DE102012211610B4

DE102012211610B4 - Topologie eines vollständig entkoppelten Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises für Anwendungen mit niedrigem Phasenrauschen und hoher Schwingungsamplitude

Info

Publication number: DE102012211610B4
Application number: DE102012211610A
Authority: DE
Inventors: Bodhisatwa Sadhu; Jean-Oliver Plouchart; Scott K. Reynolds; Alexander V. Rylyakov; Jose A. Tierno
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2032-07-05
Also published as: US8773215B2; GB201210868D0; CN103001584B; GB2494497A; US20130063218A1; GB2494497B; DE102012211610A1; CN103001584A

Abstract

Schwingkreisgestützter Oszillator (100), der Folgendes umfasst: ein oder mehrere aktive Bauelemente; ein oder mehrere passive Bauelemente; und eine Schwingkreisschaltung, die unter Verwendung wenigstens eines der ein oder mehreren passiven Bauelemente von dem einen oder mehreren aktiven Bauelementen entkoppelt ist, wobei ein Kopplungsverhältnis zwischen der Schwingkreisschaltung und dem einen oder den mehreren aktiven Bauelementen so eingestellt ist, dass ein Maximalwert einer Schwingungsamplitude der Schwingkreisschaltung auf der Grundlage einer Durchbruchspannung lediglich des einen oder der mehreren passiven Bauelemente begrenzt ist, wobei das eine oder die mehreren passiven Bauelemente wenigstens einen ersten (123) und einen zweiten Kondensator (124) umfassen, das eine oder die mehreren aktiven Bauelemente N-Kanal-Metalloxid-Feldeffekttransistoren oder bipolare Transistoren sind, die ein erstes und ein zweites aktives Bauelement umfassen, wovon jedes wenigstens einen Drain oder einen Kollektor und ein Gate oder eine Basis aufweist, und wobei das Gate oder die Basis des ersten aktiven Bauelementes (131) mit einer Seite des ersten Kondensators und dem Drain des zweiten aktiven Bauelementes (132) oder Kollektor des zweiten aktiven Bauelementes verbunden ist, das Gate oder die Basis des zweiten aktiven Bauelementes (132) mit einer Seite des zweiten Kondensators (124) und dem Drain oder dem Kollektor des ersten aktiven Bauelementes verbunden ist und die Schwingkreisschaltung (140) zwischen die andere Seite des ersten Kondensators und die andere Seite des zweiten Kondensators geschaltet ist, um die Schwingkreisschaltung von den ersten und zweiten aktiven Bauelementen zu entkoppeln.

Description

REGIERUNGSRECHTE
Diese Erfindung erfolgte mit Unterstützung der Regierung gemäß Vertragsnummer: FA8650-09-C-7924 (Behörde des US-Verteidigungsministeriums für Forschungsprojekte (DARPA)). Die Regierung besitzt bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Informationsverarbeitung und insbesondere auf eine Topologie eines vollständig entkoppelten Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises für Anwendungen mit niedrigem Phasenrauschen und hoher Schwingungsamplitude.
Beschreibung des Standes der Technik
Oszillator-Phasenrauschen ist ein wesentliches Leistungsmaß in vielen drahtlosen und leitungsgestützten Kommunikationsanwendungen, Radargeräten, Sensoren, Bilderzeugungseinrichtungen, Datenumsetzern usw. Die Leistung jedes taktgesteuerten Systems würde aus einem Oszillator mit geringerem Rauschen einen Nutzen ziehen. Eine Möglichkeit zum Verringern des Oszillator-Phasenrauschens besteht darin, die Amplitude der Schwingung zu vergrößern. In einer vorgegebenen Technologie ist die maximale Amplitude durch die Durchbruchspannung der aktiven Bauelemente (FETs, BJTs oder andere Typen von Bauelementen) festgelegt. Oszillator-Phasenrauschen kann außerdem durch die Verwendung von Bauelementen mit geringerem Rauschen oder Bauelementen mit höherer Durchbruchspannung, durch Absenken der Temperatur usw. vermindert werden.
Ein allgemeiner Ausdruck für Oszillatorrauschen ist durch Leeson's Formel wie folgt gegeben:
Aus dieser Gleichung kann erkannt werden, dass bei vorgegebener Temperatur T, Schwingungsfrequenz ω₀, Offset vom Träger Δω und Q-Faktor die einzige Möglichkeit zum Verringern von Phasenrauschen darin besteht, die Signalleistung (P_sig) (oder gleichbedeutend die Amplitude der Schwingung) zu vergrößern, wodurch der Rauschfaktor F konstant gehalten wird. Dabei ist k = 1,3806503 × 10^–23 m²kg/s²/K die Boltzmann-Konstante.
Innerhalb einer gegebenen Technologie ist die Vergrößerung des Amplituden/Rausch-Verhältnisses der produktivste praktische Ansatz zum Lösen dieses grundlegenden Problems. Es ist wichtig zu betonen, dass im Allgemeinen ein aktives Bauelement mit geringerem Rauschen auch eine niedrigere Durchbruchspannung aufweist. Außerdem ist in praktisch allen Technologien die Durchbruchspannung der aktiven Bauelemente viel niedriger als die Durchbruchspannung passiver Bauelemente. Es wird außerdem angemerkt, dass die Festigkeit einiger passiver Bauelemente (wie etwa Metall-Oxid-Metall-Kondensatoren) bis zu einem bestimmten Umfang konstruktiv gesteuert werden kann.
Im Buch „Halbleiter-Schaltungstechnik” sind die Schaltungen und Berechnungen von Colpitts-Oszillatoren in einer Kollektorschaltung oder mit einem Differenzverstärker offenbart (Tietze, U; Schenk Ch; Gamm E.: Halbleiter-Schaltungstechnik. 13. Auflage. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2010. 1515–1517; 1523–1525. – ISBN 978-3-642-01621-9).
In der US 6700451 B1 ist ein spannungsgesteuerter Oszillator mit einer kreuzgekoppelten Kaskode offenbart. Der Oszillator umfasst: einen variablen Frequenz-Schwingkreis, eine erste und eine zweite kaskodegekoppelte aktive Vorrichtung, die mit dem Schwingkreis gekoppelt sind, und dritte und vierte kaskodegekoppelte aktive Vorrichtung, die mit dem Schwingkreis gekoppelt sind, das erste und das zweite aktive Gerät, die an der dritten und vierten aktiven Vorrichtung kreuzgekoppelt sind. Die Erfindung sieht geringere Drain-Gate Spannungen vor, wodurch Gerätfehler reduziert werden.
In der US 8044733 B1 ist eine Vorrichtung offenbart, die einen spannungsgesteuerten Oszillator umfasst. Der Oszillator umfasst einen ersten Transistor, einen ersten Widerstand, der zwischen einem ersten Anschluß des ersten Transistors und einem ersten Knoten gekoppelt ist, einen ersten Kondensator, der funktionsmäßig zwischen einem zweiten Anschluß des ersten Transistors und dem ersten Knoten gekoppelt ist, und einen mit dem ersten Knoten funktionsmäßig gekoppelten zweiten Kondensator, wobei der erste Kondensator und der zweite Kondensator einen kapazitiven Spannungsteiler ausbilden.
In der US 6946924 B2 ist ein spannungsgesteuerter Oszillator mit einem Paar von Transistoren offenbart, wobei die Transistoren mit einem Schwingkreis gekoppelt sind, wobei der Schwingkreis eine Vielzahl von parallel zu einer Induktivität geschalteten Tuning-Dioden mit elektrisch gekoppelten Anoden aufwiest, wobei die Anoden an eine gemeinsame Verbindung gekoppelt sind.
In der US 6204734 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Erweiterung eines VCO-Tuning-Bereichs offenbart. Eine parallel zu einer Kapazitätsdiode verbundene Shunt-Induktivität verringert eine effektive Kapazität der Kapazitätsdiode und erhöht ein Kapazitätsverhältnis. Dadurch wird der VCO-Tuning-Bereich ohne Erhöhung einer Abstimmempfindlichkeitsvariation und eines Phasenrausches erhöht.
ZUSAMMENFASSUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Bereitstellen eines verbesserten schwingkreisgestützten Oszillators sowie einen entsprechenden schwingkreisgestützten Oszillator zur Verfügung zu stellen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Prinzipien wird ein schwingkreisgestützter Oszillator bereitgestellt. Der Oszillator enthält ein oder mehrere aktive Bauelemente, ein oder mehrere passive Bauelemente und eine Schwingkreisschaltung, die unter Verwendung wenigstens eines der ein oder mehreren passiven Bauelemente von dem einen oder mehreren aktiven Bauelementen entkoppelt ist. Ein Kopplungsverhältnis zwischen der Schwingkreisschaltung und des einen oder den mehreren aktiven Bauelementen ist so eingestellt, dass ein Maximalwert einer Schwingungsamplitude der Schwingkreisschaltung basierend auf einer Durchbruchspannung lediglich des einen oder der mehreren passiven Bauelemente begrenzt ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen das eine oder die mehreren passiven Bauelemente wenigstens einen ersten und einen zweiten Kondensator, das eine oder die mehreren aktiven Bauelemente sind N-Kanal-Metalloxid-Feldeffekttransistoren oder bipolare Transistoren, die ein erstes und ein zweites aktives Bauelement umfassen, wobei jedes wenigstens ein Drain oder einen Kollektor und ein Gate oder eine Basis aufweist und wobei das Gate oder die Basis des ersten aktiven Bauelementes mit einer Seite des ersten Kondensators und dem Drain oder dem Kollektor des zweiten aktiven Bauelementes verbunden ist, das Gate oder die Basis des zweiten aktiven Bauelementes mit einer Seite des zweiten Kondensators und dem Drain oder dem Kollektor des ersten aktiven Bauelementes verbunden ist, und die Schwingkreisschaltung zwischen die andere Seite des ersten Kondensators und die andere Seite des zweiten Kondensators geschaltet ist, um die Schwingkreisschaltung von den ersten und zweiten aktiven Bauelementen zu entkoppeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Prinzipien wird ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren enthält das Bereitstellen eines schwingkreisgestützten Oszillators mit einem oder mehreren aktiven Bauelementen, einem oder mehreren passiven Bauelementen und einer Schwingkreisschaltung. Das Verfahren enthält ferner das Entkoppeln der Schwingkreisschaltung von dem einen oder mehreren aktiven Bauelementen unter Verwendung wenigstens eines der ein oder mehreren passiven Bauelementen. Ein Kopplungsverhältnis zwischen der Schwingkreisschaltung und dem einen oder den mehreren aktiven Bauelementen ist so eingestellt, dass ein Maximalwert einer Schwingungsamplitude der Schwingkreisschaltung anhand einer Durchbruchspannung von lediglich dem einen oder den mehreren passiven Bauelementen begrenzt ist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner, dass das eine oder die mehreren aktiven Bauelemente lediglich einem Bruchteil des Maximalwerts der Schwingungsamplitude ausgesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner das Bestimmen des Maximalwerts der Schwingungsamplitude anhand einer Durchbruchspannung und/oder eines Durchbruchstroms von wenigstens einem der einen oder der mehreren passiven Bauelemente.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die eine oder die mehreren aktiven Bauelemente einen oder mehreren MOSFETs und das Verfahren umfasst ferner das unabhängige Vorspannen eines Drain und eines Gate des einen oder der mehreren MOSFETs, um die Schwingungsamplitude der Schwingkreisschaltung zu steuern.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die eine oder die mehreren aktiven Bauelemente einen oder mehrere bipolare Transistoren, und das Verfahren umfasst ferner das unabhängige Vorspannen eines Kollektors und einer Basis des einen oder der mehreren bipolaren Transistoren, um die Schwingungsamplitude der Schwingkreisschaltung zu steuern.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Prinzipien wird ein schwingkreisgestützter Oszillator bereitgestellt. Der Oszillator enthält eine Schwingkreisschaltung. Der Oszillator enthält außerdem wenigstens einen ersten und einen zweiten Kondensator. Der Oszillator enthält ferner ein erstes und ein zweites aktives Bauelement. Jedes der ersten und der zweiten aktiven Bauelemente ist ein N-Kanal-Metalloxid-Feldeffekttransistor oder ein bipolarer Transistor und weist wenigstens einen Drain oder einen Kollektor und ein Gate oder eine Basis auf. Das Gate oder die Basis des ersten aktiven Bauelementes ist mit einer Seite des ersten Kondensators und dem Drain oder dem Kollektor des zweiten aktiven Bauelementes verbunden. Das Gate oder die Basis des zweiten aktiven Bauelementes ist mit einer Seite des zweiten Kondensators und dem Drain oder dem Kollektor des ersten aktiven Bauelementes verbunden. Die Schwingkreisschaltung ist zwischen die andere Seite des ersten Kondensators und die andere Seite des zweiten Kondensators geschaltet, um die Schwingkreisschaltung von den ersten und den zweiten aktiven Bauelementen zu entkoppeln.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Prinzipien wird ein schwingkreisgestützter Oszillator bereitgestellt. Der Oszillator enthält eine Schwingkreisschaltung. Der Oszillator enthält außerdem wenigstens einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Kondensator. Der Oszillator enthält ferner ein erstes und ein zweites aktives Bauelement. Jedes der ersten und zweiten aktiven Bauelemente ist ein N-Kanal-Metalloxid-Feldeffekttransistor oder ein bipolarer Transistor und weist wenigstens einen Drain oder einen Kollektor und ein Gate oder eine Basis auf. Das Gate oder die Basis des ersten aktiven Bauelementes ist mit einer Seite des ersten Kondensators und einer Seite des dritten Kondensators verbunden. Das Gate oder die Basis des zweiten aktiven Bauelementes ist mit einer Seite des zweiten Kondensators und einer Seite des vierten Kondensators verbunden. Die andere Seite des ersten Kondensators ist mit dem Drain oder dem Kollektor des zweiten aktiven Bauelementes verbunden. Die andere Seite des zweiten Kondensators ist mit dem Drain oder dem Kollektor des ersten aktiven Bauelementes verbunden. Die Schwingkreisschaltung ist zwischen die andere Seite des dritten Kondensators und die andere Seite des vierten Kondensators geschaltet, um die Schwingkreisschaltung von den ersten und zweiten aktiven Bauelementen zu entkoppeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Prinzipien wird ein schwingkreisgestützter Oszillator bereitgestellt. Der Oszillator enthält eine Schwingkreisschaltung. Der Oszillator enthält außerdem wenigstens einen ersten, einen zweiten, einen dritten, einen vierten Kondensator und einen fünften Kondensator. Der Oszillator enthält ferner ein erstes und ein zweites aktives Bauelement. Jedes der ersten und zweiten aktiven Bauelemente ist ein N-Kanal-Metalloxid-Feldeffekttransistor oder ein bipolarer Transistor und weist wenigstens einen Drain oder einen Kollektor und ein Gate oder eine Basis auf. Das Gate oder die Basis des ersten aktiven Bauelementes ist mit einer Seite des ersten Kondensators und einer Seite des fünften Kondensators verbunden. Das Gate oder die Basis des zweiten aktiven Bauelementes ist mit einer Seite des zweiten Kondensators und der anderen Seite des fünften Kondensators verbunden. Eine Seite des vierten Kondensators ist mit dem Drain oder dem Kollektor des ersten aktiven Bauelementes verbunden. Eine Seite des dritten Kondensators ist mit dem Drain oder dem Kollektor des zweiten aktiven Bauelementes verbunden. Die andere Seite des ersten Kondensators ist mit der anderen Seite des dritten Kondensators und einer Seite der Schwingkreisschaltung verbunden und die andere Seite des zweiten Kondensators ist mit der anderen Seite des vierten Kondensators und der anderen Seite der Schwingkreisschaltung verbunden, um die Schwingkreisschaltung von den ersten und den zweiten aktiven Bauelementen zu entkoppeln.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden genauen Beschreibung von deren erläuternden Ausführungsformen deutlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese Offenbarung liefert Einzelheiten in der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren, worin:
1 eine Topologie 100 eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken zeigt;
2 die Ersatz-Halbschaltung 200 für die Topologie 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken zeigt;
3 eine Darstellung 300 für eine Simulation zeigt, die die stationäre Oszillationsamplitude (Atank), Gate-Spannungsamplitude (Agate) und eine Variation von Gm über den Zyklus für die Topologie 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken beinhaltet;
4 eine weitere Topologie 400 eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken zeigt;
5 die Ersatz-Halbschaltung 500 für die Topologie 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken zeigt;
6 noch eine weitere Topologie 600 eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken zeigt;
7 die Ersatz-Halbschaltung 700 für die Topologie 600 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken zeigt;
8 noch eine weitere Topologie 800 eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken zeigt;
9 die Ersatz-Halbschaltung 900 für die Topologie 800 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken zeigt;
10 eine nochmals weitere Topologie 1000 eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken zeigt;
11 die Ersatz-Halbschaltung 1100 für die Topologie 1000 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken zeigt; und
12 ein Verfahren 1200 zum Entkoppeln eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken ist.
GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegenden Grundgedanken sind auf eine Topologie eines vollständig entkoppelten Oszillators auf Basis eines Spule-Kondensator-(LC)-Schwingkreises für Anwendungen mit geringem Phasenrauschen und großer Schwingungsamplitude gerichtet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken wird eine Art und Weise vorgeschlagen, um den Oszillator so zu betreiben, dass die Schwingungsamplitude nicht durch die Durchbruchspannungen der aktiven Bauelemente begrenzt ist. Der LC-Schwingkreis ist stattdessen von den aktiven Bauelementen entkoppelt und das Kopplungsverhältnis zwischen dem LC-Schwingkreis und den aktiven Bauelementen ist so eingestellt, dass die Schwingungsamplitude den Maximalwert erreichen kann, der lediglich durch den Durchbruch der passiven Komponenten festgelegt ist. Es ist z. B. ein Szenario vorgesehen, bei dem der Oszillator unter Verwendung von aktiven Bauelementen mit Durchbruchspannungen von 1 V eine Spitze-Spitze-Differenzamplitude von 40 V sicher erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken werden die aktiven Bauelemente in dem Oszillator einem geringen Anteil der vollen Amplitude ausgesetzt. Das kann mit einem kapazitiven Teiler, einem Wandler oder einer ähnlichen passiven Entkopplungsvorrichtung realisiert werden. Ein zusätzlicher Vorteil des vorgeschlagenen Ansatzes besteht in dem verringerten Umfang des Rauschens, der von den aktiven Bauelementen in den Schwingkreis eingeführt wird. Das Gesamt-Phasenrauschen wird dann sowohl durch die vergrößerte Amplitude als auch durch die verhältnismäßig geringere Rauscheinleitung abgesenkt.
Es wurde eine Vielzahl von Schaltungstopologien untersucht, die das Ziel der Reduzierung von Phasenrauschen durch die allgemeinen Techniken der vergrößerten Schwingungsamplitude und der verminderten Einleitung von Rauschen der aktiven Bauelemente in den Schwingkreis erreichen können. Die Topologien werden erläutert und durch den Grad klassifiziert, wie sie die folgenden Aufgaben erfüllen, die sämtlich zum Erreichen eines geringen Phasenrauschens vorteilhaft sind: (1) vergrößerte Schwingungsamplitude in dem LC-Schwingkreis des Oszillators; (2) verminderte Einleitung von Rauschen des aktiven Bauelementes in den LC-Schwingkreis; (3) verbesserte Güte (Q) des Schwingkreises (oder verminderte Verschlechterung der Güte des Schwingkreises infolge des aktiven Bauelementes und der Belastung der Vorspannungsschaltung); (4) unabhängige Vorspannung von Drain und Gate (oder Kollektor und Basis) des Bauelementes zur Steuerung der Schwingungsamplitude und des Betriebsbereichs des Bauelementes; und verminderte Signalformverzerrung. Diese oben genannten Vorteile (1) bis (4) ergeben sich direkt aus Leeson's Formel.
1 zeigt eine Topologie 100 eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien. Die Topologie 100 eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises enthält eine Spule 111, eine Spule 112, einen Kondensator C_d 121, einen Kondensator C_d 122, einen Kondensator C_t 123, einen Kondensator C_t 124, ein aktives Bauelement 131, ein aktives Bauelement 132, einen LC-Schwingkreis 140 und eine Stromquelle 150.
Das Gate (oder die Basis) des aktiven Bauelementes 132 ist mit einer Seite des Kondensators C_t 124, dem Drain (oder dem Kollektor) des aktiven Bauelementes 131, einer Seite des Kondensators C_d 121 und einer Seite der Spule 111 verbunden. Das Gate (oder die Basis) des aktiven Bauelementes 131 ist mit einer Seite des Kondensators C_t 123, dem Drain (oder dem Kollektor) des aktiven Bauelementes 132, einer Seite des Kondensators C_d 122 und einer Seite der Spule 112 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C_d 121 ist mit der anderen Seite des Kondensators C_d 122 verbunden. Die andere Seite der Spule 111 ist mit der anderen Seite der Spule 112 und mit einer Spannung V_DD verbunden. Die LC-Schwingkreisschaltung 140 ist zwischen die andere Seite des Kondensators C_t 124 und die andere Seite des Kondensators C_t 123 geschaltet, um die LC-Schwingkreisschaltung 140 von den aktiven Bauelementen 131 und 132 zu entkoppeln. Die Sources (oder Emitter) der aktiven Bauelemente 131 und 132 sind miteinander und mit einer Stromquelle 150 verbunden.
In dem Beispiel von 1 sind die aktiven Bauelemente 131 und 132 (n-Kanal-)MOSFETs. Mit den Erkenntnissen der hier bereitgestellten vorliegenden Prinzipien sollte jedoch erkannt werden, dass ein Fachmann die Topologie 100 von 1 in Bezug auf andere Typen von aktiven Bauelementen leicht implementieren kann, wobei der Erfindungsgedanke der vorliegenden Prinzipien beibehalten wird. Darüber hinaus kann der gleiche Bauelementetyp z. B. ein MOSFET verwendet werden, wobei jedoch eine p-Kanal-Version verwendet wird. Diese sowie weitere Variationen an den Schaltungselementen der Topologie 100 werden durch einen Fachmann mit den Erkenntnissen der hier bereitgestellten vorliegenden Prinzipien einfach festgelegt und implementiert. In der Topologie 100 wird der LC-Schwingkreis zu einer Position zwischen den Gates der Bauelemente 131 und 132, isoliert durch die Kondensatoren C_t verlagert.
2 zeigt die Ersatz-Halbschaltung 200 für die Topologie 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien. Die Halbschaltung 200 enthält eine Spule 211, einen Kondensator 221, einen Widerstand R_t 291, einen Kondensator C_t 124, einen Kondensator C_d 121, ein aktives Bauelement 131 und ein invertierendes Bauelement 281. Die Spule 211, der Kondensator 221 und der Widerstand R_t 291 betreffen den LC-Schwingkreis 140. Im Einzelnen repräsentiert die Spule 211 die Induktivitätskomponente des LC-Schwingkreises 140, der Kondensator 221 repräsentiert die Kapazitätskomponente des LC-Schwingkreises 140 und R_t 291 repräsentiert die Verluste in dem LC-Schwingkreis 140. Obwohl Elemente von einer Hälfte der Topologie 100 für die Halbschaltung 200 verwendet werden, wobei die Bezugszeichen der Figur damit in Übereinstimmung gehalten werden, wird ein Fachmann leicht erkennen, dass die Werte der gleichen Elemente von der Topologie 100 der vollständigen Schaltung gegenüber der Halbschaltung 200 verschieden sind, jedoch trotzdem durch einen Fachmann mit den Erkenntnissen der hier bereitgestellten vorliegenden Prinzipien einfach bestimmt werden können. Ein stationärer Zustand wird gemäß dem Folgenden bestimmt:
Es kann erkannt werden, dass die Schwingungsamplitude des Schwingkreises durch das Verhältnis C_d/(C_d + C_t) = 1/k auf die Gates der aktiven Bauelemente 131 und 132 aufgeteilt wird. Der Schwingkreis ist von den aktiven Bauelementen 131 und 132 entkoppelt, und der kapazitive Teiler ermöglicht eine höhere Schwingungsamplitude ohne die Möglichkeiten des Durchbruchs an den Gates der Bauelemente. Ein zusätzlicher Vorteil zur Topologie 100 besteht darin, dass das Drainstromrauschen nicht vollständig durch den Schwingkreis 140 fließt. Stattdessen fließt ein Teil des Drainstromrauschens durch die Reihenschaltung aus C_t und R_t und ein Teil durch C_d, Wenn man 1/n als den Bruchteil des Drainstromrauschens definiert, der in der Schwingkreis fließt, gilt n ≈ (Z_Cd + Z_Ct + R_t)/Z_Cd = (C_t + C_d + R_t·sC_d·C_t)/C_t.
