DE112006001356T5

DE112006001356T5 - Rauschtoleranter spannungsgesteuerter Oszillator

Info

Publication number: DE112006001356T5
Application number: DE112006001356T
Authority: DE
Inventors: Naresh Champaign Shanbhag; Hyeon Min Champaign Bae; Jinki Savoy Park; Paul San Jose Suppiah
Original assignee: Finisar Corp
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2008-07-24
Also published as: ATE505846T1; GB2443343A; WO2006128115A2; GB0724002D0; US7298226B2; EP1894296B1; US20090237138A1; US7609102B2; JP4855465B2; US20070018742A1; CN101194419A; CN101189791A; DE602006021305D1; JP2008543184A; WO2006128115A3; WO2006128114A1; EP1894296A1; EP1894296A4; AU2006249316A1; CN101194419B

Abstract

Spannungsgesteuerter Oszillator, mit:
einem Varaktorelement mit zwei Varaktoreingangsknoten und zwei Varaktorausgangsknoten, wobei ein Eingangssignal an den Varaktoreingangsknoten eine Kapazität des Varaktorelements an den Varaktorausgangsknoten ändert;
einem Induktorelement, das mit den Varaktorausgangsknoten gekoppelt ist;
einer Vorspannungsschaltung, die mit dem Varaktorelement gekoppelt ist, zum Erzeugen eines Vorspannungssignals an den Varaktorausgangsknoten; und
einer Abstimmschaltung, die ein von der Vorspannung abhängiges Steuersignal an einem Abstimmausgang liefert, wobei der Abstimmausgang mit den Varaktoreingangsknoten gekoppelt ist, und wobei die Abstimmschaltung ein Abstimmsignal mit dem Vorspannungssignal kombiniert, um das von der Vorspannung abhängige Steuersignal zu erzeugen, und das kombinierte Abstimmsignal zu den Varaktoreingangsknoten liefert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/684195 mit dem Titel "C1ock Data Recovery Architecture", eingereicht am 24. Mai 2005, die hiermit durch Literaturhinweis in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen spannungsgesteuerten Oszillator und insbesondere auf einen spannungsgesteuerten Oszillator, der ein variables kapazitives Element umfasst.
STAND DER TECHNIK
Viele Schaltungen verwenden heute spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs), um ein zuverlässiges periodisches Signal zu erzeugen. Phasenregelkreise (PLLs) umfassen beispielsweise typischerweise einen VCO für die Tastgradkorrektur, Phasen/Verzögerungs-Kompensation und/oder Frequenzvervielfachung. Obwohl VCOs in verschiedenen Konfigurationen erscheinen (z. B. ein Ringoszillator, ein Kristalloszillator oder ein LC-Parallelresonanzkreis), empfängt ein VCO im Allgemeinen ein Spannungsabstimmsignal, das ein gewünschtes periodisches Ausgangssignal angibt. Das angelegte Spannungssignal kann verändert werden, um die Frequenz des Ausgangssignals einzustellen oder abzustimmen. Unter Verwendung eines solchen Spannungssignals kann ein PLL beispielsweise einen VCO abstimmen, bis der VCO eine gewünschte Wellenform ausgibt. Wenn die Wellenform an irgendeinem Punkt des Betriebs eingestellt oder korrigiert werden muss, stellt der PLL die Amplitude des Spannungssignals ein, um den VCO abzustimmen.
Da VCOs in der Nähe einer anderen Schaltungsanordnung liegen, sich häufig dasselbe Substrat und die Vorspannung teilen, unterliegen VCOs leider Rauschen (z. B. Gleichtakt-Spannungsverschiebungen). Überdies können Umgebungsfaktoren wie z. B. Temperatur und elektromagnetische Strahlung auch Rauschen erzeugen. Ein solches Rauschen verringert die Leistung eines VCO und kann den Betriebsaufwand erhöhen. Das Gleichtakt-Spannungsrauschen innerhalb eines VCO kann beispielsweise die Kapazität von Schaltungselementen erhöhen, die der VCO umfasst. Wenn der VCO ein Abstimmsignal empfängt, kann die erhöhte Kapazität die Menge an Zeit verlängern, die der VCO benötigt, um die korrekte Wellenform zu erzeugen. Eine solche Zeitverzögerung kann ebenso die Leistung von Schaltungen und Vorrichtungen, die den VCO verwenden, verringern. Daher ist es erwünscht, einen VCO zu schaffen, der Rauschen ausgesetzt werden kann, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb eines rauschtoleranten VCO werden dargestellt. In einem Beispiel umfasst ein VCO ein Varaktorelement mit zwei Eingangsknoten und zwei Ausgangsknoten. Die Ausgangsknoten des Varaktorelements sehen eine effektive Kapazität vor und sind mit einem induktiven Element gekoppelt. Das Varaktorelement kann beispielsweise vier Varaktordioden umfassen, die dazu beschaffen sind, ein Eingangssignal zu empfangen.
