DE60220209T2

DE60220209T2 - Phasenregelschleifeverstärkungssteuerung mit Einheitsstromquellen

Info

Publication number: DE60220209T2
Application number: DE60220209T
Authority: DE
Inventors: Ramon A. San Juan Capistrano Gomez
Original assignee: Broadcom Corp
Current assignee: Broadcom Corp
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2022-03-21
Also published as: US6583675B2; US7528666B2; US7948325B2; US7271667B2; US7119624B2; US20090058536A1; US7355485B2; US7449963B2; US7239212B2; US20070268076A1; US20050104677A1; US20060097796A1; US20050174186A1; EP1244215B1; EP1244215A1; US20060284689A1; US6838947B2; US20070247238A1; EP1592135A1; US7129792B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Verstärkungskompensatorschaltung und insbesondere eine Phasenregelschleifen-Verstärkungsregelung, die skalierte Einheitsstromquellen verwendet, sowie ein Verfahren zur Kompensation der Verstärkung einer Phasenregelschleife.
Hochfrequenz-(HF)-Sender und -Empfänger führen eine Frequenzumsetzung durch, indem sie ein Eingangssignal mit einem Empfängeroszillator-(LO; local oscillator)-Signal mischen. Vorzugsweise sollte das LG-Signal ein Frequenzspektrum aufweisen, das so nahe an einem reinen Ton wie möglich ist, um die Systemperformanz während der Signalmischoperation zu maximieren. Die Abweichung des LO-Signals von einem reinen Ton wird als Phasenrauschen oder Phasenjitter quantifiziert und wird allgemein als spektrale Reinheit bezeichnet. Mit anderen Worten, ein LO-Signal mit einer guten spektralen Reinheit weist ein niedriges Phasenrauschen auf.
Phasenregelschleifen (PLLs) werden oft in Frequenzsynthesizern verwendet, um das LG-Signal zu erzeugen. Ein PLL-Frequenzsynthesizer erzeugt ein Ausgangssignal, typischerweise eine Sinuswelle oder eine Rechteckwelle, das ein Frequenzvielfaches von einem Eingangsreferenzsignal ist. Das PLL-Ausgangssignal befindet sich auch in Phasensynchronisation mit dem Eingangsreferenzsignal. PLLs sind Rückkopplungsschleifen und sind deshalb anfällig für Instabilität. Deshalb ist die Schleifenstabilität ein Hauptleistungsparameter für PLLs, zusätzlich zu der spektralen Reinheit des Ausgangssignals.
Ein resonanzabgestimmter spannungsgesteuerter Oszillator (VCO; voltage controlled oscillator) wird typischerweise in einer PLL verwendet, um das PLL-Ausgangssignal zu erzeugen. Ein resonanzabgestimmter VCO umfasst eine aktive Vorrichtung und einen Schwing-LC-Kreis, wobei die Impedanz des Schwing-LC-Kreises bei einer Resonanzfrequenz ein Kurzschluss oder ein Leerlauf wird. Wenn der Schwingkreis parallel zu der aktiven Vorrichtung geschaltet wird, wird in der aktiven Vorrichtung bei der Resonanzfrequenz des LC-Kreises ein positiver Rückkopplungspfad geschaffen. Der positive Rückkopplungspfad bewirkt, dass die aktive Vorrichtung bei der Resonanzfrequenz des LC-Kreises oszilliert.
Der resonanzabgestimmte LC-Kreis umfasst typischerweise mehrere Festkondensatoren, die in den LC-Kreis eingeschaltet oder aus diesem herausgeschaltet werden können, eine Varaktordiode und wenigstens einen Induktor. Die Resonanzfre quenz des LC-Kreises (und deshalb die Schwingungsfrequenz des VCO) wird über einen Grobabstimmungsmechanismus und einen Feinabstimmungsmechanismus abgestimmt. Die grobe Frequenzabstimmung (oder Bereichsauswahl) wird durchgeführt, indem einer oder mehrere der Festkondensatoren in den LC-Kreis eingeschaltet wird/werden. Dagegen wird die feine Frequenzabstimmung dadurch durchgeführt, dass die Spannung quer durch die Varaktordiode geändert wird, was eine Kapazität erzeugt, die in Abhängigkeit von der angelegten Abstimmspannung variiert. Beide Abstimmungsmechanismen arbeiten damit, dass sie die Kapazität und deshalb die Resonanzfrequenz des LC-Kreises ändern. Der Varaktorabstimmbereich ist geringfügig größer als ein Festkondensator und sieht deshalb eine gewisse Überlappung zwischen den Festkondensatoren vor.
Die VCO-Verstärkung wird als die VCO-Frequenzverschiebung pro Einheit der Änderung (unit change) in der Varaktorabstimmspannung definiert. Ein Problem bei varaktorabgestimmten VCOs liegt darin, dass die VCO-Verstärkung gegenüber der festen Kapazität variabel ist. Mit anderen Worten, die VCO-Frequenzverschiebung gegenüber der Abstimmspannung hängt von der festen Kapazität ab, die in den LC-Kreis eingeschaltet wird. Die variable VCO-Verstärkung erzeugt Schwierigkeiten bei der Auslegung einer PLL, da das gesamte PLL-Schleifenverstärkungs-, -Bandbreiten- und -Dämpfungsverhalten in Bezug auf die Schwingungsfrequenz variiert. Dies wiederum gestaltet es schwierig, das Ausgangsphasenrauschen zu optimieren und reduziert die gesamte spektrale Reinheit. Deshalb ist es wünschenswert, die variable VCO-Verstärkung zu kompensieren, um die Gesamt-PLL-Verstärkung auf einem gewünschten optimalen Wert zu halten.
Zusätzlich zu der VCO-Verstärkung ist es auch wünschenswert, andere PLL-Charakteristiken einzustellen oder abzustimmen, wie etwa die Schleifenbandbreite, die Referenzfrequenz und den Dämpfungsfaktor, ohne PLL-Komponenten abstimmen oder ersetzen zu müssen.
Die EP-A-0 627 820 betrifft eine Ladungspumpe, die eine Referenzschaltung, mehrere parallele Pfade, eine Spiegelschaltung, eine stromliefernde Schaltung und eine stromziehende Schaltung aufweist. Die beschriebene Ladungspumpe kann in eine Phasenregelschleifenschaltung eingebaut werden, in der konstante Stabilitätsparameter erwünscht sind.
Die obigen und weitere Aufgaben werden von dem Verstärkungskompensator nach Anspruch 1 und dem Verfahren zur Kompensation der Verstärkung einer PLL gemäß Anspruch 15 gelöst.
Die Verstärkungskompensatorerfindung kompensiert eine Verstärkungsvariation in einem varaktorabgestimmten VCO, um die Gesamt-PLL-Verstärkung auf einem gewünschten Pegel über die Frequenz zu halten. Der VCO umfasst einen LC-Kreis, der mehrere Festkondensatoren aufweist, die parallel zu der Varaktordiode und dem aktiven Teil des VCO angeordnet sind. Die Festkondensatoren werden in den LC-Kreis durch entsprechende Kondensator-Steuersignale eingeschaltet. Eine grobe Frequenzabstimmung (auch Bereichsauswahlabstimmung genannt) wird durchgeführt, indem einer oder mehrere der Festkondensatoren zu dem LC-Kreis in Übereinstimmung mit den Kondensator-Steuersignalen addiert oder von diesen subtrahiert wird/werden. Die feine Frequenzabstimmung wird durchgeführt, indem die Abstimmspannung in der Varaktordiode eingestellt wird, wobei die VCO-Verstärkung als die Frequenzverschiebung pro Einheit der Änderung in der Varaktorabstimmspannung definiert ist. Die VCO-Verstärkung variiert mit der festen Kapazität, die in den LC-Kreis eingeschaltet wird, und deshalb ändert sie sich mit der Bereichsauswahlabstimmung des VCO. Der Verstäkungskompensator kompensiert die variable VCO-Verstärkung, indem er einen Referenzladungspumpenstrom für die PLL auf der Basis von Informationen erzeugt, die in dem Kondensator-Steuersignal enthalten sind. Deshalb ist der Verstärkungskompensator in der Lage, gleichzeitig den Ladungspumpenstrom einzustellen, um eine gesamte lineare PLL-Verstärkung aufrecht zu erhalten, während Festkondensatoren inkrementell zu dem LC-Kreis addiert werden (oder von diesem subtrahiert werden).
