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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 im 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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Die
DE 102 09 044 A1 beschreibt eine Oszillatorschaltung sowie eine Schaltung zur Erzeugung eines Referenzstroms, welcher zum Speisen der Oszillatorschaltung verwendet wird. Der Referenzstrom wird mittels einer spannungsgesteuerten Stromquelle gesteuert. Das Spannungssignal, welches den Steuereingang der spannungsgesteuerten Stromquelle beaufschlagt, wird durch Aufladen einer Kapazität an dem Steuereingang der spannungsgesteuerten Stromquelle bereitgestellt. Zum Aufladen der Kapazität sind zwei Verstärker bereitgestellt, welche unterschiedliche Verstärkungsfaktoren aufweisen, so dass durch gesteuertes Verbinden der Verstärker mit der Kapazität einerseits ein schnelles Aufladen der Kapazität gewährleistet werden kann und andererseits eine besonders rauscharme Verstärkerschaltung verwendet werden kann, um die Ladung der Kapazität zu halten. Auf diese Weise kann in einer ersten Betriebsart ein schnelles Aktivieren der Oszillatorschaltung aus einem Standby-Betrieb und in einer zweiten Betriebsart durch den geringeren Verstärkungsfaktor ein rauscharmer Betrieb gewährleistet werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, 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 8 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 die Amplitude des oszillatorischen Signals mit mindestens einem weiteren im Wesentlichen konstanten Referenzsignal verglichen wird und eine Zeitkonstante des Regelkreises abhängig von dem Vergleich der Amplitude 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 wird somit insbesondere die Amplitude des oszillatorischen Signals mit dem Referenzsignal und/oder dem mindestens einen weiteren Referenzsignal verglichen.
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Der Regelkreis umfasst vorzugsweise einen Widerstand und eine Kapazität, welche die Zeitkonstante des Regelkreises bestimmen. 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 12 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 80 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.
