DE2842646A1 - Elektronisch steuerbarer oszillator - Google Patents

Description

• Elektronisch steuerbarer Oszillator
• Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch steuerbaren Oszillator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Herkömmliche Oszillatoren dieser Art, die einen mit steuerbaren Kapazitätsdioden versehenen, frequenzbestimmenden Schwingungskreis aufweisen, haben den Nachteil, daß der Kapazitäts-Einstellbereich und damit der Frequenzeinstellbereich durch die Eigenschaften der Kapazitätsdioden begrenzt ist.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Oszillator der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem dieser Nachteil entfällt. Das wird erfindungsgemäß durch eine Ausbildung des Oszillators mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen erreicht.
• Der Vorteil eines nach der Erfindung ausgebildeten Oszillators liegt insbesondere darin, daß er einen großen Frequenzeinstellbereich aufweist, der mit einfachen Ansteuermitteln überstrichen werden kann.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Oszillators nach der Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt durch einen in dem Oszillator nach Fig. 1 als frequenzbestimmendes Schaltelement enthaltenden Kondensator, Fig. 3 eine Draufsicht auf den Kondensator nach Fig. 2, Fig. 4 einen Spannungsverlauf längs der Elektrode des Kondensators nach Fig. 2, Fig. 5 eine Ansteuerschaltung für den Kondensator nach Fig. 2, Fig. 6 die Abhängigkeit der nach Fig. 5 eingestellten Kapazität einer Steuerspannung, Fig. 7 eine weitere Ansteuerschaltung für den Kondensator nach Fig. 2, Fig. 8 einen Spannungsverlauf unterhalb der Elektrode des nach Fig. 7 angesteuerten Kondensators, Fig. 9 das Einstellen der Kapazität eines Kondensators nach Fig. 2 mittels einer Steuerspannung an einem in dem Halbleitersubstrat vorgesehenen, entgegengesetzt zu diesem dotierten Gebiet, Fig. 10 einen Spannungsverlauf unterhalb der Steuerelektrode eines nach Fig. 9 angesteuerten Kondensators, Fig. 11 eine Ansteuerschaltung für eine lineare Abhängigkeit der Kapazität des Kondensators nach Fig. 2 von einer Steuerspannung, Fig. 12 einen Kondensator nach Fig. 2 in schematischer Darstellung, dem eine Induktivität parallel geschaltet ist, Fig. 13 einen Kondensator nach Fig.2, dem ein Gyrator parallel geschaltet ist, und Fig. 14 eine Weiterbildung der Schaltung nach Fig. 13.
• Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines in seiner Frequenz steuerbaren Oszillators weist einen Feldeffekttransistor T auf, dessen Drain-Anschluß D über ein Lastelement La mit einem Schaltungspunkt P verbunden ist, an dem die Versorgungsspannung VDD liegt.
• Der Source-Anschluß S von T ist mit dem Massepotential beschaltet. Zwischen dem Drain-Anschluß D und dem Gate-Anschluß Ga von T liegt ein frequenzbestimmender Schwingkreis, der eine als Induktivität wirkende Teilschaltung aufweist, die in Fig. 1 durch einen Block IT dargestellt wird, sowie eine als Kapazität wirkende Teilschaltung, die durch einen Block KT angedeutet ist.
• Mit SE ist ein Steuereingang von KT bezeichnet, dem ein Steuersignal zuführbar ist, das die Kapazität der Teilschaltung KT verändert und damit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises IT, KT einstellt. Am Schaltungspunkt D wird über eine Kapazität Ka ein Oszillatorsignal mit einer der Resonanzfrequenz von IT, KT entsprechenden Frequenz abgegriffen und dem Oszillatorausgang A zugeführt.
• Nach der Erfindung ist der Schaltungsteil KT als ein Isolierschichtkondensator ausgebildet, der im folgenden näher beschrieben wird. Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines solchen Isolierschichtkondensators. Dabei ist ein Halbleitersubstrat, auf dem er aufgebaut ist, mit 1 bezeichnet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Substrat aus p-dotiertem Silizium.In das Substrat 1 ist ein entgegengesetzt dotiertes Gebiet 2,das als Source-Gebiet dient,eingebracht.Es ist bei der angenommenen Substratdotierung n-dotiert und über eine Elektrode 21 mit einem Anschluß 22 verbunden. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 ist eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht.
