WO2001013517A2

WO2001013517A2 - Ladungspumpe

Info

Publication number: WO2001013517A2
Application number: PCT/DE2000/002791
Authority: WO
Inventors: Timo Gossmann; Hans-Eberhard Kroebel; Markus Scholz
Original assignee: Infineon Technologies Ag
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2001-02-22
Also published as: US20020113631A1; DE19939104A1; JP2003507918A; US6509770B2; JP3653496B2; EP1205028B1; EP1205028A2; DE50008346D1; WO2001013517A3

Abstract

Schaltungsanordnung einer Ladungspumpe, bei der zusätzlich eine Referenzstufe (6) vorgesehen ist, in welcher die Endstufe (5) der Zweige (1, 2), zumindest bezüglich der ausgangsseitigen Transistoren (mn2, mp2), nachgebildet ist, wobei an der Referenzstufe (6) ein dem Fehlerstrom (i_fehler) nachgebildeter äquivalenter Symetriestrom (i_sym) generiert wird, welcher ein Mittel (7) zur Regelung des zweiten Zweiges (2) steuert.

Description

Beschreibung

Ladungspumpe

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung einer Ladungspumpe mit einer Eingangsseite, einer Ausgangsseite und mit mindestens einem Stromspiegel und einem Transistor, welche einem Quellen-Zweig zur Erzeugung eines Quellen-Stromes und einem Senken-Zweig zur Erzeugung eines Senken-Stromes zu- geordnet sind, wobei mindestens ein Zweig über einen ein- gangsseitigen Transistor verfügt und die beiden Zweige als Endstufe jeweils zumindest einen ausgangsseitigen Transistor und einen Schaltungstransistor aufweisen, wobei ein erster Zweig über einen Referenzstrom gesteuert wird.

Beim Einsatz einer Phasenregelschleife (PLL=Phase Locked Loop) ist es das Ziel, mit Hilfe einer hochgenauen Referenzfrequenz eine weitere hochgenaue und stabile Frequenz F_VCo an einem Oszillator VCO zu erzeugen, welche sich gegebenenfalls von der ursprünglichen Referenzfrequenz unterscheiden kann. Eine beispielhafte Schaltung einer solchen PLL ist in der später beschriebenen Figur 5 dargestellt. Dort wird eine meist quarzstabile Frequenz F_q mit einem Frequenzteiler R bis auf eine benötigte Referenzfrequenz F_ref heruntergeteilt. Gleichzeitig wird die Ausgangsfrequenz F_vcc des spannungsge- steuerten Oszillators VCO, mit Hilfe eines weiteren Teilers N auf eine Frequenz F_vco/N heruntergeteilt. Diese beiden geteilten Frequenzen F_ref und F_vco/N werden einem Phasen (-Frequenz- ) Detektor PD zugeführt, in dem sie bezüglich ihrer relativen Phasenlage, das heißt bezüglich einer sich relativ zueinander ändernden Frequenz, verglichen werden. Der Phasen-Detektor PD erzeugt an seinem Ausgang zwei pulsweitenmodulierte Impulsfolgen UP und DOWN, deren Pulsweiten in einer festen Beziehung zum Phasenunterschied der Frequenzen an seinen Eingängen stehen. Wenn die Frequenz F_Vo/N zu hoch gegen F_ref ist, also wenn die Phase der Frequenz F_vco/N der von F_ref voreilt, schaltet der Phasen-Detekor den DOWN-Ausgang gegenüber dem UP-Ausgang länger ein. Das gleiche gilt in umgekehrter Weise, wenn die Pha- se der Frequenz F_VCo/N der Frequenz F_ref nacheilt, dann schaltet der Phasen-Detektor den UP-Ausgang gegenüber dem DOWN- Ausgang länger ein. Bei einer genau gleichen Phasenlage der beiden Eingangsfrequenzen F_ref und F_Vco/N in den Phasen- Detektor PD können an die beiden Ausgänge des Phasen- Detektors entweder keine Impulse oder genau gleich lange Impulse auf dem UP- und DOWN-Ausgang abgegeben werden. Bei der Abgabe genau gleich langer Impulse spricht man von einem sogenannten Anti-Backlash-Puls (ABL-Puls) . Die Erzeugung dieser Impulse beim Vorliegen einer Phasenidentität ist aus dynami- scher Sicht günstiger, als eine Schaltung bei der bei gleicher Phasenlage keiner der beiden Ausgänge eingeschaltet ist.

