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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung, insbesondere
einen LC-Oszillator.
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Es
gibt unterschiedliche Arten von Oszillatorschaltungen. Je nach Einsatzgebiet
werden unterschiedliche Anforderungen an den Oszillator gestellt, wie
beispielsweise niedrige Leistungsaufnahme, geringes Phasenrauschen,
hohe Schwingfrequenz, großer
Einstellbereich der Schwingfrequenz, geringe Empfindlichkeit gegenüber Störsignalen
oder niedrige Kosten für
die Fertigung. Für
Hochfrequenz-Anwendungen werden beispielsweise LC-Oszillatoren mit
Induktivitäten
und Kapazitäten
als frequenzbestimmende Bauteile verwendet.
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Eine
Oszillatorschaltung, deren Schwingfrequenz durch Anlegen einer Abgleichspannung
eingestellt werden kann, bezeichnet man als spannungsgesteuerten
Oszillator, im Englischen als „voltage controlled
oscillator" (VCO)
bezeichnet. Eine Möglichkeit
der Frequenzsteuerung eines LC-Oszillators mittels einer Abgleichspannung
besteht durch den Einsatz von einem oder mehreren so genannten Varaktoren,
das heißt
Kondensatoren, deren Kapazität durch
Anlegen einer Abgleichspannung an einen Steueranschluss einstellbar
ist. Die Frequenz wird durch eine Änderung der Abgleichspannung,
die an den Varaktoren anliegt und deren Kapazität bestimmt, eingestellt.
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In „A 1V 51
GHz Fully-Integrated VCO in 0.12 μm
CMOS", M. Tiebout
et al., IEEE 2002 International Solid-State Circuits Conference,
ISBN 0-7803-7335-9 ist ein in Standard-CMOS-Technologie aufgebauter
spannungsgesteuerter LC-Oszillator beschrieben. Der LC-Oszillator
hat eine Spule mit dem Induktivitätswert L und einen Varaktor
mit dem Kapazitätswert
C und die Schwingfrequenz f
osz des LC-Oszillators
errechnet sich in guter Näherung
nach folgender Formel aus dem Produkt von Induktivitätswert und
Kapazitätswert:
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In „Low-Power
Low-Phase-Noise Differentially Tuned Quadrature VCO Design in Standard CMOS", M. Tiebout, IEEE
Journal Of Solid-State Circuits, vol. 36, no. 7, July 2001, pp.
1018–1024,
ist ein kreuzgekoppelter Quadratur VCO beschrieben, der Quadratur-Ausgangssignale
ausgibt.
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Aus
US 6,954,088 ist ein spannungsgesteuerter
LC-Oszillator einer phased-locked-loop (PLL) bekannt, wobei eine
Diode die Amplitude der Ausgangssignale des spannungsgesteuerten
LC-Oszillators steuert.
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In „A 2.4
GHz SiGe Low Phase-Noise VCO Using On Chip Tapped inductor", P. W. Lai, Solid-State
Circuits Conference 2003, ESSCIRC' 03, pp. 505–508, wird ein spannungsgesteuerter
LC-Oszillator offenbart,
der eine Induktivität
mit vier Anzapfungen umfasst. Die Induktivität ist parallel zu einer Kapazität geschaltet,
die aus zwei Varaktoren gebildet wird. Die zwei Varaktoren sind
in Serie geschaltet und werden zur Einstellung der Schwingfrequenz
des spannungsgesteuerten Oszillators verwendet. Zwei Anzapfungen
der Induktivität
sind mit den in Serie geschalteten Varaktoren verbunden. Die anderen
zwei Anzapfungen der Induktivität
bilden ein differentielles Signalpaar.
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DE 10 2004 020 975
A1 zeigt einen Oszillator mit einem Schwingkreis, der aus
einer Schwingkreis-Induktivität
und einer dazu parallel geschalteten Schwingkreis-Kapazität aufgebaut
ist. Die Schwingkreis-Kapazität
wird aus einem ersten Paar von Varaktordioden und einem dazu parallel
geschalteten, zweiten Paar von Varaktordioden gebildet. Die Frequenzeinstellung
des Schwingkreises erfolgt über eine
Veränderung
der Schwingkreis-Kapazität.
Der Kapazitätswert
des ersten Paars von Varaktordioden wird verändert, indem eine Steuerspannung
mit stufenförmig
unterschiedlichen Werten an das erste Paar von Varaktordioden angelegt
wird. Der Kapazitätswert
des zweiten Paars von Varaktordioden wird über eine analoge, stetig veränderbare
Steuerspannung eingestellt.
