DE102004057186B4

DE102004057186B4 - PLL-Schaltung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator

Info

Publication number: DE102004057186B4
Application number: DE102004057186A
Authority: DE
Inventors: Markus Dietl; Elmar Werkmeister
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2024-11-27
Also published as: EP1662664B1; US7408415B2; DE602005019014D1; DE102004057186A1; EP1662664A1; US20070120609A1

Abstract

PLL-Schaltung, mit einem spannungsgesteuerten Oszillator, der einen Steuereingang zum Anlegen einer variablen Steuerspannung aufweist, einem Phasen-Frequenz-Diskriminator, an dessen Ausgang, ein Schleifenfilter angeschlossen ist, das die Steuerspannung erzeugt, mehreren diskreten Frequenzeinstellelementen und einer Schalteranordung, die jedes der Frequenzeinstellelemente im spannungsgesteuerten Oszillator selektiv aktiviert oder deaktiviert und jeweils durch die aktivierten Frequenzeinstellelemente einen Teilfrequenzbereich bestimmt, über den der Oszillator mittels der Steuerspannung in einem Bereich zwischen einer vorbestimmten oberen und einer vorbestimmten unteren Steuerspannungsgrenze abgestimmt wird, wobei der Gesamtfrequenzbereich, über den der Oszillator abgestimmt werden kann, durch die Teilfrequenzbereiche gegeben ist, und ferner mit einem Schwellwertkomparator, der die Steuerspannung überwacht und die Schalteranordnung so ansteuert, dass sie eines der Frequenzeinstellelemente aktiviert oder deaktiviert, wenn die obere oder die untere Steuerspannungsgrenze erreicht oder überschritten wird; dadurch gekennzeichnet, dass eine Sperrschaltung vorgesehen ist, die gesetzt wird, wenn eines der Frequenzeinstellelemente aktiviert oder deaktiviert wird, um eine Aktivierung oder Deaktivierung weiterer Frequenzeinstellelemente zu inhibieren, und...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine PLL-Schaltung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Wenn ein als variabler Frequenzoszillator betriebener Phasenregelkreis (PLL) einen weiten Frequenzziehbereich haben soll und die Frequenzschwankung mit einem variablen Kapazitätselement in einer analogen Regelschleife erreicht wird, muss die Regelschleife eine hohe Verstärkung haben. Eine hohe Schleifenverstärkung kann ein hohes Phasen- oder Frequenzjitter verursachen. Diese Probleme begrenzen den Frequenzziehbereich, der mit einer analogen Regelschleife erzielt werden kann.
Aus der DE 102 29 130 B3 ist eine PLL-Schaltung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator bekannt, bei welcher der Gesamtfrequenzbereich in mehrere Teilfrequenzbereiche unterteilt ist, zwischen denen in diskreten Schritten umgeschaltet wird. Bei der bekannten PLL-Schaltung sind aber keine Maßnahmen vorgesehen, um nach der Zu- oder Abschaltung eines frequenzbestimmenden Elements weitere Zu- oder Abschaltungen zu verhindern, die dadurch verursacht werden können, daß die analoge Regelschleife die Steuerspannung für den Oszillator viel zu langsam auf den nach einer Umschaltung benötigten Spannungswert einstellt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer PLL-Schaltung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator, bei der ein stabiler Oszillatorbetrieb beim Umschalten zwischen den verschiedenen Teilfrequenzbereichen gewährleistet wird.
