DE19634084A1 - Phasenregelkreis - Google Patents
PhasenregelkreisInfo
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- H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION, OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
- H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
- H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
- H03L7/08—Details of the phase-locked loop
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Description
Die Erfindung betrifft einen Phasenregelkreis mit einem Phasendetektor, einem
Schleifenfilter und einem gesteuerten Oszillator, die auf einem integrierten
Schaltkreis realisiert sind.
Ein derartiger vollintegrierter Phasenregelkreis ist beispielsweise aus den PHILIPS
IC′s SAA 7196, SAA 7110 und SAA 7111 bekannt. Bei derartigen
Phasenregelkreisen, die englisch meist als Phase Locked Loop (PLL) bezeichnet
werden, besteht das Problem, daß auf die Elemente des Phasenregelkreises, also den
Phasendetektor, das Schleifenfilter und/oder den gesteuerten Oszillator sowie weitere
gegebenenfalls vorgesehene Schaltungselemente der PLL Störspannungen innerhalb
des integrierten Schaltkreises eingekoppelt werden. Ein integrierter Schaltkreis ist
auf einem Substrat aufgebaut, auf das weitere Schichten aufgebracht werden, in
denen die Schaltungen realisiert werden. Die Schaltungen selbst stehen mit dem
Substrat nicht unmittelbar in Verbindung, jedoch werden durch kapazitive
Koppelungen Signale aus den Schaltungen, die auf dem Substrat aufgebaut sind, auf
das Substrat gekoppelt. Dies geschieht auch in umgekehrter Weise, d. h. es werden
diese Störungen aus dem Substrat in wiederum andere Schaltungselemente
eingekoppelt. Dieses Problem wird gegebenenfalls dadurch verschärft, daß auf
einem derartigen integrierten Schaltkreis sowohl analoge wie auch digitale
Schaltungen aufgebaut sind. Digitale Schaltungen arbeiten meist mit Signalen mit
relativ steilen Flanken, die kapazitiv besonders intensiv auf das Substrat gekoppelt
werden. Diese werden dann auf ebenfalls auf dem Substrat aufgebaute analoge
Schaltungen über kapazitive Kopplung gekoppelt. Damit treten in den analogen
Schaltungen bzw. in den von diesen Schaltungen geführten Signalen deutliche
Störungen auf. Für einen Phasenregelkreis der oben bezeichneten Art bedeutet dies,
daß das Ausgangssignal von Phasenschwankungen, englisch als Jitter bezeichnet,
überlagert sind. Dies ist im Regelfalle unerwünscht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine auf einem integrierten Schaltkreis aufgebaute
PLL unempfindlicher gegen Störungen der oben genannten Art zu machen.
Diese Aufgabe ist für eine erste Ausführungsform der Erfindung dadurch gelöst, daß
dem gesteuerten Oszillator ein kapazitiver Spannungsteiler, der wenigstens zwei
Kapazitäten aufweist, vorgeschaltet ist, daß der gesteuerte Oszillator in Abhängigkeit
des Ausgangssignals des kapazitiven Spannungsteilers gesteuert wird und daß der
kapazitive Spannungsteiler mit dem Phasendetektor, dem Schleifenfilter und dem
gesteuerten Oszillator auf einem integrierten Schaltkreis aufgebaut ist.
Dem Phasendetektor und dem Schleifenfilter ist ausgangsseitig ein kapazitiver
Spannungsteiler nachgeschaltet. Dieser teilt die Ausgangsspannung eines
Kopplungspunktes des Schleifenfilters je nach Wahl der Werte der Kapazitäten des
kapazitiven Spannungsteilers herunter. Das so heruntergeteilte Signal, also das
Ausgangssignal des kapazitiven Spannungsteilers wird dann auf den gesteuerten
Oszillator gekoppelt, der in Abhängigkeit der Werte dieses Eingangssignals ein
Ausgangssignal variierender Frequenz liefert.
Der kapazitive Spannungsteiler teilt jedoch nicht nur das Nutz-Ausgangssignal des
Schleifenfilters herunter, sondern auch bis zu diesem Punkt in den Phasenregelkreis
eingekoppelte Störungen. Derartige Störungen, die über Koppelkapazitäten
insbesondere von dem Substrat des integrierten Schaltkreises her eingekoppelt
werden, werden um das Teilerverhältnis des kapaziven Spannungsteilers vermindert.
Das Ausgangssignal des Phasendetektors und des Schleifenfilters wird so
dimensioniert, daß es hinter dem kapazitiven Spannungsteiler die gewünschte Größe
aufweist.
Damit wird eine Verringerung der Störempfindlichkeit des Phasenregelkreises
erzielt, ohne daß dadurch andere Nachteile einträten. Es gäbe grundsätzlich auch die
Möglichkeit, die Integrationskapazität zu vergrößern, um die Störempfindlichkeit zu
verringern. Damit würde jedoch einerseits der Nachteil eintreten, daß das
dynamische Verhalten der PLL in unerwünschter Weise verändert würde, und
außerdem würde die Kapazität des Schleifenfilters eine größere Fläche auf dem
Substrat erfordern. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden diese Nachteile
vermieden, und es wird insbesondere ohne Veränderung des dynamischen Verhaltens
des Phasenregelkreises eine Verminderung der Störempfindlichkeit des
Phasenregelkreises erzielt. Damit weist das Ausgangssignal des Phasenregelkreises
einen verminderten Jitter auf.
