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Die
Erfindung betrifft eine Ladungspumpe einer Phasenregelschleife,
mit einer ersten Stromquelle, die einen ersten additiven Teilstrom
zu einem Knoten liefert, und einer ersten Stromsenke, die einen ersten
subtraktiven Teilstrom von dem Knoten zieht, einer zweiten Stromquelle,
die einen zweiten additiven Teilstrom zu einem Knoten liefert, und
einer zweiten Stromsenke, die einen zweiten subtraktiven Teilstrom
von dem Knoten zieht.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Ladungspumpe
einer Phasenregelschleife, wobei die Ladungspumpe aufweist: eine erste
Stromquelle, die einen ersten additiven Teilstrom zu einem Knoten
liefert, eine erste Stromsenke, die einen ersten subtraktiven Teilstrom
von dem Knoten zieht, eine zweite Stromquelle, die einen zweiten additiven
Teilstrom zu einem Knoten liefert, und eine zweite Stromsenke, die
einen zweiten subtraktiven Teilstrom von dem Knoten zieht.
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Eine
solche Ladungspumpe, die auch als „differential charge pump" bezeichnet wird,
und ein solches Verfahren sind aus der
US 6 011 822 bekannt.
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Für ein Verständnis der
Erfindung wird im Folgenden zunächst
die Funktion einer Phasenregelschleife qualitativ erläutert. Eine
Phasenregelschleife weist in der Regel einen spannungsgesteuerten
Oszillator VCO (voltage controlled oscillator) auf, der eine Wechselspannung
bereitstellt. Die Frequenz der Wechselspannung ist eine Funktion
einer Steuergleichspannung, die dem VCO von einem Schleifenfilter
zugeführt
wird, der kapazitive Elemente aufweist. Ladungspumpen dienen in
diesem Umfeld zur Bereitstellung von impulsförmigen Ladeströmen und Entladeströmen für das Schleifenfilter.
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Zur
Realisierung einer geschlossenen Phasenregelschleife wird die Frequenz
der VCO-Wechselspannung
durch einen Frequenzteiler mit Teilerfaktor N auf das Niveau einer
Referenzfrequenz heruntergeteilt, die zum Beispiel von einem Schwingquarz
bereitgestellt wird. Ein Phasen-Frequenzdetektor PFD vergleicht
die heruntergeteilte VCO-Frequenz mit der Referenzfrequenz. Abhängig vom
Vergleichsergebnis gibt der PFD bei einer voreilenden Phase des
Referenzsignals einen Ladeimpuls (UP Impuls) und bei vorauseilender
Phase des geteilten VCO-Signals einen Entladeimpulspuls (DOWN Impuls)
heraus. Lade- und Entladeimpuls werden über Flip/Flop-Schalter gesteuert,
die in dem Moment, in dem beide Schalter an sind, zurückgesetzt
werden. Das Rücksetzen
der Flip/Flop Schalter erfolgt verzögert, damit bei Phasengleichheit
sich auslöschende Lade-
und Entlade-Pulse entstehen.
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Sowohl
die Ladestromimpulse als auch die Entladestromimpulse werden durch
das Schleifenfilter geglättet,
so dass die vom Schleifenfilter an den VCO ausgegebene Steuergleichspannung
durch Ladestromimpulse (UP-Impulse) erhöht und durch Entladestromimpulse
(DOWN-Impulse) verringert wird. In der Summe überwiegen bei zu niedriger
VCO-Frequenz die Ladestromimpulse, so dass die Steuergleichspannung
steigt und der VCO mit einer Frequenzerhöhung antwortet. Analog überwiegen
bei zu hoher VCO- Frequenz
die Entladestromimpulse, so dass die Steuergleichspannung sinkt,
was der VCO mit einer Verringerung seiner Frequenz beantwortet.
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In
diesem Zusammenhang beschäftigt
sich die genannte
US 6 011 822 mit
sogenannten statischen Phasenfehlern, die bei realen Phasenregelschleifen
im eingeschwungenen Zustand durch unvermeidliche Unterschiede in
den Stromquellen, durch unterschiedliche Schaltzeiten der Stromquellen
und Stromsenken, durch unerwünschte
Ladungsinjektionen von beteiligten Schaltern in die Ladungspumpe,
und durch unzureichende Maßnahmen
zur Kompensation dieser Effekte auftreten. Nach der
US 6 011 822 werden diese unerwünschten
Effekte durch eine differentielle Ladungspumpe, also eine Ladungspumpe,
bei der eine Stromquelle und eine Stromsenke gegeneinander arbeiten,
gelöst.
