Устройство эквивалентного умножения емкости конденсатора петлевого фильтра контура ФАПЧ
PLL LOOP CAPACITOR EQUIVALENT MULTIPLIER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к интегральной электронной технике и может быть использовано в составе синтезаторов сетки частот на базе контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), а именно при реализации эквивалентного умножения емкости конденсатора демпфирующего звена (ДЗ) блока петлевого фильтра (ПФ), предназначенного для интеграции на кристалле микросхемы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Одной из проблем при интеграции блока ПФ на кристалле микросхемы является большая площадь, занимаемая конденсатором ДЗ, что не только увеличивает стоимость кристалла микросхемы, но и препятствует размещению на нем большего количества функциональных блоков. Для уменьшения площади конденсатора ДЗ блока ПФ существуют методы эквивалентного умножения емкости конденсатора, позволяющие заменить емкость конденсатора ДЗ в несколько раз меньшим значением при полном сохранении блоком ПФ требуемой амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ). Один из методов подразумевает использование в контуре ФАПЧ блока управляемого источника тока (УИТ) с дополнительным выходом, вырабатывающим, по сравнению с основным выходом, ток меньшей амплитуды и одинакового направления. При этом эквивалентное умножение емкости конденсатора ДЗ основано на уменьшении тока, используемого для его перезаряда.
На фиг. 1 представлена структурная схема синтезатора сетки частот на базе контура ФАПЧ с эквивалентным умножением емкости конденсатора ДЗ блока ПФ. В состав синтезатора сетки частот входят:
1 - импульсный частотно-фазовый детектор (ИЧФД), вырабатывающий сигналы Up и Dn в соответствии с фазовой разностью между сигналом входной частоты Fref и сигналом частоты обратной связи Fdiv;
2 - управляемый источник тока (УИТ), вырабатывающий импульсы токов Io и Ice, имеющих разную амплитуду, но одинаковое направление, причем амплитуда импульса тока Ice меньше амплитуды импульса тока Io, а направление и длительность импульсов токов определяются сигналами Up и Dn;
3 - петлевой фильтр (ПФ), на импедансе которого под воздействием импульсов токов Io и Ice блока УИТ формируется напряжение Vvco;
4 - генератор, управляемый напряжением (ГУН), вырабатывающий сигнал выходной частоты Fvco в соответствии с значением напряжения Vvco, при этом входной ток блока ГУН по линии Vvco пренебрежимо мал;
5 - делитель частоты (ДЧ), вырабатывающий сигнал частоты обратной связи Fdiv путем деления выходной частоты Fvco на коэффициент N.
Изменение напряжения Vvco осуществляется таким образом, чтобы устранить фазовую ошибку между сигналами частот Fref и Fdiv, и, тем самым, ввести контур ФАПЧ в синхронизм. Умножение входной частоты Fref до значения выходной частоты Fvco обеспечивается делением частоты Fvco на соответствующий коэффициент N при формировании сигнала частоты обратной связи Fdiv.
Длительность и колебательность переходного процесса автоподстройки частоты замкнутого контура ФАПЧ зависят от частоты полосы пропускания контура и фазового запаздывания на этой частоте. Частоту полосы пропускания устанавливают исходя из значения входной частоты Fref и требований подавления помех, вызванных импульсным характером управления в контуре. Фазовое запаздывание на частоте полосы пропускания замкнутого контура ФАПЧ корректируют соответствующей АФЧХ блока ПФ, являющегося инерционным пропорционально-интегрирующим звеном.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является устройство эквивалентного умножения емкости конденсатора ДЗ блока ПФ, описанное в патенте США №7271633 «Charge Pump Structure for Reducing Capacitance in Loop Filter of a Phase Locked Loop», МПК H03L 7/06 [1]. Это устройство является прототипом устройства заявляемого изобретения и представлено на фиг. 2.
Первым общим признаком изобретения [1] с заявляемым изобретением является то, что устройство имеет дополнительный вывод входного тока, на который, по сравнению с основным выводом входного тока, подается ток меньшей амплитуды и одинакового направления.
Вторым общим признаком изобретения [1] с заявляемым изобретением является использование повторителя напряжения, что обеспечивает использование входного тока через дополнительный вывод устройства только для перезаряда умножаемого конденсатора.
