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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Fraktional-N-PLL-Schaltkreis.
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Stand der
Technik
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Der
Phasenvergleicher ist ein unverzichtbares Konstruktionselement des
Phasenregelkreises (PLL). Phasenvergleicher stellen einen der Faktoren dar,
die an der Erzeugung einer Störsignalkomponente
oder Störung
beteiligt sind, die eine Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses
von Ausgangssignalen des PLL zur Folge haben. Es sind jahrelang
Versuche unternommen worden, die Störungen zu verringern, die Phasenvergleichern
zugeschrieben werden (siehe beispielsweise JP (Kokai) 11[1999]-74,734
(Seite 3, 3)).
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Der
Fraktional-N-PLL ist ein PLL-Typ. In 1 ist
ein Blockdiagramm gezeigt, das die allgemeine Konstruktion eines
Fraktional-N-PLL-Oszillators zeigt. In der Zeichnung umfasst ein
Fraktional-N-PLL-Oszillator 100 Folgendes: eine Bezugssignalquelle 110,
einen Phasenvergleicher 120, ein Tiefpassfilter 130,
einen spannungsgesteuerten Oszillator 140 und einen Fraktional-N-Teiler 150.
Der spannunggesteuerte Oszillator wird im folgenden als „VCO" bezeichnet. Des
Weiteren wird das Tiefpassfilter als „LPF" bezeichnet. Der Phasenvergleicher 120 erfasst
die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen der Bezugssignalquelle 110 und
den Ausgangssignalen des Fraktional-N-Teilers 150 und gibt
diese aus. Der LPF 130 filtert die Ausgangssignale des
Phasenvergleichers 120 und gibt das Produkt an den VCO 140 aus.
Der VCO 140 ändert
die Frequenz der Ausgangssignale gemäß den Ausgangssignalen des
LPF 130. Der Fraktional-N-Teiler 150 teilt die
Ausgangssignale des VCO 140 durch ein vorbestimmtes Teilungsverhältnis und
gibt das Produkt an den Phasenvergleicher 120 aus.
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Einem
Fraktional-N-PLL mit der oben erwähnten Konstruktion ist eine
Störkomponente
inhärent.
In der vorliegenden Beschreibung wird diese inhärente Störung Fraktionalstörung genannt.
Als Spektrum gesehen, ist eine Fraktionalstörung eine Störungskomponente,
die sich an beiden Seiten der Ausgangssignale des VCO 140 manifestiert,
und die Versatzfrequenz im Verhältnis
zur Frequenz der Ausgangssignale des VCO 140 entspricht
der Differenz zwischen der Frequenz der Ausgangssignale des VCO 140 und
der höheren
harmonischen Frequenz der Ausgangssignale der Bezugssignalquelle 110 oder
der Frequenz, die sich am nächsten
zur Frequenz der Ausgangssignale des VCO 140 befindet.
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Diese
Fraktionalstörung
kann unter Verwendung von herkömmlicher
Anti-Störungtechnologie nicht
verringert werden. Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, die Fraktionalstörung
zu verringern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
hat sich herausgestellt, dass diese Fraktionalstörung durch die Verzerrungskomponente
erzeugt wird, erzeugt wird, wenn die Signale, die in einen Phasenvergleicher
eingegeben werden, und die VCO-Ausgangssignale, die mit dem Phasenvergleicher
und mit dem Schaltkreis um den Phasenvergleicher durch die Route,
die nicht beabsichtigt war, verbunden sind, intermoduliert werden.
Um die Fraktionalstörung
zu verringern, beseitigt die vorliegende Erfindung die Ausgangssignalkomponente
des VCO aus den Signalen, die in den Phasenvergleicher eingegeben
werden, und verringert oder beseitigt dadurch die Verzerrung, die
als Folge der Intermodulation der VCO-Ausgangssignale und der Signale,
die in den Phasenvergleicher eingegeben werden, in dem Phasenvergleicher
erzeugt wird.
