RU2491713C1 - Phase-locked loop based frequency grid synthesiser with fractionality noise compensation - Google Patents

Phase-locked loop based frequency grid synthesiser with fractionality noise compensation Download PDF

Info

Publication number
RU2491713C1
RU2491713C1 RU2012141532/08A RU2012141532A RU2491713C1 RU 2491713 C1 RU2491713 C1 RU 2491713C1 RU 2012141532/08 A RU2012141532/08 A RU 2012141532/08A RU 2012141532 A RU2012141532 A RU 2012141532A RU 2491713 C1 RU2491713 C1 RU 2491713C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
frequency
signal
phase
generating
Prior art date
Application number
RU2012141532/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Алексеевич Зайцев
Original Assignee
Андрей Алексеевич Зайцев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Андрей Алексеевич Зайцев filed Critical Андрей Алексеевич Зайцев
Priority to RU2012141532/08A priority Critical patent/RU2491713C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2491713C1 publication Critical patent/RU2491713C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: frequency grid synthesiser has a pulsed frequency-phase detector, a charge pumping current source, a capacitive element, a switching element, a control loop filter, voltage controlled generator, a fractionally variable ratio divider (FVRD), a division ratio control circuit in the FVRD, a fractionality compensation current source, the output of which is connected to the output of the charge pumping current source.
EFFECT: eliminating residual pulsations of fractionality noise in the control signal of a voltage-controlled generator.
7 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, а именно к синтезаторам сетки частот (ССЧ) на базе контура импульсной фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с компенсацией помех дробности и может применяться при использовании схем основанных на амплитудно- или широтно-импульсной модуляции тока компенсации.The invention relates to electronic equipment, in particular to frequency grid synthesizers (FSS) based on a phase-locked loop (PLL) with fractional noise compensation and can be used when using circuits based on pulse-amplitude or pulse-width modulation of the compensation current.

Синтезаторы сетки частот широко применяются в различных устройствах средств вычислительной техники, управления, радиоавтоматики и коммуникаций. Одними из наиболее важных параметров ССЧ являются частотный диапазон, частотное разрешение (минимальный шаг перестройки) и фазовый шум выходных сигналов синтезируемых частот, а также время перестройки между частотами.Frequency grid synthesizers are widely used in various devices of computer technology, control, radio automation and communications. One of the most important parameters of the frequency response is the frequency range, frequency resolution (minimum tuning step) and phase noise of the output signals of the synthesized frequencies, as well as the tuning time between the frequencies.

В ССЧ на базе контура ФАПЧ осуществляется стабилизация частоты и фазы генератора, управляемого напряжением (ГУН). Умножение входной опорной частоты обеспечивается благодаря делению частоты ГУН в цепи обратной связи контура. Требование уменьшения значения шага сетки частот выходного сигнала влечет соответствующее уменьшение значения опорной частоты и увеличение значения коэффициента деления. Значение опорной частоты определяет скорость, с которой может подстраиваться контур ФАПЧ между управляющими импульсами. В результате увеличения инерционности контура ФАПЧ, ухудшаются качественные показатели регулирования в целом, что в общем случае приводит к увеличению длительности переходного процесса автоподстройки частоты и увеличению значения фазового шума выходного сигнала ССЧ. Это является основным недостатком ССЧ, использующих делитель с целочисленным коэффициентом деления.In the frequency response system based on the PLL, the frequency and phase of the voltage-controlled oscillator (VCO) are stabilized. Multiplication of the input reference frequency is ensured by dividing the VCO frequency in the loop feedback circuit. The requirement to decrease the value of the step of the frequency grid of the output signal entails a corresponding decrease in the value of the reference frequency and an increase in the value of the division coefficient. The value of the reference frequency determines the speed with which the PLL can be adjusted between the control pulses. As a result of an increase in the inertia of the PLL, the quality of control parameters is deteriorated as a whole, which generally leads to an increase in the duration of the transient process of automatic frequency control and an increase in the phase noise of the output signal of the MSS. This is the main disadvantage of the SSN using a divider with an integer division factor.

Для устранения противоречия между между частотным разрешением и фазовым шумом разработаны методы, использующие в цепи обратной связи делители с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД), реализующие значение деления ниже десятичной точки. В результате обеспечивается работа контура ФАПЧ со значением опорной частоты намного превышающим значение шага сетки частот выходного сигнала. Такие синтезаторы получили название дробные-N ССЧ.To eliminate the contradiction between the frequency resolution and phase noise, methods have been developed that use dividers with a fractionally variable division coefficient (DDPKD) in the feedback circuit, which realize the division value below the decimal point. The result is the operation of the PLL with the value of the reference frequency far exceeding the value of the step of the frequency grid of the output signal. Such synthesizers are called fractional-N MSS.

В дробном-N ССЧ происходит периодическое изменение коэффициента деления таким образом, что в среднем получается эффект деления на число содержащее дробную часть. В простейшем случае, за период управляющей последовательности Tm выполняется F делений со значением N+1 и М - F делений со значением N. Выходная частота ГУН Fvco рассчитывается по формулеIn fractional N NSS, a periodic change in the division coefficient occurs in such a way that, on average, the effect of division by a number containing a fractional part is obtained. In the simplest case, for the period of the control sequence Tm, F divisions with the value N + 1 and M - F divisions with the value N are performed. The output frequency of the VCO Fvco is calculated by the formula

F V C O = F R E F × ( N + F M )

Figure 00000001
F V C O = F R E F × ( N + F M )
Figure 00000001

где Fref - значение опорной частоты, М - модуль дробности, равный количеству периодов частоты Fref в периодической управляющей последовательности Tm. Значение шага сетки частот выходного сигнала Fvco равно значению опорной частоты деленному на модуль дробности.where Fref is the value of the reference frequency, M is the modulus of fragmentation, equal to the number of frequency periods Fref in the periodic control sequence Tm. The value of the step of the frequency grid of the output signal Fvco is equal to the value of the reference frequency divided by the fractional modulus.

