DE69828239T2

DE69828239T2 - Selbstkalibrierender Phasenregelkreis

Info

Publication number: DE69828239T2
Application number: DE69828239T
Authority: DE
Inventors: William B. Macungie Wilson; Un-Ku Allentown Moon
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: EP0910170A2; JP3286604B2; DE69828239D1; JPH11195983A; EP0910170A3; EP0910170B1; US5942949A; US6114920A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Elektronik und insbesondere phasenstarre Schleifen.
Beschreibung der damit zusammenhängenden Technik
Eine phasenstarre Schleife (phase-lock loop; PLL) ist eine Schaltung, die ein periodisches Ausgangssignal erzeugt, das eine konstante Phasenbeziehung bezüglich eines periodischen Eingangssignals hat. PLLs werden weit verbreitet bei vielen Typen von Mess-, Mikroprozessor- und Kommunikationsanwendungen verwendet. Ein Typ einer phasenstarren Schleife ist die Ladungspumpen-PLL, die in Floyd M. Gardner, "Charge-Pump Phase-Lock Loops", IEEE Trans. Commun., Band COM-28, Seiten 1849 bis 1858, Nov. 1980 beschrieben ist.
1 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen phasenstarren Schleife 100 mit Ladungspumpe. Ein Phasen-/Frequenzdetektor (PFD) 102 vergleicht die Phase θ_IN des Eingangssignals F_IN mit der Phase θ_FB des Rückkoppelsignals F_FB und erzeugt ein Fehlersignal: entweder ein Up-Signal U (wenn θ_IN gegenüber θ_FB voreilt) oder ein Down-Signal D (wenn θ_FB gegenüber θ_IN voreilt), wobei die Breite des Fehlersignalimpulses die Größe der Differenz zwischen θ_IN und θ_FB anzeigt.
Eine Ladungspumpe 104 erzeugt einen Ladungsbetrag, der dem Fehlersignal (entweder U oder D) von dem PFD 102 entspricht. Abhängig davon, ob das Fehlersignal ein Up-Signal oder ein Down-Signal war, wird die Ladung entwe der den Kondensatoren in einem Schleifenfilter 106 hinzugefügt oder von diesen subtrahiert. Zum Zwecke dieser Erläuterung hat das Schleifenfilter 106 einen relativ einfachen Aufbau, der aus einem Kondensator C_S besteht, der mit einer Serienkombination eines Widerstands R und eines relativ großen Kondensators C_L parallel geschaltet ist. Als solches arbeitet das Schleifenfilter 106 als ein Integrator, das die Nettoladung von der Ladungspumpe 104 akkumuliert. Andere, anspruchsvollere Schleifenfilter sind natürlich auch möglich. Die resultierende Schleifenfilterspannung V_LF wird an einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 108 angelegt. Ein spannungsgesteuerter Oszillator ist eine Vorrichtung, die ein periodisches Ausgangssignal (F_OSC in 1) erzeugt, dessen Frequenz eine Funktion der VCO-Eingangsspannung (V_LF in 1) ist. Zusätzlich dazu, dass es das Ausgangssignal der PLL 100 ist, wird das VCO-Ausgangssignal F_OSC verwendet, um das Rückkoppelsignal F_FB für die PLL-Schaltung bei geschlossener Schleife zu erzeugen.
Ein optionaler Eingangsteiler und ein optionaler Rückkoppelteiler (110 und 112) werden in den Eingangspfad bzw. den Rückkoppelpfad eingesetzt, falls die Frequenz des Ausgangssignals F_OSC entweder ein Bruchteil oder ein Mehrfaches der Frequenz des Eingangssignals F_IN sein soll. Falls nicht, können sowohl der Eingangsteiler als auch der Rückkoppelteiler derart betrachtet werden, dass sie Faktoren von 1 auf das Eingangssignal bzw. das Rückkoppelsignal anwenden.
Aufgrund der Auswirkung des Rückkoppelpfads in der PLL 100 hat das stetige Ausgangssignal F_OSC eine feste Phasenbeziehung bezüglich des Eingangssignals F_IN. Die Phasen des Eingangssignals und des Ausgangssignals sind bei einem minimalen Versatz miteinander synchronisiert, außer es wird ein gewisser Versatz absichtlich hinzugefügt.
