CN1795605A

CN1795605A - 用于调节频率的装置

Info

Publication number: CN1795605A
Application number: CNA2004800147496A
Authority: CN
Inventors: C·卡斯纳夫; R·蒙诺
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2006-06-28
Also published as: US20070018731A1; EP1627466A1; WO2004107559A1; DE10324392A1; KR20060013424A

Abstract

公开了一种数控振荡器电路，包括具有以下特征的振荡回路：用于生成具有确定的高精度频率的振荡的振荡元件，和与该振荡元件相连接的用于改变该振荡元件的振荡频率的调节装置(IWS)。该调节装置在此具有以下部件。一方面它具有可数控的第一电容组(KB21)，在该第一电容组(KB21)中多个第一调节电容器以互相并联的形式布置，并且是可以单独控制的，以便调节预先决定的第一总电容(C_vgrob)。另一方面它具有微调电路(FES)，该微调电路(FES)与第一电容组(KB21)并联并具有第一电容器(C_a)，该第一电容器(C_a)与由第二电容器(C_b)和可数控的第二电容组(KB22)组成的并联电路相串联，在该第二电容组中多个电容器以互相并联的形式布置，并且是可以单独控制的，以便调节预先决定的第二总电容(C_vfein)。

Description

用于调节频率的装置

本发明涉及一种用于生成或调节频率的装置，它尤其涉及一种用于生成具有高精度或高分辨率的频率的振荡器电路。这种装置在诸如移动电话的移动无线电装置中尤其用于频率调节。

在许多电子设备中，尤其是也在像移动电话那样的电信设备中，需要振荡器或时钟发生器。利用这些振荡器或时钟发生器例如生成发送信号，处理另外的信号，或对处理器定时。振荡器生成具有某种重复率、即频率的以某种节拍变化的信号。该频率通常必须是可以很精细地调节的。在传统的模拟控制的振荡器中，通过改变电子电路中的参数的模拟控制信号(电压、电流、...)来实现这种可调节性。但是若干时间以来，也使用在电路中转接或接通/断开元件的振荡器。由于元件(例如电容器)随后不能通过中间值，所以频率只能以确定的步进来调节并且不是连续的。如果步进过于粗略，则这在有些系统中导致问题。人们将这些振荡器类型称为数控振荡器(DCD＝DigitallyControlled Oscillators)。以下更详细地阐述这种频率调节。

尤其是在移动无线电装置中重要的是，生成作为具有高频率精度的数据信号的载频(该数据信号被调制到该载频上)的频率。例如像移动电话那样的移动站必须能够在由基站相应地请求时调节基站所请求的频率，以便建立良好的通信连接。为此目的，在移动电话中设置有振荡器电路或振荡器，该振荡器能够生成具有高精度的频率或载频，其中该振荡器的频率是可调节的。

图1中展示了振荡器电路或振荡器的一种实施方案，如例如在移动电话或一般地在移动无线电设备中所采用的那样。在此，在电路的中心展示了石英元件QO，该石英元件QO被设计用于生成具有高精度频率的振荡。由振荡器电路或石英元件QO生成的频率在此情况下用作紧接着的频率处理装置的参考频率。在例如按照GSM(全球移动通信系统)标准工作的移动电话中，所生成的频率可以位于26MHz±2.6Hz处。在该实例中，所生成的频率被提供给无线电芯片FC上的无线电装置FE。在该无线电装置FE中，必要时将该频率提供给乘法装置或(未示出的)倍频器，以便例如在相应的乘法以后生成具有多倍值的频率。在按照GSM标准工作的移动电话的实例中，作为数据信号的载频的倍增的频率应为900MHz。现在借助无线电装置或与该无线电装置相连接的(未示出的)天线向基站传送基于所生成的倍增的载频的无线电信号，该基站在需要时回送无线电信号，在该无线电信号中它请求移动电话改变或匹配频率或载频。由移动电话的无线电装置FE处理这种请求，以便启动用于匹配载频的过程。

