DE102009030462B4

DE102009030462B4 - Dynamisch einstellbare Gütefaktoren

Info

Publication number: DE102009030462B4
Application number: DE102009030462A
Authority: DE
Inventors: Alfred Raidl; Christoph Schmits; Wolfgang Thomann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: US7884680B2; US20090322445A1; DE102009030462A1

Abstract

Schaltung (400; 500) mit einem einstellbaren Q-Faktor, umfassend: eine parallele induktiv-kapazitive Schwingkreisschaltung (402) mit einem ersten einpoligen Ausgang (404) und einem zweiten einpoligen Ausgang (406), einen ersten einstellbaren Kondensator (408) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss des ersten einstellbaren Kondensators (408) mit dem ersten einpoligen Ausgang (404) gekoppelt ist, ein erstes Transistorpaar (M1, M2), wobei Source-Anschlüsse von Transistoren des ersten Transistorpaars mit einem ersten gemeinsamen Knoten (416) gekoppelt sind, wobei ein erster Transistor (M1) des ersten Transistorpaars einen mit dem ersten einpoligen Ausgang (404) gekoppelten Drain-Anschluss aufweist und ein zweiter Transistor (M2) des ersten Transistorpaars einen mit dem zweiten Anschluss des ersten einstellbaren Kondensators (408) gekoppelten Gate-Anschluss aufweist, einen zweiten einstellbaren Kondensator (420) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss des zweiten einstellbaren Kondensators (420) mit dem zweiten einpoligen Ausgang (406) gekoppelt ist, und...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Schaltungen und Verfahren, welche sich auf einstellbare Gütefaktoren beziehen.
In der Physik und in den Ingenieurwissenschaften ist der Gütefaktor (oder Q-Faktor, vom englischen „Quality Factor”) eines oszillierenden Systems ein dimensionsloser Parameter, welcher eine Zeitkonstante für eine Abnahme einer Amplitude mit einer Oszillationsperiode vergleicht. Anders ausgedrückt vergleicht der Q-Faktor die Frequenz, bei welcher das System oszilliert, mit der Rate, mit der es Energie dissipiert. Beispielsweise hätte ein Pendel, welches in Luft oszilliert, d. h. schwingt, einen hohen Q-Faktor, während ein Pendel, welches in Öl oszilliert, einen niedrigen Q-Faktor aufweisen würde.
In der Elektronik hängt das Resonanzverhalten eines Resonanzfilters, welcher mit einem sinusförmigen Signal beaufschlagt wird, stark von seinem Q-Faktor ab. Resonante Filter antworten auf Frequenzen nahe ihrer Resonanzfrequenz stärker als auf Frequenzen fern von der Resonanzfrequenz, und ihre Antwort fällt stärker ab, wenn sich die Eingangsfrequenz von der Resonanz wegbewegt. Somit ist zum Beispiel ein Radioempfanger, welcher in seinem Signalpfad ein Filter mit einem hohen Q-Faktor aufweist, verglichen mit einem Filter mit niedrigem Q-Faktor schwieriger auf eine Empfangsfrequenz einzustellen (zu tunen), aber filtert andere nahe an der eingestellten Frequenz liegende und weiter weg liegende Frequenzen besser heraus, sobald er eingestellt ist.
Wenn der erreichbare Q-Faktor aufgrund von Technologiebeschränkungen begrenzt ist, kann er mittels spezieller Schaltungen, insbesondere Q-Verbesserungsschaltungen oder Verlustkompensationsschaltungen, erhöht werden. Üblicherweise führt die Verwendung derartiger Schaltungen zu einem zusätzlichen Stromverbrauch.
Aus der US 2005/0147192 A1 ist eine Empfängerschaltung bekannt, bei welcher in Abhängigkeit von einem unerwünschten Signal eine Eckfrequenz eines Tiefpassfilters eingestellt wird.
Aus DUNCAN, R. A.; MARTIN, K. W.; SEDRA, A. S.: A Q-Enhanced Active-RLC Bandpass Filter. In: IEEE International Symposium an Circuits and Systems, 1993, 1416–1419, ist eine Schaltung mit einstellbarem Gütefaktor bekannt, bei welcher eine einstellbare Kapazität mit Kondensatoren gekoppelt ist.
Aus der DE 10 2004 022 324 A1 ist eine Signalaufbereitungsschaltung insbesondere für eine Empfängeranordnung für den Mobilfunk bekannt.
Aus HE, X.; KUHN, W. B.: A 2.5-GHz Low-Power, High Dynamic Range, Self-Tuned Q-Enhanced LC Filter in SOI. In: IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 40, August 2005, No. 8, 1618–1628, ist ein LC-Filter mit verbessertem Gütefaktor bekannt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kommunikationsgeräte, Schaltungen und Verfahren bereitzustellen, welche einen guten Kompromiss bzw. ein gutes Zusammenspiel zwischen einfacher Einstellbarkeit, guten Filtereigenschaften, Gütefaktor und/oder Stromverbrauch bieten.
