DE102005003155A1

DE102005003155A1 - PLL-Phasen/Frequenz-Detektor mit einer Ladungspumpe mit voll differentiellem Ausgang

Info

Publication number: DE102005003155A1
Application number: DE200510003155
Authority: DE
Inventors: Magnus Karl-Olof Karlsson
Original assignee: Zarlink Semiconductor AB
Current assignee: Microsemi Semiconductor AB
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2025-01-22
Also published as: FR2865586B1; GB2410387B; US7187242B2; FR2865586A1; GB2410387A; US20050168291A1; DE102005003155B4; JP4128571B2; GB0401536D0; JP2005236976A

Abstract

Der Ladungsstrom in einer Ladungspumpe einer phasenverriegelten Schleife wird angeglichen, indem eine der Quellen für Gleichstrom mit einem Rückkopplungssignal gesteuert wird, das von der Spannung im gemeinsamen Modus eines voll differentiellen phasenverriegelten Schleifenfilters abgeleitet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Gebiet der phasenverriegelten Schleifen bzw. der Phasenregelschleifen (PLLs) und insbesondere ein Verfahren der Ladestromangleichung bei einer Ladungspumpe einer phasenverriegelten Schleife, die ein Paar Quellen für Gleichstrom umfaßt.
Hintergrund der Erfindung
Eine PLL benutzt typischerweise einen Phasendetektor, einem Schleifenfilter, einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und eine Rückkopplungsschleife, um aus einem Referenzsignal ein Ausgangssignal zu erzeugen. Wenn PLLs auf integrierten Schaltungen vom Typ CMOS integriert sind, entweder mit einem Schleifenfilter auf dem Chip oder getrennt vom Chip, muß eine voll differentielle Steuerspannung des spannungsgesteuerten Oszillators VCO benutzt werden, um Rauscheintragen zu verhindern. Ansonsten können unerwünschte Spitzen oder verschlechterndes Phasenrauschen auftreten.
Im allgemeinen, aus Gründen der Einfachheit, wenn ein Schleifenfilter außerhalb des Chips eingesetzt wird, wird eine einfach endende Steuerspannung verwendet. Obwohl eine einfach endende Steuerspannung die Leistungsfähigkeit nicht verschlechtert, wenn ein Schleifenfilter außerhalb des Chips verwendet wird, kann dieser Ansatz nicht benutzt werden, wenn ein Schleifenfilter auf dem Chip benutzt wird, oder wenn minimierte Ladungspumpenströme gefordert werden.
Eine Möglichkeit ist es, einen Ansatz mit einer voll differentiellen Steuerspannung zu benutzen, wie in 1 gezeigt, jedoch wird dieser Ansatz üblicherweise nicht benutzt, da die Quellen für Quellen- und Senkenstrom, die in der Ladungspumpe benutzt werden, nicht gleich sein können, wenn nicht ein automatisches Regulationssystem einer Spannungssteuerung im gemeinsamen Modus benutzt wird, weil die beiden Stromquellen in einer Halbleitervorrichtung aufgrund von Prozeßvariationen und anderen Ungleichheiten niemals gleich sind.
Um die Prozeßvariation zu verhindern, werden üblicherweise geschaltete Stromquellen eingesetzt, wie es in 2 gezeigt ist. Um sicherzustellen, daß die Stromquellen gesättigt sind, d.h. angeschaltet sind, schalten zwei zusätzliche Schalter die Stromquellen mit hoher Impedanz auf eine Spannungsquelle mit niedriger Impedanz kurz, die in der Variante mit einem einfachen Ausgang die Spannung am Ausgang verfolgt.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Angleichen des Ladungsstromes in einer Ladungspumpe einer phasenverriegelten Schleife zur Verfügung gestellt, welche ein Paar von Quellen für Gleichstrom umfaßt, welches das Bereitstellen eines voll differentiell arbeitenden phasenverriegelten Schleifenfilters und das Steuern einer der Quellen für Gleichstrom mit einem Rückkopplungssignal, das von einer Spannung des voll differentiell arbeitenden phasenverriegelten Schleifenfilters im gemeinsamen Modus abgeleitet ist, aufweist.
Die Erfindung löst ein Problem, das mit der Tatsache verbunden ist, daß zwei Stromquellen in einer Halbleitervorrichtung aufgrund von Prozeßvariation und anderen Unregelmäßigkeiten niemals gleich sind. Das Problem ungleicher Stromquellen verhindert den Einsatz einer voll differentiellen Ladungspumpe und eines Schleifenfilters, da jeglicher Unterschied im Quellen- und Senkenstrom den voll differentiellen Schleifenfilter, welcher in bezug auf eine Massereferenz schwimmt, entweder zur positiven oder negativen Spannungszufuhr schwingt, was zu einer verschlechterten Leistungsfähigkeit und höherer Empfindlichkeit auf Rauschen führt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Erfindung aus einem Phasen/Frequenz-Detektor mit nicht überlappendem Steuersignal, welcher eine voll differentielle Ladungspumpe mit aktiver Steuerung des gemeinsamen Modus steuert, die nur dann über einen Schleifenfilter angeschlossen ist, während das Laden durchgeführt wird, sonst nicht. Die Anordnung verschlechtert das Phasenrauschen und die Spitzenleistung der VCO-Ausgabe nicht, wie es andere Ladungspumpen und Steuerverfahren für den gemeinsamen Modus tun.