DE10324392A1

DE10324392A1 - Vorrichtung zum Einstellen einer Frequenz

Info

Publication number: DE10324392A1
Application number: DE10324392A
Authority: DE
Inventors: Christophe Casenave; Reinhard Monno
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-23
Also published as: US20070018731A1; CN1795605A; KR20060013424A; WO2004107559A1; EP1627466A1

Abstract

Offenbart ist eine digital gesteuerte Oszillatorschaltung, umfassend einen Schwingkreis mit folgenden Merkmalen: einem Schwingelement zum Erzeugen einer Schwingung mit einer bestimmten Frequenz hoher Präzision und einer mit dem Schwingelement verbundenen Einstelleinrichtung (IWS) zum Verändern der Schwingungsfrequenz des Schwingungselements. Die Einstelleinrichtung weist dabei folgende Komponenten auf. Zum einen hat sie eine digital ansteuerbare erste Kapazitätsbank (KB21), in der eine Mehrzahl von ersten Einstellkondensatoren in einer Parallelschaltung zueinander angeordnet und einzeln ansteuerbar sind, um eine vorbestimmte erste Gesamtkapazität (C¶vgrob¶) einzustellen. Zum anderen hat sie eine Feineinstellschaltung (FES), die parallel zur ersten Kapazitätsbank (KB21) geschaltet ist und einen ersten Kondensator (C¶a¶) aufweist, welcher in Serie zu einer Parallelschaltung aus einem zweiten Kondensator (C¶b¶) und einer digital ansteuerbaren zweiten Kapazitätsbank (KB 22) geschaltet ist, in der eine Mehrzahl von Kondensatoren in einer Parallelschaltung zueinander angeordnet und einzeln ansteuerbar sind, um eine vorbestimmte Gesamtkapazität (C¶vfein¶) einzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen bzw. Einstellen einer Frequenz, insbesondere betrifft sie eine Oszillatorschaltung zum Erzeugen einer Frequenz mit hoher Genauigkeit bzw. Auflösung. Derartige Vorrichtungen werden insbesondere zur Frequenzeinstellung in Mobilfunkanordnungen, wie beispielsweise Mobiltelefonen, verwendet.

In vielen elektronischen Geräten werden Oszillatoren oder Taktgeneratoren benötigt, insbesondere auch in Telekommunikationsgeräten, wie Mobiltelefonen. Mit diesen werden z.B. Sendesignale erzeugt, andere Signale manipuliert oder Prozessoren getaktet. Ein Oszillator erzeugt ein sich in einem bestimmten Takt änderndes Signal mit einer bestimmten Wiederholrate, der Frequenz. Oft muss diese Frequenz sehr fein einstellbar sein. Diese Einstellbarkeit wird bei herkömmlichen analog gesteuerten Oszillatoren durch ein analoges Steuersignal (Spannung, Strom, ...) erreicht, das Parameter in der elektronischen Schaltung ändert. Seit einiger Zeit werden aber auch Oszillatoren genutzt, bei denen Elemente in der Schaltung umgeschaltet oder zu-/weggeschaltet werden. Da die Elemente (beispielsweise Kondensatoren) dann keine Zwischenwerte durchfahren können, ist die Frequenz nur in bestimmten Schritten einstellbar und nicht kontinuierlich. Dies führt in manchen Systemen zu Problemen, wenn die Schritte zu grob sind. Diese Oszillatortypen nennt man Digital gesteuerte Oszillatoren (DCO = Digitally Controlled Oscillators). Diese Frequenzeinstellung soll im Folgenden näher erläutert werden.

Insbesondere in Mobilfunkanordnungen ist es wichtig, Frequenzen als Trägerfrequenzen für Datensignale (die auf die Trägerfrequenz aufmoduliert werden) mit hoher Frequenzgenauigkeit zu erzeugen. Beispielsweise muss eine Mobilstation, wie ein Mobiltelefon, in der Lage sein, bei entsprechender Auf forderung durch eine Basisstation, die von der Basisstation geforderte Frequenz einzustellen, um eine gute Kommunikationsverbindung herzustellen. Zu diesem Zweck ist in dem Mobiltelefon eine Oszillatorschaltung bzw. Oszillator vorgesehen, der in der Lage ist, eine Frequenz bzw. Trägerfrequenz mit hoher Genauigkeit zu erzeugen, wobei die Frequenz des Oszillators einstellbar ist.

