DE102018107983A1

DE102018107983A1 - Spannungsgesteuerter Breitband-Oszillator

Info

Publication number: DE102018107983A1
Application number: DE102018107983.4A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Winkler
Original assignee: Silicon Radar GmbH
Current assignee: Indie Semiconductor FFO GmbH
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-10-10

Abstract

Die Erfindung betrifft einen spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator (10'), der einen Oszillatorkern (12'), einen Stromquelleneingang oder eine Stromquelle (14') und eine Steuereinheit (16') umfasst. Der Oszillatorkern (12') enthält ein induktives Element (32'), ein kapazitives Element (36') mit einer veränderbaren Kapazität (38) und ein eine innere spannungs- und stromabhängige Kapazität aufweisendes aktives Element (42'). Das induktive Element (32'), das kapazitive Element (36') und das aktive Element (42') sind in einem entdämpften Schwingkreis (46') angeordnet. Der Oszillatorkern (12') ist ausgebildet ein Oszillatorsignal mit einer zwischen einer minimalen Frequenz und einer maximalen Frequenz abstimmbaren Oszillatorfrequenz bereitzustellen. Der Stromquelleneingang ist ausgebildet mit einer Stromquelle (14') verbunden zu werden. Die Stromquelle (14') ist ausgebildet dem Oszillatorkern (12') einen Strom bereitzustellen. Die Steuereinheit (16') ist von einer Steuerspannung (Vt) gesteuert und zum Steuern der Stromquelle (14') und der veränderbaren Kapazität (38) des kapazitiven Elements (36') ausgebildet und dazu ausgebildet bei Änderung der Steuerspannung (Vt) eine Stromstärke des dem Oszillatorkern (12') von der Stromquelle (14') bereitgestellten Stroms gegensinnig zu einer mit der Änderung der Steuerspannung (Vt) bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz zu ändern, so dass sich ein Kapazitätswert der inneren spannungs- und stromabhängigen Kapazität des aktiven Elements (42') gegensinnig zur Änderung der Oszillatorfrequenz verändert.