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Es
wird ein Verfahren zur Verringerung der Fraktionalstörung in
einem Fraktional-N-PLL-Oszillator geschaffen, der einen Phasenvergleicher
umfasst, der nichtlineare Elemente und einen durchstimmbaren Oszillator
aufweist, der auf die Niederfrequenzkomponente der Ausgangssignale
des Phasenvergleichers reagiert und mit dem Bezugssignale und Signale,
die durch die Teilung der Ausgangssignale des durchstimmbaren Oszillators
erhalten wurden, in den Phasenvergleicher eingegeben werden, wobei
dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen Schritt
umfasst, bei dem die Schwingungsfrequenzkomponente des durchstimmbaren Oszillators
aus den Signalen beseitigt wird, die in den Phasenvergleicher eingegeben
werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren einen Fraktional-N-PLL-Oszillator,
der einen Phasenvergleicher umfasst, der nichtlineare Elemente und
einen durchstimmbaren Oszillator aufweist, der auf die Niederfrequenzkomponente
der Ausgangssignale des Phasenvergleichers reagiert, und mit dem Bezugssignale
und Signale, die durch die Teilung der Ausgangssignale des durchstimmbaren
Oszillators erhalten wurden, in den Phasenvergleicher eingegeben
werden, wobei dieser Oszillator dadurch gekennzeichnet ist, dass
er ein Mittel umfasst, das die Schwingungsfrequenzkomponente des
durchstimmbaren Oszillators vor der Eingabe der Signale in den Phasenvergleicher
beseitigt, so dass die Fraktionalstörung dadurch verringert wird.
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Vorzugsweise
ist das Beseitigungsmittel ein Tiefpassfilter. Alternativ ist das
Beseitigungsmittel einen Gatter zur Ausgabe von binären Signalen
als Reaktion auf Eingangssignale. Das Gatter verfügt über eine
Stromquelle zur Beseitigung oder Verringerung der Schwingungsfrequenzkomponente
des durchstimmbaren Oszillators.
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Optional
kann ein Signalschaltkreis zwischen dem Phasenvergleicher und dem
Beseitigungsmittel angeordnet sein, wobei der Signalschaltkreis
eine derartige Konstruktion aufweist, dass die Schwingungsfrequenzkomponente
von dem durchstimmbaren Oszillator daran gehindert wird, in den Schaltkreis
einzutreten.
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Vorzugsweise
ist der Phasenvergleicher ein dualer bistabiler Phasenvergleicher.
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen Phasenvergleicher, mit dem die
Fraktionalstörung
in einem Fraktional-N-PLL verglichen mit dem Stand der Technik verringert
werden kann. Durch die vorliegende Erfindung benötigen die zusätzlichen
Schaltkreise zur Verringerung der Fraktionalstörung weniger Platz.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
Blockdiagramm, das einen Fraktional-N-PLL-Oszillator 100 des
Stands der Technik zeigt.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das die erste Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt, und zwar einen Fraktional-N-PLL-Oszillator 200,
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3 ist
eine Zeichnung, die die innere Konstruktion eines Phasenvergleichers 230 zeigt.
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4 ist
ein Blockdiagramm, das die zweite Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt, und zwar einen Fraktional-N-PLL-Oszillator 300,
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5 ist
eine Zeichnung, die das Ausgangsspektrum eines Fraktional-N-PLL-Oszillators des Stands
der Technik zeigt.
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6 ist
eine Zeichnung, die das Ausgangsspektrum des Fraktional-N-PLL-Oszillators der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei bei Bedarf auf die
beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird. Die erste Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist ein Fraktional-N-PLL-Oszillator 200. 2 ist
ein Blockdiagramm, das die allgemeine Konstruktion des Fraktional-N-PLL-Oszillators 200 zeigt.
Der Fraktional-N-PLL-Oszillator 200 in
der Zeichnung umfasst eine Bezugssignalquelle 210, ein
Filter 220, einen Phasenvergleicher 230, einen
LPF 240, einen VCO 250, einen Fraktional-N-Teiler 260 und
ein Filter 270. Die Ausgangssignale der Bezugssignalquelle 210 werden über das
Filter 220 in den Phasenvergleicher 230 eingegeben.
Die Ausgangssignale des Fraktional-N-Teilers 260 werden über das
Filter 270 in den Phasenvergleicher 230 eingegeben.
Der Phasenvergleicher 230 erfasst die Phasendifferenz zwischen diesen
beiden Eingangssignalen. Die Ausgangssignale des Phasenvergleichers 230 werden über das LPF 240 in
den VCO 250 eingegeben. Der VCO 250 ist ein Oszillator,
der seine Schwingungsfrequenz gemäß den Eingangssignalen ändert. Kurz
ausgedrückt ändert der
VCO 250 die Schwingungsfrequenz als Reaktion auf die Ausgangssignale
des Phasenvergleichers 230. Der Fraktional-N-Teiler 260 teilt
die Ausgangssignale des VCO 250 durch ein vorherbestimmtes
Teilungsverhältnis
M.