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Neben
den in der
US 6 011 822 behandelten unterschiedlichen
statischen Phasenfehlern bei unterschiedlichen Steuerspannungen
für den
VCO treten jedoch bei Phasenregelschleifen mit umschaltbarer Schleifenbandbreite,
die über
den Ladestrom der Ladungspumpe gesteuert wird, mit der Stromstärke variierende
Phasenfehler auf. Die VCO-Frequenz wird durch eine Änderung
der Steuergleichspannung (Tuningspannung) umgesteuert, wobei eine Änderung
dieser Spannung durch Umladen kapazitiver Elemente im Schleifenfilter
erfolgt. Je nachdem, ob schnell, also mit einer großen Schleifenbandbreite, oder
langsam, also mit einer kleinen Schleifenbandbreite, umzuladen ist,
muss die Ladungspumpe verschieden große Stromstärken ausgeben. Wird die VCO-Frequenz
durch Änderung
des Teilerfaktors N in der Schleife geändert, wird die Schleifenbandbreite
durch Einschalten eines hohen Ladestromes der Ladungspumpe vergrößert. Als
erwünschte
Folge werden die im Schleifenfilter befindlichen kapazitiven Elemente
schnell umgeladen, so dass der VCO schnell seine Sollfrequenz erreicht.
Da die Schleifenbandbreite in diesem Fall sehr groß ist, moduliert
das in der Schleife vorhandene Rauschen die Ausgangsfrequenz des
VCO, was nicht erwünscht
ist. Um dieses Rauschen zu minimieren und damit ein sauberes Trägersignal
(Ausgangssignal des VCO) zu erzielen, wird die Schleifenbandbreite
des Systems nach dem Erreichen der Sollfrequenz durch einen Einschwingvorgang
mit hoher Bandbreite über
eine Verringerung der Stromstärke
der Ladungspumpe bzw. Entladungspumpe verkleinert.
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sich die UP und DOWN Impulse bei einer idealen Ladungspumpe im eingeschwungenen
Zustand aus. Bei realen Ladungspumpen kommt es jedoch durch Leckströme, Unsymmetrien
und Fertigungsstreuungen der verwendeten Bauelemente zu einem Phasenoffset
zwischen den Signalen des Referenzfrequenzgebers und den Signalen
des 1/N-Teilers. Dieser Phasenoffset ist für verschiedene Stromstärken des
Ladungspumpe unterschiedlich, was beim Umschalten der Schleifenbandbreite über die
Stromstärke
im eingeschwungenen Zustand einen Regelvorgang zur Folge hat, der
den auftretenden Phasenoffset korrigiert. Dieser Offset wird mit
der schmalen Bandbreite der Phasenregelschleife ausgeregelt, was
vergleichsweise lange dauert. Der durch Verbreiterung der Systembandbreite erzielte
Zeitgewinn wird durch die nach dem Umschalten der Schleifenbandbreite
langsam erfolgende Phasennachregelung wieder eliminiert.
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Wie
bereits erwähnt,
ist die Steuergleichspannung für
den VCO vom Ladezustand der kapazitiven Elemente in dem Schleifenfilter
abhängig.
Um eine geänderte
VCO-Frequenz schnell einzustellen, ist daher eine schnelle Umladung
der kapazitiven Elemente wünschenswert,
was z.B. durch vergleichsweise hohe Stromstärken für die Ladung und Entladung
erzielt werden kann. Andererseits wird durch die hohe Stromstärke der
Ladungspumpe die Schleifenbandbreite vergrößert und somit viel Rauschen
auf den VCO moduliert.
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
einer Ladungspumpe für eine
Phasenregelschleife und eines Verfahrens zur Steuerung einer solchen
Ladungspumpe, die ein schnelles Einschwingen der Phasenregelschleife
bei einer Frequenzänderung
sowohl durch hohe Stromstärken
und somit eine große
Schleifenbandbreite, als auch durch kleine Unterschiede des Phasenoffsets
beim Wechsel zwischen niedrigen und hohen Stromstärken der
Ladungspumpe ermöglicht,
um die Bandbreite der Phasenregelschleife ohne zusätzlichen
Regelvorgang umschalten zu können.
Des weiteren soll eine Totzeit bei sehr kleinen Stromstärken der
Ladungspumpe vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Ladungspumpe der eingangs genannten An durch
ein erstes Stromsteuerelement und ein zweites Stromsteuerelement gelöst, wobei
das erste Stromsteuerelement ein Zusammenwirken einer ersten Teilmenge
der Stromquellen und Stromsenken steuert und das zweite Stromsteuerelement
ein Zusammenwirken einer zu der ersten Teilmenge komplementären zweiten
Teilmenge der Stromquellen und Stromsenken so steuert, dass sich
in einem ersten Steuerzustand geringere effektive Lade- und Entlade-Stromstärken der
Ladungspumpe ergeben als in einem zweiten Steuerzustand.
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Ferner
wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
dadurch gelöst,
dass ein Zusammenwirken einer ersten Teilmenge der Stromquellen
und Stromsenken von einem ersten Stromsteuerelement gesteuert wird
und dass ein Zusammenwirken einer zu der ersten Teilmenge komplementären zweiten
Teilmenge der Stromquellen und Stromsenken von einem zweiten Stromsteuerelement
so gesteuert wird, dass sich in einem ersten Steuerzustand geringere
effektive Stromstärken
der Ladungspumpe ergeben als in einem zweiten Steuerzustand.