Die UP- und DOWN-Impulsfolgen steuern eine Ladungspumpe CP an, an deren Ausgang ein Schleifenfilter LF angeschlossen ist, welches wie ein Integrator wirkt. Bei diesem Schleifenfilter LF kann es sich um einen aktiven oder vorzugsweise um einen passiven Filter in der Phasenregelschleife handeln.

Ein Impuls auf der UP-Leitung veranlaßt die Ladungspumpe CP einen Strom einer definierten Größe in das Schleifenfilter LF zu leiten, so daß die Spannung am Schleifenfilter V_F durch die in das Schleifenfilter transportierte Ladungsmenge über die Dauer des UP-I pulses steigt. Dieser Vorgang wird als „Sourcen" bezeichnet und in der Ladungspumpe durch den Quellen-Zweig bewirkt.

Ein Impuls auf der DOWN-Leitung zieht einen Strom aus dem Schleifenfilter LF heraus, so daß die Spannung tendenziell über die Dauer des Impulses fällt. Dieser Vorgang wird als „Sinken" bezeichnet und durch den Senken-Zweig der Ladungspumpe bewirkt. Die mittlere Spannungsänderung am Schleifenfilter wird also bei gleich großen Strömen ausschließlich von der relativen Dauer der UP- und DOWN-Pulse zueinander bestimmt. Bei genau gleichen Phasen der beiden Eingangsfrequenzen F_ref und F_vco/N am Phasen-Detektor, das heißt beim Auftreten des Anti- Backlash-Pulses, sollte sich die Spannung am Schleifenfilter LF idealerweise nicht ändern, da der Nettostrom in das Schleifenfilter gleich Null ist und auch keine Nettoladungs- menge in das Schleifenfilter oder vom Schleifenfilter weg transportiert wird.

Die Spannung v_tune am Ausgang Vι_f, die sich am Schleifenfilter LF einstellt, dient nun als Steuerspannung für den Oszil- lator VCO, dessen Frequenz F_Vco beziehungsweise dessen Phase durch die nun geschlossene Regelschleife an die Phase des Quarzoszillators Q gekoppelt wird. Durch eine Veränderung des Teilerverhältnisses des Teilers N kann die Oszillator- Frequenz F_vco in weiten Bereichen eingestellt werden.

Zu beachten ist hierbei allerdings, daß hierzu die Steuerspannung für den Oszillator, die gleich der Spannung v_tune am Ausgang V_if des Schleifenfilters LF ist, in einem weiten Bereich variiert werden muß, um den spannungsgesteuerten Os- zillator VCO auf der gewünschten Frequenz halten zu können. Idealerweise heißt dies, daß der genutzte Spannungsbereich bis nahe an das Nullpotential und nahe an die Versorgungs- spannung herangehen soll. Dies ist besonders bei portablen Anwendungen wichtig, da dort die Versorgungsspannung durch die zur Verfügung stehenden Akkus im Bereich von 3 Volt liegt. Wichtig ist hierbei auch, daß die Beträge von Quellen- und Senken-Strom gleich groß gehalten werden, da nur dann bei eingerasteter Phasenregelschleife während des ABL-Pulses keine Nettoladung transportiert und der Oszillator VCO nicht verstimmt wird. Bei der im Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnung einer Ladungspumpe, wie sie beispielhaft in der Figur 1 dargestellt ist, weist diese einen Quellen-Zweig auf, bestehend aus PMOS-Tranistoren pl, mp2, mp3, mp4, die einen geschalte- ten Stromspiegel darstellen, der den Strom i_ref_quelle mit einem vorgegebenen Spiegelverhältnis n multipliziert und von der Spannungsversorgung VDD in den Ausgangsanschluß Pdout mit der Spannung v_tune speist, sobald das UP-Ξteuersignal ein logisches LOW-Potenial aufweist. An den UP-Steuereingang wird das invertierte UP-Signal des Phasen-Detektors PD angelegt.

