DE10350512A1 - Oszillatorschaltkreis und Differentialschaltkreis mit induktiver Last zum Erhalt eines breiten Oszillationsfrequenzbereiches und niedrigem Phasenrauschen - Google Patents

Oszillatorschaltkreis und Differentialschaltkreis mit induktiver Last zum Erhalt eines breiten Oszillationsfrequenzbereiches und niedrigem Phasenrauschen Download PDF

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Tomohiro Sano
Hisayasu Sato
Toshio Kumamoto
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Abstract

Ein Oszillatorschaltkreis wird gebildet durch einen Differential-LC-Resonanzschaltkreis, der gebildet ist aus einem Differentialschaltkreis mit induktiver Last mit Abschnitten (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität und einem Kondensatorelement (C1), sowie einem positiven Rückkopplungsschaltkreis, gebildet aus N-Kanal-Transistoren (M1, M2). Der Abschnitt (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität ist dafür ausgelegt, seine Induktivität dadurch zu ändern, daß eine Mehrzahl von Schaltschaltkreisen (SW1 bis SW3, SW1d bis SW3d) ausgewählt wird, welche zwischen einer Mehrzahl von beliebigen Positionen auf einer spiralförmig verlaufenden Zwischenverbindungsschicht und dem Eingangs-/Ausgangsanschluß angeordnet sind, wodurch die Oszillationsfrequenz steuerbar wird. Die Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität bilden ein Induktorpaar, wenn der Schaltschaltkreis (SWndd) aus den Schaltschaltkreisen (SW1dd bis SW3dd), der zwischen die ersten Eingangs-/Ausgangsanschlüsse geschaltet ist, zusammen mit den Schaltschaltkreisen (SWn, SWnd) eingeschaltet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Oszillatorschaltkreis und einen Differentialschaltkreis mit induktiver Last und insbesondere einen Oszillatorschaltkreis, der einen LC-Resonanzschaltkreis, sowie einen Differentialschaltkreis mit induktiver Last verwendet, der an dem Oszillatorschaltkreis anbringbar ist.
  • In drahtlosen Vorrichtungen, beispielsweise tragbaren Telefonen wird ein lokaler Oszillatorschaltkreis für eine Frequenzwandlung empfangener Signale in niederfrequente Signale verwendet, welche eine Demodulation erlauben und zur Frequenzwandlung von Sendesignalen (d. h. Signalen, welche zu senden sind, in Hochfrequenzsignale und es besteht die Anforderung, daß ein breiter Oszillationsfrequenzbereich vorliegt, sowie niedriges Rauschen (Phasenrauschen) bei und um eine Oszillationsfrequenz herum.
  • Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO), der eine Bauart eines lokalen Oszillatorschaltkreises ist, verwendet ein Oszillationsphänomen, welches durch positive Rückkopplung im Schaltkreis bewirkt wird, wobei die Oszillationsfrequenz durch ein Steuersignal steuer- oder regelbar ist. Allgemein verwendet der VCO einen Resonanzschaltkreis oder verwendet eine Verzögerungszeit eines Schaltkreises.
  • In Verbindung mit dem VCO, der den Resonanzschaltkreis verwendet, ist ein LC-Oszillatorschaltkreis negativer Konduktanz als Oszillatorschaltkreis bekannt, der die negativen Widerstandscharakteristiken eines positiven Rückkopplungsschaltkreises verwendet, der aus Transistoren gebildet ist, wie zum Beispiel in A. Yamagishi et al., "A Low-Voltage 6-GHz-Band CMOS Monolithic LC-Tank VCO Using a Tuning-Range Switching Technique", IEICE Trans. Fundamentals, Vol. E84-A, Nr. 2, Feb. 2001 beschrieben. Da dieser Oszillatorschaltkreis den LC-Resonanzschaltkreis mit einer Induktivität und einem Kondensatorelement verwendet, kann er gute Phasenrauschcharakteristiken erzielen und die Anwendung von VCOs bei tragbaren kabellosen Vorrichtungen war zu erwarten.
  • Aufbau und Arbeitsweise eines herkömmlichen VCO wird nun in Zusammenhang mit beispielsweise einem LC-Oszillatorschaltkreis mit negativer Konduktivität beschrieben.
  • Ein herkömmlicher VCO wird aus einem CL-Resonanzschaltkreis gebildet, der seinerseits aus zwei induktiven Elementen und zwei Diodenelementen gebildet ist, sowie einem positiven Rückkopplungsschaltkreis, gebildet aus zwei Transistoren, von denen jeweils ein Gate mit einem Drain des anderen verbunden ist.
  • In diesem Aufbau ist eine Eingangsimpedanz Rin des positiven Rückkopplungsschaltkreises gleich –2/gm (Rin = – 2/gm), wobei gm eine beidseitige Konduktivität eines jeden Transistors wiedergibt. Von daher oszilliert der VCO, wenn ein Absolutwert ∣⁣Rin∣⁣ der Eingangsimpedanz gleich oder niedriger als ein äquivalenter Parallelwiderstand des Resonanzschaltkreises ist. Unter der Annahme, daß Induktivitäten L1 und L2 der beiden induktiven Elemente beide gleich groß L sind (d.h. L1 = L2 = L) und eine variable Sperrschichtkapazität gleich Cvar ist, wird eine Oszillationsfrequenz fosc durch die folgende Formel (1) ausgedrückt:
    Figure 00020001
  • Infolgedessen kann die Oszillationsfrequenz fosc abhängig von der Sperrschichtkapazität Cvar gesteuert werden, welche durch die Steuerspannung geändert wird, welche an dem Diodenelement anliegt.
  • Eine Oszillationsamplitude Aosc des VCO wird durch die folgende Formel (2) ausgedrückt und nimmt den Wert proportional zur Oszillationsfrequenz fosc an. Aosc ∝ 2πfoscL ... (2)
  • Wenn der LC-Resonanzschaltkreis in dem VCO mit der obigen Differentialstruktur für 1 bis 2 GHz verwendet wird, wird hauptsächlich ein LC-Typ mit konzentrierter Konstante ("lumped constant") verwendet, da dieser Typ die Fläche einer integrierten Struktur verringern kann. Eine variable Kapazität (Varaktor-Diode) wird hauptsächlich als Kapazitätselement verwendet. Das induktive Element ist in Form einer spiralförmigen Induktivität ausgebildet, welche eine spiralförmige Zwischenverbindung und eine Leiter-Zwischenverbindung hat und im wesentlichen auf dem gleichen Substrat wie die Transistorelemente ausgebildet ist.
  • Infolgedessen ist die Induktivität des Induktorelements abhängig von der Form der Spirale strikt bestimmt und kann nicht eingestellt werden, solange nicht die Ausbildung der Maske geändert wird.
  • Die Transistorelemente, welche auf dem gleichen Substrat ausgebildet sind, zeigen nicht notwendigerweise festgelegte Eigenschaften aufgrund von Änderungen bei den Herstellungsschritten. Somit tritt eine Induktivitäts-Fehlanpassung zwischen den Induktorelementen auf, was die Herstellungsausbeute verringert.
  • Viele Arten von Elementen mit variabler Induktivität, bei denen die Induktivität änderbar ist, selbst wenn die Induktorelemente in Schaltkreise eingebaut worden sind, wurden unlängst vorgeschlagen, z.B. in den japanischen offengelegten Patentanmeldungen Nr. 7-142258 und 8-162331.
  • Beispielsweise weist das Element mit variabler Induktivität gemäß der japanischen offengelegten Patentanmeldungen Nr. 7-142258 eine spiralförmige Elektrode auf einem Halbleitersubstrat mit einem dazwischenliegenden Isolierfilm und Schalt-Schaltkreise zum Kurzschließen verschiedener Windungsabschnitte der spiralförmigen Elektrode auf.
  • Wenn bei dieser Anordnung der Schalt-Schaltkreis in Antwort auf eine bestimmte angelegte Spannung eingeschaltet wird, wird der entsprechende Wicklungsabschnitt der spiralförmigen Elektrode lokal kurzgeschlossen. Dies ändert die Anzahl von Wicklungen des Elementes mit variabler Induktivität, so daß das Element mit variabler Induktivität seine Induktivität insgesamt ändert.
  • Wie bereits beschrieben ist die Oszillationsfrequenz fosc bei einem herkömmlichen VCO durch die variable Kapazität Cvar steuerbar. Der Äquivalent-Parallelwiderstand des LC-Resonanzschaltkreises sinkt jedoch mit einem Anstieg der variablen Kapazität Cvar. Von daher kann der VCO von einem Oszillationszustand abweichen, wenn der Kapazitätswert hoch ist. Somit ist es schwierig, einen breiten Oszillationsfrequenzbereich zu erhalten.
