DE10351101B3

DE10351101B3 - Kompakte PLL-Schaltung

Info

Publication number: DE10351101B3
Application number: DE10351101A
Authority: DE
Inventors: Miki Moyal; Gerd Rombach
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2023-11-01
Also published as: US7154345B2; US20050122174A1

Abstract

Eine PLL-Schaltung umfasst einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), einen Phasenfehlerdetektor (PFD), der einen Phasenfehler zwischen einem Ausgangssignal von dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und einem Referenzsignal (f¶in¶) erfasst, und ein Schleifenfilter, das zwischen einen Fehlersignalausgang des Phasenfehlerdetektors (PFD) und einen Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) eingesetzt ist. Das Schleifenfilter umfasst zwei Ladungspumpen (CP1, CP2), die entsprechend einem Pegel des Fehlersignals am Fehlersignalausgang Ausgangsströme (I¶CP1¶, I¶CP2¶) liefern, einen ersten Widerstand (R2) und einen ersten Transistor (N2). Der erste Widerstand (R2) besitzt einen ersten Anschluss, der an ein erstes Versorgungspotenzial (V+) angeschlossen ist, während der erste Transistor (N2) einen Strompfad besitzt, der zwischen einen zweiten Anschluss des ersten Widerstandes (R2) und ein zweites Versorgungspotenzial (GND) geschaltet ist. Ein Kondensator (C') in dem Schleifenfilter besitzt eine erste Elektrode, die an den Stromausgang der ersten Ladungspumpe (CP1) angeschlossen ist, und eine zweite Elektrode, die an eines der Versorgungspotenziale (V+) angeschlossen ist. Eine Steuerschaltung (OA, N1, R1) besitzt einen Eingang, der an die erste Elektrode des Kondensators (C') angeschlossen ist, und einen Ausgang, der an eine Steuerelektrode des ersten Transistors (N2) angeschlossen ist, um den äquivalenten Durchlasswiderstand des ersten Transistors (N2) in der ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Phasenverriegelungsschleifen-Schaltung. Genauer bezieht sie sich auf eine PLL-Schaltung, die auf einer kleinen Substratfläche eines Chips integriert werden kann.

Herkömmlich umfasst eine PLL-Schaltung einen spannungsgesteuerten Oszillator, einen Phasenfehlerdetektor für die Erfassung eines Phasenfehlers zwischen einem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators und einem externen Referenzsignal und ein Schleifenfilter, das zwischen einen Fehlersignalausgang des Phasenfehlerdetektors und einen Steuerspannungseingang des spannungsgesteuerten Oszillators eingefügt ist. Zwischen dem Ausgang des Oszillators und einem Eingang des Phasenfehlerdetektors kann ein Frequenzteiler vorgesehen sein.

Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Schleifenfilter in einer herkömmlichen PLL eine Ladungspumpe CP, die direkt durch ein Fehlersignal von einem Phasenfehlerdetektor PFD gesteuert wird, und eine RC-Reihenschaltung, die zwischen einem festen Versorgungsanschluss einerseits und einem Verbindungsknoten zwischen dem Stromausgang der Ladungspumpe CP und dem Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO andererseits geschaltet ist. Der Phasenfehlerdetektor PDF besitzt einen ersten Eingang, der ein Referenzfrequenzsignal f_in empfängt, und einen zweiten Eingang, der den Ausgang eines Frequenzteilers DIV empfängt, dessen Eingang mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO verbunden ist. Der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO ist das gewünschte Ausgangssignal mit der Frequenz f_out. Die Steuerspannung V_VCO des Oszillators VCO in einer solchen Schaltung ist gegeben durch

wobei C die Kapazität und R der Widerstand der RC-Reihenschaltung ist, I der Strom von der Ladungspumpe CP ist und t die Zeit ist.

