DE102008026289A1 - Phased locked loop for stabilization of frequency of voltage controlled oscillator, has filter coupled with voltage level via capacitors, where direct current voltage difference at capacitors is maintained to be constant by amplifier - Google Patents

Abstract

The loop has a combined phase and frequency comparator, a loop filter and frequency dividing elements e.g. electronic frequency dividing elements. An integrated circuit is provided with a differential amplifier (IAMP1) i.e. instrument amplifier. A passive loop filter is coupled with a voltage level (U2) of a voltage controlled oscillator (VCO1) via coupling capacitors (C1, C2) i.e. ceramic capacitors, where direct current voltage difference at the capacitors is maintained to be constant by the amplifier, that is connected to the capacitors via resistors (R1, R2).

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Phasenregelschleife zur Erzeugung eines frequenzstabilisierten hochfrequenten Signals zu konstruieren.Of the Invention is based on the object, a phase locked loop for Generation of a frequency-stabilized high-frequency signal too to construct.

Phasenregelschleifen, abgekürzt PLL – Phased Locked Loop – sind aus der einschlägigen Fachliteratur hinlänglich bekannt, für den Stand der Technik wird z. B. auf Roland Best, Theorie und Anwendungen des Phased-locked Loops verwiesen. Eine PLL für Anwendungen in der Hochfrequenztechnik besteht typischerweise aus einem spannungsgesteuerten Oszillator, abgekürzt VCO – Voltage Controlled Oscillator –, einem Frequenzteiler, der das vom VCO erzeugte Signal als Istwert auf die Frequenz eines extern vorgegebenen Referenzsignals herunterteilt, letzeres wird als Referenzfrequenz bezeichnet. Sodann werden beide Signale einem Phasenvergleicher zugeführt, welcher bei Abweichungen zwischen dem heruntergeteilten Signal und der Referenzfrequenz ein Korrektursignal erzeugt, welches über einen Schleifenfilter – Loop Filter – geführt wiederum die Steuerspannung für den VCO bildet. Damit ist der Regelkreis geschlossen.Phase-locked loops, abbreviated PLL - Phased Locked Loop - are from the relevant literature sufficient known, for the prior art is z. On Roland Refer to Best, Theory and Applications of the Phased-Locked Loops. A PLL consists for applications in the high-frequency technology typically from a voltage controlled oscillator, abbreviated VCO - Voltage Controlled Oscillator -, a frequency divider, the signal generated by the VCO as an actual value to the frequency of a externally given reference signal, the latter becomes referred to as the reference frequency. Then both signals become one Phase comparator supplied, which in case of deviations between the divided signal and the reference frequency, a correction signal generated via a loop filter loop Filter - again led the control voltage for forms the VCO. This closes the control loop.

Anstelle eines reinen Frequenzteilers werden nach dem Stand der Technik auch Teiler mit direkter digitaler Synthese (DDS) oder über Modulo-Zähler oder Sigma-Delta-Modulatoren gesteuerte variable Frequenzteiler verwendet, letzteres wird auch als Fractional PLL bezeichnet. Ebenso werden Kombinationen aus Mischern und Kammgeneratoren zur Frequenzreduktion speziell in der Messtechnik verwendet.Instead of a pure frequency divider are also known in the art Divider with direct digital synthesis (DDS) or via Modulo counter or sigma-delta modulators controlled variable Frequency divider used, the latter is also called Fractional PLL designated. Likewise, combinations of mixers and comb generators become Frequency reduction specifically used in metrology.

Bei der Konstruktion einer PLL für hohe Frequenzen im Bereich mehrerer Gigahertz stellt sich regelmäßig das Problem, dass eine verhältnismäßig hohe Steuerspannung für den VCO benötigt wird, da die im VCO zur Abstimmung verwendeten Kapazitätsdioden erst bei Anliegen einer hohen Spannung eine akzeptabel niedrige Kapazität und Güte erreichen, zudem muss für einen breiten Frequenzabstimmbereich die Steuerspannung ebenfalls über einen großen Spannungsbereich veränderbar sein.at the construction of a PLL for high frequencies in the area several gigahertz regularly turns that on Problem that a relatively high Control voltage is needed for the VCO since the in the VCO for tuning used capacitance diodes only when a high voltage is applied, an acceptably low capacity and goodness, in addition, for a broad Frequency tuning range, the control voltage also over be a variable range of voltage changeable.