Der Verstärkungskompensator umfasst eine oder mehrere Zellen, die jeweils einem bestimmten VCO entsprechen, der in die PLL zu einem gegebenen Zeitpunkt eingeschaltet werden kann. Ein VCO-Steuersignal wählt einen bestimmten VCO für die PLL auf der Basis der Frequenz aus und aktiviert auch die zugehörige Zelle. Jede Zelle umfasst eine Vielzahl von Einheitsstromquellen, wobei jede Einheitsstromquelle im Wesentlichen einen vordefinierten Referenzskalierstrom repliziert (oder kopiert). Die Einheitsstromquellen werden in eine oder mehrere Gruppen arrangiert, wobei jede Gruppe einem Festkondensator in dem LC-Kreis entspricht. Jede Gruppe von Einheitsstrom erzeugt einen Teil des gesamten Pumpenstroms, wenn der entsprechende Kondensator in den LC-Kreis eingeschaltet ist. Die Anzahl an Einheits stromquellen in jeder Gruppe wird so festgelegt, dass sie die variable VCO-Verstärkung kompensiert, die auftritt, wenn der entsprechende Festkondensator in den LC-Kreis eingeschaltet wird. Jede Gruppe von Einheitsstromquellen wird von dem gleichen Kondensator-Steuersignal aktiviert, das den entsprechenden Festkondensator steuert. Deshalb wird dann, wenn ein Festkondensator in den LC-Kreis eingeschaltet wird, die entsprechende Gruppe von Einheitsstromquellen gleichzeitig aktiviert und in die Zelle eingeschaltet, um die variable VCO-Verstärkung zu kompensieren, die von dem Festkondensator bewirkt wird.
Ein Vorteil der Verstärkungskompensatorerfindung liegt darin, dass die Anzahl von Einheitsstromquellen, die für einen entsprechenden Festkondensator aktiviert wird, willkürlich ist, aber der erzeugte Strom linear proportional zu dem Referenzskalierstrom ist. Mit anderen Worten, es gibt keine vordefinierte Beziehung zwischen der Anzahl von Einheitsstromquellen in jeder Gruppe, die den relativen Betrag an Strom beschränken würde, der von jeder Gruppe erzeugt wird. Deshalb kann der gesamte Pumpenstrom frei optimiert werden, um die variable VCO-Verstärkung, die mit verschiedenen Kombinationen von Festkondensatoren assoziiert ist, inkrementell einzustellen.
Ein weiterer Vorteil der Verstärkungskompensatorerfindung ist derjenige, dass der Referenzskalierstrom für die Verstärkungskompensatorzellen auf der Basis eines PLL-Steuersignals erzeugt wird. Das PLL-Steuersignal spezifiziert verschiedene PLL-Charakteristiken, wie etwa die Frequenz des Referenzsignals, die PLL-Bandbreite und den PLL-Dämpfungsfaktor, etc. Da die Einheitsstromquellen so konfiguriert sind, dass sie den Referenzskalierstrom replizieren, können alle Einheitsstromquellen simultan eingestellt werden, indem der Referenzskalierstrom geändert wird. Deshalb kann der Ladungspumpenstrom effizient eingestellt werden, um die erwähnten Charakteristiken der PLL auf unterschiedliche Betriebsbedingungen abzustimmen, ohne dass PLL-Komponenten ausgetauscht werden müssen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie auch der Aufbau und der Betrieb verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die vorliegende Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen zeigen ähnliche Bezugszeichen identische oder funktionell ähnliche Elemente an. Außerdem identifiziert/identifizieren die Ziffer(n) ganz links eines Bezugszeichens die Zeichnung, in der das Bezugszeichen zum ersten Mal erscheint.
1A veranschaulicht eine Abstimmvorrichtung 100, die eine beispielhafte Abstimmvorrichtungsumgebung für die vorliegende Erfindung ist;
1B veranschaulicht eine Zweifrequenzkonversion, die von der Abstimmvorrichtung 100 durchgeführt wird;
2 veranschaulicht eine PLL 200, die mit der Abstimmvorrichtung 100 verwendet werden kann;
3 veranschaulicht einen VCO 300, der mit der PLL 200 verwendet werden kann;
4 veranschaulicht eine variable VCO-Verstärkung;
5 veranschaulicht eine PLL 500, die einen Verstärkungskompensator 502 umfasst, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
6 veranschaulicht einen ROMDAC 600, der ein Ausführungsbeispiel eines Verstärkungskondensators ist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
7 veranschaulicht einen ROMDAC 700, der eine erweiterte Nachschlagetabelle 701 aufweist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
8 veranschaulicht einen Verstärkungskompensator 800, der einen Stromskalierer 804 aufweist, der eine Stromspiegelkonfiguration mit einer oder mehreren Verstärkungskompensatorzellen 806 bildet, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
9 veranschaulicht eine Verstärkungskompensatorzelle 806, die mehrere Einheitsstromquellen aufweist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
10 veranschaulicht den Stromskalierer 804 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
11 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm 1100, das den Betrieb einer PLL beschreibt, die eine Kompensation für eine nichtlineare VCO-Verstärkung aufweist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
12 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm 1200, das den Betrieb einer Verstärkungskompensatorzelle beschreibt, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
1. Beispielhafte Abstimmvorrichtungsanwendung
Bevor die Erfindung ausführlich beschrieben wird, ist es nützlich, eine beispielhafte Abstimmvorrichtungsanwendung für die Erfindung zu beschreiben. Die Erfindung ist nicht auf die Abstimmvorrichtungsanwendung beschränkt, die hier beschrieben wird, und ist auf andere Abstimmvorrichtungsanwendungen und Nicht-Abstimmvorrichtungs-Anwendungen anwendbar, wie es den Fachleuten auf den relevanten Fachgebieten auf der Basis der hier gegebenen Erörterungen klar sein wird.
1A veranschaulicht schematisch eine Abstimmvorrichtungsanordnung 100, die eine automatische HF-Verstärkungsregelungsschaltung (AGC; automatic gain control circuit) 102 und eine Abstimmvorrichtung 134 aufweist. Die Abstimmvorrichtungsanordnung 100 empfangt ein HF-Eingangssignal 101 mit mehreren Kanälen und wandelt einen ausgewählten Kanal abwärts auf eine ZF-Frequenz, um ein ZF-Signal 133 zu erzeugen. Das HF-Eingangssignal 101 kann zum Beispiel mehrere TV-Kanäle umfassen, die typischerweise 6 MHZ Frequenzabstände aufweisen und einen Bereich von 57–860 MHZ abdecken, und wobei der ausgewählte Kanal auf eine ZF-Frequenz von 44 MHZ, 36 MHZ oder irgendeine andere gewünschte ZF-Frequenz für die weitere Verarbeitung abwärtsgewandelt wird. Der Aufbau und der Betrieb der AGC-Schaltung 102 und der Abstimmvorrichtung 134 werden unten noch ausführlicher beschrieben werden.
Die AGC-Schaltung 102 stellt eine automatische Verstärkungsregelung bereit, die einen variablen Widerstand 104 und einen Verstärker 106 mit niedrigem Eigenrauschen (LNA; low noise amplifier) verwendet. Der variable Widerstand 104 dämpft das HF-Eingangssignal 101 in Übereinstimmung mit einem Steuersignal 103. In Ausführungsbeispielen basiert das Steuersignal 103 auf der Signalamplitude des ZF-Signals 133, so dass die HF-Front-End-Verstärkung so eingestellt werden kann, dass sie eine gewünschte Amplitude für das ZF-Signal 133 erzielt. Der LNA 106 stellt eine Verstärkung mit niedrigem Eigenrauschen bereit und wandelt ein unsymmetrisches Eingangssignal in ein differentielles HF-Signal 107 um.
Die Abstimmvorrichtung 134 weist eine Doppelkonversionsarchitektur auf (eine Aufwärtswandlung, eine Abwärtswandlung), die einen Eingangsmischer 108 und einen Mischer 118 mit Spiegelfrequenzunterdrückung umfasst. Der Eingangsmischer 108 wird von einer ersten Phasenregelschleife (PLL) 110 gesteuert, die eine Grobabstimmungsfähigkeit von 1270–2080 MHz aufweist. Der Spiegelfrequenzunterdrückungsmischer 118 weist zwei Komponentenmischer 120a und 120b auf, die um 90° phasenverschoben von einer zweiten PLL 124 durch ein Quadraturmehrphasenfilter 122 gesteuert werden. Die PLL 124 weist eine relativ feste Frequenz von 1176 MHZ (für eine 44 MHZ ZF) auf und weist eine Feinfrequenzabstimmungsfahigkeit auf. Ein Mehrphasenfilter 126 ist mit dem Ausgang des Spiegelfrequenzunterdrückungsmischers 118 gekoppelt, um die Quadraturausgänge (quadrature outputs) der Mischer 120 zu kombinieren. Zwei separate chipexterne Oberflächenwellen-(SAW; surface acoustic wave)-Filter 114 und 130 werden verwendet, um eine ZF-Filterung in der Abstimmvorrichtung 134 durchzuführen. Das erste SAW-Filter 114 ist zwischen den ersten Mischer 108 und den Spiegelfrequenzunterdrückungsmischer 118 geschaltet. Der Durchlassbereich des SAW-Filters 114 weist eine Mittenfrequenz von 1220 MHZ auf und ist nur einige wenige Kanäle breit (z.B. 1–3 Kanäle breit oder 18 MHZ für 6 MHZ TV-Kanalabstände). Das zweite SAW-Filter 130 weist einen Durchlassbereich bei 44 MHZ auf und ist mit dem Ausgang des Mehrphasenfilters 126 gekoppelt. Außerdem sind verschiedene chipinterne Verstärker 108, 116, 128 und 132 überall in der Abstimmvorrichtung 134 enthalten, um je nach Notwendigkeit eine Signalverstärkung bereitzustellen.
