專利名稱：一種可變階數全集成環路濾波器的制作方法
技術領域：
本發明屬于無線通信技術領域，涉及ー種可變階數全集成環路濾波器，用于低功耗高性能基于鎖相環的頻率合成器及無線收發機SoC 中。它采用RC參考電路結構(26)來調整環路濾波器的電阻電容參數，以便于消除因為制造エ藝參數、供電電壓、及溫度的變化引起環路參數的變化，從而增強了鎖相環環路穩定性，用于實現不易受環境溫度、エ藝偏差、電源電壓變化(PVT)等因素影響的收發器或發射器芯片。
背景技術：
無線通信技術隨著個人消費類移動終端市場的迅速發展得到了極為廣泛的應用。為了可靠有效的傳輸信息，需要對原始數據進行調制，在無線通信技術中，針對數字信號的傳輸，在收發器或發射器結構中，數字基帶對發射數據進行處理，通過基帶數字調制器輸出的調制信號對VCO或分頻器產生的射頻載波信號進行幅度、頻率或者相移鍵控調制，調制后的信號經過功率放大器輸出片外經過天線進行發射，完成數字信號的無線傳輸。而鎖相環則是提供載波信號的模塊，在發送端，由鎖相環提供的本振信號與基帶調制信號進行混頻，或者由基帶調制信號對本振信號進行調制，再經由功率放大器或者射頻放大器放大，由天線發射。在接收端，無線信號需要下變頻，而載波一般須由鎖相環提供。鎖相環能提供準確的參考頻率，而其中的環路濾波器是低通濾波器，主要用來濾除鑒頻鑒相器(PFD)的高頻分量，從而獲得穩定的平均電壓值控制振蕩器的頻率。現行エ藝和技術允許整個鎖相環集成在同一個芯片上，振蕩器的輸出相噪與濾波器的帶寬有很大的關系，為了獲得較低的相位噪聲，通常環路濾波器的帶寬需要取得較小，環路濾波器中電阻電容值就比較大，増大了芯片的面積和成本，另外ー個方面，在集成電路設計中，ー個很重要的問題是エ藝偏差、電壓波動、環境溫度(PVT)等因素會對電路性能和一致性造成較大影響，因此從設計的角度出發，需要鎖相環電路具有較強的魯棒性以及抑制PVT等因素影響的校正電路，因為較大的電阻電容受到溫度漂移、エ藝偏差等因素的影響更大，信號通路的環路函數増益及幅度等表現出不一致性，需要從設計上解決這個問題，而現有公開的文獻對溫度補償方式做了一些嘗試，但效果受到較多限制。

發明內容
本發明目的是為了克服已有技術性能和結構上的局限，提出ー種可變階數全集成環路濾波器。它采用RC參考電路結構來調整環路濾波器的電阻電容參數，以便于消除因為制造エ藝參數、供電電壓、及溫度的變化引起環路參數的變化，從而增強了鎖相環環路穩定性，用于實現不易受環境溫度、エ藝偏差、電源電壓變化(PVT)等因素影響的收發器或發射器芯片。本發明是通過以下的技術方案來實現所述的可變階數全集成環路濾波器包括環路濾波器和環路參數校正模塊；所述環路參數校正模塊包括RC參考電路和參數調整邏輯電路；環路濾波器包括第一電阻一端接濾波輸入，另一端接濾波輸出，第一電阻上并聯環路選擇開關，第一電阻一端連接第一電容的一端，第一電容的另一端接地，第一電阻另一端分別連接第二電阻一端和第三電容一端，第二電阻另一端連接第二電容一端，第二電容另一端和第三電容另一端接地；所述第一電阻，第二電阻，第一電容，第二電容，第三電容的大小均由參數調整邏輯電路輸出的控制信號控制；參數調整邏輯電路根據RC參考電路的電阻R值和電容C值來調整環路濾波器中的電阻電容值，使得RC參考電路的電阻R值與所述第一電阻、第二電阻值成固定比例，RC參考電路的電容C值與所述第一電容、第二電容、第三電容值成固定比例。所述RC參考電路中電阻R值和電容C值由固定參考時鐘信號來校準，調整RC參考電路中R與C的值，使得固定參考時鐘信號頻率是R與C乘積的倒數的整數倍；參數調整邏輯電路賦值用來輸出環路濾波器中電阻、電容值的控制字，不同的控制字代表不同的電阻電容值；根據RC參考電路中電阻R值和電容C值與環路濾波器中電阻電容值的比例關系來調整環路濾波器中的第一電阻、第二電阻以及、第一電容、第二電容、第三電容值。通過增加所述參數調整邏輯電路輸出的控制字的位數，來提高環路濾波器的環路參數的可調整范圍及調整區間。 