DE112012005514T5

DE112012005514T5 - Wanderwellen-Drehoszillatorschaltung mit verbesserter Induktivität und Verfahren dazu

Info

Publication number: DE112012005514T5
Application number: DE112012005514.4T
Authority: DE
Inventors: Andrey Martchovsky; Stephen Beccue; Anh Pham
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: JP5815883B2; CN103947104A; WO2013101420A1; US20120319783A1; CN103947104B; US8742857B2; DE112012005514B4; JP2015501582A

Abstract

Eine Mehrzahl von verschachtelten Wanderwellen-Drehoszillatoren (Rotary Traveling Wave Oscillators, RTWOs) mit verbesserter Induktivität. Es werden Strecken der Leiter der Übertragungsleitung längenmäßig verlängert und parallel zueinander geführt. Da sich die Ströme in diesen Strecken in dieselbe Richtung bewegen, ist die Induktivität dieser Induktoren erhöht. Durch die Steuerung der Länge der Leiter der Übertragungsleitung in diesen Bereichen verglichen mit der Länge dort wo sich die Ströme in den Oszillatoren in entgegengesetzten Richtungen bewegen, kann die Gesamtimpedanz der Oszillatoren erhöht werden. Eine erhöhte Impedanz führt zu gesenkter Leistung und geringerem Phasenrauschen für die Oszillatoren. Außerdem sind die verschachtelten Oszillatoren miteinander phasenverriegelt.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wanderwellen-Drehoszillatoren und insbesondere eine Version solcher Oszillatoren mit verbesserter Induktivität. Die Erfindung betrifft außerdem Verbesserungen an Induktoren.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Wanderwellen-Drehoszillatoren (Rotary Traveling Wave Oscillators, RTWOs) sind in US-Patent 6,556,089 beschrieben, das hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen wird. 1 zeigt die allgemeine Anordnung des Oszillators, die ein als Übertragungsleitung fungierendes Leiterpaar, eine mit den Leitern verbundene ungerade Anzahl von Phasenumkehrelementen, wie z. B. Überkreuzungen, und mehrere Regenerationselemente beinhaltet. In 1 beinhaltet die Übertragungsleitung Leiter 15a und 15b und eine Überkreuzung 19, wobei eine ungerade Anzahl von Überkreuzungen nötig ist, um Schwingungen auf der Übertragungsleitung aufrecht zu erhalten. 1 zeigt auch mehrere Regenerationselemente 21, die an voneinander beabstandeten Stellen entlang der Übertragungsleitung und zwischen den Leitern 15a und 15b der Leitung verbunden sind. Die Regenerationselemente erzeugen eine Wanderwelle auf der Leitung und erhalten die Welle aufrecht, indem sie die Leitung mit Energie versorgen, um kleine Verluste auszugleichen.
2 zeigt eine Ausführungsform eines Regenerationselementes, ein kreuzgekoppeltes CMOS-Inverterpaar. Der p-Kanal-Transistor jeder der Inverter ist zwischen einem ersten Potenzial, VDD, und einem Leiter der Übertragungsleitung verbunden. Der n-Kanal-Transistor jeder der Inverter ist zwischen demselben Leiter der Übertragungsleitung und einem zweiten Potenzial, VSS, verbunden. Bei den Invertern ist jeweils bei beiden Transistoren der Eingang des Gates der andere Leiter der Übertragungsleitung, wodurch die Inverter kreuzgekoppelt sind. Wenn sich eine Welle an ihnen vorbeibewegt, schalten die kreuzgekoppelten Inverter, so dass der Welle Energie zur Aufrechterhaltung ihrer Amplitude zugeführt wird. Solange ein Regenerationselement einen negativen Widerstand aufweist, kann es die Funktion des Startens und Aufrechterhaltens einer Wanderwelle auf der Leitung ausführen. Die Regenerationsvorrichtungen aus US-Patent Nr. 7,545,225 , zum Beispiel, können die erforderliche Funktion zu erfüllen.
3 zeigt eine mögliche Art, ein Regenerationselement mit der Leitung zu verbinden. Eine solche Verbindung beaufschlagt die Drehrichtung der Welle mit einem Bias, da die Welle an den Gates der Inverter ankommt, bevor sie an deren Drains ankommt, wie es in US-Patent Nr. 7,218,180 beschrieben ist, das hiermit durch Bezugnahme gesamtumfänglich aufgenommen wird. Dies gibt den kreuzgekoppelten Invertern die Zeit, die diese benötigen, um genau dann zu schalten, wenn die Welle an ihren Ausgängen eintrifft. Da das Schalten zielgenau zeitlich gesteuert wird, wird durch das Regenerationselement die Periode des Oszillators nicht merklich gestört, so dass ein geringes Phasenrauschen entsteht.
