DE102005060944B4

DE102005060944B4 - Abstimmschaltung zu einer Frequenzabstimmung, Verwendung der Abstimmschaltung und Verfahren zur Frequenzabstimmung

Info

Publication number: DE102005060944B4
Application number: DE102005060944A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pretl Harald
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: US7847642B2; US20070222527A1; DE102005060944A1

Abstract

Abstimmschaltung zu einer Frequenzabstimmung eines Ozillators (1a), umfassend: – einen Anschluss mit einem ersten Teilanschluss (XO) und mit einem zweiten Teilanschluss (XOX), wobei der erste Teilanschluss (XO) ausgebildet ist zum Koppeln mit einem ersten Signalabgriff eines eine Resonanzfrequenz aufweisenden Elementes (Q1) und wobei der zweite Teilanschluss (XOX) ausgebildet ist zum Koppeln mit einem zweiten Signalabgriff des Elements (Q1); – eine in ihrer Kapazität steuerbare Anordnung (Cv) zu einer Abstimmung der Resonanzfrequenz des Elementes (Q1), wobei die Anordnung (Cv) einen Steueranschluss (52) und eine Vielzahl über ein Abstimmwort am Steueranschluss (52) schaltbarer Ladungsspeicher (C5, C6, C7, C8) aufweist, wobei die Anordnung (Cv) mit dem zweiten Teilanschluss (XOX) direkt verbunden ist; – einen Steuereingang (51) zur Zuführung eines digitalen Steuerwortes (DW) einer Wortbreite, wobei das digitale Steuerwort (DW) ein erstes Teilsteuerwort (N0) einer ersten Teillänge und ein zweites Teilsteuerwort (K) einer zweiten Teillänge umfasst, – einen Sigma-Delta-Modulator...

Description

Die Erfindung betrifft eine Abstimmschaltung zu einer Frequenzabstimmung, insbesondere für einen Referenzoszillator sowie eine Verwendung einer solchen in einer Sende- oder Empfangseinrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Frequenzabstimmung.
Moderne Kommunikationsgeräte benötigen eine sehr präzise Zeitbasis für eine Signalverarbeitung von zu übertragenden Daten. Für diese Zeitbasis dient häufig ein so genannter Referenzoszillator, der ein frequenzstabiles Signal abgibt. Als Basis für den Referenzoszillator wird wiederum meist ein Quarzoszillator verwendet, der eine bestimmte Resonanzfrequenz mit einer hohen Güte aufweist. Aus einem Signal des Referenzoszillators werden alle für den Betrieb des Kommunikationsgerätes benötigten Taktsignale abgeleitet. Beispielsweise verwendet das Kommunikationsgerät das Referenzsignal dazu, die Frequenz eines Sendesignals auf eine gewünschte Trägerfrequenz für die Übertragung von Daten abzustimmen. Auch für die digitale Signalverarbeitung ist eine genaue Zeitbasis wünschenswert, beispielsweise für die Erzeugung digitaler Daten mit einer vorgesehenen Datenrate.
Druckschrift US 6,400,231 zeigt einen Oszillator, der als Referenzoszillator für die Bereitstellung eines frequenzstabilen Signals dient. Er enthält digital abstimmbare Kapazitäten für eine Frequenzeinstellung. Das Dokument „A First Digitally-Controlled Oscillator on a Deep-Submicron CMOS Process for Multi-GHz Wireless Applications” von R. Staszewski et al. zeigt einen weiteren digital abstimmbaren Oszillator.
Die Entgegenhaltung US 6,172,576 B1 zeigt eine Anordnung mit schaltbaren Kapazitäten zur Frequenzabstimmung eines Quarzes, der an einen Oszillator angeschlossen ist.
Aus der DE 39 20 008 A1 ist ein Phasenregelkreis mit einem spannungsgesteuerten Oszillator O bekannt. Die Frequenz des Oszillators ist über eine Schaltmatrix M durch das Parallelschalten von verschiedenen Kondensatoren einstellbar. Der geringstwertige Kondensator CP wird dabei von einem Pulslängenmodulator PLM angesteuert, wodurch ein Kapazitätswert erhalten wird, der dem Produkt aus dem Tastverhältnis des Pulslängenmodulators und dem Kapazitätswert des Kondensators CP entspricht.