无线电装置FE或与该无线电装置FE相连接的控制装置此时生成输送给调节电路或调谐电路TS的模拟控制信号ASS(通过图左边缘上的箭头来表明)，该调节电路或调谐电路TS与石英元件相连接。该模拟控制信号ASS在此情况下首先通过调谐电路TS的由多个电阻和电容器组成的滤波器段FI，以便例如滤出外部的干扰。该模拟控制信号随后被输送给调谐电路的核心件、即具有压控电容的变容二极管VC。通过借助该模拟控制信号来调节变容二极管VC上的电容，可以因此如此来影响石英元件QO的振荡，使得改变(这里在实例中用于生成倍增的载频的)整个振荡器电路的频率(关于进一步的说明也请参阅图3)，以便满足基站的请求。

借助刚才所说明的调谐电路来模拟地生成或修正石英振荡器的控制电压，这虽然提供了在一定程度上任意准确的或连续的修正的优点，并且能够在石英振荡器上实现精确的频率调节，但是不利的是，由于所采用的模拟控制信号而导致的该方法的高的干扰敏感性，以及在调谐电路、尤其是变容二极管VC相对于无线电芯片FC布置在外部时的高额成本。

替代外部的调谐电路TS、即未设置在无线电芯片上的调谐电路，也可以在无线电芯片上设置用于生成控制信号或控制电压的调谐电路，该调谐电路允许数字频率修正。为此在图2中展示了一种石英振荡器或其线路布置的一种实施方案，在该线路布置中调谐电路被设置在无线电芯片中。

按照图1，设置有被设计用于生成具有高精度频率的振荡的石英元件QO。如果现在因为例如如上所述应执行载频与由基站所请求的值的匹配而应改变由石英元件或振荡器电路所生成的频率，则现在不再像图1中那样借助模拟调谐电路、而是借助可数控的电容组(Kapazitaetsbank)KB11来执行匹配。该电容组KB11在此情况下包括多个并联的电容器K11-K14，可以单独地接通或断开这些电容器K11-K14，以便达到具有确定值的第一总电容。借助分配给每一个电容器K11-K14的开关S11-S14来实现这种接通或断开。在此情况下，由无线电装置FE或(未示出的)控制装置发送数字编程代码或修正代码到电容组KB11上，于是在该电容组KB11中接通或断开相应的电容器。现在根据因此生成的第一总电容如此来影响石英元件QO的振荡，使得又引起由石英振荡器QO所生成的频率的改变或匹配。

刚才示出的石英振荡器的数字频率修正方法虽然因为可以在一个无线电芯片上设置所有用于振荡器电路(包括石英振荡器)的部件而提供了微小的干扰敏感性以及价格便宜的制造可能性。但是由于在通过电容组KB11生成控制电容时，基于在接通或断开调节电容器K11-K14时(第一)总电容的离散的或量化的变化δC，只能利用电容δC生成离散的或量化的频率或频率变化，所以在图2中所展示的数字频率修正的情况下不可能准确地调节由石英振荡器QO所生成的频率(关于进一步的说明也请参阅图6)。

因此本发明的任务是创造一种用于生成频率的可能性，该可能性允许成本低地调节具有高精度的频率。

该任务通过独立权利要求的主题来解决。有利的扩展方案是从属权利要求的主题。

在此，数控振荡器首先具有一个或至少一个决定频率的元件，用于生成具有确定的高精度频率的振荡。在此情况下可以涉及一种尤其是以石英元件为实施形式的振荡元件。该振荡器电路还具有与决定频率的元件相连接的调节装置，用于改变该振荡器电路的振荡频率，其中该调节装置具有以下部件。它具有可数控的第一电抗组，在该第一电抗组中多个第一调节电抗以互相联接的形式布置，并且是可以单独控制的，以便调节预先决定的第一总电抗。在这里，联接可以像在下文中那样是并联或串联。此外还要注意的是，应将电抗理解为仅由感抗和/或容抗引起的交流电的阻抗，并且在这里是电容或电容器和/或电感或线圈等等的概括。此外，该调节装置具有微调电路，该微调电路此外被连接到第一电抗组，并且该微调电路具有第一电抗，该第一电抗与由第二电抗和可数控的第二电抗组组成的并联电路相串联，在该可数控的第二电抗组中多个第二调节电抗以互相联接的形式布置，并且是可以单独控制的，以便调节预先决定的第二总电抗。

