DE19808377A1 - Vollintegrierbare spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung - Google Patents
Vollintegrierbare spannungsgesteuerte OszillatorschaltungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine voll integrierbare span
nungsgesteuerte Oszillatorschaltung (VCO) gemäß dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1.
Um ein Sprach-/Datensignal für eine optimierte Übertragung
über einen Hertz'schen Übertragungskanal (Funk) vorzuberei
ten, wird dieses Sprach-/Datensignal einem sogenannten Hoch
frequenz(HF)-Träger als Modulation aufgeprägt. Dieser HF-Trä
ger besteht bei vielen Anwendungen aus sinusförmigen Schwin
gungen, welche von einem spannungsgesteuerten Oszillator
(VCO; Voltage Controlled Oscillator) erzeugt werden.
An den spannungsgesteuerten Oszillator werden je nach Ein
satzgebiet, z. B. bei dem im UHF-Frequenzbereich übertragenden
DECT (Digital European Cordless Telecommunications)-System,
GSM(Global System for Mobile Communications)-System oder bei
ähnlichen Systemen, durch die dort bestehenden Normen beson
dere Anforderungen gestellt. Eine der wichtigsten Anforderun
gen ist das Niedrighalten des sogenannten Phasenrauschens, da
hierüber z. B. die maximale Abstrahlung von Leistung in Nach
barkanäle (im Sendebetrieb) oder von Nachbarkanälen in den
Nutzkanal (im Empfangsbetrieb) begrenzt wird.
Diese Anforderungen sind zumeist so hoch, daß es bis heute
noch kaum gelungen ist, voll integrierte spannungsgeregelte
Oszillatorschaltungen (VCO) herzustellen, die z. B. der
DECT-Spezifikation genügen. Die kritische Größe im DECT-Standard
ist hierbei das Phasenrauschen des VCOs bei 4,7 MHz Ablage
(dritter Nachbarkanal). Dieses liegt laut der Spezifikation
bei -132 dBc/Hz.
Aus der Literatur sind bisher drei integrierte spannungsge
steuerte UHF-Oszillatorschaltungen bekannt, welche die
DECT-Spezifikationen einigermaßen erfüllen könnten.
Die erste Schaltung geht zurück auf einen Artikel von Bart
Jansen, Kevin Negus und Don Lee: "Silicon Bipolar VCO Family
for 1.1 to 2.2 GHz with Fully-Integrated Tank and Tuning
Circuits" in "1997 IEEE International Solid-State Circuits
Conference, ISSCC97/Session 23/Analog Techniques/Papers
SP 23.8, 8. Februar 1997", Seiten 392 und 393. Bei diesem be
kannten integrierten VCO-Oszillator wird ein Schwingkreis,
der aus einer integrierten Spiralinduktivität in Parallel
schaltung mit einem integrierten Varaktor besteht, durch eine
Schaltung entdämpft, die einen negativen reellen Widerstand
in den Schwingkreis hineintransformiert. Eine solche Schal
tung wird im allgemeinen als NIC(Negative Impedance Conver
ter)-Schaltung bezeichnet.
Die Regelspannung des VCOs liegt am PN-Übergang der Varakto
ren an, durch welche die Gesamtkapazität des Schwingkreises
und somit die Schwingfrequenz verändert werden kann. Dieser
VCO ist aus Bipolartransistoren aufgebaut. Der Vorteil dieses
Transistortyps liegt in seinem geringen l/f-Rauschen, was
insbesondere für die Arbeitspunkteinstellung günstig ist.
Der Nachteil besteht in der hohen Steilheit "gm" (Id/Ut) und
dem Basisbahnwiderstand der Bipolartransistoren.Wenn die NIC-
Schaltung ihren "Nulldurchgang" durchfährt, also beide Tran
sistoren des Stromschalters leitend sind, wird ein relativ
großes "Rausch-Ladungspaket" in den Schwingkreis eingebracht,
das sich dann im Phasenrauschen nachteilig bemerkbar macht.
Die zweite in diesem Zusammenhang bekannte Schaltung, die
auf einen Beitrag von Leonard Dauphinee, Miles Copeland und
Peter Schvan: "A Balanced 1.5 GHz Voltage Controlled Oscilla
tor with an Integrated LC Resonator" in "1997 IEEE Interna
tional Solid-State Circuits Conference, ISSCC97/Session 23
/Analog Techniques/Papers SP 23.7, 8.Februar 1997", Seiten
390 und 391 zurückgeht, beruht auf einem differentiellen Col
pitts-Oszillator. Dieser ist auch aus Bipolartransistoren
aufgebaut und weist deswegen dasselbe Problem auf, das be
reits in Verbindung mit der ersten bekannten VCO-Schaltung
beschrieben wurde.
