FI97579C - Vaihelukitun silmukan silmukkasuodatin - Google Patents

Description

97579

Vaihelukitun silmukan silmukkasuodatin Tämän keksinnön kohteena on vaihelukittu silmukka ja erityisesti siinä käytettävä silmukkasuodatin.

5 Taajuussyntetoijana käytetty vaihelukittu silmukka sisältää kuvassa 1 esitetyt osat. Digitaalisessa vai-he/taajuusilmaisimessa 2 verrataan tulotaajuuksia, joista toinen on referenssijakajassa 1 tekijällä R jaettu vertai-lutaajuus fRe£ ja toinen on silmukan lähtötaajuus fvco , joka 10 on jaettu silmukkajakajassa 6 tekijällä N. Vaihevertailija 2 tuottaa U- (up) ja D- (down) pulsseja, joiden leveydet ovat verrannollisia tulosignaalien taajuus- ja/tai vaihe-eroon. Varauspumppu 3 muuntaa U- ja D- pulssit bipolaa-reiksi pulsseiksi, joiden polaarisuus ilmaisee vaihe 15 ja/tai taajuuseron suunnan ja leveys ilmaisee eron suuruuden. Varauspumpun antamat pulssit integroidaan silmukka-suodattimessa 4, josta saatava tasajännite Vt on jänniteoh-jatun oskillaattorin VCO 5 ohjausjännite ja ohjaa VCO:ta niin, että vaihevertailijän tulosignaalien taajuus ja/tai 20 vaihe-ero minimoituu.

Ensimmäisen sukupolven varauspumpuilla oli jännite-lähtö, kun taas nykyään useimpien PLL-piirin osia sisältävillä IC-piirien varauspumpuilla on virtalähtö. Ensin mainituilla tunnetuilla varauspumpuilla on kolmetilainen 25 jännitelähtö: lähtö kytketään positiiviseen syöttöjännit- *:**· teeseen VDD, negatiiviseen syöttöjännitteeseen Vss (jona oli : usein piirin maa) tai jätettiin avoimeksi. Lähtö jännitteen :*·*; muuntamiseksi integraattorin (suodattimen) virtaherätteek- si käytetään suodattimessa (integraattorissa) etuvastusta.

. .·. 30 Vaihevertaili jän tulosignaalien vaihe-eron ollessa pieni • · · ovat varauspumpun lähtöpulssit kapeita ja varauspumppu on

I I I

suurimman osan ajasta avoin. Sen tähden vaikuttaa näennäisesti siltä, että integraattoria syötetään paljon suuremman vastuksen kautta kuin etuvastuksen kautta ts. syöte-35 tään virtalähteestä. Kuitenkin syöttövirran arvo riippuu 2 97579 suodattimen lähtöjännitteestä ts. VCO:n säätöjännitteestä Vt ja syöttövirta on symmetrinen vain mikäli Vt on täsmälleen Vdd/2, olettaen tietysti, että Vss = 0. Muussa tapauksessa se riippuu vaihe-eron etumerkistä.

5 Tyypillinen passiivinen silmukkasuodatin on esitet ty kuvassa 2. Suodatin 21 käsittää integrointikondensaat-torin C2, vaimennusvastuksen R2 ja tasoituskondensaattorin C3. Suodattimen tulona on varauspumpun 3 (kuva 1 ja kuva 2) antamat pulssit. Usein käytetään vielä ylimääräistä 10 passiivista alipäästösuodatinta 22 vaimentamaan kohinaa ja suodattimen 21 mahdollisesti läpäissyttä referenssisignaa-lin taajuista signaalia. Vastus Rl on etuvastus. Esitetyn ensimmäisen sukupolven varauspumpun ja passiivisen suodattimen haittana on se, että varauspumpun lähtövirta on 15 riippuvainen suodattimen lähtöjännitteestä Vt.

Jotta saataisiin integraattorin tulovirta riippumattomaksi sen lähtöjännitteestä Vt ja vaihe-eron etumerkistä, on tunnettua käyttää passiivisuodattimen sijasta aktiivista operaatiovahvistimella toteutettua suodatinta 20 (integraattoria) kuvassa 3 esitetyllä tavalla. Operaatiovahvistin 31, jos se olisi ideaalinen, pitäisi sisään-tuloporttien jännitteet yhtäsuurina. Niinpä jos sen positiivisessa tulonavassa vaikuttaa jännite VDD/2, vaikuttaisi sen negatiivisessa tulonavassa sama jännite ja etuvastuk-25 sen Rl läpi kulkeva virta olisi riippumaton vaihe-eron etumerkistä.

