DE102006024470A1 - Umschaltbarer Phasenregelkreis sowie Verfahren zum Betrieb eines umschaltbaren Phasenregelkreises - Google Patents

Umschaltbarer Phasenregelkreis sowie Verfahren zum Betrieb eines umschaltbaren Phasenregelkreises Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Phasenregelkreis bzw. "PLL" (12) sowie ein Verfahren zum Betrieb eines PLL (12), bei welchem ein steuerbarer Oszillator (DCO) ein Ausgangssignal (CKout) erzeugt und zwischen einem ersten Taktsignal (CKin1 oder CKin2) und einem zweiten Taktsignal (CKin2 bzw. CKin1) zur Verwendung als Eingangstaktsignal des PLL (12) umgeschaltet werden kann. Gemäß der Erfindung wird für das momentan zur Erzeugung des Ausgangssignals (CKout) verwendete Taktsignal (CKin1 oder CKin2) eine Phasendifferenz zwischen diesem Taktsignal und dem Ausgangssignal (CKout) bestimmt und für die Ansteuerung des Oszillators (DCO) verwendet, wohingegen für das momentan nicht zur Erzeugung des Ausgangssignals (CKout) verwendete Taktsignal (CKin2 bzw. CKin1), dessen Frequenzdifferenz bezüglich des Ausgangssignals (CKout) bestimmt und gespeichert und laufend aktualisiert und für die Ansteuerung des Oszillators (DCO) nach dem Umschalten auf dieses zuvor nicht verwendete Taktsignal bereitgestellt wird. Damit kann das PLL-Ausgangssignal (CKout) einer etwaigen umschaltbedingten Frequenzänderung des verwendeten Taktsignals rascher folgen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Phasenregelkreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines Phasenregelkreises nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
  • Ein derartiger Phasenregelkreis (engl. "phase locked loop"), nachfolgend auch kurz als "PLL" bezeichnet, sowie ein derartiges Betriebsverfahren für einen PLL sind z. B. aus der US-Patentschrift 6,741,109 bekannt.
  • Ganz allgemein dient ein PLL dazu, einen steuerbaren Oszillator, der ein Ausgangssignal mit einer Ausgangsfrequenz erzeugt, mittels einer Rückkopplung mit einem Eingangstaktsignal mit einer Eingangsfrequenz zu synchronisieren. Der PLL umfasst hierfür einen Phasendetektor bzw. Phasenvergleicher, an dessen Eingang das Eingangstaktsignal und das PLL-Ausgangssignal anliegt. Ein die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Signalen repräsentierendes Signal wird zumeist über ein aktives oder passives, digitales oder analoges Filter ("loop filter") zur Ansteuerung des Oszillators verwendet.
  • Die Anwendungsbereiche von PLL-Schaltkreisen sind vielfältig. Beispielsweise können PLLs für die Taktrückgewinnung aus digitalen Signalfolgen oder die FM-Demodulation eingesetzt werden. In Kommunikationsstandards wie "SONET" oder "SDH" werden Takterzeugungsschaltungen zur Erzeugung von Taktsignalen beim Senden und Empfangen von Daten benötigt. In einer derartigen Schaltung kann ein PLL-Schaltkreis z. B. aus einem als Referenz eingegebenen Eingangstaktsignal eine oder mehrere Ausgangstaktsignale zur Verwendung in einem Kommunikationssystem erzeugen. Die Synchronisation des PLL-Ausgangssignals auf ein Eingangstaktsignal bedeutet hierbei nicht unbedingt, dass die Frequenzen dieser beiden Signale identisch sind. Vielmehr kann in an sich bekannter Weise ein mehr oder weniger beliebiges Frequenzverhältnis durch eine Anordnung von Frequenzteilern am Eingang und/oder am Ausgang und/oder im Rückkoppelpfad des PLL-Schaltkreises realisiert werden.
  • Die vorliegende Erfindung wie auch die oben erwähnte US-Patentschrift 6,741,109 geht davon aus, dass bei einem derartigen PLL zwischen einem ersten Taktsignal und einem zweiten Taktsignal zur Verwendung als Eingangstaktsignal des PLL umgeschaltet werden kann. Hierbei ist keineswegs ausgeschlossen, dass mehr als zwei Taktsignale als Eingangstaktsignal des PLL verwendbar sind. Wesentlich ist vielmehr, dass von mehreren Taktsignalen stets lediglich ein Taktsignal ausgewählt und zur Erzeugung des PLL-Ausgangssignals tatsächlich verwendet wird. Das Vorsehen mehrerer Taktsignale kann insbesondere zur Schaffung einer Redundanz in einem Kommunikationssystem vorteilhaft sein. Falls beispielsweise eines der als Referenz dienenden Taktsignale "verloren geht", so kann im PLL-Schaltkreis der Takterzeugungsschaltung eine Umschaltung auf ein anderes Taktsignal zur Verwendung als Eingangstaktsignal des PLL erfolgen. Insbesondere für die Anwendung des PLL in Kommunikationssystemen zur Taktgewinnung bzw. Taktrückgewinnung ist es hierbei wünschenswert, dass durch einen solchen Umschaltvorgang keine signifikante Phasenänderung ("phase hit") im PLL-Ausgangssignal stattfindet. Eine derartige Phasenänderung kann jedoch auftreten, falls die ersten und zweiten Taktsignale unmittelbar vor dem Umschalten verschiedene Phasen besitzen.
  • Eine bekannte Möglichkeit zur Vermeidung von sprunghaften Phasenänderungen infolge eines Umschaltvorganges besteht darin, die PLL-Bandbreite ("loop gain") sehr klein zu wählen (für die oben erwähnten Kommunikationssysteme beispielsweise in der Größenordnung einiger Hz). In diesem Fall ändert sich die Phase des PLL-Ausgangssignals nur sehr langsam, selbst wenn die Taktsignale, zwischen denen umgeschaltet wird, unmittelbar vor dem Umschalten eine vergleichsweise große Phasendifferenz aufweisen. In den genannten Kommunikationssystemen treten dann keine Datenübertragungsfehler auf. Diese Lösung besitzt jedoch insbesondere die folgenden zwei Nachteile: Zum einen ist eine besonders geringe PLL-Bandbreite schwierig in einer integrierten Schaltungsanordnung zu realisieren. Zum anderen resultiert aus einer geringen PLL-Bandbreite auch ein nachteilig kleinerer Fangbereich ("capture range") des PLL. Für eine PLL-Bandbreite von einigen Hz kann der PLL-Fangbereich z. B. kleiner als 1 ppm werden.