Der kontinuierliche Trend zu einer höheren monolithischen Integration einzelner Bauelemente auf einem Halbleiterkörper führt zu einer Entwicklung abstimmbarer Quarzoszillatoren und damit abstimmbarer Referenzoszillatoren. Mithilfe einer Abstimmung der Ausgangsfrequenz eines aus dem Quarzoszillator abgeleiteten Signals wird es möglich, Alterungs- beziehungsweise Temperatureffekte nachträglich zu korrigieren. So ist es beispielsweise möglich, eine Ausgangsfrequenz eines Quarzoszillators beispielsweise durch eine veränderbare Kapazität mithilfe einer analogen Einstellspannung zu verändern. Eine andere Möglichkeit besteht darin, mehrere schaltbare Kapazitäten vorzusehen und darüber direkt eine Ausgangsfrequenz des Quarzoszillators zu beeinflussen. Eine derartige Implementierung wird auch als digital abstimmbarer Quarzoszillator (DCXO) bezeichnet.
Da im Regelfall nur eine sehr geringe Frequenzänderung in der Resonanzfrequenz des Quarzoszillators vorgenommen werden muss, ist es notwendig, eine hohe Anzahl an Kondensatoren mit sehr geringen Kapazitäten vorzusehen. Dies ist notwendig, um bei einer Änderung in der Ausgangsfrequenz des Quarzoszillators die Auflösung ausreichend zu erhöhen. Nur mit einer ausreichend hohen Auflösung kann ein frequenzgenaues Signal erhalten werden. Die große Anzahl an einzelnen Kondensatoren mit geringen Kapazitäten führt zu einer besonders großen Chipfläche und somit zu höheren Kosten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auch mit einer geringeren Chipfläche eine ausreichende Auflösungsgenauigkeit zu erhalten, insbesondere für eine Einstellung eines Referenzoszillators. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Frequenzabstimmung anzugeben, welches mit einfachen Mitteln realisierbar ist.
Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche 1, 9 und 10 gelöst. Weitere Aspekte der Erfindung und Ausgestaltungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Anzahl an Kondensatoren beziehungsweise schaltbarer kapazitiver Bauelemente in einer in ihrer Kapazität steuerbaren Anordnung zu reduzieren. Dies bedeutet im Regelfall auch eine Reduzierung der Auflösung oder eine gröbere Frequenzänderung bei der Abstimmung. Um dennoch eine gewünschte Auflösung für eine genaue Abstimmung zu erhalten wird vorgeschlagen, eine Überabtastung eines für die Abstimmung verwendeten digitalen Steuerwortes durchzuführen. Mit dem durch die Überabtastung gewonnenen Abstimmwort wird dann eine Gesamtkapazität der Anordnung für die Abstimmung des Oszillators eingestellt. Für eine derartige Überabtastung ist beispielsweise ein Sigma-Delta-Modulator geeignet, der kurz als ΣΔ-Modulator bezeichnet wird.
Mit dem vorgeschlagenen Prinzip lässt sich eine höhere effektive Auflösung erhöhen, wodurch eine Reduzierung der Anzahl der Kapazitäten innerhalb der Anordnung möglich wird. Es wird also eine höhere Auflösung und damit eine genauere Frequenzeinstellung erreicht, als dies durch eine direkte Verarbeitung des digitalen Abstimmwortes möglich wäre.
Da zusätzlich ein Bauelement mit einer sehr selektiven Resonanzfrequenz vorgesehen ist, wird ein Quantisierungsrauschen durch die vorgeschlagene Signalverarbeitung des digitalen Abstimmsignals durch den Quarzoszillator gefiltert. Das Phasenrauschen des Quarzoszillators wird dadurch nicht beeinflusst.
In einem Aspekt der Erfindung ist ein Ausgang der Abstimmschaltung an einen Oszillatorkern angeschlossen. Gemeinsam mit dem in seiner Resonanzfrequenz abstimmbaren Bauelement ist so ein Referenzoszillator gebildet, der ein sehr frequenzstabiles Signal abgibt. Der Oszillatorkern kann beispielsweise durch einen Colpittsoszillator, einen Pierceoszillator oder auch einen Butleroszillator gebildet sein. Aus dem von dem Oszillatorkern abgegebenen Referenzsignal können weitere Taktsignale abgeleitet werden. So ist es beispielsweise möglich, aus dem Referenzsignal ein Taktsignal zu erzeugen, dass für einen Betrieb des Modulators der Abstimmschaltung verwendet wird, bzw. mit dem eine Überabtastung durchgeführt wird.
