DE10110095C1 - Schaltungsanordnung zur Leckstromkompensation in einem spannungsgesteuerten Oszillator einer PLL-Schaltung - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Leckstromkompensation in einem spannungsgesteuerten Oszillator einer PLL-SchaltungInfo
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Abstract
In einer Schaltungsanordnung zur Leckstromkompensation in einem spannungsgesteuerten Oszillator (12) einer PLL-Schaltung (10) wird dem Oszillator über ein Schleifenfilter (20) eine Steuerspannung zugeführt, die von einem Phasendetektor (16) in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen der Phase eines Referenzsignals (fref) und der Phase des vom spannungsgesteuerten Oszillator (12) abgegebenen Signals erzeugt wird. In diesem Oszillator (12) sind als frequenzbeeinflussende Schaltungselemente Kapazitätsdioden (28, 30) vorgesehen, an die die Steuerspannung über eine Steuerleitung (34) angelegt ist. In einer Kompensationsschaltung (K) sind Kapazitätsdioden (36, 38) in der gleichen Konfiguration wie in dem Oszillator (12) enthalten, und es ist ein als Spannungsfolger geschalteter Operationsverstärker (40) mit Differenzausgang vorgesehen, der einen mit der Steuerleitung (34) verbundenen Eingang (41) aufweist. Er reproduziert an einem seiner Ausgänge (44) die Steuerspannung, die er an die Kapazitätsdioden (36, 38) in der Kompensationsschaltung (K) anlegt. An seinem anderen Ausgang (46) gibt er einen Strom ab, der gleich dem Leckstrom der Kapazitätsdioden (36, 38) in der Kompensationsschaltung (K) ist. Mit der Steuerleitung (34) ist ein Stromableitzweig verbunden, über den von der Steuerleitung (34) ein Strom abfließt, der dem vom Operationsverstärker (40) abgegebenen Strom entspricht.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Leckstromkompensation in
einem spannungsgesteuerten Oszillator einer PLL-Schaltung, dem über ein Schleifenfil
ter eine Steuerspannung zugeführt wird, die von einem Phasendetektor in Abhängigkeit
von der Phasendifferenz zwischen der Phase eines Referenzsignals und der Phase des
vom spannungsgesteuerten Oszillator abgegebenen Signals erzeugt wird, wobei dieser
Oszillator als frequenzbeeinflußende Schaltungselemente Kapazitätsdioden enthält, an
die die Steuerspannung über eine Steuerleitung angelegt ist.
In modernen PLL-Schaltungen wird der spannungsgesteuerte Oszillator mit Hilfe einer
Steuerspannung auf den gewünschten Frequenzwert gestellt, die dadurch erzeugt wird,
daß der Ausgangsstrom einer Ladungspumpe einen Kondensator in einem Schleifenfilter
auflädt, das dem spannungsgesteuerten Oszillator vorgeschaltet ist. Der Ausgangsstrom
der Ladungspumpe ist wiederum dem Ausgangssignal des üblicherweise in der PLL-
Schaltung vorhandenen Phasendetektors direkt proportional. Die im Oszillator üblicher
weise als frequenzbestimmende Elemente verwendeten Kapazitätsdioden weisen einen
temperaturabhängigen Leckstrom auf, der den Kondensator im Schleifenfilter ständig
entlädt. Dadurch entsteht ein ständiger Phasenfehler am Oszillatorausgang, da die dem
Oszillator zugeführte Steuerspannung nicht mehr dem Ausgangssignal des Phasendetektors
proportional ist, sondern durch den Leckstrom verfälscht ist. Insbesondere bei hohen
Temperaturen kann dieser Leckstrom große Werte annehmen, so daß sogar der Fall ein
treten kann, daß die PLL-Schaltung nicht mehr in der Lage ist, in einem eingerasteten
Zustand zu bleiben.
Aus der DE 195 02 111 C2 ist eine PLL-Schaltung bekannt, die in einer Anordnung
eingesetzt wird, in der sie zwischen einem Betriebszustand und einem Bereitschaftszu
stand umgeschaltet werden kann. Im Bereitschaftszustand ist die PLL-Schaltung nicht
wirksam, da ihre Regelschleife geöffnet ist. Nur in diesem Bereitschaftszustand findet
eine Kompensation der in der Ladungspumpe, im Schleifenfilter und im Oszillator auf
tretenden Leckströme statt.
