DE112009000501T5

DE112009000501T5 - Ladungsübertragung in einem Phasenregelkreis

Info

Publication number: DE112009000501T5
Application number: DE112009000501T
Authority: DE
Inventors: Pasquale Lamanna; Nicolas Sornin
Original assignee: Cambridge Silicon Radio Ltd
Current assignee: Qualcomm Technologies International Ltd
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2011-03-03
Also published as: US8089307B2; GB0804342D0; US20110025387A1; WO2009109603A1

Abstract

Phasenregelkreis, der dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine erste Frequenz aufweist, die gleich einem statischen Wert multipliziert mit der Frequenz eines Referenzsignals ist, wobei der Phasenregelkreis aufweist:
einen Signalgenerator, der dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal zu erzeugen,
einen Teiler, der dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal entgegenzunehmen und das Ausgangssignal zu teilen, um ein Rückkopplungssignal zu bilden, wobei der Teiler weiter dazu ausgebildet ist, den Divisor zu variieren, durch den das Ausgangssignal geteilt wird, um zu bewirken, dass das Ausgangssignal eine Frequenz aufweist, die gleich dem statischen Wert multipliziert mit der Frequenz des Referenzsignals ist,
eine Vergleichseinheit, die dazu ausgebildet ist, das Rückkopplungssignal mit dem Referenzsignal zu vergleichen,
einen oder mehrere Stromgeneratoren, dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von diesem Vergleich Stromimpulse abzugeben,
eine Summiereinheit,...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Phasenregelkreis.
Ein Phasenregelkreis ist eine Schaltung, die ein Ausgangssignal erzeugt, das eine vorgegebene Frequenz und/oder Phasenbeziehung zu einem Referenzsignal aufweist. Ein üblicher Phasenregelkreis ist in 1 dargestellt. Der Phasenregelkreis weist einen Oszillator 101 zum Erzeugen eines Signals mit fester Frequenz auf und einen Phasen-/Frequenz-Detektor (PFD) zum Vergleichen des festen Frequenzsignals (des Referenzsignals) mit einem Rückkopplungssignal, das von einem Teiler 107 ausgegebenen wird, der in der Rückkopplungsschleife 106 angeordnet ist. Der PFD ist mit einer Ladungspumpe 103 verbunden. Der PFD gibt ein Signal an die Ladungspumpe aus das kennzeichnend ist für die Phase und/oder die Frequenzdifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal. Die Ladungspumpe koppelt in Abhängigkeit von dem Signal, das sie von dem PFD empfängt, einen Strom in ein Schleifenfilter 104 ein. Üblicherweise nimmt diese Stromeinkopplung die Form von entweder einem ”Aufwärts” oder ”Abwärtsstrom” an, der durch die Stromquellen 108 beziehungsweise 109 erzeugt wird, so dass Strom entweder in das oder aus dem Schleifenfilter fließt. Mit anderen Worten wirken PFD und Ladungspumpe zusammen, um in Abhängigkeit davon, ob die Phase des Referenzsignals dem Rückkopplungssignal vorauseilt oder nacheilt, entweder positive oder negative Ladungs-”Impulse” abzugeben. Das Schleifenfilter filtert diese Ladungsimpulse, um ein Steuersignal für einen Signalgenerator 105 zu erzeugen.
Der Signalgenerator ist üblicherweise ein spannungsgesteuerter Oszillator (Voltage-Controlled Oscillator – VCO), der durch eine Einstellspannung an seinem Steuereingang gesteuert wird. Der Schleifenfilter ist üblicherweise dazu ausgebildet die Stromimpulse zu integrieren, die er von der Ladungspumpe entgegennimmt, um die Einstellspannung zu erzeugen, die zum Steuern des VCO notwendig ist. Wenn das Rückkopplungssignal dem Referenzsignal nacheilt, ist es notwendig den VCO zu beschleunigen. Wenn das Rückkopplungssignal im Gegensatz dazu dem Referenzsignal vorauseilt, ist es notwendig den VCO zu verlangsamen.
Die Frequenz der Signalausspeisung durch den Phasenregelkreis kann verändert werden, indem die Frequenz des Referenzsignals variiert wird. Oftmals wird das Referenzsignal durch einen sehr stabilen Oszillator erzeugt, dessen Frequenz nicht variiert werden kann. Es kann daher dienlich sein, einen Teiler in die Rückkopplungsschleife einzubringen, so dass die Ausgangsfrequenz des Phasenregelkreises variiert werden kann, ohne dass die Frequenz des Referenzsignals geändert werden muss. In 1 ist dieser Teiler bei 107 dargestellt. Wenn das Teilungsverhältnis eine Konstante N ist, dann erzwingt die Schleife, dass das Ausgangssignal exakt N mal die Frequenz des Referenzsignals beträgt. In Schaltungen dieser Art kann das Teilungsverhältnis N in ganzzahligen Schritten geändert werden, um die Frequenz des Signalgenerators zu ändern.
Eine Einschränkung bei dieser Art von Phasenregelkreis besteht darin, dass die Ausgangsfrequenz nicht in Schritten variiert werden kann, die kleiner sind als die Referenzfrequenz. Dies ist so, weil N nur ganzzahlige Werte annehmen kann, so dass die kleinste Veränderung in der Ausgangsfrequenz, die durchgeführt werden kann, 1 × F_REF ist. Für eine feine Frequenzauflösung wird es daher bevorzugt eine kleine Referenzfrequenz zu verwenden. Auf Grund von Fehlanpassungen der Ladungspumpe des Phasenregelkreises und anderen Faktoren, wie zum Beispiel dem nicht idealen Verhalten der PFDs, neigt die Ladungspumpe jedoch dazu, kleine Ladungsimpulse abzugeben, die bewirken, dass Seitenbänder in dem Ausgangssignal des VCO auftreten, sogar dann, wenn der Phasenregelkreis sich im eingeschwungenen Zustand befindet. Diese Seitenbänder treten bei Offsets gleich der Referenzfrequenz auf. Wenn die Referenzfrequenz klein ist, wird daher ein Schleifenfilter engerer Bandbreite benötigt, um die Seitenbänder zu entfernen. Phasenregelkreise mit Schleifenfiltern engerer Bandbreiten benötigen länger, um von einer Frequenz zu einer anderen zu wechseln und können nicht mit der erforderlichen Geschwindigkeit arbeiten. Je enger die Bandbreite des Schleifenfilters, desto weniger wird auch das Phasenrauschen des VCO unterdrückt.
Ein Weg, um eine niedrigere Referenzfrequenz für einen ganzzahligen PLL zu erzielen ist es, einen 1/M Teiler zwischen das Referenzsignal und den PFD einzubringen. Eine weitere Lösung ist, einen Bruchteil-N Teiler zu verwenden. Eine Bruchteil-N Synthese bedingt das periodische Variieren des Teilungsverhältnisses zwischen zwei ganzzahligen Werten, wie in 2 gezeigt. Das gesamte Teilungsverhältnis wird dann bestimmt durch N zuzüglich einem Bruchteilwert, der bestimmt wird zu dem Zeitpunkt, zu dem ein Teilungsverhältnis von N + 1 verwendet wird, relativ zu einer gesamten Zeitspanne (das heißt, der Zeit, für die ein Teilungsverhältnis von N verwendet wird plus die Zeit, für die ein Teilungsverhältnis von N + 1 verwendet wird).
Ein Problem mit Architekturen für Bruchteil-N Teilung besteht darin, dass die Modulation des Teilungsverhältnisses eine sehr große transiente Spannung an dem Eingang zu dem VCO bewirkt. Um diesen Effekt teilweise zu kompensieren, kann parallel zu dem Ausgang der Ladungspumpe eine DAC Kompensation durchgeführt werden. Ein Beispiel für eine Schaltung unter Verwendung von DAC Kompensation ist in 3 dargestellt. 3 veranschaulicht die PFD Ladungspumpe 301, die DAC Ladungspumpe 302, den Schleifenfilter 303 und den VCO 304. Der deterministische Jitter, der durch die Modulation des Teilungsverhältnisses bewirkt wird, ist im Voraus bekannt. Die DAC Ladungspumpe erzeugt üblicherweise einen Strom, der invers zu dem Fehlerstrom ist, der durch die Modulation des Teilungsverhältnisses bewirkt wird. Dieser wird dann durch das Schleifenfilter mit der Stromausspeisung durch die PFD Ladungspumpe summiert.
Die PFD Ladungspumpe gibt einen konstanten Strom für eine Zeitdauer aus, die abhängig von der Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal ist, während die DAC Ladungspumpe einen Strom für eine konstante Zeitdauer ausgibt, aber mit einem Betrag, die von dem deterministischen Jitter abhängig ist, der aus der Modulation des Teilungsverhältnisses resultiert. Obwohl durch Summieren dieser zwei Ströme in dem Schleifenfilter sichergestellt werden kann, dass im Mittel die Menge von durch deterministische Jitter in das System eingebrachter Ladung kompensiert wird, werden daher die Transienten nicht unterdrückt, die ein inhärenter Teil der Struktur sind.
Es besteht daher eine Notwendigkeit für einen verbesserten Phasenregelkreis, der nicht unter Transienten leidet, die von zeitlichem Versatz zwischen den Stromimpulsen herrühren, die durch die PFD und DAC Ladungspumpen erzeugt wurden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Phasenregelkreis zur Verfügung gestellt, der dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine erste Frequenz aufweist, die einem statischen Wert multipliziert mit der Frequenz eines Referenzsignals entspricht, wobei der Phasenregelkreis einen Signalgenerator aufweist, der dazu ausgebildet ist das Ausgangssignal zu erzeugen; einen Teiler, der dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal zu empfangen und zu teilen, um ein Rückkopplungssignal zu bilden, wobei der Teiler dazu ausgebildet ist, einen Divisor, durch den das Ausgangssignal geteilt wird, zu variieren, um zu bewirken, dass das Ausgangssignal eine Frequenz aufweist, die dem statischen Wert multipliziert mit der Frequenz des Referenzsignals entspricht; eine Komparatoreinheit, die dazu ausgebildet ist, das Rückkopplungssignal mit dem Referenzsignal zu vergleichen; einen oder mehrere Stromgeneratoren, die dazu ausgebildet sind, in Abhängigkeit von dem Vergleich Stromimpulse abzugeben; eine Summiereinheit, die dazu ausgebildet ist, die durch den/die Stromgenerator(en) abgegebenen Stromimpulse zu empfangen und daraus einen einzelnen Stromimpuls zu bilden; und einen Schleifenfilter, der dazu ausgebildet ist, den einzelnen Stromimpuls zu filtern, um ein Steuersignal zum Steuern des Signalgenerators zu bilden, wobei der Phasenregelkreis derart dazu ausgebildet ist, dass der/die Stromgenerator(en) abhängig von einer Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal einen ersten Stromimpuls erzeugt/erzeugen und abhängig von einem Fehler in dem Rückkopplungssignal, der durch die Variation des Divisors bewirkt wird, einen zweiten Stromimpuls, und die Summiereinheit die ersten und zweiten Stromimpulse empfängt und eine elektrische Ladung speichert, die repräsentativ für diese Stromimpulse ist und wobei die Summiereinheit einen einzelnen Stromimpuls ausgibt, der abhängig ist von der durch die Summiereinheit gespeicherten elektrischen Ladung, wobei der einzelne Stromimpuls repräsentativ ist für eine Phasendifferenz, die zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal vorhanden gewesen wäre wenn das Rückkopplungssignal durch Teilen des Ausgangssignals durch den statischen Wert und nicht durch den variierten Divisor gebildet worden wäre.
