DE102014210747B4

DE102014210747B4 - Phasenregelschleife mit Varaktor in Mikrosystemtechnik

Info

Publication number: DE102014210747B4
Application number: DE102014210747.4A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kahmen
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: CN104836572B; US20150229270A1; CN104836572A; US9673756B2; DE102014210747A1

Abstract

Phasenregelschleife (1) aufweisend:- einen Phasendetektor (2); und- einen gesteuerten Oszillator (4), wobei der gesteuerte Oszillator (4) einen Varaktor (5) aufweist und der Varaktor (5) in Mikrosystemtechnik ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet:dass die Regelbandbreite (BPLL) der Phasenregelschleife (1) größer ist als die mechanische Resonanzfrequenz (fmech) des Varaktors (5),wobei der Varaktor (5) einen Aktuator (52) aufweist,wobei eine erste Aktuatorfläche (52a) des Aktuators (52) an einem Substrat (51) ausgebildet ist;wobei eine zweite Aktuatorfläche (52b) des Aktuators (52) auf einer beweglichen Membran (53) ausgebildet ist,wobei die bewegliche Membran (53) eine erste bewegliche Membran (53a) ist,wobei der Varaktor (5) zusätzlich eine zweite bewegliche Membran (53b) aufweist,wobei die zweite Aktuatorfläche (52b) auf der ersten beweglichen Membran (53a) und der zweiten beweglichen Membran (53b) ausgebildet ist,wobei die erste bewegliche Membran (53a) oberhalb einer Oberseite des Substrats (51) angeordnet ist, undwobei die zweite bewegliche Membran (53b) unterhalb einer der Oberseite abgewandten Unterseite des Substrats (51) angeordnet ist,wobei die erste Aktuatorfläche (52a) eine elektrisch leitende Verbindung zu einem ersten Anschluss (4a) des gesteuerten Oszillators (4) aufweist; undwobei die zweite Aktuatorfläche (52b) eine elektrisch leitende Verbindung zu einem zweiten Anschluss (4b) des gesteuerten Oszillators (4) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Phasenregelschleife mit einem Varaktor in Mikrosystemtechnik.
Eine Phasenregelschleife (englisch: Phase Locked Loop, kurz PLL) ist eine elektronische Schaltungsanordnung, die die Phasenlage und die Frequenz eines steuerbaren Oszillators über einen geschlossenen Regelkreis derart beeinflusst, dass die Phasenabweichung zwischen einem Eingangssignal der Phasenregelschleife und einem am Oszillatorausgang abgegriffenen Ausgangssignal in einem hohem Maß konstant ist. Somit wird mittels einer Phasenregelschleife ein Signal stabiler Frequenz und Phasenlage erzeugt.
Anwendung findet die Phasenregelschleife in der Nachrichten-, Regel- und Messtechnik, wie beispielsweise zur Realisierung von Frequenz-Synthesizern, in digitalen Kommunikationssystemen, zur Taktrückgewinnung und zur Synchronisation.
Die einfachste Form einer Phasenregelschleife besteht aus einem Phasendetektor und einem gesteuerten Oszillator, die in einem Regelkreis zusammengefasst sind und sich so gegenseitig beeinflussen.
Im eingeschwungenen Zustand der Phasenregelschleife ergibt sich somit eine Nachführung der Oszillatorfrequenz und der Phase bezogen auf ein Eingangssignal Sig_in. Dabei versucht die Phasenregelschleife, bestimmt durch die negative Rückkopplung am Phasendetektor, bei Veränderungen des Eingangssignals Sig_in oder Veränderung des Sig_out durch Nachjustieren des gesteuerten Oszillators ein Fehlersignal möglichst klein und nahe dem Wert Null zu halten.
Ein gesteuerter Oszillator für eine Phasenregelschleife wird in der Regel mit abstimmbaren Kondensatoren aufgebaut. In der Hochfrequenztechnik werden Varaktoren als abstimmbare Kondensatoren verwendet, um die Frequenz des gesteuerten Oszillators verändern zu können. Dazu wird eine variable Gleichspannung an den Varaktor angelegt, wobei sich der Varaktor wie ein Kondensator mit von der Gleichspannung abhängiger Kapazität verhält.
In Halbleiterprozessen, die für monolithisch-integriertgesteuerte Oszillatoren verwendet werden, stehen in der Regel keine hochqualitativen Varaktoren zur Verfügung. Für derartige Schaltungen werden insbesondere PN-Übergänge von Transistoren bzw. Kanal-Kapazitäten von Feldeffekttransistoren als Abstimmelemente verwendet. Diese monolithisch-integrierten Halbleitervaraktoren weisen eine Reihe von Nachteilen auf.
Zum einen verhalten sich diese monolithisch-integrierten Halbleitervaraktoren sehr nichtlinear, wodurch insbesondere eine breite analoge Abstimmung der Varaktoren über ihren Abstimmbereich nicht praktikabel ist. Weiterhin weisen insbesondere die auf Feldeffekttransistoren-Basis realisierten Halbleitervaraktoren ein vergleichsweise hohes 1/f-Rauschen auf, wodurch diese monolithisch-integrierten Halbleitervaraktoren einen signifikanten Rauschanteil dem VCO-Ausgangssignal zufügen und die Qualität des Ausgangssignals signifikant verschlechtert werden kann.
Weiterhin bieten diese monolithisch-integrierten Halbleitervaraktoren in der Regel nur einen kleinen Abstimmbereich, sodass die Kapazitätsänderungen aufgrund der Gleichspannungsänderungen für bestimmte Anwendungen zu gering sind. Dadurch sind gesteuerte Oszillatoren mit monolithisch integrierten Halbleitervaraktoren in der Regel sehr schmalbandig, sodass der Abstimmbereich des gesteuerten Oszillators nur wenige Prozent der Schwingfrequenz beträgt. Breitbandige Oszillatoren mit sehr gutem Phasenrauschen, wie für die Messtechnik benötigt, lassen sich mit diesen monolithisch-integrierten Halbleitervaraktoren nicht realisieren.
Weiterhin sind Varaktoren in diskreter Bauweise, also als diskrete Bauelemente bekannt. Dazu werden bislang Halbleiterdioden auf Silizium-, Galliumarsenid- oder Indiumphosphid-Basis als Varaktoren verwendet. Derartige Varaktoren werden auch Varicaps bzw. Kapazitätsdioden genannt. Diese Varaktoren sind aufgrund ihrer Größe in stets zunehmend miniaturisierten Umgebungen und ihrer höheren Herstellungskosten ungeeignet. Weiterhin besteht die Gefahr, dass diskrete Varaktoren herstellerseitig abgekündigt werden, was zu einer Neugestaltung der Schaltung führt. Eine kostengünstige und beständige Herstellung einer elektronischen Schaltung mittels diskreter Varaktoren ist dadurch nicht möglich.
Weiterhin sind Varaktoren in Mikrosystemtechnik, englisch: Micro-Electro-Mechanical-Systems, kurz MEMS-Varaktoren bekannt. Diese MEMS-Varaktoren weisen insbesondere kein 1/f-Rauschen auf. Aufgrund geringer ohmscher Verluste, beispielsweise durch das Fehlen des bei Halbleitervaraktoren vorhandenen Bulk-Widerstands erzielen MEMS-Varaktoren eine sehr hohe Güte. Nachteilig an den MEMS-Varaktoren ist die große Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen und dem Brownschen Rauschen der Luft- und Atmosphärenmoleküle, sodass insbesondere die MikrophonieEigenschaften derartiger MEMS-Varaktoren gegen einen Einsatz als steuerbare Oszillatoren sprechen.
