DE102006011285B4

DE102006011285B4 - Schwingkreisanordnung mit digitaler Steuerung, Verfahren zur Erzeugung eines Schwingungssignals und digitaler Phasenregelkreis mit der Schwingkreisanordnung

Info

Publication number: DE102006011285B4
Application number: DE102006011285.7A
Authority: DE
Inventors: Volker Neubauer; Tindaro Pittorino; Yangjian Chen; Thomas Mayer; Dr. Maurer Linus
Original assignee: Intel Deutschland GmbH
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2026-03-11
Also published as: US20070222526A1; DE102006011285A1; US7573347B2

Abstract

Schwingkreisanordnung mit digitaler Steuerung, umfassend:
- einen Programmiereingang (3);
- einen Oszillatorkern (2) mit einem ersten kapazitiven Element (21), das frequenzbestimmend und programmierbar ist, das erste kapazitive Element (21) gekoppelt mit dem Programmiereingang (3) zur Zuführung eines ersten Datenworts, durch das eine Schwingungsfrequenz der Schwingkreisanordnung (1) mit einer vorbestimmten Frequenzschrittweite programmierbar ist;
- einen Entdämpfungsverstärker (6);
- einen Auswahleingang (4) zur Zuführung eines Betriebsartwahlsignals; und
- Auswahleinrichtung (5), gekoppelt mit dem Auswahleingang (4), die derart eingerichtet ist, dass eine Betriebsart aus einer Menge von zumindest zwei möglichen Betriebsarten in Abhängigkeit des Betriebsartwahlsignals wählbar ist und die zumindest zwei möglichen Betriebsarten durch je eine vorbestimmte Frequenzschrittweite gekennzeichnet sind, wobei die zumindest zwei möglichen Betriebsarten je einem Mobilfunkstandart entsprechen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwingkreisanordnung mit digitaler Steuerung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Schwingungssignals. Die Erfindung betrifft weiterhin einen digitalen Phasenregelkreis mit der Schwingkreisanordnung sowie eine Verwendung der Schwingkreisanordnung.
Um für heutige Mobilfunksysteme und die Nutzer dieser Mobilfunksysteme globale Mobilität und einen flächendeckenden Zugriff auf die angebotenen Mobilfunkdienste erreichen zu können, ist es wünschenswert, Geräte bereitzustellen, die wahlweise nach dem Standard für Global System for Mobile Communication, GSM, dem Standard für Enhanced Data rates for GSM Evolution, EDGE, dem Universal Mobile Telecommunication Standard, UMTS oder einem anderen Standard betrieben werden können.
Für die Erzeugung, beziehungsweise den Empfang hochfrequenter Sende-/Empfangssignale werden heutzutage vermehrt digital gesteuerte Oszillatoren, englisch: Digitally Controlled Oscillators, DCOs eingesetzt. Ein DCO erzeugt als Ausgangssignal ein Hochfrequenzsignal in Abhängigkeit eines digitalen Frequenzworts. Zudem benötigt ein digitaler Phasenregelkreis mit einem DCO auf einem Halbleiterkörper weniger Platz als ein entsprechender Phasenregelkreis mit einem analog gesteuerten spannungsgesteuerten Oszillator, englisch: Voltage Controlled Oscillator, VCO.
Für verschiedene Standards werden verschiedene Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des DCO gestellt. Für einen für GSM spezifizierten DCO soll beispielsweise die kleinstmögliche einstellbare Frequenzschrittweite, das heißt der Abstand zwischen zwei einstellbaren Frequenzen, nicht größer als 10 kHz sein, wenn keine Überabtastung bei der Ansteuerung des DCO eingesetzt wird. Für den Fall, dass Überabtastung genutzt wird, erhöht sich die Frequenzschrittweite auf etwa 100 kHz. Die Anforderungen für die zulässige Höhe des Phasenrauschens sind bei GSM sehr hoch.
Beispielsweise zeigt das Dokument DE 103 08 921 A1 eine Ausführungsform eines DCO, bei dem eine Frequenzeinstellung über zwei Kapazitätsfelder erfolgt, wobei eines der Kapazitätsfelder für eine Grobeinstellung und das andere für eine Feineinstellung der Schwingungsfrequenz des DCO dient. Eine Frequenzschrittweite ist durch die Elemente des Kapazitätsfelds für die Feineinstellung festgelegt.
Die Frequenzschrittweite wird dabei unter anderem durch die Auflösung des kleinsten verwendeten Kapazitätselements bestimmt. Das Dokument DE 103 39 703 A1 zeigt eine Schwingkreisanordnung, bei der ein Varaktor zur Frequenzeinstellung durch Zuführen verschiedener Steuerspannungen bezüglich seines Kapazitätswerts in mehreren Schritten einstellbar ist, wodurch die effektive Frequenzauflösung der Schwingkreisanordnung erhöht ist.
Für UMTS sollte die kleinstmögliche Frequenzschrittweite kleiner als 200 kHz ohne Überabtastung, beziehungsweise kleiner als 500 kHz mit Überabtastung sein. Die Anforderungen für das Phasenrauschen sind bei UMTS geringer als bei GSM/EDGE.
Um etwa einen DCO direkt in einem Phasenmodulator verwenden zu können, ist es zweckmäßig, die nötige Frequenzschrittweite im DCO und die gewünschte Modulationsbandbreite zu beachten. Eine feine Frequenzauflösung sollte vorausgesetzt werden, um einen akzeptierbaren Wert für die Größe des Fehlervektors, englisch: Error Vector Magnitude, EVM, des Ausgangssignals des DCO zu erreichen. Die Modulationsbandbreite ergibt sich aus dem maximalen Frequenzbereich, der für einen Standard nötig ist. Bei gleich bleibender Zahl von verfügbaren Frequenzschritten resultiert somit eine kleinere Frequenzschrittweite in einer kleineren erreichbaren Modulationsbandbreite.
Systeme wie GSM/EDGE weisen eine begrenzte Modulationsbandbreite des Ausgangssignals auf, haben aber eine hohe Anforderung an die Größe des Fehlervektors. Der UMTS-Standard schreibt eine größere Modulationsbandbreite vor, hat aber weniger strenge Anforderungen an die Größe des Fehlervektors.
Bis heute bekannte DCOs sind jeweils nur für einen Standard ausgeführt. Bei der Integration von mehreren Mobilfunkstandards in einem Gerät wäre es wünschenswert, insbesondere bei den immer kleiner werdenden Strukturen der Halbleitertechnologien, möglichst viele Elemente eines Hochfrequenzblocks in einem Gerät für verschiedene Standards mit unterschiedlichen Anforderungen verwenden zu können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung bereit zu stellen, mit der Hochfrequenzsignale für verschiedene Anforderungen erzeugt werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Erzeugung von Hochfrequenzsignalen für verschiedene Anforderungen flexibel möglich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verwendung für die Anordnung aufzuzeigen.
Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Bezüglich der Anordnung wird die Aufgabe gelöst durch eine Schwingkreisanordnung mit digitaler Steuerung, die einen Programmiereingang, einen Auswahleingang, einen Oszillatorkern und einen Dämpfungsverstärker umfasst. Der Oszillatorkern weist ein erstes kapazitives Element auf, welches frequenzbestimmend und programmierbar ist. Das erste kapazitive Element ist mit dem Programmiereingang zur Zuführung eines ersten Datenworts gekoppelt, durch das eine Schwingungsfrequenz der Schwingkreisanordnung mit einer vorbestimmten Frequenzschrittweite programmierbar ist. Die Schwingkreisanordnung weist ferner eine Auswahleinrichtung auf, die mit dem Auswahleingang zur Zuführung eines Betriebsartwahlsignals gekoppelt sind. Eine Betriebsart ist dabei aus einer Menge von zumindest zwei möglichen Betriebsarten in Abhängigkeit des Betriebsartwahlsignals wählbar. Zudem sind die zumindest zwei möglichen Betriebsarten durch je eine vorbestimmte Frequenzschrittweite gekennzeichnet.
In dem Oszillatorkern lässt sich die Schwingungsfrequenz eines Schwingungssignals durch Zuführen eines Datenworts programmieren, welches für die zur Auswahl stehenden Betriebsarten die gleiche Breite, also Anzahl von Bits, aufweist. Eine Frequenzauflösung für die durch das erste Datenwort programmierbare Schwingungsfrequenz ist durch die vorbestimmte Frequenzschrittweite festgelegt. Über die Auswahleinrichtung kann eine vorbestimmte Frequenzschrittweite ausgewählt werden. Damit kann für verschiedene Anforderungen, zum Beispiel durch verschiedene Mobilfunkstandards, ein jeweils den Anforderungen genügendes Hochfrequenzsignal erzeugt werden. Beispielsweise kann ein Mobilfunkstandard einer Betriebsart entsprechen.