Für eine Ausgestaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß wenigstens eine erste Kapazität des kapazitiven Spannungsteilers in den
Signalweg zwischen dem Phasendetektor und dem Schleifenfilter einerseits und dem
gesteuerten Oszillator andererseits geschaltet ist und daß wenigstens eine zweite
Kapazität des kapazitiven Spannungsteilers zwischen diesen Signalweg und ein
Versorgungspotential geschaltet ist. Dabei bestimmen die Werte der beiden
Kapazitäten das Spannungsteilerverhältnis des kapazitiven Spannungsteilers.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen der ersten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, daß der gesteuerte Oszillator einen Spannungs-/Strom-Wandler
aufweist, in Abhängigkeit von dessen Ausgangsstrom die Frequenz des
Ausgangssignals des gesteuerten Oszillators variiert wird und daß wenigstens eine
erste Kapazität des kapazitiven Spannungsteilers in den Signalweg zwischen dem
Phasendetektor und dem Schleifenfilter einerseits und dem Spannungs-/Strom-
Wandler andererseits geschaltet ist und daß wenigstens eine zweite Kapazität des
kapazitiven Spannungsteilers zwischen diesen Signalweg und ein
Versorgungspotential geschaltet ist.
Ist der gesteuerte Oszillator so aufgebaut, daß er eingangsseitig einen
Spannungs-/Strom-Wandler aufweist, in Abhängigkeit von dessen (Strom)
Ausgangssignal ein Oszillator angesteuert wird, so wird das Ausgangssignal des
kapazitiven Spannungsteilers, das eine Spannung darstellt, dem Eingang des
Spannungs-/Strom-Wandlers zugeführt, der dieses in ein Stromsignal wandelt,
mittels dessen dann der eigentliche Oszillator angesteuert wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung ist
wenigstens ein als Diode verschalteter Transistor vorgesehen, mittels welchem das
Gleichspannungs-Potential am Ausgang des kapazitiven Spannungsteilers eingestellt
wird. Dem kapazitiven Spannungsteiler geht der Gleichspannungsanteil am Ausgang
des Phasendetektors bzw. des Schleifenfilters verloren. Dieser Gleichspannungsanteil
wird durch die Diode wieder hergestellt. Dabei sind vorteilhaft zwei gegeneinander
verschaltete Dioden vorgesehen, so daß eine Reaktion auf Abweichungen der
Gleichspannungen beider Polaritäten am Ausgang und am Eingang des kapazitiven
Spannungsteilers durch diese Dioden erfolgen kann. Damit verbessern die Dioden
das Ein- und Ausschaltverhalten des Phasenregelkreises, da hierbei besonders große
Gleichspannungs-Offsets entstehen. Es tritt sogar eine Verbesserung gegenüber den
Lösungen nach dem Stande der Technik ein, die keinen kapazitiven Spannungsteiler
aufweisen, da die Einschalt-Zeitkonstante des Regelkreises im Verhältnis des
kapazitiven Spannungsteilers reduziert wird. Darüber hinaus werden durch die
Dioden Leckströme, die in integrierten Schaltkreisen auftreten, am Ausgang des
kapazitiven Spannungsteilers kompensiert.
Die oben angegebene Aufgabe ist durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung
dadurch gelöst, daß der gesteuerte Oszillator differentiell aufgebaut ist und
wenigstens zwei spannungsgesteuerte Stromquellen aufweist, deren Schaltungen mit
einem Versorgungspotential und mit einem Substrat gekoppelt sind, auf dem der
integrierte Schaltkreis aufgebaut ist, daß der gesteuerte Oszillator eine Auskoppelstufe
aufweist, die den spannungsgesteuerten Stromquellen nachgeschaltet ist und die in
Abhängigkeit der ihr zugeführten differentiellen Signale zwei differentielle digitale
Signale generiert, die mittels Umschaltung zwischen zwei Potentialen mit hoher
Flankensteilheit erzeugt werden und die Verstärkerstufen zugeführt werden, die
zwischen Versorgungspotential und Bezugspotential geschaltet sind und die zwei auf
Bezugspotential bezogene differentielle Ausgangssignale liefern. Der gesteuerte
Oszillator ist differentiell aufgebaut. Dies bedeutet, daß das in ihm geführte
Nutzsignal jeweils in Form zweier Signale entgegengesetzter Polarität vorliegt. In
diese beiden Signale eingekoppelte Störungen werden jedoch jeweils mit gleicher
Polarität eingekoppelt. Bei Substraktion der beiden differentiellen Signale heben sich
die Störungen auf, die Nutzsignale überlagern sich jedoch gleichsinnig.
