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扩频时钟信号发生器

申请号 CN201620900064.1 申请日 2016-08-18 公开(公告)号 CN205992895U 公开(公告)日 2017-03-01
申请人 半导体元件工业有限责任公司; 发明人 壇徹;
摘要 本实用新型涉及扩频时钟 信号 发生器。所述扩频 时钟信号 发生器包括:时钟发生器,所述时钟发生器用于使用调制信号来调制参考时钟信号的 频率 以提供扩频时钟信号,所述时钟发生器具有特征传递函数;以及 调制器 ,所述调制器用于根据期望分布曲线来生成所述调制信号,所述期望分布曲线是通过所述时钟发生器的所述特征传递函数的逆函数调节的。本实用新型解决的一个技术问题是防止由于高 水 平的 电磁干扰 导致的误操作。本实用新型的一个技术效果是减小影响 电路 的电磁干扰。
权利要求

1.一种扩频时钟信号发生器,其特征在于包括:
时钟发生器,所述时钟发生器用于使用调制信号来调制参考时钟信号频率以提供扩频时钟信号,所述时钟发生器具有特征传递函数;以及
调制器,所述调制器用于根据期望分布曲线来生成所述调制信号,所述期望分布曲线是通过所述时钟发生器的所述特征传递函数的逆函数调节的。
2.根据权利要求1所述的扩频时钟信号发生器,其特征在于所述调制器包括:
分布曲线存储器,所述分布曲线存储器具有用于提供所述期望分布曲线的输出端;以及
逆传递函数滤波器,所述逆传递函数滤波器具有耦接到所述分布曲线存储器的所述输出端的输入端以及用于提供所述调制信号的输出端。
3.根据权利要求1所述的扩频时钟信号发生器,其特征在于所述调制器包括:
分布曲线存储器,所述分布曲线存储器具有用于提供所述期望分布曲线的输出端,所述期望分布曲线被所述时钟发生器的所述特征传递函数的所述逆函数预先变形
4.一种扩频时钟信号发生器,其特征在于包括:
参考振荡器,所述参考振荡器具有用于提供参考时钟信号的输出端,其中所述参考时钟信号被表征为具有基本恒定频率的方波;
时钟发生器,所述时钟发生器具有耦接到所述参考振荡器的所述输出端并用于接收所述参考时钟信号的第一输入端、用于接收调制信号的第二输入端和用于提供扩频时钟信号的输出端,所述时钟发生器具有特征传递函数;以及
调制器,所述调制器具有耦接到所述时钟发生器的所述第二输入端的输出端,用于根据期望分布曲线来提供所述调制信号,所述期望分布曲线是通过所述时钟发生器的所述特征传递函数的逆函数调节的。
5.根据权利要求4所述的扩频时钟信号发生器,其特征在于所述调制器包括:
分布曲线存储器,所述分布曲线存储器具有用于提供所述期望分布曲线的输出端;以及
逆传递函数滤波器,所述逆传递函数滤波器具有耦接到所述分布曲线存储器的所述输出端的输入端以及用于提供所述调制信号的输出端。
6.根据权利要求4所述的扩频时钟信号发生器,其特征在于所述调制器包括:
分布曲线存储器,所述分布曲线存储器具有用于提供代表所述调制信号的振幅的信号序列的输出端,所述调制信号被所述时钟发生器的所述特征传递函数的所述逆函数预先变形。
7.根据权利要求4所述的扩频时钟信号发生器,其特征在于所述时钟发生器形成相环,所述时钟发生器包括:
分频器,所述环分频器具有用于接收分频值的输入端;以及Δ-Σ调制器,所述Δ-Σ调制器具有用于接收所述调制信号的输入端以及用于提供所述分频值的输出端。
8.根据权利要求7所述的扩频时钟信号发生器,其特征在于所述时钟发生器还包括:
参考分频器,所述参考分频器具有用于接收所述参考时钟信号的输入端以及输出端;
相位/频率检测器和电荷,所述相位/频率检测器和电荷泵具有与所述参考分频器的所述输出端耦接的第一输入端、用于接收反馈信号的第二输入端以及输出端;
低通滤波器,所述低通滤波器具有与所述相位/频率检测器和电荷泵的所述输出端耦接的输入端以及输出端;
电压控振荡器,所述电压控振荡器具有与所述低通滤波器的所述输出端耦接的输入端以及输出端;以及
输出分频器,所述输出分频器具有用于接收所述参考时钟信号的输入端和用于提供所述扩频时钟信号的输出端,
所述环分频器具有与所述电压控振荡器的所述输出端耦接的第一输入端、与所述Δ-Σ调制器的所述输出端耦接的第二输入端以及与所述相位/频率检测器和电荷泵的所述第二输入端耦接的输出端。
9.根据权利要求4所述的扩频时钟信号发生器,其特征在于所述调制器包括:
分布曲线存储器,所述分布曲线存储器具有用于提供代表所述调制信号的振幅的信号序列的输出端;以及
逆传递函数滤波器,所述逆传递函数滤波器具有耦接到所述分布曲线存储器的所述输出端的输入端以及输出端。
10.根据权利要求9所述的扩频时钟信号发生器,其特征在于所述分布曲线存储器在第二频率处提供所述信号的序列,所述第二频率是所述参考时钟信号的第一频率的一部分。

说明书全文

扩频时钟信号发生器

技术领域

[0001] 本公开整体涉及时钟发生器电路,更具体地涉及扩频时钟发生器电路。

背景技术

[0002] 在电磁干扰(EMI)平较高时,有些电子部件容易受到误操作的影响。EMI是指电磁感应或电磁辐射所发射的、影响电路的任何不良信号。存在许多可能的EMI源,如在微处理器和微控制器中的数字时钟信号开关模式电源中使用的周期性信号、无线电电路中用于调谐射频(RF)信号的本机振荡器信号、来自感应电机的周期性噪声等。