Die dritte in diesem Zusammenhang bekannte VCO-Schaltung, die
auf einen Aufsatz von Jan Craninckx und Michel S. J.
Steyaert: "A 1.8-Ghz CMOS Low-Phase-Noise Voltage-Controlled
Oscillator with Prescaler" in "IEEE Journal of Solid-State
Circuits", Vol. 30, No. 12, Dezember 1995, Seiten 1-474 bis
1482 zurückgeht, ist im Gegensatz zu den ersten beiden vor
stehend behandelten integrierten VCO-Schaltungen aus
CMOS-Transistoren aufgebaut.
Im Resonanzkreis wird eine Bonddrahtinduktivität benutzt, was
wegen der nicht so guten Reproduzierbarkeit des Induktivi
tätswertes einen Schwachpunkt dieser Technik bildet. Die
Schaltung zur Entdämpfung des Schwingkreises ist in dem Auf
satz nicht näher beschrieben. Es ist anzunehmen, daß auch
hier ein NIC-Typ benutzt wird.
Der Nachteil der CMOS-Transistoren ist das relativ hohe
1/f-Rauschen dieses Transistortyps. Die Eckfrequenz des
1/f-Rauschens liegt bei CMOS-Transistoren typisch im MHz-Bereich,
wohingegen sich diese bei Bipolartransistoren im kHz Bereich
befindet. Der Vorteil des CMOS-Transistors ist die relativ
niedrige Steilheit "gm", welche den Rauschbeitrag im Um
schaltzeitpunkt des Stromschalters vernachlässigbar klein
macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzuge
ben, durch welche die Vollintegration eines im UHF-Bereich
betriebenen spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) unter Ein
haltung der durch bestehende Normen, insbesondere des
DECT-Standards, gestellten Anforderungen, insbesondere hinsicht
lich des Phasenrauschens, unter der Berücksichtigung der Pa
rameterschwankungen des Halbleiterprozesses sicher erreicht
wird.
Die kritische Größe im DECT-Standard ist hierbei das Phasen
rauschen des VCO bei 4,7 MHz Ablage (dritter Nachbarkanal)
Dieses liegt laut der Spezifikation bei -132 dBc/Hz und soll
daher bei der zu schaffenden VCO-Oszillatorschaltung mit min
destens -140 dBc/Hz angesetzt werden, um die Spezifika
tionserfüllung auch unter Parameterschwankungen des Halblei
terprozesses zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch
die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst. Die spannungsgeregelte Oszillatorschaltung
nach der Erfindung kombiniert die Vorteile des CMOS-Transi
stors und des Bipolartransistors in einer Schaltung.
Zweckmäßige Weiterbildungen und Verwendungsmöglichkeiten der
Oszillatorschaltung nach der Erfindung sind in den Unteran
sprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines vorteilhaften
Ausführungsbeispiels, dessen Schaltung in einer beigefügten
Figur dargestellt ist, erläutert.
Als differentiell aufgebaute, symmetrische Schwingkreisschal
tung wird bei dem in der Figur dargestellten voll integrier
baren VCO-Oszillator eine integrierte Spiralinduktivität L
parallel zu zwei integrierten Varaktoren V1 und V2 benutzt.
Im Schwingkreis liegen noch zwei Kondensatoren C1 und C2 in
zueinander symmetrischer Weise.
Die frequenzbestimmende Regelspannung Ur des VCOs wird am
Eingang 1 zugeführt und greift am PN-Übergang der beiden Va
raktoren V1 und V2 an, durch welche die Gesamtkapazität des
Schwingkreises und somit dessen Schwingfrequenz verändert
werden kann. Der Schwingkreis wird durch einen NIC-Schal
tungstyp (Negative Impedance Converter) entdämpft, die einen
negativen reellen Widerstand in den Schwingkreis hineintrans
formiert.
Hierbei wird aber die Kreuzkopplung der NIC-Schaltung nicht
über Emitterfolger, sondern über eine Wechselstrom-Kopplung
der beiden Ausgänge mit Hilfe der beiden Kapazitäten C3 und
C4 erreicht. Als Stromquellentransistor wird hierbei ein Bi
polartransistor und zwar im speziellen Fall eine Parallel
schaltung von Bipolartransistoren T1 bis T4 benutzt. Durch
diese Maßnahme macht man sich hier die Vorteile des geringen
1/f-Rauschens von Bipolartransistoren zu Nutze, was insbeson
dere für die Arbeitspunkteinstellung günstig ist.
