DE10312436A1

DE10312436A1 - Kombinatorisch geschaltete Steuerspannung für Multiband-VCOs

Info

Publication number: DE10312436A1
Application number: DE10312436A
Authority: DE
Inventors: Heiko Körner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-07

Abstract

Oszillatorschaltung mit einem symmetrisch aufgebauten Oszillatorkern (O), der einen Resonanzkreis aus zumindest einer Induktivität (L) und einem oder mehreren in der Kapazität veränderbaren Ladungsspeicher (C₁) zur Einstellung der Resonanzfrequenz aufweist, und einer Zuordnungseinheit (Z), durch die dem veränderbaren Ladungsspeicher (C₁) eine Kapazitätseinstellung zuordenbar ist, wobei die Zuordnungseinheit (Z) eingangsseitig zumindest zwei feste Einstellpotentiale (V_SS, V_DD) und zumindest ein veränderliches Einstellpotential (VT) aufweist, wobei jeder einzelne veränderbare Ladungsspeicher (C₁) mit einem dieser Potentiale zur Kapazitätseinstellung beaufschlagbar ist und wobei die Resonanzfrequenz durch die spannungsgesteuerte, veränderbare Kapazität des Ladungsspeichers auf einen maximalen oder minimalen oder einen Wert dazwischen stufenlos einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Einstellung einer Ausgangsfrequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators.

Spannungsgesteuerte Oszillatoren (voltage controlled oszillators, VCOs) sind heute Bestandteil vieler Einrichtungen, die verschiedene Frequenzsignale benötigen. VCOs sind im Sende- und Empfangssystem der Kommunikationseinrichtung integriert und dort meist Element einer Phasenregelschleife (phase lokked loop, PLL), um eine stabile Trägerfrequenz bereitzustellen. Die für den Sende- oder Empfangsbetrieb zur Verfügung gestellten Frequenzen sind meist unterschiedlich, so daß die Sende- und Empfangseinrichtung mindestens zwei Frequenzen zur Verfügung stellen muß. Dies kann durch zwei spannungsgesteuerte Oszillatoren oder bevorzugt durch einen abstimmbaren spannungsgesteuerten Oszillator erreicht werden, dessen Ausgangsfrequenz sich umschalten läßt.

Ein bekanntes Ausführungsbeispiel eines abstimmbaren Oszillators zeigt die Druckschrift DE 100 61 241 . Darin ist ein symmetrischer Oszillator, bestehend aus zwei Spulen und zwei ersten Kondensatoren sowie einem Entdämpfungsverstärker beschrieben. Die Schaltung weist zusätzlich zwei zweite Kondensatoren auf, die durch ein Schaltelement in den Schwingkreis geschaltet werden können, so daß der Oszillator eine zweite Resonanzfrequenz erhält.

Zur Feinabstimmung der Resonanzfrequenz sind zwei Kapazitätsdioden vorgesehen, die mit den ersten Kondensatoren sowie einer Spannungsquelle verbunden sind. Der bekannte Oszillator kann Teil einer Phasenregelschleife, bestehend aus Frequenzteiler, Phasendetektor und Loop-Filter sein, wobei die Ausgangsspannung des Phasendetektors, bzw. des Loop-Filters als Steuerspannung zur Frequenzeinstellung des Oszillators verwendet wird. Eine Umschaltung der Frequenz des Oszillators erfolgt durch Zuschalten der festen zweiten Kondensatoren. Eine Feinabstimmung innerhalb des zweiten Oszillatorbandes ist wiederum durch die Varaktordioden möglich.

Der Nachteil dieser Anordnung liegt in dem abrupten Zuschalten der Kondensatoren und in dem geringen Aussteuerbereich, der sich aus den Varaktordioden ergibt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung vorzusehen, die über einen weiten Frequenzbereich hinweg eine genaue Frequenzeinstellung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung mit in der Kapazität veränderbaren Ladungsspeichern, deren Kapazität durch eine von außen angelegtes Potential einstellbar ist, läßt sich in vorteilhafter Weise eine Kombination aus Ladungsspeichern mit quasi-fester Kapazität bzw. veränderbarer Kapazität realisieren. Dies erfolgt durch die Beaufschlagung der Ladungsspeicher mit einem festen bzw. veränderbaren Einstellpotential.

