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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
zur Amplituden-Regelung eines oszillatorischen Signals. Die Erfindung
betrifft im Speziellen oszillatorische Signale, welche durch auf
Kristallen, z.B. Quarz-Kristallen, basierende Oszillatorschaltungen
erzeugt werden.
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Für Mikroprozessor-Anwendungen,
insbesondere Bereich digitaler Kommunikationsanwendungen, werden
zur Bereitstellung eines Zeit-Normals bzw. Taktsignals Oszillatorschaltungen
benötigt,
welche hohe Anforderungen bezüglich
ihrer Leistungsaufnahme, bezüglich
Phasenschwankungen zwischen Nutzsignalen und dem Taktsignal und
bezüglich
harmonischer Verzerrungen eines erzeugten oszillatorischen Signals
erfüllen.
Im Hinblick auf diese Anforderungen ist üblicherweise eine Amplituden-Regelung
des oszillatorischen Signals vorgesehen.
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In
der US 2002/0067204 A1 ist beispielsweise eine Schaltungsanordnung
zur Amplituden-Regelung eines oszillatorischen Signals offenbart,
welche vorsieht, dass abhängig
von einem Vergleich des oszillatorischen Signals, d.h. dessen Amplitude,
mit einem Referenzsignal, ein Steuersignal erzeugt wird. Das Steuersignal
dient der Einstellung einer Amplitude des von einer Oszillatorschaltung
erzeugten oszillatorischen Signals.
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Ein
Problem bei der herkömmlichen
Amplituden-Regelung besteht jedoch darin, dass charakteristische
Eigenschaften eines dafür
eingesetzten Regelkreises festgelegt sind und nur für eine bestimmte Oszillatorschaltung
und einen bestimmten Frequenzbereich optimierbar sind. Dies stellt
insbesondere ein Problem dar, wenn ein externes oder internes Austauschen
der Oszillatorschaltungen vorgesehen ist, um z.B. verschiedene Betriebsfrequenzen
bereitzustellen.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und
eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, welche das oben beschriebene Problem
lösen und
insbesondere eine kurze Zeit zur Einregelung der Amplitude bei gleichzeitig
hoher Stabilität
des Regelkreises gewährleisten.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren zur Amplituden-Regelung gemäß Anspruch
1 bzw. eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 9 gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur
Amplituden-Regelung eines oszillatorischen Signals ist eine Amplitude
des oszillatorischen Signals durch ein Steuersignal einstellbar.
Das oszillatorische Signal wird mit einem Referenzsignal verglichen.
Bei dem Referenzsignal handelt es sich um ein im Wesentlichen konstantes
Signal, d.h. der Wert des Referenzsignals ändert sich lediglich auf Zeitskalen, die
größer sind
als eine Periodendauer des oszillatorischen Signals. Abhängig von
dem Vergleich des oszillatorischen Signals mit dem Referenzsignal,
wird das Steuersignal mittels eines Regelkreises derart geregelt,
dass die Amplitude des oszillatorischen Signals abhängig von
dem Referenzsignal auf einen gewünschten
Wert eingeregelt wird. Insbesondere kann die Amplitude des oszillatorischen
Signals dem Referenzsignal angeglichen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, dass das oszillatorische Signal mit
mindestens einem weiteren im Wesentlichen konstanten Referenzsignal
verglichen wird und der Regelkreis abhängig von dem Vergleich des oszillatorischen
Signals mit dem mindestens einen weiteren Referenzsignal angepasst
wird.
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Hierdurch
wird eine Zeit zur Einregelung der Amplitude verkürzt und
die Stabilität
des Regelkreises, z.B. gegenüber
den Eigenschaften der Oszillatorschaltung oder externer Einflüsse erhöht.
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Bei
dem Vergleich des oszillatorischen Signals mit dem Referenzsignal
und/oder mit dem mindestens einen weiteren Referenzsignal kann insbesondere
die Amplitude des oszillatorischen Signals mit dem Referenzsignal
und/oder dem mindestens einen weiteren Referenzsignal verglichen
werden.
