DE4342344C2

DE4342344C2 - Schaltungsanordnung für eine Phasenregelschleife

Info

Publication number: DE4342344C2
Application number: DE19934342344
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Sapotta; Hans-Eberhard Kroebel
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 1993-12-11
Filing date: 1993-12-11
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2013-12-12
Also published as: DE4342344A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Phasenregelschlei fe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Schaltungs anordnung ist aus der EP 0458 269 A1 bekannt.

Phasenregelschleifen (PLLs) werden in der Schaltungstechnik immer häufi ger eingesetzt, da sich hiermit frequenzselektive Vorgänge relativ einfach durchführen lassen. Bei PLLs wird mit Hilfe eines Referenzeingangs, eines Phasenkomparators (Phasendetektor mit Ladungspumpe), eines Schleifenfil ters mit Regelverstärker, eines Oszillators und eines Frequenzteilers eine Ausgangsfrequenz in eine phasenstarre Beziehung zu einer Referenzfre quenz gesetzt und kann dadurch mit einer bestimmten (vorgebbaren) Schrittweite gerastert werden.

Vorzugsweise werden PLLs als integrierte Schaltungen (ICs) ausgeführt; hier bei bereitet jedoch der (üblicherweise als Operationsverstärker ausgebilde te) Schleifenverstärker gewisse Schwierigkeiten, da sich dieser nur mit rela tiv hohem Aufwand an Schaltungstechnik und Bauelementen sowie einem großen Bedarf an Chipfläche integrieren läßt.

Ein Hauptanwendungsgebiet von PLLs sind Rundfunkempfänger, da diese frequenzmäßig auf den jeweiligen Sender bzw. auf die Zwischenfrequenz abgestimmt werden müssen. Dies ist insbesondere bei Radiogeräten mit Sendersuchlauf oder mit RDS ("radio data System": Anzeige der Senderfre quenz, des Sendernamens und automatisches Umschalten auf einen besser zu empfangenden äquivalenten Sender) von Bedeutung; hier muß der Emp fänger exakt auf die unterschiedliche Frequenz des jeweiligen Senders gera stert werden. Hierfür werden PLL-Schaltungen benötigt, die einerseits sehr schnell von einer Senderfrequenz auf eine alternative Senderfrequenz um schalten können (hohe Umschaltgeschwindigkeit) und die andererseits im eingerasteten Zustand ein geringes Phasenrauschen des Oszillators aufwei sen (geringer Störhub).

In der gattungsbildenden Schaltungsanordnung der EP 0458 269 kann der Ladungspumpe zur Variation des Pumpenstroms der Ladungspumpen eine zusätzliche Stromquelle der entsprechenden Polarität parallelgeschaltet werden. Beim Umschaltvorgang auf eine andere Senderfrequenz wird der Pumpenstrom erhöht und dadurch die Umschaltzeit wesentlich verkürzt; ist die Regelschleife eingerastet, wird der Pumpenstrom auf den kleineren Wert zurückgeschaltet. Der Störhub der Schaltungsanordnung wird durch diese Maßnahme allerdings nicht ausreichend verringert.

In den beiden Druckschriften US 5 208 546 und US 4835 610 werden PLL- Schaltungsanordnungen beschrieben, bei denen der Pumpenstrom der La dungspumpe durch zusätzliche Referenzstromquellen (US 5 208 546) bzw. zu sätzliche Steuersignale (US 4 835 610) in Abhängigkeit des Zustands der PLL- Anordnung variiert werden kann; in das Schleifenfilter der PLL-Schaltungsan ordnung wird nicht eingegriffen, d. h. die Komponenten des Schleifenfilters werden durch die zusätzlichen Referenzstromquellen bzw. die zusätzlichen Steuersignale nicht tangiert.

Weiterhin ist aus US 4 115 145 eine PLL-Schaltungsanordnung ohne Ladungs pumpe bekannt, bei der das Schleifenfilter dem Phasendetektor direkt nachgeschaltet ist. Bei dieser PLL-Schaltungsanordnung kann dem Gegen kopplungsnetzwerk des Schleifenfilters mittels zweier zusätzlicher Strom quellen ein zusätzlicher Strom mit umschaltbarer Polarität über ein Um schaltglied oder einen Schalter zugeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und integrierbare Schaltungsanordnung für eine Phasenregelschleife anzugeben, die gleichzei tig einen schnellen Frequenzwechsel ermöglicht, ein geringes Phasenrau schen aufweist und bei der das Schleifenfilter an den Umschaltvorgang beim Frequenzwechsel angepaßt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem Unteran spruch.