Der Phasenregelkreis kann dazu ausgebildet sein, dass der/die Stromgenerator(en) den ersten Stromimpuls so erzeugt/erzeugen, dass er einen konstanten Betrag aufweist und eine Dauer, die abhängig ist von der Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal.
Der Phasenregelkreis kann weiter dazu ausgebildet sein, dass der/die Stromgenerator(en) den zweiten Stromimpuls so erzeugt/erzeugen, dass er eine vorgegebene Dauer aufweist und einen Betrag der abhängig ist von dem Fehler in dem Rückkopplungssignal, der durch die Variation des bewirkt wird.
Die Summiereinheit kann dazu ausgebildet sein, den einzelnen Stromimpuls durch Entladen der durch die Summiereinheit gespeicherten elektrischen Ladung zu bilden.
Die Summiereinheit kann ein kapazitives Element aufweisen, das dazu ausgebildet ist, eine elektrische Ladung zu speichern, die für die Stärke und Dauer des ersten Stromimpulses charakteristisch ist.
Der Summierer kann ein kapazitives Element aufweisen, das dazu ausgebildet ist, eine elektrische Ladung zu speichern, die für die Stärke und Dauer des zweiten Stromimpulses repräsentativ ist.
Der Phasenregelkreis kann dazu ausgebildet sein, dass während einer ersten Zeitspanne der/die Stromgenerator(en) die Stromimpulse erzeugt/erzeugen und die Summiereinheit die elektrische Ladung speichert, und während einer zweiten Zeitspanne die Summiereinheit den einzelnen Stromimpuls ausgibt, wobei sich die ersten und zweiten Zeitspannen nicht überlappen.
Die Summiereinheit kann dazu ausgebildet sein zu bewirken, dass in Abhängigkeit von den ersten und zweiten Ströme ein Strom entweder in das oder aus dem Schleifenfilter fließt, wobei die Summiereinheit zwei Strompfade aufweist, der erste Strompfad zum Erzeugen eines Stroms in eine Richtung an einem Eingangsknoten des Schleifenfilters dient und der zweite Strompfad zum Erzeugen eines Stroms in der entgegengesetzten Richtung an dem Eingangsknoten des Schleifenfilters dient.
Die Summiereinheit kann ein kapazitives Element aufweisen, das erste und zweite kapazitiven Platten und eine Schaltanordnung aufweist die dazu ausgebildet ist, dass während einer ersten Zeitspanne die ersten und zweiten kapazitiven Platten jeweils mit einem entsprechenden der Strompfade in Verbindung stehen, wodurch ein Ausgangsstrom durch den ersten Strompfad bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der ersten kapazitiven Platte gebildet wird und ein Ausgangsstrom durch den zweiten Strompfad bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der zweiten kapazitiven Platte gebildet wird, und während einer zweiten Zeitspanne die ersten und zweiten kapazitiven Platten mit einer Referenzspannung beziehungsweise dem Eingangsknoten des Schleifenfilters verbunden sind, wodurch die auf den ersten und zweiten kapazitiven Platten während der ersten Zeitspanne gebildete elektrische Ladung entladen wird, um den einzelnen Stromimpuls zu bilden.
Das kapazitive Element kann dazu ausgebildet sein, dass sich die auf der ersten kapazitiven Platte gebildete elektrische Ladung in eine Richtung relativ zu dem Eingangsknoten des Schleifenfilters entlädt und sich die auf der zweiten kapazitiven Platte gebildete elektrische Ladung in der entgegengesetzten Richtung relativ zu dem Eingangsknoten des Schleifenfilters entlädt.
Das kapazitive Element kann zwischen den ersten und zweiten Strompfaden derart verbunden sein, dass während der ersten Zeitspanne ein Ausgangsstrom durch den ersten Strompfad eine Spannungsänderung an dem anderen der geschalteten Knoten der Stromsteuerungsanordnung des ersten Pfads bewirkt, die bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der ersten kapazitiven Platte gebildet wird und ein Ausgangsstrom durch den zweiten Strompfad eine Spannungsänderung an dem anderen der geschalteten Knoten der Stromsteuerungsanordnung des zweiten Pfads bewirkt, die bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der zweiten kapazitiven Platte gebildet wird.
Das kapazitive Element kann ein Kondensator sein, der dazu ausgebildet ist, dass während der ersten Zeitspanne eine Platte des Kondensators mit dem ersten Strompfad verbunden ist und die andere Platte des Kondensators mit dem zweiten Strompfad verbunden ist.
Das kapazitive Element kann zwei kapazitive Anordnungen aufweisen, eine verbunden mit dem ersten Strompfad und die andere verbunden mit dem zweiten Strompfad derart, dass wenn durch einen der Strompfade ein Strom ausgegeben wird, dieser durch die kapazitive Anordnung empfangen wird, die mit diesem Strompfad verbunden ist, und bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf einer Platte dieser Anordnung gebildet wird.
Das kapazitive Element kann einen Schalter aufweisen der dazu ausgebildet ist, dass die kapazitiven Anordnungen während der ersten Zeitspanne nicht miteinander verbunden sind und die kapazitiven Anordnungen während der zweiten Zeitspanne miteinander verbunden sind.
Die kapazitiven Anordnungen können Kondensatoren sein.
Der statische Wert kann ein nicht ganzzahliger sein.
Der einzelne Stromimpuls kann eine Ladung zur Verfügung stellen, die eine Funktion der Phasendifferenz ist, die zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal vorhanden gewesen wäre, wenn das Rückkopplungssignal durch Teilen des Ausgangssignals durch den statischen Wert und nicht durch den variierten Divisor gebildet worden wäre.
Der einzelne Stromimpuls kann eine Ladung zur Verfügung stellen, die proportional zu der Phasendifferenz ist, die zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal vorhanden gewesen wäre, wenn das Rückkopplungssignal durch Teilen des Ausgangssignals durch den statischen Wert und nicht durch den variierten Divisor gebildet worden wäre.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird beispielhaft auf die nachfolgenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1 einen Phasenregelkreis zeigt;
2 die Modulation eines Teilungsverhältnisses zur Bruchteil-N Teilung zeigt;
3 einen Phasenregelkreis zeigt, der DAC Kompensation einschließt;
4 einen Phasenregelkreis zeigt, der eine Summiereinheit einschließt;
5a bis 5c Ladungspumpen zeigen, die zwei Transistoren der gleichen Polarität aufweisen;
6a und 6b Ladungspumpen zeigen, die eine verbesserte Leistung aufweisen;
7 eine Ladungspumpe zeigt, die eine Vielzahl von Stromquellen aufweist; und
8 ein Zeitdiagram von Signalen in einem Phasenregelkreis zeigt.
Ein Phasenregelkreis kann ein Ausgangssignal erzeugen, das eine Frequenz aufweist, die ein statisches Vielfaches der Frequenz eines Referenzsignals ist. Das Ausgangssignal weist daher eine Frequenz auf, die ein Vielfaches der Referenzfrequenz ist. Es ist möglich, dass dieses Vielfache verändert werden kann, so dass der Phasenregelkreis dazu in der Lage ist Ausgangssignale zu erzeugen, die unterschiedliche Frequenzen aufweisen. Wenn das Vielfache einen statischen Wert aufweist, kann der Phasenregelkreis dazu in der Lage sein in einen ”eingeschwungenen” Zustand einzutreten, in dem das Ausgangssignal konstant eine Frequenz aufweist, die das erforderliche Vielfache der Referenzfrequenz ist.
Der Phasenregelkreis kann einen Signalgenerator aufweisen, der dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal zu erzeugen. Der Phasenregelkreis kann auch eine Rückkopplungsschleife umfassen, so dass das Ausgangssignal des Signalgenerators rückgekoppelt und mit dem Referenzsignal verglichen werden kann. Die Rückkopplungsschleife kann einen Teiler aufweisen, der dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal zu empfangen und das Ausgangssignal zu teilen, um das Rückkopplungssignal zu bilden. Der Teiler kann dazu ausgebildet sein, den Divisor zu variieren, durch den das Ausgangssignal geteilt wird. Der Divisor kann ein Bruchteil-N Divisor sein und der statische Wert kann ein nicht ganzzahliger sein, zum Beispiel kann die Ausgangsfrequenz ein Bruchteil eines Vielfachen der Referenzfrequenz sein. Der Divisor kann einen von zwei oder mehr ganzzahligen Werten einnehmen.
Der Phasenregelkreis kann eine Vergleichseinheit aufweisen, die dazu ausgebildet ist, das Rückkopplungssignal mit dem Referenzsignal zu vergleichen, und einen oder mehrere Stromgeneratoren, die dazu ausgebildet sind, einen Strom abzugeben, der von dem Vergleich abhängig ist. Der Phasenregelkreis kann auch einen Summierer aufweisen, der dazu ausgebildet ist, die durch den/die Stromgenerator(en) ausgegebenen Ströme zu empfangen und einen einzelnen Stromimpuls aus diesen Stromimpulsen zu bilden. Schließlich kann der Schleifenfilter einen Schleifenfilter aufweisen der dazu ausgebildet ist, den einzelnen Stromimpuls zu filtern, um ein Steuersignal zum Steuern des Signalgenerators zu bilden.
Der/die Stromgenerator(en) können einen ersten Stromimpuls abhängig von einer Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal erzeugen und einen zweiten Stromimpuls abhängig von einem Fehler in dem Rückkopplungssignal, der durch die Variation des Divisors bewirkt wird. Die Summiereinheit kann die ersten und zweiten Stromimpulse entgegennehmen und eine elektrische Ladung speichern, die kennzeichnend ist für diese Stromimpulse. Die Summiereinheit kann dann abhängig von der durch die Summiereinheit während der ersten Zeitspanne gespeicherten elektrischen Ladung einen einzelnen Stromimpuls abgeben. Dieser einzelne Stromimpuls ist repräsentativ für eine Phasendifferenz, die zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal vorhanden bestanden hätte, wenn das Rückkopplungssignal durch Teilen des Ausgangssignals durch den statischen Wert und nicht durch den variierten Divisor gebildet worden wäre. Der einzelne Stromimpuls kann eine Ladung zur Verfügung stellen, die eine Funktion der Phasendifferenz ist, die zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal vorhanden gewesen wäre, wenn das Rückkopplungssignal durch Teilen des Ausgangssignals durch den statischen Wert und nicht durch den variierten Divisor gebildet worden wäre, zum Beispiel kann die durch den einzelnen Stromimpuls zur Verfügung gestellte Ladung proportional zu dieser Phasendifferenz sein.