Durch eine zweckmäßige Wahl der Kapazität der Ladungsspeicher kann ein festes Verhältnis mehrerer Oszillatorkennlinien zueinander erreicht werden, um dadurch vorteilhaft einen möglichst großen Frequenzbereich oder genaue Frequenzeinstellung zu erreichen.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist es, den veränderbaren Ladungsspeicher durch zwei veränderbare Teilladungsspeicher zu ersetzen, die miteinander verbunden sind. Die jeweils andere Seite der Teilladungsspeicher ist parallel in den Resonanzkreis geschaltet. Die miteinander verbundene Seite ist mit einem Potential zur Einstellung der Kapazität beider Teilladungsspeicher beaufschlagbar. In diesem Zusammenhang sind Varaktordioden eine vorteilhafte Ausbildung der veränderbaren Ladungsspeicher.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Anordnung eine Logikschaltung auf, die mit der Zuordnungseinrichtung verbunden ist. Die Logikschaltung enthält Mittel, die zur Frequenzeinstellung der Oszillatorschaltung eine Zuordnung der eingangsseitig angelegten Potentiale der Zuordnungseinheit an die veränderbaren Ladungsspeicher durchführbar macht. Dadurch ordnet die Zuordnungseinheit die eingangsseitig angelegten Einstellpotentiale so zu, daß der Oszillator die gewünschte Ausgangsfrequenz erhält.