Wenn der Kondensator C für PLLs für niedrige Bandbreite auf einem Chip ausgebildet ist, deckt er gewöhnlich mehr als 70% der gesamten PLL-Schaltungsfläche ab. Es wäre daher wünschenswert, die Kondensatorfläche und somit die Chipgröße reduzieren zu können. Es besteht jedoch das Problem, dass die Dämpfung und die Bandbreite der PLL-Schaltung von der Größe des Kondensators C abhängen. Die Dämpfung ist gegeben durch

wobei K_VCO der Verstärkungsfaktor des spannungsgesteuerten Oszillators ist und N das Teilungsverhältnis des Frequenzteilers DIV ist.

Die Bandbreite ist gegeben durch

Es ist ohne weiteres deutlich, dass der Widerstand R erhöht werden muss, wenn der Kondensator ohne Verringerung der Dämpfung und der Bandbreite verkleinert werden soll. Ein erhöhter Widerstandswert besitzt mehrere Nachteile. Eine Anpassung wird schwierig, außerdem nimmt die Wirkung des thermischen Rauschens zu.

So genannte selbstvorspannende PLL-Schaltungen besitzen ein Schleifenfilter, das zwei parallel geschaltete, gleiche Ladungspumpen umfasst. Statt einer RC-Reihenschaltung sind ein Kondensator, der an den Stromausgang einer der Ladungspumpen angeschlossen ist, und ein Widerstand, der an den Stromausgang der anderen Ladungspumpe angeschlossen ist, vorhanden. Für eine gegebene Dämpfung und eine gegebene Bandbreite sind die Werte des Kondensators und des Widerstandes gleich jenen eines herkömmlichen Schleifenfilters mit einer einzigen Ladungspumpe.

DE 100 50 294 A1 offenbart eine PLL-Schaltung, die auf einem Schaltkreis integriert werden kann. Um die Kapazitäten des Schleifenfilters verkleinern zu können, werden hier mindestens 2 separate Kanäle zwischen dem Phasendetektor und dem VCO angeordnet, wobei der eine Kanal die Nutzsignalkomponenten und der andere Kanal die Störsignalkomponenten verarbeitet. Durch die Aufteilung in separate Kanäle kann der im Schleifenfilter benötigte Widerstand erhöht werden, da die dadurch hervorgerufenen Störeinflüsse durch Erzeugung von Differenzspannungen in den verschiedenen Kanälen kompensiert werden können. Die in DE 100 50 294 A1 offenbarte Schaltungsanordnung benötigt hierzu 8 Stromquellen und 8 Schalter.

US 5,384,502 offenbart ein Schleifenfilter für eine digitale PLL-Schaltung mit doppelter Schleife. Die PLL-Schaltung ist für die Verwendung bei sehr geringer Versorgungsspannung ausgelegt und beinhaltet eine Referenzschleife mit einem ersten Ausgangsstrom und eine weitere Schleife mit einem zweiten Ausgangsstrom. Das Verhältnis dieser beiden Ausgangsströme zueinander bestimmt die Bandbreite des VCOs und kann angepaßt werden. Die erste Schleife beinhaltet zwei Ladungspumpen und das Schleifenfilter, welches zwei Schaltungszweige beinhaltet, wobei jeder Schaltungszweig mit einer anderen Ladungspumpe verbunden ist. Der erste Zweig beinhaltet einen nach Masse geschalteten Kondensator während der zweite Zweig eine RC-Schaltung beinhaltet, die nach Masse geschaltet ist. Die Kondensatoren sind als MOS FET-Transistoren ausgebildet, bei denen jeweils die Source und der Drain zusammengeschaltet sind. Der Widerstand wird ebenfalls durch einen Transistor als spannungskontrollierter Widerstand gebildet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine PLL-Schaltung zu schaffen, die auf einer kleineren Substratfläche als jene der oben beschriebenen her kömmlichen PLL-Schaltungen integriert werden kann, ohne die Dämpfung und die Bandbreite nachteilig zu beeinflussen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine PLL-Schaltung, die in Anspruch 1 definiert ist. Hierbei können sowohl der Kondensator als auch der Ausgangsstrom der ersten Ladungspumpe gegenüber einer herkömmlichen selbst vorspannenden PLL-Schaltung reduziert werden, da der relative Beitrag der ersten Ladungspumpe zu der an den spannungsgesteuerten Oszillator angelegten Steuerspannung nicht direkt von dem Strom, der von der ersten Ladungspumpe und von dem damit geladenen Kondensator ausgegeben wird, sondern von dem Strom, der durch den ersten Widerstand und den ersten Transistor fließt, abhängt.

