DE102004025545A1

DE102004025545A1 - CMOS LC-tank Oscillator

Info

Publication number: DE102004025545A1
Application number: DE102004025545A
Authority: DE
Inventors: Frank Gelhausen; Karlheinz Muth
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: EP1608060A1; DE102004025545B4; US7256660B2; US20060132253A1

Abstract

Ein CMOS-LC-Schwingkreis-Oszillator umfasst ein Paar symmetrischer Induktivitäten und ein Differentialpaar Transistoren. Die Induktivitäten haben einen ersten ihrer Anschlüsse an einem Versorgungsknoten, an den über einen Versorgungswiderstand eine Versorgungsspannung angelegt wird, miteinander verbunden und eine zweiten Anschluss jeweils mit dem Drain eines der entsprechenden Transistoren verbunden. Die Sourcen der Transistoren sind an einem Bezugsknoten, der über einen Bezugswiderstand mit Masse verbunden ist, miteinander verbunden. Ein Stromsteuerkreis steuert einen Kernstrom zwischen dem Versorgungs- und dem Bezugsknoten, um einen Spannungsabfall am Bezugswiderstand auf einem Pegel zu halten, der durch eine Referenzspannung festgelegt ist. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Ansatz mit einem Versorgungsspannungsregler, der dem Versorgungsknoten vorgeschaltet ist, und einem Vorspannungsregler, der dem Bezugsknoten des Oszillators nachgeschaltet ist, hält der Stromsteuerkreis die Kernspannung zwischen dem Versorgungs- und dem Bezugsknoten auf dem benötigten Pegel, so dass ein Widerstand den vorgeschalteten Versorgungsspannungsregler ersetzen kann und ein weiterer Widerstand den nachgeschalteten Vorspannungsregler ersetzen kann. Folglich werden Quellen, die Rauschen in den LC-Schwingkreis-Oszillator einspeisen, eliminiert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen CMOS LC-Schwingkreis-Oszillator, der ein Paar symmetrischer Induktivitäten und ein Differentialpaar Transistoren umfasst.
Für viele Anwendungen in der Hochgeschwindigkeits-Kommunikationstechnologie werden stabile Taktsignale benötigt, deren Random-Jitter-Inhalte (zufällige Phasensprünge) unterhalb von Grenzen liegen müssen, die in den einschlägigen Richtlinien definiert sind. Beispiele für diese Anwendungen sind Takt- und Datenwiederherstellungsschaltkreise und Synthesizer für drahtlose Datenübertragungssysteme.
Um die Anforderungen der einschlägigen Richtlinien bezüglich Jitter zu erfüllen, werden Oszillatorkreise benötigt, die Taktsignale erzeugen, die so wenig Phasenrauschen wie möglich enthalten. Ferner ist es wünschenswert, alle benötigten Funktionen als einen monolithischen integrierten Schaltkreis (IC) zu implementieren, um die Leistungsaufnahme, die Zahl der Teile und den für die Schaltungen benötigten Platz zu verringern (und somit die Kosten zu reduzieren).

Aus diesem Grund wurde versucht, LC-Schwingkreis-Oszillatoren auf monolithischen integrierten Schaltkreisen zu integrieren. Diese Art Oszillator weist ein erheblich besseres Phasenrauschen-Verhalten als so genannte Ringoszillatoren auf, die für integrierte Schaltungen weit verbreitet sind. Dies ist auf die Eigenschaften des LC-Schwingkreises zurückzuführen, der bei seiner Resonanzfrequenz einen steilen Phasengang gegen die Frequenz bietet und daher eine stabile Oszillation fördert. Die Hilfsschaltungen, wie zum Beispiel Vorspannungs- und Versorgungsspannungsregler, müssen jedoch sorgfältig konzipiert sein, da Rauschen, das durch diese Schaltungen in den LC-Schwingkreis eingespeist wird, das Phasenrauschen-Verhalten erheblich verschlechtern kann.

Die vorliegende Erfindung bietet einen CMOS LC-Schwingkreis-Oszillator, bei dem die Vorspannungs- und Versorgungsspannungsregler eliminiert wurden, wodurch die Verwendung von Schaltungen vermieden wird, die das Phasenrauschen-Verhalten verschlechtern würden.

