DE60314384T2 - Filter für eine Phasenregelschleife - Google Patents

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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Filter für eine Phasenregelschleife.
  • Mobiltelefonsysteme benötigen normalerweise niedriges Phasenrauschen, schnelle Schaltzeiten und präzise Genauigkeit der Kanal-Frequenzen.
  • Um eine PLL ("Phase Locked Loop") mit den benötigten Charakteristiken zu konstruieren (z. B. niedriges Phasenrauschen), benötigt das zugehörige PLL-Filter normalerweise mehr als 10nF Kapazität, wobei der größte PLL-Kondensator der "Null"-Kondensator (d.h., der PLL-Filter-Kondensator, der genutzt wird, um eine Null in der Filtertransfer-Fuktion zu erzeugen, welche für die Stabilität des PLL's notwendig ist) sein wird.
  • Jedoch kann es schwierig und aufwendig sein, eine Ein-Chip-Integration für eine PLL zu erreichen, die solch eine große Kapazität benötigt.
  • Eine Technik, die entwickelt wurde, um die für eine PLL benötigte Kapazität zu reduzieren, dadurch eine Ein-Chip-Integration zu erlauben, während außerdem die gleiche Gesamt-PLL-Transferfunktion (d.h. PLL-Verstärkung) beibehalten wird, bedingt die Nutzung eines 2-Wege-PLL-Filters, wobei jeder PLL-Filter-Weg durch einen separaten Ladungspumpungsweg angetrieben wird, zum Beispiel von einer Ladungspumpe mit zwei Ausgabewegen oder zwei separaten Ladungspumpen mit einem einzelnen Ausgabeweg.
  • Ein Beispiel eines 2-Wege-PLL-Filters wurde durch Craninckx und Steyaert, IEEE Journal of Solid-State Circuit, Vol 33, No. 12, Dezember 1998 vorgeschlagen, wobei ein 2-Wege-PLL-Filter zwei aktive Geräte umfasste, einen Verstärker und einen Spannungsaddierer.
  • Ein anderes Beispiel eines 2-Wege-PLL-Filters wurde durch Koo, IEEE Journal of Solid-State Circuit, Vol. 37, No. 5, Mai 2002 vorgeschlagen, wobei ein 2-Wege-PLL-Filter ein einzelnes aktives Gerät umfasste, einen Verstärker.
  • Jedoch erhöht die Nutzung von aktiven Geräten innerhalb eines PLL-Filters sowohl Phasenrauschen als auch Stromverbrauch, sowie die Komplexität des PLL-Filters.
  • US 5,774,023 offenbart ein Schleifenfilter, mit einem ersten Hochstrom-Pol-Filterkondensator, einem ersten Hoch strom-Pol-Dämpfungswiderstand, einem ersten Niedrigstrom-Pol-Filterkondensator, einem ersten Niedrigstrom-Pol-Dämpfungswiderstand und einem ersten Pol-Filterkondensator, wobei das Schleifenfilter von einer ersten Ladungspumpenausgabe angetrieben wird, wenn die Strompulse von der Ladungspumpe einer endgültigen schmalen Schleifenbandbreite entsprechen, andernfalls wird das Schleifenfilter durch eine zweite Ladungspumpenausgabe angetrieben. Als solches offenbart US 5,774,023 das Schalten der Stromquelle zwischen der ersten Ladungspumpenausgabe und der zweiten Ladungspumpenausgabe und nicht eine gleichzeitige Ausgabe.
  • Patents Abstracts of Japan Nr. 56119520 offenbart einen integrierten Schaltkreis, einen Schaltkreis mit einer Tiefpassfilter-Anordnung illustrierend.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist ein integrierter Schaltkreis mit einer Phasenregelschleife gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
  • Dies bietet den Vorteil ein auf einem einzigen Chip integriertes Schleifenfilter zu ermöglichen, das nur drei Kondensatoren und zwei Widerstandselemente benutzt, ohne die Nutzung einer aktiven Komponente, zum Beispiel eines Spannungsaddierers oder eines Integrators, zu benötigen.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben werden, wobei:
  • 1 eine Phasenregelschleife mit einem Filter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert;
  • 2 ein Filter für eine Phasenregelschleife gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert;
  • 3 Graphen, 2-Wege-Charakteristiken eines Filters für eine Phasenregelschleife gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustrierend, zeigt;
  • 4 einen Graph, die Phasenrausch-Charakteristiken eines Filters für eine Phasenregelschleife gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigend, illustriert.
