DE19707990A1 - Schaltender Stromspiegel für einen Phasenregelschleifenfrequenzsynthesizer und Kommunikationsvorrichtung die diesen verwendet - Google Patents

Schaltender Stromspiegel für einen Phasenregelschleifenfrequenzsynthesizer und Kommunikationsvorrichtung die diesen verwendet

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Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Ge­ biet der Kommunikationsvorrichtungen und insbesondere auf ei­ nen verbesserten Stromspiegel für die Verwendung in einer La­ dungspumpschaltung eines Frequenzsynthesizers.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Digitale Kommunikationsvorrichtungen verwenden Frequenz­ synthesizer für das Steuern der Sende- und Empfangsfrequenz der Funkkommunikation. Im allgemeinen umfaßt eine solche Kom­ munikationsvorrichtung einen Referenzoszillator und einen lo­ kalen Oszillator. Der Referenzoszillator erzeugt ein gut ge­ steuertes Referenzsignal bei einer bekannten Frequenz. In Er­ widerung auf dieses Referenzsignal erzeugt der lokale Oszil­ lator ein Ausgangssignal. Das Ausgangssignal wird einem oder mehreren Mischern zugeführt, die mit einer Antenne der Kommu­ nikationsvorrichtung verbunden sind. Die Mischer führen eine Abwärtswandlung von durch die Antenne empfangene Radiofre­ quenzsignale (RF) und eine Aufwärtswandlung von RF-Signalen für das Aussenden durch die Antenne durch. Die Frequenz der RF-Signale, die empfangen oder gesendet werden, wird gesteu­ ert durch eine Variation der Frequenz des lokalen Oszilla­ tors.
In vielen digitalen Kommunikationsvorrichtungen wurde das Frequenz springen als eine Weg der Bereitstellung einer Diver­ sität der gesendeten RF-Signale verwendet. Um die Empfangs­ signalqualität beim Vorhandensein von Schwundbedingungen oder anderen Störungen zu erhöhen, werden Sprachdaten und andere Information zu unterschiedlichen Zeiten auf unterschiedlichen Frequenzen übertragen. Eine Störung, die Signale auf einer Frequenz beeinträchtigt, wird sehr unwahrscheinlich Signale auf einer anderen Frequenz beeinträchtigen. Somit wird im Mittel eine einzige beeinträchtigte Frequenz keine große Aus­ wirkung auf die Empfangsqualität haben.
Das Frequenzspringen erfordert es, daß der lokale Oszillator der Kommunikationsvorrichtung schnell die Frequenzen umschal­ ten kann. Zusätzlich muß eine globaler Phasenfehler in engen Grenzen gesteuert werden, um eine genaue Kommunikation zu ge­ währleisten.
Eine Schaltung, die als lokaler Oszillator verwendet werden kann, hat einen Phasenregelschleifenfrequenzsynthesizer. Eine solche Schaltung liefert als Ausgangssignal ein Signal, das eine gut gesteuerte Frequenz hat. Bei einem Sender, der einen solchen Phasenregelschleifenfrequenzsynthesizer verwendet, kann die Phasenunruhe des Synthesizers den globalen Phasen­ fehler beherrschen. Der Phasenfehler eines solchen Synthesi­ zers kann durch eine Integration des Seitenbandrauschens des Synthesizers bestimmt werden. In Kommunikationsvorrichtungen, wie digitalen zellularen Funktelefonen, in welchen eine schnelle Verriegelungszeit erforderlich ist, befindet sich die Schleifenbandbreite der Phasenverriegelungsschleife in der Größenordnung von 10 KHz. Somit wird das Rauschen inner­ halb der Schleifenbandbreite die Phasenunruhe beherrschen und kann somit den globalen Phasenfehler beherrschen.
Ein wichtiger Faktor beim Rauschpegel des Frequenzsynthesi­ zers innerhalb der Schleifenbandbreite ist die Rauschleistung der Ladungspumpe, die beim Phasenvergleicher verwendet wird. Die Ladungspumpe wirkt in Erwiderung auf eine Anzeige einer Phasendifferenz zwischen Signalen, die durch den Referenzos­ zillator geliefert werden, und Signalen, die durch einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und einen Teiler gelie­ fert werden. Die Ladungspumpe erzeugt Phasenfehlerkorrektur pulse, die an den Schleifenfilter und den spannungsgesteuer­ ten Oszillator geliefert werden, um die Frequenz des Aus­ gangssignals des VCO, bei dem es sich um das Ausgangssignal des Frequenzsynthesizers handelt, zu verziehen.
Bekannte Ladungspumpen enthalten eine Stromquelle und eine Stromsenke, um die Ladungspumpenausgangsspannung durch das Liefern eines passenden Stromes an ein kapazitives Eingangs­ schleifenfilter nach oben beziehungsweise unten zu ziehen. Die Leistung der Stromquelle in solchen Schaltungen wurde durch die schlechte Leistung der PMOS Feldeffekttransistoren und der bipolaren PNP Transistoren beschränkt. Diese Vorrich­ tungen schalten im allgemeinen relativ langsam.
