模拟回路滤波器系统、装置、以及方法
【专利摘要】本文所描述的是可以在锁相回路或者延迟锁定回路中采用的分布式模拟回路滤波器。分布式模拟回路滤波器的电路块至少包括两个并联等效电路元件。所述并联等效电路元件每个具有输入线。一个接一个地、顺序地激活并联等效电路元件中的每一个的输入线。并联等效电路元件具有顺序地产生的输出,也一个接一个地、顺序地激活所述输出。并联等效电路元件延伸了分布式模拟滤波器的调谐范围,同时降低了与分布式模拟滤波器相关的噪声。
【专利说明】模拟回路滤波器系统、装置、以及方法
[0001]相关申请的交叉引用本申请要求2012年4月19日提交的美国专利申请序列号13/450,709并且题为ANALOGLOOP FILTER SYSTEM, APPARATUS AND METHODS的权益,通过引用将其全部内容并入本文。
【技术领域】
[0002]总体上讲,本公开一般地涉及分布式模拟回路滤波器,并且更具体地涉及分布式模拟回路滤波器中的噪声降低。
【背景技术】
[0003]模拟回路滤波器被用来生成与给定输入信号有精确关系的信号。模拟回路滤波器可以用于许多应用中,包括锁相回路和延迟锁定回路。锁相回路生成处于与输入信号有确定相位和频率关系的输出信号,而延迟锁定回路调节输入时钟信号的相位。
[0004]在锁相回路中,通过诸如电压控制振荡器的稳定参照振荡器实现相位和频率的调节。相比之下,延迟锁定回路不使用参照振荡器。取而代之,延迟锁定回路使用延迟线替代参照振荡器来改变时钟信号的相位。例如,在无线电、远程通信、计算机以及其它电子应用中,锁相回路用于诸如信号恢复、频率合成、或者脉冲分配的应用。例如,在集成电路中延迟锁定回路用于改变时钟信号的相位或者用于时钟恢复。
【发明内容】
[0005]下面提出简化的概要以提供对本主题公开的某些方面的基本了解。此概要并非是对所公开主题的全面综述。本文不旨在标识所公开主题的关键或者重要元素,本文也不旨在描绘本主题公开或者权利要求的范围。其唯一的目的是作为稍后呈现的更详细描述的序言,以简化的形式提出所公开主题的某些概念。
[0006]在主题公开的实施例中,描述了一种分布式模拟回路滤波器,其与传统的模拟回路滤波器相比,实现了在更宽的调谐范围内更少的噪声和更好的供应抗扰性。可以在锁相回路(作为电压控制振荡器)或者延迟锁定回路(作为分布式延迟线)内使用分布式模拟回路滤波器。
[0007]根据主题公开的实施例,在电压控制振荡器内使用了分布式模拟回路滤波器。电压控制振荡器包括由多个渐进开关电容器构成的可变电容器。渐进开关电容器的数目(N)大于或者等于2。渐进开关电容器中的每一个具有其自己的单个的控制线。
[0008]在可变电容器中,顺序地激活渐进开关电容器中的每一个,并且顺序地产生输出。此处所描述的由并联等效渐进开关电容器构成的可变电容器延伸了电压控制振荡器的调谐范围,同时还降低了与电压控制振荡器相关的噪声。在电压控制振荡器的情况下,由并联等效渐进开关电容器构成的可变电容器还可以增加品质因数(Q)(例如,在存在LC-VCO的情况下的电压控制振荡器储能电路品质因数)。
[0009]以下描述与附图详细地阐述了所公开主题的某些说明性的方面。然而,这些方面仅指示了少许其中可以使用本创新的原理的各种方式。所公开的主题旨在包括所有这样的方面及其等同物。当结合附图进行考虑时,根据以下对本创新的详细描述,所公开主题的其它优点与不同的特征将变会得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]将参照以下各图描述主题公开的非限制性和非穷举性实施例,其中,除非另外加以说明,遍及不同的视图,相似的参照数字指的是相似的部分。
[0011]图1是根据主题公开的实施例的模拟回路滤波器的示意图。
[0012]图2是根据主题公开的实施例的延迟锁定回路的示意图。
[0013]图3是根据主题公开的实施例的锁相回路的示意图。
[0014]图4是根据主题公开的实施例的可以用作锁相回路电路的一部分的电压控制振荡器的不意图。