  • 1 illustriert eine Phasenregelschleife 10 zur Nutzung in einem Mobiltelefon (nicht gezeigt). Die Phasenregelschleife 10 umfasst einen Phasendetektor 11 mit einem ersten Eingang zum Empfangen einer Referenz-Frequenz, einem zweiten Eingang zum Empfangen einer PLL-Schleifenfrequenz und einem Ausgang zum Koppeln an eine Ladungspumpe 12. Die Ladungspumpe 12 hat zwei Ausgabewege, die mit den jeweiligen Eingabewegen eines Schleifenfilters 13 gekoppelt sind. Das Schleifenfilter 13 ist an einen spannungsgesteuerten bzw. spannungsgeregelten Oszillator VCO 14 ("Voltage Controlled Oszillator) gekoppelt. Der VCO 14 ist an einen ersten x2-Teiler 15 gekoppelt, welcher sowohl eine Eingabe an einen DCS-Abschnitt des Mobiltelefons, als auch an einen zweiten x2-Teiler 16 bereitstellt. Der zweite x2-Teiler 16 stellt sowohl eine Eingabe an einen GSM-Abschnitt des Mobiltelefons, als auch an einen N-Teiler 17 bereit. Der N-Teiler 17 ist, zum Bereitstellen der PLL-Schleifenfrequenz für den Phasen-Detektor 11, an den zweiten Eingang des Phasen-Detektors 11 gekoppelt.
  • Obwohl die in 1 gezeigte Ausführungsform zur Nutzung in einem Multiband-Mobiltelefon, das sowohl GSM als auch DCS unterstützt, eingerichtet ist, würde ein Fachmann schätzen, dass eine allgemeinere PLL-Struktur genutzt werden kann, bei der der VCO 14 zum Beispiel konfiguriert werden könnte, um eine Ausgabefrequenz bei der gewünschten Frequenz bereitzustellen, ohne das ein Teiler notwendig ist.
  • Die Phasenregelschleife 10 arbeitet in der folgenden Weise, ein Referenz-Signal, zum Beispiel ein 26 MHz-Signal, wird dem Phasen-Detektor 11 zugeführt. Der Phasen-Detektor 11 vergleicht die Phasendifferenz zwischen dem Referenz-Signal und einem Ausgabesignal des N-Teilers 17, um zu dem Fehler zwischen den zwei Phasen des Signals proportionale Ausgabe-Pulse zu generieren. Die Ausgabe-Strompulse des Phasen-Detektors 11 werden genutzt, um die Ladungspumpe 12 entweder zu laden oder zu entladen, wobei die Ladungspumpe 12, wie im Folgenden beschrieben, einen ersten Ausgabeweg und einen zweiten Ausgabeweg hat. Die Signale zwischen dem Phasen-Detektor 11 und der Ladungspumpe 12 sind Spannungssignale.
  • Die Ladungspumpe 12 lädt oder entlädt das Schleifenfilter 13.
