本發(fā)明屬于光通訊領(lǐng)域,涉及一種具有較寬捕捉范圍的鑒頻器。
背景技術(shù):
在光纖通信集成電路中,由于信號在傳遞過程中會引入抖動和噪聲,需要時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路來對數(shù)據(jù)進(jìn)行時鐘提取,并用提取到的時鐘對數(shù)據(jù)進(jìn)行提純進(jìn)而消除抖動。時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路包含鎖相環(huán)結(jié)構(gòu),而鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)包括鑒頻器(fd)、鑒相器(pd)、電荷泵(cp)、低通濾波器(lpf)、壓控振蕩器(vco),參見圖1所示。鑒相器(pd)提供相位的捕捉功能,但是由于鑒相器(pd)的捕捉范圍一般較小,需要由鑒頻器(fd)先進(jìn)行頻率捕捉,使得時鐘頻率與數(shù)據(jù)速率相近時再交由鑒相器(pd)進(jìn)一步相位捕捉,控制vco振蕩頻率即時鐘頻率最終達(dá)到與數(shù)據(jù)速率相同且相位具有確定的關(guān)系。高性能的鎖相環(huán)對鑒頻器(fd)的捕捉范圍提出了較高的要求。
圖2給出了傳統(tǒng)鑒頻器的電路結(jié)構(gòu)。clki是壓控振蕩器(vco)產(chǎn)生的時鐘信號,經(jīng)過相位調(diào)整后,clkq是與clki相位相差90°的正交時鐘信號,din為數(shù)據(jù)信號。為獲取時鐘與數(shù)據(jù)之間的相位關(guān)系,需要用數(shù)據(jù)信號來對時鐘信號進(jìn)行采樣。下面結(jié)合圖3的時序圖說明傳統(tǒng)鑒頻器的工作原理。
①當(dāng)clki頻率(voc輸出頻率)快于din頻率(數(shù)據(jù)頻率),即clki相位超前于din,稱為快時鐘,參見圖3(a)。在d觸發(fā)器ff1中din上升沿始終采樣clki的高電平,因此ff1的輸出端xa一直輸出高電平。在d觸發(fā)器ff2中din上升沿開始一段時間采樣clkq的低電平,ff2的輸出端xb輸出低電平;經(jīng)過一段時間,din上升沿改為采樣clkq的高電平,因此xb的輸出由低電平變?yōu)楦唠娖健T赿觸發(fā)器ff3中xb上升沿采樣xa的高電平,因此ff3的輸出端vout輸出高電平控制電荷泵(cp)充電,使得vco輸出頻率下降,逐漸和數(shù)據(jù)頻率一致。
②當(dāng)clki頻率(voc輸出頻率)慢于din頻率(數(shù)據(jù)頻率),即clki相位滯后于din,稱為慢時鐘,參見圖3(b)。在d觸發(fā)器ff1中din上升沿始終采樣clki的低電平,因此xa一直輸出低電平。在d觸發(fā)器ff2中din上升沿開始一段時間采樣clkq的低電平,xb輸出低電平;經(jīng)過一段時間,din上升沿改為采樣clkq的高電平,因此xb的輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?。在d觸發(fā)器ff3中xb上升沿始終采樣xa的低電平,因此vout輸出低電平控制電荷泵(cp)放電,使得vco輸出頻率上升,逐漸和數(shù)據(jù)頻率一致。
傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鑒頻器仍然是靠時鐘相位的超前滯后關(guān)系來進(jìn)行頻率選擇。在數(shù)據(jù)頻率和時鐘頻率相差很近時,clki,clkq與din的相位對應(yīng)關(guān)系是不改變的,這樣在xb對xa采樣時,就會因為時鐘信號頻率快與慢得到vout唯一確定的高低電平輸出。在頻率相差較遠(yuǎn)時,時鐘與數(shù)據(jù)的相位對應(yīng)關(guān)系將不再是圖3所呈現(xiàn)的情況,比如當(dāng)數(shù)據(jù)頻率與時鐘頻率的對應(yīng)情況為圖4所示:上一位數(shù)據(jù)信號din的上升沿對應(yīng)時鐘信號clki和clkq的低電平,下一位數(shù)據(jù)信號din的上升沿對應(yīng)了時鐘信號clki和clkq的高電平,此時數(shù)據(jù)din對時鐘信號clki的采樣結(jié)果xa與數(shù)據(jù)din對時鐘信號clkq的采樣結(jié)果xb將會同時出現(xiàn)電平翻轉(zhuǎn),無法保持唯一確定的電平,進(jìn)而使得d觸發(fā)器ff3的xb對xa的采樣結(jié)果vout不確定,無法正確控制電荷泵是充電還是放電。