Результатом периодического изменения коэффициентов деления в ДДПКД являются периодические фазовые ошибки в контуре ФАПЧ, получившие название помех дробности. Помехи дробности приводят к отклонениям мгновенной фазы выходного сигнала ГУН от идеального положения во времени и, как следствие, к появлению в его спектре паразитных гармоник.The result of a periodic change in the division coefficients in the DDPCD are periodic phase errors in the PLL loop, called the fragmentation noise. Fractional interference leads to deviations of the instantaneous phase of the output VCO signal from the ideal position in time and, as a result, to the appearance of spurious harmonics in its spectrum.

Таким образом, развитие методов компенсации эффекта помех дробности в контуре ФАПЧ является одним из основных направлений в технике проектирования дробных-N ССЧ.Thus, the development of methods for compensating for the effect of interference of fractionality in the PLL circuit is one of the main directions in the design technique of fractional-N MSS.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является схема ССЧ на базе контура ФАПЧ с компенсацией помех дробности описанная в патенте США №6639475 В2 «PLL Circuity МПК H03L 7/00 [1]. Эта схема выбрана в качестве прототипа заявляемого изобретения и изображена на фиг.1.The closest technical solution to the claimed invention is a frequency response circuit based on a PLL with compensation for fragmentation noise described in US patent No. 6639475 B2 "PLL Circuity IPC H03L 7/00 [1]. This scheme is selected as a prototype of the claimed invention and is shown in figure 1.

Схема изобретения [1] имеет первый (Fref), второй (N) и третий (F) входы и выход Fvco. В состав схемы изобретения [1] входят:The circuit of the invention [1] has a first (Fref), second (N) and third (F) inputs and output Fvco. The composition of the scheme of the invention [1] includes:

1 - импульсный частотно-фазовый детектор (ИЧФД), сравнивающий фазу сигнала Fref опорной частоты и фазу сигнала Ffb частоты обратной связи и вырабатывающий сигналы Up и Dn в соответствии с фазовой разностью;1 - pulse frequency-phase detector (ICPD), comparing the phase of the signal Fref of the reference frequency and the phase of the signal Ffb of the feedback frequency and generating signals Up and Dn in accordance with the phase difference;

2 - источник тока накачки заряда (ИТНЗ), вырабатывающий выходной ток Io в соответствии с выходными сигналами ИЧФД;2 - a source of charge pump current (ITNZ), which generates an output current Io in accordance with the output signals of the ICPD;

3 - емкостной элемент, подключенный к выходу ИТНЗ для формирования сигнала управления Vc;3 - capacitive element connected to the output of ITNZ for the formation of the control signal Vc;

4 - элемент коммутации, подключенный первым выводом к выходу ИТНЗ и управляемый сигналом Sw так, что переводится в разомкнутое состояние, когда ИТНЗ вырабатывает выходной ток;4 - switching element connected by the first output to the output of the ITNZ and controlled by the Sw signal so that it is transferred to the open state when the ITNZ produces an output current;

5 - фильтр контура управления (ФКУ), подключенный к второму выводу элемента коммутации (сигнал Vf) и вырабатывающий сигнал управления Vvco;5 - filter control loop (PKU) connected to the second output of the switching element (signal Vf) and generating a control signal Vvco;

6 - генератор, управляемый напряжением (ГУН), вырабатывающий выходной сигнал Fvco с частотой в соответствии с выходным сигналом ФКУ;6 - voltage-controlled oscillator (VCO) generating an output signal Fvco with a frequency in accordance with the output signal of the FCU;

7 - делитель с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД), осуществляющий деление выходной частоты ГУН на коэффициент, определяемый значением N и состоянием сигнала управления OVER, и вырабатывающий сигнал Ffb частоты обратной связи;7 - a divider with a fractionally variable division coefficient (DDPKD), dividing the output frequency of the VCO by a coefficient determined by the value of N and the state of the OVER control signal, and generating a feedback frequency signal Ffb;

8 - схема управления значением коэффициента деления (УКД) в ДДПКД, накапливающая значение фазовой ошибки дробности Fc в пропорции к одному периоду выходной частоты ГУН, и вырабатывающая сигнал управления OVER для формирования дробности деления, заданной значением F;8 is a diagram of controlling the value of the division coefficient (UKD) in the DPCD, accumulating the value of the phase error of the fractionality Fc in proportion to one period of the output frequency of the VCO, and generating the control signal OVER to form the division fractionation specified by the value F;

9 - источник тока компенсации дробности (ИТКД), подключенный к второму выводу Vf элемента коммутации и вырабатывающий ток Ic в соответствии с значением накопленной фазовой ошибки Fc.9 is a fragmentation compensation current source (ICCD) connected to the second terminal Vf of the switching element and generating current Ic in accordance with the value of the accumulated phase error Fc.

На фиг.2А представлена типовая структурная схема УКД дробного-N ССЧ, основанная на сумматоре (81), выходное значение Fc которого увеличивается на F по сигналу Ffb. При переполнении сумматор вырабатывает сигнал OVER.On figa presents a typical block diagram of the UKD fractional-N MSC based on the adder (81), the output value of Fc which increases by F on the signal Ffb. When overflowing, the adder generates an OVER signal.

Для формирования выходного тока компенсации Ic в схеме ИТКД используется амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), широтно-импульсная модуляция (ШИМ) или их комбинация. Основным требованием является равенство площадей импульсов тока компенсации Ic и выходного тока Io схемы ИТНЗ.In order to generate the output compensation current Ic in the ICTD scheme, pulse-amplitude modulation (AIM), pulse-width modulation (PWM), or a combination thereof is used. The main requirement is the equality of the areas of the pulses of the compensation current Ic and the output current Io of the ITNZ circuit.