Diesbezüglich stellt die vorliegende Erfindung eine Schaltung gemäß Anspruch 1, eine mobile Kommunikationseinrichtung mit einer derartigen Schaltung gemäß Anspruch 6 oder 18 und ein Verfahren für eine derartige Schaltung nach Anspruch 12 bereit. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Filterschaltung mit einem einstellbaren Gütefaktor (Q-Faktor). Die Schaltung umfasst einen parallelen Induktivitäts-Kapazitäts-(LC)Schwingkreis („LC-Tank”), mit einem ersten einpoligen Ausgang. Ein erster einstellbarer Kondensator weist einen mit dem ersten einpoligen Ausgang gekoppelten ersten Anschluss auf. Die Schaltung umfasst zudem ein erstes Transistorpaar, wobei Source-Anschlüsse des ersten Transistorpaars mit einem ersten gemeinsamen Knoten gekoppelt sind. Ein erster Transistor des ersten Transistorpaars weist einen Drain-Anschluss auf, welcher mit dem ersten einpoligen Ausgang gekoppelt ist, und ein zweiter Transistor des ersten Transistorpaars weist einen Gate-Anschluss auf, welcher mit einem zweiten Anschluss des ersten einstellbaren Kondensators gekoppelt ist. Die beiden Transistoren bilden zusammen mit dem parallelen Induktivitäts-Kapazitäts-Schwingkreis einen geschlossenen Verstärkungskreis, welcher den Verlustmechanismen von Induktivitäten und/oder Kapazitäten der Induktivitäts-Kapazitäts-Schaltung entgegenwirkt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm, welches einen Transceiver mit Bandpassfiltern, welche einstellbare Q-Faktoren aufweisen, darstellt,
2 eine Filterkennlinie eines Filters mit relativ niedrigem Q-Faktor,
3 eine Filterkennlinie eines Filters mit relativ hohem Q-Faktor,
4 ein Ausführungsbeispiel einer differentiellen Schaltung mit einem einstellbaren Q-Faktor,
5 ein Ausführungsbeispiel einer kreuzgekoppelten differentiellen Schaltung mit einstellbarem Q-Faktor, und
6 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Einstellen eines Q-Faktors einer Schaltung zeigt.
Ausführungsbeispiele und Implementierungen der vorliegenden Erfindungen werden nun unter Bezugnahme auf die angefugten Zeichnungen erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen benutzt werden, um gleiche oder ähnliche Elemente zu bezeichnen.
In verschiedenen unten beschriebenen Ausführungsbeispielen werden resonante Schaltungen, welche einen einstellbaren Q-Faktor (Gütefaktor) aufweisen, dargestellt. In einigen Ausführungsbeispielen können eine oder mehrere einstellbare Kondensatoren in einer resonanten Schaltung eingestellt werden, um den Q-Faktor dynamisch einzustellen; die Einstellung kann bei manchen Ausführungsbeispielen auch durch ein einstellbares Breite-/Längeverhältnis von verwendeten aktiven (Verstärkungs-)Einrichtungen bzw. Transistoren hiervon erreicht werden. Durch dynamisches Einstellen des Q-Faktors können die resonanten Schaltungen einen Ausgleich bei Leistungsaustauschbeziehungen bieten, beispielsweise zwischen präziser Filterung und Stromverbrauch bzw. Leistungsaufnahme. Einige detailliertere Ausführungsbeispiele für resonante Schaltungen mit einstellbaren Q-Faktoren werden später beschrieben (siehe beispielsweise 4–5), aber zunächst wird ein Beispiel einer Umgebung, in welcher diese resonanten Schaltungen benutzt werden können, dargestellt.
Um eine Weise, in welcher Schaltungen mit einstellbarem Q-Faktor benutzt werden können, zu veranschaulichen, zeigt 1 einen Transceiver 100 (d. h. einen kombinierten Sender/Empfänger), welcher über eine Antenne 102 kommuniziert, zum Beispiel Signale empfängt und/oder sendet. Der Transceiver 100 umfasst einen Sendepfad 104 zum Erzeugen eines hochfrequenten Sendesignals (RF_T) und einen Empfangspfad 106 zum Empfangen eines hochfrequenten Empfangssignals (RF_R); RF steht dabei für „Radio Frequency”, d. h. Hochfrequenz oder Radiofrequenz. Davon abhängig, ob Daten gesendet oder empfangen werden, koppelt ein Schalter 108 wahlweise den Sendepfad 104 oder den Empfangspfad 106 mit der Antenne 102. Zur Vereinfachung der Darstellung ist der Schalter 108 als zwischen nur zwei Pqositionen zum Schalten dargestellt, aber in praktischen Anwendungen kann der Schalter 108 andere Positionen haben oder ein CDMA-(Code Division Multiple Access)-System symbolisieren oder sein.
Während dem Senden erzeugt ein Signalgenerator 110 ein ausgehendes Signal RF₀ über einen von mehreren Frequenzkanälen. Basierend auf RF₀ erzeugt ein Modulator 112, welcher bei einem Ausführungsbeispiel ein Leistungsverstärker sein kann, ein moduliertes Signal RF_M. Dieses Signal RF_M kann mehrere Frequenzkomponenten umfassen (zum Beispiel eine erwünschte Frequenzkomponente und eine oder mehrere unerwünschte Frequenzkomponenten).
