DE10163536B4

DE10163536B4 - Ladungspumpenschaltung

Info

Publication number: DE10163536B4
Application number: DE2001163536
Authority: DE
Inventors: Nicola Da Dalt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: DE10163536A1

Abstract

Ladungspumpenschaltung für einen PLL-Schaltkreis (1), die aufweist
– zwei ansteuerbare Stromquellenzweige (18, 19), welche jeweils an einem zugeordneten Abgriff (20, 21) einen Speisestrom zum Speisen (lfn, lfp) eines differenziellen Regelschleifenfilters (8) in dem PLL-Schaltkreis (1) erzeugen und Steuereingänge (25–28) aufweisen, über die der von jedem Stromquellenzweig (18, 19) erzeugte Speisestrom (lfn, lfp) steuerbar ist, wobei jeder Speisestrom (lfn, lfp) aus einem positiven UP-Strom und einem negativen DOWN-Strom zusammengesetzt ist und die zwei Stromquellenzweige (18, 19) Schaltelemente (P2, P3, SW6, SW7, SW9, SW10, N2, N3) aufweisen, sowie hinsichtlich dieser Schaltelemente (P2, P3, SW6, SW7, SW9, SW10, N2, N3) identischen und zueinander symmetrischen Aufbau haben,
– einen Vergleichsstromquellenzweig (24), der hinsichtlich seiner Schaltelemente (P1, SW5, SW8, N1) identischen und symmetrischen Aufbau zu den zwei Stromquellenzweigen (18, 19) hat und einen Abgriff (30) aufweist zum Abgreifen einer Bezugsspannung (REF),
– eine Regelschleife (29, 30, 31), die am Abgriff (30) des...

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladungspumpenschaltung für einen Phasenregelschaltkreis, die zwei ansteuerbare Stromquellenzweige aufweist, welche jeweils einen Speisestrom zum Speisen eines differentiellen aktiven Regelschleifenfilters in dem Phasenregelschaltkreis erzeugen und Steuerausgänge aufweisen, über die der von jedem Stromquellenzweig erzeugte Speisestrom steuerbar ist, wobei jeder Speisestrom aus einem positiven UP-Strom und einem negativen DOWN-Strom zusammengesetzt ist.
Solche Ladungspumpenschaltungen für Phasenregelkreise, die auch als Nachlaufsynchronisationsschaltungen oder PPL-Schaltungen bezeichnet werden, dienen dazu, innerhalb des Phasenregelkreises einen Oszillator über einen Regelschleifenfilter so anzusteuern, daß der Oszillator hinsichtlich seiner Frequenz genau mit einer Bezugsfrequenz übereinstimmt, wobei eine feste Phasenverschiebung eingehalten wird. Dabei muß der Regelschleifenfilter mit einem Strom beaufschlagt werden, der vom Signal eines Phasendetektors abhängt, welcher die Bezugsfrequenz mit der vom Ausgang rückgespeisten Frequenz des einzustellenden Oszillators vergleicht. Der Phasendetektor gibt dabei ein UP-Schaltsignal oder ein DW-Schaltsignal aus, mit dem die Ladungspumpenschaltung zur Ausgabe des Ansteuerstromes für den Regelschleifenfilter angesteuert wird.

Die Ladungspumpenschaltung erzeugt somit den positiven UP-Strom und den negativen DOWN-Strom abhängig von den Steuersignalen, die sie vom Phasendetektor erhält. Die beiden Ströme zusammen bilden dann den Speisestrom, der dem Regelschleifenfilter zugeführt wird. Beim Entwurf solcher Ladungspumpenschaltungen muß insbesondere, wenn erhöhte Anforderungen an Zeitgenauigkeit und Phasenfluktuationen gestellt werden, besonderer Aufwand getrieben werden, um dafür zu sorgen, daß UP-Strom und DOWN-Strom in der Ladungspumpenschaltung exakt gleich sind. Ein Beispiel für solche erhöhte Anforderungen findet sich bei der Synchronisation von Hauptprozessor und Koprozessor bei Computerprozessoren und ist beispielsweise in der Veröffentlichung M. Johnson, E. Hudson, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 23, No. 5, Oktober 1988, S. 1218 ff, beschrieben. Dabei wird ein Phasenregelkreis im Baustein des Koprozessors vorgesehen, der die Zeitsteuerung des Koprozessors an die des Hauptprozessors anpaßt.

Die exakte gegenseitige Anpassung von UP-Strom und DOWN-Strom ist aus folgenden Gründen erforderlich:
Rastet der Phasenregelkreis ein und hat damit die vom Oszillator ausgegebene, rückgespeiste Frequenz den gleichen Wert wie die Bezugsfrequenz bei gleichzeitig fester Phasenbeziehung, so darf insgesamt kein Strom in den Regelschleifenfilter fließen, da ansonsten der Oszillator, der die rückgeführte Frequenz ausgibt, ständig verstellt würde. Bei einer Fehlanpassung von UP-Strom und DOWN-Strom fließt jedoch auch dann ein Netto-Strom in den Regelschleifenfilter. Dieser Netto-Strom moduliert zum einen die vom Regelschleifenfilter ausgegebene Spannung und verstellt damit die vom Oszillator abgegebene Frequenz, was im Frequenzspektrum des Oszillators Obertöne zur Folge hat, die unerwünschte Phasenfluktuation (Jitter) bedingen. Zum anderen verursacht ein Netto-Strom in dem Regelschleifenfilter eine systematische Phasenabweichung zwischen Bezugsfrequenz und erzeugter Frequenz, was die Eigenschaften des Phasenregelkreises hinsichtlich Zeitexaktheit, wie sie beispielsweise bei vorerwähnter Anwendung gefordert sind, drastisch herabgesetzt.