Zusammen wirken das induktive Element und das Varaktorelement als differentieller Parallelresonanzkreis (der als zwei Parallelresonanzkreise betrachtet werden kann), der eine gewünschte LC-Konstante des VCO erzeugt. Um das Varaktorelement korrekt vorzuspannen, liefert eine Vorspannungsschaltung ein Vorspannungssignal zu den Ausgangsknoten des Varaktorelements. Die Vorspannungsschaltung kann beispielsweise eine Bandlücken-Referenzschaltung sein.
Um den VCO abzustimmen, sind die Eingangsknoten des Varaktorelements zum Empfangen eines von der Vorspannung abhängigen Steuersignals gekoppelt, das eine Kombination eines Abstimmsignals und des Vorspannungssignals ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleichtakt oder Mittelwert des von der Vorspannung abhängigen Signals im Wesentlichen gleich dem Vorspannungssignal. Das von der Vorspannung abhängige Steuersignal stellt den Kapazitätswert des Varaktorelements ein. Folglich kann die LC-Konstante geändert werden, was ein periodisches Ausgangssignal mit einer gewünschten Frequenz erzeugt. Da das von der Vorspannung abhängige Steuersignal eine Kombination des Abstimmsignals und des Vorspannungssignals ist, wird vorteilhafterweise irgendein Rauschen, einschließlich einer Gleichtakt-Spannungsverschiebung, gemildert.
In einem Beispiel kann das von der Vorspannung abhängige Steuersignal durch eine Abstimmschaltung erzeugt werden. Die Abstimmschaltung kann einen Differenzverstärker umfassen und das Abstimm- und das von der Vorspannung abhängige Steuersignal können ebenso differentielle Signale sein. Der Differenzverstärker kann beispielsweise Gleichtaktspannungen, die potentiell über dem Abstimmsignal auftreten können, weiter mildern. Um den Abstimmwirkungsgrad oder die Geschwindigkeit zu erhöhen, kann der Differenzverstärker der Abstimmschaltung auch über einen Treiber mit niedriger Impedanz wie z. B. eine Emitterfolger-Schaltungsanordnung mit dem Varaktorelement gekoppelt sein.
In einem zusätzlichen Beispiel kann der VCO ein Paar von Widerstandselementen, ein Paar von kapazitiven Elementen und eine negative Widerstandskomponente umfassen, die alle mit den Ausgangsknoten des Varaktorelements gekoppelt sind. Die Widerstandselemente können verwendet werden, um das Vorspannungssignal zu den Ausgangsknoten des Varaktorelements zu verteilen. Das Vorspannungssignal kann beispielsweise an einen gemeinsamen Knoten angelegt werden, wo beide Widerstandselemente miteinander gekoppelt sind. Außerdem kann die Vorspannungsschaltung mit dem gemeinsamen Knoten über einen Treiber mit niedriger Impedanz wie z. B. eine Emitterfolger-Schaltungsanordnung gekoppelt sein.
Die kapazitiven Elemente können andererseits verwendet werden, um die Kopplung des Varaktorelements mit der negativen Widerstandskomponente zu fördern. Im Allgemeinen liefert die negative Widerstandskomponente Energie zum VCO, um die Ausgangswellenform aufrechtzuerhalten. In einem Beispiel kann der negative Widerstand ein Differentialpaar umfassen, das einen negativen Übertragungsleitwert über den Ausgangsknoten des Varaktorelements vorsieht.