根据一种有利的扩展方案，该调节装置具有可数控的(作为第一电抗组的)第一电容组，在该第一电容组中多个(作为第一调节电抗的)第一调节电容器以互相联接的形式布置，并且是可以单独控制的，以便调节预先决定的(作为第一总电抗的)第一总电容。该调节装置还具有微调电路，该微调电路此外被连接到第一电容组，并且该微调电路具有(作为第一电抗的)第一电容器，该第一电容器与由(作为第二电抗的)第二电容器和可数控的(作为第二电抗组的)第二电容组组成的并联电路相串联，在该可数控的第二电容组中多个(作为第二调节电抗的)第二调节电容器以互相联接的形式布置，并且是可以单独控制的，以便调节预先决定的(作为第二总电抗的)第二总电容。

根据另一种有利的扩展方案，该调节装置可以相应地具有可数控的(作为第一电抗组的)第一电感组，在该可数控的第一电感组中多个(作为第一调节电抗的)第一调节电感以互相联接的形式布置，并且是可以单独控制的，以便调节预先决定的(作为第一总电抗的)第一总电感。该调节装置还具有微调电路，该微调电路此外被连接到第一电容组，并且该微调电路具有(作为第一电抗的)第一电感，该第一电感与由(作为第二电抗的)第二电感和可数控的(作为第二电抗组的)第二电感组组成的并联电路相串联，在该可数控的第二电感组中多个(作为第二调节电抗的)第二调节电感以互相联接的形式布置，并且是可以单独控制的，以便调节预先决定的(作为第二总电抗的)第二总电感。该调节电感在此可以包括线圈、振荡回路或具有确定电感的线路。

根据本发明的数控振荡器电路在此具有以下优点：

a)以数字方式实现振荡器的振荡回路的频率修正，并且于是例如不依赖于D/A(数/模)转换器特性(例如在供电电压扰动时的特性)。

b)可以将编程代码以数字方式发送到调节装置的电容组上，由此引起大的干扰不敏感性。可以省略(像在模拟频率修正时那样的)滤波。

c)由于可以将振荡器电路的所有部件设置在一个芯片上，所以导致位置、元件和成本、甚至装配成本的节约。

d)通过完全集成在一个集成电路中，显著降低电气设备中的振荡器电路的开发时间。

通过在调节装置中采用微调电路，可以实现几乎任意的分辨率，并且因此实现很准确的频率调节。

根据本发明的另一方面，创造一种具有根据上述扩展方案的振荡器电路的电气设备。该电气设备可以具有无线电模块或无线电装置，在该无线电模块中设置有振荡器电路，尤其用于生成作为无线电信号的载频的基础的频率。在此情况下，该电气设备可以被构造为(便携式)计算机或被构造为移动无线电设备、尤其是移动电话。该无线电模块或移动无线电设备可以按照GSM(全球移动通信系统)、UMTS(通用移动电信系统)、DECT(数字增强无线电信)、WLAN(无线局域网)或CDMA(码分多址)标准工作。

以下参考附图来更详细地阐述本发明的优选的实施形式。

图1展示了用于借助模拟频率修正来生成和调节频率的电路；

图2展示了用于借助数字频率修正来生成和调节频率的电路；

图3展示了一种电路的详细示图，该电路用于尤其借助模拟频率修正来生成和调节频率；

图4以图3的部件的等效电路图展示了用于生成和调节频率的电路的详细示图；

图5展示了图4的等效电路图，其中将多个电容器汇总成一个负载电容器C_L或一个负载电容；

图6展示了一个用于阐述在实例中借助多个对地的小电容器的并联来生成数控可变电容的示意图；

图7展示了作为负载电容C_L的函数的频率f(C_L)的示图；

图8展示了根据一种用于调节振荡器电路的频率的本发明实施形式、例如根据图5的阻抗转换器电路的电路图。

在以下借助振荡器或振荡器电路来阐述用于生成或调节频率的电路的优选实施形式之前，首先将再次根据石英振荡器(CXO：受控石英振荡器)的实例来探讨可调节的振荡器或振荡器电路的基本理论。