Zum betriebszustandsunabhängigen Abgleich von UP-Strom und DOWN-Strom sind mehrere Lösungsmöglichkeiten denkbar. So könnte man UP- und DOWN-Ströme durch kaskadierte Stromquellen aufbauen, um die Ausgangswiderstände zu erhöhen. Dann könnte man zwar die UP- und DOWN-Ströme theoretisch für einen großen Bereich an Innenwiderständen des Regelschleifenfilters anpassen, jedoch wäre diese Anpassung nur für eine bestimmte Temperatur exakt. Auch setzt diese Lösung voraus, daß die kaskadierten Stromquellen exakt gleich sind, was aufgrund variierender Prozeßparameter bei der Herstellung in Realität nicht der Fall ist.

Weiter wäre es denkbar, die UP- und DOWN-Ströme durch Addition bzw. Subtraktion eines Korrekturstromes, der in gewissen Schritten eingestellt werden kann, abzugleichen. Jedoch wäre hier ebenfalls nur eine Anpassung für bestimmte Temperatur- bzw. Herstellungsprozeßbedingungen erreicht.

Schließlich könnte man für die Erzeugung der UP- und DOWN-Ströme denselben Transistortyp einsetzen. Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß man einen weiteren Stromspiegel einführen müßte, um einen der beiden Ströme zu spiegeln, wodurch eine Verzögerung im Ansprechverhalten der Veränderung von UP- oder DOWN-Strömen bedingt ist. Dies würde wiederum zu einer Fehlanpassung führen. Im übrigen wäre auch hier keine Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen, Variationen der Herstellprozeßbedingungen oder Schwankungen der Versorgungsspannung gegeben.

In der Druckschrift DE 695 13 185 T2 ist eine hochsymmetrische bidirektionale Stromquelle angegeben. Dort ist ein Operationsverstärker zum Potentialausgleich zwischen die beiden Ausgangsknoten der Stromquelle geschaltet. Ein weiterer Operationsverstärker ist mit seinem nicht-invertierenden Eingang an einen Zwischenknoten eines zusätzlichen Zweiges der Stromquelle angeschaltet und mit seinem invertierenden Eingang an einen der beiden Ausgangsknoten der Stromquelle angeschlossen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ladungspumpenschaltung für einen PLL-Schaltkreis zu schaffen, bei der UP- und DOWN-Ströme, aus denen der Speisestrom zusammengesetzt ist, unabhängig von Versorgungsspannung, Betriebstemperatur oder Variationen der Herstellprozeßparameter besser gegeneinander abgeglichen sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ladungspumpenschaltung für einen PLL-Schaltkreis, die aufweist zwei ansteuerbare Stromquellenzweige, welche jeweils an einem zugeordneten Abgriff einen Speisestrom zum Speisen eines differenziellen Regelschleifenfilters in dem PLL-Schaltkreis erzeugen und Steuereingänge aufweisen, über die der von jedem Stromquellenzweig erzeugte Speisestrom steuerbar ist, wobei jeder Speisestrom aus einem positiven UP-Strom und einem negativen DOWN-Strom zusammengesetzt ist und die zwei Stromquellenzweige Schaltelemente aufweisen, sowie hinsichtlich dieser Schaltelemente identischen und zueinander symmetrischen Aufbau haben, einen Vergleichsstromquellenzweig, der hinsichtlich seiner Schaltelemente identischen und symmetrischen Aufbau zu den zwei Stromquellenzweigen hat und einen Abgriff aufweist zum Abgreifen einer Bezugsspannung, und eine Regelschleife, die am Abgriff des Vergleichsstromquellenzweig eine Bezugsspannung abgreift sowie aus den beiden Speiseströmen abgeleitet an den Abgriffen der ansteuerbaren Stromquellenzweige eine Gleichtaktspannung ableitet und durch Ansteuerung der zwei Stromquellenzweige die Gleichtaktspannung auf die Bezugsspannung regelt.

Erfindungsgemäß wird also die Anpassung durch eine automatisch arbeitende Regelung erreicht, so daß dadurch der Netto-Strom, der zum Regelschleifenfilter fließt, automatisch Null ist, wenn der Phasenregelkreis eingerastet ist. Dazu wird ein differentiell angesteuertes Regelschleifenfilter ausgenutzt, das weitere Vorteile hinsichtlich geringen Phasenfluktuationen im Phasenregelkreis hat. Die zwei Speiseströme für die differentiellen Eingänge des Regelschleifenfilters werden mittels zwei Stromquellenzweigen erzeugt, wobei jeder Stromquellenzweig einen Speisestrom bereitstellt.

Jeder Stromquellenzweig erzeugt den Speisestrom aus dem positiven UP-Strom und dem negativen DOWN-Strom zusammengesetzt und weist entsprechende Abschnitte zum Erzeugen des positiven UP-Stroms bzw. des negativen DOWN-Stroms auf. Erfindungsgemaß weisen die Stromquellenzweige Schaltelemente auf und sind hinsichtlich dieser Schaltelemente identisch und bezüglich der Erzeugung von UP- und DOWN-Strom symmetrisch aufgebaut. Somit ist durch den Schaltungsaufbau bereits eine gute Voranpassung der Stromquellenzweige bzw. deren Abschnitte erreicht.

Um die Abschnitte und damit die UP-Ströme und DOWN-Ströme noch weiter gegeneinander abzugleichen, ist ein Vergleichsstromquellenzweig vorgesehen, der hinsichtlich seiner aktiven Schaltelemente identischen und symmetrischen Aufbau zu jedem der zwei Stromquellenzweige hat und ebenfalls zwei symmetrische Abschnitte aufweist. Diesbezüglich stellt der Vergleichsstromquellenzweig eine Replizierung eines Stromquellenzweiges dar. Der Vergleichsstromquellenzweig dient dazu, eine Bezugsspannung bereitzustellen, die ein Maß für die aktuelle, d.h. bei den momentanen Betriebszuständen vorliegende Fehlanpassung der beiden Abschnitte der Stromquellenzweige, die den positiven UP- bzw. den negativen DOWN-Strom erzeugen, ist.