Der kapazitive Teiler in 1, der aus den Kondensatoren C_t und C_d gebildet ist, verringert die Belastung des aktiven Bauelementes in dem Schwingkreis 140, deswegen ist die Güte Q des Schwingkreises 140 in geringerem Umfang verschlechtert als im Fall eines kreuzgekoppelten Oszillators und es gibt eine geringere Signalformverzerrung.
3 zeigt eine Darstellung 300 für eine Simulation, die die stationäre Schwingungsamplitude (Atank), die Gate-Spannungsamplitude (Agate) und die Variation von Gm über den Zyklus für die Topologie 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien beinhaltet. Die x-Achse repräsentiert die Amplitudenschwankung an den Transistorgates oder gegebenenfalls an dem Schwingkreis und die y-Achse repräsentiert die Großsignaltranskonduktanz. In dem Beispiel von 3 sind k = 1,1 und n = 1,2.
4 zeigt eine weitere Topologie 400 eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien. Die Topologie 400 des Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises enthält eine Spule 411, eine Spule 412, einen Kondensator C_d 421, einen Kondensator C_d 422, einen Kondensator C_t 423, einen Kondensator C_t 424, einen Kondensator C_c 425, einen Kondensator C_c 426, ein aktives Bauelement 431, ein aktives Bauelement 432, einen LC-Schwingkreis 440 und eine Stromquelle 450.
Das Gate (oder die Basis) des aktiven Bauelementes 431 ist mit einer Seite des Kondensators C_c 426 und einer Seite des Kondensators C_t 423 verbunden. Das Gate (oder die Basis) des aktiven Bauelementes 432 ist mit einer Seite des Kondensators C_c 425 und einer Seite des Kondensators C_t 424 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C_c 426 ist mit dem Drain (oder Kollektor) des aktiven Bauelementes 432, einer Seite des Kondensators C_d 422 und einer Seite der Spule 412 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C_c 425 ist mit dem Drain (oder Kollektor) des aktiven Bauelementes 431, einer Seite des Kondensators C_d 421 und einer Seite der Spule 411 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C_d 421 ist mit der anderen Seite des Kondensators C_d 422 verbunden. Die andere Seite der Spule 411 ist mit der anderen Seite der Spule 412 und einer Spannung V_DD verbunden. Die LC-Schwingkreisschaltung 440 ist zwischen die andere Seite des Kondensators C_t 423 und die andere Seite des Kondensators C_t 424 geschaltet, um die LC-Schwingkreisschaltung 440 von den aktiven Bauelementen 431 und 432 zu entkoppeln. Die Sources (oder Emitter) der aktiven Bauelemente 431 und 432 sind miteinander und mit einer Stromquelle 450 verbunden.
In dem Beispiel von 4 sind die aktiven Bauelemente 431 und 432 (n-Kanal-)MOSFETs. Mit den Erkenntnissen der hier bereitgestellten vorliegenden Prinzipien sollte jedoch erkannt werden, dass ein Fachmann die Topologie 400 von 4 in Bezug auf andere Typen von aktiven Bauelementen leicht implementieren kann, wobei der Erfindungsgedanke der vorliegenden Prinzipien beibehalten wird. Darüber hinaus kann der gleiche Bauelementetyp z. B. ein MOSFET verwendet werden, wobei jedoch eine p-Kanal-Version verwendet wird. Diese und andere Variationen an den Schaltungselementen der Topologie 400 werden durch einen Fachmann mit den Erkenntnissen der hier bereitgestellten vorliegenden Prinzipien leicht festgelegt und implementiert. Die Topologie 400 entkoppelt den LC-Schwingkreis 440 von den Anschlüssen der aktiven Bauelemente, wobei eine Möglichkeit bereitgestellt wird, die Schwingungsamplitude sowohl am Gate (oder an der Basis) als auch am Drain (oder am Kollektor) über die Durchbruchgrenzen des Bauelementes hinaus zu vergrößern, während gleichzeitig die Wirkungen der Nichtlinearität der Vorrichtung sowohl am Gate als auch am Drain vermindert werden.
5 zeigt die Ersatz-Halbschaltung 500 für die Topologie 500 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien. Die Halbschaltung 500 enthält eine Spule 511, einen Kondensator 521, einen Widerstand R_t 591, einen Kondensator C_c 425, einen Kondensator C_d 421, einen Kondensator C_t 424, ein aktives Bauelement 431 und ein invertierendes Bauelement 481. Die Spule 511, der Kondensator 521 und der Widerstand R_t 591 beziehen sich auf den LC-Schwingkreis 440. Im Einzelnen repräsentiert die Spule 511 die Induktivitätskomponente des LC-Schwingkreises 440, der Kondensator 521 repräsentiert die Kapazitätskomponente des LC-Schwingkreises 440 und R_t 591 repräsentiert die Verluste in dem LC-Schwingkreis 440. Obwohl Elemente von einer Hälfte der Topologie 400 für die Halbschaltung 500 verwendet werden, indem die Bezugszeichen der Figur damit übereinstimmend beibehalten werden, wird ein Fachmann leicht erkennen, dass sich die Werte der gleichen Elemente von der Topologie 400 mit vollständiger Schaltung gegenüber der Halbschaltung 500 unterscheiden, werden jedoch trotzdem mit den Erkenntnissen der hier bereitgestellten Erkenntnisse der vorliegenden Prinzipien einfach bestimmt. Wiederum repräsentiert 1/n den Anteil des Drainstromrauschens, der in den Schwingkreis fließt, und 1/k repräsentiert das Spannungsteilungsverhältnis vom Schwingkreis zu den Bauelementegates, wobei n ≈ (Z_Cc + Z_Ct + R_t + Z_Cd)/Z_Cd = (C_tC_d + C_dC_c + sR_tC_dC_CC_t + C_tC_c)/C_tC_c und k ≈ (C_t + C_k)/C_t, wobei C_k = C_cC_d/(C_c + C_d). Der stationäre Zustand wird gemäß folgender Gleichung bestimmt:
Die Topologie 400 stellt ein Anwachsen der Schwingungsamplitude unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Techniken bereit. Die Kondensatorrückführung stellt sicher, dass selbst dann, wenn die Nichtlinearität der Bauelementetransduktanz die Schwingungsamplitude an dem Gate/der Basis begrenzt, die Amplitude am Schwingkreis 440 um einen Faktor k größer ist als diese Begrenzung. Außerdem ist die Nichtlinearität des Bauelementes vermindert, wodurch sich die Schwingungsamplitude sogar am Gate/der Basis für einen vorgegebenen Betrag von eingeführtem Rauschen des aktiven Bauelementes vergrößert. Darüber hinaus ist die Schwingungsamplitude durch das vollständige Entkoppeln des Schwingkreises 440 von den aktiven Bauelementen 431 und 432 nicht durch die Durchbruchspannung dieser Bauelemente 431 und 432 begrenzt.
Zusammenfassend gibt es folgende Vorteile der Topologie 400: (1) die Schwingungsamplitude ist um das Schwingkreis-Gate(Basis)-Rückführungsverhältnis k vergrößert; (2) die Amplitude ist außerdem von Agate auf Atank vergrößert als ein Ergebnis der Gm-Linearisierung von einer geringeren Schwankung der Drainspannung wie in 3 gezeigt; (3) der Schwingkreis ist von den aktiven Bauelementen vollständig entkoppelt und kann deswegen viel größeren Spannungsschwankungen widerstehen; (4) lediglich ein Bruchteil des Rauschens des aktiven Bauelementes wird in den Schwingkreis eingeleitet; (5) lediglich ein Bruchteil des Rauschens von der Vorspannungsschaltungsanordnung fließt in den Schwingkreis; und (6) die Güte des Schwingkreises wird nicht dadurch verschlechtert, dass die MOSFETs in den Trioden-Betriebsbereich eintreten, wodurch eine geringere Verzerrung bewirkt und das Phasenrauschen verbessert wird. Die Vorteile (2) und (6) sind in vollständigen BJT-Versionen dieser Topologie 400 gegenüber MOSFET-Versionen weniger dominant.
6 zeigt noch eine weitere Topologie 600 eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien. Die Topologie 600 des Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises enthält eine Spule 611, eine Spule 612, einen Kondensator C_t 623, einen Kondensator C_t 624, einen Kondensator C_c 625, einen Kondensator C_c 626, einen Kondensator C_g 627, ein aktives Bauelement 631, ein aktives Bauelement 632, einen LC-Schwingkreis 640 und eine Stromquelle 650.