  • Das Schleifenfilter 13 empfängt die Stromabgabe von dem ersten Weg und dem zweiten Weg und konvertiert die Stromabgaben, die die Phasendifferenz zwischen den zwei Frequenzen widerspiegeln, wie im Folgenden beschrieben, in einen Spannungspegel. Die durch das Schleifenfilter erzeugte Spannung wird genutzt, um den VCO 14 anzutreiben, wobei der VCO 14 genutzt wird, um die Phasendifferenz zwischen der Referenz-Frequenz und der Ausgangsfrequenz von dem N-Teiler 17 zu reduzieren. Der Zweck des ersten x2-Teilers 15, des zweiten x2-Teilers 16 und des N-Teilers 17 ist es, die Erzeugung von anderen Frequenzen als der Referenz-Frequenz zu ermöglichen. Wie von einem Fachmann geschätzt würde, ist es möglich durch Ändern des N-Wertes verschiedene Frequenzen zu erzeugen, d.h. als ein Sythesizer zu arbeiten. Der VCO 14 kann zum Beispiel eingerichtet werden, ein 3.6 GHz-Signal zu erzeugen, wenn die PLL 10 auf die 26 MHz-Referenz-Frequenz fixiert ist, wobei der erste x2-Teiler 15 das 3.6 GHz-Signal zu einem für eine DCS-Anwendung geeigneten 1.8 Ghz-Signal konvertiert. Dementsprechend konvertiert der zweite x2-Teiler 16 das 1.8 GHz-Signal zu einem für GSM-Anwendungen geeigneten 0.9 GHz-Signal. Der N-Teiler 17 ist eingerichtet die 0.9 GHz in ein 26 MHz-Signal zu konvertieren, um eine Phasenregelung ("phase lock") mit dem 26 MHz-Referenz-Signal zu erhalten.
  • 2 illustriert das mit dem ersten Ladungspumpenweg 21 und dem zweiten Ladungspumpenweg 22 gekoppelte Schleifenfilter 13. Der erste Ladungspumpenweg 21 und der zweite Ladungspumpenweg 22 können entweder von einer einzelnen Ladungspumpe oder von zwei separaten Ladungspumpen gebildet werden. Der erste Ladungspumpenweg 21 ist mit einer Verstärkung eingerichtet, die mit einer Ladungspumpenverstärkung Icp geteilt durch einen Faktor B korrespondiert. Der zweite Ladungspumpenweg 22 ist eingerichtet einen zweiten Strom zu erzeugen, der zu dem Ladungspumpenstrom Icp minus dem Ladungspumpenstrom Icp geteilt durch den Faktor B korrespondiert (d.h. Icp – Icp/B). Jedoch können andere Strombeziehungen zwischen dem ersten Ladungspumpenweg 21 und dem zweiten Ladungspumpenweg 22 genutzt werden, um jedoch sicherzustellen, dass die Gesamtkapazität des Schleifenfilters niedrig gehalten wird, ist es höchst wünschenswert, dass der von dem ersten Ladungspumpenweg 21 erzeugte Strom geringer ist, als der von dem zweiten Ladungspumpenweg 22 generierte Strom.
  • Das Schleifenfilter 13 umfasst einen parallelen Widerstands-/Kondensator-Schaltkreis 23 mit einem ersten Widerstandselement R1 (zum Beispiel ein Widerstand oder ein Element mit dergleichen Funktionalität, wie ein geschalteter Kondensatorschaltkreis oder ein in seinem linearen Bereich arbeitender MOS-Transistor) parallel mit einem ersten Kondensator C1. Der parallele Widerstands-/Kondensator-Schaltkreis 23 ist an einem Ende an eine Referenz-Spannung gekoppelt, zum Beispiel die Erde oder eine andere stabile Spannung, und an dem anderen Ende an den zweiten Ladungspumpenweg 22 und in Serie an einen zweiten Kondensator C2. Das andere Ende des zweiten Kondensators C2 ist an den ersten Ladungspumpenweg 21 gekoppelt.
  • Für dieses Ausführungsform beinhaltet das Schleifenfilter 13 einen zusätzlichen Pol, erzeugt durch ein zweites Widerstandelement R2 (zum Beispiel ein Widerstand oder ein Element mit dergleichen Funktionalität, wie ein geschalteter Kondensator-Schaltkreis oder ein in seinem linearen Bereich arbeitender MOS-Transistor) in Serie gekoppelt zwischen den ersten Ladungspumpenweg 21 und den VCO 14 und einem dritten Kondensator C3, der an einem Ende zwischen das zweite Widerstandelement R2 und den VCO 14 und an dem anderen Ende an eine Referenz-Spannung, zum Beispiel die Erde oder eine andere stabile Spannung, gekoppelt ist. Der Zweck des zusätzlichen Pols, hergestellt durch das zweite Widerstandselement R2 und den dritten Kondensator C3, ist es, Phasenrauschen weiter zu unterdrücken und ist ein wünschenswertes aber nicht wesentliches Merkmal.