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US 2004/0 196 110 A1 beschreibt
einen differentiell abgestimmten, spannungsgesteuerten Oszillator.
Eine erste Varaktor-Stufe ist aus zwei Varaktoren aufgebaut, die
an ihrer Wannen-Seite seriell miteinander verbunden sind. Zwei seriell
miteinander verbundene, induktive Elemente sind parallel zu der ersten
Varaktor-Stufe geschaltet. Eine zweite Varaktor-Stufe ist ebenfalls aus zwei Varaktoren
aufgebaut, die an ihrer Wannen-Seite seriell miteinander verbunden
sind. Zwei seriell miteinander verbundene, induktive Elemente sind
parallel zu der zweiten Varaktor-Stufe geschaltet. Die erste Varaktor-Stufe
reagiert auf eine erste Steuerspannung, die an die Wannen-Seite
der Varaktoren zugeführt
wird. Die zweite Varaktor-Stufe reagiert auf eine zweite Steuerspannung,
die über
Spulen an die gate-Seite der Varaktoren zugeführt wird. Mittels der induktiven
Elemente findet eine elektromagnetische Kopplung zwischen der ersten
Varaktor-Stufe und der zweiten Varaktor-Stufe statt.
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Bekannte
hochfrequente LC-Oszillatoren weisen eine hohe Leistungsaufnahme
sowie ein hohes Phasenrauschen auf und sind empfindlich gegenüber Störungen.
Des Weiteren benötigen
diese nicht standardisierte Technologie-Optionen, wie beispielsweise
high-resistivity Substrat- oder silicon an insulator (SOI)-Technologie.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Oszillatorschaltung
mit verbesserten Eigenschaften anzugeben, insbesondere eine Oszillatorschaltung
mit einer höheren
Schwingfrequenz ohne dass sich die Leistungsaufnahme der Oszillatorschaltung
erhöht.
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Die
Aufgabe wird in einer Oszillatorschaltung, die die Merkmale des
Oberbegriffs des unabhängigen
Anspruchs umfasst, durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils
des unabhängigen
Patentanspruchs gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Oszillatorschaltung mit einem
LC-Schwingkreis und einer Treiberschaltung, die mit dem LC-Schwingkreis
gekoppelt ist. Der LC-Schwingkreis weist eine Kapazität, eine
erste Induktivität
und eine zweite Induktivität auf,
wobei die erste Induktivität
eine erste Teilspule und eine zweite Teilspule umfasst und die zweite
Induktivität
eine dritte Teilspule und eine vierte Teilspule umfasst. Dabei ist
die erste Teilspule seriell zur dritten Teilspule geschaltet und
die zweite Teilspule ist parallel zur vierten Teilspule geschaltet
ist.
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Die
beiden Induktivitäten
sind parallel zur Kapazität
geschaltet.
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Diese
Anordnung ermöglicht
beispielsweise eine höhere
Schwingfrequenz fosc* ohne dass sich die Leistungsaufnahme
der Oszillatorschaltung erhöht.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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In
einer ersten Ausführungsform
ist sowohl die erste Induktivität,
als auch die zweite Induktivität in
Form einer Spule mit Mittenanzapfung realisiert ist
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die erste Mittenanzapfung mit einem ersten Anschluss der Kapazität elektrisch
leitfähig
verbunden und die zweite Mittenanzapfung ist elektrisch leitfähig mit
einem zweiten Anschluss der Kapazität verbunden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Treiberschaltung zwei kreuzgekoppelte Transistoren auf.
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Die
erfindungsgemäße Oszillatorschaltung ist
vorzugsweise als spannungsgesteuerter Oszillator ausgestaltet, wobei
die Kapazität
als mit einer Abgleichsspannung steuerbarer Varaktor ausgebildet ist.
Es können
auch mehrere Varaktoren eingesetzt werden. Hierbei ist die Schwingfrequenz
im Wesentlichen durch den Gesamt-Kapazitätswert bedingt. Dieser Gesamt-Kapazitätswert lässt sich
durch die Abgleichspannung anpassen.
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In
einer Ausführungsform
ist die Abgleichspannung in diskreten Schritten einstellbar. Bei
digital gesteuerten Oszillatoren, im Englischen als „digitally
controlled oscillator" (=
DCO) bezeichnet, kann die Abgleichspannung aus einem digitalen Steuerwort
und einer entsprechenden Dekodierschaltung, beispielsweise einem
Digital-Analog-Wandler, gewonnen werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist die Abgleichspannung analog einstellbar sein.