所述環路濾波器中，第二電阻、第二電容、第三電容構成ー個基本2階環路濾波器，第一電阻和第一電容構成高階RC附加電路；當環路選擇開關關閉時，第二電阻R2和第ー電容、第二電容、第三電容共同組成了一個傳統的ニ階環路濾波器；當環路選擇開關打開時，第一電阻R1、第二電阻R2、第一電容、第二電容、第三電容則組成了ー個3階環路濾波器。所述RC參考電路是包含了整個鎖相環的集成電路單元中某ー個部件比如是接收發送鏈路中的濾波器的一部分，或者是單獨的ー個RC振蕩器電路，或者是專門用于調整環路參數的ー個RC電路。本發明的有益效果在干
I、所提出的環路濾波器，相比于傳統的結構，可實現2階、3階結構復用，僅通過ー個選擇開關即可實現，而且在作為2階結構吋，Cl與C3容值相加作為濾波電容，有效地減小了濾波器的面積。2、采用類似于RC振蕩器的結構用來作為環路濾波器參數調整的依據，來調整環路濾波器的電阻電容參數。參數調整邏輯電路根據固定參考時鐘信號校準RC參考電路的結果，經過一系列的運算，得出了用來輸出環路濾波器中電阻電容的值的控制字，不同的控制字代表不同的電阻電容值。這種校準結構相比于傳統的結構簡單而實用，而且是與鎖相環兼容，可集成在同一款芯片中，提高了集成度并降低了系統成本。3、所提出的校準電路(RC參考電路和參數調整邏輯電路)能夠消除因為制造エ藝參數、供電電壓、及溫度的變化引起環路參數的變化，從而增強鎖相環環路穩定性，從而讓環路濾波器的特性不受エ藝偏差、溫度漂移或電源波動等因素的影響。4、本發明提出的具有自校準功能的環路濾波器適用于射頻無線通信收發器或發射器，適用于CMOSエ藝。


圖I為本發明所提出的環路濾波器應用在鎖相環中的電路框圖。
圖2為本發明的電路結構框圖。圖3(a)為本發明實施例一的RC參考電路的結構示意圖。圖3(b)為本發明實施例ニ的RC參考電 路的結構示意圖。圖3(c)為本發明實施例三的RC參考電路的結構示意圖。圖4為本發明實施例的自動校正流程圖。
具體實施例方式本發明提出了ー種可變階數全集成環路濾波器，用于低功耗高性能基于鎖相環的頻率合成器及無線收發機SoC中，其在整個鎖相環中的位置和作用如圖I所示。圖I是包含了本發明所提出的環路濾波器的整個鎖相環的頻率合成器框圖，也是ー個優選實例，其中包括了鑒頻鑒相器11，電荷泵12，環路濾波器13，壓控振蕩器(VC0)14、可變頻分頻器15、環路參數校正模塊16。按照環路中的順序，參考時鐘信號與VCO 14輸出經過可變頻分頻器15的分頻輸出信號經過鑒頻鑒相器11比較兩者的相位差(頻率差)，決定電荷泵12的對環路濾波器13是充電還是放電，當然這還由VCO 14的電壓頻率特性曲線所決定(通常選擇正電壓頻率曲線特性，負電壓頻率特性曲線則相反)如果參考時鐘的頻率高于分頻輸出信號的頻率，或者參考時鐘信號相位超前于分頻輸出信號的相位，那么鑒頻鑒相器11和電荷泵12共同作用使得電荷泵12對環路濾波器13進行充電，以提高VCO14振蕩頻率；如果參考時鐘的頻率低于分頻輸出信號的頻率，或者參考時鐘信號相位滯后于分頻輸出信號的相位，那么鑒頻鑒相器11和電荷泵12共同作用使得電荷泵12對環路濾波器13進行放電，以降低VCO 14振蕩頻率；這樣一直縮小參考分頻信號和分頻輸出信號的頻率差或相位差，直至兩者頻率和相位完全相同(相位差也可能是固定值，不為O)。如圖2所示，本發明包括了所述的環路濾波器13和環路參數校正模塊16。環路濾波器13包括ー個基本2階環路濾波器(第二電阻R2，第二電容C2，第三電容C3)、環路選擇開關SI、高階RC附加電路(第一電阻Rl，第一電容Cl)。其中，第一電阻Rl —端接濾波輸入Vi，另一端接濾波輸出Vo,第一電阻Rl上并聯環路選擇開關SI,第一電阻Rl —端連接第一電容Cl的一端,第一電容Cl的另一端接地,第一電阻Rl另一端分別連接第二電阻R2 —端和第三電容C3 —端，第二電阻R2另一端連接第二電容C2 —端，第二電容C2另一端和第三電容C3另一端接地。