Das Gate (oder die Basis) des aktiven Bauelementes 631 ist mit einer Seite des Kondensators C_c 626 und einer Seite des Kondensators C_g 627 verbunden. Das Gate (oder die Basis) des aktiven Bauelementes 632 ist mit einer Seite des Kondensators C_c 625 und der anderen Seite des Kondensators C_g 627 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C_c 626 ist mit dem Drain (oder dem Kollektor) des aktiven Bauelementes 632, einer Seite des Kondensators C_t 624 und einer Seite der Spule 612 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C_c 625 ist mit dem Drain (oder Kollektor) des aktiven Bauelementes 631, einer Seite des Kondensators C_t 623 und einer Seite der Spule 611 verbunden. Die andere Seite der Spule 611 ist mit der anderen Seite der Spule 612 und einer Spannung V_DD verbunden. Die LC-Schwingkreisschaltung 640 ist zwischen die andere Seite des Kondensators C_t 623 und die andere Seite des Kondensators C_t 624 geschaltet, um die LC-Schwingkreisschaltung 640 von den aktiven Bauelementen 631 und 632 zu entkoppeln. Sources (oder Emitter) der aktiven Bauelemente 631 und 632 sind miteinander und mit einer Stromquelle 650 verbunden.
In dem Beispiel von 6 sind die aktiven Bauelemente 631 und 632 (n-Kanal-)MOSFETs. Mit den Erkenntnissen der hier bereitgestellten vorliegenden Prinzipien sollte jedoch erkannt werden, dass ein Fachmann die Topologie 600 von 6 in Bezug auf andere Typen von aktiven Bauelementen leicht implementieren kann, wobei der Erfindungsgedanke der vorliegenden Prinzipien beibehalten wird. Darüber hinaus kann der gleiche Bauelementetyp z. B. ein MOSFET verwendet werden, wobei jedoch eine p-Kanal-Version verwendet wird. Diese und andere Variationen an den Schaltungselementen der Topologie 600 werden durch einen Fachmann mit den Erkenntnissen der hier bereitgestellten vorliegenden Prinzipien leicht festgelegt und implementiert. Die Topologie 600 verschiebt den LC-Schwingkreis 640 an eine Stelle zwischen den Bauelementedrains, isoliert durch Kondensatoren C_t.
7 zeigt die Ersatz-Halbschaltung 700 für die Topologie 600 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien. Die Halbschaltung 700 enthält eine Spule 711, einen Kondensator 721, einen Widerstand R_t 791, einen Kondensator C_c 625, einen Kondensator 2·C_g 627, einen Kondensator C_t 623, ein aktives Bauelement 731 und ein invertierendes Bauelement 781. Die Spule 711, der Kondensator 721 und der Widerstand R_t 791 beziehen sich auf den LC-Schwingkreis 640. Im Einzelnen repräsentiert die Spule 711 die Induktivitätskomponente des LC-Schwingkreises 640, der Kondensator 721 repräsentiert die Kapazitätskomponente des LC-Schwingkreises 640 und R_t 791 repräsentiert die Verluste in dem LC-Schwingkreis 640. Obwohl Elemente von einer Hälfte der Topologie 600 für die Halbschaltung 700 verwendet werden, indem die Bezugszeichen der Figur damit übereinstimmend beibehalten werden, wird ein Fachmann leicht erkennen, dass sich die Werte der gleichen Elemente von der Topologie 600 mit vollständiger Schaltung gegenüber der Halbschaltung 700 unterscheiden, sie werden jedoch trotzdem mit den Erkenntnissen der hier bereitgestellten Erkenntnisse der vorliegenden Prinzipien einfach bestimmt. Durch Vergleich mit der Halbschaltung 500 zeigt die Halbschaltung 700 deutlich, dass das Spannungsteilungsverhältnis vom Schwingkreis 640 zu den Bauelementegates im Vergleich zum Schwingkreis größer ist.
Das heißt, der Anteil der Schwingkreisspannung an den Bauelementegates ist (um 1/k) kleiner, wobei k ≈ (C_l + C_d)/C_l wobei C_l = C_cC_t/(C_c + C_t). Umgekehrt ist der Anteil der Schwingkreisspannung an den Bauelementegates größer als in 5 und ist durch (C_t + C_k)/C_t wobei C_k = C_cC_d/(C_c + C_d) gegeben. Somit stellt die Topologie 600 eine stärkere G_m-Linearisierung als die Topologie 400 bereit, da die Schwankung am Drain verhältnismäßig geringer ist, was eine geringere Nichtlinearität bewirkt. Das Rückführungsverhältnis zu dem Gate ist jedoch verhältnismäßig größer für die Topologie 600 im Vergleich zur Topologie 400, deswegen vergrößert sich die Amplitude an dem Schwingkreis als ein Ergebnis dieses Rückführungsverhältnisses. Daher stellen diese beiden Topologien 600 und 400 eine Möglichkeit eines Kompromisses zwischen den beiden Techniken zur Amplitudenvergrößerung in Abhängigkeit von den Bauelementecharakteristiken und den Anforderung für einen bestimmten Entwurf bereit.
Da z. B. in praktischen Implementierungen die Nichtlinearität von MOSFETs von der Schwankung der Drainspannung stark abhängig ist, ist die Topologie 400 mit ihrer geringeren Spannungsschwankung für MOSFET-Implementierungen geeignet. Bei Berücksichtigung von BJT-Versionen der gleichen Topologie 400 beeinflusst die Schwankung der Kollektorspannung die BJT-Nichtlinearität nicht so signifikant wie die Schwankung an dem Knoten der stark nichtlinearen Basisspannung. Deswegen macht die Amplitudenvergrößerung in der Topologie 600 aus dem großen Schwingkreis-Gate-Rückführungsverhältnis (k) die Topologie 600 für BJT-Versionen besonders geeignet.
8 zeigt noch eine weitere Topologie 800 eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien. Die Topologie 800 des Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises enthält eine Spule 811, eine Spule 812, einen Kondensator C_d 821, einen Kondensator C_d 822, einen Kondensator C_t 823, einen Kondensator C_t 824, einen Kondensator C_c 825, einen Kondensator C_c 826, einen Kondensator C_g 827, ein aktives Bauelement 831, ein aktives Bauelement 832, einen LC-Schwingkreis 840 und eine Stromquelle 850.
Das Gate (oder die Basis) des aktiven Bauelementes 831 ist mit einer Seite des Kondensators C_t 823 und einer Seite des Kondensators C_g 827 verbunden. Das Gate (oder die Basis) des aktiven Bauelementes 832 ist mit einer Seite des Kondensators C_t 824 und der anderen Seite des Kondensators C_g 827 verbunden. Eine Seite des Kondensators C_c 825 ist mit dem Drain (oder Kollektor) des aktiven Bauelementes 831, einer Seite des Kondensators C_d 821 und einer Seite der Spule 811 verbunden. Eine Seite des Kondensators C_c 826 ist mit dem Drain (oder Kollektor) des aktiven Bauelementes 832, einer Seite des Kondensators C_d 822 und einer Seite der Spule 812 verbunden. Die andere Seite der Spule 811 ist mit der anderen Seite der Spule 812 und einer Spannung V_DD verbunden. Die andere Seite des Kondensators C_t 823 ist mit der anderen Seite des Kondensators C_c 826 und einer Seite der LC-Schwingkreisschaltung 840 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C_t 824 ist mit der anderen Seite des Kondensators C_c 825 und der anderen Seite der LC-Schwingkreisschaltung 840 verbunden, um die LC-Schwingkreisschaltung 840 von den aktiven Bauelementen 831 und 832 zu entkoppeln. Sources (oder Emitter) der aktiven Bauelemente 831 und 832 sind miteinander und mit einer Stromquelle 850 verbunden.
Für beispielhafte Zwecke sind die aktiven Bauelemente 831 und 832 als bipolare Transistoren dargestellt. Es sollte jedoch erkannt werden, dass in der Topologie 800 stattdessen anstelle der Transistoren einfach MOSFETs verwendet werden können, wobei der Erfindungsgedanken der vorliegenden Prinzipien beibehalten wird. Diese sowie weitere Variationen an den Schaltungselementen der Topologie 800 werden durch einen Fachmann mit den hier bereitgestellten Erkenntnissen der vorliegenden Prinzipien einfach bestimmt und implementiert.
