DE60305697T2 - Pll-schaltung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine PLL-Schaltung.
  • PLL-Schaltungen sind als Grundbausteine zum Beispiel zur Abstimmung in Empfängern gut bekannt. Die Bestandteile einer PLL-Schaltung sind oft auf einem gleichen Chip integriert, wobei der genannte Chip eine Fläche hat.
  • In der US-amerikanischen Patentschrift US-A-6.054.903 wird eine derartige, in einem integrierten Chip hergestellte PLL-Schaltung beschrieben, wobei die PLL-Schaltung einen spannungsgesteuerten Oszillator (engl. voltage controlled oscillator, VCO) mit ersten und zweiten Frequenzsteuereingängen und einem VCO-Ausgang enthält. Der erste Frequenzsteuereingang ist mit einem Filterknotenpunkt verbunden. Mit dem Filterknotenpunkt ist ein Off-Chip-Filtereingang verbunden, um eine Verbindung zu einem Off-Chip-Schleifenfilter herzustellen. Zwischen den ersten Frequenzsteuereingang und den zweiten Frequenzsteuereingang ist ein On-Chip-Schleifenfilter mit einer veränderbaren Zeitkonstante geschaltet. Mit dem On-Chip-Schleifenfilter ist eine Zeitkonstanten-Steuerschaltung verbunden, um die veränderbare Zeitkonstante zu steuern. Es ist anzumerken, dass die PLL-Schaltung einen relativ komplizierten Steuermechanismus für den VCO hat, wobei der genannte Steuermechanismus eine Schleife zur Steuerung einer Zeitkonstante des On-Chip-Filters umfasst. Die Steuerschleife und der On-Chip-Filter vergrößern die Chipfläche. Eine brauchbare Obergrenze für die Werte der integrierten Kondensatoren ergibt einen relativ großen Rauschbeitrag des Schleifenfilters. Die spektrale Reinheit des durch den VCO erzeugten Signals wird außerdem durch einen Leckstrom in den abstimmbaren Bauelementen des VCO beeinträchtigt.
  • In der US-amerikanischen Patentschrift US-A-5.659.588 wird eine PLL-Schaltung mit einem Phasen/Frequenz-Detektor, einer Ladungspumpe, einem spannungsgesteuerten Oszillator und einem Frequenzteiler beschrieben, die miteinander verbunden sind, um eine Rückkopplungsschleife zu bilden, wobei die Rückkopplungsschleife einen Filterknotenpunkt zwischen der Ladungspumpe und dem spannungsgesteuerten Oszillator aufweist, um eine Verbindung zu einem Off-Chip-Schleifenfiter herzustellen. Mit dem Filter knotenpunkt ist ein erstes Bauelement zum Schutz gegen elektrostatische Entladung (engl. electrostatic discharge, ESD) verbunden, das einen Leckpfad aufweist, durch den ein Leckstrom fließt. Mit dem Filterknotenpunkt ist eine Filterleckstromaufhebungsschaltung verbunden, die ein zweites Bauelement zum Schutz gegen elektrostatische Entladung enthält, welches einen Referenzstrom erzeugt, der dem Leckstrom entspricht. Die Filterleckaufhebungsschaltung führt dem Filterknotenpunkt einen Referenzstrom zu, so dass der Referenzstrom dem Leckstrom entgegengesetzt ist und diesen aushebt.