Während eine Entladeschaltung erdacht wurde, um die Leistung der Ladungspumpe zu verbessern, bleibt die Ladungspumpenge­ schwindigkeit weiter ein Problem. Ein Effekt dieses Problems tritt auf, wenn sowohl die Stromquelle als auch die Strom­ senke angeschaltet werden. Dies tritt auf während der minima­ len Pulsbreitenzeit, die verwendet wird, um zu gewährleisten, daß die Stromquelle und die Stromsenke sich während jedes Re­ ferenzpulses anschalten. Ohne die minimale Pulsbreite gehen sehr kurze Phasenfehlerkorrekturpulse verloren, da sie nicht lange genug dauern, um die Stromquelle oder Stromsenke zu ak­ tivieren. Die Dauer der minimalen Pulsbreite wird durch die Anschalt- und Abschaltzeiten der Stromquelle und der Strom­ senke bestimmt. Während der minimalen Pulsbreite, wenn sowohl die Stromquelle als auch die Stromsenke angeschaltet werden, erfolgt kein Nettotransfer von Ladung zum Ausgang der La­ dungspumpe. Es erfolgt jedoch ein Transfer von Rauschen zum Ausgang und von dort zum Schleifenfilter. Dieses Rauschen verursacht eine Phasenunruhe und verschlechtert den globalen Phasenfehler der Kommunikationsvorrichtung.
Somit besteht beim Stand der Technik eine Bedürfnis nach ei­ ner verbesserten Ladungspumpenschaltung mit einer schnelleren Betriebsgeschwindigkeit, um eine verbesserte Leistung in ei­ nem Phasenregelschleifenfrequenzsynthesizer einer Kommunika­ tionsvorrichtung zu gestatten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, von denen angenommen wird, daß sie neu sind, sind insbesondere in den angefügten Ansprüchen ausgeführt.
Die Erfindung zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen kann am besten verstanden werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, wenn sie in Verbin­ dung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, in de­ nen gleiche Referenzzahlen identische Elemente bezeichnen:
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Kommunikationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm der Ladungspumpe der Fig. 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Bezieht man sich nun auf Fig. 1, so zeigt diese ein Blockdia­ gramm einer Kommunikationsvorrichtung 100 gemäß der vorlie­ genden Erfindung. Die Kommunikationsvorrichtung 100 kann bei­ spielsweise ein Funktelefonhandapparat, wie beispielsweise ein zellularer Telefonhandapparat oder ein schnurloser Tele­ fonhandapparat sein oder sie kann ein mobiler Funk- oder Funkrufempfänger sein. Im allgemeinen ist die Kommunikations­ vorrichtung 100 für eine Funkkommunikation mit einem (nicht gezeigten) entfernt angeordneten Transceiver ausgelegt.
Die Kommunikationsvorrichtung 100 umfaßt einen Referenzoszil­ lator 102, einen lokalen Oszillator 104, eine Sendeschaltung 106, eine Empfangsschaltung 108, eine Antenne 110, eine Steuerung 112 und eine Benutzerschnittstelle 114. Beim Em­ pfang eines Funkfrequenzsignals (RF), empfängt die Kommunika­ tionsvorrichtung 100 die RF-Signale durch die Antenne 110. Die Antenne 110 wandelt die RF-Signale in elektrische Signale um. Die Empfangsschaltung 108 wandelt die elektrischen Sig­ nale in elektrische Basisbandsignale um und extrahiert die Sprache, Daten und andere Information aus den elektrischen Basisbandsignalen. Die Empfangsschaltung 108 kann beispiels­ weise Filterschaltungen, einen Zwischenfrequenz-(IF)-Abwärts­ wandler, der einen oder mehrere Mischer umfaßt, und einen De­ modulator umfassen. Der eine oder die mehreren Mischer ant­ worten auf ein lokales Oszillatorsignal, das am Eingang 116 der Empfangsschaltung 108 empfangen wird.
Die Sprache, Daten und andere Information wird durch die Em­ pfangsschaltung 108 an die Steuerung 112 geliefert. Die Steuerung 112 formatiert die Daten in wahrnehmbare Sprache oder andere Information für die Verwendung durch die Benut­ zerschnittstelle 114. Die Benutzerschnittstelle 114 überträgt die empfangene Information oder Sprache zu einem Benutzer der Kommunikationsvorrichtung 100. Typischerweise umfaßt die Be­ nutzerschnittstelle 114 eine Anzeige, ein Tastenfeld, einen Lautsprecher und ein Mikrofon (was nicht gezeigt ist).
Beim Senden der Radiofrequenzsignale (RF) von der Kommunika­ tionsvorrichtung sendet die Benutzerschnittstelle 114 Benut­ zereingabedaten an die Steuerung 112. Die Steuerung 112 for­ matiert die Information, die sie von der Benutzerschnittstel­ le 114 empfangen hat und sendet sie an die Sendeschaltung 106 für eine Umwandlung in modulierte RF-Signale. Die Sendeschal­ tung 106 umfaßt passende Filter, eine Aufwärtswandler, der einen oder mehrere Mischer einschließt, einen Leistungsver­ stärker und einen Ausgang, der mit der Antenne 110 gekoppelt ist, um RF-Signale an die Antenne 110 zu liefern. Die Sende­ schaltung 106 hat einen Eingang 118 zum Empfang des lokalen Oszillatorsignals vom lokalen Oszillator 104 und einen zwei­ ten Eingang, der mit der Steuerung 112 verbunden ist, um Sen­ dedaten zu empfangen. Die Sendeschaltung 106 moduliert die Sendedaten in Erwiderung auf das lokale Oszillatorsignal.
Der Referenzoszillator 102 ist so konfiguriert, daß er ein Referenzsignal liefert, das eine bekannte, im allgemeinen konstante Ausgangsfrequenz hat. Die Details der Gestaltung eines solchen Referenzoszillators liegen im Rahmen des Wis­ sens eines Durchschnittsfachmanns.