In einem alternativen Beispiel wird ein Verfahren zum Betreiben eines VCO beschrieben. In dem beispielhaften Verfahren empfängt ein VCO ein Abstimmsignal und ein Vorspannungssignal. Der VCO kombiniert das Abstimm- und das Vorspannungssignal zu einem von der Vorspannung abhängigen Steuersignal und liefert das von der Vorspannung abhängige Steuersignal zu den Steuerknoten einer variablen Kapazität. Die variable Kapazität kann sich beispielsweise innerhalb einer Oszillatorschaltung befinden. Der VCO verwendet auch das Vorspannungssignal, um zwei Ausgangsknoten der variablen Kapazität vorzuspannen. Da das von der Vorspannung abhängige Steuersignal eine Vorspannungssignalkomponente umfasst, besitzt der VCO eine erhöhte Toleranz gegen Rauschen. Wenn das Vorspannungssignal beispielsweise durch Gleichtakt-Spannungsrauschen beeinflusst wird, wird das von der Vorspannung abhängige Steuersignal ebenso beeinflusst. Folglich wird verhindert, dass der Kapazitätswert der variablen Kapazität eine Spitze aufweist oder zunimmt.
In einem weiteren Beispiel können das Abstimmsignal und das von der Vorspannung abhängige Steuersignal verschiedene Signale sein. Ferner kann das von der Vorspannung abhängige Steuersignal als Abstimmsignal, das um das Vorspannungssignal zentriert ist, betrachtet werden.
Diese sowie weitere Aspekte und Vorteile werden für übliche Fachleute durch Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, wo es geeignet ist, ersichtlich. Ferner ist es selbstverständlich, dass diese Zusammenfassung lediglich ein Beispiel ist und den Schutzbereich der Erfindung, wie beansprucht, nicht begrenzen soll.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bestimmte Beispiele werden nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren beziehen und in denen:
1 ein schematisches Diagramm eines VCO gemäß einem Beispiel ist;
2A ein schematisches Diagramm einer negativen Widerstandskomponente gemäß einem Beispiel ist;
2B ein schematisches Diagramm einer Abstimmschaltung gemäß einem Beispiel ist;
3A ein Graph der Kapazität als Funktion eines Vorspannungssignals ohne von der Vorspannung abhängige Steuersignalgebung ist;
3B ein Graph der Kapazität als Funktion eines Vorspannungssignals mit von der Vorspannung abhängiger Steuersignalgebung ist; und
4 ein Ablaufdiagramm ist, das ein Verfahren zum Betreiben eines VCO darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nunmehr mit Bezug auf die Figuren, ist 1 ein schematisches Diagramm eines VCO 10. Der VCO 10 umfasst ein Varaktorelement 12, das Eingangsknoten 14, 16 und Ausgangsknoten 18, 20 umfasst. Die Ausgangsknoten 18, 20 empfangen ein Vorspannungssignal (V_BIAS). Die Eingangsknoten empfangen ein von der Vorspannung abhängiges Steuersignal (V_BDC+, V_BDC–), das eine Kombination des Vorspannungssignals und eines Abstimmsignals ist. In dem Beispiel von 1 ist das von der Vorspannung abhängige Steuersignal ein differentielles Signal. In einem alternativen Beispiel kann das von der Vorspannung abhängige Steuersignal unsymmetrisch sein. Im Allgemeinen kann jedoch eine differentielle Signalgebung vorteilhaft sein, da eine solche Signalgebung Gleichtakt-Spannungseinflüsse mildert. Überdies können das Vorspannungs- und das von der Vorspannung abhängige Steuersignal, obwohl sie als Spannungssignale beschrieben sind, Stromsignale sein.
Im Allgemeinen dient das Varaktorelement 12 als variabler Kondensator. Der VCO 10 kann jedoch andere Arten von variablen Kondensatoren enthalten und das Varaktorelement 12 sollte nicht als Begrenzung betrachtet werden. Der VCO 10 umfasst auch einen Induktor 20, der mit dem Varaktorelement 12 gekoppelt ist. Der Induktor 20 und das Varaktorelement 12 bilden zusammen zwei Parallelresonanzkreise, die eine Frequenz eines periodischen Ausgangssignals festlegen, das über dem Induktor 20 (Knoten 22, 24) erzeugt wird. Das Varaktorelement 12 ist um einen gemeinsamen Knoten 21 symmetrisch und der Induktor 20 ist um eine angelegte Spannung Vcc symmetrisch.
