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Die Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung
mit einem LC-Schwingkreis, einem mit dem LC-Schwingkreis verbundenen
Aktivierungsteil, der dazu dient, die Verluste in dem LC-Schwingkreis
auszugleichen, wobei die Serienschaltung aus dem LC-Schwingkreis
und dem Aktivierungsteil über
ein strombestimmendes Element, das den Strom durch den Aktivierungsteil
bestimmt, zwischen eine erste Spannung und eine zweite Spannung
geschaltet ist, die sich von der ersten Spannung unterscheidet.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen VCO sowie eine PLL-Schaltung, die eine
entsprechende Oszillatorschaltung enthalten.
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Eine solche Schaltung kann z.B. bei
spannungsgesteuerten Oszillatoren (Voltage Controlled Oszillators,
VCO) eingesetzt werden, bei denen der Schwingkreis z.B. eine Kapazitätsdiode
enthalten kann, über
die die Resonanzfrequenz des Schwingkreises eingestellt werden kann.
Ein wesentliches Kriterium für
ein gutes Funktionieren eines spannungsgesteuerten Oszillators ist
sein Phasenrauschen. Dabei werden bei den Oszillatorschaltungen bisher
in der Regel MOS-FETs als strombestimmende Elemente, d.h. als Stromquellen
eingesetzt. Meistens wird dabei ein NMOS-FET verwendet, dessen Strom über einen
Stromspiegel in Verbindung mit einer Bandabstandreferenzspannungserzeugungsschaltung
bestimmt wird. MOS-FETs
haben den Nachteil, daß sie
insbesondere bei niedrigen Frequenzen besonders anfällig gegenüber dem
1/f-Rauschen ist, das dann bei solchen VCOs einen wesentlichen Einfluß auf das
Phasenrauschen des VCOs hat. Das 1/f-Rauschen ist dabei umgekehrt
proportional zur Gate-Fläche
des MOS-FETs (WxL). Bei Halbleiterherstellungsprozessen zur Herstellung
von digitalen und VCOs enthaltenden PLL-Schaltungen, die heutzutage
verwendet werden und bei denen die Gatelänge der MOS-FETs kleiner als
0,2 Mikrometer ist, hat daher das 1/f-Rauschen der MOS-Stromquelle
den maßgeblichen
Einfluß auf
das Phasenrauschen des VCOs. Der Einfluß des 1/f-Rauschens wird noch
größer, wenn
als Induktivitäten
des LC-Schwingkreises
der Oszillatorschaltung Bonddrähte
eingesetzt werden, die insbesondere wegen ihrer hohen Güte (Q-Wert)
gerne verwendet werden und dann selbst nur einen geringen Beitrag
zum Phasenrauschen des VCOs leisten.
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Es sind bisher verschiedene Ansätze gemacht
worden, um den Einfluß des
1/f-Rauschens der
MOS-FETs in Oszillatorschaltungen zu verringern.
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In
DE 2 113 589 A1 wird ein amplitudengeregelter
Gegentaktoszillator offenbart, bei dessen strombestimmenden Element
es sich um einen ohmschen Widerstand handelt, dem die Drain-Source- bzw.
die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors parallel geschaltet
ist. In
US 6 281 758
B1 wird eine Oszillatorschaltung offenbart, die durch die
Verwendung von PMOS-Transistoren in einer integrierten PLL-Schaltung
eine stärkere
Unabhängigkeit
gegenüber
Störungen über die
Spannungsversorgung und das Substrat bietet.
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In dem Artikel "Reducing MOSFET 1/f Noise and Power
Consumption by Switched Biasing" von Eric
A.M.Klumperink et. al. in IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 35, Nr. 7, Juli
2000 wird ein MOS-Transistor als Stromquelle bei einer Oszillatorschaltung
beschrieben, der abwechsend im "Strong-Inversion"-Zustand und im Sättigungszustand
betrieben wird, indem die Source-Gate-Spannung
zwischen verschiedenen Werten hin- und hergeschaltet wird, um das
1/f-Rauschen des MOS-Transistors zu vermindern. Das 1/f-Rauschen kann
hier aber nicht vollständig
vermindert werden, denn der als Stromquelle verwendete MOS-Transistor trägt immer
noch erheblich zum 1/f-Rauschen bei, was in der 3 der
Druckschrift zu erkennen ist.