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Steuerung fehlerfreier Ladungseingabe in den Schleifenfilter und die Steuerung der Spannung im gemeinsamen Modus eines voll differentiellen und mit Bezug auf die Masse- oder Referenzspannung, schwimmenden Schleifenfilters. Die Erfindung benutzt bevorzugt eine Steuerung im gemeinsamen Modus, welche das Phasenrau schen nicht verschlechtert, und eine Steuerung über Schalter, welche die fehlerhafte Ladungseingabe in den Schleifenfilter ausschaltet.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine phasenverriegelte Schleife zur Verfügung, welche einen Phasendetektor, einen voll differentiellen Schleifenfilter, eine Ladungspumpe mit einem Paar Quellen für Gleichstrom zum Eingeben von Ladung in den voll differentiellen Filter und eine Rückkopplungsschleife zum Steuern einer der Stromquellen mit einem Rückkopplungssignal, das von einer Spannung des gemeinsamen Modus des voll differentiellen Schleifenfilters abgeleitet ist, zur Verfügung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten beschrieben, lediglich beispielhaft, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, wobei:
1 einen Phasen/Frequenz-Detektor und eine Ladungspumpe mit voll differentiellem Ausgang mit geschalteten Stromquellen des Standes der Technik zeigt;
2 einen Phasen/Frequenz-Detektor und eine Ladungspumpe mit einfachem Ausgang mit geschalteten Stromquellen des Standes der Technik zeigt;
3 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt, einschließlich eines Phasen/Frequenz-Detektors und einer Ladungspumpe mit voll differentiellem Ausgang ohne Überlappung der Schaltung von Stromquellen und aktiver Steuerung im gemeinsamen Modus mit nur kapazitiver Last.
4 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt, die nur den Spannungsdetektorfilter für den gemeinsamen Modus mit gepufferten Eingängen und einem durch ein RC-Netzwerk gefilterten Ausgang umfaßt; und
5 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt, welche nur die Stromregulationsschleife umfaßt.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Mit Bezug nun auf 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfinderischen Verfahrens, um die Stromquellen positiver und negativer Ladung einer PLL-Ladungspumpe anzugleichen, gezeigt.
Die Ausführungsform weist einen Phasendetektor 10 auf, welcher ein Paar nach oben und unten zählender Zähler 11, 17 und ein NAND-Gatter 13 aufweist. Ein Controller 19 für nicht überlappende Schalter steuert die Schalter 28, 29, 30, 31, 32, 33. Der Zweck des Nichtüberlappungsschemas ist es, zu verhindern, daß der voll differentielle Schleifenfilter 34 während des Schaltens kurzgeschlossen wird, was fehlerhafte Ladungseingabe hervorrufen kann. Der Schleifenfilter 34 steuert typischerweise einen spannungsgesteuerten Oszillator (nicht gezeigt).
Die PLL hat eine positive Spannungsquelle 20, welche nicht reguliert und konstant ist. Eine Negativstromquelle 21 befindet sich in einer Abtast-Regulationsschleife 100, die aus einem Detektorfilter 22 für die Spannung im gemeinsamen Modus, einem Spannungssubstrahierer 24, einem Verstärker 25 und einem Begrenzer 26 gebildet ist.
Die Regulationsschleife 100 zwingt den Wert der Negativstromquelle 21 derart, daß die Spannung im gemeinsamen Modus der Knoten vcp und vcn der Referenzspannung im gemeinsamen Modus vcn_ref gleich ist, welche von einer Spannungsquelle 23 erzeugt wird.
Der Satz der Schalter 28–33 führt die Operation des Schaltens der Stromquellen entweder auf einen der vcp oder vcn-Knoten oder auf einen gemeinsamen Knoten durch, welcher auf eine Spannung gleich der Referenzspannung im gemeinsamen Modus durch einen Puffer 27 gezwungen wird, abhängig von der Ausgabe des Phasen/Frequenz-Detektors 10.
Der Zweck des Puffers 27 ist es sicherzustellen, daß die Stromquellen 20 und 21 immer eingeschaltet sind, um ein zeitabhängiges Laden des voll differentiellen Schleifenfilters 34 auszuschalten.
Die Schaltoperation zwingt die Schleife dazu, eine Abtastschleife zu sein. Dies erfordert, daß die Bandbreite der stromregulierenden Schleife viel geringer ist als die Abtastfrequenz, die durch die Frequenz des Referenzfrequenzsignals definiert ist. In der Praxis ist dies keine signifikante Einschränkung.
4 zeigt in weiteren Einzelheiten eine bevorzugte Ausführungsform des Spannungsdetektorfilters 22 für den gemeinsamen Modus. Vier Eingangspuffer 35–38 mit hoher Impedanz, mit der Verstärkung 1, isolieren die Knoten vcp und vcn von einem RC-Filternetzwerk, das aus den Widerständen 39, 40, 41, 42, 45 und 46 und den Kondensatoren 43, 44 besteht, welches zwei Aufgaben durchführt, nämlich:

a) Erfassen der Spannung im gemeinsamen Modus
b) Tiefpaßfiltern der Spannung im gemeinsamen Modus, um jegliche Inhalte einer differentiellen Signalfrequenz zu entfernen.

5 zeigt eine genaue bevorzugte Ausführungsform der Stromregulationsschleife. Hier ist der Referenzspannungsgenerator 23 aus einem Widerstandsteiler 48 und 49 gebildet, welcher die Referenzspannung vcm_ref in einen Operationsverstärker, im folgenden opamp genannt, welcher als ein Spannungsfolger 75 ausgebildet ist, und einen Transkonduktanz-Operationsverstärker 50, hiernach als OTA bezeichnet, eingespeist.
Die Stromregulationsschleife besteht aus einem Detektorfilter 22 für die Spannung im gemeinsamen Modus, welcher die bevorzugte Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, den OTA, eine Strombegrenzerschaltung 27 mit vier Stromquellen 51, 52, 57 und 58 und vier MOS-Vorrichtungen 53–56 hat.
Auch in der Regulationsschleife enthalten sind ein Stromsummierpunkt 74, an dem der nominale Referenzstrom der negativen Stromquelle I_{CPn_ref0}, der von der PMOS-Vorrichtung 71 erzeugt wird, und der Regulationsstrom I_reg aufsummiert werden, was zu dem regulierten Referenzstrom I_{CPn_ref} führt. Die Schleife umfaßt auch MOS-Vorrichtungen 60, 62, 63, 64, 65, 68, 69, 70, 71, die Stromquelle 66 und Spannungsquellen 59, 67.
Die Regulationsschleife wird durch die Tatsache geschlossen, daß ICPp und ICPn den voll differentiellen Schleifenfilter 34 laden, wenn die Spannung im gemeinsamen Modus erfaßt und von dem obengenannten Detektorfilter 22 für die Spannung im gemeinsamen Modus gefiltert wird, von dem die Ausgabe in den gegenüberliegenden Eingang des obengenannten OTA gespeist wird.
Wie oben beschrieben werden, um das fehlerhafte Laden des Schleifenfilters auszuschalten, die Schaltersteuersignale, welche die Schalter der Stromquellen steuern, von den Phasen/Frequenz-Detektorausgängen erzeugt, nach oben und nach unten durch ein nicht überlappendes Schema 19.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Verfahren zum Angleichen des Ladungsstromes in einer Ladungspumpe einer phasenverriegelten Schleife, welche ein Paar Quellen für Gleichstrom umfaßt, mit: dem Bereitstellen eines voll differentiellen phasenverriegelten Schleifenfilters (34); und dem Steuern einer der Quellen für Gleichstrom mit einem Rückkopplungssignal, das von einer Spannung im gemeinsamen Modus des voll differentiellen phasenverriegelten Schleifenfilters (34) abgeleitet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Rückkopplungssignal durch einen Detektorfilter (22) erzeugt wird, der die Spannung im gemeinsamen Modus des voll differentiellen Verstärkers und Tiefpaßfilters der Spannung im gemeinsamen Modus erfaßt, um jegliche differentielle Signalkomponente zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Detektorfilter (22) ein Filter mit kapazitiver Last ist, welcher Ausgangssignale der Ladungspumpe als seine Eingangssignale erhält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Quellen für Gleichstrom mit Schaltern versehen sind, deren Steuersignale von einem Controller für nicht überlappende Signale erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Steuersignale aus heraufgezählten/herabgezählten