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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen Phase Locked Loops und im Besonderen
Stand-by-Verfahren und -Schaltungen für Phase Locked Loops.
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Hintergrund
der Erfindung
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Für Phase
Locked Loops (PLLs) gibt es wichtige Verwendungen in Kommunikationsanwendungen.
Eine derartige Verwendung, ein PLL-Frequenzsynthesizer, erzeugt
ein Ausgangssignal mit einer programmierbaren Frequenz, die bei
der Abstimmung zweier oder mehrerer Kommunikationskanäle verwendet
wird. Ein Referenzoszillator erzeugt ein Referenzsignal, das in
einem Referenzzähler
gezählt wird,
um eine erste Eingabe eines Phasendetektors zur Verfügung zu
stellen. Eine Ausgabe eines Schleifenzählers stellt eine zweite Eingabe
für den
Phasendetektor zur Verfügung.
Der Phasendetektor stellt eine Spannung zur Verfügung, die anzeigt, ob seine Eingaben
eingeregelt sind, d. h. die gleiche Phase und Frequenz aufweisen.
Die Ausgabe des Phasendetektors wird in einem Schleifenfilter, wie
etwa einem Integrator, gefiltert, dessen Ausgabe stellt eine Eingabe
für einen
Spannungssteuerungsoszillator ("VCO
= voltage controller oscillator")
zur Verfügung. Die
Ausgabe des VCO, welche die Ausgabe des PLL-Frequenzsynthesizers
ist, wird dann in dem Schleifenzähler
aufgeteilt. Wenn eine unterschiedliche Ausgangsfrequenz gewünscht wird,
muss der Anwender lediglich den Start-Zählerwert des Referenzzählers oder
des Schleifenzählers ändern und die
Rückkopplungsschleife
des PLL- Frequenzsynthesizers
veranlasst, dass sich die Ausgangsfrequenz schnell einregelt.
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In
vielen Anwendungen weist die Ausgabe des VCO eine relativ hohe Frequenz
in Bezug auf die Referenzfrequenz auf. Beispielsweise kann der VCO so
programmiert sein, dass er ein Signal mit einer Frequenz von 1,2
Gigahertz (GHz) ausgibt. Da diese Frequenz für eine Aufteilung in einem
CMOS-Schaltkreis ("CMOS
= complementary metal-oxide-semiconductor"/Komplementär-Metalloxid-Halbleiterschaltkreis)
zu hoch ist, wird der Schleifenzähler üblicherweise
in zwei Komponenten geteilt: einen Vorteiler und einen nachfolgenden
Zähler,
der auch als der Schleifenzähler
bezeichnet wird. Der Vorteiler kann dann mit bipolaren Schaltkreisen
höherer
Geschwindigkeit hergestellt werden, während der Schleifenzähler in
einem CMOS-Schaltkreis implementiert wird.
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Ein
niedriger Energieverbrauch ist eine Schlüsselüberlegung bei vielen Produkten,
die PLL-Frequenzsynthesizer verwenden. Deshalb bringen diese Produkte
oft den PLL-Frequenzsynthesizer
in einen Stand-by-Modus, um Energie zu sparen. Während des Stand-by-Modus sind
der Vorteiler, die Zähler
und der Phasendetektor deaktiviert, um Energie zu sparen. Die Eingabe
an den VCO bleibt im Wesentlichen konstant, was die Ausgabe des
VCO dazu veranlasst, näherungsweise
die gleiche Frequenz wie vor dem Eintreten des PLL-Frequenzsynthesizers
in das Stand-by beizubehalten. Dies jedoch erzeugt ein Problem für das bestehende
Stand-by. Während
des Stand-by kann die Ausgabe des VCO hinsichtlich der Phase gedriftet
sein, aber nicht hinsichtlich der Frequenz. Zusätzlich sind die Counter, wenn
sie wieder aktiviert werden, nicht synchronisiert und der Phasendetektor wird
einen großen
Fehler detektieren, obwohl dieser Fehler eine Veränderung in
der Phase statt in der Frequenz wiederspiegelt. Aufgrund der fälschlichen
Detektion dieses großen Fehlers ändert der
VCO seine Ausgangsfrequenz, obwohl die gewünschte Frequenz richtig sein
kann. Demzufolge benötigt
die PLL eine unerwünscht
lange Zeit, um sich einzuregeln.