Ein weiterer Aspekt betrifft die Implementierung der Anordnung und im Besonderen eine Implementierung der innerhalb der Anordnung vorgesehenen kapazitiven Bauelemente. Durch eine Verringerung der Anzahl und die vorgeschlagene Signalverarbeitung mithilfe einer Überabtastung werden die Anforderungen an die Prozessgenauigkeit während der Herstellung der einzelnen kapazitiven Bauelemente reduziert. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass nach dem vorgeschlagenen Prinzip eine Anzahl einzelner kapazitiver Bauelemente durch das überabgetastete Abstimmwort periodisch geschaltet wird. Dadurch wird eine Mittelwertsbildung der Kapazität der einzelnen Bauelemente vorgenommen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das zu verarbeitende digitale Steuerwort ein erstes Teilsteuerwort einer ersten Teillänge sowie ein zweites Teilsteuerwort einer zweiten Teillänge. Der Sigma-Delta-Modulator ist zur Zuführung des zweiten Teilsteuerwortes ausgeführt. Ausgangsseitig gibt er ein aus dem zweiten Teilsteuerwort abgeleitetes Wort an ein Addierglied ab, das mit einem zweiten Eingang zur Zuführung des ersten Teilsteuerwortes ausgebildet ist. Das Addierglied bildet daraus das digitale Abstimmwort.
In einem anderen Aspekt der Erfindung sind die kapazitiven Bauelemente der in ihrer Kapazität steuerbaren Anordnung als Kondensatoren, und beispielsweise als Metall-Isolator-Metallkondensatoren ausgeführt.
Um der zunehmenden Integrationsdichte gerecht zu werden, ist in einem Aspekt der Erfindung die Abstimmschaltung als monolithisch integrierte Schaltung in einem Halbleiterkörper ausgebildet. Auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers können Kontaktstellen vorgesehen sein, die einen Anschluss zur Kopplung mit einem Signalabgriff eines Quarzoszillators bilden.
Dadurch kann der Quarzoszillator außerhalb des Halbleiterkörpers vorgesehen werden.
Nach dem vorgeschlagenen Prinzip wird zur Abstimmung eines Quarzoszillators ein digitales Steuerwort erzeugt. Dieses dient dazu, steuerbare kapazitive Bauelemente einer Anordnung für eine Abstimmung einer Signalfrequenz eines Quarzoszillators einzustellen. Es ist vorgesehen, das digitale Steuerwort in ein erstes Teilsteuerwort sowie ein zweites Teilsteuerwort zu unterteilen. Anschließend erfolgen eine Überabtastung des zweiten Teilsteuerwortes sowie eine Addition des Ergebnisses der Überabtastung zu dem ersten Teilsteuerwort. Das Ergebnis ist das Abstimmwort, mit dem die Kapazität der Anordnung gesteuert wird.
Mit anderen Worten wird aus dem zweiten Teilsteuerwort ein Mittelwert gebildet. Mithilfe der Summe aus dem ersten Teilsteuerwort und dem durch die Mittelwertsbildung des zweiten Teilsteuerwortes gewonnenen Ergebnis wird ein Kapazitätsfeld zu einer Abstimmung einer Ausgangsfrequenz des Oszillators angesteuert. Mithilfe der Überabtastung und eines kontinuierlichen Schaltens der einzelnen kapazitiven Bauelemente des Kapazitätsfeldes lässt sich eine deutlich höhere kapazitive Auflösung bezüglich der Anordnung erreichen als es durch das Schalten einzelner Kapazitäten möglich wäre.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsformen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen im Detail erläutert.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines wertdiskret abstimmbaren Quarzoszillators,
2 ein Ausführungsbeispiel einer Abstimmschaltung gemäß der Erindung,
3 einen Phasenregelkreis mit einer Abstimmschaltung,
4 ein Ausführungsbeispiel eines Kapazitätsfeldes mit schaltbaren Kapazitäten,
5 ein Ausführungsbeispiel eines Sigma-Delta-Modulators,
5 eine Darstellung eines Halbleiterkörpers mit auf der Oberfläche angeordneten Kontaktstellen.
1 zeigt einen digital abstimmbaren Referenzoszillator 1 in einem Halbleiterkörper mit angeschlossenem Quarz Q1. Dieser ist zusammen mit verschiedenen Halbleiterbauelementen in einem Halbleiterkörper dargestellt. Die einzelnen Elemente bilden eine integrierte Schaltung, beispielsweise für die Signalverarbeitung, die im Betrieb ein frequenzstabiles Referenzsignal benötigt. Dazu ist der Oszillator 1 vorgesehen. Ein Ausgang 11 dient zur Bereitstellung eines Taktsignals Fsys, welches die Zeitbasis für alle im Halbleiterkörper weiter vorgesehenen Bauelemente vorgibt. Mit anderen Worten werden aus dem am Ausgang 11 bereitgestellten Taktsignal alle weiteren für die Signalverarbeitung notwendigen Taktsignale erzeugt. Dazu gehören beispielsweise eine Frequenzteilung des bereitgestellten Taktsignals Fsys oder auch eine Frequenzvervielfachung.
