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Die
Erfindung betrifft eine Frequenzumsetzerschaltung und eine Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung.
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Eine
Frequenzumsetzerschaltung ist eine elektronische Schaltung, bei
der mindestens ein Eingangssignal mit einer Eingangsfrequenz in
die elektronische Schaltung eingespeist wird und von der elektronischen Schaltung
in ein Ausgangssignal mit einer Ausgangsfrequenz umgewandelt wird,
wobei sich der Wert der Eingangsfrequenz und der Wert der Ausgangsfrequenz
voneinander unterscheiden.
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Eine
Frequenzumsetzerschaltung, die eine Eingangsfrequenz in eine Ausgangsfrequenz
umsetzt, wobei der Wert der Eingangsfrequenz und der Wert der Ausgangsfrequenz
in einem fest vorgegebenen Verhältnis zueinander
stehen, wird als Frequenzteilerschaltung bezeichnet. Grundlegende
Schaltungselemente für
eine Frequenzumsetzerschaltung, die eine Frequenzteilerschaltung
realisieren, sind Flip-Flop-Schaltungen.
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Ein
Flip-Flop ist eine bistabile Kippschaltung, d.h. eine Digitalschaltung.
Die Ausgangsspannung einer bistabilen Kippschaltung wechselt zwischen
zwei vorgegebenen Werten, die im Sinne der Boole'schen Algebra mit den logischen Werten "0" und "1" bezeichnet
werden. Der Umkippvorgang zwischen den beiden logischen Werten wird
mit Hilfe eines Eingangssignals in Form eines kurzen Impulses ausgelöst. Aus
[1] ist eine kausale Verknüpfung
zwischen einem Eingangssignal und einem Ausgangssignal mittels Logikgatter
bekannt, die gemäß der Boole'schen Algebra Verknüpfungen
zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal herstellen. Die
Logikgatter sind auf Transistorebene oder Diodenebene realisiert. Übliche Technologien
von Gatterrealisierungen sind Emitter Coupled Logic (ECL), Current-Mode-Logic
(CML), Complementary Metal Oxid Semiconductor (CMOS), Widerstands-Transistor-Logik
(RTL), Dioden-Transistor-Logik (DTL), Langsame Störsichere
Logik (LSL), Transistor-Transistor-Logik (TTL), Open-Collector-Technik,
Tristate-Technik, Wired-OR-Verknüpfung
sowie NMOS-Logik. Flip-Flop-Schaltwerke, die auf der ECL basieren,
weisen neben ohmschen Widerständen
Bipolartransistoren auf. Flip-Flop-Schaltwerke, die auf der CMOS-Technologie
oder der NMOS-Technologie oder auf einer Kombination beider Technologien
beruhen, weisen neben ohmschen Widerständen zusätzlich Feldeffekttransistoren
auf.
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Es
gibt transparente Flip-Flop-Schaltungen. Transparente Flip-Flop-Schaltungen
sind Flip-Flop-Schaltungen, die ohne Zwischenspeicherung das Eingangssignal
verarbeiten und am Ausgang sofort freigeben. Ferner sind Flip-Flop-Schaltungen
mit Zwischenspeicherung, die das Eingangssignal zwischenspeichern
und es erst an den Ausgang übertragen,
wenn die Eingänge
bereits wieder verriegelt sind, in [1] beschrieben.
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Ein
Beispiel für
transparente Flip-Flop-Schaltungen sind einfache RS-Flip-Flop-Schaltungen.
Eine RS-Flip-Flop-Schaltung
besitzt einen SET-Eingang S und einen RESET-Eingang R, sowie einen ersten Ausgang,
an dem ein Ausgangssignal Q bereitgestellt wird und einen zweiten
Ausgang, an dem das zu dem Ausgangssignal Q invertierte Ausgangssignal
QN bereitgestellt wird. Häufig
benötigt
man eine RS-Flip-Flop-Schaltung, die nur zu einer bestimmten Zeit
auf ein anliegendes Eingangssignal reagiert. Diese Zeit wird durch
eine zusätzliche
Taktvariable, d.h. einem anliegenden Taktsignal, oftmals mit CLK
bezeichnet, bestimmt, wobei die mit dem Taktsignal getaktete RS-Flip-Flop-Schaltung
als statisch getaktete RS-Flip-Flop-Schaltung bezeichnet wird. Wird
bei einer statisch getakteten RS-Flip-Flop-Schaltung der SET-Eingang
S mit einem Daten-Eingangssignal D und der RESET- Eingang R mit dem invertierten Dateneingangssignal
DN belegt, so entsteht eine taktzustandsgesteuerte Speicherzelle
(DATA LATCH), die auch als transparente D-Flip-Flop-Schaltung bezeichnet
wird.
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Eine
nicht transparente Flip-Flop-Schaltung wird üblicherweise aus zwei Flops
gebildet: dem "Master"-Flip-Flop am Eingang
und dem "Slave"-Flip-Flop am Ausgang.
Ein Beispiel für
eine Master-Slave-Flip-Flop-Schaltung ist die JK-Flip-Flop-Schaltung: Eine
JK-Flip-Flop-Schaltung weist zwei statisch getaktete RS-Flip-Flop-Schaltungen
auf, wobei die beiden statisch getakteten RS-Flip-Flop-Schaltungen
durch das Taktsignal CLK komplementär zueinander verriegelt werden.
Solange das Taktsignal CLK = 1 ("High") ist, wird die Eingangsinformation,
d.h. das am Eingang anliegende Eingangssignal, in das Master-Flip-Flop
eingelesen. Der Ausgangszustand, d.h. das am Ausgang bereitgestellte
Ausgangssignal, bleibt dabei unverändert, da das Slave-Flip-Flop blockiert ist.
Wenn das Taktsignal auf CLK = 0 ("Low")
wechselt, wird das Master-Flip-Flop blockiert, und auf diese Weise
wird der Zustand der Flip-Flop-Schaltung eingefroren, der unmittelbar
vor der negativen Taktsignalflanke angelegen hat. Gleichzeitig wird
das Slave-Flip-Flop freigegeben und damit der Zustand des Master-Flip-Flops
an den Ausgang der JK-Flip-Flop-Schaltung übertragen. Die Datenübertragung findet
also bei der negativen Taktflanke statt; es gibt jedoch keinen Taktzustand
bei dem sich die Eingangsdaten, d.h. das anliegende Eingangssignal,
unmittelbar auf den Ausgang auswirken, wie es bei einer transparenten
Flip-Flop-Schaltung
der Fall ist.
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Die
Eingangskombinationen R = S = 1 führt zu einem undefinierten
Verhalten, weil die negierten Eingangssignale SN und RN im Master-Flip-Flop
gleichzeitig von "00" auf "11" übergehen, wenn das Taktsignal CLK
= 0 wird.
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Um
diese Eingangskombination sinnvoll zu nutzen, legt man die komplementären Ausgangsdaten
des Slave-Flip-Flops mit Hilfe einer Rückkopplung zusätzlich an
die Eingangsgatter des Master-Flip-Flops an. Die zusätzlichen
Rückkopplungseingänge am Master-Flip-Flop
werden üblicherweise
als J-Eingang bzw. K-Eingang bezeichnet. Der Ausgangszustand, d.h.
das bereitgestellte Ausgangssignal für J = K = 1 wird bei jedem Taktimpuls
invertiert. Das ist gleichbedeutend mit einer Frequenzteilung durch
den Wert zwei. Deshalb ermöglicht
eine JK-Master-Slave-Flip-Flop-Schaltung einen besonders einfachen
Aufbau eines Frequenzteilers.
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Flip-Flop-Schaltungen
mit Zwischenspeicherung lassen sich auch dadurch realisieren, dass
man zwei transparente D-Flip-Flop-Schaltungen
in Reihe schaltet und sie mit komplementärem Taktsignal ansteuert, wobei
die dadurch gebildete Flip-Flop-Schaltung
als Master-Slave-D-Flip-Flop-Schaltung bezeichnet wird. Solange
das Taktsignal CLK = 0 ist, folgt das Master-Flip-Flop dem Eingangssignal und es
wird Q = D. Das Slave-Flip-Flop
speichert den alten Zustand. Wenn das Taktsignal CLK auf den Wert
1 übergeht,
wird die zu diesem Zeitpunkt anliegende Dateninformation D im Master-Flip-Flop "eingefroren" und an das Slave-Flip-Flop und
damit an den Q-Ausgang übertragen.
Die bei der positiven Taktflanke am D-Eingang anliegende Dateninformation
wird somit an den Q-Ausgang übertragen.
In der übrigen
Zeit ist der Zustand des D-Einganges, d.h. das an dem D-Eingang
anliegende Eingangssignal, ohne Einfluss auf das bereitgestellte
Ausgangssignal.
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Eine
einflankengetriggerte D-Flip-Flop-Schaltung lässt sich auch als sogenannte
Toggle-Flip-Flop-Schaltung betreiben. Dazu wird an den Dateneingang
D der invertierte Ausgang QN angeschlossen. Dann wird der Ausgangszustand
bei jeder positiven Taktflanke des Taktsignals CLK invertiert. Eine
Toggle-Flip-Flop-Schaltung stellt einen Grundbaustein für eine Frequenzteilerschaltung
dar. Eine Frequenzteilerschaltung lässt sich dadurch realisieren,
dass man eine Kette von Flip-Flop-Schaltungen aufbaut und deren Takteingang
jeweils mit dem Ausgang Q der in Signalflussrichtung vorangegangenen
Flip-Flop-Schaltungen gekoppelt ist. Damit sich eine Frequenzteilfunktion
ergibt müssen
die Flip-Flops ihren Ausgangszustand ändern, wenn das ihnen jeweils
zugeführte
Taktsignal CLK von "1" auf "0" übergeht.
Es werden somit üblicherweise
flankengesteuerte Flip-Flop-Schaltungen verwendet, z.B. JK-Master-Slave-Flip-Flop-Schaltungen
mit J = K = 1. Die Frequenzteilerschaltung lässt sich grundsätzlich beliebig
erweitern. Mit zehn in Serie gekoppelten Flip-Flop-Schaltungen kann
man auf diese Weise die Eingangssignal-Taktfrequenz des an der ersten Flip-Flop-Schaltung anliegenden
Taktsignals schon zehn-mal halbieren. Auch eine Flip-Flop-Schaltung,
die auf positive Taktflanken triggert, also z.B. eine einflankengetriggerte
D-Flip-Flop-Schaltung,
ist verwendbar.