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Zusätzlich weisen
Vorteiler mit integrierten Schaltungen im Allgemeinen keine Rücksetzeingänge auf.
Diese integrierten Schaltungen benötigen niedrige Anschlusszahlen,
um die Kosten zu minimieren. Zusätzlich
würden
sie einen in jede Stufe eingestapelten weiteren Schalttransistor
benötigen,
um eine Rücksetzfunktion
einzubinden, was die Spannungsanforderungen, den Energieverbrauch
und die Größe erhöhen würde. Demzufolge
wird ein PLL-Frequenzsynthesizer benötigt, der sich schnell nach
einem Stand-by einregelt und der sich leicht an verfügbare Vorteiler-Schaltungen
anschließen
lässt.
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Die
US-Patentschrift Nr. 4,841,255 offenbart einen Phasen geregelten
Frequenzsynthesizer, der einen Schleifenfilter von einer Phasenvergleichssektion
trennt, wenn ein intermittierendes Betriebssignal in einen niederwertigen
Zustand wechselt. Wenn das intermittierende Betriebssignal in einen
hochwertigen Zustand zurückkehrt,
wird die Phasenvergleichssektion mit dem Schleifenfilter lediglich
nach drei Referenzzeiträumen
wieder verbunden. Die Druckschrift JP A-1 147 921 offenbart eine PLL, der die
Anzugszeit ("pull-in
time") nach dem
Ende eines Stand-by durch Entkoppeln eines Referenzfrequenzsignals von
dem Eingang eines Referenzteilers nach dem ersten Auftreten eines
Referenzpulses reduziert und das Referenzfrequenzsignal an den Eingang
des Referenzteilers nach dem ersten nachfolgenden Frequenztei lungspuls
wieder koppelt. Diese Veröffentlichung
offenbart eine Stand-by-Steuerschaltung für eine Phase Locked Loop einschließlich D-Flip-Flops und
verschiedener Logikgatter.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Entsprechend
wird gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Wiederherstellung
nach einem Standby in einer Phase Locked Loop, wie in Anspruch 1
beansprucht, zur Verfügung gestellt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Phase Locked Loop, wie in
Anspruch 3 beansprucht, zur Verfügung
gestellt.
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Diese
und andere Eigenschaften und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 veranschaulicht
in Form eines Blockdiagramms einer Phase Locked Loop gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 veranschaulicht
die Stand-by-Steuerschaltung der 1.
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Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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1 veranschaulicht
in Form eines Blockdiagramms eine Phase Locked Loop ("PLL = phase locked
loop") 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die PLL 20 enthält einen Referenzzähler 21,
einen Vorteiler 22, einen Schleifenzähler 23, einen Phasendetektor 24,
einen Schleifenfilter 25, ei nen Spannungs-gesteuerten Oszillator 26 und
eine Stand-by-Steuerschaltung 30.
Der Referenzzähler 21 weist
einen Eingang zum Empfangen eines Referenzsignals auf, das mit "FREF" bezeichnet ist,
von einer Quelle wie etwa einem Kristalloszillator (nicht abgebildet),
einen Steuereingang zum Empfangen eines Signals, das mit "COUNTER ENABLE" bezeichnet ist und
einen Ausgang zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das mit "ΦR" bezeichnet ist. Der Vorteiler 22 weist
einen Eingang zum Empfangen eines Signals auf, das mit "FVCO'" bezeichnet ist, einen Steuereingang
zum Empfangen von COUNTER ENABLE und einen Ausgang. Der Schleifenzähler 23 weist
einen Eingang auf, der mit dem Ausgang des Vorteilers 22 verbunden
ist, einen Steuereingang zum Empfangen von COUNTER ENABLE und einen Ausgang
zum Bereitstellen eines Signals, das mit "ΦV" bezeichnet ist.