4 zeigt einen gefalteten Drehtaktgeber, wie er in US-Patent 7,218,180 beschrieben ist. Der gefaltete Drehtaktgeber hat sechs Faltungen und eine Überkreuzung. Wie in dem Patent '180 beschrieben ist, haben die Faltungen den Vorteil, dass sie eine zweckmäßige Möglichkeit zur Herstellung von Verbindungen mit dem Regenerationselement zur Beaufschlagung einer Welle mit einem Bias zur Bewegung in eine bestimmte Richtung bieten.
5 zeigt im Detail die Verbindung eines Regenerationselementes auf einer gefalteten Leitung dahingehend, dass die Wanderwelle so mit einem Bias beaufschlagt ist, dass sie sich in eine bestimmte Richtung bewegt. Man beachte, dass die Zeit, die eine Welle benötigt, um den Drain eines Inverters zu erreichen, nachdem sie das Gate erreicht, durch die Länge der Faltung bestimmt wird. In dem gezeigten Inset 86 trifft die Welle an der Stelle 100, dem Gate des Inverters 94, ein, bevor sie an der Stelle 102, dem Drain des Inverters 94, eintrifft. Diese Anordnung ermöglicht es somit, die Länge der Faltung der Verzögerung des Inverters anzupassen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind verschachtelte Wanderwellen-Drehoszillatoren. Die verschachtelten Oszillatoren beinhalten einen ersten Wanderwellen-Drehoszillator und einen zweiten Wanderwellen-Drehoszillator. Der erste Wanderwellen-Drehoszillator (Rotary Traveling Wave Oscillator, RTWO) beinhaltet ein erstes Leiterpaar und eine erste Überkreuzung, wobei das erste Paar mit der ersten Überkreuzung verbunden ist, um eine erste geschlossene Schleife zu bilden. Der zweite Wanderwellen-Drehoszillator (RTWO) beinhaltet ein zweites Leiterpaar und eine zweite Überkreuzung, wobei das zweite Leiterpaar mit der zweiten Überkreuzung verbunden ist, um eine zweite geschlossene Schleife zu bilden. Die zweite geschlossene Schleife nimmt etwa die gleiche physikalische Fläche ein wie die erste geschlossene Schleife; und die Leiter der ersten und zweiten Überkreuzung verlaufen über eine ausreichende Länge hinweg voneinander beabstandet und parallel zueinander, so dass die Induktivität der Überkreuzungen erhöht wird.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die zum Betreiben des Oszillators erforderliche Leistung gesenkt wird.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das Phasenrauschen verbessert wird.
Noch ein weiterer Vorteil ist, dass verschachtelte Oszillatoren naturgemäß phasenverriegelt sind.
Noch ein weiterer Vorteil ist, dass sich der für mehrere Oszillatoren benötigte Flächenbedarf gegenüber dem Flächenbedarf für einen einzelnen Oszillator nicht wesentlich erhöht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung, der beigefügten Ansprüche und der begleitenden Zeichnungen besser verständlich. Es zeigt:
1 die allgemeine Anordnung eines Wanderwellen-Drehoszillators;
2 eine Ausführungsform einer Regenerationsvorrichtung, der eines kreuzgekoppelten Inverterpaars;
3 eine mögliche Art, eine Regenerationsvorrichtung mit der Leitung zu verbinden;
4 einen gefalteten Drehtaktgeber, wie er in US-Patent 7,218,180 beschrieben ist;
5 im Detail die Verbindung eines Regenerationselementes auf einer gefalteten Leitung zur Beaufschlagung einer Welle mit einem Bias zur Bewegung in eine bestimmte Richtung;
6 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 einen Querschnitt durch die Ausführungsform von 6;
9 einen Querschnitt durch die Ausführungsform in 7;
10 die Anordnung von repräsentativen Regenerationselementen für die Ausführungsform der 6;
11 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Übertragungsleitungen der ersten oder zweiten Ausführungsform eine geschlossene Schleife bilden;
12 eine perspektivische Ansicht einer Strecke der Übertragungsleitung;
13 eine perspektivische Ansicht einer Strecke der Übertragungsleitung;
14 eine alternative RTWO-Anordnung, die ein Paar von verschachtelten RTWOs beinhaltet;
15A die Leiter Ap, An, der Übersichtlichkeit halber als Leitungen mit einer Dicke von Null dargestellt, für den ersten RTWO in dem Paar;
15B die Leiter Bp, Bn, ebenfalls als Leitungen mit einer Dicke von Null, für den zweiten RTWO in dem Paar;
