DE102006012428A1

DE102006012428A1 - Eine lineare Phasenregelschleife mit Doppel-Abstimmelementen

Info

Publication number: DE102006012428A1
Application number: DE102006012428A
Authority: DE
Inventors: Brian Jeffrey Galloway; Gunter Willy Steinbach; Charles Moore
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2006-09-28
Also published as: GB0605480D0; JP2006262489A; TW200635233A; US20060208805A1; CN1901375A; US7315217B2; CN1901375B; GB2424325A

Abstract

Eine lineare PLL umfasst einen VCO mit einem ersten und zweiten Abstimmelement. Das erste Abstimmelement ist proportional zu dem Phasenfehler zwischen einem Eingangssignal und einem VCO-Signal eingestellt, und das zweite Abstimmelement ist durch eine integrale Funktion des Phasenfehlers eingestellt. Durch Konfigurieren des VCO mit getrennten Abstimmelementen, die proportional zu dem Phasenfehler und durch eine integrale Funktion des Phasenfehlers getrennt eingestellt werden, hängt die 3-dB-Bandbreitenfrequenz der linearen PLL hauptsächlich von dem Phasendetektorgewinn und dem VCO-Gewinn ab, der von der proportionalen Einstellung beigetragen wird. Eine lineare PLL mit getrennten proportionalen und integralen Abstimmelementen kann entworfen sein, um einen relativen konstanten Gewinn über einen relativ großen Frequenzbereich zu zeigen.

Description

Phasenregelschleifen (PLLs) werden in Datenkommunikations- und Telekommunikationsanwendungen verwendet, um die Frequenz und Phase eines Signals zu verriegeln. Insbesondere werden monolithische PLLs häufig bei Takt- und Datenwiedergewinnungs-(CDR-)Anwendungen verwendet. Eine typische monolithische PLL umfasst einen Phasendetektor, eine Ladungspumpe, ein Schleifenfilter und einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), der ein VCO-Signal erzeugt. Monolithische PLLs, die für CDR verwendet werden, sind typischerweise in zwei Kategorien unterteilt: entweder eine lineare PLL, die einen Linearphasendetektor des Hogge-Typs verwendet oder eine binäre oder „Bang-Bang"-PLL, die einen Binärphasendetektor des Alexander-Typs verwendet.

Eine Leistungscharakteristik einer PLL ist die Drei-Dezibel-(3-dB-)Bandbreitenfrequenz. Die 3-dB-Bandbreitenfrequenz ist eine Messung des Frequenzbereichs, innerhalb dessen die PLL in der Lage ist, Frequenzänderungen des Eingangssignals zu verfolgen. Mit typischen linearen PLLs ist die 3-dB-Bandbreitenfrequenz eine Funktion des Phasendetektorgewinns, des Ladungspumpengewinns, des VCO-Gewinns und des Schleifen-Null-Widerstandswerts. Der Phasendetektorgewinn, der Ladungspumpengewinn und der Schleifen-Null-Widerstand können jeweils um ± 20% variieren, wobei der VCO-Gewinn häufig um 5-zu-1 oder mehr variiert. Wenn ein VCO des Resonanz-LC-Typs (LC = Induktivität/Kapazität) verwendet wird, ist die große Schwankung in dem VCO-Gewinn zurückzuführen auf die nichtlineare Kapazität gegenüber der Spannungscharakteristik von monolithischen variablen Kondensatoren (d. h. Varaktoren) und der Invers-Quadratwurzelabhängigkeit der VCO-Frequenz von der LC-Schwingkreiskapazität des VCO.

Die Schwankung des VCO-Gewinns in einer linearen PLL mit einem LC-Typ-VCO kann reduziert werden durch Begrenzen des Spannungsbereichs, der verwendet wird, um den VCO abzustimmen. Obwohl das Begrenzen des Spannungsabstimmbereichs die Schwankung beim VCO-Gewinn reduziert, begrenzt es auch den Frequenzbereich, über den der VCO abgestimmt werden kann, und daher gibt es einen Kompromiss zwischen der Größe der Schwankung bei dem VCO-Gewinn und dem Frequenzbereich eines VCO.