  • In dem Dokument EP-A-1.237.283, älteres Recht gemäß Art. 54(3,4) EPC für die meisten der benannten Vertragsstaaten, beschreibt eine Schaltungskonfiguration zur Kompensation von Leckströmen in einem spannungsgesteuerten Oszillator einer PLL-Schaltung. Mittels eines Schleifenfilters wird dem Oszillator eine Steuerspannung zugeführt, die durch einen Phasendetektor als Funktion einer Phasendifferenz zwischen der Phase eines Referenzsignals und einer Phase des von dem spannungsgesteuerten Oszillator ausgegebenen Signals erzeugt wird. Dieser Oszillator enthält Kapazitätsdioden als Schaltungselemente zum Beeinflussen der Frequenz, denen die Steuerspannung über eine Steuerleitung zugeführt wird. Eine Kompensationsschaltung ist mit Kapazitätsdioden in der gleichen Konfiguration ausgestattet wie diejenigen im Oszillator, und es ist ein im Spannungsfolgermodus geschalteter Operationsverstärker mit einem Differenzausgang vorgesehen, der einen mit der Steuerleitung verbundenen Eingang hat. Er reproduziert an einem seiner Ausgänge die Steuerspannung, die den Kapazitätsdioden in der Kompensationsschaltung zugeführt wird. An seinem anderen Ausgang liefert er einen Strom, der dem Leckstrom der Kapazitätsdioden in der Kompensationsschaltung entspricht.
  • Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, die Chipfläche zu reduzieren, um eine preisgünstigere PLL-Schaltung und ein Ausgangssignal mit hoher spektraler Reinheit zu erhalten.
  • Die Erfindung ist durch den unabhängigen Anspruch definiert. Abhängige Ansprüche definieren vorteilhafte Ausführungsformen.
  • Unter dem Einfluss des Lecksignals hängt die spektrale Reinheit der VCO-Ausgangsfrequenz, d.h. der Oberwellenanteil der Ausgangsfrequenz, von Faktoren wie Temperaturschwankungen und Prozessstreuung ab. Es ist daher wünschenswert, diese Abhängigkeit zu reduzieren. Diese Aufgabe könnte gelöst werden, indem man die Leckkompensationsschaltung verwendet, die ein Leckkompensationssignal erzeugt, welches eine Schätzung eines Leckstroms in den abstimmbaren Elementen des VCO darstellt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die PLL-Schaltung weiterhin einen Addierer, um das Leckkompensationssignal zu einem zweiten, durch den Schleifenfilter erzeugten Ausgangssignal zu addieren, wobei der genannte Addierer ein zweites Steuersignal für den spannungsgesteuerten Oszillator erzeugt. Der VCO wird normalerweise durch eine in dem Schleifenfilter erzeugte Steuerspannung gesteuert, indem ein Strom von einer Ladungspumpe in einem Kondensator integriert wird, der Teil des Schleifenfilters ist. Um die durch Temperaturschwankungen und Prozessstreuung induzierten Einflüsse zu reduzieren und wenn möglich aufzuheben, wird das Leckkompensationssignal zu dem zweiten Ausgangssignal des Schleifenfilters addiert. Der Addierer könnte ein Spannungsaddierer, ein Stromaddierer, ein Ladungsaddierer oder eine Kombination hiervon sein. Es ist zu beachten, dass im Fall eines Stromaddierers der Addierer ein einfacher Schaltungsknotenpunkt ist.