本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化电路、方法及频率综合器。
背景技术：
基于电荷泵锁相环（cp-pll）的频率综合器（频综）是经典的频综架构，其中的关键组成部分相位-电流转化电路包括鉴频鉴相器（pfd）和电荷泵（cp）。鉴频鉴相器输出相位指示信号的延时误差，以及电荷泵抽取、推出电流能力的非对称性是引起频率综合器杂散的主要原因之一。
为提升相位-电流的匹配性能与线性性能，传统的频综架构中通常在电荷泵输出电流支路中加入共源共栅（cascode）和稳定漏压的运放，并将电荷泵供电电压抬升，这就导致电荷泵供电电压与前级的鉴频鉴相器供电电压不一。如图1所示，鉴频鉴相器处于低电压域，电荷泵处于高电压域，传统的实现方案是在鉴频鉴相器和电荷泵中加入两个电平转换器，这样就将鉴频鉴相器输出的两路信号（up、dn）从低电压域转换到高电压域，从而驱动电荷泵中的开关进行抽取、推出电流的动作。该频综架构下，鉴频鉴相器和电荷泵处于不同的电压域（例如pfd为1.2v，cp为2.5v），通过电平转换器进行连接，包括三个不足：一是电平转换器自身存在的不匹配会直接导致电荷泵的不匹配，进而影响频率综合器性能；二是电荷泵开关处在高电压域内，开关速度较慢，且寄生电荷较多；三是电平转换器输出电压波动大于开关切换所需栅源电压，会导致电荷泵中的开关非线性增加。
因此，针对以上不足，需要提供一种避免使用电平转换器的相位-电流转化电路。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种将鉴频鉴相器和电荷泵的开关部分置于同一个电压域中，从而避免使用电平转换器的低杂散相位-电流转化电路。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化电路，包括：鉴频鉴相器、浮动电压域稳压器和电荷泵；
所述鉴频鉴相器的两个输入端通过隔直电容进行耦合；
所述浮动电压域稳压器与所述鉴频鉴相器连接，用于向所述鉴频鉴相器供电，将输入为工艺核压的数字信号的相位及频率信息转换为浮动电压域的输出信号；
所述电荷泵中的开关模块直接与所述鉴频鉴相器的两个输出端连接，用于响应所述输出信号实现抽取和推出电流。
优选地，所述电荷泵中的所述开关模块采用与浮动电压域范围相匹配的核压器件，核压器件基于深n阱工艺，背栅极与衬底隔离。
优选地，所述电荷泵中通过频综环路设置所述开关模块的输出电压稳定在浮动电压域范围内。
优选地，所述鉴频鉴相器的两个输入端分别输入参考时钟fref和分频后的锁相环时钟fdiv，通过异或操作后，得到输出信号包括指示相位延迟的up信号、相位提前的dn信号以及其对应的互补信号。
优选地，所述浮动电压域稳压器通过串联电阻分压产生所需的固定电压域偏置，通过两个运放构建并联-并联反馈环路，将所需的固定电压域缓冲后，再通过并联电阻放大输出电流能力，实现提供浮动电压域。
本发明还提供了一种频率综合器，包括如上述任一项所述的基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化电路。
本发明还提供了一种基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化方法，采用如上述任一项所述的基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化电路实现，包括如下步骤：
（1）通过浮动电压域稳压器将输入鉴频鉴相器的工艺核压的数字信号的相位及频率信息转换为浮动电压域的输出信号，其中，所述鉴频鉴相器的两个输入端通过隔直电容进行耦合；
（2）将浮动电压域的输出信号直接接入电荷泵的开关，控制电荷泵中的开关进行抽取和推出电流，其中，电荷泵的开关工作于浮动电压域范围内。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化电路、方法及频率综合器，本发明将鉴频鉴相器和电荷泵的开关模块置于同一个电压域中并直接连接，从而避免了传统频综因为电压差需要使用电平转换器连接鉴频鉴相器和电荷泵缺点，更利于降低从鉴频鉴相器到电荷泵的信号路径误差，降低电荷泵抽取、推出电流误差，进而降低频率综合器的带内杂散，提高频率综合器的性能。
附图说明
图1是现有技术中基于电荷泵锁相环（cp-pll）的频率综合器中相位-电流转化电路结构示意图；
图2是本发明实施例中提供的一种基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化电路结构示意图；
图3是本发明实施例中提供的一种鉴频鉴相器电路图；
图4是本发明实施例中提供的一种浮动电压域稳压器电路图；
图5是本发明实施例中提供的一种电荷泵电路图。