Was daher benötigt wird, ist eine lineare PLL, die einen relativ konstanten Gewinn und einen breiten Frequenzabstimmbereich aufweist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lineare Phasenregelschleife und ein Verfahren zum Betreiben einer Phasenregelschleife mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Phasenregelschleife gemäß Anspruch 1 und 15 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.

Eine lineare PLL umfasst einen VCO mit einem ersten und zweiten Abstimmelement. Das erste Abstimmelement ist proportional zu dem Phasenfehler zwischen einem Eingangssignal und einem VCO-Signal eingestellt, und das zweite Abstimmelement ist durch eine integrale Funktion des Phasenfehlers eingestellt. Durch Konfigurieren des VCO mit getrennten Abstimmelementen, die proportional zu dem Phasenfehler und durch eine integrale Funktion des Phasefehlers getrennt eingestellt sind, hängt die 3-dB-Bandbreitenfrequenz der linearen PLL hauptsächlich von dem Phasendetektorgewinn und dem VCO-Gewinn ab, die durch die proportionale Einstellung geliefert werden. Eine lineare PLL mit getrennten proportionalen und integralen Abstimmelementen zeigt einen relativ konstanten Gewinn über einen relativ großen Frequenzbereich.

Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich werden, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer linearen PLL, die einen linearen Phasendetektor, einen Proportionalsignalweg und einen Integrationssignalweg und einen VCO gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst;
2 stellt eine Schwingkreisschaltung eines LC-Typ-VCO dar, die in die lineare PLL von 1 eingebaut werden kann;
3 eine funktionale Darstellung der linearen PLL von 1 und 2 in dem Frequenzbereich;
4A ist ein Diagramm der Frequenz über der integrierten VCO-Abstimmsignalspannung für eine lineare PLL mit einem einzigen Abstimmelement für eine lineare PLL mit einem ersten und zweiten Abstimmelement, wie es oben mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben ist;
4B ist ein Diagramm des Gewinns über der integrierten VCO-Abstimmsignalspannung für eine lineare PLL mit einem einzigen Abstimmelement und für eine lineare PLL mit einem ersten und zweiten Ab stimmelementen, wie es oben mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben ist;
4C ein Diagramm eines relativen Gewinns über der integrierten VCO-Abstimmsignalspannung für eine lineare PLL mit einem einzigen Abstimmelement und für eine lineare PLL mit einem ersten und einem zweiten Abstimmelement, wie es oben mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben ist.
5 ein Diagramm eines relativen Gewinns über einer Frequenz für eine lineare PLL mit einem einzigen Abstimmelement und für eine lineare PLL mit einem ersten und zweiten Abstimmelement, wie es oben mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben ist;
6 ein Ausführungsbeispiel der linearen PLL von 1, die einen Spannungsgewinnblock zwischen dem Phasendetektor mit dem ersten Abstimmelement umfasst; und
7 ein Prozessflussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer linearen PLL, die einen VCO gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst.
In der Beschreibung werden ähnliche Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Elemente zu identifizieren.
Die Aufgabe einer Phasenregelschleife (PLL) ist das Verriegeln der Phasenfrequenz eines spannungsgesteuerten Oszillator-(VCO-)Signals mit einem Signal, das hierin als Eingangssignal bezeichnet wird. Gemäß der Erfindung umfasst eine lineare PLL einen VCO mit einem ersten und einem zweiten Abstimmelement. Das erste Abstimmelement ist proportional zu dem Phasenfehler zwischen einem Eingangssignal und einem VCO-Signal eingestellt, und das zweiten Abstimmelement ist durch eine integrale Funktion des Phasenfehlers eingestellt.
