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Die Erfindung betrifft eine Ladungspumpe, insbesondere eine Ladungspumpe für einen Phasenregelkreis.
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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 charakteristisch 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 einem ”Aufwärts-” oder ”Abwärtstrom” an, der durch die Stromquellen 108 beziehungsweise 109 erzeugt wird, so dass Strom entweder in die oder aus den Schleifenfiltern 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 ”Ladungsimpulse” abzugeben. Das Schleifenfilter filtert diese Ladungsimpulse, um ein Steuersignal für einen Signalgenerator 105 zu erzeugen.
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Der Signalgenerator ist üblicherweise ein spannungsgesteuerter Oszillator (Voltage-Controlled Oscillator – VCO), der durch eine Abstimmspannung an seinem Steuereingang gesteuert wird. Der Schleifenfilter ist üblicherweise eingerichtet die Stromimpulse zu integrieren, die er von der Ladungspumpe entgegennimmt, um die Abstimmspannung 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.
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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 der Frequenz des Referenzsignals ist. In Schaltungen dieser Art kann das Teilungsverhältnis N in ganzzahligen Schritten geändert werden, um die Frequenz des Signalgenerators zu ändern.
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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 aufweisen kann, so dass die kleinste Veränderung in der Ausgangsfrequenz, die durchgeführt werden kann, 1 × FREF ist. Für eine feine Frequenzauflösung wird daher bevorzugt, eine kleine Referenzfrequenz vorliegen zu haben. 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 brauchen 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.
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Eine Möglichkeit, 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 plus einem Bruchteilwert der bestimmt wird zu dem Zeitpunkt zu dem ein Teilungsverhältnis von N + 1 verwendet wird relativ zu einer gesamten Zeitspanne (das heißt, die Zeit, für die ein Teilungsverhältnis von N verwendet wird, plus die Zeit, für die ein Teilungsverhältnis von N + 1 verwendet wird).
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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 mit der Ausspeisung der Ladungspumpe eine DAC-Kompensation durchgeführt werden. Ein Beispiel einer Schaltung unter Verwendung von DAC-Kompensation ist in 3 dargestellt. 3 veranschaulicht die PFD-Ladungspumpe 301, die DAC-Ladungspumpe 302, das 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 hervorgerufen wird. Dieser wird dann durch das Schleifenfilter mit der Stromausspeisung durch die PFD-Ladungspumpe summiert.
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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 einer Stärke, 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 deterministischen Jitter in das System eingebrachter Ladung kompensiert wird, werden daher die Transienten nicht unterdrückt, die ein inhärenter Teil der Struktur sind.
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In 4 ist eine übliche Ladungspumpe dargestellt. Die Ladungspumpe weist zwei Stromquellen 401 und 405 auf und zwei Schalter, die durch MOSFETs 402 und 404 implementiert sind. Die Transistoren sind im Wesentlichen spannungsgesteuerte Schalter, so dass der Strom, der durch die Schaltung fließt, durch Steuern der Spannung an den Gates der Transistoren gesteuert werden kann. In 4 werden die Transistoren jeweils über eine Steuerleitung 406, 407 gesteuert. Die durch die Ladungspumpe erzeugten Ladungsimpulse werden bei Knoten 403 ausgespeist. Üblicherweise sind die zwei Transistoren von entgegengesetzter Polarität. In 4 ist der Transistor 402 ein NMOS-Transistor und der Transistor 404 ist ein PMOS Transistor. Wenn seine Steuerleitung auf einen hohen Pegel angehoben wird, wird der Transistor 402 daher zwischen seinen Drain- und Source-Anschlüssen leitend. Zur gleichen Zeit ist der Transistor 404 zwischen seinen Drain- und Source-Anschlüssen nichtleitend. Daher fließt ein Strom von der Stromquelle 401 durch den Transistor 402 und aus dem Ausgangsknoten 403 heraus. Umgekehrt ist, wenn seine Steuerleitung auf einen niedrigen Pegel abgesenkt wird, der Transistor 402 zwischen seinen Drain- und Source-Anschlüssen nichtleitend, während der Transistor 405 leitend wird. Daher fließt ein Strom in den Ausgangsknoten 403 und „abwärts” durch den Transistor 404 zur Stromquelle 405 (die hier als eine Stromsenke wirkt). Daher ist die in 4 gezeigte Ladungspumpe dazu in der Lage, die „Aufwärts-” und „Abwärtsströme” zu erzeugen, die von einem Phasenregelkreis benötigt werden.