Weiterhin weist diese bekannte Ladungspumpe einen spiegelbildlich zum Quellen-Zweig angeordneten Senken-Zweig, der entsprechend seiner Funktion mit NMOS-Transistoren mnl, mn2, mn3, mn4 ausgestattet ist, die während eines logischen HIGH- Potentials am DOWN-Steueranschluß den mit dem vorgegebenen Spiegelverhältnis n multiplizierten Strom i_ref_senke aus dem Ausgangsanschluß Pdout in Richtung Masse VSS ableitet.

Bei dieser Schaltungsanordnung tritt das Problem auf, daß die Spiegelverhältnisse im Quellen-Zweig und Senken-Zweig nur bei einer einzigen Spannung v_tune am Ausgang Pdout, einer bestimmten Betriebstemperatur und einer bestimmten Konstellation der technologischen Parameter (zum Beispiel Ausgangswider- stand der Transistoren, Einsatzspannung V_τ oder Matching) exakt symmetrisch eingestellt werden können. Aufgrund der Kanallängenmodulation der MOS-Transistoren, der technologischen Streuungen (zum Beispiel Matching) und dem Temperaturverhalten der elektronischen Komponenten, kommt es bei allen ande- ren Spannungen v_tune zu einer Unsymmetrie der Ströme i_quelle und i_senke. So wird zum Beispiel durch den Transi- storausgangswiderstand bei einer größer werdenden Spannung v_tune der Betrag des Senken-Stromes größer und der Betrag des Quellen-Stromes kleiner, während mit kleiner werdender Spannung v_tune der Quellen-Strom i_quelle größer und der Senken-Strom i senke kleiner wird. Für Werte v_tune in der Nähe von VDD beziehungsweise Gnd werden zudem die Ausgangstranistoren mpl beziehungsweise mnl nicht mehr im (tiefen) Sättigungsbereich betrieben, so daß eine merkliche Reduktion des Quellen- beziehungsweise Senken- Stromes die Folge ist.

In der praktischen Ausführung bedeutet dies beispielsweise, daß der Quellen-Strom i_quelle ab Spannungswerten VDD - 0, 4V dramatisch zurück geht und bei v_tune=VDD schließlich 0 ist. Gleiches gilt für den Senken-Strom i_senke, der sich ab ca. 0,4V dramatisch verkleinert und schließlich bei der Spannung v_tune=0V ebenfalls Null wird. In der Praxis bedeutet dies, daß ein Fehlerstrom zwischen Quellen- und Senken-Zweig „i_fehler" bei gleichzeitig aktiven Quellen-_und Senken- Teilen erzeugt wird. Dieser Fehlerstrom steigt also an der Ober- und Untergrenze der Versorgungsspannung extrem an und führt bei v_tune=VDD dazu, daß der Fehlerstrom gleich dem Senken-Strom i_senke wird, da der Quellen-Strom i_quelle gleich 0 wird und umgekehrt bei der Spannung v_tune=0 der Fehlerstrom gleich dem Quellen-Strom i_quelle wird, da der

Senken-Strom i_senke gleich 0 ist. Dies bedeutet also, daß in Spannungsbereichen v_tune nahe VSS beziehungsweise nahe VDD die Symmetrie der Senken-Ströme der Senken-Seite i_senke und der Quellen-Seite i quelle stark gestört sind.

Aufgrund dieses Verhaltens der Schaltungsanordnung mit dem oben geschilderten Symmetrieproblem, ist der nutzbare Bereich für die Abstimmspannung v_tune auf einen relativ engen Wertebereich - um einen mittleren Idealwert herum - begrenzt.

Bezüglich der Anwendung der Ladungspumpe in einem PLL-Kreis bedeutet dies, daß der ABL-Puls nur bei einer einzigen Spannung v_tune keinen Fehlerstrom i_fehler in das Schleifenfilter einspeist. Bei allen anderen Spannungen und damit anderen eingestellten Oszillatorfrequenzen F_VCo kann die Spannung am Schleifenfilter bei jedem PLL-Durchlauf im Mittelwert nur dann konstant gehalten werden, wenn der ABL-Puls verzogen β wird, das heißt, entweder der Quellen- oder der Senken-Teil der Pumpe etwas länger eingeschaltet wird. Nur dann kann die in einem Referenzzyklus im Mittelwert auf das Schleifenfilter transportierte Gesamtladung zu Null werden.