Der lokale Oszillator 104 umfaßt allgemein einen Phasenver­ gleicher 120, eine Ladungspumpenschaltung 122, ein Schleifen­ filter 124 und einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 126. Der lokale Oszillator 104 hat einen Eingang 128 für das Empfangen des Referenzsignals vom Referenzoszillator 102 und einen Ausgang 130 für das Bereitstellen des lokalen Oszilla­ torsignals an die Sendeschaltung 106 und die Empfangsschal­ tung 108. Vorzugsweise wird der lokale Oszillator 104 als einheitliche integrierte Schaltung hergestellt. Der lokale Oszillator 104, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, ist als Phasen­ regelschleifenfrequenzsynthesizer konfiguriert.
Der Phasenvergleicher 120 hat einen Referenzeingang 137 zum Empfang des Referenzsignals, einen Rückkoppeleingang 139 für das Empfangen eines Rückkoppelsignals und einen Ausgang 142. Der Ausgang 142 umfaßt einen Aufwärtsausgang 144 und einen Abwärtsausgang 146. Der Phasenvergleicher liefert ein Phasen­ einstellsignal am Ausgang 142 in Erwiderung auf eine Phasen­ differenz zwischen dem Referenzsignal, das am Referenzeingang 137 empfangen wird, und dem Rückkoppeleingang 139. Das Pha­ seneinstellsignal umfaßt ein Aufwärtssignal, das am Aufwärts­ ausgang 144 geliefert wird, und ein Abwärtssignal, das am Ab­ wärtsausgang 146 geliefert wird.
Der Phasenvergleicher 120 umfaßt ein D-Flip-Flop 132, ein D- Flip-Flop 134 und ein UND-Gatter 136 und ein Verzögerungsele­ ment 135. Der Phasenvergleicher 120 ist so gestaltet, daß er das Referenzsignal am Takteingang 138 des D-Flip-Flops 132 empfängt. Der Dateneingang des D-Flip-Flops 132 ist mit einem Referenzpotential, wie beispielsweise der positiven Versor­ gungsspannung, verbunden. Der Phasenvergleicher 120 ist wei­ ter so gestaltet, daß er das Rückkoppelsignal am Takteingang 140 des D-Flip-Flops 134 empfängt. Der Dateneingang des D- Flip-Flops 134 ist auch mit dem Referenzpotential verbunden.
Das D-Flip-Flop 132 hat einen Datenausgang 148, der mit dem Aufwärtsausgang 144 des Phasenvergleichers verbunden ist, und einen Rücksetzeingang 150. Das D-Flip-Flop 134 hat einen Da­ tenausgang 152, der mit dem Abwärtsausgang des Phasenverglei­ chers 120 verbunden ist, und einen Rücksetzeingang 154. Das UND-Gatter 136 hat einen ersten Eingang, der mit dem Daten­ ausgang 148 des D-Flip-Flops 132, einen zweiten Eingang, der mit dem Datenausgang des D-Flip-Flops 134 und einen Ausgang, der mit dem Verzögerungselement 135 verbunden ist. Das Verzö­ gerungselement 135 hat einen Ausgang, der mit dem Rücksetz­ eingang 150 des D-Flip-Flops 132 und dem Rücksetzeingang 154 des D-Flip-Flops 134 verbunden ist. Das Verzögerungselement 135 kann eine Vielzahl von Invertern oder andere Schaltungs­ elemente umfassen, die für den verzögerten Empfang eines Rücksetzsignals vom Ausgang des UND-Gatters am Rücksetzein­ gang 150 des D-Flip-Flops 132 und dem Rücksetzeingang 154 des D-Flip-Flops 134 ausgelegt sind. Das Verzögerungselement 135 legt die Breite des Pulses fest, der durch die Ladungspumpen­ schaltung 122 erkannt wird. Die minimale Pulsbreite hängt auch ab von der Antwortzeit der Ladungspumpenschaltung 122 im schlechtesten Fall.
Die Ladungspumpenschaltung 122 hat einen Eingang 156, der mit dem Phasenvergleicherausgang 142 verbunden ist, um das Pha­ seneinstellsignal zu empfangen, und einem Ladungspumpenaus gang 158 für das Bereitstellen eines Steuersignals. Der Ein­ gang 156 umfaßt einen Aufwärtseingang 160 und einen Abwärts­ eingang 162. Die bevorzugte Struktur und der Betrieb der La­ dungspumpenschaltung 122 wird nachfolgend in Verbindung mit Fig. 2 diskutiert.
Das Schleifenfilter 124 hat einen Eingang 164, der mit dem Ladungspumpenausgang 158 verbunden ist. Das Schleifenfilter 124 hat weiter einen Ausgang 166. Wie Fachleute verstehen werden, kann das Schleifenfilter 124 jede geeignete Struktur aufweisen, wobei es vorzugsweise einen kapazitiven Eingang am Eingang 164 aufweist. Die Gestaltung eines solchen Schleifen­ filters liegt im Rahmen des Könnens eines Durchschnittsfach­ manns.
Der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) 126 hat einen Ein­ gang 168, der mit dem Ausgang 166 des Schleifenfilters 124 verbunden ist, und einen Ausgang 170. Der Ausgang 170 des VCO 126 ist weiterhin mit dem Rückkoppeleingang 139 des Phasen­ vergleichers 120 verbunden, um das Rückkoppelsignal zu lie­ fern. Der spannungsgesteuerte Oszillator 126 liefert ein fre­ quenzgesteuertes Ausgangssignal am Ausgang 170 und am Ausgang 130 des lokalen Oszillators 104 in Erwiderung auf ein Span­ nungssignal, das am Eingang 168 empfangen wird.
Der lokale Oszillator 104 kann ferner einen Frequenzteiler 172 im Rückkoppelweg vom VCO-Ausgang 170 zum Rückkoppelein­ gang 139 des Phasenvergleichers 120 umfassen. Die Struktur und der Betrieb solcher Frequenzteiler sind wohl bekannt.