9 zeigt die Ersatz-Halbschaltung 900 für die Topologie 800 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien. Die Halbschaltung 900 enthält eine Spule 911, einen Kondensator 921, einen Widerstand R_t 991, einen Kondensator C_c 825, einen Kondensator C_d 821, einen Kondensator C_t 824, einen Kondensator 2·C_g 827, ein aktives Bauelement 831 und ein invertierendes Bauelement 981. Die Spule 911, der Kondensator 921 und der Widerstand R_t 991 betreffen den LC-Schwingkreis 840. Im Einzelnen repräsentiert die Spule 911 die induktive Komponente des LC-Schwingkreises 840, der Kondensator 921 repräsentiert die kapazitive Komponente des LC-Schwingkreises 840 und R_t 991 repräsentiert die Verluste in dem LC-Schwingkreis 840. Obwohl Elemente von einer Hälfte der Topologie 800 für die Halbschaltung 900 verwendet werden, wobei die Bezugszeichen der Figur hierzu entsprechend beibehalten wurden, wird ein Fachmann leicht erkennen, dass die Werte der gleichen Elemente von der Topologie 800 der vollständigen Schaltung gegenüber der Halbschaltung 900 verschieden sind, sie können jedoch trotzdem durch einen Fachmann mit den hier bereitgestellten Erkenntnissen der vorliegenden Prinzipien leicht bestimmt werden.
Die Topologie 800 weist die gleichen Vorteile wie die oben erwähnte Topologie 400 auf. Diese Topologie 800 bietet außerdem einen zusätzlichen Freiheitsgrad für die Wahl der Variablen und stellt deswegen eine bessere Steuerung über die Leistungsspezifikationen für diesen Entwurf bereit. Das heißt im Vergleich zu der Topologie 400 fügt die Topologie 800 einen zusätzlichen Kondensator hinzu (vergleiche 9 mit 5), der nun eine Freiheit beim Auswählen der kapazitiven Gesamtlast, der Vorspannungsabstimmung und Rückführungsverhältnisse bereitstellt (d. h. es gibt 4 Kondensatoren und 4 Spezifikationen). Das ist insbesondere nützlich bei bipolaren Implementierungen, bei denen eine kleinere Schwankung der Basisspannung erwünscht ist infolge einer höheren Bauelementetranskonduktanz und einer größeren Nichtlinearität in der Basis-Emitter-Schaltung.
10 zeigt eine nochmals weitere Topologie 1000 eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien. Die Topologie 1000 des Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises enthält eine Spule 1011, eine Spule 1012, einen Kondensator C_d 1021, einen Kondensator C_d 1022, einen Kondensator C_t 1023, einen Kondensator C_t 1024, einen Kondensator C_c 1025, einen Kondensator C_c 1026, einen Kondensator C_g 1027, ein aktives Bauelement 1031, ein aktives Bauelement 1032, einen LC-Schwingkreis 1040 und eine Stromquelle 1050.
Das Gate (oder die Basis) des aktiven Bauelementes 1031 ist mit einer Seite des Kondensators C_c 1026, einer Seite des Kondensators C_t 1023 und einer Seite des Kondensators C_g 1027 verbunden. Das Gate (oder die Basis) des aktiven Bauelementes 1032 ist mit einer Seite des Kondensators C_c 1025, einer Seite des Kondensators C_t 1024 und der anderen Seite des Kondensators C_g 1027 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C_c 1026 ist mit dem Drain (oder Kollektor) des aktiven Bauelementes 1032, einer Seite des Kondensators C_d 1022 und einer Seite einer Spule 1012 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C_c 1025 ist mit dem Drain (oder Kollektor) des aktiven Bauelementes 1031, einer Seite des Kondensators C_d 1021 und einer Seite der Spule 1011 verbunden. Die andere Seite des Spule 1011 ist mit der anderen Seite der Spule 1012 und einer Spannung V_DD verbunden. Die LC-Schwingkreisschaltung 1040 ist zwischen die andere Seite des Kondensators C_t 1023 und die andere Seite des Kondensators C_t 1024 geschaltet, um die LC-Schwingkreisschaltung 1040 von den aktiven Bauelementen 1031 und 1032 zu entkoppeln. Sources (oder Emitter) der aktiven Bauelemente 1031 und 1032 sind miteinander und mit einer Stromquelle 1050 verbunden.
In dem Beispiel von 10 sind die aktiven Bauelemente 1031 und 1032 (n-Kanal) MOSFETs. Mit den hier bereitgestellten Erkenntnissen der vorliegenden Prinzipien sollte jedoch erkannt werden, dass ein Fachmann die Topologie 1000 von 10 in Bezug auf andere Typen von aktiven Bauelementen leicht implementieren kann, wobei der Erfindungsgedanke der vorliegenden Prinzipien beibehalten wird. Darüber hinaus kann der gleiche Bauelementetyp z. B. ein MOSFET verwendet werden, wobei jedoch eine p-Kanal-Version verwendet wird. Diese und weitere Variationen bei den Schaltungselementen der Topologie 1000 werden mit den hier bereitgestellten Erkenntnissen der vorliegenden Prinzipien durch einen Fachmann leicht bestimmt und implementiert.
11 zeigt die Ersatz-Halbschaltung 1100 für die Topologie 1000 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien. Die Halbschaltung 1100 enthält eine Spule 1111, einen Kondensator 1121, einen Widerstand R_t 1191, einen Kondensator C_c 1025, einen Kondensator C_d 1021, einen Kondensator C_t 1024, einen Kondensator 2·C_g 1027, ein aktives Bauelement 1031 und ein invertierendes Bauelement 1181. Die Spule 1111, der Kondensator 1121 und der Widerstand R_t 1191 betreffen den LC-Schwingkreis 1040. Im Einzelnen repräsentiert die Spule 1111 die induktive Komponente des LC-Schwingkreises 1040, der Kondensator 1121 repräsentiert die kapazitive Komponente des LC-Schwingkreises 1040 und R_t 1191 repräsentiert die Verluste in dem LC-Schwingkreis 1040. Obwohl Elemente von einer Hälfte der Topologie 1000 für die Halbschaltung 1100 verwendet werden, wobei die Bezugszeichen der Figur hierzu entsprechend beibehalten werden, wird ein Fachmann leicht erkennen, dass die Werte der gleichen Elemente von der Topologie 1000 der vollständigen Schaltung gegenüber der Halbschaltung 1100 verschieden sind, sie können jedoch trotzdem durch einen Fachmann mit den hier bereitgestellten Erkenntnissen der vorliegenden Prinzipien leicht bestimmt werden.
In der Ersatz-Halbschaltung 1100 kann erkannt werden, dass die Topologie 1000 ebenfalls 4 Kondensatoren aufweist und somit die vollständige Komplexität bei der kapazitiven Gesamtlast, der Vorspannungsabstimmung und Rückführungsverhältnissen aufweist. Tatsächlich sind die Topologie 800 und die Topologie 1000 in dem Sinn gleichwertig, dass eine Schaltung in die andere umgewandelt werden kann, indem lediglich eine Änderung an dem Wert der Kondensatoren C_c, C_d, C_t und C_g ausgeführt wird. Welche Schaltung verwendet wird, hängt davon ab, bei welcher sich für eine vorgegebene Anwendung vorteilhaftere und leicht realisierbare Kondensatorwerte ergeben.
Bei allen der bisher erläuterten Ersatz-Halbschaltungen (d. h. den 2, 5, 7, 9 und 11) wurde angenommen, dass die Vorspannungsspulen zwischen Vdd und den Drains der Bauelemente eine sehr hohe Impedanz aufweisen, und sie wurden zur Vereinfachung der Analyse weggelassen. Genaue Simulationen zeigen jedoch, dass die Resonanzfrequenz in der Drainschaltung wichtig ist, da sie die Schwingungsamplitude und das Phasenrauschen beeinflusst. Die Schwingungsfrequenz wird hauptsächlich durch die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises bestimmt, die Schwingungsamplitude ist jedoch am größten und das Phasenrauschen am geringsten, wenn die Resonanzfrequenz der Drainschaltung auf eine Frequenz direkt unter der Schwingungsfrequenz abgestimmt werden kann. Die optimale Resonanzfrequenz der Drainschaltung wird empirisch beobachtet, wenn sie etwa 70 bis 90 der Schwingungsfrequenz beträgt. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft Vorkehrungen zu treffen, um sowohl die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises als auch die Resonanzfrequenz der Drainschaltung gemeinsam abzustimmen.