Die hier dargestellte Abstimmschaltung umfasst weiterhin zwei Teilanschlüsse XO, XOX. An diese ist der Quarz Q1 als externes Element angeschlossen. Die beiden Teilanschlüsse dienen zur Zuführung eines von dem Quarz abgegebenen Gegentaktsignals an einen Colpittsoszillator 1a zur Erzeugung des Taktsignals Fsys. Dazu enthält die Schaltung weiterhin einen Kondensator Cx, der zwischen die beiden Teilanschlüsse XO und XOX geschaltet ist.
Der Teilanschluss XO ist darüber hinaus mit einem Steueranschluss eines Transistors T1 verbunden. Dieser ist zwischen einem Massepotenzialanschluss sowie eine Stromquelle S1 und einem Versorgungspotenzialanschluss geschaltet. Zwischen dem als p-Kanal-Feldeffekttransistor ausgebildeten Transistor T1 und der Stromquelle S1 ist ein Knoten 12 vorgesehen, der mit dem Abgriff 11 für das Taktsignal Fsys verbunden ist. Ebenso ist der Knoten 12 an zwei Kondensatoren CA und CB angeschlossen. Der Kondensator CB ist mit einem zweiten Anschluss ebenfalls auf das Bezugspotenzial GND gelegt. Der Kondensator CA ist mit seinem zweiten Anschluss an den Steueranschluss des Transistors T1 angeschlossen.
Die Anordnung aus dem Transistor T1 und den beiden Kondensatoren CA, CB und der Stromquelle S1 bildet einen Oszillatorkern des Referenzoszillators. Zur Abstimmung der Frequenz dieses Referenzoszillators durch Abstimmung der Resonanzfrequenz des Quarzoszillators dient der Kondensator Cx, der Quarzkristall Q1 sowie der Kondensator C2 und der in seiner Kapazität abstimmbare Ladungsspeicher Cv. Dabei sind die Elemente C2 und Cv parallel angeordnet und mit einem Anschluss mit dem Bezugspotenzial und mit dem anderen Anschluss mit dem Teilanschluss XOX verbunden.
Der in seiner Kapazität steuerbare Ladungsspeicher Cv stellt dabei ein steuerbares Kapazitätsfeld dar, und umfasst einen Steuereingang 52 zur Zuführung eines Abstimmwortes Ni. Mithilfe des Abstimmwortes lässt sich die Gesamtkapazität des Kapazitätsfeldes Cv einstellen.
4 zeigt eine Ausführungsform eines derartigen Kapazitätsfeldes mit hier vier dargestellten einzelnen Kondensatoren C₅ bis C₈. Diese sind als so genannte Metall-Isolator-Metallkondensatoren (MIMCap) ausgeführt. Im Einzelnen sind sie parallel zueinander angeordnet und zwischen je zwei Feldeffekttransistoren T₅, T_5a bis T₈, T_8a geschaltet. Die Feldeffekttransistoren dienen zum Hinzufügen beziehungsweise Wegschalten des jeweiligen Kondensators C₅ bis C₈ zu dem Kapazitätsfeld. Sie wirken somit als Schalter. Durch Hinzufügen beziehungsweise Wegschalten der einzelnen Kondensatoren ändert sich die Gesamtkapazität des Kapazitätsfeldes Cv in wertdiskreten Schritten. Dazu bilden die Gesamtheit der Steueranschlüsse der einzelnen Transistoren T₅, T_5a bis T₈, T_8a den Steuereingang 52.
Um eine sehr gute Auflösung und eine hohe Frequenzeinstellgenauigkeit zu erreichen, ist es notwendig, eine Vielzahl von Kondensatoren in dem Kapazitätsfeld Cv vorzusehen. Um darüber hinaus eine gleichförmige Abstimmcharakteristik der Abstimmschaltung zu erhalten, sollten die Prozessschwankungen während der Herstellung des dargestellten Kapazitätsfeldes gering sein. Größere Prozessschwankungen beziehungsweise Unterschiede in den effektiven Kapazitätswerten der einzelnen Kondensatoren können zu einem ungleichmäßigen Abstimmverhalten des Kapazitätsfeldes führen.