Da sich diese Fehlanpassung der beiden Abschnitte in einem Gleichtaktanteil der differentiellen Speiseströme der beiden Stromquellenzweige wiederfindet, wird erfindungsgemäß ein Abschnitt der beiden Stromquellenzweige durch die Regelschleife so verändert, daß insgesamt die Gleichtaktspannung auf die Bezugsspannung geregelt ist. Ist die Gleichtaktspannung gleich der Bezugsspannung, so ist dadurch sichergestellt, daß insgesamt kein Netto-Strom zum Regelschleifenfilter fließt, wenn der Phasenregelkreis eingerastet ist.

Durch die Einführung des hinsichtlich seiner aktiven Schaltelemente zu den zwei Stromquellenzweigen identischen Vergleichsstromquellenzweiges in der Ladungspumpenschaltung ist ein Regler möglich, der die Stromquellenzweige hinsichtlich ihrer zwei Abschnitte, die jeweils den positiven UP-Strom bzw. den negativen DOWN-Strom erzeugen, gegeneinander abgleicht, so daß für alle Betriebsbedingungen, insbesondere für einen weiten Fluktuationsbereich von Temperatur und Versorgungsspannung eine exakte gegenseitige Anpassung von UP-Strom und DOWN-Strom erreicht ist. Der identische und symmetrische Aufbau der Stromquellenzweige ermöglicht insbesondere, diese Stromquellenzweige in einer Abfolge gemeinsamer Verfahrensschritte herzustellen, wodurch erreicht werden kann, daß die Schaltelemente identische Eigenschaften haben, was den automatischen Abgleich erleichtert.

In einem besonders zweckmäßigen Aufbau, der insbesondere durch günstige Halbleiterfertigungsmöglichkeiten ausgezeichnet ist, ist bei der Ladungspumpenschaltung vorgesehen, daß deren Stromquellenzweige jeweils vier Transistoren aufweisen, deren Drain/Source-Strecken in Reihe zueinander zwischen eine Spannungsquelle und ein Bezugspotential geschaltet sind, wobei in der Reihenschaltung ein erstes Transistorenpaar symmetrisch zu einem in der Reihenschaltung folgenden zweiten Transistorenpaar ausgebildet ist, durch das erste Transistorenpaar der UP-Strom und durch das zweite Transistorenpaar der DOWN-Strom fließt und an einem Abgriff zwischen den zwei Transistorenpaaren der vom jeweiligen Stromquellenzweig erzeugte Speisestrom abgegriffen ist. Jedes Transistorenpaar entspricht dann dem eingangs erwähnten Abschnitt.

Jeder Stromquellenzweig weist dann folglich eine Reihenschaltung von vier Transistoren auf, wobei ein erstes Transistorenpaar den den UP-Strom bereitstellenden Abschnitt und ein zweites Transistorenpaar den den DOWN-Strom erzeugenden Abschnitt bildet. Zwischen diesen beiden Transistorenpaaren bzw. Abschnitten, sozusagen in der Mitte der Reihenschaltung, erfolgt der Abgriff des Speisestroms. Die Abschnitte sind zueinander symmetrisch ausgebildet, wobei die Lage der Drain- bzw. Source-Anschlüsse von der Wahl des Transistorentyps abhängt. Dieser Aufbau der Stromquellenzweige aus einer Reihenschaltung von vier Transistoren hat den Vorteil, daß die Mindestanzahl an Transistoren, die dann im duplizierten Vergleichsstromquellenzweig nötig ist, um die Bezugsspannung zu erzeugen, vorgehalten ist und zugleich die den UP-Strom erzeugenden Abschnitts symmetrisch zu den den DOWN-Strom erzeugenden Abschnitten ausgebildet werden können, was zusätzlich bereits eine Voranpassung dieser Abschnitte und somit einen Vorabgleich der UP-Ströme und DOWN-Ströme zur Folge hat.

Prinzipiell ist es zwar möglich, einen der Abschnitte, die den UP-Strom oder den DOWN-Strom erzeugen, nur mit einem einzelnen Transistor auszustatten, jedoch ist dann die erwähnte Voranpassung nicht gegeben. Die erwähnte bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht dagegen ein sogenanntes Layout-Matching, sowohl der zwei Abschnitte eines Stromquellenzweiges zueinander als auch der verschiedenen Stromquellenzweige untereinander.

Die Verstellbarkeit des UP- bzw. des DOWN-Stromes zum Einstellen des Speisestromes, der dem Regelschleifenfilter zugeführt wird, kann besonders zweckmäßig durch Ansteuerung eines Gate-Anschlusses eines Transistors erreicht werden. Eine besonders gute Anpassung der UP- und DOWN-Ströme wird erreicht, wenn der den UP-Strom erzeugende Abschnitt des ersten Stromquellenzweiges mit einem Signal angesteuert wird, das komplementär zu dem Signal ist, mit dem der Abschnitt angesteuert wird, der den DOWN-Strom dieses Stromquellenzweiges bereitstellt. Zur Erzeugung des zweiten Speisestroms, der zur differentiellen Ansteuerung des Regelschleifenfilters erforderlich ist, ist dann komplementär dazu vorgesehen, daß der den DOWN-Strom erzeugende Abschnitt mit einem Signal angesteuert ist, das komplementär zum Signal ist, das den erwähnten Abschnitt des anderen Stromquellenzweiges, der den DOWN-Strom erzeugt, ist. Das den UP-Strom dieses zweiten Stromquellenzweiges steuernde Signal ist wiederum komplementär zu dem Signal, das den UP-Strom des anderen Stromkreises steuert. Durch diese Wahl der Ansteuerung der vier, die UP- bzw. DOWN-Ströme der zwei Stromquellenzweige steuernden Transistoren, ist ebenfalls eine gute Voranpassung der UP- an die DOWN-Ströme erreicht. Insbesondere wird vorteilhafterweise ein exaktes Zeitsteuerverhalten gewährleistet.