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Die
Frequenz des am Ausgang des ersten Flip-Flop-Schaltung bereitgestellten
Ausgangssignals ist die halbe Frequenz des am Eingang der ersten
Flip-Flop-Schaltung angelegten Eingangssignals. Am Ausgang der zweiten
Flip-Flop-Schaltung wird ein Signal bereitgestellt, dessen Frequenz
ein Viertel der Frequenz des am Eingang der ersten Flip-Flop-Schaltung
angelegten Eingangssignals ist, am Ausgang der dritten Flip-Flop-Schaltung wird
ein Signal bereitgestellt, dessen Frequenz ein Achtel der Frequenz
des am Eingang der ersten Flip-Flop-Schaltung angelegten Eingangssignals
ist, usw. Diese Frequenzteiler-Eigenschaft von Toggle-Flip-Flops
machen sich viele Frequenzteilerschaltungen zu Nutze.
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Eine
Frequenzteilerschaltung beruht somit häufig auf Flip-Flop-Schaltungen,
wobei zur Erzielung höchster
Arbeitsfrequenzen oftmals transparente D-Flip-Flop-Schaltungen verwendet
werden, bei denen das invertierte Ausgangssignal auf den Dateneingang
zurückgekoppelt
wird.
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Im
Gegensatz zu einer statischen Frequenzteilerschaltung besitzt eine
dynamische Frequenzteilerschaltung eine untere Grenzfrequenz. Eine
statische Frequenzteilerschaltung wird mit Hilfe von Flip-Flop-Schaltungen
realisiert und kann bei beliebig tiefen Frequenzen betrieben werden,
sofern die Anstiegszeit des Taktsignals CLK ausreichend kurz ist.
Eine dynamische Frequenzteilerschaltung arbeitet je nach Funktionsweise
und Dimensionierung in einem Frequenzumsetzintervall von einigen
Prozent bis zu mehr als einer Oktave bezogen auf die Signalfrequenz
des zugeführten
Eingangssignals. Sie kann jedoch häufig bei wesentlich höheren Arbeitsfrequenzen
betrieben werden als eine statische Frequenzteilerschaltung, deren maximale
Arbeitsfrequenz durch die sogenannte Gatterverzögerungszeit τ auf einen
Wert von
beschränkt ist.
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Eine
dynamische Frequenzteilerschaltung beruht üblicherweise auf dem Prinzip
der regenerativen Frequenzteilung oder auf zwei Inverterstufen,
die durch das Taktsignal CLK wechselweise umgeschaltet werden, wie
beispielsweise in [5) beschrieben.
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Aus
[3] und [4] sind auf Flip-Flop-Schaltungen basierende dynamische
bzw. statische Frequenzumsetzerschaltungen bekannt, die High-Electron-Mobility-Transistors
(HEMT's) bzw. Heterojunction
Bipolar Transistors (HBT's)
aufweisen. Eine Beschränkung
der maximalen Arbeitsfrequenz dieser Schaltungen ergibt sich durch
parasitäre
Bauteil- und Metallisierungskapazitäten, die parallel zu den ohmschen
Lastwiderständen
der Laststufen der Frequenzumsetzerschaltungen liegen.
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Diesen
parasitären
Kapazitäten
wird, wie in den 2 und 3 dargestellt, durch eine
berücksichtigte
fiktive Parasitär-Kapazität Rechnung
getragen. Aufgrund dieser Parasitär-Kapazität nimmt der Betrag der Lastimpedanz
bei hohen Arbeitsfrequenzen ab. Dadurch sinkt der Spannungshub am
Ausgang der Frequenzumsetzerschaltung bei hohen Arbeitsfrequenzen
soweit ab, dass eine korrekte Funktionsweise der Frequenzteilerschaltung
oftmals nicht mehr gewährleistet
ist.
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Außerdem bewirkt
die Parasitär-Kapazität eine zusätzliche
Phasenverschiebung, die eine zeitliche Verzögerung des Ausgangssignals
verursacht und damit ebenfalls die maximale Arbeitsfrequenz der
Frequenzteilerschaltung verringert.
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Um
das bisher gemäß dem Stand
der Technik praktizierte Schaltungsdesign von Laststufen von Frequenzumsetzerschaltungen
darstellen zu können,
wird eine Frequenzumsetzerschaltung in Frequenzumsetzerelemente
aufgeteilt. Die Frequenzumsetzerelemente werden in eine Laststufe
und eine zweite Stufe aufgeteilt.
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Zwei
Beispiele von schaltungstechnischen Realisierungen einer Laststufe
gemäß dem Stand
der Technik, wie sie in [2] und (3] beschrieben sind, sind in 2 und 3 dargestellt.
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Ein
Beispiel einer schaltungstechnischen Realisierung einer Laststufe
innerhalb einer Frequenzumsetzerschaltung gemäß dem Stand der Technik ist
in 1 dargestellt.
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Vorzugsweise
werden die parasitären
Effekte des Frequenzumsetzerelementes in Form einer fiktiven Parasitär-Kapazität in der
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung simuliert, wobei ein ohmscher
Widerstand ein Lastwiderstand der Frequenzumsetzerschaltung ist.
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Die
parasitären
Effekte des Frequenzumsetzerelementes werden in Form einer fiktiven
Parasitär-Kapazität in einer
Laststufe einer Frequenzumsetzerschaltung simuliert, wobei ein ohmscher
Widerstand ein Lastwiderstand des Frequenzumsetzerelementes ist.
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2 zeigt eine erste schaltungstechnische
Realisierung einer Laststufe 200 von Frequenzumsetzerschaltungen
mit einem ohmschen Widerstand 202, der zwischen einem ersten
Knoten 203 und einem zweiten Knoten 204 angeordnet
ist. Eine fiktive Parasitär-Kapazität C0 201 ist zwischen dem ersten Knoten 203 und dem
zweiten Knoten 204 angeordnet. Der zweite Knoten 204 liegt
auf Massepotential. Die in 1 gezeigte und
im Folgenden näher
erläuterte
Laststufe ist am ersten Knoten 203 an die zweite Stufe
des Frequenzumsetzerelements gekoppelt.
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Gemäß einer
in 3 gezeigten zweiten
schaltungstechnischen Realisierung einer Laststufe 300 von Frequenzumsetzerschaltungen
ist eine Induktivität 302 zwischen
einem ersten Knoten 304 und einem zweiten Knoten 305 angeordnet.
Ein ohmscher Widerstand 303 ist zwischen dem zweiten Knoten 305 und
einem dritten Knoten 306 angeordnet. Eine fiktive Parasitär-Kapazität 301 ist
zwischen dem ersten Knoten 304 und dem dritten Knoten 306 angeordnet.
Während
der dritte Knoten 306 auf Masse liegt, wird die Laststufe
am ersten Knoten 304 an die zweite Stufe des Frequenzumsetzerelements
gekoppelt.
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Die
Induktivität 302 dient
dazu, einerseits den Betrag der Lastimpedanz des Frequenzumsetzerelementes
vorzugsweise bei hohen Arbeitsfrequenzen groß und andererseits die Phasenverschiebung
der Lastimpedanz des Frequenzumsetzerelementes vorzugsweise bei
hohen Arbeitsfrequenzen möglichst
gering zu halten.
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In 1 ist eine bekannte Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung dargestellt.
In der Frequenzumsetzerschaltungs- Anordnung ist die Laststufe der Frequenzumsetzerelemente
in Form von ohmschen Widerständen
realisiert, die zweite Stufe ist in Form von NMOS-Transistorlogik
realisiert;
Die Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung stellt
anschaulich eine einflankengetriggerte Master-Slave-D-Flip-Flop-Schaltung 100 dar.
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Ein
erster ohmscher Widerstand 101 ist zwischen einem ersten
Knoten 119 und einem zweiten Knoten 120 angeordnet.
Ein zweiter ohmscher Widerstand 102 ist zwischen dem ersten
Knoten 119 und einem dritten Knoten 121 angeordnet.
Ein dritter ohmscher Widerstand 103 ist zwischen dem ersten
Knoten 119 und einem vierten Knoten 127 angeordnet.
Ein vierter ohmscher Widerstand 104 ist zwischen dem ersten
Knoten 119 und einem fünften
Knoten 126 angeordnet. Der Drain/Source-Bereich eines ersten
Transistors 105 ist zwischen dem zweiten Knoten 120 und
einem sechsten Knoten 122 angeordnet. Der Gatebereich des
ersten Transistors 105 ist an einem siebten Knoten 124 angeschlossen.
Der Drain/Source-Bereich
eines zweiten Transistors 106 ist zwischen dem dritten
Knoten 121 und dem sechsten Knoten 122 angeordnet.
Der Gatebereich des zweiten Transistors 106 ist an einen
achten Knoten 125 angeschlossen. Der Drain/Source-Bereich
eines dritten Transistors 107 ist zwischen dem zweiten
Knoten 120 und einem neunten Knoten 123 angeordnet.
Der Gatebereich des dritten Transistors 107 ist am dritten
Knoten 121 angeschlossen. Der Drain/Source-Bereich eines
vierten Transistors 108 ist zwischen dem dritten Knoten 121 und
dem neunten Knoten 123 angeordnet. Der Gatebereich des
vierten Transistors 108 ist am zweiten Knoten 120 angeschlossen.
Der Drain/Source-Bereich eines fünften
Transistors 109 ist zwischen dem vierten Knoten 127 und
einem zehnten Knoten 128 angeordnet. Der Gatebereich des
fünften
Transistors 109 ist am dritten Knoten 121 angeschlossen.
Der Drain/Source-Bereich eines sechsten Transistors 110 ist
zwischen dem fünften
Knoten 126 und dem zehnten Knoten 128 angeordnet.
Der Gatebereich des sechsten Transistors 110 ist am zweiten
Knoten 120 angeschlossen. Der Drain/Source-Bereich eines
siebten Transistors 111 ist zwischen dem vierten Knoten 127 und
einem elften Knoten 129 angeordnet. Der Gatebereich des
siebten Transistors 111 ist am fünften Knoten 126 angeschlossen.
Der Drain/Source-Bereich eines achten Transistors 112 ist
zwischen dem fünften
Knoten 126 und dem elften Knoten 129 angeordnet.
Der Gatebereich des achten Transistors 112 ist am vierten
Knoten 127 angeschlossen. Der Drain/Source-Bereich eines
neunten Transistors 113 ist zwischen dem sechsten Knoten 122 und
einem zwölften
Knoten 130 angeordnet. Der Gatebereich des neunten Transistors 113 ist
an einen dreizehnten Knoten 133 angeschlossen. Der Drain/Source-Bereich
eines zehnten Transistors 114 ist zwischen dem neunten Knoten 123 und
dem zwölften
Knoten 130 angeordnet. Der Gatebereich des zehnten Transistors 114 ist
an einen vierzehnten Knoten 131 angeschlossen. Der Drain/Source-Bereich
eines elften Transistors 115 ist zwischen dem zehnten Knoten 128 und
einem fünfzehnten
Knoten 132 angeordnet. Der Gatebereich des elften Transistors 115 ist
am vierzehnten Knoten 131 angeschlossen. Der Drain/Source-Bereich
eines zwölften
Transistors 116 ist zwischen dem elften Knoten 129 und
dem fünfzehnten
Knoten 132 angeordnet. Der Gatebereich des zwölften Transistors 116 ist
am dreizehnten Knoten 133 angeschlossen. Eine erste Konstantstromquelle 117 ist
zwischen dem zwölften
Knoten 130 und einem sechzehnten Knoten 134 angeordnet.