1 stellt ein Ausführungsbeispiel einer linearen PLL 100 dar, die einen linearen Phasendetektor 102, einen ersten Signalweg 104 (hierin bezeichnet als der „Proportional-" Signalweg), einen zweiten Signalweg 106 (hierin bezeichnet als der „Integrations-" Signalweg) und einen VCO 108. Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 ist der VCO ein Induktanz-Kapazitäts-(LC-)Typ-VCO, der ein erstes und ein zweites Abstimmelement 110 und 112 umfasst, die wie nachfolgend beschrieben eingestellt sind, um die Phase und Frequenz des VCO-Signals mit dem Eingangssignal zu verriegeln.
Mit Bezugnahme auf 1 ist der lineare Phasendetektor 102 verbunden, um ein Eingangssignal von einer Signalquelle (nicht gezeigt) und einen Teil des VCO-Signals (VCO_out) von dem VCO 108 zu empfangen. Das Eingangssignal trägt Taktinformationen und Daten, die wiederzugewinnen sind. Als Teil des Betriebs der linearen PLL vergleicht der lineare Phasendetektor Übergänge des Eingangssignals mit Übergängen des VCO-Signals und erzeugt ein Ausgangssignal, das das Vorzeichen und die Größe des Phasenfehles zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal darstellt, wobei das Vorzeichen anzeigt, ob die Phase des Eingangssignals der Phase des VCO-Signals vorauseilt oder nacheilt. Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 ist der lineare Phasendetektor ein Hogge-Typ-Phasendetektor, der eine Ausgangsspannung (V_pd) proportional zu dem Phasenfehler zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal erzeugt. Der Ausgang von dem linearen Phasendetektor wird an den Proportionalsignalweg 104 und an den Integrationssignalweg 106 der linearen PLL 100 geliefert.
Der Proportionalsignalweg 104 der linearen PLL 100 umfasst eine Signalverbindung 116 zwischen dem linearen Phasendetektor 102 und dem VCO 108. Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 liefert der Proportionalsignalweg eine Direktsignalverbindung zwischen dem linearen Phasendetektor und dem ersten Abstimmelement 110 des VCO. Der Proportionalsignalweg ermöglicht es, dass ein erstes VCO-Abstimmsignal (das als proportionales VCO-Abstimmsignal bezeichnet wird) direkt von dem linearen Phasendetektor an das erste Abstimmelement geliefert wird. Das proportionale VCO-Abstimmsignal (in 1 als V_tp identifiziert) ist proportional zu dem Momentanphasenfehler zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal (bei dem Beispiel von 1, V_pd = V_tp). Das heißt, das proportionale VCO-Abstimmsignal zeigt den Momentanphasenfehler als durch den linearen Phasendetektor gemessen an. Das proportionale VCO-Abstimmsignal, wird verwendet, um das erste Abstimmelement des VCO proportional zu dem Momentanphasenfehler zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal abzustimmen. Der Proportionalsignalweg kann auch einen Pol oder ein Tiefpassfilter umfassen. Der Pol oder das Tiefpassfilter hat eine ausreichen hohe Frequenz im Vergleich zu der Schleifenbandbreite, damit der Pol oder das Tiefpassfilter die PLL-Dynamik nicht wesentlich beeinträchtigt. Selbst wenn der Proportionalsignalweg einen Pol oder ein Tiefpassfilter umfasst, wird der Proportionalsignalweg daher nach wie vor ein VCO-Abstimmsignal liefern, das proportional zu dem Phasenfehler angesehen wird, im Vergleich zu dem VCO-Abstimmsignal, das von dem Integrationssignalweg 106 kommt.