  • Die über den zweiten Kondensator C2 gebildete Spannung korrespondiert mit dem integrierten Eingangsstrom und ist, wie aus 3 ersichtlich, bestimmt durch die Gleichung in der s-Domäne:
    Figure 00080001
  • Die über den parallelen Widerstand-/Kondensator-Schaltkreis 23 gebildete Spannung korrespondiert mit einem Tiefpass-Übergang mit einem Pol ωp und ist, wie aus 3 ersichtlich, bestimmt durch die Gleichung: VA = Icp(R1||C1)
  • Demzufolge kann die equivalente Impedanz des Schleifenfilters berechnet werden durch:
    Figure 00090001
  • Da der erste Kondensator C1 und der zweite Kondensator C2 in Serie angeordnet sind, werden die Spannungen VA und VB addiert, wodurch die integrierte Spannung und die Tiefpass-Transferspannung kombiniert werden. Die resultierende Schleifenfilterimpedanz und die Schleifenfilterverstärkung sind in 3 gezeigt.
  • Da der zweite Kondensator C2 genutzt wird, um die Eingangsspannung zu integrieren, und demzufolge genutzt wird, um die benötigte Null für das Schleifenfilter 13 zu formen, stellt die Nutzung eines Faktors B zum Teilen des Ladungspumpenstroms Icp den Vorteil bereit, es zu ermöglichen die Null hinreichend niedrig anzuordnen, wie in den Filterimpedanz- und Schleifenverstärkungsgraphen in 3 illustriert, ohne große Kapazitätswerte zu benötigen.
  • Die Wahl des Wertes von B hängt von mehreren Faktoren ab. Wenn der Wert von B ansteigt, sinkt die Gesamtkapazität, also wird man B so hoch wie möglich legen wollen, wenn die Kapazität ein Problem ist. Jedoch gibt es mehrere obere Grenzen für den Wert von B. Erstens steigt, wenn B ansteigt, das bandinterne Phasenrauschen mit derselben Rate an. Zweitens wurde festgestellt, dass für einen passiven 2-Wege-Filter mit einem zusätzlichen Pol (d.h. R1/C2 in Serie mit C1, gefolgt von einem R3/C2 Pol) keine mathematische Lösung existiert, wenn B einen Wert zwischen 35 und 40 erreicht, leicht abhängig von den Schleifenparametern. Das Dritte ist die kleinste Stromquelle, die praktisch erzielbar ist; wenn B ansteigt, sinkt die zusätzliche Ladungspumpenverstärkung mit der Rate von 1/B. Das kann extrem schwache Stromquellen (geringer als 1uA) ergeben, die schwierig zu steuern bzw. regeln sind.
  • Der Niedrigfrequenz-Weg des Schleifenfilters 13, gebildet zwischen dem ersten Ladungspumpenweg 21 und dem VCO 14, wird, als Resultat des durch den Faktor B geteilten Ladungspumpenstroms, verrauschter sein als der Hochfrequenz-Weg, gebildet zwischen dem zweiten Ladungspumpenweg 22 und dem VCO 14. Jedoch wird, da die Bandbreite des Niedrigfrequenz-Wegs kleiner ist als die Schleifenfilterbandbreite, da durch den Hochfrequenz-Weg bestimmt, das auf dem Niedrigfrequenz-Weg erzeugte zusätzliche Rauschen keinen Einfluss auf das bandexterne Phasenrauschen haben. Tatsächlich wird, wie aus 4 ersichtlich, das durch den Niedrigfrequenz-Weg erzeugte Rauschen geringer sein, als das des Hochfrequenz-Wegs bei Offset-Frequenzen höher als die Schleifenfilterbandbreite.