Dieses modulierte Signal RF_M wird einem Bandpassfilter 114 zugeführt. Idealerweise würde der Bandpassfilter 114 die erwünschten Frequenzkomponenten vollständig durchlassen (d. h. mit Dämpfung null) und die unerwünschte Frequenzkomponente vollständig herausfiltern (d. h. unendliche Dämpfung). Somit würde das so erzeugte Sendesignal RF_T idealerweise nur die erwünschte Frequenzkomponente umfassen. In praktischen Implementierungen derartiger Schaltungen kann jedoch ein Teil der unerwünschten Frequenzkomponenten durch den Bandpassfilter 114 hindurchgehen, und zumindest ein Teil der erwünschten Frequenzkomponente kann unerwünschterweise gedämpft oder abgeschwächt werden.
Um die unerwünschten Frequenzkomponenten auf einen akzeptablen Wert zu begrenzen, welcher nicht zu Datenfehlern führt, kann ein Unerwünschtesendefrequenzkomponentendetektor 116 RF_M und/oder RF_T überwachen, um die unerwünschte Frequenzkomponente mit einem Schwellenwert zu vergleichen. Diese Überwachung kann durchgeführt werden, indem direkt eine Größe der unerwünschten Frequenzkomponente gemessen wird, aber kann auch indirekt durchgeführt werden, zum Beispiel durch Messung des Signal-Rausch-Verhältnisses, der Bitfehlerrate oder der Fehlervektorgröße (EVM; Error Vector Magnitude) des erwünschten Signals. In jedem Fall stellt der Unerwünschtesendefrequenzkomponentendetektor 116 in Abhängigkeit von dem Vergleich mit dem Schwellenwert eine Rückkopplung 118 dem Bandpassfilter 114 bereit, welcher dementsprechend seinen Q-Faktor (Gütefaktor) einstellen kann.
Eine in gewisser Weise ähnliche Funktionalität ist in dem Empfangspfad 106 gezeigt, in dem ein empfangenes Hochfrequenzsignal RF_R erwünschte und unerwünschte Frequenzkomponenten enthalten wird. Ein Bandpassfilter 120, welches unerwünschte Frequenzkomponenten abschwächt und die erwünschte Frequenzkomponente(n) durchlässt, erzeugt ein gefiltertes Signal RF_F. Wenn die unerwünschten Frequenzkomponenten in RF_R oder RF_F einen Schwellenwert überschreiten, stellt ein Unerwünschteempfangsfrequenzkomponentendetektor 122 dem Bandpassfilter 120 eine Rückkopplung 124 bereit, so dass dieser seinen Q-Faktor entsprechend einstellen kann. Ein Demodulator 126 demoduliert bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das gefilterte Signal RF_F, wonach ein Signalanalysator 128 das so erzeugte eingehende Signal RF_I auswerten wird.
2–3 zeigen eine detailliertere Darstellung des Filterprozesses, wobei 2 eine Filterkennlinie 200 entsprechend einem relativ niedrigen Q-Faktor und 3 eine Filterkennlinie 300 entsprechend einem relativ hohen Q-Faktor zeigt. Die Begriffe „relativ niedrig” und „relativ hoch” bezeichnen hierbei relative Bezüge zwischen Merkmalen innerhalb der Beschreibung und sind nicht notwendigerweise in einem globaleren Sinn zu verstehen. Weiterhin können, obwohl in 2 und 3 nur Kennlinien für zwei Q-Faktoren gezeigt sind, Bandpassfilter bei anderen Ausführungsbeispielen ihren Q-Faktor dynamisch zwischen einer größeren Anzahl von möglichen Werten variieren.
Sowohl in 2 als auch in 3 ist die Passbande des Filters um eine erwünschte Frequenzkomponente f_w herum zentriert, welche auch als resonante Frequenzkomponente bezeichnet werden kann. Daher geht die erwünschte Frequenzkomponente f_w durch den Bandpassfilter 114 oder 120 mit geringer oder ohne Dämpfung hindurch (relativ hohe Verstärkung). Im Gegensatz hierzu ist die unerwünschte Frequenzkomponente f_u (welche auch als nicht resonante Frequenzkomponente bezeichnet werden kann) relativ zu dem Zentrum der Passbande verschoben, was dazu führt, dass der Bandpassfilter 114 oder 120 die unerwünschte Frequenzkomponente wesentlich dampft. Wie erwähnt kann, falls der Unerwünschtefrequenzkomponentendetektor 116 oder 122 feststellt, dass die unerwünschte Frequenzkomponente den Schwellenwert übersteigt, der Q-Faktor über eine Rückkopplung angepasst werden. Beispielsweise kann, wenn die unerwünschte Frequenzkomponente zu hoch ist, der Q-Faktor erhöht werden, was die Passbande des Bandpassfilters verschmälert und eine präzisere Filterung ermöglicht. Auf diese Weise kann die unerwünschte Frequenzkomponente stärker gedämpft werden.