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Schleifenfilter ein Duoschaltungs-RC-Filter dritter Ordnung. Wenn die PLL-Schaltung nicht verriegelt ist, erzeugt die mit dem Filter verbundene Ladungspumpe ein periodisches, impulsartiges Stromsignal mit einer Wiederholfrequenz, die einer Vergleichsfrequenz entspricht. Wenn die PLL-Schaltung verriegelt ist, wird ein von der Ladungspumpe gelieferter Mittelwertstrom im Wesentlichen null. Wenn jedoch die abstimmbaren Bauelemente einen Strom vom Schleifenfilter ziehen, verändert sich die Frequenz des VCO und die PLL-Schaltung reagiert, indem sie einen Strom pumpt, um einen durch Leckage verursachten Ladungsverlust zu kompensieren. Als Folge des periodischen Ladens und Entladens von Strömen wird die Größe der VCO-Steuerspannung mit der Vergleichsfrequenz moduliert. Der Schleifenfilter muss das Ladungspumpensignal mit der Wiederholfrequenz und höhere Oberwellen abschwächen, um ein stabiles Signal zur Steuerung des VCO zu erhalten. Die Abschwächung der hochfrequenten Siganle mit im Wesentlichen der Vergleichsfrequenz wird durch die Pol-/Nullstelle der komplexen Übertragungsfunktion des Schleifenfilters bestimmt. Je höher die Ordnung ist, desto größer ist die Abschwächung. Je höher die Ordnung ist, desto schwieriger ist es, die PLL-Schleifenstabilität aufrechtzuerhalten. Ein Filter dritter Ordnung stellt einen brauchbaren Kompromiss zwischen Abschwächung, Kosten und PLL-Schleifenstabilität dar.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der VCO eine Vielzahl von spannungsgesteuerten Oszillatoren, wobei jeder der spannungsgesteuerten Oszillatoren einen LC-Schwingkreis enthält, von denen jeder eine Spule umfasst, die parallel zu einem ersten Paar steuerbarer Kondensatoren und zu einem zweiten Paar steuerbarer Kondensatoren geschaltet ist, wobei die genannten Paare der steuerbaren Kondensatoren durch das erste Steuersignal bzw. das zweite Steuersignal gesteuert werden. Eine mögliche Implementierung des VCO würde ein Paar von kreuzweise gekoppelten Transistoren umfassen, wobei die genannten Transistoren außerdem mit einem LC-Schwingkreis verbunden sind. Der VCO umfasst daher eine Vielzahl von VCOs, wobei jeder der VCOs einen LC-Schwingkreis und ein Paar kreuzweise gekoppelter Transistoren umfasst. Der LC-Schwingkreis umfasst gesteuerte Kondensatoren, bei denen es sich um Kapazitätsdioden handeln könnte, wobei die genannten Kapazitätsdioden in Paaren verbunden sind. Jede Kapazitätsdiode hat eine Anode und eine Kathode, wobei eine Steuerspannung über einen Widerstand zugeführt wird, so dass die Diode in Sperrrichtung betrieben wird. Das erste Steuersignal und das zweite Steuersignal werden dem ersten Paar der steuerbaren Kondensatoren bzw. dem zweiten Paar der steuerbaren Kondensatoren zugeführt.
  • Das erste Paar der steuerbaren Kondensatoren und das zweite Paar der steuerbaren Kondensatoren sind Kapazitätsdioden, wobei die genannten Kapazitätsdioden eine maximale Kapazität haben, die mit einer ersten bzw. einer zweiten Fläche zusammenhängt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Leckkompensationssignal durch einen Stromgenerator erzeugt, der ein drittes Paar von steuerbaren Kondensatoren mit einer Fläche umfasst, die im Wesentlichen proportional zu einer Summe der ersten Fläche und der zweiten Fläche ist. Das dritte Paar von steuerbaren Kondensatoren weist im Wesentlichen das gleiche Verhalten auf wie das erste und das zweite Paar der in Schwingkreisen verwendeten steuerbaren Kondensatoren. Aus diesem Grunde erzeugt der Stromgenerator ein Leckkompensationssignal, das in gleicher Weise von der Prozessstreuung und Temperaturschwankung abhängt wie die Leckströme in den steuerbaren Kondensatoren, die in den LC-Schwingkreisen eingesetzt werden. Das Leckkompensationssignal könnte daher verwendet werden, um den Leckstrom zu kompensieren, der die durch den VCO erzeugte Frequenz beeinflusst.
