DE19822374C2

DE19822374C2 - Tastverhältnis-Steuerpufferschaltung mit selektiver Frequenzteilungsfunktion

Info

Publication number: DE19822374C2
Application number: DE19822374A
Authority: DE
Inventors: Hwang-Cherng Chow; Chi-Chang Shuai; Yuan-Hua Chu
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Transpacific IP Ltd
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 2002-03-21
Anticipated expiration: 2018-05-20
Also published as: DE19822374A1; US6060922A

Description

Die Erfindung ist mit der U.S. Patentanmeldung, Seriennr. 09/026.843, mit dem Titel "FREQUENCY MULTIPLICATION CIRCUIT AND METHOD" verwandt, die am gleichen Tag für Hwang-Cherng Chow et al. eingereicht würde. Der Inhalt der obengenannten Anmeldung wird hierin zum Zwecke der Bezugnahme zitiert.

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen integrierte CMOS-Schaltungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine integrierte CMOS-Schaltung zur Einstellung des Tastverhältnisses von Taktsignalen mit der zusätzlichen Möglichkeit einer selektiven Frequenzteilung.

Eine Reihe von Parametern kann zur Beschreibung der Merkmale eines elektrischen Signals verwendet werden. Zu diesen Parametern zählen die Spannungsamplitude, die Frequenz, die Periode, das Tastverhältnis und die Einschaltzeit und Ausschaltzeit. Das Tastverhältnis ist insbesondere für Signale mit einer digitalen oder rechteckigen Wellenform relevant. Digitale oder rechteckige Wellenformen wechseln normalerweise zwischen einem niederen Spannungspegel und einem hohen Spannungpegel, wobei der Übergang zwischen den Spannungspegeln im wesentlichen plötzlich eintritt. Der Begriff "Periode" bezieht sich auf die Dauer eines einzigen Zyklus. Für jeden Zyklus bleibt eine digitale oder rechteckige Wellenform für einen Teil der Periode bei dem niederen Spannungspegel und für den Rest der Periode bei dem hohen Spannungspegel. "Einschaltzeit" bezeichnet die Zeitdauer, in der eine digitale oder rechteckige Wellenform bei dem hohen Spannungspegel bleibt, während "Ausschaltzeit" die Zeitdauer bezeichnet, in der eine digitale oder rechteckige Wellenform bei dem niederen Spannungspegel bleibt. "Tastverhältnis" bezeichnet das Verhältnis der Einschaltzeit zu der Periode und wird häufig in Prozent angegeben. Ein Signal mit digitaler oder rechteckiger Wellenform kann ein Tastverhältnis im Bereich von Null bis 100 Prozent haben. In einigen Fällen kann das Tastverhältnis eines Signals unvorhersagbar sein. Damit die Eigenschaften dieser Art von Signal vorhersagbarer werden, ist es häufig wünschenswert, das Tastverhältnis des unvorhersagbaren Signals auf einen bekannten Wert wie 50 Prozent einzustellen. Ein 50% Tastverhältnis liefert für jede Periode eine gleiche Einschaltzeit und Ausschaltzeit.

Nach dem Stand der Technik wurden Verfahren zur Steuerung des Tastverhältnisses eines Eingangssignals berichtet. Zum Beispiel ist eine bekannte Weise zur Einstellung eines Eingangssignals auf ein Ausgangssignal mit einem 50% Tastverhältnis die Verwendung eines Phasenregelkreises (PLL). Wie in Fig. 1 dargestellt, wird die ankommende Taktfrequenz (f) zunächst durch den PLL- spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) auf 2f verdoppelt und dann mit einem 2 : 1 Teiler wie einem D-Flipflop geteilt, um ein Ausgangssignal mit einem 50% Tastverhältnis, wie auch ein Rückkopplungssignal mit 50% Tastverhältnis zu dem PLL-Phasendetektor zu erhalten. Bei dieser Art von Tastverhältnissteuerung gibt es jedoch zwei Nachteile, die in der Folge beschrieben sind:

1. Der Energieverbrauch ist aufgrund des Betriebs der PLL-Schaltung bei der zweifachen Frequenz erhöht; und
2. Es ist eine komplexe analoge Konstruktion des VCO erforderlich, die sowohl hinsichtlich der Implementierungskosten als auch in bezug auf die "nutzbare Fläche" der integrierten Schaltung teuer ist.