在輸入信號抖動較大時,每個周期存在隨機(jī)的相位偏移,超出了傳統(tǒng)鑒頻器較窄的捕捉范圍,容易產(chǎn)生失鎖,導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差的問題,難以滿足高性能鎖相環(huán)對于鑒頻器捕捉范圍的要求。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明目的是為了解決傳統(tǒng)的鑒頻器捕捉范圍仍十分有限的問題,提供了一種寬捕捉范圍的鑒頻器,本發(fā)明能減少鎖相環(huán)失鎖,增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。
本發(fā)明所述寬捕捉范圍的鑒頻器,鑒頻器通過控制電荷泵向低通濾波器充放電,來改變給壓控振蕩器的控制電壓lf,進(jìn)而改變壓控振蕩器的時鐘頻率趨于數(shù)據(jù)頻率;
鑒頻器包括d觸發(fā)器dff1、全差分運算放大器a0、頻差判定電路和充放電控制電路;
d觸發(fā)器dff1利用差分?jǐn)?shù)據(jù)信號din、dinb對差分時鐘信號ck、ckb進(jìn)行采樣,d觸發(fā)器dff1的采樣結(jié)果被全差分運算放大器a0放大,全差分運算放大器a0的放大結(jié)果發(fā)送給頻差判定電路;頻差判定電路的輸出端與充放電控制電路的控制端相連;全差分運算放大器a0的反向輸出端與電荷泵的放電控制端相連;充放電控制電路的充放電指令輸出端與電荷泵的充放電指令輸入端相連;
當(dāng)差分?jǐn)?shù)據(jù)信號din、dinb和差分時鐘信號ck、ckb的頻率相差遠(yuǎn)時,d觸發(fā)器dff1的輸出快速翻轉(zhuǎn),頻差判定電路輸出高電平;
控制電壓lf由0開始逐漸上升、繼而下降至穩(wěn)定輸出的過程中,鑒頻器包括以下三個工作狀態(tài);
第一工作狀態(tài):滿足條件lf<m1,則充放電控制電路控制電荷泵向低通濾波器充電,控制電壓lf上升;m1為壓控振蕩器vco的控制電壓lf在線性區(qū)域內(nèi)的最低電壓;
第二工作狀態(tài):滿足條件m1≤lf≤m2,則充放電控制電路控制電荷泵保持上一狀態(tài),繼續(xù)向低通濾波器充電,控制電壓lf繼續(xù)上升;m2為壓控振蕩器vco的控制電壓lf在線性區(qū)域內(nèi)的最高電壓;
第三工作狀態(tài):滿足條件lf>m2,則在全差分運算放大器a0的反向輸出端輸出高電平時,充放電控制電路控制電荷泵讓低通濾波器放電,控制電壓lf下降;在全差分運算放大器a0的反向輸出端輸出低電平時,充放電控制電路暫時停止對電荷泵的控制,不充電不放電,控制電壓lf保持不變;
第三工作狀態(tài)為控制電壓lf階梯狀下降過程,當(dāng)降至差分?jǐn)?shù)據(jù)信號din、dinb和差分時鐘信號ck、ckb的頻率相差近時,d觸發(fā)器dff1的輸出穩(wěn)定連續(xù),頻差判定電路輸出低電平;控制電荷泵停止工作,控制電壓lf穩(wěn)定輸出。
優(yōu)選地,頻差判定電路包括電流源i1、npn晶體管q1、npn晶體管q2、電阻r1、電阻r2和電容c1;
全差分運算放大器a0的同向、反向輸出端分別連接npn晶體管q1的基極、npn晶體管q2的基極;
npn晶體管q1的發(fā)射極、npn晶體管q2的發(fā)射極同時連接電流源i1的正端,電流源i1的負(fù)端接地;
npn晶體管q1的集電極、npn晶體管q2的集電極分別通過電阻r1、電阻r2連接直流電源vdd;npn晶體管q1的集電極和npn晶體管q2的集電極分別連接電容c1的兩端;npn晶體管q1的集電極作為頻差判定電路的輸出端;
電阻r1的阻值小于電阻r2的阻值。
優(yōu)選地,充放電控制電路包括電壓比較器comp1、電壓比較器comp2、鎖存器l1、與門and1和與門and2;
