DE10139112B4 - Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung - Google Patents

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Abstract

Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung mit einer Schwingkreisschaltung, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist, die eine im wesentlichen konstante Versorgungsspannung liefert, und mindestens eine Kapazitätsdiode umfaßt, und einer Steuerspannungserzeugungsschaltung, deren Ausgang mit der Anode der Kapazitätsdiode verbunden ist, wobei die Frequenz des Schwingungssignals der Schwingkreisschaltung durch Änderung der Steuerspannung, und damit der Sperrspannung über der Kapazitätsdiode, variiert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Spannungsquelle und der Schwingkreisschaltung eine Spannungswandlungsschaltung und ein Schalter zum wahlweisen Ein- und Ausschalten der Spannungswandlungsschaltung liegt, wobei der Wandlungsfaktor der Spannungswandlungsschaltung so gewählt ist, daß ein zweiter Abstimmbereich der Kapazitätsdiode und dadurch ein weiterer Frequenzbereich des Schwingungssignals verfügbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung (VCO) mit einer Schwingkreisschaltung, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist, die eine im wesentlichen konstante Versorgungsspannung liefert, und mindestens eine Kapazitätsdiode umfaßt, und einer Steuerspannungserzeugungsschaltung, deren Ausgang mit der Anode der Kapazitätsdiode verbunden ist, wobei die Frequenz des Schwingungssignals der Schwingkreisschaltung durch Änderung der Steuerspannung, und damit der Sperrspannung über der Kapazitätsdiode, variiert werden kann.
  • Solche in der Regel in integrierter Form ausgebildeten spannungsgesteuerten Oszillatorschaltungen, die zum Beispiel in PLL-Schaltungen verwendet werden, sind im Stand der Technik bekannt. Sie werden häufig von fest vorgegebenen Batteriespannungen betrieben. Da in der Elektronik der Trend zu immer niedrigeren Standardbatteriespannungen geht, besteht ein Problem derartiger Schaltungen darin, daß mit zunehmendem Absinken der Versorgungsspannung es zunehmend schwieriger wird, einen ausreichenden Abstimmbereich der Kapazitätsdiode und damit Frequenzbereich des Schwingungssignals zu realisieren.
  • Eine andere Möglichkeit zur Realisierung der Schwingkreisanordnung bestände in einer kompletten Änderung des Schaltungsaufbaus, indem die Anode der Kapazitätsdiode an Masse gelegt würde. Hierbei wären jedoch zusätzliche Schaltungsbausteine wie Sperrkondensatoren und Widerstände erforderlich, die ihrerseits wiederum den Abstimmbereich vermindern und zudem noch das Phasenrauschen und den Stromverbrauch negativ beeinträchtigen würden.
  • Eine Schwingkreisanordnung, bei der die Anode der Kapazitätsdiode an Masse liegt, ist aus der US 6 157 821 A bekannt. Um trotz niedriger Batteriespannung einen ausreichenden Frequenzbereich des Schwingungssignals zu erhalten und dabei vermehrtes Rauschen zu vermeiden, ist eine Spannungswandlungsschaltung zwischen die Versorgungsspannung und eine zur Erzeugung der Steuerspannung verwendete Ladungspumpschaltung geschaltet, die den Spannungsbereich eines spannungsgesteuerten Oszillators erhöht. Um das Rauschen weiter zu vermindern, ist zwischen die Ladungspumpschaltung und den spannungsgesteuerten Oszillator ein Filter geschaltet.
  • Ferner sei an dieser Stelle auf die US 5 838 180 A verwiesen, aus der eine Steuerspannnungserzeugungsschaltung zur Verwendung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator bekannt ist, die u.a. eine Spannungsvervielfacherschaltung enthält, um den Betrieb des spannungsgesteuerten Oszillators mit Versorgungsspannungen von unter 3 Volt zu ermöglichen.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die eingangs erwähnte spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung so weiterzubilden, daß sie auch in Verbindung mit kleinen im wesentlichen konstanten Versorgungsspannungen, wie sie von Batterien geliefert werden, eingesetzt werden kann und dabei ein geringes Phasenrauschen, einen geringen Stromverbrauch und einen großen Abstimmbereich aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine eingangs erwähnte spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung erfüllt, bei welcher zwischen der Spannungsquelle und der Schwingkreisschaltung eine Spannungswandlungsschaltung und ein Schalter zum wahlweisen Ein- und Ausschalten der Spannungswandlungsschaltung liegt, wobei der Wandlungsfaktor der Spannungswandlungsschaltung so gewählt ist, dass ein zweiter Abstimmbereich der Kapazitätsdiode und dadurch ein weiterer Frequenzbereich des Schwingungssignals verfügbar ist.