Der Phasendetektor 24 weist jeweils einen ersten und einen
zweiten Eingang zum Empfangen der Signale ΦR und ΦV auf, einen Steuereingang
zum Empfangen eines Signals, das mit "PHASE DETECTOR ENABLE" bezeichnet ist und einen
Ausgang zum Bereitstellen eines Signals, das mit "PDOUT" bezeichnet ist.
Der Schleifenfilter 25 weist einen Eingang zum Empfangen
von PDOUT und einen Ausgang auf. Der VCO 26 weist
einen Eingang auf, der mit dem Ausgangsanschluss des Schleifenfilters 25 verbunden
ist und einen Ausgang zum Bereitstellen einer Ausgabe der PLL 20,
der mit "FVCO" bezeichnet
ist, auf. Die Stand-by-Steuerschaltung 30 weist
einen ersten Eingang zum Empfangen des Signals FVCO auf,
einen Steuereingang zum Empfangen eines Signals, das mit "STANDBY" bezeichnet ist und Ausgangsanschlüsse zum
Bereitstellen der Signale FVCO', COUNTER ENABLE,
und PHASE DETECTOR ENABLE.
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Im
Betrieb empfängt
der Referenzzähler 21 FREF von einem Referenzoszillator (nicht abgebildet) und
zählt von
einer vorprogrammierten Zahl rückwärts bis
Null. Wenn er einen Zählerstand
von Null erreicht, pulst der Referenzzähler 21 das Ausgangssignal ΦR für eine Periode
von FREF und wiederholt dann seinen Zählzyklus.
In ähnlicher
Weise zählt
der Vorteiler 22 von einer vorprogrammierten oder festgelegten
Zahl als Reaktion auf das Signal FVCO' rückwärts bis
Null, um seine Ausgabe für
eine gegebene Anzahl von Zyklen von FVCO' zur Verfügung zu
stellen. Die Zeitdauer; während
der der Ausgang des Vorteilers 22 aktiv ist, ist unwichtig,
da der Schleifenzähler 23 auf
einen Niedrig-zu-Hoch-Übergang
zählt.
Der Vorteiler 22 ist in Bipolartechnik ausgeführt und
kann sowohl diskret sein als auch zusammen mit dem CMOS-Referenzzähler 21,
dem Schleifenzähler 23 und
dem Phasendetektor 24 auf einer einzelnen integrierten
Schaltung ausgeführt
sein, die Bipolar-CMOS-Technologie (BICMOS) verwendet. Es sollte
jedoch klar sein, dass der Vorteiler 22 in einer beliebigen
anderen Schaltungstechnologie ausgeführt werden kann, die in der
Lage ist, das Schalten im hohen Hochfrequenzbereich (HF), typischerweise im
Bereich von 1,2 GHz oder darüber
hinaus, bereitzustellen, wie etwa Galliumarsenid. Der Ausgang des Vorteilers 22 steuert
den Eingang des Schleifenzählers 23,
der nachfolgend das Signal ΦV
zur Verfügung
stellt. Demzufolge wird der Ausgang des VCO 26 durch eine
Zahl geteilt, die von den programmierten Zählwerten sowohl des Vorteilers 22 als
auch des Schleifenzählers 23 bestimmt
wird.
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Der
Phasendetektor 24 ist ein Phasendetektor mit drei Zuständen, der
sowohl einen positiven Strompuls zur Verfügung stellt, wenn ΦR ΦV voranläuft, einen
negativen Strom puls zur Verfügung
stellt, wenn ΦV ΦR voranläuft oder
in einem Zustand mit hoher Impedanz verbleibt, wenn ΦR sich in
Phase mit ΦV
befindet. Der Schleifenfilter 25 ist ein konventioneller
Tiefpass-Schleifenfilter, wie etwa ein Integrator, der einen Verlauf
von PDOUT aufrechterhält und eine entsprechende Spannung
dem Eingang des VCO 26 als Reaktion darauf zur Verfügung stellt.