Gleichzeitig besteht das Problem, dass die Steuerspannung auf Störsignale aller Art und Rauschen extrem empfindlich reagiert, wenn beispielsweise eine Steuerspannungsänderung von 10 V einem Abstimmbereich von 500 MHz entspricht, dann steht eine Änderung dieser Spannung von lediglich einem Mikrovolt immerhin noch für eine Frequenzänderung von 50 Hz. Problematisch sind hierbei insbesondere höherfrequente Störspannungen, welche nicht mehr über die Phasenregelschleife ausregelbar sind, diese erhöhen das Phasenrauschen des geregelten Ausgangssignals.simultaneously There is a problem that the control voltage on interference signals all kinds and noise extremely sensitive, for example when reacting a control voltage change of 10 V a tuning range of 500 MHz, then there is a change of this Voltage of only one microvolt after all still for a frequency change of 50 Hz. Problematic here are especially higher-frequency interference voltages, which are not more about the phase locked loop are ausregelbarer, this increase the phase noise of the regulated output signal.

Um Störungen weitgehend zu vermeiden, wird nach dem Stand der Technik vielfach ein passives Schleifenfilter mit einem Phasendetektor kombiniert, dessen Ausgang über so genannte „Charge Pumps” verfügt, dies sind geschaltete Stromquellen mit theoretisch hohem Innenwiderstand. Nur bei einer vorliegenden Phasendifferenz wird jeweils ein kurzer Strompuls mit einer Dauer proportional zu der Phasendifferenz in positiver wie negativer Richtung je nach Art der Korrektur auf den ansonsten rein passiven Schleifenfilter aufgeschaltet, dieses Filter besteht üblicherweise aus der Parallelschaltung eines Kondensators, der die Ladung aufnimmt (Bild 1, C5), mit einer Widerstands-Kondensator Serienschaltung (Bild 1, R4 und C4). Aufgrund der Stromquelleneigenschaft ist die zusätzlich hinzugefügte Ladung und damit infolge der Kondensatorgleichung die Spannungsänderung proportional zur Einschaltdauer und somit zum Phasenfehler.Around To avoid disturbances to a large extent, will be up to date The technology often a passive loop filter with a phase detector combined, the output of which has so-called "charge pumps", These are switched current sources with theoretically high internal resistance. Only with an existing phase difference is a short one Current pulse with a duration proportional to the phase difference in positive as well as negative direction depending on the type of correction on the otherwise switched to purely passive loop filter, this filter usually consists of the parallel connection of a capacitor, which picks up the charge (Figure 1, C5), with a resistor capacitor Series connection (Figure 1, R4 and C4). Due to the power source characteristic is the added charge and thus due to the capacitor equation the voltage change proportional to the duty cycle and thus to the phase error.

Da der VCO bei Betrachtung der Phase ein integrierendes Verhalten aufweist – eine Anhebung der Steuerspannung führt beispielsweise zu einer Frequenzerhöhung, welcher ein dauerhaftes Phaseninkrement in jeder Schwingungsperiode gleichsteht, wird beim Aufschalten des Steuerstroms durch die geschaltete Stromquelle die Steuerspannung kurz erhöht, was zu der Phasenänderung führt, diese dann aber durch die Widerstands-Kondensator Serienschaltung weitgehend wieder rückgängig gemacht. Dazu hat der in dieser Serienschaltung verwendete Kondensator eine deutlich höhere Kapazität als der zunächst ladungsaufnehmende Kondensator. Optional kann beispielsweise ein weiterer Tiefpass folgen (Bild 1 R6 und C6).There the VCO has an integrating behavior when looking at the phase - one Raising the control voltage leads, for example, to a frequency increase, which is a permanent phase increment in each oscillation period is equal, is when switching on the control current through the switched Power source briefly increases the control voltage, resulting in the Phase change leads, but then through the Resistor-capacitor series circuit largely reversed made. For this purpose, the capacitor used in this series circuit has a significantly higher capacity than the first one charge-carrying capacitor. Optionally, for example, a follow another low pass (Figure 1 R6 and C6).