TABELLE 1 zeigt eine Zusammenfassung von Topologien und entsprechenden Vorteilen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien. Das heißt TABELLE 1 fasst die unterschiedlichen Topologien von spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO), die zuvor erläutert wurden, zusammen und vergleicht ihre Vorteile (und Nachteile). Zu den vier verglichenen Aspekten gehören die Schwingungsamplitude (A), das Rauschen, das in den Schwingkreis eingeführt wird (N); der Lastgütefaktor des Schwingkreises infolge des Einflusses des Transconductors (Q); und die Signalformverzerrung infolge eines veränderlichen Widerstands in dem belasteten Schwingkreis (D). Diese Aspekte haben einen direkten Einfluss auf die Phasenrauschleistung des VCO. Der Mechanismus zur Verbesserung/Veränderung dieser Parameter für die unterschiedlichen VCOs ist in Klammern erwähnt. Zusätzliche Kommentare in Bezug auf diese Topologien sind außerdem in der Spalte ”Kommentar” hervorgehoben. Aus TABELLE 1 kann erkannt werden, dass die vorgeschlagenen Architekturen diese Aspekte (A, N, Q und D) der VCO im Vergleich zu kreuzgekoppelten Topologien des Standes der Technik verbessern. Als eine Folge stellen die neuen Topologien verschiedene Mechanismen bereit, um eine geringe Phasenrauschleistung zu erreichen. TABELLE 1 stellt außerdem eine Intuition der Kompromisse zwischen diesen Topologien bereit. Die Auswahl einer bestimmten Topologie kann durch die speziellen Anforderungen für dieses Design erfolgen. TABELLE 1

Topologie	Vorteile	Fig.	Kommentare
100	A → 4 Erhöht (Rückführung), keine Durchbruchprobleme N → Anteil von aktiv, Anteil von Vorspannung Q → Verschlechtert (weniger als kreuzgekoppelt) D → Kleinere Verzerrung als kreuzgekoppelt	1, 2	Das Vorspannungsnetzwerk kann auf einen Wert nahe an der Schwingungsfrequenz abgestimmt werden, um das Phasenrauschen zu verbessern.
400	A → Erhöht (Rückführung, gm Begrenz.) keine Durchbruchprobleme N → Anteil von aktiv, Anteil von Vorspannung Q → Nicht verschlechtert D → Minimale Verzerrung	4, 5	Betonung auf gm-Linearisierung Das Vorspannungsnetzwerk kann auf einen Wert nahe an der Schwingungsfrequenz abgestimmt werden, um das Phasenrauschen zu verbessern.
600	A → Erhöht (Rückführung, gm Begrenz.) keine Durchbruchprobleme N → Anteil von aktiv, Anteil von Vorspannung Q → Nicht verschlechtert D → Minimale Verzerrung	6, 7	Betonung auf Amplitudenvergrößerung aus Rückführungsverhältnis, Das Vorspannungsnetzwerk kann auf einen Wert nahe an der Schwingungsfrequenz abgestimmt werden, um das Phasenrauschen zu verbessern.
800	A → Erhöht (Rückführung, gm Begrenz.) keine Durchbruchprobleme N → Anteil von aktiv, Anteil von Vorspannung Q → Nicht verschlechtert D → Minimale Verzerrung	8, 9	Vollständige Freiheit bei der Wahl aller Parameter. Das Vorspannungsnetzwerk kann auf einen Wert nahe an der Schwingungsfrequenz abgestimmt werden, um das Phasenrauschen zu verbessern.
1000	A → Erhöht (Rückführung, gm Begrenz.) keine Durchbruchprobleme N → Anteil von aktiv, Anteil von Vorspannung Q → Nicht verschlechtert D → Minimale Verzerrung	10, 11	Unterschiedliche Höchstwerte zur Topologie 800 (in Abhängigkeit vom Entwurf möglicherweise einfachere Implementierung). Vollständige Freiheit bei der Wahl aller Parameter. Das Vorspannungsnetzwerk kann auf einen Wert nahe an der Schwingungsfrequenz abgestimmt werden, um das Phasenrauschen zu verbessern.

12 ist ein Verfahren 1200 zum Entkoppeln eines Oszillators auf Basis eines LC-Schwingkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Prinzipien. Die Entkopplung ist insbesondere vorteilhaft für Anwendungen mit geringem Phasenrauschen und hoher Schwingungsamplitude.
Im Schritt 1210 wird ein Oszillator auf Basis eines LC-Schwingkreises bereitgestellt, der eine oder mehreren aktive Bauelemente, eine oder mehreren passive Bauelemente und eine LC-Schwingkreisschaltung aufweist. Im Schritt 1220 wird die LC-Schwingkreisschaltung unter Verwendung von wenigstens eines der einen oder der mehreren passiven Bauelemente von den aktiven Bauelementen entkoppelt. Im Schritt 1220 wird ein Kopplungsverhältnis zwischen der LC-Schwingkreisschaltung und dem einen oder den mehreren aktiven Bauelementen so eingestellt, dass ein Maximalwert der Schwingungsamplitude auf der Grundlage einer Durchbruchspannung lediglich der einen oder der mehreren passiven Bauelemente begrenzt ist.

Claims

Schwingkreisgestützter Oszillator (100), der Folgendes umfasst: ein oder mehrere aktive Bauelemente; ein oder mehrere passive Bauelemente; und eine Schwingkreisschaltung, die unter Verwendung wenigstens eines der ein oder mehreren passiven Bauelemente von dem einen oder mehreren aktiven Bauelementen entkoppelt ist, wobei ein Kopplungsverhältnis zwischen der Schwingkreisschaltung und dem einen oder den mehreren aktiven Bauelementen so eingestellt ist, dass ein Maximalwert einer Schwingungsamplitude der Schwingkreisschaltung auf der Grundlage einer Durchbruchspannung lediglich des einen oder der mehreren passiven Bauelemente begrenzt ist, wobei das eine oder die mehreren passiven Bauelemente wenigstens einen ersten (123) und einen zweiten Kondensator (124) umfassen, das eine oder die mehreren aktiven Bauelemente N-Kanal-Metalloxid-Feldeffekttransistoren oder bipolare Transistoren sind, die ein erstes und ein zweites aktives Bauelement umfassen, wovon jedes wenigstens einen Drain oder einen Kollektor und ein Gate oder eine Basis aufweist, und wobei das Gate oder die Basis des ersten aktiven Bauelementes (131) mit einer Seite des ersten Kondensators und dem Drain des zweiten aktiven Bauelementes (132) oder Kollektor des zweiten aktiven Bauelementes verbunden ist, das Gate oder die Basis des zweiten aktiven Bauelementes (132) mit einer Seite des zweiten Kondensators (124) und dem Drain oder dem Kollektor des ersten aktiven Bauelementes verbunden ist und die Schwingkreisschaltung (140) zwischen die andere Seite des ersten Kondensators und die andere Seite des zweiten Kondensators geschaltet ist, um die Schwingkreisschaltung von den ersten und zweiten aktiven Bauelementen zu entkoppeln.
Schwingkreisgestützter Oszillator nach Anspruch 1, wobei die mehreren aktiven Bauelemente lediglich einem Teil des Maximalwerts der Schwingungsamplitude ausgesetzt sind.
Schwingkreisgestützter Oszillator nach Anspruch 1, wobei der Maximalwert der Schwingungsamplitude auf der Grundlage einer Durchbruchspannung mindestens eines der mehreren passiven Bauelemente festgelegt ist.
Schwingkreisgestützter Oszillator nach Anspruch 1, wobei die mehreren passiven Bauelemente eine passive Entkopplungsvorrichtung umfassen.
Schwingkreisgestützter Oszillator nach Anspruch 1, wobei ein Drain und ein Gate der mehreren MOSFETs unabhängig vorgespannt werden, um die Schwingungsamplitude der Schwingkreisschaltung zu steuern.
Schwingkreisgestützter Oszillator nach Anspruch 1, wobei ein Kollektor und eine Basis der mehreren bipolaren Transistoren unabhängig vorgespannt werden, um die Schwingungsamplitude der Schwingkreisschaltung zu steuern.