Aus der US 2010/ 0 214 031 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Spreizspektrum-Takterzeugung bekannt, die einen Spreizspektrum-Controller, einen VCO und eine PLL enthält. Der Spreizspektrum-Controller steuert die PLL so, dass der VCO mit Hilfe der PLL ein im Frequenzspektrum gespreiztes Taktsignal ausgibt. Der VCO enthält einen Parallelschwingkreis bestehend aus einer Induktivität und eine Kapazitätsschaltung, die parallel zur Induktivität geschaltet ist. Die Kapazitätsschaltung umfasst einen Kondensator und ein oder mehrere Paare von Kapazitätsdioden die parallel zum Kondensator geschaltet sind. Eine Steuerspannung für den VCO, die durch das Schleifenfilter bereitgestellt wird, wird an einen Verbindungspunkt des/der Kapazitätsdiodenpaare angelegt. So wird die Ausgangsfrequenz des VCO so gesteuert, dass sie mit der Phase des Referenzsignals eingerastet ist und der Frequenz des Referenzsignals mit einem entsprechenden Teilungsfaktor folgt.
Aus der Druckschrift „Dec, A.; Suyama, K.: Microwave MEMSbased voltage-controlled oscillators. In: Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, Vol .48, Nov 2000, No. 11, 1943 - 1949“ ist ein spannungsgesteuerter Mikrowellen-Oszillator (VCO) bekannt, der variablen Kondensatoren auf MEMS-Basis zur Frequenzabstimmung enthält. Die MEMS-basierten variablen Kondensatoren sind in einer Standard-Polysilizium-Oberflächenmikrobearbeitungstechnologie hergestellt. Dabei besteht der MEMS- basierenden Varicap aus einer feststehenden Feldplatte und einer beweglichen Feldplatte. Die bewegliche Feldplatte ist durch ein Federelement mit einer bestimmten Federkonstante gelagert. Zwischen den beiden Feldplatten befindet sich Luft als Dielektrikum. Die Kapazität des MEMS- basierende Varicaps wird durch mechanische Schwingungen direkt beeinflusst. Um dem entgegenzuwirken wird der MEMS- basierende Varicap in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse eingebaut und unter Vakuum betrieben.
Die DE 699 09 313 T2 zeigt einen dielektrischen Varaktor, der in Abhängigkeit von einer Spannung abstimmbar ist. Der Varaktor umfasst ein Substrat mit einer planaren Oberfläche. Eine abstimmbare ferroelektrische Schicht ist angrenzend zu der oberen Oberfläche des Substrats positioniert. Ein Paar von Metallelektroden, die zum Anschluss der Abstimmspannung vorgesehen sind, sind oben auf der abstimmbaren ferroelektrischen Schicht positioniert. Zwischen dem Elektrodenpaar ist ein Spalt vorgesehen. Die Spaltbreite legt das Verhältnis der maximalen Kapazität zur minimalen Kapazität fest. Ein Abdichtungsmittel ist in dem Spalt positioniert und kann ein beliebiges nicht-leitendes Material mit einer hohen dielektrischen Durchbruchfestigkeit sein.
Aus der WO 2011/097093 A2 sind hochpräzise Varaktoren in Mikrosystemtechnik bekannt. Derartige MEMS-Varaktoren können insbesondere in spannungsgesteuerten Oszillatoren verwendet werden. Diese spannungskontrollierten Oszillatoren können dabei auch in Phasenregelschleifen eingesetzt werden.
Um einen hochpräzisen MEMS-Varaktor zu erhalten, wird in der WO 2011/097093 A2 ein Varaktor in Kammstruktur ausgestaltet, welcher über eine Vielzahl von Gleichspannungen unterschiedlich vorgespannt wird, um eine entsprechend genaue Kapazität zu erzeugen. Die Herstellung eines derartigen Varaktors ist sehr kostenintensiv und der Varaktor nur in schmalbandigen Anwendungen realisierbar.
Es ist die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Phasenregelschleife bereitzustellen, welche die eingangs erwähnten Nachteile überwindet. Insbesondere soll das Rauschverhalten und das Mikrophonie-Verhalten von MEMS-Varaktor basierten Phasenregelschleifen verbessert werden, sodass diese hochpräzise arbeiten, um insbesondere in der Hochfrequenz-Messtechnik verwendet werden zu können. Die Phasenregelschleife muss überdies sehr breitbandig abstimmbar sein und sollte vollintegrierbar sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Phasenregelschleife gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Phasenregelschleife sind in den vom Patentanspruch 1 abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Phasenregelschleife weist einen Phasendetektor und einen gesteuerten Oszillator auf, wobei der gesteuerte Oszillator einen Varaktor aufweist und der Varaktor in Mikrosystemtechnik ausgebildet ist. Die Regelbandbreite der Phasenregelschleife ist größer als die mechanische Resonanzfrequenz des Varaktors.
Die Regelbandbreite wird auch als Modulationsbereich der Phasenregelschleife bezeichnet und ist die Bandbreite, in welcher die Phasenregelschleife Abweichungen in der Frequenz des Eingangssignals von der gewünschten Trägerfrequenz noch ausregeln kann. Anders ausgedrückt: Die Regelbandbreite ist die Bandbreite in der die Phasenregelschleife ein Regelverhalten aufweist, wobei außerhalb dieser Regelbandbreite der freilaufende Betrieb des gesteuerten Oszillators vorliegt, in welchem weder ein Einrasten auf eine Eingangsfrequenz noch eine Modulation einer zuvor erfolgten eingerasteten Eingangsfrequenz der PLL möglich ist.
Der Varaktor ist als mikromechanisches Element, also in MEMS-Technik ausgebildet. In Mikrosystemtechnik, englisch auch als Micro-Electro-Mechanical-System, kurz MEMS, aufgebaute Varaktoren sind miniaturisierte elektromechanischen Systeme, wobei dessen Komponenten Abmessungen im Mikrometerbereich aufweisen und die einzelnen Komponenten als System zusammenwirken. Unter Verwendung eines MEMS-Varaktors kann ein monolithischintegrierter gesteuerter Oszillator erhalten werden, der gute Rauscheigenschaften aufweist und die Vorteile der Vollintegrierung nutzt. Eingebracht in eine Phasenregelschleife mit an den MEMS-Varaktor angepasste Regelbandbreite kann eine hochpräzise Signalquelle erhalten werden, der unempfindlich gegenüber Mikrophonie und dem Brownschen Rauschen ist, also gute Mikrophonieeigenschaften aufweist. Überdies weist der MEMS-basierte Varaktor im Gegensatz zum Halbleitervaraktor kein 1/f-Rauschen und eine hohe Güte auf, sodass sehr gute Signaleigenschaften erhalten werden. Der MEMS-Varaktor ist monolithisch-integrierbar, wodurch geringer Herstellungskosten entstehen.
Varaktoren in Mikrosystemtechnik werden nachfolgend als MEMS-Varaktoren bezeichnet. MEMS-Varaktoren weisen bevorzugt eine metallische Membran auf, die oberhalb einer Aktuatorfläche beweglich gelagert ist. Wird zwischen Aktuatorfläche und der metallischen Membran eine Gleichspannung angelegt, bewirken elektrostatische Kräfte des Aktuators ein Verschieben der metallischen Membran.
Bei Verändern des Potentials der Gleichspannung wird der Abstand zwischen Aktuatorfläche und der metallischer Membran verändert. Die Aktuatorfläche und die metallische Membran stellen einen Plattenkondensator dar, an dem ein Kapazitätswert abgegriffen werden kann. Aufgrund des veränderbaren Abstands zwischen Membran und Aktuator-Elektrode ist der Kapazitätswert variabel.