Für einen hohen Steuerspannungsbereich muss bei integrierten Schaltungen ein Hochvoltprozess für die „Charge Pump” verwendet werden, nachteilig hierbei ist, dass dieser sich negativ auf die obere Grenzfrequenz der Schaltung auswirkt und Zusatzkosten verursacht. Ein Beispiel für eine solche PLL mit „High Voltage Charge Pump” ist der Baustein ADF4113HV von Analog Devices.For A high control voltage range must be used in integrated circuits used a high-voltage process for the "charge pump" The disadvantage here is that this has a negative effect on the upper limit frequency of the circuit affects and causes additional costs. An example of such a PLL with "High Voltage Charge Pump "is the ADF4113HV device from Analog Devices.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Signal des Schleifenfilters nachträglich zu verstärken, eine solche Schaltung ist beispielsweise in US6762634 beschrieben. Hierbei ist offensichtlich nachteilig, dass das jedem Verstärker inhärente Rauschen auf die Steuerspannung und somit auf die Qualität des VCO Ausgangssignals durchschlägt. Man kann nun versuchen, das Frequenzspektrum des Verstärkers am Ausgang per Tiefpassfilter auf die Grenzfrequenz der Regelschleife zu begrenzen, leider gibt es auch bei dieser Lösung nach dem Stand der Technik das Problem, dass sich im Übergangsbereich des Filters das noch nicht unterdrückte Rauschsignal durchschlägt, andererseits die Regelung in diesem Schleifenfrequenzbereich eben durch den Filter erschwert wird.Another possibility is to subsequently amplify the signal of the loop filter, such a circuit is, for example, in US6762634 described. In this case, it is obviously disadvantageous that the noise inherent in each amplifier affects the control voltage and thus the quality of the VCO output signal. One can now try to limit the frequency spectrum of the amplifier at the output by low-pass filter to the cut-off frequency of the control loop, unfortunately there is also in this solution according to the prior art, the problem that breaks through the not yet suppressed noise signal in the transition region of the filter, on the other the control in this loop frequency range just by the Filter is difficult.

Aus DE19634084A1 und EP1035655B1 sind zudem geschaltete Kondensatoren innerhalb des Schleifenfilters bekannt, leider sind auch diese nicht zur Anhebung der Steuerspannung tauglich, da die Frequenzerzeugung einen kontinuierlichen Prozess darstellt, der, einmal eingeregelt, durch harte Schalt- und Endladevorgänge erheblich gestört wird, daher auch der Einsatz von Stromquellen.Out DE19634084A1 and EP1035655B1 In addition, switched capacitors are known within the loop filter, unfortunately, these are not suitable for raising the control voltage, since the frequency generation is a continuous process that, once adjusted, is significantly disturbed by hard switching and Endladevorgänge, therefore, the use of power sources.

Der Erfindung liegt die Aufgaben zugrunde, eine Phasenregelschleife zu konstruieren, welche auch spannungsgesteuerte Oszillatoren mit hoher Steuerspannung unterstützt, ohne jedoch den negativen Einfluss eines entsprechenden Verstärkers oder der Nachteile eines Hochvoltprozesses.Of the The invention is based on the objects, a phase locked loop which also includes voltage controlled oscillators high control voltage supports, but without the negative Influence of a corresponding amplifier or the disadvantages a high-voltage process.

Das Problem wird erfindungsgemäß durch die in Patentanspruch 1 beschriebene Schaltung gelöst, deren Funktion im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird: Das Beispiel in Bild 1 zeigt eine erfindungsgemäße Phasenregelschleife, das Ausgangssignal des VCO1 wird einerseits als Nutzsignal bei F_OUT bereitgestellt und andererseits dem Frequenzteiler DIV1 zugeführt. Bei diesem kann es sich auch um einen fraktionalen Teiler, der über ein Modulo-Register oder einen Sigma-Delta Modulator gesteuert wird, oder um eine DDS Schaltung handeln. Alternativ kann eine Herabsetzung der Frequenz durch Mischung gegen einen Frequenzkamm und Filterung erfolgen, in diesem Fall wird statt einer Teilung eine Differenzbildung zur nächsten Kammfrequenz vorgenommen.The Problem is inventively by the in claim 1 described circuit, whose function in the following is explained with reference to an embodiment: The example in Figure 1 shows an inventive Phase locked loop, the output signal of the VCO1 is on the one hand provided as a useful signal at F_OUT and on the other hand the frequency divider DIV1 fed. This may also be a fractional one Divider using a modulo register or sigma delta Modulator is controlled, or to act a DDS circuit. alternative can be a reduction of the frequency by mixing against a frequency comb and Filtering, in this case, instead of a division, a Difference formation made to the next comb frequency.

Dessen Ausgangssignal wird jetzt einem Phasenvergleicher zugeführt, der dieses mit einem Referenzsignal F_REF vergleicht und dessen Ausgänge über geschaltete Stromquellen (Charge Pump) das Schleifenfilter (Loop Filter) bestehend im Bild 1 aus R4 bis R5 und C4 bis C6 ansteuern.Whose Output signal is now fed to a phase comparator, which compares this with a reference signal F_REF and its Outputs via switched current sources (charge pump) the loop filter (Loop Filter) consisting in picture 1 from R4 to Drive R5 and C4 to C6.