1.在可调节的振荡器情况下的频率调节

图3A在此再次展示了受控振荡器或振荡器电路的、形成振荡回路或振荡系统的三个主要部件：

a)有源部件AT：该有源部件AT起着负电阻的作用，并且允许系统的振荡，因为它补偿了电路的剩余部分的电阻。该有源部件可以用与电容器(C_有源)串联的负电阻(-R或-R_有源)来示出(请参阅图3B)。

b)决定频率的部件FT(这里是石英)：该决定频率的部件FT大多作为具有并联电容器C₀的串联RLC电路示出。对于石英振荡器的情况，具有一定精度的石英参数R₁、C₁和L₁是已知的(请参阅图3C)。

c)调节部件ET：它大多通过用于电路定中心的可调节的电容器(C_v)和若干固定的电容器(这里是C_s和C_p)来实现(请参阅图3D)。该可调节的电容器可以通过大多为电压(在此情况下是VC(X)O或“压控(石英)振荡器”)的模拟信号(如已经根据图1所阐述的那样)或通过数字信号(如以下还将更准确地阐述的那样)来调节。

图4展示了刚才所阐述的具有等效部件的石英振荡器电路。

如果如在图5中已执行的那样总计或汇总电容器C_v，C_p，C_s和C_{有源}，则可以简化振荡器或振荡器电路的示图：振荡元件现在与电容或负载电容C_L相串联。C_L是C_v、C_p、C_s和C_有源的函数。在该特殊情况下，C_L可以根据图4来计算(等式1)：

如果用

f_{0} = {(2 π \sqrt{L_{1} \cdot C_{1}})}^{- 1}

来描述石英的固有频率，则现在可以将频率f表达为C_L的函数(等式2)，其中电路能以该频率振荡：

f (C_{L}) = f_{0} \cdot (1 + \frac{c_{1}}{2 \cdot (C_{0} + C_{L})}) - - - - (2)

图7中展示了负载电容C_L的频率f的这种函数。

于是可以通过改变负载电容C_L并且由于C_L本身依赖于C_v而通过改变可调节的电容C_v来调节振荡器电路的频率f。

2.数控的振荡器电路的实现

以下现在将阐述可调节的电容C_v的一般性实现，如在上面已经说明的那样。

借助图6展示了生成具有可变电容的电容器的基本原理。通过例如多个电容器K01-K04与小电容dC_v的并联，生成较大的电容或总电容C_V。这种并联电路也称为电容组KB01(关于此也请参阅涉及具有各个调节电容器K11-K14的电容组KB11的图2)。如果借助每个单个电容或每个单个电容器的开关S01-S04的转换(借助编程代码)是可编程的，大电容C_V的值则是可变的。

因此为以下的阐述而假设，电容组KB01具有总电容C_v，该总电容C_V通过各个电容dC_v的接通或断开是可变的或可调节的。

利用刚才所说明的方案，频率精度非常依赖于最小可实现的电容dC_v。如果将频率看作整个负载电容C_L的函数(请参阅等式2和图7)，则针对频率精度df(C_L)得出：

df (C_{L}) = (\frac{&PartialD; f}{{&PartialD; C}_{L}}) \cdot {dC}_{L}

值dC_L在这里是对于整个负载电容的值来说可以达到的精度。因为C_L是C_v的函数，所以也可以写出：

{dC}_{L} (C_{v}) = (\frac{{&PartialD; C}_{L}}{{&PartialD; C}_{v}}) \cdot {dC}_{v}

该两个等式给出了作为整个负载电容C_L(C_v)和电容组的电容步进dC_v的函数的频率精度(等式3)：

df (C_{v}) = (\frac{&PartialD; f}{&PartialD; C_{L}}) \cdot (\frac{{&PartialD; C}_{L}}{{&PartialD; C}_{v}}) \cdot {dC}_{v} - - - - (3)

在根据图3-5的振荡器电路的本实例中，可以如下写出紧接着的两个等式：

\frac{&PartialD; f}{{&PartialD; C}_{L}} = - \frac{f_{0} \cdot C_{1}}{2 \cdot {(C_{0} + C_{L})}^{2}}