На фиг.2Б представлена типовая структурная схема ИТКД дробного-N ССЧ, основанная на АИМ тока компенсации. Длительность Тс импульса тока компенсации равна одному периоду Tvco выходной частоты ГУН. Амплитуда Ic импульса тока компенсации равна амплитуде Io выходного тока ИТНЗ деленной на модуль дробности М и умноженной на выходное значение Fc схемы УКД. Основным ограничением использования АИМ является точность установления амплитуды Ic тока компенсации при больших значениях модуля дробности.On figb presents a typical block diagram of ITKD fractional-N MSC based on the AIM current compensation. The duration Tc of the compensation current pulse is equal to one period Tvco of the output frequency of the VCO. The amplitude Ic of the compensation current pulse is equal to the amplitude Io of the ITNZ output current divided by the fractional modulus M and multiplied by the output value Fc of the UCD circuit. The main limitation of the use of AIM is the accuracy of establishing the amplitude Ic of the compensation current for large values of the modulus of fractionality.

На фиг.2В представлена типовая структурная схема ИТКД дробного-N ССЧ, основанная на ШИМ тока компенсации. Длительность Тс импульса тока компенсации равна длительности периода Tvco выходной частоты ГУН умноженной на выходное значение Fc схемы УКД. Амплитуда Ic импульса тока компенсации равна амплитуде Io выходного тока ИТНЗ деленной на модуль дробности М. Основным ограничением использования ШИМ является невозможность установки значения модуля дробности М больше значения целой части N коэффициента ДДПКД, а так же, как и при АИМ, точность установления амплитуды Ic тока компенсации при больших значениях модуля дробности.On figv presents a typical block diagram of the ICD fractional-N MSC based on the PWM current compensation. The duration Tc of the compensation current pulse is equal to the duration Tvco of the output VCO frequency multiplied by the output value Fc of the RCD circuit. The amplitude Ic of the compensation current pulse is equal to the amplitude Io of the output current of the ITNZ divided by the fractional modulus M. The main limitation of the use of PWM is the impossibility of setting the value of the fractional modulus M greater than the integer part N of the DDPKD coefficient, and, as with AIM, the accuracy of establishing the amplitude of compensation for large values of the modulus of fractionality.

Для решения ограничений, накладываемых на значение модуля дробности М, широко используется комбинированное АИМ и ШИМ управление при формировании тока компенсации.To solve the restrictions imposed on the value of the fractional modulus M, the combined AIM and PWM control are widely used in the formation of the compensation current.

На фиг.3 представлены диаграммы, поясняющие процесс компенсации помех дробности в контуре ФАПЧ дробного-N ССЧ изобретения [1] на примере АИМ тока компенсации при значении дробности F, равной 3/8.Figure 3 presents diagrams explaining the process of compensating for the interference of fractionality in the PLL of a fractional-N MSS of the invention [1] using the example of AIM of the compensation current with a fractional value F equal to 3/8.

Пусть контур ФАПЧ находится в установившемся режиме. Так как среднее значение коэффициента деления является не целым числом, внутри периодической управляющей последовательности Tm фазы сигналов Fref опорной частоты и Ffb частоты обратной связи не совпадают, что приводит к ШИМ выходного тока ИТНЗ I0. Величина модуляции пропорциональна фазовой ошибке, вызванной дробным делением. При каждом такте сравнения фаз в ИЧФД содержимое Fc сумматора схемы УКД увеличивается на дробное приращение F. Когда значение в сумматоре достигает значения модуля дробности, вырабатывается сигнал OVER переполнения сумматора, под управлением которого коэффициент деления в ДДПКД меняется с N на N+1. Значение Fc используется при формировании схемой ИТКД тока 1 с для компенсации тока I0, вызванного фазовой ошибкой дробности коэффициента деления в ДДПКД.Let the PLL loop be in steady state. Since the average value of the division coefficient is not an integer, inside the periodic control sequence Tm, the phases of the signals Fref of the reference frequency and Ffb of the feedback frequency do not coincide, which leads to the PWM output current of the ITNZ I0. The magnitude of the modulation is proportional to the phase error caused by fractional division. At each phase of the phase comparison in the ICPD, the content Fc of the adder of the UCF scheme increases by a fractional increment F. When the value in the adder reaches the value of the modulus of fragmentation, an overflow signal of the adder is generated, under which the division coefficient in the DDCA changes from N to N + 1. The value of Fc is used when the ITKD circuit generates a current of 1 s to compensate for the current I0 caused by a phase error in the fractionality of the division coefficient in the DDPKD.

Сигнал Sw управляет элементом коммутации так, что когда выходной ток I0 схемы ИТНЗ находится в активном состоянии, элемент коммутации разомкнут.После замыкания элемента коммутации, начинается переходной процесс сложения зарядов вызванных выходными токами схем ИТПЗ и ИТКД по окончании которого потенциал напряжения сигнала Vf, поступающего на ФКУ, возвращается к первоначальному состоянию. Однако, отсутствие противоположного взаимодействия токов ИТНЗ и ИТКД на емкостном элементе когда токи одновременно активны приводит к переходному процессу взаимной компенсации вносимых ими зарядов после замыкания элемента коммутации, что вызывает остаточные пульсации сигнала Vf. Наличие остаточных пульсаций помех дробности в сигнале управления ГУН, является недостатком изобретения [1].The signal Sw controls the switching element so that when the output current I0 of the ITNZ circuit is in the active state, the switching element is open. After the switching element is closed, the transient process of adding up the charges caused by the output currents of the ITPL and ICTD circuits begins, after which the voltage potential of the signal Vf supplied to PKU, returns to its original state. However, the absence of the opposite interaction between the ITNZ and ITKD currents on the capacitive element when the currents are simultaneously active leads to a transient process of mutual compensation of the charges introduced by them after the switching element is closed, which causes residual ripple of the Vf signal. The presence of residual ripple interference noise fragmentation in the VCO control signal is a disadvantage of the invention [1].