Zu einer Verbesserung dieses Abstimmverhaltens wird daher vorgeschlagen, die einzelnen Kapazitäten nicht mehr durch ein digitales Abstimmwort am Steuereingang 52 direkt anzusteuern. Vielmehr kann die Auflösung und damit auch das Abstimmverhalten durch geeignete Maßnahmen der Signalverarbeitung des zugeführten Wortes verbessert werden. Dazu zeigt die 2 eine erfindungsgemäße Ausgestaltungsform der Abstimmschaltung mithilfe eines Sigma-Delta-Modulators. Dabei ist vorgesehen, ein digitales Steuerwort DW zur Einstellung des Kapazitätsfeldes mithilfe einer Sigma-Delta-Modulation einer Überabtastung zu unterziehen. Durch diese Überabtastung lässt sich die effektive Auflösung eines dem Kapazitätsfeld Cv zugeführten digitalen Abstimmwortes Ni erhöhen.
Die in 2 dargestellte erfindungsgemäße Abstimmschaltung 50 umfasst einen Steuereingang 51 zur Zuführung eines digitalen Steuerwortes DW mit einer Wortbreite von x Bits. Das digitale Steuerwort wird in zwei Teilsteuerworte N₀ und K aufgeteilt. Das erste Teilsteuerwort N₀ umfasst insgesamt n Bits des Steuerwortes DW, welche die ”most significant bits” (MSB-Bits) darstellen. Die übrigen (x-n) Bits stellen die ”least significant bits” (LSB-Bits) dar und bilden das zweite Teilsteuerwort K. Dieses wird einem Eingang 51b eines Sigma-Delta-Modulators 5 zugeführt, der kurz als ΣΔ-Modulator bezeichnet wird. Der Sigma-Delta-Modulator führt mithilfe eines an seinem Takteingang 51c zugeführten Taktsignals CLK eine Überabtastung des zweiten Teilsteuerwortes K durch. Das Taktsignal CLK kann durchaus von einem Referenzsignal abgeleitet sein, dass am Ausgang 11 des Referenzoszillators gemäß 1 bereitgestellt wird.
Damit wird eine Rauschformung des zugeführten Teilsteuerwortes K sowie eine Mittelwertbildung vorgenommen. Der Ausgang 51d des Sigma-Delta-Modulators 5 ist an einen Eingang eines Addiergliedes 57 angeschlossen. Einem zweiten Eingang 51a des Addiergliedes 57 wird das erste Teilsteuerwort N₀ zugeführt. Das Addierglied 57 bildet aus den ihm zugeführten digitalen Worten eine Summe. Am Ausgang des Addiergliedes 57 wird ein Abtimmwort Ni mit einer Wortbreite von n Bit abgegeben, wobei die Wortbreite von n Bits nunmehr geringer ist als die ursprüngliche Wortbreite des Steuerwortes DW. Der Ausgang ist an den Steueranschluss 52 des Kapazitätsfeldes Cv angeschlossen.
Durch die Reduzierung der Auflösung des dem Kapazitätsfeld zugeführten Wortes wird die Anzahl der für das Kapazitätsfeld notwendigen schaltbaren Kondensatoren verringert. Dadurch kann das Kapazitätsfeld Cv mit einem deutlich geringeren Platzverbrauch in einem Halbleiterkörper integriert werden. Gleichzeitig wird durch die Überabtastung durch den Modulator 5 und das kontinuierliche Schalten zwischen den verschiedenen einzelnen Kapazitätswerten aufgrund des zweiten Teilsteuerwortes eine deutlich größere effektive Auflösung des Kapazitätsfeldes erreicht. So entspricht die effiziente Auflösung im Wesentlichen der Wortbreite des zugeführten digitalen Steuerwortes DW.
Nach dem vorgeschlagenen Prinzip wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung mithilfe eines Sigma-Delta-Modulators somit eine hohe Auflösung und genaue Frequenzeinstellgenauigkeit auch mit einem Kapazitätsfeld Cv erreicht, welches eine geringere nominelle Auflösung von nur n Bit umfasst.
Wenn beispielsweise das Datenwort DW eine Wortbreite x von x 17 Bit aufweist, kann diese Auflösung auch für ein Kapazitätsfeld mit einer Auflösung n von n = 14 Bit erreicht werden. Die Verbesserung erfolgt durch einen Sigma-Delta-Modulator, dem die letzten drei Bit des Datenwortes DW als Teilsteuerwort zugeführt werden. Bei einer Ausbildung des Sigma-Delta-Modulators 5 beispielsweise als Mash 1-1-1-Modulator und einer Akkumulatorlänge von sechzehn Bit gibt dieser an seinem Ausgang 51d ein y = 3 Bit breites Datenwort ab. Dieses wird zu dem Teilsteuerwort N₀ addiert und erzeugt daraus ein Abstimmwort, das zu einer effektiven Auflösung von x = 17 Bit innerhalb des Kapazitätsfeldes Cv führt.