In einem Aspekt des erfindungsgemäßen Prinzips umfasst der Oszillatorkern ein zweites kapazitives Element, welches frequenzbestimmend ist. Dabei kann das zweite kapazitive Element ebenfalls programmierbar sein und ist in diesem Fall mit dem Programmiereingang zur Zuführung eines zweiten Datenworts gekoppelt. Dadurch kann die Schwingungsfrequenz der Schwingkreisanordnung verändert werden.
Das erste kapazitive Element kann etwa dazu eingerichtet sein, eine Feineinstellung der Schwingungsfrequenz mit der vorbestimmten Frequenzschrittweite zu bewirken, während das zweite kapazitive Element dazu eingerichtet ist, eine Grobeinstellung der Schwingungsfrequenz zu bewirken. Bei der Grobeinstellung erfolgt die Einstellung der Schwingungsfrequenz mit einer Frequenzschrittweite, die größer ist als die vorbestimmte Frequenzschrittweite für die Feineinstellung.
Beispielsweise kann durch die Frequenzeinstellung mit dem zweiten kapazitiven Element ein Frequenzband ausgewählt werden, in dem ein Hochfrequenzsignal etwa in einem Mobilfunkgerät erzeugt wird. Eine feinere Frequenzeinstellung innerhalb dieses Frequenzbandes erfolgt durch die Programmierung des ersten kapazitiven Elements. Dadurch kann erreicht werden, dass nicht der gesamte Frequenzbereich, der beispielsweise von einem Mobilfunkstandard vorgegeben ist, in feinen Schritten einstellbar sein muss.
Das erste und/oder das zweite kapazitive Element können eine Vielzahl von schaltbaren Kapazitätsbausteinen umfassen. Ein effektiver Kapazitätswert eines kapazitiven Elements, welcher die Schwingungsfrequenz der Schwingkreisanordnung beeinflusst, ergibt sich aus den Kapazitätswerten der jeweils zugeschalteten Kapazitätsbausteine. Das Zu- oder Abschalten eines Kapazitätsbausteins erfolgt in der Regel in Abhängigkeit eines Datenworts. Beispielsweise können die Kapazitätswerte der schaltbaren Kapazitätsbausteine des ersten und/oder des zweiten kapazitiven Elements eine binäre Gewichtung aufweisen, das heißt, die Kapazitätswerte von durch zwei benachbarten Bits eines Datenworts angesteuerten Kapazitätsbausteinen unterscheiden sich um den Faktor zwei.
Wenn durch das zweite kapazitive Element eine Grobeinstellung und durch das erste kapazitive Element eine Feineinstellung der Schwingungsfrequenz erfolgt, sinkt demnach die Zahl der zu implementierenden schaltbaren Kapazitätsbausteine.
Die schaltbaren Kapazitätsbausteine des ersten und/oder des zweiten kapazitiven Elements können eine Vielzahl von schaltbaren Varaktoren umfassen. Varaktoren können beispielsweise ausgebildet sein als Kapazitätsdioden, MOS-Varaktoren, speziell verschaltete Feldeffekttransistoren oder als andere Ausführungsformen. Dabei wird der Kapazitätswert eines Varaktors durch das Anlegen einer Steuerspannung festgelegt.
In einem anderen Aspekt des erfindungsgemäßen Prinzips umfasst die Schwingkreisanordnung eine Stromquelle, die mit der Auswahleinrichtung gekoppelt ist. Die Stromquelle ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart die Höhe eines Stroms zu steuern, der an den Oszillatorkern abgegeben wird, und somit eine Schwingungsamplitude der Schwingkreisanordnung einzustellen.
Die Steuerspannung, welche an den geschalteten Varaktoren oder Kapazitätsbausteinen anliegt, variiert mit der Schwingungsamplitude des Schwingungssignals. Dadurch variiert auch ein momentaner Kapazitätswert der Kapazitätsbausteine. Die Schwingungsamplitude hängt dabei von dem Strom ab, der dem Oszillatorkern von einer Stromquelle zugeführt wird. Der effektive Kapazitätswert ergibt sich über das zeitliche Mittel der momentanen, mit der Schwingungsamplitude schwankenden Kapazitätswerte. Durch die Abhängigkeit des Kapazitätswerts eines Kapazitätsbausteins, insbesondere eines Varaktors, von der angelegten Steuerspannung kann über die Schwingungsamplitude der effektive Kapazitätswert beeinflusst werden.
Beispielsweise steigt bei einem P-MOS-Varaktor in einem ausgeschalteten Zustand der effektive Kapazitätswert mit steigender Schwingungsamplitude an, während er im eingeschalteten Zustand bei steigender Schwingungsamplitude absinkt. Der Unterschied des Kapazitätswerts zwischen eingeschaltetem und ausgeschaltetem Zustand des Varaktors verändert sich also mit einer variierenden Schwingungsamplitude. Durch eine Abhängigkeit der Frequenzschrittweite von dem Unterschied des Kapazitätswerts eines Kapazitätsbausteins wird also die Frequenzschrittweite durch die Schwingungsamplitude beeinflusst. Ein höherer Strom aus der Stromquelle kann eine höhere Schwingungsamplitude und demnach eine kleinere Frequenzschrittweite bewirken.
In einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Prinzips kann in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart eine Parallelkapazität parallel zu dem ersten kapazitiven Element zu- oder abgeschaltet werden. Dadurch verändert sich der Einfluss, den ein Verändern des Kapazitätswerts des ersten kapazitiven Elements auf die Frequenzschrittweite hat. Wenn die Parallelkapazität parallel zu dem ersten kapazitiven Element geschaltet ist, sind bei einer Programmierung des ersten kapazitiven Elements die relativen Änderungen des Kapazitätswerts aus der Parallelschaltung geringer als die relativen Änderungen für das erste kapazitive Element ohne die Parallelschaltung. Die Größe der relativen Änderungen beeinflusst die Frequenzschrittweite in der Schwingkreisanordnung. Somit kann durch das betriebsartabhängige Zu- oder Abschalten der Parallelkapazität die Frequenzschrittweite beeinflusst werden.
In der Schwingkreisanordnung kann auch in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart eine Reihenkapazität in Reihe zu dem ersten kapazitiven Element zu- oder abgeschaltet werden. Durch das Zu- oder Abschalten der Reihenkapazität ergibt sich ein unterschiedlicher effektiver Kapazitätswert, welcher die Schwingungsfrequenz beeinflusst. Damit kann die relative Änderung des Kapazitätswerts und als Folge daraus die Frequenzschrittweite durch eine Wahl der Betriebsart eingestellt werden. Es ist auch möglich, dass für verschiedene Betriebsarten verschiedene Reihenkapazitäten in Reihe zu dem ersten kapazitiven Element geschaltet werden. Ebenso kann die Reihenschaltung einer Reihenkapazität und die Parallelschaltung einer Parallelkapazität zu dem ersten kapazitiven Element kombiniert werden.
In einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Prinzips ist eine Steuerspannung zum Steuern eines Kapazitätswerts für die Vielzahl von schaltbaren Kapazitätsbausteinen des ersten kapazitiven Elements in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart veränderbar.
Bei einem kapazitiven Element mit schaltbaren Kapazitätsbausteinen werden in der Regel alle Kapazitätsbausteine mit der gleichen Steuerspannung zur Einstellung eines Kapazitätswerts angesteuert. Dadurch ist eine feste Änderung des Kapazitätswerts zwischen aus- und eingeschaltetem Zustand des Kapazitätsbausteins festgelegt. Wählt man für verschiedene Betriebsarten jeweils unterschiedliche Steuerspannungen für den ein- und/oder ausgeschalteten Zustand des Kapazitätsbausteins, kann durch Wahl der Betriebsart die Änderung des Kapazitätswerts beeinflusst und die Frequenzschrittweite verändert werden.