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Durch
diese Merkmale wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst. Durch
diese Variation des Zusammenwirkens der Stromquellen und Stromsenken
mit Hilfe von Stromsteuerelementen kann die Ladungspumpe während eines
Einschwingvorgangs mit hoher effektiver Stromstärke und im eingeschwungenen
Zustand mit niedriger effektiver Stromstärke betrieben werden, ohne
dass sich vom individuellen Stromfluss der Stromquellen und Stromsenken
abhängige
Eigenschaften der Stromquellen und Stromsenken in beiden Zuständen unterscheiden. Durch
die als Folge der Erfindung wegfallende Änderung dieser Stromfluss-abhängigen Eigenschaften werden
mögliche
Phasendifferenzen zwischen dem eingeschwungenen Zustand mit niedriger
Stromstärke
und dem Einschwingvorgang mit hoher Stromstärke wirksam vermieden.
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Die
verschiedenen Elemente der Ladungspumpe werden nach der Erfindung
unabhängig
von der effektiven, von der Ladungspumpe gelieferten Stromstärke, mit
Element-individuell gleichen Stromstärken durchflossen. Daher ändern sich
die Verhältnisse
an einzelnen Stromquellen/Stromsenken der Ladungspumpe nur unwesentlich.
Der Phasenfehler (Phasenoffset) bleibt daher unabhängig von
der effektiven Stromstärke
am Ausgang der Ladungspumpe gleich. Parasitäre Kapazitäten wie Basiskapazitäten und
Raumladungszonen von in Stromquellen und/oder Schaltern verwendeten
Halbleiterbauelementen werden jeweils schnell umgeladen, so dass immer
scharf definierte Pulse entstehen. Auch im eingeschwungenen Zustand
(schmale Restpulse) und niedriger effektiver Stromstärke am Ausgang
der Ladungspumpe tritt keine Totzeit auf. Somit kann zusätzlich die
Restpulsbreite, die durch das verzögerte Rücksetzen der Flip/Flop-Schalter
im PFD erzeugt wird, auch für
den Fall kleiner Stromstärken
der Ladungspumpe klein gehalten werden. Durch die schmalen Restpulse
der CP wird zusätzlich,
vor allem im Fall mit einer hohen Stromstärke der Ladungspumpe, das Auftreten
von Störlinien
(Spurious) verringert, die im Abstand des Referenzsignals und Vielfachen
hiervon um das VCO-Ausgangssignal herum auftreten können.
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Mit
Blick auf Ausgestaltungen der Ladungspumpe ist bevorzugt, dass die
erste Teilmenge aus der ersten und der zweiten Stromquelle besteht
und die komplementäre
zweite Teilmenge aus der ersten Stromsenke und der zweiten Stromsenke
besteht, wobei sich ein effektiver Ladestrom als Summe von Beiträgen der
ersten und der zweiten Stromquelle ergibt und wobei sich ein effektiver
Entladestrom als Summe der Beiträge
der ersten Stromsenke und der zweiten Stromsenke ergibt.
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Diese
Ausgestaltung entspricht einer Parallelschaltung von zwei Ladungspumpen,
von denen die eine bedarfsweise zugeschaltet oder weggeschaltet
werden kann.
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Bevorzugt
ist auch, dass ein Beitrag der zweiten Stromquelle und ein Beitrag
der zweiten Stromsenke zur effektiven Stromstärke der Ladungspumpe im ersten
Steuerzustand zumindest geringer ist als im zweiten Steuerzustand.
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Bei
dieser Ausgestaltung können
die zweite Stromquelle und die zweite Stromsenke im Niedrigstromfall
allein arbeiten und im Hochstromfall können ausreichend große Ströme über die
erste Stromquelle und die erste Stromsenke für einen schnellen Frequenzwechsel
vorübergehend
zugeschaltet werden.
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Alternativ
zur oben genannten Bildung der Teilmengen ist bevorzugt, dass die
erste Teilmenge aus der zweiten Stromquelle und der ersten Stromsenke
besteht und die komplementäre
zweite Teilmenge aus der zweiten Stromsenke und der ersten Stromquelle
besteht.
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Bei
dieser Ausgestaltung werden die Stromquellen und Stromsenken gewissermaßen über Kreuz
miteinander verbunden, so dass der Niedrigstromfall durch eine Differenzbildung
von Strömen
und der Hochstromfall durch ein Wegsteuern der zu subtrahierenden
Beiträge
realisiert werden kann.
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Bevorzugt
ist auch, dass das erste Stromsteuerelement den ersten additiven
Teilstrom, den die erste Stromquelle an den Knoten liefert, beeinflusst
und dass das zweite Stromsteuerelement den ersten subtraktiven Teilstrom,
den die zweite Stromsenke von dem Knoten zieht, beeinflusst.