16A die Platzierung der Leiter der Oszillatoren in einem Überkreuzungsbereich; und
16B eine erste Möglichkeit der Platzierung der Leiter in naher Nachbarschaft; und
16C eine zweite Möglichkeit der Platzierung der Leiter in naher Nachbarschaft.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
6 zeigt eine Ausführungsform 200 der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform trägt eine Strecke 202 eines Übertragungsleitungsleiterpaars eines Wanderwellen-Drehoszillators die Wanderwelle. In dem einen Leiter A 202 fließt der Strom I_A und in dem anderen Leiter B 204 fließt der Strom I_B. Zwischen den beiden Leitern herrscht eine Spannung V_AB 206, wobei davon ausgegangen wird, dass der Leiter A auf dem oberen Abschnitt 208 der Leitung positiver ist, während der Leiter B im mittleren Abschnitt 210 der Leitung positiver ist, und der Leiter A im unteren Abschnitt 212 wieder positiver ist. Somit umfasst die dargestellte Strecke der Übertragungsleitung zwei Überkreuzungen. Die eine Überkreuzung 214 kehrt die Polarität der Welle zwischen dem Abschnitt 208 und dem Abschnitt 210 um, und die andere Überkreuzung 216 kehrt die Polarität der Welle zwischen Abschnitt 210 und 212 um. Statt die Kopplung zwischen den Leiter-Überkreuzungen zu minimieren, wie es in US-Patent 6,556,089 vorgeschlagen wird, wird mit den Überkreuzungen in der vorliegenden Erfindung versucht, die Kopplung zwischen den Leitern zu maximieren, und zwar so weit dass die Überkreuzungen einen Hauptteil der Länge der Übertragungsleitung ausmachen. In der Tat ist es in der vorliegenden Erfindung das Ziel, die Länge der gezeigten horizontalen Bahnen W 220 viel länger zu machen als die vertikalen Bahnen L 222. In einer Ausführungsform ist das Verhältnis von W zu L etwa 3. Dieses Verhältnis ist jedoch ein Konstruktions-Parameter, der gewählt wird, um eine gewünschte Impedanz sowie eine Gate-Offset-Verzögerung für die Regenerationselemente zu erzielen. Ein Vorteil der Ausbildung der Schleife mit horizontalen und vertikalen Bahnen ist, dass sie kompakter ist, wobei eine wesentlich längere Übertragungsleitungslänge in einen kleineren Bereich passt.
Eine wichtige Eigenschaft der in 6 dargestellten Ausführungsform ist, dass der magnetische Fluss Φ über die Fläche 224 viermal so groß ist wie der über die Fläche 85 der in 5 gezeigten Faltung. Der Grund dafür ist, das die die Fläche umgebenden Ströme doppelt so groß sind, mit etwa gleichen addierenden Strömen I_A und I_B in den benachbarten horizontalen Leitern der Abschnitte 208 und 212. Somit wird durch die Ausführungsform die Induktivität der Leiter um das Vierfache erhöht.
Ein Erhöhen der Induktivität der Übertragungsleitung führt zu einer Erhöhung der Impedanz der Leitung gemäß der Beziehung Z₀ = √ L/C , wobei L die differentielle Induktivität pro Längeneinheit ist und C die differentielle Kapazität pro Längeneinheit der Leitung. Zum Beispiel erhöht sich durch eine Erhöhung der Induktivität um einen Faktor von vier bei unverändertem Beibehalten der Kapazität die Impedanz um einen Faktor von zwei. Die höhere Impedanz der Leitung hat einige sehr positive Effekte. Einer der Nutzen ist, dass sich die Leistung einer Welle auf der Leitung um einen Faktor von zwei reduziert, da nur halb so viel Strom für eine gegebene Differenzspannung zwischen den Leitern erforderlich ist. Ein weiterer Effekt ist, dass sich das Phasenrauschen um etwa 3 dB verbessert, was einer Verbesserung um das Zweifache entspricht. Die Verbesserung des Phasenrauschens rührt aus einer Verbesserung des Gütefaktors Q her (Q = ωL/R). Insbesondere erhöht sich, aufgrund der Induktivitätsverbesserungen, die Induktivität pro Längeneinheit um etwa einen Faktor von vier, der Reihenwiderstand der Leitung verdoppelt sich jedoch. Dies führt zu einer Verdoppelung des Gütefaktors Q und damit zu einem Absenken des Phasenrauschens. Wenn eine Gütezahl für Oszillatoren als Produkt aus Leistung und Phasenrauschen definiert werden kann, dann beträgt die Änderung der Gütezahl für die Ausführungsform von 5 etwa das Vierfache, etwa so viel wie die Erhöhung der Induktivität.