  • Weiterhin ist die Oszillationsamplitude Aosc des VCO proportional zur Oszillationsfrequenz fosc. In einem niederfrequenten Bereich ist daher die Oszillationsamplitude Aosc niedrig und der Signal-/Rauschabstand des Oszillationssignales ist niedrig, so daß die Phasenrauschcharakteristiken oder -eigenschaften verschlechtert werden.
  • Das voranstehend genannte Element mit variabler Induktivität leidet auch an dem Problem, daß der Q-Wert aufgrund eines Einschaltwiderstandes eines Schalt-Schaltkreises absinkt, der in Serie mit dem Induktorelement geschaltet ist. Dies führt zu einer Verschlechterung der Phasenrauscheigenschaften des Oszillatorschaltkreises, der auf dem Induktorelement ausgebildet ist.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Oszillatorschaltkreis bereitzustellen, der einen breiten Oszillationsfrequenzbereich und Eigenschaften hat, mittels denen niedriges Phasenrauschen erzielbar ist.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Differentialschaltkreis mit induktiver Last bereitzustellen, der an oder auf dem Oszillatorschaltkreis angebracht ist und mit dem die obigen Betriebseigenschaften erzielbar sind.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die im Anspruch 1 bzw. 7 bzw. 8 angegebenen Merkmale betreffend den Oszillatorschaltkreis und die Merkmale des Anspruches 12 bzw. 13 betreffend den Differentialschaltkreis, wobei die jeweiligen Unteransprüche vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt haben.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung führt ein Oszillatorschaltkreis eine Oszillation durch positive Rückkopplung eines LC-Resonanzschaltkreises durch und der LC-Resonanzschaltkreis beinhaltet einen parallelen. Resonanzschaltkreis, der aus einem Abschnitt mit variabler Induktivität gebildet ist, der eine Änderung der Induktivität durch einen Schalt-Schaltkreis und ein Kondensatorelement ermöglicht.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Oszillatorschaltkreis gebildet aus einem Paar von Transistoren, welche über Kreuz miteinander verbunden sind, sowie einem LC-Resonanzschaltkreis eines Differentialtyps, der mit dem Paar von Transistoren in einer Rückkopplungsverbindung ist. Der LC-Resonanzschaltkreis weist erste und zweite Abschnitte variabler Induktivität auf, mit ersten und zweiten Eingangs-/Ausgangsanschlüssen, wobei die Abschnitte an ihren zweiten Anschlüssen gemeinsam mit einem festen Knoten verbunden sind und in der Lage sind, Induktivitäten zu ändern, wobei ein erster Schalt-Schaltkreis zwischen die ersten Eingangs-/Ausgangsanschlüsse der ersten und zweiten Abschnitte variabler Induktivität geschaltet ist. Jeder der ersten und zweiten Abschnitte variabler Induktivität hat eine spiralförmige Zwischenverbindungsschicht ausgehend von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluß und ist auf einem Halbleitersubstrat mit einem dazwischenliegenden isolierenden Film ausgebildet, wobei eine Mehrzahl von zweiten Schalt-Schaltkreisen erste Anschlüsse hat, welche an beliebigen Positionen auf der Zwischenverbindungsschicht angeschlossen sind und zweite Anschlüsse, welche gemeinsam mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß in Verbindung sind. Wenn einer der zweiten Schalt-Schaltkreise eingeschaltet wird, verbindet der Oszillatorschaltkreis elektrisch die Verbindungsposition des eingeschalteten zweiten Schalt-Schaltkreises auf der Zwischenschicht mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß. Wenn der erste Schalt-Schaltkreis in Antwort auf das Einschalten des zweiten Schalt-Schaltkreises eingeschaltet wird, verbindet der erste Schalt-Schaltkreis elektrisch die ersten und zweiten Abschnitte variabler Induktivität.
  • Gemäß der Erfindung ist es, da die Oszillationsfrequenz des Oszillatorschaltkreises durch Ändern der Induktivität des LC-Resonanzschaltkreises gesteuert wird, möglich, einen Oszillatorschaltkreis zu erhalten, der eine Verschlechte rung der Phasenrauschcharakteristik bei niedrigen Oszillationsfrequenzbereichen verhindert, einen breiten Oszillationsfrequenzbereich ermöglicht und Eigenschaften hat, welche geringes Phasenrauschen sicherstellen.
  • Weiterhin werden die beiden Abschnitte variabler Induktivität in dem Differential-LC-Resonanzschaltkreis elektrisch miteinander verbunden, um ein Induktorpaar zu bilden, wobei die Verbindung durch den Schalt-Schaltkreis erfolgt, der zwischen den Abschnitten variabler Induktivität angeordnet ist. Somit ist es möglich, eine Verschlechterung eines Q-Wertes des Resonanzschaltkreises zu unterdrücken und der spannungsgesteuerte Oszillatorschaltkreis kann Betriebseigenschaften haben, mit welchen niedriges Phasenrauschen sichergestellt ist. Wenn der Differential-LC-Resonanzschaltkreis so ausgebildet ist, daß ein Kondensatorelement nicht hiermit verbunden ist, kann er als L-Lastdifferentialschaltkreis mit einem hohen Q-Wert und einer variablen Induktivität verwendet werden.
  • Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenschau mit der Zeichnung.
  • Es zeigt:
  • 1 exemplarisch einen Oszillatorschaltkreis gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Abschnittes variabler Induktivität;
  • 3 exemplarisch den Aufbau eines Schalt-Schaltkreises;
  • 4 ein Äquivalenz-Schaltkreisdiagramm des Abschnittes variabler Induktivität in 2;
  • 5 den Schaltkreisaufbau eines spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises von 1 mit Abschnitten Lvarl und Lvar2 variabler Induktivität, welche jeweils aus dem Abschnitt variabler Induktivität gemäß den 2 bis 4 gebildet sind;
  • 6 schematisch den Aufbau einer ersten Abwandlung des Abschnittes variabler Induktivität der 2 und 4;
  • 7 bis 9 jeweils Schaltkreisdiagramme zweiter, dritter und vierter Abwandlungen des Abschnittes variabler Induktivität der 2 und 4;
  • 10 ein Schaltkreisdiagramm eines Beispiels des Aufbaus eines Oszillatorschaltkreises gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 11 ein Schaltkreisdiagramm eines Beispiels des Aufbaus eines Oszillatorschaltkreises gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
  • 12 ein Schaltkreisdiagramm, welches schematisch den Aufbau einer Schalt-Schaltkreisgruppe 1 in einem spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreis gemäß 11 zeigt;
  • 13 ein Äquivalentschaltkreisdiagramm der Schalt-Schaltkreisgruppe 1 von 12;
  • 14 ein Äquivalentschaltkreisdiagramm der Schalt-Schaltkreisgruppe 1, welche von einer Δ-Verbindung zu einer Y-Verbindung geändert wird;
  • 15 den speziellen Layout-Aufbau der Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität von 11; und
  • 16 ein Schaltkreisdiagramm eines Beispiels des Aufbaus eines Oszillatorschaltkreises gemäß einer Abwandlung der dritten Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei in den jeweiligen Figuren der Zeichnung gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile bezeichnen.
  • [Erste Ausführungsform]
  • 1 zeigt den Aufbau eines Oszillatorschaltkreises gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsform wird als Beispiel des Oszillatorschaltkreises ein spannungsgesteuerter Oszillatorschaltkreis herangezogen.
  • Bezugnehmend auf 1, so ist ein spannungsgesteuerter Oszillatorschaltkreis gebildet aus einem LC-Resonanzschaltkreis des Differentialtyps, gebildet aus Abschnitten Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität, welche jeweils variable Induktivitäten haben, sowie einem Kondensatorelement C1 und einem positiven Rückkopplungsschaltkreis, gebildet aus N-Kanal MOS-Transistoren M1 und M2.
  • Jeder der Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität hat erste und zweite Eingangs/Ausgangsanschlüsse, wobei der zweite Eingangs/Ausgangsanschluß gemeinsam mit einem externen Energieversorgungsknoten Vdd verbunden ist. Die ersten Eingangs/Ausgangsanschlüsse sind mit Ausgangsknoten OUT bzw. OUTB verbunden. Das Kondensatorelement C1 ist zwischen die ersten Eingangs/Ausgangsanschlüsse der Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität geschaltet.