Eine zweite Konstantstromquelle 118 ist zwischen dem fünfzehnten
Knoten 132 und dem sechzehnten Knoten 134 angeordnet.
Am ersten Knoten 119 wird ein Signal VDD bereitgestellt,
wobei VDD eine Versorgungsspannung der Frequenzumsetzerschaltung
darstellt. Am siebten Knoten 124 wird ein Signal D bereitgestellt.
Am achten Knoten 125 wird ein Signal D invertiert bereitgestellt.
Am dreizehnten Knoten 133 wird ein Signal CLK bereitgestellt, wobei
das Signal CLK ein Taktsignal darstellt. Am vierzehnten Knoten 131 wird
das Signal CLK invertiert bereitgestellt. Am sechzehnten Knoten 134 wird
ein Signal VSS bereitgestellt, wobei VSS eine weitere Versorgungsspannung
der Frequenzumsetzerschaltung darstellt. Am fünften Knoten 126 wird
ein Signal Q ausgegeben. Am vierten Knoten 127 wird ein
Signal Q invertiert ausgegeben.
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Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung wird durch den zweiten Knoten 120,
den dritten Knoten 121, den vierten Knoten 127 und
den fünften
Knoten 126 von der zweiten Stufe der Frequenzumsetzerschaltung
getrennt.
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Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung weist den ersten ohmschen
Widerstand 101, den zweiten ohmschen Widerstand 102,
den dritten ohmschen Widerstand 103 und den vierten ohmschen
Widerstand 104 auf Die zweite Stufe der Frequenzumsetzerschaltung
weist den ersten n-Kanal-MOSFET 105, den zweiten n-Kanal-MOSFET 106,
den dritten n-Kanal-MOSFET 107,
den vierten n-Kanal-MOSFET 108, den fünften n-Kanal-MOSFET 109, den sechsten
n-Kanal-MOSFET 110, den siebten n-Kanal-MOSFET 111,
den achten n-Kanal-MOSFET 112, den neunten n-Kanal-MOSFET 113,
den zehnten n-Kanal-MOSFET 114, den elften n-Kanal-MOSFET 115,
den zwölften
n-Kanal-MOSFET 116,
die erste Konstantstromquelle 117 und die zweite Konstantstromquelle 118 auf,
die dazu dienen, die Frequenzumsetzerschaltung in ihren Arbeitspunkt
zu versetzen.
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Die
zweite Stufe lässt
sich in folgende Teilschaltungen aufteilen:
- • Master-D-Flip-Flop-Teilschaltung:
Anschaulich
bilden der erste n-Kanal-MOSFET 105, der zweite n-Kanal-MOSFET 106,
der dritte n-Kanal-MOSFET 107, der vierte n-Kanal-MOSFET 108,
der neunte n-Kanal-MOSFET 113 und der zehnte n-Kanal-MOSFET 114 ein
Logik-Gatter, wobei das Dateneingangssignal D, welches an dem siebten
Knoten 124 und dem achten Knoten 125 bereitgestellt
wird, und das Takteinganssignal CLK, welches an dem vierzehnten
Knoten 131 und dem dreizehnten Knoten 133 bereitgestellt
wird, miteinander verknüpft
werden;
- • Slave-D-Flip-Flop-Teilschaltung:
Anschaulich
bilden der fünfte
n-Kanal-MOSFET 109, der sechste n-Kanal-MOSFET 110,
der siebte n-Kanal-MOSFET 111, der achte n-Kanal-MOSFET 112,
der elfte n-Kanal-MOSFET 115 und
der zwölfte
n-Kanal-MOSFET 116 ein Logik-Gatter, wobei das Eingangssignale Q1,
welches an dem zweiten Knoten 120 und dem dritten Knoten 121 bereitgestellt
wird, und das Takteingangssignal CLK, welches an dem vierzehnten
Knoten 131 und dem dreizehnten Knoten 133 bereitgestellt
wird, miteinander verknüpft
werden.
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Die
Frequenzumsetzerschaltung gemäß 1 ist also eine Verschaltung
von zwei D-Flip-Flops, wobei das Ausgangsignal der Master-D-Flip-Flop-Teilschaltung
an dem zweiten Knoten 120 und dem dritten Knoten 121 in
den Dateneingang der Slave-D-Flip-Flop-Teilschaltung
eingespeist wird und sowohl Master-D-Flip-Flop-Teilschaltung, als auch
Slave-D-Flip-Flop-Teilschaltung
vom selben Taktsignal CLK an dem dreizehnten Knoten 133 und
dem vierzehnten Knoten 131 gesteuert werden.
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Die
Master-Slave-D-Flip-Flop-Schaltung kann zu einer statischen Frequenzteilerschaltung
verschaltet werden, indem das Signal Q invertiert wird und als Eingangssignal
D an den siebten Knoten 124 und den achten Knoten 125 rückgekoppelt
eingespeist wird, wobei die Frequenzteilerschaltung ein Eingangssignal
CLK mit einer Eingangsfrequenz auf ein Ausgangssignal Q mit einer
Ausgangsfrequenz umsetzt, und die Ausgangsfrequenz halb so groß wie die
Eingangsfrequenz ist.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde eine Frequenzumsetzerschaltung
und eine Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung zu schaffen, die bei
hohen Arbeitsfrequenzen eine hinreichend große Lastimpedanz sowie eine
hinreichend kleine Phasenverschiebung des Ausgangssignals aufweist.
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Das
Problem wird durch eine Frequenzumsetzerschaltung und eine Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung
mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die
Frequenzumsetzerschaltung weist mindestens ein Frequenzumsetzerelement
auf, welches mindestens einen Signaleingang und einen Signalausgang
aufweist, wobei das Frequenzumsetzerelement derart eingerichtet
ist, dass ein an dem Signalausgang bereitgestelltes Signal eine
andere Signalfrequenz aufweist als ein an dem Signaleingang zugeführtes Signal.
Ferner sind mindestens ein zwischen dem Frequenzumsetzerelement
und einem Energiezuführ-Anschluss
gekoppelter ohmschen Widerstand und eine dazu in Serie gekoppelte
Induktivität
vorgesehen. Weiterhin weist die Frequenzumsetzerschaltung mindestens
eine Kapazität auf,
deren erster Anschluss zwischen den ohmschen Widerstand und die
Induktivität
gekoppelt ist und deren zweiter Anschluss mit einem Energieversorgungsanschluss
gekoppelt ist.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist die Kapazität
zu dem ohmschen Widerstand parallel gekoppelte und vorzugsweise
mit einem Positiv-Energieversorgungsanschluss gekoppelt. In einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung ist die Kapazität
mit ihrem zweiten Anschluss mit einem Negativ-Energieversorgungsanschluss gekoppelt.
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Eine
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung weist mit mindestens zwei in
Serie miteinander gekoppelte Frequenzumsetzerschaltungen auf, wie
sie oben beschrieben wurden.
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Insbesondere
mittels der zusätzlichen
Kapazität
wird somit erfindungsgemäß ein funktionsgemäßer Betrieb
der Frequenzumsetzerschaltung und der Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung selbst
bei hohen Frequenzen gewährleistet.
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Anschaulich
wird durch die Erfindung erreicht, dass sowohl der Betrag als auch
die Phasenverschiebung einer Lastimpedanz erheblich verbessert wird.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine zusätzlichen
Induktivität
vorgesehen, welche in Serie zwischen die Induktivität und den
ohmschen Widerstand geschaltet ist. Ferner ist gemäß dieser Ausgestaltung
der Erfindung mindestens eine, beispielsweise zu der zusätzlichen
Induktivität
parallel gekoppelte, zusätzliche
Kapazität
vorgesehen, deren erster Anschluss zwischen die Induktivität und die
zusätzliche Induktivität gekoppelt
ist, und deren zweiter Anschluss mit dem Energieversorgungsanschluss
gekoppelt ist.
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Die
Frequenzumsetzerschaltung ist bevorzugt eingerichtet als Frequenzteilerschaltung,
besonders bevorzugt als statische Frequenzteilerschaltung, alternativ
als dynamische Frequenzteilerschaltung.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung, ist die als dynamische Frequenzteilerschaltung
eingerichtete Frequenzteilerschaltung als sogenannte Gilbert-Zelle
ausgebildet.
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Das
Frequenzumsetzerelement kann mindestens eine Flip-Flop-Schaltung aufweisen,
wobei das Frequenzumsetzerelement bevorzugt mindestens eine D-Flip-Flop-Schaltung
aufweist, alternativ mindestens eine JK-Flip-Flop-Schaltung.
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Das
Frequenzumsetzerelement enthält
gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung MOS-Transistoren, bevorzugt
NMOS-Transistoren
und/oder PMOS-Transistoren.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Frequenzumsetzerelement
Transistoren auf, die in Emitter Coupled Logic (ECL) miteinander
verschaltet sind.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden
näher erläutert. Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Komponenten.
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Es
zeigen
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1 eine
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine
erste schaltungstechnische Realisierung einer Laststufe von Frequenzumsetzerschaltungen
gemäß dem Stand
der Technik;
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3 eine
zweite schaltungstechnische Realisierung einer Laststufe von Frequenzumsetzerschaltungen
gemäß dem Stand
der Technik;
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4 eine
Schaltskizze einer Laststufe eines Frequenzumsetzerelementes gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 eine
Schaltskizze einer Laststufe eines Frequenzumsetzerelementes gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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6 den
Betragsgang der Lastimpedanz von Frequenzumsetzerschaltungen gemäß dem Stand
der Technik und gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung jeweils in Abhängigkeit
von der Frequenz des eingespeisten Signals;
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7 den
Phasengang Lastimpedanz von Frequenzumsetzerschaltungen gemäß dem Stand
der Technik und gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung jeweils in Abhängigkeit
von der Frequenz des eingespeisten Signals;
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8 eine
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die anschaulich einen statischen Current-Mode-Logic
(CML) Frequenzteiler in NMOS-Technologie darstellt. Das in 4 dargestellte
LCR-Netzwerk ist als Laststufe in die Frequenzumsetzerschaltung
integriert;
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9 eine
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die anschaulich einen statischen Frequenzteiler in
Emitter-Coupled-Logic
(ECL) darstellt. Das in 4 dargestellte LCR-Netzwerk
ist als Laststufe in die Frequenzumsetzerschaltung integriert;
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10 eine
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die anschaulich einen dynamischen Frequenzteiler
in Bipolartechnologie darstellt. Das in 4 dargestellte
LCR-Netzwerk ist als Laststufe in die Frequenzumsetzerschaltung
integriert;
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11 eine
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die anschaulich einen dynamischen Frequenzteiler
in NMOS-Technologie
darstellt. Das in 4 dargestellte LCR-Netzwerk
ist als Laststufe in die Frequenzumsetzerschaltung integriert; und
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12 eine
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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4 zeigt
eine Schaltskizze einer Laststufe eines Frequenzumsetzerelementes
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Eine
Induktivität 402 ist
zwischen einem ersten Knoten 405 und einem zweiten Knoten 406 angeordnet.