  • Die obigen und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße PLL-Schaltung;
  • 2 einen durch die PLL-Schaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendeten Schleifenfilter;
  • 3 eine Leckkompensationsschaltung, die mit einer Vielzahl von Schwingkreisen verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • In 1 ist eine erfindungsgemäße PLL-Schaltung dargestellt. Die PLL-Schaltung 1 umfasst eine Reihenschaltung aus einer Ladungspumpe 10, einem Schleifenfilter 20 und einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 30 zum Steuern einer Ausgangsfrequenz f, die durch den spannungsgesteuerten Oszillator 30 erzeugt wird. Der VCO 30 wird durch ein erstes Steuersignal Vt1, das durch den Schleifenfilter 20 erzeugt wird, und ein zweites Steuersignal Vt2 gesteuert. Die PLL-Schaltung 1 umfasst weiterhin eine Leckkompensationsschaltung 40 zum Erzeugen eines Leckkompensationssignals IL, das einen Leckstrom in den abstimmbaren Bauelementen des spannungsgesteuerten Oszillators angibt. In der modernen Technologie sind die Ladungspumpe 10 und mindestens der VCO 30 auf dem gleichen Chip integriert. Der VCO 30 umfasst abstimmbare Elemente wie veränderbare Kondensatoren, veränderbare Spulen, veränderbare Widerstände zum Erzeugen der Oszillationsfrequenz f, wobei die abstimmbaren Elemente ebenfalls auf dem gleichen Chip integriert sind. Die abstimmbaren Elemente werden durch die Steuersignale gesteuert, bei denen es sich um Gleichstromsignale handelt und die von elektrischer Beschaffenheit, zum Beispiel Spannungen, Ströme, Ladungen, oder nicht-elektrische Signale wie optische Signale sein können.
  • Der Schleifenfilter (LPF) 20 erzeugt ein erstes Ausgangssignal Vt1, das identisch mit dem ersten Steuersignal Vt1 ist, das dem VCO zugeführt wird, und ein zweites Ausgangssignal Vc. Die Ausgangssignale hängen von einer Größe des Ladungspumpenausgangssignals ICP ab, wobei das genannte Ladungspumpenausgangssignal von der Ausgangsfrequenz f und Phase des VCO 30 abhängt.
  • Die Leckkompensationsschaltung 40 wurde konzipiert, um ein Leckkompensationssignal IL zu erzeugen, das auf eine Modifikation der spektralen Reinheit des VCO hinweist, wobei die Modifikation von Schwankungen im technologischen Prozess und von Temperaturschwankungen abhängt. Um eine angemessene Schätzung für die Leckkompensation zu erhalten, ist die Leckkompensationsschaltung 40 auf dem gleichen Chip mit dem VCO 30 integriert. Das Leckkompensationssignal IL wird in einem Addierer 50 zu dem zweiten Signal Vc addiert, wobei der Addierer das zweite Steuersignal Vt2 erzeugt. Das zweite Steuersignal Vt2 weist darauf hin, dass sowohl das Ladungspumpenausgangssignal ICP als auch das Leckkompensationssignal IL eine bessere spektrale Reinheit des VCO-Signals 30 bestimmen.
  • 2 zeigt einen durch die PLL-Schaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung benutzten Schleifenfilter (LPF) 20. Der LPF 20 umfasst nur Widerstände R1, R2 und R3 und Kondensatoren Cp1, Cp2, Cp3. Vorzugsweise ist der LPF 20 ein Off-Chip-Filter, d.h. er ist nicht auf dem gleichen Chip mit dem VOC 30, der Ladungspumpe 10 und der Leckkompensationsschaltung 40 integriert. Die Verwendung eines Off-Chip-Filters hat den Vorteil einer erhöhten Flexibilität bei Anwendungen, weil eine Übertragungskennlinie, d.h. die Pole und die Nullen der Schleifenfilterübertragungsfunktion, einfacher modifiziert werden könnten, indem der Widerstand und/oder die Kondensatoren ersetzt werden. Die Pole und die Nullen des LPF 20 werden durch Produkte von Widerständen und Kondensatoren des Filters bestimmt, so dass eine Änderung der Widerstands- und/oder Kondensatorwerte eine Änderung der Position der Pol- und Nullstellen der Übertragungsfunktion des LPF 20 bestimmt. Das erste Steuersignal Vt1 und das zweite Signal Vc sind Spannungen an einem dritten Kondensator Cp3 und einem zweiten Kondensator Cp2. Die Kondensatoren sind mit Masse verbunden, d.h. sie sind mit einem gemeinsamen Referenzpotential verbunden, das zu dem Referenzanschluss der steuerbaren Abstimmelemente gehört. Durch Filterung in Bezug auf diesen Referenzanschluss wird der Einfluss eventueller Verunreinigungen auf der Steuerspannung einen minimalen Einfluss auf die VCO-Frequenz haben. Der LPF 20 mit dem in 2 dargestellten Aufbau hat den Vorteil, dass relativ rauscharme Steuersignale erzeugt werden. Daher erhält man eine hohe spektrale Reinheit des von dem VCO 20 erzeugten Signals.