8 zeigt einen Querschnitt 400 durch die Ausführungsform von 6. In der Darstellung sind die Leiter A 402 und B 404 durch einen beliebigen zweckmäßigen und geeigneten Isolator 408 von einer Massefläche getrennt dargestellt, der davon abhängt, ob die Leitungen auf einer Leiterplatte oder auf einem integrierten Schaltkreis realisiert werden.
7 zeigt eine zweite Ausführungsform 300 der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform sind die horizontalen Bahnen der A- und B-Leiter aufeinander gestapelt und zwischen dem oberen Metall und unteren Metall wird mittels einer oder mehrerer Durchführungen bzw. eines oder mehrerer Kontaktlöcher 324, 326 eine Überkreuzung realisiert. Der Leiter mit dem Strom I_A fließt entsprechend links und unter dem Leiter mit dem Strom I_B in Abschnitt 308 und der Leiter mit I_A rechts fließt auf dem Leiter mit I_B in Abschnitt 310.
9 zeigt einen Querschnitt durch die Ausführungsform in 7. In dieser Ausführungsform ist der A-Leiter auf der linken Seite über einem Isolator angeordnet, der seinerseits über dem B-Leiter angeordnet ist. Der B-Leiter auf der rechten Seite ist in ähnlicher Weise über dem A-Leiter angeordnet. In beiden Fällen sind die Leiter mit einem geeigneten Isolator von der Masse-Ebene isoliert.
10A zeigt die Anordnung von repräsentativen Regenerationselementen für die Ausführungsform von 6. Wie aus der Figur deutlich wird, können die Regenerationselemente 602, 604 zweckmäßig zwischen dem A-Leiter 202 und dem B-Leiter 204 angeordnet sein, so dass eine sich auf der Leitung bewegende Welle dazu prädisponiert ist, sich in eine bestimmte Richtung zu bewegen. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Länge L der horizontalen Leiter den Ausbreitungsverzögerungen verschiedener Ausführungen der Regenerationselemente entsprechend gewählt werden kann. Zum Beispiel ist bekannt, dass Transistoren vom p-Typ langsamer sind als Transistoren vom n-Typ. Somit kann, wenn die Regenerationselemente mit Bauelementen vom n-Typ, wie zum Beispiel MOS- oder Bipolar-Transistoren, realisiert werden, die Länge der horizontalen Leiter geringer sein (L in 10A < L' in 10B), als wenn Bauelemente vom p-Typ verwendet werden. 10A zeigt den Fall, in dem die Regenerationselemente Bauelemente vom n-Typ sind, die weniger Zeit benötigen. 10B zeigt den Fall, in dem die Regenerationsbauelemente 702, 704 Bauelemente vom p-Typ sind, die vergleichsweise mehr Zeit benötigen.
In beiden Ausführungsformen haben die vertikalen Bahnen eines Abschnitts eine andere Beabstandung, verglichen mit den horizontalen Bahnen. Wenn die Konstruktion der Leitungen gleich ist, wird dadurch die Z₀ einer vertikalen Bahn anders als die einer horizontalen Bahn, wodurch Reflexionen an der Stelle der Nichtübereinstimmung verursacht werden. Es seien die Beziehung zwischen den Induktivitäten L_h = nL_v (wobei n etwa 4 ist, aufgrund der Verbesserung) und die Beziehung zwischen den Kapazitäten C_h = mC_v (wobei m < 1, aufgrund der relativen Abstände), wobei der Index „h” eine horizontale Bahn bezeichnet und der Index „v” eine vertikale Bahn. Dann ist die Beziehung zwischen den Impedanzen Z_h = Z_v√ n/m , woraus sich das Vorliegen einer signifikanten Nichtübereinstimmung ergibt wenn m von n verschieden ist. Um die Nichtübereinstimmung zu korrigieren, muss die Beziehung zwischen den Kapazitäten verändert werden, so dass C_h etwa n-mal größer ist als C_v. Eine Art dies zu tun, besteht darin, C_h zu erhöhen, indem die Breite der horizontalen Bahn vergrößert wird. Eine andere Art besteht darin, die Breite, und somit die C_v, der vertikalen Bahn zu verringern. Selbstverständlich können auch beide Änderungen vorgenommen werden.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform 800 der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform haben die oberen und unteren Metallbahnen eine ähnliche Struktur wie die in 6 oder 7, aber die vertikalen Seiten sind verändert, so dass die Metallbahnen eine geschlossene Schleife durchlaufen, wie den gezeigten Kreis 802. Diese Anordnung ermöglicht in oder nahe der Mitte der geschlossenen Schleife befindlichen Schaltungsanordnungen Zugang zu mehr Phasenanzapfungen des Drehoszillators mit geringem oder keinem Zeitversatz, verglichen mit anderen Anordnungen des Oszillators. Auf mehr Phasenanzapfungen zuzugreifen ermöglicht es der Schaltungsanordnung, wirksam mit einer höheren Geschwindigkeit zu arbeiten, verglichen mit Schaltungsanordnungen mit z. B. nur zwei Phasen. Zum Beispiel wird es einer Schaltungsanordnung durch einen Taktgeber der eine Frequenz f mit N zugänglichen Phasenanzapfungen generiert, ermöglicht wirksam mit N·f zu arbeiten.
