用于将波形校正模块的输出转换成两路带有占空比信息的相位完全相反的信号；

电荷泵，用于将单转双模块的输出带有占空比信息的两路信号转换成相应的电流，从而对低通滤波器进行充放电；电荷泵实现了从数字到模拟的转换，降低了对低通滤波器的要求，提高了系统稳定性的同时，降低了输出信号的抖动；再者，电荷泵的使用提高了系统的直流增益，从而有效拓宽了系统的校正范围；

低通滤波器，用于滤除所述电荷泵输出的高频分量，提取其中的直流分量，并将其反馈给波形校正模块；

参考电压为电源电压的一半，即VCC/2，其可通过连接在电源地之间的电阻分压获得。

如图2所示，波形校正模块包括：第一放大器AMP1、第二放大器AMP2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2、第二电容C2以及输出级缓冲器BUFF和反相器INV0；

第一放大器AMP1的正向输入端与所述第二放大器AMP2的正向输入端连接在一起，并与参考电压Vref相接，所述第一放大器AMP1的反向输入端与所述第二放大器AMP2的反向输入端连接在一起，并与所述低通滤波器的输出电压VLPF相接，所述第一放大器AMP1的输出端连接第三PMOS管PM3的栅极和第一电阻R1的第一端，所述第二放大器AMP2的输出端连接第四NMOS管NM4的栅极和第二电阻R2的第一端，第三PMOS管PM3的源极接电源，第三PMOS管PM3的漏极接第四PMOS管PM4的源极和第一电容C1的第二端，第四PMOS管PM4的栅极与第三NMOS管NM3的栅极连接在一起，并与输入时钟信号的输入端连接，第四PMOS管PM4的漏极与第三NMOS管NM3的漏极连接在一起，并连接至输出级缓冲器BUFF的输入端，第三NMOS管NM3的源极连接第四NMOS管NM4的漏极和第二电容C2的第二端，第四NMOS管NM4的源极接地，第一电阻R1的第二端连接第一电容C1的第一端，第二电阻R2的第二端连接第二电容C2的第一端，输出级缓冲器BUFF的输出端CK2连接反相器INV0的输入端，同时为波形校正模块的第二输出端，反相器INV0的输出端为波形校正模块的第一输出端；

第一放大器AMP1，用来放大低通滤波器输出电压VLPF与参考电压Vref的差，从而调整第三PMOS管PM3的栅极电压；

第二放大器AMP2，用来放大低通滤波器输出电压VLPF与参考电压Vref的差，从而调整第四NMOS管NM4的栅极电压；

第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4，用来调整输入时钟信号的占空比；

第一电阻R1和第一电容C1、第二电阻R2和第二电容C2均用来做相位补偿，使负反馈环路工作稳定，避免振荡；

输出级缓冲器BUFF，由两级反相器组成，用来整形调整后的信号并输出；

反相器INV0，用来反向调整后的信号，使输入信号和输出信号同极性。

第一放大器AMP1与第二放大器AMP2为相同的电路。

如图3所示，单转双模块包括：传输门SW、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3；

传输门SW为常开状态，用于和第二反相器INV2的延时匹配，其第一端与第二反相器INV2的输入端连接，并连接至输出时钟信号输出端，其第二端连接第一反相器INV1的输入端，第一反相器的输出端VA连接至电荷泵的第一输入端，用于控制电荷泵的镜像支路开关，第二反相器的输出端连接第三反相器INV3的输入端，第三反相器INV3的输出端VB连接至电荷泵的第二输入端，用于控制电荷泵的主支路开关对低通滤波器进行充放电。

如图4所示，电荷泵包括：第一电流源I1、第二电流源I2、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、放大器AMP；

第一电流源I1的正极连接电源，负极连接第一PMOS管PM1的源极和第二PMOS管PM2的源极；

第二电流源I2的正极连接第一NMOS管NM1的源极和第二NMOS管NM2的源极，负极接地；

放大器AMP的正向输入端连接第二PMOS管PM2的漏极和第二NMOS管NM2的漏极，同时作为电荷泵的输出端，放大器AMP的反向输入端与其输出端连接在一起，形成电压跟随器，放大器的输出端连接第一PMOS管PM1的漏极和第一NMOS管NM1的漏极；

第一PMOS管PM1的栅极和所述第一NMOS管NM1的栅极连接在一起，作为电荷泵的第一输入端；

第二PMOS管PM2的栅极和所述第二NMOS管NM2的栅极连接在一起，作为电荷泵的第二输入端；

第一电流源I1，作为电荷泵的电流源；

第二电流源I2，作为电荷泵的电流沉；

第一PMOS管PM1、第一NMOS管NM1、负端与输出端短接的放大器构成的电压跟随器，共同构成电荷泵的镜像支路，用于消除电荷共享；

第二PMOS管PM2、第二NMOS管NM2共同构成电荷泵的主支路，用于向低通滤波器充放电；

第一电流源I1中的电流与所述第二电流源I2中的电流完全相等；

电荷泵在本发明中的工作原理为：当VA为高电平VB为低电平时，PM1关断PM2导通，NM1导通NM2关断，电流源I1通过PM2向低通滤波器充电，同时镜像支路的电流从电压跟随器的输出端流出，通过NM1流入电流源I2，此时镜像支路防止电流源I2因无电流源而致使正端被拉到地；当VA为低电平VB为高电平时，PM1导通PM2关断，NM1关断NM2导通，低通滤波器通过NM2和电流源I2放电，同时电流源I1的电流通过PM1，进入电压跟随器的输出端，此时镜像支路防止电流源I1因无电流沉而致使负端被拉到电源。

如图5所示，本发明中用到的低通滤波器为无源一阶低通滤波器或无源二阶低通滤波器，均为现有技术中常见的结构。

具体地，当输入时钟信号的占空比等于50％时，其直流分量等于电源电压的一半，当输入时钟信号的占空比小于50％时，其直流分量必然低于电源电压的一半，当输入时钟信号的占空比大于50％时，其直流分量必然高于电源电压的一半；本发明正是利用此特点来校正时钟信号的占空比，通过将波形校正模块、单转双模块、电荷泵、低通滤波器四个模块形成一个负反馈系统，输出时钟信号经单转双模块转换成带有占空比信息的相位完全相反的两路信号，通过这两路信号来控制电荷泵中开关的通断，从而控制电荷泵向低通滤波器中充放电，低通滤波器滤除电荷泵输出的高频分量，提取其中的直流分量，并将其反馈回波形校正模块，波形校正模块通过比较反馈电压和参考电压即电源电压的一半的相对大小，来调整控制电压的大小，进而调整输入时钟信号的占空比，最终输出调整后的精准50％占空比的时钟信号，各个关键节点的电压波形如图6所示。

本发明通过在环路中设置电荷泵，将输入时钟信号的占空比信息转换成相应的模拟电流，很好的实现了从数字到模拟的转换，降低了对低通滤波器的要求，提高了系统稳定性，降低了输出信号的抖动，同时，电荷泵的使用提高了系统的直流增益，从而有效拓宽了系统的占空比校正范围；而且更优的是，电路结构简单且易于实现、版图面积小且系统功耗低，利于集成。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。