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Eine eingangs genannte Oszillatorschaltung ist
z.B. in dem Artikel "A
Packaged 1.1-GHz CMOS VCO with Phase Noise of –126 dBc/Hz at a 600-kHz Offset" von C.-M. Hung and
Kenneth K.O. in IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 35, Nr.
1, Januar 2000, S. 100 ff. beschrieben und in der 1 dieser Druckschrift dargestellt. Die
dort beschriebene Schaltung erreicht eine Verminderung des Phasenrauschens
unter anderem durch die Verwendung von mehreren Induktivitäten, die
auf dem Chip plaziert werden. Ein Nachteil dieses Oszillators besteht
in dem erhöhten
Flächenverbrauch,
der durch die zusätzlichen
Induktivitäten
hervorgerufen wird. Darüber
hinaus wird bei der Stromquelle dieses Oszillators ein PMOS-FET
mit vergrabenem Kanal eingesetzt, um eine weitere Verminderung des 1/f-Rauschens
zu erreichen. Da aber nach wie vor mit MOS-FETs gearbeitet wird,
ist nach wie vor mit einem beträchtlichen
1/f-Rauschen zu
rechnen, was in der 3 der Druckschrift
dargestellt ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht daher darin, eine Oszillatorschaltung der eingangs angegebenen
Art zu schaffen, bei der der Einfluß des 1/f-Rauschens wesentlich
verringert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine eingangs
genannte Oszillatorschaltung gelöst,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß das strombestimmende Element
aus einem ohmschen Widerstand besteht und die Oszillatorschaltung
darüber
hinaus eine Regelschaltung umfaßt,
die dazu dient, den durch den Aktivierungsteil fließenden Strom
auf einen vorherbestimmten konstanten Wert einzustellen.
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Durch die Verwendung eines Widerstandes, um
den Strom durch den Aktivierungsteil im wesentlichen zu bestimmen,
kann der Einfluß des
1/f-Rauschens wesentliche
reduziert werden, da ein ohmscher Widerstand in der Regel nur thermisches
Rauschen (sogenanntes „weißes" Rauschen) aufweist. Aber
auch der Einfluß des
thermischen Rauschens ist bei geringen Widerständen, die in der Regel verwendet
werden können,
sehr gering und liegt unter dem Rauschanteil, der durch die übrigen Elemente des
LC-Schwingkreises und des Aktivierungsteils hervorgerufen wird.
Ein Nachteil insbesondere bei Herstellung der Oszillatorschaltung
in integrierter Form besteht allerdings darin, daß aufgrund
der Fertigungstoleranzen sich der Widerstandswert nicht so genau
einstellen läßt, um den
optimalen Arbeitspunkt des Oszillators zu erreichen. Daher ist eine
Regelschaltung vorgesehen, die den Strom durch den Widerstand so
korrigiert, daß dieser
optimale Arbeitspunkt erreicht wird. Die Regelschaltung dient darüber hinaus
dazu, die während
des Betriebs der Oszillatorschaltung auftretenden Umwelteinflüsse wie
Temperaturschwankungen auf die Bauelemente zu kompensieren.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nun anhand eines
Ausführungsbeispieles
unter Zuhilfenahme der Zeichnung ausführlich beschrieben. In der
Zeichnung zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung
und
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2 ein
Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung.
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Die 1 zeigt
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung.
bei der ein LC-Schwingkreis 1, der mindestens eine Induktivität und eine
Kapazität
umfaßt,
mit einer Versorgungsspannung VDD verbunden ist. Der LC-Schwingkreis kann
z.B. aus einer Parallel- oder einer Reihenschaltung auf einer Spule
und einem Kondensator bestehen. Der LC-Schwingkreis 1 ist mit einem
Aktivierungsteil 2 verbunden, der dazu dient, die Verluste
in dem LC-Schwingkreis 1 auszugleichen, die durch Dämpfung entstehen.