Ein wie oben beschriebener Phasenregelkreis ist in 4 dargestellt. Der Phasenregelkreis weist eine Vergleichseinheit 402 auf, die dazu ausgebildet ist, ein Referenzsignal 401 zu empfangen und dieses mit einem Rückkopplungssignal zu vergleichen, das durch einen Teiler 407 ausgegeben wird. Die Vergleichseinheit kann aus diesem Vergleich eine Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal bestimmen. Die Komparatorinheit kann zum Beispiel eine Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten bestimmen, zu denen beide Signale über einen vorgegebenen Grenzwert steigen. Die Komparatoreinheit kann auch Information von dem Teiler entgegennehmen, die anzeigt wie das Teilungsverhältnis variiert wird.
Der Teiler in dem Rückkopplungspfad ermöglicht es, dass der Phasenregelkreis ein Ausgangssignal 409 bildet, das eine Frequenz aufweist, die ein Vielfaches der des Referenzsignals beträgt. Dies kann erreicht werden, indem der Teiler das Ausgangssignal einfach durch den Multiplikator teilt. Für den Teiler kann es jedoch unter gewissen Umständen vorteilhaft sein, das Teilungsverhältnis so zu variieren, dass, obwohl der durchschnittliche Wert des Divisors gleich dem Multiplikator ist, der durch den Teiler verwendete Divisor zu einem beliebigen Zeitpunkt größer oder kleiner sein kann als der Multiplikator. Ein Vorteil der Variation des Divisors auf diese Weise ist, dass dies ermöglicht, dass eine gebrochene Teilung des Referenzsignals erreicht wird, so dass das Ausgangssignal nicht auf eine Frequenz eingeschränkt ist, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des Referenzsignals ist.
Die Variation des Divisors bedeutet, dass das Rückkopplungssignal zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt eine Frequenz aufweisen kann, die geringfügig zu hoch ist (weil der Divisor unterhalb des statischen Werts liegt) oder geringfügig zu niedrig ist (weil der Divisor über dem statischen Wert liegt). Die durch die Komparatoreinheit durch Vergleichen des Rückkopplungssignals mit dem Referenzsignal detektierte Phasendifferenz kann daher geringfügig kleiner oder größer sein als sie sein sollte. Die Komparatoreinheit kann Information über die Modulation des Teilungsverhältnisses verwenden, um diesen Phasenfehler in dem Rückkopplungssignal zu bestimmen.
Die Komparatoreinheit kann einen oder mehrere Phase-Frequenz-Detektoren zum Steuern der Ladungspumpe aufweisen, um Stromimpulse als Reaktion auf die Phasendifferenz und den Phasenfehler zu erzeugen. Ein PFD könnte beide Funktionen ausführen. Es kann jedoch vorteilhaft sein, zwei PFDs zu haben, so dass einer kontinuierlich die Referenz- und Rückkopplungssignale überwachen kann. Dies kann Probleme mit Totbereichen behandeln, die ansonsten auftreten würden.
Die Information, die der Teiler die Komparatoreinheit zur Verfügung stellt, kann ein Überlaufen eines Zählers sein, der verwendet wird, um den Wert des Divisors zu steuern. Alternativ könnte die Information durch den Ausgang eines Sigma-Delta-Modulators zur Verfügung gestellt werden, der verwendet wird, um den Wert des Divisors zu steuern. Der durch den Sigma-Delta-Modulator ausgegebene Strom aus Einsen und Nullen, kann verwendet werden, um zu steuern, wann der Divisor zwischen ganzzahligen Werten geändert wird. Dieser Einsen und Nullen repräsentierende Strom bezeichnet den Phasenfehler und kann zu Zwecken der Rauschsignalverbesserung durch einen weiteren Sigma-Delta-Modulator geleitet werden, bevor er an die Vergleichseinheit weitergeleitet wird.
Die Komparatoreinheit kann zwei Stromgeneratoren 403, 404 steuern, so dass diese Stromimpulse in Abhängigkeit von der festgestellten Phasendifferenz und dem festgestellten Phasenfehler abgeben. Üblicherweise kann ein Stromgenerator den Stromimpuls als Reaktion auf die Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal erzeugen und der andere Stromgenerator kann den Stromimpuls als Reaktion auf den Phasenfehler in dem Rückkopplungssignal auf Grund der Modulation des Teilungsverhältnisses erzeugen. Der Phasenregelkreis kann jedoch mehr oder weniger Stromgeneratoren aufweisen. Einige der weiter unten im Detail beschriebenen speziellen Implementierungen verwenden nur eine Ladungspumpe, um beide Arten von Stromimpulsen zu erzeugen.
Die Summiereinheit 405 empfängt die Stromimpulse und führt eine Summierung durch, so dass der einzelne, durch die Summiereinheit abgegebene Stromimpuls für den gegenwärtigen Phasenfehler in dem Ausgangssignal kennzeichnend ist. Die Summiereinheit kann die während der ersten Zeitspanne in den von den Stromgeneratoren erhaltenen Stromimpulsen enthaltene Ladung speichern und während der zweiten Zeitspanne einen einzelnen Stromimpuls ausgeben, der die gesamte oder einen Teil dieser gespeicherten Ladung enthält. Der einzelne Stromimpuls kann die Summe von oder die Differenz zwischen den elektrischen Ladungen enthalten, die in den zwei Stromimpulsen enthalten sind, die von den Stromgeneratoren empfangen worden sind.
Theoretisch sollte, wenn der Phasenregelkreis sich in dem eingeschwungenen Zustand befindet, die in den durch die Stromgeneratoren abgegebenen Stromimpulsen enthaltene Ladung gleich und entgegengesetzt sein, so dass sie sich zu Null summieren. Dies ist so, weil das Ausgangssignal in dem eingeschwungenen Zustand eine Frequenz aufweisen sollte, die gleich dem statischen Wert multipliziert mit der Frequenz des Referenzsignals ist, so dass die Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal einzig von der Variation des Divisors abhängig ist. In der Praxis kann in dem eingerasteten Zustand eine Differenz zwischen den in den zwei Stromimpulsen enthaltenen Ladungen bleiben. Diese Differenz kann jedoch stark verringert werden, indem die Genauigkeit der Kompensation des Phasenfehlers erhöht wird (das heißt, die Kompensation, die die Variation des Divisors ausmacht).
Der durch die Summiereinheit erzeugte einzelne Stromimpuls wird durch einen Eingangsknoten des Schleifenfilters 406 empfangen. Der Schleifenfilter filtert den einzelnen Stromimpuls, um ein Steuersignal für den Signalgenerator 408 zu bilden, der ein spannungsgesteuerter Oszillator (Voltage-Controlled Oscillator – VCO) sein kann.
Die Summiereinheit stellt daher dem Schleifenfilter einen einzelnen Stromimpuls zur Verfügung, der für den aktuellen Phasenfehler in dem Ausgangssignal relativ zu dem Referenzsignal bezeichnend ist. Dadurch können problematische Transienten verringert werden, die andernfalls in den Schleifenfilter eingebracht würden, besonders dann, wenn es eine zeitliche Abweichung zwischen den verschiedenen Stromimpulsen existiert, die als Reaktion auf Phasenfehler in dem Ausgangssignal erzeugt werden kann.
Beispiele für Signale, die an dem Betrieb des Phasenregelkreises beteiligt sein können, sind in 8 dargestellt. Bei 801 ist ein Referenzsignal dargestellt. Ein Rückkopplungssignal wird bei 802 gezeigt. Zunächst eilt das Rückkopplungssignal dem Referenzsignal nach, wodurch bewirkt wird, dass einer der Stromgeneratoren Stromimpulse in ”Aufwärtsrichtung” erzeugt, weil der VCO beschleunigt werden muss (erste Stromimpulse 803). Nach einiger Zeit ist der VCO so weit beschleunigt, dass und das Rückkopplungssignal beginnt dem Referenzsignal vorauszueilen. Dies bewirkt, dass die ersten Stromimpulse die Richtung ändern und zu ”abwärts” gerichteten Impulsen werden, die vorgesehen sind zu bewirken, dass der VCO verlangsamt wird.
Jeder der ersten Stromimpulse weist den gleichen Stromwert auf, variiert jedoch abhängig von der Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal in der Dauer. In diesem Beispiel wird die Phasendifferenz bestimmt durch Überwachen, wann das Referenzsignal und das Rückkopplungssignal einen Grenzwert kreuzen. Dies ist nur zum Zweck eines Beispiels dargestellt und die Phasendifferenz könnte auf eine andere Art bestimmt werden. Die Phasendifferenz könnte zum Beispiel durch Überwachen nur der ansteigenden Flanken des Rückkopplungs- und Referenzsignals bestimmt werden.
In dem Beispiel nach 8 beginnen die ersten Stromimpulse zu dem Zeitpunkt, zu dem festgestellt wird, dass eines aus Referenzsignal und Rückkopplungssignal den Grenzwert gekreuzt hat und werden beendet, wenn festgestellt wird, dass das andere aus Referenzsignal und Rückkopplungssignal den Grenzwert gekreuzt hat. Die Richtung des Impulses wird bestimmt entsprechend welches der Signale den Grenzwert zuerst kreuzt. Ein ”Aufwärtsimpuls” wird erzeugt, wenn das Referenzsignal den Grenzwert vor dem Rückkopplungssignal kreuzt. Ein ”Abwärtsimpuls” wird erzeugt, wenn das Rückkopplungssignal den Grenzwert vor dem Referenzsignal kreuzt.
Das Rückkopplungssignal 802 wird durch Teilen des Ausgangssignals durch einen Divisor gebildet, der zwischen zwei oder mehr ganzzahligen Werten variiert. Deshalb wird die Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal die Frequenz des Ausgangssignals häufig nicht korrekt wiedergeben, weil die Phasendifferenz auf Grund der Variation des Teilungsverhältnisses einen Fehler aufweist. Die zweiten Stromimpulse 803 sind vorgesehen, um diesen Fehler zu kompensieren. Die zweiten Stromimpulse sind so dargestellt, dass sie von konstanter Dauer sind aber einen Betrag aufweisen, der abhängig von dem Phasenfehler variiert. Jeder der zweiten Impulse kann eine feste Zeitdauer nach dem VCO Takt beginnen. Die zweiten Impulse können ebenfalls ”Aufwärts-” oder ”Abwärtsimpulse” sein, abhängig davon ob der Divisor geringfügig zu klein ist (wodurch bewirkt wird, dass das Rückkopplungssignal weiter vorauseilt als es sollte) oder geringfügig zu groß ist (wodurch bewirkt wird, dass das Rückkopplungssignal mehr nacheilt als es sollte).