为了获得数量级的概念，应考察以下的计算实例。如果C_v＝10pF和dC_v＝2fF适用，并且石英参数具有下列值：

f₀＝25992606Hz

C₁＝6.6fF

C₀＝1.6pF

则在此情况下可计算出电路的频率精度。

利用：

C_P＝4pF

C_s＝C_有源＝40pF

来确定电路的尺寸。

在该情况下得出：

\begin{matrix} C_{L} = 8.24 pF \\ \frac{&PartialD; F}{{&PartialD; C}_{L}} (C_{L}) = 1773.45 Hz / pF \\ \frac{{&PartialD; C}_{L}}{{&PartialD; C}_{v}} (C_{v}) = 0.346 \end{matrix}\} &DoubleRightArrow; df (C_{v} = 10 pF) = 1.22 Hz

但是存在这种精度不够的情况(例如在移动无线电装置中，像在按照GSM标准工作的移动电话中)。于是尝试优化石英参数或电路中的其它值，但是回旋余地常常是很小的。

此外可以尝试降低电容dC_v的值。可惜有时由于技术原因这是不可能的。对于这种情况，现在可以采用一种根据本发明实施形式的解决方案，该解决方案将在下文中进行说明。

3.通过使用阻抗转换器来提高精度

现在用具有两个电容组、即具有可调电容C_vgrob的第一电容组KB21和具有可调电容C_vfein的第二电容组KB22的阻抗转换器电路IWS来代替上述的(简单的)具有可变电容C_v的电容组KB01。要提及的是，新的电容组中的每一个的结构(调节电容器的并联电路)和作用方式对应于电容组KB01的(或图2的电容组KB11的)作用方式。图8中展示了阻抗转换器电路的布线。在此，电容器C_a、电容器C_b和第二电容组KB22构成一个微调装置或微调电路FES，如在下文中将对其进行阐述。对于两个组中的每一个组来说，通过(在制造电容器时的)技术或通过电容组中的电容器的数量，电容变化的最好可达到的精度dC_v被限制在电容器或调节电容器的最小可达到的电容dC_vmin内。在大多数情况下如此来确定电容C_vgrob的尺寸，使得以平均的精度来实现所希望的频率牵引范围f(C_vgrobmax)-f(C_vgrobmin)。于是在这里通过C_vfein、C_a和C_b的组合来实现精密的精度。

阻抗转换器电路IWS的等效的电容或总电容现在用C_v来表示，并且可以如下来计算(等式4)：

C_{v} = C_{vgrob +} \frac{C_{a} \cdot (C_{b} + C_{vfein})}{C_{a} + C_{b} + C_{vfein}}

= C_{vgrob} + \frac{(\frac{C_{a} C_{b}}{C_{a} + C_{b}} + \frac{C_{vfein}}{C_{a} + C_{b}}) \cdot {(1 + \frac{C_{a} C_{vfein}}{C_{a} + C_{b}})}^{- 1}}{C_{add} (C_{a}, C_{b}, C_{vfein})} - - - - (4)

从中可以看出，由粗略的电容C_vgrob和更精密量化的电容C_add的总和得出C_v。

如果ΔC_add＝C_add(C_vfeinmax)-C_add(C_vfeinmin)是电容C_add必须覆盖的最大电容范围，则在大多数的情况下希望：

0≤ΔC_add≤dC_vgrob适用。

这里合理的是，选择C_a+C_b＞＞C_vfein。于是可以利用一种近似如下来简化C_v(等式5)：

C_{v} ~ C_{vgrob} + \frac{C_{a} C_{b}}{C_{a} + C_{b}} + {(\frac{C_{a}}{C_{a} + C_{b}})}^{2} \cdot C_{vfein} - - - - (5)

等式5展示了，通过C_a和C_b的巧妙的选择可以线性地使用C_v。于是C_vgrob的一个步进正好相当于通过C_a和C_b所转换的电容范围。这在第2点中已实现了。仅还剩下要指明，精度已得到改善。

如果将C_vfein转换一个小的步进或电容步进dC_vfein，这对于dC_v来说则相当于一个步进：

{dC}_{v} = (\frac{{&PartialD; C}_{v}}{{&PartialD; C}_{vfein}}) \cdot {dC}_{vfein}

在对等式4求导之后，导出并获得(等式6)：

{dC}_{v} = {(\frac{C_{a}}{C_{a} + C_{b} + C_{vfein}})}^{2} \cdot {dC}_{vfein} - - - - (6)

= {(\frac{C_{a}}{C_{a} + C_{b}})}^{2} \cdot {(1 + \frac{C_{vfein}}{C_{a} + C_{b}})}^{- 2} \cdot {dC}_{vfein}