  • In der oben erwähnten US-Patentschrift 6,741,109 wird zur Vermeidung von Phasenänderungen des PLL-Ausgangssignals infolge eines Umschaltvorganges bzw. zur Gewährleistung eines "hitless switching" vorgeschlagen, dass für das momentan nicht zur Erzeugung des Ausgangssignals verwendete Taktsignal dessen Phasen differenz bezüglich eines vom PLL-Ausgangssignal abgeleiteten Rückkoppelsignals ermittelt und gespeichert wird. Wenn ein Umschalten auf dieses Taktsignal erfolgt, so wird die gespeicherte Phasendifferenz an geeigneter Stelle in den PLL injiziert, um die Phasendifferenz zu kompensieren. Problematisch ist bei dieser Lösung die in der Praxis erzielbare Genauigkeit der Kompensation und der für die Kompensation erforderliche Schaltungsaufwand.
  • Unabhängig davon ist es bei der bekannten Lösung problematisch, wenn die Taktsignale, zwischen denen umgeschaltet werden soll, nennenswert voneinander verschiedene Frequenzen besitzen. Im Falle einer solchen Frequenzdifferenz wäre es wünschenswert, wenn sich beim Umschalten die Oszillationsfrequenz des Oszillators "sofort" bzw. sprunghaft entsprechend ändert. Dies vermag jedoch die bekannte, auf einer "Beobachtung der Phasendifferenz" beruhende Lösung nicht zu leisten, da die Information über eine zu einem bestimmten Zeitpunkt vorliegende Phasendifferenz zwischen zwei Signalen keinerlei Aussagekraft hinsichtlich einer etwaig zwischen diesen Signalen bestehenden Frequenzdifferenz besitzt. Bei einem Umschalten zwischen zwei Taktsignalen mit voneinander verschiedener Frequenz wird sich zwar das PLL-Ausgangssignal letztlich auf die Frequenz des aktuell verwendeten Taktsignals einstellen, diese Einstellung benötigt jedoch eine mehr oder weniger lange Zeit, die für viele Anwendungsbereiche nicht zur Verfügung steht.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Phasenregelkreis bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das PLL-Ausgangssignal einer etwaigen umschaltbedingten Frequenzänderung des verwendeten Taktsignals rascher folgen kann.
  • Der erfindungsgemäße Phasenregelkreis ist dadurch gekennzeichnet, dass für die beiden Taktsignale jeweils ein zwischen verschiedenen Betriebsmodi umschaltbarer Phasendetektor vorgesehen ist, wobei der Phasendetektor für das momentan verwendete Taktsignal in einen ersten Betriebsmodus und der Phasendetektor für das momentan nicht verwendete Taktsignal in einen zweiten Betriebsmodus versetzt wird, und wobei jeder Phasendetektor im ersten Betriebsmodus eine Phasendifferenz zwischen dem verwendeten Taktsignal und dem Ausgangssignal bestimmt und für die Ansteuerung des Oszillators bereitstellt und im zweiten Betriebsmodus eine Frequenz differenz zwischen dem nicht verwendeten Taktsignal und dem Ausgangssignal bestimmt und speichert und laufend aktualisiert und für die Ansteuerung des Oszillators nach dem Umschalten auf dieses zuvor nicht verwendete Taktsignal bereitstellt.
  • Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für das momentan zur Erzeugung des Ausgangssignals verwendete Taktsignal eine Phasendifferenz zwischen diesem Taktsignal und dem Ausgangssignals bestimmt und für die Ansteuerung des Oszillators verwendet wird, wohingegen für das momentan nicht zur Erzeugung des Ausgangssignals verwendete Taktsignal dessen Frequenzdifferenz bezüglich des Ausgangssignals bestimmt und gespeichert und laufend aktualisiert und für die Ansteuerung des Oszillators nach dem Umschalten auf dieses zuvor nicht verwendete Taktsignal bereitgestellt wird.
  • Mit der Erfindung lassen sich umschaltbedingte Frequenzänderungen am Eingang des Phasenregelkreises besser handhaben und somit die Qualität des PLL-Ausgangssignals verbessern. Der in dem PLL verwendete Oszillator kann mittels der bereits vor dem Umschalten bestimmten, gespeicherten und laufend aktualisierten Information über die Frequenzdifferenz beim Umschalten sofort entsprechend in seiner Oszillationsfrequenz verstellt werden. Vorteilhaft gelingt dies mit schaltungstechnisch vergleichsweise geringem Aufwand.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird außerdem eine etwaig vorliegende Phasendifferenz zwischen den mehreren, als Eingangstaktsignal verwendbaren Taktsignalen bereits vor dem Umschalten angepasst bzw. kompensiert, so dass auch eine unerwünschte Phasenänderung im PLL-Ausgangssignal infolge des Umschaltens vermieden werden kann. Es liegt auf der Hand, dass die Präzision bzw. die Qualität einer solchen "hitless switching"-Maßnahme durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung einer vor dem Umschalten vorliegenden Frequenzdifferenz tendenziell verbessert wird. Mit anderen Worten verringert die erfindungsgemäße Frequenzanpassung die Anforderungen einer für das "hitless switching" vorgesehenen Phasenanpassung bzw. verbessert der Einsatz der erfindungsgemäßen Frequenzanpassung die Leistungsfähigkeit einer vorgegebenen Phasenanpassung.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass diese keine besonderen Anforderungen an die PLL-Bandbreite stellt, also sowohl für relativ niedrige als auch für relativ hohe PLL-Bandbreiten einsetzbar ist.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Phasendetektor einen Integrator aufweist, dem im zweiten Betriebsmodus des Phasendetektors ein von der Phasendifferenz zwischen dem nicht verwendeten Taktsignal und dem PLL-Ausgangssignal abhängiges Signal eingegeben wird, um an seinem Ausgang ein für die Frequenzdifferenz repräsentatives Signal bereitzustellen.