Konkret bietet die Erfindung einen CMOS LC-Schwingkreis-Oszillator, der ein Paar symmetrischer Induktivitäten und ein Differentialpaar Transistoren umfasst. Die Induktivitäten haben einen ersten ihrer Anschlüsse an einem Versorgungsknoten, an den über einen Versorgungswiderstand eine Versorgungsspannung angelegt wird, miteinander verbunden und einen zweiten Anschluss jeweils mit dem Drain eines der entsprechenden Transistoren verbunden. Die Sourcen der Transistoren sind an einem masseseitigen Knoten, im Folgenden als Bezugsknoten bezeichnet, der über einen Bezugswiderstand mit Masse verbunden ist, miteinander verbunden. Ein Stromsteuerkreis steuert einen Kernstrom zwischen dem Versorgungs- und dem Bezugsknoten, um einen Spannungsabfall am Bezugswiderstand auf einem Pegel zu halten, der durch eine Referenzspannung festgelegt ist. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Ansatz mit einem Versorgungsspannungsregler, der dem Versorgungsknoten vorgeschaltet ist, und einem Vorspannungsregler, der dem Bezugsknoten des Oszillators nachgeschaltet ist, hält der Stromsteuerkreis die Kernspannung zwischen dem Versorgungs- und dem Bezugsknoten auf dem benötigten Pegel, so dass ein Widerstand den vorgeschalteten Versorgungsspannungsregler ersetzen kann und ein weiterer Widerstand den nachgeschalteten Vorspannungsregler ersetzen kann. Folglich werden Quellen, die Rauschen in den LC-Schwingkreis-Oszillator einspeisen, eliminiert, und das Phasenrauschen-Verhalten wird verbessert, obwohl der Schaltungsentwurf vereinfacht und die resultierende integrierte CMOS-Schaltung kostengünstiger wird.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Stromsteuerkreis einen gesteuerten Strompfad zwischen dem Versorgungsknoten und Masse. Der gesteuerte Strompfad wird vorteilhaft durch einen Transistor gebildet, dessen Strompfad zwischen dem Versorgungsknoten und Masse geschaltet ist. Ein erster Eingang eines Operationsverstärkers ist mit der Referenzspannung verbunden, ein zweiter Eingang ist mit dem Bezugsknoten verbunden und ein Ausgang ist mit dem Gate des Stromsteuertransistors verbunden. Daher benötigt der Stromsteuerkreis nur ein paar wenige Bauelemente, die leicht im Schaltungsentwurf zusammengefasst werden können.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. In den Zeichnungen:
stellt 1 einen Schaltplan eines herkömmlichen monolithischen integrierten LC-Schwingkreis-Oszillators dar; und
2 stellt einen Schaltplan des erfindungsgemäßen monolithischen integrierten LC-Schwingkreis-Oszillators dar.
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine herkömmliche Topologie eines integrierten LC-Schwingkreis-Oszillators mit CMOS-Technologie dargestellt. Er hat eine symmetrische Induktivität, bestehend aus den Induktivitäten L1, L2, und ein Differentialpaar NMOS-Transistoren Q1, Q2. Das von diesem Oszillator erzeugte Taktsignal ist die Differential-Ausgangsspannung an den Anschlüssen CLKP und CLKN. Seine Frequenz kann durch eine an den Kapazitätsdioden C_tune1 und C_tune2 am Anschluss V_CTRL angelegte Steuerspannung in einem bestimmten Bereich eingestellt werden. Folglich handelt es sich bei dem Oszillator um einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO). Der VCO-Kern besteht aus dem LC-Schwingkreis (symmetrische Induktivitäten L1 und L2 und einstellbare Kondensatoren C_TUNE1 und C_TUNE2) und dem NMOS-Differentialpaar Q1 und Q2. Der VCO-Bezugsstrom wird durch den NMOS-Stromquellentransistor Q_TAIL erzeugt, dessen Gate mit einer Vorspannungsquelle V_BIAS verbunden ist.
Die Versorgungsspannung für den VCO-Kern an einem Versorgungsknoten Tap (der mittlere Abgriff) der symmetrischen Induktivität wird durch einen Spannungsregler erzeugt. Der Regler besteht aus einem Widerstand Q_REGULATOR und einem Operationsverstärker V_Comp. Er wird von einer externen Spannungsquelle gespeist und steuert die Spannung am Anschluss Tap so, dass sie gleich einer Referenzspannung ist, die am Anschluss V_{V_REF} vorliegt.
Der Nachteil dieser Topologie liegt in der Einspeisung von Rauschen in den VCO durch die NMOS-Transistoren Q_TAIL und Q_REGULATOR, die selbst mit rauschenden Steuerkreisen oder Verstärkungsschaltungen verbunden sind. Da MOS-Transistoren bei niedrigen Frequenzen (<100MHz) hohes 1/f-Rauschen aufweisen, kann das Phasenrauschen-Verhalten des VCO von den Eigenschaften dieser Bauteile beherrscht werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Niederfrequenz-1/f-Rauschen mit der Oszillationsfrequenz gemischt wird und dadurch zum Phasenrauschen des VCO beiträgt.
Der erfindungsgemäße Oszillator, der in 2 abgebildet ist, vermeidet diese Art und Weise, zum Phasenrauschen beizutragen.
Unter Bezugnahme nun auf 2 weist der abgebildete Oszillatorkreis einen VCO-Kernoszillator auf, der mit demjenigen in 1 identisch ist. Somit besteht eine symmetrische Induktivität aus den Induktivitäten L1, L2. Die Induktivitäten L1, L2 haben jeweils einen ersten Anschluss mit einem Versorgungsknoten Tap verbunden und einen zweiten Anschluss mit dem Drain eines entsprechenden Differential-NMOS-Transistors Q1, Q2 und mit einem der einstellbaren Kondensatoren (Kapazitätsdioden) C_TUNE1 und C_TUNE2. Die Sourcen der Transistoren Q1, Q2 sind mit einem Bezugsknoten TN verbunden und die Basis jedes Transistors des Paares ist mit der anderen Basis des Paars verbunden.
Das vom Oszillator erzeugte Taktsignal ist die Differential-Ausgangsspannung an den Anschlüssen CLKP und CLKN. Seine Frequenz kann durch eine an den Kapazitätsdioden C_tune1 und C_tune2 am Anschluss V_CTRL angelegte Steuerspannung eingestellt werden. Folglich handelt es sich bei dem Oszillator um einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO). Der VCO-Kern besteht aus dem LC-Schwingkreis (symmetrische Induktivitäten L1 und L2 und einstellbare Kondensatoren C_TUNE1 und C_TUNE2) und dem NMOS-Differentialpaar Q1 und Q2.
Die in 2 abgebildete Topologie stellt ein alternatives Schema für die Steuerung der Vorspannungserzeugung und der Versorgungsspannung des Oszillators dar. Im Vergleich zu 1 werden Q_TAIL und Q_REGULATOR eliminiert und durch die Widerstände R_TOP und R_TAIL ersetzt. Ein Operationsverstärker I_Comp steuert den Spannungsabfall an R_TAIL so, dass er mit der Referenzspannung V_{I_REF} übereinstimmt. Da der Strom von R_TAIL identisch zum VCO-Kernstrom I_CORE ist, steuert dieser Steuerkreis direkt den VCO-Kernstrom so, dass er konstant ist: ICORE = VI_REF/RTAIL.
Dies wird erreicht, indem der Steuerstrom I_CTRL am Widerstand R_TOP durch einen NMOS-Stromsteuertransistor Q_CTRL, angelegt wird, dessen Drain mit dem Versorgungsknoten Tap verbunden ist, dessen Source mit Masse verbunden ist und dessen Gate mit dem Ausgang des Komparators I_Comp verbunden ist. Der Steuerstrom ändert die Spannung am Versorgungsknoten Tap der symmetrischen Induktivität und somit den VCO-Kernstrom I_CORE.
Der Vorteil dieses Schemas im Vergleich zur Topologie in 1 liegt in der Eliminierung beider Komponenten, die zum Rauschen beitragen, des Bezugsstromtransistors Q_TAIL und des Spannungssteuertransistors Q_REGULATOR. Außerdem werden auf Grund der Tatsache, dass der VCO-Kernstrom durch eine Rückkopplungsschleife so gesteuert wird, dass er konstant ist, Rauschinhalte in der Bandbreite der Rückkopplungsschleife aufgehoben. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung des Phasenrauschens.