Eine Kapazität 404 ist
zwischen dem zweiten Knoten 406 und einem dritten Knoten 407 angeordnet.
Ein ohmscher Widerstand 403 ist zwischen dem zweiten Knoten 406 und
dem dritten Knoten 407 angeordnet. Eine fiktive Parasitär-Kapazität 401 ist
zwischen dem ersten Knoten 405 und dem dritten Knoten 407 angeordnet. Während der
dritte Knoten 407 auf Masse liegt, wird die Laststufe am
ersten Knoten 405 an die zweite Stufe des Frequenzumsetzerelements
gekoppelt.
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Die
parasitären
Effekte eines Frequenzumsetzerelementes werden in Form der fiktiven
Parasitär-Kapazität 401 in
der Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung berücksichtigt. Der ohmsche Widerstand 403 dient
als Lastwiderstand eines im Folgenden beschriebenen Frequenzumsetzerelementes.
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Zusätzlich zu
der Induktivität 402 ist
die Kapazität 404 vorgesehen,
womit erreicht wird, dass einerseits der Betrag der Lastimpedanz
des Frequenzumsetzerelementes vorzugsweise bei hohen Arbeitsfrequenzen groß und andererseits
die Phasenverschiebung der Lastimpedanz des Frequenzumsetzerelementes
vorzugsweise bei hohen Arbeitsfrequenzen klein gehalten wird.
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5 zeigt
eine Schaltskizze einer Laststufe eines Frequenzumsetzerelementes
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Eine
erste Induktivität 502 ist
zwischen einem ersten Knoten 507 und einem zweiten Knoten 508 angeordnet.
Eine zweite Induktivität 503 ist
zwischen dem zweiten Knoten 508 und einem dritten Knoten 509 angeordnet.
Eine erste Kapazität 504 ist
zwischen dem zweiten Knoten 508 und einem vierten Knoten 510 angeordnet.
Ein ohmscher Widerstand 505 ist zwischen dem dritten Knoten 509 und
dem vierten Knoten 510 angeordnet.
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Eine
zweite Kapazität 506 ist
zwischen dem dritten Knoten 509 und dem vierten Knoten 510 angeordnet.
Eine fiktive Parasitär-Kapazität 501 ist
zwischen dem ersten Knoten 507 und dem vierten Knoten 510 angeordnet.
Während
der vierte Knoten 510 auf Massepotential liegt, wird die
Laststufe am ersten Knoten 507 an die zweite Stufe des
Frequenzumsetzerelements gekoppelt.
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Der
Einfluss der ersten Kapazität 504 und
der zweiten Kapazität 506 auf
den Betrag und die Phase der Lastimpedanz des Frequenzumsetzerelementes
vorzugsweise bei hohen Arbeitsfrequenzen führt zu signifikanten Verbesserungen
gegenüber
einer Frequenzumsetzerlaststufenschaltung gemäß dem Stand der Technik, wie
sie beispielsweise in 3 dargestellt ist, sowohl hinsichtlich
des Betragsganges der Lastimpedanz des Frequenzumsetzerelementes
als auch hinsichtlich des Phasenganges der Lastimpedanz des Frequenzumsetzerelementes.
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8 zeigt
eine Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 800 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die anschaulich einen statischen Current-Mode-Logic
(CML) Frequenzteiler in NMOS-Technologie darstellt.
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Die
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 800 gemäß 8 entspricht
anschaulich der Schaltung gemäß l, weist jedoch die im Folgenden beschriebenen
zusätzlichen
Elemente auf.
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Zwischen
dem ersten Knoten 119 und dem zweiten Knoten 120 ist
ein siebzehnter Knoten 843 vorgesehen. Zwischen dem ersten
Knoten 119 und dem dritten Knoten 121 ist ein
achtzehnter Knoten 844 vorgesehen. Zwischen dem ersten
Knoten 119 und dem vierten Knoten 127 ist ein
neunzehnter Knoten 845 vorgesehen.
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Zwischen
dem ersten Knoten 119 und dem fünften Knoten 126 ist
ein zwanzigster Knoten 846 vorgesehen. Ein erster ohmscher
Widerstand 801 ist zwischen dem ersten Knoten 119 und
dem siebzehnten Knoten 843 angeordnet. Ein zweiter ohmscher
Widerstand 802 ist zwischen dem ersten Knoten 119 und
dem achtzehnten Knoten 844 angeordnet. Ein dritter ohmscher
Widerstand 803 ist zwischen dem ersten Knoten 119 und
dem neunzehnten Knoten 845 angeordnet. Ein vierter ohmscher
Widerstand 804 ist zwischen dem ersten Knoten 119 und
dem zwanzigsten Knoten 846 angeordnet. Eine erste Induktivität 823 ist
zwischen dem siebzehnten Knoten 843 und dem zweiten Knoten 120 angeordnet.
Eine zweite Induktivität 824 ist
zwischen dem achtzehnten Knoten 844 und dem dritten Knoten 121 angeordnet.
Eine dritte Induktivität 825 ist
zwischen dem neunzehnten Knoten 845 und dem vierten Knoten 127 angeordnet.
Eine vierte Induktivität 826 ist
zwischen dem zwanzigsten Knoten 846 und dem fünften Knoten 126 angeordnet.
Eine erste Kapazität 819 ist
zwischen dem ersten Knoten 119 und dem siebzehnten Knoten 843 angeordnet.
Eine zweite Kapazität 820 ist
zwischen dem ersten Knoten 119 und dem achtzehnten Knoten 844 angeordnet.
Eine dritte Kapazität 821 ist
zwischen dem ersten Knoten 119 und dem neunzehnten Knoten 845 angeordnet.
Eine vierte Kapazität 822 ist
zwischen dem ersten Knoten 119 und dem zwanzigsten Knoten 846 angeordnet.
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Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 8 weist
den ersten ohmschen Widerstand 801, den zweiten ohmschen
Widerstand 802, den dritten ohmschen Widerstand 803,
den vierten ohmschen Widerstand 804, die erste Induktivität 823,
die zweite Induktivität 824,
die dritte Induktivität 825,
die vierte Induktivität 826,
sowie die erste Kapazität 819,
die zweite Kapazität 820,
die dritte Kapazität 821 und
die vierte Kapazität 822 auf.
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Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß B weist
vier Laststufen, wie sie im Zusammenhang mit 4 beschrieben
wurden, auf, wobei alle vier Laststufen gemäß
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4 an
den dritten Knoten 407 gekoppelt sind und je ein erster
Knoten 405 einer Laststufe gemäß 4 an die
zweite Stufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 8 gekoppelt
ist.
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9 zeigt
eine Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 900 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die einen statischen Frequenzteiler in Emitter-Coupled-Logic
(ECL) darstellt.
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Eine
erste Kapazität 901 ist
zwischen einem ersten Knoten 941 und einem zweiten Knoten 942 angeordnet.
Eine zweite Kapazität 904 ist
zwischen dem ersten Knoten 941 und einem dritten Knoten 943 angeordnet.
Eine dritte Kapazität 905 ist
zwischen dem ersten Knoten 941 und einem vierten Knoten 944 angeordnet. Eine
vierte Kapazität 908 ist
zwischen dem ersten Knoten 941 und einem fünften Knoten 945 angeordnet.
Ein erster ohmscher Widerstand 902 ist zwischen dem ersten
Knoten 941 und dem zweiten Knoten 942 angeordnet.
Ein zweiter ohmscher Widerstand 903 ist zwischen dem ersten
Knoten 941 und dem dritten Knoten 943 angeordnet.
Ein dritter ohmscher Widerstand 906 ist zwischen dem ersten
Knoten 941 und dem vierten Knoten 944 angeordnet.
Ein vierter ohmscher Widerstand 907 ist zwischen dem ersten
Knoten 941 und dem fünften Knoten 945 angeordnet.
Ein fünfter
ohmscher Widerstand 935 ist zwischen einem sechsten Knoten 966 und einem
siebten Knoten 965 angeordnet. Ein sechster ohmscher Widerstand 936 ist
zwischen einem achten Knoten 967 und dem siebten Knoten 965 angeordnet.
Ein siebter ohmscher Widerstand 937 ist zwischen einem
neunten Knoten 968 und dem siebten Knoten 965 angeordnet.
Ein achter ohmscher Widerstand 938 ist zwischen einem zehnten
Knoten 969 und dem siebten Knoten 965 angeordnet.
Ein neunter ohmscher Widerstand 939 ist zwischen einem
elften Knoten 970 und dem siebten Knoten 965 angeordnet.
Ein zehnter ohmscher Widerstand 940 ist zwischen einem
zwölften
Knoten 971 und dem siebten Knoten 965 angeordnet.
Eine erste Induktivität 909 ist
zwischen dem zweiten Knoten 942 und einem dreizehnten Knoten 946 angeordnet. Eine
zweite Induktivität 910 ist
zwischen dem dritten Knoten 943 und einem vierzehnten Knoten 948 angeordnet.
Eine dritte Induktivität 911 ist
zwischen dem vierten Knoten 944 und einem fünfzehnten
Knoten 947 angeordnet. Eine vierte Induktivität 912 ist
zwischen dem fünften
Knoten 945 und einem sechzehnten Knoten 949 angeordnet.