Die Steuerschaltung kann aus einem zweiten Widerstand und einem zweiten Transistor, die zwischen dem ersten und dem zweiten Versorgungspotenzial in Reihe geschaltet sind, und aus einem Operationsverstärker, wovon ein Ausgang mit Steuerelektroden des ersten und des zweiten Transistors verbunden ist, ein nicht invertierender Eingang mit einem Zwischenpunkt zwischen dem zweiten Widerstand und dem zweiten Transistor verbunden ist und ein invertierender Eingang mit dem Stromausgang der ersten Ladungspumpe verbunden ist, gebildet sein. Durch diesen Entwurf ist der äquivalente Widerstandwert des zweiten Transistors, dividiert durch den Widerstandwert des zweiten Widerstandes, gleich der Potenzialdifferenz zwischen dem zweiten Versorgungspotenzial und einer ersten Elektrode des Kondensators, dividiert durch die Potenzialdifferenz zwischen dem ersten Versorgungspotenzial und der ersten Elektrode des Kondensators. Da an den Zwischenpunkt zwischen dem zweiten Widerstand und dem zweiten Transistor keine andere Stromquelle angeschlossen ist, ist das Potenzial an diesem Punkt gleich dem Potenzial, das an dem invertierenden Eingang des Operations verstärkers vorhanden ist, weshalb der äquivalente Widerstandswert des ersten Transistors einfach in der Weise gesteuert werden kann, dass dieser äquivalente Widerstandwert, dividiert durch den Widerstandwert des ersten Widerstandes, ebenfalls gleich der Potenzialdifferenz zwischen dem zweiten Versorgungspotenzial und der ersten Elektrode des Kondensators, dividiert durch die Potenzialdifferenz zwischen dem ersten Versorgungspotenzial und der ersten Elektrode des Kondensators, ist. Diese Bedingung ist besonders einfach zu erfüllen, wenn der erste und der zweite Widerstand gleich sind, und der erste und der zweite Transistor gleich sind.