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Die
Abgleichspannung kann aber auch durch eine Kombination von digitaler
und analoger Steuerung erzeugt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine elektrisch leitfähige
Kopplung zwischen der Treiberschaltung und dem LC-Schwingkreis zur
Bereitstellung differentieller Ausgangssignale vorgesehen. Die differentiellen
Ausgangssignale sind um 180° phasenverschoben
und an Abgriffspunkten abgreifbar. Die um 180° phasenverschobenen Ausgangssignale
bilden die Eingangssignale von Schaltungsteilen, die an die Oszillatorschaltung
angrenzen.
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Vorzugsweise
ist die Oszillatorschaltung symmetrisch aufgebaut. Der symmetrische
Aufbau führt
zu einer verbesserten Eigenresonanzfrequenz und zu einer verbesserten
Güte des
Schwingkreises. Außerdem
verbessert er die Robustheit gegenüber Störungen.
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In
einer Ausführungsform
sind alle Elemente der Oszillatorschaltung in einem Halbleiterbauelement
integriert. Die Integration aller Elemente der Oszillatorschaltung
in einem Halbleiterbauelement ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Fertigung der
Oszillatorschaltung.
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Jedoch
müssen
nicht alle Schaltelemente der Oszillatorschaltung in einem einzigen
Halbleiterbauelement integriert sein. So können Schaltungselemente, beispielsweise
die Induktivitäten,
ganz oder teilweise als externe Bauelemente vorgesehen sein.
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Bei
der Herstellung der Oszillatorschaltung können nicht standardisierte
Technologie-Optionen, wie etwa high-resistivity Substrat oder silicon
an insulator (SOI)-Technologie, eingesetzt werden. Bevorzugt ist
die Oszillatorschaltung in CMOS Technologie ausgebildet und sie
wird in einer Standard-Technologie
hergestellt. Dadurch lässt
sich die Oszillatorschaltung schnell und kostengünstig fertigen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 Schaltbild
eines Ausführungsbeispiels der
Oszillatorschaltung;
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2A und 2B Schaltbilder
weiterer Ausführungsbeispiele
der Oszillatorschaltung.
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In
der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden für
die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden
Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung
dieser Elemente verzichtet wird. Im Rahmen der Beschreibung und
der Patentansprüche
beziehen sich die Begriffe „gekoppelt" und „verbunden" sowohl auf direkte
als auch auf indirekte Verbindungen von Schaltungselementen, d.h. auch
auf Verbindungen durch zwischengeschaltete Schaltungen hindurch.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
für eine
Oszillatorschaltung. Der spannungsgesteuerte Oszillator ist symmetrisch
ausgebildet. Er umfasst einen LC-Schwingkreis 20, der Induktivitäten 55, 56 und eine
Kapazität 24 aufweist.
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Der
Kapazität 24 besitzt
den Kapazitätswert C
und lässt
sich durch die Abgleichspannung Vtune 14 einstellen,
die an einem Abgleichsspannungsanschluss anliegt. Der Kapazitätswert C
lässt sich
dadurch variieren, dass durch die Abgleichspannung Vtune die
Kapazität
der als Varaktoren wirkenden Hilfstransistoren 25, 26 verändert wird.
Die Hilfstransistoren 25, 26 sind vorzugsweise
MOS-Transistoren, und die spannungsabhängige Kapazität wird hauptsächlich zwischen
dem Gate und dem Substrat (d.h. zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen) ausgebildet.
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Sowohl
die Induktivität 55,
als auch die Induktivität 56 ist
als Spule mit Mittenanzapfung ausgebildet. Jede Spule mit Mittenanzapfung
besitzt den Induktivitätswert
L/2.
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Spulen
mit Mittenanzapfung sind separaten Spulen hinsichtlich Einkopplung
von Störungen,
beispielsweise aus der Referenz-Stromquelle 13, überlegen
und somit robuster. Des Weiteren besitzen Spulen mit Mittenanzapfung
im Vergleich zu separaten Spulen weniger parasitäre Kapazitäten. Dies wirkt sich positiv
auf das Phasenrauschen und die Leistungsaufnahme des Oszillators
aus.
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Jede
Spule mit Mittenanzapfung weist eine erste Teilspule, eine zweite
Teilspule und eine Mittenanzapfung auf. Die erste Teilspule und
die zweite Teilspule sind elektrisch miteinander verbunden und die
Mittenanzapfung liegt in der Mitte dieser elektrischen Verbindung.
