ITMI20070931A1

ITMI20070931A1 - "modulatore di frequenza"

Info

Publication number: ITMI20070931A1
Application number: IT000931A
Authority: IT
Inventors: Angelo Maria D'arrigo; Filippo Marino; Andrea Rapisarda
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2008-11-09
Also published as: EP1990916A3; EP1990916A2; US20080278254A1; EP1990916B1; US7791426B2

Description

DESCRIZIONE

dell 'invenzione industriale avente per titolo:

“Modulatore di frequenza.”

La presente invenzione concerne un modulatore di frequenza, in particolare una frequenza di clock.

Sono noti dispositivi atti a modulare una frequenza di clock. Una tipica applicazione dei modulatori di frequenza sono i regolatori a commutazione. Infatti, un grave problema per i regolatori a commutazione sono le interferenze elettromagnetiche (EMI) generate soprattutto a causa delle loro caratteristiche di commutazione veloce.

Una possibilità di ridurre le interferenze elettromagnetiche consiste nella modulazione di un parametro dei segnali che vengono applicati ai dispositivi a commutazione in modo periodico o casuale, come la frequenza di commutazione. Il parametro oscilla con piccole ampiezze attorno al valore nominale, così che la potenza delle armoniche è distribuita sullo spettro. Per ridurre le emissioni di interferenze elettromagnetiche del regolatore e ridurre i costi e le dimensioni dei filtri di linea, è necessario modulare la sua frequenza di commutazione in modo che l’azione risultante sullo spettro di distribuzione consenta la distribuzione dell’energia di ogni armonica della frequenza di commutazione su un numero di armoniche, in banda laterale, che hanno la stessa energia ma un’ ampiezza più piccola.

Un tipico circuito modulatore di frequenza che è atto a generare una frequenza triangolare a bassa frequenza è mostrato in Figura 1. Il circuito comprende un condensatore C connesso a massa GND e ad un generatore di corrente le connesso ad una tensione di alimentazione Vdd ed a un interruttore S connettibile ad un altro generatore di corrente Icc connesso a massa GND. Il condensatore è anche connesso al terminale non invertente di un comparatore ad isteresi Comp avente il terminale invertente connesso ad una tensione di riferimento Vref. La tensione di uscita del comparatore Comp comanda la chiusura o l’apertura del'interruttore S per la generazione di un’onda triangolare sul terminale non invertente del comparatore Comp. Per realizzare la modulazione di frequenza, le topologie circuitali generalmente utilizzano la forma d’onda triangolare generata in tal modo come tensione di riferimento modulante per controllare la frequenza di oscillazione dell’oscillatore principale.

In un modulatore di frequenza di clock totalmente integrato è necessario generare un’onda triangolare a bassa frequenza senza utilizzare componenti esterni. La forma d’onda triangolare è la tensione di riferimento modulante che può essere usata per variare un parametro circuitale dell’oscillatore in modo che la frequenza dell’oscillatore venga modulata dal segnale modulante.

In vista dello stato della tecnica è necessario fornire un modulatore di frequenza di clock che sia più semplice dei modulatori di frequenza noti e sia integrabile.

In accordo alla presente invenzione è possibile realizzare un modulatore della frequenza di clock di un oscillatore, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi digitali per la generazione di un segnale modulante detta frequenza di clock, detti mezzi digitali comprendendo primi mezzi atti a derivare dal segnale generato dall’oscillatore un primo segnale ad impulsi a frequenza più bassa della frequenza di clock dell’oscillatore, un contatore digitale atto a contare gli impulsi di detto primo segnale ed a produrre un segnale digitale ed un convertitore digitale-analogico atto a convertire il segnale digitale in detto segnale modulante la frequenza di clock dell’oscillatore.

Le caratteristiche della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali:

la figura 1 è uno schema di un modulatore di frequenza di clock in accordo all’arte nota;

la figura 2 è uno schema di un modulatore di frequenza di clock in accordo ad una forma di realizzazione della presente invenzione;

la figura 3 mostra in dettaglio una parte del modulatore di figura 2;

la figura 4 mostra i diagrammi temporali di segnali in gioco nel modulatore di figura 2;

la figura 5 mostra il risultato di una simulazione sul modulatore di figura 2.

La figura 2 mostra uno schema del modulatore di frequenza in accordo alla presente invenzione. Lo schema comprende un generatore di forme d’onda triangolari di tipo digitale 1 il cui segnale in uscita modula un oscillatore 2 atto a fornire il segnale di clock CLOCK.

