DE102006061511A1

DE102006061511A1 - Schaltungsanordnung zur Frequenzmodulation

Info

Publication number: DE102006061511A1
Application number: DE102006061511A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Hanselmann
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2008-06-26
Also published as: US20080211595A1; US7868712B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Frequenzmodulation. Die Schaltungsanordnung zur Frequenzmodulation umfasst einen spannungsgesteuerten Oszillator mit mindestens einer Varaktordiode, die durch ein Ansteuersignal (UA) angesteuert wird, wobei eine Kapazität der Varaktordiode von dem Ansteuersignal (UA) abhängt, eine Modulationseinrichtung (101), die ein Modulationssignal (UM) zur Frequenzmodulation des spannungsgesteuerten Oszillators erzeugt, und eine Ansteuereinrichtung (100), die aus dem Modulationssignal (UM) das Ansteuersignal (UA) für die mindestens eine Varaktordiode (201, 202) erzeugt, wobei die Ansteuereinrichtung (100) das Ansteuersignal (UA) derart aus dem Modulationssignal (UM) erzeugt, dass sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Modulationssignal (UM) und der Kapazität der Varaktordiode (201, 202) ergibt. Verwendung beispielsweise in der Datenübertragung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Frequenzmodulation.
Schaltungsanordnungen zur Frequenzmodulation umfassen üblicherweise einen spannungsgesteuerten Oszillator, dessen (Resonanz)-Frequenz in Abhängigkeit von einem Modulationssignal moduliert oder verändert wird. Der spannungsgesteuerte Oszillator umfasst hierzu üblicherweise einen oder mehrere so genannte Varaktor- oder Kapazitätsdioden, d. h. Bauelemente, deren Kapazität sich in Abhängigkeit von einer an ihnen anstehenden Steuerspannung verändert. Durch die Kapazitätsänderung verändert sich die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, der den oder die Varaktordioden umfasst. Bei dem spannungsgesteuerten Oszillator handelt es sich folglich um einen elektrischen Schwingungserzeuger, dessen Frequenz durch Anlegen eines Modulationssignals verändert bzw. moduliert werden kann. Die Varaktordiode bildet hierbei das frequenzbestimmende Element. Durch Verändern der Spannung an der Varaktordiode verändert sich deren Kapazität und somit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises.
Die Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie einer Varaktordiode ist nicht linear. Wenn daher ein Modulationssignal oder eine Modulationsspannung verwendet wird, die beispielsweise sinusförmig um einen Mittelwert ausgesteuert wird, entstehen aufgrund der nicht linearen Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie Verzerrungen. Diese Verzerrungen verursachen beispielsweise einen Frequenz-Offset oder eine Frequenzverschiebung des derart erzeugten frequenzmodulierten Signals verglichen mit einem Fall, bei dem ein linearer Zusammenhang zwischen Modulationsspannung und Kapazität besteht. Diese Frequenzverschiebung kann bei einem Empfänger des frequenzmodulierten Signals Fehler verursachen, beispielsweise bei einer Auswertung des demodulierten Empfangssignals.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Frequenzmodulation zur Verfügung zu stellen, die eine Frequenzmodulation durch Ansteuerung einer Varaktordiode ermöglicht, bei der das entstehende, frequenzmodulierte Signal möglichst einfach und fehlerfrei auswertbar und demodulierbar ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung zur Frequenzmodulation nach Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Frequenzmodulation umfasst einen spannungsgesteuerten Oszillator mit mindestens einer Varaktordiode, die durch ein Ansteuersignal angesteuert wird, wobei eine Kapazität der Varaktordiode von dem Ansteuersignal abhängt, eine Modulationseinrichtung, die ein Modulationssignal zur Frequenzeinstellung oder Frequenzmodulation des spannungsgesteuerten Oszillators erzeugt, und eine Ansteuereinrichtung, die aus dem Modulationssignal das Ansteuersignal für die mindestens eine Varaktordiode erzeugt. Die Ansteuereinrichtung erzeugt das Ansteuersignal derart aus dem Modulationssignal, dass sich, zumindest in einem Arbeitsbereich, ein linearer Zusammenhang zwischen dem Modulationssignal und der Kapazität der mindestens einen Varaktordiode