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Im
Folgenden wird der Phasenvergleicher 230 ausführlicher
beschrieben. 3 ist ein Blockdiagramm, das
die allgemeine Konstruktion des Phasenvergleichers 230 zeigt.
Der Phasenvergleicher 230 in der Zeichnung umfasst eine
erste Eingangsklemme 231, eine zweite Eingangsklemme 232,
eine bistabile D-Kippschaltung 233,
eine bistabile D-Kippschaltung 234, ein NAND-Gatter 235,
eine erste Ausgangsklemme 236 und eine zweite Ausgangsklemme 237.
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Die
Signale, die an der ersten Eingangsklemme 231 empfangen
werden, werden an eine Taktgebereingangsklemme K1 der
bistabilen D-Kippschaltung 233 angelegt. Die Signale, die
an der zweiten Eingangsklemme 232 empfangen werden, werden an
eine Taktgebereingangsklemme K2 der bistabilen D-Kippschaltung 234 angelegt.
An eine Dateneingangsklemme D1 der bistabilen
D- Kippschaltung 233 und
an eine Dateneingangsklemme D2 der bistabilen D-Kippschaltung 234 wird
eine niedriger logischer Pegel (Niedrig) angelegt. Eine invertierte
Datenklemme Q1 der bistabilen D-Kippschaltung 233 und
eine invertierte Datenausgangsklemme Q2 der
bistabilen D-Kippschaltung 234 werden jeweils an eine Eingangsklemme
A und an eine Eingangsklemme B des NAND-Gatters 235 angeschlossen.
Des Weiteren ist die invertierte Datenausgangsklemme Q1 der
bistabilen D-Kippschaltung 233 an die Ausgangsklemme 236 angeschlossen.
Die invertierte Datenausgangsklemme Q2 der
bistabilen D-Kippschaltung 234 ist
an die Ausgangsklemme 237 angeschlossen. Eine Ausgangsklemme
C des NAND-Gatters 235 ist an eine Eingangsklemme für den Setzimpuls
S1 der bistabilen D-Kippschaltung 233 und
an eine Eingangsklemme für
den Setzimpuls S2 der bistabilen D-Kippschaltung 234 angeschlossen.
Der Phasenvergleicher 230 ist eine sogenannte duale bistabile
Phasenerfassungseinheit und die bistabilen D-Kippschaltungen 233 und 234 können durch
eine bistabile JK-Kippschaltung oder eine andere bistabile Kippschaltung ersetzt
werden. Des Weiteren kann anstelle der Eingangsklemmen für den Setzimpuls
S1 und S2 eine Rücksetzklemme
verwendet werden. In diesem Fall ist der Ersatz der invertierten
Datenausgangsklemmen gegen nicht invertierte Datenausgänge und
andere Modifikationen erforderlich und diese Modifikationen können von
Fachleuten höchstwahrscheinlich auf
einfache Weise implementiert werden.
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Die
bistabilen D-Kippschaltungen 233 und 234 und das
NAND-Gatter 235 sind aus Transistoren und anderen nichtlinearen
Komponenten hergestellt. Idealerweise arbeiten die Transistoren
in gesättigten Bereichen
und können
linearen Komponenten angenähert
werden, jedoch wird eine Nichtlinearität tatsächlich vorhanden bleiben. Wenn
in dem Logikschaltkreis eine unerwünschte Frequenzkomponente vorhanden
ist, erzeugt diese somit eine Intermodulationsverzerrung, sogar
wenn diese Komponente extrem klein ist. Selbst wenn diese Komponente
des Weiteren so klein ist, dass sie keinen Einfluss auf den Betrieb
als Logikschaltkreis hat, ist der Einfluss der Verzerrungskomponente
auf die Ausgangssignale des Phasenvergleichers bemerkbar.
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Daher
weisen die Filter 220 und 270 derartige Abschneideeigenschaften
auf, dass die Schwingungsfrequenzkomponente (Ausgangssignalkomponente)
des VCO 250 aus den Ausgangssignalen der Bezugssignalquelle 210 und
den Ausgangssignalen des Fraktional-N-Teilers 260 beseitigt
werden kann, um die Ausgangssignale des VCO 250 daran zu
hindern, in den Phasenvergleicher 230 einzutreten. Die Schwingungsfrequenz
des VCO 250 ist höher
als die Frequenz der Eingangskomponente des Phasenvergleichers 230.
Folglich sind das Filter 220 und das Filter 270 LPFs
oder Bandpassfilter.