  • Eine Oszillationsfrequenz fosc des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises kann auf der Grundlage der Induktivitätswerte der Abschnitte variabler Induktivität und dem Kondensatorwert bestimmt werden.
  • Der positive Rückkopplungsschaltkreis beinhaltet den N-Kanal MOS-Transistor M1, der elektrisch zwischen den Abschnitten Lvar1 variabler Induktivität und einer Konstantstromversorgung Ibias verbunden ist, sowie den M-Kanal MOS-Transistor M2, der elektrisch zwischen den Abschnitt Lvar2 variabler Induktivität und die Konstantstromversorgung Ibias geschaltet ist.
  • Die N-Kanal MOS-Transistoren M1 und M2 sind mit deren Gates jeweils mit der entsprechenden anderen Drain verbunden und haben somit einen Kreuzverbindungsaufbau.
  • Die Arbeitsweise des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises von 1 wird nun beschrieben.
  • Bezugnehmend auf 1, kann, da der positive Rückkopplungsschaltkreis des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises als Schaltkreis mit zwei Anschlüssen betrachtet werden kann, eine Eingangsimpedanz Rin, gesehen von den Drains der N-Kanal-Transistoren M1 und M2 als Rin = –2/gm ausgedrückt werden, wobei gm die gegenseitige Konduktanz oder Wirkleitwert eines jeden N-Kanal MOS-Transistors ist. Dieser Schaltkreis oszilliert daher, wenn ein Absolutwert ∣⁣Rin∣⁣ der Eingangsimpedanz Rin gleich oder niedriger als ein Wert eines äquivalenten Parallelwiderstandes des LC-Resonanzschaltkreises ist. Dieser Schaltkreis kann auch als "LC-Oszillatorschaltkreis negativer Konduktivität" bezeichnet werden.
  • Wenn der Schaltkreis die voranstehenden Oszillationsbedingungen erfüllt, wird die Oszillationsfrequenz fOSC durch die folgende Formel (3) ausgedrückt, wobei L einen Induktivitätswert der Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität angibt und C1 einen Kapazitätswert des Kondensatorelementes C1 wiedergibt. Parasitäre Kapazitäten der jeweiligen passiven Elemente, Verbindungen etc. sind hierbei vernachlässigt.
  • Figure 00110001
  • Eine Oszillationsamplitude Aosc wird durch die folgende Formel (4) ausgedrückt: Aosc ∝ 2πfoscL ... (4)
  • Aus Formel (3) ergibt sich, daß die Oszillationsfrequenz fosc sich abhängig von dem Induktivitätswert L ändert. Beispielsweise sinkt die Oszillationsfrequenz fosc mit einem Anstieg des Induktivitätswertes L. Da in diesem Fall die Oszillationsfrequenz fosc abhängig von einem Anstieg des Induktivitätswertes L absinkt, wird eine Verschlechterung der Oszillationsamplitude Aosc gemäß Formel (4) verhindert. Daher ist es möglich, eine Verschlechterung von Phasenrauscheigenschaften zu vermeiden, welche aufgrund eines Absinkens der Oszillationsamplitude bei einem herkömmlichen VCO auftritt, wenn die Oszillationsfrequenz sich in einem niedrigen oder tiefen Bereich befindet.
    •
  • Nachfolgend wird ein konkretes Beispiel der Aufbauten der Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität beschrieben, welche in dem spannungsgesteuerten Oszillationsschaltkreis von 1 den LC-Resonanzschaltkreis bilden.
  • 2 zeigt schematisch ein Beispiel des Aufbaus der Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität. Da die Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität gleichen Aufbau haben, zeigt 2 repräsentativ nur den Abschnitt Lvarl variabler Induktivität.
  • Bezugnehmend auf 2 beinhaltet der Abschnitt Lvar1 variabler Induktivität eine spiralförmige Zwischenverbindungsschicht, welche auf einem (nicht gezeigten) Halbleitersubstrat ausgebildet ist, wobei ein isolierender Zwischenfilm dazwischen liegt, und wobei Schalt-Schaltkreise SW1–SW3 vorgesehen sind.
  • Die spiralförmige Zwischenverbindungsschicht ist aus einem metallischen Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer und ihre Formgebung ist nicht auf die gezeigte Quadratform beschränkt, sondern kann auch andere Formgebung haben, beispielsweise vieleckig oder kreisförmig.
  • Die Schalt-Schaltkreise SW1–SW3 haben erste Anschlüsse, welche mit jeweiligen Windungen der spiralförmigen Zwischenverbindungsschicht in Verbindung stehen und zweite Anschlüsse, welche mit einem Eingangs-/Ausgangsanschluß des Induktorelementes verbunden sind. Die Schalt-Schaltkreise SW1–SW3 empfangen Steuersignale zur Steuerung der Ein-/Ausschaltvorgänge.
  • 3 zeigt ein Beispiel des Aufbaus der Schalt-Schaltkreise SW1–SW3.
  • Gemäß 3 kann ein Schalt-Schaltkreis SWn (n = 1, 2 oder 3) aus einem N-Kanal MOS-Transistor 10 gebildet werden. Wenn der N-Kanal MOS-Transistor 10 mit einer Steuerspannung Vsw als Steuersignal Sn an seinem Gate versorgt wird, wird er abhängig vom Spannungspegel der Steuerspannung Vsw ein- oder ausgeschaltet. Wenn die Steuerspannung Vsw auf hohem Pegel ist (hochpotentialer Pegel) wird der N-Kanal MOS-Transistor 10 eingeschaltet, so daß der entsprechende Abschnitt der spiralförmigen Zwischenverbindungs schicht elektrisch mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluß des Induktorelementes verbunden ist. Wenn die Steuerspannung Vsw auf niedrigem Pegel (niedriger Potentialpegel) ist, wird der N-Kanal MOS-Transistor 10 abgeschaltet. Hierdurch wird ein entsprechender Abschnitt der spiralförmigen Zwi- schenverbindungsschicht elektrisch von dem Eingangs-/Ausgangsanschluß des Induktorelementes isoliert.
  • Somit wird einer der Schalt-Schaltkreise ausgewählt, um eine Steuerspannung Vsw auf hohem Pegel zu empfangen und die anderen Schalt-Schaltkreise werden mit einer Steuerspannung Vsw auf niedrigem Pegel versorgt, so daß ein beabsichtigter Induktivitätswert erhalten werden kann.
  • In dem Abschnitt variabler Induktivität mit dem Aufbau von 2 können, da die Schalt-Schaltkreise SW1–SW3 für die jeweiligen Wicklungen der spiralförmigen Zwischenverbindungsschicht vorgesehen sind, diskrete oder voneinander getrennte Induktivitätswerte erhalten werden.
  • In 3 wird ein N-Kanal MOS-Transistor als Schalt-Schaltkreis verwendet. Anstelle des N-Kanal MOS-Transistors kann jedoch auch ein bipolarer Transistor oder ein GaAs-MESFET (Metallhalbleiterfeldeffekttransistor) verwendet werden.
  • 4 ist ein Äquivalenzschaltkreis des Abschnitts Lvar1 variabler Induktivität von 2.
  • Bezugnehmend auf 4, so ist der Abschnitt variabler Induktivität in drei Induktorelemente L1, L2 und L3 durch die Schalt-Schaltkreise oder Schalterschaltkreise SW1–SW3 unterteilt, welche für die jeweiligen Wicklungen vorgesehen sind. Es sei angenommen, daß die Induktorelemente L1 bzw. L2 bzw. L3 Induktivitätswerte von L1 bzw. L2 bzw. L3 haben.
  • Wenn beispielsweise der Schalt-Schaltkreis SW1 eingeschaltet ist, haben alle Induktorelemente den Induktivitätswert von L1. Wenn der Schalt-Schaltkreis SW2 eingeschaltet ist, haben alle Induktorelemente den Induktivitätswert von (L1 + L2). Auf diese Weise wird einer der Schalt-Schaltkreise SW1–SW3 eingeschaltet, so daß die Induktivität selektiv die entsprechenden Werte innerhalb eines variablen Bereiches von L1 bis (L1 + L2 + L3) annehmen kann.
  • 5 zeigt einen Schaltkreisaufbau, in welchem die Abschnitte Lvar1 und Lvar2 in dem spannungsgesteuertem Oszillatorschaltkreis von 1 den Abschnitt variabler Induktivität der 2 bis 4 verwenden.