Eine Ausführung einer Oszillatorschaltung bzw. eines Oszillators, wie sie beispielsweise in einem Mobiltelefon oder allgemein in einem Mobilfunkgerät verwendet wird, ist in 1 gezeigt. In der Mitte der Schaltung ist dabei ein Quarzelement QO gezeigt, das dafür ausgelegt ist, Schwingungen mit einer Frequenz hoher Genauigkeit zu erzeugen. Die von der Oszillatorschaltung bzw. dem Quarzelement QO erzeugte Frequenz dient dabei als Referenzfrequenz für folgende Frequenzverarbeitungseinrichtungen. Im Mobiltelefon, das beispielsweise nach dem GSM (Global System for Mobile Communications)-Standard arbeitet, kann die erzeugte Frequenz bei 26 MHz ± 2,6 Hz liegen. Die erzeugte Frequenz wird im Beispiel einer Funkeinrichtung FE auf einem Funk-Chip FC zugeführt. In der Funkeinrichtung FE wird die Frequenz gegebenenfalls einer Multiplikationseinrichtung bzw. einem Frequenzvervielfacher (nicht dargestellt) zugeführt, um beispielsweise nach entsprechender Multiplikation eine Frequenz mit einem vielfachen Wert zu erzeugen. Im Beispiel eines gemäß dem GSM-Standard arbeitenden Mobiltelefons soll die vervielfachte Frequenz 900 MHz als Trägerfrequenz für Datensignale betragen. Mittels der Funkeinrichtung bzw. einer mit dieser verbundene Antenne (nicht dargestellt) wird nun ein Funksignal auf der Basis der erzeugten vervielfachten Trägerfrequenz zu einer Basisstation übermittelt, welche im Bedarfsfall ein Funksignal zurücksendet, in dem sie das Mobiltelefon auffordert, die Frequenz bzw. Trägerfrequenz abzuändern bzw. anzupassen. Eine derartige Aufforderung wird von der Funkeinrichtung FE des Mobiltelefons verarbeitet, um einen Prozess zur Anpassung der Trägerfrequenz in Gang zu setzen.

Dabei erzeugt die Funkeinrichtung FE oder eine mit dieser verbundene Steuereinrichtung ein analoges Steuersignal ASS, das einer Einstellschaltung bzw. Tuning-Schaltung TS zugeführt wird (angedeutet durch den Pfeil am linken Rand der Figur), welche mit dem Quarzelement verbunden ist. Dieses analoge Steuersignal ASS durchläuft dabei zunächst einen Filterabschnitt FI der Tuning-Schaltung TS, der aus einer Mehrzahl von Widerständen und Kondensatoren besteht, um beispielsweise externe Störungen herauszufiltern. Anschließend wird das analoge Steuersignal dem Herzstück des Tuning-Schaltung, nämlich einer Varicap bzw. Varakterdiode (Kapazitätsdiode) VC mit spannungsgesteuerter Kapazität, zugeführt. Durch die Einstellung der Kapazität an der Varicap VC mittels des analogen Steuersignals lässt sich somit die Schwingung des Quarzelements QO derart beeinflussen, dass die sich die Frequenz der gesamten Oszillatorschaltung (hier im Beispiel zur Erzeugung einer vervielfachten Trägerfrequenz) ändert (vgl. auch 3 für eine weitere Erläuterung), um der Aufforderung der Basisstation nachzukommen.

Zwar bietet die analoge Erzeugung bzw. Korrektur der Steuerspannung für den Quarzoszillator mittels der gerade erläuterten Tuning-Schaltung den Vorteil einer quasi beliebig genauen bzw. kontinuierlichen Korrektur und ermöglicht eine präzise Frequenzeinstellung am Quarzoszillator, jedoch ist die hohe Störempfindlichkeit dieser Methode aufgrund des verwendeten analogen Steuersignals sowie der hohen Kosten bei der extern bezüglich des Funkchip FC angeordneten Tuning-Schaltung, insbesondere der Varicap VC nachteilig.

Anstelle einer externen Tuning-Schaltung TS, d.h. einer Tuning-Schaltung, die nicht auf dem Funkchip vorgesehen ist, ist es auch möglich, eine Tuning-Schaltung zur Erzeugung eines Steuersignals bzw. einer Steuerspannung auf dem Funkchip vorzusehen, welche eine digitale Frequenzkorrektur gestattet. Dazu ist in 2 eine Ausführung eines Quarzoszillator bzw. dessen Beschaltung gezeigt, bei der die Tuning-Schaltung im Funkchip vorgesehen ist.