Die vorliegende Erfindung gemäß dem Patentanspruch 1 ist eine PLL-Schaltung mit einer niedrigen Schleifenverstärkung und einem weiten Frequenzziehbereich. Konkret umfasst die PLL-Schaltung der Erfindung einen spannungsgesteuerten Oszillator, der einen Steuereingang hat, an den eine variable Steuerspannung angelegt wird, und einen Phasen-Frequenz-Diskriminator mit einem Ausgang, der mit einem Schleifenfilter verbunden ist, um die Steuerspannung zu erzeugen. Eine Mehrzahl von diskreten Frequenzsteuerelementen, z.B. Kondensatoren, ist mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden. Eine Schalteranordung aktiviert und deaktiviert selektiv jedes der Frequenzsteuerelemente im spannungsgesteuerten Oszillator. Jede Anzahl von aktuell aktivierten Frequenzeinstellelementen bestimmt einen Teilfrequenzbereich über den der Oszillator durch eine Veränderung der Steuerspannung in einem Bereich zwischen einer oberen und einer unteren Steuerspannungsgrenze abgestimmt werden kann. Der Gesamtfrequenzbereich, über den der Oszillator abgestimmt werden kann, ist so in Teilfrequenzbereiche aufgeteilt, von denen jeder durch eine unterschiedliche Anzahl von aktivierten Frequenzeinstellelementen definiert ist. Da jeder Teilfrequenzbereich relativ schmal sein kann, benötigt die Regelschleife nur eine niedrige Schleifenverstärkung. Der Gesamtfrequenzbereich, über den der Oszillator abgestimmt werden kann, hängt hauptsächlich von der Anzahl von Kondensatoren ab, die selektiv aktiviert werden können. Somit verknüpft die PLL-Schaltung die analoge mit der digitalen Steuerung der Schleife, um eine niedrige analoge Verstärkung und einen weiten Frequenzziehbereich zu erreichen. Um die selektive Aktivierung und Deaktivierung der Frequenzeinstellelemente zu steuern, überwacht ein Schwellwertkomparator die Steuerspannung und steuert die Schaltungsanordnung dahingehend, daß je eines der Frequenzeinstellelemente aktiviert oder deaktiviert wird, wenn entweder die obere oder die untere Steuerspannungsgrenze erreicht oder überschritten wird. Da der Oszillator jedoch unmittelbar auf eine Änderung der Kapazität reagiert, die dessen Frequenz bestimmt, und die Steuerspannung viel mehr Zeit benötigt, um auf die Änderung der Frequenz zu reagieren, ist gemäß der Erfindung eine Sperrschaltung vorgesehen, die immer dann gesetzt wird, wenn einer der Kondensatoren aktiviert oder deaktiviert wird, um eine Aktivierung oder Deaktivierung weiterer Frequenzeinstellelemente zu inhibieren. Die Sperrschaltung wird erst dann zurückgesetzt, nachdem sich die Steuerspannung um einen vordefinierten Betrag. von der oberen bzw. unteren Steuerspannungsgrenze weg verändert hat. Vorzugsweise wird die Steuerspannung während des gesetzten Zustands der Sperrschaltung von der Steuerspannungsgrenze weg in Richtung der anderen Spannungsgrenze geändert. Da das Schleifenfilter normalerweise eine auf die Steuerspannung aufgeladene Filterkapazität enthält, wird der Phasen-Frequenz-Diskriminator während des gesetzten Zustands der Sperrschaltung funktional vom Schleifenfilter getrennt, und die Kapazität wird selektiv mit einer Ladungssenke oder einer Ladungsquelle verbunden, um die an den Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators angelegte Steuerspannung zu verringern oder zu erhöhen.
Obwohl die analoge Schleifenverstärkung innerhalb jedes Teilfrequenzbereichs des Oszillators konstant bleibt, ändert sie sich von einem Teilbereich zu einem anderen. Da eine Änderung der Schleifenverstärkung die Bandbreite der Schleife beeinflusst und eine Änderung der Bandbreite nachteilig für die Leistungsfähigkeit der Schleife ist, hat die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen Kompensationsmechanismus. Konkret wird eine dem Schleifenfilter zugeordnete Ladungspumpe mit einem Ladestrom versorgt, der in Übereinstimmung mit der Anzahl von aktivierten Kondensatoren bzw. dem bestimmten Teilfrequenzbereich, in dem der Oszillator arbeitet, auf eine Weise verändert wird, dass die Bandbreite der Schleife über den gesamten Ziehbereich des Oszillators hinweg im wesentlichen konstant bleibt.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel überlappen sich die Teilfrequenzbereiche gegenseitig, so dass die Regelschleife immer in einem linearen Bereich arbeiten kann.