Bezieht man sich nun auf Fig. 2, so zeigt diese ein schemati­ sches Diagramm der Ladungspumpenschaltung 122 der Fig. 1 ge­ mäß der vorliegenden Erfindung. Die Ladungspumpenschaltung 122 umfaßt einen ersten Stromschalter 202, einen ersten Stromspiegel 204, einen zweiten Stromschalter 206, einen zweiten Stromspiegel 208 und einen dritten Stromspiegel 210. Der erste Stromschalter 202 hat einen Steuereingang für das Empfangen des Phaseneinstellsignals, insbesondere des Auf­ wärtssignals. Der zweite Stromschalter 206 hat auch einen Steuereingang für das Empfangen des Phaseneinstellsignals, insbesondere des Abwärtssignals.
Der erste Stromschalter 202 umfaßt einen ersten Schalttransi­ stor 212, einen zweiten Schalttransistor 214 und eine Strom­ quelle 216. Vorzugsweise sind der erste Schalttransistor 212 und der zweite Schalttransistor 214 NMOS-Feldeffekttransisto­ ren. Diese Transistoren können jedoch alternativ auch bipolare NPN Transistoren sein oder aus einer anderen passenden Vor­ richtung bestehen. Die Stromquelle 216 kann irgendeine geeig­ nete Stromquelle sein, die so gestaltet ist, daß sie einen Referenzstrom liefert. Vorzugsweise wird der Referenzstrom gegenüber Änderungen der Temperatur und der Versorgungsspan­ nung kompensiert. Eine Bandlückenreferenzstromquelle stellt ein wohlbekanntes Beispiel einer geeigneten Stromquelle dar, und die Gestaltung und die Implementierung einer solchen Stromquelle liegt im Erfahrungsgebiet eines Durchschnitts­ fachmanns. Der erste Stromschalter 202 kann auch eine Pegel­ schiebeschaltung umfassen für das Verschieben der Spannungs­ pegel und der Größe des Signals, das am Aufwärtseingang 160 empfangen wird.
Der erste Stromschalter 202 legt selektiv einen Referenzstrom von einem ersten und einem zweiten Zweig in Erwiderung auf ein Eingangssignal, das am Aufwärtseingang 160 empfangen wird, an. Der erste Schalttransistor 212 hat einen Gate-An­ schluß, der mit dem Aufwärtseingang 160 der Ladungspumpen­ schaltung 122 verbunden ist. Der zweite Schalttransistor 214 hat einen Gate-Anschluß, der mit einer Referenzspannung ver­ bunden ist, die in Fig. 2 mit VREF bezeichnet ist. Bei VREF handelt es sich vorzugsweise um einen Gleichspannungspegel, der gegen Änderungen der Temperatur und der Versorgungsspan­ nung kompensiert ist, und der geeignet ist, ein Schaltopera­ tion des ersten Stromschalters 202 in Erwiderung auf das Schalten des Signals, das am Gatter des ersten Schalttran­ sistors empfangen wird, zu bewirken. Der erste Schalttran­ sistor 212 hat einen Drain-Anschluß, der mit einem ersten Zweig 218 verbunden ist. Der zweite Schalttransistor 214 hat einen Drain-Anschluß, der mit einem zweiten Zweig 220 verbun­ den ist. Der erste Schalttransistor 212 und der zweite Schalttransistor 214 haben jeder einen Source-Anschluß, die gemeinsam mit der Stromquelle 216 verbunden sind. Der erste Schalttransistor 212 empfängt das Phaseneinstellsignal am Aufwärtseingang 160. Der erste Stromschalter 202 liefert so­ mit selektiv den Referenzstrom von der Stromquelle 216 an entweder den ersten oder den zweiten Zweig in Erwiderung auf das Phaseneinstellsignal.
Der erste Stromspiegel 204 umfaßt vorzugsweise einen ersten Transistor 224, einen Widerstand 226 und einen zweiten Tran­ sistor 228. Zusätzlich kann der erste Stromspiegel auch einen Kaskodenausgangstransistor 230, einen Widerstand 232, einen Kondensator 234 und einen ersten Vorspannwiderstand 236 um­ fassen. Vorzugsweise ist der erste Transistor 224 ein PMOS- Transistor, der einen Source-Anschluß 238 hat, der mit einem Versorgungspotential 240 verbunden ist, einen Gate-Anschluß 242, der mit dem ersten Zweig 218 verbunden ist, und einen Drain-Anschluß 244. Weiterhin handelt es sich beim zweiten Transistor 228 vorzugsweise um einen PMOS-Transistor, der ei­ nen Source-Anschluß 246 hat, der mit einem Versorgungspoten­ tial 248 verbunden ist, einen Gate-Anschluß 250, der mit dem Drain-Anschluß 244 des ersten Transistors 224 verbunden ist, und einen Drain-Anschluß 252, der mit dem Ladungspumpenaus gang 158 verbunden ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Kaskodenausgangstransistor 230 zwischen dem Drain-An­ schluß 252 des zweiten Transistors und dem Ladungspumpenaus­ gang 158 geschaltet. Der Kaskodenausgangstransistor verbes­ sert die Ausgangsimpedanz des ersten Stromspiegels 204. Wei­ terhin sind in der bevorzugten Ausführungsform der Widerstand 232 und der Kondensator 234 in Serie zwischen dem ersten Zweig 218 und dem zweiten Zweig 220 geschaltet.