[0003] 在世界各地不同司法管辖区中的几个不同标准组织,针对已认证的产品规定了生成EMI的可接受水平。为了将EMI降低到低于这些标准化水平,电路设计者有时会使用扩频时钟信号。扩频时钟信号没有恒定频率,它的频率在一定范围内变化,能够将任何给定频率的辐射能量降低到低于标准化水平。为了有效地实施扩频,人们期望的是使时钟信号的能量在期望的范围内尽可能均匀地扩展。一种已知的在期望的范围内扩展频谱的技术是,使用频率较低的三波信号来改变时钟信号的频率。尽管理论上,采用三角波信号来扩展时钟频率能够得到完全均匀的频谱,但是当使用实际电路如相环(PLL)时,就会变得不够完美,从而限制了扩频时钟发生器的有效性。实用新型内容
[0004] 本实用新型的一个实施例解决的技术问题是防止由于高水平的电磁干扰导致的误操作。
[0005] 根据本实用新型的一个方面,提供一种扩频时钟信号发生器,包括:时钟发生器,所述时钟发生器用于使用调制信号来调制参考时钟信号的频率以提供扩频时钟信号,所述时钟发生器具有特征传递函数;以及调制器,所述调制器用于根据期望分布曲线来生成所述调制信号,所述期望分布曲线是通过所述时钟发生器的所述特征传递函数的逆函数调节的。
[0006] 在一个实施例中,所述调制器包括:分布曲线存储器,所述分布曲线存储器具有用于提供所述期望分布曲线的输出端;以及逆传递函数滤波器,所述逆传递函数滤波器具有耦接到所述分布曲线存储器的所述输出端的输入端以及用于提供所述调制信号的输出端。
[0007] 在一个实施例中,所述调制器包括分布曲线存储器,所述分布曲线存储器具有用于提供所述期望分布曲线的输出端,所述期望分布曲线被所述时钟发生器的所述特征传递函数的所述逆函数预先变形
[0008] 根据本实用新型的一个方面,提供一种扩频时钟信号发生器,包括:参考振荡器,所述参考振荡器具有用于提供参考时钟信号的输出端,其中所述参考时钟信号被表征为具有基本恒定频率的方波;时钟发生器,所述时钟发生器具有耦接到所述参考振荡器的所述输出端并用于接收所述参考时钟信号的第一输入端、用于接收调制信号的第二输入端和用于提供扩频时钟信号的输出端,所述时钟发生器具有特征传递函数;以及调制器,所述调制器具有耦接到所述时钟发生器的所述第二输入端的输出端,用于根据期望分布曲线来提供所述调制信号,所述期望分布曲线是通过所述时钟发生器的所述特征传递函数的逆函数调节的。
[0009] 在一个实施例中,所述调制器包括:分布曲线存储器,所述分布曲线存储器具有用于提供所述期望分布曲线的输出端;以及逆传递函数滤波器,所述逆传递函数滤波器具有耦接到所述分布曲线存储器的所述输出端的输入端以及用于提供所述调制信号的输出端。
[0010] 在一个实施例中,所述调制器包括分布曲线存储器,所述分布曲线存储器具有用于提供代表所述调制信号的振幅的信号序列的输出端,所述调制信号被所述时钟发生器的所述特征传递函数的所述逆函数预先变形。
[0011] 在一个实施例中,所述时钟发生器形成锁相环,所述时钟发生器包括:环分频器,所述环分频器具有用于接收分频值的输入端;以及Δ-Σ调制器,所述Δ-Σ调制器具有用于接收所述调制信号的输入端以及用于提供所述分频值的输出端。
[0012] 在一个实施例中,所述时钟发生器还包括:参考分频器,所述参考分频器具有用于接收所述参考时钟信号的输入端以及输出端;相位/频率检测器和电荷,所述相位/频率检测器和电荷泵具有与所述参考分频器的所述输出端耦接的第一输入端、用于接收反馈信号的第二输入端以及输出端;低通滤波器,所述低通滤波器具有与所述相位/频率检测器和电荷泵的所述输出端耦接的输入端以及输出端;电压控振荡器,所述电压控振荡器具有与所述低通滤波器的所述输出端耦接的输入端以及输出端;以及输出分频器,所述输出分频器具有用于接收所述参考时钟信号的输入端和用于提供所述扩频时钟信号的输出端,所述环分频器具有与所述电压控振荡器的所述输出端耦接的第一输入端、与所述Δ-Σ调制器的所述输出端耦接的第二输入端以及与所述相位/频率检测器和电荷泵的所述第二输入端耦接的输出端。
[0013] 在一个实施例中,所述调制器包括:分布曲线存储器,所述分布曲线存储器具有用于提供代表所述调制信号的振幅的信号序列的输出端;以及逆传递函数滤波器,所述逆传递函数滤波器具有耦接到所述分布曲线存储器的所述输出端的输入端以及输出端。
[0014] 在一个实施例中,所述分布曲线存储器在第二频率处提供所述信号的序列,所述第二频率是所述参考时钟信号的第一频率的一部分。
[0015] 本实用新型的一个实施例的技术效果是减小影响电路的电磁干扰。附图说明
[0016] 本领域技术人员参照附图阅读本说明书,可以更好地理解本实用新型,也可以显而易见地认识到本实用新型的多种特征和优点,在附图中:
[0017] 图1以框图形式示出了现有技术中已知的一种扩频时钟发生器;
[0018] 图2示出了图1的扩频时钟发生器在使用第一类型调制信号时的双时序图和频率曲线图;