Die Schwingkreisanordnung kann in einem Mobilfunkgerät für verschiedene Mobilfunkstandards verwendet werden.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen digitalen Phasenregelkreis mit einer Schwingkreisanordnung in einer der beschriebenen Ausführungsformen, bei dem die Schwingkreisanordnung einen Oszillatorausgang zum Abgeben eines Schwingungssignals mit der Schwingungsfrequenz aufweist. Der digitale Phasenregelkreis umfasst ferner einen Signalausgang, der mit dem Oszillatorausgang gekoppelt ist und einen digitalen Phasendetektor mit einem ersten Eingang zur Zuführung eines Referenzfrequenzsignals und einem zweiten Eingang, der mit dem Signalausgang gekoppelt ist. Von dem digitalen Phasenregelkreis ist zudem ein digitales Schleifenfilter umfasst, das eingangsseitig mit einem Ausgang des Phasendetektors und ausgangsseitig mit dem Programmiereingang der Schwingkreisanordnung gekoppelt ist.
Ein Schwingungssignal, das in der Schwingkreisanordnung erzeugt und am Signalausgang abgegeben wird, wird in einem digitalen Phasendetektor mit einem Referenzfrequenzsignal verglichen. Der Phasendetektor kann dabei als reiner Phasendetektor, als reiner Frequenzdetektor oder als eine Kombination aus Phasen- und Frequenzdetektor ausgebildet sein. Das Vergleichsergebnis wird an ein digitales Schleifenfilter abgegeben, um die Stabilität der Regelschleife zu gewährleisten. Das Ausgangsignal des digitalen Schleifenfilters wird an den Programmiereingang der Schwingkreisanordnung zugeführt, um die gewünschte Schwingungsfrequenz zu programmieren. Durch die Wahl einer Betriebsart kann eingestellt werden, mit welcher Frequenzschrittweite die Programmierung der Schwingungsfrequenz erfolgt. Dadurch wird eine Nutzung des digitalen Phasenregelkreises für verschiedene Anforderungen an die Frequenzschrittweite etwa durch verschiedene Mobilfunkstandards gewährleistet.
In einem Aspekt des erfindungsgemäßen Prinzips kann zwischen dem Oszillatorausgang der Schwingkreisanordnung und dem Phasendetektor ein Frequenzteiler geschaltet sein. Dadurch ist es möglich, die Frequenz des rückgeführten Schwingungssignals an die Frequenz des Referenzfrequenzsignals anzupassen.
Zwischen das digitale Schleifenfilter und den Programmiereingang der Schwingkreisanordnung kann ein Sigma-Delta-Modulator geschaltet werden. Dadurch kann die Schwingungsfrequenz des Schwingungssignals am Ausgang des digitalen Phasenregelkreises mit einer höheren als der physikalischen Genauigkeit eingestellt werden. Durch Variation des Datenworts, welches an den Programmiereingang der Schwingkreisanordnung geführt wird, kann eine Schwingungsfrequenz erreicht werden, die zwischen zwei durch Programmierung erreichbaren Schwingungsfrequenzen liegt. Die physikalische Frequenzschrittweite, mit der die Programmierung erfolgt, wird durch das Ausgangssignal des Sigma-Delta-Modulators jedoch nicht beeinflusst.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Schwingungssignals. Dabei wird eine Betriebsart aus einer Menge von zumindest zwei möglichen Betriebsarten ausgewählt, durch die eine Frequenzschrittweite für eine Programmierung einer Schwingungsfrequenz des Schwingungssignals vorbestimmbar ist. Die Frequenzschrittweite wird in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart vorbestimmt. Die Schwingungsfrequenz wird in Abhängigkeit eines Datenworts und der gewählten Betriebsart mit der vorbestimmten Frequenzschrittweite programmiert.
Durch die Auswahl einer Betriebsart, beispielsweise in Abhängigkeit von den Anforderungen eines Mobilfunkstandards, wird eine Frequenzschrittweite für die Programmierung einer Schwingungsfrequenz festgelegt. Die eigentliche Programmierung der Schwingungsfrequenz erfolgt dann in Abhängigkeit dieser Frequenzschrittweite. Somit ist mit dem Verfahren eine Erzeugung von Hochfrequenzsignalen flexibel für verschiedene Anforderungen möglich.
In einem Aspekt des Verfahrens wird die Schwingungsfrequenz zusätzlich durch Beeinflussen einer Schwingungsamplitude des Schwingungssignals in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart programmiert.
Es kann ein erstes kapazitives Element bereitgestellt werden, welches frequenzbestimmend und programmierbar ist. Die Programmierung der Schwingungsfrequenz erfolgt dabei durch Programmierung des ersten kapazitiven Elements. Der Kapazitätswert des ersten kapazitiven Elements hat Einfluss auf die Schwingungsfrequenz. Durch Programmierung des ersten kapazitiven Elements mit dem Datenwort kann die Schwingungsfrequenz des Schwingungssignals eingestellt werden. Der Kapazitätswert des ersten kapazitiven Elements kann etwa von der Schwingungsamplitude des Schwingungssignals abhängen. Somit verändert sich bei veränderter Schwingungsamplitude die vorbestimmte Frequenzschrittweite in Abhängigkeit des geänderten Kapazitätswerts des ersten kapazitiven Elements.
Parallel zu dem ersten kapazitiven Element kann in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart eine Parallelkapazität zu- oder abgeschaltet werden. Es kann auch in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart eine Reihenkapazität in Reihe zu dem ersten kapazitiven Element zu- oder abgeschaltet werden.
Durch die zu- oder abgeschalteten Reihen- beziehungsweise Parallelkapazitäten verändert sich der Einfluss einer Änderung des Kapazitätswerts des ersten kapazitiven Elements auf die Schwingungsfrequenz in Form der Frequenzschrittweite. Somit kann durch das Zu- oder Abschalten der Reihen- und/oder Parallelkapazität die Frequenzschrittweite bei der Programmierung des Schwingungssignals verändert werden.
Das erste kapazitive Element kann mit einer Vielzahl von schaltbaren Varaktoren bereitgestellt werden. Jeder einzelne der Varaktoren kann in Abhängigkeit des Datenworts einzeln angesteuert werden. Dadurch lässt sich der Kapazitätswert des kapazitiven Elements beeinflussen. Die Varaktoren werden zwischen zwei Zuständen hin und her geschaltet, die sich durch einen unterschiedlichen Kapazitätswert auszeichnen. Der Kapazitätswert hängt bei einem Varaktor unter anderem von der angelegten Steuerspannung für den jeweiligen Zustand ab. Der Unterschied im Kapazitätswert zwischen den zwei Zuständen beeinflusst die Frequenzschrittweite. Durch ein Verändern der Steuerspannung für einen oder beide Zustände verändert sich der Unterschied des Kapazitätswerts und damit die Frequenzschrittweite bei der Programmierung des Schwingungssignals.
Die Steuerspannung zum Steuern des Kapazitätswerts für die Vielzahl von schaltbaren Varaktoren des ersten kapazitiven Elements kann in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart verändert werden.
In einem weiteren Aspekt des Verfahrens wird ein zweites kapazitives Element bereitgestellt, welches frequenzbestimmend und programmierbar ist. Beim Programmieren der Schwingungsfrequenz erfolgt dies auch durch die Programmierung des zweiten kapazitiven Elements, wobei das zweite kapazitive Element mit einer Frequenzschrittweite programmiert wird, die größer ist als die vorbestimmte Frequenzschrittweite.
Dadurch kann durch die Programmierung des zweiten kapazitiven Elements eine Grobeinstellung der Frequenz und durch Programmierung des ersten kapazitiven Elements eine Feinabstimmung der Schwingungsfrequenz erfolgen.
In einem weiteren Aspekt des Verfahrens wird das Schwingungssignal an einen Phasendetektor zugeführt. Dort wird das Schwingungssignal mit einem Referenzfrequenzsignal verglichen und das Vergleichsergebnis mit einem digitalen Schleifenfilter gefiltert. Aus dem Ergebnis der Filterung wird ein Datenwort gebildet, in dessen Abhängigkeit die Schwingungsfrequenz programmiert wird. Dadurch wird eine genaue Programmierung der Schwingungsfrequenz des Schwingungssignals möglich.
Das Schwingungssignal kann vor dem Zuführen an den Phasendetektor frequenzgeteilt werden. Dadurch kann die Schwingungsfrequenz des Schwingungssignals an die Frequenz des Referenzfrequenzsignals angepasst werden.
Das Bilden des Datenworts, welches zur Programmierung der Schwingungsfrequenz verwendet wird, kann zumindest teilweise mittels Sigma-Delta-Modulation erfolgen. Dadurch wird eine sehr genaue Frequenzeinstellung möglich.