Ein anderes Verfahren nach dem Stand der Technik zur Steuerung des Tastverhältnisses eines Signals ist in U.S. Patent 4.479.216 beschrieben, das an Krambeck et al. erteilt wurde. Krambeck beschreibt eine Schaltung, wie in Fig. 2 dargestellt, in der die Durchschnittsspannung (V+) eines Ausgangsimpulstakts (bei Knoten t7) mit einer Referenzspannung (VDD/2) in einem Operationsverstärker verglichen wird. Der OPAMP-Ausgang (Vfb) wird zu Transistoren MP2 und MP1 zurückgeleitet, um die Zeitsteuerung der Taktimpulse zu ändern, die dem Pull-up- Transistor MP1 und dem Pull-down-Transistor MP2 eingegeben werden, wodurch die Anstiegszeit und Abfallzeit des Ausgangsimpulses bei Knoten t2 gesteuert wird. Da die Betriebsfrequenz der gesamten Schaltung dieselbe wie jene des Eingangstaktsignals ist, verbraucht diese Schaltung weniger Energie als der zuvor beschriebene frequenzverdoppelnde PLL nach dem Stand der Technik. Diese Schaltung neigt jedoch unter bestimmten Umständen zu einem Schleifenstabilitätsproblem. Zum Beispiel kann das Tastverhältnis eines unvorhersagbaren Eingangstaktsignals von 20 Prozent bis 80 Prozent schwanken. Obwohl sich das Tastverhältnis ändern kann, bleibt seine Frequenz gleich. Daher bleibt bei einer vorbestimmten Betriebsfrequenz die Zeitkonstante des RC- Tiefpaßfilters (Integierschaltung) gleich. Wenn daher ein Eingangstaktsignal ein Tastverhältnis von mehr als 50 Prozent aufweist, neigt die offenbarte Schaltung zu einer instabilen Schleifenfunktion. Die Instabilität tritt ein, weil der NMOS-Transistor der Eingangsstufe (MN2) über einen längeren Zeitraum eingeschaltet sein kann, als das Rückkopplungssignal Vfb über den Transistor MN1 steuern kann.

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Schaltung zur Einstellung des Tastverhältnisses eines Taktsignals zu schaffen, welche die wesentlichen Nachteile nach dem Stand der Technik beseitigen, nämlich: (1) weniger Energie als der frequenzverdoppelnde PLL zu verbrauchen; und (2) eine stabile Schleifenfunktion unabhängig von dem Tastverhältnis des Eingangssignals zu liefern.

Gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Tastverhältnis- Steuerpuffer so aufgebaut, daß er einen Flankendetektor, einen monostabilen Multivibrator mit Impulsbreitensteuerung, einen Inverter, einen Integrator, einen Operationsverstärker und eine Rückkopplungsschleife zu der Impulsbreitensteuerschaltung umfaßt. Ein unvorhersagbares Taktsignal wird dem Flankendetektor eingegeben, der ein monostabiles Ausgangssignal für jeden Übergangszyklus des Eingangstaktsignals erzeugt. Das monostabile Signal wird durch den monostabilen Multivibrator zu einem impulsbreitengesteuerten, rechteckigen Taktsignal umgewandelt und dann durch den Inverter invertiert. Die Inversion bewirkt, daß das Tastverhältnis des rechteckigen Taktsignals invertiert oder komplementiert ist. Der invertierte Ausgang wird dann integriert, um eine Durchschnittsspannung des invertierten, rechteckigen Taktsignals abzuleiten. Die erhaltene Durchschnittsspannung wird einer Seite eines Operationsverstärkers eingegeben, wo sie mit einer Referenzspannung verglichen wird, die der anderen Seite des Operationsverstärkers eingegeben wird. Die Referenzspannung wird im voraus auf einen gewünschten Tastverhältniswert eingestellt; z. B. ergibt eine Referenzspannung gleich der Versorgungsspannung VDD, geteilt durch 2 (VDD/2) ein eingestelltes Tastverhältnis von 50%.

Der Differentialausgang des Operationsverstärkers wird als negatives Rückkopplungssteuersignal zu der Impulsbreitensteuerschaltung in dem monostabilen Multivibrator verwendet. Wenn daher das Tastverhältnis des Eingangstakts größer als gewünscht ist, bewirkt das Rückkopplungssteuersignal, daß die Impulsbreite (und das Tastverhältnis) abnimmt, bis sie (es) einen Wert eines stationären Zustands erreicht, wie durch die Referenzspannung bestimmt ist. Wenn im Gegensatz dazu das Tastverhältnis des Eingangstakts kleiner als gewünscht ist, bewirkt das Rückkopplungssteuersignal, daß die Impulsbreite (und das Tastverhältnis) zunimmt, bis sie (es) einen Wert eines stationären Zustands erreicht, wie durch die Referenzspannung bestimmt ist. Ferner ist aufgrund der Wirkung des Flankendetektors die Rückkopplungsschleifenstabilität der erfindungsgemäßen Schaltung nicht durch die Impulsbreite/das Tastverhältnis des Eingangstaktsignals beeinträchtigt.

