DE19848300A1 - HF-Frequenzteiler - Google Patents

Abstract

Frequenzteiler, der ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz ein exakter Bruchteil der Frequenz eines Eingangs-Takt-Signals ist, welcher insbesondere für vorgeschaltete Teiler in Integrierten Schaltkreisen geeignet ist. DOLLAR A Die Erfindung ermöglicht es, bei einem Frequenzteiler durch eine neue Schaltung wesentlich kürzere Laufzeiten zu erreichen, indem die Steuerung des Signalflusses durch Parallelschaltung einer zusätzlichen vom Eingangstakt veränderbaren Stromquelle zum Ausgang einer Übertragungseinheit geschieht, die mit anderen zu einem ringförmigen Signalpfad zusammengeschaltet ist. DOLLAR A Zum einen wird so eine Verzögerung des Signals durch Unterbrechung des Signalflusses im Ring vermieden, zum anderen kann der jeweilige Anstieg bzw. Abfall des Signals und damit der Signalfluß durch den zusätzlichen Strom ggf. weiter beschleunigt werden. DOLLAR A Dadurch kann eine wesentlich höhere Eingangsfrequenz als bei bisher üblichen Frequenzteilern verarbeitet werden. DOLLAR A Außerdem beinhaltet die Erfindung eine Umschaltung des Teilerfaktors für die Frequenzteilung, die ebenfalls ohne Unterbrechung des Signalflusses auskommt, so daß auch mit einem schaltbaren Frequenzteiler eine sehr hohe Eingangsfrequenz verarbeitet werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzteiler, der ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz ein exakter Bruchteil der Frequenz eines Eingangs-Signals (Eingangstakt) ist.

Die Erfindung soll vorzugsweise als Frequenzteiler für sehr hohe Frequenzen in Integrierten Schaltkreisen dienen.

Ein bekanntes Prinzip für einen Frequenzteiler ist ein Ring­ zähler, bei dem ein Signal in zu einem Ring verbundenen ein­ zelnen Baugruppen (hier als Übertragungseinheiten bezeichnet) von Einheit zu Einheit übertragen wird. Fig. 1 zeigt ein Beispiel mit fünf Übertragungseinheiten 11 bis 15, in diesem Beispiel steuert der Eingangstakt jede der Übertragungsein­ heiten. Diese können, müssen aber nicht aus identischen Schaltungen bestehen.

Bis zur Weitergabe an die nächste Übertragungseinheit wird das Signal gespeichert. Dies kann statisch (z. B. durch Flip- Flops) oder dynamisch (z. B. durch Auf- bzw. Entladen einer elektrischen Kapazität) geschehen. Bei dynamischer Speiche­ rung kann die Eingangskapazität der folgenden Übertragungs­ einheit die speichernde Kapazität bilden, so daß letztere nicht explizit im Schaltbild erscheint.

Damit das im Ring getaktet kreisende Signal nicht permanent denselben Wert hat, so daß keine Ausgangsfrequenz bestimmbar wäre, muß dieser Wert in mindestens einer Übertragungseinheit verändert werden, beispielsweise durch eine invertierende Logikschaltung. Da das im Ring kreisende Signal bei jeder Periode des Eingangstaktes, durch die Übertragungseinheiten gesteuert, nur einen Bruchteil der Strecke des gesamten Ringes weitergeleitet wird, beträgt die Umlauffrequenz für einen ganzen Zyklus auch nur einen (konstanten) Bruchteil der Frequenz des Eingangstaktes.

Für die maximal verarbeitbare Eingangstaktfrequenz ist eine möglichst geringe Signalverzögerungszeit jeder einzelnen Übertragungseinheit maßgeblich. Dynamisch speichernde Über­ tragungseinheiten haben meist weniger Transistoren im Signal­ pfad als statische, oft können damit kürzere Signalverzöge­ rungszeiten erreicht werden.