Aufgrund der Ausgestaltung des Varaktors in MEMS-Technik ist ein mechanisch schwingendes System erhalten, welches aufgrund der Federkonstante der Membran einerseits und der auf die Membran wirkenden Beschleunigungskräfte und Dämpfungskräfte andererseits ein System zweiter Ordnung darstellt und eine mechanische Resonanzfrequenz aufweist.
Wird der MEMS-Varaktor als abstimmbares Element in einem Oszillator betrieben, wirkt dieser wie ein mechanischer Resonator. Der Beitrag des MEMS-Varaktors in einem VCO zum Phasenrauschen des freilaufenden Oszillators nimmt aufgrund des mechanischen Tiefpasscharakters des resultierenden Resonators unterhalb der mechanischen Resonanzfrequenz um 20 Dezibel pro Dekade ab. Oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz des MEMS-Varaktors nimmt das Phasenrauschen zumindest um 20 Dezibel pro Dekade, bevorzugt um 60 Dezibel pro Dekade ab.
Wird nun der MEMS-Varaktor basierte VCO in der Phasenregelschleife betrieben, ändert sich der Verlauf des resultierenden Phasenrauschens aufgrund des Einflusses des MEMS-Varaktors auf das Gesamtrauschverhalten. Durch das Ausgestalten der Regelbandbreite größer als die mechanische Resonanzfrequenz des MEMS-Varaktors, wird der Beitrag des Phasenrauschens des MEMS-Varaktors im VCO der Phasenregelschleife unterhalb der mechanischen Resonanzfrequenz aufgrund der Regeleigenschaft der Phasenregelschleife mit der Verstärkung durch die Phasenregelschleife unterdrückt, wodurch innerhalb der Regelbandbreite eine sehr geringe Rauschleistung erreicht wird, welche erheblich unterhalb der des freilaufenden Oszillators liegt. Oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz fällt das resultierende Phasenrauschen aufgrund des Einflusses des MEMS-Varaktors mit 20 Dezibel pro Dekade, bevorzugt mit 60 Dezibel pro Dekade ab, wodurch das Rauschverhalten des MEMS-Varaktors zunehmend unempfindlich in das Gesamtrauschverhalten eingeht. Durch Anpassung der Regelbandbreite auf die mechanische Resonanzfrequenz des MEMS-Varaktors werden die negativen Einflüsse unterhalb der mechanischen Resonanz unterdrückt. Oberhalb der Resonanzfrequenz sind diese negativen Einflüsse nicht mehr sichtbar. Bezüglich Vibrationen verhält sich der MEMS-Varaktor wie ein mechanischer Filter mit einer mechanischen Filterbandbreite. Die Bandbreite der Phasenregelschleife und diese mechanische Filterbandbreite sind aneinander anzupassen. Es werden somit die Nachteile des MEMS-Varaktors, insbesondere der Einfluss des Rauschens durch Molekularbewegung, auch Brown`sches Rauschens genannt, und der Einfluss auf Vibrationen behoben und ein gutes Rauschverhalten der Phasenregelschleife erwirkt.
Der MEMS-Varaktor wird bevorzugt mit einer analogen Gleichspannung angesteuert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Varaktoren in einer Metallschicht eines integrierten gesteuerten Oszillatorkerns integriert. Dabei bietet die Möglichkeit der Vollintegration eine kostengünstige Herstellungsvariante von breitbandig abstimmbaren, gesteuerten Oszillatoren.
Die Phasenregelschleife weist bevorzugt einen Frequenzteiler im Rückkoppelkreis auf. Auf diese Weise kann die Ausgangsfrequenz der Phasenregelschleife verändert werden. Somit wird eine stabile und einstellbare Frequenz mittels der Phasenregelschleife erzeugt.
Die Phasenregelschleife weist bevorzugt einen Integrator, auch als Schleifenfilter bezeichnet, im Signalpfad zwischen dem Phasendetektor und dem gesteuerten Oszillator auf. Das Schleifenfilter dient dazu, dem gesteuerten Oszillator eine Steuerspannung bereitzustellen, die innerhalb der Regelbandbreite liegt Eine konstante Oszillatoreingangsspannung bewirkt eine konstante Ausgangsspannung am Ausgang des Oszillators.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der gesteuerte Oszillator ein spannungsgesteuerter Oszillator (englisch: Voltage Controlled Oscillator, kurz VCO). Alternativ wird der Oszillator stromgesteuert betrieben, wobei innerhalb des Oszillators die Stromsteuerung in eine Steuerung für den Varaktor umgesetzt wird.
Bevorzugt weist die Regelbandbreite einen Faktor um mindestens größer 2, bevorzugt mindestens Faktor 5, mehr bevorzugt mindestens Faktor 10, besonders bevorzugt mindestens Faktor 50 gegenüber der mechanischen Bandbreite des MEMS-Varaktors auf. Durch das vergrößerte Ausgestalten der Regelbandbreite in Bezug auf die mechanische Resonanzfrequenz des Varaktors wird erzielt, dass das Phasenrauschen der Phasenregelschleife einen konstanten Verlauf im Bereich der Regelbandbreite aufweist. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass innerhalb der Regelbandbreite Vibrationen sowie das Rauschen durch Molekularbewegungen des MEMS-Varaktors mit der Phasenregelschleife ausgeregelt werden. Oberhalb der Regelbandbreite fällt der Beitrag des Phasenrauschens des MEMS-Varaktors des VCO mit 60 Dezibel pro Dekade ab.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine Überhöhung des Phasenrauschens verhindert, sodass das Phasenrauschen für Frequenzen größer der mechanischen Resonanzfrequenz des Varaktors monoton fallend ist. Dies wird erzielt, indem die Regelbandbreite der Phasenregelschleife derart hoch gewählt wird, dass durch die Phasenregelschleife das Phasenrauschen des MEMS-Varaktors im Bereich der mechanischen Resonanzfrequenz ebenfalls ausregelt wird. Dieses Ausregeln erwirkt ein konstantes Phasenrauschen ohne Phasenrausch-Anstieg im Bereich der mechanischen Resonanzfrequenz.
Bevorzugt ist bei Frequenzen größer als die mechanische Resonanzfrequenz des MEMS-Varaktors der Eigenrauschanteil der Phasenregelschleife kleiner als der Eigenrauschanteil des MEMS-basierten Oszillators. Dabei ist die Regelbandbreite ideal zu wählen. Die Regelbandbreite sollte einerseits nicht zu klein gewählt werden, um mit dem Eigenrauschen der Phasenregelschleife nicht den Dekadenabfall von mindestens 20 Dezibel pro Dekade, bevorzugt 60 Dezibel pro Dekade des MEMS-Varaktors zu beeinflussen und insbesondere keinen Anstieg des Übertragungsverhaltens im Frequenzgang unterhalb der mechanischen Resonanzfrequenz zu verursachen. Andererseits ist die Regelbandbreite nicht zu groß zu wählen, um mit der Regeleigenschaft der Phasenregelschleife nicht den Dekadenabfall von mindestens 20 Dezibel pro Dekade, bevorzugt 60 Dezibel pro Dekade des MEMS-Varaktors zu beeinflussen und insbesondere keinen Anstieg des Übertragungsverhaltens im Frequenzgang oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz zu verursachen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Eigenrauschanteil der Phasenregelschleife mindestens um den Faktor 2, bevorzugt mindestens um den Faktor 5, mehr bevorzugt mindestens um den Faktor 10, besonders bevorzugt mindestens um den Faktor 20, insbesondere bevorzugt mindestens um den Faktor 100 kleiner als die des freilaufenden MEMS-basierten Oszillators.
