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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf abstimmbare
Phase-Locked-Loop-Systeme und im Besonderen auf Systeme, die einen
spannungsgesteuerten Oszillator umfassen.
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Hintergrund der Erfindung
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Phase-Locked-Loop-Schaltungen
für einen Frequenzgenerator
finden eine breite Anwendung in Kommunikationstransceivern. Diese
Loops umfassen typischerweise einen spannungsgesteuerten Oszillator
(VCO). In diesen herkömmlichen
Techniken werden üblicherweise
spannungsgesteuerte Kondensatoren (Varaktoren) verwendet, um die
Resonanzfrequenz des VCO-Abstimmnetzwerkes entsprechend einer Steuerspannung
zu variieren. Der Varaktor verfügt über im Wesentlichen
nichtlineare Reaktionen auf eine zugeführte Spannung, im Besonderen
bei niedrigen Spannungen. Ein solches Verhalten führt zu der
Verwendung von hohen Varaktorsteuerspannungen, typischerweise 12
Volt oder mehr, um den VCO-Abstimmbereich zu erhalten, der für Rückkopplungstransceiveranwendungen
benötigt wird.
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Es
wird nun auf 1 Bezug genommen, sie ist eine
schematische Darstellung eines herkömmlichen Phase-Locked-Loop-Frequenzgenerators,
im Allgemeinen mit 100 bezeichnet. Der Frequenzgenerator 100 umfasst
eine Referenzfrequenzquelle 102, einen Referenzfrequenzteiler 104,
einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 106, eine Steuerung 108,
einen Phasendetektor 110, einen Loop-Filter 118,
einen VCO 120 und einen Rückkopplungsfrequenzteiler 114.
Der VCO 120 umfasst weiterhin einen VCO-Abstimmblock 112 und
einen VCO-Aktivblock 116.
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Der
Referenzfrequenzteiler 104 ist an die Referenzfrequenzquelle 102,
die Steuerung 108 und den Phasendetektor 110 gekoppelt.
Der Rückkopplungsfrequenzteiler 114 ist
an den Phasendetektor 110, die Steuerung 108 und
den VCO-Aktivblock 116 gekoppelt.
Der Loop-Filter 118 ist an den Phasendetektor 110 und
den VCO-Abstimmblock 112 gekoppelt. Der DAC 106 ist
an den VCO-Abstimmblock 112 und die Steuerung 108 gekoppelt.
Der VCO-Aktivblock 116 ist an den VCO-Abstimmblock 112 und den Rückkopplungsfrequenzteiler 114 gekoppelt.
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Der
Referenzfrequenzteiler 104 empfängt ein Signal mit der Frequenz
FR von der Frequenzquelle 102. Der Referenzfrequenzteiler 104 teilt
dieses Signal weiterhin durch N und stellt das resultierende Signal
mit der Frequenz FR/N dem Phasendetektor 110 zur
Verfügung.
Der Rückkopplungsfrequenzteiler 114 empfängt ein
Rückkopplungssignal mit
der Ausgangsfrequenz FOUT von dem VCO-Aktivblock 116.
Der Rück kopplungsfrequenzteiler 114 teilt dieses
Signal weiterhin durch M und stellt das resultierende Signal mit
der Frequenz FOUT/M dem Phasendetektor 110 zur
Verfügung.
Der Phasendetektor 110 vergleicht diese zwei Signale, erzeugt
ein jeweiliges Ausgangssteuersignal und stellt es dem Loop-Filter 118 zur
Verfügung.
Der Loop-Filter 118 ist typischerweise ein Tiefpassfilter.
Er integriert das Ausgangssteuersignal und stellt die resultierende Ausgangsspannung
VFINE dem VCO-Abstimmblock 112 zur
Verfügung.