Dieser differentiell aufgebaute Oszillator weist wenigstens zwei gesteuerte
Stromquellen auf, deren Schaltungen mit einem Versorgungspotential und dem
Substrat des integrierten Schaltkreises, auf dem der Phasenregelkreis aufgebaut ist,
gekoppelt ist. Üblicherweise würde der gesteuerte Oszillator mit dem
Versorgungspotential und dem Bezugspotential, das auch für den übrigen
Phasenregelkreis als solches vorgesehen ist, gekoppelt werden. Dieses
Bezugspotential ist nicht identisch mit dem Potential des Substrats des integrierten
Schaltkreises. Durch den Bezug auf das Potential des Substrats arbeitet die gesamte
Schaltung relativ zu dessen Potential und damit auch zu dem auf das Potential durch
andere Schaltungselemente eingekoppelten Störungen. Somit treten in den Signalen
des Oszillators dieses Störungen nicht auf, da die Signale auf das Potential des
Substrats bezogen sind. Somit sind die Störungen auf dem Substrat für diese
Schaltungselemente des Oszillators, die mit dem Substrat gekoppelt sind, nicht
wirksam.
Da der übrige Phasenregelkreis jedoch mit Schaltungselementen arbeitet, die auf
Bezugspotential bezogen arbeiten, muß der gesteuerte Oszillator ausgangsseitig
Ausgangssignale liefern, die ebenfalls auf das Bezugspotential bezogen sind. Dazu
ist in dem gesteuerten Oszillator eine Auskoppelstufe vorgesehen, die die
differentiellen Signale, die auf das Substrat bezogen sind, in differentielle
Ausgangssignale wandelt, die auf das Bezugspotential bezogen sind. Grundsätzlich
tritt hierbei das Problem auf, daß bei dieser Umwandlung auch die auf das Substrat
eingekoppelten Störungen wieder wirksam werden. Dieses wird dadurch vermieden,
daß in der Auskoppelstufe elektronische Schalter vorgesehen sind, die in
Abhängigkeit der Eingangssignale, also der Ausgangssignale einer der
spannungsgesteuerten Stromquellen, geschaltet werden und somit zwischen zwei
Spannungszuständen hart umgeschaltet werden. Durch diese harte Umschaltung sind
in den Ausgangssignalen, die auf das Bezugspotential bezogen sind, die Störungen,
die dem analogen Eingangssignal noch überlagert sind, nicht mehr vorhanden. Das
Ausgangssignal ist auf das Bezugspotential bezogen und stellt quasi ein digitales
Signal dar, das jedoch die wesentliche Information, nämlich die
Schwingungsfrequenz des gesteuerten Oszillators, nach wie vor enthält, indem
jedoch die Störungen, die von dem Substrat her eingekoppelt werden, unterdrückt
sind. Dies wird dadurch erreicht, daß der analog arbeitende Oszillator durch Bezug
auf das Substrat-Potential störungsfrei arbeitet und nachfolgend durch die
Ausgangsstufe bei der Wandlung in Signale, die auf Bezugspotential bezogen sind,
auftretende Störungen unterdrückt werden.
Der spannungsgesteuerte Oszillator kann, wie gemäß einer Ausgestaltung der
zweiten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, mittels eines Stromes
angesteuert werden, der ersten Vorsorgungsanschlüssen der spannungsgesteuerten
Stromquellen zugeführt wird, deren zweite Versorgungsanschlüsse mit dem Substrat
des integrierten Schaltkreises gekoppelt sind. In Abhängigkeit des diesen
Versorgungsanschlüssen zugeführten Stromes wird die Frequenz der
Oszillatorschaltung variiert. Dabei sind die spannungsgesteuerten Stromquellen
vorteilhafterweise, wie gemäß einer weiteren Ausgestaltung der zweiten
Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, so verschaltet, daß eine erste und
eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle vorgesehen sind, welche jeweils einen
nichtinvertierenden und einen invertierenden Eingang und einen nicht-invertierenden
und einen invertierenden Ausgang aufweisen, daß beide Ausgangssignale beider
spannungsgesteuerten Stromquellen jeweils mittels wenigstens einer, gegebenenfalls
ausschließlich durch parasitäre Kapazitäten gebildeten, Kapazität miteinander
gekoppelt sind, daß der invertierende Ausgang der ersten spannungsgesteuerten
Stromquelle mit dem nichtinvertierenden Eingang der zweiten spannungsgesteuerten
Stromquelle und der nichtinvertierende Ausgang der ersten spannungsgesteuerten
Stromquelle mit dem invertierenden Eingang der zweiten spannungsgesteuerten
Stromquelle gekoppelt ist, daß der invertierende Ausgang der zweiten
spannungsgesteuerten Stromquelle dem invertierenden Eingang der ersten
spannungsgesteuerten Stromquelle und der nichtinvertierende Ausgang der zweiten
spannungsgesteuerten Stromquelle mit dem nichtinvertierenden Eingang der ersten
spannungsgesteuerten Stromquelle gekoppelt ist und daß die Ausgangssignale der
zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle die differentiellen Signale darstellen die
auf die Auskoppelstufe geführt sind. Die spannungsgesteuerten Stromquellen können
dabei als Inverter realisiert sein.