Eine selektive Frequenzteilerschaltung kann mit dem erfindungsgemäßen Tastverhältnis-Steuerpuffer kombiniert werden, um eine effiziente Schaltung sowohl zur Frequenzteilung als auch zur Tastverhältnissteuerung zu erhalten. In diesem Fall bearbeitet der Frequenzteiler ein Eingangstaktsignal, bevor dessen Übergang von dem Flankendetektor erfaßt wird. Das Tastverhältnis des monostabilen Ausgangs des Flankendetektors würde dann bei der bearbeiteten Frequenz wie zuvor beschrieben gesteuert werden.

Veranschaulichende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Anschluß in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.

Fig. 1 ist ein frequenzverdoppelnder Phasenregelkreis nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 ist eine Spannungsvergleichsschaltung nach dem Stand der Technik.

Fig. 3 ist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Tastverhältnis-Steuerpuffers mit einer selektiven Frequenzteilungsfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4a ist eine erste TYP I monostabile Schaltung.

Fig. 4b ist eine zweite TYP I monostabile Schaltung.

Fig. 5 ist ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Tastverhältnis-Steuerpuffers mit einer selektiven Frequenzteilungsfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6a ist eine erste TYP II monostabile Schaltung.

Fig. 6b ist eine zweite TYP II monostabile Schaltung.

Fig. 7a und 7b zeigen Impulspläne für monostabile Schaltungen sowohl vom TYP I (Fig. 7a) als auch vom TYP II (Fig. 7b)

Fig. 8 und 9 zeigen Simulationstestergebnisse für eine Schaltung nach dem Stand der Technik mit einem 50 MHz Eingangstakt und 10 bzw. 80 Prozent Tastverhältnis (N = 1)

Fig. 10 und 11 zeigen Simulationstestergebnisse für die vorliegende Erfindung mit einem 50 MHz Eingangstakt und 10 bzw. 80 Prozent Tastverhältnis (N = 1)

Fig. 12 zeigt eine 50 Prozent Tastverhältnis-Einstellung eines 100 MHz Eingangstakts (N = 1) gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 13 zeigt eine 50 Prozent Tastverhältnis-Einstellung eines 20 MHz Eingangstakts unter Verwendung der zweiten TYP I monostabilen Schaltung (N = 1) gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 14 zeigt den simulierten Betrieb eines 3 : 1 Frequenzteilers (N = 3) mit einem Ausgang mit 50 Prozent Tastverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Tastverhältnis-Steuerpufferschaltung mit einer selektiven Frequenzteilungsfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung. Die grundlegende Funktionsweise jedes Funktionsblocks in Fig. 3 ist in der Folge zusammengefaßt:

(1) Finit-Zustand-Vorrichtung

Dieser Funktionsblock ist eine Frequenzsteuerung. Das heißt, die Finit-Zustand-Vorrichtung arbeitet nach der Frequenz (f) des Eingangstaktsignals, wobei sie nur einen Taktimpuls für N Eingangstaktimpulse ausgibt, wobei N <= 1. Daher ist die Frequenz des Taktsignals aus der Finit- Zustand-Vorrichtung gleich f/N.

(2) Anstiegs- oder Abfallflankendetektor

Dieser Funktionsblock ist entweder ein Anstiegsflankendetektor oder ein Abfallflankendetektor, der die Übergangsflanke des Ausgangstaktsignals f/N der Finit-Zustand-Vorrichtung erfaßt und seinerseits einen monostabilen Impulsfolgenausgang (Z) erzeugt. Es ist wichtig, daß die monostabile Ausgangsimpulsfolge dieselbe Frequenz wie der Eingangstakt f aufweist, aber das Tastverhältnis der monostabilen Impulsfolge deutlich kleiner als 50% ist. Diese Funktion kann mit einem einfachen NOR-Glied (oder NAND-Glied) und zugehörigen Verzögerungselementen ausgeführt werden.

(3) Rückkopplungsspannungsgesteuerter monostabiler Multivibrator (monostabile Kippstufe)

Dieser Funktionsblock erzeugt ein Ausgangssignal W, wenn er durch den monostabilen Impulsfolgeneingang (Z) angesteuert wird. Die Impulsbreite des ausgegebenen Signals W wird durch die Rückkopplungsspannung Vfb in Verbindung mit dem PMOS P1 und dem Schmitt-Trigger gesteuert. Als Alternative kann ein Inverter anstelle des Schmitt-Triggers verwendet werden.

(4) Inverter

Dieser Funktionsblock invertiert das monostabile Ausgangssignal (W) zur Ausgabe eines Taktsignals f₀ (bei Knoten t7), dessen Tastverhältnis das Komplement des Tastverhältnisses des monostabilen Ausgangssignals (W) ist.