  • Mit einem solchen Integrator kann die Bestimmung, Speicherung und laufende Aktualisierung des für die Frequenzdifferenz repräsentativen Signals in schaltungstechnisch besonders einfacher Weise realisiert werden.
  • In einer Weiterbildung hierzu kann vorgesehen sein, dass das dem Integrator eingegebene Signal als Ausgangssignal einer Phasenvergleichseinrichtung bereitgestellt wird, welche die Phase des nicht verwendeten Taktsignals mit einer eingestellt phasenverschobenen Version des Ausgangssignals vergleicht, wobei die Phasenverschiebung basierend auf dem Ausgangssignal der Phasenvergleichseinrichtung eingestellt wird.
  • Der Integrator kann hierbei z. B. eine Komponente eines Rückkoppelfilters sein, welches in einem Rückkoppelpfad vom Ausgang der Phasenvergleichseinrichtung zum Eingang einer Phasenverschiebungseinrichtung angeordnet ist, welche das Ausgangssignal vor dem Phasenvergleich einer Phasenverschiebung unterzieht. Es kann gewissermaßen in jedem Phasendetektor ein nur im zweiten Betriebsmodus aktivierter "interner Phasenregelkreis" vorgesehen sein, dessen Regelabweichungssignal integriert und am Ausgang des verwendeten Integrators als das für die Frequenzdifferenz repräsentative Signal genutzt wird.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als die von jedem Phasendetektor im ersten Betriebsmodus bestimmte Phasendifferenz die Phasendifferenz zwischen dem verwendeten Taktsignal und einer eingestellt phasenverschobenen Version des Ausgangssignals vorgesehen ist, und wobei jeder Phasendetektor diese Phasenverschiebung im zweiten Betriebsmodus einstellt.
  • Mit dieser Maßnahme lässt sich das eingangs erwähnte "hitless switching" realisieren und die Qualität des PLL-Ausgangssignals für viele Anwendungsbereiche weiter verbessern. Bei dieser Weiterbildung der Erfindung wird auch eine etwaig zum Zeitpunkt des Umschaltens zwischen den verwendbaren Taktsignalen vorliegende Phasendifferenz bereits vor dem Umschalten angepasst bzw. kompensiert.
  • Hierbei kann z. B. vorgesehen sein, dass das PLL-Ausgangssignal mit mehreren Phasen bereitgestellt wird und die phasenverschobene Version des Ausgangssignals durch eine einstellbare Interpolation zwischen diesen Phasen erzeugt wird. Bei dem erfindungsgemäßen PLL kann dies z. B. dadurch realisiert werden, dass der Oszillator dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal mit mehreren Phasen für den Phasendetektor bereitzustellen, wobei der Phasendetektor umfasst:
    • – einen einstellbaren Phaseninterpolator zur Interpolation zwischen diesen Phasen und zur Bereitstellung eines eingestellt interpolierten Signals, und
    • – eine Phasenvergleichseinrichtung zum Vergleichen der Phase des Taktsignals mit der Phase des interpolierten Signals und zum Bereitstellen eines die Phasendifferenz repräsentierenden Phasendetektorausgangssignals.
  • Nochmals zurückkommend auf die gemäß der Erfindung vorgesehene Bestimmung, Speicherung und laufende Aktualisierung der Frequenzdifferenz, so wurde oben bereits erläutert, dass hierfür ein "interner Phasenregelkreis" des Phasendetektors genutzt werden kann, der nur im zweiten Betriebsmodus des Phasendetektors aktiv ist. Ein solcher interner Phasenregelkreis kann vorteilhaft auch für die vorstehend erläuterte Phasenanpassung (für ein "hitless switching") genutzt werden, die gegebenenfalls ebenso nur im zweiten Betriebsmodus des Phasendetektors durchzuführen ist. Es kann also ein und derselbe interne Phasenregelkreis eines momentan nicht verwendeten Phasendetektors dazu genutzt werden, im zweiten Betriebsmodus ein für die Frequenzdifferenz repräsentatives Signal und ein für die Phasendifferenz repräsentatives Signal zu liefern. In einer bevorzugten Weiterbildung dieses Konzepts ist vorgesehen, dass das Frequenzdifferenzsignal am Ausgang eines Integrators abgegriffen wird, der eine Komponente des betreffenden Rückkoppelfilters ist. Einem solchen "Integralpfad" des Filters kann z. B. ein "Proportionalpfad" parallel angeordnet sein.
  • Was die Art und Weise der Berücksichtigung des gespeicherten und laufend aktualisierten Frequenzdifferenzsignals beim Umschalten des PLL auf das zuvor nicht verwendete Taktsignal anbelangt, so ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass dieses Frequenzdifferenzsignal über ein Überlagerungsglied (z. B. Addierer) einem Steuereingang des Oszillators zugeführt wird, an welchem das Frequenzdifferenzsignal mit dem Phasendetektorausgangssignal überlagert wird. Das Phasendetektorausgangssignal ist das für PLLs "herkömmliche Oszillatoransteuersignal" und kann z. B. von einer als Multiplexeinrichtung ausgebildeten Umschalteinrichtung, die mit allen Phasendetektoren verbunden ist, über ein herkömmliches PLL-Filter ("loop filter") zum Oszillator (z. B. DCO oder VCO) geliefert werden. Im Signalverlauf vor oder nach einem solchen PLL-Filter kann das erwähnte Überlagerungsglied vorgesehen sein. Das erwähnte "herkömmliche PLL-Filter" kann z. B. von einer Parallelanordnung eines Proportionalpfads und eines Integralpfads gebildet sein, wobei die von diesen beiden Pfaden stammenden Signale überlagert werden (z. B. durch einen Addierer).