Bevorzugt hängt das Phasenrauschen der Phasenregelschleife für Frequenzen oberhalb der Regelbandbreite lediglich vom freilaufenden MEMS-Oszillator ab.
Außerhalb der Regelbandbreite nimmt die Empfindlichkeit des MEMS-basierten Oszillators auf Vibrationen und Rauschen um mindestens 20 Dezibel pro Dekade, bevorzugt 60 Dezibel pro Dekade ab, sodass der Varaktor zunehmend unempfindlicher reagiert. Durch eine geeignete Anpassung zwischen mechanischer Resonanzfrequenz und Regelbandbreite, können Rauschen und Vibrationen unterdrückt werden, ohne dass oberhalb der Regelbandbreite Erhöhungen im Frequenzgang auftreten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Varaktor mit einem Aktuator ausgebildet, wobei eine erste Aktuatorfläche des Aktuators an einem Substrat ausgebildet ist. Eine zweite Aktuatorfläche des Aktuators ist auf einer beweglichen Membran ausgebildet. Die erste Aktuatorfläche weist eine elektrisch leitende Verbindung zu einem ersten Anschluss des gesteuerten Oszillators auf. Die zweite Aktuatorfläche weist eine elektrisch leitende Verbindung zu einem zweiten Anschluss des gesteuerten Oszillators auf.
Dieser Aufbau des Varaktors ist besonders vorteilhaft, da er einfach realisierbar ist und der MEMS-Varaktor voll integriert werden kann. Insbesondere ist der MEMS-Varaktor in einem Metallschichtenaufbau eines Halbleiterprozesses, beispielsweise einem SiGe BiCMOS Prozess integriert. Überdies kann mit diesem Halbleiterprozess ein großer Abstimmbereich des MEMS-Varaktor erzielt werden, da derartige Varaktoren mit hohen Spannungen betrieben werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die bewegliche Membran eine erste bewegliche Membran. Der Varaktor weist zusätzlich eine zweite bewegliche Membran auf. Die zweite Aktuatorfläche ist auf der ersten beweglichen Membran und der zweiten beweglichen Membran ausgebildet. Die erste bewegliche Membran ist oberhalb einer Oberseite des Substrats angeordnet. Die zweite bewegliche Membran ist unterhalb einer der ersten Oberseite abgewandten Unterseite des Substrats angeordnet.
Varaktoren auf MEMS-Basis weisen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Vibrationen, Schwingungen und Beschleunigungen auf. Durch die mechanische Wirkungsweise beeinflussen Beschleunigungen auf den Varaktor den eingestellten Kapazitätswert.
Wird auf die erfindungsgemäße Phasenregelschleife eine Beschleunigungskraft ausgeübt, bewegt sich sowohl die erste Membran als auch die zweite Membran in die gleiche Richtung. Somit wird der Abstand zwischen erster Membran und erster Aktuatorfläche größer, der Abstand zwischen zweiter Membran und erster Aktuatorfläche wird aber entsprechend kleiner. Somit erhöht sich zwar der Kapazitätswert zwischen der ersten beweglichen Membran und der ersten Aktuatorfläche. Entsprechend verkleinert sich aber der Kapazitätswert zwischen der zweiten beweglichen Membran und der ersten Aktuatorfläche.
Wird der Kapazitätswert zwischen der ersten beweglichen Membran und der zweiten beweglichen Membran abgegriffen, ist der abgegriffene Kapazitätswert des Varaktors aufgrund der gleichen Bewegungsrichtungen der beweglichen Membran konstant.
Alternativ wird ein erster Kapazitätswert zwischen der erste beweglichen Membran und der ersten Aktuatorfläche abgegriffen. Weiterhin wird ein zweiter Kapazitätswert zwischen der zweiten beweglichen Membran und der ersten Aktuatorfläche abgegriffen. Werden der erste Kapazitätswert und der zweite Kapazitätswert parallel geschaltet, so ist der resultierende Gesamtkapazitätswert ebenfalls konstant.
Somit ist der Einfluss der Beschleunigungskraft verursacht durch eine Beschleunigung der Phasenregelschleife oder ein mechanisches Vibrieren der Phasenregelschleife nahezu ohne Einfluss auf den Kapazitätswert. Dieses Unterdrücken von Rauschen und Vibrationen trägt zusätzlich zur Verstärkung der Phasenregelschleife bei.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erste Aktuatorfläche eine elektrisch leitende Verbindung zu einem ersten Anschluss einer Gleichspannungsquelle auf. Die zweite Aktuatorfläche weist eine elektrisch leitende Verbindung zu einem zweiten Anschluss der Gleichspannungsquelle auf. Eine an der Gleichspannungsquelle eingestellte Gleichspannung ist zum Ausbilden einer elektrostatischen Kraft auf die erste bewegliche Membran und auf die zweite bewegliche Membran eingerichtet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden Titannitrid Schichten direkt auf und/oder unter die bewegliche Membran auf die Membran aufgetragen, um den physischen Stress auszugleichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Metallschichtenaufbau aus fünf Metallschichten aufgebaut. Durch diesen Fünfschichtaufbau können Aktuatorfläche und Membranen in vorteilhafter Weise in weitem Ausmaß konfiguriert werden, wodurch ein sehr großer Abstimmbereich erhalten wird.
Nachfolgend werden anhand von Figuren die Erfindung, weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung beispielhaft näher erläutert, wobei die Figuren lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft beschreiben. Gleiche Bestandteile in den Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Phasenregelschleife;
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Varaktors für eine Phasenregelschleife gemäß 1;
3a ein zu 2 alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Varaktors für eine Phasenregelschleife gemäß 1;
3b ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen MEMS-Varaktors gemäß 3a in einer ersten Beschaltung;
3c ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen MEMS-Varaktors gemäß 3a in einer zur ersten Beschaltung alternativen zweiten Beschaltung;
4 ein beispielhafter Beitrag zur Rauschleistungsdichte eines erfindungsgemäßen MEMS-Varaktor;
5 ein beispielhafter Beitrag zur Rauschleistungsdichte eines gesteuerten Oszillators mit erfindungsgemäßem MEMS-Varaktor;
6 ein beispielhafter Beitrag zur Rauschleistungsdichte einer erfindungsgemäßen Phasenregelschleife gemäß 1 mit zu geringer Regelbandbreite; und
7 ein beispielhafter Beitrag zur Rauschleistungsdichte einer erfindungsgemäßen Phasenregelschleife gemäß 1 mit ideal eingestellter Regelbandbreite.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbilds einer erfindungsgemäßen Phasenregelschleife 1. Die Phasenregelschleife 1 weist einen Phasendetektor 2, einen Integrator 3 und einen gesteuerten Oszillator 4 auf. Der gesteuerte Oszillator 4 umfasst einen MEMS-Varaktor 5. Am Ausgang des gesteuerten Oszillators 4 kann ein Ausgangssignal Sig_out der Phasenregelschleife 1 abgegriffen werden. Der Ausgang des gesteuerten Oszillators 4 ist rückgekoppelt auf den Phasendetektor 2. In der Rückkoppelschleife ist ein Frequenzteiler 6 vorgesehen, um die Frequenz des Ausgangssignals Sig_out einstellen zu können und die Phasenregelschleife 1 flexibler einsetzen zu können. Am Eingang des Detektors 2 wird ein Eingangssignal Sig_in angelegt. Alternativ kann das Sig_in bewusst verändert werden, um das Sig_out zu ändern.