Alternativ ist anstelle der geschalteten Stromquellen auch ein Verstärker denkbar, mit oder ohne Zusatzschaltern zur Entkopplung im eingeregelten Zustand über zusätzliche Filter.alternative is also an amplifier instead of the switched current sources conceivable, with or without additional switches for decoupling in the adjusted Condition via additional filters.

Bis zu diesem Punkt handelt es sich um eine gewöhnliche Phasenregelschleife aus dem Lehrbuch, der entscheidende Zusatz ist jetzt eine kapazitive Trennung in der Steuerspannung, die in Bild 1 über die Parallelschaltung der Kondensatoren C1 und C2 unterschiedlicher Bauart, z. B. Elko und Keramikkondensator, zwecks Erzielung einer hohen Güte bei hoher Kapazität vorgenommen wird.To this is a common phase locked loop from the textbook, the crucial addition is now a capacitive one Separation in the control voltage, which in Figure 1 on the Parallel connection of the capacitors C1 and C2 different Type, z. B. Elko and ceramic capacitor, in order to achieve a high quality at high capacity is made.

Diese Kondensatoren sind über die Widerstände R1 und R2 mit einem Differenzverstärker IAMP1 verbunden, im Beispiel ist das ein Instrumentenverstärker (Instrumentation Amplifier), auch Elektrometerverstärker genannt, in handelsüblicher Beschaltung (z. B. LT 1789-1 oder AD620) mit einer Verstärkung von Eins. Ein solcher Instrumentenverstärker in handelsüblicher Bauart liefert als Ausgangssignal die gegebenenfalls verstärkte Differenz der Eingangssignale an den Anschlüssen Plus und Minus, bezogen auf die Spannung am Referenzspannungseingang REF.These Capacitors are connected through resistors R1 and R2 connected to a differential amplifier IAMP1, in the example is this an instrumentation amplifier (instrumentation amplifier), also called electrometer amplifier, in commercial Wiring (eg LT 1789-1 or AD620) with a gain from one. Such an instrument amplifier in commercial Design provides as output the possibly amplified Difference of the input signals at the terminals plus and Minus, relative to the voltage at the reference voltage input REF.

Der Verstärkungsfaktor kann typischerweise über einen externen Widerstand zwischen den Gain-Anschlüssen Rg+ und Rg– festgelegt werden, offene Eingänge stehen im Beispiel für einen Verstärkungsfaktor von Eins. In diesem Fall gilt, dass die Ausgangsspannung gleich der Summe aus der Spannungsdifferenz an den Eingängen und der Referenzspannung ist. Intern sind derartige Instrumentenverstärker zumeist aus mehreren Operationsverstärkern aufgebaut, näheres findet sich in der einschlägigen Standardliteratur, z. B. Tietze, Schenk, Halbleiterschaltungstechnik.Of the Gain factor can typically be over one external resistance between the gain terminals Rg + and Rg- be set, open entrances stand in the example for a gain of one. In this case, the output voltage is equal to the sum from the voltage difference at the inputs and the reference voltage is. Internally, such instrument amplifiers are mostly built from several operational amplifiers, closer can be found in the relevant standard literature, eg. B. Tietze, Schenk, semiconductor circuit technology.

Der Instrumentenverstärker sensiert somit das Spannungsniveau U1 und erzeugt ein angehobenes Spannungsniveau U2, wobei eben die Differenz U2 minus U1 der Referenzspannung REF des Instrumentenverstärkers entspricht, welche als Vorgabe U3 vom D/A Wandler DAC1 über einen Tiefpass bestehend aus R3 und C3 zur Entstörung bereitgestellt wird. Damit findet die gewünschte Anhebung der Steuerspannung um den Sollwert U3 statt.Of the Instrument amplifier thus senses the voltage level U1 and generates a raised voltage level U2, where just the Difference U2 minus U1 of the reference voltage REF of the instrumentation amplifier corresponds, which as default U3 from the D / A converter DAC1 via a low-pass filter consisting of R3 and C3 provided for suppression becomes. This is the desired increase in the control voltage to the setpoint U3 instead.

Man sollte nun meinen, dass das Rauschen des Instrumentenverstärkers IAMP1 genauso wie das eines gewöhnlichen Ausgangsverstärkers stört und zudem die Schaltung zum Einnehmen eines festen Zustands am oberen oder unteren Ende des Ausgangsbereichs von IMAP1 neigt.you should now mean that the noise of the instrumentation amplifier IAMP1 just like an ordinary output amplifier bothers and also the circuit to take a firm State at the top or bottom of the output area of IMAP1 inclines.