(5) Integrierschaltung

Dieser Funktionsblock integriert das endgültige Ausgangstaktsignal f₀ bei Knoten t7 und gibt die Durchschnittsspannung (V+) dieses integrierten Signals an den positiven Eingang des Operationsverstärkers (OPAMP) aus. Damit das endgültige Ausgangstaktsignal f₀ bei einem 50 Prozent Tastverhältnis arbeitet, muß die Durchschnittsspannung V+ gleich VDD/2 sein.

(6) OPAMP

Dieser Funktionsblock kann ein Hochleistungsoperationsverstärker oder ein Differentialverstärker sein, wobei der negative Eingang eine vorbestimmte Referenzspannung (Vref) empfängt. Der Ausgang dieses OPAMP ist eine Steuerspannung (Vfb), die zu der Differenz zwischen V+ und Vref proportional ist und zu der monostabilen Kippstufe zurückgeleitet wird, um die Einschaltstabilität des PMOS P1 einzustellen. Für ein Tastverhältnis von 50% wird Vref auf VDD/2 eingestellt.

Die zuvor beschriebenen Funktionsblöcke 2, 3, 4 und 5 umfassen eine Tastverhältnis-Steuerpufferschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Kurz gesagt, dieser Tastverhältnis-Steuerpuffer stellt das Tastverhältnis eines Eingangstaktsignals über eine geschlossene Regelkreisfunktion automatisch ein. Der gewünschte. Tastverhältniswert wird durch die Referenzspannung Vref bestimmt. Die Betriebsmerkmale des erfindungsgemäßen Tastverhältnis-Steuerpuffers werden in der Folge ausführlicher beschrieben.

Zur Darstellung der Funktionsweise des Tastverhältnis- Steuerpuffers werden zwei Beispiele verwendet: (1) Das Tastverhältnis ist größer als gewünscht, und (2) das Tastverhältnis ist kleiner als gewünscht.

1. Wenn das Tastverhältnis größer als gewünscht ist, ist die Durchschnittsspannung (V+), die von dem Ausgangstaktsignal f₀ durch die Integrierschaltung abgeleitet wird, größer als die Referenzspannung Vref. Wenn die Durchschnittsspannung V+ von der Integrierschaltung größer als Vref ist, gibt der OPAMP eine Rückkopplungssteuerspannung (Vfb) mit erhöhter Amplitude aus. Der Anstieg in Vfb am Gate von PMOS P1 bewirkt eine Abnahme der Einschaltstabilität von PMOS P1. Daher wird der Spannungswert bei Knoten t2 langsamer auf VDD hochgezogen. Dadurch hat das Ausgangssignal W von der monostabilen Kippstufe eine größere Impulsbreite. Das Signal (W) wird dann invertiert, so daß das erhaltene Ausgangssignal (f₀) bei Knoten t7 eine geringere Impulsbreite aufweist. Daher nimmt die Durchschnittsspannung V+, die von dem Ausgangstaktsignal f₀ durch die Integrierschaltung abgeleitet wird, ab, bis das gewünschte Tastverhältnis erreicht ist (stationärer Zustand), wie durch den Wert der Referenzspannung Vref bestimmt wird.
2. Wenn das Tastverhältnis kleiner als gewünscht ist, ist die Durchschnittsspannung (V+), die von dem Ausgangstaktsignal f₀ durch die Integrierschaltung abgeleitet wird, kleiner als die Referenzspannung Vref. Wenn die Durchschnittsspannung V+ von der Integrierschaltung kleiner als Vref ist, nimmt die Amplitude der Ausgangssteuerspannung Vfb ab. Dadurch wird die Einschaltstabilität von PMOS P1 erhöht. Somit wird der Spannungswert bei Knoten t2 schneller auf VDD hochgezogen. Dadurch hat das Ausgangssignal W von der monostabilen Kippstufe eine verringerte Impulsbreite. Das Ausgangssignal W wird dann durch den Inverter komplementiert, so daß das erhaltene Ausgangssignal (f₀) bei Knoten t7 eine größere Impulsbreite aufweist. Daher nimmt die Durchschnittsspannung V+, die von dem Ausgangstaktsignal f₀ durch die Integrierschaltung abgeleitet wird, zu, bis das gewünschte Tastverhältnis erreicht ist (stationärer Zustand), wie durch den Wert der Referenzspannung Vref bestimmt wird.

Da der erfindungsgemäße Tastverhältnis-Steuerpuffer einen geschlossenen Regelkreis mit negativer Rückkopplung verwendet, ist die Regelkreisfunktion im stationären Zustand stabil. Sobald der geschlossene Regelkreis seinen stationären Zustand erreicht, ist das Tastverhältnis gleich dem Wert, der durch Vref vorbestimmt ist.