Im Betrieb errichtet, wenn der zweite Schalttransistor 214 eingeschaltet ist, so daß der erste Stromschalter 202 den Re­ ferenzstrom an den zweiten Zweig 220 liefert, der erste Vor­ spannwiderstand 236 eine Gate-Spannung für den Kaskodenaus­ gangstransistor 230. Der Referenzstrom fließt auch durch den ersten Transistor 224. Da kein Strom durch den ersten Schalt­ transistor 212 existiert, gibt es keinen Strom im Widerstand 226 und die Gate-Spannung des ersten Transistors 224 wird gleich der Gate-Spannung des Transistors 228 sein. In dieser Konfiguration werden die beiden PMOS-Transistoren, der erste Transistor 224 und der zweite Transistor 228, einen Strom­ spiegel bilden, der ein Strom ergibt, der durch den zweiten Transistor 228 und den Kaskodenausgangstransistor 230 ausge­ geben wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Transistor 228 so konfiguiert, daß der Ausgangsstrom, der an den Ladepumpenausgang 158 geliefert wird, im wesentlichen die doppelte Größe des Referenzstroms aufweist, der durch die Stromquelle 216 geliefert wird. Dies kann beispielsweise er­ reicht werden, indem ein 2 : 1 Verhältnis der jeweiligen Sei­ tenverhältnisse des zweiten Transistors 228 und des ersten Transistors 224 errichtet wird.
Wenn das Phaseneinstellsignal, das am Aufwärtseingang 160 empfangen wird, schaltet, so schaltet der zweite Schalttran­ sistor 214 ab und der erste Schalttransistor 212 schaltet ein, so daß der Referenzstrom im ersten Zweig 218 und durch den Widerstand 226 und den ersten Transistor 224 fließt. Die Gate-Spannung des zweiten Transistors 228 wird dann gleich der Gate-Spannung des ersten Transistors 224 plus dem Span­ nungsabfall über dem Widerstand 226. Diese Gate-Spannung muß genügen, um den Transistor 228 abzuschalten. In der bevorzug­ ten Ausführungsform hat der Referenzstrom einen Wert von 200 µA und der Widerstand 226 hat einen Wert von 6 KOhm. Wenn der zweite Transistor 228 ausgeschaltet ist, wird im wesentlichen kein Ausgangsstrom an den Ladungspumpenausgang 158 geliefert.
Somit hat der erste Transistor 224 einen Gate-Anschluß 242, der mit einem ersten Zweig 218 verbunden ist, und einen Drain-Anschluß 244, der mit dem zweiten Zweig 220 verbunden ist, wobei der erste Transistor 224 so vorgespannt ist, daß er einen im wesentlichen konstanten Strom liefert. Der zweite Transistor 228 ist zwischen dem Drain-Anschluß 244 des ersten Transistors 224 und dem Widerstand 226 geschaltet, wobei der zweite Transistor 228 ein Ausgangsstrom an den Ladungspumpen­ ausgang 158 als Steuersignal in Erwiderung auf den ersten Stromschalter 202 liefert, der den Referenzstrom an den zwei­ ten Zweig 220 liefert. Der zweite Transistor 228 liefert im wesentlichen keinen Ausgangsstrom in Erwiderung auf den ersten Stromschalter 202, der den im wesentlichen konstanten Strom an den ersten Zweig 218 liefert. Der zweite Transistor 228 ist somit in einen eingeschalteten Zustand vorspannbar, um einen Ausgangsstrom zu liefern und in einen ausgeschalteten Zustand, um im wesentlichen keinen Strom zu liefern.
Während des Schaltens wird, wenn der zweite Transistor 228 anfänglich ausgeschaltet ist, seine Gate-zu-Source-Kapazität versuchen, die Spannung am Widerstand 226 nahe dem Versor­ gungspotential zu halten. Wenn der erste Schalttransistor 212 abschaltet und der zweite Schalttransistor 214 anschaltet, so fällt die Spannung über dem Widerstand 226 zusammen und die Ladung der Gate-zu-Source-Kapazität des zweiten Transistors 228 wird die Gate-Spannung des ersten Transistors 224 veran­ lassen anzusteigen, bis sich die Kapazität entladen hat. Da­ bei besteht die Neigung, daß im Ausgangsstrom der dem La­ dungspumpenausgang 158 geliefert wird, Überschwinger verur­ sacht werden. Wenn diese nicht korrigiert werden, können sich die Überschwinger als Phasenunruhe in der Schleifenbandbreite des lokalen Oszillators 104 (Fig. 1) äußern. Diese Phasenun­ ruhe kann den globalen Phasenfehler einer Kommunikationsvor­ richtung, wie beispielsweise der Kommunikationsvorrichtung 100, die die Ladungspumpenschaltung 122 verwendet, ver­ schlechtern.
Somit werden vorzugsweise der Kondensator 234 und der Wider­ stand 232 hinzugefügt, um das Problem des Überschwingens zu minimieren. Wenn der zweite Schalttransistor 214 beginnt, Strom zu leiten, so wirkt der Kondensator 234 anfänglich wie ein Kurzschluß und der Widerstand 232 wird die Gate-Spannung des ersten Transistors 224 unten halten, so daß die kapazi­ tive Ladung auf dem zweiten Transistor 228 nicht bewirken kann, daß ihre Gate-Spannung steigt. Nachdem sich im Konden­ sator 234 ein Gleichgewicht eingestellt hat, wirkt er wie ei­ ne offene Schaltung und hat weiter keine Auswirkung.