Durch den dann allerdings unsymmetrischen ABL-Puls wird der Spannung v_tune am Ausgang Pdout (Loopfilterspannung) ein transienter periodischer Anteil aufmoduliert, der wiederum den Oszillator VCO dazu veranlaßt, neben seiner Sollfrequenz weitere Nebenfrequenzen im Abstand F_ref von der Hauptfrequenz zu erzeugen. Diese Nebenfrequenzen (Spurs) sind unerwünscht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung für eine Ladungspumpe zu finden, bei der die Spiegelverhält- nisse im Quellen-Zweig und Senken-Zweig, sowohl über einen weiten Bereich der Ausgangsspannung als auch über einen weiten Betriebstemperaturbereich, möglichst symmetrisch ausgebildet sind.

Die Erfinder haben folgendes erkannt:

In der bekannten Schaltungsanordnung werden zur Erzeugung des Quellen- und Senken-Stromes zwei Referenzstrome i_ref_quelle und i_ref_senke generiert und der Ladungspumpen-Endstufe zu- geführt. Diese Ströme werden über den eingestellten Spiegelfaktor n transformiert, so daß gilt i_quelle = n * i_ref_quelle und i_senke = n * i_ref_senke. Die Symmetrierung der Ausgangsströme mit der Bedingung li_quellel = |i senkel erfolgt hier einerseits über die Referenzströme i_ref quelle und i_ref_senke und/oder über die Spiegelfaktoren des Quellen-Zweiges mpl & mp2 zu mp3 & mp4 beziehungsweise des Quellen-Zweiges nl & mn2 zu mn3 & mn4. Veränderungen der Eigenschaften der Transistoren durch gegenüber dem Optimum veränderten Betriebsbedingungen können sich hier sehr leicht nega- tiv auf die Symmetrierung auswirken. Dieser Unsicherheit der Symmetrie der Referenzströme kann erfindungsgemäß dadurch entgangen werden, daß anstelle von zwei Referenzströmen nur ein einziger Referenzstrom generiert wird, der entweder in den Referenzzweig mp3 & mp4 des Quel- len-Zweiges oder in den Referenzzweig mn3 & mn.4 des Senken- Zweiges eingespeist wird. Nun kann zusätzlich eine Referenzschaltung hinzugefügt werden, die die Endstufe der Ladungspumpe exakt nachbildet und deren Ausgang mit der Tuningspannung v_tune vom Ausgang der Ladungspumpe Pdout beaufschlagt wird, so daß ein Symmetriestrom i_sym generiert wird, der den Fehlerstrom i_fehler nachbildet. Die Tuningspannung soll dabei möglichst wenig belastet werden, um sie nicht durch die zusätzlichen Maßnahmen zu verfälschen. Der Symmetriestrom i_sym wird dann gemessen. Der nicht am fester. Referenzstrom hängende Pumpenteil (Quelle oder Senke) wird so nachgeregelt, daß sich ein Symmetriestrom i_sym von Null ergibt. Die Regelung erfolgt über die Gatespannung des freien Zweiges der Endstufe beziehungsweise der Referenzschaltung. Die in dem den Endstufenzweig nachbildenden Referenzweig ebenfalls ent- haltenen Schalttransistoren mn2a und mp2a können in Ausführungsvarianten entweder weggelassen werden, nach innen gelegt werden oder wie beispielsweise in der Figur 4 gezeigt außen eingebaut sein. Ein zu 0 geregelter Symmetriestrom i_sym bewirkt auch einen Fehlerstrom i_fehler von 0, da Endstufe und Referenzschaltung unter gleichen Bedingungen arbeiten.

Es wird also damit das Prinzip der Steuerung beim Stand der Technik durch eine Regelung ersetzt. Die erzielbare Symmetrie ist dann unabhängig von Umgebungseinflüssen und technologi- sehen Schwankungen, um Größenordnungen besser als beim Stand der Technik, und der Aussteuerbereich der Spannung v_tune unter Beibehaltung der Stromsymmetrie wird deutlich erweitert.

Entsprechend diesem Erfindungsgedanken schlagen die Erfinder vor, eine Schaltungsanordnung einer Ladungspumpe mit einer Eingangsseite, einer Ausgangsseite und mit mindestens einem Stromspiegel und einem Transistor, welche einem Quellen-Zweig ) f to ¹ P> cn o tn o tn o tn

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Pufferverstärker, vorzugsweise einen als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker, aufweist. Hierdurch bleibt die Spannung v_tune am Ausgang Pdout weitestgehend unbelastet, wird kopiert und steht der Regelstufe als Hilfsmittel zur Nachbildung des Fehlerstromes i_fehler durch einen Symmetriestrom i_sym zur Verfügung.