Das Auswählen der Betriebsart kann in Abhängigkeit von einem Mobilfunkstandard, insbesondere GSM/EDGE oder UMTS erfolgen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert.
Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schwingkreisanordnung,
2 ein Ausführungsbeispiel für ein schaltbares kapazitives Element,
3 ein Ausführungsbeispiel für ein schaltbares P-MOS-Varaktor-Paar,
4 ein beispielhaftes Diagramm für die Abhängigkeit von Kapazität und Spannung für einen P-MOS-Varaktor,
5 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Stromquelle,
6 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes schaltbares kapazitives Element,
7 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes schaltbares kapazitives Element,
8 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schwingkreisanordnung,
9 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schwingkreisanordnung,
10 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen digitalen Phasenregelkreises und
11 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen digitalen Phasenregelkreises.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schwingkreisanordnung 1. Die Schwingkreisanordnung 1 umfasst einen Oszillatorkern 2, der ein erstes kapazitives Element 21 sowie ein induktives Element 20 aufweist. An den Oszillatorkern 2 ist ein Entdämpfungsverstärker 6 angeschlossen. Eine Auswahleinrichtung 5, die einen Auswahleingang 4 aufweist, ist mit einem Eingang 4a des ersten kapazitiven Elements 21 zur Einstellung einer Frequenzschrittweite gekoppelt. Das erste kapazitive Element 21 ist ferner mit einem Eingang 210 an einen Programmiereingang 3 zur Zuführung eines Datenworts angeschlossen, über das eine Schwingungsfrequenz eines mit dem Oszillatorkern 2 erzeugten Schwingungssignals programmiert werden kann.
Der Entdämpfungsverstärker 6 wirkt als negative Impedanz und dient zum Ausgleichen von Dämpfungsverlusten im Oszillatorkern. Dadurch wird eine Schwingungsamplitude des Schwingungssignals auf einem konstanten Wert gehalten.
Über den Auswahleingang 4 kann eine Betriebsart ausgewählt werden. Die wählbaren Betriebsarten unterscheiden sich insbesondere durch die Frequenzschrittweite, mit der eine Schwingungsfrequenz im Oszillatorkern programmiert werden kann. Die Schwingungsfrequenz hängt von dem Kapazitätswert des ersten kapazitiven Elements 21 und dem Wert des induktiven Elements 20 nach der Gleichung $f = \frac{1}{2 π \sqrt{L C}}$
ab, wobei f der Wert der Schwingungsfrequenz, C der Kapazitätswert des ersten kapazitiven Elements 21 und L der Wert des induktiven Elements 20 ist. Mit einem konstanten induktiven Element 20 ist die Schwingungsfrequenz f demnach über den Kapazitätswert C des ersten kapazitiven Elements 21 programmierbar. Wegen der Zuführung eines digitalen Datenworts erfolgt die Programmierung in festgelegten Schritten. Somit ändert sich auch die Schwingungsfrequenz mit vorbestimmten Frequenzschritten. Durch die Auswahleinrichtung 5 lässt sich jedoch die Schrittweite, mit der sich der Kapazitätswert des ersten kapazitiven Elements 21 ändert, einstellen.
Damit ist es möglich, verschiedene Betriebsarten, welche sich beispielsweise aus verschiedenen Anforderungen an eine Frequenzauflösung durch einen Mobilfunkstandard ergeben, für einen digital gesteuerten Oszillator vorzusehen.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für ein schaltbares kapazitives Element 21, 22. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente tragen dabei gleiche Bezugszeichen. Das kapazitive Element 21, 22 weist Anschlüsse 211, 221 und 212, 222 auf. Zwischen die Anschlüsse 211, 221 und 212, 222 sind Kapazitätsbausteine C1, C2, C3, CN geschaltet, die in Abhängigkeit eines Datenworts am Programmiereingang 210 über Schalter S1, S2, S3 und SN zu- oder abschaltbar sind. Ferner umfasst das Kapazitätselement 21, 22 einen Kapazitätsbaustein CX, der parallel zu den anderen Kapazitätsbausteinen C1 bis CN geschaltet ist.
Durch das Anlegen eines Datenworts können die einzelnen Kapazitätsbausteine C1 bis CN zu- oder abgeschaltet werden. Der Kapazitätswert des kapazitiven Elements 21, 22 ergibt sich in der Parallelschaltung aus der Summe der Kapazitätswerte der einzelnen Kapazitätsbausteine C1 bis CN und CX. Die Kapazitätswerte aller Kapazitätsbausteine können gleich groß sein oder eine binäre Gewichtung aufweisen. Bei einer binären Gewichtung unterscheiden sich die Kapazitätswerte zweier benachbarter Kapazitätsbausteine jeweils um den Faktor zwei. Der fest angeschlossene Kapazitätsbaustein CX kann in dem kapazitiven Element 21, 22 auch weggelassen werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Kapazitätsbaustein, der als schaltbares P-Metal Oxide Semiconductor-Varaktor-Paar, P-MOS-Varaktor-Paar ausgebildet ist. Der Kapazitätsbaustein umfasst zwei P-MOS-Transistoren 213, die mit ihren Gate-Anschlüssen 211a und 212a mit den hier nicht gezeigten Anschlüssen 211 und 212 des ersten kapazitiven Elements 21 gekoppelt sind. Über einen Anschluss 215, der mit den Bulk-Anschlüssen der Transistoren 213 verbunden ist, kann eine Versorgungsspannung zugeführt werden. Das P-MOS-Varaktor-Paar weist zudem einen Anschluss 214 auf, der jeweils mit dem Source- und dem Drain-Anschluss der Transistoren 213 gekoppelt ist.
Das Einstellen einer Kapazität des P-MOS-Varaktors-Paars erfolgt über ein Anlegen einer Steuerspannung an den Eingang 214. Bei einem Einsatz in einem digital gesteuerten Schwingkreis wird die Steuerspannung in der Regel zwischen zwei festen Werten hin und her geschaltet, abhängig vom gewünschten Kapazitätswert des P-MOS-Varaktors-Paars.
In 4 ist ein Diagramm dargestellt, das die Abhängigkeit des Kapazitätswerts eines P-MOS-Varaktors von der angelegten Steuerspannung zeigt. Beispielsweise ist der Kapazitätswert für eine Steuerspannung von 0 V gleich CO und für eine Steuerspannung von 1,5 V gleich der Summe aus CO und ΔC. Durch ein Zusammenschalten mehrerer P-MOS-Varaktoren, bzw. P-MOS-Varaktor-Paare kann somit in Schritten von ΔC der Kapazitätswert eines kapazitiven Elements, beispielsweise des ersten kapazitiven Elements 21, eingestellt werden. Die Schwingungsfrequenz der Schwingkreisanordnung wird bestimmt nach Gleichung (1).
Die Schwingung des Schwingungssignals liegt mit ihrer Amplitude A auch an einem P-MOS-Varaktor an und verändert den Einfluss der Steuerspannung. Der Varaktor weist zu jedem Zeitpunkt der Schwingung einen anderen Kapazitätswert auf. Der effektive Kapazitätswert des P-MOS-Varaktors ergibt sich aus dem zeitlichen Mittel beziehungsweise dem Integral der Kapazitätswerte über eine Schwingungsperiode. Da der Varaktor symmetrisch angesteuert wird, ergibt sich die effektive wirksame Kapazität Ce des P-MOS-Varaktor-Paars als $C e = \frac{2}{T} \int_{0}^{\frac{T}{2}} \frac{C (V C M - A sin (ω t)) C (V C M + A sin (ω t))}{C (V C M + A sin (ω t)) + C (V C M - A sin (ω t))} d t .$
In Gleichung (2) ist T die Schwingungsperiode des Schwingungssignals, C(V) ist der Kapazitätswert eines P-MOS-Varaktors in Abhängigkeit der Spannung zwischen Gate- und Drain- beziehungsweise Source-Anschluss. VCM ist die Steuerspannung, die an das Varaktorpaar angelegt wird, und Asin(ωT) ist die Ausgangsspannung der Schwingkreisanordnung, die an einem der Ausgänge 211a oder 212a wirksam wird. Über eine Veränderung der Schwingungsamplitude, worauf später noch genauer eingegangen wird, kann der Unterschied des Kapazitätswerts zwischen zu- und abgeschaltetem Zustand des P-MOS-Varaktor-Paars verändert werden. Dies wird insbesondere ersichtlich unter Anwendung von Gleichung (2) mit dem Diagramm aus 4.
