DE3246291A1

DE3246291A1 - Pll-schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE3246291A1
Application number: DE19823246291
Authority: DE
Inventors: Ernst Ludwig 8000 München Lingstaedt
Original assignee: SGS ATES Deutschland Halbleiter Bauelement GmbH
Current assignee: SGS ATES Deutschland Halbleiter Bauelement GmbH
Priority date: 1982-12-14
Filing date: 1982-12-14
Publication date: 1984-06-14
Also published as: US4570131A; JPS59117828A; IT1169377B; IT8349475A0; DE3246291C2; JPH0740666B2

Description

PLL-Schaltungsanordnung

Die Erfindung betrifft eine PLL-(phasensynchronisierte)
Schaltungsanordnung mit einem steuerbaren Oszillator, dessen Frequenz durch die abwechselnde Auf- und Entladung eines Kondensators bestimmt wird, und mit einem Phasenkomparator, diem an einem ersten Eingang das Ausgangssignal des steuerbaren
Oszillators und an einem zweiten Eingang ein Bezugssignal zugeführt wird und von cessen Ausgangssignal das den Oszillator steuernde Signal abgeleitet wird.

Bei PLL-Schaltungen werden in einem geschlossenen Regelkreis die Phasen zweier Signale miteinander synchronisiert. Solche Schaltungen sind herkömmlicherweise in der in Fig. 1 dargestellen Weise aufgebaut. Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) gibt ein Ausgangssignal ab, das einerseits an einem
.Ausgangsanschluß VCO_OUT als Ausgangssignal verfügbar ist und andererseits einem Eingang eines Phasenkomparator PC zugeführt wird. Einem zweiten Eingang PC_1n des Phasenkomparators PC wird ein Bezugssignal zugeführt, mit dessen Frequenz und
Phase der steuerbare Oszillator VCO synchronisiert werden
soll. Dem Ausgang des Phasenkomparators PC ist eine RC-Tiefpaßschaltung nachgeordnet, deren vom Phasenvergleich im
Phasenkomparator PC abhängiges Ausgangssignal dem steuerbaren Oszillator VCO als Steuersignal zugeführt wird.

Da die RC-Tiefpaßschaltung eine große Zeitkonstante aufweisen muß, sind im allgemeinen ein Kondensator C mit großem Kapazitätswert und ein Widerstand R mit großem Widerstandswert

erforderlich. Insbesondere das Erfordernis eines Kondensators C mit großem Kapazitätswert erschwert die Unterbringung der Tiefpaßfilterschaltung in einer monolithisch integrierten Schaltung. Denn für einen solchen Kondensator wäre eine sehr große Halbleiterchipfläche erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine PLL-Schaltungsanordnung verfügbar zu machen, die sich erheblich einfacher integrieren läßt.

Diese Aufgabe wird mit einer PLL-Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kondensator durch eine Stromquellenschaltung mit umschaltbarer Stromstärke aufladbar ist, wobei die Stromstärke der Stromquellenschaltung während des jeweiligen Aufladevorgangs auf einen anderen Wert umschaltbar ist, und daß der Zeitpunkt der Umschaltung der Stromquellenschaltung in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Phasenkomparators veränderbar ist.

Diese PLL-Schaltungsanordnung vermeidet ein Tiefpaßfilter in der Regelschleife, so daß der Kondensator C nicht mehr erforderlich ist. Der zum gesteuerten Oszillator gehörende Kondensator weist einen Kapazitätswert auf, der um ein bis zwei Größenordnungen kleiner ist als der Kondensator des herkömmlichen Tiefpaßfilters. Bei einer Frequenz von 100 kHz des gesteuerten Oszillators weist dessen Kondensator üblicherweise Werte im Bereich' von 10 bis 20 pF auf. Ein solcher Kondensator ist noch unproblematisch in einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung unterbringbar. Der Kondensator des herkömmlichen Tiefpaßfilters weist dagegen einen Kapazitätswert von einigen 100 pF bis einigen nF auf. Ein Kondensator mit einem derartigen Kapazitätswert ist praktisch nicht integrierbar, weil er zuviel Halbleiterfläche der integrierten Schaltung einnehmen würde. ,