Ein Kollektor-Emitter-Bereich eines ersten npn-Bipolartransistors 913 ist
zwischen dem dreizehnten Knoten 946 und einem siebzehnten
Knoten 951 angeordnet. Ein Basis-Bereich des ersten npn-Bipolartransistors 913 ist
an einen achtzehnten Knoten 950 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich eines zweiten
npn-Bipolartransistors 914 ist zwischen dem vierzehnten
Knoten 948 und dem siebzehnten Knoten 951 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des zweiten npn-Bipolartransistors 914 ist
an einen neunzehnten Knoten 958 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines dritten npn-Bipolartransistors 915 ist zwischen dem
dreizehnten Knoten 946 und einem zwanzigsten Knoten 952 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des dritten npn-Bipolartransistors 915 ist
an einen einundzwanzigsten Knoten 953 angeschlossen. Ein
Kollektor-Emitter-Bereich eines vierten npn-Bipolartransistors 916 ist
zwischen dem vierzehnten Knoten 948 und dem zwanzigsten
Knoten 952 angeordnet. Ein Basis-Bereich des vierten npn-Bipolartransistors 916 ist
an einen zweiundzwanzigsten Knoten 959 angeschlossen. Ein
Kollektor-Emitter-Bereich
eines fünften
npn-Bipolartransistors 917 ist zwischen dem ersten Knoten 941 und
dem zweiundzwanzigsten Knoten 959 angeordnet. Ein Basis-Bereich
des fünften
npn-Bipolartransistors 917 ist
am dreizehnten Knoten 946 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines sechsten npn-Bipolartransistors 918 ist zwischen
dem ersten Knoten 941 und dem einundzwanzigsten Knoten 953 angeordnet.
Ein Basis-Bereich
des sechsten npn-Bipolartransistors 918 ist am vierzehnten Knoten 948 angeschlossen.
Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines siebten npn-Bipolartransistors 919 ist zwischen dem
fünfzehnten
Knoten 947 und einem dreiundzwanzigsten Knoten 954 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des siebten npn-Bipolartransistors 919 ist
am einundzwanzigsten Knoten 953 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines achten npn-Bipolartransistors 920 ist zwischen dem
sechzehnten Knoten 949 und dem dreiundzwanzigsten Knoten 954 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des achten npn-Bipolartransistors 920 ist am
zweiundzwanzigsten Knoten 959 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines neunten npn-Bipolartransistors 921 ist
zwischen dem sechzehnten Knoten 949 und einem vierundzwanzigsten
Knoten 955 angeordnet. Ein Basis-Bereich des neunten npn-Bipolartransistors 921 ist
an einem fünfundzwanzigsten
Knoten 957 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines zehnten npn-Bipolartransistors 922 ist
zwischen dem sechzehnten Knoten 949 und dem vierundzwanzigsten
Knoten 955 angeordnet. Ein Basis-Bereich des zehnten npn-Bipolartransistors 922 ist
an einem sechsundzwanzigsten Knoten 956 angeschlossen.
Ein Kollektor-Emitter-Bereich eines elften npn-Bipolartransistors 923 ist
zwischen dem ersten Knoten 941 und dem sechsundzwanzigsten
Knoten 956 angeordnet. Ein Basis-Bereich des elften npn-Bipolartransistors 923 ist
am fünfzehnten
Knoten 947 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines zwölften
npn-Bipolartransistors 924 ist zwischen dem ersten Knoten 941 und
dem fünfundzwanzigsten
Knoten 957 angeordnet. Ein Basis-Bereich des zwölften npn-Bipolartransistors 924 ist
am sechzehnten Knoten 949 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich eines
dreizehnten npn-Bipolartransistors 925 ist zwischen dem
siebzehnten Knoten 951 und einem siebenundzwanzigsten Knoten 962 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des dreizehnten npn-Bipolartransistors 925 ist
an einem achtundzwanzigsten Knoten 960 angeschlossen. Ein
Kollektor-Emitter-Bereich
eines vierzehnten npn-Bipolartransistors 926 ist zwischen
dem zwanzigsten Knoten 952 und dem siebenundzwanzigsten
Knoten 962 angeordnet. Ein Basis-Bereich des vierzehnten
npn-Bipolartransistors 926 ist an einem neunundzwanzigsten
Knoten 961 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich eines fünfzehnten npn-Bipolartransistors 927 ist
zwischen dem dreiundzwanzigsten Knoten 954 und einem dreißigsten
Knoten 963 angeordnet. Ein Basis-Bereich des fünfzehnten
npn-Bipolartransistors 927 ist am neunundzwanzigsten Knoten 961 angeschlossen.
Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines sechzehnten npn-Bipolartransistors 928 ist zwischen
dem vierundzwanzigsten Knoten 955 und dem dreißigsten
Knoten 963 angeordnet. Ein Basis-Bereich des sechzehnten
npn-Bipolartransistors 928 ist am achtundzwanzigsten Knoten 960 angeschlossen.
Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines siebzehnten npn-Bipolartransistors 929 ist zwischen
dem siebenundzwanzigsten Knoten 962 und dem sechsten Knoten 966 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des siebzehnten npn-Bipolartransistors 929 ist
an einem einunddreißigsten
Knoten 964 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich eines achtzehnten npn-Bipolartransistors 930 ist
zwischen dem zweiundzwanzigsten Knoten 959 und dem achten Knoten 967 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des achtzehnten npn-Bipolartransistors 930 ist
am einunddreißigsten
Knoten 964 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines neunzehnten npn-Bipolartransistors 931 ist zwischen
dem einundzwanzigsten Knoten 953 und dem neunten Knoten 968 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des neunzehnten npn-Bipolartransistors 931 ist
am einunddreißigsten
Knoten 964 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines zwanzigsten npn-Bipolartransistors 932 ist zwischen
dem dreißigsten
Knoten 963 und dem zehnten Knoten 969 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des zwanzigsten npn-Bipolartransistors 932 ist am
einunddreißigsten
Knoten 964 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines einundzwanzigsten npn-Bipolartransistors 933 ist
zwischen dem sechsundzwanzigsten Knoten 956 und dem elften
Knoten 970 angeordnet. Ein Basis-Bereich des einundzwanzigsten npn-Bipolartransistors 933 ist
am einunddreißigsten
Knoten 964 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich eines zweiundzwanzigsten
npn-Bipolartransistors 934 ist
zwischen dem fünfundzwanzigsten
Knoten 957 und dem zwölften
Knoten 971 angeordnet. Ein Basis- Bereich des zweiundzwanzigsten npn-Bipolartransistors 934 ist
am einunddreißigsten
Knoten 964 angeschlossen.
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Am
ersten Knoten 941 wird ein Signal VCC bereitgestellt, wobei
VCC eine Versorgungsspannung der Frequenzumsetzerschaltung darstellt.
Am achtzehnten Knoten 950 wird ein Signal D bereitgestellt.
Am neunzehnten Knoten 958 wird ein Signal DN bereitgestellt.
Am achtundzwanzigsten Knoten 960 wird ein Signal CLK bereitgestellt,
wobei das Signal CLK ein Taktsignal darstellt. Am neunundzwanzigsten
Knoten 961 wird ein Signal CLKN bereitgestellt. Am einunddreißigsten
Knoten 964 wird ein Signal BIAS bereitgestellt, wobei BIAS eine
Spannung ist, die die Frequenzumsetzerschaltung in den Arbeitspunkt
versetzt. Am siebten Knoten 965 wird ein Signal VEE bereitgestellt,
wobei VEE eine weitere Versorgungsspannung der Frequenzumsetzerschaltung
darstellt. Am fünfundzwanzigsten
Knoten 957 wird ein Signal Q ausgegeben. Am sechsundzwanzigsten
Knoten 956 wird ein Signal QN ausgegeben. Die Frequenzumsetzerschaltung
gemäß 9 stellt
anschaulich eine einflankengetriggerte Master-Slave-D-Flip-Flop-Schaltung
dar.
-
Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 9 ist durch
den dreizehnten Knoten 946, den vierzehnten Knoten 948,
den ersten Knoten 941, den fünfzehnten Knoten 947 und
sechzehnten Knoten 949 von der zweiten Stufe der Frequenzumsetzerschaltung
gemäß 9 getrennt.
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Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 9 weist
den ersten ohmschen Widerstand 902, den zweiten ohmschen
Widerstand 903, den dritten ohmschen Widerstand 906 und
den vierten ohmschen Widerstand 907, die erste Induktivität 909,
die zweite Induktivität 910,
die dritte Induktivität 911 und
die vierte Induktivität 912 sowie
die erste Kapazität 901,
die zweite Kapazität 904,
die dritte Kapazität 905 und
die vierte Kapazität 908 auf.
-
Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 9 weist
vier Laststufen auf, wie in 4 dargestellt,
wobei alle vier Laststufen gemäß der 4 an
den dritten Knoten 407 gekoppelt sind und je ein erster
Knoten 405 einer Laststufe gemäß 4 mit der
zweiten Stufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 9 gekoppelt
ist. Die zweite Stufe gemäß 9 lässt sich
in folgende Teilschaltungen zerlegen:
- • Differenzverstärker, wobei
die zweite Stufe folgende Differenzverstärker aufweist:
• einen ersten
Differenzverstärker
mit einem ersten npn-Bipolartransistor 913 und einem zweiten
npn-Bipolartransistor 914);
• einen zweiten
Differenzverstärker
mit einem dritten npn-Bipolartransistor 915 und einem vierten
npn-Bipolartransistor 916);
• einen dritten
Differenzverstärker
mit einem dreizehnten npn-Bipolartransistor 925 und einem
vierzehnten npn-Bipolartransistor 926);
• einen vierten
Differenzverstärker
mit einem siebten npn-Bipolartransistor 919 und einem achten
npn-Bipolartransistor 920);
• einen fünften Differenzverstärker mit
einem neunten npn-Bipolartransistor 921 und einem zehnten
npn-Bipolartransistor 922);
• einen sechsten
Differenzverstärker
mit einem fünfzehnten
npn-Bipolartransistor 927 und einem sechzehnten npn-Bipolartransistor 928);
- • Spannungsgesteuerte
Stromquellen, wobei die zweite Stufe folgende Spannungsgesteuerte
Stromquellen aufweist:
• eine
erste Spannungsgesteuerte Stromquelle mit einem siebzehnten npn-Bipolartransistor 929 und
einem fünften
Ohmschen Widerstand 935 auf;
• eine zweite Spannungsgesteuerte
Stromquelle mit einem achtzehnten npn-Bipolartransistor 930 und
einem sechsten Ohmschen Widerstand 936;
• eine dritte
Spannungsgesteuerte Stromquelle mit einem neunzehnten npn-Bipolartransistor 931 und
einem siebten Ohmschen Widerstand 937;
• eine vierte
Spannungsgesteuerte Stromquelle mit einem zwanzigsten npn-Bipolartransistor 932 und
einem achten Ohmschen Widerstand 938;
• eine fünfte Spannungsgesteuerte
Stromquelle mit einem einundzwanzigsten npn-Bipolartransistor 933 und
einem neunten Ohmschen Widerstand 939;
• eine sechste
Spannungsgesteuerte Stromquelle mit einem zweiundzwanzigsten npn-Bipolartransistor 934 und
einem zehnten Ohmschen Widerstand 940.