Description

Die Erfindung betrifft einen spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator, ein Übertragungssystem mit einem spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator und ein Verfahren zum Betreiben eines spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators.
Oszillatoren sind wichtige Bestandteile von Schaltkreisen für elektronische Kommunikationsgeräte und für Radaranwendungen. Die Oszillatoren sind in modernen Systemen meist auf einem Chip, insbesondere einem Halbleiterchip, wie zum Beispiel einem Siliziumchip, integriert. Sie enthalten im Wesentlichen einen Schwingkreis und einen Verstärker. Der Schwingkreis umfasst zwei Hauptkomponenten: Eine oder mehrere Induktivitäten sowie eine oder mehrere Kapazitäten. Die Schwingfrequenz des Oszillators, die sogenannte Oszillatorfrequenz f, beträgt: $f = \frac{1}{2 π \sqrt{L \cdot C}},$
wobei L die Größe der wirksamen Induktivität und C die Größe der wirksamen Kapazität repräsentiert. Die Induktivitäten und Kapazitäten aller im Schwingkreis angeordneten Bauelemente beeinflussen die Oszillatorfrequenz. Ein bekannter Oszillator-Typ ist der beispielsweise in US 1,624,537 gezeigte Colpitts-Oszillator. US 7,026,881 B1 zeigt einen Oszillator-Typ mit Bipolar-Transistoren in einer symmetrischen Konfiguration.
In den meisten Kommunikations- und Radarsystemen muss die Oszillatorfrequenz abstimmbar sein, das heißt sie muss sich in bestimmten Grenzen verändern lassen. Das wird durch veränderbare Kapazitäten, die auch auf dem Chip integrierbar sind, wie beispielsweise Varaktoren oder auch Varicaps ermöglicht. Ein Varaktor ist ein abstimmbarer Kondensator, dessen Kapazitätswert durch eine angelegte Spannung, z.B. eine Steuerspannung, geändert werden kann. Damit lässt sich die Oszillatorfrequenz zwischen einer minimalen Frequenz fmin und einer maximalen Frequenz fmax über die an die Varaktoren angelegte Spannung einstellen. Die Differenz zwischen beiden Werten nennt man Bandbreite (Bandwidth) BW: $BW = fmax - fmin .$
Es kann auch die prozentuale Bandbreite BW_% angegeben werden: ${BW}_{%} = 2 \cdot \frac{fmax - fmin}{fmax + fmin} .$
Oszillatoren, die in der Hochfrequenztechnik für Radarsysteme und Kommunikationssysteme verwendet werden, haben die Aufgabe, ein periodisches Signal zu erzeugen, das eine bestimmte Oszillatorfrequenz hat, die in einem Frequenzbereich zwischen minimaler Frequenz und maximaler Frequenz verstellbar ist. Je nach Frequenzbereich werden diese Oszillatoren: Radiofrequenz-Oszillator (RF-Oszillator), Mikrowellen-Oszillator oder Terahertz-Oszillator genannt. Diese Oszillatoren enthalten im Wesentlichen Transistoren als aktive Bauelemente und weitere elektronische Bauelemente, insbesondere ein frequenzselektives Netzwerk, das aus einem LC-Netzwerk gebildet wird, das heißt das frequenzselektive Netzwerk umfasst Induktivitäten und Kapazitäten, die einen Schwingkreis bilden. Alle diese Bauelemente können auf einem einzelnen Chip integriert werden. Um die Oszillatorfrequenz des Schwingkreises einzustellen, werden typischerweise neben einer konstanten Induktivität eine oder mehrere veränderbare Kapazitäten, insbesondere Varaktoren, verwendet. Die Oszillatorfrequenz kann dadurch in gewissen Grenzen eingestellt werden. Die Kapazitätswerte von Varaktoren, die in modernen Halbleitertechnologien zur Verfügung stehen, können im Verhältnis von 1 zu 2 bis zu 1 zu 5 über die angelegte Spannung verändert werden. Mit aufwändigen Spezialtechnologien zur Herstellung von hyperabrupten PN-Übergängen lässt sich der Kapazitätswertbereich noch vergrößern. Dies führt allerdings zu wesentlich höheren Kosten.
Der ohne Spezial-Technologien erzielbare Frequenz-Verstellbereich liegt bei Oszillatorfrequenzen im GHz-Bereich bis zum THz-Bereich bei 5 % bis 20 % von einer Mittenfrequenz. Das heißt zum Beispiel bei einem Oszillator mit 60 GHz Mittenfrequenz und 15 % Frequenz-Verstellbereich, dass der Oszillator um 9 GHz durchgestimmt werden kann. Die Oszillatorfrequenz kann also beispielsweise von 56 GHz bis 65 GHz, insbesondere von 55.5 GHz bis 64.5 GHz eingestellt werden. Dieser eingeschränkte Frequenz-Verstellbereich hängt vor allem mit in jeder integrierten Schaltung vorhandenen parasitären Kapazitäten und Induktivitäten zusammen, die sich technologiebedingt nicht vermeiden lassen. Für bestimmte Anwendungen ist aber ein großer Frequenz-Verstellbereich notwendig. Das gilt sowohl für Kommunikationsanwendungen wie beispielsweise Breitbandkommunikation, als auch für Radaranwendungen, wie zum Beispiel hochauflösende Radarverfahren.
Um einen großen Frequenz-Verstellbereich zu erreichen wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen.
Es ist bekannt mehr als einen frequenzbestimmenden Varaktor im Oszillator anzuordnen. US 6,249,190 B1 zeigt einen Oszillator mit zwei Varaktoren und US 6,466,099 B2 zeigt einen Oszillator mit bis zu drei Varaktoren.
Es ist des Weiteren bekannt geschaltete Varaktoren im Oszillator anzuordnen. In US 7,612,626 B2 werden geschaltete, das heißt mit Digitalsignalen angesteuerte Varaktoren eingesetzt, um Qualitätsparameter des Oszillators zu verbessern.
Es ist ferner bekannt, mehrerer Oszillatoren zu verwenden. In US 6,661,297 B2 wird die Verwendung von einer Vielzahl von Oszillatoren und Frequenzteilern beschrieben, die wahlweise zum Ausgang geschaltet werden können, so dass nahezu beliebige Frequenzen erzeugt werden können.
Es ist des Weiteren bekannt, abstimmbare Induktivitäten in einem Oszillator anzuordnen. In EP 1 195 000 B1 ist ein Breitband-Oszillator gezeigt, der neben konstanten Induktivitäten des Schwingkreises zusätzliche Induktivitäten enthält, die über Transistoren graduell und über eine Kontrollspannung gesteuert, weitere Induktivitäten einschalten können. Der Frequenz-Verstellbereich kann in diesem Fall vergrößert werden, indem Kapazitätswerte und Induktivitätswerte veränderbar sind.
Es ist ferner bekannt, Relaxations-Oszillatoren zu verwenden. Relaxations-Oszillatoren besitzen keinen Schwingkreis, sondern die Frequenz wird durch Kapazitäten und Widerstände oder Stromquellen bestimmt, wie es beispielsweise in US 4,468,636 gezeigt ist. Dies ermöglicht es, einen sehr großen Frequenz-Verstellbereich zu erreichen. Allerdings ist die Qualität des so erzeugten Oszillatorsignales bezüglich Phasenrauschens zu schlecht, um zum Beispiel in Radar-Systemen eingesetzt werden zu können.
Ziel der Erfindung ist es, einen verbesserten oder zumindest alternativen Breitband-Oszillator zu schaffen, der einen vergrößerten Frequenz-Verstellbereich aufweist und der ein geringes Phasenrauschen besitzt.
Dieses Ziel wird erreicht durch einen spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator, der einen Oszillatorkern, einen Stromquelleneingang oder eine Stromquelle, und eine Steuereinheit umfasst. Der Oszillatorkern enthält ein induktives Element, ein kapazitives Element und ein aktives Element. Das kapazitive Element hat eine veränderbare Kapazität. Das aktive Element weist eine innere spannungs- und stromabhängige Kapazität auf. Das induktive Element, das kapazitive Element und das aktive Element sind in einem entdämpften Schwingkreis angeordnet. Der Oszillatorkern ist ausgebildet ein Oszillatorsignal mit einer zwischen einer minimalen Frequenz und einer maximalen Frequenz abstimmbaren Oszillatorfrequenz bereitzustellen. Der Stromquelleneingang ist ausgebildet, mit einer Stromquelle verbunden zu werden. Die Stromquelle ist ausgebildet dem Oszillatorkern einen Strom bereitzustellen. Die Steuereinheit ist von einer Steuerspannung gesteuert und zum Steuern der Stromquelle und der veränderbaren Kapazität des kapazitiven Elements ausgebildet. Die Steuereinheit ist ausgebildet, bei Änderung der Steuerspannung eine Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms gegensinnig zu einer mit der Änderung der Steuerspannung bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz zu ändern, so dass sich ein Kapazitätswert der inneren spannungs- und stromabhängigen Kapazität des aktiven Elements gegensinnig zur Änderung der Oszillatorfrequenz verändert.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator stellt das Oszillatorsignal mit einer von der Steuerspannung abhängigen Oszillatorfrequenz bereit. Die Steuerspannung steuert die Steuereinheit, die wiederum ausgebildet ist Kapazitätswerte der inneren Kapazität und der veränderbaren Kapazität zu verändern, um die Oszillatorfrequenz des Oszillatorsignals zu verändern. Bei einer gewünschten Veränderung der aktuell vom spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator bereitgestellte Oszillatorfrequenz hin zu einer größeren Frequenz, werden der Kapazitätwert der veränderbaren Kapazität des kapazitiven Elements und die Stromstärke des durch den Oszillatorkern fließenden Stroms verringert. Umgekehrt wird bei einer gewünschten Veränderung der aktuell vom spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator bereitgestellten Oszillatorfrequenz hin zu einer geringeren Frequenz, der Kapazitätswert der veränderbaren Kapazität des kapazitiven Elements und die Stromstärke des durch den Oszillatorkern fließenden Stroms vergrößert. Die Stromstärke des von der Stromquelle bereitgestellten Stroms wird damit im gleichen Sinne wie der Kapazitätswert der veränderbaren Kapazität des kapazitiven Elements im entdämpften Schwingkreis verändert. Die Steuereinheit sorgt dafür, dass eine gewünschte Verringerung der durch die Verringerung der Steuerspannung bewirkten Verringerung der Oszillatorfrequenz zu einer Erhöhung der Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms führt und umgekehrt. Eine erhöhte Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms erhöht einen Kapazitätswert der inneren spannungs- und stromabhängigen Kapazität des aktiven Elements, da z.B. die Anzahl an angesammelten Ladungsträgern in pn-Übergängen des aktiven Elements von der Stromstärke abhängt und sich bei steigender Stromstärke mehr Ladungsträger in den pn-Übergängen ansammeln. Dies ermöglicht es eine Oszillatorfrequenz mit einer geringeren minimalen Frequenz bereitzustellen und den Frequenz-Verstellbereich zu vergrößern. Diese Vergrößerung des Frequenz-Verstellbereichs wird durch die Steuereinheit und insbesondere dadurch erreicht, dass die Steuereinheit ausgebildet ist die Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms gleichsinnig bzw. im gleichen Sinne wie den Kapazitätswert der veränderbaren Kapazität des kapazitiven Elements im entdämpften Schwingkreis zu ändern.
Gleichsinnig bzw. im gleichen Sinne bedeutet, dass eine Erhöhung des Wertes eines Parameters zu einer Vergrößerung des Wertes eines anderen Parameters führt, nämlich des Parameters, der gleichsinnig durch die Steuereinheit geändert wird. Gegensinnig bzw. im Gegensinn bedeutet, dass eine Erhöhung des Wertes eines Parameters zu einer Verringerung des Wertes eines anderen Parameters führt, nämlich des Parameters, der gegensinnig durch die Steuereinheit geändert wird. Die Änderung kann beispielsweise proportional für eine gleichsinnige Änderung und antiproportional für eine gegensinnige Änderung erfolgen. Die Änderung muss aber nicht linear erfolgen, sondern kann auch einen anderen funktionalen Zusammenhang haben, z.B. einen quadratischen Zusammenhang oder dergleichen. Die Steuereinheit kann ausgebildet sein den Wert des einen Parameters zu dem des anderen Parameters linear oder auf Basis eines anderen funktionalen Zusammenhangs zu ändern. Entsprechend bedeutet, dass die Steuereinheit ausgebildet ist bei Änderung des Wertes eines Parameters, den Wert eines anderen Parameters zu dem Wert des einen oder eines von diesem abgeleiteten Parameter gleichsinnig zu ändern, dass die Erhöhung des Wertes des einen Parameters zu einer Erhöhung des Wertes des anderen Parameters führt. Entsprechend bedeutet, dass die Steuereinheit ausgebildet ist bei Änderung des Wertes eines Parameters, den Wert eines anderen Parameters zu dem Wert des einen oder eines von diesem abgeleiteten Parameter gegensinnig zu ändern, dass die Erhöhung des Wertes des einen Parameters zu einer Verringerung des Wertes des anderen Parameters führt. Auch in diesem Fall kann die Steuereinheit ausgebildet sein bei Änderung des Wertes des einen Parameters, den Wert des anderen Parameters zu dem des einen Parameters linear oder auf Basis eines anderen funktionalen Zusammenhangs zu ändern.
Die Steuereinheit kann ausgebildet sein bei Änderung der Steuerspannung die Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms gegensinning zur mit der Änderung der Steuerspannung bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz kontinuierlich, d.h. ohne Schaltvorgänge, zu ändern. Dies ermöglicht ein kontinuierliches Verändern der Oszillatorfrequenz. Ein kontinuierliches Verändern der Oszillatorfrequenz ermöglicht die Verwendung des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators in Radarsystemen, insbesondere in Dauerstrichradargeräten (CW-Radargeräten) und im frequenzmodulierten Dauerstrichradar-Verfahren (FMCW-Verfahren).
Strom und Spannung sind als elektrischer Strom und elektrische Spannung zu verstehen.
Das induktive Element kann eine oder mehrere Induktivitäten, beispielsweise Spulen oder Wellenleiter, enthalten. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann ein oder mehrere induktive Elemente aufweisen. Das kapazitive Element kann eine oder mehrere Kapazitäten, beispielsweise Kondensatoren, enthalten. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann ein oder mehrere kapazitive Elemente aufweisen. Das kapazitive Element kann eine oder mehrere veränderbare Kapazitäten, beispielsweise eine oder mehrere spannungsabhängige Kapazitäten, insbesondere einen oder mehrere Varaktoren, enthalten. Der Kapazitätwert eines Varaktors hängt von einer an den Varaktor angelegten Spannung ab. Ein Varaktor kann beispielsweise einen MOS-Metall-Oxid-Halbleiter, eine andere MOS-Struktur oder eine bipolare Struktur, wie zum Beispiel einen pn-Übergang bzw. eine Diode, aufweisen. Varaktoren, die eine MOS-Struktur aufweisen sind ähnlich zu MOS-Transistoren aufgebaut und nutzen die spannungsgesteuerte Ausbildung von Verarmungsschichten, Inversionsschichten oder Akkumulationsschichten. Varaktoren, die eine bipolare Struktur aufweisen, nutzen hyperabrupte pn-Übergänge, um einen vergrößerten Frequenz-Verstellbereich zu erreichen.