In Abhängigkeit
von dem Wert von VFINE justiert der VCO-Abstimmblock 112 die
Ausgangsfrequenz FOUT, sodass sie gleich
dem gewünschten
Wert M / N·FR ist. Diese Anpassung wird innerhalb eines
vergleichsweise engen Frequenzbereichs durchgeführt (Feinabstimmung). Für eine Grobabstimmung
innerhalb eines breiten Frequenzbereichs stellt der DAC 106 dem
VCO-Abstimmblock 112 ein jeweiliges Steuersignal VCOARSE zur Verfügung.
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Es
wird nun auf 2 Bezug genommen, sie ist eine
ausführliche
Darstellung eines herkömmlichen
VCO-Abstimmblocks 112 von 1. Der VCO-Abstimmblock 112 umfasst
die zwei Induktoren 150 und 152, einen ersten
Varaktor VTC 158, einen zweiten
Varaktor VRF 160, die drei Kondensatoren 154, 156 und 164 und
einen Resonator 162.
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Der
Varaktor VRC 158 ist an den Induktor 150 und
den Kondensator 154 gekoppelt. Der Varaktor VRF 160 ist
an die Spule 152 und den Kondensator 156 gekoppelt.
Der Resonator 162 ist an die Kondensatoren 154, 156 und 164 gekoppelt.
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Ein
Varaktor ist eine spannungsgesteuerte Diode, deren Kapazität sich mit
einer zugeführten Spannung ändert. Der
Charakter dieser Änderung
ist nichtlinear.
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Es
wird nun auf 3 Bezug genommen, sie ist eine
graphische Darstellung einer typischen Abhängigkeit einer Varaktorkapazität von einer
zugeführten
Spannung. Bei niedrigen Spannungen (zum Beispiel zwischen 0,5 Volt
und 1,5 Volt) ist die Kapazität
maximal (zum Beispiel zwischen 15 pF und 25 pF) und bei hohen Spannungen
(zum Beispiel zwischen 3,5 Volt und 4,5 Volt) ist die Kapazität minimal (zum
Beispiel zwischen 2 pF und 3 pF). Eine Varaktorspannungsempfindlichkeit,
die eine Ableitung einer Varaktorkapazität bezüglich einer zugeführten Spannung
ist, ändert
sich ebenfalls in einer nichtlinearen Art und Weise. Die Spannungsempfindlichkeit des
Varaktors ist für
die niedrigeren Werte einer zugeführten Spannung viel höher als
für die
höheren Werte
einer zugeführten
Spannung.
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Es
wird erneut auf 2 Bezug genommen, darin wird
die Kapazität
des Varaktors VRC 158 durch die
Spannung gesteuert, die durch den DAC 106 von 1 über den
Induktor 150 zur Verfügung
gestellt wird. Diese Steuerspannung ist für eine Grobabstimmung verantwortlich.
Die Kapazität
des Varaktors VRF 160 wird durch
die Ausgangsspannung VFINE gesteuert, die
durch den Loop-Filter 118 von 1 zur Verfügung gestellt
wird. Die Ausgangsspannung VFINE wird dem
Varaktor 160 über
den Induktor 152 zur Verfügung gestellt. Das Ausgangssteuersignal
führt eine Feinabstimmung
des VCO aus. Da eine VCO-Betriebsfrequenz umgekehrt proportional
zu der Varaktorkapazität
ist, ist eine VCO-Empfindlichkeit bei niedrigen Betriebsfrequenzen
viel größer als
bei hohen Betriebsfrequenzen. Um den Betriebsfrequenzbereich zu
erhöhen,
bei gleichzeitigem Halten der VCO-Empfindlichkeit bei einem niedrigen
Pegel, verwenden bekannte Vorrichtungen vergleichsweise hohe Spannungen
zur VCO-Abstimmung (bis zu 13 Volt).
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Neue
IC-Generationen für
tragbare Kommunikationsvorrichtungen basieren auf Niederspannungselementen
(maximal 3–5
Volt). Entsprechend der vorangehenden Erklärung führen Schwankungen der Steuerspannung
innerhalb eines Bereichs von 5 Volt zu einer Verringerung der Betriebsfrequenzbandbreite
und zu großen
Schwankungen der VCO-Verstärkung.