Die zweiten Stromimpulse müssen nicht von konstanter Dauer sein, wie in 8 gezeigt. Im Allgemeinen können die zweiten Stromimpulse eine Dauer aufweisen, die gleich oder ein Vielfaches der Periode des Ausgangssignals ist. Wenn der Phasenregelkreis nicht im eingeschwungenen Zustand ist, ist es wahrscheinlich, dass sich diese Periode mit der Zeit ändert, da die Frequenz des Ausgangssignals eingeregelt wird, um dem Referenzsignal näher zu kommen. Daher können die zweiten Stromimpulse von vorgegebener statt einer festen Dauer sein.
Die in 8 gezeigten ersten und zweiten Impulse weisen unterschiedliche Formen auf, was bewirken könnte, dass unzulässige Transienten in den Schleifenfilter eingebracht werden. Dies ist nachvollziehbar, wenn man die Situation betrachtet, in der der Phasenregelkreis sich in dem eingeschwungenen Zustand befindet, so dass das Ausgangssignal eine Frequenz aufweist, die konstant das Vielfache der des Referenzsignals ist. In dieser Situation sollte jegliche Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal einzig auf Grund der Variation des Teilungsverhältnisses bestehen. Unter der Annahme einer exakten Kompensation dieses Fehlers sollten die Stromimpulse, die als Reaktion auf die Phasendifferenz und den Phasenfehler erzeugt wurden daher die gleiche elektrische Ladung aufweisen, jedoch in verschiedenen Richtungen. Wenn sie über die Zeit integriert würden, würden sich diese Impulse zu Null summieren. Wenn die Stromimpulse jedoch direkt in den Schleifenfilter eingebracht würden, bedeutet der Unterschied in ihren Formen, dass zu jedem beliebigen Zeitpunkt die in den Schleifenfilter eingebrachte elektrische Ladung wahrscheinlich nicht Null sein würde. Dies kann große Transienten zur Folge haben, die in den Schleifenfilter eingebracht werden.
Die Stromimpulse 805 repräsentieren die Summe der ersten und zweiten Stromimpulse. Diese Impulse werden durch die Summiereinheit ausgegeben und sind kennzeichnend dafür, wie die Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal gewesen wäre, wenn das Ausgangssignal durch das feste Vielfache an Stelle von durch den variierenden Divisor geteilt worden wäre, um das Rückkopplungssignal zu bilden. Weil die ersten und zweiten Impulse durch die Summiereinheit aufsummiert worden sind, bevor sie an den Schleifenfilter ausgegeben werden, kann das Problem der Transienten, die durch zeitlichen Versatz zwischen den ersten und zweiten Stromimpulsen bewirkt werden, reduziert werden.
Spezifische Beispiele für Ladungspumpen, die Stromgeneratoren und Summiereinheiten für einen Phasenregelkreis aufweisen, werden nachfolgend beschrieben.
Die 5a und 5b zeigen Beispiele von Ladungspumpen, die mittels Transistoren der gleichen Polarität sowohl ”Aufwärts-” als auch ”Abwärtsströme” erzeugen. Die in 5b gezeigte Ladungspumpe ist eine spezifische Implementierung der in 5a gezeigten Schaltung. Die zwei Schaltungen funktionieren im Wesentlichen auf die gleiche Weise. In beiden Figuren werden für Komponenten, die die gleiche Funktion in der Ladungspumpe ausführen, die gleichen Bezugszeichen verwendet.
In 5a weist die Ladungspumpe zwei Strompfade 501, 502 auf. Der erste Strompfad weist eine Stromquelle 503 und eine Stromsteuerungsanordnung 504 auf. Der zweite Strompfad weist eine Stromquelle 505 und eine Stromsteuerungsanordnung 506 auf. In 5 werden die Stromsteuerungsanordnungen durch PMOS Transistoren zur Verfügung gestellt. Die Transistoren werden durch Spannungen gesteuert, die an ihre entsprechenden Steuerknoten 507, 508 angelegt werden. Die Ladungspumpe weist auch ein kapazitives Element 509 auf. Die Ladungspumpe ist während der ersten Zeitspanne dargestellt, so dass das kapazitive Element eine Platte aufweist, die mit dem ersten Strompfad in Verbindung steht und eine Platte, die mit dem zweiten Strompfad in Verbindung steht. Die von jedem Strompfad ausgegebenen Ströme werden durch Kondensatoren 510, 511 entgegengenommen und bewirken eine Spannungsänderung an den Knoten 513, 514. Diese Spannungsänderung bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf den Platten des Kondensators gebildet wird, die während der zweiten Zeitspanne zu dem Schleifenfilter übertragen wird, indem eine Platte mit Masse der Schaltung und die andere Platte mit einem Ausgangsknoten 512 verbunden wird. Die Ladungspumpe weist Schalteinrichtungen 515, 516 auf, die die Verbindungen des kapazitiven Elements in den ersten und zweiten Zeitspannen steuern.
Die Kondensatoren 510, 511 sind zwischen den Strompfaden und einer Referenzspannung verbunden gezeigt. Die Kondensatoren können jedoch mit verschiedenen Referenzspannungen verbunden sein. Auf ähnliche Weise sind beide Stromquellen 503, 505 mit der gleichen Referenzspannung verbunden gezeigt. Die Stromquellen können jedoch mit verschiedenen Referenzspannungen verbunden sein.
5b zeigt ein Beispiel einer spezifischen Implementierung der Ladungspumpe, die allgemein in 5a dargestellt ist. Die in 5b gezeigte Ladungspumpe weist zwei Strompfade 501, 502 auf. Jeder Strompfad weist eine Stromquelle und eine Stromsteuerungsanordnung auf, wie in 5c dargestellt. In 5c ist die Stromquelle bei 523 dargestellt und die Stromsteuerungsanordnung wird durch PMOS Transistor 524 zur Verfügung gestellt. Zwei weitere Transistoren 525, 526 wirken als Schalter, so dass, wenn Transistor 524 leitend ist, eine Stromausspeisung durch die Stromquelle entweder mit dem Rest der Ladungspumpe oder mit virtueller Masse verbunden werden kann. Der Betrieb der Transistoren 525, 526 kann durch Steuersignale gesteuert werden, die durch eine Steuereinheit erzeugt werden.
Die Ladungspumpe nach 5b umfasst auch ein kapazitives Element 509 und Schalteinrichtungen 515, 516, die in der Schaltung nach 5b durch Transistoren 519 bis 522 realisiert sind. Weiter Transistoren 517, 518 werden zum Entladen der Kondensatoren 510, 511 während der zweiten Zeitspanne zur Verfügung gestellt.
Wie in der in 4 gezeigten Schaltung ist ein Ziel der Schaltungen nach den 5a und 5b eine Ladungspumpe zur Verfügung zu stellen, die einen Strom in zwei Richtungen zur Verfügung zu stellen kann, das heißt, eine Ladungspumpe, die bewirken kann, dass ein Strom entweder in eine oder aus einer Schaltung fließt, die mit dem Ausgangsknoten der Ladungspumpe verbunden ist. In den 5a und 5b kann der Strompfad 501 eingerichtet sein, um einen „Abwärtsstrom” zur Verfügung zu stellen (das heißt, einen Strom, der aus einer Schaltung fließt, die mit dem Ausgangsknoten verbunden ist), während der Strompfad 502 eingerichtet sein kann einen „Aufwärtsstrom” zur Verfügung zu stellen (das heißt, einen Strom, der in eine Schaltung fließt, die mit dem Ausgangsknoten der Ladungspumpe verbunden ist). Die in den 5a und 5b gezeigte Anordnung der Ladungspumpe kann vorteilhaft sein, weil die zwei verschiedenen Stromrichtungen mittels Stromsteuerungsanordnungen der gleichen Polarität erzielt werden können (das heißt, den PMOS Transistoren 503, 505). Daher kann das transiente Ansprechverhalten beider Transistoren enger abgestimmt werden, als bei Verwendung von Transistoren unterschiedlicher Polarität.
Der Betrieb der beiden Schaltungen ist wie folgt:
Während einer ersten Zeitspanne können die entsprechenden Stromquellen jedes Strompfades einen Strom erzeugen. Die Menge an Ladung, die während der ersten Zeitspanne durch jeden der Strompfade fließt ist abhängig von der Größe des Stroms, der von jeder Stromquelle erzeugt wird, und die Zeitdauer, für die der Strom erzeugt wird. Diese Parameter werden üblicherweise über Steuereingänge 507, 508 gesteuert.
Die während der ersten Zeitspanne in die Stromquellen eingespeisten Steuersignale werden üblicherweise so gesteuert, dass eine geeignete Ladungsmenge in eine Schaltung eingespeist werden kann, die mit dem Ausgangsknoten der Ladungspumpe verbunden ist. Bei einem Phasenregelkreis können diese Steuersignale von einer Phasendifferenz zwischen einem Rückkopplungssignal und einem Referenzsignal abhängig sein und/oder von einem Fehler, der in das System eingebracht wird, indem ein Teilungsverhältnis moduliert wird. Aus 5b ist ersichtlich, dass zwei Steuersignale in jede Stromquelle eingespeist werden: DAC und Impuls. Die Impulseinspeisung kann die Stromquelle in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal steuern, während die DAC-Einspeisung verwendet werden kann, um das modulierte Teilungsverhältnis zu kompensieren.
Die Impulseinspeisung kann üblicherweise verwendet werden um zu bewirken, dass die Stromquelle einen vorgegebenen Strom für eine Zeitdauer erzeugt, die von der Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal abhängig ist. Die Zeitdauer kann proportional zu der Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal sein. Die DAC-Einspeisung kann üblicherweise verwendet werden um zu bewirken, dass die Stromquelle für eine vorgegebene Zeitdauer einen Strom erzeugt, der von einem modulierten Teilungsverhältnis abhängig ist. Diese vorgegebene Zeitdauer kann eine Periode der Signalausspeisung durch einen Phasenregelkreis betragen. Die Stromstärke kann proportional zu dem Phasenfehler sein. Diese zwei verschiedenen Arten der Kompensation können zu einem zweistufigen Stromerzeugungsprozess führen, in dem zum Beispiel zuerst eine Phasenkompensation, gefolgt durch eine DAC-Kompensation, durchgeführt wird. Diese wird später detaillierter beschrieben.
Der Phasenregelkreis kann eine Steuereinheit zum Erzeugen der in die Stromquellen eingespeisten Steuersignale aufweisen. Diese Schaltung kann vollständig hardwaremäßig realisiert werden oder einen Prozessor beinhalten, der unter der softwaregesteuert arbeitet.