Aus der DE 198 12 972 A1 ist eine Integratorschaltung bekannt, die eine Diode ent
hält, deren Leckstrom durch Verwendung einer zweiten Diode gleichen Typs kompen
siert wird. Diese Schaltungsanordnung eignet sich nur für bestimmte Eingangsspan
nungsbereiche, da sie dann, wenn eine Eingangsspannung vorliegt, die wesentlich kleiner
als die typische Durchlaufspannung der zweiten Diode ist, für ihren Betrieb eine negative
Versorgungsspannung erfordert. Für Anwendungen, in denen eine solche negative Ver
sorgungsspannung nicht zur Verfügung steht, ist die bekannte Schaltung ungeeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs
angegebenen Art so auszugestalten, daß der von den Kapazitätsdioden erzeugte Leck
strom keine nachteilige Auswirkung mehr auf das Regelverhalten der PLL-Schaltung
hat.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Kompensations
schaltung vorgesehen ist, in der Kapazitätsdioden in der gleichen Konfiguration wie in
dem Oszillator enthalten sind, daß in der Kompensationsschaltung ein als Spannungsfol
ger geschalteter Operationsverstärker mit Differenzausgang vorgesehen ist, der einen mit
der Steuerleitung verbundenen Eingang aufweist und der an einem seiner Ausgänge die
Steuerspannung reproduziert und an die Kapazitätsdioden in der Kompensationsschaltung
anlegt, und an seinem anderen Ausgang einen Strom abgibt, der gleich dem Leckstrom
der Kapazitätsdioden in der Kompensationsschaltung ist, und daß mit der Steuerleitung
ein Stromableitzweig verbunden ist, über den von der Steuerleitung ein Strom abfließt,
der dem vom Operationsverstärker abgegebenen Strom entspricht.
In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird ein Strom erzeugt, der exakt
dem im spannungsgesteuerten Oszillator fließenden Leckstrom der Kapazitätsdioden ent
spricht. Mit diesem Strom wird der Leckstrom kompensiert, so daß er nicht mehr zu einer
Veränderung der dem Oszillator zugeführten Steuerspannung führen kann. Die Schal
tungsanordnung sorgt somit dafür, daß die PLL-Schaltung über einen großen Tempera
turbereich stabil arbeiten kann.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Strom
ableitzweig der Ausgangszweig einer Stromspiegelschaltung ist, deren Eingangszweig
der vom Operationsverstärker abgegebene Strom zugeführt wird. Mit dieser Ausgestal
tung kann die gewünschte Kompensation des Leckstroms mit einfachen Mitteln erreicht
werden.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer PLL-Schaltung, in der die erfindungsgemäße Schal
tungsanordnung angewendet werden kann und
Fig. 2 ein Schaltbild der wesentlichen Bestandteile der erfindungsgemäßen Schaltungs
anordnung zur Erzielung der gewünschten Leckstromkompensation.
Die in Fig. 1 dargestellte PLL-Schaltung 10 enthält einen spannungsgesteuerten Oszil
lator 12. Am Ausgang dieses Oszillators 12 wird eine Frequenz fVCO abgegeben, die
aufgrund der Wirkung der PLL-Schaltung 10 phasenstarr mit einer Referenzfrequenz fref
in Beziehung steht. Diese Referenzfrequenz kann beispielsweise von einem Quarzoszil
lator erzeugt werden. Sie wird einer Teilerschaltung 14 zugeführt, die die Referenzfre
quenz durch den Teilerfaktor M teilt. Das von der Teilerschaltung 14 abgegebene Signal
wird in einem Phasendetektor 16 mit dem Ausgangssignal einer Teilerschaltung 18 ver
glichen, die die Ausgangsfrequenz fVCO des spannungsgesteuerten Oszillators 12 durch
den Teilerfaktor N teilt. Der Phasendetektor 16 gibt ein Signal ab, das der Phasenabwei
chung zwischen den im zugeführten Signalen proportional ist. Dieses Signal wird über
ein Schleifenfilter 20 an den spannungsgesteuerten Oszillator 12 angelegt und steuert in
dessen Ausgangsfrequenz. Das Schleifenfilter 20 enthält üblicherweise eine Ladungs
pumpe, die einen dem Ausgangssignal des Phasendetektors 16 proportionalen Strom er
zeugt, der einen Kondensator lädt, so daß an diesem Kondensator eine Ladespannung zur
Verfügung steht, die als Steuerspannung für den spannungsgesteuerten Oszillator 12
verwendet werden kann. Die Ausgangsfrequenz fVCO des Oszillators 12 wird durch die
Steuerspannung so eingestellt, daß gilt: fVCO = fref(N/M).