Es ist daher wünschenswert, über eine
Niederspannungs-VCO-Schaltung
mit Varaktoren zu verfügen,
die den benötigten
Betriebsfrequenzbereich und eine niedrige VCO-Empfindlichkeit zur
Verfügung
stellt.
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Die
englische Patentanmeldung nach dem Stand der Technik
GB-A-2,338,128 zeigt einen
spannungsgesteuerten Oszillator. Die
GB-A-2,338,128 beschreibt ein Verfahren zum
Abflachen der Frequenzmodulationsabweichung über dem Frequenzbereich des
VCO. Diese Erfindung kann in Funksendern, die eine FM-Modulation
verwenden, verwendet werden und die VCO direkt modulieren.
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Das
US-Patent US-A-4,003,004 nach
dem Stand der Technik befasst sich mit einem Enthalten einer linearen
Antwort auf das FM-modulierende Signal von dem VCO. Es wird auf
1 Bezug
genommen, darin geht das Modulationssignal durch den Modulations-FET-Verstärker
50 zu
den Varaktoren
30/
32, wodurch der VCO FM-moduliert
wird. Eine FET-Verstärkerantwort
kompensiert eine Varaktornichtlinearität und die Antwort auf das Modulationssignal
ist linear.
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Die
US-A-4,904,964 beschreibt
einen VCO, wobei eine Steuerspannung zur Modulationskompensierung
durch ein Modulationskompensierungsnetzwerk verwendet wird. Das
in der
US-A-4,904,964 beschriebene
Verfahren zielt auf eine Ver wendung in einem frequenzmodulierten
Sender, wobei ein Audiosignal den VCO moduliert. Das Verfahren gewährleistet,
dass eine FM-Abweichung über
den Frequenzbereich des VCO abgeflacht wird. In der
US-A-4,904,964 wird ein Resonator
des VCO beschrieben, der einen Varaktor umfasst, dessen Kathode
an einen Steuerspannungseingang angeschlossen ist, der von einer
Phase-Locked-Loop-Schaltung erhalten wird. Die nun zu beschreibende
Erfindung wird in der
US-A-4,904,964 weder
offenbart nicht vorgeschlagen.
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Zusammenfassung der vorliegenden
Erfindung
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues System
zur Verfügung
zu stellen, das einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) mit
einer Niederspannungsverstärkungsstabilisierung
umfasst, das die Nachteile nach dem Stand der Technik abschwächt.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen VCO
mit kleinen Verstärkungsschwankungen
in Reaktion auf Schwankungen der Steuerspannung für eine Grobabstimmung
zur Verfügung
zu stellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird somit in einem ersten Aspekt eine spannungsgesteuerte
Oszillator (VCO)-Schaltung
gemäß Anspruch
1 der begleitenden Ansprüche
zur Verfügung
gestellt.
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Die
VCO-Schaltung gemäß der Erfindung kann
eine Spannungsquelle umfassen, um dem zweiten Abstimmelement eine
Spannung zuzuführen,
die sich der ihm zugeführten
externen Steuerspannung entgegensetzt, wodurch die Gesamtspannung über das
zweite Abstimmelement abnimmt, wenn die externe Steuerspannung zunimmt.
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Der
Abstimmparameter eines jeden der Abstimmelemente ist wünschenswerter
Weise eine Kapazität,
wobei die Kapazität
eines jeden Abstimmelementes innerhalb eines vorbestimmten Bereichs
in Reaktion auf eine ihm zugeführte
Steuerspannung schwankt. Die Kapazität eines jeden der Abstimmelemente
kann in nichtlinearer Art und Weise von der jeweiligen über das
Element zugeführten
Steuerspannung abhängen.