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
  • 1 einen PLL-Schaltkreis,
  • 2 den Aufbau der im PLL-Schaltkreis von 1 verwendeten Phasendetektoren,
  • 3 den Aufbau einer im Phasendetektor von 2 verwendeten Abtasteinrichtung,
  • 4 den Aufbau eines in der Abtasteinrichtung von 3 verwendeten Mehrphasenabtasters,
  • 5 eine beispielhafte Zeitverlaufsdarstellung von Signalen, die an dem Mehrphasenabtaster von 4 auftreten,
  • 6 den Aufbau eines im Phasendetektor von 2 verwendeten Phaseninterpolators, und
  • 7 den Aufbau von zwei im Phaseninterpolator von 6 verwendeten Interpolatorhälften.
  • 1 zeigt einen PLL-Schaltkreis 10 mit einem PLL (Phasenregelkreis) 12.
  • Der PLL 12 weist einen digital steuerbaren Oszillator DCO zur Erzeugung eines Ausgangssignals CKout bzw. einer zweiphasigen Version dieses Ausgangssignals mit zwei Phasen CK_0 und CK_90 auf. Die beiden Signale CK_0, CK_90 besitzen eine feste Phasendifferenz von 90° zueinander und feste Phasendifferenzen zum Ausgangssignal CKout. Im einfachsten Fall ist das Signal CKout identisch mit einem der Signale CK_0 und CK_90.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das PLL-Ausgangssignal CKout auf mehrere Ausgangsteiler 14-1 bis 14-4 geführt, die das PLL-Ausgangssignal jeweils einer Frequenzteilung mit vorgegebenem Teilungsverhältnis unterziehen und auf Ausgangsstufen 16-1 bis 16-4 ausgeben, die das Signal jeweils in ein differenzielles Ausgangstaktsignal CKout1 bis CKout4 wandeln.
  • Eingangsseitig werden dem Schaltkreis 10 mehrere differenzielle Taktsignale CKin1 bis CKin3 zugeführt, die durch drei Eingangsstufen 18-1 bis 18-3 jeweils zunächst in eine nicht-differenzielle Darstellung gewandelt und über drei Eingangsteiler 20-1 bis 20-3 dem PLL 12 eingegeben werden.
  • Für jedes der Taktsignale CKin1 bis CKin3, nachfolgend auch als "Eingangssignal CKin" bezeichnet, ist wie dargestellt ein Phasendetektor PD1, PD2 bzw. PD3 vorgesehen.
  • Jeder dieser Phasendetektoren PD1 bis PD3, nachfolgend auch als "Phasendetektor PD" bezeichnet, ist in einem bestimmten Betriebsmodus ("erster Betriebsmodus") in der Lage, eine Phasendifferenz zwischen dem betreffenden Taktsignal CKin (bzw. der mittels des Teilers 20-1, 20-2 bzw. 20-3 frequenzgeteilten Version davon) und einer eingestellt phasenverschobenen Version des Ausgangssignals CKout zu bestimmen und für die Ansteuerung des digital gesteuerten Oszillators DCO bereitzustellen. Zu diesem Zweck sind die Ausgänge der Phasendetektoren PD mit einer Multiplex- bzw. Umschalteinrichtung 22 verbunden, die dazu ausgebildet ist, eines der drei von den Phasendetektoren PD1 bis PD3 ausgegebenen Signale auszuwählen und an ein PLL-Filter 24 auszugeben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugt jeder Phasendetektor PD in seinem ersten Betriebsmodus ein diese Phasendifferenz digital repräsentierendes Phasendetektorausgangssignal, welches von dem in diesem Ausführungsbeispiel digital ausgebildeten PLL-Filter 24 gefiltert und über einen Addierer 25 an einen Steuereingang des Oszillators DCO ausgegeben wird. Ferner gibt jeder Phasendetektor PD in seinem ersten Betriebsmodus ein nachfolgend als Integratorausgangssignal IN_OUT bezeichnetes Signal aus, welches in unten noch beschriebener Weise während des Zeitraums im Phasendetektor bestimmt, gespeichert und laufend aktualisiert wurde, in welchem der Phasendetektor sich in einem "zweiten Betriebsmodus" befand (der auch weiter unten noch beschrieben wird). Die Signale INT_OUT und das Phasendetektorausgangssignal, nachfolgend auch als PD_OUT bezeichnet, werden dem Addierer 25 zugeführt, um diese Signale additiv zu überlagern. Die Frequenz des vom DCO ausgegebenen PLL-Ausgangssignals CKout wird durch das vom Addierer 25 ausgegebene Signal gesteuert.
  • Die Umschalteinrichtung 22 ist mit sämtlichen Phasendetektoren PD1, PD2 und PD3 verbunden und gibt, je nach Schaltzustand, die von einem bestimmten dieser Phasendetektoren ausgegebenen Signale an das digitale Filter 24 bzw. den Addierer 25 weiter.
  • Mittels der Umschalteinrichtung 22 ist es somit möglich, zwischen den drei Taktsignalen CKin1 bis CKin3 zur Verwendung als Eingangstaktsignal des PLL umzuschalten. Jede solche Umschaltung wird durch eine Signalerfassungseinrichtung 26 initiiert, die eingangsseitig wie dargestellt mit den Taktsignalen CKin1 bis CKin3 beaufschlagt wird und ausgangsseitig mit der Umschalteinrichtung 22 verbunden ist. Die Einrichtung 26 detektiert die Qualität der Taktsignale CKin und trifft auf Basis dieser Erfassung eine Entscheidung darüber, welches der Taktsignale als PLL-Eingangstaktignal verwendet werden soll bzw. auf welches andere Eingangstaktsignal umgeschaltet werden soll, falls das momentan verwendete Taktsignal unbrauchbar wird. Letzterer Umstand wird mittels eines Signals LOS auch anderen (nicht dargestellten) Schaltungsteilen einer integrierten Schaltungsanordnung mitgeteilt, die auch den dargestellten PLL-Schaltkreis 10 umfasst.