[0015]图5是根据主题公开的实施例的可以用于电压控制振荡器中的由并联等效渐进开关电容器构成的可变电容器的示意图。
[0016]图6为将可由图5的并联等效渐进开关电容器构成的可变电容器所实现的总电容与可由变容二极管所实现的总电容进行比较的曲线图。
[0017]图7为图示出根据主题公开的实施例的用于操作模拟回路滤波器的方法的工艺流程图。
[0018]图8为图示出根据主题公开的实施例的用于降低模拟回路滤波器中噪声的方法的工艺流程图。
[0019]图9为图示出根据主题公开的实施例的用于增加电压控制振荡器调谐范围的方法的工艺流程图。
[0020]图10为图示出根据主题公开的实施例的用于降低延迟锁定回路电路中增益的方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0021]在以下的描述中,阐述许多具体细节以提供对主题公开的实施例的透彻了解。然而,相关领域技术人员将会意识到,可以在没有一个或多个具体细节或者用其它方法、部件、材料等来实施本文所描述的实施例。在其它实例中,为了避免混淆某些方面,未详细示出或者描述公知的结构、材料、或者操作。
[0022]根据主题公开的一个方面,此处所描述的为一种可以用于锁相回路、延迟锁定回路、或者其它模拟回路中的分布式模拟回路滤波器。分布式模拟回路滤波器具有被顺序地(一个接一个)激活,以顺序地产生输出的多个并联等效电路元件。与传统的模拟回路滤波器相比,分布式模拟回路滤波器中的并联等效电路元件改善了诸如噪声、调谐范围、供应抗扰性等的特性。
[0023]图1中示出了根据主题公开的实施例的分布式模拟回路滤波器100的示意图。分布式模拟回路滤波器100接收输入信号(Ref ),并且产生被回馈(反馈)的用于校正和调节输出信号的输出信号(输出)。
[0024]分布式模拟回路滤波器100包括比较器102。此处,单词“比较器”用于描述可以基于输入信号和反馈信号之间的比较生成一或多个校正的信号的任何电路元件。将比较器102所产生的信号馈送于电路块104。所述电路块包括并联等效电路元件106a、106b。尽管为了说明与解释的简单仅图示出两个电路元件106a和106b,但将理解到,模拟回路滤波器100可以具有至少为2的任何数目的并联等效电路元件。
[0025]在电路块104内,将来自比较器102的信号一个接一个地顺序地输入到并联等效电路元件106a、106b。并联等效电路元件106a、106b响应所述输入而根据比例常数顺序地产生输出。将并联等效电路元件106a、106b的输出统称为输出信号(输出)。将并联等效电路元件106a、106b的输出作为反馈信号(反馈)而回馈到比较器。比较器102 (或者反馈路径内的另一电路元件)在输入信号(输入)的特性和输出信号(输出)的同样特性之间建立比率。比较器102使用所述比率锁定后续输出信号(输出)的频率。
[0026]可以将分布式模拟滤波器100用于不同的应用中,例如,锁相回路、延迟锁定回路、或者任何其它模拟回路。图2中示出了延迟锁定回路中分布式模拟回路滤波器100的实施方式。在图3中,图示出的是锁相回路中分布式模拟回路滤波器100的实施方式。将理解到,延迟锁定回路和锁相回路仅为分布式模拟回路滤波器100的可能实现的两个示例,而且可以在任何模拟回路中实现分布式模拟回路滤波器100。
[0027]图2中图示出根据主题公开的实施例的延迟锁定回路200。延迟锁定回路200生成与输入参照信号(Ref )有预定延迟的输出信号(输出)。输入参照信号(Ref)为参照时钟输入,而输出信号(输出)为时钟输出。
[0028]延迟锁定回路200包括接收输入参照信号(Ref)的比较器202。输入参照信号(Ref)对应于被延迟锁定回路200校正的信号。比较器202也接收作为输入的反馈信号(反馈)。比较器202将输入参照信号(Ref)与反馈信号(反馈)进行比较,并且就相位而言确定输出信号(输出)是在输入参照信号(Ref )之前还是在输入参照信号(Ref )之后。基于该确定,比较器202生成误差信号,其驱动电荷泵204生成校正信号。