Während eine Vergrößerung des Q-Faktors vorteilhaft sein kann, um die unerwünschten Frequenzkomponenten stärker zu dämpfen, kann dies dazu führen, dass der Bandpassfilter 114 oder 120 mehr Strom verbraucht. Daher kann, wenn der Unerwünschtefrequenzkomponentendetektor 116 oder 122 bestimmt, dass der Q-Faktor verringert werden kann und trotzdem noch eine ausreichende Signalverarbeitung gewährleistet ist, eine Rückkopplung bereitstellen, welche dazu führt, dass der Q-Faktor verringert wird, so dass der Stromverbrauch entsprechend verringert wird. Dieser dynamisch einstellbare Q-Faktor ermöglicht es, dass eine mobile Kommunikationseinrichtung, welche den Transceiver 100 enthält, einen guten Ausgleich zwischen Stromverbrauch bzw. Leistungsaufnahme (zum Beispiel längere Akkulebensdauer für die mobile Einrichtung) und Signalqualität (zum Beispiel Sprachqualität bei entsprechenden mobilen Einrichtungen) bietet.
Nachdem nun Beispiele für die Verwendung einer resonanten Schaltung und entsprechende Filterkennlinien beschrieben wurden, werden nunmehr detailliertere Ausführungsbeispiele resonanter Schaltungen mit einstellbaren Q-Faktoren unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben. Bei manchen Ausführungsbeispielen konnten diese Schaltungen als Bandpassfilter 114 oder 120 benutzt werden, aber bei anderen Ausführungsbeispielen können diese Schaltungen auch für andere Anwendungen benutzt werden. Beispielsweise können diese Schaltungen auch als Kerbfilter oder gekoppelte resonante Filter (oder jegliche andere Art von Filter, welches mindestens eine Induktivität benutzt), Analog-Digital-Wandlung, Schmalbandverstarker, Mikrowellenschaltungen und andere benutzt werden.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer differentiellen Schaltung mit einem einstellbaren Q-Faktor. Die differentielle Schaltung 400 umfasst eine parallele Induktivitäts-Kapazitats-(LC)Schwingkreisschaltung 402 mit einem ersten einpoligen Ausgang 404 und einem zweiten einpoligen Ausgang 406. Ein erster einstellbarer Kondensator 408 weist einen ersten Anschluss 410 und einen zweiten Anschluss 412 auf. Der erste Anschluss 410 ist mit dem ersten einpoligen Ausgang 404 gekoppelt. Transistoren eines ersten Transistorpaars 414 weisen Source-Anschlüsse auf, welche mit einem ersten gemeinsamen Knoten 416 gekoppelt sind. Ein Transistor M₁ des ersten Transistorpaars 414 weist einen mit dem ersten einpoligen Ausgang 404 gekoppelten Drain-Anschluss und einen mit Wechselstrommasse (mit Gleichspannung) gekoppelten Gate-Anschluss auf. Der andere Transistor M₂ des ersten Transistorpaars weist einen mit dem zweiten Anschluss 412 des ersten einstellbaren Kondensators 408 gekoppelten Gate-Anschluss auf. Der erste gemeinsame Knoten 416 empfängt ein Eingangsstromsignal I_inp, welches typischerweise ein moduliertes sinusförmiges Eingangssignal ist, und ist mit einer ersten Stromquelle 418 gekoppelt, welche wiederum mit Masse gekoppelt ist.
Zusätzlich umfasst die differentielle Schaltung 400 einen zweiten einstellbaren Kondensator 420 und ein zweites Transistorpaar 422. Transistoren M₃, M₄ des zweiten Transistorpaars 422 weisen Source-Anschlüsse auf, welche mit einem zweiten gemeinsamen Knoten 424 gekoppelt sind. Der Transistor M₃ weist einen Drain-Anschluss auf, welcher mit dem zweiten einpoligen Ausgang 406 gekoppelt ist, und der andere Transistor M₄ weist einen Gate-Anschluss auf, welcher mit dem zweiten Anschluss 426 des zweiten einstellbaren Kondensators 420 gekoppelt ist. Der zweite gemeinsame Knoten 424 wird mit einem Eingangsstromsignal
beaufschlagt, welches typischerweise ein moduliertes sinusförmiges Eingangssignal ist, welches relativ zu dem Signal I_inp um 180° phasenverschoben ist, und der zweite gemeinsame Knoten 424 ist mit einer zweiten Stromquelle 428 gekoppelt, welche wiederum mit Masse gekoppelt ist.
Die parallele LC-Schwingkreisschaltung 402 weist in dem Beispiel der 4 eine Induktivität L_tank und eine Kapazität C_tank auf.