Spannungsgesteuerte Oszillatoren, beispielsweise VCO 108 von 1, sind Vorrichtungen, die häufig für einen weiten Bereich von Anwendungen (z. B. Signalfrequenzen von 40 KHz bis 400 MHz) ausgelegt sind. Derartige VCOs sind häufig mit einer Anzahl von Arbeitskurven (d. h. Eingangsspannung über die Ausgangsfrequenz) ausgelegt, wo der Frequenzbereich einer beliebigen Kurve nur ein Teil des gesamten Betriebsbereichs des VCO ist. 2 zeigt einen hypothetischen Satz von acht Arbeitskurven für einen VCO. Ein spezieller digitaler Steuereingang N wird verwendet, um eine der Arbeitskurven auszuwählen. Das Verfahren zum Auswählen einer VCO-Arbeitskurve wird Abgleichen genannt.
Bei rauscharmen PLL-Anwendungen ist es für den VCO 108 in 1 wichtig, eine relativ niedrige Verstärkung zu haben. Das setzt voraus, dass die Steigung der ausgewählten VCO-Arbeitskurve relativ niedrig sein sollte, beispielsweise jene, die in 2 gezeigt sind. Eine bestimmte PLL-Anwendung kann eine spezielle gewünschte Frequenz oder einen gewünschten Frequenzbereich für den VCO haben. Bei einer Anwendung kann die PLL beispielsweise benötigt werden, um ein nominales 100 MHz-Ausgangssignal zu erzeugen. Um diesen gewünschten PLL-Betrieb zu erreichen, wird der VCO durch Auswählen der Arbeitskurve (z. B. N = 3 in 2) abgeglichen, deren Mittenfrequenz F_CTR nahe an der gewünschten PLL-Nennausgangsfrequenz ist.
Unter idealen Umständen hätten korrespondierende Arbeitskurven (d. h. jene mit dem gleichen digitalen Steuereingangswert) bei allen VCOs des gleichen Aufbaus die gleichen Mittenfrequenzen und die gleichen Steigungen. In diesem Fall könnte für eine bestimmte PLL-Anwendung die gleiche VCO-Arbeitskurve für jedes einzelne PLL-Exemplar ausgewählt werden. In der Realität jedoch variieren die Eigenschaften der Arbeitskurven von VCO zu VCO aufgrund von Schwankungen während der Herstellung der Vorrichtung. Beispielsweise könnten sich die in 2 gezeigten Arbeitskurven nach oben oder nach rechts verschieben und könnten sogar unterschiedliche Steigungen haben. Auch sind sie alle notwendigerweise linear. Folglich kann es für einige Anwendungen notwendig sein, dass die VCOs in unterschiedlichen PLL-Exemplaren mit unterschiedlichen digitalen Steuereingangswerten N abgeglichen werden, um die geeignete VCO-Arbeitskurve für die gewünschte Ausgangsfrequenz auszuwählen.
Üblicherweise wird jeder VCO in der Fabrik getestet, um seinen Satz von Arbeitskurven zu charakterisieren, um vorzubestimmen, welche digitalen Steuereingangswerte für verschiedene gewünschte Ausgangsfrequenzen geeignet sind. Wenn ein bestimmter VCO für eine bestimmte Anwendung ausgewählt wird, beispielsweise für die PLL von 1, wird die geeignete Abgleicheinstellung (d. h. der bestimmte digitale Steuereingangswert N, der der gewünschten Ausgangsfrequenz entspricht) permanent in die Vorrichtung gebrannt (beispielsweise durch Durchbrennen schmelzbarer Verbindungen). Dieses fabrikseitige Testen und fabrikseitig Festverdrahten der VCO addiert sich zu den Herstellkosten des PLL. Es begrenzt auch den Arbeitsfrequenzbereich für jede PLL auf die permanent ausgewählte Arbeitskurve.
EP-A-0 598 260, US 5 257 294 , WO 97 09786 und EP-A-0 442 461 beschreiben je spannungsgesteuerte Oszillatorschaltungen.
Gemäß dieser Erfindung wird eine integrierte Schaltung mit einer phasenstarren Schleife (PLL) mit einer Ladungspumpe gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Das Schleifenfilter kann ein integriertes Schleifenfilter sein, das eine Schleifenfilterspannung basierend auf den PFD-Fehlersignalen erzeugt. Das VCO-Ausgangssignal kann verwendet werden, um das PLL-Rückkoppelsignal zu erzeugen; und während des normalen PLL-Betriebs kann die Schleifenfilterspannung an den Spannungseingang des VCO angelegt werden.
Die PLL kann einen Zustandsautomaten aufweisen; und während der automatischen Abstimmvorgänge der PLL kann der Zustandsautomat eine Sequenz von digitalen Steuereingangswerten an den VCO anlegen, um verschiedene VCO-Arbeitskurven auszuwählen, und der Zustandsautomat kann eine geeig nete Abstimmeinstellung für den VCO für den normalen PLL-Betrieb auswählen.