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Die in 4 gezeigte Ladungspumpe kann daher verwendet werden, um einen konstanten Strom von variabler Dauer zu erzeugen (zum Beispiel für PFD-Ladungseinkopplung), indem die Steuerleitungen so eingestellt werden, dass sie eine vorgegebene Spannung aufweisen, entsprechend konstanten Strömen in entweder der „Aufwärts-” oder der „Abwärtsrichtung”, für eine Dauer, die von der Phasendifferenz zwischen dem Referenz- und dem Rückkopplungssignal abhängig ist. Auf ähnliche Weise kann die Ladungspumpe verwendet werden, um einen variablen Strom für eine konstante Zeit zu erzeugen (zum Beispiel zur DAC-Kompensation), durch Variieren der an die Gates der Transistoren angelegten Steuerspannung und Anwenden dieser Spannung für eine konstante Zeitdauer.
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Ein Nachteil der Verwendung von Transistoren entgegengesetzter Polarität in der Ladungspumpe nach 4 ist, dass unterschiedliche Arten von Transistoren dazu neigen, sich in ihrem Ansprechverhalten gegenüber einer Steuerspannung unterschiedlich zu verhalten. Es ist möglich, Transistoren unterschiedlicher Polaritäten in Bezug auf ihr statisches Verhalten einigermaßen genau anzupassen. Es ist jedoch nicht möglich, das dynamische Verhalten von zwei unterschiedlichen Arten von Transistoren anzupassen, da sie immer unterschiedliche Anstiegszeiten aufweisen werden. Dies kann bewirken, dass sich transiente Fehler in die Schaltung fortpflanzen, die auf die Ladungspumpe folgt (zum Beispiel den Schleifenfilter eines Phasenregelkreises).
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Es besteht daher die Notwendigkeit für eine verbesserte Ladungspumpe, in der das dynamische Verhalten der Schaltanordnungen, die den Fluss des Ausgangsstroms steuern, enger angenähert werden können.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Ladungspumpenschaltung zum Verbinden mit einer anderen Schaltung über einen Ausgangsknoten der Ladungspumpe zur Verfügung gestellt und um zu bewirken, dass in Abhängigkeit von einer Stromausspeisung durch erste und zweite Strompfade in der Ladungspumpe ein Strom über den Ausgangsknoten entweder in die andere oder aus der anderen Schaltung fließt, wobei jeder Strompfad eine Stromquelle aufweist und eine Stromsteuerungsanordnung, die zwei geschaltete Knoten aufweist, von denen einer dazu ausgebildet ist einen Strom von der Stromquelle zu empfangen, und einen Steuerknoten der dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Spannung an dem Steuerknoten einen Stromfluss zwischen den zwei geschalteten Knoten zu steuern, wobei die Stromsteuerungsanordnungen der ersten und zweiten Pfade von der gleichen Art sind, so dass sie an ihren Steuerknoten auf die gleiche Polarität von Spannung ansprechen, um zwischen ihren geschalteten Knoten leitend zu sein, wobei die Ladungspumpe weiterhin eine erste und eine zweite kapazitive Vorrichtung aufweist, wobei die erste kapazitive Vorrichtung mit dem ersten Strompfad verbunden ist und die zweite kapazitive Vorrichtung mit dem zweiten Strompfad verbunden ist, wobei die erste und die zweite kapazitive Vorrichtung jeweils eine erste und eine zweite kapazitive Platte aufweisen; und eine Schaltanordnung, die dazu ausgebildet ist, während einer ersten Zeitspanne die erste kapazitive Platte der ersten und der zweiten kapazitiven Vorrichtung jeweils mit einem entsprechenden der Strompfade in Verbindung zu bringen, wodurch eine Stromausspeisung durch den ersten Strompfad bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der ersten kapazitiven Platte der ersten kapazitiven Vorrichtung gebildet wird und eine Stromausspeisung durch den zweiten Strompfad bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der ersten kapazitiven Platte der zweiten kapazitiven Vorrichtung gebildet wird, und während einer zweiten Zeitspanne die erste kapazitive Platte der ersten und der zweiten kapazitiven Vorrichtung miteinander verbunden sind, die zweite kapazitive Platte der ersten kapazitiven Vorrichtung mit einer Referenzspannung verbunden ist und die zweite kapazitive Platte der zweiten kapazitiven Vorrichtung mit dem Ausgangsknoten verbunden ist, wobei die während der ersten Zeitspanne gebildete elektrische Ladung dadurch entladen wird, um einen Strom an dem Ausgangsknoten zu bilden.
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Die Schaltanordnung kann einen Schalter umfassen, der dazu ausgebildet ist, dass während der ersten Zeitspanne die erste und die zweite kapazitive Anordnung nicht miteinander verbunden sind und, während der zweiten Zeitspanne, die erste und die zweite kapazitive Vorrichtung miteinander verbunden sind.
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Die erste und die zweite kapazitiven Vorrichtung können Kondensatoren sein.
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Die Steuerknoten der Stromsteuerungsanordnungen können dazu ausgebildet sein, um das gleiche Steuersignal zu empfangen.
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Die Stromsteuerungsanordnungen können Transistoren sein.