Während des Betriebs ist die parallele LC-Schwingkreisschaltung 402 eingestellt, bei der erwünschten Frequenz eine Resonanz aufzuweisen. Somit wird die parallele LC-Schwingkreisschaltung dazu neigen, die erwünschte Frequenzkomponente zu verstärken und unerwünschte Frequenzkomponenten zu dämpfen. Abhängig von dem erwünschten Gütefaktor (Q-Faktor) für die Schaltung können der erste und der zweite einstellbare Kondensator 408, 420 in Abhängigkeit von der Rückkopplung eingestellt werden, ohne den Betriebspunkt der Schaltung zu ändern (beispielsweise kann die Rückkopplung von einem Unerwünschtefrequenzkomponentendetektor 116 oder 122 zugeführt werden). Wenn es erwünscht ist, dass der Gütefaktor erhöht wird, kann die Kapazität des ersten und zweiten einstellbaren Kondensators 408 bzw. 420 erhöht werden. Umgekehrt kann, um den Gütefaktor zu erniedrigen, die Kapazität des ersten und zweiten einstellbaren Kondensators verringert werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Kondensator C_tank zudem ebenso einstellbar sein, was es ermöglicht, die Schaltung 400 auf verschiedene erwünschte Frequenzen einzustellen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann jeder dieser einstellbaren Kondensatoren 408, 420 (und optional C_tank) als eine Bank mehrerer Kondensatoren mit jeweils zugeordneten Schaltelementen implementiert sein. Somit können, wenn eine höhere Kapazität erwünscht wird, mehr Kondensatoren in der Bank miteinander gekoppelt werden. Zusatzlich können in manchen Ausführungsbeispielen der erste und zweite einstellbare Kondensator 408, 420 mit der gleichen Prozesstechnologie wie der Schwingkreiskondensator C_tank gefertigt sein, was einen prozessunabhängigen Weg bietet, einem Verstellen („Detuning”) des Schwingkreises aufgrund von Veränderungen des ersten und/oder zweiten einstellbaren Kondensators 408, 420 entgegenzuwirken.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Gütefaktor der Schaltung eingestellt werden, indem das effektive Breite-/Längenverhältnis (B/L-Verhältnis) von in der Schaltung vorgesehenen Transistoren eingestellt wird. Dies kann dynamisch erreicht werden, indem parallel geschaltete Transistoren ein- und ausgeschaltet werden. Beispielsweise wird das B/L-Verhältnis effektiv größer sein, wenn alle Gate-Anschlüsse und alle Source-Anschlüsse jeweils miteinander verbunden sind, und wird umgekehrt effektiv kleiner sein, wenn weniger Gate-Anschlüsse und Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein Verschalten eines Drain-Anschlusses mit einer positiven Versorgungsspannung VDD das Bauelement einschalten, und Verschalten des Drain-Anschlusses mit Masse kann das Bauelement ausschalten.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der endgültige Gutefaktor für die Schaltung 400 proportional zu der Steigerungsschleifenverstärkung entsprechend der folgenden Gleichung: Schleifenverstärkung => (g_m von M₁) × (Lastimpedanz) × (Rückkopplungsfaktor) × (g_m von M₂)/(g_m von M₁ + g_m von M₂), wobei die Lastimpedanz gleich der Impedanz des LC-Schwingkreises ist, g_m die Transkonduktanz des entsprechenden Transistors ist und der Rückkopplungsfaktor gleich der Kapazitätsteilung des einstellbaren Kondensators (408 oder 420) und der Eingangskapazität des Transistors (M₂ bzw. M₄) ist. Somit kann die Schleifenverstarkung durch den ersten oder zweiten einstellbaren Kondensator 408, 420 oder irgendeiner anderen Komponente in der Schleife, wie g_m der Transistoren (über das Breite-zu-Länge-Verhältnis B/L der Transistoren oder dem Strom oder beiden) eingestellt werden.
Einstellen der Kapazitäten des ersten und/oder zweiten einstellbaren Kondensators 408, 420 verändert den Gleichstromarbeitspunkt der Transistoren nicht und verursacht daher allenfalls eine geringe nichtlineare Änderung ihrer Kapazität. Der LC-Schwingkreis ist durch die erste und zweite einstellbare Kapazität (in Reihe mit der Eingangskapazität von M₂ und M₄) belastet, d. h. diese sind Teil der gesamten Schwingkreiskapazität, wobei dies jedoch in vorhersehbarer Weise (entsprechend der obigen Gleichung) geschieht. Eine Änderung der Kapazität der einstellbaren Kondensatoren wird in einem gewissen Grad die Schwingkreiskapazität ändern und somit zu einer geringen Frequenzverschiebung der Mittenfrequenz führen. Da die zwei Effekte geringe Änderungen und vorhersehbare Veranderungen der Mittenfrequenz des Schwingkreises bewirken, kann dies auf einfache Weise durch eine entsprechende Veränderung von C_tank korrigiert werden.