ergibt. In anderen Worten ist die Kapazität der mindestens einen Varaktordiode in einem Arbeitsbereich eine lineare Funktion des Modulationssignals. Die Ansteuereinrichtung fungiert hierbei als Treiber, der aus dem Modulationssignal oder der Modulationsspannung das Ansteuersignal oder die Ansteuerspannung für die Varaktordiode erzeugt, wobei bei der Erzeugung des Ansteuersignals die Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie der Varaktordiode derart berücksichtigt wird, dass sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Modulationssignal und der Kapazität der mindestens einen Varaktordiode ergibt. Dies verhindert Verzerrungen bzw. eine unerwünschte Frequenzverschiebung des frequenzmodulierten Signals, wodurch beispielsweise Fehler bei der Auswertung des demodulierten Signals wirksam verhindert werden.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung umfasst die Ansteuereinrichtung ein Bauelement, dessen Strom-Spannungs-Kennlinie durch ein Polynom zweiter Ordnung beschreibbar ist. Dieses Bauelement kann zur Linearisierung der nicht linearen Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie der Varaktordiode dienen.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung umfasst die Ansteuereinrichtung einen als Diode geschalteten Feldeffekttransistor, bevorzugt einen als Diode geschalteten MOS-Transistor, besonders bevorzugt einen als Diode geschalteten NMOS-Transistor. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des als Diode geschalteten Feldeffekt- oder MOS-Transistors ist durch ein Polynom zweiter Ordnung beschreibbar.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist dem als Diode geschalteten MOS-Transistor ein Widerstand parallel geschaltet. Der Widerstand kann zur Kennlinienanpassung dienen.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung umfasst die Ansteuereinrichtung einen Feldeffekttransistor, insbesondere einen MOS-Transistor, dessen Gate-Anschluss mit dem Modulationssignal beaufschlagt wird, wobei die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors seriell mit dem als Diode geschalteten MOS-Transistor zwischen eine Versorgungsspannung und ein Bezugspotential, insbesondere Masse, eingeschleift ist. Der Feldeffekttransistor kann als so genannter Source-Folger beschaltet sein, der die Ansteuerspannung an den als Diode geschalteten MOS-Transistors weitergibt. Der als Diode geschaltete MOS-Transistor setzt eine lineare Spannungsänderung in eine quadratische Stromänderung um, wodurch eine einfache Linearisierung der Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie der Varaktordiode möglich ist, die einen reziproken Verlauf aufweist. Alternativ kann der Transistor auch als Bipolartransistor ausgeführt sein, der als so genannter Emitter-Folger beschaltet ist, um die Ansteuerspannung an den als Diode geschalteten MOS-Transistor weiterzugeben.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung umfasst diese einen Strom-Spannungs-Wandler, der aus einem durch die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors fließenden Strom eine Spannung erzeugt, wobei die Spannung das Ansteuersignal bildet.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung umfasst diese eine Stromspiegelschaltung, die einen durch die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors fließenden Strom spiegelt und in einen Widerstand einprägt, wobei die sich an dem Widerstand einstellende Spannung das Ansteuersignal bildet.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung umfasst diese eine Bias-Einrichtung, die einen Bias-Strom erzeugt, der dem durch die Stromspiegelschaltung erzeugten Strom überlagert wird. Der Bias-Strom kann zur DC-Arbeitspunkteinstellung der Varaktordiode dienen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen beschrieben. Hierbei zeigt schematisch:
1 ein Schaltbild eines Teils einer Schaltungsanordnung zur Frequenzmodulation mit einer erfindungsgemäßen Ansteuereinrichtung,
2 ein Schaltbild eines herkömmlichen spannungsgesteuerten Oszillators, der mit einem durch die Ansteuereinrichtung von 1 erzeugten Ansteuersignal angesteuert wird, und
3 einen Graphen, der eine Kapazität einer Varaktordiode des in 2 gezeigten spannungsgesteuerten Oszillators als Funktion eines Modulationssignals zeigt.