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Stromquellenschaltung zwei zueinander parallel geschaltete Stromquellen unterschiedlicher Stromstärke auf, wobei zur Stromquelle mit der größeren Stromstärke ein Schalttransistor in Reihe geschaltet ist, dessen Steueranschluß mit dem Ausgang des Phasenkomparators verbunden ist. Während der Aufladung des Kondensators des gesteuerten Oszillators wird diese Stromquelle mit Hilfe des Schalttransistors abgeschaltet. Über dem Kondensator entsteht dadurch eine periodische Sägezahnspannung, deren Periodendauer von dem Ausgangssignal des Phasenkomparator abhängt.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist der Kondensator zwischen eine Versorgungsspannungsquelle und einen Schaltungsknoten geschaltet, an den der Ausgang der Stromquellenschaltung, der Eingang einer Schwellenschaltung und ein den Kondensator überbrückender zweiter steuerbarer Schalter angeschlossen ist, dessen Steueranschluß mit dem Ausgang der Schwellenwertschaltung verbunden ist. Bei dieser Weiterbildung wird das periodische Sägezahnsignal des steuerbaren Oszillators dadurch erzeugt, daß die Schwellenschaltung dann, wenn die Kondensatorspannung einen bestimmten Schwellenwert erreicht, ein Ausgangssignal abgibt, das den zweiten Schalttransistor einschaltet, wodurch die beiden Elektroden des Kondensators kurzgeschlossen werden und der Kondensator sehr schnell entladen wird.

Bei der am meisten bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen PLL-Schaltungsanordnung ist der Schwellenschaltung ein Inverter nachgeordnet, dessen Ausgangssignal· den zweiten Schalttransistor zur Entladung des Kondensators steuert und außerdem auf eine Impulsformungsschaltung gegeben wird, die an ihrem Ausgang eine Impulsfolge mit einem Tastverhältnis von 50 % abgibt. Dabei wird der Phasenkomparator durch eine EXCLUSIV-ODER-Schaltung gebildet, deren beiden Eingängen die

-Μη

von der Impulsformungsschaltung abgegebene Impulsfolge bzw. das Bezugssignal zugeführt werden und deren Ausgang den die eine Stromquelle schaltenden Schalttransistor steuert.

Die Erfindung, Vorteile der Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden nun anhand einer Ausführungsform näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer herkömmlichen PLL-Schaltungsanordnung mit Tiefpaßfilter in der Regelschleife;

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen PLL-Schaltungsanordnung; und

Fig. 3 Signalformen, die an verschiedenen Stellen der in Fig. 2 gezeigten PLL-Schaltungsanordnung auftreten,

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen PLL-Schaltungsanordnung weist einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO auf, der durch eine gestrichelte Linie umgrenzt ist, und einen Phasenkomparator PC, der durch eine EXCLUSIV-ODER-Schaltung gebildet ist. Der spannungsgesteuerte Oszillator VCO weist als frequenzbestimmendes Element einen Kondensator C1 auf, der zwischen eine erste Versorgungsspannungsquelle V_DD und einen Schaltungsknoten K geschaltet ist. An den Schaltungsknoten ist der gemeinsame Anschluß zweier parallel geschalteter Stromquellen 11 und 12 angeschlossen, die anderen Endes je an eine zweite Versorgungsspannungsquelle V_gs angeschlossen sind. Die Stromquelle 12 liefert einen größeren Strom als die Strom quelle 11. In Reihe zur Stromquelle 12 ist ein Schalttransistor T2 geschaltet. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform

handelt es sich bei diesem Schalttransistor T2 um einen Feldeffekttransistor. Dessen Gateanschluß ist mit dem Ausgang des Phasenkomparator PC verbunden.