12 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Strecke der Übertragungsleitung, in der eine der Metallbahnen die andere Metallbahn überlappt. Wichtig ist, dass die Breite der überlappenden Strecke größer ist als die Breite der zu den überlappenden Strecken rechtwinkligen Strecken.
13 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Strecke der Übertragungsleitung, in welcher eine oder mehrere Durchführungen 1024, 1026 die obere Metallbahn mit der unteren Metallbahn verbindet/verbinden. Auch hier sind die Breiten der überlappenden Strecken größer als die der zu den überlappenden Strecken rechtwinkligen Strecken.
Mehrere Oszillatoren
Mehrere RTWOs können gemäß 14 im Wesentlichen die gleiche Fläche einnehmen. In dieser Figur sind bei zwei Oszillatoren deren Leiter so angeordnet, dass jeweils eine Länge eines Leiters eines Oszillators parallel und zwischen den Längen von zwei Leitern des anderen Oszillators geführt wird. Bei dieser Anordnung werden die Oszillatoren als miteinander ”verschachtelt” bezeichnet. Andere physikalische Anordnungen sind möglich, solange Leiter jedes Oszillators um einen vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet und nahe beieinander geführt sind, so dass sie jeweils das von jedem derselben erzeugte elektromagnetische(EM-)Feld teilen. Es ist wichtig zu beachten, dass 14 nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist und nicht die Längen der Leiter, sondern nur die Verschachtelung der beiden Oszillatoren zeigt. 15A zeigt den ersten RTWO der beiden Oszillatoren in 14 mit den Leitern Ap 1046, An 1042, der Übersichtlichkeit halber als Leitungen mit einer Dicke von Null dargestellt. 15B zeigt den zweiten RTWO der beiden RTWOs in 14 mit Leitern Bp 1048, Bn 1044, die ebenfalls als Leitungen mit einer Dicke von Null dargestellt sind. Im Überkreuzungsbereich 1041 in 14 haben die Leiter Ap und Bp einen Pfad, der sie mit Ap' und Bp' verbindet, und die Leiter An und Bn haben einen Pfad, der sie mit An' und Bn' verbindet.
16A zeigt eine neue Konfiguration der Leiter in dem Überkreuzungsbereich 1041 für die beiden Oszillatoren. In 16 verlaufen der Leiter Ap 1046 und der Leiter An 1042 parallel zu dem Leiter Bp 1048 und dem Leiter Bn 1044. In 16 umfassen die Leiter in dem Überkreuzungsbereich den größten Teil der Länge der Leiter des gesamten Oszillators, so dass die Kopplung der Leiter in dem Überkreuzungsbereich maximiert wird, ähnlich wie es in 6 und 7 gezeigt ist. Bei in den Leitern in derselben Richtung fließenden Strömen verkettet der resultierende magnetische Fluss die Leiter miteinander und erhöht somit deren Induktivität.
Die 14, 15A, 15B zeigen die Leiter der besseren Übersichtlichkeit halber als Leitungen mit einer Dicke von Null, in der Praxis hat ein Leiter jedoch eine gewisse physikalische Breite w und Tiefe d. 16B und 16C zeigen in einer Querschnittsansicht A-A wie die physikalischen Leiter angeordnet werden können. In 16B ist der physikalische Bp-Leiter 1048 über den Bn-Leiter 1044 gestapelt und der physikalische Ap-Leiter 1046 ist über den physikalischen An-Leiter 1042 gestapelt, wobei jedes Paar über eine Masse-Ebene 1082 gestapelt ist. Außerdem liegen der Bp-Leiter 1048 und der Bn-Leiter 1044 in seitlicher Nähe zu dem Ap-Leiter 1046 und dem An-Leiter 1042. In 16C liegen die Leiter 1042, 1044, 1046, 1048 alle in seitlicher Nachbarschaft zueinander und sind über einer Masse-Ebene 1082 gestapelt.