Weitere Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform und der beigefügten Zeichnung.
1 ist ein Blockschaltplan einer herkömmlichen PLL-Schaltung; und
2 ist ein Blockschaltplan einer PLL-Schaltung gemäß der Erfindung.
In 2 sind der spannungsgesteuerte Oszillator VCO, der 1/N-Frequenzteiler DIV und der Phasenfehlerdetektor PFD gleich jenen der herkömmlichen PLL-Schaltung von 1, weshalb sie nicht erneut beschrieben werden. Der Fehlersignalausgang des Phasenfehlerdetektors PFD ist mit Steuereingängen von zwei Ladungspumpen CP1, CP2 verbunden. Die zwei Ladungspumpen CP1, CP2 sind so entworfen, dass sie Ausgangsströme I_CP1, I_CP2 liefern, die vom Pegel des Fehlersignals vom Phasenfehlerdetektor PFD abhängen. Der Betrag von I_CP1 ist kleiner als jener von I_CP2 für jeden Pegel des Fehlersignals. Der Strom I_CP1 von der ersten Ladungspumpe CP1 lädt einen Kondensator C', wovon eine Elektrode mit dem Stromausgang der ersten Ladungspumpe CP1 verbunden ist und wovon die andere Elektrode mit einer positiven Versorgungsspannung V+ verbunden ist. Eine Spannung V_C' zwischen den beiden Elektroden des Kondensators C' ist gegeben durch
Ein Operationsverstärker OA besitzt einen invertierenden Eingang, der an die erste Elektrode des Kondensators C' und an den Stromausgang der Ladungspumpe CP1 angeschlossen ist. Ein Ausgang des Operationsverstärkers OA ist an ein Gate eines FET-Transistors N1 angeschlossen, der im Folgenden als der zweite Transistor bezeichnet wird, so dass der äquivalente Widerstandwert des zweiten Transistors N1 gesteuert wird. Die Source des zweiten Transistors N1 ist geerdet, während der Drain an einen nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A angeschlossen ist und über einen zweiten Widerstand R1 an die Versorgungsspannung V+ angeschlossen ist. Der Operationsverstärker OA steuert das Gate-Potenzial des zweiten Transistors N1 in der Weise, dass die Potenziale an den Eingängen des Operationsverstärkers OA gleich werden, d. h. dass der Spannungsabfall V_A über den zweiten Widerstand R1 gleich V_C' ist. Das heißt, dass der Strom I_NI durch den zweiten Transistor N1 gegeben ist, durch
Der Ausgang des Operationsverstärkers OA ist ferner mit dem Gate eines ersten FET-Transistors N2 verbunden, der zusammen mit einem ersten Widerstand R2 ähnlich wie N1 und R1 zwischen V+ und Masse eine Reihenschaltung bildet. Ein Zwischenpunkt zwischen dem ersten Transistor N2 und dem ersten Widerstand R2 ist mit dem Stromausgang der zweiten Ladungspumpe CP2 und mit dem Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO verbunden. Die zwei FET-Transistoren N1, N2 und die Widerstände R1, R2 sind so gewählt, dass für einen relevanten Bereich von Gate-Potenzialen der Transistoren gilt:
wobei R_N1, R_N2 die äquivalenten Durchschaltwiderstandswerte der Transistoren N1 bzw. N2 bezeichnen. Bei dieser Wahl wäre die Spannung über R2 gleich V_C, falls der Strom I_CP2 von der zweiten Ladungspumpe CP2 null wäre. Tatsächlich bewirkt der Strom von der zweiten Ladungspumpe CP2 eine zusätzliche Spannung I_CP2·R2 über dem ersten Widerstand R2, d. h. die Spannung V_VCO am Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO ist gleich die Gesamtspannung, die von den Strömen durch den ersten Transistor N2 und durch die zweite Ladungspumpe CP2 bei R2 hervorgerufen wird: VVCO = IN2R2 + ICP2R2 (7)
Da V+ = I_N1 (R1 + R_N1) = I_N2 (R2 + R_N2) ist, kann I_N2 geschrieben werden als
Die Kombination der Gleichungen (7) und (8) ergibt
Die Kombination der Gleichungen (9) und (5) ergibt
Da die zwei Ströme I_CP1, I_CP2 in den Gleichungen (10) voneinander unabhängig sind, können sie auf unterschiedliche Werte gesetzt werden. Falls I_CP1 folgendermaßen gewählt wird
wobei x eine beliebige Konstante ist, ergibt Gleichung (10)
d. h., falls x/C' so gewählt wird, dass es gleich C von Gleichung (1) ist, und falls R2 von 2 gleich R von 1 ist, verhält sich die PLL-Schaltung von 2 genau wie die Schaltung von 1. x kann jeden gewünschten Wert annehmen. Falls z. B. x = 0,5 gewählt wird, verhalten sich die Schaltungen von 1 und 2 völlig gleich, falls C' = 0,5 C ist. Das heißt, dass der Kondensator C' um einen beliebigen Faktor x verkleinert werden kann, ohne das Verhalten der PLL nachteilig zu beeinflussen, sofern die erste Ladungspumpe CP1 so entworfen ist, dass sie den Strom I_CP1 liefert, der durch die Gleichung (12) spezifiziert ist. Auf diese Weise kann eine PLL-Schaltung entworfen werden, die eine sehr kleine Substratoberfläche belegt.
Die einfachste Weise, um Gl. (6) zu erfüllen, besteht darin, völlig gleiche Widerstände R1 und R2 und völlig gleiche Transistoren N1, N2 zu wählen. Dann vereinfacht sich Gl. (10) zu
Falls hierbei die Ladungspumpen so entworfen sind, dass I_CP1 = xI_CP2, 0 < x < 1, kann C' um x verringert werden, so dass eine PLL, die sich ebenso wie jene von 1 verhält, erhalten wird.