Ausgaben des Phasendetektors (10) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Rückkopplungssignal von der Steuerspannung des gemeinsamen Modus und einer Referenzspannung abgeleitet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Rückkopplungssignal den Wert der einen Quelle für Gleichstrom treibt, um sicherzustellen, daß die Steuerspannung für den gemeinsamen Modus gleich der Referenzspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Steuerspannung des gemeinsamen Modus von der Referenzspannung subtrahiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Referenzspannung von einem Widerstandsteiler zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Rückkopplungsschleife eine Abtastschleife ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Bandbreite der Abtastschleife kleiner ist als die Abtastfrequenz, die durch die Frequenz eines Referenzfrequenzsignals definiert ist.
Phasenverriegelten Schleife, mit: einem Phasendetektor (10); einem voll differentiellen Schleifenfilter (34); einer Ladungspumpe mit einem Paar (20, 21) Quellen für Gleichstrom zum Einbringen von Ladung in den voll differentiellen Filter (34); und einer Rückkopplungsschleife zum Steuern einer der Spannungsquellen mit einem Rückkopplungssignal, das von einer Spannung im gemeinsamen Modus des voll differentiellen Schleifenfilters (34) abgeleitet ist.
Phasenverriegelte Schleife nach Anspruch 12, welche weiterhin eine Spannungsreferenzquelle (23) aufweist, wobei das Rückkopplungssignal eine Stromquelle so steuert, daß die Spannung im gemeinsamen Modus gleich der Referenzspannung ist.
Phasenverriegelte Schleife nach Anspruch 13, bei der die Rückkopplungsschleife einen Rückkopplungsfilter (22) umfaßt, welcher Eingaben von den Stromquellen erhält.
Phasenverriegelte Schleife nach Anspruch 14, bei der der Rückkopplungsfilter (22) voll kapazitiv ist.
Phasenverriegelte Schleife nach Anspruch 15, bei der der voll kapazitive Rückkopplungsfilter (22) ein Netzwerk aus Widerständen (39, 40, 41, 42, 45, 46) und Kondensatoren (43, 44) aufweist.
Phasenverriegelte Schleife nach Anspruch 16, bei der der Rückkopplungsfilter weiter Eingangspuffer (35, 36, 37, 38) mit hoher Impedanz aufweist, um den voll differentiellen Verstärker von dem Netzwerk aus Widerständen und Kondensatoren zu isolieren.
Phasenverriegelte Schleife nach Anspruch 13, bei der die Quelle (23) für die Referenzspannung ein Widerstands-Spannungsteiler (48, 49) ist.
Phasenverriegelte Schleife nach Anspruch 18, bei der die Rückkopplungsschleife weiter einen Strombegrenzer (17) umfaßt.
Phasenverriegelte Schleife nach Anspruch 19, bei der der Strombegrenzer (27) ein Netzwerk aus Stromquellen (51, 52, 57, 58) und MOS-Vorrichtungen (53, 54, 55, 56) umfaßt.
Phasenverriegelte Schleife nach Anspruch 20, bei der die Rückkopplungsschleife einen Transkonduktanz-Verstärker (50) umfaßt, welcher die Referenzspannung von dem Widerstands-Spannungsteiler (48, 49) empfängt.
Phasenverriegelte Schleife nach Anspruch 12, bei der der Schleifenfilter (34) einen Puffer (27) umfaßt, um sicherzustellen, daß die Quellen (20, 21) für Gleichstrom immer angeschaltet sind, um das zeitabhängige Laden des voll differentiellen Schleifenfilters (34) auszuschalten.