Der VCO 26 stellt seinen Ausgang, FVCO,
bei einer Frequenz zur Verfügung,
die der Spannung am Ausgang des Schleifenfilters 25 proportional
ist.
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Die
Stand-by-Steuerschaltung 30 arbeitet, um die verschiedenen
Komponenten der PLL 20 als Reaktion auf die Aktivierung
und Deaktivierung des Signals STANDBY zu aktivieren und zu deaktivieren. Wenn
das Signal STANDBY aktiviert wird (was anzeigt, dass ein Stand-by-Modus
anfängt),
deaktiviert die Stand-by-Steuerschaltung 30 COUNTER ENABLE
und demzufolge werden der Referenzzähler 21, der Vorteiler 22 und
der Schleifenzähler 23 deaktiviert.
Der Stand-by-Modus reduziert demzufolge signifikant den Energieverbrauch
des CMOS-Referenzzählers 21 und
des CMOS-Schleifenzählers 23,
da der Energieverbrauch von CMOS-Schaltkreisen proportional zur
Schaltgeschwindigkeit ist. Der Vorteiler 22 kann ebenfalls
so gestaltet sein, um mit reduziertem Energieverbrauch während des
Stand-by-Modus zu arbeiten durch Techniken wie etwa das Anordnen von
Schaltern, die durch das Signal STANDBY aktiviert werden, in Reihe
mit Stromquellen, das Unterbrechen der Stromversorgung während des Stand-by-Modus
und Ähnlichem.
Die Stand-by-Steuerschaltung 30 deaktiviert auch das Signal
PHASE DETECTOR ENABLE, was PDOUT in den
Zustand hoher Impedanz bringt und FVCO bei
der Frequenz hält, die
es am Anfang des Stand-by-Zustands hat te. Die Stand-by-Steuerschaltung 30 leitet
das Signal FVCO zu seinem Ausgang, um das
Signal FVCO' zur Verfügung zu stellen.
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Wenn
das Signal STANDBY deaktiviert ist, aktiviert die Stand-by-Steuerschaltung 30 zuerst COUNTER
ENABLE. Nach dem ersten Auftreten von ΦV, leitet die Stand-by-Steuerschaltung 30 FVCO nicht an FVCO', sondern steuert
FVCO' auf
einen konstanten niedrigen Logikwert, so dass der Vorteiler 22 und
der Schleifenzähler 23 nicht
dekrementieren. Dann, nach dem ersten Auftreten von ΦR, aktiviert
die Stand-by-Steuerschaltung 30 PHASE DETECTOR ENABLE und
blendet FVCO' ein. An diesem Punkt sind demzufolge
sowohl der Referenzzähler 21 als
auch der Vorteiler 22 und der Schleifenzähler 23 gesperrt und
unter der Annahme, dass während
des Stand-by keine Frequenzdrift stattgefunden hat, ist die PLL 20 eingeregelt.
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Demzufolge
arbeitet die PLL 20 während
des Stand-by-Zustands
mit einem niedrigen Energieverbrauch. Die PLL 20 kehrt
auch aus dem Stand-by-Zustand ohne ein störendes Unterbrechen der Ausgangsfrequenz
zurück.
Zusätzlich
ist die Stand-by-Steuerschaltung 30 an ein Anschließen an einen
Standard-Vorteiler einer integrierten Schaltung geeignet, der keinen
Rücksetzeingang
aufweist.
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2 veranschaulicht
die Stand-by-Steuerschaltung 30 der 1. Die Stand-by-Steuerschaltung 30 enthält einen
Inverter 31, ein Verzögerungselement 32,
Flip-Flops 33 und 34 vom D-Typ, ein AND-Gatter 35,
ein OR-Gatter 36 und ein AND-Gatter 37. Der Inverter 31 weist
einen Eingangsanschluss zum Empfangen des Signals STANDBY und einen
Ausgangsanschluss zum Bereitstellen des Signals COUNTER ENABLE auf.