Die PLL kann einen Zeitgeber aufweisen, der steuert, wie lange der Zustandsautomat jeden der digitalen Steuereingangswerte während der automatischen Abgleichvorgänge der PLL anlegt.
Während der automatischen Abgleichvorgänge der PLL kann der Zustandsautomat ein Spannungssignal, das der Schleifenfilterspannung entspricht, erhalten und verwenden, um die geeignete Abgleicheinstellung auszuwählen.
Die PLL kann eine Schalteranordnung in dem Schleifenfilter aufweisen, die die effektive Kapazität des Schleifenfilters während der automatischen Abgleichvorgänge der PLL reduziert, um die automatischen Abgleichvorgänge der PLL zu beschleunigen.
Die PLL kann einen Inverter aufweisen, der zwischen das Schleifenfilter und den Zustandsautomaten geschaltet ist und der dem Zustandsautomaten ein Spannungssignal bereitstellt.
Die PLL kann einen zweiten PFD, eine zweite Ladungspumpe und einen Kondensator aufweisen, die verwendet werden, um eine Spannung zu erzeugen, die an den Zustandsautomaten während der automatischen Abgleichvorgänge der PLL eingespeist wird. Der zweite PFD kann auch ein reiner Frequenzdetektor sein.
Die PLL kann einen zweiten Phasen-/Frequenzdetektor und einen digitalen Akkumulator aufweisen, wobei der digitale Akkumulator Fehlersignale von dem zweiten Phasen-/Frequenzdetektor detektiert und ein digitales Eingangssignal für den Zustandsautomaten erzeugt. Der zweite PFD kann ein reiner Frequenzdetektor sein.
Der digitale Akkumulator kann einen oberen Grenzwert und einen unteren Grenzwert für die akkumulierten Frequenzfehlersignale von dem zweiten PFD anwenden, um die automatischen Abgleichvorgänge der PLL zu beschleunigen.
Der Zustandsautomat kann entweder einen linearen Suchalgorithmus oder einen binären Suchalgorithmus zum Auswählen der Sequenz von digitalen Steuereingangswerten für den VCO anwenden.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine selbstabgleichende oder selbstkalibrierende phasenstarre Schleife gerichtet, die automatisch eine geeignete VCO-Arbeitskurve auswählt, wenn die PLL eingeschaltet wird. Generell ist die vorliegende Erfindung eine integrierte Schaltung mit einer phasenstarren Schleife, wobei die PLL einen Oszillator mit einer Mehrzahl von Arbeitskurven aufweist. Während der automatischen Abgleichvorgänge wird der Oszillator automatisch auf eine geeignete Oszillator-Arbeitskurve zur Verwendung während eines normalen PLL-Betriebs abgestimmt.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die PLL eine Ladungspumpen-PLL mit einem Phasen-/Frequenz-Detektor (PFD), der Fehlersignale basierend auf einem Vergleich eines Eingangssignals und eines PLL-Rückkoppelsignals erzeugt; einer Ladungspumpe, die Ladungsmengen erzeugt, die den Fehlersignalen entsprechen; einem Schleifenfilter, das die Ladungsmengen akkumuliert, um eine Schleifenfilterspannung zu erzeugen; und einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), wobei das VCO-Ausgangssignal verwendet wird, um das PLL-Rückkoppelsignal zu erzeugen. Während des normalen PLL-Betriebs wird die Schleifenfilterspannung an den Spannungseingang des VCO angelegt. Während der automatischen Abgleichvorgänge der PLL legt ein Zustandsautomat eine Sequenz von digitalen Steuereingangswerten an den VCO an, um verschiedene VCO-Arbeitskurven auszuwählen, bis eine geeignete Arbeitskurve für die vorliegende PLL-Anwendung gefunden ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen verwendet der Zustandsautomat verschiedene Signale, um zu bestimmen, ob die Mittenfrequenz einer jeden Arbeitskurve in der Sequenz über oder unter der gewünschten Nennbetriebsfrequenz für den VCO ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Ladungspumpen-PLLs beschränkt. Solange die PLL einen VCO mit mehreren Arbeitskurven und einen Frequenzdetektor aufweist, kann die PLL automatisch kalibriert werden, um eine VCO-Arbeitskurve durch Öffnen der PLL-Rückkoppelschleife, Anlegen eines Referenzsignals an den VCO-Eingang und Anpassen der digitalen Steuerwerte des VCO auszuwählen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von der folgenden detaillierten Beschreibung, den beigefügten Ansprüchen und den begleitenden Zeichnungen deutlicher ersichtlich, wobei gilt:
1 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen phasenstarren Schleife mit einer Ladungspumpe;
2 zeigt einen hypothetischen Satz von Arbeitskurven für den spannungsgesteuerten Oszillator der phasenstarren Schleife von 1; und
3 bis 5 zeigen Blockdiagramme von phasenstarren Schleifen mit Ladungspumpe gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
3 zeigt ein Blockdiagramm einer phasenstarren Schleife 300 mit einer Ladungspumpe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der PLL 300 entsprechen ein Phasen-/Frequenz-Detektor 302, eine Ladungspumpe 304, ein spannungsgesteuerter Oszillator 308, ein Eingangsteiler 310 und ein Rückkoppelteiler 312 den korrespondierenden Bauteilen der PLL 100 von 1. Ein Schleifenfilter 306 ähnelt dem Schleifenfilter 106 von 1, außer dass ein Schalter SW3 zwischen dem Widerstand R und dem großen Kondensator C_L hinzugefügt wurde. Zusätzlich hat die PLL 300 einen Schalter SW1 und einen Schalter SW2, einen Inverter INV1, einen Zeitgeber 314 und einen Zustandsautomaten 316. Diese Komponenten sind derart ausgelegt, dass sie die PLL 300 in die Lage versetzen, automatisch eine geeignete Abgleicheinstellung auszuwählen, wenn die PLL 300 eingeschaltet wird. Bei einer Ausführungsform ist diese automatische Abgleichphase nach der analogen Rücksetzphase, aber vor der Erfassungsphase einer herkömmlichen Einschaltsequenz einer PLL implementiert.
Während der automatischen Abgleichphase sind die Schalter SW1 und SW3 offen, und der Schalter SW2 ist geschlossen. Folglich wird an den Spannungseingang des VCO 308 die Referenzspannung V_REF angelegt statt der Schleifenfilterspannung V_LF, die stattdessen über einen Inverter/Komparator INV1 an den Eingang des Zustandsautomaten 316 angelegt wird. Die Referenzspannung V_REF ist vorzugsweise das nominale Zentrum des Bereichs von Eingangsspannungen, über den der VCO 308 zum Arbeiten ausgelegt ist.
Während der automatischen Abgleichphase erzeugt der Zustandsautomat 316 eine Sequenz von digitalen Steuereingangswerten N, die in den VCO 308 eingespeist werden, um sequenziell verschiedene VCO-Arbeitskurven auszuwählen. Für jede VCO-Arbeitskurve erzeugt der VCO 308 bei angelegter Referenzspannung V_REF ein Ausgangssignal F_OSC mit konstanter Frequenz. Ist die Schleife am Schalter SW1 geöffnet, steuert die Ladungspumpe 304 schließlich die Schleifenfilterspannung V_LF entweder auf die negative Versorgungsschiene (z. B. Masse) oder die positive Versorgungsschiene (z. B. V_DD) abhängig davon, ob die Frequenz des Rückkoppelsignals F_FB größer oder kleiner ist als die Frequenz des Eingangssignals F_IN, wie es, falls überhaupt, durch den Eingangsteiler 310 eingestellt ist. Die endgültige Schleifenfilterspannung für eine gegebene VCO-Arbeitskurve (z. B. entweder Masse oder V_DD) wird als die Ruheschleifenfilterspannung bezeichnet. Diese Definition findet nur während der automatischen Abgleichhase Anwendung. Während des normalen Betriebs kann dieser Ausdruck eine andere Bedeutung haben.
Jeder digitale Steuereingangswert N in der Sequenz wird für eine Zeitspanne angelegt, die durch den Zeitgeber 314 bestimmt wird. Vorzugsweise wird jede VCO-Arbeitskurve für eine Zeitspanne ausgewählt, die ausreichend lang ist, dass die Schleifenfilterspannung V_LF im Wesentlichen zu der ordnungsgemäßen Ruheschleifenfilterspannung konvergiert. Falls die Frequenz des Rückkoppelsignals F_FB größer ist als die Frequenz des Eingangssignals (die durch den Eingangsteiler 310 eingestellt wird), wird die Schleifenfilterspannung V_LF letzten Endes Masse erreichen. Falls die Frequenz des Rückkoppelsignals F_FB niedriger ist als die Frequenz des eingestellten Eingangssignals, wird ähnlich die Schleifenfilterspannung V_LF letzten Endes V_DD erreichen.