5 zeigt eine Ausführungsform eines kaskadierten Sigma-Delta-Modulators 5, wie er für die Rauschformung und die Überabtastung des Steuerwortes DW verwendbar ist. Der ΣΔ-Modulator 5 ist als ein Mash-Modulator (multi stage noise shaping Modulator) dritter Ordnung ausgeführt. Er enthält drei hintereinander geschaltete Modulatorstufen. Ein Takteingang 51c dient zur Zuführung eines Taktsignals CLK an die einzelnen Modulatorstufen des Modulators 5. Darüber hinaus umfasst der Modulator einen Teileingang 51b zur Zuführung des zweiten Teilsteuerwortes K. Der Teileingang 51b ist mit einer ersten Modulatorstufe des Mash-Modulators 5 verbunden. Im Einzelnen ist der Teileingang 51b an einen ersten Akkumulator 52a angeschlossen. Ein Ausgang des Akkumulators 52a ist wiederum an einen ersten Eingang eines zweiten Modulators 52b gekoppelt. Dessen Ausgang ist mit der dritten Modulatorstufe des Mash-Modulators 5, im Einzelnen mit einem Eingang u der dritten Modulatorstufe 52c verbunden.
Der Ausgang u + v des ersten Akkumulators 52a ist darüber hinaus über ein Verzögerungsglied 53a mit einem zweiten Eingang v des ersten Akkumulators 52a rückgekoppelt. Dieses Verzögerungsglied 53a ist vorliegend durch ein Flip-Flop gebildet.
Dabei dient der Dateneingang D₁ des Flip-Flops zur Zuführung des Ausgangssignals des ersten Akkumulators 52a, Ein Datenausgang Q des Flip-Flops bildet den Ausgang des Verzögerungsgliedes 53a.
Entsprechend sind auch in der zweiten Modulatorstufe bei dem zweiten Akkumulator 52b sowie in der dritten Modulatorstufe bei dem dritten Akkumulator 52c eine gleich ausgeführte Rückführung vorgesehen. Die Akkumulatoren 52a bis 52c der einzelnen Modulatorstufen des Mash-Modulators 5 weisen jeweils einen Überlaufausgang auf. Dieser ist mit jeweils einem Eingang eines Summenbildners 55a beziehungsweise 55b verbunden. Die Summenbildner 55a, 55b bilden einen Teil eines Rückführungspfades. Im Einzelnen wird das Überlaufsignal c₂ des zweiten Akkumulators 52b zusammen mit dem Überlaufsignal c₃ des dritten Akkumulators 52c in dem Summenbildner 55b zusammengefasst. Zudem ist an einem dritten Eingang des Summenbildners 55b ein Ausgang eines weiteren Verzögerungsgliedes 56b angeschlossen. Dieses ist eingangsseitig mit dem Überlaufausgang des dritten Akkumulators 52c verbunden und dient zur Zuführung des invertierten Überlaufsignals c₃ an den Summenbildner 55b.
Der Ausgang des Summenbildners 55b ist an einen Eingang des ersten Summenbildners 55a angeschlossen. Diesem wird ebenso das Überlaufsignal c₁ des ersten Akkumulators 52a zugeführt. Entsprechend ist auch hier ein Verzögerungsglied 56a vorgesehen, das eingangsseitig mit dem Ausgang des Summenbildners 55b und ausgangsseitig mit dem Summenbildner 55a verbunden ist. Das Ergebnis N_mod,i des Summenbildners 55a wird am Ausgang 51d abgegeben und in dem Addierglied 57 zu dem ersten Teilsteuerwort N₀ hinzugefügt. Das Gesamtergebnis bildet das Abstimmwort N_i für das Kapazitätsfeld Cv.
3 zeigt einen Phasenregelkreis mit der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung für einen daran angeschlossenen Quarzoszillator zur Erzeugung eines Referenzsignals mit einer Referenzfrequenz. Der Phasenregelkreis enthält einen Phasendetektor 40, eine daran ausgangsseitig angeschlossene Ladungspumpe 60 sowie ein Schleifenfilter 70. Dieses ist ausgangsseitig an einen Stelleingang eines spannungsgesteuerten Oszillators 80 angeschlossen. Der Regelkreis umfasst weiterhin in seinem Rückführungspfad einen Frequenzteiler 90 mit einem einstellbaren Teilerverhältnis. Das Teilerverhältnis des Frequenzteilers 90 wird über ein von einem Mash-Modulator 95 abgegebenes Steuerwort eingestellt. Dieses erzeugt der Mash-Modulator 95 aus einem an seinem Eingang 93 anliegenden Frequenzwort.