Entsprechend 1 ist ein Quarzelement QO vorgesehen, das dafür ausgelegt ist, eine Schwingung mit einer Frequenz hoher Genauigkeit zu erzeugen. Soll nun die von dem Quarzelement bzw. der Oszillatorschaltung erzeugte Frequenz geändert werden, weil beispielsweise, wie oben erläutert, eine Anpassung der Trägerfrequenz an einen von einer Basisstation geforderten Wert durchzuführen ist, so wird die Anpassung nun nicht mehr mittels einer analogen Tuning-Schaltung, wie in 1, sondern mittels einer digital ansteuerbaren Kapazitätsbank KB11 durchgeführt. Die Kapazitätsbank KB11 umfasst dabei eine Mehrzahl von parallel geschalteten Kondensatoren K11 bis K14, die zum Erreichen einer ersten Gesamtkapazität mit einem bestimmten Wert einzeln zu- oder wegschaltbar sind. Dieses Zu- oder Wegschalten erfolgt mittels einem einem jeden Kondensator K11 bis K14 zugeordneten Schalter S11 bis S14. Von der Funkeinrichtung FE oder einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung wird dabei ein digitales Programmierwort bzw. Korrekturwort an die Kapazitätsbank KB11 gesendet, in der dann entsprechende Kondensatoren zu- oder weggeschaltet werden. In Abhängigkeit der somit erzeugten ersten Gesamtkapazität wird nun die Schwingung des Quarzelement QO derart beeinflusst, dass wiederum eine Änderung bzw. Anpassung der vom Quarzoszillator QO erzeugten Frequenz bewirkt wird.

Zwar bietet das gerade dargestellte Verfahren einer digitalen Frequenzkorrektur eines Quarzoszillators eine geringe Störunempfindlichkeit sowie eine preiswerte Herstellungsmöglichkeit, da alle für die Oszillatorschaltung (einschließlich des Quarzoszillators) verwendeten Komponenten auf dem Funkchip vorgesehen werden können. Da jedoch bei der Erzeugung einer Steuerkapazität durch die Kapazitätsbank KB11 nur diskrete oder quantisierte Frequenzen bzw. Frequenzänderungen aufgrund der diskreten oder quantisierten Änderungen δC der (ersten) Gesamtkapazität beim Zu- oder Wegschaltens eines Einstellkon densators K11 bis K14 mit einer Kapazität δC erzeugt werden können, ist bei der in 2 gezeigten digitalen Frequenzkorrektur keine genaue Einstellung der vom Quarzoszillator QO erzeugten Frequenz möglich (vgl. auch 6 für eine weitere Erläuterung).

Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Erzeugung einer Frequenz zu schaffen, die eine kostengünstige Einstellung der Frequenz mit hohen Genauigkeit gestattet.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dabei hat eine digital gesteuerte Oszillatorschaltung zunächst ein oder zumindest ein frequenzbestimmendes Bauteil zum Erzeugen einer Schwingung mit einer bestimmten Frequenz hoher Präzision. Es kann sich hierbei um ein Schwingelement, insbesondere in der Ausführung eines Quarzelements, handeln. Ferner hat die Oszillatorschaltung eine mit dem frequenzbestimmenden Bauteil verbundene Einstelleinrichtung zum Verändern der Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung, wobei die Einstelleinrichtung folgende Komponenten aufweist. Sie hat eine digital ansteuerbare erste Reaktanzbank, in der eine Mehrzahl von ersten Einstellreaktanzen in einer Zusammenschaltung zueinander angeordnet sind, und einzeln ansteuerbar sind, um eine vorbestimmte erste Gesamtreaktanz einzustellen. Bei einer Zusammenschaltung kann es sich hier wie im folgenden um eine Parallel- oder Serienschaltung handeln. Ferner sei bemerkt, dass eine Reaktanz als ein Widerstand des Wechselstroms, der nur durch induktiven und/oder kapazitativen Widerstand bewirkt wird, zu verstehen ist, und hier eine Verallgemeinerung einer Kapazität bzw. eines Kondensators und/oder einer Induktivität bzw. einer Spule usw. darstellt. Außerdem hat die Einstelleinrichtung eine Feineinstellschaltung, die zur ersten Reaktanzbank hinzu geschaltet ist und eine erste Reaktanz aufweist, welche in Serie zu einer Parallelschaltung aus einer zweiten Reaktanz und einer digital ansteuerbaren zweiten Reaktanzbank geschaltet ist, in der eine Mehrzahl von zweiten Einstellreaktanzen in Zusammenschaltung zueinander angeordnet sind, und einzeln ansteuerbar sind, um eine vorbestimmte zweite Gesamtreaktanz einzustellen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung hat die Einstelleinrichtung eine digital ansteuerbare erste Kapazitätsbank (als erste Reaktanzbank), in der eine Mehrzahl von ersten Einstellkondensatoren (als erste Einstellreaktanzen) in einer Zusammenschaltung zueinander angeordnet sind, und einzeln ansteuerbar sind, um eine vorbestimmte erste Gesamtkapazität (als erste Gesamtreaktanz) einzustellen. Ferner hat die Einstelleinrichtung eine Feineinstellschaltung, die zur ersten Kapazitätsbank hinzu geschaltet ist und einen ersten Kondensator (als erste Reaktanz) aufweist, welcher in Serie zu einer Parallelschaltung aus einem zweiten Kondensator (als zweite Reaktanz) und einer digital ansteuerbaren zweiten Kapazitätsbank (als zweite Reaktanzbank) geschaltet ist, in der eine Mehrzahl von zweiten Einstellkondensatoren (als zweite Einstellreaktanzen) in Zusammenschaltung zueinander angeordnet sind, und einzeln ansteuerbar sind, um eine vorbestimmte zweite Gesamtkapazität (als zweite Gesamtreaktanz) einzustellen.

Entsprechend kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Einstelleinrichtung eine digital ansteuerbare erste Induktivitätsbank (als erste Reaktanzbank) aufweisen, in der eine Mehrzahl von ersten Einstellinduktivitäten (als erste Einstellreaktanzen) in einer Zusammenschaltung zueinander angeordnet sind, und einzeln ansteuerbar sind, um eine vorbestimmte erste Gesamtinduktivität (als erste Gesamtreaktanz) einzustellen. Ferner hat die Einstelleinrichtung eine Feineinstellschaltung, die zur ersten Kapazitätsbank hinzu geschaltet ist und eine erste Induktivität (als erste Reaktanz) aufweist, welche in Serie zu einer Parallelschaltung aus einer zweiten Induktivität (als zweite Reaktanz) und einer digital ansteuerbaren zweiten Induktivitätsbank (als zweite Reaktanzbank) geschaltet ist, in der eine Mehrzahl von zweiten Einstellinduktivitäten (als zweite Einstellreaktanzen) in Zusammenschaltung zueinander angeordnet sind, und einzeln ansteuerbar sind, um eine vorbestimmte zweite Gesamtinduktivität (als zweite Gesamtreaktanz) einzustellen. Die Einstellinduktivitäten können dabei Spulen, Schwingkreise oder Leitungen mit bestimmter Induktivität umfassen.

Eine digital gesteuerte Oszillatorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung hat dabei folgende Vorteile:

a) Die Frequenzkorrektur im Schwingkreis des Oszillators erfolgt digital und ist dann beispielsweise unabhängig von D/A-(Digital-Analog-)Wandlereigenschaften (z.B. dem Verhalten bei Versorgungsspannungseinbrüchen).
b) Es kann ein Programmierwort digital an die Kapazitätsbänke der Einstelleinrichtung geschickt werden, wodurch eine große Störunempfindlichkeit bewirkt wird. Eine Filterung (wie bei der analogen Frequenzkorrektur) kann eingespart werden.
c) Da alle Komponenten der Oszillatorschaltung auf einem Chip vorgesehen werden können kommt es zu einer Einsparung von Platz, Bauelementen und Kosten, auch Bestückkosten.
d) Durch Vollintegration in einem integrierten Schaltkreis wird die Entwicklungszeit für die Oszillatorschaltung in einem elektrischen Gerät erheblich reduziert.