[0029]来自电荷泵204的校正信号和输入参照信号(Ref)两者通过具有并联等效延迟元件206a、206b的并联等效延迟线被发送。尽管为了说明与解释的简单仅图示出了两条延迟线和对应的延迟元件206a、206b,但将理解到,延迟锁定回路200可以具有至少为2的任何数目的并联等效延迟线和对应的延迟元件。
[0030]具有并联等效延迟元件206a、206b的并联等效延迟线顺序地接收输入参照信号(Ref)和来自电荷泵204的校正信号的输入。并联等效延迟元件206a、206b根据来自电荷泵204的校正信号顺序地、一个接一个地校正输入参照信号(Ref)。具有并联等效延迟元件206a、206b的并联等效延迟线顺序地产生输出信号(输出),所述输出信号(输出)为被来自电荷泵204的校正信号所延迟的参照信号(Ref)。将输出信号作为反馈信号(反馈)回馈于比较器202,以便于输入参照信号(Ref )的校正。
[0031]与具有单延迟线和延迟元件的延迟锁定回路相比,具有并联等效延迟元件206a、206b的并联等效延迟线导致延迟锁定回路200的等效增益的降低以及对噪声的改善。并联等效延迟元件206a、206b具有降低至1/N的对应输入的灵敏度,N为并联等效延迟元件206a、206b的数目(在图2中N=2,但是可以为大于或者等于2的任何数字)。
[0032]与延迟锁定回路200相似,当使用了并联等效电路元件时,锁相回路300经历了等效增益降低和关于噪声的改善。图3中图示出根据主题公开的实施例的锁相回路300。与延迟锁定回路200相类似,锁相回路300生成与输入参照信号(Ref)在相位和频率方面具有精确关系的输出信号(输出)。
[0033]锁相回路300包括接收输入参照信号(Ref )的比较器302。比较器302测量输入参照信号(Ref)和对应于输出信号(输出)的反馈信号(反馈)之间的相位差和频率差。比较器302生成允许电荷泵304生成误差信号的两个信号(U和D),其通过低通滤波器306被过滤。所过滤的误差信号被用于驱动电压控制振荡器308。
[0034]电压控制振荡器(例如,LC-电压控制振荡器)使用MOS或者结变容二极管或者可变电容器以向电压控制振荡器提供电容。施加于MOS或者结变容二极管或者可变电容器的电压提供频率。对于高频操作,MOS或者结变容二极管的品质因数(Q)可能相当低,并且明显使电压控制振荡器的总品质因数(Q)劣化。
[0035]为了防止总品质因数(Q)的劣化,电压控制振荡器308使用由并联等效渐进开关电容器构成的可变电容器以提供电容。尽管为了说明与解释的简单仅图示出两个渐进开关电容器301a、301b,但将理解到,锁相回路300的可变电容器可以具有至少为2的任何数目的渐进开关电容器。
[0036]通过一次一个顺序地激活的单独的对应控制线来馈送渐进开关电容器310a、310b。响应于激活,渐进开关电容器310a、310b —个接一个地顺序地产生所产生的输出。输出信号(输出)基于比例常数Kvco (也将Kvco称为调谐因子;当此处使用时,将Kvco可互换地称为比例常数和调谐因子)。由于渐进开关电容器310a、310b顺序地产生所产生的对应于顺序激活的输出,所以将比例常数Kvco通过渐进开关电容器的数目来缩小(在图3中N=2,但是可以为大于或者等于2的任何数字)。通过分频器312回馈输出信号(输出),并且将反馈信号(反馈)输入到比较器302,以建立输出频率和将输出频率锁定于其的输入参照频率之间的比率。
[0037]图4中示出了锁相回路电路300的电压控制振荡器308的示意图400。例如,电压控制振荡器308可以为生成正弦波形的谐波振荡器,例如,LC-振荡器,其中,通过变容二极管提供振荡器的谐振频率的一部分。电压控制振荡器308包括由渐进开关电容器310a、310b构成的可变电容器。尽管为了说明与解释的简单仅图示出两个渐进开关电容器301a、301b,但将理解到,锁相回路300可以具有至少为2的任何数目的渐进开关电容器。