Weiterhin kann zwischen der Endstufe und der Referenzschaltung, insbesondere beim Einsatz der Ladungspumpe in einer Phasenregelschleife, ein Schleifenfilter vorgesehen werden.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Fortbildung der Schaltungsanordnung kann vorgesehen werden, daß als Mittel zur Regelung des zweiten Kreises, ein Dämpfungsglied τ am Eingang des Pufferverstärkers oder des als Spannungsfolger geschalte- ten Operationsverstärkers verwendet wird. Mit diesem Dämp- fungsglied τ kann eingestellt werden, wie schnell die Nachregelung des jeweils zweiten Zweiges erfolgt. Erfindungsgemäß kann das Dämpfungsglied τ aus einem Widerstand und einer Kapazität bestehen. Die Zeitkonstante dieses Dämpfungsgliedes sollte dann so eingestellt werden, daß die Regelung schnell genug ist, es aber dennoch nicht zu unerwünschten Schwingneigungen kommt. Das bedeutet, daß bei einem vorhandenen Schleifenfilter diese Zeitkonstante im wesentlichen auf das Schleifenfilter abgestimmt werden muß.

Erfindungsgemäß kann weiterhin der zweite Zweig über einen eingangsseitigen Transistor verfügen, wenn der verwendete Operationsverstärker OP2 einen Stromausgang besitzt. Weiterhin kann die Schaltungsanordnung vorteilhaft dahinge- hend erweitert werden, daß zumindest ein Schaltungstransistor mn2, mp2 zwischen dem Ausgang der Ladungspumpe und dem ausgangsseitigen Transistor mnl, mpl angeordnet ist.

Die Anordnung des mindestens einen Schaltungstransistors mn2, mp2 kann auch so erfolgen, daß zumindest ein ausgangsseitiger Transistor mnl, mpl zwischen dem Ausgang der Ladungspumpe und einem Schaltungstransistor mn2, mp2 angeordnet ist. Weiterhin wird die Schaltungsanordnung bezüglich ihrer Symmetrieeigenschaften verbessert, wenn mindestens ein, symmetrisch zu einem Schaltungstransistor mn2, mp2 angeordneter, eingangsseitiger Symmetrietransistor mn4, mp4 vorgesehen ist.

Zur Beschleunigung der Schaltungsvorgänge, also insbesondere zur Verwendung der Ladungspumpe für PLL' s mit hoher Frequenz, kann zwischen dem Gate zumindest eines Schaltungstransistors mn2, mp2 und dem Gate des ausgangsseitigen Transistors mnl, mpl des gleichen Zweiges eine Kapazität C_senke, C_quelle geschaltet werden.

Vorteilhaft ist es im übrigen, wenn der Senken-Zweig zum Quellen-Zweig spiegelbildlich aufgebaut ist.

Die verwendeten Transistoren des Quellen-Zweiges können als PMOS-Transistoren und die Transistoren des Senken-Zweiges als NMOS-Transistoren ausgebildet sein.

Außerdem besteht auch die Möglichkeit, die Transistoren des Quellen-Zweiges als p-Jfet und die Transistoren des Senken- Zweiges als n-Jfet auszubilden.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung einer Ladungspumpe ergeben sich die folgenden Vorteile:

1. Höchste Symmetrie von Quellen- und Senken-Strom i_quelle, i_senke unabhängig von der anliegenden Span- nung v_tune am Ausgang Pdout, unabhängig von den technologischen Schwankungen (z.B. Schwellenspannung, Matching, etc.) und unabhängig von der bestehenden Betriebstemperatur.

2. Ein maximal nutzbarer Bereich der Spannung v_tune bis nahe an die Grenzen der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung . cυ CO M ho t-¹ l-^J tn O Cn o Cn o Cn tr

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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben:

Figur 1: Ladungspumpe für eine PLL gemäß dem Stand der Technik;

Figur 2: Einfache erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einer Ladungspumpe mit einem Pufferverstärker und einem Operationsverstärker; Figur 3: Einfache erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einer Ladungspumpe mit zwei Operationsverstärkern und vertauschten Schaltungstransistoren und ausgangsseitigen Transistoren; Figur 4: Verbesserte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einer Ladungspumpe mit zwei Operationsverstärkern mit zusätz- liehen Symmetrietransistoren;

Figur 5: Beispielhafte Schaltungsanordnung einer PLL mit einer erfindungsgemäßen Ladungspumpe.