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Die Stromsteuerungsanordnungen können PMOS-Transistoren sein. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein Phasenregelkreis zum Erzeugen eines Ausgangssignals einer vorgegebenen Frequenz zur Verfügung gestellt, wobei der Phasenregelkreis eine Ladungspumpe aufweist die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen einer Signalausspeisung durch den Phasenregelkreis und einem Referenzsignal einen Strom zu erzeugen, wobei die Ladungspumpe über einen Ausgangsknoten der Ladungspumpe mit einem Filter verbunden ist und dazu ausgebildet ist, zu bewirken, dass in Abhängigkeit von einer Stromausspeisung durch erste und zweite Strompfade in der Ladungspumpe ein Strom über den Ausgangsknoten entweder in den oder aus dem Filter fließt, wobei jeder Strompfad eine Stromquelle aufweist und eine Stromsteuerungsanordnung, die zwei geschaltete Knoten aufweist, von denen einer dazu ausgebildet ist, einen Strom von der Stromquelle zu empfangen, und einen Steuerknoten, der dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Spannung an dem Steuerknoten einen Stromfluss zwischen den zwei geschalteten Knoten zu steuern, wobei die Stromsteuerungsanordnungen der ersten und zweiten Pfade von der gleichen Art sind, so dass sie auf die gleiche Polarität von Spannung an ihren Steuerknoten ansprechen, um zwischen ihren geschalteten Knoten leitend zu werden, wobei die Ladungspumpe weiter eine erste und eine zweite kapazitive Vorrichtung aufweist, wobei die erste kapazitive Vorrichtung mit dem ersten Strompfad verbunden ist und die zweite kapazitive Vorrichtung mit dem zweiten Strompfad verbunden ist, wobei die erste und die zweite kapazitive Vorrichtung jeweils eine erste und eine zweite kapazitive Platte aufweisen; und eine Schaltanordnung, die dazu ausgebildet ist, während einer ersten Zeitspanne die erste kapazitive Platte der ersten und der zweiten kapazitiven Vorrichtung jeweils mit einem entsprechenden der Strompfade in Verbindung zu bringen, wodurch eine Stromausspeisung durch den ersten Strompfad bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der ersten kapazitiven Platte der ersten kapazitiven Vorrichtung gebildet wird und eine Stromausspeisung durch den zweiten Strompfad bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der ersten kapazitiven Platte der zweiten kapazitiven Vorrichtung gebildet wird, und während einer zweiten Zeitspanne die erste kapazitive Platte der ersten und der zweiten kapazitiven Vorrichtung miteinander verbunden sind, die zweite kapazitive Platte der ersten kapazitiven Vorrichtung mit einer Referenzspannung verbunden ist und die zweite kapazitive Platte der zweiten kapazitiven Vorrichtung mit dem Ausgangsknoten verbunden ist, wobei die während der ersten Zeitspanne gebildete elektrische Ladung dadurch entladen wird, um einen Strom an dem Ausgangsknoten zu bilden.
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Der Phasenregelkreis kann eine Steuereinheit aufweisen die dazu ausgebildet ist, durch Steuern einer Spannung an dem Steuerknoten der Stromsteuerungsanordnung von jedem Strompfad eine Stromausspeisung durch die ersten und zweiten Strompfade zu steuern.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, zu bewirken, dass ein Strompfad einen Strom ausgibt durch Steuern der Spannung an dem Steuerknoten der Stromsteuerungsanordnung von diesem Pfad, so dass diese eine Spannung ist, bei der die Stromsteuerungsanordnung dieses Strompfades zwischen ihren geschalteten Knoten leitend wird.
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Das Steuermittel kann dazu ausgebildet sein, um eine Zeitdauer zu steuern, für die ein Strompfad einen Strom ausgibt, durch Steuern der Zeitdauer für die die Spannung an dem Steuerknoten der Stromsteuerungsanordnung dieses Strompfades eine Spannung ist, bei der die Stromsteuerungsanordnung leitend ist.
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Der Phasenregelkreis kann eine Rückkopplungsschleife aufweisen die dazu ausgebildet ist, ein Rückkopplungssignal zu bilden, das charakteristisch ist für das Ausgangssignal zum Vergleich mit dem Referenzsignal, wobei die Rückkopplungsschleife einen Teiler aufweist der dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal des Phasenregelkreises zu empfangen und das Ausgangssignal zu teilen, um das Rückkopplungssignal zu bilden, wobei der Teiler dazu ausgebildet ist, den Divisor, durch den das Ausgangssignal geteilt wird, zu variieren.