Zur genauen Einstellung eines Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators 80 des Phasenregelkreises, ist es notwendig, ein frequenzstabiles Referenzsignal dem Phasendetektor 40 zuzuführen. Dieses wird von einem Referenzoszillator mit der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung bereitgestellt. Dazu ist eine Oszillatorvorrichtung 1 mit einem angeschlossenen Quarzoszillator Q1 mit seinem Ausgang 11 an den Referenzsignaleingang 42 des Phasendetektors 40 angeschlossen. Die Schaltung 1 umfasst ein nicht dargestelltes steuerbares Kapazitätsfeld, dessen Steuereingang 52 das Abstimmwort N_i zugeführt wird. Dieses wird aus der Summe eines ersten Teileinstellworts N₀ sowie eines von einem Modulator 5 abgegebenen Signals erzeugt. Dazu ist der Steuereingang 52 mit dem Ausgang eines Addiergliedes 57 verbunden. Ein erster Eingang 51a des Addiergliedes 57 ist mit dem Eingang 51 zur Zuführung eines ersten Teileinstellwortes N0 gekoppelt. Ein zweiter Eingang des Addiergliedes 57 ist an einen Ausgang 51d des Modulators 5 angeschlossen.
Die zunehmende Integration und Ausbildung von Sendern bzw. Empfängern als integrierte Schaltungen in Halbleiterkörpern lässt es zweckmäßig erscheinen, auch den Referenzoszillator und die Abstimmschaltung als integrierte Schaltung in dem Halbleiterkörper auszubilden. 6 zeigt einen derartigen Halbleiterkörper 100.
Mehrere Kontaktelemente auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 dienen zur Zuführung verschiedener Versorgungs- und Steuersignale. Im Einzelnen weist der Halbleiterkörper 100 auf seiner Oberfläche die Kontaktstellen 103 und 104 auf. Diese sind an einen Versorgungspotenzialanschluss VCC sowie einen Bezugspotenzialanschluss GND angeschlossen zu einer Spannungsversorgung der innerhalb des Halbleiterkörpers befindlichen elektronischen Bauelemente. Weiterhin umfasst der Halbleiterkörper auf seiner Oberfläche eine Vielzahl von Kontaktelementen 51e. An diesen wird das digitale Steuerwort DW zur Einstellung des Kapazitätsfeldes angelegt. Dabei ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, die einzelnen Bits des Steuerwortes parallel den Kontaktflächen zuzuführen. Ebenso ist es aber möglich das Steuerwort DW als serielles digitales Signal anzulegen und dieses innerhalb des Halbleiterkörpers 100 durch einen Seriell/Parallelkonverter zu verarbeiten.
Zwei weitere Kontaktstellen 101, 102 bilden jeweils einen Teilanschluss XO, XOX. Mit den Kontaktstellen 101, 102 ist der Quarz Q1 verbunden. Dadurch lässt sich die erfindungsgemäße Abstimmschaltung in einem Halbleiterkörper realisieren, während der Quarz weiterhin als externes Bauelement vorgesehen ist. Die Ausgestaltungsform ermöglicht einen Quarz auszutauschen beziehungsweise Quarze mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen vorzusehen. Neben der hier dargestellten Ausbildung der Abstimmschaltung mit einem Colpittsoszillator lassen sich auch andere Oszillatorschaltungen einsetzen. Beispielsweise kann die in 1 dargestellte Oszillatoranordnung 1a durch einen Pierceoszillator oder einen Butleroszillator ersetzt werden.
Ebenso ist es möglich, das Kapazitätsfeld mit unterschiedlichen Kondensatoren auszuführen. Diese können beispielsweise sowohl für eine grobe Kapazitätseinstellung als auch für eine feine Kapazitätseinstellung ausgeführt werden. vorliegend erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine binäre Gewichtung des Kapazitätsfeldes anhand des zugeführten Steuerwortes. Alternativ kann für die Einstellung des Kapazitätsfeldes ein Thermometercode verwendet werden. Wesentlich ist jedoch, dass sich die Auflösung des Kapazitätsfeldes, also die Anzahl der zu verwendenden Kondensatoren, reduzieren lässt, ohne dass eine effektive Auflösung dadurch verringert wird. Dies wird möglich durch ein Überabtasten eines digitalen Steuerwortes, welches zur Einstellung des Kapazitätsfeldes dient. Dazu eignen sich besonders Sigma-Delta-Modulationsverfahren oder Modulationsverfahren, die nach einem ähnlichen Prinzip arbeiten.