Eine weitere Steigerung der Störunempfindlichkeit des Phasenregelkreises wird
durch Kombination beider Ausführungsformen der Erfindung erzielt. Dazu ist gemaß
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der gesteuerte
Oszillator in Abhängigkeit des Ausgangssignals des kapazitiven Teilers angesteuert
wird. Damit wird erreicht, daß eine doppelte Reduktion der durch das Substrat
eingekoppelten Störungen eintritt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, in dem
beide Ausführungsformen der Erfindung realisiert sind. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines Phasenregelkreises mit einem kapazitiven Spannungsteiler
gemäß der ersten Ausführungsform und einem gesteuerten Oszillator gemaß der
zweiten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 2 ein Detailschaltbild einer Auskoppelstufe der Schaltung gemäß Fig. 1.
Der in Fig. 1 teilweise schematisch, teilweise im Detailschaltbild dargestellte
Phasenregelkreis weist einen als Schaltungsblock dargestellten Phasendetektor 1 auf.
In der Figur nicht dargestellte Schaltungselemente des Phasenregelkreises arbeiten
bezogen auf ein Versorgungspotential VDD und ein Bezugspotential VSS. Diese
Potentiale sind nicht identisch mit dem Potential S eines Substrats, auf dem alle
Schaltungselemente des Phasenregelkreises gemäß Fig. 1 aufgebaut sind. Einem
ersten Eingang 2 des Phasendetektors 1 wird ein Eingangssignal T zugeführt, auf
das der Phasenregelkreis einrasten soll. Einem zweiten Eingang 3 des
Phasendetektors 1 wird das gegebenenfalls heruntergeteilte Ausgangssignal der
Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 zugeführt, das mit OUT gekennzeichnet ist. In
Abhängigkeit der Phasendifferenz der Eingangssignale an den Eingängen 2 und 3
liefert der Phasendetektor 1 ein Ausgangssignal an seinem Ausgang 4, das einem
Schleifenfilter 5 zugeführt wird. Das Schleifenfilter 5 weist beispielsweise einen
außerhalb des Substrats zu realisierenden Widerstand 6 und eine Kapazität 7 auf.
Durch das Schleifenfilter 5 werden die dynamischen Eigenschaften des
Phasenregelkreises bestimmt.
In Fig. 1 ist ferner eine Kapazität 8 angedeutet, die mit dem Potential S des
Substrates gekoppelt ist, auf der der Phasenregelkreis gemäß Fig. 1 aufgebaut ist.
Auf dieses Substrat S werden durch grundsätzlich unerwünschte Koppelkapazitäten
Potentialimpulse anderer, auf dem gleichen Substrat vorgesehener
Schaltungsanordnungen eingekoppelt. Über die ebenfalls nicht zu vermeidende
Koppelkapazität 8 werden diese Störungen wiederum in den Phasenregelkreis gemaß
Fig. 1 eingekoppelt. Damit wird das Ausgangssignal des Phasendetektors 1 bzw. des
Schleifenfilters 5 von diesen kapazitiv eingekoppelten Störungen überlagert. Diese
Überlagerung führt dazu, daß ein nachgeschalteter gesteuerter Oszillator
unerwünschte Frequenzschwankungen seines Ausgangssignals aufweist. Diese
werden meist als Jitter bezeichnet und sind unerwünscht.
Zur Unterdrückung dieser Störungen wird das Ausgangssignal des Phasendetektors 1
bzw. des Schleifenfilters 5 einem kapazitiven Spannungsteiler 9 zugeführt. Der
kapazitive Spannungsteiler weist eine erste Kapazität 10 auf, die eingangsseitig mit
dem Ausgangssignal des Phasendetektors 1 bzw. Schleifenfilters 5 und
ausgangsseitig mit einem Spannungs-/Strom-Wandler 11 gekoppelt ist. Der
Längskapazität 10 ist eine mit dem Versorgungspotential VDD gekoppelte zweite
Kapazität 12 nachgeschaltet. Die Kapazitätswerte der Kapazitäten 10 und 11
bestimmen dabei das Teilerverhältnis, in dem die Spannungen, die dem kapazitiven
Spannungsteiler 9 eingangsseitig zugeführt werden, heruntergeteilt werden.
Durch das Herunterteilen der Eingangsspannungen werden insbesondere die über die
Kapazität 8 und über das Substrat eingekoppelten Störungen reduziert. Dabei ist
wichtig, daß die Schaltungselemente des kapazitiven Spannungsteilers vom Potential
des Substrats entkoppelt sind. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 1 wird zwar
auch entsprechend reduziert, jedoch kann dieses bezüglich seiner Größe
unproblematisch variiert werden. Die Größe des Ausgangssignals des
Phasendetektors 1 kann also so gewählt werden, daß am Ausgang des kapazitiven
Spannungsteilers 9 ein Nutzsignal mit der gewünschten Größe erzielt wird. Dann
werden jedoch die über die Kapazität 8 eingekoppelten Störungen entsprechend dem
Teilerverhältnis des kapazitiven Spannungsteilers reduziert. Dabei ist es nicht
erforderlich, den Wert der Kapazität 7 des Schleifenfilters zu erhöhen, da durch den
kapazitiven Spannungsteiler 9 das Ausgangssignal des Phasendetektors 1
entsprechend dem Teilverhältnis des kapazitiven Spannungsteilers 9 heruntergeteilt
wird. Damit wird der Nachteil vermieden, daß durch eine anderenfalls zur
Störunterdrückung erforderliche Vergrößerung der Kapazität 7 eine Veränderung des
dynamischen Verhaltens einträte.