Einzelheiten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. In den Zeichnungen:
ist 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen PLL-Schaltung;
2 ist eine schematische Darstellung einer variablen Kapazität in einem spannungsgesteuerten Oszillator;
3 ist ein Graph, der überlappende Teilfrequenzbereiche des Oszillators zeigt;
4 ist ein Diagramm, das die Entwicklung einer Steuerspannung beim Betrieb des Oszillators veranschaulicht;
5 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Frequenzsteuerschaltung; und
6 ist eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Frequenznachsteuerungsschaltung.
Die PLL-Schaltung in 1 ist ein variabler Frequenzoszillator. Auf eine allgemein herkömmliche Weise enthält die analoge Regelschleife einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 10, einen Frequenzteiler 12, der mit dem Ausgang des VCO 10 verbunden ist, einen Phasen-Frequenzdiskriminator (PFD) 14 mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Frequenzteilers 12 verbunden ist, und einem zweiten Eingang, der eine Referenzfrequenz fin empfängt, eine Ladungspumpe (CP) 16, die mit den Ausgängen „höher" und „niedriger" des PFD 14 verbunden ist, und ein Schleifenfilter (LF) 18, das einen Eingang mit dem Ausgang des LF 16 verbunden hat und einen Ausgang mit einem Steuereingang des VCO 10 verbunden hat und ein Frequenzsteuersignal V_CRTL liefert. Der Frequenzteiler 12 teilt die Ausgabe des VCO 10 mit Frequenz f_out durch „n", um eine Systemfrequenz f_sys zu liefern.
Der VCO 10 enthält einen variablen Kondensator C und eine Anzahl von Festkondensatoren C₁ bis C₅, deren Anzahl natürlich nur beispielhaft ist. Jeder der Festkondensatoren C₁ bis C₅ kann funktional parallel mit dem variablen Kondensator C durch eine im VCO 10 enthaltene Schaltungsanordnung selektiv geschaltet werden. Die Kapazität des variablen Kondensators 10 wird durch die Steuerspannung V_CRTL gesteuert. Die tatsächliche Kapazität, die die Betriebsfrequenz des Oszillators bestimmt, ist die Summe der Kapazitäten des Kondensators C und jeder der Festkondensatoren C₁ bis C₅, die durch die Schaltungsanordnung im VCO 10 parallel geschaltet sind. Es sollte verstanden werden, dass die Kondensatoren C₁ bis C₅ in einem tatsächlichen Schaltungsentwurf in CMOS-Technologie zwischen den Stufen eines Ringoszillators, der typischerweise den variablen Frequenzoszillator bilden würde, verteilt wären.
Der VCO 10 hat einen Steuereingang für jeden der Festkondensatoren C₁ bis C₅. Die Steuereingänge „1" bis „5" sind mit entsprechenden Ausgängen einer Betriebsartauswahlschaltung 20 verbunden. Die Betriebsartauswahlschaltung 20 hat einen Takteingang und einen Steuereingang, die beide mit entsprechenden Ausgängen eines Steuerspannungssensors 22 verbunden sind. Die Ausgänge der Betriebsartauswahlschaltung 20 sind „thermometerkodiert", d.h. je mehr Ausgänge einen „hohen" Logikwert haben, desto mehr der Festkondensatoren C₁ bis C₅ werden durch die Schaltungsanordnung im VCO 10 aktiviert (parallel mit Kondensator C geschaltet).