  • In dem spannungsgesteuertem Oszillatorschaltkreis von 5 sind die Abschnitte Lvar1 und Lvar2 in dem LC-Resonanzschaltkreis von 1 als Äquivalenzschaltkreise gemäß 4 ausgedrückt und die Schalt-Schaltkreise SW1–SW3 und SW1d–SW3d sind für die jeweiligen Wicklungen angeordnet. Das Kondensatorelement C1 in dem LC-Resonanzschaltkreis und der Schaltkreisaufbau des positiven Rückkopplungsschaltkreises sind ähnlich zu dem VCO von 1, so daß eine nochmalige Beschreibung nicht erfolgt.
  • Die Schalt-Schaltkreise SW1 und SW1d bilden eine Schalt-Schaltkreisgruppe. Auf ähnliche Weise bilden die Schalt-Schaltkreise SW2 und Sw2d eine Schalt-Schaltkreisgruppe und die Schalt-Schaltkreise SW3 und SW3d bilden eine Schalt-Schaltkreisgruppe.
  • Bei dieser Anordnung wird eine Schalt-Schaltkreisgruppe aus den drei Schalt-Schaltkreisgruppen ausgewählt und die Schalt-Schaltkreise SWn und Stand in der ausgewählten Gruppe werden eingeschaltet. Die Schalt-Schaltkreise in den anderen Schalt-Schaltkreisgruppen verbleiben abgeschaltet. Wenn beispielsweise die Schalt-Schaltkreise SW1 und SW1d eingeschaltet werden, nimmt jeder der Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität den Induktivitätswert L1 an. Durch Einschalten einer der Schalt-Schaltkreisgruppen kann somit die Induktivität des Abschnittes variabler Induktivität diskret oder stufenweise innerhalb des variablen Bereiches von L1 bis (L1 + L2 + L3) geändert werden, wie bereits beschrieben. Als Ergebnis kann der variable Bereich der Oszillationsfrequenz fosc des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises durch die folgende Formel (5) ausgedrückt werden:
    Figure 00150001
  • Selbst in dem niedrigen Frequenzbereich innerhalb des Frequenzbereiches variabler Oszillation verschlechtert sich die Oszillationsamplitude Aosc nicht aufgrund eines Anstiegs des Induktivität L, so daß eine Verschlechterung hinsichtlich des Phasenrauschens nicht auftritt.
  • Somit kann die erste Ausführungsform der Erfindung einen spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreis mit einem großen oder weiten Oszillationsfrequenzbereich und niedrigen Phasenrauschcharakteristiken bereitstellen, d.h. Charakteristiken, welche niedriges oder geringes Phasenrauschen sicherstellen.
  • [Abwandlung der ersten Ausführungsform] Gemäß obiger Beschreibung beinhaltet der Oszillatorschaltkreis der ersten Ausführungsform den LC-Resonanzschaltkreis, der wiederum den Abschnitt variabler Induktivität verwendet, um die wechselseitige Beziehung zwischen dem Frequenzbereich variabler Oszillation und den Phasenrauschcharakteristiken zu verbessern. Der Abschnitt varia bler Induktivität kann problemlos verschiedene Induktivitätswerte durch Schalten der Mehrzahl von Schalt-Schaltkreisen bereitstellen, welche für die spiralförmige Zwischenverbindungsschicht des Induktorelementes vorgesehen sind. Eine Abwandlung des Aufbaus des Abschnittes variabler Induktivität wird nachfolgend beschrieben.
  • 6 zeigt schematisch den Aufbau einer ersten Abwandlung des Abschnittes Lvar1 variabler Induktivität der 2 und 4. Der Abschnitt Lvar2 variabler Induktivität hat den gleichen Aufbau wie der Abschnitt Lvar1 variabler Induktivität, so daß eine Beschreibung hiervon nicht erfolgt.
  • Gemäß 6 beinhaltet der Abschnitt Lvar1 variabler Induktivität Schalt-Schaltkreise SW1–SW4, welche jeweils für ein Viertel einer Wicklung der spiralförmigen Zwischenverbindungsschicht angeordnet sind, so daß eine Anordnung erhalten wird, bei der ein Schalt-Schaltkreis zu dem Induktorelement der 2 und 4 hinzugefügt wird.
  • Bei dieser Anordnung kann eine beabsichtigte Induktivität auf ähnliche Weise durch Einschalten eines der Schalt-Schaltkreise SW1–SW4 erhalten werden. Weiterhin ist es durch Erhöhen der Anzahl von Schalt-Schaltkreisen möglich, den variablen Bereich des Induktivitätswertes zu erweitern, so daß die Steuerung feiner durchgeführt werden kann.
  • Durch Anordnen des Abschnittes variabler Induktivität von 6 an dem LC-Resonanzschaltkreis des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises von 1 ist es somit möglich, den variablen Bereich der Oszillationsfrequenz fosc zu erweitern, so daß die Steuerung feiner durchführbar ist. Die Anzahl von Schalt-Schaltkreisen und die Verbindungspositionen mit der spiralförmigen Zwischenverbindungsschicht sind nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern können beliebig geändert werden, um eine beabsichtigte Oszillationsfrequenz zu erhalten.
  • Weiterhin kann ein Absenken der Oszillationsamplitude Aosc aufgrund eines hohen Induktivität unterdrückt werden, selbst im niederfrequenten Bereich innerhalb des variablen Frequenzbereiches, so daß eine Verschlechterung der Phasenrauschcharakteristiken vermeidbar ist.
  • [Zweite Abwandlung der ersten Ausführungsform]
  • 7 ist ein Äquivalenzschaltkreisdiagramm des Aufbaus einer zweiten Abwandlung des Abschnittes Lvar1 variabler Induktivität der 2 und 4.
  • Gemäß 7 beinhaltet der Abschnitt Lvar1 variabler Induktivität Schalt-Schaltkreise SW4 und SW5 zusätzlich zu den Schalt-Schaltkreisen SW1–SW3, welche für die jeweiligen Wicklungen in dem Äquivalenzschaltkreis des Abschnittes variabler Induktivität von 4 angeordnet sind.
  • Der Schalt-Schaltkreis SW4 ist zwischen Eingangs-/Ausgangsanschlüssen 1 und 2 angeordnet und ist parallel zu den Induktorelementen L1–L3 geschaltet. Der Schalt-Schaltkreis SW5 ist zwischen dem Eingangs-/Ausgangsanschluß 1 und dem Anschluß des Schalt-Schaltkreises SW2 angeordnet und parallel zu den Induktorelementen L1 und L2 geschaltet.
  • Bei dieser Anordnung werden die Schalt-Schaltkreise SW1–SW5 selektiv eingeschaltet, so daß die Induktivität noch feiner und schrittweise geändert werden kann. Wenn beispielsweise nur der Schalt-Schaltkreis SW1 eingeschaltet wird, wird ein Induktivitätswert von L1 erhalten. Wenn nur der Schalt-Schaltkreis SW2 eingeschaltet ist, wird der Induktivitätswert gleich (L1 + L2). Ähnlich, wenn der Schalt- Schaltkreis SW3 angeschaltet wird, wird der Induktivitätswert gleich (L1 + L2 + L3).
  • Wenn die Schalt-Schaltkreise SW4 und SW5 eingeschaltet werden, beträgt der Induktivitätswert im wesentlichen 0. Wenn die Schalt-Schaltkreise SW5 und SW3 eingeschaltet werden, ist der Induktivitätswert gleich L3.
  • Gemäß obiger Beschreibung kann die Induktivität durch unterschiedliches Kombinieren der Ein- und Aus-Zustände der Mehrzahl von Schalt-Schaltkreisen fein geändert werden.
  • Durch Verwenden des Abschnittes variabler Induktivität von 7 in dem LC-Resonanzschaltkreis des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises von 1 ist es somit möglich, den variablen Frequenzbereich der Oszillationsfrequenz fosc zu erweitern, so daß die Steuerung feiner durchführbar ist.
  • [Dritte Abwandlung der ersten Ausführungsform]
  • 8 zeigt den Aufbau einer dritten Abwandlung des Abschnittes Lvar1 variabler Induktivität der 2 und 4.
  • Gemäß 8 beinhaltet der Abschnitt Lvar1 variabler Induktivität zusätzlich zu den Schalt-Schaltkreisen SW1–SW3 Schalt-Schaltkreise SW4–SW9 für die jeweiligen Wicklungen in dem Äquivalenzschaltkreis des Induktorelementes von 2.