Es ist vorteilhaft, wenn sich zwei benachbarte veränderbare Ladungsspeicher in ihrer Kapazität bei einem Potential durch den Faktor Zwei unterscheiden. Alternativ können die Ladungsspeicher auch die gleiche Kapazität aufweisen. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Erfindung, die für eine gewünschte Frequenz der Oszillatorschaltung mehr als eine Kombination aus festen und veränderbaren Einstellpotentialen für die Ladungsspeicher ermöglicht. Dadurch ist eine höhere Flexibilität, sowie eine genauere Präzision bei der Frequenzeinstellung erreichbar.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung, die jedoch keinerlei beschränkenden Charakter haben, sind im folgenden im Detail unter Berücksichtigung der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel,
3 ein Frequenz-Spannungsdiagramm mit mehreren Oszillatorkennlinien des zweiten Ausführungsbeispiels.
Die abstimmbare Oszillatorschaltung der 1 zeigt einen symmetrisch aufgebauten Oszillatorkern O mit einem Resonanzkreis. Der Resonanzkreis weist zwei Spulen L sowie eine feste Kapazität C₀ auf. Zur Kompensation der Dämpfung ist er an den Punkten P mit einem Entdämpfungsverstärker verbunden, der zwei kreuzgekoppelte MOS-Transistoren umfaßt, deren Gate-Anschlüsse mit dem jeweils anderen Drain-Anschluß des MOS-Transistors und dem Schwingungsknoten P verbunden sind. Die Source-Anschlüsse der MOS-Transistoren TR sind mit dem Potential VSS verbunden.
Zur Änderung der Resonanzfrequenz des Oszillatorkerns O weist die Schaltung vier parallel geschaltete Ladungsspeicher C1, C2, und C3 auf, wobei jeder einzelne Ladungsspeicher aus zwei veränderbaren Teilladungsspeichern C₁' und C₁'' bis C₃' und C₃'' besteht. Die zwei veränderbaren Teilladungsspeicher sind jeweils auf einer Seite miteinander verbunden und mit der jeweils anderen Seite mit dem Resonanzkreis des Oszillatorkerns so verbunden, daß sie eine Parallelschaltung mit dem Resonanzkreis ausbilden. Die Kapazität der Ladungsspeicher C1, C2 und C3, die aus der Reihenschaltung der einzelnen Teilladungsspeicher ergibt, ist durch ein an den Verbindungsknoten V angelegtes Potential veränderbar.
Die Knoten V führen zur Zuordnungseinheit Z und zu Schaltmitteln S, wobei jeder einzelne Verbindungsknoten V über das jeweils zugehörige Schaltmittel S von der Zuordnungseinheit Z auf ein Potential geschaltet werden kann. Im einzelnen sind dies das feste Bezugspotential V_SS, das feste Versorgungspotential V_DD, sowie das veränderbare Einstellpotential V_T, die zwischen dem minimalen Potential VSS und dem maximalen Potential V_DD eingestellt wird. Im dargestellten Ausführungsfall sind die Schaltmittel S gemäß einer Vorgabe einer Logikschaltung LS eingestellt. Dabei ist das erste Schaltmittel S auf die veränderbare Einstellspannung VT eingestellt, die drei anderen Schaltmittel folgen in ihrer Einstellung einer logischen Vorgabe, bei der die logische 1 der Einstellung V_DD, die logische 0 der Einstellung VSS entspricht. Natürlich ist dies vertauschbar. Die Schaltmittel S können durch vorteilhaft durch MOS-Transistoren gebildet sein.
V_DD und V_T lassen sich als Spannungen ausdrücken, sofern ein geeignetes Bezugspotential, beispielsweise VSS gewählt wird. Durch geeignete Wahl der Kapazität der Ladungsspeicher C1, C2 und C3 läßt sich somit die Oszillatorschaltung in einem weiten Frequenzbereich stufenlos einstellen. Die einzelnen veränderbaren Teilladungsspeicher C₁', C₁'' bis C₃', C₃'' können vorteilhaft als Varaktordioden ausgebildet sein. Denkbar ist jedoch auch eine andere Form einer durch ein Potential oder eine Spannung einstellbare Kapazität. Weist das Schaltmittel S nur einen geringen und zeitlich sehr stabilen Spannungsabfall, so besitzt die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung einen hohen Abstimmungsbereich bei gleichzeitig sehr gutem Phasenrauschen. Durch die Wahl von nur einem Einstellelement ist außerdem ein sehr gutes Anpassverhalten in Bezug auf Bauteilstreuverhalten erreichbar.
Dadurch ist sie als Oszillatorschaltung in einer Phasenvergleichsschaltung einsetzbar, wobei das Einstellpotential oder die Spannung V_T durch die Ausgangsspannung des Phasenvergleichers vorgegeben ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist die in 2 gezeigte Anordnung einer Oszillatorschaltung, die mehrere Oszillatorkennlinien aufweist und somit einer Auswahl einer optimalen Oszillatorkennlinie bei vorgegebenen äußeren Parametern ermöglicht. Gleiche Bauelemente tragen gleiche Bezugszeichen, wobei auf eine erneute Erläuterung verzichtet wird. Die mit der Logikschaltung LS verbundene Zuordnungseinheit Z weist zwei Bereiche 1 und 2 auf, die jeweils vier Schaltmittel S enthalten. Jedes einzelne Schaltmittel S ist über einen Verbindungsknoten V mit einem einstellbaren Ladungsspeicher verbunden, der aus jeweils zwei Teilladungsspeichern C besteht, die wiederum verschiedene Kapazitäten aufweisen.