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Die Ladungspumpe kann dazu ausgebildet sein, um während der ersten Zeitspanne einen zweiteiligen Kompensationsprozess durchzuführen, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die ersten und zweiten Strompfade in einem ersten Teil des Prozesses so zu steuern, dass diese in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal einen Strom ausgeben und die ersten und zweiten Strompfade so zu steuern, dass diese in einem zweiten Teil des Prozesses in Abhängigkeit von einem Fehler in dem Rückkopplungssignal, das durch die Variation des Divisors bewirkt wird, einen Strom ausgeben.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, um die ersten und zweiten Strompfade in dem ersten Teil des Prozesses derart zu steuern, dass, wenn die Phasendifferenz darauf hinweist, dass das Ausgangssignals dem Referenzsignal nacheilt, der zweite Strompfad einen Strom ausgibt und der erste Strompfad keinen Strom ausgibt.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, um die ersten und zweiten Strompfade in dem ersten Teil des Prozesses derart zu steuern, dass, wenn die Phasendifferenz darauf hinweist, dass das Ausgangssignals dem Referenzsignal vorauseilt, der erste Strompfad einen Strom ausgibt und der zweite Strompfad keinen Strom ausgibt.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, in dem ersten Teil des Prozesses einen Strompfad so zu steuern, dass dieser einen Strom ausgibt für eine Zeitdauer, die von der Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal und dem Referenzsignal abhängig ist.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die ersten und zweiten Strompfade in dem zweiten Teil des Prozesses derart zu steuern, dass, wenn der Phasenfehler in dem Rückkopplungssignal eine negative Richtung aufweist, der erste Strompfad einen Strom ausgibt und der zweite Strompfad keinen Strom ausgibt.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die ersten und zweiten Strompfade in dem zweiten Teil des Prozesses derart zu steuern, dass, wenn der Phasenfehler in dem Rückkopplungssignal eine positive Richtung aufweist, der zweite Strompfad einen Strom ausgibt und der erste Strompfad keinen Strom ausgibt.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, um in dem zweiten Teil des Prozesses einen Strompfad so zu steuern, dass dieser einen Strom ausgibt, der eine Stärke aufweist, die von dem Phasenfehler in dem Rückkopplungssignal abhängig ist.
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Jeder Strompfad kann eine Vielzahl von parallel angeordneten Zweigen aufweisen, wobei jeder Zweig eine Stromquelle aufweist und eine Stromsteuerungsanordnung, die zwei geschaltete Knoten aufweist, von denen einer dazu ausgebildet ist, einen Strom von der Stromquelle zu empfangen, und einen Steuerknoten der dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Spannung an dem Steuerknoten einen Stromfluss zwischen den zwei geschalteten Knoten zu steuern.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, um in dem ersten Teil des Prozesses alle der Zweige von einem der Strompfade so zu steuern, dass sie einen Strom ausgeben für eine Zeitdauer, die von der Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal abhängig ist.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, um in dem zweiten Teil des Prozesses eine Anzahl der Zweige von einem der Strompfade, die von dem Phasenfehler in dem Rückkopplungssignal abhängig ist, so zu steuern, dass sie für eine vorgegebene Zeitdauer einen Strom ausgeben.
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Der Phasenregelkreis kann dazu ausgebildet sein, um die Zweige iterativ so zu steuern, dass sie einen Strom ausgeben und um die Zweige, die in den ersten und zweiten Strompfaden enthalten sind, zwischen aufeinanderfolgenden Iterationen zu wechseln.
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Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird anhand eines Beispiels auf die nachfolgenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1 einen Phasenregelkreis zeigt;
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2 die Modulation eines Teilungsverhältnisses für Bruchteil-N Teilung zeigt;
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3 einen Phasenregelkreis zeigt, der DAC-Kompensation beinhaltet;
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4 eine Ladungspumpe zeigt;
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5a bis 5c Ladungspumpen zeigen, die zwei Transistoren der gleichen Polarität aufweisen;
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6a und 6b Ladungspumpen zeigen, die eine verbesserte Leistung aufweisen; und
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7 eine Ladungspumpe zeigt, die eine Vielzahl von Stromquellen aufweist.
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Eine Ladungspumpenschaltung kann mit einer anderen Schaltung verbunden sein und dazu ausgebildet sein um zu bewirken, dass ein Strom entweder in die andere oder aus der anderen Schaltung fließt. Die Ladungspumpe kann zwei Strompfade aufweisen, von denen jeder eine Stromquelle aufweisen kann und eine Stromsteuerungsanordnung, die geeigneter Weise ein Transistor sein kann. Die Stromsteuerungsanordnungen können von der gleichen Art sein, so dass beide auf die gleiche Polarität von Spannung an ihren Steuerknoten ansprechen, um zwischen ihren geschalteten Knoten leitend zu werden.
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Die Ladungspumpe kann auch zwei kapazitiven Platten und eine Schaltanordnung aufweisen. Während einer ersten Zeitspanne kann jede kapazitive Platte mit einem entsprechenden der Strompfade in Verbindung stehen, so dass ein durch diesen Strompfad fließender Strom bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf der kapazitiven Platte gebildet wird. Während einer zweiten Zeitspanne kann eine der kapazitiven Platten mit einer Referenzspannung verbunden sein, während die andere mit einem Ausgangsknoten der Ladungspumpe verbunden ist. Diese Anordnung kann bewirken, dass die während der ersten Zeitspanne auf den Platten ausgebildete Ladung entladen wird, um einen Strom an dem Ausgangsknoten zu bilden.