  • Die Schalt-Schaltkreise SW4–SW6 sind jeweils parallel zu den Induktorelementen L1–L3 geschaltet. Der Schalt-Schaltkreis SW7 ist zwischen ein Ende des Induktorelementes L2 und ein Ende des Induktorelementes L3 geschaltet und liegt parallel zu den Induktorelementen L2 und L3. Der Schalt-Schaltkreis SW8 ist zwischen ein Ende des Induktorelementes L1 und ein Ende des Induktorelementes L2 geschaltet und liegt parallel zu den Induktorelementen L1 und L2. Der Schalt-Schaltkreis SW9 ist zwischen ein Ende des Induktorelementes L1 und ein Ende des Induktorelementes L3 geschaltet und liegt parallel zu den Induktorelementen L1, L2 und L3.
  • Bei dieser Anordnung werden die Schalt-Schaltkreise SW1–SW9 selektiv eingeschaltet, so daß die Induktivität des Abschnittes variabler Induktivität der 2 und 7 noch feiner steuerbar ist.
  • Wenn beispielsweise die Schalt-Schaltkreise SW2 und SW4 eingeschaltet werden, wird ein Induktivitätswert von L2 erhalten. Wenn die Schalt-Schaltkreise SW3 und SW8 eingeschaltet werden, wird der Induktivitätswert von L3 erhalten. Wenn die Schalt-Schaltkreise SW3 und SW4 eingeschaltet werden, wird der Induktivitätswert von (L2 + L3) erhalten.
  • Wie oben beschrieben kann die Induktivität noch feiner innerhalb des Änderungsbereiches durch Kombination der Ein/Aus-Zustände der Mehrzahl von Schalt-Schaltkreisen bestimmt werden. Durch Verwendung des Abschnittes variabler Induktivität gemäß 8 in dem LC-Resonanzschaltkreis des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises von 1 ist es möglich, den variablen Frequenzbereich der Oszillationsfrequenz focs zu erweitern und die Steuerung kann feiner durchgeführt werden.
  • [Vierte Abwandlung der ersten Ausführungsform]
  • 9 ist ein Schaltkreisdiagramm des Aufbaus einer vierten Abwandlung des Abschnittes Lvar1 variabler Induktivität von 2.
  • Gemäß 9 beinhaltet der Abschnitt Lvar1 variabler Induktivität eine Mehrzahl von Induktorelementen L1–L3 mit unterschiedlichen Induktivitätswerten und Schalt-Schaltkreise SW1–SW3 sind jeweils zwischen ein Ende der spiralförmigen Zwischenverbindungsschicht (nicht gezeigt) des entsprechenden Induktorelementes L1, L2 oder L3 und dem Eingangs-/Ausgangsanschluß geschaltet.
  • Der Abschnitt variabler Induktivität von 2 hat eine Mehrzahl von Schalt-Schaltkreisen, welche für eine spiralförmigen Zwischenverbindungsschicht angeordnet sind. Im Gegensatz hierzu beinhaltet das Induktorelement von 9 die Schalt-Schaltkreise für die jeweiligen spiralförmigen Zwischenverbindungsschichten in einer eins-zu-eins-Beziehung. Bei dem Abschnitt variabler Induktivität gemäß 9 kann daher die Induktivität durch Einschalten nur des Schalt-Schaltkreises geändert werden, der dem Induktorelement mit der beabsichtigten Induktivität entspricht.
  • Bei dem Abschnitt variabler Induktivität mit obigen Aufbau ist die Mehrzahl von spiralförmigen Zwischenverbindungsschichten parallel angeordnet, so daß die Schaltkreisgröße hoch ist. Jedoch ist die Anzahl von einem Schalt-Schaltkreis pro einem Induktorelement klein, so daß der Schaltkreisaufbau einfach ist.
  • [Zweite Ausführungsform]
  • 10 zeigt ein Beispiel eines Oszillatorschaltkreises gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Ähnlich zur ersten Ausführungsform wird als Beispiel für den Oszillatorschaltkreis ein spannungsgesteuerter Oszillatorschaltkreis beschrieben.
  • Gemäß 10 unterscheidet sich der spannungsgesteuerte Oszillatorschaltkreis von dem spannungsgesteuerten Os zillatorschaltkreis von 1 dahingehend, daß das Kondensatorelement, welches den LC-Resonanzschaltkreis bildet, eine variable Kapazität hat. Eine Beschreibung von weiteren gleichen oder einander entsprechenden Teilen zur ersten Ausführungsform erfolgt nicht.
  • Der LC-Resonanzschaltkreis ist gebildet aus Abschnitten Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität, welche jeweils zwischen einen externen Energieversorgungsknoten Vdd und einem Ausgangsknoten_OUT oder OUTB geschaltet sind, sowie einem variablem Kondensatorelement Cvar, welches zwischen die ersten Eingangs-/Ausgangsanschlüsse der Abschnitte Lvar1 und Lvar2 geschaltet ist. In der nachfolgenden Beschreibung sei angenommen, daß jedes passive Element eine Induktivität von L und einen Kapazitätswert von C hat.
  • Bei dieser Anordnung wird in die Oszillationsfrequenz fosc des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises durch die folgende Formel (6) ausgedrückt, wobei parasitäre Kapazitäten etc. eines jedes passiven Elementes von Verbindungsleitungen etc. unberücksichtigt sind.
  • Figure 00210001
  • Die Oszillationsamplitude Aosc wird durch die folgende Formel (7) ausgedrückt. Aosc ∝ 2πfosc·L ... (7)
  • Wie sich aus der Formel (6) ergibt, hängt die Oszillationsfrequenz fosc von einer Kombination zweier Variablen ab, nämlich der Induktivität L und dem Kapazitätswert C. von daher kann der änderbare Bereich der Oszillationsfrequenz weiter gemacht werden als bei dem spannungsgesteuer ten Oszillatorschaltkreis der ersten Ausführungsform, bei dem nur die Induktivität variabel ist.
  • Da die Oszillationsfrequenz durch Anheben der Induktivität L ähnlich wie in der ersten Ausführungsform abgesenkt werden kann, kann eine Verschlechterung der Oszillationsamplitude Aosc auch in einem niedrigen Oszillationsfrequenzbereich unterdrückt werden. Eine Verschlechterung der Phasenrauschcharakteristiken in dem niedrigen Oszillationsfrequenzbereich kann daher unterdrückt werden, so daß die wechselseitige Beziehung zwischen variablem Bereich der Oszillationsfrequenz und Phasenrauschen verbessert werden kann.
  • [Dritte Ausführungsform]
  • 11 zeigt den Aufbau eines Oszillatorschaltkreises gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Als Beispiel eines Oszillatorschaltkreises wird nachfolgend ein spannungsgesteuerter Oszillatorschaltkreis beschrieben.
  • Gemäß 11 beinhaltet der spannungsgesteuerte Oszillatorschaltkreis Schalt-Schaltkreis SW1dd – SW3dd, welche zwischen Abschnitten Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität des Differential-LC-Resonanzschaltkreises zusätzlich zu den Bauteilen des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises der ersten Ausführungsform von 5. Eine Beschreibung gleicher oder einander entsprechender Teile wird nicht nochmals wiederholt.
  • Die Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität beinhalten Schalt-Schaltkreise SW1 – SW3 oder SW1d – SW3d, welche entsprechend den jeweiligen Wicklungen angeordnet sind, und zwar ähnlich zu dem Abschnitt Lvar1 variabler Induktivität von 2.
  • Weiterhin ist ein Schalt-Schaltkreis SW1dd zwischen den Schalt-Schaltkreisen SW1 und SW1d angeordnet. Ein Schalt-Schaltkreis SW2dd ist zwischen den Schalt-Schaltkreisen SW2 und SW2d angeordnet. Ein Schalt-Schaltkreis SW3dd ist zwischen den SW3 und SWd angeordnet. Die Schalt-Schaltkreise SW1, SW1d und SW1dd bilden eine Schalt-Schaltkreisgruppe 1, die Schalt-Schaltkreise SW2, SW2d und SW2dd bilden eine Schalt-Schaltkreisgruppe 2 und die Schalt-Schaltkreise SW3, SW3d und SW3dd bilden eine Schalt-Schaltkreisgruppe 3.
  • Durch Auswahl einer der Schalt-Schaltkreisgruppen 1 – 3 werden die Schalt-Schaltkreise SWn, SWnd und SWndd (n = 1, 2, oder 3), welche die ausgewählte Schalt-Schaltkreisgruppe bilden, alle eingeschaltet. Infolgedessen werden die Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität elektrisch miteinander verbunden, um ein Induktorpaar zu bilden.