• · ·.· · Aktiivisuodattimien yleinen ongelma on se, että operaatiovahvistin on itsessään hidas eikä sitä ole tarkoitettu syötettäväksi digitaalipiirien tuottamilla no- . 30 peiliä pulsseilla. Käytännössä varauspumpun antamat puis- φ · · sit menevät suoraan takaisinkytkentähaaran kondensaattorin • · · C33, kuva 3, läpi operaatiovahvistimen tuloon aiheuttaen sen yliohjautumisen. Myös silmukan ollessa tasapainossa varauspumppu antaa pulsseja, sillä kohina aiheuttaa jatku-35 vasti pientä vaihe-eroa vaihevertailijän tulosignaalien

II

3 97579 välillä. Pahin tapaus olisi, että pulssit estäisivät silmukkaa saavuttamasta tasapainoa ja saisivat sen värähte-lemään tasapainoaseman ympärillä. Näin voi käydä, koska pulssit pääsevät invertoimattomina operaatiovahvistimen 31 5 lähtöön, kun taas vahvistin itsessään on matalia taajuuksia invertoiva. Siten pulssit aikaansaavat silmukassa positiivisen takaisinkytkennän ja näin kasvattavat vaiheko-hinaa. Lisäksi operaatiovahvistin tarvitsee aikaa palautuakseen yliohjaustilasta pulssien hävittyä. Tämän jälkeen 10 se yrittää palauttaa kondensaattorin C33 varauksen. Siten muutamien nanosekuntien pulssit vahvistimen tulossa voivat häiritä mikrosekuntien ajan vahvistimen toimintaa.

Kuvassa 3 esitetyn piirin käyttämisessä syntyvien edellä sanottujen ongelmien ratkaisemiseksi on tunnettua 15 käyttää esisuodatusta vahvistimen edessä. Tätä on esitetty kuvassa 4, jossa käytetään soveltuvin osin samoja viitenumerolta kuin kuvassa 3. Kun operaatiovahvistimen 31 negatiivisen tulonavan etuvastus on korvattu vastusten Rla ja Rlb sarjakytkennällä ja vastusten välistä on kytketty 20 kondensaattori C13 maahan, vaikuttaakin jännite Vdd/2 nyt vastusten Rla ja Rlb välillä. Kondensaattori Cl3 tasoittaa varauspumpun 3 pulssit niin, että operaatiovahvistin pystyy seuraamaan niitä. Koska operaatiovahvistimen 31 DC-tu-lovirta on ideaalitapauksessa nolla, on kondensaattorin 25 C13 yli vaikukuttava jännite tasapainotilassa sama kuin ♦ operaatiovahvistimen tulonavoissa eli VDD/2.

• ♦ ·.· ♦ Kuvan 4 mukaisesti esisuodatusta käyttämällä saa- :T: daan melko puhdas säätöjännite. Haittana on kuitenkin, että mitoituksessa on tehtävä paljon kompromisseja ja mi- . 30 toitus on hyvin vaikeaa, mikäli on saavutettava lyhyt « · · asettumisaika, pieni kohina ja vähäinen referenssitaajui-sen signaalin pääsy säätöjännitteeseen. Tämä johtuu ali-päästösuodatuksen rajoituksista ja vastusten Rla ja Rlb valinnasta. Kuvan 4 mukaisen tunnetun aktiivisen suodatti-35 men komponenttiarvojen valinta on myös vaikeaa: kohinan 4 97579 kannalta katsottuna kuvan 3 aktiivista integraattoria voidaan pitää ei-invertoivana vahvistimena, jonka vahvistus on 1. Kuvan 4 kytkennässä vahvistus suurille taajuuksille on kuitenkin (R2+Rlb)/Rlb olettaen, että C33 ei vaikuta.