Ein Einstellen des Stroms und somit des Betriebspunkts der Transistoren hat eine größere Auswirkung auf die Mittenfrequenz, aber ermöglicht eine Stromverringerung und somit eine Stromersparnis, wenn niedrigere Gütefaktoren erforderlich sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel, welches beispielsweise in einer C65 CMOS-Technologie gefertigt sein kann, könnte die Schaltung 400 Werte wie folgt aufweisen: L_tank ungefahr 1,7 nH; C_tank ungefähr 3,66 pF, Einstellbereich des ersten und zweiten einstellbaren Kondensators 408, 420 von etwa 220 fF bis näherungsweise 1,7 pF, und I_b/2 im Bereich von etwa 10 mA bis etwa 16 mA. Zusätzlich können die Transistoren M₁ und M₂ Breite-/Längeverhältnisse B_M1/L_M1 von etwa 300 μm/230 nm für den Transistor M₁ und B_M2/L_M2 von etwa 225 μm/230 nm für den Transistor M₂ aufweisen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Gütefaktor in einem Bereich von ungefähr 10 (Gütefaktor des Schwingkreises ohne Steigerung) bis etwa 50 in einem Frequenzbereich von 1,8 GHz bis 2,2 GHz aufweisen. Es ist zu bemerken, dass diese Werte lediglich ein sehr spezifisches Beispiel darstellen, wie die Schaltung ausgestaltet sein kann, und ebenso andere Werte benutzt werden können, um den Erfordernissen anderer Anwendungen gerecht zu werden.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer kreuzgekoppelten differentiellen Schaltung 500 mit einem einstellbaren Gütefaktor. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist ein Transistor M₁ eines ersten Transistorpaars einen mit dem zweiten einpoligen Ausgang 406 gekoppelten Drain-Anschluss auf, und ein Transistor M₃ des zweiten Transistorpaars weist einen mit dem ersten einpoligen Ausgang 404 gekoppelten Drain-Anschluss auf. Der andere Transistor M₂ des ersten Transistorpaars weist einen ebenso mit dem zweiten einpoligen Ausgang 406 gekoppelten Drain-Anschluss auf. Der andere Transistor M₄ des zweiten Transistorpaars weist einen ebenso mit dem ersten einpoligen Ausgang 404 gekoppelten Drain-Anschluss auf. Dieses Ausführungsbeispiel kann eine bessere Gütefaktorsteigerungseffizienz verglichen mit vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen aufweisen. Dieses Ausführungsbeispiel benutzt den verfügbaren Signalstrom der Transistoren M₂ und M₄, um ein höheres Ausgangssignal zu erreichen, d. h. eine höhere Schleifenverstärkung und somit höhere Gütefaktoren mit dem gleichen Strom (oder entsprechend eine niedriger Stromaufnahme für einen gegebenen Gütefaktor).
Obwohl unter Bezugnahme auf 4 und 5 einige strukturelle Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, können Variationen, Ersetzungen und/oder Abwandlungen vorgenommen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können, obwohl die oben beschriebenen Schaltungen als differentielle Schaltungen dargestellt sind, sie auch in einer einpoligen Konfiguration („single-ended”) implementiert werden. Zudem sind die oben beschriebenen Prinzipien auch auf andere Arten von Transistoren als die beschriebenen MOSFET-Transistoren (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) anwendbar. Beispielsweise könnte jeder MOSFET-Transistor durch einen Bipolartransistor mit einer Basis, einem Kollektor und einem Emitter ersetzt werden. Auch andere Feldeffekttransistoren wie JFETs (Junction Field Effect Transistor) oder IGFETs (Insulated Gate Field Effect Transistors), HEMTs (High Electron Mobility Transistors), LDMOS (Lateral Diffused Metal Oxide Semiconductor) könnten als Schalteinrichtungen verwendet werden. Auch andere Arten von Schalteinrichtungen wie Vakuumröhren können verwendet werden. Zudem können beispielsweise dargestellte p-Transistoren wie PMOS-Transistoren durch n-Bauelemente (zum Beispiel NMOS-Transistoren) ersetzt werden, wenn gleichzeitig die entgegengesetzten Spannungen bzw. Ströme angelegt werden.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf 6 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Einstellen eines Gütefaktors beschrieben. Während das Verfahren unten als eine Abfolge von Schritten, Aktionen oder Ereignissen beschrieben wird, ist zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellte Reihenfolge derartiger Schritte, Vorgänge, Aktionen oder Ereignisse beschränkt ist. Beispielsweise können manche Aktionen in anderer Reihenfolge oder parallel zueinander stattfinden, oder auch zusätzliche Schritte oder Aktionen können berücksichtigt sein, welche parallel und/oder sequentiell ausgeführt werden können. Zudem ist zu bemerken, dass nicht notwendigerweise alle dargestellten Schritte nötig sind, um ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Auch können dargestellte Schritte oder Aktionen auf mehrere Schritte oder Aktionen aufgeteilt werden.
In 6 beginnt ein Verfahren 600 bei 602, wo einer resonanten Schaltung ein Hochfrequenzsignal (RF-Signal) zugeführt wird. Das Hochfrequenzsignal umfasst eine erwünschte Frequenzkomponente und eine unerwünschte Frequenzkomponente.
Bei 604 wird das Hochfrequenzsignal verarbeitet, um die unerwünschte Frequenzkomponente zu dämpfen, wodurch ein verarbeitetes Hochfrequenzsignal erzeugt wird.
Bei 606 wird die unerwünschte Frequenzkomponente in dem verarbeiteten Hochfrequenzsignal überwacht und mit einem Schwellenwert verglichen. Diese Überwachung kann kontinuierlich oder intermittierend durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Überwachung jedes Mal durchgeführt werden, wenn die mobile Kommunikationseinrichtung, in welcher eine entsprechende Schaltung integriert ist, eingeschaltet wird, oder jedes Mal, wenn eine Kommunikationsverbindung aufgebaut wird oder eine Kommunikationssitzung initiiert wird.