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Der
Regelkreis umfasst vorzugsweise einen Widerstand und eine Kapazität, welche
eine Zeitkonstante des Regelkreises bestimmen, so dass die Anpassung
des Regelkreises insbesondere durch Anpassung der Zeitkonstante
des Regelkreises erfolgen kann. Dies geschieht vorzugsweise durch
ein entsprechendes Einstellen des Widerstandes.
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Das
Steuersignal wird vorzugsweise erzeugt, indem die Kapazität abhängig von
dem Vergleich des oszillatorischen Signals mit dem Referenzsignal
durch einen Ladestrom aufgeladen bzw. entladen wird. Hierdurch wird
eine Ladung der Kapazität
abhängig
von dem Vergleich erhöht
bzw. erniedrigt, womit ein sich entsprechend änderndes Spannungssignal verknüpft ist.
Aus dem Spannungssignal kann wiederum das Steuersignal für die Oszillatorschaltung
abgeleitet werden. Es ist dabei vorteilhaft, zur Anpassung des Regelkreises
den Ladestrom anzupassen.
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Das
beschriebene Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, da es sich
auf einfache Weise schaltungstechnisch mittels entsprechender Transistor-Schaltungen
realisieren lässt.
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Eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
umfasst hierfür
Vergleichsmittel, z.B. in Form von Komparatoren, zum Vergleich des
oszillatorischen Signals mit dem Referenzsignal und dem mindestens
einen weiteren Referenzsignal, einen Regelkreis zum Regeln des Steuersignals
und Anpassungsmittel zum Anpassen des Regelkreises. Die Komponenten
der Schaltungsanordnung können
im Wesentlichen durch Transistor-Schaltungen
realisiert werden.
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Weiterhin
kann es vorteilhaft sein, die Schaltungsanordnung mit einer Referenzsignalquelle
zur Erzeugung des Referenzsignals bzw. des mindestens einen weiteren
Referenzsignals zu versehen. Die Referenzsignalquelle umfasst dabei
vorzugsweise ein Bandlücken-Element,
welches weitgehend unabhängig
von externen Einflüssen,
wie z.B. der Temperatur, eine Referenzspannung bereitstellt.
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Darüber hinaus
kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Schaltungsanordnung eine
Oszillatorschaltung umfasst. Hierdurch wird eine kompakte Schaltungsanordnung
ermöglicht,
die oszillatorische Signale mit automatisch geregelter Amplitude
bereitstellt. Insbesondere kann die Schaltungsanordnung auch mehrere
Oszillatorschaltungen umfassen, von denen wahlweise eine zur Regelung
der Amplitude ihres oszillatorischen Signals mit dem Steuersignal beaufschlagt
wird, und deren oszillatorisches Signal den Vergleichsmitteln zugeführt wird.
Hierdurch wird eine Schaltungsanordnung ermöglicht, die ein oszillatorisches
Signal mit wählbarer
Frequenz und geregelter Amplitude erzeugt.
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Insgesamt
ermöglicht
die Erfindung eine selbstanpassende Amplituden-Regelung in einem großen Frequenzbereich
und für
verschiedene Oszillatorschaltungen, z.B. Oszillatorschaltungen unterschiedlicher
Güte oder
Frequenz.
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Weitere
Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung
ersichtlich.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch eine Schaltungsanordnung zur Amplituden-Regelung eines
von einer Oszillatorschaltung erzeugten oszillatorischen Signals
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, und
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2 zeigt
eine schaltungstechnische Realisierung der Amplituden-Regelung gemäß dem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Eine
Schaltungsanordnung zur Amplituden-Regelung eines oszillatorischen
Signals gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Oszillatorschaltung 80 mit
einer Verstärkungsstufe 82 und
einem Rückkopplungs-Netzwerk 84.