Wie oben erwähnt, müssen, damit die Induktivitätsverbesserung stattfinden kann, Leiterströme im Überkreuzungsbereich der Oszillatoren in dieselbe Richtung fließen, was erfordert, dass die Oszillatoren miteinander phasenverriegelt sein müssen. Eine Phasenverriegelung tritt naturgemäß ein, da jeder Oszillator naturgemäß von den anderen Oszillatoren beeinflusst wird, durch die von den Oszillatoren erzeugten magnetischen Felder. Bei bestehender Phasenverriegelung ergeben sich, wenn jeder Oszillator eine Welle hat, die sich im Gegenuhrzeigersinn bewegt, die folgenden Spannungsdifferenzen. V_An = –V_Ap, (1a) V_An' = –V_Ap', (1b) V_Bn = –V_Bp, (1c) V_Bn' = –V_Bp'. (1d)
Des Weiteren erzeugt, während sich die Spannungswelle entlang des Leiterpaars für jeden Oszillator bewegt, deren Wellenfront auch eine Spannungsdifferenz entlang des Leiters, da die Welle die Spannung zwischen den Leitern verändert. Die Spannungsdifferenzen entlang einer Länge der Leiter betragen jeweils: V_Ap' = V_Ap + ΔV_A (2) V_Bp' = V_Bn + ΔV_B (3), wobei ΔV_A die Spannungsdifferenz entlang des Ap Leiters ist und ΔV_B die Spannungsdifferenz entlang des Bp Leiters. Durch Kombinieren der Spannungsdifferenzen zwischen den Leitern von Gl. (1) mit Gleichungen (2) und (3) ergibt sich: V_An' = V_An – ΔV_A (4) V_Bn' = V_Bn – ΔV_B (5), was die Gleichungen für die Spannungsdifferenzen über die An und Bn Leiter sind. Die Gleichungen (2), (3), (4) und (5) besagen nun, dass V_Ap' > V_Ap, V_An > V_An', V_Bp' > V_Bp, V_Bn > V_Bn'. (6)
Somit fließt Strom von Ap' nach Ap, von An nach An', von Bp' nach BP, und von Bn nach Bn', d. h. alle Ströme fließen in dieselbe Richtung, was in 16A gezeigt ist.
Wie beschrieben, erhöht sich durch eine Anordnung der Leiter nebeneinander, wie in 16B und 16C gezeigt, die Induktivität, aber das Maß der Erhöhung ist eine starke Funktion der tatsächlichen Leitergeometrie, wie z. B. w und d in 16B. Die Erhöhung kann von etwa L = L₀√ N bis etwa L = L₀N reichen, und es kann eine beliebige Anzahl von Oszillatoren N auf diese Weise verschachtelt werden. Wie aus den Gleichungen hervorgeht, ist die Erhöhung der Induktivität desto größer, je größer die Anzahl der verschachtelten Oszillatoren.
Die hier beschriebene Erhöhung der Induktivität führt zu einer wichtigen vorteilhaften Wirkung – sie senkt den Leistungsverbrauch der Oszillatoren. Der Grund dafür ist, dass die Erhöhung der Induktivität L der Leiter jedes Oszillators eine Vergrößerung der Impedanz Z bewirkt, auf die eine Welle die sich zwischen den Leitern jedes der Oszillatoren bewegt trifft, da Z ~ √ L . Die höhere Impedanz senkt den Strom in jedem der Oszillatoren und damit die von jedem Oszillator verbrauchte Leistung P, da P ~ V²/Z, wobei V die Größe der Spannungswanderwelle an jedem Oszillator und Z die erhöhte Impedanz ist.
Neben der Senkung der Leistung tritt aber auch noch ein anderer Effekt ein. Jeder Oszillator hat ein geringeres Phasenrauschen, da jeder Oszillator durch eine kleine Impedanz mit dem anderen Oszillator gekoppelt ist, bei der es sich um die Impedanz der oben beschriebenen induktiven Kopplung handelt. Im Fall der Kopplungsimpedanz zwischen RTWOs wird die Impedanz wirksam in die Impedanz jedes RTWO absorbiert, wodurch die Kopplungsimpedanz nahezu Null wird. Dies ist höchst wünschenswert, da eine kleinere Kopplungsimpedanz zu einer größeren Verringerung des Phasenrauschens für jeden Oszillator führt, wobei jeder Oszillator einen größeren Effekt bei der Stabilisierung des bzw. der jeweils anderen Oszillator(en) hat. Wenn die Kopplungsimpedanz Null wäre, dann würde jeder Oszillator eine Verringerung des Phasenrauschens von 3 dB erreichen. Die vorliegend beschriebene Ausgestaltung nähert sich somit diesem Limit an. Als Alternative, anstatt sich vollständig auf die natürliche induktive Kopplung zu verlassen, kann ein Schaltungskonstrukteur die Kupplung durch Addieren von elektrischen/metallischen Verbindungen, wie z. B. Kontaktlöchern, zwischen den Oszillatoren, forcieren.