Der Betrieb der Abstimmvorrichtung 134 wird wie folgt und unter Bezugnahme auf das Frequenzspektrum beschrieben, das in 1B veranschaulicht ist. Der erste Mischer 108 mischt das HF-Signal 107 mit einem LG-Signal 109, das von der PLL 110 erzeugt wird. Da die PLL 110 von 1270–2080 MHZ abstimmbar ist, wird das HF-Signal 107 auf eine erste ZF 111 aufwärtsgewandelt, die eine Frequenz aufweist, die oberhalb des 57–860 MHZ Eingangsfrequenzbands liegt. Die erste ZF 111 wird chipextern zu dem SAW-Filter 114 gesendet, welches ein schmales Durchlassbereichsfenster mit einer Mittenfrequenz bei 1220 MHz aufweist. Das erste SAW-Filter 114 wählt einen gewünschten Kanal 115 aus, der sich innerhalb seines schmalen Durchlassbereichsfensters befindet, und sperrt im Wesentlichen alle restlichen Kanäle. Deshalb wird ein spezieller Kanal ausgewählt, indem die Frequenz des LO-Signals 109 derart variiert wird, dass der gewünschte Kanal in den engen Durchlassbereich des ZF-Filters 114 aufwärtsgewandelt wird. Der gewünschte Kanal 115 wird (bei 1220 MHZ) chipintern zu dem Spiegelfrequenzunterdrückungsmischer 118 zurückgesendet, der von einem Quadratur-LO-Signal 119 von dem Mehrphasenfilter 122 gesteuert wird. Der Spiegelfrequenzunterdrückungsmischer 118 wandelt den gewünschten Kanal 115 abwärts auf ein 44 MHZ ZF-Signal 127, das an dem Ausgang des Mehrphasenfilters 126 erscheint, bei dem I- und Q-Komponenten des ZF-Signals 127 in dem Mehrphasenfilter 126 kombiniert werden. Schließlich wird das ZF-Signal 127 ein zweites Mal von dem Bandpass-SAW-Filter 130 gefiltert, um jegliche unerwünschten Frequenzoberschwingungen zu unterdrücken, wodurch das Ausgangs-ZF-Signal 133 bei 44 MHZ erzeugt wird und die Information in dem gewünschten Kanal übertragen wird.
Die spezifischen Frequenzen, die in der Beschreibung der Abstimmvorrichtungsanordnung 100 und durch diese Anwendung hindurch erwähnt sind, sind lediglich zu Beispielszwecken gegeben und sind nicht beschränkend gedacht. Die Fachleute auf diesen Fachgebieten werden andere Frequenzanwendungen für die Abstimmvorrichtungsanordnung 100 auf der Basis der hier gegebenen Erörterung erkennen. Diese anderen Frequenzanwendungen liegen innerhalb des Schutzbereichs und des Gedankens der vorliegenden Erfindung.
2. Phasenregelschleife:
Die erste PLL 110 und die zweite PLL 124 werden von der PLL 200 dargestellt, die in 2 veranschaulicht ist. Die PLL 200 erzeugt ein PLL-Ausgangssignal 227, das ein Frequenzvielfaches eines Referenzsignals 201 ist, und wobei das Ausgangssignal 227 auf das Referenzsignal 201 phasenverriegelt ist. Die PLL 200 führt eine Eigenkorrektur bezüglich jeglicher Phasen- (und deshalb Frequenz-) Schwankungen zwischen dem Referenzsignal 201 und dem Ausgangssignal 227 über einen Rückkopplungsmechanismus durch, der wie folgt beschrieben wird. Der Aufbau und der Betrieb der PLL 200 werden wie folgt beschrieben.
Der Aufbau der PLL 200 umfasst: einen Phasendetektor 202, eine Ladungspumpe 204, einen Frequenzteiler 206, ein Schleifenfilter 208, eine Grobabstimmungsschaltung 214, eine VCO-Anordnung 222 und einen LC-Schwingkreis 228. Das Schleifenfilter 208 umfasst einen variablen Widerstand 210 und einen variablen Kondensator 212, die von einem FC-Signal 207 gesteuert werden. Die Grobabstimmungsschaltung 214 umfasst einen Komparator 216 und ein Schieberegister 218. Die VCO-Anordnung 222 umfasst Mehrfachkomponenten-VCOs 226a–c, wobei jeder VCO 226 vorzugsweise ein bestimmtes Frequenzband abdeckt. Ein VCO 226 wird in die PLL 200 eingeschaltet, indem ein entsprechender Schalter 224 geschlossen wird. Die Schalter 224a–c werden von entsprechenden Steuersignalen 223a–c gesteuert, die einen VCO-Steuerbus 220 bilden. Der LC-Schwingkreis 228 ist parallel zu der VCO-Anordnung 222 geschaltet und umfasst: mehrere Festkondensatoren 232a–n, die entsprechende Schalter 230a–n aufweisen, einen Varaktor 234 und einen Induktor 236. Einer oder mehrere der Festkondensatoren 232 wird/werden parallel zu dem ausgewählten VCO 226 hineingeschaltet, indem der/die entsprechende(n) Schalter 230 geschlossen wird/werden. Die Schalter 230 werden von entsprechenden Steuersignalen 239a–n gesteuert, die einen Kondensatorsteuerbus 238 bilden.
Jeder VCO 226 ist ein resonanzabgestimmter Oszillator, dessen Schwingungsfrequenz von der Resonanzfrequenz des parallelen LC-Kreises 228 gesteuert wird. Die Resonanzfrequenz des LC-Kreises 228 wird durch die relative totale Kapazität und Induktivität gemäß der folgenden Gleichung bestimmt: f0 = (1/2π)·1/sqrt(LC) Gleichung 1
Wie unten noch weiter erörtert werden wird, wird die grobe Frequenzabstimmung (z.B. Bereichsauswahl) des ausgewählten VCO 226 dadurch durchgeführt, dass einer oder mehrere der Festkondensatoren 232 in den LC-Kreis 228 eingeschaltet wird/werden. Dadurch wird die Resonanzfrequenz des LC-Kreises 228 und somit die Schwingungsfrequenz des ausgewählten VCO 226 geändert. Eine feine Frequenzabstimmung wird durchgeführt, indem die Steuerspannung in dem Varaktor 234 geändert wird, der eine variable Kapazität aufweist, die sich mit der angelegten Spannung ändert. Die VCO-Verstärkung wird als die Änderung der VCO-Ausgangsfrequenz pro Einheit der Änderung in der Spannung quer durch den Varaktor 234 definiert.
Die PLL 200 arbeitet auf der Basis von bekannten PLL-Rückkopplungsprinzipien. Ein VCO 226 wird auf der Basis der gewünschten Betriebsfrequenz für die PLL 200 ausgewählt und wird in die PLL 200 eingeschaltet, indem der zugehörige Schalter 224 unter Verwendung des geeigneten Steuersignals 223 geschlossen wird. Das PLL-Ausgangssignal 227 von dem ausgewählten VCO 226 wird zu einem Phasendetektor 202 durch den Frequenzteiler 206 rückgekoppelt. Der Frequenzteiler 206 normalisiert die Frequenz des Ausgangssignals 227 für den Vergleich in dem Phasendetektor 202 auf die des Referenzsignals 201. Der Phasendetektor 202 vergleicht die Phase des Ausgangssignals 227 mit dem Referenzsignal 201 und erzeugt ein Gleichstrom-Fehlersignal 203, das die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen darstellt. Die Ladungspumpe 204 empfangt das Fehlersignal 203 und einen Referenzpumpenstrom 205. Die Ladungspumpe 204 liefert (oder zieht) einen Prozentsatz des Pumpenstroms 205 auf der Basis des Fehlersignals 203, wie von den Fachleuten auf diesem Gebiet verstanden werden wird. Der Ausgangsstrom der Ladungspumpe 204 steuert das Schleifenfilter 208, um eine Abstimmspannung 209 zu erzeugen. Ein Teil der Abstimmspannung 209 wird quer durch den variablen Kondensator 212 herabgesetzt, um eine Abstimmspannung 211 zu erzeugen. Wie unten noch weiter erörtert werden wird, steuern die Abstimmspannungen 209 und 211 die Schwingungsfrequenz des ausgewählten VCO 226.
Die Abstimmspannungen 209 und 211 stellen die Resonanzfrequenz des LC-Kreises 228 (und deshalb die Schwingungsfrequenz des ausgewählten VCO 226) jeweils über einen Grobabstimmungsmechanismus und einen Feinabstimmungsmechanismus ein. Genauer gesagt addiert (oder subtrahiert) die Grobabstimmungsschaltung 214 einen oder mehrere der Festkondensatoren 232a–n zu dem (bzw. von dem) LC-Kreis 228 auf der Basis der Abstimmspannung 211. In ähnlicher Weise stellt die Abstimmspannung 209 direkt die Spannung (und deshalb die Kapazität) des Varaktors 234 ein, um eine Feinfrequenzabstimmung zu implementieren. Beide Abstimmungsmechanismen stellen die Schwingungsfrequenz des VCO 226 dadurch ein, dass sie die Kapazität des LC-Kreises 228 ändern, was die Resonanzfrequenz des LC-Kreises 228 verschiebt. Der Abstimmbereich des Varaktors 234 ist geringfügig größer als ein Festkondensator 232 und stellt deshalb eine gewisse Abstimmungsüberlappung zwischen den Festkondensatoren 232 bereit. Die Grobabstimmungsschaltung 214 wird unten noch weiter beschrieben werden.