Wie in Fig. 3 dargestellt, empfängt die monostabile Kippstufe in dem erfindungsgemäßen Tastverhältnis- Steuerpuffer monostabile Impulsfolgensignale (Z) von dem Anstiegs- oder Abfallflankendetektor. Diese Art von monostabiler Kippstufe wird als Schaltung vom TYP I klassifiziert und ist wieder in Fig. 4a dargestellt.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer monostabilen Kippstufe von TYP I ist in Fig. 4b dargestellt. Wie in Fig. 4a wird die Impulsbreite eines positiv werdenden Eingangstaktsignals durch die Wirkung des Rückkopplungssignals Vfb in Verbindung mit dem PMOS P10 und den NOR-Gliedern eingestellt.

Ein zweiter Typ einer monostabilen Kippstufe kann auch in dem erfindungsgemäßen Tastverhältnis-Steuerpuffer verwendet werden, wie in Fig. 5 dargestellt ist. In dieser Schaltung empfängt der Eingang der monostabilen Kippstufe V-förmige oder negativ werdende Impulsfolgensignale von dem Anstiegs- oder Abfallflankendetektor. Daher wird die V-förmige Impulsfolge dem PMOS P100 eingegeben, und die Rückkopplungsspannung wird dem NMOS N100 eingegeben. Sonst ist die Schaltungsfunktionsweise genau gleich wie zuvor für Fig. 3 beschrieben wurde. Dieser Typ einer monostabilen Kippstufe ist als TYP II Schaltung klassifiziert und ist wieder in Fig. 6a dargestellt. Ferner ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer monostabilen Kippstufe in Fig. 6b dargestellt. Wie in Fig. 6a steuert die Rückkopplungsspannung Vfb in Verbindung mit dem NMOS N200 und den NAND-Gliedern die Impulsbreite des Ausgangssignals.

Die grundlegenden Eingangs- und Ausgangssignal- Impulspläne für die monostabilen Kippstufen vom TYP I (positiv werdender Eingang) und vom TYP II (negativ werdender Eingang) sind in Fig. 7a bzw. 7b dargestellt. Beide Ausgangssignale weisen einen positiv werdenden Takt mit 50% Tastverhältnis auf, der von Eingangssignalen mit einem Tastverhältnis von weniger als 50% abgeleitet wird, und werden entweder positiv (Fig. 7a) oder negativ (Fig. 7b).

Im allgemeinen erfordern digitale Signalverarbeitungsanwendungen, daß das Taktsignal eine symmetrische Rechteckwelle mit einem Tastverhältnis von 50% ist. Um ein ankommendes, nicht symmetrisches Taktsignal zu einer symmetrischen Rechteckwelle mit einem 50 Prozent Tastverhältnis zu formen, muß die Referenzspannung Vref des erfindungsgemäßen Tastverhältnispuffers (Fig. 3 usw.) auf einen Wert gleich VDD/2 eingestellt werden.

Es ist wichtig, daß der offenbarte Tastverhältnis- Steuerpuffer auch als Frequenzteiler verwendet werden kann, wenn er mit einer Finit-Zustand-Vorrichtung (Fig. 3 usw.) kombiniert wird. Durch die Wahl eines gewünschten Wertes von N hat das Ausgangssignal der Finit-Zustand- Vorrichtung eine Frequenz gleich der Eingangsfrequenz f, dividiert durch N, oder f/N. Daher gibt die monostabile Kippstufe auch ein Signal bei der Frequenz f/N aus. Wenn zusätzlich Vref auf VDD/2 eingestellt ist, wird das Ausgangssignal auf ein 50 Prozent Tastverhältnis eingestellt, wie zuvor beschrieben wurde. Somit kann die offenbarte Kombination aus Tastverhältnispuffer und Finit-Zustand-Vorrichtung sowohl für eine Frequenzteilung als auch für eine Einstellung des Tastverhältnisses sorgen.

Die Finit-Zustand-Vorrichtung ist in der Technik bekannt und kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden. Zum Beispiel ist eine Schieberegisterausführung oder eine Binärzählerausführung auf Seite 43 und 44 von "The design and analysis of VLSI circuits", von Lance A. Glasser und Daniel W. Dobberpuhl, Addison-Wesley Verlag, 1985, offenbart. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Finit-Zustand-Vorrichtung mit einer Modulo-Schaltung und einer einfachen Steuerlogik ausgeführt werden. Eine Modulo-Schaltungsanordnung ist auf den Seiten 334-339 von "Digital integrated electronics", von Herbert Taubund Donald Schillin, McGraw-Hill Book Company, 1983, beschrieben.