Durch die Verwendung der Feineinstellschaltung in der Einstelleinrichtung kann eine fast beliebige Auflösung und somit eine sehr genaue Frequenzeinstellung erreicht werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches Gerät mit einer Oszillatorschaltung gemäß einer oben erwähnten Ausgestaltung geschaffen. Das elektrische Gerät kann ein Funkmodul bzw. eine Funkeinrichtung aufweisen, in dem die Oszillatorschaltung, insbesondere zum Erzeugen einer Frequenz als Basis für eine Trägerfrequenz für ein Funksignal vorgesehen ist. Dabei kann das elektrische Gerät als ein (tragbarer) Computer oder als ein Mobilfunkgerät, insbesondere Mobiltelefon, ausgebildet sein. Das Funkmodul bzw. das Mobilfunkgerät kann gemäß den GSM (Global System for Mobile Communications)-, UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)-, DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications)-, WLAN (Wireless Local Area Network)- oder CDMA (Code Division Multiple Access)-Standard arbeiten.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schaltung zum Erzeugen und Einstellen der Frequenz mittels analoger Frequenzkorrektur;
2 eine Schaltung zum Erzeugen und Einstellen einer Frequenz mittels digitaler Frequenzkorrektur;
3 eine ausführliche Darstellung einer Schaltung zum Erzeugen und Einstellen einer Frequenz, insbesondere mittels analoger Frequenzkorrektur;
4 eine ausführliche Darstellung einer Schaltung zum Erzeugen und Einstellen einer Frequenz im Ersatzschaltbild der Komponenten von 3;
5 ein Ersatzschaltbild von 4, bei dem mehrere Kondensatoren zu einem Lastkondensator C_L bzw. einer Lastkapazität zusammengefasst worden sind;
6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Erzeugung einer digital gesteuerten variablen Kapa zität, im Beispiel mittels einer Parallelschaltung mehrerer kleiner Kondensatoren gegen Masse;
7 eine Darstellung der Frequenz f(C_L) als Funktion der Lastkapazität C_L;
8 ein Schaltbild einer Impedanzwandlerschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Einstellen der Frequenz einer Oszillatorschaltung, beispielsweise gemäß 5.
Bevor im folgenden eine bevorzugte Ausführungsform einer Schaltung zum Erzeugen bzw. Einstellen einer Frequenz mittels eines Oszillators bzw. einer Oszillatorschaltung erläutert werden wird, sei zunächst noch einmal auf die Grundtheorie von einstellbaren Oszillatoren bzw. Oszillatorschaltungen am Beispiel eines Quarzoszillators (CXO: Controlled Crystal Oscillator) eingegangen.
1. Frequenzeinstellung bei einstellbaren Oszillatoren
3A zeigt dabei nochmal die drei Hauptteile bzw. Hauptkomponenten eines gesteuerten Oszillators bzw. einer Oszillatorschaltung, die einen Schwingkreis bzw. ein Schwingungssystem bilden:

a) Einen aktiven Teil AT: dieser wirkt als negativer Widerstand und erlaubt die Oszillation des Systems, da er den Widerstand des Restes der Schaltung kompensiert. Dieser aktive Teil kann mit einem negativen Widerstand (-R bzw. -R_aktiv) in Serie zu einem Kondensator (C_aktiv) dargestellt werden (vgl. 3B).
b) Einen frequenzbestimmenden Teil FT (hier der Quarz): Dieser wird meistens als Serien-RLC-Schaltung dargestellt mit einem Parallelkondensator C₀. Für den Fall eines Quarzoszil lators sind die Quarzparameter R₁, C₁ und L₁ mit einer gewissen Präzision bekannt (vgl. 3C).
c) Einen Einstellungsteil ET: er wird meistens realisiert durch einen einstellbaren Kondensator (C_v) und einigen festen Kondensatoren (hier C_s und C_p) zur Schaltungzentrierung (vgl. 3D). Dieser einstellbare Kondensator kann durch ein Analogsignal eingestellt werden (wie es bereits bezüglich 1 erläutert worden ist), meistens einer Spannung (in diesem Fall handelt es sich um einem VC(X)O bzw. "Voltage Controlled (Crystal) Oscillator") oder durch ein digitales Signal , wie es unten noch genauer erläutert werden wird.