Die Grobabstimmungsschaltung 214 umfasst einen Fensterkomparator 216 und ein bidirektionales Schieberegister 218. Der Fensterkomparator 216 empfangt die Abstimmspannung 211 und empfängt auch die Eingangsreferenzspannungen v₁ und v₂. Der Fensterkomparator 216 stellt fest, ob die Spannung 211 innerhalb eines Spannungs-"Fensters" liegt, das zwischen den Eingangsreferenzspannungen v₁ und v₂ definiert ist, und erzeugt ein Steuersignal 217, das das bidirektionale Schieberegister 218 auf der Basis dieser Feststellung steuert. Das Schieberegister 218 speichert eine Reihe von Bits, die die Kondensatorschalter 230 über den Steuerbus 238 steuern, um die entsprechenden Kondensatoren 232 zu dem LC-Kreis 228 zu addieren (oder diese von diesem zu subtrahieren). Ein "1"-Bit in der Steuerleitung 239 bewirkt, dass sich der entsprechende Schalter 230 schließt, und addiert dadurch den entsprechenden Kondensator 232 zu dem LC-Kreis 228. Ein "0"-Bit in der Steuerleitung 239 bewirkt, dass sich der Schalter 230 öffnet, und subtrahiert dadurch den entsprechenden Kondensator 232 von dem LC-Kreis 228.
Die Grobabstimmungsschaltung 214 arbeitet dahingehend, eine Selbstkorrektur grober Schwankungen in der Schwingungsfrequenz des ausgewählten VCO 226 durchzuführen, indem sie auf der Basis der Abstimmspannung 211 Kondensatoren 232 addiert oder subtrahiert. Wenn der Komparator 216 feststellt, dass die Spannung 211 unter v₁ liegt, dann bewirkt der Komparator 216, dass eine Reihe von "1 "en durch das Schieberegister 218 verschoben wird, was inkrementell Kondensatoren 232 zu dem LC-Kreis 228 addiert, bis die Abstimmspannung 211 innerhalb des v₁-bis-v₂-Spannungsfensters liegt. Wenn der Komparator 216 feststellt, dass die Spannung 211 oberhalb der Spannung v₂ liegt, dann veranlasst der Komparator 216, dass eine Reihe von "0"en durch das Schieberegister 218 verschoben wird, was inkrementell Kondensatoren 232 von dem LC-Kreis 228 subtrahiert, bis die Abstimmspannung 211 innerhalb des v₁-bis-v₂-Spannungsfensters liegt. Wie oben beschrieben worden ist, ändert sich die Frequenz des ausgewählten Oszillators 226 immer dann, wenn eine Kapazität zu dem LG-Kreis 228 addiert wird oder von diesem subtrahiert wird. Wenn der Komparator 216 feststellt, dass die Spannung 211 innerhalb des Spannungsfensters liegt, das von v₁ und v₂ definiert wird, dann werden keine Maßnahmen ergriffen, und die feste Kapazität in dem LC-Kreis 228 bleibt unverändert. Mit anderen Worten, die Abstimmspannung 211 liegt innerhalb eines akzeptablen Spannungsbereichs (oder "Fensters"), und dementsprechend liegt die Frequenz des Ausgangssignals 227 innerhalb eines akzeptablen Frequenzbereichs. Deshalb wird die Anzahl der Festkondensatoren 232, die in den LG-Kreis 228 eingeschaltet sind, nicht verändert.
3. Beispielhafte VCO-Konfiguration
3 veranschaulicht einen differentiellen VCO 300 als ein Ausführungsbeispiel des VCO 226 und des LC-Schwingkreises 228. Der VCO 300 ist nur für beispielhafte Zwecke gedacht und ist nicht zur Beschränkung der Erfindung auf irgendeine Weise gedacht. Andere Oszillatorkonfigurationen können verwendet wer den, um die Erfindung zu praktizieren, was den Fachleuten auf den relevanten Fachgebieten auf der Basis der hier gegebenen Erörterungen klar sein wird.
Der VCO 300 umfasst den aktiven VCO-Abschnitt 226 und den Schwing-LC-Kreis 228. Der aktive Abschnitt umfasst ein Paar von kreuzgekoppelten Transistoren 302a und 302b, die bei der Resonanzfrequenz des LC-Kreises 228 schwingen. Bei dieser kreuzgekoppelten Konfiguration ist der Drain des Transistors 302a mit dem Gate des Transistors 302b verbunden. In ähnlicher Weise ist der Drain des Transistors 302b mit dem Gate des Transistors 302a verbunden. Der LG-Kreis 228 ist ebenfalls mit den Drains der Transistoren 302 gekoppelt. Bei einer Resonanz bewirkt der LC-Kreis 228 einen positiven Rückkopplungspfad zwischen den kreuzgekoppelten Transistoren 302, was bewirkt, dass die Transistoren bei der Resonanzfrequenz des LC-Kreises 228 schwingen, wodurch das differentielle Ausgangssignal 227 erzeugt wird.
Die Schwingungsfrequenz des VCO 300 kann durch zwei Mechanismen abgestimmt werden. Die grobe Frequenzabstimmung (oder Bereichsauswahl) wird durchgeführt, indem die Festkondensatoren 232 unter Verwendung der entsprechenden Schalter 230 addiert oder subtrahiert werden. Die feine Frequenzabstimmung wird von der Abstimmspannung 209 durchgeführt, die die Kapazität variiert, die von den in Reihe geschalteten Varaktordioden 234a und 234b erzeugt wird, die an den Drains der Transistoren 302 angeschlossen sind. Die Frequenzänderung des VCO 300 pro Einheit der Änderung in der Varaktor-234-Spannung ist als die VCO-Verstärkung definiert. Wie oben erwähnt worden ist, ist der Abstimmbereich des Varaktors 234 geringfügig größer als die Kapazität eines Festkondensators 232 und stellt deshalb eine gewisse Abstimmüberlappung zwischen den Festkondensatoren 232 bereit.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Varaktoren 234 PN-Übergangs-Varaktoren, und in einem alternativen Ausführungsbeispiel sind diese Varaktoren 234 MOSFET-Varaktoren, was von der Bevorzugung des Designers abhängt.
4. PLL-Verstärkungskompensation
Die PLL-Verstärkung ist als die Frequenzänderung des Ausgangssignals gegenüber der Phasendifferenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenzsignal definiert. Die Vorwärts-PLL-Verstärkung wird wie folgt bestimmt: G(s) = KPHI·(RLF + 1/sCLF)·KVCO/s; Gleichung 2wobei:

K_PHI: = Phasendetektorverstärkung (mA/Radiant)
R_LF: = Schleifenfilterwiderstand
C_LF: = Schleifenfilterkapazität
K_VCO: = VCO-Verstärkung (MHZ/Volt)
s: die Frequenz darstellt

Die Rückkopplungs-PLL-Verstärkung ist H(s) = 1/N, wobei N das Rückkopplungsfrequenzteilungsverhältnis ist. Die gesamte Leerlaufverstärkung (open loop gain) ist G(s)H(s), und die gesamte Verstärkung mit Gegenkopplung (closed-loop gain) ist G(s)/[1+G(s)H(s)].
Wie oben beschrieben worden ist, führt die PLL 200 eine grobe Frequenzabstimmung durch, indem sie einen oder mehrere der Festkondensatoren 232 inkrementell addiert (oder subtrahiert), die parallel mit dem ausgewählten VCO 226 geschaltet sind. Die feine Frequenzabstimmung wird durchgeführt, indem die Spannung in dem Varaktor 234 eingestellt wird, wobei die VCO-Verstärkung als die Frequenzverschiebung pro Einheit der Änderung in der Abstimmspannung 209 definiert ist. Ein Problem bei varaktorabgestimmten VCOs ist, dass die VCO-Verstärkung gegenüber der festen Kapazität 232 variabel ist. 4 veranschaulicht diese Charakteristik mit einer graphischen Darstellung der VCO-Verstärkung 402 über der festen Kapazität. Wie gezeigt ist, ist die VCO-Verstärkungskurve 402 für eine große feste Kapazität reduziert und steigt bei einer kleinen festen Kapazität. Die variable VCO-Verstärkung ist unerwünscht, da sie bewirkt, dass sich die PLL-Vorwärtsverstärkung gemäß Gleichung 2 verändert. Bei VCO-Anwendungen mit einem großen minimalen bis maximalen Kapazitätsabstimmungsbereich kann diese VCO-Verstärkungsvariabilität eine Schleifeninstabilität und eine verringerte spektrale Reinheit in dem PLL-Ausgangssignal verursachen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die VCO-Verstärkungsvariabilität durch eine Kompensatorverstärkung 404 kompensiert, so dass die Gesamt-PLL-Verstärkung 406 bei Schwankungen in der festen Kapazität (und deshalb der VCO-Frequenz) relativ linear bleibt. Genauer gesagt wird der Ladungspumpenstrom 205 so kompensiert, dass er der variablen VCO-Verstärkung entgegenwirkt, so dass die Gesamt-PLL-Verstärkung linear ist.
