一種Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)快速鎖定的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明用于Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)，可以加速該類鎖相環(huán)的鎖定過程。
【背景技術(shù)】
[0002]鎖相環(huán)在各類電子系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，比如在SOC和處理器中。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)是基于模擬或混合信號電路的，主要包括鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器(VCO)以及反饋分頻器構(gòu)成的反饋回路。其中的PFD可以檢測出輸入時鐘和反饋時鐘的相位差。Bang-Bang PFD與通常的PFD的差別在于，Bang-Bang PFD僅檢測輸入時鐘與反饋時鐘相比相位是超前還是滯后。
[0003]隨著集成電路工藝的進(jìn)步，CMOS器件的工作速度不斷提高，但工作電壓在逐步下降。對于傳統(tǒng)的鎖相環(huán)，所需的環(huán)路濾波器中的電阻和電容的面積，并不能隨著工藝的進(jìn)步而減小。為了充分利用工藝進(jìn)步所帶來的優(yōu)勢，數(shù)字鎖相環(huán)開始得到研究和應(yīng)用。在數(shù)字鎖相環(huán)中，數(shù)字濾波器取代了傳統(tǒng)的由電阻電容構(gòu)成的濾波器，可以隨工藝的進(jìn)步節(jié)省大量的芯片面積。在傳統(tǒng)的鎖相環(huán)中，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，環(huán)路帶寬通常小于輸入?yún)⒖碱l率的十分之一。對于較低頻率的輸入時鐘，對應(yīng)的環(huán)路帶寬會更小，從而需要的電阻電容只能采用分立器件來實現(xiàn)。由于數(shù)字鎖相環(huán)采用了數(shù)字濾波器，不存在這樣的問題。
[0004]傳統(tǒng)鎖相環(huán)中的PFD可以用TDC (時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器)來取代，用于量化輸入?yún)⒖紩r鐘和反饋時鐘的相位差。數(shù)字濾波器用于處理量化后的相位差，并將結(jié)果輸出給數(shù)字控制的振蕩器(DCO)或者經(jīng)DAC (數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)輸出給壓控振蕩器(VC0)。同樣也可以采用Bang-Bang PFD來檢測輸入時鐘與反饋時鐘的相位差，并輸出表示相位超前或滯后的邏輯值。
[0005]Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)的原理圖如圖1所示。101為提供參考時鐘的晶振，102為其輸出。103為輸入分頻器，其輸出104作為參考時鐘提供給Bang-Bang PFD 105。BBPFD105的另一輸入為反饋時鐘118，其是DCO 116輸出振蕩信號119通過反饋分頻器117得到的。BBPFD 105的輸出106表示了參考時鐘104和反饋時鐘118的相位比較結(jié)果:超前還是滯后。比較結(jié)果106有兩條通路:比例通路107和由108-112構(gòu)成的積分通路。比例通路和積分通路的因子分別為KP 107和KI 112。積分通路除了積分因子112，還包括加法器108，累加結(jié)果109經(jīng)單元延遲111得到延遲累加結(jié)果110。加法器108把BBPFD的輸出106和延遲累加結(jié)果110進(jìn)行相加。比例通路的輸出結(jié)果113和積分通路的輸出結(jié)果114在加法器115中進(jìn)行相加，其結(jié)果120用于控制DCO 116的輸出信號119的振蕩頻率。
[0006]在Bang-Bang鎖相環(huán)的鎖定過程中，積分因子KI 112和比例因子KP 107控制著輸出信號119頻率的鎖定時間和精度。同時積分因子KI 112和比例因子KP 107共同決定著Bang-Bang鎖相環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在確保Bang-Bang鎖相環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定和鎖定精度的條件下，積分因子KI 112和比例因子KP 107的選擇會導(dǎo)致較長的鎖定時間。
[0007]圖1所示Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)的鎖定精度由DCO 116的控制精度決定。為了在不增加DCO精度的條件下，提高鎖定精度，可以采用如圖2所示的方案。其中積分通路的累加器和積分因子208-212提高了位寬，其中的高比特位(MSB ) 214直接和比例通路的輸出213相加，而低比特位(LSB) 222通過Sigma-Delta調(diào)制器的調(diào)制后再輸出給加法器215。該方案增加了累加器的位數(shù)，從而減小了積分通路的調(diào)整步長，在提高鎖定精度的同時也付出了鎖定時間增長的代價。
[0008]為了取得Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)的高鎖定精度又避免鎖定時間的大幅增長，有必要尋求一種Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)的快速鎖定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明針對Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)中增加鎖定精度導(dǎo)致的鎖定時間增長的難題，提出了一種快速鎖定的方法。采用該方法的Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)的一種實現(xiàn)如圖3所示。新增加的快速鎖定濾波器307檢測并處理BBPFD 305的輸出信號306，其表示了參考時鐘304和反饋時鐘312的相位超前或滯后信息?？焖冁i定濾波器307的輸出308直接控制DCO 309的振蕩頻率。
[0010]快速鎖定濾波器307的一種實現(xiàn)圖4所示。其中包括的快速鎖定控制器408的基本工作原理是可變調(diào)整步長的多級鎖定控制。前面的方案中，在Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)的整個鎖定過程中，調(diào)整步長是由最終鎖定精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性要求確定的，在整個鎖定過程中是保持不變的。在本發(fā)明中，快速鎖定控制器408會根據(jù)Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)所處的鎖定狀態(tài)不同，自動調(diào)整比例通路407因子KP和積分通路406因子KI，逐步細(xì)化鎖定精度并保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而極大地減小DCO 309輸出時鐘310的頻率鎖定時間，達(dá)到快速鎖定的目的。