4 zeigt die gerade erläuterte Quarzoszillatorschaltung mit äquivalenten Komponenten.
Wenn man die Kondensatoren C_v, C_p, C_s und C_activ zusammenzählt bzw. zusammenfasst, wie es in 5 durchgeführt wurde, kann man die Darstellung des Oszillators bzw. der Oszillatorschaltung vereinfachen : das Schwingelement wird jetzt in Serie mit einer Kapazität bzw. Lastkapazität C_L geschaltet. C_L ist eine Funktion von C_v, C_p, C_s und C_activ. In diesem speziellen Fall lässt sich C_L anhand von 4 berechnen zu (Gleichung 1):
Wenn man mit
die Eigenfrequenz des Quarzes beschreibt, kann die Frequenz f, mit der die Schaltung oszillieren kann, jetzt als Funktion von C_L ausgedrückt werden (Gleichung 2):
Eine derartige Funktion der Frequenz f von der Lastkapazität C_L ist in 7 gezeigt.
Die Frequenz f der Oszillatorschaltung kann dann durch eine Änderung der Lastkapazität C_L eingestellt werden, und, weil C_L selbst von C_v abhängt, durch eine Änderung der einstellbaren Kapazität C_v.
2. Realisierung einer digital gesteuerten Oszillatorschaltung
In Folgenden soll nun die allgemeine Realisierung einer einstellbaren Kapazität C_v, wie sie oben bereits beschrieben wurde, erläutert werden.
Das Grundprinzip der Erzeugung eines Kondensators mit einer variablen Kapazität ist anhand von 6 gezeigt. Durch z.B. das Parallelschalten von mehreren Kondensatoren K01 bis K04 mit kleinen Kapazitäten dC_v erzeugt man eine größere Kapazität bzw. Gesamtkapazität C_V. Eine derartige Parallelschaltung wird auch als Kapazitätsbank KB01 bezeichnet (vgl. dazu auch 2 bezüglich der Kapazitätsbank KB11 mit den jeweiligen Einstellkondensatoren K11 bis K14). Wenn das Schalten mittels Schalter S01 bis S04 jeder einzelnen Kapazität bzw. jedes einzelnen Kondensators (mittels eines Programmierworts) programmierbar ist, wird der Wert der großen Kapazität C_V variabel.
Für die folgenden Erläuterungen sei also angenommen, dass die Kapazitätsbank KB01 eine Gesamtkapazität C_V aufweist, die durch Zu- oder Wegschalten der einzelnen Kapazitäten dC_v variierbar bzw. einstellbar ist.
Mit dem gerade beschriebenen Konzept ist die Frequenzgenauigkeit sehr abhängig von der kleinsten realisierbaren Kapazität dC_V. Wenn man die Frequenz als Funktion der gesamten Lastka pazität C_L (siehe Gleichung 2 und 7) betrachtet, ergibt sich für die Frequenzgenauigkeit df(C_L):
Der Wert dC_L ist hier die Genauigkeit, die für den Wert der gesamten Lastkapazität erreichbar ist. Weil C_L eine Funktion von C_v ist, kann man auch schreiben
Diese zwei Gleichungen geben die Frequenzgenauigkeit als Funktion der gesamten Lastkapazität C_L(C_v) und dem Kapazitätsschritt der Kapazitätsbank dC_v (Gleichung 3):
In vorliegenden Beispiel einer Oszillatorschaltung gemäß den 3 bis 5 können die zwei nächsten Gleichungen folgendermaßen geschrieben werden:
Um eine Vorstellung der Größenordnungen zu erhalten, soll folgendes Rechenbeispiel betrachtet werden. Es soll dabei die Frequenzgenauigkeit der Schaltung berechnet werden, wenn gilt C_v = 10pF , dC_v = 2fF, und die Quarzparameter folgende Größe haben :
f₀ = 25992606Hz
C₁ = 6.6fF
C₀ = 1.6pF
Die Schaltung ist dimensioniert mit
C_p = 4pF
C_s = C_activ = 40pF
In diesem Fall ergibt sich:
Es gibt jedoch Fälle (zum Beispiel in einer Mobilfunkanordnung, wie einem Mobiltelefon, das gemäß dem GSM-Standard arbeitet), bei denen diese Genauigkeit nicht ausreicht. Mann kann dann versuchen, die Quarzparameter oder andere Werte in der Schaltung zu optimieren, aber der Spielraum ist oft sehr eng.
Ferner kann man versuchen, den Wert der Kapazität dC_v zu reduzieren. Leider ist dies manchmal aufgrund der Technologie nicht möglich. Für solche Fälle kann nun eine Lösung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die im folgenden beschrieben werden wird, verwendet werden.
3. Erhöhung der Präzision durch der Benutzung eines Impedanzwandlers