Der Kapazitätswert des Varaktorelements 12 kann durch Anlegen des von der Vorspannung abhängigen Steuersignals an die Eingangsknoten 14, 16 eingestellt werden. Das Varaktorelement 12 umfasst Varaktordioden 26–29. Die Dioden 26–29 umfassen jeweils einen PN-Übergang, der unter einer Sperrvorspannung betrieben wird. Durch Erhöhen der Menge an Sperrvorspannung über jedem PN-Übergang nimmt die Verarmungszone, die zu jeder der Dioden 26–29 gehört, zu, was die Kapazität der Dioden 26–29 verringert. Das Verringern der Sperrvorspannung erhöht dagegen schließlich die Kapazität der Dioden 26–29. Das von der Vorspannung abhängige Steuersignal bestimmt direkt die Menge der an die Dioden 26–29 angelegten Sperrvorspannung, was die Kapazität der Parallelresonanzkreise festlegt und daher die Frequenz des periodischen Ausgangssignals festlegt.
Um das von der Vorspannung abhängige Steuersignal zum Varaktorelement 12 zu übertragen, umfasst der VCO 10 bipolare Sperrschichttransistoren (BJTs) 31–34 und Widerstände 35, 36. Die BJTs 31, 34 sind mit einer Reststromquelle 39 gekoppelt. Die BJTs 32, 33 sind andererseits jeweils mit Reststromquellen 38, 40 gekoppelt.
1 zeigt die BJTs 31–32 und den Widerstand 35, die in einer Emitterschaltungs-Verstärker- und einer Emitterfolger-Konfiguration angeordnet sind. Ebenso befinden sich die BJTs 33–34 und der Widerstand 36 auch in einer Emitterschaltungs-/Emitterfolger-Konfiguration. Die Emitterfolger-Konfigurationen verschieben, obwohl nicht erforderlich, einen Frequenzpol an jedem der Eingangsknoten 14, 16. Wenn beispielsweise die Reststromquelle 38 einen Strom von ungefähr 1 mA aufweist, ist der Eingangswiderstand ungefähr gleich 0,026 Ohm (1 mA/V_t). Das Minimieren des Eingangswiderstandes erhöht insgesamt die Abstimmgeschwindigkeit des VCO 10. In einigen Beispielen sind jedoch andere Verfahren zum Anlegen des von der Vorspannung abhängigen Steuersignals möglich.
Um das Vorspannungssignal zu den Ausgangsknoten 18, 20 zu übertragen, umfasst der VCO 10 BJTs 41, 42 und Widerstände 43–45. Die BJTs 41, 42 sind jeweils mit Reststromquellen 46, 48 verbunden. Die Anordnung der BJTs 41, 42 kann auch die Leistung des VCO 10 ähnlich der vorstehend mit Bezug auf die BJTs 31-34 beschriebenen Emitterschaltung/Emitterfolger verbessern.
Die Widerstände 43, 44 sind am gemeinsamen Knoten 21 miteinander gekoppelt. Der gemeinsame, Knoten 21 empfängt das Vorspannungssignal und überträgt das Vorspannungssignal zu beiden Ausgangsknoten 18, 20. Die Widerstände 43, 44 sollten, obwohl sie nicht auf einen speziellen Widerstandswert begrenzt sind, ausreichend klein sein, um eine Dämpfung des periodischen Ausgangssignals über den Knoten 22, 24 zu verhindern. In einem Beispiel können die Widerstände 43, 44 Widerstandswerte von 1 kOhm aufweisen und eine angemessene Kopplung des Vorspannungssignals mit den Ausgangsknoten 18, 20 schaffen.
Der VCO 10 umfasst auch eine negative Widerstandskomponente 50 zum Fördern der Verstärkung und Oszillation des periodischen Ausgangssignals (d. h. Liefern von Energie zu den Parallelresonanzkreisen). Die Kondensatoren 52, 54 koppeln die negative Widerstandskomponente 50 mit den Ausgangsknoten 18, 20 und sehen eine Isolation zwischen der Vorspannung in Zusammenhang mit der negativen Widerstandskomponente 50 in der Vorspannung des Varaktorelements vor. Da die Varaktorkapazität viel kleiner ist als die Kondensatoren 52, 54, dominiert auch die Varaktorkapazität den Wert der Kapazität des LC-Parallelresonanzkreises. Im Allgemeinen ist die negative Widerstandskomponente 50 eine aktive Schaltung, die Verluste in den Parallelresonanzkreisen aufhebt. Die negativen Widerstandskomponenten 50 sollten eine Verstärkung mit Gegenkopplung innerhalb des VCO 10 vorsehen, die größer als oder gleich dem Einheitsbetrag ist. Verluste im VCO 10 können parasitären Widerständen innerhalb der Dioden 26–29, der Widerstände 43, 44, des Induktors 20 und irgendeiner anderen aktiven Komponente zugeschrieben werden.
