一種鎖相環(huán)的兩步自動(dòng)頻率校準(zhǔn)電路和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種集成電路，特別涉及一種鎖相環(huán)(PLL)的自動(dòng)頻率校準(zhǔn)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]在射頻通信系統(tǒng)中，鎖相環(huán)(PLL)是一個(gè)極其關(guān)鍵的模塊，被廣泛用來(lái)為收發(fā)機(jī)提供穩(wěn)定的頻率。射頻鎖相環(huán)電路通常由鑒頻鑒相器、電荷泵、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器及分頻器組成。
[0003]由于相位噪聲性能較好，電感-電容壓控振蕩器(LCVCO)被廣泛用于射頻鎖相環(huán)(PLL)電路中，其調(diào)諧范圍和相位噪聲決定了一個(gè)PLL的基本性能。在選定一個(gè)電感之后，LCVCO的振蕩頻率由電容決定。根據(jù)通信協(xié)議，LCVCO需要覆蓋所規(guī)定的頻率范圍。通常采用自動(dòng)頻率校準(zhǔn)技術(shù)，利用一組離散的可變電容提供粗調(diào)，預(yù)先將LCVCO調(diào)諧到目標(biāo)頻率附近，然后利用連續(xù)可變的電容提供細(xì)調(diào)，最終將LCVCO鎖定到目標(biāo)頻率。
[0004]在各種工藝角、溫度及電源電壓變化的情況下，均要求保證粗調(diào)能覆蓋通信協(xié)議所規(guī)定的頻率范圍。舉例說(shuō)明:假設(shè)有一個(gè)LCVCO的頻率中心點(diǎn)為2GHz，通常粗調(diào)需要保證頻率中心點(diǎn)附近至少±10%的頻率范圍，即鎖相環(huán)能夠鎖定在1.8-2.2GHz的頻率范圍內(nèi)。但是由于射頻鎖相環(huán)工作頻率較高，很小的寄生電感、電容的變化將導(dǎo)致較大的頻率中心點(diǎn)變化。在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，前仿真和后仿真的寄生電感、電容的差異可能導(dǎo)致頻率中心點(diǎn)的變化，典型情況下，前后仿真頻率中心點(diǎn)下降值約為50MHz ;流片之后，實(shí)際的振蕩頻率中心點(diǎn)較后仿真值又將可能有約10MHz左右的偏差。如果僅僅通過(guò)粗調(diào)來(lái)覆蓋設(shè)計(jì)值和流片結(jié)果中頻率中心點(diǎn)的偏移，必將導(dǎo)致粗調(diào)諧范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通信協(xié)議所規(guī)定的頻率范圍。而實(shí)際LCVCO電路中，相鄰的頻率子帶要求必須交疊一部分，而且隨著控制電容的增多，子帶與子帶之間的頻率間隔將逐漸減小，實(shí)際所能得到的粗調(diào)諧范圍受到很多限制。前仿真、后仿真、實(shí)際流片后的頻率中心點(diǎn)的偏移更進(jìn)一步縮小了實(shí)際能得到的粗調(diào)諧范圍。如果流片之后頻率中心點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果嚴(yán)重偏離仿真值，只能通過(guò)重新設(shè)計(jì)，重新流片來(lái)糾正，這將加長(zhǎng)芯片的研發(fā)周期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)一種鎖相環(huán)的兩步自動(dòng)頻率校準(zhǔn)電路和方法。本發(fā)明的目的是，兩步法實(shí)現(xiàn)LCVCO的自動(dòng)頻率校準(zhǔn):第一步，實(shí)現(xiàn)LCVCO的頻率中心點(diǎn)預(yù)校準(zhǔn)，保證典型情況下LCVCO的前仿真、后仿真、實(shí)際流片結(jié)果頻率中心點(diǎn)在所要求之頻率附近；第二步，實(shí)現(xiàn)常規(guī)的自動(dòng)頻率校準(zhǔn)，保證在各種工藝角、溫度變化、電源電壓變化情況下，LCVCO的頻率調(diào)諧范圍覆蓋通信協(xié)議規(guī)定的頻率范圍。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的，發(fā)明人是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006]本發(fā)明公開(kāi)的兩步自動(dòng)頻率校準(zhǔn)電路包括包含2bit頻率中心點(diǎn)預(yù)校準(zhǔn)電容陣列和3bit工藝角溫度校準(zhǔn)電容陣列在內(nèi)的LCVC0、比較電路H和比較電路L、AFC邏輯電路、包含分頻器(Divider)、鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)和環(huán)路濾波器(Loop Filter)在內(nèi)的鎖相環(huán)基本構(gòu)成單元。