Bei der vorgestellten Schaltungsanordnung wird einerseits der Ladungspum penstrom von einer schaltbaren, variablen Referenzstromquelle abgeleitet und kann somit je nach Erfordernis variiert werden; andererseits wird auch der Betriebsstrom durch den Regelverstärker des Schleifenfilters von der gleichen Referenzstromquelle hergeleitet. Durch diese Korrelation kann die ser Betriebsstrom minimiert und somit (neben dem schnellen Frequenz wechsel) ein geringes Phasenrauschen des Oszillators im eingerasteten Zu stand und damit auch ein geringer Störhub erreicht werden; insbesondere kann die PLL-Schaltung - je nach den speziellen Erfordernissen - durch Variation des Gegenkopplungsnetzwerks des Schlei fenfilters hinsichtlich schnellen Schaltverhaltens und geringen Phasenrauschens optimiert werden. Weiterhin ist wegen der Toleranzkompensation im Pumpenstrom und der einfachen Ausführung des Regelverstärkers (bei spielsweise als einstufige Verstärkerschaltung) eine gute Integrierbarkeit mit einem geringen Bedarf an Schaltungsmitteln und Chipfläche gegeben.

Anhand der Fig. 1 bis 3 wird die Schaltungsanordnung der Phasenregelschleife näher beschrieben, wobei in der Fig. 1 ein Blockschaltbild mit den Schaltungskomponen ten, in der Fig. 2 ein Detailschaltbild als Ausfüh rungsbeispiel und in der Fig. 3 ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel dargestellt ist.

Die beispielsweise in einem Rundfunkempfänger einge setzte PLL-Schaltung der Fig. 1 weist einen Phasende tektor 1, eine Referenzstromquelle 2, eine Ladungspumpe 3, ein Schleifenfilter 4 mit der Verstärkerschaltung 41, dem Gegenkopplungsnetzwerk 42, der aktiven Last schaltung 43 und der Laststromquelle 44, sowie einen Oszillator (VCO) 5 auf. Der Phasendetektor 1 steuert die Ladungspumpe 3 über Schaltspannungen an den Ausgän gen V₁ und V₂ "digital" an (liegt die Schaltspannung am Ausgang V₁, fließt der Strom I₁; liegt die Schaltspan nung am Ausgang V₂, fließt der Strom I₂); diese Ströme I₁ (Stromquelle) und I₂ (Stromsenke) der Ladungspumpe 3 werden so geschaltet, daß sich die PLL stets im einge rasteten Zustand befindet. Das Schleifenfilter 4 (bei spielsweise ein Tiefpaßfilter) ist zwischen den Ausgang C_OUT der Ladungspumpe 3 und den Oszillator 5 geschal tet, um Störungen der Ladungspumpe 3 zu unterdrücken und um die Stabilität der PLL-Schaltung zu gewährlei sten. Am Ausgang OUT des Schleifenfilters 4 bzw. Schleifenverstärkers 41 steht die Abstimmspannung für den Oszillator 5 zur Verfügung.

Die Referenzstromquelle 2 steuert über ihren Ausgangs strom I_Ref sowohl die Stromstärke der Ströme I₁, I₂ der Ladungspumpe 3 als auch gleichzeitig die Stromstärke des Betriebsstroms I₄ der Verstärkerschaltung 41 über die Stromstärke I₃ der Laststromquelle 44. Die Refe renzstromquelle 2 kann für diese Ströme entweder konti nuierliche Werte vorgeben oder eine bestimmte Anzahl diskreter Stromwerte mit unterschiedlichen Stromstär ken. Beispielsweise (siehe Fig. 1) werden als Refe renzstrom I_Ref die beiden diskreten Stromwerte I_L (mit kleiner Stromstärke) und I_H (mit großer Stromstärke) vorgegeben; in diesem Falle wird durch den Referenz stromteil 2:

- beim Frequenzwechsel von einer Senderfrequenz zu einer alternativen Senderfrequenz der Quellstrom und der Quellstrom I₂ der Ladungspumpe 3 sowie der Laststrom I₃ der Laststromquelle 44 auf den Stromwert I_H mit großer Stromstärke gesetzt, wo durch ein schneller Frequenzwechsel ermöglicht wird,
- im eingerasteten Zustand der PLL auf den kleineren Stromwert I_L umgeschaltet, wodurch die Stromstärke der Quellströme I₁, I₂ der Ladungspumpe 3 und des Laststroms I₃ der Laststromquelle 44 wesentlich verringert wird; hierdurch kann ein sehr niedriges Phasenrauschen des Oszillators 5 und damit auch ein geringer Störhub der PLL-Schaltung erreicht werden.

Gemäß dem Schaltungsbeispiel in der Fig. 2 sind die Schaltungskomponenten wie folgt ausgeführt:

- Die Referenzstromquelle 2 weist die beiden NMOS- Transistoren T₁ und T₂, den NMOS-Transistor T₃ und die beiden Widerstände R₁ und R₂ auf. Die Basen der beiden PMOS-Transistoren T₁ und T₂ werden mit dem Schaltpotential V₃ und V₄ beaufschlagt: ist das Schaltpotential V₃ = 0, wird der Referenzstrom I_Ref (I_L, I_H) über den Widerstand R₁ erzeugt; ist andererseits das Schaltpotential V₄ = 0, wird der Referenzstrom I_Ref (I_L, I_H) über den Widerstand R₂ erzeugt.
- Die Ladungspumpe 3 besteht aus dem NMOS-Transistor T₄, dessen Betriebsstrom I_Ref über die PMOS-Tran sistoren T₅, T₆ gespiegelt wird, sowie aus dem NMOS-Transistor T₉, der ebenfalls den Referenz strom I_Ref generiert; das Gate des NMOS-Transi stors T₈ bzw. des PMOS-Transistors T₇ wird mit dem Ausgangspotential V₁ bzw. V₂ des Phasendetektors 1 beaufschlagt.
- Die Verstärkerschaltung 41 des Schleifenfilters 4 weist den NMOS-Transistor T₁₀, den bipolaren NPN- Transistor T₁₅ und den Widerstand R₃ auf; der Ein gang der Verstärkerschaltung 41 wird durch die Gate-Elektrode des NMOS-Transistors T₁₀ gebildet, die mit dem Ausgang C_OUT der Ladungspumpe (den beiden Drain-Elektroden der Transistoren T₇ und T₈) verbunden ist. Über das Gegenkopplungsnetzwerk 42, bestehend aus dem Widerstand R₄ und dem Kon densator C wird der Ausgang OUT der Verstärker schaltung 41 (Kollektor des bipolaren Transistors T₁₅) zum Eingang der Verstärkerschaltung 41 (Gate- Elektrode des NMOS-Transistors T₁₀) rückgekoppelt. Die Referenzstromquelle 44 besteht aus dem NMOS- Transistor T₁₁ und bipolaren Transistor T₁₂, des sen Basis mit der digitalen Versorgungsspannung (5 V) verbunden ist und dessen Emitter vom Transi stor T₁₁ mit dem Strom I₃ beaufschlagt wird (Kas kodenschaltung). Die aktive Lastschaltung 43 be steht aus den beiden basisgekoppelten bipolaren NPN-Transistoren T₁₃ und T₁₄; die Emitter der bei den Transistoren T₁₃ und T₁₄ sind mit der analogen Versorgungsspannung (8 V) verbunden.
- Der Oszillator 5 ist als spannungsgesteuerter Os zillator (VCO) ausgebildet; sein Eingang ist mit dem Ausgang OUT des Schleifenfilters 4 verbunden.