  • Beispielhaft werden nun, das oben beschriebene Schleifenfilter nutzend, Werte für den ersten Kondensator C1, den zweiten Kondensator C2, den dritten Kondensator C3, das erste Widerstandselement R1 und das zweite Widerstandselement R2 berechnet, basierend auf den folgenden Schleifenfilterparametern:
    Bandbreite 100 kHz
    KVCO = 400 MHz/V
    Referenz-Frequenz 26 MHz
    2-Wege-Verhältnisfaktor B = 30
  • Durch Festlegen der Werte von Icp, KVCO, Referenz-Frequenz, Bandbreite und durch Lösen der Schleifenfilter-Impedanzgleichung Zeq(s) ist es möglich, die zugehörigen Werte für die benötigten Kondensatoren und Widerstände zu erhalten. Folglich können, die Schleifenfilter-Impedanzgleichung für Zeq(s) wie oben gegeben ausnutzend, mit einem ersten Ladungspumpenstrom von 20uA (d.h. 600uA/30) und einem zweiten Ladungspumpenstrom von 580uA (d.h. 600uA – 20uA) die folgenden Komponentenwerte berechnet werden:
    C2 = 90 pF
    R1 = 1480 ohms
    C1 = 225 pF
    R2 = 4700 ohms
    C3 = 300 pF
  • Daher ist die totale Schleifenfilterkapazität für ein Schleifenfilter basierend auf dem oben beschriebenen Schleifenfilter 615 pF.
  • Dies verglichen mit einem an eine 1-Wege-Ladungspumpe gekoppelten Standardschleifenfilter, bei dem die korrespondierenden Komponenten Werte sein würden:
    C2 = 10 nF
    R1 = 410 ohms
    C1 = 880 pF
    R2 = 1110 ohms
    C3 = 300 pF
  • Daher ist die totale Schleifenfilterkapazität für ein 1-Wege-Schleifenfilter in der Größenordnung von 11 nF.

Claims (5)

  1. Integrierter Schaltkreis mit einer Phasenregelschleife, wobei die Phasenregelschleife umfasst: eine Ladungspumpe (12), die zur Ausgabe eines ersten Stroms über einen Ladungspumpenweg eingerichtet ist; einen zweiten Ladungspumpenweg, über den ein zweiter Strom ausgegeben wird; und ein Schleifenfilter (13) mit: einem ersten Kondensator (C2), der ein an den ersten Ladungspumpenweg elektrisch gekoppeltes Ende und ein an den zweiten Ladungspumpenweg elektrisch gekoppeltes Ende aufweist; einem parallelen Widerstands-/Kondensatorschaltkreis (23) mit einem zweiten Kondensator (C1) und einem ersten Widerstandselement (R1), die miteinander parallel gekoppelt sind, wobei der parallele Widerstands-/Kondensatorschaltkreis an einem Ende an den zweiten Ladungspumpenweg elektrisch gekoppelt ist; einem weiteren Widerstands-/Kondensatorschaltkreis mit einem zweiten Widerstandselement (R2) und einem dritten Kondensator (C3), wobei das zweite Widerstandselement (R2) an einem Ende an die erste Ladungspumpe und an dem anderen Ende an den dritten Kondensator (C3) gekoppelt ist und das andere Ende des dritten Kondensators mit einer Referenz-Spannung verbunden ist, wobei der integrierte Schaltkreis dadurch gekennzeichnet ist, dass das andere Ende des parallelen Widerstands-/Kondensatorschaltkreis mit einer Referenz-Spannung verbunden ist.
  2. Integrierter Schaltkreis mit einer Phasenregelschleife gemäß Anspruch 1, wobei der Stromfluss in dem zweiten Weg größer ist als der Stromfluss in dem ersten Weg, um eine Erniedrigung der Kapazität des Schleifenfilters (13) zu ermöglichen.
  3. Integrierter Schaltkreis mit einer Phasenregelschleife gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsspannung des Schleifenfilters eingerichtet ist, um einen spannungsgesteuerten bzw. spannungsgeregelten Oszillator (13) zu steuern bzw. zu regeln.
  4. Elektronisches Gerät mit einem integrierten Schaltkreis gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
  5. Elektronisches Gerät gemäß Anspruch 4, wobei das elektronische Gerät ein Mobiltelefon ist.
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