  • 3 zeigt die Leckkompensationsschaltung 40 verbunden mit einer Vielzahl von Schwingkreisen TC1, TC2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der VCO 30 umfasst die Vielzahl von LC-Schwingkreisen TC1, TC2, die jeweils eine Spule L1, L1' umfassen, die parallel zu einem ersten Paar steuerbarer Kondensatoren C1, C1' und einem zweiten Paar steuerbarer Kondensatoren C2, C2' geschaltet sind. Die Paare steuerbarer Kondensatoren werden durch das erste Steuersignal Vt1 bzw. das zweite Steuersignal Vt2 gesteuert. Das erste Paar von steuerbaren Kondensatoren C1, C1' und das zweite Paar von steuerbaren Kondensatoren C2, C2' sind Kapazitätsdioden mit einer ersten Fläche A1 bzw. einer zweiten Fläche A2. Veranschaulichend ist die erste Fläche das 3-fache einer Referenzfläche x, d.h. 3x, und die zweite Fläche ist 8x. Eine Abstimmkennlinie der LC-Schwingkreise TC1, TC2 hängt von diesen Flächen ab. Je nach Schwankungen im Herstellungsprozess für die integrierte Schaltung und Temperaturschwankungen fließt ein Leck strom durch die Kapazitätsdioden C1, C1', C2, C2', wobei der genannte Leckstrom die spektrale Reinheit der durch die Schwingkreise TC1 bzw. TC2 erzeugten Frequenz beeinträchtigt. Um den Leckstrom zu kompensieren, ist daher eine Leckkompensationsschaltung 40 vorgesehen, die ein Leckkompensationssignal IL erzeugt. Das Leckkompensationssignal IL ist ein Strom, der durch einen Stromgenerator erzeugt wird, welcher ein drittes Paar von steuerbaren Kondensatoren (C3) mit einer Fläche umfasst, die im Wesentlichen gleich einer Summe der ersten Fläche A1 und der zweiten Fläche A2 ist, z.B. 11x. Das dritte Paar von steuerbaren Kondensatoren ist vom gleichen Typ wie die steuerbaren Kondensatoren in den Schwingkreisen TC1 und TC2, d.h. Kapazitätsdioden C3. Die Kapazitätsdioden C3 haben eine Fläche, die einer Summe der ersten Fläche und der zweiten Fläche entspricht, d.h. 11x. Dieses Merkmal bestimmt, dass ein Leckstrom der Kapazitätsdioden C3 im Wesentlichen proportional zu einem Leckstrom der Kapazitätsdioden C1, C2 bzw. C1', C2' ist. Das dritte Paar von Kapazitätsdioden C3 ist mit einem Stromgenerator verbunden, der einen ersten Transistor T1 und einen zweiten Transistor T2 umfasst, welche als Diode geschaltet sind. Das zweite Steuersignal IL wird durch den ersten Transistor T1 erzeugt, wobei der genannte Strom im Wesentlichen proportional zu dem Leckstrom der Kapazitätsdioden C3 ist. Es ist anzumerken, dass in einer Anwendung mit mehr Schwingkreisen, z.B. Transceiver, Tuner, das zweite Steuersignal IL alle Leckströme in den Schwingkreisen kompensieren muss. Beachtet man, dass ein Leckstrom eines Schwingkreises ILi ist, wobei i = 1 ... N, so ist IL im Wesentlichen gleich einer Summe von ILi für I = 1 ... N.
  • Es ist zu beachten, dass das durch die Leckkompensationsschaltung erzeugte Rauschen durch den Kondensator Cp2 reduziert wird, wobei der genannte Kondensator direkt mit dem Referenzanschluss verbunden ist.