2A zeigt einen Differenzverstärker 100, der als negative Widerstandskomponente 50 verwendet werden kann. Der Verstärker 100 umfasst Widerstände 102, 104, Kondensatoren 106, 108, BJTs 110, 112 und eine Reststromquelle 114. Die Widerstände 102, 104 sind zum Empfangen eines Referenzsignals gekoppelt und übertragen das Referenzsignal zu den Kondensatoren 106, 108. Beide Parallelresonanzkreise liefern eine differentielle Last zum Verstärker 100, wobei der gemeinsame Knoten 21 auf einem Potential bleibt, das dem Vorspannungssignal zugeordnet ist. Im Betrieb liefern die BJTs 110, 112 eine positive Rückkopplung zu den Parallelresonanzkreisen. Wie vorstehend beschrieben, sollte der negative Widerstand des Verstärkers so ausgelegt sein, dass er alle Widerstandsverluste der Parallelresonanzkreise beseitigt.
Wie vorstehend beschrieben, ist das von der Vorspannung abhängige Steuersignal eine Kombination des Abstimmsignals und des Vorspannungssignals. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleichtakt oder Mittelwert des von der Vorspannung abhängigen Signals im Wesentlichen gleich dem Vorspannungssignal. 2B zeigt eine Abstimmschaltung 200, die verwendet werden kann, um das von der Vorspannung abhängige Steuersignal zu erzeugen. Die Abstimmschaltung 200 empfängt das Vorspannungssignal und das Abstimmsignal und erzeugt das von der Vorspannung abhängige Steuersignal. Die Abstimmschaltung 200 umfasst einen Differenzverstärker 202, der zum Empfangen des Abstimmsignals (V_TUN+, V_TUN–) gekoppelt ist. Die Abstimmschaltung 200 umfasst auch ein Paar von Dif ferenzverstärkern 204, 206 zum effektiven Summieren des Vorspannungssignals mit dem Abstimmsignal.
Um das Vorspannungs- und das Abstimmsignal zu summieren, werden die Differenzverstärker 204, 206 durch sowohl das von der Vorspannung abhängige Steuersignal als auch das Vorspannungssignal vorgespannt. An einem Ende der Differenzverstärker 204, 206 befinden sich BJTs 208, 210, die jeweils mit den negativen und positiven differentiellen Enden des von der Vorspannung abhängigen Steuersignals gekoppelt sind. Am anderen Ende der Gleichtakt-Differenzverstärker 204, 206 befinden sich BJTs 212, 214, die zum Empfangen des Vorspannungssignals gekoppelt sind.
Die Ausgangssignale des Verstärkers 202 können durch das Abstimmsignal geändert werden, das an die BJTs 220, 222 angelegt wird. Wenn das Eingangssignal an den BJTs 220, 222 geändert wird, wird die Spannung an den Eingangs-BJTs 208, 210 ebenso geändert und liefert daher eine Rückkopplung zu den Verstärkern 204, 206 über einen FET 218. Der Gesamteffekt besteht darin, dass die Gleichtakt-Rückkopplungsverstärker 204, 206 versuchen, den Mittelwert der Ausgangssignale des Differenzverstärkers 202 so zu steuern, dass er gleich V_cc minus V_BG ist, was der Wert des Vorspannungssignals ist. Die Rückkopplung zwischen dem Differenzverstärker 202 und den Verstärkern 204, 206 ermöglicht, dass das Abstimmsignal um das Vorspannungssignal zentriert wird. Es ist auch zu beachten, dass, wenn sich das Vorspannungssignal ändert (beispielsweise über eine Gleichtakt-Rauschspannung), die Verstärker 204, 206 eine Rückkopplung zum Verstärker 202 über Feldeffekttransistoren (FETs) 216–219 liefern, die das von der Vorspannung abhängige Steuersignal beeinflusst. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass die Abstimmschaltung 200 nur ein Beispiel ist und andere Abstimmschaltungen verwendet werden könnten, um das Abstimmsignal und das Vorspannungssignal zu dem von der Vorspannung abhängigen Steu ersignal zu kombinieren. Insbesondere kann der Gleichtakt des Abstimmsignals ein gewisses Vielfaches oder irgendein proportionaler Faktor des Vorspannungssignals sein.