Diese Ansteuerung ist besonders dann vorteilhaft und einfach einzusetzen, wenn eine Ladungspumpenschaltung vorgesehen wird, bei der die Ansteuerung der Regelschleife jeweils auf einen ersten Gate-Anschluß des ersten Transistorpaars wirkt, der zweite Gate-Anschluß des ersten Transistorpaars als Steueranschluß zur Einstellung des UP-Stromes dient, der erste Gate-Anschluß des zweiten Transistorpaars den entsprechenden Transistor leitend schaltet und der zweite Gate-Anschluß des zweiten Transistorpaars zur Einstellung des DOWN-Stromes dient.

Damit der Vergleichsstromquellenzweig wirklich exakt die aktuelle Vertrimmung des UP-Stroms gegen den DOWN-Strom in jedem Stromquellenzweig wiedergibt, ist es zweckmäßig, die Bezugsspannung an dem Punkt abzugreifen, der bei den beiden Stromquellenzweigen dem Abgriffsknoten des jeweiligen Speisestroms entspricht. Dann ist eine besonders exakte Anpassung erreicht. Es ist deshalb vorteilhafterweise vorzusehen, daß die Bezugsspannung zwischen den zwei Transistorpaaren des Vergleichszweiges, also zwischen den zwei Abschnitten des Vergleichszweiges, abgegriffen ist.

Wie bereits ausgeführt, ist die Gleichtaktspannung zwischen den differentiellen Speiseströmen ein Maß für die Fehlanpassung von UP-Strömen zu DOWN-Strömen in den zwei Stromquellenzweigen. Es ist deshalb zweckmäßig, einen Fehlerverstärker vorzusehen, der die Bezugsspannung und die Gleichtaktspannung vergleicht und am Ausgang ein Signal für die Fehlanpassung zwischen UP-Strömen und DOWN-Strömen liefert. Besonders vorteilhaft ist es, dieses Signal direkt zur Ansteuerung eines Gate-Anschlusses eines Transistors im jeweiligen Stromquellenzweig zu verwenden. Dabei sollten Gate-Anschlüsse von Transistoren angesteuert werden, die identisch zu dem Gate-Anschluß sind, dessen Gate mit dem Bezugsspannungsabgriff im Vergleichsstromquellenzweig verbunden ist. In der oben erwähnten Ausführungsform ist dies der erste Gate-Anschluß des ersten Transistorpaares.