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Durch
diese Ausgestaltung werden die Eigenschaften und insbesondere die
Arbeitspunkte der Stromquellen und Stromsenken bei einem Umsteuern
zwischen zwei effektiven Stromstärken
der Ladungspumpe nicht geändert.
Der effektive Ladestrom wird durch Variation des vom einem Knoten
abfließenden
Stroms und der effektive Entladestrom wird durch Variation des zum
Knoten fließenden
Ladestroms variiert.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass
das erste Stromsteuerelement den ersten additiven Teilstrom digital einschaltet
oder ausschaltet und dass das zweite Stromsteuerelement den ersten
subtraktiven Teilstrom digital einschaltet oder ausschaltet. Dabei
umschreibt der Begriff des digitalen Ein- oder Ausschaltens das
volle Zuschalten oder Wegschalten des ersten additiven und ersten
subtraktiven Teilstroms.
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Ein
solches digitales Ein- und/oder Ausschalten führt, zum Beispiel im Vergleich
mit einer stetigen Umsteuerung von Stromstärken, mit geringem Aufwand
zu einer hohen Reproduzierbarkeit der Verhältnisse in beiden Schaltzuständen. Es
versteht sich aber, dass die Erfindung außerhalb dieser bevorzugten
Ausgestaltung auch stetige Umsteuervorgänge erlaubt.
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Ferner
ist bevorzugt, dass die erste Stromquelle eine Stromstärke liefert,
wie sie die erste Stromsenke zieht, und dass die zweite Stromsenke eine
Stromstärke
zieht, wie sie die zweite Stromquelle liefert.
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Analog
ist bevorzugt, dass die Stromstärken der
zweiten Stromquelle und der zweiten Stromsenke (bei verschiedenem
Vorzeichen) betragsmäßig gleich
sind.
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Durch
diese Ausgestaltung mit symmetrischen Lade- und Entladeströmen wird
die Umladung einer Schleifenfilterkapazität durch die Differenz der Zeitintegrale über einander
zugeordnete Lade- und Entladestromimpulse bestimmt und damit perfekt
an das Verhalten der Ausgangssignale eines vorgeschalteten Phasen-Frequenzdetektors
angepasst. Die Differenz der Zeitintegrale über die Ladestromimpulse und
die Entladestromimpulse bestimmt die Änderung der vom Schleifenfilter
an den VCO ausgegebenen Steuergleichspannung und damit die Ausgangsfrequenz
des VCO.
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Bevorzugt
ist auch, dass die von der ersten Stromquelle gelieferte Stromstärke kleiner
als die von der zweiten Stromsenke gezogene Stromstärke ist.
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Durch
diese Ausgestaltung wird für
die Ausgestaltung, die den Niedrigstromfall durch eine Differenzbildung
realisiert, immer ein effektiver Entladestrom bereitgestellt, dessen
Effektivwert durch ein Steuern oder Schalten der von der ersten
Stromquelle gelieferten Stromstärke
variiert werden kann. Im Extremfall werden die erste Stromquelle
und die erste Stromsenke im stationären Zustand voll zugeschaltet
und für
ein schnelles Einschwingen im Extremfall voll weggeschaltet. Für das Einschwingen wird
damit in der Summe eine hohe Lade- und Entlade-Stromstärke erzielt,
die von der zweiten Stromquelle und zweiten Stromsenke allein bestimmt
wird, während
sich die kleinere Entladestromstärke
für den stationären Zustand
als Differenz des zweiten subtraktiven Teilstroms und des ersten
additiven Teilstroms und die kleinere Ladestromstärke sich
als Differenz des ersten subtraktiven Teilstroms und des zweiten
additiven Teilstroms einstellt. Im Allgemeinen wird die Stärke des
ersten additiven und des ersten subtraktiven Teilstroms von der
gewünschten
Bandbreite und der Stabilität
des Systems abhängig
sein.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Ladungspumpe zeichnet sich durch eine
Steuerung aus, die das erste Stromsteuerelement und das zweite Stromsteuerelement
parallel betätigt.
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Da
das erste Stromsteuerelement die Entladestromsumme beeinflusst und
das zweite Stromsteuerelement die Ladestromsumme beeinflusst, wird
durch die parallele Betätigung
beider Stromsteuerelemente und damit durch das parallele Steuern
einer weiteren Quelle und einer weiteren Senke ein synchroner Einfluss
auf den Knoten erzielt, der zu einer synchronen Änderung der Summenströme an dem
Knoten führt.
Da an dem Knoten jeweils der effektive Ladestromimpuls und der effektive
Entladestromimpuls gebildet wird, erlaubt diese Ausgestaltung eine
synchrone Umsteuerung zwischen hohen Lade- und Entladeströmen auf
der einen Seite und niedrigen Lade- und Entladeströmen auf
der anderen Seite.