Innerhalb des Bereiches 2 der Zuordnungseinheit Z ermöglicht ein jedes Schaltmittel S eine Auswahl zwischen dem Bezugspotential V_SS und der Versorgungsspannung V_DD. Die Schaltmittel S führen zu einem Verbindungsknoten V und zu dazu gehörigen Ladungsspeicher C₂₁ bis C₂₄. Diese unterscheiden sich in ihrer Kapazität durch den Faktor Zwei. Die Ladungsspeicher C₂₁ bis C₂₄ sind parallel zum Oszillatorkern geschaltet.
Daneben enthält der Oszillatorkern fünf weitere schaltbare Ladungsspeicher C_1V, C_0V, 2C_0V, 4C_0V, und 8C_0V, die mit dem Bereich 1 der Zuordnungseinheit Z über die Knoten v verbunden sind. Der Ladungsspeicher C_1V ist direkt mit der Einstellspannung VDD über den entsprechenden Knoten V verbunden. Die übrigen Ladungsspeicher C_0V, 2C_0V, 4C_0V, und 8C_0V, deren Kapazitäten sich ebenfalls um den Faktor Zwei unterscheiden, lassen sich als Summe aus einem festen Ladungsspeicher CO und einem veränderbaren Ladungsspeicher C_V darstellen. Die Ladungsspeicher C_0V, 2C_0V, 4C_0V, und 8C_0V bestehen ihrerseits ebenfalls aus Teilladungsspeichern unterschiedlicher Kapazität und sind über ihre Knoten V und die Schaltmittel S entweder mit dem Bezugspotential VSS oder mit der Einstellspannung V_T verbunden.
Gemäß dieser Darstellung erlaubt die Logikschaltung LS eine Frequenzeinstellung des Oszillatorkerns O mit einer Ansteuerung aus vier Bit und damit 16 möglichen Einstellungen der Schaltmittel S. Im Beispiel ist dies die Bitfolge 0110, bei der im Bereich 1 das entsprechende Schaltmittel S bei einer logischen Eins den dazugehörigen Ladungsspeicher mit der Einstellspannung V_T beaufschlagt, bei einer logischen Null mit dem Bezugspotential V_SS.
Im Bereich 2 der Zuordnungseinheit werden die Ladungsspeicher C₂₁ sowie C₂₄ gemäß der gewählten Einstellung mit dem Bezugspotential beaufschlagt und entfallen damit als Kapazität für die Einstellung der Resonanzfrequenz. Die Ladungsspeicher C₂₂ und C₂₃ werden mit der Versorgungsspannung VDD verbunden.
Durch diese Anordnung ergeben sich mehrere Oszillatorkennlinien, die bei einer vorgegebenen Frequenz mehrere Einstellungen der Logikschaltung LS und der Einstellungsspannung V_T erlauben.
Die zu der in 2 dargestellten Anordnung gehörenden Oszillatorkennlinien sind in 3 gezeigt. Diese zeigt ein Frequenz-Spannungsdiagramm, wobei die Abszisse die Einstellspannung V_T von 1,0 bis 1,8 V aufweist und die Ordinate die Ausgangsfrequenz von 1,5 Ghz bis 2,2 Ghz. Die unterste Kennlinie entspricht einer logischen Null in allen vier möglichen Zuständen, wobei die niedrigste Frequenz von ca. 1,54 Ghz bei einer Einstellspannung von 1,8 V erreicht ist. Die mit 7 gekennzeichnete Oszillatorkennlinie entspricht dem Frequenzverlauf über der Einstellspannung bei der vorgegebenen Einstellung der Schaltelemente gemäß der Vorgabe 0110.
Um beispielsweise die im Diagramm gewünschte Frequenz von 1,78 Ghz zu erhalten, ist bei dieser Einstellung der Schaltmittel S eine Einstellspannung von ca. 1,42 V nötig. Die gleiche Frequenz läßt sich jedoch auch mit drei weiteren Einstellungen, beispielsweise 0111, was der Oszillatorkennlinie 8 entspricht, und einer Einstellspannung von 1,52 V erreichen. Dadurch ist eine deutlich höhere Flexibilität und höhere Präzision erreichbar, falls durch äußere Parameter die Schwankungsbreite der Einstellspannung bei einer Oszillatorkennlinie zu groß ist.
Der Gedanke der Erfindung ist dabei nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist eine andere Wahl veränderbarer Ladungsspeicher denkbar. Beispiels weise können die verschiedenen Ladungsspeicher die gleiche Kapazität aufweisen. Durch die stufenlose Einstellung der Kapazität der Ladungsspeicher zwischen einer minimalen und einer maximalen Kapazität, die durch eine Einstellspannung vorgegeben ist, wird ein hoher Grad an Flexibilität erreicht.
Der Einsatz von Varaktoren bei gleichzeitig fest vorgegebenen Einstellspannungen ermöglicht eine Ausbildung als quasi-feste Ladungsspeicher oder als variabler Varaktor. Die dargestellten drei Potentiale lassen sich erfindungsgemäß auf eine beliebige Anzahl erweitern. Da eine Spannung eine Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten darstellt, läßt sich die erfindungsgemäße Anordnung bei Wahl eines festen Bezugspotentials auch durch eine Ausbildung mit Spannungen realisieren. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Bezugspotential VSS 0V beträgt, da in diesem Fall die anderen Potentiale und die zugehörigen, auf das Potential VSS bezogene Spannungen den gleichen Wert besitzen.