В состав устройства изобретения [1] входят: первый (C1) и второй (C2) конденсаторы, повторитель напряжения (A1) и резистор (R1); первый вывод первого конденсатора C1 и вход повторителя напряжения A1 соединены между собой и подключены к первому выводу (1) устройства; выход повторителя напряжения A1 и первый вывод резистора R1 соединены между собой; второй вывод резистора R1 и первый вывод второго конденсатора C2 соединены между собой и подключены к второму выводу (2) устройства; второй вывод первого конденсатора C1 и второй вывод второго конденсатора C2 соединены между собой и подключены к третьему выводу (3) устройства.
В соответствии с фиг. 1: вывод 1 устройства фиг. 2 подключен к выходу дополнительного тока Ice блока УИТ; вывод 2 устройства подключен к выходу основного тока Io блока УИТ и входу блока ГУН; вывод 3 устройства подключен к цепи GND «общий» напряжения питания. Блок УИТ подключен к цепи VDD напряжения питания и к цепи GND «общий» напряжения питания.
Повторитель напряжения A1 поддерживает на своем выходе напряжение конденсатора C1 и обеспечивает условие, что ток Ice блока УИТ, втекающий через вывод 1 устройства, используется только для перезаряда конденсатора C1. Это условие подразумевает, что ток через вход повторителя напряжения A1 пренебрежимо мал, а после окончания действия тока через вывод 1 конденсатор C1 сохраняет свое напряжение. Элементы C1, A1, R1 образуют ДЗ блока ПФ, осуществляющее частотную коррекцию контура ФАПЧ для демпфирования колебаний переходного процесса автоподстройки частоты. Конденсатор C2, подключенный через вывод 2 устройства непосредственно к выходу тока Io блока УИТ и входу блока ГУН, предназначен для уменьшения пульсаций напряжения Vvco, возникающих во время действия выходных импульсов токов блока УИТ.
Результирующее значение емкости конденсатора эквивалентного ДЗ блока ПФ равно емкости конденсатора C1 умноженной на коэффициент эквивалентного умножения. Коэффициент эквивалентного умножения определяется как разность между отношением амплитуды тока через вывод 2 устройства к амплитуде тока через вывод 1 устройства и отношением емкости конденсатора C2 к емкости конденсатора C1. Результирующе значение сопротивления резистора эквивалентного ДЗ блока ПФ равно сопротивлению резистора R1 умноженному на увеличенное на единицу отношение емкости конденсатора C2 к результирующему значению емкости конденсатора эквивалентного ДЗ. Таким образом, в устройстве изобретения [1] значения результирующих конденсатора и резистора эквивалентного ДЗ блока ПФ зависят от отношения амплитуд входных токов через выводы 1 и 2 устройства.
Неизбежный технологический разброс при производстве кристалла микросхемы приводит к отклонениям отношения амплитуд выходных токов Io и Ice блока УИТ от требуемого исходного значения. Так как результирующие значения емкости конденсатора и сопротивления резистора эквивалентного ДЗ блока ПФ зависят от отношения амплитуд входных токов через выводы 1 и 2 устройства, то производственное отклонение в отношении амплитуд этих токов приводит к изменению АФЧХ блока ПФ и, соответственно, к изменению АФЧХ контура ФАПЧ в целом.
Таким образом, недостатком схемы устройства изобретения [1] является изменение частоты полосы пропускания и фазового запаздывания замкнутого контура ФАПЧ при производственном отклонении отношения амплитуд входных токов через выводы 1 и 2 устройства. Изменение фазового запаздывания, а именно его увеличение, для большинства применений ФАПЧ является более критическим фактором, чем изменение частоты полосы пропускания, так как приводит к снижению устойчивости контура ФАПЧ и повышению колебательности переходного процесса автоподстройки частоты.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом заявляемого изобретения устройства эквивалентного умножения емкости конденсатора ДЗ блока ПФ является меньшее, по сравнению с устройством изобретения [1], изменение фазового запаздывания на частоте полосы пропускания замкнутого контура ФАПЧ при производственном отклонении отношения амплитуд входных токов через выводы 1 и 2 устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве эквивалентного умножения емкости конденсатора ДЗ блока ПФ изобретения [1], содержащем: первый (C1) и второй (C2) конденсаторы, повторитель напряжения (A1) и резистор (R1); первый вывод первого конденсатора C1 и вход повторителя напряжения A1 соединены между собой и подключены к первому выводу (1) устройства; выход повторителя напряжения A1 и первый вывод резистора R1 соединены между собой; второй вывод резистора R1 и первый вывод второго конденсатора C2 соединены между собой и подключены к второму выводу (2) устройства; второй вывод первого конденсатора C1 подключен к третьему выводу (3) устройства, предложено второй вывод второго конденсатора C2 соединить с выходом повторителя напряжения A1.