所述第一電阻R1，第二電阻R2，第一電容Cl，第二電容C2，第三電容C3的大小均由參數調整邏輯電路162輸出的控制信號控制。當環路選擇開關SI關閉時，第二電阻R2、第一-第三電容C1-C3共同組成了ー個傳統的ニ階環路濾波器，第一電容Cl與第三電容C3合起來相當于傳統結構中的一個濾波電容。當環路選擇開關SI打開時，第一電阻R1、第二電阻R2、第一-第三電容C1-C3則組成了ー個3階環路濾波器，由于每個元件(Rl、R2、C1-C3)均是受參數調整邏輯電路162輸出的控制，那么環路濾波器13的環路參數可調整范圍及調整區間可以非常精確，只要參數調整邏輯電路162輸出的控制字的位數足夠多。即通過增加參數調整邏輯電路162輸出的控制字的位數，可相應提高環路濾波器的環路參數可調整范圍及調整區間，使得環路濾波器的環路參數與設定值的誤差更小。所述環路參數校正模塊16包括RC參考電路161和參數調整邏輯電路162。用一個固定的參考時鐘信號作為校準依據，參數調整邏輯電路162根據RC參考電路161中R與C的乘積的倒數，這個倒數可以看做是ー個頻率計，如果由固定參考時鐘信號來計數，通過設置R與C的值，可以使固定參考時鐘信號是R與C乘積的倒數的整數倍K倍，K可以任意設置，主要根據固定參考時鐘信號頻率和環路濾波器中需要的R1-R2，C1-C3的值決定。調整RC參考電路中R與C的值，使得固定參考時鐘信號頻率是R與C乘積的倒數的整數倍K倍，那么可以確定R、C的值不會隨エ藝、溫度、電源電壓的變化而變化。然后再根據RC參考電路16中電阻R、電容C與環路濾波器13中電阻R1-R2、電容C1-C3的比例關系來調整環路濾波器13中的R1-R2、C1-C3的值，使得環路濾波器中的R1-R2，C1-C3仍然與RC參考電路16中電阻R、電容C滿足一定的比例關系。參數調整邏輯電路162賦值用來輸出環路濾波器13中電阻、電容值的控制字，不同的控制字代表不同的電阻電容值。所述RC參考電路161可能是整個收發機中的一個模塊，也可能是單獨的一個模塊，可集成于整個收發機的IC中。本發明采用RC參考電路161結構和參數調整邏輯電路162來調整環路濾波器13的電阻電容值，以便于消除因為制造エ藝參數、供電電壓、及溫度的變化引起環路參數的變 化，從而增強了鎖相環環路穩定性。本發明作為三階結構，如果從輸入到輸出，與傳統的三階環路濾波器結構完全是倒置的。但是這兩種輸入輸出倒置的結構得出的環路函數卻是相同的，因為其中的元器件也是倒置的。所述的RC參考電路可以是包含了整個鎖相環的集成電路單元中某ー個部件，例如接收發送鏈路中的濾波器的一部分，也可以是單獨的ー個類似于RC振蕩器電路，或者是專門用于調整環路參數的ー個RC電路。下面結合具體RC參考電路161的實施例對本發明實施方式做進ー步的說明。實施例一
按照環路中的順序，參考時鐘信號與VCO 14輸出經過可變頻分頻器15的分頻輸出信號經過鑒頻鑒相器11比較兩者的相位差(頻率差)，決定電荷泵12的對環路濾波器13是充電還是放電，當然這還由VCO 14的電壓頻率特性曲線所決定(通常選擇正電壓頻率曲線特性，負電壓頻率特性曲線則相反)如果參考時鐘的頻率高于分頻輸出信號的頻率，或者參考時鐘信號相位超前于分頻輸出信號的相位，那么鑒頻鑒相器11和電荷泵12共同作用使得電荷泵12對環路濾波器13進行充電，以提高VCO 14振蕩頻率；如果參考時鐘的頻率低于分頻輸出信號的頻率，或者參考時鐘信號相位滯后于分頻輸出信號的相位，那么鑒頻鑒相器11和電荷泵12共同作用使得電荷泵12對環路濾波器13進行放電，以降低VCO 14振蕩頻率；這樣一直縮小參考分頻信號和分頻輸出信號的頻率差或相位差，直至兩者頻率和相位完全相同(相位差也可能是固定值，不為O)。因為エ藝、供電電壓、以及溫度的變化，整個鎖相環的環路參數發生了很大的變化，環路的穩定性難以得到保證。因此，在此鎖定過程之前，必須有環路參數校正。在環路參數校正模塊重要的模塊是RC參考電路,如圖3 (a)所示,所述RC參考電路161包括ー個RC核心模塊301、給RC核心模塊提供電流源或者電壓偏置的模塊302，以及給這兩個模塊供電的303 (可能是個LD0，或者DC-DC模塊)。這個RC參考電路161中最核心的模塊RC核心模塊301，是ー個濾波器(低通，或高通，或帶通)中的ー個部分，而這個濾波器可能是整個收發機中的一個模塊，也可能是單獨的一個模塊，可集成于整個收發機的IC中。