Der Stromfluss durch jeden entsprechenden Strompfad wird gesteuert durch den Grad, in dem die Transistoren, die den Stromfluss in jedem Strompfad steuern, zwischen ihren Drain und Source-Anschlüssen leitend durchgeschaltet sind. Dies wird bestimmt durch ein Steuersignal, das an den Gate-Anschluss der Transistoren angelegt wird. In den 5a und 5b sind beide Transistoren PMOS-Transistoren und daher werden beide leitend, wenn eine logische Null jeweils an ihren Gate-Anschluss angelegt wird. Da beide Transistoren PMOS Transistoren sind, können sie unter Verwendung des gleichen Steuersignals gesteuert werden, zum Beispiel unter Verwendung von einer Anordnung wie sie zum Beispiel der in 5c dargestellt ist. Wenn das gleiche Steuersignal verwendet wird (und wenn beide Transistoren die gleichen Dimensionen, Dotierungsgrade usw. aufweisen) dann sollten beide Transistoren immer im Wesentlichen in dem gleichen Maße leitfähig sein. Eine Ladungspumpe, die einen Ausgangsstrom durch Ansteuern der gleichen Transistorpolarität steuert, kann daher wesentliche Rauschvorteile über Ladungspumpen bieten, die Transistoren mit unterschiedlichen Polaritäten zur Stromflusssteuerung verwenden. Wenn das gleiche Steuersignal für alle Stromsteuerungsanordnungen verwendet wird, kann ein Strompfad, von dem kein Strom erwünscht ist (zum Beispiel der „Aufwärtspfad”, weil nur ein „Abwärtsimpuls” erzeugt werden soll), unter Verwendung einer Schaltanordnung, wie zum Beispiel der in 5c gezeigten, auf virtuelle Masse umgeleitet werden.
Der Kondensator 509 kann über Schalteinrichtungen 515 und 516 mit den Strompfaden verbunden werden. Die in 5b gezeigten Schalteinrichtungen weisen jeweils zwei Transistoren auf, die als spannungsgesteuerte Schalter wirken, so dass der Kondensator abwechselnd entweder mit den zwei Strompfaden oder mit dem Ausgangsknoten der Ladungspumpe verschaltbar ist. Jeder der Transistoren in der Schaltanordnung wird durch ein entsprechendes Steuersignal angesteuert. Wie in 5b gezeigt, weist jede Schaltanordnung einen durch ein Signal S1 gesteuerten NMOS-Transistor und einen weiteren durch ein Signal S2 gesteuerten NMOS-Transistor auf.
Während der ersten Zeitspanne weist S1 einen hohen Pegel auf während S2 einen niedrigen Pegel aufweist, so dass die Transistoren 519 und 520 leitend sind während die Transistoren 521 und 522 nichtleitend sind. Daher ist während der ersten Zeitspanne jede Platte des Kondensators mit dem entsprechenden Strompfad verbunden. Wenn einer oder beide dieser Pfaden während der ersten Zeitspanne einen Strom führen, bewirkt dieser Strom, dass eine elektrische Ladung auf der Platte des Kondensators gebildet wird, die mit diesem Pfad verbunden ist.
Während der zweiten Zeitspanne weist S2 einen hohen Pegel auf während S1 einen niedrigen Pegel aufweist, so dass die Transistoren 519 und 520 nichtleitend sind während die PMOS-Transistoren 521 und 522 leitend sind. Daher ist der Kondensator während der zweiten Zeitspanne von den zwei Strompfaden isoliert. Während der zweiten Zeitspanne kann eine Platte des Kondensators über den Transistor 521 mit einer Referenzspannung verbunden werden, während die andere Platte des Kondensators über den Transistor 522 mit dem Ausgangsknoten 512 der Ladungspumpe verbunden wird. Daher wird die elektrische Ladung, die sich auf den Platten des Kondensators während der ersten Zeitspanne angesammelt hat, während der zweiten Zeitspanne an den Schleifenfilter übertragen. Dies bewirkt, dass ein Strom an dem Ausgang der Ladungspumpe erzeugt wird.
Während der zweiten Zeitspanne neigt elektrische Ladung, die während der ersten Zeitspanne an einer der Platten des Kondensators aufgebaut wurde, dazu, sich in der entgegengesetzten Richtung von der elektrischen Ladung, die auf der anderen Platte aufgebaut wurde, zu entladen. Weil Strom, der durch einen der Strompfade fließt, bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf einer anderen Platte des Kondensators aufgebaut wird durch Strom, der in der gleichen Richtung durch den anderen Strompfad fließt, ist ein Pfad (502) daher effektiv in der Lage einen Strom zu bewirken, der in den Ausgangsknoten fließt, während der andere Pfad (501) effektiv in der Lage ist zu bewirken, dass ein Strom aus dem Ausgangsknoten heraus fließt.
Während der ersten Zeitspanne kann ein Strom nur durch einen der zwei Strompfade fließen. Üblicherweise werden beide Transistoren leitend sein, wenn die Anordnung nach 5c verwendet wird (da beide das gleiche Steuersignal empfangen) so dass, ob ein Strom durch einen bestimmten Strompfad abgegeben wird oder nicht, durch die Schaltanordnung gesteuert wird, die durch die Transistoren 525, 526 zur Verfügung gestellt wird. Alternativ dazu können während der ersten Zeitspanne beide Strompfade einen Strom aufweisen der durch sie fließt (was wiederum durch die Schaltanordnung gesteuert werden kann, die durch Transistoren 525, 526 zur Verfügung gestellt wird), wodurch bewirkt wird, dass eine elektrische Ladung auf beiden Platten des Kondensators aufgebaut wird. Während der zweiten Zeitspanne entladen sich diese Ladungen effektiv in entgegengesetzte Richtungen, so dass die Stromaus durch die Ladungspumpe kennzeichnend ist für die Differenz zwischen den Strömen, die während der ersten Zeitspanne durch die ersten und zweiten Strompfade geflossen sind.
Wie oben erwähnt, kann die Ladungspumpe sowohl DAC als auch PFD-Kompensation durchführen, wobei die Ladungspumpe in diesem Fall auf geeignete Weise dazu ausgebildet ist, während der ersten Zeitspanne einen zweiteiligen Kompensationsprozess durchzuführen. Die DAC- und PFD-Kompensationen können aufeinanderfolgend durchgeführt werden oder sich zeitlich überlappen. Die PFD-Kompensation kann beispielsweise zuerst beginnen, um einer Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal Rechnung zu tragen, gefolgt von der DAC-Kompensation, um Fehler zu kompensieren, die durch eine Modulation des Teilungsverhältnisses bewirkt wurden. Die DAC-Kompensation kann immer eine vorgegebene Zeit nach dem VCO Takt beginnen. Abhängig von der Dauer des PFD-Kompensationsimpulses kann die DAC-Kompensation beginnen, bevor die PFD-Kompensation zu Ende geführt wurde. Diese Überlappung kann erfordern, dass jeder Strompfad mehr als eine Stromquelle aufweist (siehe weiter unten). Während der zweiteiligen Kompensation sammelt sich elektrische Ladung auf den Kondensatorplatten derart an, dass zum Ende des Prozesses die elektrische Ladung auf jeder Platte die Summe der auf dieser Platte gebildeten Ladungen während beider Teile des Prozesses ist. Daher wird die Stromausspeisung durch die Ladungspumpe während der zweiten Zeitspanne sowohl für die DAC-Kompensation als auch die PFD-Kompensation kennzeichnend sein.
Die Schaltungen nach den 5a und 5b stellen daher eine Ladungspumpe zur Verfügung, die in der Lage ist mittels Transistoren der gleichen Polarität einen Ausgangsstrom in zwei Richtungen zur Verfügung zu stellen. Daher sind diese Schaltungen nicht dem Problem herkömmlicher Ladungspumpen konfrontiert, nicht dazu in der Lage zu sein das transiente Verhalten von NMOS- und PMOS-Transistoren auszugleichen.
Ein weiterer Vorteil der in den 5a und 5b gezeigten Schaltung ist, dass, wenn sowohl die DAC-Kompensation als auch die PFD-Kompensation durchgeführt werden, nur die Differenz zwischen den zwei Strömen an den Ausgangsknoten und infolgedessen an den Schleifenfilter des Phasenregelkreises übertragen wird. Dies ist vorteilhaft, weil die PFD-Kompensation üblicherweise durchgeführt wird, indem ein Stromimpuls mit vorgegebener Stärke aber variabler Länge erzeugt wird, während die DAC-Kompensation üblicherweise durchgeführt wird, indem ein Stromimpuls von vorgegebener Länge aber variabler Stärke erzeugt wird. Obwohl sich der Fehler zwischen den zwei Signalen auf Null mittelt, kann die Differenz zwischen den Stromimpulsformen für die zwei Arten der Kompensation daher dazu neigen, momentane Störungen in dem Phasenregelkreis zu erzeugen. Das Übertragen eines Stroms, der von der Differenz zwischen den gesamten Ladungen abhängig ist, die während der PFD-Kompensations- und DAC-Kompensationsphasen erzeugt wurden, verringert Störungen, die durch zeitlichen Versatz in den Stromimpulsen bewirkt wird, die durch die DAC- und PFD-Kompensationseinheiten erzeugt werden.
Ein mögliches Problem mit der in den 5a und 5b gezeigten Schaltung ist, dass die parasitäre Kapazität des Kondensators 509 Störungen bewirken kann. Eine Schaltung, die dieses Problem behandeln kann, ist in 6a dargestellt.
Die 6a und 6b zeigen auch Beispiele von Ladungspumpen, die sowohl „Aufwärts-” als auch „Abswärtströme” mittels Transistoren der gleichen Polarität erzeugen. Die in 6b gezeigte Ladungspumpe ist eine spezielle Implementierung der in 6a gezeigten Schaltung. Die zwei Schaltungen funktionieren im Wesentlichen auf die gleiche Weise. In beiden Figuren werden die gleichen Bezugszeichen für Komponenten verwendet, die die gleiche Funktion in der Ladungspumpe ausführen.
In 6a weist die Ladungspumpe zwei Strompfade 601, 602 auf. Jeder Strompfad kann eine Stromquelle und eine Stromsteuerungsanordnung aufweisen. Die Stromsteuerungsanordnungen können durch PMOS Transistoren zur Verfügung gestellt werden. Die Strompfade werden durch Spannungen gesteuert, die an ihre entsprechenden Steuerknoten 607, 608 angelegt werden. Die Ladungspumpe weist auch ein kapazitives Element auf, das durch die Kondensatoren 609 und 610 zur Verfügung gestellt wird. Während der ersten Zeitspanne weist das kapazitive Element eine Platte in dem Kondensator 609 auf, die mit dem ersten Strompfad und eine Platte in dem Kondensator 610, die mit dem zweiten Strompfad in Verbindung steht. Die Schalter 604 und 605 sind geschlossen, so dass die durch jeden Strompfad abgegebenen Ströme durch Kondensatoren 609, 610 entgegengenommen werden und bewirken, dass eine elektrische Ladung über die Kondensatoren aufgebaut wird. Diese elektrische Ladung wird während der zweiten Zeitspanne entladen, indem beide Kondensatoren über Schalter 611 miteinander verbunden werden, um wirksam einen einzelnen Kondensator zu bilden, wobei eine Platte über den Schalter 603 mit der Masse der Schaltung verbunden ist und die andere Platte über den Schalter 606 mit einem Ausgangsknoten 614 verbunden ist. Die Kondensatoren können über Schalter 612, 613 kurz zurückgesetzt werden, nachdem sie in den Ausgangsknoten entladen wurden, um sicherzustellen, dass sie vollständig entladen sind, bevor ein neuer Ladeprozess begonnen wird.