Der Aktivierungsteil 2 ist mit einem Widerstand R1 verbunden,
der darüber
hinaus mit Massepotential VSS verbunden ist.
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Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Oszillatorschaltung
umfaßt
darüber
hinaus eine Regelschaltung, die eine Kopie 3 des Aktivierungsteils
umfaßt,
die ebenfalls mit der Versorgungsspannung VDD verbunden ist. Die
Kopie 3 des Aktivierungsteils ist darüber hinaus über eine Referenzstromquelle
Iref mit Massepotential VSS verbunden. Die an dem Verbindungspunkt
zwischen der Kopie 3 des Aktivierungsteils anliegende Spannung
liegt an einem ersten Eingang eines Operationsverstärkers 4,
an dessen anderem Eingang die zwischen dem Verbindungspunkt zwischen
dem Widerstand R1 und dem Aktivierungsteil 2 liegende Spannung
anliegt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 4 steuert das
Gate eines PMOS-FETs 5, der parallel zur Hintereinanderschaltung
aus dem LC-Schwingkreis 1 und dem Aktivierungsteil 2 geschaltet
ist.
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Die 2 zeigt
eine zweite Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung,
die ähnlich
der in der 1 dargestellten
Ausführungsform ist.
wobei bei der in der 2 dargestellten
Ausführungsform
die in dem Blockschaltbild der 1 verwendeten
Blöcke
durch konkrete Schaltungselemente ersetzt sind.
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Dabei besteht der LC-Schwingkreis 1 aus
einem Parallelschwingkreis mit einer ersten Induktivität L1 und
einer zweiten Induktivität
L2, deren jeweils einer Anschluß mit
der Versorgungsspannung VDD verbunden ist. Die Kapazität des Schwingkreises wird
durch einen Kondensator C1 mit festem Kapazitätswert und zwei Kapazitätsdioden
CD1 und CD2 gebildet, deren Anoden miteinander verbunden sind und
deren Kathoden jeweils mit dem anderen Anschluß der Induktivitäten L1 bzw.
L2 verbunden sind. An den Anoden der Kapzitätsdioden CD1 und CD2 liegt
darüber
hinaus eine Steuerspannung Vsteuer, so daß die Kapazität und damit
die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises flexibel eingestellt werden
kann, wie es z.B. bei einem VCO erforderlich ist.
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Der Aktivierungsteil 2 besteht
aus einem ersten NMOS-FET 6 und einem zweiten NMOS-FET 7, deren
Source-Anschlüsse
jeweils mit dem Widerstand und deren Drainanschlüsse jeweils mit dem LC-Schwingkreis 1 verbunden
sind, wobei ihr Gate-Anschluß jeweils
mit dem Drainanschluß des jeweils
anderen NMOS-FETs
verbunden ist.
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Eine derartiger Aufbau eines LC-Schwingkreis 1 und
eines Aktivierungsteils 2 sind im Stand der Technik bekannt
und z.B. in dem oben genannten IEEE-Aufsatz von Hung et al. beschrieben.
Auf die Funktionsweise dieser beiden Elemente wird daher nicht näher eingegangen.
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Die Kopie 3 des Aktivierungsteils
ist wie der Aktivierungsteil 2 aufgebaut und besteht aus
einem dritten NMOS-FET 8 und einem vierten NMOS-FET 9,
deren Source-Anschlüsse
jeweils mit der Referenzstromquelle Iref und deren Drainanschlüsse jeweils
mit der Versorgungsspannung VDD verbunden sind, wobei ihr Gate-Anschluß jeweils
mit dem Drainanschluß des
jeweils anderen NMOS-FETs verbunden ist.
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Die Source-Anschlüsse des ersten NMOS-FETs 6 und
des zweiten NMOS-FETs 7 sind mit
dem einen Eingang des Operationsverstärkers 4 verbunden,
während
die Source-Anschlüsse
des dritten NMOS-FETs 8 und des vierten NMOS-FETs 9 mit dem
anderen Eingang des Operationsverstärkers 4 verbunden
sind.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform sind
sämtliche
Schaltungselemente einschließlich des
Widerstands R1 in integrierter Form ausgebildet.
