DE4018614A1 - Schaltungsanordnung zur erzeugung zweier um 90(grad) phasenverschobener ausgangssignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeu­ gung zweier um 90° phasenverschobener Ausgangssignale nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Schaltungsanordnungen sind vor allem von Bedeu­ tung als I/Q-Taktgeneratoren zur Bereitstellung von ortho­ gonalen Überlagerungssignalen für Quadratur-Modulatoren oder Demodulatoren.

Gebräuchliche Differenzphasenschieber mit reaktiven Bau­ elementen sind im allgemeinen nur für einen engen Fre­ quenzbereich ausgelegt und nicht monolithisch integrierbar. Zudem können Phasenfehler durch Alterung und Temperaturschwankungen auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genann­ ten Art anzugeben, die über einen weiteren Frequenzbereich auf einfache und zuverlässige Weise die gewünschten ortho­ gonalen Ausgangssignale bereitstellt.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in relativ geringer Komplexität integrierbar. Da die Schaltungsanord­ nung frequenzhalbierend wirkt, muß das Eingangssignal des Flip-Flops die gegenüber der benötigten Ausgangssignalfre­ quenz doppelte Frequenz aufweisen. Hierzu kann sowohl ein Oszillatorsignal bei der doppelten Frequenz als auch ein Oszillatorsignal bei der einfachen Frequenz unter Zwi­ schenschaltung einer Frequenzverdopplerstufe dienen.

Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit, über einen Re­ gelkreis eventuell auftretende Phasenfehler gegenüber der 90° -Phasenverschiebung auszuregeln.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch einge­ hend 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, T6 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 Schaltzeitpukte. 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 (6)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung zweier um 90° pha­ senverschobener Ausgangssignale aus einem Eingangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal an dem Ein­ gang eines Master-Slave-D-Flip-Flops in Toggle-Betrieb an­ gelegt ist und das eine Ausgangssignal am Ausgang der Ma­ ster-Stufe, das andere Ausgangssignal am Ausgang der Slave-Stufe abgenommen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Master-Stufe und die Slave-Stufe durch je einen von zwei getrennten, als Differenzverstärker aus­ geführten Taktstromschaltern angesteuert sind, deren ent­ sprechende Eingänge miteinander verbunden sind, und daß das Eingangssignal an den Eingängen der Differenzverstär­ ker liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis zur Regelung der relativen Phasenverschiebung von 90° zwischen den bei­ den Ausgangssignalen vorhanden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Regelkreis einen Phasendemodulator ent­ hält, welcher die relative Phasenlage der beiden Ausgangs­ spannungen überwacht und daraus ein Regelsignal ableitet.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Regelkreis einen Detektor zur Überwa­ chung des Tastverhältnisses des Eingangssignals des Flip- Flops enthält, der ein Regelsignal erzeugt.

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