Der zweite Stromschalter 206 umfaßt einen ersten Schalttran­ sistor 260, einen zweiten Schalttransistor 262 und eine Stromquelle 264. Der erste Schalttransistor 260 hat einen Ga­ te-Anschluß, der mit dem Abwärtseingang 162 der Ladungspum­ penschaltung 122 (Fig. 1) verbunden ist, und einen Drain-An­ schluß, der mit einem ersten Zweig 266 verbunden ist. Der zweite Schalttransistor 262 hat einen Gate-Anschluß, der mit einem Referenzpotential verbunden ist, das in Fig. 2 mit VREF bezeichnet ist, und einen Drain-Anschluß, der mit einem zwei­ ten Zweig 268 verbunden ist. Die Stromquelle 264 liefert vor­ zugweise einen Referenzstrom der gegen Änderungen der Tempe­ ratur und der Versorgungsspannung kompensiert ist, wobei es sich um eine Bandlückenstromquelle handeln kann. Der zweite Stromschalter 206 kann ferner einer Pegelverschiebeschaltung umfassen für das Verschieben der Spannungspegel und der Größe des Signals, das am Gate-Anschluß des ersten Schalttransis­ tors 260 empfangen wird. Vorzugsweise arbeitet der zweite Stromschalter 206 im wesentlichen gleich wie der erste Strom­ schalter 202. Der zweite Stromschalter 206 liefert selektiv einen Referenzstrom zum ersten Zweig 266 oder zum zweiten Zweig 268 in Erwiderung auf das Phaseneinstellsignal, das am Abwärtseingang 162 empfangen wird.
Der zweite Stromspiegel 208 umfaßt einen ersten Transistor 270, einen Widerstand 272 und einen zweiten Transistor 274. Zusätzlich umfaßt der zweite Stromspiegel 208 vorzugsweise einen Kaskodenausgangstransistor 276, einen zweiten Vorspann­ widerstand 278, und einen Kondensator 280 und einen Wider­ stand 282, die in Serie zwischen dem ersten Zweig 266 und dem zweiten Zweig 268 verbunden sind. Im Betrieb arbeitet der zweite Stromspiegel 208 im wesentlichen gleich wie der erste Stromspiegel 204. Wenn der zweite Schalttransistor 262 an ist, fließt der Referenzstrom von der Stromquelle 264 durch den zweiten Zweig 268 und durch den zweiten Vorspannwider­ stand 278, um eine Gate-Spannung für den Kaskodenausgangs­ transistor 276 zu errichten. Der Referenzstrom fließt auch durch den ersten Transistor 270. Da kein Strom durch den er­ sten Schalttransistor 260 fließt, so gibt es keinen Strom im Widerstand 272, so daß die Gate-Spannung des zweiten Transis­ tors 274 gleich der Gate-Spannung des ersten Transistors 270 ist. Der erste Transistor 270 und der zweite Transistor 274 werden somit einen Stromspiegel bilden, der einen Steuerstrom am Drain-Anschluß 277 des Kaskodenausgangstransistors 276 liefert. Die Größe dieses Steuerstroms kann durch Variieren der relativen Seitenverhältnisse des ersten Transistors 270 und des zweiten Transistors 274 eingestellt werden.
Wenn der zweite Schalttransistor 262 abschaltet und der erste Schalttransistor 260 einschaltet, so liefert der zweite Stromschalter 206 den Referenzstrom in den ersten Zweig 266. Der Referenzstrom wird dann durch den Widerstand 272 und den ersten Transistor 270 fließen. Die Gate-Spannung des zweiten Transistors 274 wird dann gleich der Gate-Spannung des ersten Transistors 270 plus dem Spannungsabfall über dem Widerstand 272. Diese Gatespannung muß hoch genug sein, um den zweiten Transistor 274 abzuschalten.
Somit wird der erste Transistor 270 auf einen im wesentlichen konstanten Strom vorgespannt. Der zweite Transistor 274 ist zwischen dem Drain-Anschluß des ersten Transistors 270 und dem Widerstand 272 geschaltet, wobei der zweite Transistor einen Steuerstrom in Erwiderung auf dem zweiten Stromschalter 206 liefert, der einen Strom in den zweiten Zweig 268 lie­ fert. Der zweite Transistor 274 liefert im wesentlichen kei­ nen Steuerstrom in Erwiderung auf den zweiten Stromschalter 206, der einem im wesentlichen konstanten Strom an den ersten Zweig 266 liefert.
Der dritte Stromspiegel 210 umfaßt einen ersten Transistor 294, einen zweiten Transistor 296, einen ersten Widerstand 298, einen dritten Transistor 300 und einen zweiten Wider­ stand 302. Der dritte Stromspiegel hat ferner einen Eingang 304, der mit dem Drain-Anschluß 277 des Kaskodenausgangstran­ sistors 276 verbunden ist, und einen Ausgang 306, der mit dem Ladungspumpenschaltungsausgang 158 verbunden ist. Der erste Transistor 294, der zweite Transistor 296 und der dritte Transistor 300 arbeiten als Stromspiegel, wie dies aus dem Stand der Technik wohl bekannt ist. Somit empfängt der dritte Stromspiegel 210 den Steuerstrom am Drain-Anschluß 277 des zweiten Stromspiegels 208 und liefert einen Spiegelstrom am Ausgang 306 an den Ladungspumpschaltungsausgang 158 in Erwi­ derung darauf. Wie Fachleute erkennen werden, kann der dritte Stromspiegel 210 andere Vorrichtungen für das Verbessern der Leistung des dritten Stromspiegels 210 umfassen. In ähnlicher Weise können die jeweiligen Größen der Transistoren oder die Werte des ersten Widerstands 298 und des zweiten Widerstands 302 eingestellt werden, um den Spiegelstrom, der am Ladungs­ pumpschaltungsausgang 158 geliefert wird, passend einzustel­ len.