5 Niinpä kondensaattorin C13 läsnäolo kasvattaa merkittävästi kohinaa eikä Rlb voi siten olla liian pieni. Toisaalta Rla ei voi olla pieni siksi, että varauspumpun lähtövirta kasvaisi liian suureksi. Lähtövirralla on suuri toleranssi, joka on usein eri suuri positiivisilla ja negatii-10 visilla vaihevirheillä. Kaikki tämä tuottaa ennalta ennustamattomia vaikutuksia, joita ei voida hyväksyä massatuotannossa. Jos kondensaattori C33 vaikuttaa, alenee kohina kyllä suurilla taajuuksilla, mutta asettumisajän pitämiseksi lyhyenä olisi kondensaattorin C13 arvoa pienen-15 nettävä. Tämä kasvattaa varauspumpun pulssien muutosnopeutta vahvistimen tulossa, jolloin vahvistin saattaa kyllästyä.

Toinen haitta kuvan 4 kytkennässä on se, että varauspumpun 3 ulostulovirta pienenee, ts. asettumisaika 20 pitenee, kun on suuri taajuusaskel. Silloin nimittäin aktiivinen integraattori vaatii suuren ohjausvirran, joten kondensaattorin C13 tasojännitteen on pakko muuttua pois tasapainoarvostaan VDD/2.

Edellä esitettyjen aktiivisten suodattimien hai- ·.:.· 25 toista ts. monimutkaisuudesta, vaikeasta optimoitavuudesta ja vähäisestä referenssitaajuisen signaalin vaimennuksesta • · • \ ; johtuen kiinnostus passiivisiin suodattimiin on edelleen säilynyt. Kun kehitettiin toisen sukupolven vakiovirtaläh-dön omaavat varauspumput, ts. pumput, joiden lähtövirta on . .*. 30 riippumaton lähtöjännitteestä, tuli jälleen mahdolliseksi

• · »I

käyttää kuvan 2 mukaista passiivista suodatinta edellyt- • · · täen, että säätöjännitteen ei tarvitse ylittää aluetta nolla - käyttöjännite Vdd. Koska varauspumpun virtalähteet eivät ole ideaalisia, on säätöjännitealue käytännössä vä-35 Iillä 1 V,...,Vdd-lV. Tällaisia pumppuja käytettäessä on

II

5 97579 kuvan 2 piirissä vastuksen Rl arvo nolla. Vaihelukittu silmukka PLL, jossa käytetään vakiovirtalähdön omaavaa varauspumppua yhdessä tekniikan tason mukaisen passiivisen integraattorin kanssa, toimii hyvin, kun oskillaattorin 5 ohjausjännitealueen ei tarvitse olla laaja. Säätöalueen laajentamiseksi on tosin olemassa varauspumppuja, joiden lähtöasteen syöttöjännite on jopa suurempi kuin logiikan positiivinen syöttöjännite. Kuitenkaan passiivisuodattimen tapauksessa ei ole keinoja saavuttaa suurempaa säätöjänni-10 tettä kuin 6 V. Ammattimiehelle luonnollisin ratkaisu olisi siten luopua passiivisesta suodattimesta ja käyttää tunnettua kuvan 3 tai 4 mukaista aktiivista suodatinta.

Tämä keksintö esittää vaihelukitun silmukan, jonka silmukkasuodattimella varauspumpun kanssa käytettynä ei 15 ole tekniikan tason aktiivisten suodattimien haittoja ja joka mahdollistaa laajan VC0:n säätöjännitealueen.

Keksinnölle on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksessa 1.

Keksintö perustuu siihen tosiseikkaan, että teknii-20 kan tason mukaisissa aktiivisissa suodattimissa on passiivinen integraattori kytketty invertoivan operaatiovahvistimen tulon ja lähdön väliin ts. takaisinkytkentähaaraan, mikä aiheuttaa sen, että varauspumpulta tulevat nopeat pulssit pääsevät suoraan vahvistimen lähtöön. Keksinnön 25 mukaisesti passiivinen integraattori sijoitetaan ennen ei-invertoivaa operaatiovahvistinta, jolloin se oikosulkee • · ·,· · varauspumpun pulssit piirin maahan, eikä ylimääräistä ali- :T: päästösuodatinta tarvita operaatiovahvistimen eteen. Siten voidaan passiiviseen integraattoriin sisällyttää enemmän .30 alipäästösuodatusta sekä haluttaessa niihin suodattimiin, joita voidaan haluttaessa sijoittaa operaatiovahvistimen • · · jälkeen, ja kuitenkin silmukan asettumisaika säilyy lyhyenä. Koska operaatiovahvistin on ei-invertoiva, se aiheuttaa vähemmän kohinaa kuin saman vahvistuskertoimen omaava 35 invertoiva vahvistin. Esitetty kytkentä on tekniikan tason 6 97579 kytkentöihin nähden yksinkertaisempi ja mitoituksessa on helpompi saavuttaa kompromissi silmukan asettumisajan sekä oskillaattorin säätöjännitteen puhtauden välillä.