  • 2 veranschaulicht den (identischen) Aufbau der drei Phasendetektoren PD1, PD2 und PD3. Aufgrund des identischen Aufbaus der drei Phasendetektoren wird dieser Aufbau mit Bezug auf 2 lediglich für einen Phasendetektor PD beschrieben. Sämtliche nachfolgend für den Phasendetektor PD beschriebenen Komponenten und Signale sind bei dem in 1 dargestellten Schaltkreis 10 dementsprechend für jeden der Phasendetektoren PD1 bis PD3 jeweils separat vorhanden.
  • Die für den oben bereits erwähnten ersten Betriebsmodus des Phasendetektors PD wesentlichen Komponenten sind ein einstellbarer Phaseninterpolator 30 und eine Abtasteinrichtung 32. Dem Phaseninterpolator 30 werden die beiden "Quadratursignale" CK_0, CK_90 des PLL-Ausgangssignals CKout eingegeben. Entsprechend einer unten noch beschriebenen Interpolationseinstellung erzeugt der Interpolator 30 ein eingestellt interpoliertes Signal CK<1:8>, welches als ein Eingangssignal der Abtasteinrichtung 32 zugeführt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel interpoliert der Phaseninterpolator 30 zwischen den zwei sinusförmigen Quadraturtaktsignalen CK_0, CK_90 des DCO, der bei einer Frequenz um 2,5 GHz oszilliert. Die Signaldarstellung CK<1:8> besteht aus acht Signalanteilen und repräsentiert eine (gemäß der Interpolationseinstellung) "phasenverschobene Version des PLL-Ausgangssignals" CKout. Die Abtasteinrichtung 32 besitzt die Funktion eines Phasenvergleichers und vergleicht die phasenverschobene Version CK<1:8> des Ausgangssignals CKout (als Quadratursignalanteile CK_0 und CK_90 zum Phasendetektor PD geführt) mit der Phase eines Phasendetektoreingangssignals PD_IN. Als Ergebnis dieses Vergleichs gibt die Abtasteinrichtung 32 eine digitale Signaldarstellung PD_OUT<9:0> aus, die im ersten Betriebsmodus des Phasendetektors PD über eine Phasendetektorumschalteinrichtung 34 zum Phasendetektorausgang geführt wird, welcher mit der PLL-Umschalteinrichtung 22 (1) verbunden ist. Das in 2 dargestellte Phasendetektoreingangssignal PD_IN ist eines der Signale, die von den in 1 dargestellten Eingangsteilern 20-1 bis 20-3 ausgegeben werden.
  • Nochmals zurückkommend auf 1 sei im Folgenden z. B. angenommen, dass durch die Signalerfassungseinrichtung 26 initiiert und die PLL-Umschalteinrichtung 22 realisiert das Taktsignal CKin1 als Eingangstaktsignal des PLL 12 momentan verwendet wird und zu einem späteren Zeitpunkt eine Umschaltung auf das Taktsignal CKin2 erfolgen soll. In dieser Situation befindet sich der Phasendetektor PD1 in seinem ersten Betriebsmodus, der vorstehend mit Bezug auf 2 bereits erläutert wurde. Die beiden anderen Phasendetektoren PD2 und PD3 befinden sich jedoch in dem nachfolgend wieder mit Bezug auf 2 beschriebenen zweiten Betriebsmodus, bei welchem diese kein Eingangstaktsignal für den PLL bereitstellen, sondern zum einen eine "Phasenanpassung" (für ein "hitless switching") und zum anderen eine "Frequenzanpassung" (für eine rasche Frequenzverstellung des Oszillators DCO) bewerkstelligen. Genauer gesagt wird in jedem Phasendetektor, der sich in seinem zweiten Betriebsmodus befindet, zum einen das Ausmaß der oben erwähnten Phasenverschiebung ("phasenverschobene Version des Ausgangssignals CKout") festgelegt, die im darauffolgenden ersten Betriebsmodus verwendet werden soll, und zum anderen das oben erwähnte Integratorausgangssignal INT_OUT festgelegt, welches ebenfalls für den späteren ersten Betriebsmodus dann tatsächlich verwendet wird.
  • Die Umschaltung des in 2 dargestellten Phasendetektors PD von seinem ersten Betriebsmodus in seinen zweiten Betriebsmodus wird durch ein von der Signalerfassungseinrichtung 26 oder der PLL-Umschalteinrichtung 22 ausgegebenes Signal S1 bewirkt, welches die Phasendetektorumschalteinrichtung 34 derart ansteuert, dass das von der Abtasteinrichtung 32 ausgegebene Phasendetektorausgangssignal PD_OUT<9:0> nicht mehr als Referenztakt dem PLL ausgegeben wird sondern über einen im Phasendetektor PD vorgesehenen Rückkoppelpfad auf den Phaseninterpolator 30 zurückwirkt. Dieser Rückkoppelpfad ist im dargestellten Ausführungsbeispiel gebildet von einem digitalen Filter 36, einem Überlaufzähler ("overflow counter") 38 und einem Modulo-8-Integrator 40.
  • Im zweiten Betriebsmodus wird das Phasendetektorausgangssignal PD_OUT<9:0> über das digitale Filter 36 an einen Eingang des Überlaufzählers 38 geführt, welcher bei jedem Zählerüberlauf einen Ausgangspuls zum Modulo-8-Integrator 40 ausgibt. Der Integrator 40 gibt ausgangsseitig ein Einstellsignal für den einstellbaren Phaseninterpolator 30 aus, für welches acht verschiedene Signalzustände entsprechend acht verschiedenen Interpolationsstufen vorgesehen sind.
  • Aufgrund des Umstands, dass im zweiten Betriebsmodus des Phasendetektors PD die Einstellung des Phaseninterpolators 30 die Phase des Signals CK<1:8> beeinflusst und somit mittelbar das zur Interpolationseinstellung herangezogene Phasendetektorausgangssignal PD_OUT<9:0> beeinflusst, wird in dem Phasendetektor PD eine Phasenregelung durchgeführt, bei welcher die durch den Integrator 40 ausgegebene Einstellung solange variiert wird, bis ein Zustand erreicht wird, bei welchem das Phasendetektorausgangssignal auf einen Wert geregelt wird, welcher einer Phasendifferenz von Null entspricht. Falls der Phasendetektor PD aktiv ist und in die PLL-Schleife einbezogen ist, so ist der ganze Rückkoppelpfad 36, 38, 40 inaktiv.