Der kapazitive Spannungsteiler 9 weist ferner einen ersten Transistor 13 und einen
zweiten Transistor 14 auf, bei denen es sich um P-dotierte
MOS-Feldeffekttransistoren handelt. Beide Transistoren sind als Dioden verschaltet
und gegeneinander parallel zu der ersten Kapazität 10 des kapazitiven
Spannungsteilers 9 verschaltet. Die als Dioden verschalteten Transistoren 13 und 14
stellen am Ausgang des kapazitiven Spannungsteilers 9 wieder diejenige
Gleichspannung ein, die durch die Kapazität 10 unterdrückt wird. Damit werden
zum einen Leckströme, die insbesondere am Eingang 11 des nachgeschalteten
Spannungs-/Strom-Wandlers eintreten, kompensiert. Zum anderen wird das
Hochlaufverhalten des Phasenregelkreises verbessert, da beim Hochlaufen im
Ausgangssignal des Phasendetektors 1 auftretende, relativ große
Gleichspannungsanteile über die Diode 14 auf den Ausgang des kapazitiven
Spannungsteiles 9 übertragen werden, so daß das dynamische Verhalten des
Phasenregelkreises durch den kapazitiven Spannungsteiler nicht leidet. Tatsächlich
tritt durch die Verschaltung der Dioden 13 und 14 sogar ein verbessertes
dynamisches Verhalten gegenüber Schaltungen, die den kapazitiven Spannungsteiler
und die Dioden 13, 14 nicht aufweisen, ein.
Das Ausgangssignal des kapazitiven Spannungsteilers 9 gelangt auf den
Gate-Eingang eines P-MOS-Feldeffekt-Transistors 15 des
Spannungs-/Strom-Wandlers 11, der in einem gesteuerten Oszillator 17 vorgesehen
ist. Der Source-Anschluß des Transistors 15 ist mit Bezugspotential VDD gekoppelt,
sein Drain-Anschluß ist auf einen weiteren P-MOS-Transistor 16 gekoppelt, der als
Kaskode verschaltet ist und der ausgangsseitig ein Steuersignal F liefert.
Der gesteuerte Oszillator 17 weist zwei gesteuerte Stromquellen 18 und 19 auf, die
den eigentlichen gesteuerten Oszillator darstellen. Den gesteuerten Stromquellen 18
und 19 ist eine Auskoppelstufe 20 nachgeschaltet, die das eigentliche Ausgangssignal
des gesteuerten Oszillators 17 liefert, das einerseits das Ausgangssignal des
gesamten Phasenregelkreises darstellt und das andererseits dem zweiten Eingang 3
des Phasendetektors 1 zugeführt wird.
Der gesteuerte Oszillator 17 und insbesondere auch die spannungsgesteuerten
Stromquellen 18 und 19 samt ihrer Verschaltung sind differentiell aufgebaut. Dies
bedeutet, daß in der Schaltung zwei Ausgangssignale unterschiedlicher Polarität
geführt werden. Bei der Verarbeitung dieser Signale, beispielsweise durch
Subtraktion, tritt der Vorteil ein, daß auf die Ausgangssignale mit gleichem
Vorzeichen eingekoppelte Störungen sich aufheben, daß die Nutzanteile der
Ausgangssignale sich jedoch gleichsinnig überlagern.
Das Ausgangssignal F des Spannungsstromwandlers 11 gelangt auf erste
Versorgungsanschlüsse 21 und 22 der spannungsgesteuerten Stromquellen 18 und
19. Zweite Versorgungsanschlüsse 23 und 24 dieser spannungsgesteuerten
Stromquellen sind mit dem Potential S des Substrates gekoppelt, auf dem der
Phasenregelkreis gemäß Fig. 1 (evtl. mit Ausnahme des Widerstandes 6) aufgebaut
ist. Dies hat zur Folge, daß die stromgesteuerten Spannungsquellen 18 und 19
bezogen auf das Potential S des Substrats arbeiten, so daß sich auf das Substrat S
aufgekoppelte Störpotentiale insofern nicht auswirken, als die stromgesteuerten
Spannungsquellen 18 und 19 ebenfalls bezogen auf dieses Potential arbeiten. Damit
treten in deren Signalen relativ zu dem Potential S diese Störungen nicht auf.
Beide spannungsgesteuerte Stromquellen 18 bzw. 19 weisen jeweils einen
nicht-invertierenden Eingang 25 bzw. 26 sowie einen invertierenden Eingang 27
bzw. 28 auf. Ferner weisen beide spannungsgesteuerte Stromquellen 18 bzw. 19
jeweils einen nicht-invertierenden Ausgang 29 bzw. 30 sowie einen invertierenden
Ausgang 31 bzw. 32 auf. Zwischen den invertierenden Ausgang 31 und den
nicht-invertierenden Ausgang 29 der spannungsgesteuerten Stromquelle 18 ist eine
Kapazität 33 und zwischen die entsprechenden Ausgänge 32 und 30 der
spannungsgesteuerten Stromquelle 19 ist eine Kapazität 34 geschaltet, die
gegebenenfalls auch nur aus parasitären Kapazitäten bestehen kann.