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Der Begriff ”kapazitive Platte” bezieht sich auf die Platte eines Kondensators, schließt aber auch jeden Knoten eines Kondensators ein, der zwischen sich selbst und anderen kapazitiven Knoten eine Ladung tragen kann.
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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 spezielle Implementierung der in 5a gezeigten Schaltung. Die zwei Schaltungen arbeiten im Wesentlichen auf die gleiche Weise. In beiden Figuren werden für Komponenten, die die gleiche Funktion in der Ladungspumpe ausführen, die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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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, in der 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 durch jeden Strompfad ausgegebenen Ströme werden durch Kondensatoren 510, 511 empfangen und rufen eine Spannungsänderung an den Knoten 513, 514 hervor. Diese Spannungsänderung bewirkt, dass eine elektrische Ladung auf den Platten des Kondensators gebildet wird, die während der zweiten Zeitspanne an das Schleifenfilter übertragen wird, indem eine Platte mit Masse der Schaltung und die andere Platte mit einem Ausgangsknoten 512 verbunden wird. Die Ladungspumpe weist Schaltanordnungen 515, 516 auf, die die Verbindungen des kapazitiven Elements in den ersten und zweiten Zeitspannen steuern.
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Die Kondensatoren 510, 511 sind als zwischen den Strompfaden und einer Referenzspannung verbunden gezeigt. Die Kondensatoren können jedoch auch mit verschiedenen Referenzspannungen verbunden sein. Auf ähnliche Weise sind beide Stromquellen 503, 505 als mit der gleichen Referenzspannung verbunden gezeigt. Die Stromquellen können jedoch mit verschiedenen Referenzspannungen verbunden sein.
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5b zeigt ein Beispiel einer speziellen Implementierung der im Allgemeinen in 5a gezeigten Ladungspumpe. Die in 5b gezeigte Ladungspumpe weist zwei Strompfade 501, 502 auf. Jeder Strompfad umfasst eine Stromquelle und eine Stromsteuerungsanordnung, wie in 5c gezeigt. In 5c ist die Stromquelle bei 523 gezeigt und die Stromsteuerungsanordnung wird durch einen PMOS Transistor 524 zur Verfügung gestellt. Zwei weitere Transistoren 525, 526 wirken als Schalter, so dass eine Stromausgabe durch die Stromquelle, wenn Transistor 524 leitend ist entweder mit dem Rest der Ladungspumpe oder mit einer virtuellen Masse verbunden werden kann. Der Betrieb der Transistoren 525, 526 kann durch Steuersignale gesteuert werden, die durch eine Steuereinheit erzeugt werden.
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Die Ladungspumpe nach 5b umfasst auch ein kapazitives Element 509 und Schaltanordnungen 515, 516, die in der Schaltung nach 5b durch Transistoren 519 bis 522 implementiert sind. Weitere Transistoren 517, 518 werden zum Entladen der Kondensatoren 510, 511 während der zweiten Zeitspanne zur Verfügung gestellt.
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Wie in der in 4 gezeigten Schaltung, ist ein Ziel der Schaltungen gemäß 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 dazu ausgebildet sein, einen „Abwärtsstrom” zur Verfügung zu stellen (das heißt, einen Strom, der aus einer Schaltung heraus fließt, die mit dem Ausgangsknoten verbunden ist), während der Strompfad 502 dazu ausgebildet 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 unterschiedlichen Stromrichtungen mittels Stromsteuerungsanordnungen der gleichen Polarität erreicht werden können (das heißt, den PMOS-Transistoren 503, 505). Deshalb kann das transiente Ansprechverhalten der beiden Transistoren viel enger aufeinander abgestimmt werden, als wenn Transistoren mit unterschiedlicher Polarität verwendet werden.
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Betrieben werden die beiden Schaltungen wie folgt:
Während einer ersten Zeitspanne können die entsprechenden Stromquellen von jedem Strompfad einen Strom erzeugen. Die Ladungsmenge, die während der ersten Zeitspanne durch jeden der Strompfade fließt, ist abhängig von der Größe des Stroms, der durch jede Stromquelle erzeugt wird und von der Zeitdauer, für die dieser Strom erzeugt wird. Diese Parameter werden üblicherweise durch die Steuereingänge 507, 508 gesteuert.
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Die während der ersten Zeitspanne in die Stromquellen eingespeisten Steuersignale werden üblicherweise so gesteuert, dass eine geeignete Ladungsmenge in eine Schaltung eingekoppelt 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 durch Modulieren eines Teilungsverhältnisses in das System eingebracht wird. Aus 5b ist ersichtlich, dass in jede Stromquelle zwei Steuersignale 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 die Auswirkung des modulierten Teilungsverhältnisses zu kompensieren.