Der Kondensator C1 ist durch einen zweiten Schalttransistor T1 überbrückt, der bei der betrachteten Ausführungsform ebenfalls ein Feldeffekttransistor ist. Dieser zweite Schalttransistor T1 ist mit seiner Hauptstrecke parallel zum Kondensator C1 geschaltet, und zwar einen Endes an die erste Versorgungsspannungsquelle V_nn und anderen Endes an den Schaltungsknoten K. An den Schaltungsknoten K ist außerdem der Eingang eines Schwelleninverters INV1 angeschlossen, dem ein Inverter INV2 nachgeschaltet ist. Der Ausgang des Inverters INV2 ist mit dem Gateanschluß des zweiten Schalttransistors T1 verbunden. Das Ausgangssignal des Inverters INV2 wird an einem Schaltungspunkt CP verzweigt und einerseits auf den Gateanschluß des zweiten Schalttransistors T1 und andererseits auf den Eingang einer frequenzmäßig durch zwei teilenden . Frequenzteilerschaltung in Form einer Flip-Flop-Schaltung FF1 gegeben. Der Ausgang Q der Flip-Flop-Schaltung FF1 ist einerseits mit dem Ausgangsanschluß VCO_QUT des spannungsgesteuerten Oszillators VCO und andererseits mit dem einen Eingang der EXCLUSIV-ODER-Schaltung PC verbunden. Deren zweiter Eingang ist mit dem Bezugssignal-Eingangsanschluß PC_ verbunden.

Die Arbeitsweise dieser PLL-Schaltungsanordnung wird nun unter Zuhilfenahme der Fig. 3 erläutert.

Wenn der zuvor entladene Kondensator C1 von der die parallelgeschaltete Stromquellen 11 und 12 enthaltenden Stromquellenschaltung aufgeladen wird, erreicht die Spannung VC1 über dem Kondensator C1 irgendwann einen Schaltschwellenwert, bei dessen Überschreitung der Schaltinverter INV1 ein Ausgangssignal abgibt. Das Ausgangssignal des Schwelleninverters INV1 wird mit dem Inverter INV2 invertiert. Dieses invertierte Signal steuert den Schalttransistor T1 in den leitenden Zustand. Dadurch kommt es zu einer sehr raschen Entladung des

Kondensators C1. Nach der Entladung des Kondensators C1, die zum Umschalten des Schalttransistors T1 in den sperrenden Zustand führt, kann ein neuer Aufladezyklus beginnen. Die am Schaltungspunkt CP auftretenden Impulse stellen das Ausgangssignal des eigentlichen steuerbaren Oszillators dar.

Da für den Phasenvergleich in der EXCLUSIV-ODER-Schaltung PC jedoch eine Impulsfolge mit einem Tastverhältnis von 50 % erwünscht ist, ist der eigentliche steuerbare Oszillator durch die Flip-Flop-Schaltung FF1 erweitert, deren Ausgang eine Impulsfolge mit dem gewünschten Tastverhältnis von 50 % liefert. Am Ausgang Q der Flip-Flop-Schaltung FF1 steht somit ein Impulssignal der in Fig. 3 oben gezeigten Art zur Verfügung, das gleichzeitig das Ausgangssignal des gesteuerten Oszillators und auch der PLL-Schaltungsanordnung bildet.

Über den Eingangsanschluß PC_1n der PLL-Schaltungsanordnung wird das in Fig. 3 an zweiter Stelle dargestellte Impulssignal zugeführt. Das dem Phasenkomparator PC vom gesteuerten Oszillator VCO zugeführte Impulssignal ist gegenüber dem Bezugsimpulssignal phasenverschoben. Aufgrund dieser Phasenverschiebung entsteht am Ausgang der EXCLUSIV-ODER-Schaltung eine Ausgangsimpulsfolge, mittels welcher die Stromquelle 12 periodisch ein- und ausgeschaltet wird. D.h., der von der Stromquelle 12 gelieferte Strom wird in Abhängigkeit vom Ergebnis des Phasenvergleichs moduliert.