Il generatore di forme d’onda triangolare 1 è meglio mostrato in figura 3. Detto generatore comprende un primo 3 ed un secondo 4 divisore di frequenza atti a dividere la frequenza del segnale CLOCK per predeterminati valori diversi fra loro, un contatore 5 alimentato dai segnali provenienti dai divisori 3 e 4 ed un convertitore digitale analogico (DAC) 6 avente in ingresso il segnale in uscita dal contatore 5 ed atto a generare il segnale di forma d’onda triangolare Vth.

Dal segnale di clock CLOCK vengono originati due segnali; un segnale ad alta frequenza CLKf generato dal divisore 3 ed un segnale a bassa frequenza CLKb generato dal divisore 4. Il contatore digitale 5 è preferibilmente un contatore a N bit capace di contare in modo crescente e decrescente. Il segnale CLKb, che ha almeno due livelli logici, comanda il contatore 5 a contare in modo crescente o decrescente mentre il segnale CLKf è il segnale che viene contato; detto segnale è un segnale ad impulsi i quali vengono contati dal contatore 5. Il segnale CLKb è generalmente un segnale ad onda quadra ed il contatore 5 conta gli impulsi del segnale CLKf in modo crescente o decrescente fino al cambiamento di stato del segnale CLKf; la parola digitale contata viene inviata in tempo reale in ingresso al DAC 6 che provvede a fornire un valore di tensione in uscita. La forma d’onda del segnale di riferimento di tensione modulante Vth prodotto dal DAC 6 sarà una forma triangolare.

Il DAC 6 ha in ingresso un segnale di tensione di riferimento Vstep ed opera in modo tale che ad ogni incremento o decremento della parola digitale contata dal contatore 5 si abbia un incremento o decremento del valore di tensione Vstep del segnale di tensione Vth; in tal modo il segnale di tensione Vth assume la forma d’onda di un segnale ad onda triangolare del tipo comprendente rampe a gradini di tensione, ognuno del valore della tensione di riferimento Vstep.

Se indichiamo con Tb e Tf i periodi di tempo associati alle frequenze dei segnali CLKb e CLKf si ha: — = (Q - l)x Tf dove con Q si indica il numero di livelli di quantizzazione; si ha che Tb=Nb/Fclock e Tf=Nf/Fclock dove con Fclock si indica la frequenza del segnale di clock CLOCK e Nb e Nf sono i rapporti dei divisori di frequenza 3 e 4. Si ha pertanto che = 2 (Q - 1) .

Il valore di Q dipende dalla precisione del DAC che si desidera e dalla occupazione di area nel circuito integrato dei divisori 3 e 4. Lo stesso DAC 6 può avere in ingresso, al posto del valore di tensione Vstep, due segnali di riferimento Vrefl e Vref2 atti a stabilire rispettivamente il livello minimo ed il livello massimo del segnale modulante; dalla divisione della differenza fra Vref2 e Vrefl ed il valore (ζ) — l) si ottiene il valore di tensione del singolo gradino della forma d’onda triangolare Vth del tipo a rampe a gradini.

In un’applicazione specifica il segnale di clock CLOCK è un’onda quadra di 120 kHz e viene processato attraverso i divisori 3 e 4 con Nb=504 e Nf=4 ottenendo Q=64. Il DAC 6 è un convertitore a sei bit e produce una forma d’onda triangolare a gradini mediante un divisore di tensione connesso fra due valori di riferimento di tensione, un riferimento minimo di tensione ed un riferimento massimo di tensione.

Il valore medio dell’onda triangolare 1,15 V è il riferimento di tensione che assicura la frequenza fondamentale, mentre il valore di ampiezza, circa 80 mV, determina la profondità di modulazione della frequenza di clock. La frequenza della forma d’onda triangolare è la più bassa delle frequenze del segnale CLKb ed essa determina la frequenza modulante. Con Fclock=120 kHz e Nb=504 si ha che la frequenza modulante Fm=238 Hz.