5 veranschaulicht eine PLL 500, die einen Verstärkungskompensator 502 aufweist, um den Ladungspumpenstrom 205 einzustellen, um so die Gesamt-PLL-Verstärkung der PLL 500 zu linearisieren (und linear zu machen bzw. zu glätten). Der Verstärkungskompensator 502 erzeugt den Pumpenstrom 205 auf der Basis der Steuerinformationen, die von dem VCO-Steuerbus 220 und dem Kondensatorsteuerbus 238 übertragen werden. Wie oben erörtert worden ist, wählt der VCO-Steuerbus 220 den geeigneten VCO 226 auf der Basis des gewünschten Frequenzbereichs für das PLL-Ausgangssignal 227 aus. Der Kondensatorsteuerbus 238 wählt die Festkondensatoren 232, die parallel zu dem ausgewählten VCO 226 eingeschaltet sind, für eine grobe Frequenzabstimmung des VCO 226 aus. Deshalb kann der Verstärkungskondensator 502 den Referenzpumpenstrom 205 für einen spezifizierten VCO 226 bei einem spezifizierten festen Kapazitäts-232-Wert passend machen und dadurch die variable VCO-Verstärkung gegenüber der festen Kapazität kompensieren.
6 veranschaulicht einen Nur-Lese-Speicher-Digital-Analog-Wandler (ROMDAC; read only memory digital-to-analog converter) 600, der ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel des Verstärkungskompensators 502 ist, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Unter Bezugnahme auf 6 umfasst der ROMDAC 600 eine Nachschlagetabelle 602 und einen Strom-Digital-Analog-Wandler 610. Die Nachschlagetabelle 602 speichert Pumpenstromwerte 604a–n, die von dem ausgewählten VCO 226 und einem Festkapazitätsgesamtbetrag 606 indexiert werden, wobei der Festkapazitätsgesamtbetrag 606 die parallele Summe der Kondensatoren 232 ist, die in den LC-Kreis 228 eingeschaltet sind. Die Pumpenstromwerte 604 werden so ausgewählt, dass sie die variable VCO-Verstärkung gegenüber der Kapazität kompensieren, wenn ein identifizierter VCO 226 und der Festkapazitätsgesamtbetrag 606 vorgegeben sind. Vorzugsweise wird die PLL 200 für jeden VCO 226 im voraus charakterisiert, um die Pumpenstromwerte 604 zu bestimmen, die eine lineare Gesamt-PLL-Verstärkung für verschiedene Kapazitätsgesamtbeträge 606 erzeugen. Die Nachschlagetabelle 602 gibt einen Pumpenstromwert 608 aus, der dem identifizierten VCO 226 und dem Festkapazitätsgesamtbetrag 606 entspricht. Der DAW 610 wan delt den Pumpenstromwert 608 in den tatsächlichen analogen Pumpenstrom 205 um, der die Ladungspumpe 204 steuert. Wenn Kondensatoren 232 zu dem LC-Kreis 228 addiert oder von diesem subtrahiert werden, wählt die Nachschlagetabelle 602 den geeigneten Pumpenstromwert 604 so aus, dass eine lineare Gesamt-PLL-Verstärkung aufrecht erhalten wird. Deshalb wird der Pumpenstrom 205 für verschiedene Gesamtkapazitäten 606 eingestellt, um der variablen Verstärkung des ausgewählten VCO 226 entgegenzuwirken und um dadurch die Gesamtverstärkung der PLL 500 linear zu machen.
Ein Vorteil des ROMDAC 600 liegt darin, dass die Pumpenstromwerte 604 total willkürlich und mathematisch ohne Bezug zueinander sein können. Mit anderen Worten, die Pumpenströme 604 können individuell ausgewählt werden, um eine optimale Gesamt-PLL-Verstärkung für einen gegebenen VCO 226 und Kapazitätsgesamtbetrag 606 zu erzeugen, ohne durch irgendeine mathematische Beziehung beschränkt zu sein. In einem alternativen Ausführungsbeispiel stehen die verschiedenen Pumpenströme 604 mathematisch in einer Beziehung zueinander oder zu dem VCO-Steuersignal 220 oder dem Kondensator-Steuersignal 238.
Zusätzlich zu der PLL-Verstärkung ist es wünschenswert, verschiedene anderen PLL-Charakteristiken abzustimmen, wie etwa die Eingangsreferenzfrequenz, die Schleifenbandbreite, den Dämpfungsfaktor, etc. Dies erlaubt es, dass die gleiche PLL in verschiedenen Betriebsumgebungen verwendet werden kann. Zum Beispiel ist es oft wünschenswert, eine PLL-Konfiguration zu haben, die mit einer Anzahl von unterschiedlichen Referenzfrequenzen betrieben werden kann. Wenn die Frequenz des Referenzsignals 201 um einen Faktor von zwei steigt, sollte die PLL-Schleifenverstärkung vorzugsweise so eingestellt werden, dass sie diesen Anstieg kompensiert, so dass die PLL-Schleife stabil und genau bleibt. Die PLL-Schleifenverstärkung kann in geeigneter Weise eingestellt werden, indem die Frequenzteilung des Frequenzteilers 206 um einen Faktor von zwei reduziert wird. Aber dies würde einen Austausch des Frequenzteilers 206 für jede mögliche Referenzfrequenz oder die Benutzung eines programmierbaren Frequenzteilers erfordern. Alternativ dazu könnte der Ladungspumpenstrom um einen Faktor von zwei reduziert werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen.
7 veranschaulicht einen ROMDAC 700 als ein anderes Ausführungsbeispiel des Verstärkungskondensators 502 gemäß Ausführungsbeispielen der vorlie genden Erfindung. Der ROMDAC 700 weist eine erweiterte Nachschlagetabelle 701 auf, die mehrere Mengen 710a–d von Pumpenstromwerten aufweist, wobei die Mengen 710 zusätzlich zur Kompensation der variablen VCO-Verstärkung verschiedene PLL-Charakteristiken abstimmen. Einige PLL-Charakteristiken umfassen, sind aber nicht beschränkt auf eine PLL-Referenzsignalfrequenz, eine PLL-Schleifenbandbreite, eine PLL-Schleifendämpfung, etc. Zum Beispiel weisen die Mengen 710a und 710b jeweils Pumpenstromwerte 702a–n und 704a–n auf, die für unterschiedliche Referenzfrequenzen angepasst sind. Die Pumpenstromwerte 702a–n können einer ersten Referenzsignal-201-Frequenz entsprechen, und die Pumpenstromwerte 704a–n können einer zweiten Referenzsignal-201-Frequenz entsprechen. Deshalb kann dann, wenn sich die Frequenz des Referenzsignals 201 ändert, der Pumpenstromwert 608 aus der geeigneten Pumpenstrommenge 710 ausgewählt werden. In einem anderen Beispiel werden die Pumpenstrommengen 710c und 710d so angepasst, dass die Schleifenbandbreite für unterschiedliche Schleifendämpfungsfaktoren aufrecht erhalten bleibt. Der Schleifendämpfungsfaktor wird erhöht oder verringert, indem der variable Widerstand 210 in dem Schleifenfilter 208 eingestellt wird, was auch die Schleifenbandbreite bestimmt. Wenn der Dämpfungsfaktor geändert wird, dann kann die Schleifenbandbreite konstant gehalten werden, indem die entsprechende Menge 710c oder 710d ausgewählt wird, die den Ladungspumpenstrom 205 so einstellt, dass er der Auswirkung auf die Schleifenbandbreite ausreichend entgegenwirkt.
Zusammengefasst heißt das, dass durch das Speichern von mehreren Mengen 710 von Ladungspumpenwerten in der Nachschlagetabelle 701 zusätzlich zu der PLL-Verstärkung mehrere PLL-Charakteristiken eingestellt bzw. abgestimmt werden können. Dies erlaubt es, dass die gleiche PLL 500 unter verschiedenen PLL-Betriebsbedingungen verwendet werden kann, ohne dass PLL-Komponenten ausgetauscht werden müssen. Die Anzahl von Pumpenstrommengen 710 kann erweitert werden, um jegliche Anzahl von PLL-Charakteristiken einzustellen, vorausgesetzt, dass ausreichender Speicherraum in der Nachschlagetabelle 701 vorhanden ist.