Die gewünschte Frequenz des VCO-Ausgangssignals F_OSC ist die Frequenz des Eingangssignals F_IN (wobei zunächst jegliche Frequenzmultiplikation oder Frequenzdivision ignoriert wird, die sich aus den Teilern 310 oder 312 ergibt). Durch zielgerichtetes Auswählen von digitalen Steuereingangswerten N kann der Zustandsautomat 316 schließlich die zwei VCO-Arbeitskurven bestimmen, die ihre Mittenfrequenzen gerade über und gerade unter der Frequenz des Eingangssignals F_IN haben. Eine dieser zwei Arbeitskurven kann dann zur Verwendung während des normalen PLL-Betriebs verwendet werden. Bei einer Ausführungsform führt der Zustandsautomat 316 einen linearen Suchalgo rithmus aus, bei dem die Werte für das digitale Steuereingangssignal N linear ausgewählt werden, wobei an einem Ende des Bereichs der möglichen Werte (z. B. 0) begonnen wird und in Richtung zu dem anderen Ende des Bereichs fortgefahren wird, bis die Ruheschleifenfilterspannung V_LF von einer Seite (z. B. Masse) zu der anderen (z. B. V_DD) springt. Bei einer alternativen Ausführungsform führt der Zustandsautomat 316 einen binären Suchalgorithmus durch, bei dem jeder neue digitale Steuereingangswert in der Mitte zwischen zwei zuvor ausgewählten Werten ausgewählt wird, die zu entgegengesetzten Ruheschleifen-filterspannungen führten, bis zwei aufeinander folgende digitale Steuerwerte gefunden werden, die zu entgegengesetzten Ruheschleifenfilterspannungen führen.
Durch Öffnen des Schalters SW3 während der automatischen Abstimmphase wird der große Kondensator C_L temporär von dem Schleifenfilterbetrieb entfernt, und die Schleifenfilterspannung V_LF wird mit einer schnelleren Rate, als wenn C_L vorhanden wäre, zu der ordnungsgemäßen Ruhespannung (z. B. entweder Masse oder V_DD) kommen. Dies reduziert effizient die Zeitspanne, über die jeder digitale Steuereingangswert N beibehalten werden muss, um jede der VCO-Arbeitskurven in der Suchsequenz zu testen, wodurch die Gesamtdauer der automatischen Abgleichphase reduziert wird. Zusätzlich kann ein Erhöhen des Wertes des Ladungspumpenstroms während der automatischen Abgleichphase die Konvergenz der Schleifenfilterspannung zu dem ordnungsgemäßen Ruhespannungspegel weiter beschleunigen.
Sobald die automatische Abgleichphase abgeschlossen ist, werden die Schalter SW1 und SW3 geschlossen, und der Schalter SW2 wird geöffnet, um einen normalen PLL-Betrieb zu ermöglichen, der analog zu der PLL 100 von 1 abläuft, wobei in diesem Fall der digitale Steuereingangswert verwendet wird, der der VCO-Arbeitskurve entspricht, die durch den Zustandsautomaten 316 während der automatischen Abgleichphase als die Abgleicheinstellung für den VCO 308 ausgewählt wurde. Der Inverter INV1 hilft, den Zustandsautomaten 316 von der Schleifenfilterspannung V_LF während des normalen PLL-Betriebs zu isolieren.
Bei einer alternativen Implementierung der PLL 300 von 3 ist der PFD 302 durch zwei separate Detektoren implementiert: einen reinen Phasendetektor und einen reinen Frequenzdetektor, wobei jeder davon seine eigene Ladungspumpe hat, die an den Schleifenfilterspannungsknoten gekoppelt ist. Bei dieser Implementierung muss nur der reine Frequenzdetektor während der automatischen Abgleichphase verwendet werden.
4 zeigt ein Blockdiagramm einer phasenstarren Schleife 400 mit einer Ladungspumpe gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der PLL 400 entsprechen ein PFD 402, eine Ladungspumpe 404, ein Schleifenfilter 406, ein VCO 408, ein Eingangsteiler 410 und ein Rückkoppelteiler 412 den korrespondierenden Bauteilen der PLL 100 von 1. Außerdem entsprechen ein Zeitgeber 414 und ein Zustandsautomat 416 dem Zeitgeber 314 und dem Zustandsautomaten 316 der PLL 300 von 3 insofern als der Zeitgeber 414 den zeitlichen Ablauf des Zustandsautomaten 416 steuert, der eine Sequenz von digitalen Steuereingangswerten N an den VCO 408 anlegt, um die beiden nähesten VCO-Arbeitskurven für die gewünschte Anwendung zu bestimmen. Ähnlich arbeiten Schalter SW1 und SW2 der PLL 400 entsprechend den Schaltern SW1 und SW2 der PLL 300, um die Referenzspannung V_REF an den Spannungseingang des VCO 408 während der anfänglichen automatischen Abgleichphase anzulegen und die Schleifenfilterspannung V_LF während des normalen PLL-Betrieb anzulegen.