Für die Stromquellenzweige bzw. den Vergleichsstromquellenzweig können bipolare Transistoren verwendet werden. Aus fertigungstechnischen Gründen sind jedoch MOS-Transistoren, insbesondere MOS-Feldeffekttransistoren zu bevorzugen.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Ladungspumpenschaltung ist bei einer PLL-Schaltung gegeben, wobei dieser Phasenregelkreis einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) aufweisen kann. Alternativ kann auch ein spannungsgesteuertes Verzögerungsglied (VCDL) eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1 ein Blockschaltbild eines Phasenregelkreises mit einer Ladungspumpenschaltung,
2 ein vereinfachtes Schaltbild einer Ladungspumpenschaltung und
3 einen vereinfachten Schaltplan einer Ladungspumpenschaltung mit zwei Stromquellenzweigen, die zwei differentielle Speiseströme erzeugen sowie mit einem Vergleichsstromquellenzweig zum Abgleich der Stromquellenzweige.
In 1 ist als Blockschaltbild ein Phasenregelkreis 1 gezeigt, der an einem Eingang 2 ein Signal mit einer Bezugsfrequenz f_ref aufnimmt und an einem Ausgang 3 ein Signal mit der Bezugsfrequenz gleicher Frequenz f_out abgibt, wobei eine feste Phasenbeziehung zwischen f_ref und f_out gehalten wird. Ein solcher Phasenregelkreis wird auch als Nachlaufsynchronisationsschaltung bezeichnet.
Im Phasenregelkreis 1 liegt das Signal mit dem Bezugssignal f_ref am Eingang 2 einer Phasendetektorschaltung 4 an, die an einem weiteren Eingang das am Ausgang 3 abgegebene Signal nach einer weiteren, noch zu beschreibenden Bearbeitung, zugeführt erhält. Der Phasendetektor 4 ist dabei so ausgeführt, daß er Signale liefert, die von der Phasenverschiebung zwischen dem rückgekoppelten Signal sowie dem Signal mit der Bezugsfrequenz f_ref wiedergibt.
Es sind Phasendetektoren bekannt, die eine Ausgangsspannung liefern, welche von der Phasenverschiebung zwischen dem Signal mit der Bezugsfrequenz und dem rückgekoppelten Signal abhängt. Da diese jedoch den Nachteil haben, daß sie nur einen begrenzten Fangbereich besitzen, d.h. sie rasten nie ein, wenn der anfängliche Frequenzunterschied zwischen dem rückgespeisten Signal und dem Signal mit der Bezugsfrequenz f_ref einen bestimmten Wert überschreitet, wird hier als Phasendetektor 4 eine Schaltung verwendet, die nicht eine analoge Ausgangsspannung liefert, sondern an zwei Steuerausgängen 5 und 6 Steuersignale UP und DW abgibt, die anzeigen, ob das Signal mit Bezugsfrequenz der rückgespeisten Frequenz nach- oder voreilt. Solche Phasendetektoren werden auch als frequenzempfindliche Phasendetektoren bezeichnet und ermöglichen einen stark vergrößerten Fangbereich, der in der Praxis nur durch den noch zu erläuternden im Phasenregelkreis 1 verwendeten Oszillator begrenzt ist.
Für die Details der schaltungstechnischen Realisierung wird vollumfänglich auf die Veröffentlichung „Phase Locked Loop Circuit Design", D, Wolaver, Prentice Hall, 1991, verwiesen.
Die Steuerausgänge 5 und 6 sind mit einer Ladungspumpenschaltung 7 verbunden, die abhängig von den Steuersignalen UP und DW einen Speisestrom lf erzeugt, welcher einem Regelschleifenfilter 8 zugeführt wird. Die Ladungspumpenschaltung stellt dabei den Speisestrom abhängig von den Steuersignalen UP und DW ein. Der Aufbau der Ladungspumpenschaltung 7 wird später noch anhand der 2 näher erläutert.
Der Regelschleifenfilter 8 ist ein aktives Bauelement, das den zugeführten Speisestrom lf in eine Ausgangsspannung umsetzt und für den Phasenregelkreis geeignete Tiefpaßeigenschaften hat. Beispiele für die schaltungstechnische Realisierung des Regelschleifenfilters finden sich ebenfalls in der erwähnten Publikation von Wolaver.
Die vom Regelschleifenfilter 8 ausgegebene Spannung steuert einen Oszillator 9, der im vorliegenden Beispiel als spannungsgesteuerter Oszillator ausgeführt ist. Ein solcher spannungsgesteuerter Oszillator, der auch mit der Abkürzung VCO bezeichnet wird, erzeugt ein Signal mit einer Frequenz, die proportional zu einer am Eingang zugeführten Steuerspannung ist. Im Phasenregelkreis 1 handelt es sich bei dieser Steuerspannung um die vom Regelschleifenfilter 8 ausgegebene Spannung. Beispiele für die schaltungstechnische Realisierung solcher spannungsgesteuerten Oszillatoren finden sich beispielsweise in der Veröffentlichung U. Thietze, C. Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 9. Aufl., Springer-Verlag, 1989, deren Offenbarungsgehalt hier vollständig einbezogen wird.
Das vom Oszsillator 9 abgegebene Signal steht am Ausgang 3 als Ausgangssignal zur Verfügung. Es wird zugleich dort abgegriffen und über eine Rückkopplungsschleife 10 dem zweiten Eingang des Phasendetektors 4 zugeführt. In die Rückkopplungsschleife 10 ist dabei ein Frequenzteiler 11 geschaltet, der die Frequenz des am Ausgang 3 abgegriffenen Signals herunterteilt, so daß dem Phasendetektor 4 ein Signal mit verminderter Frequenz f_div zugeführt wird. Der Frequenzteiler 11 übernimmt die Funktion die ihm zugeführte Frequenz um einen Faktor N herunterzuteilen.
2 zeigt schematisch die Ladungspumpenschaltung 7. Sie besteht aus zwei Stromquellen 12 und 13, die in Reihe zwischen eine Versorgungsspannung VCC und ein Bezugspotential GND geschaltet sind. Zwischen den beiden Stromquellen 12 und 13 fließt an einem Abgriff 14 der Speisestrom lf ab. Die Ladungspumpenschaltung 7 besteht also aus zwei Abschnitten, in einem Abschnitt erzeugt die Stromquelle 12 einen positiven Strom, der im folgenden als UP-Strom bezeichnet wird, in dem anderen Abschnitt erzeugt die Stromquelle 13 einen negativen Strom, der im folgenden als DOWN-Strom bezeichnet wird. Falls UP- und DOWN-Strom gleich groß sind, fließt kein Netto-Speisestrom lf. Überwiegt einer der beiden Ströme, fließt ein entsprechender Speisestrom lf.