8 veranschaulicht einen Verstärkungskompensator 800, der ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verstärkungskompensators 502 in 5 ist. Der Verstärkungskompensator 800 umfasst: einen Spannungsgenerator 801, Verstärkungskompensatorzellen 806a–c, die VCOs 226a–c entsprechen, und PFETs 808a–c, die den Verstärkungskompensatorzellen 806a–c entsprechen. Jede Verstärkungskompensatorzelle 806 erzeugt einen prospektiven Pumpenstrom 807, der die variable VCO- Verstärkung ihres entsprechenden VCO 226 kompensiert, die durch die Festkondensatoren 232 verursacht wird. Da nur ein VCO 226 zu einem gegebenem Zeitpunkt betriebsbereit ist, wird nur ein prospektiver Pumpenstrom 807 der tatsächliche Pumpenstrom 205 werden, der die Ladungspumpe 204 speist. Die PFETs 808 arbeiten als Schalter, die von den VCO-Steuersignalen 239 gesteuert werden und den geeigneten prospektiven Pumpenstrom 807 so auswählen, dass er zu dem ausgewählten VCO 226 passt. Wenn zum Beispiel der VCO 226a der ausgewählte VCO 226 ist, dann bewirkt das Steuersignal 239a, dass der PFET 808a so leitet, dass der Strom 807a die Speisung für den Pumpenstrom 205 wird. Demgemäß schalten die Steuersignale 239b und 239c ihre jeweiligen PFETs 808b und 808c ab, und deshalb speist nur der Strom 807a den Pumpenstrom 205.
Der Aufbau der Verstärkungskompensatorzelle 806 ist in 9 gezeigt und umfasst: Schalter 902a–d, die von den jeweiligen Kondensator-Steuersignalen 239a–d gesteuert werden, und Einheitsstromquellen 906a–j, die in Gruppen 904a–d angeordnet sind. Vorzugsweise erzeugt jede Einheitsstromquelle 906 im Wesentlichen den gleichen Betrag an Einheitsstrom (innerhalb von Transistortoleranzen), wobei der Betrag an Einheitsstrom auf einer Gate-Spannung 805 basiert, die von dem Spannungsgenerator 801 erzeugt wird. Jede Gruppe 904 entspricht einem Kondensator 232 und erzeugt einen Teil des gesamten Pumpenstroms 205, wenn der jeweilige Kondensator 232 in den LC-Kreis 228 eingeschaltet wird. Die Anzahl an Einheitsstromquellen 906 in jeder Gruppe 904 wird so ausgewählt, dass sie die variable VCO-Verstärkung kompensieren, die auftritt, wenn der entsprechende Kondensator 232 in den LC-Kreis 228 eingeschaltet wird. So entspricht zum Beispiel die Gruppe 904a dem Kondensator 232a und weist 4 Einheitsstromquellen 906 auf, um die variable VCO-Verstärkung zu kompensieren, die von dem Kondensator 232a bewirkt wird. Dagegen weist die Gruppe 904b nur 2 Einheitsstromquellen 906 auf, um die variable VCO-Verstärkung anzugehen, die von dem Kondensator 232b verursacht wird, und so weiter. Es sei angemerkt, dass die Anzahl an Stromquellen 4, 2, 3, 1, die in 9 für die Gruppen 902a–d gezeigt sind, nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen ist und nicht als Beschränkung gedacht ist. Des Weiteren ist die Anzahl an Gruppen 904, nämlich 4, wie gezeigt, nicht beschränkend gedacht. In Ausführungsbeispielen der Erfindung sollte die Anzahl an Gruppen 904 kleiner oder gleich der Anzahl an Festkondensatoren 232 sein.
Eine Gruppe 904 wird in die Verstärkungskompensatorzelle 806 eingeschaltet, wenn der entsprechende Schalter 902 die Vg 805 mit den Einheitsstromquellen 906 in der Gruppe 904 verbindet. Wenn die Vg 805 einmal mit einer Gruppe verbunden ist, aktiviert sie die Stromquellen 906 und bestimmt den Strom, der von jeder Stromquelle 906 erzeugt wird. Die Schalter 902 werden von den gleichen Kondensator-Steuersignalen 239 gesteuert, die die jeweiligen Kondensatoren 232 in den LC-Kreis 228 einschalten. Deshalb wird dann, wenn ein Kondensator 232 in den LC-Kreis 228 eingeschaltet wird, die entsprechende Gruppe 904 in die Verstärkungskompensatorzelle 806 eingeschaltet und trägt deshalb zu dem prospektiven Pumpenstrom 807 bei. Wenn der Kondensator 232a zum Beispiel durch das Kondensator-Steuersignal 239a in den LC-Kreis 228 eingeschaltet wird, dann wird die Gruppe 904a der Einheitsstromquellen 906 durch das gleiche Steuersignal 239a in die Verstärkungskompensatorzelle 806 eingeschaltet. Deshalb wird der Strom von der Gruppe 904a zu dem prospektiven Pumpenstrom 807 beitragen und dadurch die variable VCO-Verstärkung kompensieren, die von dem Kondensator 232a verursacht wird. Wenn der Kondensator 232b dann in den LG-Kreis 228 eingeschaltet wird, wird die Gruppe 904b zu der Verstärkungskompensatorzelle 806 hineingeschaltet, um die variable VCO-Verstärkung zu kompensieren, die von dem Kondensator 232b verursacht wird. Entsprechend wird der Ladungspumpenstrom 205 gleichzeitig angepasst, um eine lineare Gesamt-PLL aufrecht zu erhalten, während die Kondensatoren 232 inkrementell zu dem LC-Kreis 228 addiert (oder von diesem subtrahiert) werden.
Jede Einheitsstromquelle 906 ist vorzugsweise ein PFET-Transistor, wie gezeigt ist. Aber andere Transistorvorrichtungen und -konfigurationen können für die Einheitsstromquellen 906 verwendet werden, einschließlich N-FET-Transistoren, was den Fachlauten auf den relevanten Fachgebieten auf der Basis der hier gegebenen Erörterungen klar sein wird. Diese anderen Transistorvorrichtungen und -konfigurationen liegen innerhalb des Schutzbereichs und des Gedankens der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel würde die gleichzeitige Benutzung von NFET- und PFET-Stromquellen es erlauben, dass der Verstärkungskompensator eine Charakteristik einer nichtmonotonen VCO-Verstärkung gegenüber einer festen Kapazität kompensiert.
Der Spannungsgenerator 801 und die Stromquellen 906 arbeiten als ein "Stromspiegel", wobei die Drain-Ströme der ausgewählten Einheitsstromquellen 906 einen Referenzskalierstrom 812 kopieren oder "spiegeln". Genauer gesagt legt der Stromskalierer 804 den Referenzskalierstrom 812 fest, der als eine Stromsenke für den PFET 802 arbeitet. Der PFET 802 arbeitet als eine Diode, da das Gate und der Drain des PFET 802 durch einen Leiter 813 miteinander kurzgeschlossen sind. Der Drain-Strom 814 des PFET 802 ist im Wesentlichen derselbe wie der Referenzskalierstrom 812, da im Wesentlichen ein Nullstrom in dem Leiter 813 vorhanden ist. Der diodenangeschlossene PFET 802 erzeugt die Gate-Spannung 805 an seinem Gate-Anschluss so, dass sie mit dem Drain-Strom 814 und deshalb mit dem Referenzskalierstrom 812 übereinstimmt. Wenn der Drain-Strom 814 von dem Referenzskalierstrom 812 aus irgendwelchen Gründen abweicht, dann fließt die Ladung zu/von dem Gate des PFET 802, um den Strom 814 und den Skalierstrom 812 wieder zurück in Einldang miteinander zu bringen. Die Gate-Spannung 805 wird an das Gate der Stromquellen 906 angelegt, wenn ihre jeweilige Gruppe 904 von den Kondensator-Steuersignalen 239 ausgewählt wird. Die Stromquellen 906 werden den Drain-Strom 814 aufgrund der gemeinsamen Gate-Spannung 805 reproduzieren (oder "spiegeln"), wenn die Vorrichtungscharakteristiken der Stromquellen 906 zu denen des PFET 802 ausreichend ähnlich sind. Dieser Stromspiegeleffekt tritt auf, weil zwei oder mehr FETs, die eine gemeinsame Gate-Source-Spannung und ähnliche Vorrichtungscharakteristiken aufweisen, im Wesentlichen den gleichen Drain-Strom erzeugen werden. Wenn eine Gruppe 904 von dem entsprechenden Kondensator-Steuersignal 239 nicht eingeschaltet wird (weil der entsprechende Kondensator 232 nicht in den LC-Kreis 228 eingeschaltet ist), dann werden die Gates der entsprechenden Stromquellen 906 durch den entsprechenden Schalter 902 mit Vcc verbunden. Wenn sie mit Vcc verbunden sind, sind diese nicht ausgewählten Stromquellen 906 abgeschaltet und erzeugen keinen Einheitsstrom.
Vorzugsweise werden der PFET 802 und die Stromquellen 906 auf der gleichen Halbleiterscheibe unter Verwendung des gleichen Prozesses hergestellt, was die Kommunalität der Vorrichtungscharakteristiken verbessert. Aber wenn die Größe der Einheitsstromquellen 906 relativ zu der Größe des PFET 802 skaliert ist, dann werden die Einheitsstromquellen 906 einen Strom erzeugen, der proportional zu dem Skalierungsfaktor ist, wie den Fachleuten auf den relevanten Fachgebieten klar sein wird. Dies erhöht die Flexibilität der Verstärkungskompensatorzelle 806, da die Stromquellen 906 relativ zu dem PFET 802 sowie auch relativ zueinander skaliert werden können.