В случае использования ШИМ при формировании тока компенсации длительность переходного процесса взаимной компенсации увеличится из-за меньшей амплитуды тока Ic.In the case of using PWM in the formation of the compensation current, the duration of the transient process of mutual compensation will increase due to the lower current amplitude Ic.

При последующей фильтрации сигнала Vf за счет уменьшения полосы пропускания ФКУ можно значительно уменьшить амплитуду остаточных пульсаций. Однако, по принципу действия контура ФАПЧ, меньшая полоса пропускания ФКУ увеличит прохождение в выходной сигнал ССЧ собственных низкочастотных шумов ГУН.Subsequent filtering of the Vf signal by reducing the passband of the PCF can significantly reduce the amplitude of the residual ripple. However, according to the principle of operation of the PLL, a smaller passband of the PCF will increase the passage of the own low-frequency VCO noise to the output signal of the MSS.

Техническим результатом настоящего изобретения является устранение остаточных пульсаций помех дробности в сигнале управления ГУН контура ФАПЧ дробного-N ССЧ при использовании схем компенсации, помех дробности, основанных на АИМ или ШИМ тока компенсации.The technical result of the present invention is the elimination of residual ripple interference noise fragmentation in the control signal VCO loop PLL fractional-N MSS when using compensation schemes, noise fragmentation based on AIM or PWM compensation current.

Технический результат достигается за счет того, что когда токи помех дробности или компенсации дробности, находясь в активном состоянии, изменяют потенциал напряжения емкостного элемента, элемент коммутации размыкает контур ФАПЧ. Замыкание контура происходит после окончания переходного процесса взаимной компенсации зарядов на емкостном элементе, вносимых названными токами. Для этого в схеме дробного-N ССЧ изобретения [1], имеющей первый (Fref), второй (N) и третий (F) входы, выход Fvco и включающей: ИЧФД (1), сравнивающий фазу сигнала опорной частоты Fref и фазу сигнала частоты обратной связи Ffb и вырабатывающий сигналы Up и Dn в соответствии с фазовой разностью; ИТНЗ (2), вырабатывающий выходной ток I0 в соответствии с выходными сигналами ИЧФД; емкостный элемент (3), подключенный к выходу ИТНЗ для формирования сигнала управления Vc; элемент коммутации (4), подключенный первым выводом к выходу ИТНЗ и управляемый сигналом Sw так, что переводится в разомкнутое состояние, когда ИТНЗ вырабатывает выходной ток; ФКУ (5), подключенный к второму выводу элемента коммутации (сигнал Vf) и вырабатывающий сигнал управления Vvco; ГУН (6), вырабатывающий выходной сигнал Fvco с частотой в соответствии с выходным сигналом ФКУ; ДДПКД (7), осуществляющий деление выходной частоты ГУН в соответствии с сигналом управления OVER и вырабатывающий сигнал частоты обратной связи; схему УКД (8), накапливающую значение фазовой ошибки дробности Fc в пропорции к одному периоду выходной частоты ГУН, и вырабатывающую сигнал управления OVER для формирования дробности, заданной значением F; ИТКД (9), вырабатывающий ток в соответствии со значением накопленной фазовой ошибки Fc, предложено выход ИТКД подключить к выходу ИТНЗ, при этом элементом коммутации управлять так, что на время перехода выхода ИТКД в активное состояние элемент коммутации переводится в разомкнутое состояние.The technical result is achieved due to the fact that when the interference currents of fractionality or compensation of fractionality, being in the active state, change the voltage potential of the capacitive element, the switching element opens the PLL circuit. The circuit closes after the end of the transient process of mutual compensation of charges on the capacitive element introduced by the named currents. For this, in the fractional-N MSS scheme of the invention [1], having first (Fref), second (N) and third (F) inputs, Fvco output and including: ICPD (1) comparing the phase of the reference frequency signal Fref and the phase of the frequency signal feedback Ffb and generating signals Up and Dn in accordance with the phase difference; ITNZ (2), generating an output current I0 in accordance with the output signals of the ICHFD; a capacitive element (3) connected to the output of the ITNZ to form a control signal Vc; a switching element (4) connected to the output of the ITNZ by the first output and controlled by the Sw signal so that it is switched to the open state when the ITNZ produces an output current; PKU (5) connected to the second output of the switching element (signal Vf) and generating a control signal Vvco; VCO (6), generating an output signal Fvco with a frequency in accordance with the output signal of the PKU; DDPKD (7), dividing the output frequency of the VCO in accordance with the OVER control signal and generating a feedback frequency signal; the UKD circuit (8), accumulating the value of the phase error of the fractionality Fc in proportion to one period of the output frequency of the VCO, and generating the control signal OVER to form the fractionality specified by the value of F; The ICTD (9), which generates current in accordance with the value of the accumulated phase error Fc, it is proposed to connect the ITCD output to the ITNZ output, while controlling the switching element so that the switching element is switched to the open state during the transition of the ITCD output to the active state.

В результате к моменту окончания действия тока компенсации выходные токи ИТНЗ и ИТКД, складываясь на емкостном элементе, полностью компенсируют заряды, вносимые друг другом, и напряжение на емкостном элементе вернется к состоянию, которое было до размыкания элемента коммутации. Следовательно, вход ФКУ подключится обратно к емкостному элементу уже после окончания на нем переходного процесса компенсации помех дробности и, таким образом, пульсации напряжения в сигнале управления ГУН будут устранены. На время размыкания контура ФАПЧ, потенциал управляющего напряжения сигнала управления ГУН сохраняется на емкости конденсаторов ФКУ.As a result, by the end of the compensation current, the output currents of the ITNZ and ITKD, folding on the capacitive element, completely compensate for the charges introduced by each other, and the voltage on the capacitive element returns to the state that was before the switching element opened. Consequently, the input of the FCU will be connected back to the capacitive element after the transition process of compensating for the fragmentation noise on it and, thus, the voltage ripple in the VCO control signal is eliminated. At the time of opening the PLL, the potential of the control voltage of the VCO control signal is stored on the capacitance of the capacitors of the FCU.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:The invention is illustrated by the following graphic materials:

Фиг.1. Схема ССЧ на базе контура ФАПЧ с компенсацией помех дробности, представленная в изобретении [1], выбранного в качестве прототипа заявляемого изобретения.Figure 1. The SCN circuit based on the PLL with compensation for fragmentation noise presented in the invention [1], selected as a prototype of the claimed invention.