-
Der
siebzehnte npn-Bipolartransistor 929, der achtzehnte npn-Bipolartransistor 930,
der neunzehnte npn-Bipolartransistor 931, der zwanzigste
npn-Bipolartransistor 932, der einundzwanzigste npn-Bipolartransistor 933 und
der zweiundzwanzigste npn-Bipolartransistor 934 werden
mittels der Vorspannung BIAS in den Arbeitspunkt versetzt und darin
betrieben.
-
Die
Master-D-Flip-Flop-Teilschaltung gibt am einundzwanzigsten Knoten 953 das
Signal Q1 und am zweiundzwanzigsten Knoten 959 das bezüglich des
Signals Q1 invertierte Signal Q1N aus. Die Eingangsknoten der Slave-D-Flip-Flop-Teilschaltung
sind der einundzwanzigste Knoten 953 und der zweiundzwanzigste Knoten 959,
die Signale Q1 und Q1N werden also in die Slave-D-Flip-Flop-Teilschaltung
als Eingangssignale D2 und DN2 eingespeist. Das Taktsignal CLK sowie
das bezüglich
des Signals CLK invertierte Taktsignal CLKN steuern die Master-D-Flip-Flop-Teilschaltung
und gleichzeitig die Slave-D-Flip-Flop-Teilschaltung.
-
Damit
stellt die einflankengetriggerte Master-Slave-D-Flip-Flop-Schaltung eine
Frequenzteilerschaltung dar, die das am achtzehnten Knoten 950 bereitgestellte
Eingangssignal D auf Taktflanken des am achtundzwanzigsten Knoten 960 bereitgestellten
Triggersignals in Form des Signals Q am fünfundzwanzigsten Knoten 957 ausgibt.
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Weist
ein Eingangssignal D eine Eingangsfrequenz auf, so weist das Ausgangssignal
Q eine Ausgangsfrequenz auf, die halb so groß wie die Eingangsfrequenz
ist. Die Master-Slave-D-Flip-Flop-Schaltung stellt
also anschaulich eine Frequenzteilerschaltung dar, die die Eingangsfrequenz
halbiert.
-
10 zeigt
eine Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 1000 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung, die einen dynamischen Frequenzteiler in Bipolartechnologie.
-
In
der Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 1000 ist ein erster
ohmscher Widerstand 1002 zwischen einem ersten Knoten 1014 und
einem zweiten Knoten 1015 angeordnet. Ein zweiter ohmscher
Widerstand 1003 ist zwischen dem ersten Knoten 1014 und
einem dritten Knoten 1016 angeordnet. Eine erste Kapazität 1001 ist
zwischen dem ersten Knoten 1014 und dem zweiten Knoten 1015 angeordnet.
Eine zweite Kapazität 1004 ist
zwischen dem ersten Knoten 1014 und dem dritten Knoten 1016 angeordnet.
Eine erste Induktivität 1012 ist
zwischen dem zweiten Knoten 1015 und einem vierten Knoten 1017 angeordnet.
Eine zweite Induktivität 1013 ist
zwischen dem dritten Knoten 1016 und einem fünften Knoten 1018 angeordnet.
Ein Kollektor-Emitter-Bereich eines ersten npn-Bipolartransistors 1005 ist
zwischen dem vierten Knoten 1017 und einem sechsten Knoten 1020 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des ersten npn-Bipolartransistors 1005 ist
am fünften
Knoten 1018 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines zweiten npn-Bipolartransistors 1006 ist zwischen
dem fünften
Knoten 1018 und dem sechsten Knoten 1020 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des zweiten npn-Bipolartransistors 1006 ist
an einem siebten Knoten 1019 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich eines
dritten npn-Bipolartransistors 1007 ist zwischen dem vierten
Knoten 1017 und einem achten Knoten 1021 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des dritten npn-Bipolartransistors 1007 ist
am siebten Knoten 1019 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines vierten npn-Bipolartransistors 1008 ist zwischen
dem fünften
Knoten 1018 und dem achten Knoten 1021 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des vierten npn-Bipolartransistors 1008 ist
am fünften
Knoten 1018 angeschlossen. Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines fünften
npn-Bipolartransistors 1009 ist zwischen dem sechsten Knoten 1020 und
einem neunten Knoten 1022 angeordnet. Ein Basis-Bereich
des fünften
npn-Bipolartransistors 1009 ist an einem zehnten Knoten 1024 angeschlossen.
Ein Kollektor-Emitter-Bereich
eines sechsten npn-Bipolartransistors 1010 ist zwischen
dem achten Knoten 1021 und dem neunten Knoten 1022 angeordnet.
Ein Basis-Bereich des sechsten npn-Bipolartransistors 1010 ist
an einem elften Knoten 1023 angeschlossen. Eine Konstantstromquelle 1011 ist
zwischen dem neunten Knoten 1022 und Masse angeordnet.
Am ersten Knoten 1014 wird ein Versorgungsspannungs-Signal
VCC bereitgestellt. Am zehnten Knoten 1024 und
am elften Knoten 1023 wird ein Eingabesignal INPUT bereitgestellt.
Am vierten Knoten 1017 und am fünften Knoten 1018 wird
ein Ausgabesignal OUTPUT ausgegeben.
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Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 10 ist
durch den vierten Knoten 1017 und den fünften Knoten 1018 von
der zweiten Stufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 10 getrennt.
-
Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 10 weist
den ersten ohmschen Widerstand 1002 und den zweiten ohmschen
Widerstand 1003, die erste Induktivität 1012 und die zweite
Induktivität 1013 sowie
die erste Kapazität 1001 und
die zweite Kapazität 1004 auf.
-
Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 10 weist
zwei Laststufen gemäß der 4 auf,
wobei beide Laststufen gemäß der 4 an
den dritten Knoten 407 gekoppelt sind und je ein erster
Knoten 405 einer Laststufe gemäß 4 mit der
zweiten Stufe gemäß 10 gekoppelt
ist.
-
Die
zweite Stufe des dynamischen Frequenzteilers gemäß 10 unterscheidet
sich in folgenden Elementen von der zweiten Stufe des statischen
Frequenzteilers gemäß 9:
Der zweite Differenzverstärker und
der fünfte
Differenzverstärker
der Anordnung 900 gemäß 9 einschließlich der
sie steuernden Elemente sind weggelassen. Der dritte Differenzverstärker und
der sechste Differenzverstärker
sind zu einem neuen Differenzverstärker zusammengefasst sind,
der in 10 in Form des fünften npn-Bipolartransistors 1009 und des
sechsten npn-Bipolartransistors 1010 dargestellt
ist.
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11 zeigt
eine Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 1100 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die einen dynamischen Frequenzteiler in NMOS-Technologie
darstellt.
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Die
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 1100 weist eine erste
Kapazität 1101 auf,
die zwischen einem ersten Knoten 1120 und einem zweiten
Knoten 1121 angeordnet ist. Eine zweite Kapazität 1104 ist
zwischen dem ersten Knoten 1120 und einem dritten Knoten 1122 angeordnet.
Eine dritte Kapazität 1105 ist
zwischen dem ersten Knoten 1120 und einem vierten Knoten 1123 angeordnet.
Eine vierte Kapazität 1108 ist
zwischen dem ersten Knoten 1120 und einem fünften Knoten 1124 angeordnet.
Ein erster ohmscher Widerstand 1102 ist zwischen dem ersten
Knoten 1120 und dem zweiten Knoten 1121 angeordnet.
Ein zweiter ohmscher Widerstand 1103 ist zwischen dem ersten
Knoten 1120 und dem dritten Knoten 1122 angeordnet.
Ein dritter ohmscher Widerstand 1106 ist zwischen dem ersten
Knoten 1120 und dem vierten Knoten 1123 angeordnet. Ein
vierter ohmscher Widerstand 1107 ist zwischen dem ersten
Knoten 1120 und dem fünften
Knoten 1124 angeordnet. Eine erste Induktivität 1109 ist
zwischen dem zweiten Knoten 1121 und einem sechsten Knoten 1125 angeordnet.
Eine zweite Induktivität 1110 ist
zwischen dem dritten Knoten 1122 und einem siebten Knoten 1126 angeordnet.
Eine dritte Induktivität 1111 ist
zwischen dem vierten Knoten 1123 und einem achten Knoten 1127 angeordnet.
Eine vierte Induktivität 1112 ist
zwischen dem fünften
Knoten 1124 und einem neunten Knoten 1128 angeordnet.
Ein Drain/Source-Bereich
eines ersten n-Kanal-MOSFETs 1113 ist zwischen dem sechsten
Knoten 1125 und einem zehnten Knoten 1130 angeordnet.
Ein Gatebereich des ersten n-Kanal-MOSFETs 1113 ist am
achten Knoten 1127 angeschlossen. Ein Drain/Source-Bereich eines zweiten
n-Kanal-MOSFETs 1114 ist zwischen dem siebten Knoten 1126 und
dem zehnten Knoten 1130 angeordnet. Ein Gatebereich des
zweiten n-Kanal-MOSFETs 1114 ist am neunten Knoten 1128 angeschlossen.
Ein Drain/Source-Bereich eines dritten n-Kanal-MOSFETs 1115 ist
zwischen dem achten Knoten 1127 und einem elften Knoten 1129 angeordnet.
Ein Gatebereich des dritten n-Kanal-MOSFETs 1115 ist am
siebten Knoten 1126 angeschlossen. Ein Drain/Source-Bereich
eines vierten n-Kanal-MOSFETs 1116 ist zwischen dem neunten
Knoten 1128 und dem elften Knoten 1129 angeordnet.
Ein Gatebereich des vierten n-Kanal-MOSFETs 1116 ist am
sechsten Knoten 1125 angeschlossen. Ein Drain/Source-Bereich
eines fünften
n-Kanal-MOSFETs 1117 ist
zwischen dem zehnten Knoten 1130 und einem zwölften Knoten 1131 angeordnet.
Ein Gatebereich des fünften
n-Kanal-MOSFETs 1117 ist an einem dreizehnten Knoten 1133 angeschlossen.
Ein Drain/Source-Bereich eines sechsten n-Kanal-MOSFETs 1118 ist
zwischen dem elften Knoten 1129 und dem zwölften Knoten 1131 angeordnet.
Ein Gatebereich des sechsten n-Kanal-MOSFETs 1118 ist an
einem vierzehnten Knoten 1134 angeschlossen. Eine Konstantstromquelle 1119 ist
zwischen dem zwölften
Knoten 1131 und einem fünfzehnten
Knoten 1132 angeordnet. Am ersten Knoten 1120 wird
ein Signal VDD bereitgestellt, wobei VDD eine Versorgungsspannung
der Frequenzumsetzerschaltung darstellt. Am dreizehnten Knoten 1133 und am
vierzehnten Knoten 1134 wird ein Signal CLK bereitgestellt,
wobei das Signal CLK ein Taktsignal darstellt. Am fünfzehnten
Knoten 1132 wird ein Signal VSS bereitgestellt, wobei VSS
eine weitere Versorgungsspannung der Frequenzumsetzerschaltung darstellt.