Dies ist aber nicht der Fall, wenn die Ankopplung über R2 sehr locker erfolgt, d. h. ein im Verhältnis zum Impedanzniveau des Schleifenfilters hoher Widerstandswert gewählt wird. Dass dabei die Differenzspannung U2 minus U1 bei einer hohen Kapazität von C1, C2 nur sehr langsam ausgeregelt wird – bis herunter in den Bereich von Sekunden –, ist überraschenderweise hier völlig unerheblich, denn es reicht für die Phasenregelschleife in jedem Fall aus, wenn irgendein stabiler Offset zwischen dem Spannungsniveau des Schleifenfilters und dem benötigten Spannungsniveau des VCO1 bereitgestellt wird, der halbwegs aus der Spannung am Schleifenfilter die benötigte Regelspannung U2 bereitstellt und nur ungefähr U3 entspricht.This But this is not the case if the coupling via R2 is very easy, d. H. one in relation to the impedance level of the high resistance loop filter is selected. That while the differential voltage U2 minus U1 at a high capacity from C1, C2 is only very slowly corrected - down to in the range of seconds - is, surprisingly completely irrelevant here, because it is enough for the Phase locked loop in any case, if any stable offset between the voltage level of the loop filter and the required voltage level of the VCO1, which is halfway out of the voltage at the loop filter provides the required control voltage U2 and only about U3 corresponds.

Denn dieser Offset wird durch die Koppelkondensatoren C1, C2 in seinem Wert auch bei hochdynamischen Veränderungen der Ausgangsspannung U1 des Schleifenfilters konstant gehalten, eben aufgrund der großen Kapazität und damit einer harten Kopplung von U2 an U1 über eine sehr niedrige Impedanz. Damit kann sich die PLL aber so einregeln, dass die Spannung U2 eben dem benötigten Wert entspricht.Because this offset is kept constant by the coupling capacitors C1, C2 in its value even with highly dynamic changes in the output voltage U1 of the loop filter, just because of the large capacity and thus a har Coupling of U2 to U1 via a very low impedance. However, the PLL can adjust itself so that the voltage U2 corresponds exactly to the required value.

Die erstmalige Einregelung der Differenzspannung wird dadurch unterstützt, dass bei einer anfänglichen Frequenzabweichung seitens CP1 hohe Ströme in das Schleifenfilter geleitet werden, welche für dieses einen definierten Zustand ohne die Rückwirkung des Ladestroms von C1, C2 erzwingen, der Ladevorgang hat somit in CP1 einen definierten Gegenpol. Ist die Phasenregelschleife einmal eingerastet, so resultiert eine weiterhin steigende Ladespannung lediglich in einer langsamen Absenkung des Spannungsniveaus U1 des Schleifenfilters, welche problemlos im Rahmen der ohnehin stattfindenden Ausregelung der Langzeitdrift des VCO von der Phasenregelung bewältigt werden kann.The initial regulation of the differential voltage is thereby supported, that at an initial frequency deviation on the part of CP1 high currents are passed into the loop filter which for this one defined state without the repercussion force the charging current of C1, C2, the charging process thus has in CP1 a defined opposite pole. Is the phase locked loop once engaged, so results in a further increasing charging voltage only in a slow lowering of the voltage level U1 of Loop filters, which easily in the context of taking place anyway Compensation of the long-term drift of the VCO managed by the phase control can be.

Gleichzeitig werden eventuelle Störspannungen am Ausgang des Verstärkers IAMP1 durch den Spannungsteiler bestehend aus dem hochohmigen R2 und der Summe der niedrigen Impedanz des Koppelkondensators und Schleifenfilters erheblich abgesenkt, dies gilt insbesondere für die besonders störenden hochfrequenten Anteile, die über C1 und C6 kurzgeschlossen werden. Ohne zusätzlichen Tiefpass bestehend aus R5 und C6 im Schleifenfilter würde C5 die Funktion von C6 übernehmen.simultaneously Possible interference voltages at the output of the amplifier IAMP1 through the voltage divider consisting of the high-resistance R2 and the sum of the low impedance of the coupling capacitor and Loop filter significantly lowered, this is especially true for the most annoying high frequency components that over C1 and C6 are shorted. Without additional low pass consisting of R5 and C6 in the loop filter C5 would be the Take over function of C6.

Diese Art der Beschaltung des Steuereingangs des VCO1 ist auch deshalb zulässig, weil dieser bei den typischerweise genutzten Kapazitätsdioden zur Frequenzabstimmung, die in Sperrrichtung betrieben werden, einen sehr hohen Gleichspannungs-Innenwiderstand aufweist.These Type of wiring of the control input of the VCO1 is also therefore permissible because of the typically used Frequency tuning capacitance diodes operated in the reverse direction be, has a very high DC internal resistance.