Das aktive Element kann einen oder mehrere Transistoren enthalten, einen Transistor und eine Diode, mehrere Transistoren und eine Diode, einen Transistor und mehrere Dioden, oder mehrere Transistoren und mehrere Dioden. Alternativ oder zusätzlich kann das aktive Element auch eine oder mehrere Röhren oder andere aktive Bauelemente enthalten. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann ein oder mehrere aktive Elemente aufweisen. Ein Transistor des aktiven Elements kann beispielsweise ein Bipolar-Transistor sein. Es können auch mehrere Transistoren des aktiven Elements Bipolar-Transistoren sein. Die Stromquelle kann einen Widerstand, mehrere Widerstände, einen Transistor, mehrere Transistoren, einen Widerstand und einen Transistor, einen Widerstand und mehrere Transistoren, mehrere Widerstände und einen Transistor oder mehrere Widerstände und mehrere Transistoren enthalten.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator ermöglicht es, einen größeren Frequenz-Verstellbereich zu erreichen und ein Oszillatorsignal mit einer größeren Bandbreite bereitzustellen. Des Weiteren kann der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kostengünstig hergestellt werden, insbesondere, da die Steuereinheit des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators mit aus dem Stand der Technik bekannten Breitband-Oszillatoren kombiniert werden kann, um den Frequenz-Verstellbereich der bekannten Breitband-Oszillatoren zu erweitern. Weiterhin kann der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator ein geringes Phasenrauschen erreichen, wodurch der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator in Radaranwendungen, zum Beispiel in einem Radarsystem, und auch in hochwertigen Schaltungen verwendet werden kann. Das Phasenrauschen ist frequenzabhängig und kann beispielsweise -90 dBc/Hz bei einer Oszillatorfrequenz von 100 GHz und einem Frequenzoffset von 1 MHz betragen. Gegenüber breitbandigen Relaxations-Oszillatoren kann ein wesentlich verringertes Phasenrauschen erreicht werden. Insbesondere für Aufbauten, in denen ein kapazitives Element mit einer veränderbaren Kapazität verwendet wird, die nur eine geringe Änderung des Kapazitätswerts ermöglicht, ermöglicht der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator einen größeren Frequenz-Verstellbereich.
Dahingegen können bekannte Breitband-Oszillatoren, die mit geschalteten Varaktoren, geschalteten Oszillatoren oder geschalteten Frequenzteilern arbeiten, in Radarsystemen, insbesondere in FMCW-Verfahren, nicht eingesetzt werden, da die Frequenz kontinuierlich veränderbar sein muss. Andere bekannte Breitband-Oszillatoren, die eine Induktivitätsabstimmung durchführen, haben ein hohes Phasenrauschen, das die Verwendung in hochwertigen Schaltungen verbietet. Relaxations-Oszillatoren können zwar einen großen kontinuierlichen Frequenz-Verstellbereich haben. Jedoch haben auch die Relaxations-Oszillatoren ein hohes Phasenrauschen, so dass eine Verwendung in Radarsystemen meist nicht möglich ist.
Die Erfinder haben zudem erkannt, dass die kontinuierliche Veränderung der Werte mehrerer Parameter des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators es ermöglichen kann ein Oszillatorsignal mit einer kontinuierlich veränderbaren Oszillatorfrequenz und einer größeren Bandbreite zu erzeugen. Insbesondere können beispielsweise für den Fall, dass die veränderbare Kapazität eine spannungsabhängige Kapazität ist, eine an die spannungsabhängige Kapazität angelegte Spannung und die Stromstärke des durch den Oszillatorkern fließenden Stroms verändert werden und zwar derart, dass sich deren Effekte auf die Oszillatorfrequenz derart ergänzen, dass der Frequenz-Verstellbereich vergrößert wird. Der Frequenz-Verstellbereich wird einerseits durch geänderte Kapazitätswerte der spannungsabhängigen Kapazität und andererseits durch geänderte Kapazitätswerte der inneren Kapazität des aktiven Elements vergrößert. Ein Synergieeffekt entsteht, indem die Stromstärke gegensinnig zur mit der Änderung der Steuerspannung bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz geändert wird. Eine erhöhte Stromstärke verringert nämlich die Oszillatorfrequenz zusätzlich und eine verringerte Stromstärke erhöht die Oszillatorfrequenz zusätzlich, da sich der Kapazitätswert der inneren Kapazität des aktiven Elements gleichsinnig zur Stromstärke verändert.
Es werden dafür zwei physikalische Effekte ausgenutzt, die das in der Schaltung vorhandene aktive Element betreffen. Der erste physikalische Effekt besteht darin, dass sich der Kapazitätswert der inneren Kapazitäten des aktiven Elements vergrößert, wenn sich die Stromstärke des fließenden Stroms erhöht. Der zweite physikalische Effekt besteht darin, dass sich der Kapazitätswert der inneren Kapazität des aktiven Elements erhöht, wenn die angelegte Spannung verringert wird. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann die beiden physikalischen Effekte verwenden, um den Frequenz-Verstellbereich zu vergrößern. Für den Fall, dass das aktive Element einen oder mehrere Bipolar-Transistoren aufweist, wird vor allem der Kapazitätswert der Basis-Emitter-Kapazität verändert, wenn die Stromstärke des durch den Oszillatorkern fließenden Stroms verändert wird, da dieser pn-Übergang den Hauptstrom führt.
Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, die Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms gleichsinnig zu einer Änderung eines Kapazitätswerts der veränderbaren Kapazität des kapazitiven Elements zu ändern. Dies ermöglicht den Frequenz-Verstellbereich zu vergrößern. Zum Beispiel ermöglicht ein höherer Kapazitätswert der veränderbaren Kapazität des kapazitiven Elements eine Oszillatorfrequenz mit einer geringeren Frequenz zu erreichen, als ein niedrigerer Kapazitätswert der veränderbaren Kapazität. Zudem erhöht eine höhere Stromstärke des Stroms den Kapazitätswert der inneren Kapazität des aktiven Elements. Die Kombination dieser Effekte ermöglicht es mit höheren Stromstärken höhere Kapazitätswerte für die innere Kapazität zu erreichen, wodurch ein Oszillatorsignal mit einer geringeren Oszillatorfrequenz erzeugt werden kann, als es nur mit einer veränderbaren Kapazität möglich wäre.
Die veränderbare Kapazität des kapazitiven Elements kann eine spannungsabhängige Kapazität sein. Eine spannungsabhängige Kapazität ist eine veränderbare Kapazität dessen Kapazitätswert von einer angelegten Spannung abhängt. Die spannungsabhängige Kapazität kann beispielsweise ein Varaktor sein. Die Steuereinheit kann ausgebildet sein der spannungsabhängigen Kapazität eine Kapazitätssteuerspannung zum Steuern der spannungsabhängigen Kapazität bereitzustellen. Die Steuereinheit kann alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, der Stromquelle eine Stromquellensteuerspannung zum Steuern der Stromquelle bereitzustellen. Die Steuereinheit kann ausgebildet sein die Kapazitätssteuerspannung und die Stromquellensteuerspannung gegensinnig zueinander zu ändern.
Die Steuereinheit kann ausgebildet sein die Kapazitätssteuerspannung und die Stromquellensteuerspannung auf Basis der Steuerspannung zu erzeugen. Die Kapazitätssteuerspannung kann als Steuersignal für das kapazitive Element dienen. Die Stromquellensteuerspannung kann als Steuersignal für die Stromquelle dienen.
Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, eine Steuerspannung Vt zu empfangen und auf Basis der Steuerspannung Vt die Kapazitätssteuerspannung Vt1 und die Stromquellensteuerspannung Vt2 zu erzeugen. Dies ermöglicht es die Oszillatorfrequenz mittels einer Steuerspannung einzustellen. Die Steuereinheit kann beispielsweise ein Vorschaltblock oder eine periphere Beschaltung sein. Die Kapazitätssteuerspannung Vt1 kann beispielsweise der Steuerspannung Vt entsprechen. Die Steuereinheit kann beispielsweise einen Steuerspannungseingang aufweisen. Die Steuereinheit kann beispielsweise zwei Steuerspannungsausgänge, zum Beispiel einen Kapazitätssteuerspannungsausgang und einen Stromquellensteuerspannungsausgang aufweisen. Der Kapazitätssteuerspannungsausgang kann mit einem Kapazitätssteuerspannungseingang des Oszillatorkerns verbunden sein. Der Stromquellensteuerspannungsausgang kann mit einem Stromquellensteuerspannungseingang der Stromquelle verbunden sein, so dass die Stromquellensteuerspannung die Stromstärke des Stroms einstellen kann. Der Kapazitätssteuerspannungseingang kann mit der spannungsabhängigen Kapazität verbunden sein, so dass die Kapazitätssteuerspannung den Kapazitätswert der spannungsabhängigen Kapazität einstellen kann.
Die Steuereinheit kann einen oder mehrere Operationsverstärker aufweisen. Der Operationsverstärker kann ausgebildet sein die Stromquellensteuerspannung Vt2 auf Basis einer Inversion der Steuerspannung Vt zu erzeugen. Dies ermöglicht es die Stromquellensteuerspannung und die Kapazitätssteuerspannung gegensinnig zueinander zu ändern. Der Operationsverstärker kann ausgebildet sein, die Stromquellensteuerspannung Vt2 durch Umkehrung der Charakteristik der Steuerspannung Vt in Verbindung mit einem Spannungsversatz Vo zu erzeugen, beispielsweise indem der Operationsverstärker ausgebildet ist die Steuerspannung um beispielsweise -1 zu verstärken und um einen Spannungsversatz Vo von beispielsweise 3,3 V zu verschieben, so dass sich als Stromquellensteuerspannung Vt2 = -Vt + Vo = -Vt + 3,3 V, ergibt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit einen oder mehrere Transistoren aufweisen. Die Transistoren können so angeordnet und ausgebildet sein, dass die Transistoren die Stromquellensteuerspannung und die Kapazitätssteuerspannung gegensinnig zueinander ändern können. Die Steuereinheit kann auch einen Prozessor aufweisen. Der Prozessor kann ausgebildet sein, die Kapazitätssteuerspannung und die Stromquellensteuerspannung gegensinnig zueinander zu ändern.
Die Stromquelle kann eine Betriebsstromquelle und eine Steuerstromquelle aufweisen. Die Betriebsstromquelle kann ausgebildet sein, dem Oszillatorkern einen konstanten Betriebsstrom bereitzustellen. Die Steuerstromquelle kann ausgebildet sein, dem Oszillatorkern einen den Kapazitätswert der inneren Kapazität des aktiven Elements ändernden Steuerstrom mit einer von der Stromquellensteuerspannung abhängigen Stromstärke bereitzustellen. Dies ermöglicht eine verbesserte Kontrolle des Steuerstroms und stellt sicher, dass der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator dauerhaft mit ausreichend Betriebsstrom versorgt ist. Die Betriebsstromquelle kann einen Widerstand aufweisen oder von einem Widerstand gebildet sein. Die Steuerstromquelle kann einen Transistor, beispielsweise einen npn oder pnp Bipolar-Transistor oder einen MOS-Transistor, aufweisen. Die Betriebsstromquelle und die Steuerstromquelle können parallel geschaltet sein. Mit steigendem stromquellensteuerspannungsabhängigen Steuerstrom steigt der Kapazitätswert der inneren Kapazität des aktiven Elements. Dies erhöht den Kapazitätswert im entdämpften Schwingkreis, so dass eine verringerte minimale Oszillatorfrequenz erreicht werden kann.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann einen Stromspiegel aufweisen. Der Stromspiegel kann von zwei miteinander verbundenen Transistoren, beispielsweise Bipolar-Transistoren, gebildet sein.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann einen Betriebsspannungsquelleneingang umfassen. Der Betriebsspannungsquelleneingang kann ausgebildet sein mit einer Betriebsspannungsquelle verbunden zu werden. Die Betriebsspannungsquelle kann ausgebildet sein eine Betriebsspannung bereitzustellen. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann ein Betriebsspannungswiderstandselement umfassen, das in einer Zuleitung der Betriebsspannung zum Oszillatorkern angeordnet ist. Das Betriebsspannungswiderstandselement kann einen oder mehrere Widerstände enthalten. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann ein oder mehrere Betriebswiderstandelemente aufweisen. Bei höherer Stromstärke des durch den Oszillatorkern fließenden Stroms vergrößert sich ein Spannungsabfall am Betriebsspannungswiderstandselement. Durch den Spannungsabfall am Betriebsspannungswiderstandselement verringert sich die effektive Betriebsspannung des Oszillatorkerns. Dies ermöglicht es, den Kapazitätswert der inneren Kapazität des aktiven Elements zu erhöhen. Hierdurch kann der Frequenz-Verstellbereich nach unten erweitert werden, das heißt das Betriebsspannungswiderstandselement kann es ermöglichen, eine geringere Oszillatorfrequenz zu erreichen. Infolgedessen wird es möglich, ein Oszillatorsignal mit einer größeren Bandbreite zu erzeugen.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann einen Colpitts-Oszillator aufweisen.
In einer Ausgestaltung des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator weist das induktive Element wenigstens zwei Induktivitäten, das kapazitive Element wenigstens zwei Kapazitäten und eine veränderbare Kapazität, beispielsweise einen, zwei oder mehr Varaktoren, und das aktive Element wenigstens zwei Transistoren auf. Die Induktivitäten, Kapazitäten und Transistoren können in einer symmetrischen Konfiguration angeordnet sein. Die symmetrische Konfiguration enthält zwei Teil-Oszillatoren, die einen gemeinsamen Oszillator bilden und, die es ermöglichen können ein symmetrisch zu übertragendes Signal zu erzeugen, so dass eine differenzielle Signalübertragung ermöglicht wird. Ferner ermöglicht die symmetrische Konfiguration verbesserte Qualitätsparameter bei sehr hohen Frequenzen, beispielsweise im Gigahertz-Bereich oder Terahertz-Bereich, zu erreichen. Der Gigahertz-Bereich liegt zwischen 10 GHz und 300 GHz. Der Terahertz-Bereich liegt zwischen 300 GHz und 2 THz. Verbesserte Qualitätsparameter umfassen ein geringeres Phasenrauschen, eine verbesserte Frequenzkonstanz, einen vergrößerten Frequenz-Verstellbereich, eine verbesserte Verstellcharakteristik als Funktion der Steuerspannung und eine verbesserte Größe der Ausgangsleistung. Das trifft insbesondere für die Frequenzbereiche von 10 GHz bis zu 500 GHz oder 10 GHz bis zu 300 GHz zu. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann eine symmetrische Konfiguration aufweisen. Für den Fall, dass der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator einen Colpitts-Oszillator in symmetrischer Konfiguration aufweist, ermöglicht dies, die Vorteile des Colpitts-Oszillators und die Vorteile der symmetrischen Konfiguration zu vereinen. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann auch die Form einer kreuzgekoppelten Schaltung aufweisen.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann einen Puffer-Verstärker aufweisen. Der Puffer-Verstärker kann ausgebildet sein, das Oszillatorsignal zu verstärken. Dies ermöglicht es sicherzustellen, dass eine ausreichende Leistung an einen Verbraucher, der das Oszillatorsignal verwendet, bereitgestellt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Puffer-Verstärker ausgebildet sein, den Oszillatorkern von einem Oszillatorsignalausgang zu entkoppeln, über den das Oszillatorsignal ausgegeben werden kann. Dies ermöglicht es, eine mögliche Rückwirkung über den Oszillatorsignalausgang auf den spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator zu verringern.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann auf einem Halbleiterchip integriert sein. In einer Ausgestaltung ist der Oszillatorkern und die Stromquelle auf einem Halbleiterchip integriert und die Steuereinheit außerhalb des Halbleiterchips angeordnet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Übertragungssystem umfassend einen spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einer Ausgestaltung des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators und eine Antenne zum Abstrahlen des Oszillatorsignals. Das Übertragungssystem enthält die Stromquelle und die Spannungsquelle. Die Stromquelle und die Spannungsquelle können mit dem spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator verbundene externe Quellen sein. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator ermöglicht es einem Übertragungssystem Signale mit einer größeren Bandbreite zu erzeugen. Das Übertragungssystem kann beispielsweise ein Kommunikationssystem oder ein Radarsystem sein.
Der Breitband-Oszillator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 oder gemäß einer Ausgestaltung kann in einem Übertragungssystem, beispielsweise in einem Kommunikationssystem oder einem Radarsystem verwendet werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einer Ausgestaltung des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:

- Ändern der Steuerspannung, um die Oszillatorfrequenz zu ändern,
- Ändern der Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms gegensinnig zur mit der Änderung der Steuerspannung bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz, so dass sich der Kapazitätswert der inneren spannungs- und stromabhängigen Kapazität des aktiven Elements gegensinnig zur Änderung der Oszillatorfrequenz verändert.

In einer Ausgestaltung enthält das Verfahren den Verfahrensschritt:

- Verarbeiten der Steuerspannung, derart, dass eine Kapazitätssteuerspannung und eine Stromquellensteuerspannung erzeugt werden, wobei die Stromquellensteuerspannung und die Kapazitätssteuerspannung sich gegensinnig zueinander ändern, wenn die Steuerspannung geändert wird.

Das Verfahren kann den Verfahrensschritt umfassen:

- Verarbeiten der Stromquellensteuerspannung derart, dass die Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms gegensinnig zur mit der Änderung der Steuerspannung bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz geändert wird.

Das Verfahren kann die Verfahrensschritte enthalten:

- Zuführen der Kapazitätssteuerspannung zum kapazitiven Element, um einen Kapazitätswert der veränderbaren Kapazität zu ändern, und
- Zuführen der Stromquellensteuerspannung zur Stromquelle, so dass die Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms gegensinnig zur mit der Änderung der Steuerspannung bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz geändert wird.

Die veränderbare Kapazität kann eine spannungsabhängige Kapazität sein, deren Kapazitätswert von der Kapazitätssteuerspannung abhängt.
Das Verfahren kann einen oder mehrere der folgenden Verfahrensschritte umfassen:

- Bereitstellen einer Betriebsspannung,
- Bereitstellen der Steuerspannung, zum Einstellen der Oszillatorfrequenz, und
- Bereitstellen des Stroms von der Stromquelle an den Oszillatorkern.