環路參數校正流程如圖4所示。首先系統給出一個啟動信號，環路參數校正開始，RC參考電路161和參數調整邏輯電路162工作，系統將從RC核心模塊301中提取R以及C的值，再通過分別變化電阻R的值和電容C的值，使得固定參考時鐘信號頻率是R與C乘積的倒數的整數倍K倍。如果沒有滿足K倍比值關系，那么參數調整邏輯電路162將改變RC核心模塊301中的電阻R電容C的控制字來改變R和C的值，直至滿足預定條件為止。下面將由參數調整邏輯電路162根據RC核心模塊301中的R、C值的控制字，以及RC核心模塊中R、C與環路濾波器13中R1-R2，C1-C3的比例關系，設置環路濾波器13中R1、R2，C1-C3數值的控制字，使得環路濾波器13中的電阻電容與301中的R，C保持一定的比例，即一致的變化。實施例ニ
如圖3 (b)所示，所述RC參考電路161包括ー個RC核心模塊301，給RC核心模塊提供電流源或者電壓偏置的模塊302，以及給這兩個模塊供電的303 (可能是個LD0，或者DC-DC模塊)。這個RC參考電路161中最核心的模塊RC核心模塊301，這個RC核心模塊301是ー 個RC振蕩器中的ー個部分，這RC振蕩器的典型實施實例如圖3 (b)所示，通過設置不同寬長比的NMOS晶體管來使得兩個晶體管的Vgs差在電阻R上產生ー個基準電流，這個電流經過鏡像電路鏡像對C進行充電，輸出信號的頻率就與R和C的值密切相關，而這個振蕩器可能是整個收發機中的一個模塊，也可能是單獨的一個模塊，可集成于整個收發機的IC中。環路參數校正流程如圖4所示。首先系統給出一個啟動信號,環路參數校正開始，RC參考電路161和參數調整邏輯電路162工作，系統將從RC核心模塊301中提取R以及C的值，其實就是振蕩器其頻率為1/RC。由固定參考時鐘信號在振蕩器的一個時鐘周期內計數，如果計數值等于K，那么說明固定參考時鐘信號頻率是R與C乘積的倒數的整數倍K倍，也就滿足了預定條件。如果沒有滿足K倍比值關系，那么參數調整邏輯電路162將改變RC核心模塊301中的電阻R電容C的控制字來改變R和C的值，直至滿足預定條件為止。下面將由參數調整邏輯電路162根據RC核心模塊301中的R、C值的控制字，以及RC核心模塊中R、C與環路濾波器13中R1-R2，C1-C3的比例關系，設置環路濾波器13中R1、R2，C1-C3數值的控制字，使得環路濾波器13中的電阻電容與301中的R，C保持一定的比例，即一致的變化。實施例三
如圖3 (c)所示，所述RC參考電路161包括ー個RC核心模塊301，ー個給RC核心模塊提供電流源或者電壓偏置的模塊302，以及ー個給這兩個模塊供電的303 (可能是個LD0，或者DC-DC模塊)。RC核心模塊301是ー個RC振蕩器中的ー個部分，這RC振蕩器的典型實施實例如圖3 (C)所示,通過設置不同面積的NPN三極管來使得兩個三極管的Vbe的差在電阻R上產生ー個基準電流，這個電流經過鏡像電路鏡像對C進行充電，輸出信號的頻率就與R和C的值密切相關，而這個振蕩器可能是整個收發機中的一個模塊，也可能是單獨的ー個模塊，可集成于整個收發機的IC中。環路參數校正流程同實施例ニ。
權利要求