Über dem Kondensator C1 entstünde eine reine Sägezahnspannung, wenn die Stromquelle 12 immer eingeschaltet wäre, d.h., der Kondensator C1 immer mit der Stromsumme 11 + . 12 aufgeladen würde. Aufgrund der Modulation von 12 mittels des Ein- und Ausschaltens des Schalttransistors T2 wird der Kondensator C1 jedoch innerhalb eines Sägezahnzyklus nacheinander mit zwei

unterschiedlichen Sägezahnsteigungen aufgeladen. Dadurch kommt es zu einem abgeknickten Sägezahnverlauf, wie er in Fig. 3 unten gezeigt ist. Die erste, steilere Sägezahnsteigung wird durch die Stromsumme 11 + 12 bestimmt, während die zweite, weniger steile Sägezahnsteigung durch den Strom 11 allein bestimmt wird, wenn 12 ausgeschaltet ist. Je länger 12 eingeschaltet bleibt, umso kürzer ist die Zeit, die benötigt wird, um den Kondensator C1 bis auf den Schaltschwellenwert des Schwelleninverters INV1 aufzuladen, und folglich erreicht man eine höhere Ausgangsfrequenz des gesteuerten Oszillators VCO. Das Verhältnis von 12/11 definiert die "Schleifenverstärkung", d.h., den Betrag der Frequenzänderung bei einer gegebenen Änderung des Tastverhältnisses des Phasenkomparator-Ausgangssignals.

In Fig. 3 sind Signalverläufe für zwei unterschiedliche Frequenzen f₁ und fp dargestellt. Bei der zunächst auftretenden Frequenz f.. besteht zwischen dem Bezugssignal· am Eingangsanschluß PC_1n und dem Oszillator-Ausgangssignal am Ausgangsanschluß VCO _UT eine Phasendifferenz von 90 ° . Dies führt zu einem Tastverhältnis des Ausgangssignals PC_QUT des Phasenkomparators PC von 50 %. Bei der Erhöhung auf die Frequenz f„ ändert sich die Phasenbeziehung zwischen dem Bezugssignal und dem Oszillator-Ausgangssignal, und dementsprechend ändert sich das Tastverhältnis am Ausgang des Phasenkomparator PC. In diesem Fall wird der Kondensator C1 bei jedem Aufladezyklus länger mit der Stromsumme 11 + 12 aufgeladen, weswegen der Schaltschwellenwert eher erreicht und eine höhere Frequenz am Oszillatorausgang VCO_QUT abgegeben wird.

In der vorliegenden Beschreibung ist in Anlehnung an herkömmliche PLL-Schaltungsanordnungen von einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO gesprochen worden. Genauer gesagt handelt es sich jedoch um einen "tastverhältnisgesteuerten Oszillator". Denn die Oszillatorfrequenz hängt direkt vom Tastverhältnis des Phasenkomparator-Ausgangssignals ab.

M —

AA

Bei einer bevorzugten Auführungsform werden 11 und 12 mit Hilfe eines externen Widerstandes über einen Stromspiegel eingestellt, um die Mittenfrequenz des gesteuerten Oszillators VCO abzustimmen.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß diese Art von PLL-Schaltungsanordnung nur dann korrekt arbeiten kann, wenn in jeder Taktperiode des gesteuerten Oszillators VCO ein Phasenvergleich durchgeführt wird. Dagegen kann diese PLL-Schaltung dann nicht verwenden werden, wenn nur bei jedem n-tenVCO-Takt-Zyklus (mit η größer 1) ein Phasenvergleich durchgeführt wird, wie es beispielsweise bei einer Frequenzsyntheseschaltung der Fall ist.