Die Figur 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte La- dungspumpe CP mit auf der Eingangsseite liegenden Eingängen i_ref_quelle, i_ref_senke, UP und DOWN und auf der Ausgangsseite liegendem Ausgang der Ladungspumpe Pdout.

Zum besseren Verständnis sind funktionale Bereiche gestri- chelt umrandet.

Die Ladungspumpe weist einen Quellen-Zweig 1 und einen spiegelbildlich dazu angeordneten Senken-Zweig 2 auf. In jedem Zweig 1, 2 befinden sich Stromspiegel 3, 4, die jeweils aus einem eingangsseitigen Transistor mp3, mn3 und einem ausgangsseitigen Transitor mpl, mnl bestehen. Die ausgangsseitigen Transistoren mpl, mnl werden durch die beiden Schaltungstransistoren mp2, mn2, die mit den UP- beziehungsweise DOWN-Eingängen in Verbindung stehen, geschaltet, so daß ent- sprechend dem Anliegen der Impulse am UP- beziehungsweise

DOWN-Eingang Strom von oder zum Ausgang Pdout fließt, an dem eine Spannung v_tune anliegt. Diese Gruppe der ausgangsseiti- gen Transistoren mpl, mp2, mnl, mn2 bildet die Endstufe der Ladungspumpe .

Aus Symmetriegründen sind zusätzlich die beiden Symmetrie- transistoren mp4 und mn4 vorgesehen. Zusätzlich kann zwischen dem Gate der Schaltungstransistoren mp2 und mn2 und dem Gate des ausgangsseitigen Transistors mpl und mnl beziehungsweise dem Eingang i_ref_quelle beziehungsweise i_ref_senke eine Kapazität C_quelle und C_senke geschaltet werden, um die Schaltvorgänge der ausgangsseitigen Transistoren zu beschleunigen. Zur besseren Übersichtlichkeit sind diese Kapazitäten nicht dargestellt. Es wird allerdings darauf hingewiesen, daß derartige Kapazitäten zur Funktionsfähigkeit der Leistungs- pumpe nicht unbedingt notwendig sind.

Zusätzlich ist am Ausgang der Ladungspumpe noch ein Schleifenfilter LF angeschlossen, das eigentlich schon zu einem PLL-Kreis gezählt werden kann und aus zwei Kapazitäten Cl, C2 und einen Widerstand Rl besteht, das den Pumpenausgangsstrom integriert.

Die Figur 2 zeigt eine einfache erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einer Ladungspumpe, in der an Stelle von zwei Referenzströmen nur noch ein einziger Referenzstrom i ref benö- tigt wird. Die Ladungspumpe verfügt in ihrer einfachsten Version auch nur über einen einzigen Stromspiegel 3 der auf der Quellen-Seite der Ladungspumpe angeordnet ist. Die Endstufe 5 weist die Schaltungstransistoren mp2 und mn2 auf, die den Strom durch endseitige Transistoren mpl und mnl schalten.

Weiterhin ist eine Referenzschaltung 6 aufgebaut, in der die Endstufe 5 wiederholt ist. Das heißt die Transistoren mpl, mp2, mnl und mn2 werden durch die Transistoren mpla, mp2a, mnla und mn2a wiedergegeben, wobei die Gates von mpla mit mpl und von mnla mit mnl gleichgeschaltet sind, während mp2a und mn2a nicht an die UP- und DOWN-Eingänge angeschlossen sind. Zwischen der Referenzschaltung 6 und der Endstufe 5 ist eine Regelstufe 7 angeordnet, die über einen Pufferverstärker PV verfügt. Dieser kopiert die Spannung v_tune, ohne die Endstufe zu belasten, über einen Widerstand R3 auf den Ausgang der Referenzschaltung. Dadurch wird in der Referenzschaltung der gleiche Fehlerstrom i_sym erzeugt, wie in der Endstufe. Dieser Symmetriestrom i_sym wird als Spannungsabfall am Widerstand R3 mit Hilfe eines Operationsverstärkers OP2 gemessen. Dessen AusgangsSpannung bildet die Regelspannung für den je- weils zweiten Zweig der Endstufe beziehungsweise Referenzschaltung und stellt sich so ein, daß der Spannungsabfall am Widerstand R3 und damit der Symmetriestrom i_sym gleich 0, also auch der Fehlerstrom i_fehler gleich 0 wird.