6b zeigt eine spezielle Implementierung einer Schaltung, die im Wesentlichen auf die gleiche Weise funktioniert wie die in 6a gezeigte Schaltung. Die Schaltung nach 6b weist ebenfalls zwei Strompfade auf, wobei jeder eine Stromquelle und eine Stromsteuerungsanordnung aufweist. Diese können in einer einfachen Reihenanordnung eingerichtet sein, wie zum Beispiel der in 5a gezeigten, oder in einer komplexeren Anordnung, wie zum Beispiel der in 5c gezeigten.
Die Schaltungen nach den 6a und 6b unterscheiden sich von denen nach den 5a und 5b darin, dass ein Kondensator mit jedem Strompfad verbunden ist. Der Betrieb der Schaltungen in den 6a und 6b ist ähnlich dem der Schaltungen in den 5a und 5b, und zwar darin, dass während einer ersten Zeitspanne ein Strom, der durch die Strompfade fließt, bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf einer oder mehreren kapazitiven Platten gebildet wird, und die elektrische Ladung dann während einer zweiten Zeitspanne entladen wird. Das Prinzip des Betriebs ist jedoch geringfügig unterschiedlich. In den Schaltungen nach den 5a und 5b ruft eine Stromausspeisung durch einen der Strompfade einen Spannungsabfall an dem Knoten hervor, mit dem der Kondensator verbunden ist, wodurch bewirkt wird, dass eine elektrische Ladung auf der Platte des Kondensators gebildet wird. In der Schaltung nach den 6a und 6b fließt ein Stromausspeisung durch einen der Strompfade durch einen der Kondensatoren und bewirkt dadurch, dass eine elektrische Ladung auf den Platten dieses Kondensators aufgebaut wird.
Die Schaltreihenfolge für die Schaltung nach 6b ist wie folgt: Zunächst sind die Schalter S2 offen und die Schalter S1 und S0 sind geschlossen, so dass jegliche in den Kondensatoren C1 gespeicherte Restladung entladen werden kann. Dann sind die Schalter S0 und S2 offen und die Schalter S1 sind geschlossen, so dass Strom durch die ersten und zweiten Strompfade fließen kann und bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf den Platten der Kondensatoren gebildet wird. Schließlich sind die Schalter S0 und S1 geöffnet und die Schalter S2 sind geschlossen. Die zwei Kondensatoren sind daher miteinander verbunden, wobei eine erste Platte des gesamten kapazitiven Elements mit einer Referenzspannung verbunden ist (in der Figur die Masse der Schaltung) und eine zweite Platte des kapazitiven Elements mit dem Ausgangsknoten der Ladungspumpe verbunden ist.
Jeder der Schalter S0, S1 und S2 in 6 kann durch Transistoren implementiert werden.
Die Schaltungen nach 6a und 6b stellen daher Vorteile zur Verfügung die ähnlich denen der Schaltungen nach den 5a und 5b sind, bieten jedoch eine verbesserte Leistung. Ein Vorteil besteht darin, dass die Anordnung des kapazitiven Elements in den Schaltungen nach 6a und 6b weniger unter parasitärer Kapazität leidet als die Schaltungen nach den 5a und 5b. Daher kann diese kapazitive Anordnung im Hinblick auf Störungssichterheit vorteilhaft sein. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schaltungen der 6a und 6b einen höheren dynamischen Bereich zur Verfügung stellen als die Schaltungen der 5a und 5b. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Schaltungen nach 6a und 6b eine geringere On-chip Kapazität aufweisen als die Schaltungen nach den 5a und 5b.
Ein weiterer Vorteil der in 6a und 6b gezeigten Schaltungen ist, dass die Spannungsaussteuerungen an den Knoten 615 und 616 relativ klein sind, was bedeutet, dass die Stromquellen linear ausgeführt werden können.
Die hier beschriebenen Stromsteuerungsanordnungen sind nicht auf Transistoren beschränkt, sondern können jede Art von Stromsteuerungsanordnung sein, die eine ihr Verhalten beeinflussende Polarität aufweist. Obwohl die Transistoren, auf die hierin Bezug genommen wird, hauptsächlich PMOS-Transistoren gewesen sind, wird dies nur zum Zweck eines Beispiels ausgeführt und jede Art oder Polarität von Transistor kann verwendet werden. PMOS-Transistoren können jedoch Vorteile in Bezug auf Rauschen gegenüber anderen Arten von Transistoren bieten.
Die in den 5a, 5b, 6a und 6b gezeigten Strompfade können eine Vielzahl von individuellen Stromzweigen aufweisen, von denen jeder eine Stromquelle und eine Stromsteuerungsanordnung aufweist. Die Stromausspeisung durch einen Strompfad kann die Summe der Ströme sein, die durch die Vielzahl von Stromzweigen erzeugt werden, die zu diesem Pfad gehören. Ein Beispiel einer derartigen Schaltung ist in 7 dargestellt.
7 zeigt eine Steuereinheit 703, dazu ausgebildet ist, Eingangssignale von einer ersten und einer zweiten Komparatoreinheit 701, 702 zu empfangen. Die erste Komparatoreinheit kann auf geeignete Weise ein Phasen-Frequenz-Detektor sein, der dazu ausgebildet ist, eine Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal eines Phasenregelkreises zu detektieren. Die zweite Komparatoreinheit kann auf geeignete Weise dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit von der Modulation des Teilungsverhältnisses in der Rückkopplungsschleife eines Phasenregelkreises ein Steuersignal für die Steuereinheit zu erzeugen. Die zweite Komparatoreinheit kann ebenfalls einen Phasen-Frequenz-Detektor aufweisen (der der Phasen-Frequenz-Detektor der ersten Komparatorei8nheit sein kann) um ihr zu ermöglichen, den Strom zu bestimmen, der erforderlich ist, die Modulation des Teilungsverhältnisses zu kompensieren. Die Steuereinheit steuert den Betrieb einer Gruppe von Stromzweigen 704 in Abhängigkeit von den Signalen, die von den Komparatoreinheiten empfangen wurden. Jeder Stromzweig kann, wie in den 5a und 6a oder in 5c gezeigt, eine Stromquelle und eine Stromsteuerungsanordnung aufweisen. Die Steuereinheit kann dann eine Stromausspeisung durch jeden der Stromzweige steuern, indem sie die Spannung an dem Steuerknoten der Stromsteuerungsanordnung in jedem Zweig steuert.
Die Stromzweige erzeugen einen Strom in Abhängigkeit von Steuersignalen, die von der Steuereinheit empfangen wurden. Wenn die Stromzweige wie in 5c gezeigt angeordnet sind, kann das gleiche Steuersignal verwendet werden, um die Steuerspannung für alle der Stromsteuerungsanordnungen zur Verfügung zu stellen. Die Summe der durch die Stromquellen erzeugten Ströme wird von einer Summiereinheit 707 empfangen, die geeigneter Weise ein kapazitives Element sein kann. Die Summiereinheit erzeugt das Ausgangssignal 708, das zur Verfügung stehen kann, um Ladung in einen Schleifenfilter eines Phasenregelkreises einzubringen.
Die Steuereinheit kann die Stromquellen so steuern, dass diese während einer ersten Zeitspanne die erforderlichen Ströme erzeugen. Während dieser ersten Zeitspanne werden die Ströme, die durch die individuellen Stromquellen erzeugt werden, durch die Summiereinheit entgegengenommen. Während der zweiten Zeitspanne bildet die Summiereinheit einen Ausgangsstrom, der von den Strömen abhängig ist, die sie während der ersten Zeitspanne entgegengenommen hat. Es ist ersichtlich, dass dies den ersten und zweiten Zeitspannen entspricht, die Bezug nehmend auf die 5a, 5b, 6a und 6b beschrieben wurden.
Durch Vergleich der 7 mit den 5a, 5b, 6a und 6b ist ersichtlich, dass die Summiereinheit durch die in den 5a, 5b, 6a und 6b dargestellten kapazitiven Anordnungen zur Verfügung gestellt werden kann. Die in den 5 und 6 gezeigten Strompfade können betrachtet werden als eine Vielzahl von Stromzweigen, die parallel angeordnet sind, so dass während der ersten Zeitspanne jede der kapazitiven Platten in Verbindung mit einer Vielzahl von Stromzweigen stehen kann.
Die Stromzweige können in zwei Gruppen 705, 706 angeordnet sein. Eine erste Gruppe 705 kann dazu ausgebildet sein, „Aufwärtstromimpulse” zu erzeugen. Eine zweite Gruppe 706 kann dazu ausgebildet sein, „Abwärtsstromimpulse” zu erzeugen. Häufig erfordert eine PFD- und DAC-Kompensation, dass Stromimpulse in entgegengesetzten Richtungen erzeugt werden, insbesondere im eingeschwungenen Zustand, wenn die Phasendifferenz zwischen den Referenz- und Rückkopplungssignalen theoretisch gleich dem Phasenfehler ist, der durch Modulation des Teilungsverhältnisses bewirkt wird. Es wird daher häufig auftreten, dass eine Gruppe von Stromquellen verwendet wird, um die Stromimpulse für die PFD-Kompensation zu realisieren, gefolgt von der anderen Gruppe von Stromquellen, die Impulse für die DAC-Kompensation erzeugt.
Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Stromquellen, die sie für die PFD-Kompensation und die DAC-Kompensation verwendet, von einer Zeitspanne zu der nächsten zu verändern, so dass die Stromquellen entweder einzeln oder in einem Block zwischen den ersten und zweiten Gruppen rotiert werden. Diese Rotation hilft die Störungen zu reduzieren, weil sie ermöglich, Fehler in der PFD- oder der DAC-Kompensation, die durch einzelne der Stromquellen bewirkt werden, über der Zeit auszugleichen.
Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, um die Stromzweige derart zu steuern, dass ein zweiteiliger Kompensationsprozess durchgeführt wird. PFD- und DAC-Kompensation können getrennt durchgeführt werden (zum Beispiel aufeinanderfolgend). Die zwei Teile des Prozesses können sich jedoch zeitlich überlappen. Die erste Gruppe von Stromquellen kann zuerst gesteuert werden, um einen Strom abhängig von dem von der ersten Vergleichseinheit empfangenen Signal zu erzeugen. Eine vorgegebene Zeit nach dem VCO-Takt kann die zweite Gruppe von Stromquellen gesteuert werden, um einen Strom in Abhängigkeit von dem von der zweiten Vergleichseinheit empfangenen Signal zu erzeugen. Wenn die erste Gruppe von Stromquellen immer noch Strom liefert, während die zweite Gruppe von Stromquellen beginnt Strom zu erzeugen, werden die zwei Ströme gleichzeitig von der Summiereinheit empfangen. Dieser Erzeugungsprozess zweier Ströme kann zeitlich nicht überlappen. Es kann jedoch sein, dass sich zwei Kompensationsformen zeitlich überlappen, selbst wenn die gleiche Ladungspumpe verwendet wird, vorausgesetzt dass unterschiedliche Stromzweige für jede Form von Kompensation verwendet werden.