Claims

PLL-Schaltung, mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), einem Phasenfehlerdetektor (PFD), der einen Phasenfehler zwischen einem durch einen Frequenzteiler (DIV) geteilten Ausgangssignal von dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und einem Referenzsignal (f_in) erfasst, und einem Schleifenfilter (LF), das zwischen einen Fehlersignalausgang des Phasenfehlerdetektors (PFD) und einen Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) eingesetzt ist, wobei das Schleifenfilter (LF) umfasst: zwei Ladungspumpen (CP1, CP2), wovon jede entsprechend einem Pegel des Fehlersignals am Fehlersignalausgang einen entsprechenden Ausgangsstrom (I_CP1, I_CP2) liefert, einen ersten Widerstand (R2) und einen ersten Transistor (N2), wobei der erste Widerstand (R2) mit einem ersten Anschluss an ein erstes Versorgungspotenzial (V+) angeschlossen ist und der erste Transistor (N2) einen Strompfad besitzt, der zwischen einen zweiten Anschluss des ersten Widerstandes (R2) und ein zweites Versorgungspotenzial (GND) geschaltet ist, einen Kondensator (C'), wovon eine erste Elektrode an den Stromausgang der ersten Ladungspumpe (CP1) angeschlossen ist und wovon eine zweite Elektrode an eines der Versorgungspotenziale (V+) angeschlossen ist, und eine Steuerschaltung (OA, N1, R2), wovon ein Eingang an die erste Elektrode des Kondensators (C') angeschlossen ist und ein Ausgang an eine Steuerelektrode des ersten Transistors (N2) angeschlossen ist, um den äquivalenten Widerstand des ersten Transistors (N2) in der Weise zu steuern, dass der äquivalente Widerstand, dividiert durch den Widerstandswert des ersten Widerstandes (R2), gleich der Potenzialdifferenz zwischen dem zweiten Versorgungspotenzial (GND) und der ersten Elektrode des Kondensators (C'), dividiert durch die Potenzialdifferenz (V_C') zwischen dem ersten Versorgungspotenzial (V+) und der ersten Elektrode des Kondensators (C'), ist, wobei ein Zwischenpunkt zwischen dem ersten Widerstand (R2) und dem ersten Transistor (N2) an einen Stromausgang der zweiten Ladungspumpe (CP2) und an den Steuerspannungseingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) angeschlossen ist und wobei für einen gegebenen Pegel des Fehlersignals der Ausgangsstrom der ersten Ladungspumpe (CP1) niedriger als der Ausgangsstrom der zweiten Ladungspumpe (CP2) ist.
PLL-Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Steuerschaltung einen zweiten Widerstand (R1) und einen zweiten Transistor (N1), die zwischen das erste und das zweite Versorgungspotenzial in Reihe geschaltet sind, und einen Operationsverstärker (OA), wovon ein Ausgang mit Steuerelektroden des ersten bzw. des zweiten Transistors (N1, N2) verbunden ist, ein nicht invertierender Eingang mit einem Zwischenpunkt zwischen dem zweiten Widerstand (R1) und dem zweiten Transistor (N1) verbunden ist und ein invertierender Eingang mit dem Stromausgang der ersten Ladungspumpe (CP1) verbunden ist, umfasst.
PLL-Schaltung nach Anspruch 2, bei der der erste und der zweite Widerstand (R1, R2) den gleichen Widerstandswert besitzen und der erste und der zweite Transistor (N1, N2) gleiche Durchlasswiderstandswerte besitzen.