控制電壓lf輸出端同時連接電壓比較器comp1的同向輸入端和comp2的同向輸入端;
電平m1、電平m2分別接入電壓比較器comp1的反向輸入端、電壓比較器comp2的反向輸入端;
電壓比較器comp1的輸出端連接鎖存器l1的s端;
電壓比較器comp2的輸出端連接鎖存器l1的r端;
鎖存器l1的q端連接與門and1的另一輸入端;
鎖存器l1的
與門and1的輸出端作為充放電控制電路的充電指令輸出端;
與門and2的輸出端作為充放電控制電路的放電指令輸出端。
優(yōu)選地,電荷泵包括電流源i2、電流源i3、充電開關(guān)s1、放電開關(guān)s2和放電開關(guān)s3;
電流源i2、充電開關(guān)s1、放電開關(guān)s2、放電開關(guān)s3和電流源i3依次串聯(lián),且電流源i2的正端連接直流電源vdd,電流源i3的負(fù)端接地;
充電開關(guān)s1的控制端與充放電控制電路的充電指令輸出端相連;
放電開關(guān)s2的控制端與充放電控制電路的放電指令輸出端相連;
放電開關(guān)s3的控制端與全差分運算放大器a0的反向輸出端相連。
優(yōu)選地,低通濾波器包括電阻r3、電容c2和電容c3,
充電開關(guān)s1和放電開關(guān)s2的公共節(jié)點同時連接電阻r3的一端、電容c2的一端和控制電壓lf輸出端,電容c2的另一端接地;
電阻r3的另一端連接電容c3的一端,電容c3的另一端接地。
優(yōu)選地,差分時鐘信號ck、ckb分別輸入至d觸發(fā)器dff1的數(shù)據(jù)輸入端d端、
優(yōu)選地,差分?jǐn)?shù)據(jù)信號din、dinb和差分時鐘信號ck、ckb的頻率相差遠(yuǎn)的范圍為時鐘頻率超出數(shù)據(jù)中心頻率±1%的范圍,反之則為二者頻率相差較近。。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供了一種鎖相環(huán),包括上述優(yōu)選地任一項所述的寬捕捉范圍的鑒頻器。
本發(fā)明的有益效果是:鑒頻器控制的電荷泵在vco輸出的可變時鐘與數(shù)據(jù)頻率相差較遠(yuǎn)時,能夠驅(qū)動電荷泵持續(xù)工作,使時鐘頻率逐步逼近數(shù)據(jù)速率,并能在兩者頻率接近的時候使鑒頻器控制的電荷泵停止工作,完成鑒頻器與鑒相器的工作切換。該捕捉范圍全局覆蓋,在整個vco覆蓋的線性區(qū)以內(nèi)(即電壓m1和m2所對應(yīng)vco的上下限時鐘頻率)都可以實現(xiàn)捕捉,達(dá)到了非常寬的捕捉范圍,極大降低了失鎖情況的發(fā)生,增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對傳統(tǒng)的鑒頻器性能有較大提升。
本發(fā)明鑒頻器的頻率捕捉范圍大,在時鐘頻率超出數(shù)據(jù)中心頻率±1%~±10%范圍內(nèi)也能準(zhǔn)確捕捉,在該大范圍頻率內(nèi)采用本發(fā)明鑒頻器的鎖相環(huán)沒有失鎖現(xiàn)象。
本發(fā)明可捕捉頻率的范圍與vco的上下時鐘限頻率相對應(yīng),即本發(fā)明可捕捉頻率的范圍是電壓m1與m2對應(yīng)的時鐘頻率范圍,也就意味著本發(fā)明捕捉范圍可根據(jù)實際電路性能要求進(jìn)行變化的。而傳統(tǒng)鑒頻器捕獲范圍是固化的、無法自行改變的。
附圖說明
圖1是鎖相環(huán)的原理框圖;
圖2是傳統(tǒng)鑒頻器的電路原理圖;
圖3是傳統(tǒng)鑒頻器的時鐘與數(shù)據(jù)的時序圖;其中(a)為快時鐘狀態(tài)下的時序圖;(b)為慢時鐘狀態(tài)下的時序圖;
圖4是致傳統(tǒng)鑒頻器失效的時鐘與數(shù)據(jù)的時序圖;
圖5是本發(fā)明所述寬捕捉范圍的鑒頻器的原理框圖;
圖6是本發(fā)明所述寬捕捉范圍的鑒頻器的電路原理圖;
圖7是本發(fā)明所述寬捕捉范圍的鑒頻器的控制電壓上升和下降階段電壓變化示意圖;
圖8是采用本發(fā)明所述鑒頻器的鎖相環(huán)原理框圖。
具體實施方式
下面結(jié)合圖5至圖8對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