[0038]为了高频操作,取代MOS或者结变容二极管,使用由渐进开关电容器310a、31b构成的可变电容器来抵制低品质因数(Q)。渐进开关电容器310a、310b中的每一个对应于控制线402a、402b,从而将控制线402a、402b的数目乘以渐进开关电容器310a、310b的数目。渐进开关电容器310a、310b中每一个响应于激活而顺序地产生输出404a、404b。
[0039]品质因数(Q)为描述电压控制振荡器308是如何欠阻尼的无量纲的参数。较高的品质因数(Q)指示相对于振荡器的所存储能量的较低的能量损失率,使得振荡更加缓慢地消失。因此,具有高品质因数(Q)的振荡器具有低阻尼,使得其回响(ring)得更长。
[0040]在使用具有单输入与输出的MOS或者结变容二极管的电路中,对于高频而言,品质因数(Q)可能相当低。在具有由渐进开关电容器310a、310b构成的可变电容器的电压控制振荡器308中,总品质因数(Q)较高。即使渐进开关电容器310a、310b之一的品质因数(Q)在特定的偏置点下降,由渐进开关电容器310a、310b构成的整个变容二极管的总特性也始终保持良好,因为仅渐进开关电容器310a、310b之一在较不有利的操作区域中操作。
[0041]除了品质因数(Q)之外,对于电压控制振荡器308来说,调谐范围、调谐增益以及相位噪声也是重要的设计考虑。相位噪声取决于存在于输入中的噪声和调谐增益、以及品质因数(Q)。低调谐增益对应于低相位噪声。高品质因数(Q)也对应于低相位噪声。
[0042]与传统的电压控制振荡器相比,具有由渐进开关电容器310a、310b构成的可变电容器的电压控制振荡器308已经改善了噪声特性。与传统的电压控制振荡器相比,电压控制振荡器308展现了较高的品质因数(Q)和较低的调谐增益。将电压控制振荡器308的等效比例常数Kvco除以并联输出404、404b的数目。顺序产生的输出(N)的数目可以为大于或者等于2的任何整数,使得使用N个输出,可预期约10 log N分贝的噪声改善。
[0043]现在参照图5,图示出的是根据主题公开的实施例的可以用作电压控制振荡器中的变容二极管的渐进开关电容器310a、310b、310c、310d所构成的可变电容器的示意图500。尽管此处图示出4个渐进开关电容器310a、310b、310c、310d,但将理解到,可以使用大于或者等于2的任何数目的渐进开关电容器。尽管图5中图示出PMOS开关,但将理解的是,可以使用任何种类的开关。开关的示例包括,但不局限于PMOS开关、NMOS开关、pin 二极管开关、双极结晶体管开关等。
[0044]可变电容器渐进开关电容器310a、310b、310c、310d增加了电压控制振荡器的品质因数(Q)。渐进开关电容器310a、310b、310c、310d将比例常数Kvco降低至1/N。
[0045]通过降低比例常数Kvco,渐进开关电容器310a、310b、310c、310d有助于调谐范围的增加,同时降低调谐增益。由于在未对消耗有明显贡献的情况下将比例常数Kvco被并联输出的数目的因子来降低,所以渐进开关电容器310a、310b、310c、310d也改善了电压控制振荡器的噪声特性。
[0046]图6是将图5 (500)中所示的渐进开关电容器的可变电容器(实线)和传统的MOS或者结变容二极管(虚线)进行比较的曲线图。图6为将能够通过图5 (500)的渐进开关电容器实现的总电容与能够通过变容二极管实现的总电容进行比较的曲线图600。如图6中所示,就偏置电压(Vbias)的范围而言,图5 (500)的变容二极管和渐进开关电容器展现了类似的总电容(Ctot)。
[0047]就噪声而言,图5 (500)的渐进开关电容器相比于传统的变容二极管具有大的改善。具有针对每一个渐进开关电容器的输出使等效比例常数Kvco降低至1/N,其为渐进开关电容器的数目,其大于或者等于2。