Das Stromsignal STROM wird der Stromquelle an einem Eingang 2
zugeführt. Im Stromschalter werden zwei CMOS-Transistoren T5
und T6 eingesetzt, um hier die geringere Steilheit "gm"
(Tc/UT) dieses Transistortyps auszunutzen. Die relativ nied
rige Steilheit "gm" der CMOS-Transistoren macht den
Rauschbeitrag im Umschaltzeitpunkt des Stromschalters ver
nachlässigbar klein.
Die differentiellen sinusförmigen Ausgangsschwingungen OUTP
und OUTN werden der in der Figur dargestellten spannungsgere
gelten Oszillatorschaltung an den Ausgängen 3 und 4 abgenom
men. Eine Betriebsgleichspannung Vcc dient in Verbindung mit
weiteren, im einzelnen nicht zu erläuternden Transistoren der
geeigneten Spannungsversorgung der dargestellten Oszillator
schaltung. Mit GND ist der Massepol der dargestellten voll
integrierbaren Oszillatorschaltung bezeichnet.
Mit der beschriebenen Verschaltung im Ausführungsbeispiel ei
nes VCOs nach der Erfindung können bei Einsatz beim
DECT-Standard um bis zu 7 dB bessere Werte im Phasenrauschen er
zielt werden, insgesamt bis zu -146 dBc/Hz bei 4,7 MHz Ablage
vom Träger, als mit einer voll integrierten VCO-Oszillator
schaltung, die rein aus Bipolartransistoren aufgebaut ist.
Es zeigt sich auch, daß bei einem rein in Bipolartechnik auf
gebauten, voll integrierten Oszillator die Stromschaltertran
sistoren die begrenzenden Elemente sind, wohingegen dies beim
BiCMOS-Oszillator die parasitären Elemente der Schwingkreis
induktivität sind.
C1, C2 Kapazitäten im Schwingkreis
C3, C4 Kapazitäten zur Wechselstrom-KopplungGND Masse
L SpiralinduktivitätOUTP, OUTN differentielle AusgangsschwingungenSTROM Eingangsstromsignal
T1 bis T4 bipolare Transistoren
T5, T6 CMOS-Transistoren
Ur
C3, C4 Kapazitäten zur Wechselstrom-KopplungGND Masse
L SpiralinduktivitätOUTP, OUTN differentielle AusgangsschwingungenSTROM Eingangsstromsignal
T1 bis T4 bipolare Transistoren
T5, T6 CMOS-Transistoren
Ur
Regelspannung
V1, V2 Varaktoren
Vcc
V1, V2 Varaktoren
Vcc
Betriebsgleichspannung
1
Eingang für Regelspannung
2
Stromversorgungseingang
3
,
4
Oszillatorausgänge
Claims (4)
1. Vollintegrierbare spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung
(VCO; Voltage Controlled Oscillator) zur Erzeugung von sinus
förmigen UHF-Schwingungen, die bipolare Transistoren aufweist
und bei der eine integrierte Spiralinduktivität in Parallel
schaltung mit einem integrierten Varaktor, an dessen PN-Über
gang die resonanzfrequenzbestimmende VCO-Regelspannung an
greift, als Schwingkreis vorgesehen ist, der durch eine
kreuzgekoppelte sogenannte NIC(Negative Impedance Converter)-
Schaltung entdämpft ist, die einen negativen reellen Wider
stand in den Schwingkreis hineintransformiert, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kreuzkopplung der NIC-Schal
tung durch eine Wechselstromkopplung (C3, C4) der beiden Aus
gänge realisiert ist, und daß nur für die Stromquellentransi
storen bipolare Transistoren (T1 bis T4), dagegen im Strom
schalter CMOS-Transistoren (T5, T6) vorgesehen sind.
2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schwingkreis durch eine symme
trisch aufgebaute, differentielle Schwingkreisschaltung mit
zwei integrierten Varaktoren (V1, V2), zwei Kondensatoren
(C1, C2) und einer gemeinsamen integrierten Spiralinduktivi
tät (L) gebildet ist.
3. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn
zeichnet durch eine Erstellung in einem BiCMOS-Halblei
terprozeß.
4. Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, gekennzeichnet durch eine Verwendung als UHF-Os
zillator bei Funkeinrichtungen im Rahmen eines DECT (Digital
European Cordless Telecommunications)-Systems oder eines ähn
lich gearteten Funksystems.
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