Die Vorteile des von der Vorspannung abhängigen Steuersignals demonstrieren die 3A und 3B, die Diagramme sind, die die Kapazität über dem Varaktorelement 12 zeigen. 3A und 3B zeigen C₁, die Kapazität über den Eingangsknoten zu den Ausgangsknoten insgesamt, und C₂, die Kapazität über die Ausgangsknoten zum Eingangsknoten. C_EQV ist die Reihenkombination von C₁ und C₂.
3A zeigt ein Diagramm des allgemeinen Verhaltens eines gemäß den Verfahren des Standes der Technik vorgespannten Varaktors. Die Auswirkung einer Änderung der Vorspannung auf C₁, C₂ und C_EQV, wenn das Abstimmsignal verwendet werden würde, um die Eingangsknoten anzusteuern (anstelle des von der Vorspannung abhängigen Steuersignals), sind für eine feste Abstimmeingangsspannung aufgetragen. Wie 3A demonstriert, variieren C₁ und C₂, wenn das Vorspannungssignal variiert, was verursacht, dass C_EQV variiert. Folglich kann das periodische Ausgangssignal des VCO 10 durch diese variierende Kapazität schädlich beeinflusst werden. Die Änderung von C_EQV kann Jitter und eine verzögerte Konvergenz erzeugen, was zu unzuverlässigen Ausgangssignalen führt. Überdies können Erhöhungen von C_EQV ebenso die Kapazität der Parallelresonanzkreise erhöhen, was die Abstimmgeschwindigkeit des VCO 10 verringern kann. Im Allgemeinen ist es schwierig, den Rauscheinfluss vom Vorspannungssignal vollständig zu entfernen. Das Gleichtakt-Spannungsrauschen kann beispielsweise typischerweise verursachen, dass das Vorspannungssignal während des normalen Betriebs im Gleichspannungsversatz variiert.
Da das Rauschen nicht vollständig aus dem Abstimmsignal entfernt werden kann, ist es erwünscht, dass die Ab stimmspannung um das Vorspannungssignal zentriert wird. 3B spiegelt das Verhalten von C₁, C₂ und C_EQV unter Verwendung des von der Vorspannung abhängigen Steuersignals, um die Eingangsknoten 14, 16 anzusteuern, wider. 3B zeigt, dass, wenn das Abstimmsignal um das Vorspannungssignal zentriert ist, C_EQV im Wesentlichen konstant bleibt. Wenn sich die Vorspannung im Betrieb verschiebt, verschiebt sich die von der Vorspannung abhängige Steuerspannung, was verhindert, dass eine asymmetrische Kapazitätsänderung über dem Varaktorelement auftritt (d. h. C₁ bleibt ungefähr gleich C₂). Ferner wird irgendeine Änderung im Vorspannungssignal ausgefiltert und dem Abstimmsignal wird ermöglicht, die Spannungsabfälle über jeder der Dioden 26–29 ohne den Vorspannungssignaleinfluss festzulegen.
Das Vorspannungssignal sollte im Allgemeinen so ausgelegt sein, dass es ein stabiler vorhersagbarer Wert ist. Das Vorspannungssignal kann durch eine Vielfalt von Vorspannungsschaltungen erzeugt werden. Eine Bandlücken-Referenzschaltung, die die Eigenspannung einer Halbleiterbandlücke verwendet, kann beispielsweise das Vorspannungssignal erzeugen. Typischerweise liefern Bandlücken-Referenzschaltungen ein vorhersagbares Ausgangssignal, das mit der Temperatur skaliert, was ermöglicht, dass der VCO aktive Ströme (durch FETs oder BJTs) kompensiert, die mit der Temperatur zunehmen können. Andere Vorspannungsschaltungen sind jedoch möglich.
4 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens 300, das im Allgemeinen den Betrieb eines VCO unter Verwendung des von der Vorspannung abhängigen Steuer- und des Vorspannungssignals beschreibt. In den Blöcken 302, 304 empfängt ein VCO ein Abstimmsignal und ein Vorspannungssignal. Das Abstimmsignal kann in einem Beispiel ein differentielles Signal sein, das Strom- oder Spannungsimpulse, die zum Einstellen des Kapazitätswerts einer variablen Kapazität bestimmt sind, überträgt. Die variable Kapazität kann sich innerhalb einer Oszillatorschaltung wie z. B. des vorstehend beschriebenen VCO befinden. Das Vorspannungssignal, das auch vorstehend beschrieben ist, kann durch eine Vorspannungsschaltung erzeugt werden.