  • Diese Erfindung weist mehrere Vorteile auf. So läßt sich die gesamte Konfiguration einer bisher verwendeten spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung unverändert weiterbenutzen, insbesondere kann die Steuerspannungserzeugungsschaltung unverändert übernommen werden. Es ist nur der Einbau zusätzlicher Komponenten erforderlich, nicht aber die Veränderung bereits bestehender Komponenten. Da sich das Signal der Spannungswandlungsschaltung sauber filtern läßt, wird eine Zunahme des Phasenrauschens vermieden. Da bei Verwendung der Spannungswandlungsschaltung stets relativ hohe (Sperr-)Spannungen über der Kapazitätsdiode liegen, haben etwaige Störungen und Brummsignale nur einen geringen Einfluß auf das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung. Darüber hinaus läßt sich der spannungsgesteuerte Oszillator weiter bei einer definierten Versorgungsspannung betreiben. Eine Umrüstung oder die Benutzung mehrerer Spannungsquellen ist nicht erforderlich. Im Gegensatz zu anderen Schwingkreisanordnungen, bei welchen die Anode der Kapazitätsdiode über Widerstände nach Massepotential gelegt wird, wird der Steuerbereich der vorgeschlagenen Oszillatorschaltung nicht durch zusätzliche Sperrkondensatoren verkleinert. Dadurch kann für die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung im Vergleich zu derartigen Schaltungen nach dem Stand der Technik der Frequenzbereich der Schaltung in einfacher und effizienter Weise deutlich vergrößert werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
    •
  • Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 einen Schaltplan der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung mit einer Spannungswandlungsschaltung und einem Schalter zum wahlweisen Ein- und Ausschalten der Spannungswandlungsschaltung;
  • 2 zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung einen über die Differenz von Versorgungsspannung und Steuerspannung aufgetragenen Verlauf der Frequenz des Signals der Oszillatorschaltung.
  • 1 zeigt einen Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung. Im folgenden wird zunächst der Aufbau der Schaltung beschrieben.
  • Die Schaltung umfaßt in der hier dargestellten Ausführungsform einen identisch aufgebauten Schwingkreis, der in bekannter Weise aus den Spulen L1 bzw. L2 und den Kapazitätsdioden CD1 bzw. CD2 aufgebaut sind. Die Spulen L1 und L2 sind an jeweils einem Ende miteinander und mit der Versorgungsspannung verbunden. Das jeweils noch freie Ende von L1 bzw. L2 ist mit der Kathode von CD1 bzw. der Kathode von CD2 verbunden. Darüber hinaus sind die Anoden der Kapazitätsdioden CD1 bzw. CD2 miteinander verbunden.
  • Die Kathode der Kapazitätsdiode CD1 ist mit dem Kollektor eines Transistors T1, die Kathode der Kapazitätsdiode CD2 ist mit dem Kollektor eines Transistors T2 verbunden. Der Kollektor des Transistors T1 ist weiter mit der Basis des Transistors T2, der Kollektor des Transistors T2 mit der Basis des Transistors T1 verbunden. Anstatt der direkten Verbindungen zwischen den Transistoren können alternativ auch zusätzliche Bauteile wie Kondensatoren oder Verstärker an den Positionen A und B eingesetzt werden. Die Emitter der Transistoren T1, T2 sind miteinander und über eine Stromquelle I mit Masse verbunden.
  • Die oben beschriebene Konfiguration mit den Transistoren T1 und T2 ist dem Fachmann als emittergekoppelte Verstärkerschaltung oder Differenzverstärker bekannt, deren genaue Funktion nicht mehr weiter beschrieben werden muß. Durch die Verbindung der Schwingkreisschaltung mit der emittergekoppelten Verstärkerschaltung wird das Signal der Schwingkreisschaltung verstärkt und am Kollektor der Transistoren T1 und T2 ein Signal mit einer definierten Frequenz f abgegeben. Der Einsatz eines emittergekoppelten Verstärkers in einer Oszillatorschaltung ist besonders vorteilhaft, da er einen besonders einfachen und kompakten Aufbau ermöglicht.