Der invertierende Ausgang 31 der spannungsgesteuerten Stromquelle 18 ist mit dem
nicht-invertierenden Eingang 26 der spannungsgesteuerten Stromquelle 19 gekoppelt.
Ferner ist der nicht-invertierende Ausgang 29 der spannungsgesteuerten Stromquelle
18 mit dem invertierenden Eingang 28 der spannungsgesteuerten Stromquelle 19
gekoppelt.
Das Ausgangssignal des invertierenden Ausgangs 32 der spannungsgesteuerten
Stromquelle 19 ist einerseits einem ersten Eingang 35 der Auskoppelstufe 20
zugeführt und ferner auf den invertierenden Eingang 27 der spannungsgesteuerten
Stromquelle 18 rückgekoppelt. In entsprechender Weise stellt das Ausgangssignal
des nicht-invertierenden Ausgangs 30 der spannungsgesteuerten Stromquelle 19 ein
Signal dar, das einem zweiten Eingang 36 der Auskoppelstufe 20 zugeführt wird
und das auf den nicht-invertierenden Eingang 35 der spannungsgesteuerten
Stromquelle 18 rückgekoppelt ist.
Durch diese Art der Rückkopplung wird erreicht, daß die beiden
spannungsgesteuerten Stromquellen 18 bzw. 19 ein Schwingungs-Signal liefern,
dessen Frequenz von den Kapazitäten 33 und 34 und von dem Strom abhängt, der
den spannungsgesteuerten Stromquellen 18 und 19 an deren ersten
Versorgungsanschlüssen 21 bzw. 22 zugeführt wird. Die beiden
spannungsgesteuerten Stromquellen 18 und 19 stellen mit samt ihrer Verschaltung
einen Oszillator dar, der differentiell aufgebaut ist. In der Schaltung werden die
Signal jeweils mit zwei Polaritäten geführt. Dieser Schaltungsteil des gesteuerten
Oszillators 17 arbeitet bezogen auf das Potential S des Substrats, auf dem der
Phasenregelkreis aufgebaut ist. Auch die Ausgangssignale in und in quer sind auf
dieses Potential S bezogen. Damit treten in diesen Ausgangssignalen Störungen, die
auf das Potential S des Substrats eingekoppelt werden, nicht in Erscheinung.
Die Auskoppelstufe 20 verarbeitet diese Signale dahingehend, daß sie ausgangsseitig
Signale OUT und lieferte die ebenfalls differentiell sind und die auf das
Bezugspotential VSS bezogen sind, auf das auch die übrigen Signale des
Phasenregelkreises bzw. dessen Schaltungselemente bezogen sind. Die
Auskoppelstufe 20 hat also im wesentlichen die Aufgabe, den Bezug der
Eingangssignale IN und , die auf das Potential des Substrats bezogen sind,
umzuwandeln in Ausgangssignale, die auf das Bezugspotential VSS der übrigen
Schaltungselemente bezogen sind. Dabei sollen sich auf das Substrat S eingekoppelte
Störungen auch in den auf das Bezugspotential VSS bezogenen Ausgangssignalen
möglichst wenig auswirken.
Die Auskoppelstufe 20 des Phasenregelkreises gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 in Form
eines Detailschaltbildes dargestellt.
In der Darstellung gemäß Fig. 2 gelangt das Signal IN auf den Verbindungspunkt
der Gates zweier N-MOS-Transistoren 41 und 42, welche mit ihren
Source-Anschlüssen jeweils mit dem Substrat S des Potentials des Substrats
gekoppelt sind. Entsprechend sind zwei weitere N-MOS-Transistoren 43 und 44
verschaltet, auf die das Signal geführt wird. Über als Kaskode fungierende
Transistoren 45, 46, 47 und 48, deren Gates mit dem Potential F des gesteuerten
Oszillators 17 verbunden sind, sind die Drain-Anschlüsse der Transistoren 41, 42,
43 und 44 mit zwei Stromspiegelschaltungen gekoppelt. Die Transistoren 41 und 42
sind mit einer aus zwei Transistoren 49 und 50 aufgebauten Stromspiegelschaltung
gekoppelt, wohingegen die Transistoren 43 und 44 mit einer zweiten
Stromspiegelschaltung gekoppelt sind, die aus Transistoren 51 und 52 aufgebaut
sind.
Es sind ferner zwei P-MOS-Feldeffekttransistoren 53 und 54 vorgesehen, welche als
Schalter arbeiten, die also zwischen ihren zwei Betriebszuständen leitend und
nichtleitend geschaltet werden. Der Transistor 53 ist mit seinem Gate mit dem von
dem Transistor 43 geführten Signal gekoppelt. Mit Source und Drain ist er zwischen
den Ausgang der durch die Transistoren 49 und 50 gebildeten Stromquelle und den
Transistor 42 geschaltet. Das Gate des Transistors 54 ist mit dem von dem
Transistor 42 geführten Signal gekoppelt und mit seinen Source- und
Drain-Anschlüssen zwischen den Transistor 43 und den Ausgang der durch die
Transistoren 51 und 52 gebildeten Stromquelle geschaltet.