Предлагаемое подключение конденсатора C2 к выходу повторителя напряжения A1 (т.е. параллельно резистору R1) приводит к тому, что в устройстве заявляемого изобретения коэффициент эквивалентного умножения емкости для результирующего конденсатора эквивалентного ДЗ блока ПФ равен отношению амплитуды тока через вывод 2 устройства к амплитуде тока через вывод 1 устройства, а результирующе значение сопротивления резистора эквивалентного ДЗ равно сопротивлению резистора R1. В результате при производственном отклонении отношения амплитуд входных токов через выводы 1 и 2 устройство заявляемого изобретения, по сравнению с устройством изобретения [1], имеет меньшее изменение АФЧХ и, соответственно, замкнутый контур ФАПЧ имеет меньшее изменение фазового запаздывания на частоте полосы пропускания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1 - Структурная схема синтезатора сетки частот на базе контура ФАПЧ с эквивалентным умножением емкости конденсатора ДЗ блока ПФ.
Фиг. 2 - Устройство эквивалентного умножения емкости конденсатора ДЗ блока ПФ, описанное в изобретении [1] и являющееся прототипом устройства заявляемого изобретения.
Фиг. 3 - Устройство эквивалентного умножения емкости конденсатора ДЗ блока ПФ, заявляемое в данном изобретении.
Фиг. 4 - Примеры диаграмм АФЧХ замкнутого контура ФАПЧ с использованием устройства эквивалентного умножения емкости конденсатора ДЗ блока ПФ изобретения [1] и заявляемого изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявляемое в данном изобретении устройство эквивалентного умножения емкости конденсатора ДЗ блока ПФ представлено на фиг. 3. В состав устройства входят: первый (C1) и второй (C2) конденсаторы, повторитель напряжения (A1) и резистор (R1); первый вывод первого конденсатора C1 и вход повторителя напряжения A1 соединены между собой и подключены к первому выводу (1) устройства; выход повторителя напряжения A1, первый вывод резистора R1 и второй вывод второго конденсатора C2 соединены между собой; второй вывод резистора R1 и первый вывод второго конденсатора C2 соединены между собой и подключены к второму выводу (2) устройства; второй вывод первого конденсатора C1 подключен к третьему выводу (3) устройства.
В соответствии с фиг. 1: вывод 1 устройства фиг. 3 подключен к выходу дополнительного тока Ice блока УИТ; вывод 2 устройства подключен к выходу основного тока Io блока УИТ и входу блока ГУН; вывод 3 устройства подключен к цепи GND «общий» напряжения питания. Блок УИТ подключен к цепи VDD напряжения питания и к цепи GND «общий» напряжения питания.
Устройство заявляемого изобретения работает следующим образом.
Импульсы входных токов через выводы 1 и 2 устройства имеют одинаковые направления и длительности, но разные амплитуды. Амплитуда тока через вывод 1 равна амплитуде тока через вывод 2 деленной на коэффициент эквивалентного умножения емкости конденсатора C1. Во время действия импульса тока через вывод 1 происходит перезаряд конденсатора C1. Изменение напряжения на конденсаторе C1 прямо пропорционально амплитуде и длительности импульса тока и обратно пропорционально значению его емкости. Уменьшение амплитуды импульса тока через вывод 1 позволяет уменьшить емкость конденсатора C1.
Так как ток через вход повторителя напряжения A1 пренебрежимо мал, то после окончания действия импульса тока через вывод 1 конденсатор C1 сохраняет свое напряжение. На выходе повторителя напряжения A1 поддерживается напряжение конденсатора C1 относительно вывода 3 устройства.
Во время действия импульса тока через вывод 2 устройства этот ток распределяется между резистором R1 и конденсатором C2. Причем с увеличением напряжения на конденсаторе все меньшая часть тока через вывод 2 протекает через конденсатор (замедляя его перезаряд) и все большая часть тока протекает через резистор. Замедление перезаряда конденсатора C2 во время действия импульса тока через вывод 2 способствует уменьшению пульсаций напряжения на выводе 2, являющегося управляющим для блока ГУН. После окончания действия импульса тока через вывод 2 конденсатор C2 разряжается через резистор R1. В случае полного разряда конденсатора C2 напряжение на выводе 2 устройства соответствует напряжению на конденсаторе C1. Таким образом, элементы C1, A1, R1 образуют ДЗ блока ПФ, осуществляющее частотную коррекцию контура ФАПЧ для демпфирования колебаний переходного процесса автоподстройки частоты.