Am neunten Knoten 1128 und am achten Knoten 1127 wird
ein Signal Q ausgegeben.
-
Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 11 ist
durch den sechsten Knoten 1125, den siebten Knoten 1126,
den achten Knoten 1127 und den neunten Knoten 1128 von
der zweiten Stufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 11 getrennt.
-
Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 11 weist
den ersten ohmschen Widerstand 1102, den zweiten ohmschen
Widerstand 1103, den dritten ohmschen Widerstand 1106 und
den vierten ohmschen Widerstand 1107, die erste Induktivität 1109,
die zweite Induktivität 1110,
die dritte Induktivität 1111,
die vierte Induktivität 1112 sowie
die erste Kapazität 1101,
die zweite Kapazität 1104,
die dritte Kapazität 1105 und die
vierte Kapazität 1108 auf.
-
Die
Laststufe der Frequenzumsetzerschaltung gemäß 11 weist
vier Laststufen, die gemäß 4 eingerichtet
sind, auf, wobei alle vier Laststufen gemäß der 4 an den
Knoten dritten Knoten 407 gekoppelt sind und je ein erster
Knoten 405 einer Laststufe gemäß 4 mit der
zweiten Stufe gemäß 11 gekoppelt ist.
-
Die
zweite Stufe der dynamischen Frequenzteilerschaltung gemäß 11 unterscheidet
sich in folgenden Elementen von der zweiten Stufe der statischen
Frequenzteilerschaltung gemäß 8:
Sobald
gemäß 8 der
Dateneingang D aufgrund der Schaltzeiten des dritten n-Kanal-MOSFETs 107,
des vierten n-Kanal-MOSFETs 108,
des zehnten n-Kanal-MOSFETs 114 bzw. des siebten n-Kanal-MOSFETs 111, des
achten n-Kanal-MOSFETs 112 und des zwölften n-Kanal-MOSFETs 116 dem
Taktsignal CLK nicht mehr folgen kann, entfällt die Steuerwirkung des dritten
n-Kanal-MOSFETs 107, des vierten n-Kanal-MOSFETs 108, des
zehnten n-Kanal-MOSFETs 114 bzw. des siebten n-Kanal-MOSFETs 111,
des achten n-Kanal-MOSFETs 112 und des zwölften n-Kanal-MOSFETs 116 und
sie können
weggelassen werden, wobei der n-Kanal-MOSFETs 105, der
n-Kanal-MOSFET 106, der n-Kanal-MOSFET 109, der n-Kanal-MOSFET 110,
der n-Kanal-MOSFET 113 und der n-Kanal-MOSFET 115 zu
einem Logikgatter zusammengefasst werden, das in 11 in
Form des ersten n-Kanal-MOSFETs 1113 und
des sechsten n-Kanal-MOSFETs 1118 zu sehen ist.
-
Der
Betragsgang der Lastimpedanz von drei verschiedenen Frequenzumsetzerschaltungen
jeweils in Abhängigkeit
von der Frequenz des eingespeisten Signals ist in 6 dargestellt,
wobei sich die drei betrachteten Frequenzumsetzerschaltungen vorzugsweise
hinsichtlich des Schaltungsdesigns ihrer Laststufen unterscheiden:
Die
mit dem Bezugszeichen 601 bezeichnete Linie zeigt den frequenzabhängigen Betragsgang
einer Lastimpedanz einer Frequenzumsetzerschaltung, deren Laststufen
gemäß 2 aufgebaut
sind.
-
Die
mit dem Bezugszeichen 602 bezeichnete Linie zeigt den frequenzabhängigen Betragsgang
einer Lastimpedanz einer Frequenzumsetzerschaltung, deren Laststufen
gemäß 3 aufgebaut
sind.
-
Die
mit dem Bezugszeichen 603 bezeichnete Linie zeigt den frequenzabhängigen Betragsgang
einer Lastimpedanz einer Frequenzumsetzerschaltung, deren Laststufen
erfindungsgemäß nach 4 aufgebaut sind,
wobei hier bei hohen Frequenzen deutlich ein signifikant höheres Betragsniveau
der Lastimpedanz der Frequenzumsetzerschaltungen erkennbar ist.
-
Die
erfindungsgemäße Ausführung einer
Frequenzumsetzerschaltung hat gemäß 6 den Vorteil, dass
die Arbeitsfrequenz der Frequenzumsetzerschaltung um das Frequenzintervall Δf erhöht werden
kann, wenn der Betrag der Lastimpedanz sich lediglich innerhalb
eines 0,5dB Streifens um den Betrag der Lastimpedanz der bei niedrigen
Arbeitsfrequenzen betriebenen Frequenzumsetzerschaltung bewegen
soll, wobei in der Frequenzumsetzerschaltung vorzugsweise Laststufen
gemäß 3 erfindungsgemäß in Laststufen
gemäß 4 umgewandelt
werden.
-
Der
Phasengang der Lastimpedanz von drei verschiedenen Frequenzumsetzerschaltungen
jeweils in Abhängigkeit
von der Frequenz des eingespeisten Signals ist in 7 dargestellt,
wobei sich die drei betrachteten Frequenzumsetzerschaltungen vorzugsweise
hinsichtlich des Schaltungsdesigns ihrer Laststufen unterscheiden:
Die
mit dem Bezugszeichen 701 bezeichnete Linie zeigt den frequenzabhängigen Phasengang
einer Lastimpedanz einer Frequenzumsetzerschaltung, deren Laststufen
gemäß 2 aufgebaut
sind.
-
Die
mit dem Bezugszeichen 702 bezeichnete Linie zeigt den frequenzabhängigen Phasengang
einer Lastimpedanz einer Frequenzumsetzerschaltung, deren Laststufen
gemäß 3 aufgebaut
sind.
-
Die
mit dem Bezugszeichen 703 bezeichnete Linie zeigt den frequenzabhängigen Phasengang
einer Lastimpedanz einer Frequenzumsetzerschaltung, deren Laststufen
erfindungsgemäß nach 4 aufgebaut sind,
wobei hier bei hohen Arbeitsfrequenzen einer Frequenzumsetzerschaltung,
die im Δf-Bereich
gemäß 6 liegen,
deutlich eine signifikant geringere Phasenverschiebung der Lastimpedanz
der Frequenzumsetzerschaltungen erkennbar ist.
-
Die
erfindungsgemäße Ausführung einer
Frequenzumsetzerschaltung hat, wie 7 dargestellt,
ferner den Vorteil, dass die Phasenverschiebung der Lastimpedanz
einer Frequenzumsetzerschaltung um das Phasenverschiebungsintervall Δφ geringer
ist, wenn bei gleich hoher Arbeitsfrequenz, die vorzugsweise um den Δf-Bereich gemäß 6 herum
liegt, in der Frequenzumsetzerschaltung Laststufen gemäß 3 erfindungsgemäß in Laststufen
gemäß 4 umgewandelt
werden.
-
Zusammenfassend
ist anzumerken, dass wie in 6 und in 7 zu
sehen die erfindungsgemäße Ausgestaltung
einer Laststufe einer Frequenzumsetzerschaltung gemäß der 4 oder
der 5 gegenüber dem
Stand der Technik gemäß der 2 und
der 3 hinsichtlich des gewünschten Betragsganges der Lastimpedanz
und hinsichtlich der Phasenverschiebung des Ausgangssignals vorzugsweise
bei hohen Arbeitsfrequenzen signifikante Verbesserungen zeigt.
-
Zusammenfassend
ist den in den 8 bis 11 dargestellten
Ausführungsbeispielen
insbesondere gemeinsam, dass die zu den ohmschen Widerständen parallel
geschalten Kapazitäten
C1 819, 820, 821, 822, 901, 904, 905, 908, 1001, 1004, 1101, 1104, 1105, 1108 mit
ihrem ersten Anschluss zwischen die jeweilige Induktivität und den
ohmschen Widerstand geschaltet ist und mit ihrem zweiten Anschluss
mit der positiven Versorgungsspannung VCC bzw.
VDD gekoppelt ist.
-
Es
ist jedoch darauf hinzuweisen, dass dies nicht unbedingt erforderlich
ist. In alternativen Ausgestaltungen der Erfindung ist es ebenso
möglich
und vorgesehen, dass der zweite Anschluss der zusätzlichen
Kapazitäten
C1 819, 820, 821, 822, 901, 904, 905, 908, 1001, 1004, 1101, 1104, 1105, 1108 mit
der Versorgungsspannung VEE bzw. VSS gekoppelt ist und somit nicht mehr zu
den ohmschen Widerständen
parallel geschaltet sind.
-
Eine
solche alternative Ausführungsform
einer Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 1200, welche
bis auf den beschriebenen Aspekt der in 8 dargestellten
Ausführungsform
entspricht, ist in 12 dargestellt. Im Unterschied
zu der in 8 dargestellten Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 800 ist
der zweite Anschluss der jeweiligen Kapazitäten 819, 820, 821, 822 der
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 1200 mit dem sechzehnten
Knoten 134 und damit mit dem negativen Stromversorgungspotential
VSS gekoppelt.
-
In
entsprechender Weise sind alternative Ausführungsformen von Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnungen
vorgesehen, die im Wesentlichen jeweils den in den 9, 10 und 11 dargestellten
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnungen 900, 1000, 1100 entsprechen
mit dem Unterschied, dass der zweite Anschluss der jeweiligen Kapazitäten (Kapazitäten 901, 904, 905, 908 der
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 900, Kapazitäten 1001, 1004 der
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 1000,
Kapazitäten 1101, 1104, 1105, 1108 der
Frequenzumsetzerschaltungs-Anordnung 1100) mit dem jeweiligen
negativen Stromversorgungspotential VSS gekoppelt
ist.
-
In
diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
- [1]
Tietze, U., Schenk, Ch.: "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer-Verlag,
11.Auflage, ISBN 3-540-64192-0, pp. 685-712, (1999).
- [2] Klar, H.: "Integrierte
Digitale Schaltungen MOS/BICMOS",
Springer-Verlag, 2.Auflage, ISBN 3-540-61284-X, pp. 106-114., (1996).
- [3] Lao, Z., Bronner, W., Thiede, A., Schlechtweg, M., Hülsmann,
A., Rieger-Motzer, M., Kaufel, G., Raynor, B., Sedler, M.: "35-GHz Static and
48-Ghz Dynamic Frequency Divider ICs Using o.2-μm AlGaAs/GaAs-HEMTs". IEEE Journal of
Solid-State Circuits, vol. 32, nr. 10, pp. 1556-1562, (October 1997).