[0019] 图3示出了图1的扩频时钟发生器在使用第二类型调制信号时的双时序图和频率曲线图;
[0020] 图4示出了图1的扩频时钟发生器在使用第三类型调制信号时的双时序图和频率曲线图;
[0021] 图5示出了双时序图,图中示出了在典型扩频时钟发生器中使用理想的三角波来调制时钟信号和实际频率分布曲线;
[0022] 图6示出了使用图5的三角波形的扩频时钟发生器的归一化概率的曲线图;
[0023] 图7以框图形式示出了根据本实用新型的一个实施方案的扩频时钟发生器。
[0024] 图8示出了与图7的扩频时钟发生器的操作有关的一组时序图;
[0025] 图9示出了图7的扩频时钟信号的归一化频率概率的曲线图;
[0026] 图10以框图形式示出了根据图7的扩频时钟发生器的第一特定实施方式的扩频时钟发生器,连同相关联的曲线图;
[0027] 图11以框图形式示出了根据图7的扩频时钟发生器的第二特定实施方式的扩频时钟发生器,连同相关联的曲线图;
[0028] 图12以框图形式示出了使用产生与图7的参考振荡器不同的参考时钟信号的参考振荡器的扩频时钟发生器;
[0029] 图13示出了当参考时钟信号与标称时钟信号具有不同的频率时图12的扩频时钟发生器的双时序图和频率曲线图;
[0030] 图14以框图形式示出了根据本实用新型的另一个实施方案的带校准能的扩频时钟发生器;
[0031] 图15示出了图14的扩频时钟发生器的双时序图和频率曲线图;以及[0032] 图16以框图形式示出了图14的扩频时钟发生器的特定实施方式,连同相关联的曲线图。
[0033] 在不同附图中使用相同的参考符号来指示相同或类似的元件。除非另有说明,否则词语“耦接”及其相关动词形式包括直接连接以及通过本领域已知的方式的间接电连接两者;而且除非另有说明,否则对直接连接的任一描述暗示采用适宜间接电连接形式的替代实施方式。

具体实施方式

[0034] 图1以框图形式示出了现有技术中已知的一种扩频时钟发生器100。扩频时钟发生器100包括参考振荡器110、时钟发生器120和调制器130。参考振荡器110具有一个输出端,用于提供频率为期望的标称频率、被称为“参考时钟信号”的时钟信号。注意,如果参考时钟信号是方波时钟信号,则在基频及其奇次谐波将会具有能量。时钟发生器120具有一个与参考振荡器110的输出端相连的第一输入端、一个用于接收称为“调制信号”的信号的第二输入端,以及一个用于提供称为“扩频时钟信号”的信号的输出端。调制器130具有一个与时钟发生器120的第二输入端相连的输出端,用于向时钟发生器120提供调制信号。
[0035] 扩频时钟发生器100使参考振荡器110输出的时钟信号的频率根据调制信号在所期望的范围内变化,以这种方式降低任何特定频率的扩频时钟信号的辐射能量,使得与扩频时钟发生器100相关联的产品能够满足可适用的EMI标准。扩频时钟发生器100可用于各种电子产品,而参考振荡器110提供根据应用而变化的特征时钟信号。例如,参考振荡器110可以提供在主频率以及在主频率的谐波处具有能量的数字方波参考时钟信号,而时钟发生器120可以用锁相环(PLL)来实现。
[0036] 调制器130通常提供调制信号,使参考时钟信号的频率在参考时钟信号标称频率的几个百分比范围内变化。调制信号的频率必须高到足以使能量频谱在宽带频率范围内扩展,但又不会高到引起时钟抖动。
[0037] 图2示出了图1的扩频时钟发生器100在使用第一类型调制信号时的双时序图和频率曲线图200。图2中示出了时序图210和频率曲线图220。在时序图210中,横轴代表时间,以微秒(μs)为单位;纵轴代表频率,以兆赫(MHz)为单位。波形212示出了具有正弦波形的调制信号。注意,正弦波形呈现了高电压和低电压附近的时段,其中高电压和低电压处的变化率低于中点周围的变化率。
[0038] 在频率曲线图220中,横轴代表频率,以兆赫(MHz)为单位;而纵轴代表功率谱密度,以毫瓦分贝(dBm/Hz)为单位。波形222示出了扩频时钟信号的功率谱密度与频率的关系。如图2所示,功率谱密度在频带的低频和高频周围出现了峰,并且峰化水平显著高于频带中心的水平。由于EMI是基于最高功率测量的,从频率曲线图220可以看出,峰化在降低EMI方面限制了正弦调制的有效性。
[0039] 图3示出了图1的扩频时钟发生器100在使用第二类型调制信号时的双时序图和频率曲线图300。双时序图和频率曲线图300包含时序图310和频率曲线图320。在时序图310中,横轴代表时间,以微秒(μs)为单位;纵轴代表频率,以兆赫(MHz)为单位。波形312示出了呈现出三角波形的调制信号。可以预期的是,三角波形是较好的候选波形,这是因为三角波形在其周期内具有均匀的幅度,而不是正弦波形的非均匀幅度。
[0040] 在频率曲线图320中,横轴代表扩频时钟信号的频率,以MHz为单位;而纵轴代表功率谱密度,以dBm/Hz为单位。波形322示出了扩频时钟信号的功率谱密度与频率的关系。如图3所示,功率谱密度的峰值如同图2的正弦波的情况一样,仍然出现在频带的低频和高频周围,但是与频带中心的平均水平相比,峰化明显较小。峰化和边带是当采用PLL来实施时钟发生器时由时钟发生器的不完美特征引起的。峰化在降低EMI方面再次限制了三角波调制的有效性。