Der Stromskalierer 804 setzt den Referenzskalierstrom 812 auf der Basis eines PLL-Steuersignals 810 fest, wobei das PLL-Steuersignal 810 verschiedene PLL-Charakteristiken wie etwa die Frequenz des Referenzsignals 201, die PLL-Schleifenbandbreite und die PLL-Schleifendämpfung, etc. diktiert. 10 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des Stromskalierers 804 und umfasst gewichtete Stromquellen 1002a–n. Die gewichteten Stromquellen 1002a–n ziehen Ströme 1004a–n auf der Basis der PLL-Variablen in dem PLL-Steuersignal 810. So kann die Stromquelle 1002a zum Beispiel so angepasst werden, dass sie einen Strom 1004a erzeugt, der proportional zu der Frequenz des Referenzsignals 201 ist, und die Stromquelle 1002b kann so angepasst werden, dass sie einen Strom 1004b erzeugt, der proportional zu der gewünschten Schleifenbandbreite ist, usw.. Die Ströme 1004a–n werden miteinander summiert, um den Referenzskalierstrom 812 zu bilden, der den diodenangeschlossenen PFET 802 speist. Deshalb werden Änderungen in den PLL-Variablen in dem Referenzskalierstrom 812 und aufgrund des hier beschriebenen Stromspiegeleffekts schließlich in den Drain-Strömen der Einheitsstromquellen 907 reflektiert. Genauer gesagt ist der PFET-Drain-Strom 814 im Wesentlichen derselbe wie der Referenzskalierstrom 812 und wird zu den Drain-Strömen der Einheitsstromquellen 906 kopiert.
Ein Vorteil der Verwendung des Stromskalierers 800 liegt darin, dass alle Stromquellen 906 (die sich in einer ausgewählten Gruppe 904 befinden) gleichzeitig an die sich ändernden PLL-Charakteristiken angepasst werden, zusätzlich zu der Kompensierung der variablen VCO-Verstärkung. Deshalb kann der prospektive Pumpenstrom 807 (und schließlich der endgültige Pumpenstrom 205) effizient so abgestimmt werden, dass er sich ändernde PLL-Charakteristiken kompensiert. Dies erlaubt es, dass die gleiche PLL unter verschiedenen Betriebsbedingungen verwendet werden kann. Außerdem reduziert der Stromskalierer 804 die Größe des gesamten Verstärkungskompensators, da nicht mehrere Sätze von Stromquellen 906 benötigt werden, um sich ändernde PLL-Charakteristiken anzugehen. Im Gegensatz dazu benötigt der ROMDAC 700 mehrere Mengen 710 von Stromwerten, um die sich ändernden PLL-Charakteristiken anzugehen, was die Größe des ROMDAC 700 vergrößert.
Die nachfolgenden Beispiele veranschaulichen die Flexibilität der PLL 500, wenn der Stromskalierer 804 verwendet wird, um (neben der VCO-Verstärkung) eine Anpassung an sich ändernde PLL-Charakteristiken vorzunehmen. In einem ersten Beispiel steigt die Frequenz des Referenzsignals 201 um einen Faktor von zwei, aber das Frequenzteiler-206-Verhältnis soll konstant bleiben. Der gleiche Frequenzteiler 206 kann in der PLL 500 verwendet werden, wenn der Ladungspumpenstrom 205 um etwa einen Faktor von zwei reduziert wird. Dies wird erreicht, indem der Referenzskalierstrom 812 reduziert wird, der von dem Stromskalierer 804 erzeugt wird, was eine entsprechende Reduzierung bei der Gate-Spannung 805 bewirkt. Durch den Stromspiegeleffet wird der Strom, der von den ausgewählten Stromquellen 906 erzeugt wird, proportional um einen Faktor von zwei reduziert werden. Deshalb wird der prospektive Strom 807 (und die Pumpe 205) ebenfalls um einen Faktor von zwei reduziert, wie dies gewünscht ist, und die gleiche PLL 500 kann für die neue Referenzfrequenz erneut verwendet werden.
In einem zweiten Beispiel soll der PLL-Dämpfungsfaktor ζ erhöht werden, aber die PLL-Bandbreite soll konstant gehalten werden. Der PLL-Dämpfungsfaktor ζ wird erhöht, indem der Widerstand des variablen Widerstands 210 in dem Schleifenfilter 208 erhöht wird. Aber dies ändert auch die Schleifenbandbreite, was den Fachleuten auf dem Fachgebiet klar sein wird. Zur Kompensierung stellt der Stromskalierer 804 den Referenzskalierstrom 812 und somit die Einheitsstromquellen 906 so ein, dass sie einen Referenzpumpenstrom 205 erzeugen, der die Kompensation für die Schleifenbandbreite durchführt.
Zusammengefasst und auf der Basis der hier angegebenen Beispiele ist der Verstärkungskompensator 800 in der Lage, eine variable VCO-Verstärkung zu kompensieren und gleichzeitig andere PLL-Charakteristiken abzustimmen, indem die hier beschriebene Stromspiegelkonfiguration verwendet wird. Diese anderen PLL-Charakteristiken umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Änderungen der Referenzfrequenz, des Dämpfungsfaktors und der Bandbreite.
Das Ablaufdiagramm 1100 beschreibt weiter den Betrieb des Verstärkungskompensators 800 und der VCO-Verstärkungskompensation gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die Reihenfolge der Schritte in dem Ablaufdiagramm 1100 ist nicht beschränkend, da alle oder einige der Schritte gleichzeitig oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können, wie den Fachleuten auf dem Fachgebiet klar sein wird.
Im Schritt 1102 wird ein VCO 226 aus den VCOs 226a–c auf der Basis der gewünschten Frequenz des Ausgangssignals 227 ausgewählt. Die Auswahl wird durchgeführt, indem der entsprechende Schalter 230 unter Verwendung der Steuersignale 239 geschlossen wird, um den gewünschten VCO 226 hineinzuschalten.
Im Schritt 1104 wird das VCO-Ausgangssignal 227 zu dem Phasendetektor 202 durch einen Frequenzteiler 206 rückgekoppelt. Der Frequenzteiler 206 normalisiert die Frequenz des Ausgangssignals 227 für einen Vergleich in dem Phasendetektor 202 auf die des Referenzsignals 201.
Im Schritt 1106 vergleicht der Phasendetektor 202 die Phase des Ausgangssignals 227 mit dem Referenzsignal 201 und erzeugt ein Gleichstrom-Fehlersignal 203, das die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen darstellt.
Im Schritt 1108 liefert oder zieht die Ladungspumpe 204 einen Prozentsatz eines Referenzpumpenstroms 205 auf der Basis des Fehlersignals 203.
Im Schritt 1110 steuert der Ausgangsstrom von der Ladungspumpe 204 das Schleifenfilter 208 an, um eine Abstimmspannung 209 zu erzeugen.
Im Schritt 1112 werden ein oder mehrere Festkondensatoren 232 auf der Basis der Abstimmspannung 209 in den LC-Schwingkreis 228 eingeschaltet (oder aus diesem ausgeschaltet), um eine grobe Frequenzabstimmung des ausgewählten VCO 226 durchzuführen. Die Festkondensatoren 232 führen eine grobe Frequenzabstimmung durch, indem sie die Resonanzfrequenz des LC-Kreises 228 und deshalb des ausgewählten VCO 226 verschieben. Die Festkondensatoren 232 werden in den LC-Kreis 228 eingeschaltet (oder aus diesem ausgeschaltet), indem die entsprechenden Schalter 230 unter Verwendung der Steuersignale 239 geschaltet werden.
Im Schritt 1114 stellt der Verstärkungskompensator 800 den Ladungspumpenreferenzstrom 205 so ein, dass eine variable VCO-Verstärkung kompensiert wird, die durch das Hinzufügen oder Subtrahieren der Festkondensatoren 232 erzeugt wird. Der Referenzstrom 205 wird auf der Basis der VCO-Steuersignale 239 und auch der Kondensator-Steuersignale 239 eingestellt. In Ausführungsbeispielen wird der Referenzstrom 205 gleichzeitig mit dem Schalten der Festkondensatoren 232 durch die Kondensator-Steuersignale 239 eingestellt.
Im Schritt 1116 führt die Abstimmspannung 209 eine Feinabstimmung der Frequenz des ausgewählten VCO 226 durch, indem die Spannung quer durch den Varaktor 234 geändert wird. Die VCO-Verstärkung gegenüber der festen Kapazität wird im Wesentlichen durch den Verstärkungskompensator 800 im Schritt 1114 linearisiert, wodurch die PLL-Verstärkung linear gemacht bzw. geglättet wird und die spektrale Reinheit der PLL verbessert wird.
Das Ablaufdiagramm 1200 beschreibt den Schritt 1114 weiter, bei dem der Verstärkungskompensator 800 den Ladungspumpenstrom einstellt, um eine variable VCO-Verstärkung zu kompensieren. Die Reihenfolge der Schritte in dem Ablaufdiagramm 1200 ist nicht beschränkend, da alle oder einige der Schritte gleichzeitig oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können, was den Fachleuten auf diesem Gebiet klar sein wird.