Für solche dynamisch speichernde Ringzähler sind zur Steue­ rung mit dem Eingangstakt Serien-Analogschalter üblich (Transmissionsgatter), die in Reihe zum Signalpfad angeordnet sind. Fig. 2 zeigt eine einzelne solche Übertragungseinheit nach bekanntem Prinzip, die als invertierende Logikschaltung einen Inverter 21 enthält, dem ein Transmissionsgatter 22 nachgeschaltet ist. Generell basiert die bisher übliche Takt­ steuerung bei solchen dynamisch speichernden Ringzählern auf einer getakteten Unterbrechung des Strompfades (z. B. des Signalweges oder des Laststromkreises). Dadurch wird das Signal verzögert, und seine Laufzeit erhöht sich im Vergleich zur minimal möglichen Laufzeit, die ohne Unterbrechung mög­ lich wäre.

Um die Signallaufzeit in den zum Ring zusammengeschalteten Übertragungseinheiten gegenüber bisher üblichen Frequenztei­ lern wesentlich zu verkürzen, wird erfindungsgemäß auf die z. B. bei dynamisch speichernden Ringzählern übliche durch den Eingangstakt gesteuerte Unterbrechung verzichtet. Statt des­ sen geschieht, wie in Fig. 3 als Beispiel gezeigt, die Be­ einflussung des Signaldurchlaufs mittels einer parallel zum Ausgang (A) einer das Signal übertragenden Ausgangsstufe (31) geschalteten zusätzlichen Steuerungseinheit (32), deren Aus­ gangsstrom (i2) sich mit dem Eingangstakt (CLK) verändert. Dadurch wird dem Ausgangsstrom (i1) der Ausgangsstufe (31) der Übertragungseinheit ein weiterer Strom (i2) aufgeprägt, der das Auf- oder Entladen der am Ausgang (A) wirksamen Kapa­ zitäten beeinflußt.

Darüber hinaus kann die Übertragungseinheit noch weitere Schaltungseinheiten enthalten, beispielsweise eine der Aus­ gangsstufe (31) vorgeschaltete Stufe (30).

Fig. 6 zeigt schematisch ein Beispiel für das Zeitverhalten der Ausgangsspannung (Spannungsachse: V, Zeitachse: t) einer solchen Übertragungseinheit.

Hier sei zur Erläuterung vereinfachend angenommen, daß bei der Aufladung zur positiven Betriebsspannung hin der Aus­ gangsstrom i1 der Ausgangsstufe der Übertragungseinheit sowie der Ausgangsstrom i2 der Steuerungseinheit jeweils konstant sind (i1 = I1, i2 = I2), solange die Ausgangsspannung nicht völ­ lig den Wert der positiven Betriebsspannung erreicht hat. Wenn dieser Zustand erreicht ist, seien die Ausgangsströme jeweils Null (i1 = 0, i2 = 0).

Umgekehrt gelte für die Um- bzw. Entladung zur negativen Be­ triebsspannung dasselbe mit negativem Vorzeichen (i1 = -I1, i2 = -I2). Auch, wenn dieser Zustand erreicht ist, seien die Ausgangsströme jeweils wieder Null (i1 = 0, i2 = 0). Außerdem sei hier I1 größer als I2, zum Beispiel das Doppelte (I1 = 2.I2).

Der Fall, daß die Ausgangsstufe der Übertragungseinheit zeit­ lich vor der Steuerungseinheit beginnt umzuschalten, ist in Fig. 6 dargestellt. Hier seien zunächst beide Stromquellen auf Entladung geschaltet. Es fließt zunächst kein Strom, da die Ausgangsspannung bereits den Wert der negativen Betriebs­ spannung erreicht hat.

Der Zeitpunkt t1 markiert in Fig. 6 den Zeitpunkt, an dem die Ausgangsstufe der Übertragungseinheit umschaltet, so daß deren Ausgangsstrom nun i1 = I1 beträgt. Damit verschiebt sich die Ausgangsspannung ein wenig vom Nullpunkt, so daß nun so­ fort auch von i2 ein Strom beigetragen wird. Zunächst ist aber die Steuerungseinheit noch auf Entladung geschaltet, so daß ihr Strom negativ gerichtet ist (i2 = I2). Der resultie­ rende Ausgangsstrom ist die Summe aus beiden Strömen; wegen der entgegengesetzten Richtung also die Differenz der Beträge (i1+i2 = I1-I2). Die Ausgangsspannung wächst daher jetzt nur langsam: im Vergleich zu einem Umschalten nur mittels des Stromes I1 der Ausgangsstufe der Übertragungseinheit beträgt ihr Anstieg nur den Bruchteil (I1-I2)/I1 vom ursprünglichen Anstieg. Im Rechenbeispiel (I1 = 2.I2) wäre dieser Bruch­ teil 50%.