Der gesteuerte Oszillator 4 ist bevorzugt ein spannungsgesteuerter Oszillator, kurz VCO, bei dem eine Eingangsgleichspannung angelegt wird, um die Frequenz des Signals zu variieren. Das Variieren der Frequenz wird mittels eines erfindungsgemäßen MEMS-Varaktors 5 erzielt.
Die Phasenregelschleife 1 ist bevorzugt für HochfrequenzAnwendungen, beispielsweise als Synthesizer für Gigahertzbereiche etc. vorgesehen.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Phasenregelschleife 1 näher erläutert. Dem Phasendetektor 2, auch als Phasenkomparator bezeichnet, wird an einem ersten Eingang das Eingangssignal Sig_in angeschaltet. An seinem zweiten Eingang ist das Ausgangssignal des gesteuerten Oszillators 4 zugeführt. Der Phasendetektor 2 vergleicht die Phasenlage des Eingangssignals Sig_in mit der Phasenlage des Ausgangssignals des gesteuerten Oszillators. Der Phasendetektor 2 liefert an seinem Ausgang ein Steuersignal, welches einem Schleifenfilter 3, hier in Form eines Integrators, zugeführt wird.
Das Eingangssignal Sig_in wird auch als Referenzsignal mit einer Referenzfrequenz f_ref bezeichnet. Das Eingangssignal Sig_in wird in der Regel von einem externen Signalgeber, beispielsweise einem Quarz-Oszillator erzeugt und zeichnet sich durch eine hohe Stabilität und Genauigkeit aus.
Der Oszillator 4 erzeugt das Ausgangssignal Sig_out. Die Frequenz dieses Signals Sig_out wird im Frequenzteiler 6 durch einen Faktor N geteilt. Das Ausgangssignal des Frequenzteilers 6 wird anschließend dem Phasen-Frequenz-Detektor 2 zugeführt. Dieser vergleicht das Ausgangssignal des Frequenzteilers 6 bezüglich seiner Phase φ und Frequenz f mit dem Eingangssignal Sig_in und erzeugt an seinem Ausgang ein Fehlersignal, das proportional zu deren Differenz ist. Eilt beispielsweise die Phase φ des frequenzgeteilten Oszillator-Ausgangssignals Sig_out nach der Teilung im Teiler 6 der Phase φ des Eingangssignals Sig_in voraus, so erzeugt der Phasendetektor 2 an seinem Ausgang ein negatives Signal, welches den Oszillator 4 verlangsamt und somit die Ausgangsfrequenz etwas vermindert. Dies erfolgt solange, bis beide Phasen übereinstimmen.
Am Ausgang des Phasen-Frequenz-Detektors 2 befindet sich das Schleifenfilter 3. Das Schleifenfilter 3 dient dazu, das hochfrequente Ausgangssignal des Phasendetektors in ein Regelsignal innerhalb der Regelbandbreite umzusetzen. Dadurch wird eine konstante Oszillator-Steuerspannung erhalten. Durch die Wahl der Filterordnung wird das Verhalten der Phasenregelschleife 1 hinsichtlich Stabilität, Einschwingzeit und Störfrequenzunterdrückung stark beeinflusst.
Im eingeschwungenen Zustand ergibt sich in dieser Anordnung eine Nachführung der Oszillatorfrequenz und der Phase bezogen auf das Eingangssignal Sig_in. Dabei versucht die Phasenregelschleife 1, bestimmt durch die negative Rückkopplung am Phasendetektor 2, bei Veränderungen des Eingangssignals Sig_in durch Nachjustieren des gesteuerten Oszillators 4 das Fehlersignal möglichst klein und nahe dem Wert Null zu halten.
2 zeigt einen MEMS-Varaktor 5 für eine erfindungsgemäße Phasenregelschleife 1. Der MEMS-Varaktor 5 weist ein Substrat 51 auf, auf dem eine erste Aktuatorfläche 52a ausgebildet ist. Oberhalb des Substrats 51 ist eine bewegliche Membran 53 angeordnet. Die Membran 53 ist elektrisch leitend ausgebildet.
Die Funktionsweise des MEMS-Varaktors gemäß 2 wird nun beschrieben. Die Aktuatorfläche 52a auf dem Substrat 51 ist mit einem ersten Anschluss 54a einer Gleichspannungsquelle 54 elektrisch leitend verbunden. Die Membran 53 ist mit einem zweiten Anschluss 54b der Gleichspannungsquelle 54 elektrisch leitend verbunden. Somit ist die bewegliche Membran 53 eine zweite Aktuatorfläche 52b. Durch Anlegen einer Gleichspannung mittels der Gleichspannungsquelle 54 wird eine elektrostatische Kraft 520 zwischen der ersten Aktuatorfläche 52a und der zweiten Aktuatorfläche 52b ausgebildet. Aufgrund der Federkonstante des Materials der beweglichen Membran 53 wird die bewegliche Membran 53 in einem gewissen Abstand oberhalb des Substrats 51 durch die Gleichspannung positioniert. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen elektrostatischer Kraft und entgegenwirkender Federkonstante ein.
Da sowohl die Aktuatorfläche 52a und die Membran 53 elektrisch leitend ausgebildet sind, stellen die bewegliche Membran 53 und die erste Aktuatorfläche 52a jeweils eine Kondensatorfläche 55 dar. Durch die einstellbare Gleichspannungsquelle 54 ist somit ein MEMS-Varaktor 5 erhalten. Die erste Aktuatorfläche 52a des Substrats 51 wird elektrisch leitend mit einem ersten Anschluss 4a mit der übrigen Schaltung des gesteuerten Oszillators 4 verbunden. Die zweite Aktuatorfläche 52b der Membran 53 wird elektrisch leitend mit einem zweiten Anschluss 4b mit der übrigen Schaltung des gesteuerten Oszillators 4 verbunden.
In 3a bis 3c ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen MEMS-Varaktors 5 gezeigt, wobei die 3b und 3c unterschiedliche resultierenden Ersatzschaltbilder des in 3a dargestellten MEMS-Varaktors 5 zeigen. In 3a weist ein Substrat 51 eine erste Oberseite und eine der Oberseite abgewandten Unterseite auf. Auf dem Substrat 51 ist eine erste Aktuatorfläche 52a ausgebildet. Die erste Aktuatorfläche 52a kann dabei sowohl auf der Oberseite als auch der Unterseite des Substrats 51 ausgebildet sein. Alternativ kann die erste Aktuatorfläche 52a ein metallisierter Bereich des Substrats 51 sein, so wie in 3a gezeigt.
Oberhalb der Oberseite des Substrats 51 ist eine erste bewegliche Membran 53a angeordnet. Unterhalb der Unterseite des Substrats 51 ist eine zweite bewegliche Membran 53b angeordnet. In 3a sind die erste bewegliche Membran 53a und die zweite bewegliche Membran 53b elektrisch leitend ausgebildet. Die erste bewegliche Membran 53a ist eine erste Kondensatorfläche 55a und eine zweite Aktuatorfläche 52b. Die zweite bewegliche Membran 53b ist eine zweite Kondensatorfläche 55b und eine zweite Aktuatorfläche 52b. Die erste Aktuatorfläche 52a wird mit einem ersten Anschluss 54a einer Gleichspannungsquelle 54 elektrisch leitend verbunden. Die zweite Aktuatorfläche 52b der ersten Membran 53a als auch der zweiten Membran 52b wird mit einem zweiten Anschlusses 54b der Gleichspannungsquelle 54 elektrisch leitend verbunden. Die erste bewegliche Membran 53a bildet eine erste Kondensatorfläche 55a. Die zweite bewegliche Membran 53b bildet eine zweite Kondensatorfläche 55b. Die erste Aktuatorfläche 52a ist hierbei eine dritte Kondensatorfläche 55c.