1 zeigt ein Schaltbild eines Teils einer Schaltungsanordnung zur Frequenzmodulation mit einer erfindungsgemäßen Ansteuereinrichtung 100. Die gezeigte Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine Modulationseinrichtung 101, die ein Modulationssignal in Form einer Modulationsspannung UM zur Frequenzeinstellung oder Frequenzmodulation eines in 2 gezeigten, herkömmlichen spannungsgesteuerten Oszillators 200 erzeugt. Ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal OUT des spannungsgesteuerten Oszillators 200 wird in Abhängigkeit von der Modulationsspannung UM frequenzmoduliert.
Die Ansteuereinrichtung 100 erzeugt aus dem Modulationssignal UM ein Ansteuersignal in Form einer Ansteuerspannung UA für Varaktordioden 201 und 202 des spannungsgesteuerten Oszillators 200 von 2. Die jeweiligen Kathoden der Varaktordioden 201 und 202 sind mit einem Anschluss 1 der Ansteuereinrichtung 100 verbunden, d. h. eine an den Varaktordioden 201 und 202 anstehende Spannungsdifferenz ergibt sich aus einer Differenz zwischen der Ansteuerspannung UA und einer Spannung an der jeweiligen Anode der Varaktordioden 201 und 202.
Die Ansteuereinrichtung 100 erzeugt die Ansteuerspannung UA aus der Modulationsspannung UM derart, dass sich ein linearer Zusammenhang zwischen der Modulationsspannung UM und der Kapazität der jeweiligen Varaktordioden 201 und 202 ergibt. Dies verhindert Verzerrungen bzw. eine Frequenzverschiebung oder einen Frequenz-Offset des frequenzmodulierten Ausgangssignals OUT des spannungsgesteuerten Oszillators 200.
Hierzu umfasst die Ansteuereinrichtung 100 einen als Diode geschalteten NMOS-Transistor 102, dessen Strom-Spannungs-Kennlinie durch ein Polynom zweiter Ordnung beschreibbar ist. Dem als Diode geschalteten NMOS-Transistor 102 ist ein Widerstand 103 parallel geschaltet.
Die Ansteuereinrichtung 100 umfasst weiterhin einen Feldeffekttransistor in Form eines NMOS-Transistors 104, dessen Gate-Anschluss mit der Modulationsspannung UM beaufschlagt wird, wobei die Drain-Source-Strecke des NMOS-Transistors 104 seriell mit dem als Diode geschalteten NMOS-Transistor 102 zwischen eine Versorgungsspannung VCC und ein Bezugspotential GND eingeschleift ist.
Die von der Modulationseinrichtung 100 erzeugte Modulationsspannung UM wird durch den als Source-Folger wirkenden NMOS-Transistor 104 an den als Diode geschalteten NMOS-Transistor 102 ausgegeben. Die Spannungs-Strom-Kennlinie des NMOS-Transistors 102 kann im Wesentlichen als Polynom zweiter Ordnung beschrieben werden, d. h. ein Strom durch den NMOS-Transistor 102 ändert sich in Abhängigkeit von der durch den NMOS-Transistor 104 ausgegebenen Spannung in etwa quadratisch (ein durch den Widerstand 103 fließender Strom kann für diese Betrachtungen vernachlässigt werden). Mittels eines nachfolgend beschriebenen Strom-Spannungs-Wandlers wird aus diesem Strom, der im Wesentlichen auch durch die Drain-Source-Strecke des NMOS-Transistors 104 fließt, die Ansteuerspannung UA erzeugt.