[0041] 图4示出了图1的扩频时钟发生器100在使用第三类型调制信号时的双时序图和频率曲线图400。双时序图和频率曲线图400包含时序图410和频率曲线图420。在时序图410中,横轴代表时间,以微秒(μs)为单位;纵轴代表频率,以兆赫(MHz)为单位。波形412示出的调制时钟信号呈现出如美国专利No.5,488,627中所公开的经修改的三角波形。波形412呈三角波及其三次曲线的形状,类似于宾夕法尼亚州好时公司以“Hershey’s Kiss”(好时之吻)商标出售的巧克力糖果的形状。波形412在高电压和低电压附近呈现出与波形212的特征有些相反的特征。
[0042] 在频率曲线图420中,横轴代表扩频时钟信号的频率,以MHz为单位;而纵轴代表功率谱密度,以dBm/Hz为单位。波形422示出了扩频时钟信号的功率谱密度与频率的关系。如图4所示,功率谱密度在频带的中间出现峰值,并且从图中可以看出,在频带的边缘处出现了可变衰减。此外,不同于波形322,波形422在边带处未呈现峰化。然而,尽管波形412表明了在与PLL一起使用时相比图2和图3的正弦波形和三角波形出现了改进,但是我们还期望能够有进一步的改进。
[0043] 图5示出了双时序图500,该双时序图示出了使用理想三角波形来调制时钟信号,以及在典型扩频时钟发生器中的实际频率分布曲线。双时序图500包括时序图510和时序图520。在时序图510中,横轴代表时间,以微秒(μs)为单位;而纵轴代表作为归一化分频比输入到PLL的调制信号。波形512代表归一化的分频比。如图5所示,波形512是用于调制具有
27MHz标称频率的参考时钟信号时从约0.98延伸至约1.02或者变化范围为约4%的三角波形。频率的完整扫描经过约33μs,调制信号的周期为约30kHz。
[0044] 在时序图520中,横轴代表时间,以μs为单位;而纵轴代表归一化频率。波形522示出了扩频时钟信号在给定时间的归一化频率。如图5所示,在最小归一化频率和最大归一化频率附近的时间,由于从理想波形512圆化而导致发生失真。这种失真导致了不够理想的扩频时钟信号,会显著降低扩频技术的有效性。
[0045] 图6示出了使用图5的三角波形的扩频时钟发生器的归一化概率的曲线图600。在图6中,横轴代表频率,以MHz为单位;而纵轴代表具有27MHz标称频率的扩频时钟信号的归一化概率。波形610代表基频在从约26.46MHz至约27.54MHz之间铺展开时扩频时钟信号的归一化概率。波形610示出了此频带的低频和高频周围狭窄而明显的峰化。峰值对应于上述波形522中高频和低频处的失真。尽管峰值出现在窄频带中,但是这些峰值决定峰值EMI水平合规情况。
[0046] 图7以框图形式示出了根据本实用新型的一个实施方案的扩频时钟发生器700。扩频时钟发生器700包括参考振荡器710、时钟发生器720和调制器730。参考振荡器710具有一个输出端,用于提供频率为期望的标称频率(如27MHz)的“参考时钟信号”。
[0047] 时钟发生器720具有一个与参考振荡器110的输出端相连的第一输入端、一个用于接收“调制信号”的第二输入端,以及一个用于提供“扩频时钟信号”的输出端。时钟发生器720以PLL形式来实施,该PLL具有参考分频器(R分频器)721、合并的相位/频率检测器和电荷泵722、低通滤波器723、压控振荡器(VCO)724、环路分频器(N分频器)725、Δ-Σ(ΔΣ)调制器726,以及输出分频器(O分频器)727。R分频器721具有一个输入端和一个输出端,该输入端与参考振荡器710的输出端相连,用于接收参考时钟信号。相位/频率检测器和电荷泵
722具有一个与R分频器721的输出端相连的第一输入端、一个第二输入端和一个输出端。低通滤波器723具有一个与相位/频率检测器和电荷泵722的输出端相连的输入端,以及一个输出端。VCO 724具有一个与低通滤波器723的输出端相连的输入端,以及一个输出端。N分频器725具有一个与VCO 726的输出端相连的输入端;一个控制输入端;以及一个与相位/频率检测器和电荷泵722的第二输入端相连的输出端。ΔΣ调制器726具有一个用于接收调制信号的输入端,以及一个与分频器725的控制输入端相连的输出端。O分频器727具有一个与压控振荡器724的输出端相连的输入端,以及一个用于提供扩频时钟信号的输出端。
[0048] 调制器730具有一个与时钟发生器720的第二输入端相连的输出端,用于向时钟发生器720提供调制信号。调制器730包括分布曲线存储器732和逆传递函数(ITF)滤波器734。分布曲线存储器732具有一个用于接收采样时钟信号的输入端(未在图7中示出),以及一个用于提供称为“期望分布曲线”的信号的输出端。ITF滤波器734具有一个与分布曲线存储器
732的输出端相连、用于接收期望分布曲线的输入端,以及一个用于提供调制信号的输出端。