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Zudem
darf der Schwingungsfrequenzkomponente (Ausgangssignalkomponente)
des VCO 250 nicht erlaubt werden, in den Signalschaltkreis
zwischen dem Filter 220 und dem Phasenvergleicher 230 oder
in den Signalschaltkreis zwischen dem Filter 270 und dem
Phasenvergleicher 230 einzutreten. Daher werden das Filter 220 und
der Phasenvergleicher 230 nahe zusammengebracht und das
Filter 270 und der Phasenvergleicher 230 werden
nahe zusammengebracht, wodurch diese Signalschaltkreise so weit
wie möglich
verkürzt
werden. Wenn diese Signalschaltkreise nicht kurz genug gemacht werden können, werden
sie aus abgeschirmten Kabeln oder ähnlichen Elementen hergestellt.
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Die
Stromquelle des VCO 250 und die Stromquelle des Phasenvergleichers 230 sind
isoliert und es sind Filter in der Nähe der Stromquellenklemmen
des Phasenvergleichers 230 hinzugefügt, um die Schwingungsfrequenzkomponente
(Ausgangssignalkomponente) des VCO 250 daran zu hindern, über die
Stromquellenschaltkreise in den Phasenvergleicher 230 einzutreten.
Filter, die in der Nähe
der Stromquellenklemmen hinzugefügt
sind, weisen derartige Abschneideeigenschaften auf, dass die Schwingungsfrequenzkomponente
(Ausgangssignalkomponente) des VCO 250 aus der Stromquelle beseitigt
werden kann. Sie können
ebenfalls derartige Abschneidereigenschaften aufweisen, dass die Schwingungsfrequenzkomponente
des VCO 250 auf ein solches Ausmaß reduziert wird, dass sie
vernachlässigt
werden kann.
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Jedoch
gibt es Fälle,
in denen die Schwingungsfrequenz des VCO 250 und die Frequenz
der Ausgangssignale der Bezugssignalquelle 210 gleich sind,
und es gibt Fälle,
in denen die vorausgesagten Eigenschaften mit dem Filter 220 und
dem Filter 270 nicht erreicht werden. Anders ausgedrückt, gibt
es Fälle,
bei denen die Schwingungsfrequenzkomponente (Ausgangssignalkomponente)
des VCO 250 aus den Ausgangssignalen der Bezugssignalquelle 210 und
den Ausgangsignalen des Fraktional-N-Teilers 260 nicht
gründlich
beseitigt werden kann, und die Fraktionalstörung nicht wie erwartet beseitigt
werden kann. Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben, die diese Probleme löst.
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Die
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein Fraktional-N-PLL-Oszillator 300. 4 ist
ein Blockdiagramm, das die allgemeine Konstruktion eines Fraktional-N-PLL-Oszillators 300 zeigt.
Die Elemente in 4, die dieselben wie in 2 sind,
werden mit denselben Symbolen dargestellt und werden nicht noch
einmal beschrieben. Der Fraktional-N-PLL-Oszillator 300 in
der Zeichnung umfasst eine Bezugssignalquelle 210, ein
Gatter 310, einen Phasenvergleicher 230, einen
LPF 240, einen VCO 250, einen Fraktional-N-Teiler 260 und
ein Gatter 320. Die Ausgangssignale der Bezugssignalquelle 210 werden über das
Gatter 310 in den Phasenvergleicher 230 eingegeben.
Die Ausgangssignale des Fraktional-N-Teilers 260 werden über das
Gatter 320 in den Phasenvergleicher 230 eingegeben.
Der Phasenvergleicher 230 erfasst die Phasendifferenz zwischen
diesen beiden Eingangssignalen. Die Ausgangssignale des Phasenvergleichers 230 werden über das
LPF 240 in den VCO 250 eingegeben. Der VCO 250 ist
ein Oszillator, der seine Schwingungsfrequenz gemäß den Eingangssignalen ändert. Kurz
ausgedrückt ändert der
VCO 250 seine Schwingungsfrequenz als Reaktion auf die
Ausgangssignale des Phasenvergleichers 230. Der Fraktional-N-Teiler 260 teilt
die Ausgangssignale des VCO 250 durch ein vorherbestimmtes
Teilungsverhältnis
M.