Die PLL 400 unterscheidet sich von der PLL 300 in einer Reihe von Gesichtspunkten. Zuerst hat die PLL 400 einen separaten PFD, eine separate Ladungspumpe und einen separaten Kondensator zum Erzeugen einer Eingangsspannung für den Zustandsautomaten 416. Insbesondere erzeugt der PFD 418 ein Up-Fehlersignal und ein Down-Fehlersignal (U und D) basierend auf der Pha sen- und Frequenzbeziehung zwischen dem eingestellten Eingangssignal und dem Rückkoppelsignal F_FB. Die Ladungspumpe 420 erzeugt Ladungsmengen basierend auf dem Fehlersignal von dem PFD 418, und ein Kondensator C_S2 akkumuliert die Nettoladung, die die Eingangsspannung für den Zustandsautomaten 416 beeinflusst.
Da die PLL 400 während der automatischen Abgleichphase nicht auf die Schleifenfilterspannung V_LF angewiesen ist, kann die PLL 400 ohne den Schalter SW3 von 3 implementiert werden, da es bei der PLL 400 keinen Vorteil ergibt, während der automatischen Abgleichphase den Kondensator C_L zu entfernen. Zusätzlich kann die PLL 400 ohne den Inverter INV1 implementiert werden, da der Zustandsautomat 416 schon von dem normalen Schleifenfilterspannungspfad isoliert ist. In der Tat ist einer der Beweggründe für den Aufbau der PLL 400, den Inverter INV1 zu vermeiden, der die Schleifenfilterspannung V_LF während des normalen PLL-Betriebs nachteilig beeinflussen kann.
5 zeigt ein Blockdiagramm einer phasenstarren Schleife 500 mit einer Ladungspumpe gemäß noch einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der PLL 500 entsprechen ein PFD 502, eine Ladungspumpe 504, ein Schleifenfilter 506, ein Schalter SW1 und ein Schalter SW2, ein VCO 508, ein Eingangsteiler 510 und ein Rückkoppelteiler 512 den korrespondierenden Bauteilen der PLL 400 von 4.
Bei der digitalen Ausführungsform der PLL 500 ersetzt ein digitaler Akkumulator 522 die Ladungspumpe 420 und den Kondensator C_S2 der PLL 400. Der digitale Akkumulator 522 akkumuliert das digitale Up-Fehlersignal und das digitale Down-Fehlersignal von dem PFD 518 und erzeugt ein digitales Eingangssignal für einen Zustandsautomaten 516. In diesem Sinn ist der digitale Akkumulator 522 das digitale Äquivalent der Ladungspumpe 420 und des Kondensators C_S2 der PLL 400.
Zusätzlich ist die PLL 500 vorzugsweise ohne einen Zeitgeber, beispielsweise den Zeitgeber 414 der PLL 400, implementiert. In diesem Fall basieren der obere Grenzwert und der untere Grenzwert auf dem Wert, der in dem digitalen Akkumulator 522 enthalten ist, so dass die korrekte Frequenzfehlerpolarität bekannt ist, wenn der Akkumulatorwert einen der festen Grenzwerte erreicht. Die Grenzwerte sind vorzugsweise bei derartigen Größen eingestellt, dass jeder Grenzwert nur unter der zugehörigen entsprechenden Bedingung erreicht wird (d. h. die Ausgangsfrequenz ist über eine entsprechende Zeitdauer entweder zu hoch oder zu niedrig). Die Verwendung dieses oberen Grenzwerts und dieses unteren Grenzwerts eliminiert die Notwendigkeit für einen separaten Zeitgeber, und die geeignete Auswahl der Grenzwerte kann die Gesamtdauer der automatischen Abgleichphase weiter reduzieren. Generell sind die Zeitdauer des Zeitgebers, die bei den analogen Implementierungen von 3 und 4 verwendet wird, und die Größen des oberen Grenzwerts und des unteren Grenzwerts, die bei der digitalen Implementierung von 5 verwendet werden, vorzugsweise basierend auf der minimalen Frequenzdifferenz zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal, das die PLL auflösen muss, eingestellt.