Claims

Patentansprüche

1 ./ PLL-Schaltungsanordnung
mit einem steuerbaren Oszillator, dessen Frequenz durch die abwechselnde Auf- und Entladung eines Kondensators bestimmt wird,

und mit einem Phasenkomparator, dem an einem ersten Eingang das Ausgangssignal des steuerbaren Oszillators und an einem zweiten Eingang ein Bezugssignal zugeführt wird und von dessen Ausgangssignal das den Oszillator steuernde Signal abgeleitet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C1) durch eine Stromquellenschaltung (11, 12) mit umschaltbarer Stromstärke aufladbar ist, wobei die Stromstärke der Stromquellenschaltung (11, 12) während des jeweiligen Aufladevorgangs auf einen anderen Wert umschaltbar

POSTSCHECKKONTO: MDNCHEN 501 75 -809 · BANKKONTO: DEUTSCHE BANK A.Q. MÖNCHEN. LEOPOLDSTRASSE 71. KONTO-NR. 60/35794

und daß der Zeitpunkt der Umschaltung der Stromquellenschaltung (11, 12).in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Phasenkomparator (PC) veränderbar ist.
2. PLL-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellenschaltung (11, 12) während des jeweiligen Aufladevorgangs auf einen verminderten Stromwert herabschaltbar ist.
3. PLL-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellenschaltung (11, 12) mehrere parallel geschaltete Stromquellen aufweist, von denen mindestens eine mittels eines ersten steuerbaren Schalters (T2), dessen Steueranschluß mit dem Ausgang des Phasenkomparator (PC) verbunden ist, zu- oder abschaltbar ist.
4. PLL-Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellenschaltung zwei Stromquellen (11, 12) unterschiedlicher Stromstärke aufweist und daß zur Stromquelle (12) mit der größeren Stromstärke ein erster Schalttransistor (T2) in Reihe geschaltet ist, dessen Basis bzw. Gate mit dem Ausgang des Phasenkomparator (PC) verbunden ist.
5. PLL-Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C1) zwischen eine Versorgungsspannungsquelle (V"_DD) und einen Schaltungsknoten (K) geschaltet ist, an den der Ausgang der Stromquellenschaltung (11, I2)_y der Eingang einer Schwellenschaltung (INV1) und ein den Kondensator (C1) überbrückender zweiter steuerbarer Schalter (TI) angeschlossen ist,

und daß der Steueranschluß des zweiten steuerbaren Schalters (T1) mit dem Ausgang der Schwellenschaltung (INV1) verbunden ist.
6. PLL-Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite steuerbare Schalter durch einen zweiten Schalttransistor (T1) gebildet ist, dessen Hauptstrecke parallel zum Kondensator (C1) geschaltet und dessen Gate- bzw. Basisanschluß mit dem Ausgang der Schwellenschaltung (INVC1) verbunden ist.
7. PLL-Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenschaltung durch einen Schwelleninverter (INV1) gebildet ist, dem ein Inverter (INV2) nachgeschaltet ist, an dessen Ausgang einerseits der Steueranschluß des zweiten Schalttransistors (T1) angeschlossen ist und andererseits der Eingang einer Impulsformungsschaltung (FF1), die an ihrem Ausgang eine Impulsfolge mit einem Tastverhältnis von 50 % abgibt, die einerseits das Ausgangssignal des gesteuerten Oszillators bildet und andererseits dem ersten Eingang des Phasenkomparators (PC) zugeführt wird.
8. PLL-Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Impulsformungsschaltung durch eine Frequenzteilerstufe, vorzugsweise in Form eines Flip-Flop (FF1), gebildet ist.
9. PLL-Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenkomparator (PC) durch eine.EXCLUSIV-ODER-Schaltung gebildet ist, deren einer Eingang mit dem Ausgangssignal der Impulsformungsschaltung (F1) und deren anderer Eingang mit dem Bezugssignal beaufschlagt ist und deren Ausgang mit dem Steueranschluß des ersten Schalttransistors (T2) verbunden ist.