一种具有自适应锁频环的低功耗亚采样锁相环制造技术

本发明专利技术属于模拟射频集成电路技术领域，具体为一种具有自适应的锁频环的低功耗亚采样锁相环。本发明专利技术锁相环包括：亚采样鉴相器和电压电流转换模块，低通滤波器和低功耗的振荡器，以及自适应锁频环；自适应锁频环包括鉴相鉴频器、电荷泵、信号检测电路和自适应分频器；自适应锁频环可以产生使能信号控制其内部模块的关断和开启，从而使整体亚采样锁相环锁定的时候能关断锁频环FLL；电路根据检测到的环路信号判定锁相环是否锁定，从而自己产生一个使能信号确定关断或开启锁频环，这样保证在锁相环正常锁定的同时将锁频环关断从而降低功耗；当锁相环失锁后能正常启动锁频环，实现正确的分频和快速锁定；本发明专利技术实现了锁相环功耗和性能之间的折中。

【技术实现步骤摘要】
一种具有自适应锁频环的低功耗亚采样锁相环
本专利技术属于模拟射频集成电路
，具体涉及一种低功耗亚采样锁相环。
技术介绍
锁相环是集成电路中基本的模块之一，广泛的应用在无线传输的接收机、发射机，数据转换器以及有线通信中为电路提供所需要的频率以及所用的本振信号使得系统正常工作，比如频率综合器、时钟产生电路、时钟数据恢复电路等等都有锁相环的存在，近年来随着数据通信的持续增长将有线和无线系统的运行速度推到了数十GHz范围（每个通道或每个单元），从而使得电子设备和相关手持终端设备的速度变得更快更方便对人们的生活方式产生了很大的影响，尤其是近两年出现和推广的5G通信技术更是使得速率上升了一个台阶，使得微波毫米波相关的SOC也不断成熟，在这些SOC芯片中的频率综合器、时钟产生电路、时钟数据恢复电路工作在高频的情况下的功耗较高占据了很大的比例，同时相位噪声随着频率的增加也变差，所以研究低功耗和高性能的锁相环就显得十分有意义。2009年一种新型的锁相环：亚采样锁相环被提出如图2所示，主要采用两个环路一个传统的锁相环构成的环路用来实现频率的锁定，另一个亚采样环路用来实现相位的锁定从而实现锁频锁相的功能，在近十年的研究文献和技术专利中高频段的锁相环主要集中在模拟亚采样锁相环上低频段的主要集中在亚采样结构的全数字锁相环上，随着技术的发展目前亚采样锁相环已经有传统SSPLL、iSSPLL、RSPLL、AMASSPLL、TypeI型SSPLL、CSPLL、NPSPLL等结构，这些结构在功耗和相位噪声以及jitter等方面各有特点，有的能实现-258.9dBFOM，有的能实现50fs的jitter，还有的能实现-128.1-dBc/Hz带内绝对噪声，为实现较好的性能提供了一条可行的道路，但是功耗的降低一直以来较为困难，从传统的CPPLL到SSPLL只是将电荷泵的电流关断了所以才降低了锁频环和亚采样的锁相环的竞争，如果锁频环和亚采样环路同时作用功耗将会很大，通过调研近十年的顶会ISSCC顶刊JSSC中的文献发现在众多的亚采样锁相环结构实现中在测试结果中占据功耗较大的有两个部分一个是振荡器另一个是锁频环中的分频器，在众多的文献中均只是关断了锁频环中的电荷泵部分，并不是将整个锁频环关断尤其是分频器，这样在高频段的应用下分频器的功耗还是很大的，所以研究如何实现一款能整体关断的锁频环对降低高频段的锁相环来说是很有意义的，另外锁频环在亚采样锁相环锁定后关断就面临着一个问题，如果受到外部信号扰动后能不能实现重新锁定，所以实现一种低功耗的自适应的锁频环是一个十分有意义的研究方向。传统的亚采样锁相环如图2所示该电路有锁频环路和亚采样环路两个环路通过锁频环路来实现频率的锁定，亚采样环路实现锁相从而保证亚采样锁相环的锁频和锁相，电路在实现锁频和锁相后为了降低功耗需要将锁频环关掉，这是通过带有deadzone的PFD来实现的，但是锁频环中的鉴相器PFD和分频器并没有关断，这样将会消耗一定的功耗尤其是在高频段下的分频器。针对上述问题，本专利技术提出了一种自适应锁频环的低功耗锁相环。