  • 12 zeigt schematisch den Aufbau einer Schalt-Schaltkreisgruppe 1, 2 oder 3 in dem spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreis von 11. Da die Schalt-Schaltkreisgruppen 1 – 3 gleichen Aufbau haben, wird nachfolgend nur der Aufbau der Schalt-Schaltkreisgruppe 1 als repräsentativ beschrieben.
  • Gemäß 12 sind die Schalt-Schaltkreise SW1 und SW1d parallel zwischen einem externen Energieversorgungsknoten Vdd und dem Induktorelement L1 geschaltet. Weiterhin ist der Schalt-Schaltkreis SW1dd zwischen die Schalt-Schaltkreise SW1 und SW1d geschaltet.
  • Die durch die Schalt-Schaltkreise SW1dd – SW3dd hervorgerufenen Wirkungsweisen oder Effekte sind wie folgt.
  • Bei dem spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreis von 11 wird eine der Schalt-Schaltkreisgruppen ausgewählt und eingeschaltet. Wenn beispielsweise die Schalt-Schalt kreisgruppe 1 ausgewählt wird, werden die Schalt-Schaltkreise SW1, SW1d und SW1dd eingeschaltet. Von daher wird die Induktivität gleich L1 in jedem der Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität gesetzt, welche zwischen dem externen Energieversorgungsknoten Vdd und den jeweiligen Ausgangsknoten OUT und OUTB angeordnet sind.
  • Weiterhin befinden sich die Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität in einem Zustand, in welchem diese Abschnitte elektrisch über den Schalt-Schaltkreis SW1dd verbunden sind. Ein Äquivalenz-Schaltkreis lediglich der Schalt-Schaltkreisgruppe 1 in diesem Zustand ist in 13 gezeigt. Ein Widerstandselement R ist der Einschalt-Widerstand eines jeden Schalt-Schaltkreises.
  • In dem Äquivalenz-Schaltkreis, der aus den drei Widerstandselementen R von 13 gebildet ist, kann eine Δ-Verbindung der Widerstandselemente R in eine Y-Verbindung geändert werden, wo die Schalt-Schaltkreisgruppe 1 sich in einen Äquivalenz-Schaltkreis gemäß 14 ändert. Gemäß 14 hat jeder der drei Widerstandselemente, welche den Äquivalenz-Schaltkreis bilden, einen Widerstandswert von R/3. Von daher hat eine Widerstandskomponente, welche in Serie mit jedem der Induktorelemente in den Abschnitten Lvar1 und Lvar2 gemäß 11 enthalten ist, einen Widerstandswert von R/3.
  • In jedem der Abschnitte variabler Induktivität des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises von 5 hat eine Widerstandskomponente, welche in Serie mit dem Induktorelement verbunden ist, den Widerstandswert von R gleich dem Ein-Widerstand der Schalt-Schaltkreis SW1 – SW3 und SW1d – SW3d. Das Zwischenschalten der Schalt-Schaltkreise SW1dd – SW3dd verringert somit die Widerstandswerte der Widerstandskomponenten auf 1/3.
  • Der Q-Wert des LC-Resonanzschaltkreises hat eine derartige Charakteristik, daß der Q-Wert des LC-Resonanzschaltkreises mit einem Absinken der Widerstandskomponente, die in Serienschaltung zu dem Induktorelement ist, ansteigt und mit einem Anstieg der Widerstandskomponente fällt. Somit kann der Resonanzschaltkreis in dem spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreis dieser Ausführungsform einen höheren Q-Wert als der LC-Resonanzschaltkreis in 5 aufgrund der Verringerung der Widerstandskomponente durch die Schalt-Schaltkreise SW1dd – SW3dd haben. Dies führt zu einer niedrigen Phasenrauschcharakteristik des spannungsgesteuerten Oszillators.
  • Der Differential-LC-Resonanzschaltkreis mit diesem Aufbau kann nicht nur bei dem spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreis dieser Ausführungsform angewendet werden, sondern auch bei einem RF-Schaltkreis, beispielsweise einem Differentialverstärker und einem Mischer, der einen Differential-LC-Resonanzschaltkreis als Last zur Erzielung hoher Verstärkungseigenschaften und niedriger Rauschcharakteristiken aufgrund eines hohen Q-Wertes hat. Ohne Schalten eines Kondensatorelementes kann der Schaltkreis auch alleine als ein L-Last-Differentialschaltkreis im RF-Schaltkreis oder dergleichen verwendet werden, wobei in diesem Fall ein Schaltkreis mit variablem Verstärkungsfaktor aufgrund des Merkmals erhalten werden kann, daß der Induktivitätswert variabel ist.
  • 15 zeigt eine Layout-Struktur der Abschnitte Lvar1 und Lvar2 in dem Differential-LC-Resonanzschaltkreis des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises von 11.
  • Gemäß 15 bilden die Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität eine Differential-Induktivität mit einer Kombination von zwei spiralförmig verlaufenden Zwischenverbindungsschichten. Ein Eingangs-/Ausgangsanschluß 1, der den beiden Abschnitten variabler Induktivität gemeinsam ist, ist mit einem externen Energieversorgungsknoten Vdd (in 15 nicht gezeigt) verbunden.
  • Weitere Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 2 und 3 der Abschnitte variabler Induktivität sind mit Ausgangsknoten OUT und OUTB des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises (in 15 nicht gezeigt) verbunden.
  • Durch Bereitstellen der beiden Abschnitte variabler Induktivität, die aus den Differentialtyp-Induktoren gemäß 15 gebildet sind, lassen sich die Schalt-Schaltkreise SW1dd – SW3dd zwischenschalten ohne die Schaltkreisabmessung zu erhöhen, so daß die Anordnung kompakt werden kann.
  • Bei der dritten Ausführungsform der Erfindung gemäß obiger Beschreibung sind die beiden Abschnitte variabler Induktivität elektrisch durch die Schalt-Schaltkreise verbunden, welche zwischen sie geschaltet sind, um ein Induktorpaar zu bilden, wodurch die Widerstandskomponente, die in Serie zu dem Induktor geschaltet ist, verringert werden kann, so daß eine Verschlechterung des Q-Wertes des Differential-LC-Resonanzschaltkreises unterdrückt werden kann und der spannungsgesteuerte Oszillatorschaltkreis hat die Eigenschaft, daß niedriges Phasenrauschen sichergestellt ist.
  • In dem Differential-LC-Resonanzschaltkreis wird das Induktorpaar aus den Differentialtyp-Induktoren gebildet. Hierdurch ist es möglich, den Anstieg der Schaltkreisgröße zu vermeiden, der sonst durch die Zwischenschaltung der Schalt-Schaltkreise verursacht werden würde, so daß der spannungsgesteuerte Oszillatorschaltkreis ein kompaktes Layout hat.
  • [Abwandlung der dritten Ausführungsform]
  • 16 ist ein Schaltkreisdiagramm der Anordnung eines spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises, welche ein Oszillatorschaltkreis gemäß einer Abwandlung der dritten Ausführungsform der Erfindung ist.
  • Gemäß 16 unterscheidet sich der spannungsgesteuerte Oszillatorschaltkreis vom spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreis der 11 dahingehend, daß das in dem Differential-LC-Resonanzschaltkreis enthaltene Induktorpaar aus Abschnitten Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität gebildet ist, wobei jeder Abschnitt aus einer Mehrzahl von Induktorelementen gebildet ist, sowie dahingehend, daß Schalt-Schaltkreise SW1dd – SW3dd vorhanden sind.
  • Eine Beschreibung dieser Abschnitte, welche denjenigen des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises von 11 entsprechen, erfolgt somit nicht noch einmal.
  • Das Induktorpaar ist aus den zwei Abschnitten Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität gebildet, welche parallel angeordnet und mit dem externen Energieversorgungsknoten Vdd verbunden sind, wobei die Schalt-Schaltkreis SW1dd – SW3dd zwischen den Abschnitten Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität angeordnet sind.