[0049] 在操作中,分布曲线存储器732存储在预定时间段内具有均匀频率变化的信号的值的波形表。例如,分布曲线存储器732可以存储三角波形,如图5的波形512的值。波形512是对称的三角波形,因为在任何时段内上升时间和下降时间均是相等的。在另一个实例中,分布曲线存储器732可以存储非对称三角波形的值的波形表,在该非对称三角波形中,在任何给定时段内上升时间和下降时间是不同的。特别地,锯齿波形是一种非对称三角波形,在一个周期内,锯齿波逐步上升但急剧下降。也可以是在周期内具有均匀幅度的其他波形。分布曲线存储器732的时钟控制由确定步长的时钟信号来完成。ITF滤波器734基于时钟发生器720的传递函数的逆来调节期望分布曲线,从而提供调制信号。例如,PLL将基于低通滤波器723的低通特征使理想的三角波信号失真。因此,ITF滤波器734增加相应的高通特征,使扩频时钟信号具有期望的分布曲线。ITF滤波器734提供作为分数分频比的调制信号。因此,传递函数在扩频时钟信号的分数分频比和频率之间表征。然后,ΔΣ调制器736将分数分频比调制成抖动整数分频比,并且将抖动的整数分频比提供给N分频器725。
[0050] 在一个实施方式中,期望分布曲线是三角波形的数字样本序列,并且ITF滤波器734实施为数字有限脉冲响应(FIR)滤波器。
[0051] 图8示出了与图7的扩频时钟发生器700的操作有关的时序图组800。时序图组800包括时序图810、时序图820和时序图830。在时序图810中,横轴代表时间,以μs为单位;而纵轴代表归一化的期望分布曲线。波形812代表期望分布曲线,该所期望分布曲线是从约0.98变化到约1.02或者变化范围为约4%的三角波形。在本例中,频率的完整扫描经过约33μs。
[0052] 在时序图820中,横轴代表时间,以μ为单位;而纵轴代表归一化的调制信号。波形822代表通过PLL的逆传递函数调节的期望分布曲线。这种调节,尤其是在期望分布曲线的高点和低点周围的调节,使得波形822与波形812明显不同。
[0053] 在时序图830中,横轴代表时间,以μs为单位;而纵轴代表扩频时钟信号的归一化频率。波形832代表扩频时钟信号的频率。波形832在形状上看起来与波形812是相同的,高点和低点附近的斜率与期望分布曲线的一样急剧变化。
[0054] 图9示出了图7的扩频时钟信号的归一化频率概率的曲线图。在图9中,横轴代表频率,以MHz为单位;而纵轴代表具有27MHz标称频率的扩频时钟信号的频率的归一化概率。波形910代表基频在从约26.46MHz至约27.54MHz之间铺展开时扩频时钟信号的频率的归一化概率。波形910示出了从该频带的低频到高频的几乎完全均匀的频率分布。使整个频带的频率分布曲线变得平滑后,峰值EMI水平与图6的峰值EMI水平相比,基本上是降低了。作为另外一种选择,不需要为了满足相同的EMI规范而将扩频时钟信号的频率尽可能宽地扩展。
[0055] 表I示出了与未调制的情况相比,在由上述已知分布曲线提供的基频和第五谐波二者的峰值降低方面测得的改进:
[0056] 表I
[0057]
[0058] 扩频时钟发生器的实施方式
[0059] 图10以框图形式示出了根据图7的扩频时钟发生器700的第一特定实施方式的扩频时钟发生器1000,连同相关联的曲线图。扩频时钟发生器1000通常包括时钟发生器1020和调制器1030。
[0060] 时钟发生器1020具有一个用于接收参考时钟信号的第一输入端、一个用于接收调制信号的第二输入端,以及一个用于提供扩频时钟信号的输出端。时钟发生器1020以PLL形式来实施,该PLL具有R分频器1021、相位/频率检测器和电荷泵1022、低通滤波器1023、压控振荡器1024、N分频器1025、ΔΣ调制器1026,以及称为“O分频器”的输出分频器1027。R分频器1021具有一个用于接收参考时钟信号的输入端和一个输出端。相位/频率检测器和电荷泵1022具有一个与R分频器1021的输出端相连的第一输入端、一个第二输入端和一个输出端。低通滤波器1023具有一个与相位/频率检测器和电荷泵1022的输出端相连的输入端,以及一个输出端。VCO 1024具有一个与低通滤波器1023的输出端相连的输入端,以及一个输出端。N分频器1025具有一个与VCO 1024的输出端相连的第一输入端;一个第二输入端;以及一个与相位/频率检测器和电荷泵1022的第二输入端相连的输出端。ΔΣ调制器1026具有一个与FIR滤波器1036的输出端相连的输入端,以及一个与N分频器1025的第二输入端相连的输出端。O分频器1027具有一个与压控振荡器1024的输出端相连的输入端,以及一个用于提供扩频时钟信号的输出端。
[0061] 调制器1030具有一个用于接收参考时钟信号的第一输入端;一个与N分频器1025的输出端相连的第二输入端;以及一个与时钟发生器1020的第二输入端相连的输出端,用于向时钟发生器1020提供调制信号。调制器1030包括第二参考分频器(R分频器2)1032;以只读存储器(ROM)方式实施的分布曲线存储器1034;以及实施为FIR滤波器的ITF滤波器1036。R分频器2 1032具有一个用于接收参考时钟信号的输入端和一个输出端。分布曲线存储器1034具有一个与R分频器2 1032的输出端相连的时钟输入端,以及一个用于提供期望分布曲线的输出端。分布曲线存储器1034存储在预定时间段内具有均匀频率变化的信号的值的波形表。ITF滤波器1036具有一个与分布曲线存储器1034的输出端相连、用于接收期望分布曲线的输入端,以及一个用于提供调制信号的输出端。