Der Integrationssignalweg 106 der linearen PLL umfasst eine Ladungspumpe 120 und ein Schleifenfilter 122. Der Integrationssignalweg verbindet den linearen Phasendetektor 102 mit dem zweiten Abstimmelement 112 des VCO 108 über die Ladungspumpe und das Schleifenfilter. Mit Bezugnahme auf den Integrationssignalweg wird das Ausgangssignal (z. B. V_pd) von dem linearen Phasendetektor an die Ladungspumpe geliefert. Die Ladungspumpe liefert ansprechend auf das Ausgangssignal von dem linearen Phasendetektor einen Ladestrom an das Schleifenfilter. Der Ladestrom, der durch die Ladungspumpe erzeugt wird, ist proportional zu dem Ausgangssignal von dem linearen Phasendetektor. Der Ladestrom wird an das Schleifenfilter angelegt, das eine Kapazität (C₀) umfasst, die durch einen Kondensator 125 dargestellt ist. Ein zweites VCO-Abstimmsignal (als integriertes VCO-Abstimmsignal bezeichnet) wird ansprechend auf den Ladestrom von der Ladungspumpe und der Schleifenfilterkapazität erzeugt. Aufgrund des Schleifenfilters ist das integrierte VCO-Abstimmsignal (in 1 als V_ti identifiziert) eine integrale Funktion des Phasenfehlers zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal. Das heißt, das integrierte VCO-Abstimmsignal zeigt das Integral des Phasenfehlers über eine Integrationszeit an. Das integrierte VCO-Abstimmsignal wird verwendet, um das zweite Abstimmelement des VCO einzustellen. Der Integrationssignalweg, das integrierte VCO-Abstimmsignal und das zweite Abstimmelement ermöglichen es, dass der VCO als eine integrale Funktion des Phasenfehlers abgestimmt wird.
Der Betrieb der in 1 dargestellten linearen PLL 100 umfasst das Abstimmen des VCO 108 ansprechend auf die Rückkopplung von dem Proportional- und Integrationssignalweg 104 und 106. Beginnend an dem VCO, empfängt der VCO zu Beschreibungszwecken das proportionale und integrierende VCO-Abstimmsignal (V_tp bzw. V_ti) von dem Proportional- und Integrationssignalweg und erzeugt ein VCO-Signal (VCO_out) als eine Ausgabe. Ein Teil des VCO-Signals (VCO_out) wird zurückgeführt in den linearen Phasendetektor 102, wie es durch die Rückkopplungsverbindung 128 angezeigt ist. Der lineare Phasendetektor vergleicht die Phase des Eingangssignals mit der Phase des VCO-Signals und erzeugt ein Ausgangssignal (z. B. V_pd), das proportional zu dem Phasenfehler zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal ist. Das Ausgangssignal von dem linearen Phasendetektor wird an den Proportional- und Integrationssignalweg geliefert, und die entsprechenden proportionalen und integrierenden VCO-Abstimmsignale werden verwendet, um das erste und zweite Abstimmelement 110 und 112 des VCO einzustellen. Wie es oben beschrieben wurde, ermöglicht es das erste Abstimmelement 110 des VCO 108, dass der VCO proportional zu dem Phasenfehler abgestimmt wird und das zweite Abstimmelement 112 des VCO ermöglicht es, dass der VCO als eine integrale Funktion des Phasenfehlers abgestimmt wird.
2 stellt ein Ausführungsbeispiel des Schwingkreises 130 des LC-Typ-VCO 108 von 1 dar. Der Schwingkreis umfasst eine Induktivität (L), dargestellt durch einen Induktor 132 und ein erstes und ein zweites Abstimmelement 134 und 136. Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 sind das erste und das zweite Abstimmelement spannungsvariable Kondensatoren (auch als Varaktoren bekannt). Das erste Abstimmelement 134 ist ein Varaktor, der ansprechend auf das proportionale VCO-Abstimmsignal (V_tp) abgestimmt wird, und das zweite Abstimmelement 136 ist ein Varaktor, der ansprechend auf das integrierte VCO-Abstimmsignal (V_ti) abgestimmt wird. Obwohl 2 ein Beispiel eines VCO mit dem ersten und dem zweiten Abstimmelement darstellt, können das erste und zweite Abstimmelement jede Komponente oder Schaltung sein, die die Frequenz des VCO ansprechend auf ein Abstimmsignal ändern kann.
Die Berechnung der 3-dB-Bandbreitenfrequenz der linearen PLL von 1 und 2 wird nun mit Bezugnahme auf 3 beschrieben. 3 ist eine funktionale Darstellung der linearen PLL von 1 und 2 in dem Frequenzbereich. Diese Darstellung umfasst logische Summierer 140 und 142 und ist praktisch für die Verwendung beim Beschreiben der 3-dB-Bandbreitenfrequenzberechnung. Obwohl Pole höherer Ordnung vorliegen können, sind dieselben für die 3-dB-Bandbreitenfrequenzberechnung nicht wesentlich. Die in 3 dargestellten Terme sind wie folgt definiert:

• φ_in = Eingangsphase
• φ_out = Ausgangsphase
• K_pd = Phasendetektorgewinn 144 [Volt/2π Fehlerradiane]
• GM_cp = Ladungspumpensteilheit 146 [Ampere/Volt]
• 1/sC = Übertragungsfunktion des Schleifenfilters
• GM_cp/sC = Übertragungsfunktion von dem Eingang der Ladungsgruppe zu dem Eingang des VCO, umfasst die La dungspumpe und den Integrationskondensator C
• K_vco, p = VCO-Gewinn 148, beigetragen von dem Proportionalsignalweg [Hz/Volt]
• K_vco, i = VCO-Gewinn 150, beigetragen von dem Integra tionssignalweg [Hz/Volt]
• K_vco/s = Übertragungsfunktion eines VCO, Integration der Frequenz zum Erhalten der Phasen

Das Lösen der Schleifengleichungen von der funktionalen Darstellung von 3 ergibt die folgende Übertragungsfunktion für φ_out/φ_in:
Die Schleifengleichung (1) ist diejenige einer Schleife zweiter Ordnung.
Bei einigen Anwendungen (z. B. zum Erfüllen von SONET-Jitter-Spitzenwertbildungsspezifikationen) ist es notwendig, dass die lineare PLL äußerst stabil ist. Im Wesentlichen sollte die lineare PLL nahe zu der ersten Ordnung sein, für beinahe zwei Frequenzdekaden unter der 3-dB-Bandbreitenfrequenz. Damit die lineare PLL erster Ordnung ist, muss der Gewinn, der von dem Integrationssignalweg beigetragen wird (wie definiert durch (K_pd·GM_cp·K_vco,i)/(s·C)) klein sein, im Vergleich zu dem Gewinn, der von dem Proportionalsignalweg (wie es definiert ist durch K_pd K_vcd,p) nahe der 3-dB-Bandbreitenfrequenz beigetragen wird.
Bei Frequenzen, wo der Gewinn, der von dem Integrationssignal beigetragen wird, klein ist im Vergleich zu dem Gewinn, der von dem Proportionalsignalweg beigetragen wird, reduziert sich die Schleifengleichung auf:
Gleichung (2) ist die Form eines einfachen Tiefpassfilters. Das Lösen der 3-dB-Bandbreitenfrequenz unter Verwendung der Gleichung (3) ergibt:
Von Gleichung (3) ist ersichtlich, dass die 3-dB-Bandbreitenfrequenz (f_3dB) der linearen PLL von 1 und 2 nur von dem Phasendetektorgewinn (K_pd) und dem VCO-Gewinn abhängt, der von dem Proportionalsignalweg beigetragen wird (K_vco,p). Bei einer herkömmlichen Takt- und Datenwidergewinnungs-(CDR-)Linear-PLL-Architektur hat der VCO einen einzigen Eingang von einem Integrationssignalweg und ein einziges Abstimmelement, das ansprechend auf eine integrale Funktion des Phasenfehlers eingestellt ist. Weil das Schleifenfilter eine Integration und eine Null enthält, hängt die 3-dB-Bandbreitefrequenz der herkömmlichen CDR-Linear-PLL von dem Phasendetektorgewinn (K_pd), der Ladungspumpensteilheit (GM_cp), dem VCO-Gewinn (K_vco,i) und dem Schleifen-Null-Widerstandswert ab, die alle zu Widersprüchen bei der Gewinnantwort der PLL führen. Die PLL, wie sie oben mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben st, ist für einen relativ konstanten Gewinn leichter zu entwerfen, zumindest bezüglich K_vco,p, was die 3-dB-Bandbreitenfrequenz einstellt.
Die lineare PLL, die mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben ist, hat eine Null bei der Frequenz, wo der Gewinn, der von dem Proportionalsignalweg (K_pd·K_vco,p) getragen wird, gleich dem Gewinn ist, der von dem Integrationssignalweg (K_pd·GM_cp·K_vco,i)/(s·C) wird. Dies tritt auf bei:
Die Frequenz der Null ist wichtig zum Steuern von Jitterspitzenbildung. Die Frequenz der Null sollte etwa zwei Dekaden oder mehr unter der 3-dB-Bandbreitenfrequenz liegen, oder eine übermäßige Spitzenbildung tritt auf.
Wie es durch die Gleichung (3) gezeigt ist, hängt die 3-dB-Bandbreitenfrequenz für die lineare PLL von 1 und 2 nur von dem Phasendetektorgewinn (K_pd) und dem VCO-Gewinn von dem Proportionalsignalweg 104 (K_vco,p) ab, so dass das erste Abstimmelement 110 in einer Region von relativ konstantem Gewinn betrieben werden sollte. Da der lineare Phasendetektor 102 keine Einstellung der VCO-Frequenz bewirkt, wenn die Schleife verriegelt ist (weil der Ausgang des Phasendetektors proportional zu dem Phasenfehler ist und es keine Phasenfehler gibt, wenn die Schleife verriegelt ist), sollte das erste Abstimmelement bei Verriegelungsbedingungen einen konstanten Vorspannungspunkt haben. Bei einer herkömmlichen CDR-Linear-PLL mit einem VCO, der ein einzelnes Abstimmelement aufweist, hat das einzelne Abstimmelement einen Vorspannungspunkt, der eingestellt ist, um die korrekte Frequenz zu erreichen. Mit der linearen PLL, die oben mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben ist, wird die Frequenzeinstellung (über den Integrationssignalweg) von dem Proportionalsignalweg getrennt.
Da der Gewinn, der von dem Proportionalsignalweg 104 beigetragen wird, von der Gesamtkapazität in dem LC-Typ-VCO abhängt, ändert sich der Gewinn mit der Frequenz. Dies liegt daran, dass die Frequenz durch das integrierte VCO- Abstimmsignal (V_tune,i) von dem Integrationssignalweg eingestellt wird, das die Gesamtkapazität in dem LC-Typ-VCO einstellt. Das Verhältnis der ersten Abstimmelementkapazität zu der zweiten Abstimmelementkapazität kann eingestellt werden, um zwischen der Schwankung beim Gewinn und dem Bereich der Frequenzabdeckung einen Kompromiss zu bilden. Falls das erste Abstimmelement einen großen Anteil der Gesamtkapazität bildet, dann ist der Gewinn relativ flach, aber der Abstimmbereich ist relativ klein. Umgekehrt, falls das erste Abstimmelement ein kleiner Anteil der Gesamtkapazität ist, dann variiert der Gewinn stärker, aber der Frequenzabstimmbereich ist relativ groß.
4A bis 4C sind Diagramme von Frequenz, Gewinn und relativem Gewinn über der integrierten VCO-Abstimmsignalspannung für eine lineare PLL mit einem einzelnen Abstimmelement und für eine lineare PLL mit einem ersten und zweiten Abstimmelement, wie es oben mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben ist. Die Diagramme des herkömmlichen Ein-Abstimmelement-PLL werden durch das Bezugszeichen 200 identifiziert. Für die lineare PLL mit einem ersten und zweiten Abstimmelement gibt es vier getrennte Diagramme für die Fälle, wo das Verhältnis der Kapazität zwischen dem ersten Abstimmelement und dem zweiten Abstimmelement 80:20, 60:40, 40:60 und 20:80 ist (diese Diagramme sind durch Bezugszeichen 80, 60, 40 bzw. 20 bezeichnet). Wie es in den Diagrammen gezeigt ist, je mehr Kapazität dem ersten Abstimmelement (dem Proportionalsignalweg) zugewiesen ist, um so kleiner ist die Schwankung beim relativen Gewinn, aber um so kleiner ist auch der Frequenzabstimmbereich.