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Mit
Blick auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass eine
Summe der Ströme
der zweiten Stromquelle und der ersten Stromsenke einen Ladestrom
für ein
Schleifenfilter der Phasenregelschleife bereitstellt und eine Summe
der Ströme der
zweiten Stromsenke und der ersten Stromquelle einen Entladestrom
für das
Schleifenfilter bereitstellt, wobei der Entladestrom durch das erste
Stromsteuerelement variiert wird und wobei der Ladestrom durch das
zweite Stromsteuerelement variiert wird.
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Ferner
ist bevorzugt, dass die Summe der Ströme für einen Einschwingvorgang auf
eine geänderte
Frequenz der Phasenregelschleife erhöht wird und in einem stationären Zustand
der Phasenregelschleife verringert wird.
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Durch
diese Ausgestaltung wird ein schnelles Einschwingen bei einem Frequenzwechsel
in Verbindung mit einen niedrigen Rauschanteil am VCO-Signal in
stationären
Zuständen
erzielt.
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Bevorzugt
ist in diesem Zusammenhang auch, dass das erste Stromsteuerelement
und das zweite Stromsteuerelement parallel betätigt wird.
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Ferner
ist bevorzugt, dass der erste subtraktive Teilstrom digital eingeschaltet
oder ausgeschaltet und dass der zweite additive Teilstrom digital
eingeschaltet oder ausgeschaltet wird.
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Für diese
Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich die Vorteile der korrespondierenden Ausgestaltungen
der Ladungspumpe.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 das
technische Umfeld der Erfindung in Form einer Phasenregelschleife;
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2 die
Funktion eines Phasen-Frequenzdetektors, der ein Eingangssignal
für die
Ladungspumpe liefert;
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3 Eingangssignale
und Ausgangssignale des Phasenfrequenzdetektors aus 2;
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4 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Ladungspumpe;
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5 einen zeitlichen Verlauf eines Steuersignals,
das die Ladungspumpe steuert, beim Übergang von einer ersten Frequenz
auf eine zweite Frequenz;
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6 Verläufe
der Schleifenverstärkung über der
Frequenz in Abhängigkeit
vom Schaltzustand des Ausführungsbeispiels
nach der 4; und
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7 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Ladungspumpe.
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1 zeigt
die Gesamtheit eines Phasenregelkreises 10 mit einem VCO 12,
einem Frequenzteiler 14, einem Referenzfrequenzgeber 16,
einem Phasen-Frequenzdetektor PFD 18, einer Ladungspumpe 20 (charge
pump CP), einem Schleifenfilter 22 und einer Steuerung 24.
Der VCO 12 enthält
zum Beispiel einen LC-Schwingkreis mit einer Induktivität L und
einer Kapazität
C, deren Wert von einer Steuergleichspannung abhängig ist. Induktivität und steuerbare Kapazität bestimmen
die Eigenfrequenz und damit die Frequenz F_out des VCO. Die vom
1/N-Teiler 14 herunter geteilte VCO-Frequenz wird zusammen
mit einer vom Referenzfrequenzgeber 16 ausgegebenen Referenzfrequenz
dem Phasen-Frequenzdetektor 18 zugeführt. Der Phasen-Frequenzdetektor
steuert mit Impulsen „UP" und „DOWN" die Ladungspumpe 20, die
mit korrespondierenden Ladestromimpulsen und Entladestromimpulsen
das Schleifenfilter 22 speist. Das Schleifenfilter 22 weist
zumindest ein kapazitives Element 25, 26 auf,
dessen Gesamtladung Q von den Lade- und Entladestromimpulsen bestimmt
wird, wobei die Gesamtladung Q zusammen mit dem Wert der Schleifenfilterkapazität den Wert
der Steuerspannung U für
den VCO 12 festlegt. Weiter weist das Schleifenfilter optional
einen Widerstand 23 auf, der bei einer großen Bandbreitendifferenz
geschaltet wird und so zu einem stabilen Verhalten der Schleife beiträgt. Die
Steuerung 24 steuert mit einem Steuersignal I_CP_SW die
Ladungspumpe 22 auf eine weiter unten im Detail erläuterte Weise.
Dabei wird das I_CP_CW-Signal über
die Verbindung 25 bevorzugt mit dem Referenzsignal und/oder
dem geteilten VCO-Signal synchronisiert, so dass ein Steuereingriff nicht
bei aktiven UP- oder DOWN-Impulsen erfolgt.
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2 zeigt
Details des Phasen-Frequenzdetektors 18. Der Phasen-Frequenzdetektor 18 weist zwei
Flip/Flop-Schalter 28, 30 mit jeweils einem Steuereingang 32, 34,
einem Versorgungsspannungsanschluss 36, 38, einem
Rücksetzanschluss 40, 42 und einem
Ausgang 44, 46 auf. Am Steuereingang 32 des ersten
Flip/Flops 28 liegt das in 3 dargestellte
Signal 48 des Referenzgebers 16 an. Analog liegt
am Steuereingang 34 des zweiten Flip/Flops 30 das ebenfalls
in 3 dargestellte Signal 50 des 1/N-Teilers 14 an.