Zur Demonstration des betrieblichen Vorteils der vorliegenden Erfindung in bezug auf die Schaltung nach dem Stand der Technik von Fig. 2 wurde eine Reihe von Simulationstests ausgeführt. Fig. 8 zeigt die Simulationstestergebnisse für die Schaltung nach dem Stand der Technik (Fig. 2) unter Verwendung eines 50 MHz Eingangstaktsignals v(in) mit einem 10 Prozent Tastverhältnis. Fig. 9 zeigt Simulationstestergebnisse für die Schaltung nach dem Stand der Technik (Fig. 2) unter Verwendung eines 50 MHz Eingangstaktsignals v(in) mit einem 80 Prozent Tastverhältnis. Während das Ausgangssignal v(t7) in Fig. 8 eine richtige Darstellung des Eingangssignals v(in) ist, trifft dies nicht auf Fig. 9 zu. Hier ist das Eingangssignal v(in) mit einem 80 Prozent Tastverhältnis aufgrund eines Regelkreis- Stabilitätsproblems nicht korrekt durch das Ausgangssignal v(t7) dargestellt. Das heißt, trotz der Tatsache, daß der geschlossene Regelkreis der Schaltung nach dem Stand der Technik einen stationären Zustand erreicht hat, ist das erhaltene Ausgangstaktsignal periodisch fehlerhaft, wie in Fig. 9 dargestellt.

Fig. 10 zeigt Simulationstestergebnisse für die erfindungsgemäße Schaltung (Fig. 3) unter Verwendung eines 50 MHz Eingangstaktsignals mit einem 10 Prozent Tastverhältnis, während Fig. 11 Simulationstestergebnisse für die erfindungsgemäße Schaltung unter Verwendung eines 50 MHz Eingangstaktsignals mit einem 80 Prozent Tastverhältnis zeigt. In beiden Fällen stellt das Ausgangssignal (v(t7) die Frequenz des Eingangssignals v(in) korrekt dar, was darauf hinweist, daß das Regelkreis-Stabilitätsproblem nach dem Stand der Technik in der vorliegenden Erfindung behoben wurde. Dies ist auf die Wirkungsweise des Anstiegs- oder Abfallflankendetektors zurückzuführen, der ein monostabiles Impulsfolgesignal (Z in Fig. 3 und v(Z) in Fig. 10 und 11) zu dem Eingang der monostabilen Kippstufe liefert, unabhängig von dem ursprünglichen Tastverhältnis des Eingangssignals (f/N).

Fig. 12 zeigt Simulationstestergebnisse für den erfindungsgemäßen ersten Tastverhältnispuffer vom TYP I (Fig. 4a) unter Verwendung eines 100 MHz Eingangstakts und einer Vref gleich VDD/2. Wie in Fig. 12 dargestellt, ist das Ausgangssignal T7 eine korrekte Darstellung der Eingangssignalfrequenz und hat ein 50 Prozent Tastverhältnis.

Fig. 13 zeigt Simulationstestergebnisse für die zweite monostabile Schaltung vom TYP I (Fig. 4b) unter Verwendung eines 20 MHz Eingangstakts und einer Vref gleich VDD/2.

Die Simulationstests von Fig. 12 und 13 konzentrierten sich auf den Betrieb eines 50 Prozent Tastverhältnis- Steuerpuffers mit einer Finit-Zustand-Vorrichtung N gleich 1. Das heißt, die Ausgangssignalfrequenz ist gleich der Eingangssignalfrequenz. In Fig. 14 ist N jedoch auf 3 gestellt, so daß die Finit-Zustand- Vorrichtung als 3 : 1 Teiler in bezug auf das Eingangssignal wirkt. Die 50 Prozent Tastverhältnis- Einstellung wird dann durch den Tastverhältnispuffer wie zuvor beschrieben angewendet. Daher bietet die erfindungsgemäße Kombination aus Finit-Zustand- Vorrichtung und Tastverhältnispuffer sowohl eine Frequenzteilungsfunktion als auch eine Impulsbreiteneinstellfunktion auf einen Ausgang mit einem 50 Prozent Tastverhältnis.

Kurz gesagt, eine Schaltung zur Einstellung und Steuerung eines Taktsignals mit einem unvorhersagbaren Tastverhältnis ist hierin offenbart. Ferner kann die offenbarte Schaltung mit einer Frequenzteilerschaltung kombiniert werden, um die zweifache Funktion einer Frequenzteilung und einer Tastverhältnissteuerung zu erhalten.