5 zeigt eine Stromquelle 7 nach dem erfindungsgemäßen Prinzip mit einem Stromspiegel mit programmierbarem Übersetzungs- oder Spiegelverhältnis. Die Stromquelle 7 umfasst einen Versorgungspotenzialanschluss 74, an dem eine Stromquelle mit den P-Kanal-Feldeffekttransistoren PR, PX und PO bis PN angeschlossen ist. Als Referenzstromquelle ist eine schaltbare Stromquelle 70 vorgesehen, die über ein Signal am Auswahleingang 4 schaltbar ist. Der Strom wird über den Transistor PR mit dem Widerstand 75 und dem Kapazitätsbaustein 76 zu den Transistoren PX, PO bis PN gespiegelt und am Ausgang 71 der Stromquelle 7 als Summe der Spiegelströme abgegeben. Die Transistoren PO bis PN werden dabei über Schalter 72 und 73 in Abhängigkeit eines an dem Programmiereingang 3 anliegenden Datenworts zu- oder abgeschaltet.
Durch die Programmierung des Übersetzungsverhältnisses mit dem Datenwort am Eingang 3 kann eine Feinabstimmung des Stroms, der über den Ausgang 71 an den Oszillatorkern 2 abgegeben wird, erfolgen. Über ein Betriebsartwahlsignal am Auswahleingang 4 wird die Höhe des Referenzstroms, der durch die schaltbare Stromquelle 70 erzeugt wird, zwischen festen Werten umgeschaltet. Dadurch kann eine generelle Einstellung über den Bereich der Stromhöhe des Stroms bewirkt werden, der an den Oszillatorkern abgegeben wird.
Durch die Stromhöhe wird die Schwingungsamplitude des Schwingungssignals in der Schwingkreisanordnung beeinflusst. Wie bei den Erläuterungen zu 4 gezeigt, wird durch die Schwingungsamplitude auch eine Schrittweite für Kapazitätsänderung im ersten kapazitiven Element 21 und für die Programmierung der Schwingungsfrequenz des Schwingungssignals eingestellt.
Anstelle der Stromquelle kann auch ein Spannungsregler eingesetzt werden, der die Spannung an der Schwingkreisanordnung in Abhängigkeit des Betriebsartwahlsignals am Auswahleingang 4 regelt. Auch dadurch wird die Schwingungsamplitude des Schwingungssignals in der Schwingkreisanordnung und damit die Frequenzschrittweite beeinflusst.
Eine andere Möglichkeit, den Einfluss einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Elements 21 auf die Schwingungsfrequenz und damit die Frequenzschrittweite zu verändern, zeigt 6. Die gezeigte Anordnung 21a ist mit Anschlüssen 211a und 212a mit der zwischen diesen Anschlüssen wirksamen Kapazität in den Oszillatorkern geschaltet. Die Anordnung 21a umfasst das erste kapazitive Element 21, welches über den mit dem Programmiereingang 3 gekoppelten Eingang 210 in seinem Kapazitätswert programmierbar ist. In Reihe zu dem ersten kapazitiven Element 21 sind die Kapazitätsbausteine CR, CRa geschaltet. Parallel zu dem ersten kapazitiven Element 21 kann in Abhängigkeit eines am Auswahleingang 4a anliegenden Betriebsartwahlsignals eine Parallelkapazität CP geschaltet werden.
Die Anordnung 21a ist symmetrisch aufgebaut. Das erste kapazitive Element 21 ist beispielsweise über eine Vielzahl von P-MOS-Varaktor-Paaren gebildet. Wenn das erste kapazitive Element 21 Kapazitätsbausteine umfasst, die über eine Steuerspannung angesteuert werden, können die Reihenkapazitäten CR, CRa als Koppelkapazitäten für die gleichstrommäßige Abtrennung der Steuerspannung vom Schwingungssignal ausgebildet sein.
Im Folgenden soll der Einfluss der Parallelkapazität auf die Frequenzschrittweite dargestellt werden. In einer Parallelschaltung der Anordnung 21a mit einem zweiten kapazitivem Element 22 und einem induktiven Element 20, beispielsweise gemäß 8, ergibt sich die Schwingungsfrequenz F_DCO der Schwingkreisanordnung, wenn die Parallelkapazität CP nicht zugeschaltet ist, als $f_{D C O} = \frac{1}{2 π \sqrt{L (C_{2} + \frac{1}{2} (\frac{C_{r} \cdot C_{1}}{C_{r} + C_{1}}))}} .$
In Gleichung (3) ist L die Induktivität des induktiven Elements 20, C₂ die Kapazität des zweiten kapazitiven Elements 22, C_r die Kapazität der Reihenkapazitäten CR, CRa und C₁ die eingestellte Kapazität des ersten kapazitiven Elements 21. Wenn der Wert von C_r im Vergleich zu dem Wert von C₁ groß ist, ist es möglich, seinen Einfluss zu vernachlässigen und die Gleichung für die Schwingungsfrequenz f_DCO zu schreiben als $f_{D C O} = \frac{1}{2 π \sqrt{L (C_{2} + \frac{1}{2} C_{1})}} .$
Wenn die Parallelkapazität CP über das Betriebsartwahlsignal am Eingang 4 zugeschaltet wird, ergibt sich die Schwingungsfrequenz f_DCO zu $f_{D C O} = \frac{1}{2 π \sqrt{L (C_{2} + \frac{1}{2} C_{1}^{'})}},$
mit $C_{1}^{'} = \frac{(C_{1} + 2 \cdot C_{p}) \cdot C_{r}}{C_{1} + 2 \cdot C_{p} + C_{r}} = \frac{C_{1} \cdot C_{r}}{C_{1} + 2 \cdot C_{p} + C_{r}} + \frac{2 \cdot C_{p} \cdot C_{r}}{C_{1} + 2 \cdot C_{p} + C_{r}},$
wobei C_p der Kapazitätswert der Parallelkapazität CP ist.
Wenn C₁ im Vergleich zu 2·C_p +C_r klein ist, kann der Einfluss von C₁ im Nenner von Gleichung (6) vernachlässigt werden, woraus sich ergibt: $C_{1}^{'} = \frac{(C_{1} + 2 \cdot C_{p}) \cdot C_{r}}{2 \cdot C_{p} + C_{r}} = \frac{C_{1} \cdot C_{r}}{2 \cdot C_{p} + C_{r}} + \frac{2 \cdot C_{p} \cdot C_{r}}{2 \cdot C_{p} + C_{r}},$
Somit ist der zweite Term der Gleichung (7) eine feste Kapazität, die in Gleichung (5) zu C₂ addiert werden kann, während der erste Term als n·C₁ geschrieben werden kann, wobei $n = \frac{C_{r}}{2 \cdot C_{p} + C_{r}} .$
Demnach besteht zwischen der Schwingungsfrequenz des Schwingkreises und der veränderbaren, programmierbaren Kapazität des ersten kapazitiven Elements 21 ein Zusammenhang über eine Quadratwurzel und ein konstantes n, das immer kleiner als Eine ist. Durch eine gezielte Wahl von C_r und C_p ist es möglich, eine Frequenzschrittweite zu erreichen, wenn der Schalter, der durch das Betriebsartwahlsignal gesteuert wird, offen ist, und eine viel kleinere Frequenzschrittweite, wenn der Schalter geschlossen ist.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße schaltbare kapazitive Element 21a zeigt 7. Durch den Schalter 41 wird nicht nur die Parallelkapazität CP zu- oder abgeschaltet, sondern auch zwischen zwei verschiedenen Reihenkapazitäten CR, CRa und CR2, CR2a umgeschaltet. Dadurch können in unterschiedlichen Betriebsarten unterschiedliche Koppelkapazitäten ausgewählt werden. Somit ist eine weitere Möglichkeit für die Bestimmung der Frequenzschrittweite gegeben.
8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schwingkreisanordnung 1. Die Schwingkreisanordnung 1 umfasst induktive Elemente 20, eine Anordnung 21a mit dem ersten kapazitiven Element 21, ein zweites kapazitives Element 22 und einen Entdämpfungsverstärker 6, der durch zwei kreuzgekoppelte Feldeffekttransistoren gebildet ist. Ein Schwingungssignal kann über den Oszillatorausgang LO und LOX abgegriffen werden. Über einen Stromeingang 8 wird der Schwingkreisanordnung 1 ein Strom zugeführt, beispielsweise von der hier nicht gezeigten Stromquelle 7.