[0062] 在图10所示的实例中,时钟发生器1020是图7的时钟发生器720的特定实施方式,并且调制器1030是图7的调制器730的特定实施方式。R分频器1021将27MHz的参考时钟信号除以四,向相位/频率检测器和电荷泵1022的第一输入端提供6.75MHz的时钟信号。N分频器1025将VCO 1024的输出除以可编程分频比,该可编程分频比在标称上为24(因而,得到VCO 
1024的输出的频率为约162MHz)但是可以在约22和约26之间变化。O分频器1027将VCO 1024输出的162MHz的时钟信号除以六,再次得到具有27MHz标称频率的扩频时钟信号。时序图
1040将期望分布曲线示出为理想三角波形,其中横轴代表时间,以μs为单位;纵轴代表分频比。时序图1040示出,分数分频比在约33μs的时段内从23.5变化到24.5。FIR滤波器1036将逆传递函数应用于期望分布曲线,产生调制信号。时序图1050示出了调制信号,其中横轴代表时间,以μs为单位;纵轴代表向ΔΣ调制器1026的第一输入端提供的、在约23.5和24.5之间变化的分数分频比。时钟发生器1020包括附加的O分频器1027,O分频器1027将VCO振荡器
1026的输出除以六,从而将标称162MHz的输入时钟信号转换为标称27MHz的频率扩频时钟信号。时序图1060示出了扩频时钟信号的频率,其中横轴代表时间,以μs为单位;纵轴代表频率,以MHz为单位。时序图1060示出了频率在约26.5MHz和27.5MHz之间变化的近乎完美的三角波信号。
[0063] 图11以框图形式示出了根据图7的扩频时钟发生器700的第二特定实施方式的扩频时钟发生器1100,连同相关联的曲线图。扩频时钟发生器1100通常包括先前结合图10描述的时钟发生器1020,以及调制器1130。
[0064] 调制器1130具有一个用于接收参考时钟信号的输入端,以及一个与时钟发生器1020的第二输入端相连的输出端,用于向时钟发生器1020提供调制信号。调制器1130包括R分频器2 1132,以及实施为ROM 1134的分布曲线存储器。R分频器2 1132具有一个用于接收参考时钟信号的输入端和一个输出端。ROM 1132具有一个与R分频器2 1032的输出端相连的时钟输入端,以及一个用于提供调制信号的输出端。ROM 1132存储在预定时间段内具有均匀频率变化的信号的值的波形表。然而,不同于图10的ROM 1032,ROM 1132不存储期望分布曲线,而是存储已经通过时钟发生器1020的逆传递函数进行过预失真的期望分布曲线。
由于将预失真的值存储在ROM 1134中,与图10的频频时钟发生器1000相比,扩频时钟振荡器1100不仅节省了面积,还节省了功耗。扩频时钟发生器1100适合于以已知的稳定频率来生成时钟信号的应用。
[0065] 带校准能力的扩频时钟发生器
[0066] 然而,因为时钟发生器1020的传递函数将随频率而变化并且因此逆传递函数也将随频率而变化,所以扩频时钟发生器1100并非十分适用于可在频率范围内变化的时钟信号。下文将描述适应不同时钟频率的技术。
[0067] 图12以框图形式示出了使用参考振荡器1210的扩频时钟发生器1200,参考振荡器1210产生与图7的参考振荡器710的不同的参考时钟信号,称为“参考时钟信号B”。如下面更详细所示,当参考时钟信号B具有与标称频率显著不同的频率时,ITF滤波器734的系数不再能够精确地补偿时钟发生器720的传递函数。将要描述的实例是37MHz的参考时钟信号B。
[0068] 图13示出了当参考时钟信号与标称时钟信号具有不同的频率时图12的扩频时钟发生器1200的双时序图和频率曲线图。图13中示出了时序图1310和频率曲线图1320。在时序图1310中,横轴代表时间,以微秒(μs)为单位;纵轴代表频率,以兆赫(MHz)为单位。波形1312示出了扩频时钟信号的频率,由于参考时钟信号的27MHz标称频率和参考振荡器1210的37MHz的实际频率之间存在偏差,该扩频时钟信号的频率的分布曲线相对于图10的时序图1060中所示的波形的理想三角形而言出现了失真。
[0069] 在频率曲线图1320中,横轴代表频率,以MHz为单位;而纵轴代表具有37MHz标称频率的扩频时钟信号的频率的归一化概率。波形1322代表基频在从约36.5MHz至约37.5MHz之间铺展开时扩频时钟信号的频率的归一化概率。波形1322示出了此频带的低频和高频周围出现的峰化,该峰化甚至比图6的波形610中所示的峰化更加明显。例如,在高峰和低峰周围的归一化概率接近于3,扩频时钟信号没有使能量均匀分布在调制频带上。
[0070] 为了补偿在参考时钟频率可能会发生变化的系统中的频率变化,本实用新型人已经发现,扩频时钟发生器可以修改为包括针对正在使用的特定参考时钟频率来校准FIR滤波器系数。以这种方式,这样的扩频时钟发生器将保持扩频时钟发生器700在一定频率范围内具有良好的频率响应。
