DE4018614C2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung zweier phasenverschobener Ausgangssignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung zweier pha­ senverschobener Ausgangssignale nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Derartige Schaltungsanordnungen sind vor allem von Bedeutung als I/Q-Takt­ generatoren zur Bereitstellung von orthogonalen Überlagerungssignalen für Quadratur-Modulatoren oder Demodulatoren.

Aus der DE 35 46 132 C2 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die mittels eines Master-Slave-D-Flip-Flops im Toggle-Betrieb aus einem Eingangssignal zwei phasenverschobene Ausgangssignale erzeugt. Das Eingangssignal wird dabei als Taktsignal der Master- und der Slave-Stufe des Master-Slave-D-Flip- Flops zugeführt. Aufgrund des Toggle-Betriebs sind die an den Ausgängen der Master- und der Slave-Stufe bereitgestellten Ausgangssignale gegenein­ ander in etwa um 90° phasenverschoben. Die Phasenverschiebung ist dabei, insbesondere bei hohen Frequenzen, von dynamischen Effekten und von Temperaturschwankungen abhängig.

Aus der EP 0305 941 A2 ist eine Schaltungsanordnung mit einem Master- Slave-Flip-Flop bekannt, bei der ein Taktsignal über jeweils einen Taktstrom­ schalter der Master- bzw. der Slave-Stufe zugeführt wird, wobei die Schalt­ zeitpunkte der Taktstromschalter über eine Referenzspannung variierbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, die über einen weiteren Frequenzbereich auf einfache und zuverlässige Weise die ge­ wünschten phasenverschobenen Ausgangssignale bereitstellt, wobei die Phasenverschiebung unabhängig von Temperaturschwankungen und dyna­ mischen Effekten ist.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche ent­ halten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Wesentlich an der Erfindung ist ein Regelkreis, mit dem die relative Phasen­ verschiebung zwischen den beiden Ausgangssignalen auf einen Wert von 90° geregelt wird. Die Regelung erfolgt dabei durch Variation von Schaltzeit­ punkten zweier Taktstromschalter, über die das Eingangssignal der Master- Stufe bzw. der Slave-Stufe des Master-Slave-D-Flip-Flops zugeführt wird.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in relativ geringer Komple­ xität integrierbar. Da die Schaltungsanordnung frequenzhalbierend wirkt, muß das Eingangssignal des Flip-Flops die gegenüber der benötigten Aus­ gangssignalfrequenz doppelte Frequenz aufweisen. Hierzu kann sowohl ein Oszillatorsignal bei der doppelten Frequenz als auch ein Oszillatorsignal bei der einfachen Frequenz unter Zwischenschaltung einer Frequenzverdopp­ lerstufe dienen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Be­ zugnahme auf die Abbildungen noch eingehend erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Prinzipskizze;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform.

Wesentlicher Bestandteil der in Fig. 1 skizzierten Schal­ tungsanordnung ist ein Master-Slave-D-Flip-Flop FF in Tog­ gle-Betrieb. Am Ausgang der Master-Stufe wird das eine (TI), am Ausgang der Slave-Stufe das andere der beiden ge­ wünschten, um 90° phasenverschobenen Ausgangssignale der Schaltungsanordnung abgenommen.

Das gegenüber den gewünschten Ausgangssignalen frequenz­ verdoppelte Eingangssignal e ist über ein zu einem später noch beschriebenen Regelkreis T gehörendes Stellglied T dem Flip-Flop FF zugeführt. Das Master-Slave-D-Flip-Flop wirkt frequenzteilend im Verhältnis 2 : 1.

Für den Fall, daß aufgrund dynamischer Effekte oder dgl. die 90°-Phasenverschiebung zwischen den Ausgangssignalen TI und TQ, vor allem bei sehr hohen Frequenzen, nicht mit ausreichender Genauigkeit gewährleistet ist, ist ein Re­ gelkreis mit einem Phasendetektor PD, der ein Regelsignal PR für das Stellglied T im Signalweg des Eingangssignals e erzeugt, vorgesehen. Hierdurch kann auf einfache Weise eine wirkungsvolle Ausregelung von Phasenfehlern erreicht werden. Das Regelsignal PR kann beispielsweise eine Gleichspannungsverschiebung des frequenzverdoppelten Si­ gnals e bewirken.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist für die Ma­ ster-Stufe und Slave-Stufe des Flip-Flops jeweils ein als Differenzverstärker ausgeführter Taktstromschalter mit Transistoren T1, T2 bzw. T3, T4 zur Stromansteuerung der jeweiligen Stufe vorgesehen. Die entsprechenden Eingänge der beiden Differenzverstärker sind parallel geschaltet, indem die einen Eingänge (Basisanschlüsse von T1, T4) mit dem Eingangssignal beaufschlagt sind, während die anderen Eingänge (Basisanschlüsse von T2, T3) an einer Referenz­ spannung U_R gelegt sind. Die Betriebsströme der Differenz­ verstärker sind durch die Stromquellen S12 bzw. S34 fest­ gelegt. Die Toggle-Betriebsschaltung des Flip-Flops wird in bekannter Weise erreicht durch Rückführung des inver­ tierten Ausgangs der Slave-Stufe auf den D-Anschluß der Master-Stufe.