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin erään 5 keksinnön mukaisen edullisen suoritusmuodon avulla viitaten oheisiin kuviin, joista kuva 1 esittää lohkokaaviona vaihelukittua sil mukkaa, kuva 2 kuvaa tunnettua passiivista silmuk- 10 kasuodatinta, kuva 3 ja kuva 4 esittävät tunnettuja aktiivisia silmuk- kasuodatinkytkentöjä, kuva 5 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaista 15 silmukkasuodatinta ja kuva 6 on eräs piiriratkaisu kuvan 5 suodatti mesta.

Kuten kuvassa 5 on esitetty, vakiovirtalähtöisen 20 virtapumpun 3 antamat pulssit johdetaan tunnettuun, esim. kuvassa 2 esitetyn tyyppiseen passiiviseen integraattoriin 51 ja sen antama lähtöjännite vahvistetaan ei-invertoivas-sa operaatiovahvistimessa 52. Olennaista on havaita, että itse passiivista integraattoria 51 käytetään suojaamaan ·.:.· 25 operaatiovahvistinta 52 varauspumpun 3 pulsseilta. Ylimää- ·:*·: räistä alipäästösuodatusta ei siten tarvita. Kun passii- : vinen integraattori 52 toimii suojana vaimentuvat pulssit » t · · paremmin, komponenttien lukumäärä pienenee ja mitoitus « helpottuu verrattuna tekniikan tason suodattimiin. Vahvis- 1 2 3 4 5 6 timella 52 voidaan toteuttaa helposti myös DC-tason siirto ♦ · * 2 !*.*. summaamalla jomman kumman tulonavan jännitteeseen DC-jän- 3 * * · 4 V nite V0. Tällä tavalla voidaan helposti saada VCO:lle ha 5 luttu säätöjännitealue, jossa suurin jännite ylittää 6 V. DC-tason siirtoa on kuvassa 5 esitetty summaimella 54.

6

Vahvistimen 52 lähtösignaalin suodattamiseksi voidaan 7 97579 käyttää haluttaessa suodatinta 53.

Komponenttien mitoitus suoritetaan pääpiirteissään samoin kuin passiivisella integraattorilla, mutta on yksinkertaisempaa, sillä integraattori 51 ja valinnainen 5 suodatin 53 on erotettu toisistaan vahvistimella 52.

Kuvassa 6 on esitetty eräs piiritason ratkaisu keksinnön suodattimelle. Vahvistimen 62 invertoivaan tuloon etuvastuksen R65 kautta tuotu tasajännite V0 aiheuttaa vahvistimen lähtöjännitteessä DC-tason siirron. Käytännössä 10 jännite V0 on jokin laitteen käyttöjännitteistä, mahdollisesti suodatettuna. Vahvistimen takaisinkytkentähaarassa oleva kapasitanssi Ccomp on pieni kapasitanssi, jonka tarkoitus on kompensoida vahvistimen invertoivan tulon ja maan välinen hajakapasitanssi Cpar. Ylikompensointi muuttaa 15 vahvistinta jossain määrin alipäästösuodattimen luonteiseksi. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää edullisesti suu-ritaajuisen kohinan vaimentamiseen suodattimen lähtöjän-nitteestä Vt eli VC0:n säätöjännitteestä. Diodia Dl käytetään estämään operaatiovahvistimen lähdön menemästä liian 20 alas siinä poikkeustapauksessa, että varauspumpun lähtö on nolla.

Valinnaisesti käytetty alipäästösuodatin 63 voidaan yksinkertaisesti toteuttaa RC-suodattimena R75, C75.