本专利技术通过对环路信号的检测产生合适的使能信号来关断和开启锁频环，这样既能使亚采样锁相环正常的实现锁定频率的功能后关断从而降低其功耗，又能在受到扰动后实现自动启动，从而很好的弥补了现有亚采样锁相环尤其是工作在高频段的电路的不足在性能和低功耗之间实现了很好的折中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够自适应开启和关断的锁频环的亚采样锁相环，这样既能让亚采样锁相环实现正常的锁定功能，又能避免整个锁频环的功耗从而提高整体锁相环的性能，尤其是工作在较高的频率下功耗降低明显。本专利技术提供的具有自适应锁频环（FLL）的低功耗亚采样锁相环（SSPLL），其结构参见图1所示，包括：亚采样鉴相器100和电压电流转换模块110，低通滤波器120和低功耗的振荡器130，以及自适应（即自适应关断和开启）锁频环140；其中，自适应锁频环140用于产生合适的使能信号控制其内部模块的关断和开启，这样使整体亚采样锁相环锁定的时候能关断锁频环FLL从而减小功耗。本专利技术中，所述自适应锁频环140，包括鉴相鉴频器141、电荷泵142、信号检测电路143、自适应分频器144；自适应锁频环140在亚采样锁相环正常建立的过程中，通过检测环路信号使得自适应锁频环140一直起作用，并使得频率接近目标频率，然后通过亚采样环路进行锁相；具体地是开始自适应锁频环140和亚采样锁相环路都工作且自适应锁频环140调整能力强于亚采样锁相环路，自适应锁频环140通过鉴相鉴相器141相对振荡器分频后的信号和基准信号进行比对产生控制电压,使得电荷泵142产生充电或者放电的信号，该信号通过环路滤波器转换成电压来调整振荡器130的频率，进行对频率的锁定，然后自己关断；接下来亚采样环路调整起主要作用亚采样鉴相器100对振荡器130的输出进行采样，产生采样电压输出给电压电流转换模块110，从而对振荡器130进行充电或者放电，实现随振荡器的输出，并进行调整实现相位的锁定；当环路锁定后，自适应锁频环140中的信号检测电路143通过对环路检测的反馈，产生相应的使能信号，关断整个锁频环，包括关断锁频环中的分频器144、鉴相鉴频器141和电荷泵142，即实现真正意义上的关断和零静态功耗的锁频环。本专利技术中，自适应锁频环140所需要的使能信号来源于对环路多个信号的检测而产生，且这个信号可以是电压也可以是电流，这个信号经过自适应锁频环模块140里的信号检测模块143产生使能信号，从而得到自适应信号，然后自适应所需要的使能信号输出给自适应分频器模块144和鉴相鉴频器141，从而控制其是关断还是开启。本专利技术中，所述的鉴相鉴频器141，通过优化传统带deadzoon的鉴相鉴频器而产生的一种新结构，该结构可以在分频信号和基准频率信号相位差大于几倍VCO周期时产生恒定的合适的电压，使得电荷泵142工作，从而提高其效率。（传统的亚采样锁相环的鉴相鉴频器关断电荷泵部分后再次触发相位差积累需要达到半个周期，需要较长的时间，所以一旦失锁恢复起来很慢。本专利技术所述优化传统带deadzoon的鉴相鉴频器，是优化相位差的积累方式，使触发所需的相位差变小，仅为几个VCO的周期，从而加快了触发速度，实现了快速恢复的功能，图6的仿真说明该想法的可靠性）。本专利技术中，所述电荷泵142，其关断信号来源于鉴相鉴频器141，当分频信号和基准信号相比相位差较小的时候鉴相鉴频器141会产生使能信号关断电荷泵142；，当分频信号和基准信号相比相位差较大的时候将自动启动，向环路中注入或者释放电荷，从而改变控制电压。本专利技术中，所述信号检测电路143，用于检测低功耗亚采样锁相环的环路相关信号的信息，该信息既可以是检测到的电压也可以是检测到的电流，可以是信号的幅度peak点，也可以是输出信号幅度的范围，比如高于某一个值或者低于某一个值。