Im dargestellten Fall ist die Phasenregelschleife 10 eingeschwungen
und die Frequenz und Phase der Signale 48, 50 sind
gleich. Ein Phasenoffset ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Jeweils steigende Flanken in den Signalen 48, 50 setzen
Signale an den Ausgängen 44, 46 der Flip/Flops 28, 30 hoch,
wobei der Ausgang 44 einen Entladestromimpuls „DOWN" und der Ausgang 46 einen
Ladestromimpuls „UP" auslöst, wie
sie in 3 dargestellt sind.
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Beide
Ausgänge 44, 46 sind
darüber
hinaus mit einem UND-Glied 52 verbunden, das die Flip/Flops 28, 30 über ein
Verzögerungsglied 54 zurücksetzt,
wenn eine Mindestimpulsbreite delta_t verstrichen ist. Als Folge
produziert der Phasen-Frequenzdetektor 18 im eingeschwungenen
Zustand symmetrische Impulse „UP", "Down", mit denen die Ladungspumpe 20 angesteuert
wird.
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4 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Ladungspumpe 20 mit
einer ersten Stromquelle 56, die einen ersten additiven Teilstrom
I_1+ zu einem ersten Knoten 58 liefert, und einer ersten
Stromsenke 60, die einen ersten subtraktiven Teilstrom
I_1– von
dem ersten Knoten 58 zieht, einer zweiten Stromquelle 62,
die einen zweiten additiven Teilstrom I_2+ zu einem zweiten Knoten 64 liefert,
und einer zweiten Stromsenke 66, die einen zweiten subtraktiven
Teilstrom I_2– von
dem zweiten Knoten 64 zieht, wobei eine Summe der Ströme I_2+
und I_1– einen
Ladestrom für
das Schleifenfilter 22 der Phasenregelschleife 10 bereitstellt
und eine Summe der Ströme
I_1+, I_2– einen Entladestrom
für das
Schleifenfilter 22 bereitstellt. Der erste Knoten 58 kann
mit dem zweiten Knoten 64 identisch sein.
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Diese
Ausgestaltung entspricht der oben genannten Über-Kreuz-Verbindung der Stromquellen 56, 62 und
der Stromsenken 60, 66. Weiter besitzt die Ausgestaltung
nach der 4 einen I_1+ Schalter 68,
einen I_1– Schalter 70,
einen I_2+ Schalter 72, einen I_2– Schalter 74, ein
erstes Stromsteuerelement 76 und ein zweites Stromsteuerelement 78. Die
beiden Stromsteuerelemente 76, 78 werden von der
Steuerung 24 des Phasenregelkreises 10 gesteuert.
In dem Ausführungsbeispiel
nach 4 sind die Stromsteuerelemente 76, 78 als
geöffnete
Schalter dargestellt. In diesem Schaltzustand werden nur die Schalter 72 und 74,
nicht aber die Schalter 68 und 70, durch UP-Impulse,
respektive DOWN-Impulse betätigt.
Die Schalter 68 und 70 sind in diesem Schaltzustand
der Stromsteuerelemente 76, 78, der dem Hochstromfall
entspricht, dauerhaft offen. Für den
Niedrigstromfall werden die Stromsteuerelemente dagegen leitend
gesteuert oder geschaltet, so dass auch die Schalter 68 und 70 mit
DOWN-Impulsen, respektive UP-Impulsen betätigt werden.
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Die
Stromquellen 56 und 62 sowie die Stromsenken 60 und 66 werden
bevorzugt so dimensioniert, dass die erste Stromquelle 56 die
gleiche Stromstärke
I_1+ an den ersten Knoten 58 liefert, wie die erste Stromsenke 60 als
Stromstärke
I_1– von dem
ersten Knoten 58 zieht. Bezogen auf den ersten Knoten 58 gilt
also bei dieser bevorzugten Ausgestaltung I_1+ = minus I_1–, wobei
der Betrag von I_1+ = von in einem Beispiel 4,5 mA ist. Analog wird
die zweite Stromquelle 62 und die zweite Stromsenke 66 bevorzugt
so dimensioniert, dass I_2+ = minus I_2– ist, wobei der Betrag von
I_2+ in dem Beispiel 5 mA ist. Im Allgemeinen werden die Stromquellen
und Stromsenken im Rahmen dieser Ausgestaltung so dimensioniert,
dass die Stromstärken
mit Index 1 kleiner als die Stromstärken mit Index 2 sind.
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Betrachtet
wird zunächst
der Niedrigstromfall bei leitend gesteuerten Stromsteuerelementen 76, 78.