  • Diese Phasenregelung wird in sämtlichen momentan nicht zur Erzeugung des PLL-Ausgangssignals verwendeten Phasendetektoren PD durchgeführt. Damit wird gewissermaßen eine "interne Phaseneinstellung" hinsichtlich des PLL-Ausgangssignals für alle verschiedenen Taktsignale CKin geschaffen, noch bevor ein Umschalten zwischen den Taktsignalen CKin zur Verwendung als PLL-Eingangstaktsignal erfolgt. Man kann sich die Funktion dieser internen Phasenregelung, die im zweiten Betriebsmodus jedes Phasendetektors PD stattfindet, gewissermaßen als einen "PLL innerhalb des Phasendetektors" vorstellen. Mit den Komponenten 38, 40, 30 wird die Funktion eines digital steuerbaren Oszillators dieses "internen PLL" bereitgestellt.
  • Wenn nun bei dem PLL-Schaltkreis 10 (1) ein Umschalten auf ein zuvor nicht zur PLL-Ausgangssignalerzeugung verwendetes Taktsignal erfolgt, so wird bei dem betreffenden Phasendetektor PD die interne Umschalteinrichtung 34 durch das Signal S1 derart umgestellt, dass das Phasendetektorausgangssignal PD_OUT<9:0> über die dementsprechend ebenfalls umgeschaltete PLL-Umschalteinrichtung 22 dem PLL-Filter 24 zugeführt wird. Aufgrund der vorangegangenen, mittels des "internen PLL" in geregelter Weise vorgenommenen Einstellung des Phaseninterpolators 30 führt diese Umschaltung nicht zu einer nachteiligen Phasenänderung im PLL-Ausgangssignal (wie es zu erwarten wäre, wenn der Phaseninterpolator 30 nicht zuvor entsprechend eingestellt worden wäre).
  • Unabhängig von dieser "Phasenanpassung" ist beim Umschalten auf ein zuvor nicht verwendetes Taktsignal auch eine "Frequenzanpassung" vorgesehen, da im Moment des Umschaltens zur Ansteuerung des Oszillators DCO nicht nur das von der Umschalteinrichtung 22 über das Filter 24 und den Addierer 25 geführte Phasendetektorausgangssignal sondern auch das Integratorausgangssignal INT_OUT auf Grund der Überlagerung am Addierer 25 bei der Oszillatoransteuerung mitwirkt. Ein etwaiger Frequenzsprung beim Umschalten zwischen zwei Eingangstaktsignalen CKin bewirkt über das zusätzliche Signal INT_OUT eine sofortige entsprechende Verstellung des Oszillators. Zu diesem Zweck ist das im zweiten Betriebsmodus festgelegte Signal INT_OUT als eine (hier digitale) Repräsentation der Frequenzdifferenz zwischen dem nicht verwendeten Taktsignal und dem PLL-Ausgangssignal festgelegt bzw. aktualisiert.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der zur Phasenanpassung im zweiten Betriebsmodus ohnehin vorhandene "interne PLL" (vgl. 2) vorteilhaft auch zur Erzeugung, Speicherung und Aktualisierung des zur Frequenzanpassung vorgesehenen Signals INT_OUT genutzt. Wie aus 2 ersichtlich, wird dieses Signal aus dem Rückkoppelfilter 36 abgeleitet, und zwar als Ausgangssignal eines Integrators 41, dessen Eingang (nur im zweiten Betriebsmodus) mit dem Ausgangssignal der Abtasteinrichtung 32 beaufschlagt wird. Der Integrator 41 bildet einen "Integralzweig", der zusammen mit einem "Proportionalzweig" und einem Addierer 42 wie in 2 dargestellt das Filter 36 bildet. Der Proportionalzweig ist im dargestellten Ausführungsbeispiel von einem Linearglied 43 (z. B. Verstärker) und einem Tiefpassfilter 44 gebildet. Für die Funktion der Frequenzanpassung beim Umschalten zwischen verschiedenen PLL-Eingangssignalen wesentlich ist, dass das als INT_OUT bezeichnete Ausgangssignal des Integrators 41 repräsentativ für die zu bestimmende Frequenzdifferenz ist. Auf Grund der beschriebenen Realisierung der Phasenanpassung unter Verwendung der "internen PLL" wird das für die Frequenzanpassung benötigte Signal gewissermaßen als Nebenprodukt dieser schaltungstechnischen Realisierung erhalten.
  • Für die Funktion des beschriebenen PLL-Schaltkreises 10 wesentlich ist die Verwendung eines PLL 12, bei welchem zwischen mehreren Taktsignalen zur Verwendung als Eingangstaktsignal des PLL umgeschaltet werden kann, wobei der jeweils aktuell genutzte PLL-Phasendetektor eine Phase des Rückkoppelsignals CKout (die Phase des eingestellt phasenverschobenen Rückkoppelsignals) mit der Phase des aktuell genutzten Eingangssignals vergleicht und aktuell nicht genutzte Phasendetektoren in diesem Zeitraum bereits eine Einstellung der Frequenzverschiebung vornehmen, die im Falle ihrer Nutzung als PLL-Phasendetektor als "Anfangseinstellung" genutzt wird. Im beschriebenen Beispiel nehmen die jeweils aktuell nicht genutzten Phasendetektoren außerdem bereits eine Einstellung der Phasenverschiebung vor, die im Falle ihrer Nutzung als PLL-Phasendetektor über die Beimischung am Addierer 25 ebenfalls zur Anfangseinstellung unmittelbar nach dem Umschalten beiträgt.