  • Die Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität haben den gleichen Aufbau wie diejenigen von 9. Der Abschnitt Lvar1 variabler Induktivität enthält eine Mehrzahl von Induktorelementen L1 – L3, welche parallel zwischen einem externen Energieversorgungsknoten Vdd und dem Ausgangsknoten OUT des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises verbunden sind und jeweils unterschiedliche Induktivitäten haben. Weiterhin beinhaltet der Abschnitt Lvar1 variabler Induktivität Schalt-Schaltkreise SW1 – SW3, welche zwischen die jeweiligen Induktorelemente L1 – L3 und den externen Energieversorgungsknoten Vdd geschaltet sind. Auf ähnliche Weise enthält der Abschnitt Lvar2 variabler Induktivität eine Mehrzahl von Induktorelementen L1 – L3, welche parallel zwischen dem externen Energieversorgungsknoten Vdd und dem Ausgangsknoten OUTB des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises verbunden sind und die jeweils unterschiedliche Induktivitäten haben, wobei Schalt-Schaltkreise SW1d – SW3d zwischen die jeweiligen Induktorelemente L1 – L3 und den externen Energieversorgungsknoten Vdd geschaltet sind.
  • Mit dieser Anordnung kann eine beabsichtigte oder gewünschte Induktivität in jedem der Abschnitte Lvar1 und Lvar2 variabler Induktivität durch Einschalten von einem aus der Mehrzahl von Schalt-Schaltkreisen SW1 – SW3 oder SW1d – SW3d erhalten werden.
  • Gleichzeitig mit dem Einschalten der Schalt-Schaltkreise SWn und SWnd wird ein entsprechender der Schalt-Schaltkreise SW1dd – SW3dd, der zwischen den Abschnitten variabler Induktivität liegt, eingeschaltet, um das Induktorpaar zu bilden. Von daher wird eine Widerstandskomponenten, welche in Serie zu jedem der Induktorelemente liegt, auf R/3 verringert, wie in der dritten Ausführungsform. Somit wird ein hoher Q-Wert in dem Differential-LC-Resonanzschaltkreis erhalten, so daß der spannungsgesteuerte Oszillatorschaltkreis die Charakteristik aufweist, mit der niedriges Phasenrauschen sichergestellt ist.
  • Ähnlich zur dritten Ausführungsform kann der so aufgebaute Differential-LC-Resonanzschaltkreis auch bei einem RF-Schaltkreis, beispielsweise einem Differentialverstärker und einem Mischer angewendet werden, so daß aufgrund des hohen Q-Wertes eine hohe Verstärkungseigenschaft und eine niedrige Rauscheigenschaft erhalten werden können. Ohne Verbindung mit dem Kondensatorelement kann der Schalt kreis rein als L-Last-Differentialschaltkreis im RF-Schaltkreis oder dergleichen verwendet werden, wobei in diesem Fall ein Schaltkreis mit variablem Verstärkungsfaktor aufgrund des Merkmals erhalten werden kann, daß der Induktivitätswert variabel ist.
  • Wie bereits in Verbindung mit den ersten bis dritten Ausführungsformen beschrieben, kann der Oszillatorschaltkreis gemäß der Erfindung die wechselseitige Beziehung zwischen dem variablen Frequenzbereich und der Phasenrauschcharakteristik aufgrund des LC-Resonanzschaltkreises verbessern, der so ausgebildet ist, daß die Steuerung durch die Schalt-Schaltkreise erfolgt, welche entsprechend den Abschnitten der spiralförmigen Zwischenverbindungsschicht angeordnet sind, so daß die variabler Induktivitätswerte zur Steuerung der Oszillationsfrequenz bereitgestellt werden.
  • Weiterhin beinhaltet bei der dritten Ausführungsform der Differential-LC-Resonanzschaltkreis die beiden Abschnitte variabler Induktivität, welche elektrisch über die Schalt-Schaltkreise verbunden sind, um das Induktorpaar zu bilden. Das Widerstandselement, welches in Serie zu dem Induktorelement geschaltet ist, wird hierdurch verringert, so daß ein hoher Q-Wert erhalten werden kann. Durch Anordnung des so aufgebauten Resonanzschaltkreises in dem spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreis läßt sich die Charakteristik eines niedrigen Phasenrauschens erhalten.
  • Da durch die Schalt-Schaltkreise eingebrachte Verluste nach wie vor einen hohen Einfluß auf den Q-Wert des Resonanzschaltkreises und die Phasenrauschcharakteristik des spannungsgesteuerten Oszillatorschaltkreises haben, ist es wünschenswert, diese Einschaltverluste zu verringern.
  • Infolgedessen kann der Schalt-Schaltkreis aus einem Transistor gebildet werden, beispielsweise einem Transistor mit vergrößerter Verarmungsschicht (nachfolgend als "DTE" entsprechend "Depletion-Layer-Extended Transistor") gebildet sein, der in der Lage ist, derartige Verluste zu verringern, wodurch die Phasenrauschcharakteristik weiter verbessert wird.
  • Der DTE hat einen Aufbau, der durch Entfernen eines P-Grabens, einer P+-Isolationsschicht und einer "Punchthrough-Stopperschicht" von einem herkömmlichen CMOS-Transistor gebildet werden kann, wodurch eine niedrige Übergangskapazität an den Source/Drain-Elektroden und ein hoher Massewiderstand erhalten werden, so daß niedrige Einschaltverluste erhalten werden. Genauere Aufbauten eines DTE sind beispielsweise beschrieben in "A 1.4 dB Insertion-Loss, 5 GHz Transmit/Receive Switch Utilizing Novel Depletion-Layer-Extended Transistors (DETs) in 0.18 μm CMOS Process", T. Ohnakado, et al., IEEE Symposium on VLSI Technology Digest of Tech. Papers, 16.4, Juni 2002.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Detail beschrieben und dargestellt; es versteht sich jedoch, daß diese Beschreibung rein illustrativ und nicht einschränkend ist, da sich der Gegenstand und Umfang der vorliegenden Erfindung alleine aus den folgenden Ansprüchen bzw. deren Äquivalenten ergibt.

Claims (13)

  1. Ein Oszillatorschaltkreis zur Durchführung einer Oszillation durch positive Rückkopplung eines LC-Resonanzschaltkreises, wobei der LC-Resonanzschaltkreis einen parallelen Resonanzschaltkreis beinhaltet, der gebildet ist aus einem. Abschnitt (Lvar1) variabler Induktivität, der eine Änderung einer Induktivität durch einen Schalt-Schaltkreis und ein Kondensatorelement (C1) ermöglicht.
  2. Oszillatorschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (Lvar1) variabler Induktivität beinhaltet: erste und zweite Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (1, 2); eine spiralförmig verlaufende Zwischenverbindungsschicht beginnend an dem ersten Eingangs/Ausgangsanschluß (2) und ausgebildet auf einem Halbleitersubstrat mit einem isolierenden Zwischenschichtfilm dazwischen; und eine Mehrzahl von Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3) mit ersten Anschlüssen, welche an beliebigen Positionen mit der Zwischenverbindungsschicht verbunden sind und mit zweiten Anschlüssen, welche gemeinsam mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) verbunden sind, wobei wenn einer aus der Mehrzahl von Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3) eingeschaltet ist, die Position der zwischenverbindungsschicht, welche mit dem eingeschalteten Schalt-Schaltkreis (SWn) verbunden ist, elektrisch mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) verbunden ist.
  3. Oszillatorschaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (Lvar1) variabler Induktivität weiterhin eine Mehrzahl von zweiten Schalt-Schaltkreisen (SW4 bis SW9) aufweist, von denen jeder einen ersten Anschluß in Verbindung mit dem ersten Anschluß eines aus der Mehrzahl von Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3) hat und einen zweiten Anschluß hat, der mit dem ersten Anschluß eines anderen aus der Mehrzahl von Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3) verbunden ist, wobei wenn einer aus der Mehrzahl von Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3) und einer aus der Mehrzahl der zweiten Schalt-Schaltkreise (SW4 bis SW9) eingeschaltet ist, die Position der Zwischenverbindungsschicht, welche mit dem eingeschalteten Schalt-Schaltkreis verbunden ist, elektrisch mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) verbunden ist.
  4. Oszillatorschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (Lvar1) variabler Induktivität aufweist: erste und zweite Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (1, 2); eine Mehrzahl von spiralförmigen Zwischenverbindungsschichten (L1 bis L3), welche von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluß (2) ausgehen und auf einem Halbleitersubstrat mit einem isolierenden Zwischenschichtfilm dazwischen ausgebildet sind; und die Mehrzahl von Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3), welche zwischen hinteren Enden der Mehrzahl von Zwischenverbindungsschichten (L1 bis L3) bzw. den zweiten Eingangs-/Ausganganschluß (1) verbunden sind, wobei wenn einer aus der Mehrzahl von Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3) eingeschaltet wird, das hintere Ende der Zwischenverbindungsschicht (Ln) in der Mehrzahl von Zwischenverbindungsschichten (L1 bis L3) und in Verbindung mit dem eingeschalteten Schalt-Schaltkreis (SWn) elek trisch mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) verbunden ist.