Im Schritt 1202 empfangt der Verstärkungskompensator 800 die VCO-Steuersignale 239 und die Kondensator-Steuersignale 239. Die VCO-Steuersignale 239 bestimmen, welcher VCO 226 in die PLL 500 eingeschaltet wird. Die Kondensator-Steuersignale 239 bestimmen, welche Festkondensatoren 232 in den LC-Kreis 228 eingeschaltet werden.
Im Schritt 1204 wird eine Verstärkungskompensatorzelle 806 so ausgewählt, dass sie dem VCO 226 entspricht, der in die PLL 500 eingeschaltet wird, wie von den VCO-Steuersignalen 239 angegeben wird. Genauer gesagt schalten die Steuersignale 239 den entsprechenden PFET 808 für die Verstärkungskompensatorzelle 806 ein, die dem ausgewählten VCO 226 entspricht.
Im Schritt 1206 erzeugt der Stromskalierer 804 einen Referenzskalierstrom 812, der auf einem PLL-Steuersignal 810 basiert, wobei das PLL-Steuersignal 810 bestimmte PLL-Charakteristiken definiert, die die Referenzfrequenz, die Schleifenbandbreite und den Dämpfungsfaktor umfassen.
Im Schritt 1208 aktivieren die Schalter 902 eine oder mehrere Gruppen 904 von Einheitsstromquellen 906 in Übereinstimmung mit den Kondensator-Steuersignalen 239. Die Gruppen 904, die aktiviert werden, entsprechen den Kondensatoren 232, die in den LC-Kreis 228 eingeschaltet werden, wie von den Kondensator-Steu ersignalen 239 angegeben wird. Die restlichen (nicht ausgewählten) Stromquellen 906 sind abgeschaltet.
Im Schritt 1210 replizieren (oder kopieren) die aktivierten Gruppen 904 den Referenzskalierstrom 812 einmal oder mehrere Male, wobei die Anzahl von Malen, die der Referenzskalierstrom 812 repliziert wird, von den Kondensatoren 232 abhängt, die in den LC-Kreis 228 eingeschaltet werden. Genauer gesagt replizieren die aktivierten Gruppen 904 den Referenzskalierstrom genügende Male, um die variable VCO-Verstärkung, die von den entsprechenden Kondensatoren 232 bewirkt wird, in einem ausreichenden Maße zu kompensieren.
Im Schritt 1212 werden die Ströme von den aktivierten Stromquellen 906 zusammen addiert, um den Ladungspumpenreferenzstrom 205 zu erzeugen.
Im Schritt 1214 stellt der Stromskalierer 804 den Referenzskalierstrom 812 so ein, dass sich ändernde PLL-Charakteristiken wie etwa die Referenzfrequenz, die Schleifenbandbreite und der Dämpfungsfaktor angegangen werden. Durch das Einstellen des Referenzskalierstroms 812 werden alle der replizierten Ströme im Schritt 1210 gleichzeitig so eingestellt, dass die sich ändernden PLL-Charakteristiken angegangen werden.
5. Andere Anwendungen
Die Verstärkungskompensationserfindung, die hier beschrieben ist, ist unter Bezugnahme auf eine Abstimmvorrichtungsanwendung beschrieben worden. Aber die Verstärkungskompensationserfindung ist nicht auf Abstimmvorrichtungen beschränkt, und sie ist auf andere Nicht-Abstimmungsvorrichtungs-Anwendungen anwendbar, die von der linearen PLL-Verstärkung profitieren können. Außerdem ist die Verstärkungskompensationserfindung auf andere Nicht-PLL-Schaltungen anwendbar, die von der Kompensation einer variablen VCO-Verstärkung profitieren können. Die Anwendungen der Verstärkungskompensationserfindung auf diese Nicht-PLL-Schaltungen wird den Fachleuten auf den relevanten Fachgebieten auf der Basis der hier gegebenen Erörterungen klar sein und liegen innerhalb des Schutzbereichs und des Gedankens der vorliegenden Erfindung.

Claims

Verstärkungskompensatorschaltung (502), die einen Referenzpumpenstrom (205) für eine Ladungspumpe (204) in einer Phasenregelschleife (PLL) (500) bestimmt, mit: einer Vielzahl von Einheitsstromquellen (906a–j), die in wenigstens einer Gruppe (904a–d) angeordnet sind, wobei die Gruppe (904a–d) auf ein Kondensator-Steuersignal (239a–d) anspricht und einen Teil des Referenzpumpenstroms (205) erzeugt, wenn die Gruppe (904a–d) aktiviert ist, wobei das Kondensator-Steuersignal (239a–d) auch einen entsprechenden Festkondensator (232a–n) steuert, der in einer VCO-Tuning-Schaltung zum Abstimmen einer Frequenz eines VCO enthalten ist; und einer Einrichtung zur Skalierung (804) der Einheitsstromquellen (906a–j) im Ansprechen auf ein Phasenregelschleifen-Steuersignal (810).
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl der Einheitsstromquellen (906a–j) in der Gruppe (904a–d) einer Kapazität des entsprechenden Festkondensators (232a–n) entspricht.
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach Anspruch, wobei eine Anzahl der Einheitsstromquellen (906a–j) in der Gruppe (904a–d) so bestimmt wird, dass sie eine variable VCO-Verstärkung kompensiert, die durch den Festkondensator (232a–n) verursacht wird.
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Festkondensator (232a–n) eine Resonanzfrequenz eines Schwingkreises bestimmt.
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach Anspruch 4, wobei die Resonanzfrequenz eine Schwingungsfrequenz eines VCO bestimmt.
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kondensator-Steuersignal (239a–d) den Festkondensator (232a–n) einschaltet und die Gruppe (904a–d) der Einheitsstromquellen (906a–j) aktiviert.
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Einheitsstromquellen (906a–j) einen Referenzskalierstrom (812) replizieren, wobei die Anzahl, wie viele Male der Referenzskalierstrom (812) repliziert wird, auf einer gesamten festen Kapazität basiert, die in einen Schwingkreis eingeschaltet wird.
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung zur Skalierung (804) den Referenzskalierstrom (812) auf der Basis des PLL-Steuersignals (810) einstellt.
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zur Skalierung eine oder mehrere gewichtete Stromquellen umfasst, die auf das PLL-Steuersignal (810) ansprechen.
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach Anspruch 9, wobei das PLL-Steuersignal (810) wenigstens eines aus der Referenzfrequenz, der Bandbreite und dem Dämpfungsfaktor des PLL (500) angibt.
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Einrichtung zur Skalierung (804) und die Einheitsstromquellen (906a–j) einen Stromspiegel bilden.
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jede Einheitsstromquelle (906a–j) ein Feldeffekttransistor (FET) ist, der von der Einrichtung zur Skalierung (804) gesteuert wird, wenn die Einheitsstromquellen (906a–j) aktiviert sind.
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach Anspruch 12, wobei die Einrichtung zur Skalierung (804) eine Einrichtung zur Erzeugung einer Gate-Spannung umfasst, die an ein Gate der FETs angelegt wird, wenn die Gruppe (904a–d) aktiviert ist.
Verstärkungskompensatorschaltung (502) nach Anspruch 12, wobei die Einrichtung zur Skalierung (804) eine Einrichtung zur Erzeugung einer Gate-Spannung auf der Basis des PLL-Steuersignals (810) umfasst, und wobei die Verstärkungskompensatorschaltung (502) des Weiteren umfasst: einen Schalter, der mit der Gruppe (904a–d) der Einheitsstromquellen (906a–j) verbunden ist, wobei der Schalter die Gate-Spannung an die Gruppe (904a–d) der Einheitsstromquellen (906a–j) anlegt, wenn der entsprechende Festkondensator (232a–n) in einen Schwingkreis eingeschaltet wird.
Verfahren zur Kompensation der Verstärkung einer Phasenregelschleife (PLL) (500), das die folgenden Schritte umfasst: (1) Erzeugen eines Referenzskalierstroms (812); (2) Schalten eines Festkondensators (232a–n) in eine VCO-Tuning-Schaltung, die Teil eines VCO ist, um eine Frequenz des VCO abzustimmen; (3) Replizieren des Referenzskalierstroms (812) eine Anzahl von Malen, wenn der Festkondensator (232a–n) in die VCO-Tuning-Schaltung eingeschaltet wird, wobei die Anzahl, wie viele Male der Referenzskalierstrom (812) repliziert wird, auf dem Festkondensator (232a–n) basiert; (4) Beisteuern der replizierten Ströme zu einem Referenzladungspumpenstrom (205) für die PLL (500); und (5) Einstellen des Referenzskalierstroms (812) auf der Basis eines PLL-Steuersignals (810), das Charakteristiken der PLL (500) angibt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt (5) den Schritt des Einstellens einer oder mehrerer gewichteter Stromquellen, die den Referenzskalierstrom (812) erzeugen, auf der Basis des PLL-Steuersignals (810) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, wobei die PLL-Charakteristiken wenigstens eines aus der Referenzfrequenz, der PLL-Bandbreite und dem PLL-Dämpfungsfaktor umfassen.