  • Selbstverständlich kann abweichend vom beschriebenen Ausführungsbeispiel auch eine andere Anzahl von Taktsignalen am Eingang und/oder eine andere Anzahl von Ausgangstaktsignalen vorgesehen sein. Des weiteren ist die Anzahl und Anordnung der Frequenzteiler 14, 16 an die jeweilige Anwendung anpassbar. Der in 2 dargestellte Aufbau des Phasendetektors PD stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, könnte jedoch selbstverständlich auch anders realisiert sein. Bevorzugt ist jedoch ein Aufbau, mittels welchem (wie bei dem beschriebenen Aufbau) eine interne Phasenregelschleife innerhalb des Phasendetektors zur Einstellung der Frequenzverschiebung und/oder der Phasenverschiebung im zweiten Betriebsmodus realisiert wird. Was die Phasenverschiebung als solche anbelangt, so ist die beschriebene Realisierung mittels eines Phaseninterpolators ebenfalls lediglich als eine bevorzugte Ausführung zu betrachten, die auch anders ausgebildet sein könnte. Dasselbe gilt für die nachfolgend noch beschriebene Detailgestaltung einerseits der Abtasteinrichtung 32 und andererseits des Phaseninterpolators 30, die auch anders als nachfolgend beschrieben ausgebildet werden könnten.
  • Schießlich ist auch der in 1 dargestellte Aufbau des PLL-Filters 24 lediglich beispielhaft als bevorzugte Ausführung zu verstehen. In diesem Beispiel umfasst das Filter 24 einen Proportionalzweig, der aus einem Linearglied 45 mit nachgeschaltetem Tiefpassfilter 46 gebildet ist, und einen Integralzweig, der aus einem Integrator 47 gebildet ist, wobei die aus den beiden Zweigen resultierenden Signale über einen Addierer 48 zur Bildung des Filterausgangssignals zusammengeführt werden.
  • 3 zeigt den Aufbau der im Phasendetektor PD von 2 verwendeten Abtasteinrichtung 32.
  • Die phasenverschobene Version CK<1:8> des PLL-Ausgangssignals CKout sowie das Phasendetektoreingangssignal PD_IN wird einem Mehrphasenabtaster 50 eingegeben, welcher daraus Signale CK_R und PD_OUT<2:0> erzeugt. Ein Signalanteil CK<1> des insgesamt aus acht Signalanteilen CK<1> bis CK<8> bestehenden Signals CK<1:8> wird außerdem einem Phasenakkumulator 52 (Zähler) eingegeben. Eine Flipflopanordnung 54 bestehend aus sieben Flipflops wird wie dargestellt mit einem vom Phasenakkumulator 52 ausgegebenen Signal sowie dem Signal CK_R beaufschlagt und bildet einen Signalanteil PD_OUT<9:3>, der über ein ferner mit dem Signal PD_OUT<2:0> beaufschlagtes Summationsglied 56 geführt das Phasendetektorausgangssignal PD_OUT<9:0> bildet. Die Abtasteinrichtung 32 erzeugt im dargestellten Ausführungsbeispiel an ihrem Ausgang ein 10bit-Wort, welches die Phasendifferenz der dem Phasendetektor PD zugeführten Signale in digitaler Weise repräsentiert. Die Abtasteinrichtung 32 umfasst den mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Mehrphasenabtaster ("multi phase sampler") zur Bereitstellung des Signals PD_OUT<2:0>, welches die drei niederwertigsten Bits des Phasendetektorausgangssignals dargestellt. Die Flipflopanordnung 54 erzeugt die 7 höchstwertigen Bits. Der Mehrphasenabtaster tastet das zugeführte Phasendetektoreingangssignal PD_IN, welches im dargestellten Beispiel eine Frequenz von 19,44 MHz aufweist, mit den 8 gleichmäßig beabstandeten Taktsignalen CK<1> bis CK<8> ab, die im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Frequenz von 1,25 GHz besitzen und eine Phasenauflösung von 100ps liefern.
  • 4 zeigt den Aufbau des in 3 dargestellten Mehrphasenabtasters 50. Der Mehrphasenabtaster 50 enthält wie dargestellt eine Flipflopanordnung 58 sowie einen Dekoder 60, die in der dargestellten Weise mit den Signalen PD_IN und CK<1> bis CK<8> beaufschlagt werden und ausgangsseitig die Signale CK_R und PD_OUT<2:0> ausgeben.
  • 5 zeigt einen beispielhaften Zeitverlauf der Signalanteile CK<1> bis CK<8>, des Signals PD_IN, des Signals PD_OUT<2:0> und des Signals CK_R. 5 zeigt insbesondere die Phasenbeziehung zwischen den 8 Abtasttaktsignalen CK<1:8> und dem Phasendetektoreingangssignal PD_IN und dem Phasendetektorausgangssignal PD_OUT.
  • Daraus ist ersichtlich, dass die vom Phaseninterpolator 30 erzeugten Signalanteile CK<1> bis CK<8> an sich identische, jedoch zueinander äquidistant phasenverschobene Signale sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der zeitliche Versatz zwischen zwei benachbarten dieser Signalanteile (z. B. zwischen CK<1> und CK<2>) 100ps.
  • Die 6 und 7 verdeutlichen den Aufbau des Phaseninterpolators 30.
  • Der Gesamtaufbau des Interpolators 30 ist in 6 gezeigt. Um die acht gleichmäßig (um 100ps) beabstandeten Taktsignale CK<1> bis CK<8> bei einer Frequenz von 1,25 GHz bereitzustellen, umfasst der Interpolator 30 die zwei dargestellten Interpolatorhälften 70-1 und 70-2 und einen Ausgangsschaltungsteil 72 mit zusätzlichen Teilerschaltungen. Die Interpolatorhälften 70-1, 70-2 und der Interpolatorausgangsschaltungsteil 72 wirken in der dargestellten Weise zusammen, um aus den Quadratursignalen CK_0 und CK_90 (vgl. 1) die phasenverschobene Version des PLL-Ausgangssignals zu bilden, dargestellt durch die Signalanteile CK<1> bis CK<8>.
  • Die Quadratursignale CK_0 und CK_90 werden dem Interpolator 30 in differentieller Form zugeführt: Das Signal CK_0 besteht aus differentiellen Signalanteilen CK_0_P und CK_0_N. Das Signal CK_90 besteht aus differentiellen Signalanteilen CK_90_P und CK_90_N. Die Einstellung der gewünschten Phasenverschiebung erfolgt durch das Signal PHI<2:0>. Dies ist das in 2 vom Modulo-8-Integrator 40 zum Steuereingang des Phaseninterpolators 30 übertragene Signal.