Die Abstimmelemente sind vorzugsweise Varaktoren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst in einem zweiten Aspekt eine Phase-Locked-Loop (PLL)-Schaltung
für einen
Frequenzgenerator eine VCO-Schaltung gemäß einem ersten Aspekt und einen
Phasendetektor zum Vergleichen einer Phase eines Referenzsignals
mit einer Phase eines VCO-Ausgangssignals
von der VCO-Schaltung, wobei der Phasendetektor ein Ausgangssignal
für eine VCO-Feinabstimmung
erzeugt, wobei das Ausgangssignal auf den Unterschied zwischen den
Phasen des Referenzsignals und des VCO-Ausgangssignals anspricht,
wobei die PLL-Schaltung weiterhin eine Steuerung und eine Steuerspannungsquelle umfasst,
wobei die Steuerung an den Eingang der Steuerspannungsquelle gekoppelt
ist, wobei die Steuerspannungsquelle eine Steuerspannung für die VCO-Grobabstimmung
an dem Ausgang erzeugt, wobei die Steuerspannung auf Anweisungen
von der Steuerung anspricht.
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Es
werden nun Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung kann aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen vollständiger verstanden und eingeschätzt werden:
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Phase-Locked-Loop-Frequenzgenerators nach dem
Stand der Technik;
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2 ist
eine ausführliche
schematische Darstellung des VCO-Abstimmblocks von 1;
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3 ist
eine graphische Darstellung einer typischen Abhängigkeit einer Varaktorkapazität von einer
zugeführten
Spannung nach dem Stand der Technik;
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4 ist
eine schematische Darstellung eines VCO-Abstimmblocks, der gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde und betreibbar ist;
und
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5 ist
eine graphische Darstellung einer typischen Abhängigkeit der Kapazität des Varaktors VR1 214 von 4 von einer
zugeführten
Spannung.
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Ausführliche Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung schwächt
die Nachteile nach dem Stand der Technik durch Bereitstellen eines
abstimmbaren VCO ab, der niedrige Steuerspannungswerte benötigt, um
einen Breitbandsteuerungsbereich zur Verfügung zu stellen.
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Es
wird nun auf 4 Bezug genommen, sie ist eine
schematische Darstellung eines VCO-Abstimmblocks, im Allgemeinen
mit 200 bezeichnet, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung konstruiert und betreibbar ist. Der VCO-Abstimmblock 200 umfasst
die vier Induktoren 202, 204, 206 und 224,
die sieben Kondensatoren 210, 212, 216, 218, 220, 226 und 230,
einen ersten Varaktor VRC 208,
einen zweiten Varaktor VR1 214,
einen dritten Varaktor VRF 222 und
einen Resonator 228.
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Der
Varaktor VRC 208 ist an den Induktor 202 und
den Kondensator 210 gekoppelt. Der Varaktor VR1 214 ist
an die Induktoren 204 und 206 und die Kondensatoren 212 und 216 gekoppelt.
Der Varaktor VRF 222 ist an den
Induktor 224 und die Kondensatoren 220 und 226 gekoppelt.
Der Kondensator 218 ist an die Kondensatoren 220, 230, 212 und 210 und den
Resonator 228 gekoppelt. Der Induktor 206 ist
an den Induktor 202 gekoppelt.
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Der
DAC 106 von 1 stellt dem Varaktor VRC 208 über den Induktor 202 und
dem Varaktor VR1 214 über den
Induktor 206 eine VCOARSE-Spannung
zur Verfügung.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird dem Varaktor VR1 214 eine
zusätzliche
Vorspannung (zum Beispiel +5 V) zugeführt. In diesem Falle ändert sich
die Kapazität
des Varaktors VR1 214 mit der zugeführten Spannung
VCOURSE in einer Art und Weise, die der
des Varaktors VRC 208 entgegengesetzt
ist.