Der Widerstand R1 dient im Beispiel zur zusätzlichen Entkopplung des Eingangs des Instrumentenverstärkers IAMP1 von der Regelschleife, um störende Einflüsse auf diese z. B. durch Eingangsschutzbeschaltungen des Verstärkers zu vermeiden. Wahlweise kann am Verstärkereingang noch zusätzlich ein Kondensator beschaltet werden, um das Regelverhalten der U2 zu U1 Spannungsdifferenz zu optimieren.Of the Resistor R1 is used in the example for additional decoupling the input of the instrumentation amplifier IAMP1 from the Control loop to disturbing influences on this z. B. by input protection circuits of the amplifier to avoid. Optionally, at the amplifier input still In addition, a capacitor can be connected to the control behavior to optimize the U2 to U1 voltage difference.

Der D/A Wandler DAC1 ermöglicht in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zudem die Erweiterung des PLL Abstimmbereichs durch Vorgabe eines ersten Richtwerts für die Steuerspannung sowie eine Optimierung der Spannung am Schleifenfilter auf einen besonders günstigen Arbeitsbereich der steuerbaren Stromquellen CP1. Eine weitere Regelung kann hier mittels Softwareschleife erfolgen, indem U1 oder U2 mittels eines hochohmig angekoppelten A/D-Wandlers gemessen und als Eingangswerte für eine Steuersoftware verwendet werden.Of the D / A converter DAC1 allows in a particularly advantageous Embodiment of the invention also the extension of PLL tuning range by specifying a first guideline for the control voltage and an optimization of the voltage at the loop filter on a particularly favorable working range of controllable Power sources CP1. Another regulation can be done here by software loop be done by U1 or U2 by means of a high-impedance coupled A / D converter and as input values for a control software be used.

Gleichzeitig wird bei einem hohen Verhältnis der maximalen Steuerspannung U2 zur maximalen Spannung U1 am Schleifenfilter und Vorgabe des Richtwerts durch DAC1 bei Beibehaltung eines großen Abstimmbereichs die durch VCO1 eingebrachte Schleifenverstärkung reduziert und somit das Phasenrauschverhalten der PLL verbessert.simultaneously is at a high ratio of the maximum control voltage U2 to the maximum voltage U1 at the loop filter and specification of the reference value by DAC1 while maintaining a large tuning range reduces the loop gain introduced by VCO1 and thus improves the phase noise behavior of the PLL.

Natürlich wäre es in einer besonders preiswerten Ausführungsform der Erfindung auch denkbar, mit einer Verstärkung ungleich Eins am Instrumentenverstärker zu arbeiten und durch die Wahl des Gleichspannungsarbeitspunkts des Schleifenfilters die Steuerspannung U2 auch bei Ersatz des Richtwerts von DAC1 durch eine Festspannung über einen weiten Bereich zu verändern, dies kann jedoch das Regelverhalten negativ beeinflussen.Naturally it would be in a particularly inexpensive embodiment The invention also conceivable with a gain unequal One to work on the instrument amp and through the Selection of the DC operating point of the loop filter the control voltage U2 even if the standard value of DAC1 is replaced by a fixed voltage across one However, this can change the control behavior influence negatively.

Weiterhin ist es in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gemäße Unteranspruch denkbar, die Kondensatoren C1, C2 über elektronische Schalter zu Beginn der Einregelphase zu entladen oder mit einem definierten Wert zu laden.Farther it is in an advantageous embodiment of the invention appropriate subclaim conceivable, the capacitors C1, C2 via electronic switches at the beginning of the adjustment phase to unload or to load with a defined value.