Die Oszillatorsschaltung 80 erzeugt ein oszillatorisches
Signal 1, dessen Frequenz durch die Komponenten des Rückkopplungsnetzwerks 84 bestimmt
ist. Die Amplitude des oszillatorischen Signals 1 ist durch
ein Steuersignal in Form eines Steuer-Stromsignals 2 bestimmt,
welches der Verstärkungsstufe 82 zugeführt ist.
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Die
Schaltungsanordnung umfasst eine Referenzsignalquelle 70 auf
Basis von Bandlückenelementen,
welche Referenzsignale in Form von Referenz-Spannungssignalen 5, 6, 7 bereitstellt.
Bei den Referenz-Spannungssignalen 5, 6, 7 handelt
es sich um zeitlich im Wesentlichen konstante Signale, deren Änderung
während
einer Periodendauer des oszillatorischen Signals 1 vernachlässigbar
ist.
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Die
Schaltungsanordnung umfasst in einem Amplituden-Regelungs-Block 10 ein Vergleichsmittel in
Form eines Komparators 12, dem das oszillatorische Signal 1 und
das Referenz-Spannungssignal 5 zugeführt ist. Durch ein Ausgangssignal
des Komparators 12 wird ein Schalter 14 angesteuert.
Der Schalter 14 verbindet abhängig von dem Ausgangssignal
des Komparators 14 eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 30 und
einer Kapazität 40 mit einer
Ladestromquelle 50, welche einen Ladestrom 4 bereitstellt.
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Wenn
das oszillatorische Signal 1 einen Wert annimmt, der kleiner
ist als das Referenz-Spannungssignal 5, ist der Schalter 14 geschlossen,
so dass die Kapazität 40 durch
den Ladestrom 4 aufgeladen wird. Wenn das oszillatorische
Signal einen Wert annimmt, der größer ist als das Referenz-Spannungssignal 5,
ist der Schalter 14 geöffnet,
so dass sich die Kapazität 40 über den
Widerstand 30 entlädt.
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Ein
Spannungssignal 3, das zwischen dem Schalter 14 und
der Parallelschaltung des Widerstands 30 und der Kapazität 40 abgegriffen
wird, wird somit durch das Laden bzw. Entladen der Kapazität erhöht bzw.
erniedrigt. Das Spannungssignal 3 wird einem Strom-Steuerungsblock 60 zugeführt, welcher abhängig von
dem Spannungssignal 3 das Steuer-Stromsignal 2,
welches der Verstärkungsstufe 82 der
Oszillatorschaltung zugeführt
ist, erzeugt.
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Die
Schaltungsanordnung umfasst, wie in 1 gezeigt,
einen Vergleichsblock 20 zur Anpassung des Regelkreises.
Dem Vergleichsblock 20 sind die zwei weiteren Referenz-Spannungssignale 6, 7 zugeführt, so
dass diese mit der Amplitude 1A des oszillatorischen Signals 1 verglichen
werden. Abhängig
von dem Vergleich wird die Ladestromquelle 50 zur Einstellung
des Ladestroms 4 gesteuert und der Widerstand 30 eingestellt.
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Im
Speziellen wird durch eine Erhöhung
des Ladestroms ein beschleunigtes Aufladen der Kapazität 40 bewirkt,
so dass ein schnellerer Anstieg des Spannungssignals 3 und
des Steuer- Stromsignals 2 erfolgt.
Hierdurch wird eine schnellere Anhebung der Amplitude 1A des
oszillatorischen Signals 1 erreicht.
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Durch
eine Absenkung des Widerstandes 30 wird wiederum ein beschleunigtes
Entladen der Kapazität 40 bewirkt,
so dass ein schnellerer Abfall des Spannungssignals 3 und
des Steuer-Stromsignals 2 erfolgt.
Hierdurch wird eine schnellere Absenkung der Amplitude 1A des
oszillatorischen Signals 1 erreicht.
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Es
stehen somit zwei Parameter zur unabhängigen Anpassung der Eigenschaften
des Regelkreises zur Verfügung.