Фиг.2А. Типовая структурная схема УКД дробного-N ССЧ.Figa. Typical block diagram of a fractional N-UCC.

Фиг.2Б. Типовая структурная схема ИТКД дробного-N ССЧ, основанная на АИМ тока компенсации.Figb. A typical block diagram of the ICD fractional-N MSC based on AIM current compensation.

Фиг.2В. Типовая структурная схема ИТКД дробного-N ССЧ, основанная на ШИМ тока компенсации.Figv. A typical block diagram of the ICD fractional-N MSC based on PWM current compensation.

Фиг.3. Диаграммы, поясняющие процесс компенсации помех дробности в контуре ФАПЧ дробного-N ССЧ изобретения [1] на примере АИМ тока компенсации при значении дробности F равной 3/8.Figure 3. Diagrams explaining the process of compensating for the interference of the fractionality in the PLL of the fractional-N MSS of the invention [1] by the example of the AIM of the compensation current with the value of the fractionality F equal to 3/8.

Фиг.4. Схема ССЧ на базе контура ФАПЧ с компенсацией помех дробности, заявляемая в данном изобретении.Figure 4. The SCN circuit based on the PLL with the compensation of noise fragmentation, claimed in this invention.

Фиг.5. Диаграммы, поясняющие процесс компенсации помех дробности в схеме контура ФАПЧ дробного-N ССЧ, заявляемой в данном изобретении, на примере АИМ тока компенсации при значении дробности F, равной 3/8.Figure 5. Diagrams explaining the process of compensating for the interference of fractionality in the PLL circuit of a fractional-N MSS claimed in this invention, using the example of the AIM of the compensation current with a fractional value F equal to 3/8.

Фиг.6А. Спектрограмма выходного сигнала дробного-N ССЧ частотой 166 МГц при разрешении 1 МГц на деление.Figa. The spectrogram of the output signal of the fractional-N MSS with a frequency of 166 MHz at a resolution of 1 MHz per division.

Фиг.6Б. Спектрограмма выходного сигнала дробного-N ССЧ частотой 166 МГц при разрешении 50 кГц на деление.Figb. The spectrogram of the output signal of the fractional-N MSS with a frequency of 166 MHz at a resolution of 50 kHz per division.

Схема ССЧ на базе контура ФАПЧ с компенсацией помех дробности, заявляемая в данном изобретении, представлена на фиг.4. Схема имеет первый (Fref), второй (N) и третий (F) входы, выход Fvco и включает ИЧФД (1), имеющий первый вход Fref, второй вход Ffb, первый выход Up и второй выход Dn; ИТНЗ (2), имеющий первый вход Up, второй вход Dn и выход I0; емкостный элемент (3), имеющий вывод Vc; элемент коммутации (4), имеющий вход управления Sw и первый и второй выводы; ФКУ (5), имеющий вход Vf и выход Vvco; ГУН (6), имеющий вход Vvco и выход Fvco; ДДПКД (7), имеющий первый вход Fvco, второй вход N, третий вход OVER и выход Ffb; схему УКД (8), имеющую вход F, первый выход OVER и второй выход Fc; ИТКД (9), имеющий вход Fc и выход Ic.The SCN circuit based on the PLL with the compensation of noise fragmentation, claimed in this invention, is presented in figure 4. The circuit has first (Fref), second (N) and third (F) inputs, an Fvco output and includes an ICPD (1) having a first input Fref, a second input Ffb, a first output Up and a second output Dn; ITNZ (2) having a first input Up, a second input Dn and an output I0; a capacitive element (3) having a terminal Vc; a switching element (4) having a control input Sw and first and second terminals; PKU (5) having an input Vf and an output Vvco; A VCO (6) having a Vvco input and an Fvco output; DDPKD (7) having a first input Fvco, a second input N, a third input OVER and an output Ffb; a UKD circuit (8) having an input F, a first output OVER and a second output Fc; ITKD (9), having input Fc and output Ic.

На первый вход схемы ИЧФД подается сигнал опорной частоты с первого входа Fref устройства. Второй вход схемы ИЧФД подключен к выходу Ffb схемы ДДПКД. Выходы Up и Dn схемы ИЧФД соединены с соответствующими входами схемы ИТНЗ. Выходы схем ИТНЗ и ИТКД, вывод Vc емкостного элемента и первый вывод элемента коммутации соединены между собой. Второй вывод элемента коммутации соединен с входом схемы ФКУ, выход которой соединен с входом Vvco схемы ГУН. Выход схемы ГУН, первый вход схемы ДДПКД и выход Fvco устройства соединены между собой. На второй вход схемы ДДПКД подается значение целой части коэффициента деления с второго входа N устройства. Третий вход схемы ДДПКД подключен в первому выходу схемы УКД. На вход схемы УКД подается значение дробной части коэффициента деления с третьего входа F устройства. Вход схемы ИТКД подключен к второму выходу Fc схемы УКД.The reference frequency signal from the first input Fref of the device is supplied to the first input of the ICHPD circuit. The second input of the ICHPD circuit is connected to the output Ffb of the DDPKD circuit. The outputs Up and Dn of the ICHPD circuit are connected to the corresponding inputs of the ITNZ circuit. The outputs of the ITNZ and ITKD circuits, the output Vc of the capacitive element and the first output of the switching element are interconnected. The second output of the switching element is connected to the input of the FCU circuit, the output of which is connected to the Vvco input of the VCO circuit. The output of the VCO circuit, the first input of the DDPKD circuit and the output of the Fvco device are interconnected. The value of the integer part of the division coefficient from the second input N of the device is supplied to the second input of the DDPKD circuit. The third input of the DDPKD circuit is connected to the first output of the UKD circuit. The value of the fractional part of the division coefficient from the third input F of the device is supplied to the input of the UKD circuit. The input of the ICTD circuit is connected to the second output Fc of the ACD circuit.