(0): Oszillatorkern
(I): Stromspiegel
(P): Schwingungsknoten
(L): Spulen
(Tr): MOS-Transistoren
(LS): Logikschaltung
(Z): Zuordnungseinheit
(S): Schaltmittel
(C₁, C₂, C₃: Ladungsspeicher
(C₀): Kapazität
(C): Teilladungsspeicher
(V): Verbindungsknoten
(V_SS): Versorgungspotential
(V_T): Einstellpotential
(V_DD): Potential
(1,2): Bereiche

Claims

Oszillatorschaltung mit einem symmetrisch aufgebauten Oszillatorkern (O), der einen Resonanzkreis aus zumindest einer Induktivität (L) und einem oder mehreren in der Kapazität veränderbarem Ladungsspeicher (C₁) zur Einstellung der Resonanzfrequenz aufweist und einer Zuordnungseinheit (Z), durch die dem veränderbaren Ladungsspeicher (C₁) eine Kapazitätseinstellung zuordenbar ist, wobei die Zuordnungseinheit (Z) eingangsseitig zumindest zwei feste Einstellpotentiale (V_SS, V_DD) und zumindest ein veränderliches Einstellpotential (V_T) aufweist, wobei jeder einzelne veränderbare Ladungsspeicher (C₁) mit einem dieser Potentiale zur Kapazitätseinstellung beaufschlagbar ist und wobei die Resonanzfrequenz durch die spannungsgesteuerte, veränderbare Kapazität des Ladungsspeichers auf einen maximalen oder minimalen oder einen Wert dazwischen stufenlos einstellbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Ladungsspeicher (C₁) durch Varaktordioden ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbaren Ladungsspeicher (C₁) durch je zwei veränderbare Teilladungsspeicher (C₁', C₁'', C) ausgebildet sind, die mit jeweils einer Seite miteinander verbunden sind und mit der jeweils anderen Seite eine Verbindung zu dem Resonanzkreis der Oszillatorschaltung aufweisen, und die miteinander verbundenen Seiten mit einem Potential zur Einstellung der Kapazität beaufschlagbar sind (V).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnungseinrichtung (Z) mit einer Logikschaltung (LS) verbunden ist, wobei die Logikschaltung (LS) die zur Frequenzeinstellung der Oszillatorschaltung eine Zuordnung der eingangsseitig angelegten Potentiale (V_DD, V_SS, V_T) der Zuordnungseinheit (Z) zu den veränderbaren Ladungsspeichern durchführt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei benachbarte Ladungsspeicher sich in ihrer Kapazität durch den Faktor 2 unterscheiden.
Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbaren Ladungsspeicher die gleiche Kapazität aufweisen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer gewünschten Frequenz mehr als eine Kombination aus den festen und den veränderbaren Einstellspannungen für die veränderbaren Ladungsspeicher verwendbar ist.