Zur Strom-Spannungs-Wandlung umfasst die Ansteuereinrichtung 100 eine Stromspiegelschaltung, die den durch die Drain-Source-Strecke des Transistors 104 fließenden Strom I1, gegebenenfalls mit einem Faktor multipliziert, spiegelt und in einen Widerstand 106 einprägt, wobei die sich an dem Widerstand 106 einstellende Spannung die Ansteuerspannung UA bildet. Die Stromspiegelschaltung umfasst hierzu in herkömmlicher Weise Transistoren 107 und 108, deren jeweilige Gate-Anschlüsse verbunden sind.
Eine Bias-Einrichtung erzeugt aus einem von außen, beispielsweise von einer nicht gezeigten Einstelleinheit, eingeprägten Strom IB einen gespiegelten Bias-Strom IB, der dem durch die Stromspiegelschaltung erzeugten Strom I1 überlagert wird. Die Bias-Einrichtung umfasst hierzu eine Stromspiegelschaltung in Form von Transistoren 109 und 110, die aus dem von außen eingeprägten Strom IB den gespiegelten Bias-Strom IB erzeugt, der dem Strom I1 überlagert wird. Der Bias-Strom IB dient zur DC-Arbeitspunkteinstellung der Varaktordioden 201 und 202.
Der Widerstand 103, der dem als Diode geschalteten Transistor 102 parallel geschaltet ist, dient zur Kennlinienanpassung der Ansteuereinrichtung 100 an die des spannungsgesteuerten Oszillators 200.
Der in 2 gezeigte spannungsgesteuerte Oszillator 200 ist lediglich ein schematisches, exemplarisches Beispiel eines herkömmlichen spannungsgesteuerten Oszillators. Es versteht sich, dass auch andere spannungsgesteuerte Oszillatoren verwendet werden können, falls diese als frequenzbestimmendes Bauelement eine oder mehrere Varaktordioden aufweisen, die mit der durch die Ansteuereinrichtung 100 aus dem Modulationssignal UM erzeugten Ansteuerspannung UA angesteuert werden.
Der spannungsgesteuerte Oszillator 200 umfasst neben den zur Frequenzmodulation dienenden Varaktordioden 201 und 202 weitere Varaktordioden 204 und 205, die mit einer Steuerspannung beaufschlagt werden, die von einer Phasenregelschleife (PLL) 203 erzeugt wird. Die Varaktordioden 204 und 205 dienen zur Einstellung einer Betriebs- oder Trägerfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 200, wobei die Trägerfrequenz durch die Modulationsspannung UM bzw. die Ansteuerspannung UA in Verbindung mit den Varaktordioden 201 und 202 frequenzmoduliert wird.
Weiterhin umfasst der spannungsgesteuerte Oszillator 200 eine herkömmliche Entdämpfungsschaltung umfassend eine Stromquelle 12, Transistoren 206 und 207 und Koppelkondensatoren 208 und 209, die in bekannter Weise zur Realisierung einer Entdämpfungsschaltung verschaltet sind. Spulen 210 und 211 bilden mit den Varaktordioden 201, 202, 204 und 205 einen Schwingkreis, wobei ein durch den Schwingkreis erzeugtes Oszillatorsignal durch einen Verstärker 212 als das frequenzmodulierte Ausgangssignal OUT ausgegeben wird. Zusätzlich sind in bekannter Weise Entkopplungskondensatoren 213 und 214 und Widerstände 215 und 216 vorgesehen.
Am Ausgang der PLL 203 ist ein Schalter 217 zur Betriebsarteinstellung des spannungsgesteuerten Oszillators 200 vorgesehen. Ein Kondensator 218 ist zwischen den Schalter 217 und Masse eingeschleift. Ein Widerstand 220 und ein Kondensator 219 sind seriell zwischen den Schalter 217 und Masse eingeschleift. Zwischen dem Schalter 217 und den Kathoden der Varaktordioden 204 und 205 können je nach Bedarf noch weitere Bauelemente/Baugruppen eingeschleift sein.