Die oben beschriebene (einfache) Kapazitätsbank KB01 mit der variablen Kapazität C_v wird nun durch eine Impedanzwandlerschaltung IWS mit zwei Kapazitätsbänken, nämlich einer ersten Kapazitätsbank KB21 mit einer einstellbaren Kapazität C_vgrob und einer zweiten Kapazitätsbank KB22 mit einer einstellbaren Kapazität C_vfein ersetzt. Es sei erwähnt, dass der Aufbau (Parallelschaltung von Einstellkondensatoren) und die Funktionsweise jeder der neuen Kapazitätsbänke der der Kapazitätsbank KB01 (bzw. der Kapazitätsbank KB11 von 2) entspricht. Die Verschaltung der Impedanzwandlerschaltung ist in 8 gezeigt. Dabei bilden der Kondensator C_a, der Kondensator C_b und die zweite Kapazitätsbank KB22 eine Feineinstelleinrichtung bzw. Feineinstellschaltung FES, wie es im folgenden erläutert werden wird. Für jede der zwei Bänke ist die best erreichbare Präzision dC_v einer Kapazitätsänderung auf die minimal erreichbare Kapazität dC_vmin eines Kondensators bzw. Einstellkondensators begrenzt durch die Technologie (bei der Herstellung der Kondensatoren) oder die Anzahl der Kondensatoren in der Kapazitätsbank. In den meisten Fällen wird die Kapazität C_vgrob so dimensioniert, dass der gewünschte Frequenzziehbereich f(C_vgrobmax) – f(C_vgrobmin) erreicht wird mit einer mittleren Genauigkeit. Die feine Genauigkeit wird hier dann durch die Kombination von C_vfein, C_a und C_b erzielt.
Die äquivalente Kapazität bzw. Gesamtkapazität der Impedanzwandlerschaltung IWS wird nun mit C_v bezeichnet und kann wie folgt berechnet werden (Gleichung 4):
Daraus wird ersichtlich, dass C_v sich aus der Summe einer groben Kapazität C_vgrob und einer feiner quantisierten Kapazität C_add ergibt.
Wenn ΔC_add = C_add(C_vfeinmax) – C_add(C_vfeinmin) der maximale Kapazitätsbereich ist, den die Kapazität C_add abdecken muss, ist in den meisten Fällen gewünscht, dass gilt: 0 ≤ ΔCadd ≤ dCvgrob
Es ist hier sinnvoll, C_a + C_b ≫ C_vfein zu wählen. Man kann dann C_v mit einer Näherung wie folgt vereinfachen (Gleichung 5):
Die Gleichung 5 zeigt, dass man C_v durch geschickte Wahl von C_a und C_b linear benutzen kann. Dann entspricht dem durch C_a und C_b transformierten Kapazitätsbereich genau ein Schritt von C_vgrob. Dies wurde unter Punkt 2 gemacht. Es bleibt nur noch übrig zu zeigen, dass die Präzision sich verbessert hat.
Wenn C_vfein um einen kleinen Schritt bzw. Kapazitätsschritt dC_vfein geschaltet wird, entspricht das für dC_v einem Schritt
Nach Ableitung von Gleichung 4 ableitet, erhält man (Gleichung 6):
Um eine feine Auflösung zu erreichen, müsste man C_a und C_b so wählen, dass gilt C_a + C_b ≫ C_vfein. Die Gleichung 6 lässt sich dann wie folgt schreiben
Dies kann noch vereinfacht werden zu (Gleichung 8):
In einem konkreten Zahlenbeispiel sollen nun die vorteilhaften Auswirkungen der Impedanzwandlerschaltung IWS gezeigt werden: die Technologie zur Herstellung von Kondensatoren erlaubt die Herstellung eines Einstellkondensators einer Kapazitätsbank mit einem Kapazitätswert von dC_vfein = 2fF (= 2 Femtofarad) als kleinsten Wert. Es wird gewählt C_a= 1pF und C_b= 10pF. Die Gesamtkapazität C_v der Impedanzwandlerschaltung IWS kann dann in Sprüngen von dC_v quantisiert werden, die durch Gleichung 8 berechnet werden können: Hieraus ergibt sich schließlich für die effektive Kapazitätsänderung der Impedanzwandlerschaltung IWS bei Änderung der Kapazität von KB22 um dC_vfein: dC_v = 0.0165fF. Dies entspricht einem Verbesserungsfaktor von ungefähr 121 bei der Auflösung gegenüber der Lösung, bei der nur eine Kapazitätsbank zur Einstellung der Lastkapazität verwendet wird.
Bezugnehmend auf eine praktische Anwendung einer Oszillatorschaltung, wie sie bezüglich 1 und 2 erläutert worden ist, kann die eine Oszillatorschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, d.h. mit einer digital ansteuerbaren Impedanzwandlerschaltung IWS, ebenso auf einem Funkchip eines Mobiltelefons integriert werden. Beispielsweise könnte die in 2 gezeigte Kapazitätsbank KB11 durch die Impedanzwandlerschaltung IWS ersetzt werden. Es ist jedoch auch die Ver wendung der Oszillatorschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in anderen elektrischen Geräten denkbar, die für ihren Betrieb eine Frequenz mit hoher Genauigkeit benötigen.