Zusätzlich zur Ladungspumpe ist auch noch ein Schleifenfilter LF ausgangsseitig der Ladungspumpe angeschlossen. Dieses Schleifenfilter LF ist zwar beim Einsatz der Ladungspumpe in einer Phasenregelschleife ein sinnvolles Element, jedoch nicht unbedingt für die Erfindung notwendig.

Durch diese Schaltungsanordnung wird über die Regelstufe erreicht, daß über einen weiten Bereich der Spannung v_tune kein Fehlerstrom i_fehler auftritt und damit die bisher bekannten Nebenfrequenzen (Spurs) außerhalb des optimalen Ar- beitspunktes reduziert werden.

In der Figur 3 ist eine Variation der einfachen Schaltungsanordnung aus der Figur 2 dargestellt, wobei hier in der Endstufe 5 der Ladungspumpe die Schaltungstransistoren mn2 und mp2 mit den ausgangsseitigen Transistoren mnl und mpl vertauscht wurden. Entsprechend konnte in der Referenzschaltung 6 auf die Transistoren mp2a und mn2a verzichtet werden.

An Stelle des Pufferverstärkers PV ist nun ein Operationsver- stärker OPl getreten, vor dem ein Dämpfungsglied τ, hier bestehend aus einem Widerstand R2 und einer Kapazität C3, ange- co o M r 1— ' I-¹

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CP aufweist. Die PLL besteht aus einem Phasen-Detektor PD, die zwei Frequenzen F_ref und Fco/N auf eine eventuelle relative Phasenverschiebung hin vergleicht. Die Referenzfrequenz F_re entsteht aus einer quarzstabilisierten Frequenz F_q, die ein Quarzoszillator Q erzeugt, einem Referenzteiler R zuführt und wo sie um ein bestimmtes Teilerverhältnis reduziert wird. Die zweite zugeführte Frequenz F_VCo/N kommt von einem span- nungsgeführten Oszillator VCO, die über einen Teiler auf die Frequenz F_vco/N heruntergeteilt wird. Der Phasen-Detektor PD erzeugt an seinem Ausgang zwei pulsweitenmodulierte Impulsfolgen UP und DOWN, die bezüglich ihrer Pulsweiten eine feste Beziehung zum Phasenunterschied der beiden Eingangsfreuqenzen F_re_f und Fvco/ aufweisen. Wenn die Frequenz F_v=o/N höher als die Frequenz F_ref ist, beziehungsweise wenn die Frequenz F_vco/N zu hoch gegen F_ref ist beziehungsweise wenn die Phase der Frequenz F_VCo/N der Referenzfrequenz F_ref voreilt, schaltet der Phasen-Detekor den DOWN-Ausgang gegenüber dem UP-Ausgang länger ein. Entsprechendes gilt in umgekehrter Weise, bei entsprechend umgekehrten Phaselagen. Bei gleicher Phasenlage, also wenn

F_ref gleich F_vco/N ist, werden an beiden Ausgängen des Phasen- Detektors Anti-Backlash-Pulse (ABL-Pulse) ausgegeben. Die UP- und DOWN-Impulsfolgen steuern die Ladungspumpe CP an, an deren Ausgang das Schleifenfilter angeschlossen ist. Dieses Schleifenfilter wirkt als Integrator. Die Spannung V_F des Schleifenfilters LF dient wiederum als Steuerung des span- nungsgesteuerten Oszillators VCO, womit die Regelschleife der PLL geschlossen ist.