图中：100：鉴频鉴相器；200：电荷泵；300：电平转换器；400：浮动电压域稳压器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图2所示，本发明实施例提供的一种基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化电路包括鉴频鉴相器100、浮动电压域稳压器400和电荷泵200，其中，鉴频鉴相器100的两个输入端（即fref和fdiv）通过隔直电容进行耦合。浮动电压域稳压器400与鉴频鉴相器100连接，用于向鉴频鉴相器100供电，将输入为工艺核压（例如，0和1.2v）的数字信号的相位及频率信息转换为浮动电压域（例如，vl=0.65v和vh=1.85v）的输出信号，其中工艺核压即鉴频鉴相器100原设计正常工作电压域，浮动电压域即鉴频鉴相器100与电荷泵200的开关模块共同工作的实际电压域，该电压域高低电压差不能太大，以免超过核压器件耐压导致器件寿命降低，也不能太小，影响电荷泵输出电流的线性度。通过浮动电压域稳压器400可使浮动电压域高低电压保持稳定。电荷泵200中的开关模块直接与鉴频鉴相器100的两个输出端连接，用于响应输出信号，实现抽取和推出电流，即，通过浮动电压域的输出信号控制电荷泵200中的开关进行抽取和推出电流。如图2所示，电荷泵200除开关部分外可连接高电压域，确保相位-电流的匹配性能与线性性能。
本发明提供了一种非常规的相位-电流转化电路，区别于如图1所示现有技术中采用电平转换器300连接低电压域下工作的鉴频鉴相器100和高电压域下工作的电荷泵200的技术方案，采用本发明实现频率综合器时，无需使用电平转换器300即可实现鉴频鉴相器100和电荷泵200的连接，减少电平转换器引入造成的不匹配；电荷泵200开关处在较低的电压域内，开关速度快，且寄生电荷少，更利于降低从鉴频鉴相器100到电荷泵200的信号路径误差，降低电荷泵200抽取、推出电流误差，进而降低频率综合器的带内杂散，提高频率综合器的性能。
考虑到本发明中的电荷泵200其开关与鉴频鉴相器100同处于较低的电压域内，鉴频鉴相器100采用核压器件，与浮动电压域范围相匹配，优选地，电荷泵200中的开关模块采用与浮动电压域范围相匹配的核压器件，核压器件基于深n阱工艺，背栅极可与衬底隔离，以便使nmosbs连接到0.65v。进一步地，电荷泵200中通过频综环路设置开关模块的输出电压（voutp和voutn）稳定在浮动电压域范围内，避免开关漏压超过核压，频综环路指的是包括环路滤波器、压控振荡器、分频器等模块构成的锁相环路，通过对频综环路参数设计可使voutp和voutn在工作时电压变化较小。频综环路可采用现有技术，在此不再赘述。电荷泵200中除开关模块的其他部分元器件可采用高压器件，以便在电荷泵200输出电流支路中加入共源共栅（cascode）结构，将电荷泵200供电电压抬升，减小漏极电压调制效应。
优选地，鉴频鉴相器100的两个输入端分别输入参考时钟fref和分频后的锁相环时钟fdiv，通过异或操作后，得到输出信号包括指示相位延迟的up信号、相位提前的dn信号以及其对应的互补信号。请参阅图3，一个优选的实施方式中，图3提供了一种典型的pfd电路，显然，在其他实施方式中，也可根据实际需求选择其他pfd。当工作于浮动电压域时，pfd输出的“0”和“1”对应的电压分别为浮动电压域的vl和vh。
优选地，浮动电压域稳压器400采用高压器件，采用高压器件能够使得浮动电压域稳压器400能够为电荷泵输出电压提供足够的摆幅空间。
优选地，浮动电压域稳压器400通过串联电阻分压产生所需的固定电压域偏置，通过两个运放构建并联-并联反馈环路，将所需的固定电压域缓冲后，再通过并联电阻放大输出电流能力，实现向鉴频鉴相器100提供浮动电压域vh和vl。请参阅图4，一个优选的实施方式中，图4提供了一种浮动电压域稳压器电路以实现上述浮动电压域稳压器。如图4所示，浮动电压域稳压器包括第一至第五电阻r1~r5、第一运放a1、第二运放a2、第一nm管nm1、第二nm管nm2、第一pm管pm1、第二pm管pm2和电容c1，第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3串联，接入vdd（2.5v）与vss之间，浮动电压域稳压器通过r1、r2、r3分压产生固定的1.2v电压域偏置，通过第一运放a1和第二运放a2两个运放构建并联-并联反馈环路，将电压域缓冲后再通过并联接入的第四电阻r4和第五电阻r5的10倍比例放大输出电流能力，实现提供浮动电压域输出vh（1.85v）和vl（0.65v）。本实施方式下采用浮动电压域输出vh=1.85v和vl=0.65v具有电荷泵200开关模块寄生小、速度快的优势。显然，在其他实施方式中，也可根据实际需求选择其他形式的浮动电压域稳压器，或适当调整浮动电压域输出。