在現(xiàn)有技術(shù)中,針對鎖相環(huán)中的鑒頻器進(jìn)行設(shè)計時,通常適用于時鐘頻率與數(shù)據(jù)頻率相差較近的情況(時鐘頻率與數(shù)據(jù)中心頻率的差在數(shù)據(jù)中心頻率的±1%以內(nèi)),當(dāng)二者頻率相差較遠(yuǎn)(時鐘頻率與數(shù)據(jù)中心頻率的差超出數(shù)據(jù)中心頻率的±1%范圍)時,經(jīng)常出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象,傳統(tǒng)鎖相環(huán)存在系統(tǒng)穩(wěn)定性差、容易失鎖,頻率捕捉范圍小的缺陷。本發(fā)明提出的一種新型的鑒頻器及鎖相環(huán),其頻率捕捉范圍大,在較大范圍內(nèi)(時鐘頻率與數(shù)據(jù)中心頻率的差在數(shù)據(jù)中心頻率的±1%~±10%以內(nèi))均能準(zhǔn)確捕捉。本發(fā)明鑒頻器的捕獲范圍是±1~±10%,小于±1%的范圍時,fd=0,交由鑒相器繼續(xù)捕獲。
實施例:參見圖6,電荷泵包括電流源i2、電流源i3、充電開關(guān)s1、放電開關(guān)s2、放電開關(guān)s3;低通濾波器包括電阻r3、電容c2和電容c3。
寬捕捉范圍的鑒頻器包括d觸發(fā)器dff1、全差分運算放大器a0、電流源i1、npn晶體管q1、npn晶體管q2、電阻r1、電阻r2、電容c1;電壓比較器comp1、電壓比較器comp2、鎖存器l1、與門and1、與門and2;
差分時鐘信號ck、ckb分別輸入至d觸發(fā)器dff1的數(shù)據(jù)輸入端d端、
npn晶體管q1的發(fā)射極、npn晶體管q2的發(fā)射極同時連接電流源i1的正端,電流源i1的負(fù)端接地;
npn晶體管q1的集電極、npn晶體管q2的集電極分別通過電阻r1、電阻r2連接直流電源vdd;npn晶體管q1的集電極和npn晶體管q2的集電極分別連接電容c1的兩端;npn晶體管q1的集電極作為頻差判定電路的輸出端fd;
電阻r1的阻值小于電阻r2的阻值。
控制電壓lf輸出端同時連接電壓比較器comp1的同向輸入端和comp2的同向輸入端;
電平m1、電平m2分別接入電壓比較器comp1的反向輸入端、電壓比較器comp2的反向輸入端;
電壓比較器comp1的輸出端e連接鎖存器l1的s端;
電壓比較器comp2的輸出端f連接鎖存器l1的r端;
鎖存器l1的q端連接與門and1的另一輸入端;
鎖存器l1的
與門and1的輸出端g連接充電開關(guān)s1的控制端;
與門and2的輸出端h連接放電開關(guān)s2的控制端。
電流源i2、充電開關(guān)s1、放電開關(guān)s2、放電開關(guān)s3和電流源i3依次串聯(lián),且電流源i2的正端連接直流電源vdd,電流源i3的負(fù)端接地;
充電開關(guān)s1的控制端與充放電控制電路的充電指令輸出端相連;
放電開關(guān)s2的控制端與充放電控制電路的放電指令輸出端相連;
放電開關(guān)s3的控制端與全差分運算放大器a0的反向輸fd1b出端相連。
充電開關(guān)s1和放電開關(guān)s2的公共節(jié)點同時連接電阻r3的一端、電容c2的一端和控制電壓lf輸出端,電容c2的另一端接地;
電阻r3的另一端連接電容c3的一端,電容c3的另一端接地。
差分?jǐn)?shù)據(jù)信號din、dinb輸入到d觸發(fā)器dff1的時鐘端c端、
當(dāng)時鐘頻率和數(shù)據(jù)頻率相差很遠(yuǎn)時,因為d觸發(fā)器自身的特性,采樣輸出q將會在0和1間快速翻轉(zhuǎn)。
d觸發(fā)器dff1輸出到全差分運算放大器a0,信號經(jīng)過a0放大,提供一定增益且增強(qiáng)了電流驅(qū)動能力,a0的同向輸出a和反向輸出b與dff1的正向輸出q和反向輸出
設(shè)計電阻r1阻值小于電阻r2電阻阻值,在初始狀態(tài)時,c點電壓大于d點電壓,因此fd輸出為1,與門and1和與門and2的一輸入端fd亦為1。此時開關(guān)s1和s2的閉合和斷開完全受與門and1的輸入端l和與門and2的輸入端lb控制。在整個鑒頻過程中,控制電壓lf的變化如圖7所示。