  5. Oszillatorschaltkreis nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalt-Schaltkreis (SWn) ein Transistorelement (10) beinhaltet, welches abhängig von einem Spannungspegel einer Steuerspannung ein-/ausschaltbar ist.
  6. Oszillatorschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorelement (C1) in den LC-Resonanzschaltkreis einen variablen Kapazitätswert hat.
  7. Ein Oszillatorschaltkreis mit: einem Paar von Transistoren (M1, M2) in Kreuzverbindung miteinander; und einem LC-Resonanzschaltkreis eines Differentialtyps, der mit dem Paar von Transistoren in Rückkopplungsweise verbunden ist, wobei der LC-Resonanzschaltkreis aufweist: erste und zeite Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität mit ersten und zweiten Eingangs-/Ausgangsanschlüssen (1, 2), wobei der zweite Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) gemeinsam mit einem festen Knoten verbunden ist und die ersten und zweiten Abschnitte variabler Induktivität in der Lage sind, ihre Induktivitäten zu ändern, und einen ersten Schalt-Schaltkreis (SW1dd bis SW3dd), welcher zwischen den ersten Eingangs-/Ausgangsanschlüssen (2) der ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität geschaltet sind, wobei jeder der ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität aufweist: eine spiralförmig verlaufende Zwischenverbindungsschicht, ausgehend von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluß (2) und ausgebildet auf einem Halblei tersubstrat mit einem isolierenden Zwischenschichtfilm dazwischen, und eine Mehrzahl von zweiten Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3, SW1d bis SW3d) mit ersten Anschlüssen, welche an beliebigen Positionen an der Zwischenverbindungsschicht angeschlossen sind und mit zweiten Anschlüssen, welche gemeinsam mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) verbunden sind, wobei, wenn einer aus der Mehrzahl von zweiten Schalt-Schaltkeisen (SW1 bis SW3, SW1d bis SW3d) eingeschaltet wird, die Stelle auf der Zwischenverbindungsschicht, welche mit dem eingeschalteten zweiten Schalt-Schaltkreis (SWn, SWnd) verbunden ist, elektrisch mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) verbunden ist, und wenn der erste Schalt-Schaltkreis (SWndd) in Antwort auf das Einschalten des zweiten Schalt-Schaltkeises (SWn, SWnd) eingeschaltet wird, der erste Schalt-Schaltkreis die ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität miteinander verbindet.
  8. Ein Oszillatorschaltkreis mit: einem Paar von Transistoren (M1, M2) in Kreuzverbindung miteinander; und einen LC-Resonanzschaltkreis eines Differentialtyps, der mit dem Paar von Transistoren in Rückkopplungsweise verbunden ist, wobei der LC-Resonanzschaltkreis aufweist: erste und zeite Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität mit ersten und zweiten Eingangs-/Ausgangsanschlüssen (1, 2), wobei der zweite Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) gemeinsam mit einem festen Knoten verbunden ist und die ersten und zweiten Abschnitte variabler Induktivität in der Lage sind, ihre Induktivitäten zu ändern, und einen ersten Schalt-Schaltkreis (SW1dd bis SW3dd), welcher zwischen den ersten Eingangs-/Ausgangsanschlüssen (2) der ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität geschaltet sind, wobei jeder der ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität aufweist: eine Mehrzahl von spiralförmigen Zwischenverbindungsschichten (L1 bis L3) ausgehend von dem ersen Eingangs-/Ausgangsanschluß (2) und ausgebildet auf einem Halbleitersubstrat mit einem isolierenen Zwischenschichtfilm dazwischen, und eine Mehrzahl von zweiten Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3, SW1d bis SW3d), welche zwischen hintere Enden der Mehrzahl von Zwischenverbindungsschichten (L1 bis L3) bzw. den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) geschaltet sind, wobei wenn einer der Mehrzahl von zweiten Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3, SW1d bis SW3d) eingeschaltet wird, das hintere Ende der Zwischenverbindungschicht (Ln) aus der Mehrzahl von Zwischenverbindungsschichten (L1 bis L3) in Verbindung mit dem eingeschalteten zweiten Schalt-Schaltkreis (SWn, Stand) elektrisch mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) verbunden wird, und wenn der erste Schalt-Schaltkreis (SWndd) in Antwort auf das Einschalten des zweiten Schalt-Schaltkreises (SWn, Stand) eingeschaltet wird, dann der erste Schalt-Schaltkreis die ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität elektrisch miteinander verbindet.
  9. Oszillatorschaltkreis nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität ein Differential-Induktorelement bilden.
  10. Oszillatorschaltkreis nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der ersten und zweiten Schalt-Schaltkreise (SWndd, SWn, SWnd) ein Transistorelement (10) beinhaltet, welches abhängig von dem Spannungspegel einer Steuerspannung ein-/ausgeschaltet wird.
  11. Oszillatorschaltkreis nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorelement (C1) in dem LC-Resonanzschaltkreis einen variablen Kapazitätswert hat.
  12. Ein Differentialschaltkreis mit induktiver Last, mit einem Induktorpaar mit ersten und zweiten Abschnitten (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität, welche zweite Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (1) haben, welche gemeinsam mit einem festen Knoten verbunden sind, und in der Lage sind, ihre Induktivitäten zu ändern und einem ersten Schalt-Schaltkreis SW1dd bis SW3dd, welcher zwischen die ersten Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (2) der ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität geschaltet sind, wobei jeder der ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität aufweist: eine spiralförmige Zwischenverbindungsschicht, ausgehend von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluß (2) und ausgebildet auf einem Halbleitersubstrat mit einem isolierenden Zwischenschichtfilm dazwischen, und eine Mehrzahl von zweiten Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3, SW1d bis SW3d) mit ersten Anschlüssen, welche mit beliebigen Positionen auf der Zwischenverbindungsschicht in Verbindung sind und mit zweiten Anschlüssen, welche gemeinsam mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) verbunden sind, wobei wenn einer aus der Mehrzahl von zweiten Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3, SW1d bis SW3d) eingeschaltet wird, die Position auf der Zwischenverbindungsschicht in Verbindung mit dem eingeschaltenen zweiten Schalt-Schaltkreis (SWn, Stand) elektrisch mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) verbunden ist und wenn der erste Schalt-Schaltkreis (SWndd) in Antwort auf das Einschalten des zweiten Schalt-Schaltkreises (SWn, Stand) eingeschaltet wird, der erste Schalt-Schaltkreis die ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität verbindet.
  13. Ein Differentialschaltkreis mit induktiver Last, mit einem Induktorpaar mit ersten und zweiten Abschnitten (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität mit zweiten Eingangs-/Ausgangsanschlüssen (1), welche gemeinsam mit einem festen Knoten verbunden sind und in der Lage sind, ihre Induktivitäten zu ändern, und einem ersten Schalt-Schaltkreis (SW1dd bis SW3dd) geschaltet zwischen erste Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (2) der ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität, wobei jeder der ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität aufweist: eine Mehrzahl von spiralförmigen Zwischenverbindungsschichten (L1 bis L3) ausgehend von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluß (2) und ausgebildet auf einem Halbleitersubstrat mit einem isolierenden Zwischenschichtfilm dazwischen, und eine Mehrzahl von zweiten Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3, SW1d bis SW3d) zwischen hinteren Enden der Mehrzahl von Zwischenverbindungsschichten (L1 bis L3) bzw. den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß (1), wobei wenn einer aus der Mehrzahl von zweiten Schalt-Schaltkreisen (SW1 bis SW3, SW1d bis SW3d) eingeschaltet wird, das hintere Ende der Zwischenverbindungsschicht (Ln) aus der Mehrzahl von Zwischenverbindungsschichten (L1 bis L3), welches mit dem eingeschalteten zweiten Schalt-Schaltkreis (SWn, SWnd) verbunden ist, elektrisch mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß (1) verbunden wird, und wenn der erste Schalt-Schaltkreis (SWndd) in Antwort auf das Einschalten des zweiten Schalt-Schaltkreises (SWn, SWnd) eingeschaltet wird, der erste Schalt-Schaltkreis elektrisch die ersten und zweiten Abschnitte (Lvar1, Lvar2) variabler Induktivität verbindet.
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