Claims

Abstimmschaltung zu einer Frequenzabstimmung eines Ozillators (1a), umfassend: – einen Anschluss mit einem ersten Teilanschluss (XO) und mit einem zweiten Teilanschluss (XOX), wobei der erste Teilanschluss (XO) ausgebildet ist zum Koppeln mit einem ersten Signalabgriff eines eine Resonanzfrequenz aufweisenden Elementes (Q1) und wobei der zweite Teilanschluss (XOX) ausgebildet ist zum Koppeln mit einem zweiten Signalabgriff des Elements (Q1); – eine in ihrer Kapazität steuerbare Anordnung (Cv) zu einer Abstimmung der Resonanzfrequenz des Elementes (Q1), wobei die Anordnung (Cv) einen Steueranschluss (52) und eine Vielzahl über ein Abstimmwort am Steueranschluss (52) schaltbarer Ladungsspeicher (C₅, C₆, C₇, C₈) aufweist, wobei die Anordnung (C_v) mit dem zweiten Teilanschluss (XOX) direkt verbunden ist; – einen Steuereingang (51) zur Zuführung eines digitalen Steuerwortes (DW) einer Wortbreite, wobei das digitale Steuerwort (DW) ein erstes Teilsteuerwort (N₀) einer ersten Teillänge und ein zweites Teilsteuerwort (K) einer zweiten Teillänge umfasst, – einen Sigma-Delta-Modulator (5), der eingangsseitig mit dem Steuereingang (51) und ausgangsseitig mit dem Steueranschluss (52) der Anordnung (C_v) gekoppelt ist, wobei der Sigma-Delta-Modulator (5) zur Zuführung des zweiten Teilsteuerwortes (K) mit dem Steuereingang (51) gekoppelt ist, gekennzeichnet durch – ein Addierglied (57), an dessen ersten Eingang (51a) das erste Teilsteuerwort (N₀) anliegt und das mit einem zweiten Eingang an den Sigma-Delta-Modulator (5) und ausgangsseitig an den Steueranschluss (52) der Anordnung ₍ _C ₎ angeschlossen ist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 1, bei dem die Anzahl der schaltbaren Ladungsspeicher (C₅, C₆, C₇, C₈) der Anordnung (C_v) der ersten Teillänge des ersten Teilsteuerwortes (N₀) entspricht.
Abstimmschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der Sigma-Delta-Modulator (5) mit einem Mash-Modulator ausgeführt ist.
Abstimmschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Oszillator (1a) einen Colpittsoszillator umfasst.
Abstimmschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der wenigstens die Abstimmschaltung als monolithisch integrierte Schaltung in einem Halbleiterkörper (100) ausgebildet ist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 5, bei der auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers (100) Kontaktstellen (101, 102) vorgesehen sind, die den Anschluss zum Koppeln mit den Signalabgriffen des Elementes (Q1) bilden.
Abstimmschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Element (Q1) wenigstens eines der folgenden Elemente umfasst: – einen Quarzkristall; – einen Quarzoszillator; – ein Bandpassfilter; – ein Oberflächenwellenfilter.
Abstimmschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem wenigsten einer der schaltbaren Ladungsspeicher (C₅, C₆, C₇, C₈) als Metall-Isolator-Metall-Kondensator ausgebildet ist.
Verwendung einer Abstimmschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Sende- oder Empfangseinrichtung zur Einstellung einer Signalfrequenz eines Quarzoszillators, der als Referenzoszillator der Sende- oder Empfangseinrichtung zur Abgabe eines Referenzsignals dient.
Verfahren zur Frequenzabstimmung einer Abstimmschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend: – Bereitstellen eines digitalen Steuerwortes (DW) zur Abstimmung der Resonanzfrequenz; – Erzeugen eines Abstimmwortes (N_i) aus dem digitalen Steuerwort (DW) durch Überabtasten wenigstens eines Teils des digitalen Steuerwortes (DW), wobei beim Erzeugen des Abstimmwortes ein erstes Teileinstellwort (N₀) mit einer ersten Teillänge und ein zweites Teileinstellwort (K) mit einer zweiten Teillänge erzeugt wird, das zweite Teileinstellwort (K) überabgetastet wird und ein Steuersignals (N_mod,i) aus dem überabgetasteten zweiten Teileinstellwort (K) erzeugt wird, und das erste Teileinstellwort (N0) und das Steuersignal (N_mod,i) zu dem Abstimmwort (N_i) addiert wird, und – Ändern der Kapazität der Anordnung (C_v) mit dem erzeugten Abstimmwort (Ni).
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Überabtastens den Schritt des Sigma-Delta-Modulierens umfasst.