  • 7 zeigt schließlich den (identischen) Aufbau der beiden in 6 dargestellten Interpolatorhälften 70-1 und 70-2. Der Aufbau jeder Interpolatorhälfte folgt einem an sich bekannten Konzept und umfasst einen Digital-Analog-Wandler 74, der das zugeführte Signal PHI<2:0> in eine analoge Stromdarstellung wandelt (symbolisiert durch die dargestellten Stromquellen). Die von den Stromquellen gelieferten Ströme dienen als Einstellströme für jeweilige Transkonduktanzstufen, die wie dargestellt jeweils durch Transistorpaare gebildet sind und eine gewichtete Überlagerung der einzelnen Ströme bewirken. Diese Ströme werden über eine gemeinsame Widerstandslast R geführt, so dass die in 6 eingezeichneten Potentiale PH_OUTP und PH_OUTN als Spannungsabfall an der Widerstandslast R bereitgestellt werden. Das Phaseninterpolatorausgangssignal entspricht der (durch Stromüberlagerung) gebildeten gewichteten Summe der CK1- und CK2-Eingangssignale, die stets eine Phasendifferenz von 90° besitzen. Die Auflösung des Phaseninterpolatorausgangssignals ist auf 50ps spezifiziert.
  • Die für das oben beschriebene Ausführungsbeispiel angegebenen Frequenz- und Zeitwerte sind selbstverständlich lediglich beispielhaft zu verstehen und können in der Praxis modifiziert und an den betreffenden Anwendungsfall angepasst werden.

Claims (5)

  1. Phasenregelkreis (12) mit einem steuerbaren Oszillator (DCO) zur Erzeugung eines Ausgangssignals (CKout) des Phasenregelkreises und mit einer Umschalteinrichtung (22) zum Umschalten zwischen einem ersten Taktsignal (CKin1) und einem zweiten Taktsignal (CKin2) zur Verwendung als Eingangstaktsignal des Phasenregelkreises, dadurch gekennzeichnet, dass für die beiden Taktsignale (CKin1, CKin2) jeweils ein zwischen verschiedenen Betriebsmodi umschaltbarer Phasendetektor (PD1, PD2) vorgesehen ist, wobei der Phasendetektor (PD1 oder PD2) für das momentan verwendete Taktsignal (CKin1 bzw. CKin2) in einen ersten Betriebsmodus und der Phasendetektor (PD2 oder PD1) für das momentan nicht verwendete Taktsignal (CKin2 bzw. CKin1) in einen zweiten Betriebsmodus versetzt wird, und wobei jeder Phasendetektor (PD1, PD2) im ersten Betriebsmodus eine Phasendifferenz zwischen dem verwendeten Taktsignal (CKin1 oder CKin2) und dem Ausgangssignal (CKout) bestimmt und für die Ansteuerung des Oszillators (DCO) bereitstellt und im zweiten Betriebsmodus eine Frequenzdifferenz zwischen dem nicht verwendeten Taktsignal (CKin2 bzw. CKin1) und dem Ausgangssignal (CKout) bestimmt und speichert und laufend aktualisiert und für die Ansteuerung des Oszillators (DCO) nach dem Umschalten auf dieses zuvor nicht verwendete Taktsignal (CKin2 bzw. CKin1) bereitstellt.
  2. Phasenregelkreis nach Anspruch 1, wobei der Phasendetektor einen Integrator (41) aufweist, dem im zweiten Betriebsmodus ein von der Phasendifferenz zwischen dem nicht verwendeten Taktsignal (CKin2 bzw. CKin1) und dem Ausgangssignal (CKout) abhängiges Signal eingegeben wird, um an seinem Ausgang ein für die Frequenzdifferenz repräsentatives Signal (INT_OUT) bereitzustellen.
  3. Phasenregelkreis nach Anspruch 2, wobei das dem Integrator (41) eingegebene Signal als Ausgangssignal (PD_OUT) einer Phasenvergleichseinrichtung (32) bereitgestellt wird, welche die Phase des nicht verwendeten Taktsignals (CKin2 bzw. CKin1) mit einer eingestellt phasenverschobenen Version (CK<1:8>) des Ausgangssignals (PD_OUT) vergleicht, wobei die Phasenverschiebung basierend auf dem Ausgangssignal der Phasenvergleichseinrichtung (32) eingestellt wird.
  4. Phasenregelkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als die von jedem Phasendetektor (PD1, PD2) im ersten Betriebsmodus bestimmte Phasendifferenz die Phasendifferenz zwischen dem verwendeten Taktsignal (CKin1 oder CKin2) und einer eingestellt phasenverschobenen Version (CK<1:8>) des Ausgangssignals (CKout) vorgesehen ist, und wobei jeder Phasendetektor (PD1, PD2) diese Phasenverschiebung im zweiten Betriebsmodus einstellt.
  5. Verfahren zum Betrieb eines Phasenregelkreises (12), bei welchem ein steuerbarer Oszillator (DCO) ein Ausgangssignal (CKout) des Phasenregelkreises erzeugt und zwischen einem ersten Taktsignal (CKin1) und einem zweiten Taktsignal (CKin2) zur Verwendung als Eingangstaktsignal des Phasenregelkreises umgeschaltet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass für das momentan zur Erzeugung des Ausgangssignals (CKout) verwendete Taktsignal (CKin1 oder CKin2) eine Phasendifferenz zwischen diesem Taktsignal und dem Ausgangssignals (CKout) bestimmt und für die Ansteuerung des Oszillators (DCO) verwendet wird, wohingegen für das momentan nicht zur Erzeugung des Ausgangssignals (CKout) verwendete Taktsignal (CKin2 bzw. CKin1) dessen Frequenzdifferenz bezüglich des Ausgangssignals (CKout) bestimmt und gespeichert und laufend aktualisiert und für die Ansteuerung des Oszillators (DCO) nach dem Umschalten auf dieses zuvor nicht verwendete Taktsignal (CKin2 bzw. CKin1) bereitgestellt wird.
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