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Es
wird nun auf 5 Bezug genommen, diese ist
eine graphische Darstellung einer typischen Abhängigkeit der Kapazität des Varaktors
VR1 214 von 4 von einer
zugeführten
Spannung. Im Gegensatz zu der Abhängigkeit, die in 3 gezeigt wurde,
sind die Kapazität
des Varaktors VR1 214 sowie seine
Empfindlichkeit für
niedrige VCOURSE-Werte minimal und für hohe VCOURSE-Werte maximal.
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Es
wird erneut auf 4 Bezug genommen, darin ist
die Kapazität
des Varaktors VRC 208 hoch und
die Kapazität
des Varaktors VR1 214 niedrig, wenn
VCOARSE niedrig ist. In einem entgegengesetzten Fall,
in dem der Wert von VCOARSE hoch ist, ist
die Kapazität
des Varaktors VRC 208 niedrig und
die Kapazität
des Varaktors VR1 214 hoch. Somit
ist die resultierende Änderung
der Kapazität,
sowie die der VCO-Empfindlichkeit, über den
gesamten Bereich von VCOARSE-Schwankungen klein.
Dies gewährleistet ein
Zuführen
von vergleichsweise niedrigen Spannungen (bis zu 5 Volt) zum Steuern
einer VCO-Betriebsfrequenz über
einen breiten Frequenzbereich, während
eine niedrige VCO-Empfindlichkeit beibehalten wird.
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Es
wird nun erneut auf eine Berücksichtigung der
zuvor zitierten Dokumente nach dem Stand der Technik Bezug genommen,
dabei ist es bemerkenswert, dass die vorliegende Erfindung die Möglichkeit zur
Verfügung
stellt, einen Breitband-VCO zu konstruieren, während die VCO-Verstärkung konstant und
klein gehalten wird. Die vorliegende Erfindung soll nicht, wie die
Anordnung der
GB-A-2338128 , zum
Abflachen der FM-Abweichung verwendet werden.
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Hier
wird auf
4 in der
GB-A-2338128 und auf
4 in
der vorliegenden Erfindung Bezug genommen. Vsteer in der
GB-A-2338128 entspricht Vfine
in der vorliegenden Erfindung. Dies ist die Leitung, die an den
Loop-Filter angeschlossen ist, und über diese Leitung steuert die
Phase-Locked-Loop-Schaltung
den VCO. Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
VCO-Empfindlichkeit gegenüber
dieser Steuerung so klein wie gewünscht und über das VCO-Frequenzband konstant zu machen. Der
Zweck der
GB-A-2338128 besteht
darin, die VCO-Antwort auf das Audiomodulationssignal über den
VCO-Frequenzbereich flach zu halten. Die
GB-A-2338128 hält die VCO-Verstärkung (dF/dVsteer)
nicht niedrig und konstant. In der vorliegenden Erfindung steuert
Vcoarse das VCO-Bündeln und
trägt gleichzeitig
zu einer VCO-Verstärkungsplanheit über die
VR1-Anordnung bei. Es ist zu beachten, dass Vcoarse eine DC-Spannung
ist. Die VR1 (
214)-Anordnung
gestattet der vorliegenden Erfindung, eine zusätzliche Varaktorantwort zu
erhalten, wie in
5 der angehängten Zeichnungen gezeigt.
Zusammenfassend, unterscheidet sich die vorliegende Erfindung sowohl
hinsichtlich ihrer Ziele als auch hinsichtlich der Art und Weise,
wie die Erfindung arbeitet, vollständig von der
GB-A-2338128 .
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Die
vorliegende Erfindung unterscheidet sich von der Anordnung der
US 4,003,004 . Die vorliegende
Erfindung erreicht eine kleine und konstante VCO-Verstärkung über den
VCO-Frequenzbereich. Das Ziel der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich
daher von dem der
US 4,003,004 .
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Dem
Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass die vorliegende Erfindung
nicht darauf beschränkt
ist, was hierin oben im Besonderen gezeigt und beschrieben worden
ist. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird nur durch die angehängten Ansprüche definiert.