Im Block 306 im Verfahren 300 werden das Abstimm- und das Vorspannungssignal zu einem von der Vorspannung abhängigen Steuersignal kombiniert. Im Block 308 wird das von der Vorspannung abhängige Steuersignal zur variablen Kapazität geliefert. Die Vorspannungsabhängigkeit kann beispielsweise zu Varaktordiodeneingängen geliefert werden. Im Block 310 wird das Vorspannungssignal auch zur variablen Kapazität geliefert. Das Vorspannungssignal und das von der Vorspannung abhängige Steuersignal werden dann verwendet, um die variable Kapazität differentiell zu steuern, was im Block 312 gezeigt ist. Das Verfahren 300 kann tatsächlich verwendet werden, um einen VCO vollständig differentiell zu steuern. Eine solche differentielle Steuerung verhindert, dass das Vorspannungssignal verursacht, dass der Kapazitätswert der variablen Kapazität abweicht.
Eine Vielfalt von Beispielen wurden vorstehend beschrieben. Allgemeiner werden Fachleute verstehen, dass Änderungen und Modifikationen an diesen Beispielen vorgenommen werden können, ohne vom wahren Schutzbereich und Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, die durch die Ansprüche definiert ist. Folglich sollte ein VCO beispielsweise nicht auf die Kapazitäts-, Induktivitäts- oder Widerstandswerte von beliebigen der beschriebenen Schaltungselemente und vorstehend beschriebenen Komponenten begrenzt werden. Beliebige der obigen Schaltungselemente und Komponenten können modifiziert werden, um ein gewünschtes periodisches Ausgangssignal zu erreichen. In einem Beispiel kann der beschriebene VCO in der Lage sein, ein periodisches Ausgangssignal mit einer Frequenz von bis zu etwa 10 GHz mit einem Abstimmbereich von etwa 1 GHz zu erzeugen. Wenn der maximale Spannungsabfall über dem Varaktorelement 12 etwa 1,4 V (0,7 V für jede Diode) ist, ist die Verstärkung des VCO 10 etwa 1 GHz/1,4 V. Andere Beispiel-Betriebscharakteristiken sind möglich.
Folglich soll die Beschreibung der vorliegenden Erfindung als nur erläuternd aufgefasst werden und dient für den Zweck, Fachleuten die beste Art zur Ausführung der Erfindung zu lehren. Die Details können wesentlich verändert werden, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen, und die ausschließliche Verwendung aller Modifikationen, die innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche liegen, wird vorbehalten.
Zusammenfassung
Ein rauschtoleranter spannungsgesteuerter Oszillator wird beschrieben. Der spannungsgesteuerte Oszillator umfasst ein Varaktorelement als Teil eines LC-Parallelresonanzkreises. Das Varaktorelement wird durch ein Vorspannungssignal und ein von der Vorspannung abhängiges Steuersignal vorgespannt. Das von der Vorspannung abhängige Steuersignal stimmt den LC-Parallelresonanzkreis ab. Da das Steuersignal von der Vorspannung abhängt, verursachen Rauschen und andere schädliche Einflüsse nicht, dass das Varaktorelement in der Kapazität abweicht. Statt dessen ist das von der Vorspannung abhängige Steuersignal ein Abstimmsignal, das um das Vorspannungssignal zentriert ist, was ermöglicht, dass das Varaktorelement im Fall eines variierenden Vorspannungssignals eine konstante Kapazität liefert.