Der Zeitpunkt t2 markiert in Fig. 6 den Zeitpunkt, an dem die Steuerungseinheit umschaltet, so daß deren Ausgangsstrom nun i2 = I2 beträgt. Der nun resultierende Ausgangsstrom ist wieder die Summe aus beiden Strömen; wegen der gleichen Rich­ tung also die Summe der Beträge (i1+i2 = I1+I2). Die Aus­ gangsspannung wächst daher jetzt wesentlich schneller: im Vergleich zu einem Umschalten nur mittels des Stromes I1 der Ausgangsstufe der Übertragungseinheit beträgt ihr Anstieg nun den Faktor (I1+I2)/I1 vom ursprünglichen Anstieg.

Zum Zeitpunkt t3 ist die positive Betriebsspannung erreicht, und beide Ströme werden zu Null.

Im Rechenbeispiel (I1 = 2.I2) wäre dieser Faktor 150%.

Die beiden Stromquellen wirken also im Fall der Koinzidenz wesentlich stärker als im Fall des nicht gleichzeitigen Wir­ kens (und zwar um den Faktor (I1+I2)/(I1-I2); im Rechenbei­ spiel beträgt dieser Faktor 3).

Auf diese Weise wird der Zeitverlauf des Aufladens der Aus­ gangskapazität wesentlich vom Taktsignal mitbestimmt.

Bei geeigneter Dimensionierung der Stromquellen zueinander können die Zeitpunkte der Übertragung des Signals zur näch­ sten Einheit für die vom Eingangstakt gesteuerten Übertra­ gungseinheiten in weiten Grenzen vom Eingangstakt bestimmt werden, und damit die Frequenz des im Ring umlaufenden Signals.

Es sind nicht nur Verzögerungen des Signals gegenüber der vom Eingangstakt unbeeinflußten Eigenfrequenz möglich (wenn die sich summierenden Ströme entgegengesetzte Richtung haben), sondern auch Beschleunigungen (bei gleicher Richtung der Ströme). Die maximal zu verarbeitende Eingangstaktfrequenz wird somit durch zwei Ursachen gesteigert: zum einen be­ schleunigt der Wegfall einer Unterbrechung (durch Transmissi­ onsgatter o. ä.) die Laufzeit wesentlich, zum anderen kann durch die Addition der Teilströme im Koinzidenzfall sogar noch eine weitere Beschleunigung über die Eigenfrequenz der ungetakteten Schaltung hinaus erfolgen. Dadurch können erfin­ dungsgemäß aufgebaute Frequenzteiler wesentlich höhere Ein­ gangstaktfrequenzen verarbeiten als bisher übliche Frequenz­ teiler.

Der bisher besprochene Fall mit konstanten Stromwerten ist nicht Bedingung für die Funktionstüchtigkeit des erfindungs­ gemäßen Frequenzteilers, sondern ist eine Vereinfachung für die anschauliche Darstellung.

Real verhält sich zum einen der Ausgangsstrom der Ausgangs­ stufe der Übertragungseinheit meist nicht nur nicht konstant, sondern in Abhängigkeit von Eingangsgröße und Zeit nichtli­ near. Zum anderen können auch die getakteten Stromquellen in den Steuerungseinheiten nichtlineares Verhalten aufweisen. Wesentlich für die Eignung einer Schaltung als Steuerungsein­ heit ist u. a., daß ihr Ausgangsstrom hinreichend schnell mit dem Eingangstakt verändert werden kann.

Nach Anspruch 2 können die getakteten Stromquellen in diesen Steuerungseinheiten aus im Gegentakt arbeitenden Transistoren gebildet werden. In diesem Fall wird eine bekannte Verstär­ kerschaltung, die häufig als Spannungsverstärker genutzt wird, als eine mit hoher Frequenz steuerbare Stromquelle eingesetzt.