Der Aufbau des spannungsgesteuerten Oszillators 12 ist in Fig. 2 genauer dargestellt. Er
enthält einen Schaltungsteil S zur Schwingungserzeugung. Dieser Schaltungsteil 5 ent
hält zwei bipolare Transistoren 22, 24, deren verbundene Emitter-Anschlüsse über eine
Stromquelle 26 an Masse liegen. Die Basis-Anschlüsse der beiden Transistoren 22, 24
sind mit dem Kollektor-Anschluß des jeweils anderen Transistors verbunden. Mit jedem
Kollektor der beiden Transistoren 22, 24 ist die Kathode einer Kapazitätsdiode 28 bzw.
30 verbunden, deren Anoden miteinander in Verbindung stehen. Parallel zu diesen bei
den Kapazitätsdioden 28, 30 liegt eine Spule 32, an deren Mittelanzapfung die Versor
gungsspannung Vcc angelegt ist. An die verbundenen Anoden der beiden Kapazitäts
dioden 28, 30 wird die vom Schleifenfilter 20 abgegebene Steuerspannung über eine
Steuerleitung 34 angelegt, mit deren Hilfe die vom Oszillator 12 erzeugte Frequenz
fVCO bestimmt werden kann.
Der spannungsgesteuerte Oszillator 12 enthält ferner eine Kompensationsschaltung K,
die zwei Kapazitätsdioden 36, 38 enthält, die in der gleichen Konfiguration wie die Ka
pazitätsdioden 28, 30 im Schaltungsteil S angeordnet sind. Dies bedeutet, daß die Katho
den an der Versorgungsspannung Vcc liegen und daß die Anoden miteinander verbunden
sind. Die Kompensationsschaltung K enthält ferner einen Operationsverstärker 40 mit
Differenzausgang, der durch Verbinden seines invertierenden Eingangs 42 mit seinem
nicht invertierenden Ausgang 44 als Spannungsfolger geschaltet ist. Der nicht invertie
rende Eingang 41 dieses Operationsverstärkers 40 ist mit der Steuerleitung 34 verbunden.
Zwischen dem invertierenden Ausgang 46 des Operationsverstärkers 40 und Masse liegt
die Source-Drain-Strecke eines Feldeffekttransistors 48, der zusammen mit einem weite
ren Feldeffekttransistor 50 einen Stromspiegel bildet. Die Source-Drain-Strecke des Fel
deffekttransistors 50 liegt zwischen der Steuerleitung 34 und Masse. Die Gate-
Anschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren 48 und 50 sind miteinander und mit dem
invertierenden Ausgang 46 des Operationsverstärkers 40 verbunden.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:
Es wird angenommen, daß das Schleifenfilter 20 an der Steuerleitung 34 eine Steuer spannung liefert, die den der Schwingungserzeugung dienenden Schaltungsteil S veran laßt, eine bestimmte Ausgangsfrequenz fVCO zu erzeugen. Durch die Dioden 28, 30 fließt ein temperaturabhängiger Leckstrom, der ohne die Wirkung der Kompensations schaltung zur Folge hätte, daß die an der Steuerleitung 34 anliegende Steuerspannung verändert wird, so daß folglich auch die vom Schaltungsteil S erzeugt Frequenz fVCO verändert würde.
Es wird angenommen, daß das Schleifenfilter 20 an der Steuerleitung 34 eine Steuer spannung liefert, die den der Schwingungserzeugung dienenden Schaltungsteil S veran laßt, eine bestimmte Ausgangsfrequenz fVCO zu erzeugen. Durch die Dioden 28, 30 fließt ein temperaturabhängiger Leckstrom, der ohne die Wirkung der Kompensations schaltung zur Folge hätte, daß die an der Steuerleitung 34 anliegende Steuerspannung verändert wird, so daß folglich auch die vom Schaltungsteil S erzeugt Frequenz fVCO verändert würde.