Claims

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung einer Ladungspumpe mit einer Ein- gangsseite, einer Ausgangsseite und mit mindestens einem Stromspiegel (3) und einem Transistor (mnl, mpl), welche einem Quellen-Zweig (1) zur Erzeugung eines Quellen- Stromes (i_quelle) und einem Senken-Zweig (2) zur Erzeugung eines Senken-Stromes (i_senke) zugeordnet sind, wobei mindestens ein Zweig (1, 2) über einen eingangssei- tigen Transistor (mn3, mp3) verfügt und die beiden Zweige (1, 2) eine Endstufe (5) mit jeweils zumindest einem ausgangsseitigen Transistor (mnl, mpl) und einen Schaltungstransistor (mn2, mp2) aufweisen, wobei ein erster Zweig (1) über einen Referenzstrom gesteuert wird, da- durch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Referenzstufe (6) vorgesehen ist, in welcher die Endstufe (5) der Zweige (1, 2) , zumindest bezüglich der ausgangsseitigen Transistoren (mn2, mp2), nachgebildet ist und an der Referenzstufe (6) einen dem Fehlerstrom (i_fehler) nachgebildeten äquivalenten Symetriestrom

(i_sym) generiert, welcher ein Mittel (7) zur Regelung des zweiten Zweiges (2) steuert.

2. Schaltungsanordnung gemäß dem voranstehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (7) zur

Regelung des zweiten Zweiges (2) mindestens einen Operationsverstärker (OP2) aufweist, an dessen Eingängen eine dem Symetriestrom (i_sym) und dem Fehlerstrom (i_fehler) proportionale Spannung angelegt wird und dessen Ausgang zur Beeinflussung des zweiten Zweiges (2) dient.

3. Schaltungsanordnung gemäß dem voranstehenden Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (7) zur Regelung des zweiten Zweiges (2) zusätzlich zur Nachbil- düng des Fehlerstromes (i_fehler) einen Pufferverstärker (PV) , vorzugsweise einen als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker (OPl), aufweist.

4. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Endstufe (5) und dem Mittel (7) zur Regelung des anderen Zweiges ein Schleifenfilter (LF) vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (7) zur Regelung des zweiten Zweiges weiterhin ein Dämpfungsglied (τ) aufweist.

6. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch der zweite Zweig über einen eingangsseitigen Transistor (mn3, mp3) verfügt.

7. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstellenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu- mindest ein Schaltungstransistor (mn2, mp2) auf der Ausgangsseite angeordnet ist.

8. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichne , daß zu- mindest ein Schaltungstransistor (mn2, mp2) zwischen dem Ausgang der Ladungspumpe und dem ausgangsseitigen Transistor (mnl, mpl) angeordnet ist.

9. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden An- sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein ausgangsseitiger Transistor (mnl, mpl) zwischen dem Ausgang der Ladungspumpe und einem Schaltungstransistor (mn2, mp2) angeordnet ist.

10. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstellenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein, symmetrisch zu einem Schaltungstransistor (mn2, mp2) angeordneter, eingangsseitiger Symmetrietransistor (mn4, mp4) vorgesehen ist.

11. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gate zumindest eines Schaltungstransistors (mn2, mp2) und dem Gate des ausgangsseitigen Transistors (mnl, mpl) des gleichen Zweiges eine Kapazität (C_senke, C quelle) geschaltet ist.

12. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Senken-Zweig (2) zum Quellen-Zweig (1) spiegelbildlich aufgebaut ist.

13. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstellenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren des Quellen-Zweiges (1) als PMOS- Transistoren und die Transistoren des Senken-Zweiges (2) als NMOS-Transistoren ausgebildet sind.

14. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge ennzeichnet, daß die Transistoren des Quellen-Zweiges (1) als p-Jfet und die Transistoren des Senken-Zweiges (2) als n-Jfet ausgebildet sind.

15. Phasenregelschleife (PLL=Phase Locked Loop) mit einer Ladungspumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die La- dungspumpe die Merkmales eines der Ansprüche 1 bis 14 aufweist .

16. Phasenregelschleife gemäß dem vorstehenden Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einem Re- gelkreis bestehend aus mindestens einem Phasendetektor (PD) zur Bestimmung einer Phasenverschiebung zwischen einer Referenzfrequenz F_ref und einer Ausgangsfrequenz Fvco eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) der die Ladungspumpe (CP) steuert, an die wiederum ein Schleifenfilter (LF) angeschlossen ist, dessen Ausgang den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) steuert.

17. Phasenregelschleife gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Referenzfrequenz F_ref ein Quarzoszillator (Q) und nachgeschalteter Referenzteiler (R) vorgesehen ist.