Die Anordnung 21a umfasst weiterhin Widerstände RW, die zur Arbeitspunkteinstellung dienen, und einen Transistor 41, der als Schalter zum Zu- oder Abschalten der Parallelkapazitäten CP dient. Durch den Inverter 217 soll ein definiertes Gleichspannungspotenzial für den Transistor 41 eingestellt werden. Ungewünschte hochfrequente Anteile im Strom, der über den Anschluss 8 zugeführt wird, können über den Kapazitätsbaustein CF abgeführt werden. Das erste kapazitive Element 21 ist beispielhaft als digital steuerbares Varaktorarray dargestellt.
9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schwingkreisanordnung 1. Sie umfasst eine steuerbare Stromquelle 7, die einen Programmiereingang 3, einen Versorgungspotenzialanschluss 74, einen Auswahleingang 4 und einen Stromausgang 71 aufweist, der an den Stromeingang 8 des Oszillatorkerns angeschlossen ist. Als wirksame Kapazitäten sind die Anordnung 21a und das zweite kapazitive Element 22 vorgesehen. Das Schwingungssignal am Oszillatorausgang LO und LOX wird einem Pufferverstärker 10 über Koppelkondensatoren 103 und 104 zugeführt. Über die rückkoppelnden Widerstände 101 und 102 wird ein Gleichspannungspotenzial am Eingang des Pufferverstärkers 10 festgelegt. An den Ausgängen 105 und 106 kann das verstärkte Schwingungssignal abgegriffen werden.
Über einen Eingang 220 des zweiten kapazitiven Elements 22, der, hier nicht gezeigt, mit dem Programmiereingang 3 gekoppelt ist, kann ein zweites Datenwort zur Programmierung der Schwingungsfrequenz in groben Schritten zugeführt werden. Beispielsweise ist das zweite kapazitive Element 22 mit einer Vielzahl von binär gewichteten Kapazitätsbausteinen ausgebildet.
Die Anordnung 21a weist einen Eingang 210 zur Programmierung der Schwingungsfrequenz mit der feineren, vorbestimmten Schrittweite auf. Die vorbestimmte Schrittweite kann beispielsweise über ein Betriebsartwahlsignal am Auswahleingang 4a, der mit dem Auswahleingang 4 gekoppelt ist, durch Zu- oder Abschalten von Parallelkapazitäten verändert werden, wie beispielhaft zu 6 und 7 erläutert.
Über einen Eingang 9 kann der Anordnung 21a und den darin umfassten steuerbaren Kapazitätsbausteinen eine Steuerspannung zugeführt werden. Wenn ein einzelner Kapazitätsbaustein zugeschaltet wird, wird er mit dieser Steuerspannung beaufschlagt. Dadurch wird der Kapazitätswert des Kapazitätsbausteins von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert verändert, wie bereits bei 4 erläutert. In Abhängigkeit eines Betriebsartwahlsignals kann die Steuerspannung variiert werden. Beispielsweise wird in einer ersten Betriebsart eine Steuerspannung von 1,5 Volt zugeführt, während in einer zweiten Betriebsart eine Steuerspannung von 0,8 Volt zur Verfügung gestellt wird. Dadurch ändert sich der Unterschied des Kapazitätswerts zwischen an- und abgeschaltetem Zustand eines Kapazitätsbausteins oder Varaktors.
Mit der Anordnung nach 9 wird der Betrieb in zwei verschiedenen Betriebsarten ermöglicht, nämlich für den UMTS und den GSM/EDGE-Standard. Für UMTS müssen dabei mit grober Frequenzeinstellung Frequenzbereiche von 1710 bis 1980 MHz und von 824 bis 849 MHz erreicht werden. Die für GSM/EDGE nötigen Frequenzbereiche bewegen sich zwischen 824 und 915 MHz und zwischen 1710 und 1910 MHz. Die Schwingkreisanordnung schwingt dabei mit einer Frequenz von etwa 3 bis 4 GHz, wobei das Schwingungssignal der Schwingkreisanordnung mit einem Faktor zwei oder vier frequenzgeteilt wird, entsprechend dem jeweils gewählten Frequenzband für UMTS oder GSM/EDGE.
Um den gesamten nötigen Frequenzbereich in den zwei Betriebsarten abdecken zu können, wird ein grober Einstellungsbereich von 3296 bis 3960 MHz benötigt. Das zweite kapazitive Element 22 wird dazu am Eingang 220 mit einem zehn Bit breiten zweiten Datenwort angesteuert. Für die Feineinstellung wird der Anordnung 21a am Eingang 210 ein erstes Datenwort mit einer Bitbreite von beispielsweise zehn Bit zugeführt. Die kapazitiven Elemente sind dabei so ausgelegt, dass genügend Überlappung in der Frequenzeinstellung vorgesehen ist. Durch Grob- und Feineinstellung kann somit der gesamte Frequenzbereich vollständig abgedeckt werden.
Um den verschiedenen Anforderungen an das Phasenrauschen für GSM/EDGE und UMTS zu genügen, wird die Schwingungsamplitude der Schwingkreisanordnung entsprechend angepasst. Dies wird durch ein Steuern der Stromquelle 7 erreicht. Dabei wird das Übersetzungsverhältnis des Stromspiegels in der Stromquelle 7 über ein Datenwort am Programmiereingang 3 programmiert. Die Bitbreite des Datenworts beträgt beispielsweise sechs Bits, wobei diese den sechs höherwertigen Bits des zehn Bit breiten zweiten Datenworts für die grobe Frequenzeinstellung entsprechen. Diese Einstellung des Stroms für den Oszillatorkern geschieht in beiden Betriebsarten. Die Höhe des zu spiegelnden Stroms wird jedoch abhängig von der Betriebsart durch die schaltbare Stromquelle 70, gezeigt in 5, vorgegeben.
Als Kapazitätsbausteine in der Einheit 21a für die Feineinstellung der Schwingungsfrequenz werden P-MOS-Varaktor-Paare, wie in 3 gezeigt, eingesetzt. Wegen den Isolationseigenschaften der Wanne in dem Herstellungsprozess der N-Wanne haben P-MOS-Bauteile flachere Bereiche in der Kennlinie für die an- und den abgeschalteten Zustand, in Verarmungs- und Inversionszustand. Auch der verhältnismäßige Unterschied im Kapazitätswert zwischen an- und abgeschaltetem Zustand ist bei P-MOS-Varaktor-Paaren höher als bei vergleichbaren N-MOS-Bauteilen.
Um die geforderte Frequenzschrittweite und die hohe Modulationsbandbreite bei UMTS auch bei Temperaturschwankungen und unterschiedlichen Herstellungsbedingungen, das heißt Prozessvariationen, erreichen zu können, wird für die Ansteuerung der Anordnung 21a mit dem ersten kapazitiven Element 21 ein erstes Datenwort mit einer Bitbreite von zehn Bit benötigt.
Es werden die beschriebenen Verfahren alternativ oder kumulativ zur Umschaltung zwischen den Betriebsarten für GSM/EDGE und UMTS eingesetzt, um die Anforderungen an verschiedene Frequenzschrittweiten und unterschiedliches Phasenrauschen zu erfüllen.
So wird der Kapazitätsunterschied zwischen ein- und ausgeschaltetem Zustand eines Varaktor-Paares und damit die Frequenzschrittweite durch das Ändern der Schwingungsamplitude umgeschaltet. Dies geschieht über ein Ändern des von der Stromquelle 7 abgegebenen Stroms durch Umschalten der geschalteten Stromquelle 70 mit einem Betriebsartwahlsignal am Eingang 4 der Stromquelle 7.
Die Frequenzschrittweite wird auch durch Zu- oder Abschalten von Reihenkapazitäten CR, CRa und einer Parallelkapazität CP in dem ersten kapazitiven Element 21 geändert. Dies erfolgt in Abhängigkeit des Betriebsartwahlsignals am Eingang 4a der Anordnung 21a.
Die Beeinflussung der Frequenzschrittweite erfolgt weiterhin durch Zuführen einer für jede Betriebsart unterschiedlichen Steuerspannung am Eingang 9 der Anordnung 21a. Dadurch weist ein P-MOS-Varaktor-Paar im eingeschalteten Zustand einen je Betriebsart unterschiedlichen Kapazitätswert auf.