Eine Spule mit Mittenanzapfung besitzt den Koppelfaktor k. Der Koppelfaktor
k ist ein Maß dafür, wie viel
des magnetischen Flusses der ersten Teilspule durch die zweite Teilspule
erfasst wird.
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Die
Induktivität 55 umfasst
eine Teilspule 51, eine Teilspule 53 und eine
Mittenanzapfung 57. Die Induktivität 56 umfasst eine
Teilspule 52, eine Teilspule 54 und eine Mittenanzapfung 58.
Jede Teilspule besitzt einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss.
Auch die Kapazität 24 besitzt
einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Die ersten Anschlüsse der
Teilspule 51, 52 sind miteinander gekoppelt und über eine
Referenz-Stromquelle 13 an einen
Spannungsversorgungsknoten VDD gekoppelt.
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Der
Spannungsversorgungsknoten VDD kann entweder auf einem konstanten
Spannungsniveau liegen oder an eine Steuerschaltung angeschlossen
sein. Ein steuerbarer Spannungsversorgungsknoten VDD kann neben
der Abgleichspannung Vtune zur Steuerung
der Oszillatorschaltung verwendet werden.
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Die
Referenz-Stromquelle 13 speist dem spannungsgesteuerten
LC-Oszillator den
Versorgungsstrom ICore ein. Der Versorgungsstrom
ICore der Referenz-Stromquelle 13 ist
in der Praxis nicht unabhängig
von der Versorgungsspannung, die am Spannungsversorgungsknoten VDD
anliegt, so dass sich Störungen
der Versorgungsspannung auf den Versorgungsstrom ICore auswirken.
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Weiterhin
ist eine Referenz-Stromquelle selbst nie völlig rausch- und störungsfrei,
so dass auch Störungen
und Rauschen der Referenz-Stromquelle den Versorgungsstrom ICore beeinflussen.
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Der
zweite Anschluss der Teilspule 51 entspricht der Mittenanzapfung 57.
Er ist mit einem Abgriffspunkt 11, dem ersten Anschluss
der Kapazität 24,
dem ersten Anschluss der Teilspule 53, dem zweiten Anschluss
der Teilspule 54, dem Drain-Anschluss eines Transistors 31 und
dem Gate-Anschluss eines Transistors 32 gekoppelt.
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Symmetrisch
dazu entspricht der zweite Anschluss der Teilspule 52 der
Mittenanzapfung 58. Er ist mit einem Abgriffspunkt 12,
dem zweiten Anschluss der Kapazität 24, dem ersten Anschluss
der Teilspule 54, dem zweiten Anschluss der Teilspule 53,
dem Drain-Anschluss des Transistors 32 und dem Gate-Anschluss
des Transistors 31 gekoppelt.
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Zwischen
den Abgriffspunkten 11, 12 ist eine Treiberschaltung 30 gekoppelt,
die die zwei kreuzgekoppelte Transistoren 31, 32 aufweist.
Die kreuzgekoppelten Transistoren 31, 32 sind
vorzugsweise als MOS-Transistoren ausgebildet. Die kreuzgekoppelten
Transistoren 31, 32 sind gegen ein Bezugspotential 33 geschaltet.
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Eine
in den Induktivitäten 55, 56 und
in der Kapazität 24 gespeicherte
Energie führt
zu einer abklingenden Schwingung, da ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt
wird. Die Treiberschaltung 30 stellt einen negativen Widerstand
bereit, der die Dämpfung
des LC-Schwingkreises kompensiert und somit die Dämpfung der
Schwingung des LC-Schwingkreises verhindert.
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An
den Abgriffspunkten 11, 12 werden zwei um 180° phasenverschobene
Signale bereitgestellt, welche mit der Schwingfrequenz fosc* oszillieren. Der LC-Oszillator besitzt
somit ein differentielle Ausgangssignal, das an den Abgriffspunkten 11, 12 abgreifbar
ist.
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Der
LC-Oszillator ist hinsichtlich der Anordnung und der Dimensionierung
der Bauelemente symmetrisch zum Bezugspotential 33 und
zur Referenz-Stromquelle 13 aufgebaut und wird balanciert betrieben.
Dies wirkt sich positiv auf die Eigenresonanzfrequenz und die Güte des LC-Schwingkreises aus.
Des Weiteren verbessert der symmetrische Aufbau die Robustheit gegenüber Störungen.