Der Steuerspannungssensor 22 hat einen Eingang mit dem Ausgang von LF 18 verbunden, um die Steuerspannung V_CRTL zu empfangen. Der Steuerspannungssensor 22 vergleicht die Steuerspannung V_CRTL mit vorbestimmten oberen und unteren Referenzspannungsgrenzen. Immer, wenn die Steuerspannung V_CRTL eine dieser Spannungspegel erreicht, liefert der Steuerspannungssensor einen Taktimpuls an die Betriebsartauswahlschaltung 20. Gleichzeitig liefert der Steuerspannungssensor 22 ein Steuersignal „höher/niedriger", das anzeigt, ob der obere oder der untere Referenzpegel erreicht ist und ob ein Festkondensator aktiviert oder deaktiviert werden muss, damit ein entsprechender Ausgang der Betriebsartauswahlschaltung 20 von einem Logikzustand in den entgegengesetzten Logikzustand geändert wird.
Das Steuersignal „höher/niedriger" wird auch an einem Steuereingang einer Logikschaltung 24 eingespeist. Ein erster Ausgang der Logikschaltung 24 ist mit dem Ausgang des LF 18 verbunden. Ein zweiter Ausgang der Logikschaltung 24 ist mit einem Steuereingang eines zwischen die Ausgänge des PFD 14 und die Eingänge der CP 16 geschalteten Schalters 26 verbunden. Die Logikschaltung 24 hat ferner Eingänge „Aktivieren" und „Zurücksetzen", die mit entsprechenden Ausgängen des Steuerspannungssensors 22 verbunden sind.
Eine steuerbare Laststromquelle 28 ist mit der Ladepumpe CP 16 verbunden, um einen variablen Ladestrom zu liefern, und sie hat Steuereingänge, die mit den Ausgängen „1" bis „5" der Betriebsartauswahlschaltung 20 verbunden sind.
In 2 hat ein invertierender Puffer 30 einen variablen Kondensator C und Festkondensatoren C₁ bis C₅ an seinen Ausgang angeschlossen. Puffer 30 kann einer von z.B. fünf Stufen eines Ringoszillators im VCO 10 sein. Jeder der Festkondensatoren C₁ bis C₅, hat einen Anschluss durch einen entsprechenden Schalter SW1 bis SW5 der Schaltungsanordnung im VCO 10 mit Masse Gnd verbunden. Jeder Schalter SW1 bis SW5 wird durch einen entsprechenden der Steuereingänge „1" bis „5" gesteuert. Durch selektives Steuern der Schalter SW1 bis SW5 werden die entsprechenden Kondensatoren C₁ bis C₅ parallel mit Kondensator C geschaltet.
Im in 3 dargestellten beispielhaften Ausführungsbeispiel ist ein sich von 250 MHz bis 1,25 GHz erstreckender Gesamtfrequenzziehbereich in sechs Teilbereiche aufgeteilt, die „Betriebsarten" 0 bis 5 genannt werden. Betriebsart 0 entspricht dem Zustand, in dem alle Kondensatoren C₁ bis C₅ deaktiviert sind, und ist somit der höchste Teilfrequenzbereich. Betriebsart 5 entspricht dem Zustand, in dem alle Kondensatoren C₁ bis C₅ aktiviert sind, und ist somit der niedrigste Teilfrequenzbereich. Die Teilfrequenzbereiche überlappen sich gegenseitig am oberen bzw. unteren Ende. Im gezeigten Beispiel wird durch jede Betriebsart hindurch in einer Zeitspanne von 1 μs abgestimmt, indem die Steuerspannung V_CRTL im verfügbaren Bereich der im Wesentlichen linearen Schleifenoperation variiert wird.