Zur Einstellung von UP- und DOWN-Strom sind in jedem Abschnitt Schaltelemente geschaltet; zwischen der Stromquelle 12 und dem Abgriff 14 befindet sich ein Schaltelement 15 und zwischen dem Abgriff 14 und der Stromquelle 13 ein Schaltelement 16. Diese Schaltelemente sind mit den Steuerausgängen 5 und 6 des Phasendetektors verbunden, werden also mit den Steuersignalen UP und DW beaufschlagt.
Schließt das Steuersignal UP das Schaltelement 15, fließt der UP-Strom. Ist das Schaltelement 16 durch das Steuersignal DW geschlossen, fließt der DOWN-Strom. Durch geeignetes Schließen der Schaltelemente 15 und 16 vermöge der Steuersignale UP und DW kann somit ein beliebiger Speisestrom lf innerhalb der von den Stromquellen 12 und 13 erreichbaren Gesamtströme eingestellt werden.
Entspricht die vom Oszillator 9 erzeugte Frequenz f_out genau der Bezugsfrequenz f_ref so ist allerdings keine Verstellung des Oszillators erforderlich. In diesem Fall darf kein Netto-Speisestrom lf in den Regelschleifenfilter 8 fließen. Da der Phasendetektor 4 in diesem Fall aufgrund der festen Phasenbeziehung der zwei an seinem Eingang liegenden Signale die Steuersignale UP und DW als zueinander komplentäre Signale abgibt, muß der von der Stromquelle 12 erzeugte UP-Strom betragsmäßig exakt dem von der Stromquelle 13 erzeugten DOWN-Strom entsprechen, damit der Speisestrom lf im Mittel Null ist.
Ist dies nicht der Fall, erfolgt eine unerwünschte Vertrimmung des Oszillators 9, d.h. der Phasenregelkreis 1 neigt zu Schwingungen, die ständige unerwünschte Phasenverschiebungen zwischen Bezugsfrequenz f_ref und abgegebener Frequenz f_out zur Folge haben.
Um die beiden, den UP-Strom und den DOWN-Strom erzeugenden Abschnitte des Stromquellenzweiges 17 für verschiedenste Betriebszustände und auch bei Fluktuationen der Herstellparameter gegeneinander abgeglichen betreiben zu können, wird die in 3 gezeigte Ladungspumpenschaltung 7 verwendet. Sie ist für einen differentiell aufgebauten Regelschleifenfilter 8 vorgesehen, d.h. von der Ladungspumpenschaltung 7 laufen zwei Anschlüsse zum Regelschleifenfilter 8. Diese Variante ist in 1 gestrichelt eingezeichnet. Dabei liefert die Ladungspumpenschaltung 7 zwei differentielle Speiseströme lfn und lfp an den Regelschleifenfilter 8. Die schaltungstechnische Realisierung des differentiellen Regelschleifenfilters findet sich in der genannten Veröffentlichung von Wolaver.
Die Ladungspumpenschaltung der 3 weist nun zwei Stromquellenzweige 18 und 19 auf, die jeweils aus zwei Abschnitten zusammengesetzt sind, von denen ein Abschnitt den UP-Strom, und der andere Abschnitt den DOWN-Strom erzeugt. Zwischen den beiden Abschnitten sind an Abgriffen 20 bzw. 21 die differentiellen Speiseströme lfn bzw. lfp abgeleitet. Die Stromquellenzweige sind wiederum zwischen die Versorgungsspannung VCC und das Bezugspotential GND geschaltet, wobei die beiden Abschnitte in Reihe zueinander liegen und der Abgriff 20 bzw. 21 zwischen den beiden Abschnitten erfolgt.
In 3 stellt der zwischen dem Abgriff 20 bzw. 21 und der Versorgungsspannung VCC liegende Abschnitt des Stromquellenzweiges 18 bzw. 29 das Äquivalent zu dem zwischen dem Abgriff 14 und der Versorgungsspannung VCC liegende Abschnitt des Stromquellenzweiges 17 dar. Dieser Abschnitt erzeugt den UP-Strom. Der zwischen dem Abgriff 20 bzw. 21 und dem Bezugspotential GMD liegende Abschnitt des Stromquellenzweiges 18 und 20 erzeugt den DOWN-Strom.
Der Stromquellenzweig 18 bzw. 19 weist dabei einen ersten Transistor P2 bzw. P3 auf, dessen Source mit der Versorgungsspannung VCC verbunden ist. drainseitig ist der Transistor P2 bzw. P3 an den Source-Anschluß eines zweiten Transistors SW6 bzw. SW7 angeschlossen, dessen Drain wiederum mit dem Abgriff 20 bzw. 21 verbunden ist. Vom Abgriff 20 bzw. 21 läuft eine Leitung zum Drain-Anschluß eines dritten Transistors SW9 bzw. SW10, dessen Source mit dem Drain-Anschluß eines vierten Transistors N2 bzw. N3 verbunden ist, der sourceseitig auf Bezugspotential GND liegt.
Wie zu sehen ist, sind die Stromquellenzweige 18 und 19 hinsichtlich ihrer Transistoren identisch aufgebaut, wobei eine zusätzliche Symmetrie der den UP-Strom erzeugenden Abschnitte zu den den DOWN-Strom erzeugenden Abschnitten gegeben ist.
Der vierte Transistor N2 bzw. N3 des Stromquellenzweiges 18 bzw. 19 ist am Gate mit einer Vorspannung V_bias beaufschlagt, so daß die Source/Drain-Strecke dieses Transistors N2 bzw. N3 in einem bestimmten leitenden Zustand geschaltet ist. Ähnliches gilt für den dazu symmetrischen ersten Transistor P2 bzw. P3 des den UP-Strom erzeugenden Abschnittes, dessen Gate mit einer Abgleichspannung PCTRL angesteuert ist, auf die später noch zu sprechen kommen sein wird.
Die direkt mit den Abgriffen 20 bzw. 21 verbundenen Transistoren, d.h. der zweite Transistor SW6 bzw. SW7 sowie der dritte Transistor SW9 bzw. SW10 dienen zum Einstellen des UP-Stroms bzw. des DOWN-Stroms aus den der Stromquellenzweig 18 bzw. 19 den Speisestrom lfn bzw. lfp zusammensetzt. Die Gate-Anschlüsse der zweiten Transistoren SW6 bzw. SW7 sowie der dritten Transistoren SW9 bzw. SW10 der Stromquellenzweige 18 bzw. 19 dienen somit als Steuereingänge 25 bzw. 27 sowie 26 bzw. 28.
Am Steuereingang 25, d.h. am Gate des zweiten Transistors SW6 des Stromquellenzweiges 18, ist das Invertierte des Steuersignals DW angelegt. Am Steuereingang 26, der durch das Gate des dritten Transistors SW9 des Stromquellenzweiges 18 gebildet ist, ist das Steuersignal UP angelegt. Am Steuereingang 27, der vom Gate des zweiten Transistors SW7 des Stromquellenzweiges 19 gebildet ist, ist das Invertierte des UP-Signals angelegt. Am Steuereingang 28, der schließlich dem Gate des dritten Transistors SW10 des Stromquellenzweiges 19 entspricht, liegt das Steuersignal DW an. Durch diese Schaltmimik ist erreicht, daß die Speiseströme lfn und lfp zur Ansteuerung des differentiellen Regelschleifenfilters 8 geeignet sind.