[0048]对于同样的等效调谐范围,传统的变容二极管具有单一路径,生成由值Ctot的电容器加载中的噪声,并且以调谐因子Kvco驱动电压控制振荡器。相比之下,使用具有同样的等效调谐范围和总电容(Ctot)的N个渐进开关电容器(其中N大于或者等于2)的变容二极管,以Kvco/N的调谐因子驱动电压控制振荡器。对于同样的调谐范围,调谐因子降低至1/N以及增益降低至1/N导致约10 log N分贝的噪声降低。
[0049]例如,在7个输出(N=7)的情况下,理论上讲,7个渐进开关电容器展现了 10 log 7或者8.4分贝的噪声改善。实际上,分布的输出互相略微重叠,因此噪声改善略微更低。供应拒绝受益于同样的因素。
[0050]图7、8、9和10示出以流程图图示出的方法。为了解释的简单,将方法描绘和描述为动作系列。然而,所述方法并不被图示出的动作并且被动作次序所限制。例如,动作可以按不同的次序和/或同时地,并且与本文未提出和描述的其它动作一起发生。另外,实施该方法可能不要求全部图示出的动作。另外,应进一步认识到,能够在制造品(例如,模拟回路滤波器)上实施该方法,以便于运输和转移该方法。
[0051]现在参照图7,图示出的是根据主题公开的实施例的用于操作模拟回路滤波器的方法700的工艺流程图。在元素702处,将输入提供到电路块中的并联等效分布电路元件。该电路块可以为诸如锁相回路、延迟锁定回路等的模拟回路滤波器的一部分。
[0052]可以将大于或者等于2的任何数目的输入提供到大于或者等于2的任何数目的并联等效分布电路元件。元素802中所描述的每一个输入对应于电路块中分布式等效电路元件的单一电路元件。在元素804处,一个接一个地、顺序地驱动每个输入。通过顺序地激活各个分布式等效电路元件,可能降低诸如增益和噪声之类的品质,而能够增加调谐范围。
[0053]现在参照图8,图示出的是根据主题公开的实施例的用于降低模拟回路滤波器中噪声的方法800的工艺流程图。在元素802处,将输入提供到模拟回路滤波器的电路块中的并联等效电路元件。输入的数目对应于并联等效电路元件的数目。并联等效电容器的数目大于或者等于2。
[0054]在元素804处,通过对应的输入一个接一个地、顺序地驱动输入。并联电路元件响应于顺序输入而生成输出。在元素806处,顺序地从并联等效电路元件接收顺序产生的输出。该顺序产生的输出对应于并联等效电路元件的顺序激活。
[0055]现在参照图9,图示出的是根据主题公开的实施例的用于增加电压控制振荡器的调谐范围的方法900的工艺流程图。在元素902处,将输入提供到由电压控制振荡器的并联开关电容器构成的可变电容器。例如,并联等效电容器可以为分布式等效电容器。输入的数目以一对一为基础而对应于并联等效电容器的数目。并联等效电容器的数目可以为大于或者等于2的任何数字。
[0056]在元素904处,顺序地驱动输入,使得并联等效电容器中的每个被一个接一个地驱动。由于一个接一个地驱动并联等效电容器,所以在元素906处,并联等效电容器产生顺序的输出。顺序地产生的输出指的是一个接一个地顺序的输出。
[0057]因为并联等效电容器具有对应数目的输出(N),所以电压控制振荡器具有减小至1/N的调谐因子Kvco。输出的数目(N)也增加了电压控制振荡器的调谐范围,并且将电压控制振荡器的总噪声以10 log (N)分贝的因子来降低。该多个输出也增加了电压控制振荡器的品质因数(Q)。
[0058]现在参照图10,图示出的是根据主题公开的实施例的用于降低延迟锁定回路电路中增益的方法1100的工艺流程图。在元素1002处,将多个输入提供到多个并联等效电压延迟元件。输入的数目可以以一对一为基础而对应于电压延迟元件的数目,并且为大于或者等于2的任何数字。在元素1004处,顺序地驱动输入,使得顺序地驱动电压延迟元件,以便电压延迟元件顺序地生成输出。在元素1006处,从并联等效电压延迟元件接收顺序地产生的输出。顺序地产生的输出对应于被顺序地驱动的电压延迟元件。使用并联等效电压延迟元件可以改善延迟锁定回路电路的特性,例如,降低增益并且降低总噪声。
[0059]包括摘要中所描述内容的说明性实施例的上面描述并不旨在是详尽的,或者将所公开的实施例限制到所公开的精确形式。尽管本文为了说明性的目的而描述具体的实施例和示例,但是如相关领域中的技术人员可认识到的,在此类实施例和示例的范围内考虑的各种修改是可能的。