为了达到精细的分辨率，必须如此来选择C_a和C_b，使得C_a+C_b＞＞C_vfein适用。于是可以如下来写出等式6：

{dC}_{v} ~ {(\frac{C_{a}}{C_{a} + C_{b}})}^{2} (1 - 2 \cdot \frac{C_{vfein}}{C_{a} + C_{b}}) \cdot {dC}_{vfein} - - - - (7)

这还可以简化为(等式8)：

{dC}_{v} ~ {(\frac{C_{a}}{C_{a} + C_{b}})}^{2} {dC}_{vfein} - - - - (8)

现在将在一个具体的数值实例中展示阻抗转换器电路IWS的有利的作用：用于制造电容器的技术允许制造具有作为最小值的电容值dC_vfein＝2fF(＝2飞法拉(Femtofarad))的电容组的调节电容器。选择C_a＝1pF和C_b＝10pF。于是阻抗转换器电路IWS的总电容C_v可以以dC_v的阶跃来量化，这些阶跃可以通过等式8来计算：最后在KB22的电容变化dC_vfein时针对阻抗转换器电路IWS的有效电容变化从中得出：dC_v＝0.0165fF。在相对于只采用一个电容组来调节负载电容的解决方案的分辨率的情况下，这相当于大约为121的改善系数。

关于振荡器电路的实际应用，如根据图1和2已阐述的那样，同样可以将根据本发明实施形式、即具有可数控的阻抗转换器电路IWS的振荡器电路集成在移动电话的无线电芯片上。例如在图2中所展示的电容组KB11可以用阻抗转换器电路IWS来代替。但是也可以设想将根据本发明实施形式的振荡器电路应用在需要具有高精度的频率用于其运行的其它电气设备中。

Claims

1.数控振荡器电路，具有以下特征：

决定频率的元件(QO)，用于生成具有确定的高精度频率的振荡；

与所述决定频率的元件(QO)相连接的调节装置(IWS)，用于改变所述振荡器电路(QO)的振荡频率，其中所述调节装置具有以下部件：

可数控的第一电抗组(KB21)，在该可数控的第一电抗组中多个第一调节电抗以互相联接的形式布置，并且是可以单独控制的，以便调节预先决定的第一总电抗(C_vgrob)；

微调电路(FES)，该微调电路(FES)此外连接到所述第一电抗组(KB21)，并且该微调电路(FES)具有第一电抗(C_a)，该第一电抗(C_a)与由第二电抗(C_b)和可数控的第二电抗组(KB22)组成的并联电路相串联，在该可数控的第二电抗组中多个第二调节电抗以互相联接的形式布置，并且是可以单独控制的，以便调节预先决定的第二总电抗(C_vfein)。

2.按权利要求1的振荡器电路，其中，所述决定频率的元件是尤其以石英元件为实施形式的振荡元件(QO)。

3.按权利要求1或2的振荡器电路，其中，所述第一(C_a)和第二(C_b)电抗共同包括一个作为所述第二总电抗(C_vfein)的大很多的电抗。

4.按权利要求1至3之一的振荡器电路，其中，通过数字编程代码可以控制所述第一(KB21)和/或第二(KB22)电抗组，其中根据所述编程代码来接通或断开相应的调节电抗。

5.按权利要求1至4之一的振荡器电路，其中，所述第一和/或第二电抗组是电容组，在该电容组中多个作为调节电抗的调节电容器以互相联接的形式布置，并且是可以单独控制的，以便调节预先决定的作为总电抗的总电容。

6.按权利要求1至4之一的振荡器电路，其中，所述第一和/或第二电抗组是电感组，在该电感组中多个作为调节电抗的调节电感以互相联接的形式布置，并且是可以单独控制的，以便调节预先决定的作为总电抗的总电感。

7.按权利要求6的振荡器电路，其中，所述调节电感是线圈、振荡回路或具有确定电感的线路。

8.具有按权利要求1至7之一的振荡器电路的电气设备。

9.按权利要求8的电气设备，该电气设备被构造为移动无线电设备、尤其是移动电话。

10.按权利要求9的电气设备，该电气设备按照GSM、UMTS、DECT、WLAN或CDMA标准工作。