Die Ausgangssignale TI, TQ sind an die Eingänge des Pha­ sendetektors PD, z. B. eines als Vierquadrantenmultiplizie­ rers ausgeführten Phasenmodulators, angelegt, der eine Ab­ weichung der Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgangs­ signalen vom Sollwert 90° in ein Regelsignal PR umsetzt, das über das Stellglied T (Fig. 1) auf das Eingangssignal rückwirkt. Im skizzierten Beispielsfall wird durch das Re­ gelsignal PR über den Widerstand R_B der Gleichspannungspe­ gel an den mit dem Eingangssignal beaufschlagten Eingängen verändert und so die Schaltzeitpunkte der Taktstromschal­ ter verschoben. Gleichwertig dazu kann auch eine Beein­ flussung der Referenzspannung U_R durch das Regelsignal vorgesehen sein.

Während bei der in Fig. 2 skizzierten Anordnung das Regel­ signal PR aus den Ausgangssignalen des Flip-Flops abgelei­ tet ist, sieht eine bevorzugte Ausführungsform die Gewin­ nung des Regelsignals mittels eines mit den Eingängen des phasenteilenden Flip-Flops (bzw. den Ausgängen der Fre­ quenzverdopplerstufe FD) verbundenen Phasendetektors vor, wie nachfolgend anhand der Fig. 3 beschrieben.

Das im Block P skizzierte Master-Slave-D-Flip-Flop als solches ist einschließlich seiner Funktion hinlänglich be­ kannt, weshalb die Transistoren im Block P nicht einzeln bezeichnet und die Wirkungsweise der einzelnen Rückkopp­ lungen nicht weiter beschrieben sind. Andere Flip-Flop- Schaltungen sind in entsprechender Weise verwendbar. An den über Lastimpedanzen R_L mit dem Versorgungspotential +U verbundenen Master- und Slave-Ausgängen sind die beiden 90°-phasenverschobenen Ausgangssignale TI und TQ abgegrif­ fen.

Die Master- und Slave-Stufen sind durch zwei als Diffe­ renzverstärker ausgeführte Stromschalter T1, T2 bzw. T3, T4 angesteuert, deren Eingänge mit dem symmetrisch zuge­ führten Eingangssignal e, e′ beaufschlagt sind. Entspre­ chende Eingänge der beiden Differenzverstärker sind mit­ einander verbunden. (Basis von T1 mit Basis von T4; Basis von T2 mit Basis von T3). Beide Differenzverstärker sind aus einer gemeinsamen Stromquelle S1 gespeist. Durch den hochsymmetrischen Aufbau und die bei monolithischer Inte­ gration gegebene Möglichkeit, einzelne Schaltungselemente in guter Genauigkeit mit gleichen Eigenschaften herzustel­ len, sind keine durch den Aufbau des Flip-Flops samt Stromschalter und Stromquelle verursachten Phasenfehler zu erwarten.

Phasenfehler treten aber auf, wenn das Tastverhältnis der Stromschalter ≠ 0,5 ist, d. h. wenn die Schaltzeitpunkte nicht zeitlich äquidistant liegen. Dies ist auf kaum mit vertretbarem Aufwand vermeidbare Verzerrungen des Ein­ gangssignals e, e′ zurückzuführen.

Kann mittels eines Regelkreises ein Tastverhältnis von 0,5 eingeregelt werden, so ist auch die gewünschte 90°-Phasen­ lage der Ausgangsspannung TI und TQ gewährleistet.

Im skizzierten bevorzugtem Beispiel ist zur Überwachung des Tastverhältnisses ein weiteres als Differenzverstärker aufgebauter Stromschalter mit Transistoren T5, T6 vorgese­ hen. Dieser Stromschalter soll dieselben Schalteigenschaf­ ten besitzen wie die Stromschalter T1, T2, T3 und T4, was wiederum bei monolithischer Integration mit guter Genauig­ keit erzielt werden kann. Die Eingänge des weiteren Strom­ schalters T5, T6 sind mit den entsprechenden Eingängen der beiden anderen Stromschalter T1, T2, T3 und T4 unmittelbar verbunden und so ebenfalls mit dem Eingangssignal e, e′ beaufschlagt. Wesentlich ist, daß die Schaltzeitpunkte al­ ler Stromschalter exakt übereinstimmen.

Zur weiteren Angleichung der dynamischen Eigenschaften des weiteren Stromschalters an die der anderen Stromschalter sind alle Stromschalter aus der gemeinsamen Stromquelle S1 gespeist.

Zwischen die über Lastwiderstände R_S mit dem Versorgungs­ potential verbundenen Ausgänge des weiteren Stromschalters T5, T6 ist eine Kapazität CF geschaltet, die zusammen mit den Lastwiderständen einen Tiefpaß zur Mittelung der Aus­ gangsspannung u, u′ des weiteren Stromschalters bildet.