Das Verzögerungselement 32 weist
einen Eingangsan schluss zum Empfangen des Signals STANDBY und einen
Ausgangsanschluss auf. Das Flip-Flop 33 weist einen mit "D" bezeichneten Dateneingangsanschluss
auf, der mit einem mit Vss gekennzeichneten
Energieversorgungs-Spannungsanschluss verbunden ist, einen mit "CLK" gekennzeichneten
Takteingangsanschluss zum Empfangen des Signals FV, einen mit "SET" gekennzeichneten
Einstellungseingangsanschluss, der mit dem Ausgangsanschluss des
Verzögerungselements 32 verbunden
ist und einen mit "Q" gekennzeichneten
Wahr-Ausgangsanschluss, auf. VSS ist ein weiter im Negativen liegender
Energieversorgungs-Spannungsanschluss, der mit einem logischen niedrigen
Spannungspegel verknüpft
ist. Das Flip-Flop 34 weist
einen D-Eingangsanschluss auf, der mit einem mit "Vdd" gekennzeichneten
Energieversorgungs-Spannungsanschluss verbunden ist, einen CLK-Eingangsanschluss
zum Empfangen des Signals FR, einen RST-Eingangsanschluss, der mit dem
Q-Ausgangsanschluss des Flip-Flops 33 verbunden ist und
einen Q-Ausgangsanschluss auf. VDD ist ein
mehr negativer Energieversorgungs-Spannungsanschluss, der mit einem
logischen hohen Spannungspegel verknüpft ist. Das AND-Gatter 35 weist
einen ersten Eingangsanschluss auf, der mit dem Ausgangsanschluss
des Inverters 31 verbunden ist, einen zweiten Eingangsanschluss,
der mit dem Q-Ausgangsanschluss des Flip-Flops 34 verbunden ist
und einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen des Signals PHASE
DETECTOR ENABLE auf. Das OR-Gatter 36 weist einen ersten
Eingangsanschluss, der mit dem Q-Ausgangsanschluss des Flip-Flops 34 verbunden
ist, einen zweiten Eingangsanschluss, der mit dem Q-Ausgangsanschluss
des Flip-Flops 33 verbunden ist und einen Ausgangsanschluss
auf. Das AND-Gatter 37 weist einen ersten Eingangsanschluss,
der mit dem Ausgangsanschluss des OR- Gatters 36 verbunden ist, einen
zweiten Eingangsanschluss zum Empfangen des Signals FVCO und
einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen des Signals FVCO' auf.
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Die
Stand-by-Steuerschaltung 30 aktiviert und deaktiviert das
Signal COUNTER ENABLE als Reaktion auf ein Komplement des Signals
STANDBY durch den Betrieb des Inverters 31. Wenn das Signal STANDBY
aktiviert wird (einen Stand-by-Zustand
anzeigend), wird der Q-Ausgang des Flip-Flops 33 auf eine
logische hohe Spannung aktiviert, was den RST-Eingang des Flip-Flops 34 aktiviert.
Das Flip-Flop 34 deaktiviert seinen Q-Ausgang bei einem niedrigen
logischen Wert, was PHASE DETECTOR ENABL bei einem niedrigen logischen
Wert deaktiviert, ohne Berücksichtigung
des Status von COUNTER ENABLE. Da sich der Q-Ausgang des Flip-Flops 33 auf
einem logischen hohen Wert befindet, ist der Ausgang des OR-Gatters 36 auf
einem hohen logischen Wert. Demzufolge wird der Ausgang des AND-Gatters 37 durch
den Zustand von FVCO bestimmt und das Signal
FVCO' wird
eingeblendet ("gated
on").
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Wenn
das Signal STANDBY deaktiviert ist, ist der SET-Eingang des Flip-Flops 33 auf
einem niedrigen logischen Wert inaktiv und die niedrige logische
Spannung des D-Eingangs
des Flip-Flops 33 erscheint an dem Q-Ausgang desselben
nach dem ersten ΦV-Puls
am Ausgang des Schleifenzählers 23.