Der erste Stromschalter 202 und der erste Stromspiegel 204 arbeiten als Stromquelle, um Strom an den Ladungspumpenaus­ gang 158 in Erwiderung auf das Aufwärtssignal zu liefern. Der zweite Stromschalter 206, der zweite Stromspiegel 208 und der dritte Stromspiegel 210 arbeiten als Stromsenke, die Strom vom Ladungspumpenausgang 158 in Erwiderung auf das Abwärts­ signal aufnimmt. Die Signale, die am Ladungspumpenausgang 158 geliefert werden, steuern nach Filterung durch den Schleifen­ filter 124 (Fig. 1) die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteu­ erten Oszillators 126. Diese Ausgangsfrequenz, die an die Empfangsschaltung 108 und die Sendeschaltung 106 geliefert wird, steuert die Frequenz des Empfangens und des Sendens der Kommunikationsvorrichtung 100. Ein schnelles Schalten der Stromspiegel in der Ladungspumpschaltung 122 gestattet eine kürzere minimale Pulsbreite und somit ein niedrigeres Aus­ gangsrauschen bei einem schnellen Frequenzsprungsynthesizer.
Wie man aus Vorangehendem sieht, liefert die vorliegende Er­ findung eine Kommunikationsvorrichtung, die eine verbesserte Ladungspumpschaltung einschließt, für das Verbessern des Be­ triebs eines Phasenregelschleifenfrequenzsynthesizers. Eine erste Stromspiegelschaltung arbeitet als eine Stromquelle für das Bereitstellen eines Ausgangsstroms. Zweite und dritte Stromspiegel arbeiten als Stromsenken. Die Konfiguration des Stromspiegels wurde modifiziert, um den Anschalt- und Ab­ schalteinschwingvorgang zu verbessern, um somit inhärente Be­ grenzungen von PMOS-Vorrichtungen zu überwinden. Dies vermin­ dert den Rauschpegel in der Bandbreite der Phasenverriege­ lungsschleife und somit den globalen Phasenfehler in der Kom­ munikationsvorrichtung.
Während eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung gezeigt und beschrieben wurde, können Modifikationen vorgenommen werden. Es ist somit beabsichtigt, in den ange­ fügten Ansprüchen alle solche Änderungen und Modifikationen abzudecken, die unter die wahre Idee und den Umfang der Er­ findung fallen.

Claims (7)

1. Kommunikationsvorrichtung mit:
einer Antenne;
einer Empfangsschaltung, die mit der Antenne verbunden ist;
einem Referenzoszillator;
einem lokalen Oszillator, wobei der lokales Oszillator folgendes umfaßt:
einen Phasenvergleicher, der einen Referenzeingang hat, der mit der Referenzoszillator verbunden ist, für das Empfangen eines Referenzsignals, einen Rückkoppeleingang für das Empfangen eines Rückkoppelsignals, und einen Ausgang, wo­ bei der Phasenvergleicher ein Phaseneinstellsignal liefert in Erwiderung auf eine Phasendifferenz zwischen dem Referenzsig­ nal und dem Rückkoppelsignal;
eine Ladungspumpschaltung, die einen Eingang hat, der mit dem Ausgang des Phasenvergleichers verbunden ist, um das Phaseneinstellsignal zu empfangen, und einen Ladungspump­ ausgang für das Bereitstellen eines Steuersignals, wobei die Ladungspumpschaltung folgendes umfaßt:
einen ersten Stromschalter, der einen Steuer­ eingang für das Empfangen des Phaseneinstellsignals hat, wo­ bei der erste Stromschalter selektiv einen Referenzstrom an einen ersten Zweig oder einen zweiten Zweig liefert in Erwi­ derung auf das Phaseneinstellsignal;
einen ersten Stromspiegel, der mit dem ersten Stromschalter verbunden ist, wobei der erste Stromspiegel ei­ nen ersten Transistor umfaßt, der einen Gate-Anschluß hat, der mit dem ersten Zweig verbunden ist, und einen Drain-An­ schluß, wobei der erste Transistor vorgespannt ist, um einen im wesentlichen konstanten Strom zu liefern; einen zweiten Transistor, der einen Gate-Anschluß hat, der mit dem Drain- Anschluß des ersten Transistors und mit dem zweiten Zweig verbunden ist, wobei der zweite Transistor weiterhin einen Drain-Anschluß hat, der mit dem Ladungspumpausgang verbunden ist, wobei der zweite Transistor in einen eingeschalteten Zu­ stand vorgespannt werden kann, um einen Ausgangsstrom am La­ dungspumpausgang zu liefern, und in einen ausgeschalteten Zu­ stand, um im wesentlichen keinen Strom zu liefern, und einen Widerstand, der zwischen dem Gate-Anschluß des ersten Transi­ stors und dem Gate-Anschluß des zweiten Transistors verbunden ist, wobei der Widerstand den im wesentlichen konstanten Strom vom ersten Transistor zum ersten Zweig führt, um den zweiten Transistor im ausgeschalteten Zustand vorzuspannen, wenn der erste Stromschalter den Referenzstrom an den ersten Zweig liefert, wobei der Widerstand im wesentlichen keinen Strom führt, um den zweiten Transistor in einen eingeschalte­ ten Zustand vorzuspannen, wenn der erste Stromschalter den Referenzstrom an den zweiten Zweig liefert;
einen Schleifenfilter, der einen Eingang hat, der mit dem Ladungspumpausgang verbunden ist, und einen Ausgang;
einen spannungsgesteuerten Oszillator, der einen Eingang hat, der mit dem Ausgang des Schleifenfilters verbun­ den ist und einen Ausgang, wobei der Ausgang des spannungsge­ steuerten Oszillators mit dem Rückkoppeleingang verbunden ist, um das Rückkoppelsignal zu liefern;
einer Steuerung; und
einer Sendeschaltung, die einen ersten Eingang hat, der mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators verbun­ den ist, um ein Signal des lokalen Oszillators zu empfangen, und einen zweiten Eingang, der mit der Steuerung verbunden ist, um Sendedaten zu empfangen, und einen Ausgang, der mit der Antenne verbunden ist, wobei die Sendeschaltung die Sen­ dedaten in Erwiderung auf das Signal des lokalen Oszillators moduliert.
2. Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei sie fer­ ner eine Empfangsschaltung umfaßt, die mit dem spannungsge­ steuerten Oszillator und den Antenne verbunden ist, um die Funkübertragung zu empfangen.
3. Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kom­ munikationsvorrichtung ein Funktelefon umfaßt.
4. Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die La­ dungspumpschaltung ferner folgendes umfaßt:
einen Vorspannwiderstand, der zwischen dem Gate-Anschluß des zweiten Transistors und dem zweiten Zweig verbunden ist;
und
einen Kaskodentransistor, der zwischen dem Drain-An­ schluß des zweiten Transistors und dem Ladungspumpausgang ge­ schaltet, ist, um den Ausgangsstrom zu liefern, wobei der Kas­ kodenausgangstransistor einen Gate-Anschluß hat, der mit dem zweiten Zweig verbunden ist, für das Steuern des Kaskodenaus­ gangstransistors.
5. Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die La­ dungspumpschaltung ferner einen Widerstand und einen Konden­ sator umfaßt, die in Serie zwischen dem ersten Zweig und dem zweiten Zweig geschaltet sind.
6. Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Pha­ seneinstellsignal ein Aufwärts- und ein Abwärtssignal umfaßt, wobei der erste Stromschalter das Aufwärtssignal am Steuer­ eingang des ersten Stromschalter empfängt, und wobei die La­ dungspumpschaltung weiter folgendes umfaßt:
einen zweiten Stromschalter, der einen Steuereingang hat, der mit dem Ausgang des Phasenvergleichers verbunden ist, um das Abwärtssignal zu empfangen, wobei der zweite Stromschalter selektiv einen Referenzstrom an den ersten Zweig oder den zweiten Zweig liefert in Erwiderung auf das Phaseneinstellsignal;
einen zweiten Stromspiegel, der mit dem zweiten Strom­ schalter verbunden ist, wobei der zweite Stromspiegel einen ersten Transistor umfaßt, der einen Gate-Anschluß hat, der mit dem ersten Zweig verbunden ist, und einen Drain-Anschluß, wobei der erste Transistor vorgespannt ist, um einen im we­ sentlichen konstanten Strom zu liefern, einen zweiten Tran­ sistor, der einen Gate-Anschluß hat, der mit dem Drain-An­ schluß des ersten Transistors und mit dem zweiten Zweig ver­ bunden ist, wobei der zweite Transistor weiter einen Drain- Anschluß hat, wobei der zweite Transistor in einen einge­ schalteten Zustand vorspannbar ist, um einen Ausgangsstrom zu liefern und in einen ausgeschalteten Zustand, um im wesentli­ chen keinen Strom zu liefern, und einen Widerstand, der zwi­ schen dem Gate-Anschluß des ersten Transistors und dem Gate- Anschluß des zweiten Transistors geschaltet ist, wobei der Widerstand den im wesentlichen konstanten Strom vom ersten Transistor zum ersten Zweig führt, um den zweiten Transistor im ausgeschalteten Zustand vorzuspannen, in Erwiderung auf den zweiten Stromschalter, der den Referenzstrom an den er­ sten Zweig legt, wobei der Widerstand im wesentlichen keinen Strom leitet, um den zweiten Transistor im eingeschalteten Zustand vorzuspannen, in Erwiderung auf den zweiten Strom­ schalter, der den Referenzstrom an den zweiten Zweig liefert; und
einen dritten Stromspiegel, der einen Eingang hat, der mit dem Drain-Anschluß des zweiten Transistors des zweiten Stromspiegels verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Ladungspumpausgang verbunden ist, wobei der dritte Stromspie­ gel den Ausgangsstrom des zweiten Stromspiegels empfängt und einen Spiegelstrom an der Ladungspumpausgang in Erwiderung hieraufliefert.
7. Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die La­ dungspumpschaltung ferner folgendes umfaßt:
am ersten Stromspiegel einen ersten Vorspannwiderstand, der zwischen dem Gate-Anschluß des zweiten Transistors und dem zweiten Zweig verbunden ist und einen ersten Kaskodenaus­ gangstransistor, der zwischen dem Drain-Anschluß des zweiten Transistors und dem Ladungspumpausgang geschaltet ist, um den Ausgangsstrom zu liefern, wobei der erste Kaskodenausgangs­ transistor einen Gate-Anschluß hat, der mit dem zweiten Zweig verbunden ist, um den ersten Kaskodenausgangstransistor zu steuern; und
am zweiten Stromspiegel einen zweiten Vorspannwider­ stand, der zwischen dem Gate-Anschluß des zweiten Transistors und dem zweiten Zweig verbunden ist, und einen zweiten Kasko­ denausgangstransistor, der zwischen dem Drain-Anschluß des zweiten Transistors und dem Eingang des dritten Stromspiegels verbunden ist, um den Ausgangsstrom zu liefern, wobei der zweite Kaskodenausgangstransistor einen Gate-Anschluß hat, der mit dem zweiten Zweig verbunden ist, um den zweiten Kas­ kodenausgangstransistor zu steuern.
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