Claims

CMOS-LC-Schwingkreis-Oszillator, der ein Paar symmetrischer Induktivitäten und ein Differentialpaar Transistoren umfasst, bei dem die Induktivitäten einen ersten ihrer Anschlüsse an einem Versorgungsknoten, an den über einen Versorgungswiderstand eine Versorgungsspannung angelegt wird, miteinander verbunden haben und einen zweiten Anschluss jeweils mit dem Drain eines der entsprechenden Transistoren verbunden haben, wobei ihre Sourcen der Transistoren an einem masseseitigen Knoten, der über einen masseseitigen Widerstand mit Masse verbunden ist, miteinander verbunden sind, und der ferner einen Stromsteuerkreis für die Steuerung eines Kernstroms zwischen dem oberen Knoten und dem masseseitigen Knoten umfasst, um einen Spannungsabfall am masseseitigen Widerstand auf einem Pegel zu halten, der durch eine Referenzspannung festgelegt ist.
Oszillator aus Anspruch 1, bei dem der Stromsteuerkreis einen gesteuerten Strompfad zwischen dem Versorgungsknoten und Masse enthält.
Oszillator aus Anspruch 1, bei dem der Stromsteuerkreis einen Stromsteuertransistor umfasst, der einen zwischen dem Versorgungsknoten und Masse geschalteten Strompfad hat, einen Operationsverstärker mit einem ersten Eingang, der mit der Referenzspannung verbunden ist, einem zweiten Eingang, der mit dem masseseitigen Knoten verbunden ist und einem Ausgang, der mit dem Gate des Stromsteuertransistors verbunden ist.
Oszillator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die zweiten Anschlüsse der Induktivitäten jeweils mit einer entsprechenden Diode eines Paares Kapazitätsdioden verbunden sind.
Oszillator aus Anspruch 1, bei dem die Kapazitätsdioden einen ihrer Anschlüsse mit einem gemeinsamen Steuerspannungsanschluss verbunden haben.