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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 sein. Die Stromstärke kann proportional zu dem Phasenfehler sein. Diese zwei verschiedenen Kompensationsarten können zu einem zweistufigen Stromerzeugungsprozess führen, wobei zum Beispiel die Phasenkompensation zuerst ausgeführt wird, gefolgt von der DAC-Kompensation. Dies wird später detaillierter beschrieben.
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Der Phasenregelkreis kann eine Steuereinheit zum Erzeugen der Steuersignaleinspeisung in die Stromquellen aufweisen. Diese Schaltung kann vollständig in Hardware realisiert werden oder kann einen Prozessor umfassen, der unter Softwaresteuerung arbeitet.
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Der Stromfluss durch jeden entsprechenden Strompfad wird gesteuert durch den Grad, mit dem die Transistoren, die den Fluss des Stroms in jedem Strompfad steuern, zwischen ihren Drain- und Source-Anschlüssen leitend sind. Dies wird durch ein Steuersignal bestimmt, das an den Gate-Anschluss der Transistoren angelegt wird. In den 5a und 5b sind beide der Transistoren PMOS-Transistoren und daher werden beide leitend, wenn eine logische Null an ihren Gate-Anschluss angelegt wird. Weil beide Transistoren PMOS-Transistoren sind, können sie unter Verwendung des gleichen Steuersignals gesteuert werden, zum Beispiel durch Verwendung einer Anordnung wie zum Beispiel der in 5c gezeigten. Wenn das gleiche Steuersignal verwendet wird (und wenn beide Transistoren die gleichen Dimensionen, Dotierungsgrade usw. aufweisen), dann sollten beide Transistoren immer im Wesentlichen in der gleichen Größenordnung leitend sein. Eine Ladungspumpe, die einen Ausgangsstrom durch Steuern der gleichen Polarität von Transistoren steuert, kann daher wesentliche Vorteile bezüglich Störungen gegenüber Ladungspumpen bieten, die Transistoren mit unterschiedlichen Polaritäten verwenden, um den Stromfluss zu steuern. Wenn für alle Stromsteuerungsanordnungen das gleiche Steuersignal verwendet wird, kann ein Strompfad, von dem kein Strom erwünscht wird (zum Beispiel der „Aufwärtspfad”, weil nur ein „Abwärtsimpuls” erzeugt werden soll), unter Verwendung einer Schaltanordnung, wie zum Beispiel der in 5c gezeigten, auf eine virtuelle Masse umgeleitet werden.
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Der Kondensator 509 ist über Schalteinrichtungen 515 und 516 mit den Strompfaden verschaltbar. Die in 5b gezeigten Schalteinrichtungen weisen jede 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 gesteuert. 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.
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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 einem entsprechenden der Strompfade verbunden. Wenn einer oder beide von diesen 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.
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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 sein, während die andere Platte des Kondensators über den Transistor 522 mit dem Ausgangsknoten 512 der Ladungspumpe verbunden ist. 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.
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Während der zweiten Zeitspanne neigt elektrische Ladung, die während der ersten Zeitspanne auf 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 hervorzurufen, 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.
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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 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 die Transistoren 525, 526 zur Verfügung gestellt wird), wodurch bewirkt wird, dass auf beiden Platten des Kondensators eine elektrische Ladung aufgebaut wird. Während der zweiten Zeitspanne entladen sich diese Ladungen effektiv in entgegengesetzte Richtungen, so dass die Stromausspeisung durch die Ladungspumpe charakteristisch ist für die Differenz zwischen den Strömen, die während der ersten Zeitspanne durch die ersten und zweiten Strompfade geflossen sind.
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Wie oben erwähnt, kann die Ladungspumpe sowohl DAC als auch PFD-Kompensation durchführen, wobei die Ladungspumpe in diesem Fall in geeigneter Weise dazu ausgebildet ist, während der ersten Zeitspanne einen zweiteiligen Kompensationsprozess durchzuführen. Die DAC- und PFD-Kompensationen können aufeinanderfolgend durchgeführt werden oder können sich zeitlich überlappen. Die PFD-Kompensation kann zum Beispiel zuerst beginnen, um einer Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal Rechnung zu tragen, gefolgt von der DAC-Kompensation, um jegliche 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 abgeschlossen ist. 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 an, so dass zum Ende des Prozesses die elektrische Ladung auf jeder Platte die Summe der auf dieser Platte während beider Teile des Prozesses gebildeten Ladungen ist. Daher ist die Stromausgabe durch die Ladungspumpe während der zweiten Zeitspanne sowohl für die DAC- als auch die PFD-Kompensation charakteristisch sein.
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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 haben diese Schaltungen nicht das Problem von herkömmlichen Ladungspumpen, nicht dazu in der Lage zu sein, das transiente Verhalten von NMOS- und PMOS-Transistoren auszugleichen.