[0011]本發(fā)明中，BBPFD的輸出401分別提供給快速鎖定控制器408、比例通路和積分通路。快速鎖定控制408通過監(jiān)測BBPFD的輸出401，可以確定Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)，從而動態(tài)調(diào)整比例通路因子KP 407、積分通路因子KI 406以及Sigma Delta調(diào)制器409輸入的低比特位(LSB)415。當(dāng)Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)啟動或失鎖后，快速鎖定控制器408會在第一階段鎖定通過配置積分通路因子KI 406、比例通路因子KP 407和SigmaDelta調(diào)制器409的輸入設(shè)定較大的調(diào)整步長，從而可以較快地取得第一階段鎖定。由于第一階段鎖定的調(diào)整步長較大，相應(yīng)的鎖定精度也較差。當(dāng)快速鎖定控制器408通過監(jiān)測BBPFD的輸出401判定第一階段鎖定結(jié)束后，會自動調(diào)整積分通路因子KI 406、比例通路因子KP 407和Sigma Delta調(diào)制器409的輸入以減小調(diào)整步長，從而提高第二階段的鎖定精度。同樣地，快速鎖定控制器408通過監(jiān)測BBPFD的輸出401來判定該階段鎖定結(jié)束并啟動下一階段的鎖定。通過各階段的鎖定過程，快速鎖定控制器408最終會取得Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計鎖定精度從而結(jié)束整個鎖定過程。通過優(yōu)化選擇快速鎖定過程的階段及各階段的調(diào)整步長，可以在保持最終鎖定精度的條件下，極大地減小整個鎖定過程的時間，從而達(dá)到Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)快速鎖定的目的。
【附圖說明】
[0012]圖1 Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)。
[0013]圖2采用Sigma-Delta調(diào)制器提高Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)的精度。
[0014]圖3采用本發(fā)明快速鎖定方法的Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)。
[0015]圖4采用本發(fā)明的快速鎖定濾波器的一種實現(xiàn)。
[0016]圖5快速鎖定控制器的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進(jìn)一步的說明。
[0018]快速鎖定控制器408的具體工作流程圖如圖5所示。當(dāng)Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)啟動或檢測到失鎖后，會自動配置調(diào)整步長及相應(yīng)的比例通路因子KP和積分通路因子KI。通過持續(xù)監(jiān)測BBPFD的輸出，可以判定鎖相環(huán)是否鎖定。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后，如果鎖定精度未達(dá)到所要求的精度，快速鎖定控制器會自動修改調(diào)整步長及相應(yīng)的比例通路因子KP和積分通路因子KI以提高鎖定精度；當(dāng)取得所要求的鎖定精度后，如果需要持續(xù)監(jiān)測鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)以便在鎖相環(huán)失鎖后快速地恢復(fù)鎖定，可以在檢測到鎖相環(huán)失鎖后重新開始快速鎖定過程，否者結(jié)束快速鎖定過程進(jìn)入鎖定跟蹤過程。
[0019]本快速鎖定方法通過自動配置Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)的調(diào)整步長及相應(yīng)的比例通路因子KP和積分通路因子KI，把一長時間的慢速鎖定過程分解成幾段短時間的快速鎖定過程，從而在保持最終鎖定精度不變的條件下，減少整體的鎖定時間，取得鎖相環(huán)的快速鎖定。通過優(yōu)化快速鎖定過程的階段及各階段的調(diào)整步長及相應(yīng)的比例通路因子KP和積分通路因子KI，可以取得最佳的快速鎖定過程。
【主權(quán)項】
1.一種Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)快速鎖定的方法，其特征在于包含以下功能模塊和連接關(guān)系:快速鎖定控制器，比例通路，積分通路，可選的提高鎖定精度的Sigma-Delta調(diào)制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)快速鎖定方法，其特征在于:快速鎖定控制器的輸入信號反映了參考時鐘和反饋時鐘之間相位超前或滯后的信息，不限于BBPFD的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)快速鎖定方法，其特征在于:快速鎖定控制器的輸出分別控制著比例通路因子、積分通路因子和可選的Sigma-Delta調(diào)制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)快速鎖定方法，其特征在于:快速鎖定控制器包括了由輸入信號監(jiān)測鎖定狀態(tài)的功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)快速鎖定方法，其特征在于:快速鎖定控制器動態(tài)配置調(diào)整步長及相應(yīng)的比例通路因子Kp和積分通路因子K1，采用多級變步長的頻率鎖定方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)快速鎖定方法，其特征在于:快速鎖定控制器在取得設(shè)定的鎖定精度后，可以持續(xù)監(jiān)測鎖定狀態(tài)，在檢測到失鎖后可以重啟快速鎖定過程。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)快速鎖定的方法，由快速鎖定控制器，比例通路，積分通路，可選的提高鎖定精度的Sigma-Delta調(diào)制器組成。采用該專利方法，解決了Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)的高鎖定精度與長鎖定時間之間的矛盾，在不犧牲鎖定精度的條件下，大幅度提高了鎖定速度，減小了鎖定時間。利用BBPFD輸出的反映參考時鐘和反饋時鐘之間相位超前或滯后的信息，采用自動調(diào)整步長、比例通路因子和積分通路因子的多級變步長的頻率鎖定方式，取得了Bang-Bang數(shù)字鎖相環(huán)的快速鎖定。該專利方法采用軟件或硬件都可以實現(xiàn)。
【IPC分類】H03L7-08
【公開號】CN104753525
【申請?zhí)枴緾N201310735960
【發(fā)明人】馮東, 劉寅, 張晉民
【申請人】北京華大九天軟件有限公司
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2013年12月29日