1.ー種可變階數全集成環路濾波器，其特征是包括環路濾波器(13)和環路參數校正模塊(16 );所述環路參數校正模塊(16 )包括RC參考電路(161)和參數調整邏輯電路(162 );環路濾波器(13)包括第一電阻(Rl)—端接濾波輸入(Vi)，另一端接濾波輸出(Vo)，第一電阻(Rl)上并聯環路選擇開關(SI)，第一電阻(Rl)—端連接第一電容(Cl)的一端，第一電容(Cl)的另一端接地，第一電阻(Rl)另一端分別連接第二電阻(R2) —端和第三電容(C3)一端，第二電阻(R2)另一端連接第二電容(C2)—端，第二電容(C2)另一端和第三電容(C3)另一端接地；所述第一電阻(R1)，第二電阻(R2)，第一電容(Cl)，第二電容(C2)，第三電容(C3)的大小均由參數調整邏輯電路(162)輸出的控制信號控制；參數調整邏輯電路(162)根據RC參考電路(161)的電阻R值和電容C值來調整環路濾波器(13)中的電阻電容值，使得RC參考電路(161)的電阻R值與所述第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)值成固定比例，RC參考電路(161)的電容C值與所述第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)值成固定比例。
2.根據權利要求I所述的ー種可變階數全集成環路濾波器，其特征在于，所述RC參考電路(161)中電阻R值和電容C值由固定參考時鐘信號來校準，調整RC參考電路(161)中R與C的值，使得固定參考時鐘信號頻率是R與C乘積的倒數的整數倍；參數調整邏輯電路(162)賦值用來輸出環路濾波器(13)中電阻、電容值的控制字，不同的控制字代表不同的電阻電容值；根據RC參考電路(161)中電阻R值和電容C值與環路濾波器(13)中電阻電容值的比例關系來調整環路濾波器(13)中的第一電阻(R1)、第二電阻(R2)以及、第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)值。
3.根據權利要求I所述的ー種可變階數全集成環路濾波器，其特征在于，所述環路濾波器(13)中，第二電阻(R2)、第二電容(C2)、第三電容(C3)構成ー個基本2階環路濾波器，第一電阻(Rl)和第一電容(Cl)構成高階RC附加電路；當環路選擇開關(SI)關閉時，第二電阻R2和第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)共同組成了一個傳統的ニ階環路濾波器；當環路選擇開關(SI)打開時，第一電阻R1、第二電阻R2、第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)則組成了ー個3階環路濾波器。
4.根據權利要求I所述的ー種可變階數全集成環路濾波器，其特征在于，通過增加所述參數調整邏輯電路(162)輸出的控制字的位數，來提高環路濾波器(13)的環路參數的可調整范圍及調整區間。
5.根據權利要求I所述的ー種可變階數全集成環路濾波器，其特征在于，所述RC參考電路(161)是包含了整個鎖相環的集成電路單元中某一個部件是接收發送鏈路中的濾波器的一部分，或者是單獨的ー個RC振蕩器電路，或者是專門用于調整環路參數的ー個RC電路。
全文摘要
本發明公開了一種可變階數全集成環路濾波器，用于低功耗高性能基于鎖相環的頻率合成器及無線收發機SoC中。它包括環路濾波器和環路參數校正模塊；所述環路參數校正模塊包括RC參考電路和參數調整邏輯電路。所述環路濾波器包括一個基本2階環路濾波器、環路選擇開關、高階RC附加電路。本發明采用RC參考電路和參數調整邏輯電路來調整環路濾波器的電阻電容值，以便于消除因為制造工藝參數、供電電壓、及溫度的變化引起環路參數的變化，從而增強了鎖相環環路穩定性。
文檔編號H03H17/02GK102751964SQ201210267200
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月30日 優先權日2012年7月30日
發明者于云豐, 潘文光, 肖時茂, 黃偉 申請人:無錫中科微電子工業技術研究院有限責任公司