Bei von 0,5 verschiedenem Tastverhältnis, z. B. bei länger aussteuernder positiver Halbwelle für e und kürzerer posi­ tiver Halbwelle im komplementären Signal e′ ist jeweils einer der beiden Transistoren aller drei Stromschalter länger geöffnet als der andere, bei dem weiteren Strom­ schalter im Beispielsfall der Transistor T5, so daß die gemittelte Ausgangsspannung u gegenüber u′ niedriger liegt.

Die Ausgangsspannungen u, u′ des weiteren Stromschalters T5, T6 sind an die Eingänge eines Regel-Differenzverstär­ kers zur Erhöhung der Schleifenverstärkung des Regelkrei­ ses und somit zur Minderung des Phasenrestfehlers mit Transistoren T7, T8 gelegt. Der Strom durch den Differenz­ verstärker ist durch die Stromquelle S2 festgelegt. Die Ausgänge des Regel-Differenzverstärkers sind über Lastwi­ derstände R_V mit Versorgungspotential +U verbunden. Die Ausgangsspannungen sind als Regelspannung v, v′ angegeben.

Wenn u gegenüber u′ absinkt, so führt diese zu einem ver­ stärkten Ansteigen von v und einem entsprechenden Absinken von v′. Die Regelspannungen wirken unmittelbar verschie­ bend auf die Gleichspannungspegel an den Eingängen der Stromschalter (Additionsstufen (+) als Stellglieder T), so daß im Beispielsfall ein Anstieg von v zu einer Anhebung des Gleichspannungspegels an der Basis von T6 führt, was wiederum eine Verlängerung der aussteuernden Halbwelle von e′ und damit zu einer längeren Öffnungszeit des Transi­ stors T6 und zum Absinken der Spannung u′ gegenüber u führt. Die entsprechende gegenteilige Rückwirkung einer Veränderung von v′ auf u führt zum Ansteigen von u und wirkt daher dem auslösenden Absinken von u entgegen. Der Regelkreis ist demnach bestrebt, die Spannungsdifferenz zwischen u und u′ zum Verschwinden zu bringen, was gleich­ bedeutend ist mit einem Tastverhältnis gleich 0,5 bzw.

zeitlich äquidistanter Lage der Schaltzeitpunkte. Der be­ schriebene Regelkreis ist also mit einfachen Mitteln in der Lage, über die Einregelung des Tastverhältnisses in den Stromschaltern die 90°-Phasenlage in den Ausgangssi­ gnalen TI und TQ sicherzustellen.

Selbstverständlich kann auch eine unsymmetrische Ansteue­ rung der Stromschalter durch das Eingangssignal erfolgen, wobei dann einer der gemeinsamen Steueranschlüsse der Stromschalter auf konstantem Potential liegt. Die Regel­ funktion bleibt in entsprechender Weise erhalten.

Die in Fig. 3 beschriebene Anordnung macht sich die Er­ kenntnis zunutze, daß bei genau äquidistanten Schaltzeit­ punkten der die Master- und Slave-Stufe ansteuernden, von dem Eingangssignal beaufschlagten Stromschalter die 90°- Phasenbeziehung in den Ausgangssignalen gewährleistet ist, so daß durch eine Regelung der Schaltzeitpunkte auf zeit­ liche Äquidistanz die gewünschte Phasenlage sichergestellt ist und nicht mehr überprüft zu werden braucht.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung zweier phasenverschobener Aus­ gangssignale (TI, TQ) aus einem Eingangssignal (e, e′), mittels eines Master- Slave-D-Flip-Flops (FF) im Toggle-Betrieb, wobei das eine Ausgangssignal (TI) an einem Ausgang der Master-Stufe (MASTER) des Master-Slave-D-Flip-Flops (FF) anliegt und das andere Ausgangssignal (TQ) an einem Ausgang der Slave- Stufe (SLAVE) des Master-Slave-D-Flip-Flops (FF) anliegt, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Regelkreis zur Regelung einer relativen Phasenverschiebung von 90° zwischen den beiden Ausgangssignalen (TI, TQ) vorgesehen ist, und daß zwei Taktstromschalter zur Ansteuerung der Master-Stufe (MASTER) bzw. der Slave-Stufe (SLAVE) vorgesehen sind, denen das Eingangssignal (e, e′) zuge­ führt wird und deren Schaltzeitpunkte zur Regelung der Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgangssignalen (TI, TQ) durch den Regelkreis variier­ bar sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktstromschalter als Differenzverstärker ausgeführt sind, deren entspre­ chende Eingänge miteinander verbunden sind, und daß das Eingangssignal an den Eingängen der Differenzverstärker an liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis einen Phasendemodulator enthält, welcher die relative Phasenlage der beiden Ausgangsspannungen überwacht und daraus ein Re­ gelsignal ableitet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis einen Detektor zur Überwachung des Tastverhältnisses des Eingangssignals des Flip-Flops enthält, der ein Regelsignal erzeugt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor einen weiteren als Differenzverstärker ausgeführten Taktstrom­ schalter enthält, dessen Eingänge parallel zu den Eingängen der Taktstrom­ schalter des Flip-Flops geschaltet sind und aus dessen Ausgangssignal nach Tiefpaßfilterung das Regelsignal abgeleitet ist.