Der Verstärker arbeitet als Komparator auf Basis eines Speicher-Flip-Flops. Die
P-Kanal-Transistoren 53, 54 sind zusammen mit den als Lasten wirkenden
Stromquellen 50, 51 als Speicher-Flip-Flop geschaltet.
Die Transistoren 42, 43 setzen die Eingangsspannungen IN und in entsprechende
Strome um, mit denen das Speicher-Flip-Flop gespeist wird. Die Transistoren 42, 43
setzen die Eingangsspannungen IN und in entsprechende Ströme um, die
aufsummiert über die beiden parallel als Dioden geschalteten Transistoren 49 und 52
fließen. Die Spiegeltransistoren 50 und 51 führen deshalb einen Strom, der dem
Mittelwert der Ströme durch die Transistoren 50 und 51 entspricht. Das
Speicher-Flip-Flop wird deshalb durch die Differenz der Eingangsströme gesteuert,
wodurch die Umwandlung der differentiellen Eingangssignale in zwei
komplementäre, auf Bezugspotential bezogene Signale erfolgt.
Da dieser Komparator seine Entscheidung aufgrund der hochverstärkten
differentiellen Signale trifft, erfolgt eine gute Unterdrückung für
Gleichtaktstörungen.
Die Transistoren 45-48 arbeiten als Kaskoden, wodurch u. a. eine Entkopplung der
Kapazität des Ausgangs des Speicher-Flip-Flops von den Millerkapazitäten der
Transistoren 42 und 43 vorgenommen wird. Die Auskopplung des Zustandes des
Speicher-Flip-Flops erfolgt über Inverter mit minimaler Gatefläche, um die
geschwindigkeitsbestimmenden Ausgangsknoten des Speicher-Flip-Flops nicht zu
stark zu belasten.
Da bei der Auskopplung des Zustandes des Speicher-Flip-Flops auf die Inverter 56,
57 vom Substratpotential S auf das Bezugspotential VSS gewechselt wird, können
auch hier Störungen durch Potentialunterschiede eingekoppelt werden. Wenn die
Flankensteilheit der Eingangssignale für die Inverter 56, 57 nicht groß genug ist,
müssen die Inverter 56, 57 durch eine Speicher-Flip-Flop-Schaltung mit
Bezugspotential VSS ersetzt werden. Diese Schaltung bewirkt dann die endgültige
differential to single Konvertierung.
Die Ausgangssignale des ersten Teils der Auskoppelstufe, der mittels der
Transistoren 41 bis 54 aufgebaut ist und bei denen es sich um hart geschaltete
Signale handelt, die quasi digitale Signale darstellen, gelangen auf Inverter 56 und
57, die auf das Bezugspotential VSS bezogen arbeiten. Der Inverter 57 liefert
ausgangsseitig das Signal OUT, das das Ausgangssignal der gesamten
Schaltungsanordnung und das zweite Eingangssignal für den Phasendetektor 1 gemäß
Fig. 1 darstellt. Der zweite Inverter 56 liefert ein invertiertes Signal .
In dem Phasenregelkreis gemäß Fig. 1 wird eine doppelte Unterdrückung gegen
Störungen erreicht, die auf das Potential S des Substrates eingekoppelt werden, auf
dem der Phasenregelkreis aufgebaut ist. Einerseits wird durch den kapazitiven
Spannungsteiler eine Unterdrückung dieser Störungen entsprechend dem
Teilerverhältnis dieses Teilers erreicht. In der nachfolgenden Schaltung des
gesteuerten Oszillators 17 wird dieses Signal so weiterverarbeitet, daß dort ebenfalls
auf das Substrat S eingekoppelte Störungen weitgehend unterdrückt werden bzw.
sich möglichst wenig auf die Nutzsignale des gesteuerten Oszillators 17 auswirken.
Damit ist das Ausgangssignal OUT (sowie das invertierte ) weitgehend frei von
Störungen, d. h. also von Phasenschwankungen, die bei Phasenregelkreisen
unerwünscht sind. Im Ergebnis wird für die gesamte Schaltung eine deutliche
Störverminderung erzielt, da auch das Eingangssignal OUT des Phasendetektors 1
weitgehend störungsbefreit ist. Diese Vorteile werden erzielt, ohne daß Nachteile
bezüglich des dynamischen Verhaltens oder anderer Eigenschaften der Schaltung in
Kauf genommen werden müssen.
Claims (12)
1. Phasenregelkreis mit einem Phasendetektor (1), einem Schleifenfilter (5) und
einem gesteuerten Oszillator (17), die auf einem integrierten Schaltkreis realisiert
sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem gesteuerten Oszillator (17) ein kapazitiver Spannungsteiler (9), der
wenigstens zwei Kapazitäten (10, 12) aufweist, vorgeschaltet ist, daß der gesteuerte
Oszillator (17) in Abhängigkeit des Ausgangssignals des kapazitiven
Spannungsteilers (9) gesteuert wird und daß der kapazitive Spannungsteiler (9) mit
dem Phasendetektor (1), dem Schleifenfilter (5) und dem gesteuerten Oszillator (17)
auf einem integrierten Schaltkreis aufgebaut ist.
2. Phasenregelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine
erste Kapazität (10) des kapazitiven Spannungsteilers (9) in den Signalweg zwischen
dem Phasendetektor (1) und dem Schleifenfilter (5) einerseits und dem gesteuerten
Oszillator (17) andererseits geschaltet ist und daß wenigstens eine zweite Kapazität
(12) des kapazitiven Spannungsteilers (9) zwischen diesen Signalweg und ein
Versorgungspotential geschaltet ist.
3. Phasenregelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte
Oszillator (17) einen Spannungs-/Strom-Wandler (11) aufweist, in Abhängigkeit von
dessen Ausgangsstrom die Frequenz des Ausgangssignals des gesteuerten Oszillators
(17) variiert wird.
4. Phasenregelkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine
erste Kapazität (10) des kapazitiven Spannungsteilers (9) in den Signalweg zwischen
dem Phasendetektor (1) und dem Schleifenfilter (5) einerseits und dem Spannungs-
/Strom-Wandler (11) andererseits geschaltet ist und daß wenigstens eine zweite
Kapazität (12) des kapazitiven Spannungsteilers (9) zwischen diesen Signalweg und
ein Versorgungspotential geschaltet ist.
5. Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens ein als Diode verschalteter Transistor (14; 13) vorgesehen ist, mittels
welchem das Gleichspannungs-Potential am Ausgang des kapazitiven
Spannungsteilers (9) eingestellt wird.
6. Phasenregelkreis mit einem Phasendetektor (1), einem Schleifenfilter (5) und
einem gesteuerten Oszillator (17), die auf einem integrierten Schaltkreises realisiert
sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der gesteuerte Oszillator (17) differentiel aufgebaut ist und wenigstens zwei
spannungsgesteuerte Stromquellen (18, 19) aufweist, deren Schaltungen mit einem
Versorgungspotential und mit einem Substrat gekoppelt sind, auf dem der integrierte
Schaltkreis aufgebaut ist, daß der gesteuerte Oszillator (17) eine Auskoppelstufe (20)
aufweist, die den spannungsgesteuerten Stromquellen (18, 19) nachgeschaltet ist und
die in Abhängigkeit der ihr zugeführten differentiellen Signale zwei differentielle
digitale Signale generiert, die mittels Umschaltung zwischen zwei Potentialen mit
hoher Flankensteilheit erzeugt werden und die Verstärkerstufen (56, 57) zugeführt
werden, die zwischen Versorgungspotential und Bezugspotential geschaltet sind und
die zwei auf Bezugspotential bezogene differentielle Ausgangssignale liefern.
7. Phasenregelkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den
Verstärkerstufen (56, 57) eine weitere Verstärkerstufe nachgeschaltet ist, welche aus
den differentiellen Ausgangssignalen der Verstärkerstufen (56, 57) ein
single-ended-Signal formt.
8. Phasenregelkreis nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Oszillator (17) mittels eines Stromes angesteuert wird, der ersten
Versorgungsanschlüssen (21, 22) der spannungsgesteuerten Stromquellen (18, 19)
zugeführt wird, deren zweite Versorgungsanschlüsse (23, 24) mit dem Substrat des
integrierten Schaltkreises gekoppelt sind.
9. Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
eine erste (18) und eine zweite (19) spannungsgesteuerte Stromquelle vorgesehen
sind, welche jeweils einen nichtinvertierenden (25; 26) und einen invertierenden
(27; 28) Eingang und einen nicht-invertierenden (29; 30) und einen invertierenden
(31; 32) Ausgang aufweisen, daß beide Ausgangssignale beider spannungsgesteuerten
Stromquellen (18, 19) jeweils mittels wenigstens einer Kapazität (33; 34) miteinander
gekoppelt sind, daß der invertierende Ausgang (31) der ersten spannungsgesteuerten
Stromquelle (18) mit dem nichtinvertierenden Eingang (26) der zweiten
spannungsgesteuerten Stromquelle (19) und der nichtinvertierende Ausgang (29) der
ersten spannungsgesteuerten Stromquelle (18) mit dem invertierenden Eingang (28)
der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle (19) gekoppelt ist, daß der
invertierende Ausgang (32) der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle (19) mit
dem invertierenden Eingang (27) der ersten Stromquelle (18) und der
nichtinvertierende Ausgang (30) der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle (19)
mit dem nichtinvertierenden Eingang (25) der ersten spannungsgesteuerten
Stromquelle (18) gekoppelt ist und daß die Ausgangssignale der zweiten
spannungsgesteuerten Stromquelle (19) die differentiellen Signale darstellen die auf
die Auskoppelstufe (20) geführt sind.
10. Phasenregelkreis nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der gesteuerte Oszillator (17) in Abhängigkeit des Ausgangssignals des kapazitiven
Teilers (9) angesteuert wird.
11. Schaltungsanordnung zur Wandlung eines analogen Bildsignals in ein digitales
Bildsignal und zur Decodierung des digitalen Bildsignals, welche wenigstens
teileweise mittels des Ausgangssignals eines Phasenregelkreises nach einem der
Ansprüche 1 bis 10 getaktet wird.
12. Bildwiedergabeanordnung mit einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 11.
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