Hierfür kann auch R2 variabel ausgelegt werden, beispielsweise durch eine Kombination aus einem hochohmigen Widerstand für den Normalbetrieb und einem niederohmigen Widerstand für die Einregelphase in Serie zu einem elektronischem Schalter, z. B. einem MOSFET. Hierbei ist es zusätzlich zu empfehlen, den Ladestrom über das Schleifenfilters temporär z. B. durch eine gezielte, auch parallele oder intermittierende Ansteuerung der Stromquellen in CP1 zu erhöhen, alternativ können zusätzliche Schalter, z. B. ein MOSFET-Schalter am Schleifenfilterausgang nach Masse, eingefügt werden. Die Steuerung selber kann über Zeitgeber, durch Auswertung der gemessenen Spannungsniveaus oder unter Einbeziehung des Schleifeneinrastsignals des Phasenvergleichers realisiert werden.Therefor can also be interpreted variably R2, for example by a Combination of a high-impedance resistor for normal operation and a low resistance for the Einregelphase in Series to an electronic switch, z. B. a MOSFET. in this connection In addition, it is recommended to charge the charging current the loop filter temporarily z. By a targeted, also parallel or intermittent control of the power sources in CP1, alternatively, additional switches, z. B. a MOSFET switch at the loop filter output to ground, be inserted. The control itself can over Timer, by evaluation of the measured voltage levels or including the loop lock signal of the phase comparator will be realized.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Schaltung besteht in einer differenziellen Auslegung einzelner Schaltungsteile zur Kompensation externer Störungen, beispielsweise im Bereich des Schleifenfilters, theoretisch kann das Steuersignal bis zum VCO differenziell geführt und es können die Kapazitätsdioden im VCO symmetrisch angesteuert werden. Hierbei würde dann sinnvollerweise die positive Spannungsanhebung durch eine gegenläufige negative Spannungsabsenkung auf der Gegenleitung ergänzt, zwecks Verdopplung des Offsets.A Another way to improve the circuit is in a differential design of individual circuit parts for Compensation of external disturbances, for example in the area of the loop filter, theoretically the control signal can be up to VCO differentially guided and it can be the capacitance diodes be controlled symmetrically in the VCO. This would then meaningfully the positive voltage boost by an opposite negative Voltage reduction on the reverse line supplemented in order Doubling the offset.

Möglich ist auch die Nutzung der Erfindung zusammen mit kommerziellen PLL Bausteinen, die über eine aktiv-passive Schleifenfilterkombination mit teilweise differenziellem Anteil verfügen, ein Beispiel hierfür ist der Analog Devices Baustein ADF4193. Dessen VCO Steuerspannungsniveau wird dann per Koppelkondensator angehoben, welcher wiederum über einen Rail-to-Rail Instrumentenverstärker geladen wird, was bei geringem Schaltungsaufwand zu einer äußerst agilen PLL für sehr hohe Frequenzen führt. Gleichzeitig unterstützt die Bauart dieser PLL eine schnelle Ladung des Koppelkondensators bei einer Frequenzänderung.It is also possible to use the invention together with commercial PLL components which have an active-passive loop filter combination with a partially differential component, an example of which is the Analog Devices module ADF4193. Its VCO control voltage level is then raised by coupling capacitor, which in turn is loaded via a rail-to-rail instrument amplifier, resulting in a very agile PLL for very high frequencies with low circuit complexity. At the same time, the design of this PLL supports fast charging of the coupling capacitor with a frequency change.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Einführung eines Spannungsoffsets in das Ausgangssignal des Schleifenfilters einer Phasenregelschleife mit im Ergebnis rein passiven Komponenten, das somit zusätzlich eingebrachte Rauschen des Differenzverstärkers wird bei geringen Kosten in die Nähe der physikalischen Grenze gebracht und das Phasenrauschen der PLL optimiert.The present invention enables the introduction a voltage offset in the output of the loop filter a phase locked loop with purely passive components as a result thus additionally introduced noise of the differential amplifier is close to the physical at low cost Limit brought and the phase noise of the PLL optimized.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• - US 6762634 [0009] - US 6762634 [0009]
• - DE 19634084 A1 [0010] DE 19634084 A1 [0010]
• - EP 1035655 B1 [0010] - EP 1035655 B1 [0010]

Claims (9)