Der in 2 gezeigte spannungsgesteuerte Oszillator 200 dient lediglich zur schematischen Illustration eines Oszillators mit Varaktordioden als frequenzbestimmende Bauteile. Es versteht sich, dass zur Funktionsfähigkeit des dargestellten Oszillators 200 noch weitere Bauelemente oder eine in Details abweichende Verschaltung erforderlich sein können. Anstatt dem gezeigten Oszillator 200 können weitere, dem Fachmann geläufige Oszillatoren verwendet werden.
3 zeigt einen Graphen, der eine Kapazität C der Varaktordiode 201 oder 202 des in 2 gezeigten spannungsgesteuerten Oszillators 200 als Funktion des Modulationssignals UM in einem Arbeitsbereich der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigt. Wie aus 3 ersichtlich, ergibt sich im Arbeitsbereich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Modulationssignal UM und der Kapazität C der Varaktordiode 201 bzw. 202.
Die gezeigten Ausführungsformen bewirken, dass sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Modulationssignal oder der Modulationsspannung UM und der Kapazität der Varaktordioden 201 und 202 ergibt. Es entsteht folglich keine Frequenzverschiebung des frequenzmodulierten Ausgangssignals OUT, die bei dem herkömmlichen, nicht linearen Zusammenhang zwischen dem Modulationssignal UM und der Kapazität der Varaktordioden 201 und 202 entsteht. Das entstehende, frequenzmodulierte Signal ist daher einfach und fehlerfrei demodulierbar oder auswertbar.

Claims

Schaltungsanordnung zur Frequenzmodulation mit – einem spannungsgesteuerten Oszillator (200) mit – mindestens einer Varaktordiode (201, 202), die durch ein Ansteuersignal (UA) angesteuert wird, wobei eine Kapazität der Varaktordiode (201, 202) von dem Ansteuersignal (UA) abhängt, – einer Modulationseinrichtung (101), die ein Modulationssignal (UM) zur Frequenzmodulation des spannungsgesteuerten Oszillators (200) erzeugt, und – einer Ansteuereinrichtung (100), die aus dem Modulationssignal (UM) das Ansteuersignal (UA) für die mindestens eine Varaktordiode (201, 202) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ansteuereinrichtung (100) das Ansteuersignal (UA) derart aus dem Modulationssignal (UM) erzeugt, dass sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Modulationssignal (UM) und der Kapazität der mindestens einen Varaktordiode (201, 202) ergibt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (100) ein Bauelement (102) umfasst, dessen Strom-Spannungs-Kennlinie durch ein Polynom zweiter Ordnung beschreibbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (100) einen als Diode geschalteten MOS-Transistor, insbesondere einen als Diode geschalteten NMOS-Transistor (102), umfasst.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem als Diode geschalteten MOS-Transistor (102) ein Widerstand (103) parallel geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (100) einen Feldeffekttransistor (104) umfasst, dessen Gate-Anschluss mit dem Modulationssignal (UM) beaufschlagt wird, wobei die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors (104) seriell mit dem als Diode geschalteten MOS-Transistor (102) zwischen eine Versorgungsspannung (VCC) und ein Bezugspotential (GND) eingeschleift ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Strom-Spannungs-Wandler (106, 107, 108), der aus einem durch die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors fließenden Strom (I1) eine Spannung erzeugt, wobei die Spannung das Ansteuersignal (UA) bildet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Stromspiegelschaltung (107, 108), die einen durch die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors (104) fließenden Strom (I1) spiegelt und in einen Widerstand einprägt (106), wobei die sich an dem Widerstand (106) einstellende Spannung das Ansteuersignal (UA) bildet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Bias-Einrichtung (109, 110), die einen Bias-Strom (IB) erzeugt, der dem durch die Stromspiegelschaltung erzeugten Strom (I1) überlagert wird.