Bei 608 wird in Abhängigkeit von dem Vergleich der Gütefaktor der resonanten Schaltung eingestellt, um die Größe der unerwünschten Frequenzkomponente in dem verarbeiteten Hochfrequenzsignal zu ändern. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann dieses Einstellen ein Einstellen einer Kapazität eines mit einem einpoligen Ausgangsanschluss der resonanten Schaltung verknüpften einstellbaren Kondensators umfassen.
Auf diese Weise kann die resonante Schaltung ihren Gütefaktor verändern, um sich an sich dynamisch verändernde Betriebsbedingungen anzupassen. Beispielsweise kann der Gütefaktor eingestellt werden, um Temperaturänderungen oder elektrische Änderungen (zum Beispiel Akkuspannungsabfall oder Alterungseffekte der elektrischen Bauelemente) zu kompensieren.
Einige Verfahren und entsprechende Merkmale der vorliegenden Erfindung können durch Hardware-Module, Softwareroutinen oder einer Kombination von Hardware und Software durchgeführt werden. Soweit Software verwendet wird, kann die Software über ein computerlesbares Medium bereitgestellt werden, was jedes Medium beinhalten kann, welches für einen Prozessor Instruktionen bereitstellt. Bei der vorliegenden Erfindung können beispielsweise die Steuerfunktionen, beispielsweise die Überwachung des verarbeiteten Hochfrequenzsignals in dem oben beschriebenen Verfahren, in Form von Software implementiert sein. Derartige computerlesbare Medien können nicht flüchtige Medien, flüchtige Medien und Übertragungsmedien enthalten, zum Beispiel optische Disks, magnetische Disks, Speicher, Koaxialkabel, optische Fasern oder elektromagnetische Wellen.
Zudem ist zu bemerken, dass, auch wenn ein bestimmtes Merkmal gegebenenfalls nur in Bezug auf ein Ausführungsbeispiel beschrieben ist, ein derartiges Merkmal auch mit einem oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden kann, sofern nichts anderes angegeben ist.

Claims

Schaltung (400; 500) mit einem einstellbaren Q-Faktor, umfassend: eine parallele induktiv-kapazitive Schwingkreisschaltung (402) mit einem ersten einpoligen Ausgang (404) und einem zweiten einpoligen Ausgang (406), einen ersten einstellbaren Kondensator (408) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss des ersten einstellbaren Kondensators (408) mit dem ersten einpoligen Ausgang (404) gekoppelt ist, ein erstes Transistorpaar (M₁, M₂), wobei Source-Anschlüsse von Transistoren des ersten Transistorpaars mit einem ersten gemeinsamen Knoten (416) gekoppelt sind, wobei ein erster Transistor (M₁) des ersten Transistorpaars einen mit dem ersten einpoligen Ausgang (404) gekoppelten Drain-Anschluss aufweist und ein zweiter Transistor (M₂) des ersten Transistorpaars einen mit dem zweiten Anschluss des ersten einstellbaren Kondensators (408) gekoppelten Gate-Anschluss aufweist, einen zweiten einstellbaren Kondensator (420) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss des zweiten einstellbaren Kondensators (420) mit dem zweiten einpoligen Ausgang (406) gekoppelt ist, und ein zweites Transistorpaar (M₃, M₄), wobei Source-Anschlüsse von Transistoren des zweiten Transistorpaars mit einem zweiten gemeinsamen Knoten (424) gekoppelt sind, wobei ein erster Transistor (M₃) des zweiten Transistorpaars einen mit dem zweiten einpoligen Ausgang (406) gekoppelten Drain-Anschluss aufweist und ein zweiter Transistor (M₄) des zweiten Transistorpaars einen mit dem zweiten Anschluss des zweiten einstellbaren Kondensators (420) gekoppelten Gate-Anschluss aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der zweite Transistor (M₂) des ersten Transistorpaars einen Drain-Anschluss aufweist, welcher mit einer näherungsweise konstanten positiven Versorgungsspannung (V_DD) gekoppelt ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der zweite Transistor (M₄) des zweiten Transistorpaars einen Drain-Anschluss aufweist, welcher mit einer näherungsweise konstanten positiven Versorgungsspannung (V_DD) gekoppelt ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der zweite Transistor (M₂) des ersten Transistorpaars einen Drain-Anschluss aufweist, welcher mit dem zweiten einpoligen Ausgang (406) gekoppelt ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der erste Transistor (M₁) und der zweite Transistor (M₂) des ersten Transistorpaars unterschiedliche Längen-/Breitenverhältnisse aufweisen.
Mobile Kommunikationseinrichtung (100) umfassend: eine resonante Schaltung (114, 120; 400; 500) mit einem einstellbaren Gütefaktor nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die resonante Schaltung (114, 120; 400; 500) eingerichtet ist, eine resonante Frequenzkomponente hindurchzulassen und eine nicht resonante Frequenzkomponente zu dämpfen, und einen Nichtresonanzfrequenzkomponentendetektor (116, 122), welcher eingerichtet ist, die nicht resonante Frequenzkomponente mit einem Schwellenwert zu vergleichen und weiter eingerichtet ist, der resonanten Schaltung (114, 120; 400; 500) eine Rückkopplung (118, 124) zuzuführen, um so in Abhängigkeit von dem Vergleich mit dem Schwellenwert den Gütefaktor dynamisch anzupassen.
