具有初始化电路的锁相环环路滤波器 【技术领域】
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种具有初始化电路的锁相环环路滤波器，可应用于频率合成、数据恢复、载波恢复、时钟产生等。
背景技术
近十来年，随着数字信号处理技术和芯片制造工艺的不断发展，以计算机网络和移动电话为代表的现代通信技术发展很快。尤其在中国，市场的发展速度尤其明显，无论是Internet上网人数，或是移动电话的数量，每年的增长都非常迅速的。在这样的应用背景下，具备优良性能价格比的CMOS通信芯片技术已成为国际工业界和学术界研究的热点。
虽然目前数字信号处理技术已能处理很多原来由模拟电路完成的工作，但人类能够辨别与处理的自然界中的信号依然是模拟信号。对于无线射频通信来说，模拟接收与发射电路是数字电路无法替代的。通常，射频收发器主要由接收器、发送器与频率综合器三大组件构成，因为无线射频信号的频率很高，无法直接由数字处理部分进行处理，必须通过混频作用将射频信号的频率降低到低频，再经过模数转换器送到数字基带部分进行处理，或将低频地数字基带信号通过数模转换器变成低频模拟信号，再经过混频后变成射频信号发送出去，其中用于混频的本地振荡信号由频率综合器产生；由于频率资源有限，而移动设备的数量在不断地增加，要使有限的频率资源得到尽可能大的利用率，在无线通信中通常都会重复利用频率资源，移动终端在不同时间和不同地点所占用的频率资源是经常变化的，因此本地振荡信号也随着射频信号的变化而变化，这也是由频率综合器来实现。而采用锁相环结构的频率综合器是使用最广泛的。
对于有线通信，比如计算机互联网通信，由于受传输介质所限，为了利用有限的带宽发送尽可能多的信息，一般在发送信号时不会发送不包括任何信息的时钟信号，而是在接收端通过所接收的数据进行时钟信号的恢复；同时由于信号在传输过程中受到衰减和干扰，虽然信号在发送时是数字信号，但接收到的信号已不是数字信号，需要进行数据恢复；而这些时钟、数据的恢复都可以使用锁相环电路来实现。
另外，锁相环还可以用于产生高频时钟信号、信号的调制、解调等。
电荷泵锁相环是目前使用最广泛的一种锁相环结构，其示意图如图1所示，主要包括以下几个模块：鉴频鉴相器PEO、电荷泵、环路滤波器F(S)、压控振荡器以及频率除法器。对于电荷泵锁相环而言，最常用的环路滤波器形式是如图2所示的无源滤波器(本例是二阶结构)，但并不限于此。环路滤波器的特性直接决定了锁相环系统的特性。
【发明内容】
本发明的目的在于提出一种具有初始化电路的锁相环环路滤波器，以提高锁相环系统在上电启动时的速度。
本发明提出的具有初始化电路的锁相环环路滤波器，它利用施密特(Schmitt)触发器的两个不同翻转阈值电压，控制滤波器初始化电路的工作，它由施密物触发器1、与门2、反相器3、反相器4、电荷泵5、开关S以及环路滤波器6经电路连接组成，见图3所示。其中，环路滤波器6的输出连接施密特触发器1的输入端，施密特触发器1的输出连接反相器3的输入端，该反相器3的输出连接与门2的一个输入端，而该与门2的另一个输入端连接上电启动控制信号RESET，该与门2的输出经过一级反相器4后控制初始化电流支路的开关S，该开关S可由PMOS管构成，电荷泵5连接于开关S和环路滤波器6的输入端之间。从而达到对环路滤波器的初始化工作。初始化电流支路的电流可以采用电流镜的形式从其它参考电流源镜像取得。
图3中给出的环路滤波器为二阶，本发明不限于二阶，也不限于无源滤波器。本发明的核心是利用施密特(Schmitt)触发器1具有两个不同翻转阈值电压Vth1和Vth2的特性(如图4所示)，结合系统上电启动时的一个初始化信号RESET，来控制初始化电路的工作；通过调整施密特触发器的阈值电压，可以得到不同的滤波器初始化电压值。