Die Erfindung soll nun anhand von in den Figuren schematisch abgebildeten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Von den Figuren zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators;
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators;
3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators;
4 ein schematisches Diagramm eines Vergleichs der Oszillatorfrequenz in Abhängigkeit einer Steuerspannung für einen spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator bei dem die Stromstärke nicht gegensinnig zur Änderung der Oszillatorfrequenz verändert ist und für einen spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator bei dem die Stromstärke gegensinnig zur Änderung der Oszillatorfrequenz verändert ist;
5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Übertragungssystems mit einem spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator;
6 ein schematisches Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators 10 gezeigt. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator 10 enthält einen Oszillatorkern 12, eine Stromquelle 14, eine Steuereinheit 16, einen Betriebsspannungsquelleneingang 18, einen Steuerspannungseingang 20 und einen Signalausgang 22. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Stromquelle auch eine externe Stromquelle sein und der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator kann einen Stromquelleneingang haben, der mit der externen Stromquelle verbunden werden kann.
Der Betriebsspannungsquelleneingang 18 ist mit einer Betriebsspannungsquelle verbunden, die eine Betriebsspannung Vcc bereitstellt. Über den Betriebsspannungsquelleneingang 18 und eine Zuleitung 24 ist die Betriebsspannungsquelle mit der Steuereinheit 16 verbunden. Über den Betriebsspannungsquelleneingang 18 und eine Zuleitung 26 ist die Betriebsspannungsquelle mit dem Oszillatorkern 12 verbunden. Die Zuleitung 26 enthält ein Betriebsspannungswiderstandselement in Form eines Betriebsspannungswiderstands 28. Über den Betriebsspannungsquelleneingang 18 stellt die Betriebsspannungsquelle der Steuereinheit 16 eine Betriebsspannung Vcc und dem Oszillatorkern 12 eine effektive Betriebsspannung Vcc* bereit.
Die Stromquelle 14 und die Steuereinheit 16 sind mit einer Masseleitung 30 mit einem Bezugspotential GND verbunden. Die Stromquelle 14 ist mit dem Oszillatorkern 12 verbunden und stellt dem Oszillatorkern 12 Strom bereit.
Der Oszillatorkern 12 enthält ein induktives Element 32 mit einer Induktivität in Form einer Spule 34, ein kapazitives Element 36 mit einer veränderbaren Kapazität in Form eines Varaktors 38 und mit einer Kapazität in Form eines Kondensators 40, sowie ein aktives Element 42 mit einem Transistor 44. In anderen Ausführungsbeispielen kann das induktive Element 32 auch eine Induktivität in Form einer Leitung oder eines Wellenleiters aufweisen. Der Transistor 42 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Bipolar-Transistor. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Transistor auch einen anderen Typ haben. Der Transistor 44 hat eine spannungs- und stromabhängige innere Kapazität, das heißt, dass ein Kapazitätswert der inneren Kapazität des Transistors 44 von der effektiven Betriebsspannung Vcc* und dem Strom im Oszillatorkern 12 abhängt. Die innere Kapazität umfasst eine spannungs- und stromabhängige Basis-Emitter-Kapazität und eine spannungs- und stromabhängige Basis-Kollektor-Kapazität. Das induktive Element 32, das kapazitive Element 36 und das aktive Element 42 sind in einem entdämpften Schwingkreis 46 angeordnet.
Der Oszillatorkern 12 erzeugt ein Oszillatorsignal mit einer abstimmbaren Oszillatorfrequenz f. Die Oszillatorfrequenz f kann zwischen einer minimalen Frequenz fmin und einer maximalen Frequenz fmax abgestimmt werden (siehe 4). Die Differenz zwischen der maximalen Frequenz fmax und der minimalen Frequenz fmin entspricht der Bandbreite BW: BW = fmax - fmin.
Der Varaktor 38 ist über eine Kapazitätssteuerspannungsleitung 48 mit der Steuereinheit 16 verbunden, über die die Steuereinheit 16 den Varaktor 38 steuert (siehe 1). Die Steuereinheit 16 kann einen Kapazitätswert des Varaktors 38 einstellen, um die Oszillatorfrequenz zu verändern. Hierfür stellt die Steuereinheit 16 eine Kapazitätssteuerspannung Vt1 bereit, die den Kapazitätswert des Varaktors 38 verändert. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Kapazitätssteuerspannung Vt1 einer an den Steuerspannungseingang 20 angelegten Steuerspannung Vt, das heißt die Steuereinheit 16 verarbeitet die Steuerspannung Vt indem sie sie als Kapazitätssteuerspannung Vt1 an den Varaktor 38 weiterleitet. In 4 ist ein schematisches Diagramm gezeigt, das die Oszillatorfrequenz f in Abhängigkeit der angelegten Steuerspannung Vt zeigt. Die durchgezogene Kurve zeigt den Verlauf der Oszillatorfrequenz f für den Fall, dass die Steuereinheit 16 den Varaktor 38 steuert. Mit steigender angelegter Steuerspannung Vt steigt die Oszillatorfrequenz f von einer minimalen Frequenz f'min bei einer Spannung V1 zu einer maximalen Frequenz fmax bei einer Spannung V2. Eine steigende Steuerspannung Vt senkt den Kapazitätswert des Varaktors 38. Der Kapazitätswert des Varaktors 38 kann beispielsweise in Abhängigkeit der Steuerspannung Vt zwischen 50 fF und 200 fF liegen, beispielsweise mit einem Kapazitätswert von 65 fF bei Vt1 = 3,3 V, 100 fF bei Vt1 = 1,65 V und 200 fF bei Vt1 = 0 V. Dies ermöglicht es beispielsweise ein Oszillatorsignal mit einer Oszillatorfrequenz f zwischen f'min = 56 GHz und fmax = 65 GHz zu erzeugen, d.h. mit einer Bandbreite BW' von 9 GHz.
Die Stromquelle 14 enthält eine Betriebsstromquelle 50 und eine Steuerstromquelle 52. Die Betriebsstromquelle 50 und die Steuerstromquelle 52 sind parallel geschaltet. Die Betriebsstromquelle 50 stellt dem Oszillatorkern 12 einen konstanten Betriebsstrom 11 bereit. Die Steuerstromquelle 52 stellt dem Oszillatorkern 12 einen variablen Steuerstrom 12 bereit. In anderen Ausführungsbeispielen können Betriebsstrom und Steuerstrom auch ein kombinierter Strom zum Betreiben und Steuern sein und von einer einzigen Stromquelle bereitgestellt werden.
Die Steuerstromquelle 52 ist mit der Steuereinheit 16 über eine Steuerstromspannungsleitung 54 verbunden, über die die Steuereinheit 16 die Steuerstromquelle 52 steuert. Die Steuereinheit 16 kann eine Stromstärke des Steuerstroms 12 ändern. Hierfür stellt die Steuereinheit 16 eine Stromquellensteuerspannung Vt2 bereit, die die Stromstärke des Steuerstroms 12 gegensinnig zu einer mit einer Änderung der Steuerspannung bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz f ändert. Die gestrichelte Kurve in 4 zeigt den Verlauf der Oszillatorfrequenz f für den Fall, dass die Steuereinheit 16 sowohl den Varaktor 38, als auch die Steuerstromquelle 52 steuert. Wenn die Stromstärke des Steuerstroms 12 verändert wird, verändert sich die Stromstärke des durch den Oszillatorkern 12 fließenden Stroms gleichsinnig zur Änderung der Stromstärke des Steuerstroms 12. Durch einen ersten physikalischen Effekt beeinflusst die Stromstärke des durch den Oszillatorkern 12 fließenden Stroms den Kapazitätswert der inneren Kapazität des Transistors 44 derart, dass sich der Kapazitätswert bei sinkender Stromstärke verringert und bei steigender Stromstärke erhöht, da die Anzahl an angesammelten Ladungsträgern in den pn-Übergängen von der Stromstärke abhängt und sich z.B. bei steigender Stromstärke mehr Ladungsträger ansammeln. Ein sinkender Kapazitätswert führt zu einer höheren Frequenz und ein steigender Kapazitätswert führt zu einer geringeren Frequenz. Ein zweiter physikalischer Effekt führt dazu, dass sich der Kapazitätswert der inneren Kapazität gegensinnig zur effektiven Betriebsspannung Vcc* verhält, das heißt, dass sich der Kapazitätswert der inneren Kapazität erhöht, wenn die effektive Betriebsspannung Vcc* verringert wird und sich verringert, wenn die effektive Betriebsspannung Vcc* erhöht wird. Bei höherer Stromstärke des durch den Oszillatorkern fließenden Stroms vergrößert sich ein Spannungsabfall am Betriebsspannungswiderstand 28. Durch den Spannungsabfall am Betriebsspannungswiderstand 28 verringert sich die effektive Betriebsspannung Vcc* des Oszillatorkerns 12. Dies verringert auch eine effektive Kollektor-Basis-Spannung des Transistors 44, da am Kollektor die effektive Betriebsspannung Vcc* und an der Basis eine Referenzspannung Vref (siehe z.B. 2 und 3) anliegt. Dies ermöglicht es den Kapazitätswert der inneren Kapazität des Transistors 44, insbesondere der Basis-Kollektor-Kapazität zu erhöhen und somit eine geringere Frequenz zu erreichen. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator 10 verwendet die beiden physikalischen Effekte um einen Frequenz-Verstellbereich zu vergrößern. Dies ermöglicht es, ein Oszillatorsignal mit einer um ΔBW größeren Bandbreite BW zu erzeugen, als ohne die Änderung der Stromstärke durch die Steuereinheit (vergleiche 4). Die damit erreichte Bandbreite BW kann beispielsweise 10 GHz betragen, so dass beispielsweise ein Oszillatorsignal mit einer Oszillatorfrequenz f zwischen fmin = 55 GHz und fmax = 65 GHz erzeugt werden kann.
Die Steuereinheit 16 ist über den Steuerspannungseingang 20 mit einer Steuerspannungsleitung 56 verbunden, die die Steuerspannung Vt bereitstellt (siehe 1). Die Steuerspannung Vt wird in der Steuereinheit 16 verarbeitet. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Kapazitätssteuerspannung Vt1 und die Stromquellensteuerspannung Vt2 in der Steuereinheit 16 auf Basis der Steuerspannung Vt erzeugt. Die Kapazitätssteuerspannung Vt1 entspricht der Steuerspannung Vt. Die Stromquellensteuerspannung Vt2 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch Umkehrung der Charakteristik der Steuerspannung Vt in Verbindung mit einem Spannungsversatz Vo erzeugt, d.h. Vt2 = -Vt + Vo. Der Spannungsversatz ist in diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass er mit der maximalen Spannung V2 zusammenfällt, d.h. V2 = Vo. Der Spannungsversatz kann beispielsweise 3,3 V betragen.
Die Stromquellensteuerspannung Vt2 sorgt dafür, dass die Steuerstromquelle 52 einen Steuerstrom 12 an den Oszillatorkern 12 bereitstellt. Die Stromstärke des Steuerstroms 12 kann beispielsweise zwischen 0 mA und 30 mA liegen. Mit steigender Steuerspannung Vt sinkt die Stromstärke des Steuerstroms 12. Steigt die Steuerspannung Vt über einen Wert einer Schaltspannung Vs, wird die Stromstärke des Steuerstroms 12 gleich oder zumindest nahezu null und der Effekt des Steuerstroms 12 auf die innere Kapazität des Transistors 44 verschwindet (siehe 4). Die Schaltspannung Vs ist abhängig von einer Schwellenspannung der verwendeten Steuerstromquelle, die zum Beispiel für einen NMOS-Transistor 0,6 V betragen kann, so dass erst ab einer Stromquellensteuerspannung Vt2 von 0,6 V eine Erhöhung der Stromstärke des Steuerstroms 12 auftritt. In diesem Fall müsste die Steuerspannung Vt = Vo - Vt2 = Vo - 0,6 V unter Vo - 0,6 V betragen, damit die Stromstärke des Steuerstroms 12 geändert wird. Für den Fall, dass der Spannungsversatz Vo zum Beispiel 3,3 V beträgt, müsste die Steuerspannung Vt also unter 2,7 V betragen.
Wenn die Steuerspannung Vt über der Schaltspannung Vs und somit die Stromquellensteuerspannung Vt2 unter der Schwellenspannung der Steuerstromquelle 52 liegt, ist die Stromstärke des Steuerstroms 12 gleich null oder nahezu null und die Frequenzänderung der Oszillatorfrequenz f ist alleine durch die Kapazitätswertänderung am Varaktor 38 durch die Steuerspannung Vt und der daraus erzeugten Kapazitätssteuerspannung Vt1 bedingt. Ein ohne Stromstärkeänderung erzeugtes Oszillatorsignal hat daher eine geringere Bandbreite BW' als ein Oszillatorsignal, das unter Verwendung des zusätzlichen Effekts der Stromstärke auf die innere Kapazität des Transistors 44 erzeugt wurde. Das Oszillatorsignal, das unter Stromstärkeänderung erzeugt wird, hat eine Bandbreite BW, die um ΔBW größer ist, als das ohne Stromstärkeänderung erzeugte Oszillatorsignal.
Das im Oszillatorkern 12 erzeugte Oszillatorsignal wird über eine Ausgangsleitung 58 zum Signalausgang 22 übertragen, um von einem Verbraucher verwendet zu werden. Ein Verbraucher kann beispielsweise eine Antenne sein (nicht gezeigt).
2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators 10'. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator 10' enthält einen Oszillatorkern 12', eine Stromquelle 14', eine Steuereinheit 16', einen Betriebsspannungsquelleneingang 18, einen Steuerspannungseingang 20, einen Puffer-Verstärker 60 und einen Signalausgang 22.
Der Oszillatorkern 12' des zweiten Ausführungsbeispiels des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators 10' enthält einen Colpitts-Oszillator in einer symmetrischen Konfiguration. Dies ermöglicht es ein differenzielles Oszillatorsignal zu erzeugen. Ferner ermöglicht die symmetrische Konfiguration verbesserte Qualitätsparameter, wie ein geringeres Phasenrauschen, eine verbesserte Frequenzkonstanz, einen vergrößerten Frequenz-Verstellbereich, eine verbesserte Verstellcharakteristik als Funktion der Steuerspannung und eine verbesserte Größe der Ausgangsleistung, bei sehr hohen Frequenzen, beispielsweise im Gigahertz-Bereich oder Terahertz-Bereich, zu erreichen.
Der Betriebsspannungsquelleneingang 18 ist mit einer Betriebsspannungsquelle verbunden. Die Betriebsspannungsquelle stellt eine Betriebsspannung Vcc bereit. Der Betriebsspannungsquelleneingang 18 ist über eine Zuleitung 26 und eine zweite Zuleitung 26' mit dem Oszillatorkern 12' verbunden. In der Zuleitung 26 ist ein Betriebsspannungswiderstandelement in Form eines Betriebsspannungswiderstands 28 angeordnet. Über die Zuleitung 26 wird dem Oszillatorkern 12' eine effektive Betriebsspannung Vcc* und über die zweite Zuleitung 26' eine Betriebsspannung Vcc bereitgestellt.
Der Oszillatorkern 12' enthält vier Induktivitäten in Form von Spulen 62, 62a, 62b, 62c, einen Pufferkondensator 64, ein induktives Element 32' mit zwei Induktivitäten in Form jeweils einer Spule 34 und 34', ein kapazitives Element 36' mit einer veränderbaren Kapazität in Form eines Varaktors 38 und mit zwei Kapazitäten in Form jeweils eines Kondensators 40 und 40', sowie ein aktives Element 42' mit zwei Transistoren 44 und 44'. Die Spulen 62, 62a, 62b und 62c dienen der Erzeugung der Ausgangsspannung am Signalausgang 22. In anderen Ausführungsbeispielen können die Spulen auch durch induktive Leitungsabschnitte ersetzt sein. Der Pufferkondensator 64 glättet die effektive Betriebsspannung Vcc*. Die Transistoren 44 und 44' haben jeweils eine spannungs- und stromabhängige innere Kapazität, insbesondere eine spannungs- und stromabhängige Basis-Emitter-Kapazität und eine spannungs- und stromabhängige Basis-Kollektor-Kapazität. Das induktive Element 32', das kapazitive Element 36' und das aktive Element 42' sind in einem entdämpften Schwingkreis 46' angeordnet, der ein Oszillatorsignal mit einer abstimmbaren Oszillatorfrequenz f erzeugen kann.