In dem Ausführungsbeispiel sind alle P-MOS-Varaktoren gleich gewichtet. Mit dem zehn Bit breiten ersten Datenwort weist das erste kapazitive Element 21 demnach 1024 unabhängig schaltbare P-MOS-Varaktor-Paare auf. Durch Schalten eines Varaktor-Paars ergibt sich etwa in dem ersten kapazitivem Element ein Kapazitätsunterschied ΔC. Mit Gleichung (1) ergibt sich für den Frequenzunterschied Δf, der aus diesem Kapazitätsunterschied herrührt, zu $Δ f = \frac{1}{2 π \sqrt{L C}} - \frac{1}{2 π \sqrt{L (C + Δ C)}} = f_{0} (1 - \frac{1}{\sqrt{1 + Δ C / C}}),$
wobei L die Induktivität und C die Kapazität sind, welche im Oszillatorkern wirksam werden.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines digital gesteuerten Phasenregelkreises mit der erfindungsgemäßen Schwingkreisanordnung 1. Am Ausgang der Schwingkreisanordnung 1 kann an den Ausgängen LO und LOX das Schwingungssignal als differenzielles Signal abgegriffen werden. Das Schwingungssignal wird über einen Frequenzteiler 303 an einen Eingang 301b eines Phasendetektors 301 zugeführt. An einem Eingang 301a kann zudem ein Referenzfrequenzsignal angelegt werden. Der Ausgang 301c des Phasendetektors 301 führt an einen Eingang 302a eines digitalen Schleifenfilters 302. Der Ausgang 302b des Schleifenfilters 302 ist an dem Programmiereingang 3 der Schwingkreisanordnung 1 angeschlossen.
In dem Phasendetektor 301 wird das rückgeführte Schwingungssignal mit dem Referenzfrequenzsignal bezüglich Phase und/oder Frequenz verglichen. Das Vergleichsergebnis wird von dem digitalen Schleifenfilter 302 zu einem Datenwort verarbeitet, welches dann zur Frequenzeinstellung der Schwingungsfrequenz an dem Programmiereingang 3 der Schwingkreisanordnung 1 abgegeben wird. Das Datenwort wird intern in der Schwingkreisanordnung 1 in das erste und das zweite Datenwort aufgeteilt und an das erste und das zweite kapazitive Element zur Fein- und Grobeinstellung der Schwingungsfrequenz zugeführt. Dabei kann das zweite Datenwort von dem Schleifenfilter 302 auch als ein für die Grobeinstellung fest eingestelltes Datenwort abgegeben werden, das nicht von dem Vergleichsergebnis des Phasendetektors 301 abhängt. Ein Teil des Datenworts kann, wie zu 9 erläutert, auch der Stromquelle 7 zugeführt werden. Bei einem Betriebsartwahlsignal am Auswahleingang 4 kann die Betriebsart der Schwingkreisanordnung beziehungsweise des digitalen Phasenregelkreises eingestellt werden.
Durch die nichtlineare Abhängigkeit der Frequenzschrittweite von dem effektiven Kapazitätswert gemäß Gleichung (9) ergeben sich unter Umständen geringfügig unterschiedliche Frequenzschrittweiten für niedrige und für hohe zu programmierende Schwingungsfrequenzen. Dies wird jedoch durch das digitale Schleifenfilter 302 ausgeglichen.
In 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für den digitalen Phasenregelkreis dargestellt. Zusätzlich zu dem in 10 dargestellten Elementen umfasst der digitale Phasenregelkreis einen Sigma-Delta-Modulator 304, eine Synchronisierungseinrichtung 305 und ein Verzögerungselement 306. Dem Sigma-Delta-Modulator 304 und der Synchronisierungseinrichtung 305 wird über einen Durch-Vier-Frequenzteiler 307 ein frequenzgeteiltes Schwingungssignal zugeführt. An den Ausgängen LO2 und LO4 können über die Frequenzteiler 308 und 309 heruntergeteilte Schwingungssignale, passend für das jeweils gewünschte Frequenzband im GSM- beziehungsweise UMTS-Standard abgegriffen werden.
Da die effektive benötigte Frequenzschrittweite kleiner ist als die physikalisch erreichbare wird ein Verfahren mit Überabtastung und Frequenzteilung eingesetzt. Ein ganzzahliger Anteil des Datenworts wird über das Verzögerungsglied 306 an die Schwingkreisanordnung 1 abgegeben. Ein nichtganzzahliger, fraktionaler Anteil wird zunächst von dem Sigma-Delta-Modulator 304 verarbeitet. Um den ganzzahligen und den nichtganzzahligen Anteil zeitlich zu synchronisieren, wird die Verzögerungszeit im Verzögerungsglied 306 durch die Synchronisierungseinrichtung 305 gesteuert.
Der Einsatz des Sigma-Delta-Modulators 304, der auch rauschformende Eigenschaften hat, ermöglicht es, die effektive Frequenzschrittweite in Abhängigkeit des Verhältnisses von Überabtastfrequenz zu regulärer Taktfrequenz des digitalen Schleifenfilters 302 und der Länge des Datenworts, welches dem Sigma-Delta-Modulator 304 zugeführt wird, zu reduzieren. Die Überabtastfrequenz ist dabei die Frequenz des über den Frequenzteiler 307 zurückgeführten Signals. Für den Sigma-Delta-Modulator 304 kann beispielsweise ein Sigma-Delta-Modulator zweiter Ordnung mit mehrfacher Rauschformung, englisch: Multistage Noiseshaper, MASH, eingesetzt werden, dem ein beispielsweise acht Bit breites Datenwort als Eingangssignal zugeführt wird.
Ein Schwingungssignal am Ausgang LO und LOX deckt dabei für UMTS und GSM den Frequenzbereich von 3296 bis 3960 MHz ab. Am Ausgang LO2 kann nach einer Frequenzteilung mit dem Faktor zwei ein Schwingungssignal mit einer Frequenz im Bereich von 1710 bis 1980 MHz für UMTS beziehungsweise 1710 bis 1910 MHz für GSM abgegriffen werden. Am Ausgang LO4 liegt nach einer Frequenzteilung mit dem Faktor vier ein Schwingungssignal mit einer Frequenz von 824 bis 849 MHz für UMTS und 824 bis 915 MHz für GSM an. Eine Einstellung der Schwingungsfrequenz erfolgt beispielsweise über Ansteuerung des Frequenzteilers 303 an einem Eingang 303a.
Auch wenn in den dargestellten Ausführungsbeispielen ein Oszillatorkern mit einem kreuzgekoppelten Entdämpfungsverstärker 6 verwendet wurde, können mit dem erfindungsgemäßen Prinzip auch andere Oszillatorkerne genutzt werden, wie beispielsweise ein Colpitts-Oszillator oder andere. Mit dem erfindungsgemäßen Prinzip können neben dem gezeigten LC-Oszillatorkern auch RC-basierte Oszillatorkerne eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Prinzip kann auch auf andere Standards, insbesondere Mobilfunkstandards wie IS95 oder andere Code Division Multiple Access, CDMA basierende Standards übertragen werden.