  • Die Anoden der Kapazitätsdioden CD1 und CD2 sind weiter mit einer Steuerspannung Vsteuer verbunden, die von einer Steuerspannungserzeugungsschaltung bereitgestellt wird, bei der es sich z.B. um eine Ladungspumpe (Synthesizer) einer PLL-Schaltung handeln kann. Der symmetrische Aufbau des Schwingkreises ist für eine einfache Einkopplung der Steuerspannung besonders vorteilhaft. Die Verbindung zwischen den beiden Spulen L1 und L2 ist weiter mit einer Eingangsspannung Vcc verbunden.
  • Die Eingangsspannung Vcc wird dann, wenn der in der 1 dargestellte Schalter sich in der Stellung I befindet, direkt von einer Versorgungsspannungsquelle (Batterie) geliefert und beträgt dann Vsupply.
  • Befindet sich der Schalter in der Stellung II, so wird die Spannung der Batterie verdoppelt und dann an den Schwingkreis gelegt (2·Vsupply = Vcc).
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn, wie in der 1 dargestellt, vor und hinter dem Schalter Filter eingesetzt werden. Damit kann z.B. das Ausgangssignal eines aus einer Ladungspumpe bestehenden Spannungsverdopplers in geeigneter Weise gefiltert werden.
  • Im folgenden wird die Funktionsweise der in 1 dargestellten Schaltung beschrieben.
  • Dabei soll zunächst der Fall betrachtet werden, daß die Spannungsquelle direkt die Eingangsspannung Vcc bereitstellt, d. h. der Schalter befindet sich in der Stellung I, womit Vcc=Vsupply gilt. An der Schwingkreisschaltung liegt dann die Spannung Vd = Vcc – Vsteuer = Vsupply – Vsteuer (1)an.
  • Die Kapazitäten C1, C2 der Kapazitätsdioden CD1, CD2 hängen von der an diesen anliegenden Spannung Vd ab. Die Spulen L1 und L2 sowie die Kapazitätsdioden CD1 und CD2 sollen in der hier vorliegenden Schaltung baugleich sein, d.h. L = L1 = L2 und C = C1 = C2 = C(Vd). Die Frequenz f der Schwingkreisschaltung wird dann in bekannter Weise durch f = 1/[2·π·(L·C(Vd)½] (2)oder mit (1) durch f = 1/[2·π·(L·C(Vsupply – Vsteuer))½] (3)bestimmt. Bei fester Induktivität L und fester Versorgungsspannung Vsupply ist die Frequenz f des Schwingkreises damit nur noch eine Funktion der Steuerspannung Vsteuer.
  • Befindet sich der Schalter in der Stellung II, so wird mit dem Spannungsverdoppler erreicht, daß die Eingangsspannung den Wert Vcc = 2·Vsupply annimmt und über der Schwingkreisschaltung die Spannung Vd = Vcc – Vsteuer = 2·Vsupply – Vsteuer (4)anliegt. Mit (2) ergibt sich dann die Frequenz f der Schwingkreisschaltung f = 1/[2·π·(L·C(2·Vsupply – Vsteuer))½] (5)und damit bei geeigneter Wahl der Kapazitätsdioden CD1 und CD2 ein zusätzlicher Frequenzbereich für das Ausgangssignal des Oszillators.
  • In 2 ist der Verlauf der Frequenz f des Oszillators in Abhängigkeit von der an der Schwingkreisschaltung anliegenden Spannung Vd für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
  • Je nach Typ der Kapazitätsdiode ist die Kapazität C in unterschiedlicher Weise von der anliegenden Spannung Vd abhängig. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Kapazitätsdiode gewählt, die im betrachteten Bereich mit der Formel C = k·Vd-2 (6)beschrieben werden kann, wobei k eine Konstante ist. Wie im folgenden gezeigt wird, ist dieser Kapazitätsdiodentyp besonders vorteilhaft, weil die Frequenz des Oszillators dann linear von der Steuerspannung abhängt.