Bei einem UP-Impuls liefert die zweite Stromquelle 62 im
Rahmen des speziellen Beispiels 5 mA zum Knoten 64 und
die erste Stromsenke 60 zieht 4,5 mA vom Knoten 58 ab.
Effektiv wird in diesem Niedrigstromfall mit diesen Stromstärken die
Differenz 5 mA – 4,5
mA = 0,5 mA als Ladestromstärke
an das Schleifenfilter 22 geliefert. Analog werden die
Kapazitäten des
Schleifenfilters 22 im Niedrigstromfall bei einem DOWN-Impuls
effektiv mit 0,5 mA entladen.
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Im
Hochstromfall, der in der Ausgestaltung nach 4 dem gezeichneten
Schaltzustand mit offenen Stromsteuerelementen entspricht, ist sowohl die
erste Stromquelle 56 als auch die erste Stromsenke 60 vom
Knoten 58 getrennt, da die Schalter 68, 70 bei
fehlender Ansteuerung durch DOWN-Impulse oder UP-Impulse dauerhaft
offen sind. In diesem Fall setzt sich die effektive Stromstärke, mit
der das Schleifenfilter 22 geladen oder entladen wird,
nur aus Beiträgen
der zweiten Stromquelle 62 und der zweiten Stromsenke 66 zusammen,
was mit den genannten speziellen Beispielwerten Effektivwerten von
+/– 5
mA entspricht.
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Für einen
Einschwingvorgang betätigt
die Steuerung 24 die Stromsteuerelemente 76, 78 so, dass
die Phasenregelschleife 10 mit hoher Bandbreite auf eine
neue Frequenz einschwingt und somit hohem Ladestrom der Ladungspumpe 20,
also mit ausgeschalteter erster Stromquelle 56 und ausgeschalteter
erster Stromsenke 60 arbeitet. Dabei wird das I_CP_CW-Signal bevorzugt
so mit dem Referenzsignal und oder dem geteilten VCO-Signal synchronisiert,
dass die Umschaltung nicht bei aktiven UP- oder DOWN-Impulsen erfolgt.
Die Stromstärke
wird dann allein durch den Strom den zweiten Stromquelle 62 und
der zweiten Stromsenke 66 bestimmt. Nach dem die durch
den Teilerfaktor N eingestellte Zielfrequenz erreicht ist und die
kapazitiven Elemente im Schleifenfilter 22 umgeladen sind,
wird die Bandbreite der Schleife durch Zuschalten der ersten Stromquelle 56 und
der ersten Stromsenke 60 verringert, die dann von denselben
UP- und DOWN-Signalen aus dem Phasen-Frequenzdetektor 18 angesteuert werden
wie die zweite Stromquelle 62 und die zweite Stromsenke 66.
Die Ansteuerung selbst ist jedoch gekreuzt, d.h. bei einem UP-Puls
wird I_2+ und I_1– gleichzeitig
eingeschaltet und bei einem DOWN_Puls wird I_2– und I_1+ gleichzeitig eingeschaltet.
Somit addieren sich die mit Vorzeichen behafteten positiven und
negativen Teilströme
beim Zuschalten der ersten Stromquelle 56 und der ersten Stromsenke 60 zu
einem kleineren effektiven Lade/Entladestrom. Die Stromquellen 56 und 62 sowie die
Stromsenken 60 und 66 stellen dabei immer die gleich
Stromlieferkapazität
oder Stromaufnahmekapazität
bereit und arbeiten damit immer mit individuell konstanter Stromstärke. Mit
anderen Worten: Die Stromquellen 56 und 62 sowie
die Stromsenken 60 und 66 werden immer von einem
ungefähr
gleichen Strom durchflossen. Als erwünschte Folge ändern sich
damit ihre Arbeitspunkte und dynamischen Eigenschaften nur unwesentlich.
Die Größe des Stromes
der ersten Stromquelle 56 und der ersten Stromsenke 60 und
somit die Größe der Differenz
der Ströme
im hohen und niedrigen Stromfall muss genügend groß sein um ein gutes dynamisches
Verhalten der Quellen und somit eine scharfe Pulsform in jedem Betriebszustand
zu gewährleisten.
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Die
Stromsteuerelemente 76, 78 werden bevorzugt synchron
und damit parallel durch ein Steuersignal I_CP_SW gesteuert, das
von der Steuerung 24 ausgegeben wird. Die Stromsteuerelemente 76, 78 und
Schalter 68, 70, 72, 74 können zum
Beispiel durch Transistoren realisiert werden.
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Bei
einer Unsymmetrie in den „UP"- und „Down"- Impulsen beim Einschwingen,
also wenn sich ihre Wirkungen nicht gegenseitig aufheben, steht
also im Hochstromfall eine Stromstärke von 5 mA und im Niedrigstromfall
eine Stromstärke
von 0,5 mA zur Umladung der Kapazitäten 25, 26 des
Schleifenfilters 22 zur Verfügung.