本专利技术中，所述信号检测电路143，采用动态电路和门级电路的组合电路，其不会产生静态功耗，使锁相环实现零静态功耗，从而降低亚采样锁相环的功耗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有自适应锁频环的低功耗亚采样锁相环，其特征在于，包括：亚采样鉴相器（100）和电压电流转换模块（110），低通滤波器（120）和低功耗的振荡器（130），以及自适应（即自适应关断和开启）锁频环（140）；所述自适应锁频环（140）用于产生合适的使能信号控制其内部模块的关断和开启，从而使整体亚采样锁相环锁定的时候能关断锁频环FLL，从而减小功耗；其中：/n所述自适应锁频环（140）包括鉴相鉴频器（141）、电荷泵（142）、信号检测电路（143）、自适应分频器（144）；自适应锁频环（140）在亚采样锁相环正常建立的过程中，通过检测环路信号使得自适应锁频环（140）一直起作用，并使得频率接近目标频率，然后通过亚采样环路进行锁相；具体地是开始自适应锁频环（140）和亚采样锁相环路都工作且自适应锁频环（140）调整能力强于亚采样锁相环路，自适应锁频环（140）通过鉴相鉴相器（141）相对振荡器分频后的信号和基准信号进行比对产生控制电压,使得电荷泵（142）产生充电或者放电的信号，该信号通过环路滤波器转换成电压来调整振荡器（130）的频率，进行对频率的锁定，然后自己关断；接下来亚采样环路调整起主要作用亚采样鉴相器（100）对振荡器(130）的输出进行采样，产生采样电压输出给电压电流转换模块（110），从而对振荡器（130）进行充电或者放电，实现随振荡器的输出，并进行调整实现相位的锁定；当环路锁定后，自适应锁频环（140）中的信号检测电路（143）通过对环路检测的反馈，产生相应的使能信号，关断整个锁频环，包括关断锁频环中的分频器（144）、鉴相鉴频器（141）和电荷泵（142），即实现真正意义上的关断和零静态功耗的锁频环。/n...

【技术特征摘要】
1.一种具有自适应锁频环的低功耗亚采样锁相环，其特征在于，包括：亚采样鉴相器（100）和电压电流转换模块（110），低通滤波器（120）和低功耗的振荡器（130），以及自适应（即自适应关断和开启）锁频环（140）；所述自适应锁频环（140）用于产生合适的使能信号控制其内部模块的关断和开启，从而使整体亚采样锁相环锁定的时候能关断锁频环FLL，从而减小功耗；其中：
所述自适应锁频环（140）包括鉴相鉴频器（141）、电荷泵（142）、信号检测电路（143）、自适应分频器（144）；自适应锁频环（140）在亚采样锁相环正常建立的过程中，通过检测环路信号使得自适应锁频环（140）一直起作用，并使得频率接近目标频率，然后通过亚采样环路进行锁相；具体地是开始自适应锁频环（140）和亚采样锁相环路都工作且自适应锁频环（140）调整能力强于亚采样锁相环路，自适应锁频环（140）通过鉴相鉴相器（141）相对振荡器分频后的信号和基准信号进行比对产生控制电压,使得电荷泵（142）产生充电或者放电的信号，该信号通过环路滤波器转换成电压来调整振荡器（130）的频率，进行对频率的锁定，然后自己关断；接下来亚采样环路调整起主要作用亚采样鉴相器（100）对振荡器(130）的输出进行采样，产生采样电压输出给电压电流转换模块（110），从而对振荡器（130）进行充电或者放电，实现随振荡器的输出，并进行调整实现相位的锁定；当环路锁定后，自适应锁频环（140）中的信号检测电路（143）通过对环路检测的反馈，产生相应的使能信号，关断整个锁频环，包括关断锁频环中的分频器（144）、鉴相鉴频器（141）和电荷泵（142），即实现真正意义上的关断和零静态功耗的锁频环。


2.根据权利要求1所述的低功耗亚采样锁相环，其特征在于，自适应锁频环（140）所需要的使能信号来源于对环路多个信号的检测而产生，这个信号是电压或者是电流；该信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪书江，闫娜，闵昊，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31