Mobile Kommunikationseinrichtung nach Anspruch 6, wobei der einstellbare Gütefaktor eingestellt wird, indem eine Kapazität mindestens eines der beiden einstellbaren Kondensatoren (408, 420), der resonanten Schaltung (400; 500) eingestellt wird.
Mobile Kommunikationseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die resonante Schaltung (400; 500) eine parallel-induktive Schwingkreisschaltung (402) umfasst, welche einem Empfangspfad der mobilen Kommunikationseinrichtung zugeordnet ist.
Mobile Kommunikationseinrichtung nach Anspruch 8, umfassend ein Filter (120), wobei das Filter (120) zumindest einen Teil der resonanten Schaltung umfasst, einen dem Filter (120) nachgeschalteten Demodulator (126), wobei der Demodulator (126) eingerichtet ist, die resonante Frequenzkomponente zu demodulieren, und einen dem Demodulator (126) nachgeschalteten Signalanalysator, wobei der Signalanalysator eingerichtet ist, die demodulierte resonante Frequenzkomponente zu analysieren.
Mobile Kommunikationseinrichtung nach einem der Ansprüche 6–9, wobei die resonante Schaltung eine einem Sendepfad der mobilen Kommunikationseinrichtung zugeordnete parallel induktive Schwingkreisschaltung (402) umfasst, wobei die mobile Kommunikationseinrichtung weiter umfasst: einen Signalgenerator (110), welcher eingerichtet ist, ein ausgehendes Signal zu erzeugen, und einen Modulator (112), welcher eingerichtet ist, das ausgehende Signal zu modulieren und somit die resonante Frequenzkomponente und die nicht resonante Frequenzkomponente bereitzustellen.
Mobile Kommunikationseinrichtung nach einem der Ansprüche 6–10, wobei die resonante Schaltung (114, 120; 400; 500) ausgestaltet ist, die resonante Frequenzkomponente zu verstärken.
Verfahren zum Einstellen eines Gütefaktors, umfassend: Zuführen eines Hochfrequenzsignals zu einer resonanten Schaltung nach einem der Ansprüche 1–5 mit einstellbarem Gütefaktor, wobei das Hochfrequenzsignal eine erwünschte Frequenzkomponente und eine unerwünschte Frequenzkomponente umfasst, Verarbeiten des Hochfrequenzsignals, um die unerwünschte Frequenzkomponente zu dämpfen, wodurch ein verarbeitetes Hochfrequenzsignal erzeugt wird, Vergleichen der unerwünschten Frequenzkomponente in dem verarbeiteten Hochfrequenzsignal mit einem Schwellenwert, und Einstellen des Gütefaktors der resonanten Schaltung in Abhängigkeit von dem Vergleich, um die unerwünschte Frequenzkomponente in dem verarbeiteten Hochfrequenzsignal zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Einstellen des Gütefaktors ein Einstellen einer Kapazität eines einstellbaren Kondensators der resonanten Schaltung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Einstellen des Gütefaktors ein Einstellen eines effektiven Breiten-/Längenverhältnisses mindestens eines Transistors der resonanten Schaltung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–14, wobei das Verarbeiten des Hochfrequenzsignals umfasst: Bereitstellen einer parallelen induktiv-kapazitiven Schwingkreisschaltung (402) mit einem ersten einpoligen Ausgang (404), wobei die parallele Schwingkreisschaltung (402) auf die erwünschte Frequenzkomponente eingestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–15, wobei das Bereitstellen des Hochfrequenzsignals umfasst: Erzeugen eines ausgehenden Signals über einen von verschiedenen Übertragungsfrequenzkanälen, und Bereitstellen der erwünschten Frequenzkomponente und der unerwünschten Frequenzkomponente durch Modulieren des ausgehenden Signals.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–15, wobei das Bereitstellen des Hochfrequenzsignals ein Empfangen des Hochfrequenzsignals über eine einer mobilen Kommunikationseinrichtung zugeordneten Antenne umfasst.
Mobile Kommunikationseinrichtung, umfassend: eine resonante Schaltung (114, 120; 400; 500) mit einem dynamisch einstellbaren Gütefaktor nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die resonante Schaltung (114, 120; 400; 500) eingerichtet ist, eine erwünschte Frequenzkomponente hindurchzulassen und eine unerwünschte Frequenzkomponente zu dämpfen, und Mittel zum Einstellen des Gütefaktors der resonanten Schaltung (114, 120; 400; 500) in Abhängigkeit von einem Vergleich der unerwünschten Frequenzkomponente mit einem Schwellenwert.
Mobile Kommunikationseinrichtung nach Anspruch 18, wobei die Mittel zum Einstellen des Gütefaktors umfassen: Mittel zum Vergleichen der unerwünschten Frequenzkomponente mit dem Schwellenwert, und Mittel zum Bereitstellen einer Rückkopplung für die resonante Schaltung (114, 120; 400; 500) um den Gütefaktor dynamisch in Abhängigkeit von dem Vergleich mit dem Schwellenwert anzupassen.