[0007]具體的校準(zhǔn)過(guò)程描述如下:2bit頻率中心點(diǎn)預(yù)校準(zhǔn)電容陣列控制位默認(rèn)值為“10”，3bit工藝角溫度校準(zhǔn)電容陣列控制位默認(rèn)值為“100”。通過(guò)Start信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，啟動(dòng)2bit頻率中心點(diǎn)預(yù)校準(zhǔn)電路，利用二分法，AFC邏輯電路快速找到一條所希望的調(diào)諧子帶，該子帶能保證典型情況下LCVCO頻率中心點(diǎn)的前仿真、后仿真、實(shí)際流片結(jié)果在所要求之頻率附近，并啟動(dòng)第二步自動(dòng)頻率校準(zhǔn)電路。第二部自動(dòng)頻率校準(zhǔn)算法仍然利用二分法，保證在各種工藝角、溫度變化、電源電壓變化情況下，LCVCO的頻率調(diào)諧范圍覆蓋通信協(xié)議規(guī)定的頻率范圍。為了盡快找到頻率子帶，本發(fā)明的校準(zhǔn)方法利用兩個(gè)比較器，比較器H用來(lái)判斷建立之后的電荷泵電壓穩(wěn)定值VT是否大于高閾值VTH，比較器L用來(lái)判斷建立之后的電荷泵電壓穩(wěn)定值VT是否大于低閾值VTL。一旦VTL〈VT〈VTH，本發(fā)明的校準(zhǔn)流程提前結(jié)束，并產(chǎn)生AFC_0K信號(hào)，校準(zhǔn)過(guò)程完成。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及效果在于:
(I)本發(fā)明提出的關(guān)于鎖相環(huán)的兩步自動(dòng)頻率校準(zhǔn)方法，保證了典型情況下LCVCO的振蕩頻率中心點(diǎn)前仿真、后仿真和實(shí)際流片結(jié)果均與設(shè)計(jì)值接近。頻率中心點(diǎn)校準(zhǔn)后，第二步自動(dòng)頻率校準(zhǔn)方法很容易保證在各種工藝角、溫度變化、電源電壓變化情況下，頻率調(diào)諧范圍覆蓋通信協(xié)議規(guī)定的頻率范圍。本發(fā)明的兩步校準(zhǔn)算法能夠縮短研發(fā)周期，提高一次流片成功率。
[0009](2)本發(fā)明提出的兩步自動(dòng)頻率校準(zhǔn)方法均采用二分法，可以縮短校準(zhǔn)時(shí)間。
[0010]附圖簡(jiǎn)述
通過(guò)附圖中的圖形，以示例方式，而非限制方式來(lái)圖解本發(fā)明的實(shí)施例，在這些附圖中相同的參考數(shù)字指代相似的元件。
[0011]圖1是本發(fā)明的鎖相環(huán)(PLL)電路的圖示。
[0012]圖2是本發(fā)明的用于圖1中的PLL的兩步自動(dòng)頻率校準(zhǔn)電路的圖示。
[0013]圖3是本發(fā)明的用于圖2中PLL的LCVCO及其頻率控制電路的圖示。
[0014]圖4是本發(fā)明的用于圖2中第一步自動(dòng)頻率校準(zhǔn)電路的流程圖。
[0015]圖5是本發(fā)明的用于圖2中第二步自動(dòng)頻率校準(zhǔn)電路的流程圖。
[0016]具體實(shí)施方法
圖1示出了使用LCVCO的PLL電路。通常包括鑒頻器(PFD) 101，電荷泵(CP) 102,環(huán)路濾波器(LF) 103，LCVC0104(包括自動(dòng)擺幅校準(zhǔn)電路106和自動(dòng)頻率校準(zhǔn)(AFC)電路107)，可編程分頻器電路105，緩沖器電路108。
[0017]PFD 101接收參考時(shí)鐘信號(hào)(Fref)并和Dividerl05輸出的反饋時(shí)鐘(Fdiv)進(jìn)行相位或頻率的比較，生成反映相位或頻率差的誤差信號(hào)。當(dāng)反饋信號(hào)頻率低于參考時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生Up信號(hào)，控制CP102對(duì)環(huán)路濾波器103充電；當(dāng)反饋時(shí)鐘頻率高于參考時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生Down信號(hào)，控制CP102對(duì)環(huán)路濾波器103放電。充電或放電可以使LCVCO的輸入信號(hào)(VT)增大或減小，從而適當(dāng)?shù)靥岣呋蚪档蚅CVC0104的振蕩信號(hào)(Fvc0)頻率。為了防止負(fù)載牽引效應(yīng)和提高驅(qū)動(dòng)能力，采用緩沖器電路(Buf fer ) 108輸出最終的PLL輸出信號(hào)(Fpll)0
[0018]自動(dòng)頻率控制電路107 (AFC)監(jiān)測(cè)環(huán)路濾波器輸出信號(hào)VT，選擇校準(zhǔn)邊帶，控制LCVCO的輸出頻率，保證鎖定之后的環(huán)路濾波器輸出電壓VT穩(wěn)定在合適的電壓范圍之內(nèi)；自動(dòng)擺幅校準(zhǔn)電路106監(jiān)測(cè)LCVCO的輸出信號(hào)擺幅，通過(guò)控制電流，控制LCVCO的擺幅。
[0019]圖2示出了本發(fā)明中兩步自動(dòng)頻率校準(zhǔn)方法的實(shí)施例。包括LCVCO(包含2bit頻率中心點(diǎn)預(yù)校準(zhǔn)電容陣列和3bit工藝角溫度校準(zhǔn)電容陣列)204、比較電路H201和比較電路L202、AFC邏輯電路203、鎖相環(huán)的其余基本單元205 (包含分頻器105、鑒頻鑒相器101、電荷泵102和環(huán)路濾波器103)。如圖所示，所有的電路接成反饋環(huán)路。通過(guò)比較電路H201和比較電路L202監(jiān)視環(huán)路濾波器103的輸出電壓VT，當(dāng)比較電路H的輸出C0MP_H為高電平，減小2bit頻率中心點(diǎn)校準(zhǔn)電容值；當(dāng)比較電路L的輸出C0MP_L為低電平，增大2bit頻率中心點(diǎn)校準(zhǔn)電容值；一旦C0MP_H為低電平同時(shí)C0MP_L為高電平，意味著V