Schwingkreisgestützter Oszillator (400), der Folgendes umfasst: ein oder mehrere aktive Bauelemente; ein oder mehrere passive Bauelemente; und eine Schwingkreisschaltung, die unter Verwendung wenigstens eines der ein oder mehreren passiven Bauelemente von dem einen oder mehreren aktiven Bauelementen entkoppelt ist, wobei ein Kopplungsverhältnis zwischen der Schwingkreisschaltung und dem einen oder den mehreren aktiven Bauelementen so eingestellt ist, dass ein Maximalwert einer Schwingungsamplitude der Schwingkreisschaltung auf der Grundlage einer Durchbruchspannung lediglich des einen oder der mehreren passiven Bauelemente begrenzt ist, wobei das eine oder die mehreren passiven Bauelemente wenigstens einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Kondensator umfassen, das eine oder die mehreren aktiven Bauelemente N-Kanal-Metalloxid-Feldeffekttransistoren oder bipolare Transistoren sind, die ein erstes (431) und ein zweites aktives Bauelement (432) umfassen, wovon jedes wenigstens ein Drain oder einen Kollektor und ein Gate oder eine Basis aufweist, und wobei das Gate oder die Basis des ersten aktiven Bauelementes (431) mit einer Seite des ersten Kondensators (426) und einer Seite des dritten Kondensators (423) verbunden ist, das Gate oder die Basis des zweiten aktiven Bauelementes (432) mit einer Seite des zweiten Kondensators (425) und einer Seite des vierten Kondensators (424) verbunden ist, die andere Seite des ersten Kondensators mit dem Drain oder Kollektor des zweiten aktiven Bauelementes verbunden ist, die andere Seite des zweiten Kondensators mit dem Drain oder Kollektor des ersten aktiven Bauelementes verbunden ist und die Schwingkreisschaltung (440) zwischen die andere Seite des dritten Kondensators und die andere Seite des vierten Kondensators geschaltet ist, um die Schwingkreisschaltung von den ersten und zweiten aktiven Bauelementen zu entkoppeln.
Schwingkreisgestützter Oszillator (800), der Folgendes umfasst: ein oder mehrere aktive Bauelemente; ein oder mehrere passive Bauelemente; und eine Schwingkreisschaltung (840), die unter Verwendung wenigstens eines der ein oder mehreren passiven Bauelemente von dem einen oder mehreren aktiven Bauelementen entkoppelt ist, wobei ein Kopplungsverhältnis zwischen der Schwingkreisschaltung und dem einen oder den mehreren aktiven Bauelementen so eingestellt ist, dass ein Maximalwert einer Schwingungsamplitude der Schwingkreisschaltung auf der Grundlage einer Durchbruchspannung lediglich des einen oder der mehreren passiven Bauelemente begrenzt ist, wobei das eine oder die mehreren passiven Bauelemente wenigstens einen ersten (823), einen zweiten (824), einen dritten (826), einen vierten (825) und einen fünften Kondensator (827) umfassen, wobei die eine oder die mehreren aktiven Bauelemente N-Kanal-Metalloxid-Feldeffekttransistoren oder bipolare Transistoren sind, die ein erstes und ein zweites aktives Bauelement umfassen, wovon jedes wenigstens ein Drain oder einen Kollektor und ein Gate oder eine Basis aufweist und wobei das Gate oder die Basis des ersten aktiven Bauelementes (831) mit einer Seite des ersten Kondensators und einer Seite des fünften Kondensators verbunden ist, das Gate oder die Basis des zweiten aktiven Bauelementes (832) mit einer Seite des zweiten Kondensators und der anderen Seite des fünften Kondensators verbunden ist, eine Seite des vierten Kondensators mit dem Drain oder Kollektor des ersten aktiven Bauelementes verbunden ist, eine Seite des dritten Kondensators mit dem Drain oder Kollektor des zweiten aktiven Bauelementes verbunden ist, die andere Seite des ersten Kondensators mit der anderen Seite des dritten Kondensators und einer Seite der Schwingkreisschaltung verbunden ist, die andere Seite des zweiten Kondensators mit der anderen Seite des vierten Kondensators und der anderen Seite der Schwingkreisschaltung verbunden ist, um die Schwingkreisschaltung von den ersten und zweiten aktiven Bauelementen zu entkoppeln.
Verfahren, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines schwingkreisgestützten Oszillators (100), der ein oder mehrere aktive Bauelemente, ein oder mehrere passive Bauelemente und eine Schwingkreisschaltung aufweist; und Entkoppeln der Schwingkreisschaltung von dem einen oder den mehreren aktiven Bauelementen unter Verwendung von wenigstens einem der einen oder mehreren passiven Bauelemente; und wobei ein Kopplungsverhältnis zwischen der Schwingkreisschaltung und dem einen oder den mehreren aktiven Bauelementen so eingestellt ist, dass ein Maximalwert einer Schwingungsamplitude der Schwingkreisschaltung auf der Grundlage einer Durchbruchspannung lediglich des einen oder der mehreren passiven Bauelemente begrenzt ist, wobei das eine oder die mehreren passiven Bauelemente wenigstens einen ersten (123) und einen zweiten Kondensator (124) umfassen, das eine oder die mehreren aktiven Bauelemente N-Kanal-Metalloxid-Feldeffekttransistoren oder bipolare Transistoren sind, die ein erstes (131) und ein zweites aktives Bauelement (132) umfassen, wovon jedes wenigstens einen Drain oder einen Kollektor und ein Gate oder eine Basis aufweist, und wobei das Gate oder die Basis des ersten aktiven Bauelementes mit einer Seite des ersten Kondensators und dem Drain des zweiten aktiven Bauelementes oder Kollektor des zweiten aktiven Bauelementes verbunden ist, das Gate oder die Basis des zweiten aktiven Bauelementes mit einer Seite des zweiten Kondensators und dem Drain oder dem Kollektor des ersten aktiven Bauelementes verbunden ist und die Schwingkreisschaltung zwischen die andere Seite des ersten Kondensators und die andere Seite des zweiten Kondensators geschaltet ist, um die Schwingkreisschaltung (140) von den ersten und zweiten aktiven Bauelementen zu entkoppeln.
Schwingkreisgestützter Oszillator (100), der Folgendes umfasst: eine Schwingkreisschaltung; wenigstens einen ersten und einen zweiten Kondensator; und ein erstes (131) und ein zweites aktives Bauelement (132), wovon jedes ein N-Kanal-Metalloxid-Feldeffekttransistor oder ein bipolarer Transistor ist und wenigstens ein Drain oder einen Kollektor und ein Gate oder eine Basis aufweist, wobei das Gate oder die Basis des ersten aktiven Bauelementes mit einer Seite des ersten Kondensators (123) und dem Drain oder Kollektor des zweiten aktiven Bauelementes verbunden ist, das Gate oder die Basis des zweiten aktiven Bauelementes mit einer Seite des zweiten Kondensators (124) und dem Drain oder Kollektor des ersten aktiven Bauelementes verbunden ist und die Schwingkreisschaltung zwischen die andere Seite des ersten Kondensators und die andere Seite des zweiten Kondensators geschaltet ist, um die Schwingkreisschaltung (140) von den ersten und zweiten aktiven Bauelementen zu entkoppeln.
Schwingkreisgestützter Oszillator (400), der Folgendes umfasst: eine Schwingkreisschaltung (440); wenigstens einen ersten (426), einen zweiten (425), einen dritten (423) und einen vierten Kondensator (424); und ein erstes (431) und ein zweites aktives Bauelement (432), wovon jedes ein N-Kanal-Metalloxid-Feldeffekttransistor oder ein bipolarer Transistor ist und wenigstens ein Drain oder einen Kollektor und ein Gate oder eine Basis aufweist, wobei das Gate oder die Basis des ersten aktiven Bauelementes mit einer Seite des ersten Kondensators und einer Seite des dritten Kondensators verbunden ist, das Gate oder die Basis des zweiten aktiven Bauelementes mit einer Seite des zweiten Kondensators und einer Seite des vierten Kondensators verbunden ist, die andere Seite des ersten Kondensators mit dem Drain oder Kollektor des zweiten aktiven Bauelementes verbunden ist, die andere Seite des zweiten Kondensators mit dem Drain oder Kollektor des ersten aktiven Bauelementes verbunden ist, und die Schwingkreisschaltung zwischen die andere Seite des dritten Kondensators und die andere Seite des vierten Kondensators geschaltet ist, um die Schwingkreisschaltung von den ersten und zweiten aktiven Bauelementen zu entkoppeln.