Der Oszillatorkern 12' enthält ferner einen Referenzspannungswiderstand 66 und zwei Referenzspannungstransistoren 68 und 68' die über die zweite Zuleitung 26' zum Oszillatorkern 12' mit der Betriebsspannungsquelle 18 verbunden sind und eine Referenzspannungsquelle bilden, die eine Referenzspannung Vref bereitstellt. Anstatt Referenzspannungstransistoren können auch Referenzspannungsdioden vorgesehen sein (nicht gezeigt). Die Referenzspannungsquelle ist ferner mit einer Masseleitung 30 mit einem Bezugspotential GND verbunden.
Die Referenzspannung Vref wird über einen Oszillatorwiderstand 70 und die Spulen 34 und 34' an die Basen der Transistoren 44 und 44' zugeführt. Durch die Bemessung des Oszillatorwiderstands 70 kann ein Arbeitspunkt eingestellt werden, der eine Schwingungserzeugung nach bekannten Verfahren erlaubt. Alternativ kann eine Einstellung des Arbeitspunkts auch nach anderen bekannten Verfahren erfolgen.
Der Varaktor 38 ist über eine Kapazitätssteuerspannungsleitung 48 mit der Steuereinheit 16' verbunden. Die Steuereinheit 16' steuert den Varaktor 38, wie für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben, das heißt auch in diesem Ausführungsbeispiel entspricht eine Kapazitätssteuerspannung Vt1 einer an den Steuerspannungseingang 20 angelegten Steuerspannung Vt.
Die Stromquelle 14' enthält eine Betriebsstromquelle in Form eines Betriebsstromwiderstands 50' und eine Steuerstromquelle in Form eines Steuerstromtransistors 52'. Der Betriebsstromwiderstand 50' und der Steuerstromtransistor 52' sind parallel geschaltet. Der Betriebsstromwiderstand 50' stellt dem Oszillatorkern 12' einen konstanten Betriebsstrom 11 bereit. Der Steuerstromtransistor 52' ist in diesem Ausführungsbeispiel ein N-Kanal-Transistor, der dem Oszillatorkern 12' einen variablen Steuerstrom 12 bereitstellt. Die Stromquelle 14' ist mit der Masseleitung 30 verbunden.
Der Steuerstromtransistor 52' ist mit der Steuereinheit 16' über eine Steuerstromspannungsleitung 54 verbunden, über die die Steuereinheit 16' den Steuerstromtransistor 52' steuert. Die Steuereinheit 16' kann eine Stromstärke des Steuerstroms 12 ändern.
Die Steuereinheit 16' enthält in diesem Ausführungsbeispiel einen Operationsverstärker 72 und ist über den Steuerspannungseingang 20 mit einer Steuerspannungsleitung 56 verbunden. Die Steuerspannungsleitung 56 stellt die Steuerspannung Vt bereit. Die Steuerspannung Vt wird als Kapazitätssteuerspannung Vt1 über die Kapazitätssteuerspannungsleitung 48 zum Steuern des Varaktors 38 an den Varaktor 38 bereitgestellt. Weiterhin wird die Steuerspannung Vt dem Operationsverstärker 72 zugeführt. Der Operationsverstärker 72 ist mit einer Masseleitung 30' mit einem Bezugspotential GND und der Steuerstromspannungsleitung 54 verbunden. Der Operationsverstärker 72 erzeugt in diesem Ausführungsbeispiel eine Stromquellensteuerspannung Vt2 durch Umkehrung der Charakteristik der Steuerspannung Vt in Verbindung mit einem Spannungsversatz Vo, das heißt Vt2 = - Vt + Vo. Der Operationsverstärker 72 verstärkt die Steuerspannung Vt dafür um einen Verstärkungsfaktor von -1 und fügt zudem einen Spannungsversatz Vo hinzu. Der Spannungsversatz Vo kann zum Beispiel 3,3 V betragen, so dass sich für die Stromquellensteuerspannung Vt2 = -Vt + 3,3 V ergibt. Die Stromquellensteuerspannung Vt2 ist also zur Steuerspannung Vt invertiert, so dass eine hohe Steuerspannung Vt eine geringe oder verschwindende Stromquellensteuerspannung Vt2 erzeugt. Der Wert der Steuerspannung Vt ist in diesem Ausführungsbeispiel derart gewählt, dass der Wert der maximalen Spannung dem Spannungsversatz Vo, d.h. Vtmax = V2 = Vo entspricht, so dass in diesem Fall die Stromquellensteuerspannung Vt2 = 0 V ist und die Stromstärke des Steuerstroms 12 null ist.
Die Stromquellensteuerspannung Vt2 wird über die Steuerstromspannungsleitung 54 dem Steuerstromtransistor 52' zugeführt, der einen Steuerstrom 12 mit einer von der Stromquellensteuerspannung Vt2 abhängigen Stromstärke an den Oszillatorkern 12' bereitstellt.
Die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators 10' ist äquivalent zu der Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators 10. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuerspannung Vt2 über die Steuerstromspannungsleitung 54 mit dem Gate des Steuerstromtransistors 52' verbunden. Der Steuerstromstransistor 52' hat eine Schwellenspannung, die beispielsweise 0,6 V betragen kann. Auch in diesem Fall ergibt sich ein wie in 4 gezeigter Kurvenverlauf für die Oszillatorfrequenz f unter Berücksichtigung der Stromänderung, da für eine Steuerspannung Vt oberhalb der Schaltspannung Vs, die von der Schwellenspannung des Steuerstromtransistors 52' abhängt, die Stromstärke des Steuerstroms 12 null oder nahezu null beträgt.
Der Oszillatorkern 12' und insbesondere der entdämpfte Schwingkreis 46' erzeugt ein differenzielles Oszillatorsignal dessen Oszillatorfrequenz von der Steuerspannung Vt und insbesondere der Kapazitätssteuerspannung Vt1 und der Stromquellensteuerspannung Vt2 abhängt. Die Kapazitätssteuerspannung Vt1 ändert den Kapazitätswert des Varaktors 38 und die Stromquellensteuerspannung Vt2 ändert die Stromstärke des Steuerstroms 12, der den Kapazitätswert der inneren Kapazitäten der Transistoren 44 und 44' ändert.
Das vom entdämpften Schwingkreis 46' erzeugte differenzielle Oszillatorsignal wird über eine Ausgangsleitung 58' und den Puffer-Verstärker 60 dem Signalausgang 22 zugeführt. Der Puffer-Verstärker 60 verstärkt das Oszillatorsignal bevor es über den Signalausgang 22 an einen Verbraucher abgegeben wird. Dies ermöglicht es eine ausreichende Leistung an den Verbraucher zu liefern. Zusätzlich entkoppelt der Puffer-Verstärker 60 den Oszillatorkem 12' vom Signalausgang 22, so dass keine oder nur verringerte Rückwirkungen vom Signalausgang 22 auf den spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator 10' wirken.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators 10". Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator 10" enthält einen Oszillatorkern 12', eine Stromquelle 14", eine Steuereinheit 16", eine Betriebsspannungsquelle 18, einen Steuerspannungseingang 20, einen Puffer-Verstärker 60 und einen Signalausgang 22. Das dritte Ausführungsbeispiel des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators 10" hat einen zum zweiten Ausführungsbeispiel des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators 10' identisch aufgebauten Oszillatorkern 12' mit symmetrischem Colpitts-Oszillator in einer symmetrischen Konfiguration. Die Stromquelle 14" und die Steuereinheit 16" des dritten Ausführungsbeispiels des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators 10" unterscheiden sich jedoch von denen des zweiten Ausführungsbeispiels des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators 10'.
Die Stromquelle 14" enthält eine Betriebsstromquelle in Form eines Betriebsstromwiderstands 50' und eine Steuerstromquelle in Form eines Steuerstromtransistors 52". Der Betriebsstromwiderstand 50' und der Steuerstromtransistor 52" sind parallel geschaltet. Der Betriebsstromwiderstand 50' stellt dem Oszillatorkern 12' einen konstanten Betriebsstrom 11 bereit. Der Steuerstromtransistor 52" ist in diesem Ausführungsbeispiel ein npn-Bipolar-transistor, der dem Oszillatorkern 12' einen variablen Steuerstrom 12 bereitstellt. Die Stromquelle 14" ist mit der Masseleitung 30 mit dem Bezugspotenzial GND verbunden.
Die Steuereinheit 16" enthält in diesem Ausführungsbeispiel einen p-Kanal MOS-Transistor 74 und ist über den Steuerspannungseingang 20 mit einer Steuerspannungsleitung 56 verbunden. Die Steuerspannungsleitung 56 stellt eine Steuerspannung Vt bereit. Die Steuerspannung Vt wird als Kapazitätssteuerspannung Vt1 über die Kapazitätssteuerspannungsleitung 48 zum Steuern des Varaktors 38 an den Varaktor 38 bereitgestellt. Weiterhin wird die Steuerspannung Vt einem Gate des p-Kanal MOS-Transistors 74 zugeführt. Die Source des p-Kanal MOS-Transistors 74 ist über eine Zuleitung 24 mit der Betriebsspannungsquelle 18 verbunden und wird mit der Betriebsspannung Vcc versorgt. Der Drain des p-Kanal MOS-Transistors 74 ist über einen Steuereinheitswiderstand 76 mit einem Bipolar-Transistor 78 verbunden, dessen Basis und Kollektor kurzgeschlossen sind. Basis und Kollektor des Bipolar-Transistors 78 sind über eine Steuerstromspannungsleitung 54 mit dem Steuerstromtransistor 52" verbunden und der Emitter des Bipolar-Transistors 78 ist mit einer Masseleitung 30' mit einem Bezugspotential GND verbunden.
Der Bipolar-Transistor 78 und der Steuerstromtransistor 52" der Stromquelle 14" bilden einen Stromspiegel. Die Funktionsweise des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators 10" gemäß des dritten Ausführungsbeispiels ist ähnlich zur Funktionsweise der ersten beiden Ausführungsbeispiele des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators 10 und 10'.
Die Stromstärke des Steuerstroms 12 ist nahezu null oder null, wenn der p-Kanal MOS-Transistor 74 gesperrt ist, z.B. für eine am Gate des p-Kanal MOS-Transistors 74 anliegende Steuerspannung Vt dessen Wert dem Spannungsversatz Vo entspricht, oder nur schwach leitend ist, z.B. wenn eine Steuerspannung Vt am Gate des p-Kanal MOS-Transistors 74 anliegt, dessen Wert über einer Schaltspannung Vs liegt, z.B. 2,7 V. Wenn eine niedrige Steuerspannung Vt am Gate des p-Kanal Transistors 74 anliegt, steigt die Leitfähigkeit des p-Kanal Transistors 74 und ein Steuerstrom 12 mit entsprechend höherer Stromstärke fließt durch den Stromspiegel. Die Stromstärke des daraus resultierenden durch den Oszillatorkern 12' fließenden Steuerstroms 12 kann bis zu 30 mA betragen.
Dies ermöglicht dem spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator 10" die oben erläuterten physikalischen Effekte auszunutzen, um ein Oszillatorsignal mit einer vergrößerten Bandbreite zu erzeugen.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Übertragungssystems 100 mit einem spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator 10' und einer Antenne 110.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator 10' stellt ein Oszillatorsignal mit einer abstimmbaren Oszillatorfrequenz bereit. Die Oszillatorfrequenz kann zwischen einer minimalen Frequenz fmin und einer maximalen Frequenz fmax abgestimmt werden.
Die Antenne 110 strahlt das Oszillatorsignal ab. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Übertragungssystem ein Empfängersystem enthalten oder als ein Empfängersystem ausgestaltet sein und die Antenne ausgebildet sein Signale zu empfangen. Das Übertragungssystem kann beispielsweise ein Kommunikationssystem oder ein Radarsystem sein oder als ein solches verwendet werden.
6 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators. Das Verfahren kann verwendet werden um beispielsweise einen der spannungsgesteuerten Breitband-Oszillatoren, die in den 1, 2 oder 3 gezeigt sind, zu betreiben.
In Schritt 200 werden eine Betriebsspannung und eine Steuerspannung, sowie ein Strom von der Stromquelle an den Oszillatorkern bereitgestellt. Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator schwingt mit einer Oszillatorfrequenz. In Schritt 210 wird die Steuerspannung geändert, um die Oszillatorfrequenz des spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators zu ändern. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel soll die Oszillatorfrequenz verringert werden, das heißt, dass die Steuerspannung verringert wird, um die Oszillatorfrequenz zu verringern. In Schritt 220 wird die Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms gegensinnig zur mit der Änderung der Steuerspannung bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz geändert. In diesem Fall wird also die Stromstärke erhöht, so dass sich ein Kapazitätswert der inneren spannungs- und stromabhängigen Kapazität des aktiven Elements gegensinnig zur Änderung der Oszillatorfrequenz verändert, d.h. der Kapazitätswert der inneren Kapazität des aktiven Elements wird auch erhöht. Durch die Änderung der Stromstärke des von der Stromquelle bereitgestellten Stroms, kann im Gegensatz zur alleinigen Veränderung der Oszillatorfrequenz basierend auf der veränderbaren Kapazität, eine niedrigere Oszillatorfrequenz erreicht werden. Dies ermöglicht es den Frequenz-Verstellbereich zu vergrößern.
Der Schritt 210 enthält in diesem Ausführungsbeispiel die optionalen Unterschritte 212, 214 und 216. In Schritt 212 wird die Steuerspannung derart verarbeitet, dass eine Kapazitätssteuerspannung und eine Stromquellensteuerspannung erzeugt werden. Die Stromquellensteuerspannung und die Kapazitätssteuerspannung ändern sich gegensinnig zueinander, wenn die Steuerspannung geändert wird. In Schritt 214 wird die Stromquellensteuerspannung derart verarbeitet, dass die Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms gegensinnig zur mit der Änderung der Steuerspannung bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz geändert wird. In Schritt 216 wird die Kapazitätssteuerspannung zu einer spannungsabhängigen Kapazität des kapazitiven Elements zugeführt, um die spannungsabhängige Kapazität zu ändern. Dies ändert die Oszillatorfrequenz. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Kapazitätssteuerspannung auch dem kapazitiven Element zugeführt werden, um einen Kapazitätswert einer veränderbaren Kapazität zu ändern.
Der Schritt 220 enthält in diesem Ausführungsbeispiel den optionalen Unterschritt 222, der gleichzeitig zum Schritt 216 abläuft. In Schritt 222 wird die Stromquellensteuerspannung zur Stromquelle zugeführt, so dass eine Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms gegensinnig zur mit der Änderung der Steuerspannung bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz geändert wird.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator, der einen Oszillatorkern, einen Stromquelleneingang oder eine Stromquelle und eine Steuereinheit umfasst. Der Oszillatorkern enthält ein induktives Element, ein kapazitives Element mit einer veränderbaren Kapazität und ein eine innere spannungs- und stromabhängige Kapazität aufweisendes aktives Element. Das induktive Element, das kapazitive Element und das aktive Element sind in einem entdämpften Schwingkreis angeordnet. Der Oszillatorkern ist ausgebildet ein Oszillatorsignal mit einer zwischen einer minimalen Frequenz und einer maximalen Frequenz abstimmbaren Oszillatorfrequenz bereitzustellen. Der Stromquelleneingang ist ausgebildet mit einer Stromquelle verbunden zu werden. Die Stromquelle ist ausgebildet dem Oszillatorkern einen Strom bereitzustellen. Die Steuereinheit ist von einer Steuerspannung gesteuert und zum Steuern der Stromquelle und der veränderbaren Kapazität des kapazitiven Elements ausgebildet und dazu ausgebildet bei Änderung der Steuerspannung eine Stromstärke des dem Oszillatorkern von der Stromquelle bereitgestellten Stroms gegensinnig zu einer mit der Änderung der Steuerspannung bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz zu ändern, so dass sich ein Kapazitätswert der inneren spannungs- und stromabhängigen Kapazität des aktiven Elements gegensinnig zur Änderung der Oszillatorfrequenz verändert.
Bezugszeichenliste