Kuvan 5 piirin mitoitus voidaan suorittaa seuraani.· 25 vasti: valitaan ensin vahvistimen 52 vahvistus. Se voi oi-·:1’·' la sama kuin tarvittava VC0:n säätöjännitealue jaettuna : varauspumpulle 3 sallitun lähtöjännitteen käyttökelpoisel- .1·'· la jännitealueella. Vahvistus ei kuitenkaan saa olla liian suuri, ettei kohina kasva. Tämän jälkeen lasketaan tason-30 siirto, joka tarvitaan siirtämään varauspumpun pienin läh- • · · töjännite pienimmäksi tarvittavaksi VC0:n säätöjännitteek- • · · * si νωίη. Integraattorin 61 aikavakiot mitoitetaan samaan tapaan kuin passiivisella integraattorilla yleensäkin, mutta todellisen VC0:n säätöherkkyyden sijaan käytetään 35 sen arvoa kerrottuna vahvistimen 62 vahvistuksella. Var- 8 97579 luistetaan vielä, että operaatiovahvistimen 62 kohinavaiku-tus säätöjännitteeseen Vt on riittävän pieni. Jos näin ei ole, voidaan vaikutusta pienentää esim. lisäämällä ali-päästösuodatusta suodattimeen 63 ja vastaavasti pienentä-5 mällä kondensaattoria C35.

Keksinnön eräs etu on se, että operaatiovahvistin on ei-invertoiva. Joillakin kaupallisesti saatavissa olevilla integroiduilla PLL-piireillä ei ole mahdollista muuttaa vaiheilmaisimen polariteettia, mikä olisi tarpeen, 10 jos käytettäisiin invertoivaa aktiivista suodatinta. Kek sinnön suodatin sopii siten käytettäväksi myös tällaisten IC-piirien kanssa.

Edellä oleva selitys ja siihen liittyvät kuviot on ainoastaan tarkoitettu havainnollistamaan esillä olevaa 15 keksintöä. Alan ammattimiehille tulevat olemaan ilmeisiä erilaiset keksinnön variaatiot ja muunnelmat ilman että poiketaan oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnön suojapiiristä ja hengestä. Niinpä keksintöä on mahdollista käyttää negatiivista säätöjännitettä käyttävässä VCO 20 kytkennässä.

• « · ··· • · • · · t · · • » I · • · ·

I » I

• · · • · · « · · ··' 1

II

♦ · • ♦ ♦

Claims (4)

1. 97579 Patenttivaatimukset;
2. 1. Vaihelukittu silmukka, joka sisältää jännitteellä (Vt) ohjatun oskillaattorin, 5 vaiheilmaisimen, jolla on ensimmäinen tulo vertai- lusignaalin vastaanottamiseksi ja toinen tulo jänniteohja-tun oskillaattorin lähdöstä saatavan, mahdollisesti taajuus jakajassa jaetun oskillaattorin signaalin (fvc0) vastaanottamiseksi ja joka vasteena tulosignaalien eroon 10 tuottaa U- (up) ja D- (down) pulsseja, varauspumpun, joka muuntaa siihen johdetut U- ja D-pulssit lähdön bipolaareiksi virtapulsseiksi, joiden virta on olennaisesti riippumaton lähtöjännitteestä, integrointivälineet varauspumpun antamien pulssien 15 muuntamiseksi jänniteohjatun oskillaattorin säätöjännit-teeksi( Vt), tunnettu siitä, että integrointivälineisiin kuuluu passiivinen integraattori (51), johon johdetaan varauspumpun antamat pulssit integroidun jännitteen muodostamisek-20 si, ja operaatiovahvistin (52), jonka ei-invertoivaan tuloon johdetaan mainittu integroitu jännite ja jonka lähtö-jännite on jänniteohjatun oskillaattorin säätöjännite (Vt), jolloin passiivinen integraattori (51) suojaa operaatio-vahvistinta (52) virtapulsseilta. 25
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vaihelukittu sil- i mukka, tunnettu siitä, että integrointivälinei- siin kuuluu lisäksi välineet (54) integroidun jännitteen jännitetason siirtämiseksi. . 30 t · · «** 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen vaihelukittu sil- • · · • · · mukka, tunnettu siitä, että välineet (54) integroidun jännitteen jännitetason siirtämiseksi käsittävät välineet (V0, R65) operaatiovahvistimen (52) invertoidun 35 tulon DC-tason muuttamiseksi. 97579
4. 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vaihelukittu silmukka, tunnettu siitä, että operaatiovahvistimen (52) lähtö on kytketty alipäästösuodattimeen lähtöjännit-teen (Vt) edelleen suodattamiseksi. • » · • · « · * » · · t I I · • « » » · · « « · * · * I t « • · · f ♦ · • * · 97579