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Ein weiterer Vorteil der in den 5a und 5b gezeigten Schaltung ist, dass, wenn sowohl die DAC-Kompensation als auch die PFD-Kompensation durchgeführt wird, nur die Differenz zwischen den zwei Strömen an den Ausgangsknoten und infolgedessen an das Schleifenfilter des Phasenregelkreises übertragen wird. Dies ist vorteilhaft, weil die PFD-Kompensation üblicherweise durchgeführt wird, indem ein Stromimpuls mit vorgegebener Größe aber variabler Länge erzeugt wird, während die DAC-Kompensation üblicherweise durchgeführt wird, indem ein Stromimpuls von vorgegebener Länge aber variabler Größe 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- 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.
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Ein mögliches Problem mit der in den 5a und 5b gezeigten Schaltung ist, dass die parasitäre Kapazität des Kondensators 509 Störungen hervorrufen kann. Eine Schaltung, die dieses Problem aufnehmen kann, ist in 6a dargestellt.
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Die 6a und 6b zeigen ebenfalls Beispiele von Ladungspumpen, die sowohl „Aufwärts-” als auch „Abwärtsströme” mittels Transistoren der gleichen Polarität erzeugen. Die in 6b gezeigte Ladungspumpe ist eine spezielle Implementierung der in 6a gezeigten Schaltung. Die zwei Schaltungen funktionieren auf im Wesentlichen die gleiche Weise. In beiden Figuren werden gleiche Bezugszeichen für Komponenten verwendet, die die gleiche Funktion in der Ladungspumpe ausführen.
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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 in Verbindung steht, und eine Platte in dem Kondensator 610, die mit dem zweiten Strompfad in Verbindung. Die Schalter 604 und 605 sind geschlossen, so dass die durch jeden Strompfad abgegebenen Ströme durch die Kondensatoren 609, 610 empfangen 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 Masse der Schaltung verbunden ist und die andere Platte über den Schalter 606 mit einem Ausgangsknoten 614 verbunden ist. Die Kondensatoren können über die Schalter 612, 613 kurz zurückgesetzt werden, nachdem sie in den Ausgangsknoten entladen wurden, um sicherzustellen, dass sie vollständig entladen sind, bevor ein neuer Ladeprozess beginnt.
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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 angeordnet sein, wie zum Beispiel der in 5a gezeigten, oder in einer komplexeren Anordnung, wie zum Beispiel der in 5c gezeigten.
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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 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 Operationsprinzip ist jedoch geringfügig unterschiedlich. In den Schaltungen nach den 5a und 5b bewirkt eine Stromausspeisung durch einen der Strompfade einen Spannungsabfall an dem Knoten, 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 eine Stromausspeisung durch einen der Strompfade durch einen der Kondensatoren und bewirkt dadurch, dass eine elektrische Ladung auf den Platten dieses Kondensators aufgebaut wird.
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Die Schaltreihenfolge für die Schaltung nach 6b ist wie folgt. Zuerst 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.
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Jeder der Schalter S0, S1 und S2 in 6 kann durch Transistoren implementiert werden.
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Die Schaltungen nach 6a und 6b stellen daher Vorteile zur Verfügung ähnlich denen der Schaltungen nach den 5a und 5b, bieten jedoch eine erhöhte Leistung. Ein Vorteil besteht darin, dass die Anordnung des kapazitiven Elements in den Schaltungen nach 6a und 6b weniger unter parasitären Kapazitäten leidet, als die Schaltungen gemäß den 5a und 5b. Daher kann diese kapazitive Anordnung bezüglich Störungen 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.
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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.
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Die hier beschriebenen Stromsteuerungsanordnungen sind nicht auf Transistoren eingeschränkt, sondern können jede Art von Stromsteuerungsanordnung sein, die eine Polarität aufweist, die ihr Verhalten beeinflusst. Obwohl die Transistoren, auf die hier Bezug genommen wird, hauptsächlich PMOS-Transistoren sind, wird dies nur zum Zweck eines Beispiels getan und jede Art oder Polarität von Transistor kann verwendet werden. PMOS-Transistoren können jedoch Vorteile in Bezug auf Störungen gegenüber anderen Arten von Transistoren bieten.
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Die in den 5a, 5b, 6a und 6b gezeigten Strompfade können eine Vielzahl von separaten 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.
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7 zeigt eine Steuereinheit 703, die dazu ausgebildet ist, Eingangssignale von ersten und zweiten Vergleichseinheiten 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, um 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 Phase-Frequenz-Detektor aufweisen (der der Phasen-Frequenz-Detektor der ersten Komparatoreinheit 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 Stromszweige steuern, indem sie die Spannung an dem Steuerknoten der Stromsteuerungsanordnung in jedem Zweig steuert.