  • Es ist weiterhin zu beachten, dass der Addierer 50 in 3 ein einfacher Knotenpunkt der Schaltung ist, jedoch schließt dies nicht die Verwendung anderer Arten von Addierern aus, zum Beispiel von Spannungsaddierern, optischen Addierern.
  • Es ist anzumerken, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Auch ist der Schutzumfang der Erfindung nicht durch die Bezugszeichen in den Ansprüchen beschränkt. Die Verwendung des Wortes "umfassen" (Englisch: "comprising") schließt das Vorhandensein von anderen als in den Ansprüchen erwähnten Elementen nicht aus. Die Verwendung des Wortes "ein" oder "eine" (Englisch: "a" or "an") vor einem Element schließt das Vorhandensein einer Vielzahl (mehrerer) derartiger Elemente nicht aus. Mittel, die einen Teil der Erfindung bilden, können sowohl in Form von spezieller Hardware oder in Form eines programmierten Zweckprozessors implementiert sein.
  • 1
    • cp
    Ladungspumpe
    LPF
    Schleifenfilter
    Leakage generator
    Leckkompensationsschaltung
    VCO
    spannungsgesteuerter Oszillator

Claims (6)

  1. PLL-Schaltung (1) mit einer Reihenschaltung aus einer Ladungspumpe (10), einem Schleifenfilter (20) und einem spannungsgesteuerten Oszillator (30), die eine Ausgangsfrequenz (f) erzeugt, wobei der genannte spannungsgesteuerte Oszillator (30) erste abstimmbare Bauelemente (C1, C1') umfasst, welche durch ein von dem Schleifenfilter (20) erzeugtes erstes Steuersignal (Vt1) gesteuert werden, wobei die PLL-Schaltung (1) weiterhin eine Leckkompensationsschaltung (40) umfasst, um ein Leckkompensationssignal (IL) zu erzeugen, dass einen Leckstrom in den abstimmbaren Bauelementen des spannungsgesteuerten Oszillators (30) angibt, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (30) weiterhin zweite abstimmbare Bauelemente (C2, C2') enthält, die von einem zweiten Steuersignal (Vt2) gesteuert werden, das von einem zweiten Ausgangssignal (Vc) abhängt, welches durch den Schleifenfilter (20) und das genannte Leckkompensationssignal (IL) erzeugt wird.
  2. PLL-Schaltung (1) nach Anspruch 1, wobei das zweite Steuersignal (Vt2) durch einen Addierer (50) zum Addieren des Leckkompensationssignals (IL) zu dem zweiten, von dem Schleifenfilter (20) erzeugten Ausgangssignal (Vc) erzeugt wird.
  3. PLL-Schaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schleifenfilter (20) ein Duoschaltungs-RC-Filter dritter Ordnung ist.
  4. PLL-Schaltung (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (30) eine Vielzahl von spannungsgesteuerten Oszillatoren, wobei jeder der spannungsgesteuerten Oszillatoren einen LC-Schwingkreis (TC1, TC2) enthält, von denen jeder eine Spule (L1, L1') umfasst, die parallel zu einem ersten Paar steuerbarer Kondensatoren (C1, C1') und zu einem zweiten Paar steuerbarer Kondensatoren (C2, C2') geschaltet ist, wobei die genannten Paare der steuerbaren Kondensatoren durch das erste Steuersignal (Vt1) bzw. das zweite Steuersignal (Vt2) gesteuert werden.
  5. PLL-Schaltung (1) nach Anspruch 4, wobei das erste Paar von steuerbaren Kondensatoren (C1, C1') und das zweite Paar von steuerbaren Kondensatoren (C2, C2') Kapazitätsdioden mit einer ersten Fläche (A1) bzw. einer zweiten Fläche (A2) sind.
  6. PLL-Schaltung nach Anspruch 5, wobei das Leckkompensationssignal (IL) durch einen Stromgenerator erzeugt wird, welcher ein drittes Paar von steuerbaren Kondensatoren (C3) mit einer Fläche umfasst, die im Wesentlichen proportional zu einer Summe der ersten Fläche (A1) und der zweiten Fläche (A2) ist.
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