  • Die Frequenz f des Oszillators gehorcht unter Verwendung von (2) und (6) der Beziehung f = Vd/[2·π·(k·L)½] (7)
  • Bei fester Induktivität L und konstantem k ist die Frequenz f des Oszillators damit nur noch eine lineare Funktion der an der Kapazitätsdiode angelegten Spannung Vd.
  • Betreibt man die Oszillatorschaltung in der Schalterstellung I und setzt (1) in (7) ein, so ergibt sich f = [Vsupply – Vsteuer]/[2·π·(k·L)½] (8)
  • Die Grenzen des Regelbereichs der Frequenz f werden somit bei vorgegebener Versorgungsspannung Vsupply von der maximalen Regelspannung Vsteuermax und der minimalen Regelspannung Vsteuermin bestimmt und der Oszillator kann einen Frequenzbereich von [Vsupply – Vsteuermax]/[2·π·(k·L)½] bis [Vsupply – Vsteuermin]/[2·π·(k·L)½] abdecken. Dieser ist in 2 als Steuerbereich 1 dargestellt.
  • Betreibt man die Oszillatorschaltung in der Schalterstellung II und wählt man eine Kapazitätsdiode des Typs gemäß (6), so gehorcht die Frequenz f des Oszillators unter Verwendung von (4) und (7) der Beziehung f = [2·Vsupply – Vsteuer]/[2·π·(k·L)½] (9)
  • In Schalterstellung II deckt der Oszillator also einen Frequenzbereich von [2·Vsupply – Vsteuermax]/[2·π·(k·L)½]] bis [2·Vsupply – Vsteuermin]/[2·π·(k·L)½] ab. Dieser ist in 2 als Steuerbereich 2 dargestellt. Wie zu erkennen ist, ermöglicht der Spannungsverdoppler eine besonders vorteilhafte Erweiterung des Steuerbereichs des spannungsgesteuerten Oszillators, da dieser bei geeigneter Wahl von Vsteuermax und Vsteuermin in gewissen Grenzen nahezu beliebig gelegt werden kann und damit auch fast kontinuierlich an den ursprünglichen Steuerbereich 1 anschließen kann.
  • Die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung kann zum Beispiel als VCO in einer PLL-Schaltung eingesetzt werden.

Claims (12)

  1. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung mit einer Schwingkreisschaltung, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist, die eine im wesentlichen konstante Versorgungsspannung liefert, und mindestens eine Kapazitätsdiode umfaßt, und einer Steuerspannungserzeugungsschaltung, deren Ausgang mit der Anode der Kapazitätsdiode verbunden ist, wobei die Frequenz des Schwingungssignals der Schwingkreisschaltung durch Änderung der Steuerspannung, und damit der Sperrspannung über der Kapazitätsdiode, variiert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Spannungsquelle und der Schwingkreisschaltung eine Spannungswandlungsschaltung und ein Schalter zum wahlweisen Ein- und Ausschalten der Spannungswandlungsschaltung liegt, wobei der Wandlungsfaktor der Spannungswandlungsschaltung so gewählt ist, daß ein zweiter Abstimmbereich der Kapazitätsdiode und dadurch ein weiterer Frequenzbereich des Schwingungssignals verfügbar ist.
  2. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, bei der die Schwingkreisschaltung zwei Kapazitätsdioden umfaßt, deren Anoden miteinander verbunden sind.
  3. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kapazitätsdiode so ausgebildet ist, daß ihre Kapazität indirekt proportional zum Quadrat der über der Kapazitätsdiode anliegenden Spannung ist.
  4. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schwingkreisschaltung zwei Spulen umfaßt.
  5. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spannungswandlungsschaltung ein Spannungsverdoppler ist.
  6. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung nach Anspruch 5, bei der der Spannungsverdoppler in Form einer Ladungspumpschaltung ausgebildet ist.
  7. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen Spannungswandlungsschaltung und Schalter ein Filter geschaltet ist.
  8. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen der Schwingkreisschaltung und dem Schalter ein Filter geschaltet ist.
  9. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Oszillatorschaltung ferner eine emittergekoppelte Differenzverstärkerschaltung umfaßt, die das Schwingungssignal der Schwingkreisschaltung verstärkt.
  10. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spannungsquelle eine Batterie ist.
  11. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die in Form einer integrierten Schaltung ausgebildet ist.
  12. PLL-Schaltung mit einer spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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