Somit werden durch ein Anordnen mehrerer Oszillatoren wie oben beschrieben mehrere wünschenswerte Ergebnisse erzielt: (a) die Oszillatoren werden naturgemäß miteinander phasenverriegelt; (b) die Oszillatoren haben einen geringeren Leitungsverbrauch, (c) die Oszillatoren haben ein verringertes Phasenrauschen; und (d) die Oszillatoren nehmen nicht viel mehr Fläche ein als nur ein einzelner Oszillator.
Obwohl die vorliegende Erfindung in beträchtlichem Detail mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Versionen derselben beschrieben wurde, sind auch andere Versionen möglich. Zum Beispiel ist es bei hohen Frequenzen wichtig, Unvollkommenheiten in der Übertragungsgüte zu vermeiden, die zu Reflexionen führen. Eine solche Art von Unvollkommenheit tritt in rechtwinkligen Ecken einer Metallbahn auf, die ihre Richtung ändert. An diesen Ecken ist die Breite der Metallbahn um größer, was die Impedanz der Metallbahn verändert. Eine bessere Art, die Richtung zu ändern, besteht darin, den rechten Winkel in eine abgerundete Ecke umzuwandeln, oder zwei Drehungen von 45° auszuführen. Noch eine andere Art besteht darin, eine Strecke der Metallbahn an der Ecke zu entfernen, so dass der Abstand derselbe ist wie bei der restlichen Bahn. In 12 und 13 ist eine Strecke der Ecke 906, 1006 entfernt, um die Impedanz über die Richtungsänderung hinweg relativ konstant zu halten. Entsprechend sollte der Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche nicht auf die Beschreibung der hierin beinhalteten bevorzugten Versionen beschränkt werden.

Claims

Verschachtelte Wanderwellen-Drehoszillatoren mit: einem ersten Wanderwellen-Drehoszillator (Rotary Traveling Wave Oscillator, RTWO), der ein erstes Leiterpaar und eine erste Überkreuzung beinhaltet, wobei das erste Leiterpaar mit der ersten Überkreuzung verbunden ist, um eine erste geschlossene Schleife zu bilden; und einem zweiten Wanderwellen-Drehoszillator (Rotary Traveling Wave Oscillator, RTWO), der ein zweites Leiterpaar und eine zweite Überkreuzung beinhaltet, wobei das zweite Leiterpaar mit der zweiten Überkreuzung verbunden ist, um eine zweite geschlossene Schleife zu bilden, wobei die zweite geschlossene Schleife etwa die gleiche physikalische Fläche einnimmt wie die erste geschlossene Schleife; und wobei die Leiter der ersten und zweiten Überkreuzung über eine ausreichende Länge hinweg voneinander beabstandet und parallel zueinander verlaufen, so dass die Induktivität der Überkreuzungen erhöht wird.
Verschachtelte Oszillatoren nach Anspruch 1, wobei ein erster Leiter des ersten Leiterpaars und ein erster Leiter des zweiten Leiterpaars unmittelbar benachbart sind, und wobei ein zweiter Leiter des ersten Leiterpaars und ein zweiter Leiter des zweiten Leiterpaars unmittelbar benachbart sind.
Verschachtelte Oszillatoren nach Anspruch 1 oder 2, wobei alle Ströme in den parallelen Leitern der Überkreuzungen in dieselbe Richtung fließen.
Verschachtelte Oszillatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Leiter der ersten Überkreuzung übereinander gestapelt und zusammen über einer Masse-Ebene angeordnet sind; und wobei die Leiter der zweiten Überkreuzung übereinander gestapelt und zusammen über der Masse-Ebene angeordnet sind; und wobei die Leiter der ersten Überkreuzung und die Leiter der zweiten Überkreuzung seitlich zueinander benachbart sind.
Verschachtelte Oszillatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Leiter der ersten und zweiten Überkreuzungen über einer Masse-Ebene angeordnet und seitlich zueinander benachbart sind.
Verschachtelte Oszillatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste und zweite RTWO über eine Impedanz miteinander gekoppelt sind, so dass jeder RTWO ein verringertes Phasenrauschen hat.
Verschachtelte Oszillatoren nach Anspruch 6, wobei die Kopplungsimpedanz induktiv ist.
Verschachtelte Oszillatoren nach Anspruch 6, wobei die Kopplungsimpedanz ohmisch ist.