Unter anderem werden Störspannungen
der Abgleichspannung Vtune 14,
Störspannungen
der Versorgungsspannung, Störungen
aus der Referenz-Stromquelle 13, Störungen vom Substrat und Störungen aus
der Atmosphäre
besser unterdrückt.
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Das
Bezugspotential 33 wird mit einer stromleitenden Schaltung 40,
gekoppelt. 1 zeigt eine direkte Kopplung
des Bezugspotentials 33 mit Masse.
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Weitere
Möglichkeiten
einer stromleitenden Schaltung zeigen 2A und 2B.
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2A zeigt
einen als Stromquelle wirkenden Transistor 41, der das
Bezugspotential 33 mit Masse koppelt. Vorteilhafterweise
kann der Strom dabei über
den Steuereingang 42 reguliert werden.
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In 2B wird
das Bezugspotential 33 über ein
harmonisches Filter, ausgestaltet als LC-Schwingkreis 43,
mit Masse gekoppelt Diese Schaltung besitzt vorteilhafterweise ein
geringes Phasenrauschen.
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Gegenüber einer
Oszillatorschaltung nach dem Stand der Technik liefert die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
eine höhere
Schwingfrequenz bei gleicher Leistungsaufnahme. Des Weiteren besitzt
sie ein verbessertes Phasenrauschen und ist robuster gegenüber Störungen.
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Oszillatorschaltungen
mit niedrigem Phasenrauschen und niedriger Leistungsaufnahme werden beispielsweise
im Mobilfunkbereich verwendet. Besonders hochfrequente VCOs finden
Anwendung in Radarsystemen im Automobil-Bereich, in clock and data
recovery (CDR) Schaltungen und in Phase-locked-loop (PLL) Schaltungen.
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Folgende
Beispielrechnung verdeutlicht die Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung
der Induktivitäten
erniedrigt sich die wirksame Induktivität um den Faktor 2.5. Wenn die
beiden Spulen mit Mittenanzapfung jeweils einen Koppelfaktor k von
0 besitzen, erhöht
sich dadurch die Schwingfrequenz f
osc* um
den Faktor 1.6 gegenüber
der Schwingfrequenz f
osc einer Oszillatorschaltung
nach dem Stand der Technik. Die Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist dabei gleich wie die Leistungsaufnahme der Schaltungsanordnung
nach dem Stand der Technik. Folgende Formel veranschaulicht die
Frequenzerhöhung
der Schwingfrequenz f
osc* der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gegenüber
der Schwingfrequenz f
osc der Schaltungsanordnung
nach dem Stand der Technik:
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Simulationsergebnisse
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
die in einer 90 nm Standard CMOS Technologie ausgebildet ist, zeigen, dass
sich bei einem Koppelfaktor k von 0.3 die Schwingfrequenz um den
Faktor 2.0 gegenüber
der Schwingfrequenz einer bekannten Oszillatorschaltung erhöht. Somit
wird eine Schwingfrequenz von über
100 GHz erreicht. Außerdem
erniedrigt sich das Phasenrauschen um 5.2 dB gegenüber dem
Phasenrauschen einer bekannten Oszillatorschaltung. Die Leistungsaufnahme
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist dabei gleich wie die Leistungsaufnahme der bekannten Oszillatorschaltung.
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Insbesondere
ist die Oszillatorschaltung sowohl mit n-MOS-Transistoren als auch mit p-MOS-Transistoren
oder auch in Bipolar-Schaltungstechnik aufbaubar.
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Weiterhin
kann die Oszillatorschaltung zum Aufbau einer Quadratur Oszillatorschaltung
verwendet werden, die um 90° phasenverschobene
Quadratur-Ausgangssignale bereitstellt. Quadratur-Ausgangssignale
werden beispielsweise im Mobilfunkbereich für die I/Q-Modulation und die
I/Q-Demodulation verwendet.
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- 11,
12
- Abgriffspunkte
- 13
- Referenz-Stromquelle
- 14
- Abgleichsspannung
- 20
- LC-Schwingkreis
- 24
- Kapazität
- 25,
26
- Hilfstransistor
- 30
- Treiberschaltung
- 31,
32
- Transistoren
- 33
- Bezugspotential
- 40
- stromleitende
Schaltung
- 41
- Transistor
- 42
- Steuereingang
- 43
- LC-Schwingkreis
- 51,
52, 53, 54
- Teilspulen
- 55,
56
- Spulen
mit Mittenanzapfung/Induktivitäten
- 57,
58
- Mittenanzapfungen