3 veranschaulicht ein Verfahren, bei dem die Eingangsfrequenz fin am PFD zunimmt und die Steuerspannung V_CRTL entsprechend abnimmt. An Punkt „2" im Graphen erreicht die Steuerspannung einen vorbestimmten oberen Referenzspannungspegel, der als „4/5" gekennzeichnet ist und einen 4/5tel Bruchteil einer Festreferenzspannung darstellt. Der Steuerspannungssensor 22 liefert nun der Betriebsartauswahlschaltung 20 einen Taktimpuls und ein Steuersignal „obere", so dass die Betriebsartauswahlschaltung einen ihrer Ausgänge vom „hohen" Logikzustand auf „niedrigen" Logikzustand zwingt, wodurch einer der Kondensatoren C₁ bis C₅ im VCO 10 deaktiviert wird. Gleichzeitig liefert der Steuerspannungssensor 22 ein Signal „Aktivieren" und das Signal „obere" an die Logikschaltung 24. Die Logikschaltung sperrt nun den PFD 14 durch Öffnung des Schalters 26 und Trennung des PFD 14 von der Ladepumpe. Außerdem verbindet die Logikschaltung 24 den Ausgang des LF 18 mit einer Ladesenke, um die darin enthaltene Kapazität zu entladen, wodurch die Steuerspannung V_CRTL verringert wird, bis Punkt „3" im Diagramm von 4 erreicht ist. In einer praktischen Implementierung würde die Kapazität in LF 18 durch einen Pull-Down-Widerstand an Masse entladen werden. Bei Punkt „3" in 4 detektiert der Steuerspannungssensor 22 eine Steuerspannung mit einem anderen Bruchteil der Festreferenzspannung, 3/4tel in diesem Beispiel. Der Steuerspannungssensor 22 liefert nun ein Signal „Zurücksetzen" an die Logikschaltung 24, wodurch verursacht wird, dass Schalter 26 geschlossen wird, und der Ausgang des LF 18 von der Ladesenke getrennt wird. Wenn die Oszillatorfrequenz noch immer zu niedrig ist, nimmt die Steuerspannung V_CRTL erneut von Punkt „3" an zu, und das Betriebsartumschaltverfahren wird an Punkt „4" wiederholt. An Punkt „5" erreicht die Steuerspannung V_CRTL den 3/4telten Bruchteil der Referenzspannung, und die Logikschaltung 24 kehrt zu ihrem nicht sperrenden Zustand zurück.
In 4 wird angenommen, dass die Frequenz nach dem zweiten Betriebsartumschaltschritt zu hoch ist, so dass die Regelschleife die Steuerspannung V_CRTL nach Punkt „5" so lange verringert, bis die Regelschleife bei Punkt „6" synchron wird.
Die Sperr- und Pull-Down-Funktionen der Logikschaltung gewähren der Regelschleife ausreichend Zeit zur Anpassung der Steuerspannung nach jedem Betriebsartumschaltschritt. Ein ähnliches wie das in 4 dargestellte Verfahren findet statt, wenn die Frequenz fin des Eingangssignals verringert wird. In diesem Fall ist eine untere vorbestimmte Referenzspannung 1/5tel Bruchteil der Festreferenzspannung, und 1/4tel Bruchteil ist der Pegel, an dem der Steuerspannungssensor 22 ein Signal „Zurücksetzen" an die Logikschaltung 24 liefert. Um die Steuerspannung nach einem Betriebsartumschaltschritt, bei dem ein Festkondensator aktiviert wird, zu erhöhen, würde die Logikschaltung 24 den Ausgang des LF 18 durch einen Pull-Up-Widerstand mit einer Stromquelle verbinden.
Zur Aufrechterhaltung einer im Wesentlichen konstanten Bandbreite der Schleife über den gesamten Frequenzziehbereich hinweg liefert die Stromquelle 28 einen variablen Strom an die Ladungspumpe CP 16 in Übereinstimmung mit der aktuellen Betriebsart des Oszillators.