Bezugszeichenliste

1:: Schwingkreisanordnung
2:: Oszillatorkern
3:: Programmiereingang
4, 4a:: Auswahleingang
5:: Auswahleinrichtung
6:: Entdämpfungsverstärker
7:: Stromquelle
8:: Stromeingang
9:: Eingang Steuerspannung
10:: Puffer
20:: induktives Element
21:: erstes kapazitives Element
22:: zweites kapazitives Element
70:: schaltbare Stromquelle
71:: Ausgangsstromquelle
72, 73:: Schalter
74:: Versorgungspotenzialanschluss
75:: Widerstand
76:: Kondensator
41:: Schalter
101, 102:: Widerstand
103, 104:: Kapazitätsbaustein
105, 106:: Signalausgangpuffer
210:: Eingang erstes kapazitives Element
220:: Eingang zweites kapazitives Element
211, 212, 221, 222:: Anschluss kapazitives Element
213:: Transistor, Varaktor-Paar
214:: Steuerpotenzialanschluss
215:: Versorgungspotenzialanschluss
216:: Schalttransistor
217:: Inverter
301:: Phasendetektor
302:: Schleifenfilter
303, 307, 308, 309:: Frequenzteiler
304:: Sigma-Delta-Modulator
305:: Synchronisierungseinrichtung
306:: Verzögerungsglied
LO, LOX, LO2, LO4:: Oszillatorausgang
CO:: Kapazitätswert
ΔC:: Kapazitätsunterschied
A:: Schwingungsamplitude
C1, ..., CX:: Kapazitätsbaustein
CR, CRa, CR2, CR2a:: Kapazitätsbaustein
CP, CF:: Kapazitätsbaustein
S1,..., SN:: Schalter
RW:: Widerstand

Claims

Schwingkreisanordnung mit digitaler Steuerung, umfassend: - einen Programmiereingang (3); - einen Oszillatorkern (2) mit einem ersten kapazitiven Element (21), das frequenzbestimmend und programmierbar ist, das erste kapazitive Element (21) gekoppelt mit dem Programmiereingang (3) zur Zuführung eines ersten Datenworts, durch das eine Schwingungsfrequenz der Schwingkreisanordnung (1) mit einer vorbestimmten Frequenzschrittweite programmierbar ist; - einen Entdämpfungsverstärker (6); - einen Auswahleingang (4) zur Zuführung eines Betriebsartwahlsignals; und - Auswahleinrichtung (5), gekoppelt mit dem Auswahleingang (4), die derart eingerichtet ist, dass eine Betriebsart aus einer Menge von zumindest zwei möglichen Betriebsarten in Abhängigkeit des Betriebsartwahlsignals wählbar ist und die zumindest zwei möglichen Betriebsarten durch je eine vorbestimmte Frequenzschrittweite gekennzeichnet sind, wobei die zumindest zwei möglichen Betriebsarten je einem Mobilfunkstandart entsprechen.
Schwingkreisanordnung nach Anspruch 1, bei der der Oszillatorkern (2) ein zweites kapazitives Element (22) umfasst, das frequenzbestimmend ist.
Schwingkreisanordnung nach Anspruch 2, bei der das zweite kapazitive Element (22) programmierbar ist und mit dem Programmiereingang (3) zur Zuführung eines zweiten Datenworts gekoppelt ist, durch das die Schwingungsfrequenz der Schwingkreisanordnung (1) veränderbar ist.
Schwingkreisanordnung nach Anspruch 2 oder 3, - bei der das erste kapazitive Element (21) dazu eingerichtet ist, eine Feineinstellung der Schwingungsfrequenz mit der vorbestimmten Frequenzschrittweite zu bewirken; und - das zweite kapazitive Element (22) dazu eingerichtet ist, eine Grobeinstellung der Schwingungsfrequenz mit einer Frequenzschrittweite zu bewirken, die größer ist als die vorbestimmte Frequenzschrittweite.
Schwingkreisanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der das erste und/oder das zweite kapazitive Element (21, 22) eine Vielzahl von schaltbaren Kapazitätsbausteinen (C1, C2, ..., CN) umfasst.
Schwingkreisanordnung nach Anspruch 5, bei der die Vielzahl von schaltbaren Kapazitätsbausteinen (C1, C2, ..., CN) des zweiten kapazitiven Elements (22) eine binäre Gewichtung aufweist.
Schwingkreisanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der die Vielzahl von schaltbaren Kapazitätsbausteinen (C1, C2, ..., CN) des ersten und/oder des zweiten kapazitiven Elements (21, 22) eine Vielzahl von schaltbaren Varaktoren (213) umfasst.
Schwingkreisanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart eine Steuerspannung zum Steuern eines Kapazitätswerts für die Vielzahl von schaltbaren Kapazitätsbausteinen des ersten kapazitiven Elements (21) veränderbar ist.
Schwingkreisanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend eine mit der Auswahleinrichtung (5) gekoppelte Stromquelle (7), die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart die Höhe eines Stroms zu steuern, der an den Oszillatorkern (2) abgegeben wird, und somit eine Schwingungsamplitude (A) der Schwingkreisanordnung (1) einzustellen.
Schwingkreisanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart eine Parallelkapazität (CP) parallel zu dem ersten kapazitiven Element (21) zu- oder abschaltbar ist.
Schwingkreisanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart eine Reihenkapazität (CR) in Reihe zu dem ersten kapazitiven Element (21) zu- oder abschaltbar ist.
Digitaler Phasenregelkreis mit einer Schwingkreisanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Schwingkreisanordnung (1) einen Oszillatorausgang (LO, LOX) zum Abgeben eines Schwingungssignals mit der Schwingungsfrequenz aufweist, der digitale Phasenregelkreis umfassend: - einen Signalausgang (LO, LOX), der mit dem Oszillatorausgang (LO, LOX) gekoppelt ist; - einen digitalen Phasendetektor (301), aufweisend einen ersten Eingang (301a) zur Zuführung eines Referenzfrequenzsignals, einen zweiten Eingang (301b), der mit dem Signalausgang (LO, LOX) gekoppelt ist, sowie einen Ausgang (301c); und - ein digitales Schleifenfilter (302), das eingangsseitig mit dem Ausgang (301c) des Phasendetektors (301) und ausgangsseitig mit dem Programmiereingang (3) der Schwingkreisanordnung (1) gekoppelt ist.
Digitaler Phasenregelkreis nach Anspruch 12, bei dem zwischen dem Oszillatorausgang (LO, LOX) der Schwingkreisanordnung (1) und dem Phasendetektor (301) ein Frequenzteiler (303) geschaltet ist.
Digitaler Phasenregelkreis nach Anspruch 12 oder 13, bei dem zwischen das Schleifenfilter (302) und die Schwingkreisanordnung (1) ein Sigma-Delta-Modulator (304) geschaltet ist.
Verwendung einer Schwingkreisanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Mobilfunkgerät.
Verfahren zur Erzeugung eines Schwingungssignals, umfassend die Schritte: - Auswählen einer Betriebsart aus einer Menge von zumindest zwei möglichen Betriebsarten, durch die eine Frequenzschrittweite für eine Programmierung einer Schwingungsfrequenz des Schwingungssignals vorbestimmbar ist; wobei die zumindest zwei möglichen Betriebsarten je einem Mobilfunkstandart entsprechen - Vorbestimmen der Frequenzschrittweite in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart; - Programmieren der Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit eines Datenworts und der gewählten Betriebsart mit der vorbestimmten Frequenzschrittweite.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Schwingungsfrequenz zusätzlich durch Beeinflussen einer Schwingungsamplitude des Schwingungssignals in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart programmiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem ein erstes kapazitives Element (21), welches frequenzbestimmend und programmierbar ist, bereitgestellt wird und im Schritt des Programmierens die Schwingungsfrequenz durch Programmierung des ersten kapazitiven Elements (21) programmiert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, umfassend den Schritt: - Zu- oder Abschalten einer Parallelkapazität (CP) parallel zu dem ersten kapazitiven Element (21) in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, umfassend den Schritt: - Zu- oder Abschalten einer Reihenkapazität (CR) in Reihe zu dem ersten kapazitiven Element (21) in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem beim Bereitstellen des ersten kapazitiven Elements (21) das erste kapazitive Element (21) mit einer Vielzahl von schaltbaren Varaktoren bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, umfassend den Schritt: - Verändern einer Steuerspannung zum Steuern eines Kapazitätswerts für die Vielzahl von schaltbaren Varaktoren des ersten kapazitiven Elements (21) in Abhängigkeit der gewählten Betriebsart.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, bei dem ein zweites kapazitives Element (22), welches frequenzbestimmend und programmierbar ist, bereitgestellt wird und im Schritt des Programmierens die Schwingungsfrequenz auch durch Programmierung des zweiten kapazitiven Elements (22) programmiert wird, wobei das zweite kapazitive Element (22) mit einer Frequenzschrittweite programmiert wird, die größer ist als die vorbestimmte Frequenzschrittweite.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, umfassend die Schritte: - Zuführen des Schwingungssignals an einen Phasendetektor (301) ; - Vergleichen des Schwingungssignals mit einem Referenzfrequenzsignal; - Filtern des Vergleichsergebnisses mit einem digitalen Schleifenfilter (302); und - Bilden des Datenworts, in dessen Abhängigkeit die Schwingungsfrequenz programmiert wird, aus dem Ergebnis der Filterung.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das Schwingungssignal vor dem Zuführen an den Phasendetektor (301) frequenzgeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, bei dem das Bilden des Datenworts zumindest teilweise mittels Sigma-Delta-Modulation erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, bei dem das Auswählen der Betriebsart in Abhängigkeit von einem Mobilfunkstandard, insbesondere Global System for Mobile Communication oder Universal Mobile Telecommunication Standard, erfolgt.