Wenn dieser Q-Ausgang einen niedrigen logischen Wert bekommt, schaltet
der Ausgang des OR-Gatters 36 auf einen niedrigen logischen
Wert, was FVCO' dazu veranlasst, auf einem niedrigen
logischen Wert zu sein, ohne Berücksichtigung
des Zustands von FVCO und das Signal FVCO' wird
ausgeblendet ("gated
off"). Demzufolge
verbleiben der Vorteiler 22 und der Schleifenzähler 23 am
Anfang ihres Dekre mentierungszyklus. Der RST-Eingang des Flip-Flops 34 wird
ebenfalls auf einem niedrigen logischen Wert inaktiv und die logische
hohe Spannung an dem D-Eingang des Flip-Flops 34 erscheint
an dem Q-Ausgang desselben nach dem ersten ΦR-Puls an dem Ausgang des Referenzzählers 21. Wenn
dieser Q-Ausgang logisch hoch ist, aktiviert das AND-Gatter 35 das
Signal PHASE DETECTOR ENABLE und der Ausgang des OR-Gatters 36 wird auf
einen logisch hohen Wert gesteuert, was den Ausgang des AND-Gatters 37 dazu
veranlasst, als Reaktion auf FVCO zu wechseln
und das Signal FVCO' wird wiederum eingeblendet ("gated on"). An diesem Punkt
sind sowohl der Referenzzähler 21 als
auch der Vorteiler 22/Schleifenzähler 23 am Anfang
ihrer Dekrementierungszyklen synchronisiert. Wenn sich der VCO 26 lediglich
in der Phase, aber nicht in der Frequenz verschoben hat, dann hat
die PLL 20 das Standby verlassen, ohne einen Frequenzfehler
zu verursachen. Zusätzlich
arbeitet die PLL 20 mit einem nicht rücksetzbaren Vorteiler.
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Das
Verzögerungselement 32 eliminiert
zeitliche Probleme in der Stand-by-Steuerschaltung 30 und
muss eine Verzögerung
von mindestens einem Zyklus von FREF aufweisen.
Diese Anforderung kann durch eine Reihe von im Verhältnis stehenden
("ratioed") Invertern, die
so dimensioniert sind, dass sie eine minimale Verzögerung garantieren,
einem Ein-Bit-Zähler, der
mit FREF verbunden ist, oder Ähnlichem
erfüllt
werden.
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Das
AND-Gatter 37 muss in der Lage sein, mit der Geschwindigkeit
von FVCO zu schalten und kann in einer Vielzahl
von Schaltungen ausgeführt sein.
Eine derartige Schaltung ist ein geschalteter Puffer. Eine andere
derartige Schaltung implementiert die Logikfunktion des AND-Gatters 37 als
Teil einer Front-End-Verstärkungsstufe
in den Vorteiler 22. Diese Schaltung enthält ein Widerstands-Vorspannungsnetzwerk
an einem Eingang der Verstärkungsstufe.
Zwei Reihenwiderstände
werden zwischen dem Ausgang des OR-Gatters 36 und VSS eingebunden. Der Zwischenverbindungspunkt
der Widerstände,
der auch FVCO empfängt, wird mit der Basis eines NPN-Bipolartransistors
verbunden, wobei der Kollektor desselben FVCO zur
Verfügung
stellt.
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Während die
Erfindung im Kontext einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde,
sollte es dem Fachmann klar sein, dass die vorliegende Erfindung
auf eine Vielzahl von Weisen verändert werden
kann und viele Ausführungsformen,
anders als die, die im Speziellen dargestellt und oben beschrieben
wurden, annehmen kann. Unterschiedliche Schaltungen, die die Funktion
der Stand-by-Steuerschaltung 30 implementieren, können ebenfalls
verwendet werden. Demgemäß sollen alle
Modifikationen der Erfindung, die innerhalb des Geltungsbereichs
der Erfindung fallen, wie von den angehängten Ansprüchen definiert, abgedeckt werden.