Die Vorteile der offenbarten Erfindung gegenüber dem Stand der Technik können wie folgt zusammengefaßt werden:

1. geringer Komplexität der Konstruktion im Vergleich zu den VCO-Konstruktionsanforderungen der PLL- Schaltung;
2. geringerer Energieverbrauch im Vergleich zu der PLL- Schaltung, da keine Frequenzvervielfachung erforderlich ist; und
3. verbesserte Regelkreisstabilität im Vergleich zu der Schaltung nach dem Stand der Technik von Fig. 2 (U.S. Patent 4.479.216)

Claims

1. Tastverhältnis-Steuerpuffer, umfassend:
eine monostabile Multivibratorschaltung für den Empfang eines Taktsignals und zur Erzeugung rechteckiger Ausgangstaktsignale aus dem Taktsignal mit einer steuerbaren Impulsbreite, wobei die steuerbare Impulsbreite durch ein Rückkopplungsschaltungelement in der monostabilen Multivibratorschaltung gesteuert wird,
eine Inverterschaltung für den Empfang der rechteckigen Ausgangsimpulssignale von der monostabilen Multivibratorschaltung und zum Invertieren der rechteckigen Impulssignale, so daß das Tastverhältnis der invertierten rechteckigen Impulssignale das Komplement des Tastverhältnisses der rechteckigen Ausgangsimpulssignale von der monostabilen Multivibratorschaltung ist,
eine Integratorschaltung für den Empfang der invertierten rechteckigen Impulssignale von der Inverterschaltung und zum Erzeugen eines Ausgangs, der die Durchschnittsspannung der invertierten rechteckigen Impulssignale darstellt,
eine Operationsverstärkerschaltung für den Empfang des Durchschnittsspannungsausgangs von der Integrierschaltung an einem Differentialeingang und für dem Empfang einer Referenzspannung an dem anderen Differentialeingang, wobei der Operationsverstärker zur Ausgabe eines Steuersignals dient, das zu dem Unterschied zwischen dem Durchschnittseingang und dem Referenzspannungseingang proportional ist,
wobei das Steuersignal zu dem Rückkopplungsschaltungselement in der monostabilen Multivibratorschaltung zurückgekoppelt wird, um die Impulsbreite der rechteckigen Impulsausgangssignale zu steuern,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Flankendetektorschaltung für den Empfang eines Eingangstaktsignals mit einer Frequenz f und zur Ausgabe des Taktsignals für die Multivibratorschaltung als monostabiles Impulssignals für jeden Übergangszyklus des Eingangstaktsignals, wobei die monostabilen Impulssignale eine Impulsfolge mit einer Frequenz gleich f und mit einem Tastverhältnis von weniger als 50% umfassen, vorgesehen ist.

2. Tastverhältnis-Steuerpuffer nach Anspruch 1, wobei das Rückkopplungsschaltungselement in der monostabilen Multivibratorschaltung einen PMOS-Transistor umfaßt.

3. Tastverhältnis-Steuerpuffer nach Anspruch 1, wobei das Rückkopplungsschaltungselement in der monostabilen Multivibratorschaltung einen NMOS-Transistor umfaßt.

4. Tastverhältnis-Steuerpuffer nach Anspruch 1, wobei die monostabile Multivibratorschaltung einen Schmitt-Trigger und das Rückkopplungsschaltungselement umfaßt.

5. Tastverhältnis-Steuerpuffer nach Anspruch 1, wobei die monostabile Multivibratorschaltung einen Inverter und das Rückkopplungsschaltungselement umfaßt.

6. Tastverhältnis-Steuerpuffer nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Versorgungsspannung VDD, wobei, wenn die Referenzspannung auf VDD/2 eingestellt ist, das Tastverhältnis der rechteckigen Ausgangsimpulssignale gleich 50% ist.

7. Frequenzteiler und Tastverhältnis-Steuerpuffer, umfassend:
eine monostabile Multivibratorschaltung für den Empfang von Impulssignalen von der Flankendetektorschaltung und zur Erzeugung rechteckiger Ausgangsimpulssignale aus diesen mit einer steuerbaren Impulsbreite, wobei die steuerbare Impulsbreite durch ein Rückkopplungsschaltungselement in der monostabilen Multivibratorschaltung gesteuert wird,
eine Inverterschaltung für den Empfang der rechteckigen Ausgangsimpulssignale von der monostabilen Multivibratorschaltung und zum Invertieren der rechteckigen Impulssignale, so daß das Tastverhältnis der invertierten rechteckigen Impulssignale das Komplement des Tastverhältnisses der rechteckigen Ausgangsimpulssignale von der monostabilen Multivibratorschaltung ist,
eine Integratorschaltung für den Empfang der invertierten rechteckigen Impulssignale von der Inverterschaltung und zum Erzeugen eines Ausgangs, der den Durchschnittswert der invertierten rechteckigen Impulssignale darstellt,
eine Operationsverstärkerschaltung für den Empfang des Durchschnittswertausgangs von der Integrierschaltung an einem Differentialeingang und für dem Empfang eines Referenzsignals an dem anderen Differentialeingang, wobei der Operationsverstärker zur Ausgabe eines Steuersignals dient, das zu dem Unterschied zwischen dem Durchschnittswerteingang und dem Referenzeingang proportional ist,
wobei das Steuersignal zu dem Rückkopplungsschaltungselement in der monostabilen Multivibratorschaltung zurückgekoppelt wird, um die Impulsbreite der rechteckigen Impulsausgangssignale zu steuern,
gekennzeichnet durch
eine Frequenzsteuerschaltung für den Empfang eines Eingangstaksignals mit einer Frequenz f und zum Teilen des Eingangstaktsignals durch eine Zahl N, wobei N gleich oder größer 1 ist, so daß die Frequenz des Taktsignals, das von der Frequenzsteuerschaltung ausgegeben wird, gleich f/N ist, und
eine Flankendetektorschaltung für den Empfang des Taktsignals f/N, das von der Frequenzsteuerschaltung ausgegeben wird, und für die Ausgabe des Impulssignals als f/N monostabiles Impulssignal, getriggert für jede erfaßte Flanke pro Zyklus des f/N Taktsignals, an die monostabile Multivibratorschaltung, so daß auch die Ausgangsimpulssignale der monostabilen Multivibratorschaltung und die Impulssignale am Ausgang der Integratorschaltung ebenfalls eine Frequenz von f/N aufweisen.