La figura 5 mostra il variare della frequenza di clock Fclock al variare del tempo derivante da simulazioni sul circuito di figura 2.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Modulatore della frequenza di clock (CLOCK) di un oscillatore (2), caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi digitali (1) per la generazione di un segnale (Vth) modulante detta frequenza di clock, detti mezzi digitali (1) comprendendo mezzi (3, 4) atti a derivare dal segnale generato dall’oscillatore un primo segnale (CLKf) ad impulsi a frequenza più bassa della frequenza di clock dell’ oscillatore, un contatore digitale (5) atto a contare gli impulsi di detto primo segnale (CLKf) ed a produrre un segnale digitale ed un convertitore digitale-analogico (6) atto a convertire il segnale digitale in detto segnale (Vth) modulante la frequenza di clock dell’oscillatore.
2. Modulatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (3, 4) sono atti a derivare dal segnale generato dall’oscillatore un secondo segnale (CLKb) a frequenza più bassa della frequenza del primo segnale (CLKf), detto secondo segnale assumendo almeno due livelli logici e detto contatore digitale (5) essendo atto a contare gli impulsi di detto primo segnale in modo crescente o decrescente a seconda del livello logico del secondo segnale.
3. Modulatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere un primo (4) ed un secondo (3) divisore di frequenza del segnale di clock, detto primo divisore (4) essendo atto a dividere la frequenza del segnale di clock per una prima quantità (Nf) e detto secondo divisore (Nb) essendo atto a dividere la frequenza del segnale di clock per una seconda quantità (Nb) maggiore della prima quantità (Nf), detti primo e secondo divisore essendo atti a generare rispettivamente il primo (CLKf) ed il secondo segnale (CLKb), detto contatore digitale (5) essendo alimentato da detti primo e secondo segnale.
4. Modulatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto convertitore digitale-analogico (6) ha in ingresso almeno una tensione di riferimento (Vstep) e detto segnale digitale, detto convertitore digitaleanalogico (6) essendo atto a generare detto segnale modulante con forma d’onda triangolare (Vth) comprendente rampe a gradini crescenti e decrescenti ciascuno del valore di detto segnale di riferimento.
5. Modulatore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto convertitore digitale-analogico (6) ha in ingresso una prima tensione di riferimento (Vrefl) atta a stabilire il livello minimo del segnale modulante ed una seconda tensione di riferimento (Vre£2) atta a stabilire il livello massimo del segnale modulante, detto convertitore digitale-analogico (6) essendo atto a generare detto segnale modulante con forma d’onda triangolare (Vth) comprendente rampe a gradini crescenti e decrescenti ciascuno del valore dato dalla differenza fra detta seconda (Vref2) e detta prima (Vrefl) tensione di riferimento diviso un valore di quantizzazione Q diminuito di un’unità, detto Nb valore Q essendo dato dalla seguente equazione — = 2 {Q - 1) dove con Nb Nf si indica detta seconda quantità e con Nf detta prima quantità.
6. Circuito integrato comprendente un oscillatore atto a fornire una frequenza di clock ed un modulatore della frequenza di clock come definito nelle rivendicazioni precedenti.
7. Metodo di modulazione della frequenza di clock (CLOCK) di un oscillatore (2) comprendente la generazione di un segnale (Vth) modulante detta frequenza di clock, detta fase di generazione comprendendo la fase di derivazione di un primo segnale (CLKf) ad impulsi a frequenza più bassa della frequenza di clock dell’oscillatore dal segnale generato dall’oscillatore, il conteggio digitale degli impulsi di detto primo segnale (CLKf), la produzione di un segnale digitale e la conversione digitale-analogico (6) del segnale digitale in detto segnale (Vth) modulante la frequenza di clock dell’oscillatore.
8. Metodo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere in detta fase di derivazione di un primo segnale (CLKf) ad impulsi a frequenza più bassa della frequenza di clock dell’ oscillatore dal segnale generato dall’ oscillatore la derivazione dal segnale generato dall’oscillatore di un secondo segnale (CLKb) a frequenza più bassa della frequenza del primo segnale (CLKf), detto secondo segnale assumendo almeno due livelli logici, detto conteggio digitale avvenendo mediante conteggio degli impulsi di detto primo segnale in modo crescente o decrescente a seconda del livello logico del secondo segnale.
9. Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la conversione digitale-analogico (6) del segnale digitale in detto segnale (Vth) modulante la frequenza di clock dell’oscillatore comprende la generazione di detto segnale modulante con forma d’onda triangolare (Vth) comprendente rampe a gradini crescenti e decrescenti ciascuno del valore di un segnale di riferimento.
10. Metodo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere la divisione della frequenza del segnale di clock per una prima quantità (Nf) e per una seconda quantità (Nb) maggiore della prima quantità (Nf) per la generazione di detti primo (CLKf) e secondo segnale (CLKb).
11. Metodo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che la conversione digitale-analogico (6) del segnale digitale in detto segnale (Yth) modulante la frequenza di clock dell’ oscillatore comprende la generazione di detto segnale modulante con forma d’onda triangolare (Vth) comprendente rampe a gradini crescenti e decrescenti ciascuno del valore dato dalla differenza fra una prima tensione di riferimento (Vrefl) atta a stabilire il livello minimo del segnale modulante ed una seconda tensione di riferimento (Vref2) atta a stabilire il livello massimo del segnale modulante diviso un valore di quantizzazione Q diminuito di un’unità, detto valore Q essendo dato dalla seguente equazione = 2(Q - 1) dove con Nb si indica detta seconda quantità e con Nf detta prima quantità.