Die erste Kondensatorfläche 55a bildet mit der ersten Aktuatorfläche 52a bzw. der dritten Kondensatorfläche 55c einen ersten abstimmbaren Kondensator. Die zweite Kondensatorfläche 55b bildet mit der ersten Aktuatorfläche 52a bzw. der dritten Kondensatorfläche 55c einen zweiten abstimmbaren Kondensator. Die erste Kondensatorfläche 55a, die zweite Kondensatorfläche 55b und die dritte Kondensatorfläche 55c sind jeweils mit der übrigen Schaltung des steuerbaren Oszillators 4 verbunden. Der abgegriffene MEMS-Varaktor 5 ist somit entweder eine Parallelschaltung des ersten und des zweiten abstimmbaren Kondensators oder bei Nichtverwenden der dritten Kondensatorfläche 55c in der übrigen Schaltung des Oszillators 4 ein MEMS-Varaktor 5 gebildet durch die erste bewegliche Membran 53a und die zweite bewegliche Membran 53b.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen MEMS-Varaktors 5 gemäß 3a beschrieben. Durch Anlegen einer Gleichspannung mittels der Gleichspannungsquelle 54 wird oberhalb des Substrats 51 ein erster Aktuator erhalten, dessen elektrostatische Kraft 520 oberhalb des Substrats 51 wirkt. Weiterhin wird ein zweiter Aktuator erhalten, dessen elektrostatische Kraft 520 unterhalb des Substrats 51 wirkt. Die elektrostatische Kraft 520 auf der Oberseite sowie auf der Unterseite des Substrats 51 wird in diesem Ausführungsbeispiel als identisch angesehen. Die elektrostatische Kraft 520 kann über die Spannungshöhe der Gleichspannung 54 variiert werden.
Der an den übrigen Teil des gesteuerten Oszillators 4 anzulegende Varaktor 5 ist ausschließlich über die bewegliche erste Membran 53a und die bewegliche zweite Membran 53b einstellbar. Das bedeutet, dass das Substrat 51 des Varaktors 5 fest ist. Eine von außen auf den Varaktor 5 einwirkende Kraft 56 hat zur Folge, dass sowohl der obere Aktuator als auch der untere Aktuator beeinflusst werden.
Sind die Federkonstanten der Membranen 53a und 53b gleich groß, bewegen sich beide Membranen 53a und 53b bei Einwirken der Beschleunigungskraft 56 in die gleiche Richtung. Dieser Effekt wird nun in alternativer Weise ausgenutzt, was anhand der 3b und 3c verdeutlicht wird.
Gemäß 3b werden für den übrigen Teil des gesteuerten Oszillators 4 die erste Kondensatorfläche 55a, die zweite Kondensatorfläche 55b und auch die dritte Kondensatorfläche 55c verwendet. Dabei bildet die dritte Kondensatorfläche 55c einen ersten Varaktoranschluss 4b. Die erste Kondensatorfläche 55a sowie die zweite Kondensatorfläche 55b bilden einen zweiten Varaktoranschluss 4a des erfindungsgemäßen MEMS-Varaktors 5. Somit wird aus den beiden Einzelkapazitäten eine Parallelschaltung gebildet. Die resultierende Gesamtkapazität des Varaktors 5 für den Oszillator 4 ändert sich dementsprechend nicht, da der Kapazitätswert von parallelgeschalteten Kondensatoren stets die Summe der Einzelkondensatoren ist. Eine Vergrößerung des ersten Kapazitätswerts (oberer Aktuator) und gleichzeitige Verkleinerung des zweiten Kapazitätswerts (unterer Aktuator) führt zu einer beschleunigungsresistenten Summe beider Teilkapazitäten des Varaktors 5. Somit ist die von außen wirkende Kraft 56 ohne Einfluss auf die Varaktorkapazität. Die Einstellbarkeit des Varaktorkapazitätswerts durch die Gleichspannung 54 bleibt dennoch gegeben.
Gemäß 3c wird der übrige Teil des Oszillators 4 alternativ angeschaltet. Die dritte Kondensatorfläche 55c wird dabei im Oszillator 4 nicht verwendet. Stattdessen bildet die erste Kondensatorfläche 55a den ersten Varaktoranschluss 4a und die zweite Kondensatorfläche 55b den zweiten Varaktoranschluss 4b. Der einstellbare Kondensator ist somit durch die erste Kondensatorfläche 55a und die zweite Kondensatorfläche 55b gebildet. Dabei ist in einer Variante die gemeinsame dritte Kondensatorfläche 55c der beiden Einzelkondensatoren zu sehen, wodurch eine Serienschaltung beider Einzelkondensatoren erhalten ist. Alternativ könnte das Substrat 51 auch als zusätzliches Dielektrikum wirken. Da sich sowohl die erste Kondensatorfläche 55a als auch die zweite Kondensatorfläche 55b bei Einwirken der Kraft 56 auf den Varaktor 5 in die gleiche Richtung bewegen, ändert sich der resultierende Kondensator nicht, wodurch ebenfalls ein beschleunigungsresistenter Varaktor erhalten ist.
Die in 2 und 3 gezeigten Varaktoren 5 sind für Hochfrequenzanwendungen im Gigahertz-Bereich ausgelegt. Der Aufbau der Varaktoren 5 gemäß 2 oder 3a - 3c erfolgt bevorzugt voll integriert in einem Metallschichtenaufbau eines Halbleiterprozesses, beispielsweise einem SiGe BiCMOS Prozess. Damit kann der Varaktor 5 mit hohen Frequenzen beaufschlagt werden, da der Varaktor 5 nun träge gegenüber der Hochfrequenz ist und nicht durch die Hochfrequenzspannung moduliert ist. Überdies kann mit diesem Halbleiterprozess ein großer Abstimmbereich des MEMS-Varaktor erzielt werden, da derartige Varaktoren mit hohen Abstimmspannungen bis zu 40 Volt und auch darüber hinaus betrieben werden können, unabhängig von der Break-Down Spannung der Halbleiterbauelemente.
Es ist bei der Anwendung eines breitbandig abstimmbaren VCO zu vermeiden, dass die beweglichen Membranen 53, 53a, 53b mit der Aktuatorfläche 52a des Substrats 51 in Berührung kommt, sogenannter Pull-In-Effekt. Die Membranen 53, 53a, 53b werden bevorzugt in Schicht 1 des Fünfschichtaufbaus realisiert, wobei diese Schicht beispielsweise drei Mikrometer dick ist und aus Aluminium-Kupfer (AlCu) besteht. Andere Schichtaufbauten sind ebenfalls im Erfindungsgrundgedanken enthalten. Diese Schicht ermöglicht eine geringen Serienwiderstand und eine Membran 53 mit hoher Federkonstante. Die Aktuatorfläche 52a ist in Metallschicht 4 des Fünfschichtaufbaus realisiert, wohingegen die Kondensatorfläche 55c in Metallschicht 2 realisiert ist, wobei Metallschicht 2 von Metallschicht 4 beabstandet ist. Diese Beabstandung ermöglicht eine Beeinflussung auf den Abstimmbereich beziehungsweise die Präzision der Abstimmung.
In 4 ist eine beispielhafte mechanische Übertragungsfunktion G(f) in Dezibel eines erfindungsgemäßen MEMS-Varaktors 5 zur Verwendung in einer Phasenregelschleife 1 gemäß 1 gezeigt. Dabei sind zwei unterschiedliche Übertragungsverhalten dargestellt, wobei die unterschiedlichen Kurven sich durch verschiedene mechanische Gütegrade Q1=2 und Q1=20 des Varaktors 5 unterscheiden. Die Güte wird maßgeblich durch die mechanische Geometrie sowie die Umgebungsatmosphäre bestimmt.