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Die Stromzweige erzeugen einen Strom in Abhängigkeit von Steuersignalen, die von der Steuereinheit empfangen wurden. Wenn die Stromzweige wie in 5c gezeigt eingerichtet 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 durch eine 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 ein Schleifenfilter eines Phasenregelkreises einzubringen.
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Die Steuereinheit kann die Stromquellen steuern, so 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 empfangen hat. Es ist ersichtlich, dass dies den ersten und zweiten Zeitspannen entspricht, die bezüglich der 5a, 5b, 6a und 6b beschrieben sind.
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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 gezeigten kapazitiven Anordnungen zur Verfügung gestellt werden kann. Die in den 5 und 6 gezeigten Strompfade können betrachtet werden als eine Vielzahl von Stromzweige zu repräsentieren, die parallel dazu ausgebildet sind, so dass jede der kapazitiven Platten während der ersten Zeitspanne in Verbindung mit einer Vielzahl von Stromzweigen stehen kann.
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Die Stromzweige können in zwei Gruppen 705, 706 dazu ausgebildet sein. Eine erste Gruppe 705 kann dazu ausgebildet sein, „Aufwärtsstromimpulse” zu erzeugen. Eine zweite Gruppe 706 kann dazu ausgebildet sein, um „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 erzeugen, gefolgt von der anderen Gruppe von Stromquellen, die Impulse für die DAC-Kompensation erzeugt.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, um 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 es möglich macht, Fehler in der PFD- oder der DAC-Kompensation, die durch einzelne der Stromquellen bewirkt werden, über die Zeit auszugleichen.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, um die Stromzweige derart zu steuern, dass ein zweiteiliger Kompensationsprozess durchgeführt wird. PFD-Kompensation 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 Komparatoreinheit 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 Komparatoreinheit empfangenen Signal zu erzeugen. Wenn die erste Gruppe von Stromquellen immer noch Strom erzeugt wenn die zweite Gruppe von Stromquellen beginnt Strom zu erzeugen, werden die zwei Ströme gleichzeitig durch die Summiereinheit entgegengenommen. Dieser Erzeugungsprozess für zwei Ströme kann zeitlich nicht überlappend sein. Es kann jedoch sein, dass sich zwei Formen der Kompensation zeitlich überlappen, selbst wenn die gleiche Ladungspumpe verwendet wird, vorausgesetzt dass unterschiedliche Stromzweige für jede Form von Kompensation verwendet werden.
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Üblicherweise kann eine PFD-Kompensation durch Erzeugen von Stromimpulsen von vorgegebenem Betrag aber variabler Dauer durchgeführt werden. Die Steuereinheit kann deshalb dazu ausgebildet sein, um 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.
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Wenn das Rückkopplungssignal dem Referenzsignal nacheilt ist es üblicherweise notwendig, Ladung in den Schleifenfilter des Phasenregelkreises einzubringen, und wenn das Rückkopplungssignal dem Referenzsignal vorauseilt ist es notwendig, Ladung aus dem Schleifenfilter zu entfernen. Dies wird erreicht, 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.
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Üblicherweise kann eine DAC-Kompensation durch Erzeugen von Stromimpulsen von vorgegebener oder fester Dauer aber variablem Betrag durchgeführt werden. Die Steuereinheit kann deshalb dazu 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 angelegt wird.
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Auf eine ähnliche Weise wie die PFD-Kompensation kann die DAC-Kompensation erfordern, dass Ladung entweder in das Schleifenfilter eingebracht oder aus diesem 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 das 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 das 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.
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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 aufweisen für eine Zeitdauer, 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.
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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 dazu ausgebildet 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).
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Der gesamte Strom, der durch die Ladungspumpe ausgegeben wird, kann direkt für einen gesamten Fehler in dem Ausgangssignal des Phasenregelkreises relativ zu dem Referenzsignal charakteristisch sein. Dies ist der Fall, weil der hierin beschriebene Phasenregelkreis nicht vorgesehen ist, ein Ausgangssignal zu bilden, das einen festen permanenten Phasenoffset relativ zu dem Referenzsignal aufweist. Einige Phasenregelkreise sind dazu ausgebildet, ein Ausgangssignal zu generieren, 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 „Aufwärtsrichtung” oder in „Abwärtsrichtung” gerichtet sind. Bei der hierin 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 ist.
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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.
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Die oben beschriebene Ladungspumpe kann daher Vorteile in Bezug auf Störungen gegenüber bestehenden Ladungspumpen bieten. Die Ladungspumpe ist auch dazu fähig, 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 Verwendung von unterschiedlichen Transistoren eingespeist, die sich für die PFD-Kompensation und die DAC-Kompensation unvermeidbar geringfügig unterschiedlich verhalten würden.
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Es ist zu verstehen, dass die beschriebenen und hierin veranschaulichten Schaltungen nur Beispiele sind und die Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Implementierung von Ladungspumpe oder Phasenregelkreis eingeschränkt ist.
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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.