Bei möglichen Implementierungen der PLL 400 und der PLL 500 können der zweite Phasen-/Frequenz-Detektor (418 und 518) durch einen reinen Frequenzdetektor ersetzt werden, um dadurch möglicherweise den Aufwand, die Layout-Anforderungen und den Strombedarf für die PLL zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung schafft Vorteile über die PLLs des Stands der Technik. Da der VCO auf die geeignete Arbeitskurve beim Einschalten automatisch abgeglichen wird, ist es nicht notwendig, den VCO in der Fabrik abzugleichen. Noch ist es notwendig einen Bestand an verschiedenen VCOs für verschiedene Anwendungen zu halten, da jeder VCO auf die geeignete Abgleicheinstellung für die spezielle Anwendung automatisch abgeglichen wird. Da der VCO nicht dauerhaft abgeglichen ist, kann die PLL außerdem verwendet werden und dann für unterschiedliche Anwendungen wieder verwendet werden, die bei verschiedenen Nennfrequenzen arbeiten. Jedes Mal, wenn die PLL eingeschaltet wird, wird der VCO auf die gegenwärtig geeignete Abgleicheinstellung abgeglichen. Zusätzlich können die automatischen PLL-Abgleichvorgänge wiederholt werden, wann immer ein geeignetes Rücksetzsignal an die PLL angelegt wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sehr wenige zusätzliche Bauteile einem herkömmlichen Aufbau einer PLL 100 von 1 hinzugefügt werden müssen, um ein Exemplar einer erfindungsgemäßen selbstkalibrierenden PLL zu erhalten. Beispielsweise haben viele herkömmliche PLL-Aufbauten schon einen digitalen Akkumulator, der für den digitalen Akkumulator 522 von 5 verwendet werden kann. Ähnlich sind bei den meisten herkömmlichen PLLs schon die Schalter SW1 und SW2 vorhanden. Bei PLLs, bei welchen eine separate Frequenzschleife verwendet wird, um die Erfassung zu unterstützen, können außerdem ein zusätzlicher Frequenzdetektor, eine zusätzliche Ladungspumpe und ein zusätzlicher Kondensator zur Verwendung in der PLL 400 von 4 vorhanden sein. Obwohl die Zeitgeber und die Zustandsautomaten bei herkömmlichen PLLs möglicherweise noch nicht vorhanden sind können, weil sie eine langsame Logik sind, sind darüber hinaus die hinzugefügten Kosten, verglichen mit den Einsparungen, vernachlässigbar.
Obwohl die Ausführungsformen von 3 bis 5 Ladungspumpen-PLLs zeigen, ist die vorliegende Erfindung nicht auf Ladungspumpen-PLLs beschränkt. Generell kann die vorliegende Erfindung nahezu bei jeder PLL mit einem Phasen-/Frequenz-Detektor, einem integrierten Schleifenfilter und einem spannungsgesteuerten Oszillator implementiert werden. Ferner können bei alternativen Ausführungsformen die Funktionen der Schalter SW1 und SW2 in 3 bis 5 in den VCO aufgenommen sein, wo sie durch einen der digitalen Steuereingangswerte gesteuert werden.
Man versteht ferner, dass durch Fachleute verschiedene Änderungen an den Details, den Materialien und den Anordnungen der Teile, die beschrieben und dargestellt wurden, um das Wesen dieser Erfindung zu beschreiben, gemacht werden können, ohne von dem Prinzip und dem Bereich der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die folgenden Ansprüche ausgedrückt sind.