10, 10', 10": spannungsgesteuerter Breitband-Oszillator
12, 12': Oszillatorkern
14, 14', 14": Stromquelle
16, 16', 16": Steuereinheit
18: Betriebsspannungsquelleneingang
20: Steuerspannungseingang
22: Signalausgang
24: Zuleitung der Betriebsspannung zur Steuereinheit
26: Zuleitung der Betriebsspannung zum Oszillatorkern
26': zweite Zuleitung der Betriebsspannung zum Oszillatorkern
28: Betriebsspannungswiderstand
30, 30': Masseleitung
32, 32': induktives Element
34, 34': Spule
36, 36': kapazitives Element
38: Varaktor
40, 40': Kondensator
42, 42': aktives Element
44, 44': Transistor
46, 46': entdämpfter Schwingkreis
48: Kapazitätssteuerspannungsleitung
50, 50': Betriebsstromquelle
52, 52', 52": Steuerstromquelle
54: Steuerstromspannungsleitung
56: Steuerspannungsleitung
60: Puffer-Verstärker
62, 62a, 62b, 62c: Spule
64: Pufferkondensator
66: Referenzspannungswiderstand
68, 68': Referenzspannungstransistor
70: Oszillatorwiderstand
72: Operationsverstärker
74: p-Kanal MOS-Transistor
76: Steuereinheitswiderstand
78: Bipolar-Transistor
100: Übertragungssystem
110: Antenne
BW, BW': Bandbreite
ΔBW: Bandbreitenunterschied
f: Oszillatorfrequenz
fmin: minimale Frequenz
fmax: maximale Frequenz
GND: Bezugspotential GND
11: Betriebsstrom
12: Steuerstrom
Vcc: Betriebsspannung
Vcc*: effektive Betriebsspannung
Vo: Spannungsversatz
Vref: Referenzspannung
Vs: Schaltspannung
Vt: Steuerspannung
Vt1: Kapazitätssteuerspannung
Vt2: Stromquellensteuerspannung
V1: minimale Spannung
V2: maximale Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 1624537 [0002]
US 7026881 B1 [0002]
US 6249190 B1 [0008]
US 6466099 B2 [0008]
US 7612626 B2 [0009]
US 6661297 B2 [0010]
EP 1195000 B1 [0011]
US 4468636 [0012]