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Das
Gatter 310 und das Gatter 320 sind Logikelemente
oder Logikschaltkreise, die als Reaktion auf Eingangssignale binäre Signale
ausgeben. Folglich werden diese Ausgangssignale Idealerweise durch
einen hohen oder niedrigen Logik pegel dargestellt. Des Weiteren
sollten diese Ausgangssignale nicht die Schwingungsfrequenzkomponente
(Ausgangssignalkomponente) des VCO 250 enthalten, selbst
wenn einige oder alle dieser Ausgangssignale schwingen. Wenn diese
Ausgangssignale des Weiteren jedoch die Schwingungsfrequenzkomponente (Ausgangssignalkomponente)
des VCO 250 enthalten, sollte diese Schwingungskomponente
klein genug gehalten werden, so dass die Fraktionalstörungen,
die in den Ausgangsignalen des VCO 250 enthalten sind,
vernachlässigt
werden können.
Anders ausgedrückt,
weisen das Gatter 310 und das Gatter 320 derartige
Eigenschaften auf, dass die Schwingungsfrequenzkomponente (Ausgangssignalkomponente)
des VCO 250 aus den Ausgangssignalen der Bezugssignalquelle 210 und
den Ausgangssignalen des Fraktional-N-Teilers 260 beseitigt
werden können,
so dass die Ausgangssignale des VCO 250 nicht in den Phasenvergleicher 230 eintreten.
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Zudem
darf der Schwingungsfrequenzkomponente (Ausgangssignalkomponente)
des VCO 250 nicht ermöglicht
werden, in den Signalpfad zwischen dem Gatter 310 und dem
Phasenvergleicher 230 sowie in den Signalpfad zwischen
dem Gatter 320 und dem Phasenvergleicher 230 einzutreten.
Daher werden das Gatter 310 und der Phasenvergleicher 230 nahe
zusammengebracht und das Gatter 320 und der Phasenvergleicher 230 werden
nahe zusammengebracht, wodurch diese Signalschaltkreise so weit wie
möglich
verkürzt
werden. Wenn diese Signalschaltkreise nicht kurz genug gemacht werden
können,
werden sie aus abgeschirmten Kabeln oder ähnlichen Elementen hergestellt.
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Auf
die oben erwähnten
Ausführungsformen können folgende
Modifikation angewendet werden.
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Erstens
kann der Phasenvergleicher 230 bei der ersten Ausführungsform
ein Filter 220 und ein Filter 270 umfassen und
es kann ein einzelner Phasenvergleicher vorliegen. In diesem Fall
können
die Abschneideeigenschaften des Filters, das in dem Phasenvergleicher
enthalten ist, so ausgelegt sein, dass eine externe Einstellung
möglich
ist. Des Weiteren kann der Phasenvergleicher 230 bei der
zweiten Ausführungsform
ein Gatter 310 und ein Gatter 320 umfassen und
es kann ein einzelner Phasenvergleicher vorliegen.
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Um
den Effekt der vorliegenden Erfindung zu verdeutlichen, wird Bezug
auf 5 und 6 genommen. 5 ist
eine Zeichnung, die das Ausgangsspektrum eines herkömmlichen
Fraktional-N-PLL-Oszillators zeigt. 6 ist eine
Zeichnung, die das Ausgangsspektrum des Fraktional-N-PLL-Oszillators
der vorliegenden Erfindung zeigt. In beiden Zeichnungen zeigt die
y-Achse die Leistung an. Des Weiteren zeigt die x-Achse die Frequenz
an. Die gesamte Breite der x-Achse beträgt 100 kHz und die Achse ist
durch unterbrochene Linien in 10 Segmente unterteilt. Die Ausgangssignalfrequenz
des Bezugsoszillators beträgt
5 MHz. Das Teilungsverhältnis
des Fraktional-N-Teilers beträgt 160,002.
Die Schwingungsfrequenz des VCO beträgt 800,01 MHz. In 5 liegt
an beiden Seiten des Trägers
eine einzelne Störkomponente
pro 10 kHz Versatz vor. Diese Teilstörkomponenten werden erzeugt, wenn
die 160. höhere
harmonische Komponente (800 MHz) der Ausgangssignale des Bezugsoszillators
und die Ausgangssignalkomponente (800,01 MHz) des VCO in dem Phasenvergleicher
intermoduliert werden. Anders ausgedrückt, wird eine Fraktionalstörung erzeugt,
wenn die Anzahl der Unterteilungen des Fraktional-N-Teilers keine Ganzzahl
ist. Andererseits kann das Vorhandensein dieser Störkomponente
in 6 nicht erkannt werden. Dieser Effekt ist sowohl
bei der ersten als auch bei der zweiten Ausführungsform praktisch derselbe.