[0071] 图14以框图形式示出了根据本实用新型的另一个实施方案的带校准能力的扩频时钟发生器1400。与先前结合图10和图12所讨论的一样,扩频时钟发生器1400包括参考振荡器1210和时钟发生器1020。然而扩频时钟发生器1400包括具有校准能力的调制器1430。调制器1430通常包括分布曲线存储器1432、ITF滤波器1434和校准电路1440。分布曲线存储器1432具有一个用于接收采样时钟信号的输入端(未在图14中示出),以及一个用于提供期望分布曲线的输出端。ITF滤波器1434具有一个信号输入端、一个系数输入端,以及一个用于提供调制信号的输出端。校准电路1440包括训练信号发生器1442、开关1444,以及自适应算法1446。训练信号发生器1442具有一个用于在校准模式期间提供训练信号的输出端。开关1444是单刀双掷(SPDT)开关,具有一个与分布曲线存储器1432的输出端相连的第一开关端子、一个与训练信号发生器1442的输出端相连的第二开关端子、一个与ITF滤波器1434的输入端相连的共用端子,以及一个用于接收模式信号的控制端子(未在图14中示出)。自适应算法1446具有一个与时钟发生器1020中的低通滤波器1023的输出端相连的第一输入端、一个与训练信号发生器1442的输出端连接的第二输入端,以及一个与ITF滤波器1434的系数输入端相连的系数输出端。
[0072] 开关1444响应指示校准模式的模式信号,将第二开关端子连接到共用端子。训练信号发生器1442向ITF滤波器1434的信号输入端提供校准训练信号序列。自适应算法1446将训练信号与低通滤波器1023的输出进行比较,根据它们之间的差异来调整系数。自适应算法1446可以使用任何已知的用于自适应地改变FIR滤波器系数的算法,如最小均方(LMS)自适应算法。到训练时段结束时,经训练的系数使ITF滤波器1434精确地反映时钟发生器1020以与参考时钟信号B对应的频率进行操作时的逆传递函数。
[0073] 在校准时段之后,调制器1430进入正常操作模式。开关1444响应指示正常操作模式的模式信号,将第二开关端子连接到共用端子,并且调制器1430以类似于调制器730的方式进行操作,但是其中为了以与参考时钟信号B对应的频率进行操作对系数进行了训练。
[0074] 图15示出了图14的扩频时钟发生器1400的双时序图和频率曲线图。图15中示出了时序图1510和频率曲线图1520。在时序图1510中,横轴代表时间,以微秒(μs)为单位;纵轴代表频率,以兆赫(MHz)为单位。波形1512示出了扩频时钟信号,该扩频时钟信号与在图10的时序图1060中所示的波形具有基本相同的理想三角形状的频率分布曲线,不同之处在于参考时钟信号B具有37MHz的标称频率,而不是27MHz。
[0075] 在频率曲线图1520中,横轴代表频率,以MHz为单位;而纵轴代表具有37MHz标称频率的扩频时钟信号的频率的归一化概率。波形1522代表标称频率在从约36.3MHz至约37.7MHz之间铺展开时扩频时钟信号的频率的归一化概率。波形1522示出了从该频带的低频到高频的高度均匀的频率分布。针对参考时钟信号B的实际频率来校准ITF滤波器的系数,扩频时钟发生器1400就能再次实现与图7的扩频时钟发生器700大致相同的峰值降低结果。
[0076] 表II示出了在由通过逆传递函数调节的三角波提供的基频和第五谐波的峰值降低方面测得的改进,该逆传递函数具有在针对27MHz的标称频率进行校准之前设置的系数,以及在37MHz的实际频率校准之后设置的系数:
[0077] 表II
[0078]
[0079] 图16以框图形式示出了图14的扩频时钟发生器1400的特定实施方式,连同相关联的曲线图。扩频时钟发生器1600通常包括时钟发生器1620和调制器1630。
[0080] 时钟发生器1620具有一个用于接收参考时钟信号B的第一输入端、一个用于接收调制信号的第二输入端,以及一个用于提供扩频时钟信号的输出端。时钟发生器1620使用PLL来实施,该PLL具有R分频器1621、相位/频率检测器和电荷泵1622、低通滤波器1623、压控振荡器1624、N分频器1625、ΔΣ调制器1626,以及O分频器1627。R分频器1621具有一个用于接收参考时钟信号B的输入端和一个输出端。相位/频率检测器和电荷泵1622具有一个与R分频器1621的输出端相连的第一输入端、一个第二输入端和一个输出端。低通滤波器1623具有一个与相位/频率检测器和电荷泵1622的输出端相连的输入端,以及一个输出端。VCO 1624具有一个与低通滤波器1623的输出端相连的输入端,以及一个输出端。N分频器1625具有一个与VCO 1624的输出端相连的输入端,以及一个与相位/频率检测器和电荷泵1622的第二输入端相连的输出端。O分频器1627具有一个与压控振荡器1624的输出端相连的输入端,以及一个用于提供扩频时钟信号的输出端。