Claims

Ein spannungsgesteuerter Breitband-Oszillator (10, 10', 10"), umfassend: - einen Oszillatorkern (12, 12') enthaltend -- ein induktives Element (32, 32'), -- ein kapazitives Element (36, 36') mit einer veränderbaren Kapazität (38) und -- ein eine innere spannungs- und stromabhängige Kapazität aufweisendes aktives Element (42, 42'), die in einem entdämpften Schwingkreis (46, 46') angeordnet sind, wobei der Oszillatorkern (12, 12') ausgebildet ist ein Oszillatorsignal mit einer zwischen einer minimalen Frequenz (fmin) und einer maximalen Frequenz (fmax) abstimmbaren Oszillatorfrequenz (f) bereitzustellen, - einen Stromquelleneingang, ausgebildet mit einer Stromquelle (14, 14', 14") verbunden zu werden oder eine Stromquelle (14, 14', 14"), die ausgebildet ist dem Oszillatorkern (12, 12') einen Strom bereitzustellen und - eine von einer Steuerspannung (Vt) gesteuerte Steuereinheit (16, 16', 16") zum Steuern der Stromquelle (14, 14', 14") und der veränderbaren Kapazität (38) des kapazitiven Elements (36, 36'), wobei die Steuereinheit (16, 16', 16") ausgebildet ist bei Änderung der Steuerspannung (Vt) eine Stromstärke des dem Oszillatorkern (12, 12') von der Stromquelle (14, 14', 14") bereitgestellten Stroms gegensinnig zu einer mit der Änderung der Steuerspannung (Vt) bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz (f) zu ändern, so dass sich ein Kapazitätswert der inneren spannungs- und stromabhängigen Kapazität des aktiven Elements (42, 42') gegensinnig zur Änderung der Oszillatorfrequenz (f) verändert.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator (10, 10', 10") gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (14, 14', 14") ausgebildet ist die Stromstärke des dem Oszillatorkern (12, 12') von der Stromquelle (14, 14', 14") bereitgestellten Stroms gleichsinnig zu einer Änderung eines Kapazitätswerts der veränderbaren Kapazität (38) des kapazitiven Elements (36, 36') zu ändern.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator (10, 10', 10") gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die veränderbare Kapazität (38) des kapazitiven Elements (36, 36') eine spannungsabhängige Kapazität (38) ist, wobei die Steuereinheit (16, 16', 16") ausgebildet ist der spannungsabhängigen Kapazität (38) eine Kapazitätssteuerspannung (Vt1) zum Steuern der spannungsabhängigen Kapazität (38) und der Stromquelle (14, 14', 14") eine Stromquellensteuerspannung (Vt2) zum Steuern der Stromquelle (14, 14', 14") bereitzustellen und wobei die Steuereinheit (16, 16', 16") ausgebildet ist die Kapazitätssteuerspannung (Vt1) und die Stromquellensteuerspannung (Vt2) gegensinnig zueinander zu ändern.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator (10, 10', 10") gemäß Anspruch 3, wobei die Stromquelle (14, 14', 14") eine Betriebsstromquelle (50, 50') und eine Steuerstromquelle (52, 52', 52") aufweist, wobei die Betriebsstromquelle (50, 50') ausgebildet ist dem Oszillatorkern (12, 12') einen konstanten Betriebsstrom (11) bereitzustellen und wobei die Steuerstromquelle (52, 52', 52") ausgebildet ist dem Oszillatorkern (12, 12') einen den Kapazitätswert der inneren Kapazität des aktiven Elements (42, 42') ändernden Steuerstrom (12) mit einer von der Stromquellensteuerspannung (Vt2) abhängigen Stromstärke bereitzustellen.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator (10, 10', 10") gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Steuereinheit (16, 16', 16") ausgebildet ist die Kapazitätssteuerspannung (Vt1) und die Stromquellensteuerspannung (Vt2) auf Basis der Steuerspannung (Vt) zu erzeugen.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator (10, 10', 10") gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend - einen Betriebsspannungsquelleneingang (18), ausgebildet mit einer Betriebsspannungsquelle verbunden zu werden, die ausgebildet ist eine Betriebsspannung (Vcc) bereitzustellen und - ein Betriebsspannungswiderstandselement (28), das in einer Zuleitung (26) der Betriebsspannung (Vcc) zum Oszillatorkern (12, 12') angeordnet ist.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator (10, 10', 10") gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator (10, 10', 10") einen Colpitts-Oszillator aufweist.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator (10', 10") gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei - das induktive Element (32') wenigstens zwei Induktivitäten (34, 34'), - das kapazitive Element (36') wenigstens zwei Kapazitäten (40, 40') und einen Varaktor (38), und - das aktive Element (42'), wenigstens zwei Transistoren (44, 44') aufweist und wobei die Induktivitäten (34, 34'), Kapazitäten (40, 40') und Transistoren (44, 44') in einer symmetrischen Konfiguration angeordnet sind.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator (10, 10', 10") gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator (10, 10', 10") auf einem Halbleiterchip integriert ist.
Der spannungsgesteuerte Breitband-Oszillator (10, 10', 10") gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Oszillatorkern (12, 12') und die Stromquelle (14, 14', 14") auf einem Halbleiterchip integriert sind und die Steuereinheit (16, 16', 16") außerhalb des Halbleiterchips angeordnet ist.
Ein Übertragungssystem (100) umfassend, - einen spannungsgesteuerten Breitband-Oszillator (10') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und - eine Antenne (110) zum Abstrahlen des Oszillatorsignals.
Ein Verfahren zum Betreiben eines spannungsgesteuerten Breitband-Oszillators (10, 10', 10") gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die Verfahrensschritte: - Ändern der Steuerspannung (Vt), um die Oszillatorfrequenz (f) zu ändern, und - Ändern der Stromstärke des dem Oszillatorkern (12, 12') von der Stromquelle (14, 14', 14") bereitgestellten Stroms gegensinnig zur mit der Änderung der Steuerspannung (Vt) bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz (f), so dass sich der Kapazitätswert der inneren spannungs- und stromabhängigen Kapazität des aktiven Elements (42, 42') gegensinnig zur Änderung der Oszillatorfrequenz (f) verändert.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, umfassend den Verfahrensschritt: - Verarbeiten der Steuerspannung (Vt), derart, dass eine Kapazitätssteuerspannung (Vt1) und eine Stromquellensteuerspannung (Vt2) erzeugt werden, wobei die Stromquellensteuerspannung (Vt2) und die Kapazitätssteuerspannung (Vt1) sich gegensinnig zueinander ändern, wenn die Steuerspannung (Vt) geändert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, umfassend den Verfahrensschritt: - Verarbeiten der Stromquellensteuerspannung (Vt2) derart, dass die Stromstärke des dem Oszillatorkern (12, 12') von der Stromquelle (14, 14', 14") bereitgestellten Stroms gegensinnig zur mit der Änderung der Steuerspannung (Vt) bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz (f) geändert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, umfassend die Verfahrensschritte: - Zuführen der Kapazitätssteuerspannung (Vt1) zum kapazitiven Element (36, 36'), um einen Kapazitätswert der veränderbaren Kapazität (38) zu ändern, und - Zuführen der Stromquellensteuerspannung (Vt2) zur Stromquelle (14, 14', 14"), so dass die Stromstärke des dem Oszillatorkern (12, 12') von der Stromquelle (14, 14', 14") bereitgestellten Stroms gegensinnig zur mit der Änderung der Steuerspannung (Vt) bewirkten Änderung der Oszillatorfrequenz (f) geändert wird.