5 ist ein Diagramm des relativen Gewinns über der Frequenz für eine lineare PLL mit einem herkömmlichen einzelnen Abstimmelement (gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 200) und für eine lineare PLL mit einem ersten und zweiten Abstimmelement, wie es oben mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben ist. Wie bei 4A–4C gibt es für die PLL mit dem ersten und zweiten Abstimmelement vier getrennte Diagramme für die Fälle, wo das Verhältnis der Kapazität zwischen dem ersten Abstimmelement und dem zweiten Abstimmelement 80:20, 60:40, 40:60 und 20:80 ist (diese Diagramme werden durch die Bezugszeichen 80, 60, 40 bzw. 20 gekennzeichnet). Dieses Diagramm stellt dar, dass die lineare PLL von 1 und 2 ein konstanteres Gewinnprofil erzeugt als die lineare PLL mit einem einzigen Abstimmelement. Insbesondere hat die lineare PLL, wenn 20% der Gesamtkapazität dem ersten Abstimmelement (dem Proportionalsignalweg) zugewiesen sind, mehr konstanten Gewinn über der Frequenz als jeder der anderen dargestellten Fälle. Für den gesamten Bereich des 20%-Falles ist die relative Schwankung etwa 2:1. Für den gleichen Frequenzbereich hat die herkömmliche Ein-Abstimmelement-Konfiguration eine 5:1-Schwankung.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass der Gesamtwert des Gewinns verringert ist, wenn zwei Abstimmelemente verwendet werden, wie es oben beschrieben ist. Mit Bezugnahme auf 6 wird bei einem Ausführungsbeispiel der verlorene Gewinn wiederhergestellt durch Hinzufügen eines Spannungsgewinnblocks 160 (z. B. eines Verstärkers) zwischen dem linearen Phasendetektor 102 und dem ersten Abstimmelement 110. Lineare Spannungsgewinnblöcke sind in monolithischen Schaltungen leicht zu erreichen.
Bei den mit Bezugnahme auf 1 und 6 beschriebenen Ausführungsbeispielen umfasst der Integrationssignalweg eine Ladungspumpe 120 und ein Schleifenfilter 122 zum Integrieren der Phasendetektorausgangsspannung (V_pd). Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel könnte ein anderes Element oder Elemente, wie z. B. ein digitaler Auf/Ab-Zähler verwendet werden, um die Phasendetektorausgangsspannung zu integrieren, um das integrierte VCO-Abstimmsignal (V_ti) zu erzeugen.
7 ist ein Prozessflussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer linearen PLL, die einen VCO gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Bei Block 170 wird der Phasenfehler zwischen einem Eingangssignal und einem VCO-Signal bestimmt. Bei Block 172 wird ein erstes Abstimmelement des VCO proportional zu dem Phasenfehler zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal eingestellt. Bei Block 174 wird ein zweites Abstimmelement des VCO ansprechend auf eine integrale Funktion des Phasenfehlers zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal eingestellt.