Claims

Integrierte Schaltung mit einer phasenstarren Schleife (PLL) (300, 400, 500) mit einer Ladungspumpe, aufweisend: (a) einen Phasen-/Frequenz-Detektor (PFD) (302, 402, 502); (b) eine Ladungspumpe (304, 404, 504), die an den PFD angeschlossen ist; (c) ein Schleifenfilter (306, 406, 506), das an die Ladungspumpe angeschlossen ist; (d) einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) (308, 408, 508), der an das Schleifenfilter angeschlossen ist; und (e) eine Steuereinrichtung (316, 416, 516), die an den VCO angeschlossen ist, wobei: während des normalen PLL-Betriebs: der PFD Fehlersignale basierend auf einem Vergleichen eines Eingangssignals mit einem PLL-Rückkoppelsignal erzeugt, das aus einem VCO-Ausgangsignal erzeugt wird, welches durch den VCO erzeugt wird; die Ladungspumpe Ladungsmengen erzeugt, die den Fehlersignalen entsprechen; das Schleifenfilter die Ladungsmengen akkumuliert, um eine Schleifenfilterspannung zu erzeugen, die an einen VCO-Spannungseingang des VCO angelegt wird; und der VCO das VCO-Ausgangsignal basierend auf der Schleifenfilterspannung unter Verwendung einer geeigneten aus einer Mehrzahl von VCO-Arbeitskurven erzeugt; und wobei während automatischer PLL-Abgleichvorgänge die Steuereinrichtung den VCO auf die geeignete VCO-Arbeitskurve zur Verwendung während des normalen PLL-Betriebs automatisch abgleicht, dadurch gekennzeichnet, dass während der automatischen PLL-Abgleichvorgänge die normalen Betriebseigenschaften einer oder mehrerer der PLL-Komponenten angepasst werden, um die automatischen PLL-Abgleichvorgänge zu beschleunigen.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei während der automatischen PLL-Abgleichvorgänge der Ladungspumpenstrom erhöht wird, um die automatischen PLL-Abgleichvorgänge zu beschleunigen.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei während der automatischen PLL-Abgleichvorgänge die effektive Kapazität des Schleifenfilters reduziert wird, um die automatischen PLL-Abgleichvorgänge zu beschleunigen.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 3, wobei die PLL ferner eine Schleifenfilterschalterkonfiguration (SW3) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die effektive Kapazität des Schleifenfilters zu ändern.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei während der automatischen PLL-Abgleichvorgänge eine Referenzspannung statt der Schleifenfilterspannung an den VCO-Spannungseingang angelegt wird.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 5, wobei die PLL ferner eine Schalterkonfiguration (SW1, SW2) aufweist, die dazu ausgebildet ist, selektiv zu steuern, ob die Schleifenfilterspannung oder die Referenzspannung an den VCO-Spannungseingang angelegt wird.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die PLL ferner einen Inverter (INV1) aufweist, der zwischen das Schleifenfilter und die Steuereinrichtung angeschaltet und dazu ausgebildet ist, ein Eingangssignal bereitzustellen, das durch die Steuereinrichtung verwendet wird, um digitale Steuersignalwerte für den VCO zu erzeugen, um verschiedene VCO-Arbeitskurven auszuwählen; und die Steuereinrichtung die Zeitspanne begrenzt, über die jeder digitale Steuersignalwert an den VCO angelegt wird, um die automatischen PLL-Abgleichvorgänge zu beschleunigen.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die PLL ferner einen zweiten Detektor (418) aufweist, der an eine zweite Ladungspumpe (420) angeschlossen ist, die an ein zweites Schleifenfilter (C_S2) angeschlossen ist, das an die Steuereinrichtung angeschlossen ist, wobei während der automatischen PLL-Abgleichvorgänge: der zweite Detektor Zweitfehlersignale basierend auf einem Vergleichen des Eingangssignals mit dem PLL-Rückkoppelsignal erzeugt; die zweite Ladungspumpe Zweitladungsbeträge erzeugt, die den Zweitfehlersignalen entsprechen; das zweite Schleifenfilter die Zweitladungsbeträge akkumuliert, um ein Eingangssignal zu erzeugen, das durch die Steuereinrichtung verwendet wird, um die digitalen Steuersignalwerte für den VCO zu erzeugen, um unterschiedliche VCO-Arbeitskurven auszuwählen; und die Steuereinrichtung die Zeitspanne begrenzt, über die jeder digitale Steuersignalwert an den VCO angelegt wird, um die automatischen PLL-Abgleichvorgänge zu beschleunigen.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die PLL ferner einen zweiten Detektor (518) aufweist, der an einen digitalen Akkumulator (522) angeschlossen ist, der an die Steuereinrichtung angeschlossen ist, wobei während der automatischen PLL-Abgleichvorgänge: der zweite Detektor Zweitfehlersignale basierend auf einem Vergleich des Eingangssignals mit dem PLL-Rückkoppelsignal erzeugt; und der digitale Akkumulator die Zweitfehlersignale akkumuliert und ein digitales Eingangssignal für die Steuereinrichtung erzeugt, wobei der digitale Akkumulator einen oberen Grenzwert und einen unteren Grenzwert für die akkumulierten Zweitfehlersignale anwendet, um die automatischen PLL-Abgleichvorgänge zu beschleunigen.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuereinrichtung ein Zustandsautomat ist, der während der automatischen PLL-Abgleichvorgänge eine Sequenz von digitalen Steuereingangswerten an den VCO anlegt, um verschiedene VCO-Arbeitskurven auszuwählen, und eine optimale Abgleicheinstellung für den VCO zur Verwendung während des normalen PLL-Betriebs auswählt.