- [4] Lee, Q., Guthrie, J., Jaganathan, S., Mathew, T., Betser,
Y., Krishnan, S., Ceran, S., Rodwell, M.J.W.: "56 GHz Static Frequency Divider in Transferredsubstrate
HBT Technology",
IEEE Radio Frequency IC (RFIC) Symposium, pp. 87-90, (1995).
- [5] Knapp, H.: "Realisierung
optimierter monolithisch integrierter Oszillatoren und Frequenzteiler
für Mikrowellen
in Si- und SiGe-Technologie",
Dissertation E 389 am Institut für
Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik der Technischen Universität Wien,
Fakultät
für Elektrotechnik,
p.89, Oktober 1999.
-
- 100
- Master-Slave-D-Flip-Flop-Schaltung
- 101
- erster
Ohmscher Widerstand
- 102
- zweiter
Ohmscher Widerstand
- 103
- dritter
Ohmscher Widerstand
- 104
- vierter
Ohmscher Widerstand
- 105
- erster
n-Kanal-MOSFET
- 106
- zweiter
n-Kanal-MOSFET
- 107
- dritter
n-Kanal-MOSFET
- 108
- vierter
n-Kanal-MOSFET
- 109
- fünfter n-Kanal-MOSFET
- 110
- sechster
n-Kanal-MOSFET
- 111
- siebter
n-Kanal-MOSFET
- 112
- achter
n-Kanal-MOSFET
- 113
- neunter
n-Kanal-MOSFET
- 114
- zehnter
n-Kanal-MOSFET
- 115
- elfter
n-Kanal-MOSFET
- 116
- zwölfter n-Kanal-MOSFET
- 117
- erste
Konstantstromquelle
- 118
- zweite
Konstantstromquelle
- 119
- erster
Knoten
- 120
- zweiter
Knoten
- 121
- dritter
Knoten
- 122
- sechster
Knoten
- 123
- neunter
Knoten
- 124
- siebter
Knoten
- 125
- achter
Knoten
- 126
- fünfter Knoten
- 127
- vierter
Knoten
- 128
- zehnter
Knoten
- 129
- elfter
Knoten
- 130
- zwölfter Knoten
- 131
- vierzehnter
Knoten
- 132
- fünfzehnter
Knoten
- 133
- dreizehnter
Knoten
- 134
- sechzehnter
Knoten
- 200
- Laststufe
- 201
- Parasitär-Kapazität
- 202
- Ohmscher
Widerstand
- 203
- erster
Knoten
- 204
- zweiter
Knoten
- 300
- Laststufe
- 301
- Parasitär-Kapazität
- 302
- Induktivität
- 303
- Ohmscher
Widerstand
- 304
- erster
Knoten
- 305
- zweiter
Knoten
- 306
- dritter
Knoten
- 400
- Laststufe
- 401
- Parasitär-Kapazität
- 402
- Induktivität
- 403
- Ohmscher
Widerstand
- 404
- Kapazität
- 405
- erster
Knoten
- 406
- zweiter
Knoten
- 407
- dritter
Knoten
- 500
- Laststufe
- 501
- Parasitär-Kapazität
- 502
- erste
Induktivität
- 503
- zweite
Induktivität
- 505
- Ohmscher
Widerstand
- 504
- erste
Kapazität
- 506
- zweite
Kapazität
- 507
- erster
Knoten
- 508
- zweiter
Knoten
- 509
- dritter
Knoten
- 510
- vierter
Knoten
- 601
- Betragsgang
Lastimpedanz
- 602
- Betragsgang
Lastimpedanz
- 603
- Betragsgang
Lastimpedanz
- 701
- Phasengang
Lastimpedanz
- 702
- Phasengang
Lastimpedanz
- 703
- Phasengang
Lastimpedanz
- 800
- Statischer
Current-Mode-Logic Frequenzteiler
- 801
- erster
Ohmscher Widerstand
- 802
- zweiter
Ohmscher Widerstand
- 803
- dritter
Ohmscher Widerstand
- 804
- vierter
Ohmscher Widerstand
- 819
- erste
Kapazität
- 820
- zweite
Kapazität
- 821
- dritte
Kapazität
- 822
- vierte
Kapazität
- 823
- erste
Induktivität
- 824
- zweite
Induktivität
- 825
- dritte
Induktivität
- 826
- vierte
Induktivität
- 843
- siebzehnter
Knoten
- 844
- achtzehnter
Knoten
- 845
- neunzehnter
Knoten
- 846
- zwanzigster
Knoten
- 900
- Statischer
Frequenzteiler
- 902
- erster
Ohmscher Widerstand
- 903
- zweiter
Ohmscher Widerstand
- 906
- dritter
Ohmscher Widerstand
- 907
- vierter
Ohmscher Widerstand
- 935
- fünfter Ohmscher
Widerstand
- 936
- sechster
Ohmscher Widerstand
- 937
- siebter
Ohmscher Widerstand
- 938
- achter
Ohmscher Widerstand
- 939
- neunter
Ohmscher Widerstand
- 940
- zehnter
Ohmscher Widerstand
- 901
- erste
Kapazität
- 904
- zweite
Kapazität
- 905
- dritte
Kapazität
- 908
- vierte
Kapazität
- 909
- erste
Induktivität
- 910
- zweite
Induktivität
- 911
- dritte
Induktivität
- 912
- vierte
Induktivität
- 913
- erster
npn-Bipolartransistor
- 914
- zweiter
npn-Bipolartransistor
- 915
- dritter
npn-Bipolartransistor
- 916
- vierter
npn-Bipolartransistor
- 917
- fünfter npn-Bipolartransistor
- 918
- sechster
npn-Bipolartransistor
- 919
- siebter
npn-Bipolartransistor
- 920
- achter
npn-Bipolartransistor
- 921
- neunter
npn-Bipolartransistor
- 922
- zehnter
npn-Bipolartransistor
- 923
- elfter
npn-Bipolartransistor
- 924
- zwölfter npn-Bipolartransistor
- 925
- dreizehnter
npn-Bipolartransistor
- 926
- vierzehnter
npn-Bipolartransistor
- 927
- fünfzehnter
npn-Bipolartransistor
- 928
- sechzehnter
npn-Bipolartransistor
- 929
- siebzehnter
npn-Bipolartransistor
- 930
- achtzehnter
npn-Bipolartransistor
- 931
- neunzehnter
npn-Bipolartransistor
- 932
- zwanzigster
npn-Bipolartransistor
- 933
- einundzwanzigster
npn-Bipolartransistor
- 934
- zweiundzwanzigster
npn-Bipolartransistor
- 941
- erster
Knoten
- 942
- zweiter
Knoten
- 943
- dritter
Knoten
- 944
- vierter
Knoten
- 945
- fünfter Knoten
- 946
- dreizehnter
Knoten
- 947
- fünfzehnter
Knoten
- 948
- vierzehnter
Knoten
- 949
- sechzehnter
Knoten
- 950
- achtzehnter
Knoten
- 951
- siebzehnter
Knoten
- 952
- zwanzigster
Knoten
- 953
- einundzwanzigster
Knoten
- 954
- dreiundzwanzigster
Knoten
- 955
- vierundzwanzigster
Knoten
- 956
- sechsundzwanzigster
Knoten
- 957
- fünfundzwanzigster
Knoten
- 958
- neunzehnter
Knoten
- 959
- zweiundzwanzigster
Knoten
- 960
- achtundzwanzigster
Knoten
- 961
- neunundzwanzigster
Knoten
- 962
- siebenundzwanzigster
Knoten
- 963
- dreißigster
Knoten
- 964
- einunddreißigster
Knoten
- 965
- siebter
Knoten
- 966
- sechster
Knoten
- 967
- achter
Knoten
- 968
- neunter
Knoten
- 969
- zehnter
Knoten
- 970
- elfter
Knoten
- 971
- zwölfter Knoten
- 1000
- Dynamischer
Frequenzteiler
- 1001
- Kapazität
- 1002
- erster
Ohmscher Widerstand
- 1003
- zweiter
Ohmscher Widerstand
- 1004
- Kapazität
- 1005
- erster
npn-Bipolartransistor
- 1006
- zweiter
npn-Bipolartransistor
- 1007
- dritter
npn-Bipolartransistor
- 1008
- vierter
npn-Bipolartransistor
- 1009
- fünfter npn-Bipolartransistor
- 1010
- sechster
npn-Bipolartransistor
- 1011
- Konstantstromquelle
- 1012
- erste
Induktivität
- 1013
- zweite
Induktivität
- 1014
- erster
Knoten
- 1015
- zweiter
Knoten
- 1016
- dritter
Knoten
- 1017
- vierter
Knoten
- 1018
- fünfter Knoten
- 1019
- siebter
Knoten
- 1020
- sechster
Knoten
- 1021
- achter
Knoten
- 1022
- neunter
Knoten
- 1023
- elfter
Knoten
- 1024
- zehnter
Knoten
- 1100
- Dynamischer
Frequenzteiler
- 1101
- erste
Kapazität
- 1102
- erster
Ohmscher Widerstand
- 1103
- zweiter
Ohmscher Widerstand
- 1104
- zweite
Kapazität
- 1105
- dritte
Kapazität
- 1106
- dritter
Ohmscher Widerstand
- 1107
- vierter
Ohmscher Widerstand
- 1108
- vierte
Kapazität
- 1109
- erste
Induktivität
- 1110
- zweite
Induktivität
- 1111
- dritte
Induktivität
- 1112
- vierte
Induktivität
- 1113
- erster
n-Kanal-MOSFET
- 1114
- zweiter
n-Kanal-MOSFET
- 1115
- dritter
n-Kanal-MOSFET
- 1116
- vierter
n-Kanal-MOSFET
- 1117
- fünfter n-Kanal-MOSFET
- 1118
- sechster
n-Kanal-MOSFET
- 1119
- Konstantstromquelle
- 1120
- erster
Knoten
- 1121
- zweiter
Knoten
- 1122
- dritter
Knoten
- 1123
- vierter
Knoten
- 1124
- fünfter Knoten
- 1125
- sechster
Knoten
- 1126
- siebter
Knoten
- 1127
- achter
Knoten
- 1128
- neunter
Knoten
- 1129
- elfter
Knoten
- 1130
- zehnter
Knoten
- 1131
- zwölfter Knoten
- 1132
- fünfzehnter
Knoten
- 1133
- dreizehnter
Knoten
- 1134
- vierzehnter
Knoten
- 1200
- Statischer
Current-Mode-Logic Frequenzteiler