Claims

Lineare Phasenregelschleife (PLL) (100), die folgende Merkmale umfasst: einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) (108), der ein erstes und zweites Abstimmelement umfasst, wobei der VCO (108) ein VCO-Signal erzeugt; einen linearen Phasendetektor (102), der konfiguriert ist, um den Phasenfehler zwischen einem Eingangssignal und dem VCO-Signal zu bestimmen; einen ersten Signalweg (104) zwischen dem linearen Phasendetektor (102) und dem ersten Abstimmelement, wobei der erste Signalweg (104) ein erstes VCO-Abstimmsignal an das erste Abstimmelement liefert, wobei das erste VCO-Abstimmsignal proportional ist zu dem Phasenfehler zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal; und einen zweiten Signalweg (106) zwischen dem linearen Phasendetektor (102) und dem zweiten Abstimmelement, wobei der zweite Signalweg (106) ein zweites VCO-Abstimmsignal an das zweite Abstimmelement liefert, wobei das zweite VCO-Abstimmsignal eine integrale Funktion des Phasenfehlers zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal ist.
Lineare PLL (100) gemäß Anspruch 1, bei der der VCO (108) einen Induktanz-Kapazitäts-(LC-)Typ-VCO (108) umfasst, wobei das erste und das zweite Abstimmelement einen ersten und zweiten Varaktor umfassen.
Lineare PLL (100) gemäß Anspruch 2, bei der die Gesamtkapazität des LC-Typ-VCO (108) zwischen dem ersten und dem zweiten Varaktor verteilt ist, um das ge wünschte Gleichgewicht zwischen Gewinn und Frequenzabstimmbereich herzustellen.
Lineare PLL (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der zweite Signalweg (106) eine Ladungspumpe und ein Schleifenfilter (122) umfasst.
Lineare PLL (100) gemäß Anspruch 4, bei der das erste und das zweite Abstimmelement einen ersten und zweiten Varaktor umfassen.
Lineare PLL (100) gemäß Anspruch 5, bei der der erste und der zweite Varaktor jeweilige Kapazitäten aufweisen, die abgemessen sind, um das gewünschte Gleichgewicht zwischen Gewinn und Frequenzabstimmbereich herzustellen.
Lineare PLL (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der VCO (108) einen LC-Typ-VCO umfasst, wobei das erste und das zweite Abstimmelement (110, 112) einen ersten und zweiten Varaktor umfassen, und bei der der zweite Signalweg (106) eine Ladungspumpe und ein Schleifenfilter umfasst.
Lineare PLL (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Proportionalsignalweg einen Verstärker zwischen dem Phasendetektor (102) und dem ersten Abstimmelement umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer linearen Phasenregelschleife (PLL), die einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) (108) umfasst, der ein erstes Abstimmelement und ein zweites Abstimmelement umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bestimmen des Phasenfehlers zwischen einem Eingangssignal und einem VCO-Signal; Einstellen des ersten Abstimmelements proportional zu dem Phasenfehler zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal; und Einstellen des zweiten Abstimmelements ansprechend auf eine integrale Funktion des Phasenfehlers zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem das Einstellen des ersten und zweiten Abstimmelements das Einstellen der Kapazität des ersten und zweiten Abstimmelements umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem das Einstellen des ersten und zweiten Abstimmelements das Einstellen der Kapazität des ersten und zweiten Varaktors eines LC-Typ-VCO umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, das ferner das Konfigurieren der jeweiligen Kapazitäten des ersten und zweiten Abstimmelements umfasst, um das gewünschte Gleichgewicht zwischen Gewinn und Abstimmbereich herzustellen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem das Einstellen des ersten Abstimmelements das Einstellen der Kapazität eines ersten Varaktors umfasst, und bei dem das Einstellen des zweiten Abstimmelements das Einstellen der Kapazität eines zweiten Varaktors umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, das ferner das Erhöhen der Spannung eines Ausgangssignals, das den Phasenfehler zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal darstellt, und das Verwenden eines Ausgangssignals mit der erhöhten Spannung umfasst, um das erste Abstimmelement einzustellen.
Lineare Phasenregelschleife PLL (100), die folgende Merkmale umfasst: einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) (108), der erste und zweite Varaktoren umfasst, wobei der VCO (108) ein VCO-Signal erzeugt; einen linearen Phasendetektor (102), der konfiguriert ist, um den Phasenfehler zwischen einem Eingangssignal und dem VCO-Signal zu bestimmen; einen ersten Signalweg (104) zwischen dem linearen Phasendetektor (102) und dem ersten Varaktor, wobei der erste Signalweg (104) ein erstes VCO-Abstimmsignal an den ersten Varaktor liefert, wobei das erste VCO-Abstimmsignal proportional zu dem Phasenfehler zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal ist; und einen zweiten Signalweg (106) zwischen dem linearen Phasendetektor (102) und dem zweiten Abstimmelement, wobei der zweite Signalweg (106) ein Schleifenfilter umfasst, wobei der zweite Signalweg (106) ein zweites VCO-Abstimmsignal an den zweiten Varaktor liefert, wobei das zweite VCO-Abstimmsignal eine integrale Funktion des Phasenfehlers zwischen dem Eingangssignal und dem VCO-Signal ist.
Lineare PLL (100) gemäß Anspruch 15, bei der der VCO (108) einen LC-Typ-VCO umfasst.
Lineare PLL (100) gemäß Anspruch 16, bei der die Gesamtkapazität des LC-Typ-VCO zwischen dem ersten und zweiten Varaktor verteilt ist, um das gewünschte Gleichgewicht zwischen dem Gewinn und Frequenzabstimmbereich herzustellen.
Lineare PLL (100) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, bei der der erste und der zweite Varaktor jeweilige Kapazitäten aufweisen, die abgemessen sind, um das gewünschte Gleichgewicht zwischen Gewinn und Frequenzabstimmbereich herzustellen.
Lineare PLL (100) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, bei der der erste Signalweg (104) einen Spannungsgewinnblock zwischen dem linearen Phasendetektor (102) und dem ersten Abstimmelement umfasst.
Lineare PLL (100) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, bei der der zweite Signalweg (106) eine Ladungspumpe zwischen dem linearen Phasendetektor (102) und dem Schleifenfilter umfasst.