Üblicherweise kann eine PFD-Kompensation durch Erzeugen von Stromimpulsen von vorgegebenem Betrag aber variabler Dauer durchgeführt werden. Die Steuereinheit kann deshalb dazu ausgebildet sein, eine PFD-Kompensation durch Steuern einer vorgegebenen oder festen Anzahl der Stromquellen durchzuführen (zum Beispiel aller der Stromquellen in der ersten oder zweiten Gruppe), um einen Strom für eine Zeitdauer zu erzeugen, die von dem Signal abhängig ist, das von dem Phasen-Frequenz-Detektor empfangen wurde.
Wenn das Rückkopplungssignal dem Referenzsignal nacheilt ist es üblicherweise notwendig, Ladung in das Schleifenfilter des Phasenregelkreises einzubringen, und wenn das Rückkopplungssignal dem Referenzsignal vorauseilt ist es notwendig, Ladung aus dem Schleifenfilter zu entfernen. Dies kann erreicht werden, indem ein Ausgangsstrom erzeugt wird, der entweder in oder aus dem Knoten fließt, der mit der Ladungspumpe verbunden ist. Wenn die Summiereinheit durch eine kapazitive Anordnung ähnlich zu den in den 5a, 5b, 6a und 6b gezeigten zur Verfügung gestellt wird, können die erforderlichen Ströme erzeugt werden, indem bewirkt wird, dass Strom entweder durch den ersten Strompfad oder den zweiten Strompfad fließt. Wenn das Rückkopplungssignal dem Referenzsignal nacheilt kann die Steuereinheit deshalb bewirken, dass die Stromzweige des zweiten Strompfads einen Strom während der ersten Zeitspanne erzeugen, so dass während der zweiten Zeitspanne ein Strom aus dem Ausgangsknoten heraus und in den Schleifenfilter fließt. Ähnlich dazu kann, wenn das Rückkopplungssignal dem Referenzsignal vorauseilt, die Steuereinheit bewirken, dass die Stromzweige des zweiten Strompfads während der ersten Zeitspanne einen Strom erzeugen, so dass während der zweiten Zeitspanne ein Strom in den Ausgangsknoten und aus dem Schleifenfilter fließt.
Üblicherweise kann eine DAC-Kompensation durch Erzeugen von Stromimpulsen von vorgegebener oder fester Dauer aber variablem Betrag durchgeführt werden. Die Steuereinheit kann deshalb ausgebildet sein, eine DAC-Kompensation durch Steuern einer Anzahl von Stromquellen durchzuführen, um Strom für eine vorgegebene oder feste Zeitdauer zu erzeugen. Die vorgegebene Zeitdauer kann eine Periode des VCO-Ausgangssignals sein. Die Anzahl von Stromquellen, die dazu ausgebildet ist, einen Strom zu erzeugen, kann von dem Signal abhängig sein, das von der DAC-Kompensationseinheit empfangen wird. Es kann auch ein variabler Strom erzielt werden, indem die Steuereinheit Stromsteuerungsanordnungen in der Summiereinheit steuert, zum Beispiel durch Einstellen der Steuerspannung, die an die Gate-Anschlüsse der Transistoren 503 und 505 in 5a und der Transistoren 603 und 605 in 6a gelegt wird.
Auf eine ähnliche Weise wie die PFD-Kompensation kann die DAC-Kompensation erfordern, dass Ladung entweder in den Schleifenfilter eingebracht oder entfernt wird. Dies ist abhängig von der Richtung des Phasenfehlers. Wenn der Phasenfehler in eine positive Richtung geht, ist es im Allgemeinen notwendig, Ladung in das Schleifenfilter einzubringen. Dies ist der Fall, weil ein positiver Phasenfehler entweder bewirkt, dass ein Rückkopplungssignal, das dem Referenzsignal nacheilt, als weniger nachzueilen erscheint als es sollte, so dass durch die PFD-Kompensation alleine nicht genug Ladung in den Schleifenfilter eingebracht werden würde, oder bewirkt, dass ein Rückkopplungssignal, das dem Referenzsignal vorauseilt, als mehr vorauszueilen erscheint als es sollte, so dass durch die PFD-Kompensation alleine zu viel Ladung aus dem Schleifenfilter entfernt werden würde. Ein positiver Phasenfehler wird daher kompensiert, indem Ladung proportional zu dem Fehler in den Schleifenfilter eingebracht wird. Dies kann erreicht werden indem veranlasst wird, dass der zweite Strompfad anstatt dem ersten Strompfad einen Strom ausgibt. Auf ähnliche Weise erfordert ein Phasenfehler in die negative Richtung, dass Ladung von dem Schleifenfilter entfernt wird. Dies kann erreicht werden indem veranlasst wird, dass der erste Strompfad anstatt des zweiten Strompfades einen Strom ausgibt. Wenn der Phasenregelkreis im eingeschwungenen Zustand ist, sollte der Phasenfehler in der Stärke gleich aber in der Richtung entgegengesetzt zu der Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal sein.
In einer Ausführungsform kann die Steuereinheit einen Demultiplexer zum Steuern der DAC-Stromzweige aufweisen. Ein DAC-Code, der von dem Steuermittel empfangen wird, oder durch das Steuermittel aus Information erzeugt wird, die von dem Teiler empfangen wurde, kann in den Demultiplexer eingespeist werden, um die erforderliche Anzahl von Stromzweigen für eine vorgegebene Zeitdauer zu aktivieren. Die aktivierten Zweige können diejenigen sein, die mit dem Rest der Ladungspumpe verbunden sind, wobei die nicht aktivierten Stromzweige ihren Strom an virtuelle Masse abgeben. Die Steuereinheit kann auch Steuerleitungen zum Aktivieren der PFD-Stromzweige für eine Zeitdauer aufweisen, die abhängig ist von der Zeitdauer für die eine Ausspeisung des Phasen-Frequenz-Detektors einen vorgegebenen logischen Pegel aufweist. Die Steuereinheit kann auch eine Schaltanordnung zum ”Rotieren” der Stromzweige zwischen den DAC- und PFD-Gruppen bei jeder Taktperiode aufweisen.
Eine Stromquelle kann entweder zur PFD-Kompensation oder zur DAC-Kompensation verwendet werden. Die Anzahl der Stromquellen, die für jede Art der Kompensation verwendet werden, kann die gleiche sein oder kann unterschiedlich sein. Die Stromquellen können physikalisch auf eine verschachtelte Weise derart angeordnet sein, dass in einer Anordnung von parallelen Stromquellen jeweils abwechselnd eine Stromquelle für die PFD Kompensation verwendet wird und die nächste Stromquelle für die DAC Kompensation verwendet wird (das heißt, eine parallele Anordnung: A B A B .....; wobei ”A” Stromquellen für die PFD Kompensation verwendet werden und ”B” Stromquellen für die DAC Kompensation verwendet werden).
Der gesamte Strom, der durch die Ladungspumpe ausgegeben wird, kann direkt für einen gesamten Fehler in dem Ausgangssignal des Phasenregelkreises relativ zu dem Referenzsignal bezeichnend sein. Dies ist der Fall, weil der hier beschriebene Phasenregelkreis nicht dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal zu bilden, das einen festen permanenten Phasenoffset relativ zu dem Referenzsignal aufweist. Einige Phasenregelkreise sind dazu ausgebildet, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einen derartigen festen Phasenoffset zwischen dem Ausgangssignal und dem Referenzsignal aufweist, weil es ermöglicht, dass die Kompensation des Phasenfehlers immer in eine Richtung ausgeführt wird. Wenn zum Beispiel ein ausreichender Offset auf das Ausgangssignal angewendet wird, dann kann das Rückkopplungssignal so ausgeführt werden, dass es dem Referenzsignal immer vorauseilt oder nacheilt auf eine Weise, dass die Kompensation des Phasenfehlers immer Stromimpulse beinhaltet, die entweder in der „Aufwärts-” oder in der „Abwärtsrichtung” ausgerichtet sind. Bei der hier beschriebenen Ladungspumpe jedoch wird die DAC-Kompensation durch Erzeugen von Stromimpulsen in entweder der „Aufwärts-” oder der „Abwärtsrichtung” durchgeführt, abhängig von der Richtung des Phasenfehlers, so dass kein derartiger Phasenoffset erforderlich wird.
Der Phasenregelkreis kann dazu ausgebildet sein, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine Frequenz aufweist, die ein statischer Wert multipliziert mit der Frequenz des Referenzsignals ist. Dieser statische Wert kann jedoch durch Variieren des Teilungsverhältnisses als Mittelwert erzielt werden. Die durch den gesamten Stromimpuls zur Verfügung gestellte Ladung, die durch die Ladungspumpe abgegeben wird, kann proportional zu der Phasendifferenz sein die zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal vorhanden gewesen wäre, wenn das Rückkopplungssignal durch Teilen des Ausgangssignals durch den statischen Wert und nicht durch den variierten Teiler gebildet worden wäre. Daher würde, wenn es keine Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal gäbe, weil das Rückkopplungssignal auf Grund der Variation des Divisors keinen Fehler enthielte und das Ausgangssignal die korrekte Frequenz hätte, der gesamte Stromimpuls keine Ladung enthalten.
Die oben beschriebene Ladungspumpe bietet daher Vorteile in Bezug auf Störungen gegenüber bestehenden Ladungspumpen. Die Ladungspumpe ist auch dazu ausgebildet, sowohl DAC- als auch PFD-Kompensation durchzuführen, so dass ein Phasenregelkreis nicht zwei Ladungspumpen enthalten muss. Zusätzlich dazu können sowohl die DAC- als auch die PFD-Kompensation unter Verwendung der gleichen Transistoren als Stromsteuerungsanordnungen durchgeführt werden. Daher werden keine Störungen durch die Verwendung von unterschiedlichen Transistoren verursacht, die sich für die PFD-Kompensation und die DAC-Kompensation unvermeidbar geringfügig unterschiedlich verhalten würden.
Es ist zu verstehen, dass die beschriebenen und hier veranschaulichten Schaltungen nur Beispiele sind und die Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Implementierung von Ladungspumpe oder Phasenregelkreis eingeschränkt ist.
Der Antragsteller offenbart hiermit getrennt jedes einzelne hierin beschriebene Merkmal und jede Kombination von zwei oder mehr derartiger Merkmale in dem Umfang, dass derartige Merkmale oder Kombinationen dazu in der Lage sind, basierend auf der vorliegende Beschreibung in Anbetracht der üblichen allgemeinen Kenntnis einer in der Technik bewanderten Person als Ganzes ausgeführt zu werden, unabhängig davon, ob derartige Merkmale oder Kombination von Merkmalen irgendein hierin offenbartes Problem lösen, und ohne Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche. Der Antragsteller weist darauf hin, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung aus jedem derartigen individuellen Merkmal oder einer Kombination von Merkmalen bestehen können. In Anbetracht der vorangehenden Beschreibung wird es für eine in der Technik bewanderte Person offensichtlich sein, dass verschiedenartige Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung durchgeführt werden können.