Устройство работает следующим образом. Схема ИЧФД сравнивает фазу сигнала Fref опорной частоты и фазу сигнала Ffb частоты обратной связи и вырабатывает сигналы Up и Dn в соответствии с фазовой разностью. По этим сигналам схема ИТНЗ вырабатывает выходной ток I0, под действием которого, совместно с выходным током Ic схемы ИТКД, на емкостном элементе формируется потенциал напряжения сигнала Vc. Сигнал Sw управляет элементом коммутации так, что переводит его в разомкнутое состояние на время, когда выходные токи схем ИТНЗ или ИТКД находятся в активном состоянии, и в замкнутое состояние, когда выходы схем ИТНЗ и ИТКД выключены. На выходе схемы ФКУ формируется сигнал Vvco, являющийся управляющим для ГУН. Сигнал Fvco выходной частоты ГУН поступает на схему ДДПКД, осуществляющую деление на N или N+1 в зависимости от состояния сигнала управления OVER, и вырабатывающую сигнал Ffb частоты обратной связи. При каждом такте сравнения фаз в ИЧФД схема УКД накапливает значение фазовой ошибки Fc в пропорции к одному периоду выходной частоты ГУН и вырабатывает сигнал OVER для формирования дробности, заданной значением F. Схема ИТКД в соответствии со значением Fc накопленной фазовой ошибки вырабатывает ток Ic для компенсации импульсов тока I0 ИТНЗ, вызванных дробным делением в ДДПКД.The device operates as follows. The ICPD scheme compares the phase of the reference signal Fref and the phase of the feedback frequency signal Ffb and generates the signals Up and Dn in accordance with the phase difference. Based on these signals, the ITNZ circuit generates an output current I0, under the action of which, together with the output current Ic of the ITKD circuit, the signal voltage potential Vc is formed on the capacitive element. The Sw signal controls the switching element so that it switches to the open state for the time when the output currents of the ITNZ or ITKD circuits are in the active state, and to the closed state when the outputs of the ITNZ and ITKD circuits are off. At the output of the PCF circuit, a Vvco signal is generated, which is the control signal for the VCO. The signal Fvco of the output frequency of the VCO is supplied to the DPCD circuit, dividing by N or N + 1 depending on the state of the OVER control signal, and generating a feedback frequency signal Ffb. At each phase of the phase comparison in the ICPD, the UCF circuit accumulates the phase error value Fc in proportion to one period of the VCO output frequency and generates an OVER signal to form the fractionality specified by the value F. The ICD circuit, in accordance with the Fc value of the accumulated phase error, generates a current Ic for pulse compensation current I0 ITNZ caused by fractional division in DDPKD.

На фиг.5 представлены диаграммы, поясняющие процесс компенсации помех дробности в схеме контура ФАПЧ дробного-N ССЧ, заявляемой в данном изобретении, на примере АИМ тока компенсации при значении дробности F равной 3/8.Figure 5 presents diagrams explaining the process of compensating for the interference of fractionality in the PLL circuit of a fractional-N MSS claimed in this invention, using the example of an AIM of the compensation current with a fractional value F equal to 3/8.

Пусть контур ФАПЧ находится в установившемся режиме. Так как среднее значение коэффициента деления является не целым числом, внутри периодической управляющей последовательности Tm фазы сигналов Fref опорной частоты и Ffb частоты обратной связи не совпадают, что приводит к ШИМ выходного тока ИТНЗ I0. Величина модуляции пропорциональна фазовой ошибке, вызванной дробным делением. Когда значение в сумматоре схемы УКД достигает значения модуля дробности, вырабатывается сигнал OVER переполнения сумматора, под управлением которого коэффициент деления в ДДПКД меняется с N на N+1. Значение Fc используется при формировании схемой ИТКД тока Ic для компенсации тока Io, вызванного фазовой ошибкой дробности коэффициента деления в ДДПКД.Let the PLL loop be in steady state. Since the average value of the division coefficient is not an integer, inside the periodic control sequence Tm, the phases of the signals Fref of the reference frequency and Ffb of the feedback frequency do not coincide, which leads to the PWM output current of the ITNZ I0. The magnitude of the modulation is proportional to the phase error caused by fractional division. When the value in the adder of the UCD scheme reaches the value of the modulus of fragmentation, an overflow signal of the adder is generated, under the control of which the division coefficient in the DDPCD changes from N to N + 1. The value of Fc is used when the IKD circuit generates a current Ic to compensate for the current Io caused by a phase error in the fractionality of the division coefficient in the DDPKD.

На время активного состояния выходов ИТНЗ и ИТКД элемент коммутации переводится в разомкнутое состояние. При этом выходные токи ИТНЗ и ИТКД, складываясь на емкостном элементе (сигнал Vc), полностью компенсируют заряды вносимые друг другом так, что после окончания действия тока компенсации потенциал напряжения на емкостном элементе вернется к состоянию, которое было до размыкания элемента коммутации. Таким образом вход ФКУ подключается обратно к емкостному элементу уже после окончания на нем переходного процесса компенсации помех дробности, в результате чего пульсации напряжения сигнала Vf будут устранены. На время размыкания контура ФАПЧ, потенциал управляющего напряжения сигнала управления ГУН сохраняется на емкости конденсаторов ФКУ.During the active state of the outputs of the ITNZ and ITKD, the switching element is switched to the open state. In this case, the output currents of the ITNZ and ITKD, folding on the capacitive element (signal Vc), completely compensate for the charges introduced by each other so that after the compensation current is over, the voltage potential on the capacitive element will return to the state that was before the switching element was opened. Thus, the input of the PCF is connected back to the capacitive element after the transition process of compensating for the fragmentation noise on it ends, as a result of which the voltage ripple of the signal Vf will be eliminated. At the time of opening the PLL, the potential of the control voltage of the VCO control signal is stored on the capacitance of the capacitors of the FCU.