本电路结构的新颖之处在于使用了具有两个不同翻转阈值电压的施密特触发器来控制初始化电路。对于仅由一个系统上电启动时的初始化信号来控制的初始化电路，滤波器初始化电压值由初始化信号RESET有效时间决定；本发明可以在一定范围内完全不考虑初始化信号RESET有效时间的精确性。
本发明针对电荷泵锁相环的特点，提出了一种新颖的环路滤波器初始化电路结构，可以应用于以电荷泵锁相环为基础的各种系统中，如频率综合器、时钟和数据恢复电路等，籍此提高系统上电时的启动速度。
本发明还可以变形为如图5、图6和图7所示的结构(图中以二阶无源滤波器为例，但不限于二阶，也不限于无源滤波器，也不限于MOS器件)。
如图5所示，具有初始化电路的锁相环环路滤波器电路，可以变形为：环路滤波器6的输出连接施密特触发器1的输入端，施密特触发器的输出连接反相器3的输入端，该反相器3的输出连接与门2的一个输入端，而该与门2的另一个输入端连接上电启动控制信号RESET，该与门2的输出控制初始化电流支路的开关S，该开关S可由NMOS管构成，电荷泵连接于开关S与环路滤波器6的输入端之间，从而达到对环路滤波器的初始化工作。初始化电流支路的电流可以采用电流镜的形式从其它参考电流源镜像取得。
如图6所示，具有初始化电路的锁相环环路滤波器电路又可以变形为：环路滤波器6的输出连接施密特触发器1的输入端，施密特触发器1的输出连接反相器3的输入端，该反相器3的输出连接与门2的一个输入端，而该与门2的另一个输入端连接上电启动控制信号RESET，该与门的输出直接控制初始化电流支路的一个开关S，该开关S可由NMOS管构成，同时该与门2的输出经过一级反相器4后控制初始化电流支路的另一开关S，该开关可由PMOS管构成，2个电荷泵5分别连接于开关S和环路滤波器输入端之间，从而达到对环路滤波器的初始化工作。初始化电流支路的电流可以采用电流镜的形式从其它参考电流源镜像取得。
【附图说明】
图1电荷泵锁相环系统框图。
图2二阶无源环路滤波器示意图。
图3具有初始化电路的二阶无源环路滤波器。
图4施密特触发器的特性曲线。
图5具有初始化电路的二阶无源环路滤波器变形1。
图6具有初始化电路的二阶无源环路滤波器变形2。
图7具有初始化电路的二阶无源环路滤波器变形3。
图8具有初始化电路的环路滤波器的工作波形。
图中标号：1为施密特触发器，2为与门，3为反相器，4为反相器，5为电荷泵。
【具体实施方式】
下面以图3为例来进一步阐述本发明。通常将压控振荡器的振荡频率范围的中心频率所对应的控制电压设置在电源电压一半处比较合理，而在系统上电工作前，系统中各节点电压都应为0，因此使用滤波器初始化电路可以加快系统的上电启动速度，尤其对于电源电压比较高的系统。
对于本例中所使用的施密特触发器，它的两个阈值电压分别为Vth1＝0.5V，和Vth2＝0.95V，当系统刚启动时，产生一个脉冲信号RESET，而施密特触发器1的输出(此时为0)节点处A的信号经过反相器3的反相后(信号B)再与RESET信号通过一个与门2电路进行与操作，这时与门的输出C处的信号为高电平，它经过反相器4的反相后控制开关S导通，滤波器开始充电；当滤波器上的电压达到0.95V时，施密特触发器1翻转，节点A为高电平而B为低电平，即使此时RESET信号仍有效，它也被与门2屏蔽，信号C变为低电平，经过反相器4的反相后控制开关S截止，初始化电路停止工作；而当滤波器上的电压低于0.5V时，施密特触发器1的输出A才会再次翻转，而通常此时RESET信号已无效(系统正常工作后要从0.95V放电到0.5V需要相当一段时间)，因为RESET信号只在上电启动时产生，因此初始化电路只有到下一次上电启动时才会再从新开始工作。图8为具有初始化电路的环路滤波器的工作波形图(结合常用的三态鉴频鉴相器)。