①當(dāng)時鐘頻率和數(shù)據(jù)頻率相差很遠(yuǎn),a、b兩點電平將在0和1之間快速翻轉(zhuǎn),c和d點電壓因為電容c1的存在,無法快速響應(yīng)變化,因此c點電壓依舊高于d點電壓,fd保持輸出1。
vco的控制電壓lf作為輸入在電壓比較器comp1、comp2中分別和電平m1和m2進(jìn)行比較,電平m1和電平m2分別對應(yīng)vco振蕩頻率的控制電壓lf在線性區(qū)中的最低和最高電平,則lf與m1和m2的比較結(jié)果存在三種情況:lf小于m1、lf大于m1且小于m2、lf大于m2。
lf電壓從0開始上升且小于電壓m1時,e、f都輸出0,鎖存器l1的s端輸入為1,r端輸入為0。l1的q端輸出為1,
lf電壓在m1和m2之間,鎖存器l1的s端輸入為0,r端輸入為0。此時鎖存器l1處于保持狀態(tài)。電荷泵保持對電容c3和電容c2充電,使得vco的控制電壓lf持續(xù)上升。
lf上升到剛超過m2時,鎖存器l1的s端輸入為0,r端輸入為1,鎖存器l1的l輸出端為0,lb輸出端為1。開關(guān)s1斷開,開關(guān)s2閉合,控制電壓lf進(jìn)入到下降階段。此時電容c3和電容c2是否放電還需要受到全差分運算放大器a0的反向輸出fd1b的電平控制,fd1b為1時,放電開關(guān)s3閉合,電容c3和電容c2放電。fd1b為0時,雖然放電開關(guān)s2閉合,但放電開關(guān)s3斷開,充電開關(guān)s1也斷開,電容c3和電容c2既不充電也不放電,鑒頻器暫時停止對電荷泵的控制。
②在lf電壓下降過程中,參見圖7,控制電壓lf下降過程為階梯狀,放電狀態(tài)時則為下降段,不充電不放電狀態(tài)時則為電壓保持段,這是控制電壓lf緩慢下降的過程,在該過程中,時鐘頻率與數(shù)據(jù)頻率由相差較遠(yuǎn)逐漸靠攏,當(dāng)時鐘頻率和數(shù)據(jù)頻率相差很近(時鐘頻率與數(shù)據(jù)中心頻率的差在數(shù)據(jù)中心頻率的±1%以內(nèi)),時鐘頻率稍大于數(shù)據(jù)頻率時,a為1,b為0,此時c點電壓小于d點電壓,fd輸出0。充電開關(guān)s1和放電開關(guān)s2斷開,電荷泵停止工作,不充電也不放電,鑒頻器的工作完成,交由鑒相器進(jìn)行進(jìn)一步的相位捕捉
控制電壓lf在上升階段,鑒頻器不把權(quán)力交給鑒相器對數(shù)據(jù)頻率進(jìn)行捕捉,而在lf下降階段進(jìn)行數(shù)據(jù)頻率捕捉,這是因為控制電壓lf升壓速度過快。而由于開關(guān)s3的存在,并合理設(shè)計電容c2和c3的值,使得控制電壓lf的下降階段為梯階狀慢速下降狀態(tài),其中間隙存在一小段水平穩(wěn)定時間,有利于頻率捕捉。
采用本發(fā)明的鑒頻器的鎖相環(huán)如圖8所示。
基于上述分析,可見本發(fā)明利用鑒頻器巧妙的結(jié)構(gòu)與帶有鎖存器控制端的電荷泵相結(jié)合,在vco整個線性區(qū)(電壓m1-m2所對應(yīng)的vco時鐘頻率)內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)頻率捕捉,而傳統(tǒng)鑒頻器只在中心頻率附近較小的范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)捕捉,本發(fā)明相比傳統(tǒng)鑒頻器在捕捉范圍方面具有巨大提升,極大的減少了失鎖發(fā)生的可能性,增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發(fā)明,但是應(yīng)該理解的是,這些實施例僅僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是,可以對示例性的實施例進(jìn)行許多修改,并且可以設(shè)計出其他的布置,只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是,可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是,結(jié)合單獨實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。