Der möglichst genaue Abgleich der UP-Ströme sowie der DOWN-Ströme, aus denen die Stromquellenzweige 18 und 19 den Speisestrom lfn bzw. lfp zusammensetzen, ist dadurch erreicht, daß die Transistoren P2 und P3, SW6 und SW7, SW9 und SW10, N2 und N3 mit identischem Layout und identischer Schichtstruktur halbleitertechnisch hergestellt sind. Dadurch ist gleiches Zeit- und Steuerverhalten der Transistoren gewährleistet. Durch den symmetrischen Aufbau jedes Stromquellenzweiges 18 und 19 aus den zwei Abschnitten, die symmetrisch zu den Abgriffen 20 bzw. 21 liegen, ist darüber hinaus ein guter Vorabgleich von UP-Strom an DOWN-Strom sichergestellt.
Um nun verbleibende Abhängigkeiten von Betriebstemperatur, Versorgungsspannungskonstanz und Herstellprozeßvariationen zu eliminieren, ist ein Vergleichszweig 24 vorgesehen, der eine identische Replikation eines der Stromquellenzweige 18 und 19 ist. Der Vergleichszweig 24 stellt somit ebenfalls einen Stromquellenzweig dar, der zwischen die Versorgungsspannung VCC und das Bezugspotential GND geschaltet ist. Auch hier liegen zwei Abschnitte vor, die symmetrisch zu einem Abgriff 30 liegen, an dem eine noch näher zu erläuternde Bezugsspannung REF abgeleitet wird.
Im einzelnen weist der Vergleichszweig 24 einen ersten Transistor P1 auf, dessen Source an die Versorgungsspannung VCC gelegt ist und dessen Drain mit der Source eines zweiten Transistors SW5 verbunden ist, der drainseitig an den Abgriff 30 gelegt ist. Der Abgriff 30 ist wiederum mit dem Drain-Anschluß eines dritten Transistors SW8 verbunden, dessen Source-Anschluß auf den Drain-Kontakt eines vierten Transistors N1 gelegt ist, der mit seiner Source auf Bezugspotential GMD liegt. Die vier Transistoren P1, P5, P8 und N1 entsprechen somit exakt den vier Transistoren P2, P3; SW6, SW7; SW9, SW10; N1, N3 der Stromquellenzweige 18, 19.
Im Vergleichszweig 24 ist der Gate-Anschluß des ersten Transistors P1 mit dem Abgriff 30, von dem die Bezugsspannung REF abgeleitet wird, verbunden. Der Gate-Anschluß des zweiten Transistors SW5 liegt auf Bezugspotential GND und an das Gate des dritten Transistors SW8 ist die Versorgungsspannung VCC angelegt.
Der Vergleichszweig 24 dient dazu, ein Steuersignal zu erzeugen, das ein Maß für die Fehlanpassung der jeweiligen zwei Abschnitte der Stromquellenzweige 18 und 19 ist, d.h. eine Aussage darüber erlaubt, inwiefern der Betrag eines UP-Stromes eines Stromquellenzweiges vom Betrag des DOWN-Stromes dieses Stromquellenzweiges abweicht.
In der Schaltung der 3 ist weiter ein Gleichtaktverstärker 29 vorgesehen, dessen invertierender Anschluß auf Bezugspotential GND gelegt ist, und dessen nicht invertierende Anschlüsse mit den Abgriffen 20 bzw. 21 so verbunden sind, daß der Gleichtaktverstärker 29 am Ausgang eine Gleichtaktspannung Ifcm ausgibt, die den Gleichtaktanteil der beiden Speiseströme lfn und lfp wiedergibt. In einer vereinfachten Betrachtungsweise kann man davon ausgehen, daß LFCM dem arithmetischen Mittel zwischen lfn und lfp entspricht. Die Gleichtaktspannung LFCM wird einem Fehlerverstärker 31 zugeführt, der aus der am Abgriff 30 abgeleiteten Bezugsspannung REF und der Gleichtaktspannung lfn das Steuersignal PCTRL erzeugt. Es handelt sich dabei um einen Differenzverstärker, dem die Gleichtaktspannung ILFCM am nicht invertierenden und die Bezugsspannung REF am invertierenden Eingang zugeführt wird.
Die Abgleichspannung PCTRL ist an die Gate-Anschlüsse der ersten Transistoren P1 und P2 der Stromquellenzweige 18 und 19 gelegt.
Die Funktionsweise der Schaltung ist wie folgt: Die Speiseströme lfn und lfp, die an den Anschlüssen 22 und 23 dem Regelschleifenfilter 8 zugeführt werden, werden vom Gleichtaktverstärker 29 erfaßt, der die Gleichtaktspannung LFCM abgibt, aus der der Fehlerverstärker 31 durch Vergleich mit der Bezugsspannung REF die Abgleichspannung PCTRL erzeugt, die eine Einstellung des UP-Stroms, der durch die Transistoren P2 und SW6 bzw. P3 und SW7 in den Stromquellenzweigen 18 bzw. 19 erzeugt wird, zur Folge hat. Ist der Phasenregelkreis 1 eingeschwungen bzw. hat er eingerastet, bleibt die Gleichtaktspannung LFCM konstant und gleicht dann der Bezugsspannung REF, da die Speiseströme lfp und lfn auf den gleichen Wert geregelt werden und der Gleichtaktspannung LFCM entsprechen. Dies ist durch das sogenannte Virtual Ground Konzept des Phasenregelkreises 1 bedingt. Dadurch ist der vom Transistor N1 gezogene Strom gleich den Strömen, die durch die Transistoren N2 und N3 fließen. Im eingeschwungenen Zustand entspricht die Abgleichspannung PCTRL an den Gate-Anschlüssen der Transistoren P2 und P3 der Bezugsspannung REF, so daß bei gleichmäßiger Ansteuerung der Ladungspumpenschaltung 7 mit UP- und DOWN-Signalen der Abgleichzustand des Vergleichszweigs 24 exakt dem Abgleichszustand der Stromversorgungszweige 18 und 19.
Durch diesen automatischen, ständig aktiven Selbstabgleich sind die UP- und DOWN-Ströme exakt gegeneinander abgeglichen, unabhängig von Temperaturvariationen, Unterschieden oder Fluktuationen in der Versorgungsspannung und Abweichungen durch unterschiedliche Herstellbedingungen. Die Regelschleife, die durch die Erzeugung der Gleichtaktspannung dem Vergleich mit der aus dem Vergleichszweig 27 abgeleiteten Bezugsspannung REF erreicht ist, und die den Fehlerverstärker 31 sowie den Gleichtaktverstärker 29 umfaßt, sorgt somit dafür, daß im eingerasteten Zustand des Phasenregelkreises 1 der zum Regelschleifenfilter fließende Netto-Strom „konstruktionsbedingt" Null ist.