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Im
Rahmen der Erfindung werden die Stromsteuerelemente 76, 78 so
betrieben, dass im eingeschwungenen Zustand bei geschlossenen (leitenden)
Stromsteuerelementen 76, 78 an den Knoten 58 und 64 in
Summe nur kleine Ströme
auftreten, während
bei der Umsteuerung mit geöffneten
Stromsteuerelementen gearbeitet wird, was die Summe der Ströme an den
Knoten 58 und 64 erhöht.
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5a zeigt
einen zeitlichen Verlauf eines Steuersignals I_CP_SW, das die Ladungspumpe 20 steuert
und das von der Steuerung 24 in 1 ausgegeben
wird, vor, während
und nach dem Ändern der
Frequenz der Phasenregelschleife 10. In einem ersten Zeitbereich 82 ist
der Signalpegel niedrig, was geschlossenen Stromsteuerelementen 74, 76 und
einem ersten eingeschwungenen Zustand vor einer Frequenzänderung
entspricht.
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5b zeigt
in diesem ersten Zeitbereich 82 eine vergleichsweise niedrige
Frequenz der Phasenregelschleife 10. Anschließend erfolgt
eine Umladung der Schleifenfilterkapazitäten 25, 26 nach
dem Ändern
des Teilerfaktors N in Block 14 der 1, wenn
eine neue Frequenz programmiert wird. Um diese schnell zu erreichen
und das Schleifenfilter schnell umzuladen werden die Ladeströme der Ladungspumpe
erhöht.
durch Öffnen der
Stromsteuerelemente 74, 76 durch einen hohen I_CP_SW-Pegel
und ein damit einhergehendes Vergrößern der Lade/Entladestromstärken im
zweiten Zeitbereich 84.
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Der
zugehörige
Verlauf der Frequenz in 5b zeigt
einen zeitlich begrenzten Einschwingvorgang mit einer korrespondierenden
Vergrößerung der
Frequenzbandbreite (Projektion des Frequenzverlaufs aus dem Abschnitt 84 auf
die Ordinate). Nach dem mit höherer
Ladungspumpenstromstärke erfolgenden
Einschwingen wird der Pegel des Steuersignals I_CP_SW im dritten
Zeitbereich 86 wieder heruntergesetzt, was die Stromsteuerelemente 76 und 78 wieder
schließt
und so die Stromstärke
an den Knoten 58 und 64 herabsetzt.
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6 zeigt qualitativ die Schleifenverstärkung G
der Phasenregelschleife über
der logarithmisch aufgetragenen Frequenz in dem Einschwingbereich 84 (6a)
und den . eingeschwungenen Zuständen
in den Bereichen 82, 84 (6b). Die
vergleichsweise breite Kurve in der 6a ist
für ein schnelles
Einschwingen beim Umsteuern der Frequenz hilfreich und die vergleichsweise
schmale Kurve in der 6b repräsentiert die guten Rauscheigenschaften
des Systems im eingeschwungenen Zustand, da außerhalb des von der Kurve überdeckten Frequenzbereichs 28 die
Dämpfung
des Filters rauschende Anteile unterdrückt.
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7 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Ladungspumpe 20,
das der oben genannten Parallelschaltung von zwei Ladungspumpen
entspricht. Im Rahmen dieser Ausgestaltung sind die Stromquellen 56 und 62 sowie
die Stromsenken 60 und 66 zum Beispiel so dimensioniert,
dass die erste Stromquelle 56 eine Stromstärke von
4,5 mA liefert, die erste Stromsenke 60 eine Stromstärke von
4,5 mA zieht, die zweite Stromquelle 62 eine Stromstärke von
0,5 mA liefert und die zweite Stromsenke eine Stromstärke von
0,5 mA zieht. Über diese
speziellen Beispielwerte hinaus gelten für die Dimensionierung der genannten
Stromstärken
mutatis mutandis die weiter oben im Zusammenhang mit der Über-Kreuz-Ausgestaltung
angegebenen Zusammenhänge.
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels
nach der 7 wird der Niedrigstromfall
durch Wegschalten der ersten Stromquelle 56 und der ersten
Stromsenke 60 realisiert, so dass die Ladungspumpe Ladestromimpulse
und Entladestromimpulse von zum Beispiel betragsmäßig jeweils
0,5 mA an das Schleifenfilter 22 ausgibt. Entsprechend
wird der Hochstromfall durch Zuschalten der ersten Stromquelle 56 und
der ersten Stromsenke 60 realisiert, so dass die Ladungspumpe 20 im
Hochstromfall Ladestromimpulse und Entladestromimpulse von betragsmäßig jeweils
4,5 + 0,5 = 5 mA ausgibt.
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Somit
kann jedes Stromquellen- und Stromsenkenpaar auf die jeweiligen
dynamischen Eigenschaften abgestimmt werden um für jeden Stromfall scharfe Pulse
am Ausgang der Ladungspumpe 20 aus 1 zu erhalten.