Zusammenfassung
Ladungsübertragung in einem Phasenregelkreis
Ein Phasenregelkreis, der dazu ausgebildet ist ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine erste Frequenz aufweist, die ein statischer Wert multipliziert mit der Frequenz eines Referenzsignals ist, wobei der Phasenregelkreis einen Signalgenerator aufweist der dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal zu erzeugen, einen Teiler, der dazu ausgebildet ist das Ausgangssignal zu empfangen und das Ausgangssignal zu teilen, um ein Rückkopplungssignal zu bilden, wobei der Teiler dazu ausgebildet ist den Divisor zu variieren, durch den das Ausgangssignal geteilt wird, um zu bewirken, dass das Ausgangssignal eine Frequenz aufweist, die der statische Wert multipliziert mit der Frequenz des Referenzsignals ist, eine Komparatoreinheit der dazu ausgebildet ist, das Rückkopplungssignal mit dem Referenzsignal zu vergleichen, einen oder mehrere Stromgeneratoren, eingerichtet um in Abhängigkeit von diesem Vergleich Stromimpulse abzugeben, einen Summierer, der dazu ausgebildet ist, den/die durch den/die Stromgenerator(en) abgegeben Stromimpuls(e) zu empfangen und daraus einen einzelnen Stromimpuls zu bilden, und einen Schleifenfilter, der dazu ausgebildet ist, den einzelnen Stromimpuls zu filtern, um ein Steuersignal zum Steuern des Signalgenerators zu bilden, wobei der Phasenregelkreis dazu ausgebildet ist, dass der/die Stromgenerator(en) einen ersten Stromimpuls abhängig von einer Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal erzeugt/erzeugen und einen zweiten Stromimpuls, dessen Stärke und Vorzeichen von einem Fehler in dem Rückkopplungssignal abhängig sind, der durch die Variation des Divisors bewirkt wird, und die Summiereinheit die ersten und zweiten Stromimpulse empfängt und eine elektrische Ladung speichert, die für diese Stromimpulse repräsentativ ist, und die Summiereinheit abhängig von der durch die Summiereinheit gespeicherten elektrischen Ladung einen einzelnen Stromimpuls ausgibt, wobei der einzelne Stromimpuls repräsentativ ist für eine Phasendifferenz die zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal vorhanden gewesen wäre, wenn das Rückkopplungssignal durch Teilen des Ausgangssignals durch den statischen Wert und nicht durch den variierten Divisor gebildet worden wäre.

Claims

Phasenregelkreis, der dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine erste Frequenz aufweist, die gleich einem statischen Wert multipliziert mit der Frequenz eines Referenzsignals ist, wobei der Phasenregelkreis aufweist: einen Signalgenerator, der dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal zu erzeugen, einen Teiler, der dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal entgegenzunehmen und das Ausgangssignal zu teilen, um ein Rückkopplungssignal zu bilden, wobei der Teiler weiter dazu ausgebildet ist, den Divisor zu variieren, durch den das Ausgangssignal geteilt wird, um zu bewirken, dass das Ausgangssignal eine Frequenz aufweist, die gleich dem statischen Wert multipliziert mit der Frequenz des Referenzsignals ist, eine Vergleichseinheit, die dazu ausgebildet ist, das Rückkopplungssignal mit dem Referenzsignal zu vergleichen, einen oder mehrere Stromgeneratoren, dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von diesem Vergleich Stromimpulse abzugeben, eine Summiereinheit, dazu ausgebildet den/die durch den/die Stromgenerator(en) abgegebenen Stromimpuls(e) zu empfangen und einen einzelnen Stromimpuls daraus zu bilden, und einen Schleifenfilter, dazu ausgebildet, den einzelnen Stromimpuls zu filtern, um ein Steuersignal zum Steuern des Signalgenerators zu bilden, wobei der Phasenregelkreis dazu ausgebildet ist, dass: der/die Stromgenerator(en) während einer ersten Zeitspanne abhängig von einer Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal einen ersten Stromimpuls und abhängig von einem Fehler in dem Rückkopplungssignal der durch die Variation des Divisors bewirkt wird, einen zweiten Stromimpuls erzeugt/erzeugen, und die Summiereinheit die ersten und zweiten Stromimpulse entgegennimmt und eine elektrische Ladung speichert, die repräsentativ ist für diese Stromimpulse; und dass die Summiereinheit während einer zweiten Zeitspanne, die nicht mit der ersten Zeitspanne überlappt, bewirkt, dass der einzelne Stromimpuls in Abhängigkeit von den ersten und zweiten Stromimpulsen entweder in den Schleifenfilter oder aus diesem heraus fließt; wobei die Summiereinheit aufweist: zwei Strompfade, wobei der erste Strompfad zum Erzeugen eines Stroms in eine Richtung an einem Eingangsknoten des Schleifenfilters dient und der zweite Strompfad zum Erzeugen eines Stroms in der entgegengesetzten Richtung an dem Eingangsknoten des Schleifenfilters dient; ein kapazitives Element, das erste und zweite kapazitive Platten aufweist; und eine Schaltanordnung, die derart ausgebildet ist, dass während einer ersten Zeitspanne die ersten und zweiten kapazitiven Platten jede in Verbindung mit einem entsprechenden der Strompfade stehen, wodurch eine Stromausspeisung durch den ersten Strompfad bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der ersten kapazitiven Platte gebildet wird, und eine Stromausspeisung durch den zweiten Strompfad bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der zweiten kapazitiven Platte gebildet wird, und dass während einer zweiten Zeitspanne die ersten und zweiten kapazitiven Platten mit einer Referenzspannung beziehungsweise dem Eingangsknoten des Schleifenfilters verbunden sind, wobei die auf den ersten und zweiten kapazitiven Platten gebildete elektrische Ladung während der ersten Zeitspanne dadurch entladen wird, um den einzelnen Stromimpuls zu bilden, wobei der einzelne Stromimpuls repräsentativ ist für eine Phasendifferenz, die zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal vorhanden gewesen wäre, wenn das Rückkopplungssignal durch Teilen des Ausgangssignals durch den statischen Wert und nicht durch den variierten Divisor gebildet worden wäre.
Phasenregelkreis wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei der Phasenregelkreis dazu ausgebildet ist, dass der/die Stromgenerator(en) den ersten Stromimpuls so erzeugt/erzeugen, dass dieser einen konstanten Wert aufweist und eine Dauer, die von der Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal abhängig ist.
Phasenregelkreis wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, wobei der Phasenregelkreis dazu ausgebildet ist, dass der/die Stromgenerator(en) den zweiten Stromimpuls so erzeugt/erzeugen, dass dieser eine vorgegebene Dauer aufweist und einen Betrag, der von dem durch die Variation des Divisors bewirkten Fehler in dem Rückkopplungssignal abhängig ist.
Phasenregelkreis gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Summiereinheit dazu ausgebildet ist, den einzelnen Stromimpuls durch Entladen der durch die Summiereinheit gespeicherten elektrischen Ladung zu bilden.
Phasenregelkreis gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Summiereinheit ein kapazitives Element aufweist, das dazu ausgebildet ist, eine elektrische Ladung zu speichern, die repräsentativ ist für die Stärke und Dauer des ersten Stromimpulses.
Phasenregelkreis gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Summiereinheit ein kapazitives Element aufweist, das dazu ausgebildet ist, eine elektrische Ladung zu speichern, die repräsentativ ist für die Stärke und Dauer des zweiten Stromimpulses.
Phasenregelkreis gemäß Anspruch 1, wobei das kapazitive Element dazu ausgebildet ist, dass sich die auf der ersten kapazitiven Platte gebildete elektrische Ladung in eine Richtung relativ zu dem Eingangsknoten des Schleifenfilters entlädt und sich die auf der zweiten kapazitiven Platte gebildete elektrische Ladung in der entgegengesetzten Richtung relativ zu dem Eingangsknoten des Schleifenfilters entlädt.
Phasenregelkreis gemäß Anspruch 1 oder 7, wobei das kapazitive Element zwischen den ersten und zweiten Strompfaden derart verbunden ist, dass während der ersten Zeitspanne eine Stromausspeisung durch den ersten Strompfad eine Spannungsänderung an dem anderen der geschalteten Knoten der Stromsteuerungsanordnung des ersten Pfads hervorruft, die bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der ersten kapazitiven Platte gebildet wird, und eine Stromausspeisung durch den zweiten Strompfad eine Spannungsänderung an dem anderen der geschalteten Knoten der Stromsteuerungsanordnung des zweiten Pfads hervorruft, die bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der zweiten kapazitiven Platte gebildet wird.
Phasenregelkreis gemäß Anspruch 8, wobei das kapazitive Element ein Kondensator ist der dazu ausgebildet ist, dass während der ersten Zeitspanne eine Platte des Kondensators mit dem ersten Strompfad verbunden ist und die andere Platte des Kondensators mit dem zweiten Strompfad verbunden ist.
Phasenregelkreis gemäß Anspruch 1, wobei das kapazitive Element zwei kapazitive Anordnungen aufweist, wobei eine mit dem ersten Strompfad verbunden ist und die andere mit dem zweiten Strompfad verbunden ist derart, dass, wenn ein Strom durch einen der Strompfade abgegeben wird, dieser durch die kapazitive Anordnung empfangen wird, die mit diesem Strompfad verbunden ist und bewirkt, dass sich eine elektrische Ladung auf einer Platte dieser Anordnung bildet.
Phasenregelkreis gemäß Anspruch 10, wobei das kapazitive Element einen Schalter aufweist, der dazu ausgebildet ist, dass die kapazitiven Anordnungen während der ersten Zeitspanne nicht miteinander verbunden sind und die kapazitiven Anordnungen während der zweiten Zeitspanne miteinander verbunden sind.
Phasenregelkreis gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die kapazitiven Anordnungen Kondensatoren sind.
Phasenregelkreis gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der statische Wert ein nicht ganzzahliger ist.
Phasenregelkreis gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der einzelne Stromimpuls eine Ladung zur Verfügung stellt, wobei die Ladung eine Funktion der Phasendifferenz ist, wobei die Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal vorhanden gewesen wäre, wenn das Rückkopplungssignal durch Teilen des Ausgangssignals durch den statischen Wert und nicht durch den variierten Divisor gebildet worden wäre.
Phasenregelkreis gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der einzelne Stromimpuls eine Ladung zur Verfügung stellt die proportional ist zu der Phasendifferenz, die zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal vorhanden gewesen wäre, wenn das Rückkopplungssignal durch Teilen des Ausgangssignals durch den statischen Wert und nicht durch den variierten Divisor gebildet worden wäre.
Phasenregelkreis, im Wesentlichen wie hierin unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.