Claims

Digital gesteuerte Oszillatorschaltung mit folgenden Merkmalen: einem frequenzbestimmenden Bauteil (QO) zum Erzeugen einer Schwingung mit einer bestimmten Frequenz hoher Präzision; einer mit dem frequenzbestimmenden Bauteil (QO) verbundenen Einstelleinrichtung (IWS) zum Verändern der Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung (QO), wobei die Einstelleinrichtung folgende Komponenten aufweist: eine digital ansteuerbare ersten Reaktanzbank (KB21), in der eine Mehrzahl von ersten Einstellreaktanzen in einer Zusammenschaltung zueinander angeordnet sind, und einzeln ansteuerbar sind, um eine vorbestimmte erste Gesamtreaktanz (C_vgrob) einzustellen; eine Feineinstellschaltung (FES), die zur ersten Reaktanzbank (KB21) hinzu geschaltet ist und eine erste Reaktanz (C_a) aufweist, welche in Serie zu einer Parallelschaltung aus einer zweiten Reaktanz (C_b) und einer digital ansteuerbaren zweiten Reaktanzbank (KB22) geschaltet ist, in der eine Mehrzahl von zweiten Einstellreaktanzen in Zusammenschaltung zueinander angeordnet sind, und einzeln ansteuerbar sind, um eine vorbestimmte zweite Gesamtreaktanz (C_vfein) einzustellen.
Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, bei der es sich bei dem frequenzbestimmenden Bauteil um ein Schwingelement (QO), insbesondere in der Ausführung eines Quarzelements, handelt.
Oszillatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste (C_a) und die zweite (C_b) Reaktanz zusammen eine sehr viel größere Reaktanz als die zweite Gesamtreaktanz (C_vfein) umfassen.
Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die erste (KB21) und/oder die zweite (KB22) Reaktanz bank durch ein digitales Programmierwort steuerbar ist, wobei in Abhängigkeit des Programmierworts jeweilige Einstellreaktanzen zu oder weggeschaltet werden.
Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der es sich bei der ersten und/oder zweiten Reaktanzbank um eine Kapazitätsbank handelt, in der eine Mehrzahl von Einstellkondensatoren als Einstellreaktanzen in einer Zusammenschaltung zueinander angeordnet sind, und einzeln ansteuerbar sind, um eine vorbestimmte Gesamtkapazität als Gesamtreaktanz einzustellen.
Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der es sich bei der ersten und/oder zweiten Reaktanzbank um eine Induktivitätsbank handelt, in der eine Mehrzahl von Einstellinduktivitäten als Einstellreaktanzen in einer Zusammenschaltung zueinander angeordnet sind, und einzeln ansteuerbar sind, um eine vorbestimmte Gesamtinduktivität als Gesamtreaktanz einzustellen.
Oszillatorschaltung nach Anspruch 6, bei dem es sich bei den Einstellinduktivitäten um Spulen, Schwingkreise oder Leitungen mit bestimmter Induktivität handelt.
Elektrisches Gerät mit einer Oszillatorschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 8, das als ein Mobilfunkgerät, insbesondere Mobiltelefon, ausgebildet ist.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 9, das nach dem GSM-, UMTS-, DECT-, WLAN- oder CDMA-Standard arbeitet.