Der Betriebsstrom I₄ der Verstärkerschaltung 41 - die ser bestimmt im wesentlichen das Phasenrauschen und da mit den Störhub (Störabstand) der PLL-Schaltung - be rechnet sich unter der Maßgabe I₃ = I_Ref wie folgt:
Fall 1: Mit den Annahmen Schaltspannungen V₃ = 0, V₂ = 0 (Transistor T₇ leitend) und V₃ = 0 (Transistor T₈ nicht-leitend) folgt für die Ströme I₁, I₂: I₁ = I_Ref, I₂ = 0. Der Strom I₁ fließt gegen den ersten Anschluß des Kondensators C im Schleifenfilter 42; in folge elektrischer Influenz fließt ein iden tischer Strom I₅ in den zweiten Anschluß des Kondensators C. Dieser Strom I₅ wird im Kno tenpunkt OUT zum (identischen) Laststrom I₃ addiert und ergibt somit den Strom I₄ = I₃ + I₅ = 2I_Ref.
Fall 2: Mit den Annahmen Schaltspannungen V₃ = 0, V₁ = +5 V, V₂ = +5 V folgt für die Ströme I₁, I₂: I₁ = 0, I₂ = I_Ref Der Strom I₂ fließt vom ersten Anschluß des Kondensators C in die Drain-Elektrode des Transistors T₈; infolge elektrischer Influenz fließt ein identischer Strom I₆ in den zwei ten Anschluß des Kondensators C. Dieser Strom I₆ wird im Knotenpunkt OUT vom (identischen) Laststrom I₃ subtrahiert und ergibt somit den Strom I₄ = I₃ - I₆ = 0.

Unter Betrachtung der beiden angeführten Fälle kann so mit der Betriebsstrom 14 und damit das Phasenrauschen minimiert werden.

In der Fig. 3 ist ein weiteres Schaltungsbeispiel für die PLL-Schaltung ausgeführt. Hinsichtlich dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel

- sind die Transistoren T₁₃, T₁₄ der aktiven Last schaltung 43 als NPN-Transistoren ausgebildet,
- ist der Transistor T₁₅ der Verstärkerschaltung 41 als PNP-Transistor ausgebildet,
- entfällt der Transistor T₁₂ der Referenzstrom quelle 44,
- wird in der Verstärkerschaltung 41 ein Transistor T₁₆ als Kaskode des als Source-Folger geschalteten PMOS-Transistors T₁₀ eingefügt.

Claims

1. Schaltungsanordnung für eine Phasenregelschleife, mit:

a) einem Phasendetektor (1),
b) einer Referenzstromquelle (2) zur Vorgabe eines Referenzstroms (I_Ref) von unterschiedlicher Strom stärke (I_L, I_H),
c) einer Ladungspumpe (3), die mit dem Ausgang des Phasendetektors (1) und dem Ausgang der Referenz stromquelle (2) verbunden ist, und deren Ausgangs ströme (I₁, I₂) durch die Referenzstromquelle (2) variierbar sind,
d) einem von den beiden Ausgangsströmen (I₁, I₂) der Ladungspumpe (3) angesteuerten Schleifenfilter (4),
e) einem mit dem Ausgang (OUT) des Schleifenfilters (4) verbundenen Oszillator (5),

dadurch gekennzeichnet:

f) das Schleifenfilter (4) weist eine Verstärker schaltung (41), ein Gegenkopplungsnetzwerk (42), eine aktive Lastschaltung (43) und eine Laststrom quelle (44) auf,
g) der Eingang der Verstärkerschaltung (41) ist mit dem Ausgang der Ladungspumpe (3) verbunden,
h) die Laststromquelle (44) ist mit der Referenz stromquelle (2) verbunden, so daß der Ausgangs strom (I₃) der Laststromquelle (44) durch die Re ferenzstromquelle (2) in einem festen Verhältnis zu den beiden Ausgangsströmen (I₁, I₂) der La dungspumpe (3) variierbar ist,
i) der Ausgang (OUT) der Verstärkerschaltung (41) ist mit dem Ausgang der von der Laststromquelle (44) angesteuerten aktiven Lastschaltung (43) verbun den, so daß der Betriebsstrom (14) der Verstärker schaltung (41) vom Ausgangsstrom (I₃) der Last stromquelle (44) abhängt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Referenzstromquelle (2) als Referenz strom (I_Ref) zwei diskrete Stromwerte mit unterschied lichen Stromstärken (I_L, I_H) vorgibt, und daß die Um schaltung zwischen diesen Stromwerten abhängig vom Zu stand des Phasenvergleichs erfolgt.