请参阅图5，一个优选的实施方式中，图5提供了一种电荷泵电路结构示意图，其中bias表示偏置电路，cmfb表示共模反馈电路，up/upb、dn/dnb表示鉴频鉴相器输出的两路信号，控制电荷泵的开关，对环路滤波器进行充放电，其中up/upb控制充电，dn/dnb控制放电（up/upb、dn/dnb为差分信号，up为高时upb为低，dn/dnb同理），voutp和voutn表示电荷泵开关模块的输出电压，vcmfb表示反馈的共模电平，vcm表示输入参考电平，第一至第八晶体管m1~m8为开关管、第九至第十六晶体管m9~m16为dummy开关管，采用1.2v的核压器件，较小的寄生降低了泄漏电荷对输出电压的影响，较快的速度减小了如图3所示pfd电路中延时电路的要求，从而降低了电荷泵200噪声对整个频综噪声的影响。其余管采用高压器件，充分的电压裕度使得电流镜如第二十五至第二十八晶体管m25~m28可进一步采用cascode结构，减小漏极电压调制效应；第一运算放大器a1和第二运算放大器a2也可类似地堆叠器件，提升环路增益，降低差分信号的误差。
本发明还提供了一种频率综合器，包括如上述任一项所述的基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化电路。采用本发明提供的方案，与现有基于电平转换器实现的频率综合器相比，具有以下优点：
1、避免了电平转换器带来的不匹配；
2、电荷泵中的开关可使用核压器件，寄生小、速度快；
3、电荷泵中的开关避免工作在深度累积区/反型区，减少开关寄生电荷，提升匹配性。
本发明还提供了一种基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化方法，采用如上述任一项所述的基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化电路实现，包括如下步骤：
（1）通过浮动电压域稳压器400将输入鉴频鉴相器100的工艺核压的数字信号的相位及频率信息转换为浮动电压域的输出信号，其中，鉴频鉴相器100的两个输入端通过隔直电容进行耦合；
（2）将浮动电压域的输出信号直接接入电荷泵200的开关，控制电荷泵200中的开关进行抽取和推出电流，其中，电荷泵200的开关工作于浮动电压域范围内。
本发明提供了一种非常规的基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化方法，使得用于实现频率综合器的鉴频鉴相器和电荷泵开关工作在同一个浮动电压域，避免了使用电平转换器转换鉴频鉴相器向电荷泵的输出信号，提升了信号传递路径的匹配性，提升了电荷泵的开关速率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化电路，其特征在于，包括：鉴频鉴相器、浮动电压域稳压器和电荷泵；
所述鉴频鉴相器的两个输入端通过隔直电容进行耦合；
所述浮动电压域稳压器与所述鉴频鉴相器连接，用于向所述鉴频鉴相器供电，将输入为工艺核压的数字信号的相位及频率信息转换为浮动电压域的输出信号；
所述电荷泵中的开关模块直接与所述鉴频鉴相器的两个输出端连接，用于响应所述输出信号实现抽取和推出电流。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述电荷泵中的所述开关模块采用与浮动电压域范围相匹配的核压器件，核压器件基于深n阱工艺，背栅极与衬底隔离。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：所述电荷泵中通过频综环路设置所述开关模块的输出电压稳定在浮动电压域范围内。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述鉴频鉴相器的两个输入端分别输入参考时钟fref和分频后的锁相环时钟fdiv，通过异或操作后，得到输出信号包括指示相位延迟的up信号、相位提前的dn信号以及其对应的互补信号。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述浮动电压域稳压器通过串联电阻分压产生所需的固定电压域偏置，通过两个运放构建并联-并联反馈环路，将所需的固定电压域缓冲后，再通过并联电阻放大输出电流能力，实现提供浮动电压域。
6.一种频率综合器，其特征在于：包括如权利要求1-5任一项所述的基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化电路。
7.一种基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的基于浮动电压域的低杂散相位-电流转化电路实现，包括如下步骤：
（1）通过浮动电压域稳压器将输入鉴频鉴相器的工艺核压的数字信号的相位及频率信息转换为浮动电压域的输出信号，其中，所述鉴频鉴相器的两个输入端通过隔直电容进行耦合；
（2）将浮动电压域的输出信号直接接入电荷泵的开关，控制电荷泵中的开关进行抽取和推出电流，其中，电荷泵的开关工作于浮动电压域范围内。
技术总结