Claims

Ladungspumpenschaltung für einen PLL-Schaltkreis (1), die aufweist – zwei ansteuerbare Stromquellenzweige (18, 19), welche jeweils an einem zugeordneten Abgriff (20, 21) einen Speisestrom zum Speisen (lfn, lfp) eines differenziellen Regelschleifenfilters (8) in dem PLL-Schaltkreis (1) erzeugen und Steuereingänge (25–28) aufweisen, über die der von jedem Stromquellenzweig (18, 19) erzeugte Speisestrom (lfn, lfp) steuerbar ist, wobei jeder Speisestrom (lfn, lfp) aus einem positiven UP-Strom und einem negativen DOWN-Strom zusammengesetzt ist und die zwei Stromquellenzweige (18, 19) Schaltelemente (P2, P3, SW6, SW7, SW9, SW10, N2, N3) aufweisen, sowie hinsichtlich dieser Schaltelemente (P2, P3, SW6, SW7, SW9, SW10, N2, N3) identischen und zueinander symmetrischen Aufbau haben, – einen Vergleichsstromquellenzweig (24), der hinsichtlich seiner Schaltelemente (P1, SW5, SW8, N1) identischen und symmetrischen Aufbau zu den zwei Stromquellenzweigen (18, 19) hat und einen Abgriff (30) aufweist zum Abgreifen einer Bezugsspannung (REF), – eine Regelschleife (29, 30, 31), die am Abgriff (30) des Vergleichsstromquellenzweigs (24) die Bezugsspannung (REF) abgreift sowie aus den beiden Speiseströmen (lfp, lfn) abgeleitet an den Abgriffen (20, 21) der ansteuerbaren Stromquellenzweige eine Gleichtaktspannung (LFCM) ableitet und durch Ansteuerung der zwei Stromquellenzweige (18, 19) die Gleichtaktspannung (LFCM) auf die Bezugsspannung (REF) regelt.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1, deren Stromquellenzweige (18; 19) jeweils vier Transistoren (P2, P3, SW6, SW7, SW9, SW10, N2, N3) aufweisen, deren Drain/Source-Strecken in Reihe zwischen eine Spannungsquelle (vcc) und ein Bezugspotential (GND) geschaltet sind, wobei in der Reihen schaltung ein erstes Transistorenpaar (P2, SW6; P3, SW7) symmetrisch zu einem in der Reihenschaltung folgenden zweiten Transistorenpaar (SW9, N2; SW10, N3) ausgebildet ist, durch das erste Transistorenpaar (P2, SW6; P3 SW7) der UP-Strom und durch das zweite Transistorenpaar (SW9, N2; SW10, N3) der DOWN-Strom fließt, und an einem Abgriff (20; 21) zwischen den zwei Transistorenpaaren der vom jeweiligen Stromquellenzweig (18; 19) erzeugte Speisestrom (lfn; lfp) abgegriffen ist.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der UP- und der DOWN-Strom jeweils durch Ansteuerung eines Gate-Anschlusses eines Transistors (SW6, SW9; SW7, SW10) einstellbar ist.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 2, bei der die Ansteuerung der Regelschleife (29, 30, 31) jeweils auf einen ersten Gate-Anschluß (P2; P3) des ersten Transistorpaars (P2, SW6; P3, SW7) wirkt, der zweite Gate-Anschluß (SW6; SW7) des ersten Transistorpaars (P2, SW6; P3; SW7) als Steueranschluß zur Einstellung des UP-Stromes dient, der erste Gate-Anschluß (N2; N3) des zweiten Transistorpaars (SW9, N2; SW10, N3) den entsprechenden Transistor (N2) leitend schaltet und der zweite Gate-Anschluß (SW9; SW10) des zweiten Transistorpaars (SW9, N2; SW10, N3) zur Einstellung des DOWN-Stromes dient.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 2 oder 4, bei der die Bezugsspannung (REF) zwischen den zwei Transistorpaaren (P1, SW5; SW8, N1) des Vergleichszweiges (24) abgegriffen ist.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 5, bei der ein Fehlerverstärker (31) die Bezugsspannung (REF) und die Gleichtaktspannung (LFCM) vergleicht und mit seinem Ausgang an den ersten Gate-Anschluß (P2; P3) des ersten Transistorpaares (P2, SW6; P3, SW7) beider Stromquellenzweige (18; 19) angeschlossen ist.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1, bei der die Schaltelemente Transistoren (P1, P2, P3, SW5, SW6, SW7, SW8, SW9, SW10, N1, N2, N3) sind, die in einer Abfolge gemeinsamer Herstellverfahrensschritte hergestellt wurden.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 7, deren Transistoren (P1, P2, P3, SW5, SW6, SW7, SW8, SW9, SW10, N1, N2, N3) MOS-Transistoren sind.
PLL-Schaltung mit einer Ladungspumpenschaltung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.