Die weiteren Referenz-Spannungssignale 6, 7 sind
derart ausgewählt,
dass sie ein Band um eine gewünschte
Amplitude, welche wiederum durch das Referenz-Spannungssignal 5 definiert
ist, vorgeben. Durch eine entsprechende Auswahl der weiteren Referenz-Spannungssignale 6, 7 kann
insbesondere ein Einschwingverhalten der Schaltungsanordnung verbessert
werden.
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Eine
schaltungstechnische Realisierung des Amplituden-Regelungs-Blocks gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung auf einem Halbleiterchip ist in 2 gezeigt.
Wie aus 2 hervorgeht, ist der Vergleichsblock 20 durch
zwei Komparatoren 24 bzw. 26 realisiert, denen
jeweils eines der weiteren Referenz-Spannungssignale 6 bzw. 7 zugeführt ist.
Weiterhin umfasst der Vergleichsblock 20 einen Peak-Detektor 22,
welchem das oszillatorische Signal 1 zugeführt ist.
Der Peak-Detektor 22 ermittelt die Signalspitzen des oszillatorischen
Signals, d.h. das Ausgangssignal des Peak-Detektors 22 stellt
ein Maß für die Amplitude 1A des
oszillatorischen Signals 1 dar. Das Ausgangssignal des Peak-Detektors 22 ist
jeweils einem weiteren Eingang der Komparatoren 24 bzw. 26 zugeführt, so dass
diese die Amplitude 1A des oszillatorischen Signals 1 mit
jeweils einem der weiteren Referenz-Spannungssignale 6 bzw. 7 vergleichen.
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Der
Komparator 12 vergleicht, wie bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert, direkt
das oszillatorische Signal 1 mit dem Referenz-Spannungssignal 5.
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Der
Schalter 14 ist in Form eines Transistors 14 realisiert.
Der Widerstand 30, und die Ladestromquelle 50 sind
durch Transistoren 32, 34, 36, 52, 54, 56, 58 realisiert.
Eine erste Bias-Stromquelle 18 dient der Bereitstellung
eines ersten Bias-Stroms. Der Widerstand 30 ist speziell
durch den Ausgangswiderstand des Transistors 34 implementiert,
welcher wiederum von dem ersten Bias-Strom und Dimensionen der Transistoren 56, 58, 34, 36 abhängt. Der
Widerstand 30 ist mittels einer Gate-Spannung des Transistors 32 einstellbar.
Der Wert des Ladestroms 4 ist mittels einer Gate-Spannung
des Transistors 52 einstellbar. Zudem wird der Ladestrom 4 durch
die Gate-Spannung der Transistoren 56 und 58 beeinflusst,
welche wiederum durch den ersten Bias-Strom und den Transistor 54 eingestellt
wird.
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Der
Strom-Steuerungsblock 60 erzeugt abhängig von dem Spannungssignal 3 das
Steuer-Stromsignal 2. Hierfür umfasst der Strom-Steuerungsblock 60,
wie in 2 dargestellt, Transistoren 62, 64, 66 und
wird von einer zweiten Bias-Stromquelle 19 mit
einem zweiten Bias-Strom gespeist. Durch die unabhängige Erzeugung
des zweiten Bias-Stroms kann das Steuer-Stromsignal 2 skaliert werden.
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Bei
der in 2 gezeigten Implementierung der Amplituden-Regelung ist der
Vergleichsblock 20 digital ausgeführt, d.h. es werden Komparatoren
verwendet, welche an ihrem Signalausgang jeweils eines von zwei
möglichen
Ausgangssignalen erzeugen. Dies bedeutet, dass die Anpassung des
Regelkreises, d.h. des Widerstandes und des Ladestroms, durch Umschalten
zwischen jeweils zwei Zuständen erfolgt.
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Diese
Implementierung hat den Vorteil einer besonders einfachen Ausführbarkeit.
Es ist jedoch auch möglich,
den Vergleichsblock 20 teilweise oder vollständig analog
auszuführen,
so dass eine kontinuierliche Anpassung des Widerstands und/oder
des Ladestroms erfolgt. Hierdurch wird eine weitere Optimierung
der Amplituden-Regelung ermöglicht.