Verschachtelte Oszillatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste und zweite RTWO über eine Impedanz miteinander gekoppelt sind, so dass jeder RTWO mit dem anderen phasenverriegelt ist.
Integrierte Schaltung, mit: einem ersten Wanderwellen-Drehoszillator (Rotary Traveling Wave Oscillator, RTWO), der ein erstes Leiterpaar und eine erste Überkreuzung beinhaltet, wobei das erste Leiterpaar mit der ersten Überkreuzung verbunden ist, um eine erste geschlossene Schleife zu bilden; und einem zweiten Wanderwellen-Drehoszillator (Rotary Traveling Wave Oscillator, RTWO), der ein zweites Leiterpaar und eine zweite Überkreuzung beinhaltet, wobei das zweite Leiterpaar mit der zweiten Überkreuzung verbunden ist, um eine zweite geschlossene Schleife zu bilden, wobei die zweite geschlossene Schleife etwa die gleiche physikalische Fläche einnimmt wie die erste geschlossene Schleife; und wobei das erste und zweite Leiterpaar miteinander verschachtelt sind, so dass sie voneinander erzeugte elektromagnetische(EM-)Felder teilen.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei ein erster Leiter des ersten Leiterpaars und ein erster Leiter des zweiten Leiterpaars unmittelbar benachbart sind, und wobei ein zweiter Leiter des ersten Leiterpaars und ein zweiter Leiter des zweiten Leiterpaars unmittelbar benachbart sind.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 11, wobei der erste Leiter des zweiten Leiterpaars parallel zu und zwischen dem ersten Leiterpaar in einer Strecke der ersten geschlossenen Schleife verläuft, und wobei der erste Leiter des ersten Leiterpaars parallel zu und zwischen dem zweiten Leiterpaar in einer Strecke der zweiten geschlossenen Schleife verläuft.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein erster Leiter der ersten Überkreuzung parallel zu einem ersten Leiter der zweiten Überkreuzung verläuft, und wobei ein zweiter Leiter der ersten Überkreuzung parallel zu einem zweiten Leiter der zweiten Überkreuzung verläuft, wobei alle Ströme in dem ersten und zweiten Leiter der ersten Überkreuzung und in dem ersten und zweiten Leiter der zweiten Überkreuzung in dieselbe Richtung fließen.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 13, wobei die Leiter der ersten und zweiten Überkreuzung übereinander gestapelt und zusammen über einer Masse-Ebene angeordnet sind; und wobei der erste und zweite Leiter der zweiten Überkreuzung übereinander gestapelt und zusammen über der Masse-Ebene angeordnet sind; und wobei der erste und zweite Leiter der ersten Überkreuzung und der erste und zweite Leiter der zweiten Überkreuzung seitlich zueinander benachbart sind.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 13, wobei der erste Leiter der ersten Überkreuzung seitlich benachbart zu und zwischen dem ersten und zweiten Leiter der zweiten Überkreuzung liegt, wobei der erste Leiter der zweiten Überkreuzung seitlich benachbart zu und zwischen dem ersten und zweiten Leiter der ersten Überkreuzung liegt, und wobei der erste und zweite Leiter der ersten Überkreuzung und der erste und zweite Leiter der zweiten Überkreuzung über einer Masse-Ebene angeordnet sind.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei der erste und zweite RTWO über eine Impedanz miteinander gekoppelt sind.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 16, wobei die Kopplungsimpedanz induktiv ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 16, wobei die Kopplungsimpedanz ohmisch ist.
Verfahren zum Erzeugen einer Mehrzahl von Wanderwellen, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen einer ersten Wanderwelle mittels eines ersten Wanderwellen-Drehoszillators (Rotary Traveling Wave Oscillator, RTWO), wobei der erste RTWO ein erstes Leiterpaar und eine erste Überkreuzung beinhaltet, wobei das erste Leiterpaar mit der ersten Überkreuzung verbunden ist, um eine erste geschlossene Schleife zu bilden; und Erzeugen einer zweiten Wanderwelle mittels eines zweiten RTWO, wobei der zweite RTWO ein zweites Leiterpaar und eine zweite Überkreuzung beinhaltet, wobei das zweite Leiterpaar mit der zweiten Überkreuzung verbunden ist, um eine zweite geschlossene Schleife zu bilden, wobei die zweite geschlossene Schleife im Wesentlichen die gleiche Fläche einnimmt wie die erste geschlossene Schleife, wobei das erste und zweite Leiterpaar miteinander verschachtelt sind, so dass sie voneinander erzeugte elektromagnetische(EM-)Felder teilen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Erzeugen der ersten und zweiten Wanderwellen ein Phasenverriegeln des ersten und zweiten RTWOs umfasst.