Для иллюстрации качества компенсации помех дробности в контуре ФАПЧ дробного-N ССЧ, основанного на заявляемом изобретении, на фиг.6А и фиг.6Б представлены спектрограммы выходного сигнала сложно-функционального блока (СФ-блока) синтезаторов сетки тактовых частот для интегрального устройства обработки информации, реализованного по КМОП-технологии 180 нм. Данный СФ-блок построен по двухуровневой схеме. Внешний кварцевый резонатор часов реального времени с частотой 32,768 кГц является опорным для ССЧ первого уровня. ССЧ первого уровня имеет целочисленный коэффициент деления в цепи обратной связи контура ФАПЧ и вырабатывает сигнал в диапазоне частот 16-30 МГц. Далее сигналы нескольких частот, одновременно требуемых для разных блоков устройства обработки информации синтезируются из выходного сигнала ССЧ первого уровня несколькими дробными-N ССЧ второго уровня, имеющими модуль дробности М равный восьми и использующими компенсацию помех дробности, заявляемую в данном изобретении.To illustrate the quality of the compensation for interference of fragmentation in the PLL of a fractional-N MSC based on the claimed invention, FIG. 6A and FIG. 6B show spectrograms of the output signal of a complex functional block (SF block) of clock frequency synthesizers for an integrated information processing device, implemented using CMOS technology 180 nm. This SF block is built according to a two-level scheme. An external quartz resonator of a real-time clock with a frequency of 32.768 kHz is a reference for the first-level NSS. The first-level MSS has an integer division coefficient in the feedback loop of the PLL and generates a signal in the frequency range 16-30 MHz. Further, the signals of several frequencies simultaneously required for different units of the information processing device are synthesized from the output signal of the first level MSS by several fractional-N second-level MSS, having a fractional modulus M equal to eight and using the fractional noise compensation claimed in this invention.

Например, при синтезе сигнала частотой 166 МГц из опорной частоты 32,768 кГц, целочисленный ССЧ первого уровня программируется в соответствии с выражением:For example, when synthesizing a signal with a frequency of 166 MHz from a reference frequency of 32.768 kHz, an integer first-level integer is programmed in accordance with the expression:

F V C O _ 1 = 5 1 3 × 3 2 . 7 6 8 [ к Г ц ] = 1 6 , 8 0 9 9 8 4 [ М Г ц ] .

Figure 00000002
F V C O _ one = 5 one 3 × 3 2 . 7 6 8 [ to G c ] = one 6 , 8 0 9 9 8 four [ M G c ] .
Figure 00000002

Дробный-N ССЧ второго уровня программируется в соответствии с выражениемFractional-N MSS of the second level is programmed in accordance with the expression

F V C O _ 2 = 9 7 8 × F V C O _ 1 = 1 6 5 , 9 9 8 5 9 2 [ М Г ц ]

Figure 00000003
F V C O _ 2 = 9 7 8 × F V C O _ one = one 6 5 , 9 9 8 5 9 2 [ M G c ]
Figure 00000003

При этом нормированная погрешность установки требуемой частоты 166 МГц составляет менее 8,5×10-6.At the same time, the normalized installation error of the required frequency of 166 MHz is less than 8.5 × 10 -6 .

На фиг.6А и фиг.6Б представлены спектрограммы выходного сигнала СФ-блока ССЧ частотой 166 МГц при разрешении 1 МГц и 50 кГц на деление соответственно. Спектральные характеристики синтезируемого сигнала подтверждают устранение остаточных пульсаций напряжения в сигнале управления ГУН контура ФАПЧ дробного-N ССЧ второго уровня.On figa and figb presents spectrograms of the output signal of the SF block of the MSS with a frequency of 166 MHz at a resolution of 1 MHz and 50 kHz per division, respectively. The spectral characteristics of the synthesized signal confirm the elimination of residual voltage ripple in the VCO control signal of the PLL fractional-N MSS of the second level.

С целью ускорения переходных процессов автоподстройки частоты может быть использован следующий алгоритм работы ИЧФД и управления элементом коммутации. Если схема ИЧФД обнаруживает фазовую разность более ± 2π радиан, то ИЧФД управляет схемой ИТНЗ так, что выходной ток I0 вырабатывается непрерывно. При этом элемент коммутации постоянно находится в замкнутом состоянии. Если фазовая разность, обнаруженная схемой ИЧФД, составляет менее ±2π радиан, то осуществляется управление, представленное на фиг.5.In order to accelerate the transient processes of frequency self-tuning, the following algorithm for the operation of the ICPD and the control of the switching element can be used. If the ICPD scheme detects a phase difference of more than ± 2π radians, then the ICPD controls the ITNZ circuit so that the output current I0 is continuously generated. In this case, the switching element is constantly in a closed state. If the phase difference detected by the ICPD circuit is less than ± 2π radian, then the control shown in FIG. 5 is carried out.