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Die Verwendung eines Widerstands
bringt gegenüber
der bisherigen Verwendung von MOS-FETs zur Bestimmung des Stroms
durch den Aktivierungsteil wesentliche Vorteile, da das 1/f-Rauschen
des Widerstands gleich null ist. Der Widerstand weist nur thermisches
Rauschen auf, das jedoch. da der Widerstand in der Regel sehr niederohmig
sein wird (er liegt bei der vorliegenden Ausführungsform in der Größenordnung
zwischen 150 und 200 Ohm bei einer Versorgungsspannung VDD von 1,8
Volt), im Vergleich zum Rauschen der Spulen und Transistoren vernachlässigt werden
kann.
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Durch die bei dem verwendeten Halbleiterherstellungsprozeß zwangsläufig auftretenden
Fertigungstoleranzen läßt sich
nun der Widerstand R1 allerdings nicht immer so herstellen, daß sein Widerstandwert
in einem für
die Einstellung einer optimalen Arbeitspunkts des Oszillators geeigneten
Bereich liegt.
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Der Widerstand R1 soll den Strom
durch die Source-Drain-Strecken der NMOS-FETs 6 und 7 des Aktivierungsteils 2 fließenden Strom
einstellen.
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Der Strom durch den Widerstand R1
muß dabei
mindestens auf einen so großen
Wert eingestellt werden werden, daß ein Anschwingen des LC-Schwingkreises 1 sicher
möglich
ist. Dabei muß ein
gewisser Toleranzbereich mit einkalkuliert werden, der durch die
prozeßbedingten
Schwankungen der Bauelementparameter (Güte der Spulen, Kondensatoren
und Kapazitätsdioden) erforderlich
ist. Ferner müssen
Temperaturschwankungen mitberücksichtigt
werden. die während
des Betriebs der Oszillatorschaltung auftreten können und die Kennwerte der
Bauelemente beeinflussen. Auch muß der Strom so groß gewählt werden.
damit sich am Ausgang der Oszillatorschaltung befindende Buffer-Schaltungen
die Signale sicher weiterverarbeiten können. Darüber hinaus hat die Stromeinstellung auch
einen gewissen Einfluß auf
das Rauschen. Auf der anderen Seite muß der Strom natürlich möglichst niedrig
eingestellt werden, um den Energieverbrauch der Oszillatorschaltung
zu minimieren. Darüber
hinaus muß berücksichtigt
werden, daß gewissen Stromdichten
zum optimalen und sicheren Betrieb bestimmter Bauelemente der Schaltung
nicht überschritten
werden.
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Die Regelschaltung dient nun dazu,
den durch Fertigungstoleranzen der Widerstands R1 (und auch Temperaturschwankungen)
bedingten Abweichungen vom optimalen Arbeitspunkt des Oszillators entgegenzuwirken
und den Strom durch den Aktivierungsteil 2 auf einen konstanten
optimalen Wert einzustellen.
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Wenn der Widerstand R1 z.B. durch
Fertigungstoleranzen bedingt kleiner als gewünscht wird. nimmt der Strom
durch die Source-Drain-Strecke des zweiten NMOS-FETs 7 des
Aktivierungsteils 2 zu. Damit steigt auch die Gate-Source-Spannung des zweiten
NMOS-FETs 7 an und übersteigt
dann die Gate-Source-Spannung
des dritten NMOS-FETs 8 der Kopie 3 des Aktivierungsteils.
Am Ausgang des Operationsverstärkers 4,
der an seinem Eingang diese beiden Gate-Source-Spannung miteinander vergleicht,
wird dann ein Signal mit verändertem
Pegel ausgegeben, das das Gate des PMOS-FETs 5 so steuert,
daß dessen
Source-Drain-Strecke
einen größeren Strom
führt,
wodurch die Spannung am Source-Anschluß des zweiten
NMOS-FETs 7 ansteigt, dadurch dessen Gate-Source-Spannung und damit auch
der Strom durch die Source-Drain-Strecken der beiden Transistoren 6 und 7 vermindert
wird. Dadurch wird der Strom durch den Aktivierungsteil 2 wieder
auf einen optimalen Wert eingestellt. In dem Fall, daß der Widerstand
R1 größer als
gewünscht ist,
funktioniert die Schaltung umgekehrt.