[0060]如本文所使用的,单词“示例”在本文被用来表示用作示例、实例或者例证。为了避免疑问,本文所描述的主题不被此类示例限制。另外,不必将此处作为“示例”所描述的任何方面或者设计解释为相比于其它方面或者设计是优选的或者有利的,本文也不意在排除本领域普通技术人员所知晓的等效结构和技术。另外,就详细描述或者权利要求中所使用的术语“包括”、“具有”、“包含”以及其它类似的单词而言,此类术语旨在是包括一切的一以与作为开放转接词语的术语“包括”类似的方式一而不排除任何附加的或者其它的元素。
[0061]在这点上,尽管已经结合不同的实施例和对应的附图描述了所描述的主题,但是在可适用的情况下,应该理解到,可以使用其它类似的实施例,或者在不与此背离的情况下可以对所描述的实施例进行修改和添加以执行所公开主题的相同、相似、替代、或者替换的功能。因此,不应该将所公开主题局限于此处所描述的任何单一的实施例,而是应以依照所附权利要求的宽度和范围来进行解释。
【权利要求】
1.一种电压控制振荡器,包括: 可变电容器,其包含N个渐进开关电容器;以及 N条控制线,其分别对应于N个渐进开关电容器; 其中, N表示具有2或者更多的值的整数。
2.权利要求1所述的电压控制振荡器,其中,可变电容器包括分别对应于N个渐进开关电容器的N个并联等效变容二极管元件。
3.权利要求1所述的电压控制振荡器,其中,N个渐进开关电容器分别产生N个顺序产生的输出。
4.权利要求1所述的电压控制振荡器,其中,顺序地激活N条控制线。
5.权利要求1所述的电压控制振荡器,其中,在N增加时,电压控制振荡器的等效调谐因子Kvco被渐进改变比例至1/N。
6.一种模拟回路滤波器,包括: 电路块,其包括N个并联等效电路元件,其中,N表示具有至少为2的值的整数; N条输入线,分别耦合于N个并联等效电路元件,其中,顺序地激活N个并联等效电路元件;以及 N个顺序产生的输出,分别对应于N个并联等效电路元件。
7.权利要求6所述的模拟回路滤波器,其中,所述电路块包括电压控制振荡器,所述电压控制振荡器包括包含N个并联等效电容器的可变电容器。
8.权利要求7所述的模拟回路滤波器,其中,在N增加时,电压控制振荡器的增益渐进降低至1/N。
9.权利要求7所述的模拟回路滤波器,其中,在N增加时,电压控制振荡器的等效调谐因子Kvco渐进降低至1/N。
10.权利要求6所述的模拟回路滤波器,其中,N个电路元件包括N个电压控制延迟元件。
11.权利要求10所述的模拟回路滤波器,其中,在N增加时,N个电压控制延迟元件的灵敏度被降低至I/N。
12.权利要求6所述的模拟回路滤波器,其中,在N增加时,将噪声功率降低约10log(N)分贝。
13.权利要求6所述的模拟回路滤波器,其中,当为7时,将噪声功率降低约8.4分贝。
14.一种方法,包括: 分别地驱动对模拟回路滤波器的电路块中的N个并联等效电路元件的N个输入, 其中,该驱动包括顺序地驱动所述N个输入,以降低模拟回路滤波器中的噪声, 其中,N至少为2。
15.权利要求14所述的方法,还包括:从所述N个并联等效电路元件接收N个顺序产生的输出。
16.权利要求14所述的方法,其中,该提供还包括向电压控制振荡器中包括N个并联等效开关电容器的可变电容器提供N个输入。
17.权利要求16所述的方法,还包括将电压控制振荡器的调谐因子Kvco以1/N的因子改变比例。
18.权利要求17所述的方法,还包括以N的因子来将电压控制振荡器的调谐范围改变比例。
19.权利要求14所述的方法,其中,该提供还包括将N个输入提供到电路块中的N个并联等效电压延迟元件。
20.权利要求14所述的方法,其中N至少为3。
【文档编号】H03B1/00GK104380597SQ201380020514
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年4月17日 优先权日:2012年4月19日
【发明者】E.范德尔 申请人:商升特公司