Phasenregelschleife zur Stabilisierung der Frequenz mindestens eines spannungsgesteuerten Oszillators, bestehend aus mindestens einem Phasenvergleicher oder kombiniertem Phasen- und Frequenzvergleicher und mindestens einem Schleifenfilter sowie wahlweise zusätzlich frequenzteilenden oder frequenzumsetzenden Elementen in der Regelschleife, oder integrierter Schaltkreis mit mindestens einem Phasenvergleicher oder kombiniertem Phasen- und Frequenzvergleicher und mindestens einem Differenzverstärker für eine Phasenregelschleife, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannung des spannungsgesteuerten Oszillators durch mindestens einen Koppelkondensator kapazitiv mit dem Schleifenfilter gekoppelt wird und die Gleichspannungsdifferenz an mindestens einem solchen Koppelkondensator durch einen Differenzverstärker, welcher über mindestens einen Widerstand oder steuerbaren oder schaltbaren Widerstand an den Koppelkondensator angekoppelt ist, annähernd konstant gehalten wird.Phase-locked loop for stabilizing the frequency of at least one voltage-controlled oscillator, comprising at least one phase comparator or combined phase and frequency comparator and at least one loop filter and optionally additionally frequency-dividing or frequency-converting elements in the control loop, or integrated circuit with at least one phase comparator or combined phase and frequency comparator and at least one differential amplifier for a phase locked loop, characterized in that the control voltage of the voltage controlled oscillator is capacitively coupled by at least one coupling capacitor to the loop filter and the DC voltage difference across at least one coupling capacitor by a differential amplifier, which via at least one resistor or controllable or switchable resistor to the Coupling capacitor is coupled, is held approximately constant. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker ein Instrumentenverstärker – auch als Elektrometerverstärker bezeichnet – ist.Device according to claim 1, characterized that the differential amplifier is an instrument amplifier - too referred to as Elektrometerverstärker - is. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzspannung abhängig von der gewünschten Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators vorgegeben wird, wobei die Vorgabe vorzugsweise prozessorgesteuert durch einen Digital-Analog-Wandler erfolgt, wobei im Fall des Einsatzes eines Instrumentenverstärkers als Differenzverstärker die Vorgabe durch Einstellung der Referenzspannung oder negativen Eingangsspannung des Instrumentenverstärkers erfolgen kann.Device according to claim 1 or 2, characterized that the difference voltage depends on the desired Output frequency of the voltage controlled oscillator specified is, preferably, the default processor-controlled by a Digital-to-analog converter takes place, wherein in the case of the use of a Instrument amplifier as a differential amplifier the default by setting the reference voltage or negative Input voltage of the instrumentation amplifier can be done. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den frequenzteilenden oder frequenzumsetzenden Elementen um elektronische Frequenzteiler, auch mit variablen oder per Modulo-Register oder Sigma-Delta-Modulator gesteuertem Teilungsfaktor, oder um Frequenzgeneratoren nach dem Prinzip der direkten digitalen Synthese, welche aus ihrem Eingangstakt eine wahlfreie Ausgangsfrequenz erzeugen, oder um Frequenzmischer wahlweise in Kombination mit Kammgeneratoren und Filtern, oder um Kombinationen dieser Schaltungselemente handelt.Device according to claim 1, characterized that it is the frequency-dividing or frequency-converting Elements around electronic frequency dividers, also with variable or modulo register or sigma-delta modulator controlled division factor, or to frequency generators based on the principle of direct digital Synthesis, which from its input clock an optional output frequency generate, or to frequency mixer optionally in combination with comb generators and filters, or combinations of these circuit elements. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schleifenfilter um ein passives Schleifenfilter handelt.Device according to claim 1, characterized that the loop filter is a passive loop filter is. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifenfilter über mindestens eine schaltbare Stromquelle oder mindestens einen zuschaltbaren Verstärkerausgang vom Phasenvergleicher angesteuert wird.Device according to claim 1 or 5, characterized that the loop filter via at least one switchable Power source or at least one switchable amplifier output is controlled by the phase comparator. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Koppelkondensator zu einem systemtechnisch geeigneten Zeitpunkt oder während oder unmittelbar nach einem Frequenzwechsel durch mindestens einen elektronischen Schalter auf ein anfängliches Spannungsniveau gebracht wird, wobei im Fall eines Kurzschlussschalters dieses Spannungsniveau auch Null sein kann.Device according to claim 1, characterized that at least one coupling capacitor to a system technically suitable Time or during or immediately after a frequency change by at least one electronic switch to an initial one Voltage level is brought, wherein in the case of a short-circuit switch this voltage level can also be zero. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete parallele oder intermittierende Ansteuerung geschalteter Stromquellen oder elektronischer Schalter im Phasenvergleicher zu einem systemtechnisch geeigneten Zeitpunkt oder speziell während oder unmittelbar nach einem Frequenzwechsel ein zusätzlicher Ladestrom für mindestens einen Koppelkondensator über das Schleifenfilter bereitgestellt wird, um eine Einstellung der Spannungsdifferenz am Koppelkondensator zu erleichtern.Device according to claim 1 or 7, characterized that by suitable parallel or intermittent control switched current sources or electronic switch in the phase comparator at a systemically appropriate time or specifically during or an additional one immediately after a frequency change Charging current for at least one coupling capacitor via the loop filter is provided to adjust the setting To facilitate voltage difference at the coupling capacitor. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker oder Instrumentenverstärker mit einer Verstärkung ungleich Eins arbeitet, um lediglich durch Wahl des Gleichspannungs-Arbeitspunkts des Schleifenfilters einen vergrößerten Abstimmbereich des spannungsgesteuerten Oszillators zu erhalten.Device according to claim 1 or 2, characterized that the differential amplifier or instrumentation amplifier with a gain equal to one works, only to by selecting the DC operating point of the loop filter one enlarged tuning range of the voltage controlled To get oscillator.