Die mechanische Übertragungsfunktion G (f) ist in zwei Bereiche unterteilbar, wobei eine mechanische Resonanzfrequenz f_mech des Varaktors 5 die beiden Bereiche unterteilt. Unterhalb der mechanischen Resonanzfrequenz f_mech ist die Übertragungsfunktion G(f) des Varaktors 5 konstant, das heißt eine konstante Empfindlichkeit zum Beispiel auf Brownsche Bewegungen der Moleküle und den Vibrationen liegt vor.
Oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz f_mech fällt die Empfindlichkeit des MEMS-Varaktors 5 auf 40 Dezibel pro Dekade ab, da ein System zweiter Ordnung vorliegt. Dieser Teil der Übertragungsfunktion G(f) kann aufgrund der mechanischen Filtereigenschaft des MEMS-Varaktor 5 oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz f_mech als mechanisches Filter 2. Ordnung angesehen werden.
In 5 ist eine beispielhafte mechanische Übertragungsfunktion G(f) in Dezibel eines erfindungsgemäßen spannungsgesteuerten Oszillators 4 (VCO) mit MEMS-Varaktor 5 für eine Phasenregelschleife 1 gemäß 1 dargestellt. Dabei ist der Beitrag des MEMS-Varaktors 5 auf das Phasenrauchen des VCO 4 in Abhängigkeit der Frequenz dargestellt.
Der VCO 4 gemäß 5 ist dabei nicht in einer Phasenregelschleife 1 eingebracht, sondern wurde freilaufend vermessen. Das Rauschverhalten dieser VCO-Schaltung ist zweigeteilt, wobei eine mechanische Resonanzfrequenz f_mech diese beiden Bereiche teilt. Prinzipiell hat der VCO eine Filtereigenschaft 1. Ordnung, sodass das Phasenrauschen bei konstantem Brown`schen Rauschen und konstanten Vibrationen theoretisch stetig um 20 Dezibel pro Dekade fällt. Zu beachten ist allerdings, dass das Phasenrauschen dieses VCO 4 nicht nur von elektrischem Rauschen erzeugt ist, sondern auch das mechanische Rauschen des MEMS-Varaktors 5 einen Einfluss auf dieses Rauschverhalten ausübt.
Unterhalb der mechanischen Resonanzfrequenz f_mech geht das Rauschen des MEMS-Varaktors unmittelbar in das VCO-Rauschen ein(siehe auch 4), sodass das Phasenrauschen in diesem Bereich maßgeblich vom Rauschen des MEMS-Varaktors mit beeinflusst wird. Lediglich die Filtereigenschaft des Oszillators 4 führt zu einem Abfall von 20 Dezibel pro Dekade.
Oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz nimmt die Empfindlichkeit des MEMS-basierten Varaktors 5 um 40 Dezibel pro Dekade ab. Daher fällt das Phasenrauschen des VCO 4 oberhalb der Resonanzfrequenz f_mech mit 60 Dezibel pro Dekade ab.
In 6 ist der in 5 gezeigte Beitrag des Phasenrauschens des MEMS-Varaktors 5 als Übertragungsfunktion G(f) in Dezibel mit dem resultierenden Phasenrauchen in Verbindung mit der Phasenregelschleife 1 dargestellt. Das resultierende Phasenrauschen ist dabei mit gestrichelter Linie dargestellt. Zu erkennen ist, dass der Bereich nunmehr dreigeteilt ist. Der erste Bereich ist konstant, da die Phasenregelschleife 1 das Phasenrauschen des den MEMS-basierten VCO 4 ausregeln kann und eine stabile Frequenz- und Phasenlage als Ausgangssignal Sig_out erhalten wird. In diesem Bereich wird das Phasenrauschen lediglich vom Eigenrauschen der Phasenregelschleife 1 bestimmt.
Im dritten Bereich folgt das Phasenrauschen dem freilaufenden Rauschen des VCO 4 mit einem monotonen Abfall von 60 Dezibel pro Dekade, da das Rauschen maßgeblich vom Eigenrauschen der Phasenregelschleife beeinflusst und bestimmt wird.
Der mittlere Bereich Ü gemäß 6 ist allerdings unerwünscht. Dies liegt daran, dass die Phasenregelschleife 1 eine Regelbandbreite B_PLL aufweist, welche nicht ideal an die mechanische Resonanzfrequenz f_mech des MEMS-Varaktors 5 angepasst ist. Die Regelbandbreite B_PLL erstreckt sich von Null bis zur maximalen Regelfrequenz f_max. F_max ist in der Regel durch die Grenzfrequenz des Integrators 3 bestimmt. Wenn die Regelbandbreite B_PLL kleiner ist als die mechanische Resonanzfrequenz f_mech, ist das resultierende Phasenrauschen von einer Phasenrauschüberhöhung Ü geprägt. Diese Phasenrauschüberhöhung Ü tritt auf, weil die Phasenregelschleife 1 das Rauschen des VCO 4 oberhalb der Regelbandbreite B_PLL nicht vollständig ausregeln kann. Dadurch entsteht die Überhöhung Ü über dem Phasenrauschen des VCO 4. Diese Überhöhung Ü gilt es durch geeignete Parametrisierung der Regelbandbreite B_PLL zu beseitigen.
Aufgrund der Verwendung von MEMS-basierten Varaktoren 5 anstelle von Halbleiter-basierten Varaktoren ist der Beitrag des Phasenrauschens auch trägernah konstant und wird nicht nachteilig durch ein 1/f-Rauschen beeinflusst, da bei MEMS-Varaktoren 5 kein 1/f Rauschen existiert.
Alternativ und in 6 nicht dargestellt, würde eine Regelbandbreite B_PLL viel größer als die mechanische Resonanzfrequenz f_mech zu einer Überhöhung im vierten Bereich führen, da die Regeleigenschaft der Phasenregelschleife 1 dem Rauschanteil überlagert würde und die gewünschte mechanische Filtereigenschaft von 60 Dezibel pro Dekade nicht erwirkt wäre.
Somit ist es entscheidend, die Regelbandbreite B_PLL an die mechanische Resonanzfrequenz f_mech anzupassen, um einerseits keine Überhöhung Ü zu erhalten und andererseits die gewünschte mechanische Filterwirkung des MEMS-Varaktors 5 im VCO 4 oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz f_mech zu erhalten.
In 7 ist ebenfalls der in 5 gezeigte Beitrag des Phasenrauschens des MEMS-Varaktors 5 als Übertragungsfunktion G(f) in Dezibel mit einem zu 6 alternativen resultierenden Phasenrauschen der Phasenregelschleife 1 dargestellt. Gemäß 7 ist ein Verhalten einer Phasenregelschleife 1 gezeigt, die eine Regelbandbreite B_PLL aufweist, welche größer als die mechanische Resonanzfrequenz f_mech ist. Anders ausgedrückt ist die Maximalfrequenz der Regelbandbreite B_PLL größer als die mechanische Resonanzfrequenz f_mech. Zu erkennen ist, dass die Überhöhung Ü des resultierenden Phasenrauschens in 7 nicht auftritt.