Für den Fall, daß ein Gegentaktverstärker hierfür nicht ein­ gesetzt werden kann, z. B. weil keine komplementären Tran­ sistoren Verfügung stehen, können nach Anspruch 3 die getak­ teten Stromquellen in den Steuerungseinheiten auch einen Ein­ taktverstärker enthalten. Eine geeignet dimensionierte Induk­ tivität im bzw. am Lastkreis kann ggf. den Effekt eines ge­ genphasig gesteuerten komplementären Transistors bei hohen Frequenzen für den erfindungsgemäßen Zweck als steuerbare Stromquelle funktionell ersetzen.

Wenn die getakteten Stromquellen nur in einem bestimmten Fre­ quenzbereich arbeiten müssen, kann mit der Induktivität gemäß Anspruch 4 vorteilhaft ein Schwingkreis erzeugt werden, in den sowohl zusätzliche elektrische Kapazitäten als auch die jeweiligen vorhandenen parasitären Kapazitäten einbezogen werden können.

Oft werden Frequenzteiler als Vorteiler eingesetzt, um aus einem Eingangstakt eine niedrigere Frequenz abzuleiten, die mit konventioneller Schaltungstechnik weiter verarbeitet wird. Dabei besteht häufig der Bedarf nach einem kurzzeitig umschaltbaren Teilerverhältnis des Vorteilers.

Ein solcher umschaltbarer Vorteiler kann gemäß Anspruch 5 aus dem Frequenzteiler nach Anspruch 1 entwickelt werden, indem zwei verschieden lange Ketten von Übertragungseinheiten zu­ sammengeschaltet werden, so daß zwei Ringe entstehen (a und b), die (siehe Fig. 4) teilweise identische Übertragungsein­ heiten (41, 42) und teilweise verschiedene Übertragungseinhei­ ten (Ring a: 43a; Ring b: 43b, 44b, 45b, 46b, 47b) nutzen. Wenn jeweils einer der verschiedenen Pfade durch die Ringe für die Signalübertragung deaktiviert wird, wirkt nur noch der andere Pfad für den Umlauf des Signals im wirksamen Ring, so daß die Teilung der Frequenz durch jeweils eine andere Anzahl von Übertragungseinheiten geschieht.

Gemäß Anspruch 5 geschieht diese Deaktivierung nicht durch Unterbrechung des Signalpfades, sondern durch Abschwächen der wirksamen Verstärkung des einen Pfades gegenüber dem anderen. Hierzu kann z. B. abwechselnd in dem jeweils nicht gewünschten Pfad in jeweils einer Übertragungseinheit die Verstärkung schaltbar verringert werden.

Ein Beispiel einer anderen Variante ist in Fig. 4 darge­ stellt: hier wird nur einer Signalpfade der konkurrierenden Ringe, nämlich Ring b, schaltbar durch Verringerung der Ver­ stärkung einer Übertragungseinheit (47b) abgeschwächt.

Die wirksame Verstärkung dieses Signalpfades (Ring b) sei so gewählt, daß im Falle der Abschwächung dieses Ringes b die Verstärkung im anderen Ring (Ring a) groß genug ist, daß die­ ser Ring a zum für die Signalübertragung wesentlich wirksamen Signalpfad wird. Andererseits sei die wirksame Verstärkung des Signalpfades durch Ring b so gewählt, daß im Falle der Nicht-Abschwächung dieses Ringes b die Verstärkung im anderen Ring (Ring a) klein genug ist, daß der Ring b zum für die Signalübertragung wesentlich wirksamen Signalpfad wird.

Auch hierbei entsteht gegenüber einer Lösung, die den Signal­ fluß unterbricht, der Vorteil einer wesentlich geringeren Signalverzögerungszeit.

Gemäß Anspruch 6 kann die Verringerung der Verstärkung einer Übertragungseinheit erreicht werden, indem (siehe Fig. 5) eine invertierende Schaltung (51) der Übertragungseinheit des abzuschwächenden Pfades zwischen deren Ein- und Ausgang mit einem Analogschalter (52) verbunden wird. Dadurch entsteht eine negative Rückkopplung, und die Verstärkung wird verrin­ gert. Der Analogschalter (52) kann z. B. ein Transmissionsgat­ ter sein. Bei geeigneter Dimensionierung des Analogschalters und der Verstärkungen der Signalpfade der beiden konkurrie­ renden Ringe wird der Signalfluß durch den abzuschwächenden Pfad soweit bedämpft, daß sich der Signalfluß durch den anderen, nicht abgeschwächten Pfad durchsetzt.