[0081] 调制器1630具有一个用于接收参考时钟信号B的第一输入端;一个与N分频器1625的输出端相连的第二输入端;一个与低通滤波器1623的输出端相连的第三输入端;以及一个与时钟发生器1620的第二输入端相连的输出端,用于向时钟发生器1620提供调制信号。调制器1630包括R分频器2 1632;实施为ROM的分布曲线存储器1634,实施为FIR滤波器的ITF滤波器1636,以及一个校准电路1640。R分频器2 1632具有一个用于接收参考时钟信号B的输入端和一个输出端。ROM 1634具有一个与R分频器2 1632的输出端相连的时钟输入端,以及一个用于提供期望分布曲线的输出端。分布曲线存储器1634存储在预定时间段内具有均匀频率变化的信号的值的波形表。ITF滤波器1636具有一个用于接收期望分布曲线的输入端,以及一个用于提供调制信号的输出端。
[0082] 校准电路1640包括训练信号发生器1642、开关1644、自适应算法1446、模数转换器(ADC)1648,以及归一化1650。训练信号发生器1642具有一个与R分频器2 1632的输出端相连的输入端,以及一个用于在校准模式期间提供训练信号的输出端。开关1644是单刀双掷(SPDT)开关,具有一个与分布曲线存储器1634的输出端相连的第一开关端子、一个与训练信号发生器1642的输出端相连的第二开关端子、一个与ITF滤波器1636的输入端相连的共用端子,以及一个用于接收模式信号的控制端子(未在图16中示出)。自适应算法系数发生器1646具有一个第一输入端、一个与训练信号发生器1442的输出端相连的第二输入端,以及一个与ITF滤波器1434的系数输入端相连的系数输出端。ADC 1648具有一个与时钟发生器1620中低通滤波器1623的输出端相连的输入端和一个输出端。归一化块1650具有一个与模数转换器1648的输出端相连的输入端,以及一个与自适应算法系数发生器1646的第一输入端相连的输出端。
[0083] 在图16所示的实例中,时钟发生器1620是图10的时钟发生器1020的特定实施方式,并且调制器1630是图14的调制器1430的特定实施方式。R分频器1621将37MHz的参考时钟信号B除以四,向相位/频率检测器和电荷泵1622的第一输入端提供9.25MHz的时钟信号。N分频器1625将VCO 1624的输出除以可编程分频比,该可编程分频比在标称上为24(因而,得到VCO 1624的输出的频率为约222MHz),但是可以在约23.6和约24.4之间变化。O分频器
1027将由VCO 1624输出的222MHz的时钟信号除以六,得到具有37MHz标称频率的扩频时钟信号。时序图1660示出了期望分布曲线,其中横轴代表时间,以μs为单位;纵轴代表N分频器
1625的分频比。在时序图1660中,期望分布曲线是三角波形,N分频器1625的分频比在约34μs的时段内从23.6变化到24.4。FIR滤波器1634将逆传递函数应用于期望分布曲线,产生调制信号。时序图1670示出了调制信号,其中横轴代表时间,以μs为单位;纵轴代表N分频器
1625的分频比。时钟发生器1620包括附加的O分频器1627,O分频器1627将VCO振荡器1626的输出除以六,从而将标称222MHz的输入时钟信号转换为标称37MHz的频率扩频时钟信号。时序图1680示出了扩频时钟信号的频率,其中横轴代表时间,以μs为单位;纵轴代表频率,以MHz为单位。时序图1660示出了频率在约36.3MHz和37.7MHz之间变化的近乎完美的三角波信号。
[0084] 因此,在实际电路实施中,例如在将PLL用作时钟发生器的电路中,扩频时钟发生器能够生成峰化显著降低的扩频时钟信号。扩频时钟发生器使用调制器,通过PLL的逆传递函数来调节时钟信号的期望分布曲线,从而能够提供具有峰化显著降低的几乎理想的频率分布曲线的扩频时钟信号。以这种方式,扩频时钟发生器能够有效地满足严格的EMI标准。
[0085] 在一些具体实施方案中,扩频时钟发生器还实施校准函数。校准函数使得能够将逆传递函数滤波器调谐到在PLL中所使用的实际频率。例如,由于所使用的晶体具有较宽的容差,或者由于产品允许用户在一定频率范围内选择操作频率,实际频率可能会发生变化。
[0086] 上文所公开的主题应被视为示例性的而非限制性的,并且所附权利要求旨在涵盖落在权利要求真实范围内的所有此类修改、改进和其他实施方案。例如扩频时钟发生器可以用于各种电子产品,如微控制器、开关式电源等。此外,可以用在一定时段内具有均匀幅度的类似信号(如非对称的三角波或锯齿波)来代替三角波信号。
[0087] 根据扩频时钟信号发生器的一个方面,期望的分布曲线对应于预先确定的时间段内的均匀频率变化。
[0088] 根据另一个方面,期望的分布曲线包括预先确定的时间段内的三角波。
[0089] 根据又一个方面,扩频时钟信号发生器还包括用于提供参考时钟信号以作为方波信号的参考振荡器。
[0090] 根据再一个方面,时钟发生器形成锁相环,并且时钟发生器包括:环分频器(具有用于接收分频值的输入端),和Δ-Σ调制器(具有用于接收调制信号的输入端),以及用于提供分频值的输出端。
[0091] 因而,在法律允许的最大程度上,本实用新型的范围应该由以下权利要求书及其等价内容所容许的最宽泛解释所确定,并且不应受到前述详细说明的约束或限制。
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