8. Tastverhältnis-Steuerpuffer nach Anspruch 7, wobei das Rückkopplungsschaltungselement in der monostabilen Multivibratorschaltung einen PMOS-Transistor umfaßt.

9. Tastverhältnis-Steuerpuffer nach Anspruch 7, wobei das Rückkopplungsschaltungselement in der monostabilen Multivibratorschaltung einen NMOS-Transistor umfaßt.

10. Tastverhältnis-Steuerpuffer nach Anspruch 7, wobei die monostabile Multivibratorschaltung einen Schmitt-Trigger und das Rückkopplungsschaltungselement umfaßt.

11. Tastverhältnis-Steuerpuffer nach Anspruch 7, wobei die monostabile Multivibratorschaltung einen Inverter und das Rückkopplungsschaltungselement umfaßt.

12. Tastverhältnis-Steuerpuffer nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Versorgungsspannung VDD, wobei, wenn die Referenzspannung auf VDD/2 eingestellt ist, das Tastverhältnis der rechteckigen Ausgangsimpulssignale gleich 50% ist.

13. Verfahren zur Steuerung des Tastverhältnisses eines unvorhersagbaren Eingangstaktsignals, umfassend die Schritte:

a) Erfassen einer Übergangsflanke pro Zyklus des Eingangstaktsignals,
b) Ausgabe eines monostabilen Impulses, der jeder erfaßten Übergangsflanke entspricht,
c) Erzeugen einer rechteckigen Impulsfolge aus den monostabilen Impulsen, wobei die rechteckige Impulsfolge eine steuerbare Impulsbreite aufweist,
d) Invertieren der rechteckigen Impulsfolge,
e) Ableiten der Durchschnittsspannung von der invertierten rechteckigen Impulsfolge, .
f) Vergleichen der Durchschnittsspannung mit einer vorbestimmten Referenzspannung,
g) Erzeugen eines Rückkopplungssteuersignals, das proportional zu dem Unterschied zwischen der Durchschnittsspannung und der Referenzspannung ist.
h) Steuern der steuerbaren Impulsbreite der rechteckigen Impulsfolge durch das Rückkopplungssteuersignal.

14. Verfahren zur Teilung der Frequenz und zum Steuern des Tastverhältnisses eines unvorhersagbaren Eingangstaktsignals mit einer Frequenz f, umfassend die Schritte:

a) Teilen der Frequenz f des Eingangstaktsignals durch N, wobei N eine Zahl gleich oder größer 1 ist,
b) Erfassen einer Übergangsflanke pro Zyklus des f/N Taktsignals,
c) Ausgabe eines monostabilen Impulses, der jeder erfaßten Übergangsflanke entspricht,
d) Erzeugen einer rechteckigen f/N Impulsfolge aus den monostabilen Impulsen, wobei die rechteckige f/N Impulsfolge eine steuerbare Impulsbreite aufweist,
e) Invertieren der rechteckigen f/N Impulsfolge,
f) Ableiten der Durchschnittsspannung von der invertieren rechteckigen f/N Impulsfolge,
g) Vergleichen der Durchschnittsspannung mit einer vorbestimmten Referenzspannung,
h) Erzeugen eines Rückkopplungssteuersignals, das proportional zu dem Unterschied zwischen der Durchschnittsspannung und der Referenzspannung ist.
i) Steuern der steuerbaren Impulsbreite der rechteckigen f/N Impulsfolge durch das Rückkopplungssteuersignal.