Claims (1)

Синтезатор сетки частот, включающий импульсный частотно-фазовый детектор (ИЧФД), сравнивающий фазу сигнала опорной частоты и фазу сигнала частоты обратной связи и вырабатывающий первый и второй сигналы в соответствии с фазовой разностью; источник тока накачки заряда (ИТНЗ), вырабатывающий выходной ток в соответствии с первым и вторым выходными сигналами ИЧФД; емкостной элемент, подключенный к выходу ИТНЗ для формирования третьего сигнала управления; элемент коммутации, подключенный первым выводом к выходу ИТНЗ и управляемый так, что переводится в разомкнутое состояние, когда ИТНЗ вырабатывает выходной ток; фильтр контура управления, подключенный к второму выводу элемента коммутации и вырабатывающий четвертый сигнал управления, основанный на третьем сигнале управления; генератор, управляемый напряжением (ГУН), вырабатывающий выходной сигнал с частотой в соответствии с четвертым сигналом управления; делитель с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД), осуществляющий деление выходной частоты ГУН в соответствии с пятым сигналом управления и вырабатывающий сигнал частоты обратной связи; схему управления значением коэффициента деления в ДДПКД, накапливающую значение фазовой ошибки, вызванной дробным делением, и вырабатывающую пятый сигнал управления; источник тока компенсации дробности (ИТКД), вырабатывающий ток в соответствии со значением накопленной фазовой ошибки, отличающийся тем, что выход ИТКД подключен к выходу ИТНЗ, при этом элемент коммутации управляется так, что на время перехода выхода ИТКД в активное состояние элемент коммутации переводится в разомкнутое состояние. A frequency grid synthesizer including a pulse frequency-phase detector (ICPD) comparing the phase of the reference frequency signal and the phase of the feedback frequency signal and generating the first and second signals in accordance with the phase difference; a charge pump current source (TEC) generating an output current in accordance with the first and second output signals of the ICPD; a capacitive element connected to the output of ITNZ to form a third control signal; a switching element connected by the first output to the output of the ITNZ and controlled so that it is transferred to the open state when the ITNZ generates an output current; a control loop filter connected to a second terminal of the switching element and generating a fourth control signal based on the third control signal; a voltage controlled oscillator (VCO) generating an output signal with a frequency in accordance with a fourth control signal; a divider with a fractionally variable division coefficient (DDPKD), dividing the output frequency of the VCO in accordance with the fifth control signal and generating a feedback frequency signal; the control circuit of the value of the division coefficient in DDPKD, accumulating the value of the phase error caused by fractional division, and generating the fifth control signal; fractional current compensation source (ITKD) generating a current in accordance with the accumulated phase error value, characterized in that the ITKD output is connected to the ITNZ output, while the switching element is controlled so that for the time the ITKD output goes into active state, the switching element is switched to open state.
RU2012141532/08A 2012-10-01 2012-10-01 Phase-locked loop based frequency grid synthesiser with fractionality noise compensation RU2491713C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012141532/08A RU2491713C1 (en) 2012-10-01 2012-10-01 Phase-locked loop based frequency grid synthesiser with fractionality noise compensation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012141532/08A RU2491713C1 (en) 2012-10-01 2012-10-01 Phase-locked loop based frequency grid synthesiser with fractionality noise compensation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2491713C1 true RU2491713C1 (en) 2013-08-27

Family

ID=49163944

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012141532/08A RU2491713C1 (en) 2012-10-01 2012-10-01 Phase-locked loop based frequency grid synthesiser with fractionality noise compensation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2491713C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6483388B2 (en) * 2000-06-21 2002-11-19 Research In Motion Limited Direct digital frequency synthesizer and a hybrid frequency synthesizer combining a direct digital frequency synthesizer and a phase locked loop
US6639475B2 (en) * 2001-04-13 2003-10-28 Texas Instruments Incorporated PLL circuit
RU2402868C1 (en) * 2009-06-01 2010-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский Приборостроительный институт "Кварц" (ФГУП "ННИПИ КВАРЦ") Synthesiser of uhf frequencies with low level of phase noise
RU2434322C1 (en) * 2010-06-23 2011-11-20 Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" Frequency synthesizer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6483388B2 (en) * 2000-06-21 2002-11-19 Research In Motion Limited Direct digital frequency synthesizer and a hybrid frequency synthesizer combining a direct digital frequency synthesizer and a phase locked loop
US6639475B2 (en) * 2001-04-13 2003-10-28 Texas Instruments Incorporated PLL circuit
RU2402868C1 (en) * 2009-06-01 2010-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский Приборостроительный институт "Кварц" (ФГУП "ННИПИ КВАРЦ") Synthesiser of uhf frequencies with low level of phase noise
RU2434322C1 (en) * 2010-06-23 2011-11-20 Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" Frequency synthesizer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100847687B1 (en) Frequency Synthesizer and Frequency Calibration Method
US6919744B2 (en) Spectrum profile control for a PLL and the like
JP3796109B2 (en) Phase-locked loop with digitally controlled frequency multiplication oscillator
US6914464B2 (en) Phase locked loop circuit using fractional frequency divider
US6943598B2 (en) Reduced-size integrated phase-locked loop
WO2004107576A1 (en) Relaxation oscillator with propogation delay compensation for improving linearity and maximum frequency
JPS6256689B2 (en)
US8547150B2 (en) Phase-locked loop with two negative feedback loops
JP2007189455A (en) Phase comparison circuit, and pll frequency synthesizer using same
AU639850B2 (en) Parameter tolerant pll synthesizer
US7741919B2 (en) Architecture for maintaining constant voltage-controlled oscillator gain
RU2491713C1 (en) Phase-locked loop based frequency grid synthesiser with fractionality noise compensation
RU2602991C1 (en) High-speed frequency synthesiser
RU2370885C1 (en) Frequency synthesiser with lower level of phase noises
KR101344893B1 (en) Phase locked loop circuit comprising voltage controlled oscillator having variable gain
WO2006036749A3 (en) Apparatus and method of oscillating wideband frequency
CN116667846B (en) Frequency synthesis circuit
Khalil et al. Analysis and modeling of noise folding and spurious emission in wideband fractional-N synthesizers
JP2001237700A (en) Phase-locked loop circuit
JPH0267822A (en) Frequency synthesizer
Zaytsev Research on phase-frequency detector algorithms for fast locking PLL frequency synthesizers
Ghasemzadeh et al. A novel method in fractional synthesizers for a drastic decrease in lock time
JP2012199894A (en) Pll frequency synthesizer
JPH04324716A (en) Frequency synthesizer
Toihria et al. Analysis of a Third-Order Charge-Pump Phase-Locked Loops used for Wireless Sensor Transceiver

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171002