Im Ausführungsbeispiel der 5 hat ein invertierender Puffer 30a einen variablen Kondensator Ca mit seinem Ausgang verbunden. Puffer 30a wird aus einer Mehrzahl von Stromquellen I₀, I₁, I₂, I₃, ... versorgt, die durch eine Anordnung von Schaltern Sw₁, Sw₂, Sw₃, ... parallel geschaltet werden können. Wie in 2 ist die gezeigte Anordnung nur eine Stufe des Ringoszillators, der den VCO bildet. Je mehr der Stromquellen parallel geschaltet werden, desto schneller wird der Kondensator Ca geladen und desto höher wird die Frequenz des Oszillators.
Im Ausführungsbeispiel der 6 sind die Pufferstufen 30₀ , 30₁ , 30₂ , 30₃ , ... parallel mit dem variablen Kondensator Cb geschaltet und können durch Anlegung eines entsprechenden Steuersignals an einem Freigabeeingang selektiv freigegeben werden. Jeder der Freigabeeingänge E der Pufferstufen 30₁ , 30₂ , 30₃ , ... wird durch einen der Schalter Sw₁, Sw₂, Sw₃, ... in einer Schaltungsanordnung selektiv mit einer Steuerspannungsquelle verbunden.

Claims

PLL-Schaltung, mit einem spannungsgesteuerten Oszillator, der einen Steuereingang zum Anlegen einer variablen Steuerspannung aufweist, einem Phasen-Frequenz-Diskriminator, an dessen Ausgang, ein Schleifenfilter angeschlossen ist, das die Steuerspannung erzeugt, mehreren diskreten Frequenzeinstellelementen und einer Schalteranordung, die jedes der Frequenzeinstellelemente im spannungsgesteuerten Oszillator selektiv aktiviert oder deaktiviert und jeweils durch die aktivierten Frequenzeinstellelemente einen Teilfrequenzbereich bestimmt, über den der Oszillator mittels der Steuerspannung in einem Bereich zwischen einer vorbestimmten oberen und einer vorbestimmten unteren Steuerspannungsgrenze abgestimmt wird, wobei der Gesamtfrequenzbereich, über den der Oszillator abgestimmt werden kann, durch die Teilfrequenzbereiche gegeben ist, und ferner mit einem Schwellwertkomparator, der die Steuerspannung überwacht und die Schalteranordnung so ansteuert, dass sie eines der Frequenzeinstellelemente aktiviert oder deaktiviert, wenn die obere oder die untere Steuerspannungsgrenze erreicht oder überschritten wird; dadurch gekennzeichnet, dass eine Sperrschaltung vorgesehen ist, die gesetzt wird, wenn eines der Frequenzeinstellelemente aktiviert oder deaktiviert wird, um eine Aktivierung oder Deaktivierung weiterer Frequenzeinstellelemente zu inhibieren, und die erst dann zurückgesetzt wird, nachdem sich die Steuerspannung um einen vordefinierten Betrag von der oberen bzw. unteren Steuerspannungsgrenze weg verändert hat.
PLL-Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannung während des gesetzten Zustands der Sperrschaltung von der erreichten oder überschrittenen Steuerspannungsgrenze weg in Richtung der anderen Steuerspannungsgrenze verändert wird.
PLL-Schaltung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasen-Frequenz-Diskriminator während des gesetzten Zustands der Sperrschaltung funktional vom Schleifenfilter getrennt wird und die Kapazität des Schleifenfilters selektiv mit einer Ladungssenke oder einer Ladungsquelle verbunden wird, um die an den Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators angelegte Steuerspannung zu verringern oder zu erhöhen.
PLL-Schaltung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Schleifenfilter verbundene Ladungspumpe mit einem variablen Ladestrom versorgt wird, um eine Änderung der Schleifenbandbreite bei Aktivierung oder Deaktivierung eines der Frequenzeinstellelemente zu kompensieren.
PLL-Schaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzeinstellelemente durch Festkondensatoren gebildet sind.
PLL-Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzeinstellelemente durch Stromquellen gebildet sind.
PLL-Schaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilfrequenzbereiche einander überlappen.