Bevorzugt und auch aus 7 ersichtlich, ist der Abstand A zwischen der Regelbandbreite B_PLL und der mechanischen Resonanzfrequenz f_mech des MEMS-Varaktors 5 so groß, dass die Regelbandbreite B_PLL bzw. die Maximalfrequenz f_max der Regelbandbreite B_PLL mindestens um den Faktor 2, bevorzugt mindestens um den Faktor 5, mehr bevorzugt mindestens um den Faktor 10, besonders bevorzugt mindestens um den Faktor 50 größer ist als die mechanische Resonanzfrequenz f_mech. Damit ist die Phasenregelschleife 1 in der Lage, dem Eingangssignal Sig_in auch über die mechanische Resonanzfrequenz f_mech des Varaktors hinaus zu folgen, wodurch das resultierende Phasenrauschen im Vergleich zur Parametrisierung nach 6 über eine weitere Frequenzdekade linear ist.
Erfindungsgemäß ist das Einstellen der Regelbandbreite in Bezug zur mechanischen Resonanzfrequenz dahingehend vorteilhaft, dass das Phasenrauschen der Phasenregelschleife über weite Strecken konstant ist und erst oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz f_mech des MEMS-Varaktors auf 60 Dezibel pro Dekade abfällt. Dies ist aufgrund der Unempfindlichkeit des MEMS-Varaktors auf Vibrationen und Brown`sches Rauschen zurückzuführen.
Erfindungsgemäß wird ein MEMS-Varaktor 5 für eine Phasenregelschleife 1 vorgeschlagen, sodass eine Kombination aus dem mechanischen verstellbaren MEMS-Varaktor, der das Rauschen begrenzt und eine mechanische Filterwirkung gegenüber den Vibrationen und dem Brownschen Rauschen aufweist, mit einer klassischen Phasenregelschleife 1 entsteht.
Somit regelt die Phasenregelschleife 1 bis zur Regelbandbreite B_PLL das resultierende Phasen- und PLLrauschen auf einen konstanten Wert, der von der Verstärkung der Phasenregelschleife 1 abhängt. Das VCO - Rauschen wird unterdrückt.
Wird nun die Regelbandbreite B_PLL an die mechanische Resonanzfrequenz f_mech des MEMS-Varaktors 5 des gesteuerten Oszillators 4 angepasst, wird eine breitbandige, hochpräzise und stabile Phasenregelschleife 1 erhalten, die ein Übertragungsverhalten gemäß 7 aufweist, das heißt keine Überhöhung des Rauschens und Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen und Brownschem Rauschen. Damit kann der MEMS-Varaktor uneingeschränkt genutzt werden, die Nachteile werden aufgrund der bezüglich der Regelbandbreite B_PLL angepassten Phasenregelschleife 1 überwunden.
Bevorzugt ist bei Frequenzen größer als die mechanische Resonanzfrequenz f_mech des MEMS-Varaktors 5 der Eigenrauschanteil der Phasenregelschleife 1 kleiner als das Phasenrauschen, auch als Eigenrauschanteil bezeichnet, des freilaufenden MEMS-basierten VCO 4. Dabei ist die Regelbandbreite B_PLL nicht zu klein zu wählen, um die Rauschüberhöhung zu vermeiden. Der Eigenrauschanteil der Phasenregelschleife 1 ist mindestens um Faktor 2, bevorzugt mindestens um einen Faktor 5, mehr bevorzugt mindestens Faktor 10, besonders bevorzugt mindestens Faktor 20, insbesondere bevorzugt mindestens Faktor 100 kleiner.
MEMS-Varaktoren weisen in der Regel mechanische Resonanzfrequenzen bis max. mehrere 100 Kilohertz auf. Der VCO 4 kann dabei vom Kilohertz-Bereich bis in den hohen Gigahertz-Bereichen oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz f_mech betrieben werden. Die Anfälligkeit des MEMS-basierten VCO 4 gegenüber Mikrophonie ist durch den erfindungsgemäßen MEMS-Varaktor 5 in einer Phasenregelschleife 1 stark verbessert. Die Gleichspannungsquelle 54 weist typischerweise einen Bereich von 0 bis 40 Volt oder darüber hinausgehend auf.
Im Rahmen der Erfindung können alle beschriebenen und/oder gezeichneten und/oder beanspruchten Elemente beliebig miteinander kombiniert werden.

Claims

Phasenregelschleife (1) aufweisend: - einen Phasendetektor (2); und - einen gesteuerten Oszillator (4), wobei der gesteuerte Oszillator (4) einen Varaktor (5) aufweist und der Varaktor (5) in Mikrosystemtechnik ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet: dass die Regelbandbreite (B_PLL) der Phasenregelschleife (1) größer ist als die mechanische Resonanzfrequenz (f_mech) des Varaktors (5), wobei der Varaktor (5) einen Aktuator (52) aufweist, wobei eine erste Aktuatorfläche (52a) des Aktuators (52) an einem Substrat (51) ausgebildet ist; wobei eine zweite Aktuatorfläche (52b) des Aktuators (52) auf einer beweglichen Membran (53) ausgebildet ist, wobei die bewegliche Membran (53) eine erste bewegliche Membran (53a) ist, wobei der Varaktor (5) zusätzlich eine zweite bewegliche Membran (53b) aufweist, wobei die zweite Aktuatorfläche (52b) auf der ersten beweglichen Membran (53a) und der zweiten beweglichen Membran (53b) ausgebildet ist, wobei die erste bewegliche Membran (53a) oberhalb einer Oberseite des Substrats (51) angeordnet ist, und wobei die zweite bewegliche Membran (53b) unterhalb einer der Oberseite abgewandten Unterseite des Substrats (51) angeordnet ist, wobei die erste Aktuatorfläche (52a) eine elektrisch leitende Verbindung zu einem ersten Anschluss (4a) des gesteuerten Oszillators (4) aufweist; und wobei die zweite Aktuatorfläche (52b) eine elektrisch leitende Verbindung zu einem zweiten Anschluss (4b) des gesteuerten Oszillators (4) aufweist.
Phasenregelschleife nach Anspruch 1, wobei die Regelbandbreite (B_PLL) mindestens um den Faktor 2, bevorzugt mindestens um den Faktor 5, mehr bevorzugt mindestens um den Faktor 10, besonders bevorzugt mindestens um den Faktor 50 größer ist als die mechanische Resonanzfrequenz (f_mech).
Phasenregelschleife nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenrauschen der Phasenregelschleife (1) für Frequenzen größer der mechanischen Resonanzfrequenz (f_mech) des Varaktors (5) monoton fallend ist.
Phasenregelschleife nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei Frequenzen größer als die mechanische Resonanzfrequenz (f_mech) des Varaktors (5) der Eigenrauschanteil der Phasenregelschleife (1) kleiner als der Eigenrauschanteil des freilaufenden Oszillators (4) ist.
Phasenregelschleife nach Anspruch 4, wobei der Eigenrauschanteil der Phasenregelschleife (1) mindestens um den Faktor 2, bevorzugt mindestens um den Faktor 5, mehr bevorzugt mindestens um den Faktor 10, besonders bevorzugt mindestens um den Faktor 20, insbesondere bevorzugt mindestens um den Faktor 100 kleiner ist als der Eigenrauschanteil des freilaufenden Oszillators (4).
Phasenregelschleife nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenrauschen der Phasenregelschleife (1) für Frequenzen oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz (f_mech) des Varaktors (5) um mindestens 20 Dezibel pro Dekade, bevorzugt 60 Dezibel pro Dekade abfällt.
Phasenregelschleife nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenrauschen der Phasenregelschleife (1) für Frequenzen unterhalb der mechanischen Resonanzfrequenz (f_mech) des Varaktors (5) konstant ist.
Phasenregelschleife nach Anspruch 1, wobei auf und/oder unter der beweglichen Membran (53, 53a, 53b) eine Titannitrid-Schicht aufgebracht ist.