Включение конденсатора C2 параллельно резистору R1 приводит к тому что коэффициент эквивалентного умножения емкости для результирующего конденсатора эквивалентного ДЗ блока ПФ равен отношению амплитуды тока через вывод 2 устройства к амплитуде тока через вывод 1 устройства, а результирующе значение сопротивления резистора эквивалентного ДЗ равно сопротивлению резистора R1. Результирующее значение емкости конденсатора эквивалентного ДЗ равно емкости конденсатора C1 умноженной на коэффициент эквивалентного умножения. Таким образом, производственное отклонение отношения амплитуд входных токов через выводы 1 и 2 устройства изменяет только результирующее значение емкости конденсатора эквивалентного ДЗ блока ПФ.
В отличие от этого, в устройстве изобретения [1] (фиг. 2), как было отмечено выше, производственное отклонение отношения амплитуд токов через выводы 1 и 2 устройства изменяет значения результирующих и конденсатора и резистора эквивалентного ДЗ блока ПФ. В результате в заявляемом в данном изобретении устройстве эквивалентного умножения емкости конденсатора ДЗ блока ПФ за счет меньшего изменения АФЧХ при производственном отклонении отношения амплитуд входных токов через выводы 1 и 2 устройства обеспечивается технический результат - меньшее, по сравнению с устройством изобретения [1], изменение фазового запаздывания на частоте полосы пропускания замкнутого контура ФАПЧ.
На фиг. 4 представлены примеры диаграмм АФЧХ замкнутого контура ФАПЧ с использованием устройства эквивалентного умножения емкости конденсатора ДЗ блока ПФ изобретения [1] и заявляемого изобретения. Диаграммы A0, A1, A2 (верхняя часть фиг. 4) являются амплитудно-частотными характеристиками, диаграммы B0, B1, B2 (нижняя часть фиг. 4) являются фазочастотными характеристиками. Диаграммы A0, B0 представляют собой АФЧХ при использовании устройства как изобретения [1] так и заявляемого изобретения при условии действия требуемых исходных значений амплитуд входных токов через выводы 1 и 2 устройства. Диаграммы A1, B1 и A2, B2 представлены для условия увеличения амплитуды тока через вывод 1 устройства в 1,4 раза от исходного значения при одновременном уменьшении амплитуды тока через вывод 2 устройства также в 1,4 раза, т.е. изменения исходных отношений амплитуд токов (из-за производственного отклонения) почти в 2 раза. Диаграммы A1, B1 соответствуют использованию устройства изобретения [1]. Диаграммы A2, B2 соответствуют использованию устройства заявляемого изобретения.
В обоих случаях значения частоты полосы пропускания и фазового запаздывания увеличены по сравнению с A0, B0. Увеличение частоты полосы пропускания для диаграммы A1 составляет 4,76%. Для диаграммы A2 увеличение составляет 6,50 %, т.е. на 1,74% больше, чем для диаграммы A1. Увеличение фазового запаздывания для диаграммы B1 составляет 42,05%. Для диаграммы B2 увеличение составляет 36,48 %, т.е. на 5,57 % меньше, чем для диаграммы B1.
Таким образом, при производственном отклонении отношения амплитуд входных токов через выводы 1 и 2 устройства эквивалентного умножения емкости конденсатора ДЗ блока ПФ замкнутый контур ФАПЧ при использовании устройства заявляемого изобретения (фиг. 3), по сравнению с использованием устройства изобретения [1] (фиг. 2), при большем увеличении частоты полосы пропускания имеет меньшее увеличение фазового запаздывания.
Как было отмечено выше, увеличение фазового запаздывания для большинства применений ФАПЧ является более критическим фактором, чем изменение частоты полосы пропускания. Данное обстоятельство и представленные на фиг. 4 диаграммы подтверждают эффективность использования устройства эквивалентного умножения емкости конденсатора ДЗ блока ПФ заявляемого изобретения (фиг. 3) по сравнению с устройством изобретения [1] (фиг. 2).
Повторитель напряжения A1 (фиг. 2 и 3) может быть реализован на базе истокового или эмиттерного повторителя или на базе операционного усилителя с единичной обратной связью. Смещение напряжения на выходе истокового или эмиттерного повторителя не оказывает влияния на АФЧХ рассмотренных устройств и, соответственно, на вид переходного процесса контура ФАПЧ в целом. Однако приводит к сдвигу начала переходного процесса во времени.