Der als Spannungsfolger geschaltete Operationsverstärker 40 sorgt dafür, daß an den
Dioden 36 und 38 genau die gleiche Spannung liegt, wie an den Dioden 28, 30. Dies
wird dadurch erreicht, daß der Operationsverstärker 40 als Spannungsfolger geschaltet
ist, was bedeutet, daß er an seinem Ausgang 44 die gleiche Spannung erzeugt, die auch
seinem nicht invertierenden Eingang 41 zugeführt wird. Da die Dioden 36, 38 somit an
der gleichen Spannung wie die Dioden 28, 30 liegen, fließt durch sie bei gleicher Tempe
ratur auch der gleiche Leckstrom. Dieser Leckstrom fließt über den invertierenden Aus
gang 46 des Operationsverstärkers 40 auch durch den Feldeffekttransistor 48. Aufgrund
der Stromspiegelwirkung fließt dieser Leckstrom auch durch den Feldeffekttransistor 50.
Am Schaltungspunkt 52 wird daher der durch den Feldeffekttransistor 50 fließende Leck
strom von dem durch die Dioden 28, 30 fließenden Strom subtrahiert, so daß er nicht zu
einer Entladung des im Schleifenfilter 20 enthaltenen Kondensators führt, dessen La
despannung die Steuerspannung für den spannungsgesteuerten Oszillator 12 bildet. Der
Leckstrom durch die Dioden 28, 30 hat daher keine Auswirkung auf die Steuerspannung,
die zur Erzeugung der gewünschten Ausgangsfrequenz fVCO führt. Mit Hilfe der be
schriebenen Schaltungsanordnung wird also der durch die Kapazitätsdioden 28, 30 im
spannungsgesteuerten Oszillator 12 fließende temperaturabhängige Leckstrom kompen
siert, so daß der Oszillator 12 auch bei sich ändernden Temperaturbedingungen die ge
wünschte, ausschließlich durch die vom Schleifenfilter 20 abgegebene Steuerspannung
bestimmte Frequenz fVCO erzeugen kann.
Claims (2)
1. Schaltungsanordnung zur Leckstromkompensation in einem spannungsge
steuerten Oszillator einer PLL-Schaltung, dem über ein Schleifenfilter eine
Steuerspannung zugeführt wird, die von einem Phasendetektor in Abhängigkeit
von der Phasendifferenz zwischen der Phase eines Referenzsignals und der Phase
des vom spannungsgesteuerten Oszillator abgegebenen Signals erzeugt wird,
wobei dieser Oszillator als frequenzbeeinflußende Schaltungselemente Kapazi
tätsdioden enthält, an die die Steuerspannung über eine Steuerleitung angelegt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationsschaltung (K) vorgesehen ist, in
der Kapazitätsdioden (36, 38) in der gleichen Konfiguration wie in dem Oszillator
(12) enthalten sind, daß in der Kompensationsschaltung (K) ein als Spannungsfol
ger geschalteter Operationsverstärker (40) mit Differenzausgang vorgesehen ist,
der einen mit der Steuerleitung (34) verbundenen Eingang (41) aufweist und der
an einem seiner Ausgänge (44) die Steuerspannung reproduziert und an die
Kapazitätsdioden (36, 38) in der Kompensationsschaltung (K) anlegt, und an
seinem anderen Ausgang (46) einen Strom abgibt, der gleich dem Leckstrom der
Kapazitätsdioden (36, 38) in der Kompensationsschaltung (K) ist, und daß mit der
Steuerleitung (34) ein Stromableitzweig verbunden ist, über den von der Steuer
leitung (34) ein Strom abfließt, der dem vom Operationsverstärker (40) abgegebe
nen Strom entspricht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom
ableitzweig der Ausgangszweig einer Stromspiegelschaltung (48, 50) ist, deren Ein
gangszweig (48) der vom Operationsverstärker abgegebene Strom zugeführt wird.
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