Claims (6)

1. Frequenzteiler, der ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz ein exakter Bruchteil der Frequenz einer angelegten elektrischen Eingangsgröße (welche im folgenden "Eingangstakt" genannt wird) ist,
gekennzeichnet dadurch, daß
eine Anzahl von elektrischen Einheiten, die jeweils ein Signal übertragen (welche im folgenden "Übertragungseinheiten" genannt werden), so zu einem Ring hintereinander geschaltet ist, daß der Signal-Ausgang (im folgenden "Ausgang") jeder Übertragungseinheit bis auf die letzte jeweils mit dem Signal-Eingang (im folgenden "Eingang") der nachfolgenden Übertragungseinheit verbunden ist, und der Ausgang der letzten Übertragungseinheit mit dem Eingang der ersten verbunden ist,
und daß die Übertragung des Signals in diesem Ring in minde­ stens einer dieser Übertragungseinheiten durch die Frequenz des Eingangstakts beeinflußt wird (siehe Fig. 3), indem parallel zum Ausgang (A) einer vom zu übertragenden Signal gesteuerten Ausgangsstufe (31) der Übertragungseinheit der Ausgang einer zusätzlichen Steuerungseinheit (32) geschaltet ist, deren Ausgangsstrom (12) vom Eingangstakt (CLK) verän­ dert wird.

2. Frequenzteiler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zusätzliche Steuerungs­ einheit (32) einen Verstärker aus im Gegentakt arbeitenden Transistoren enthält.

3. Frequenzteiler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zusätzliche Steuerungsein­ heit (32) einen Transistor-Eintaktverstärker enthält, an des­ sen Lastkreis eine elektrische Induktivität entweder parallel angeschlossen oder in diesen Lastkreis in Reihe eingefügt ist.

4. Frequenzteiler nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Induktivität im oder am Last­ kreis zusammen mit einer elektrischen Kapazität so als Schwingkreis dimensioniert ist, daß dieser Schwingkreis im Bereich der zu verarbeitenden Frequenzen des Eingangstakts Resonanz aufweist, wobei als elektrische Kapazität sowohl vorhandene parasitäre Kapazitäten als auch zusätzliche elektrische Kapazitäten verwendet werden können.

5. Frequenzteiler nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch, daß die Anzahl der Übertragungsein­ heiten, die für die Signalübertragung als Ring wirksam sind, verändert werden kann (siehe Fig. 4),
indem am Ausgang mindestens einer Übertragungseinheit (42) der Übertragungseinheiten, die zu einem Ring zusammengeschal­ tet sind wie in Anspruch 1 beschrieben, der Eingang einer zusätzlichen Übertragungseinheit (43b) angeschlossen ist, deren Ausgang direkt oder mittels Zwischenschaltung von wei­ teren Übertragungseinheiten (44b, 45b, 46b, 47b) zusätzlich an den Eingang einer Übertragungseinheit (41) des bisherigen Ringes angeschlossen wird, so daß für den Signalfluß zwei ringförmig geschlossene Signalpfade entstehen, die sowohl identische Übertragungseinheiten (41, 42) nutzen als auch verschiedene Übertragungseinheiten (Ring a: 43a, 44a, 45a; Ring b: 43b, 44b, 45b, 46b, 47b) nutzen,
und indem die Umschaltung der Anzahl der Übertragungseinhei­ ten, die für die Signalübertragung als Ring wirksam sind, mindestens in einer der Übertragungseinheiten (47b) der bei­ den Signalpfade durch eine schaltbare Verringerung der wirk­ samen Verstärkung dieser Übertragungseinheit geschieht.

6. Frequenzteiler nach Anspruch 5,
gekennzeichnet dadurch, daß die schaltbare Verringerung der wirksamen Verstärkung bei mindestens einer der Übertragungs­ einheiten geschieht,
indem (siehe Fig. 5) diese Übertragungseinheit eine Über­ tragungseinheit ist, die das zu übertragende Signal inver­ tiert (die invertierende Schaltung sei in Fig. 5 durch 51 symbolisiert)
und indem zur Verringerung der wirksamen Verstärkung der Übertragungseinheit ein Analogschalter (52) zwischen Eingang und Ausgang der Übertragungseinheit geschaltet ist.