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Der zweite Widerstand R2, der zwischen
den Source-Anschluß des
zweiten NMOS-FETs 7 und den einen Eingang des Operationsverstärkers 4 geschaltet
ist, sowie der zweite Kondensator C2, der zwischen die Versorgungsspannung
VDD und den einen Anschluß des
Widerstands R2 geschaltet ist, bilden einen Tiefpaßfilter,
der dazu dient, den Regelkreis der Regelschaltung zu stabilisieren
und ein Schwingen des Regelkreises zu verhindern.
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Der Referenzstrom Iref wird in der
Regel um einige Größenordnungen
kleiner gewählt
sein als der optimale Strom durch den Widerstand R1, wodurch der
durch die Regelschaltung hervorgerufene Stromverbrauch gering gehalten
werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Referenzstrom
Iref z.B. bei 100 Mikroampere liegen, während der durch den Widerstand
R1 fließende
Strom bei 8 Milliampere liegt.
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Darüber hinaus werden die NMOS-FETs
in der Kopie 3 des Aktivierungsteils wesentlich größer ausgeführt sein
als die NMOS-FETs des Aktivierungsteils 2, um das durch
die Regelschaltung selbst eingebrachte Rauschen so niedrig wie möglich zu halten.
So können
die NMOS-FETs des Aktivierungsteils z.B. eine Gate-Länge von
1.4 Mikrometern aufweisen. während
die NMOS-FETs der Kopie des Aktivierungsteils eine Gate-Länge von
8 Mikrometern aufweisen können.
Das ist deswegen möglich,
weil die Anforderungen an die mit zunehmender Gate-Länge abnehmenden
Geschwindigkeit der NMOS-FETs der Kopie 3 des Aktivierungsteils,
wesentlich geringer sind als die der NMOS-FETs des Aktivierungsteils 2.
Während
die NMOS-FETs des Aktivierungsteils 2 bei der vorliegenden
Ausführungsform
im GHz-Bereich arbeiten können
müssen, genügt für die NMOS-FETs
der Kopie des Aktivierungsteils der Hz-Bereich.
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Es ist noch darauf hinzuweisen, daß die Kopie 3 des
Aktivierungsteils nicht den LC-Schwingkreis benötigt, da es nur um die Regelung
des Gleichstromanteils geht.
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Die in der 2 dargestelle Oszillatorschaltung kann
z.B. in einem VCO verwendet werden. der dann ein besonders geringes
Phasenrauschen aufweisen wird. Der VCO kann Bestandteil einer PLL sein.
Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung ergibt
sich in digitalen PLL-Schaltungen,
die nach einem Standardprozeß gefertigt
wurde, bei dem die Gate-Länge der NMOS-FETs
unter 0,2 Mikrometer liegt.
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Für
den Fachmann ist klar, daß die
beschriebene Ausführungsform
nur beispielhaft gewählt
wurde und eine Vielzahl von Modifikationen denkbar sind.
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Die Kapzität des LC-Schwingkreises muß z.B. nicht
unbedingt abstimmbar sein, sondern es kann auch eine feste Kapazität verwendet
werden. Als Induktivitäten
können
vorzugsweise auch Bonddrähte,
die auf dem Chip positioniert sind, verwendet werden. Im Aktivierungsteil
kann z.B. auch nur ein einziger Transistor verwendet werden. Die
Regelschaltung muß auch
nicht unbedingt eine Kopie des Aktivierungsteils enthalten. sie
kann z.B. auch aus einer einfachen Referenzspannungserzeugungsschaltung,
z.B. einer Bandabstandreferenzspannungserzeugungsschaltung bestehen.
Auch kann die Anordnung des Widerstands R1 natürlich unterschiedlich sein,
er kann z.B. auch mit der Versorgungsspannung VDD verbunden sein.