Claims

Spannungsgesteuerter Oszillator, mit: einem Varaktorelement mit zwei Varaktoreingangsknoten und zwei Varaktorausgangsknoten, wobei ein Eingangssignal an den Varaktoreingangsknoten eine Kapazität des Varaktorelements an den Varaktorausgangsknoten ändert; einem Induktorelement, das mit den Varaktorausgangsknoten gekoppelt ist; einer Vorspannungsschaltung, die mit dem Varaktorelement gekoppelt ist, zum Erzeugen eines Vorspannungssignals an den Varaktorausgangsknoten; und einer Abstimmschaltung, die ein von der Vorspannung abhängiges Steuersignal an einem Abstimmausgang liefert, wobei der Abstimmausgang mit den Varaktoreingangsknoten gekoppelt ist, und wobei die Abstimmschaltung ein Abstimmsignal mit dem Vorspannungssignal kombiniert, um das von der Vorspannung abhängige Steuersignal zu erzeugen, und das kombinierte Abstimmsignal zu den Varaktoreingangsknoten liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das von der Vorspannung abhängige Steuersignal eine Kapazität liefert, die von der Vorspannung im Wesentlichen unabhängig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gleichtaktspannung des von der Vorspannung abhängigen Steuersignals im Wesentlichen gleich dem Vorspannungssignal ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Varaktorelement vier Varaktordioden umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abstimmschaltung einen Differenzverstärker umfasst und wobei das Abstimmsignal und das von der Vorspannung abhängige Steuersignal differentielle Signale umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Differenzverstärker mit den Varaktoreingangsknoten über eine Treiberschaltungsanordnung mit niedriger Impedanz gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: ein Paar Widerstandselemente, die mit den Varaktorausgangsknoten gekoppelt sind, wobei die Widerstandselemente an einem gemeinsamen Knoten miteinander gekoppelt sind; ein Paar von kapazitiven Elementen, die mit den Varaktorausgangsknoten gekoppelt sind; und eine negative Widerstandskomponente, die mit den Varaktorausgangsknoten gekoppelt ist, zum Fördern der Verstärkung innerhalb des VCO.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Vorspannungsschaltung mit dem gemeinsamen Knoten gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vorspannungsschaltung mit dem gemeinsamen Knoten über eine Treiberschaltungsanordnung mit niedriger Impedanz gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorspannungsschaltung eine Bandlücken-Referenzschaltung ist.
Spannungsgesteuerter Oszillator, mit: einem Parallelresonanzkreismittel mit einem Induktormittel und einem Mittel mit variabler Kapazität, wobei das Mittel mit variabler Kapazität zwei differentielle Steuerknoten und zwei differentielle Ausgangsknoten aufweist; einem Vorspannungsschaltungsmittel, um das Mittel mit variabler Kapazität mit einem Vorspannungssignal unter Vorspannung zu setzen; und einem Abstimmschaltungsmittel zum Erzeugen eines von der Vorspannung abhängigen Steuersignals durch Kombinieren des Vorspannungssignals mit einem Abstimmsignal und Liefern des von der Vorspannung abhängigen Abstimmsignals zu den zwei differentiellen Steuerknoten.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Mittel mit variabler Kapazität ein differentieller Varaktor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Vorspannungsschaltungsmittel eine Bandlücken-Referenzschaltung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Abstimmschaltungsmittel einen Differenzverstärker umfasst, wobei das Eingangsabstimmsignal ein differentielles Signal ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Abstimmschaltungsmittel mit einem Paar von Differenzverstärkern gekoppelt ist und wobei das Paar von Differenzverstärkern zum Empfangen des Vorspannungssignals gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Vorspannungssignal über zwei Widerstände an die differentiellen Ausgangsknoten angelegt wird.
Verfahren zum Abstimmen eines spannungsgesteuerten Oszillators, mit den Schritten: Empfangen eines Abstimmsignals; Empfangen eines Vorspannungssignals; Erzeugen eines von der Vorspannung abhängigen Steuersignals in Reaktion auf das Abstimmsignal und das Vorspannungssignal; Liefern des Vorspannungssignals zu zwei Knoten einer variablen Kapazität in einer Oszillatorschaltung; Liefern des von der Vorspannung abhängigen Steuersignals zu zwei Steuerknoten der variablen Kapazität.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das von der Vorspannung abhängige Steuersignal ein differentielles Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Abstimmsignal ein differentielles Signal ist und das von der Vorspannung abhängige Steuersignal eine Gleichtaktspannung aufweist, die im Wesentlichen gleich dem Vorspannungssignal ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die variable Kapazität vom Vorspannungssignal im Wesentlichen unabhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Vorspannungssignal aus einer Bandlücken-Referenzspannung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Vorspannungssignal zu den zwei Knoten der variablen Kapazität über zwei Widerstandselemente geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Vorspannungssignal und das von der Vorspannung abhängige Steuersignal jeweils an die variable Kapazität über eine Treiberschaltungsanordnung mit niedriger Impedanz angelegt werden.