• Seitlich neben dem Gebiet 2 ist die Schicht innerhalb eines mit Lo bezeichneten Bereiches als eine Dünnschicht 32 ausgebildet, deren Dicke z.B. 0,1 pm beträgt.
• Außerhalb des Bereiches Lo stellt sie eine Dickschicht 33 mit einer Dicke von etwa 1-2 pm dar. Vorzugsweise besteht die isolierende Schicht 32,33 dabei aus SiO2.
• Auf der Dünnschicht 32 und auf den angrenzenden Teilen der Dickschicht 33 ist eine Elektrode 4 aus einem Material mit einem homogenen verteilten Flächenwiderstand aufgebracht. Die Elektrode 4 besteht beispielsweise aus polykristallinem Silizium, das einen Widerstand von etwa 50 k.a/o aufweist. In den Bereichen zweier einander gegenüberliegender Randzonen der Elektrode 4 sind Elektrodenanschlüsse 41 und 42 vorgesehen, die mit Spannungen U2 und U1 beschaltet sind. Dies hat einen Strom I zur Folge, der die Elektrode 4 durchfließt und zwischen den Anschlüssen 41 und 42 einen Spannungsabfall der Größe U2-U1 hervorruft. Unterhalb der Elektrode 4 wird dann ausgehend von dem Gebiet 2 eine Inversionsrandschicht 23 erzeugt, die in Fig. 2 doppelt schraffiert dargestellt ist und bis zu dem Ort 24 reicht, über dem an der widerstandsbehafteten Elektrode 4 eine Spannung UG abfällt, die die Beziehung UG = U + UT erfüllt. Dabei bedeutet UT die sogenannte Einsatzspannung der aus den Teilen 1,32 und 4 bestehenden Anordnung, U eine dem Anschluß 22 zugeführte Spannung.
• Die Länge L der Inversionsrandschicht 23 ist somit durch den Verlauf von UG zwischen den Anschlüssen 41 und 42 und durch die dem Anschluß 22 zugeführte Spannung U beeinflußbar. Mit 25 ist eine Raumladungszone bezeichnet, die das Gebiet 2 umgibt, mit 26 eine Raumladungszone, die unterhalb der Elektrode 4 in Abhängigkeit von dem Verlauf von UG gebildet wird. Da man die Inversionsrandschicht 23 auch als eine Gegenelektrode zu der Elektrode 4 auffassen kann, ergibt sich zwischen den Anschlüssen 22 und 41 ein Isolierschichtkondensator, dessen Kapazität von L abhängt.
• Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 2. Einzelheiten der Fig. 3, die bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurden, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Mit 43 ist die Breite der Elektrode 4 bezeichnet.
• In Fig. 4 ist der Spannungsverlauf Um längs der Elektrode 4 über dem mit x bezeichneten Abstand vom Rand des st# Gebiets 2 dargestellt. Für die ebenfalls eingezeichneten Werte U und UT ergibt sich dann die dargestellte Länge L der Inversionsrandschicht 23.
• In Fig. 5 ist eine erste Art der Ansteuerung eines erfindungsgemäflen Isolierschichtkondensators dargestellt.
• Dabei ist die Elektrode 4 über den Anschluß 42 mit Massepotential beschaltet, über den Anschluß 41 dagegen mit einer Steuerspannungsquelle 44, die die Spannung U1 liefert. Das Gebiet 2 ist mit Masse verbunden. Bei dieser Art der Ansteuerung ist die Abhängigkeit der Kapazität C des Isolierschichtkondensators von der Spannung U durch die Formel gegeben. Dabei besitzt der Kondensator die Kapazität CO, wenn die Inversionsrandschicht die Länge Lo erreicht.
• Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit des Kapazitätsverhältnisses G/Co von der angelegten Spannung U1.
• Um eine lineare Abhängigkeit der Kapazität des Isolierschichtkondensators von der Amplitude der Steuerspannung U1 zu erreichen, ist eine zweite Art der Ansteuerung erforderlich, bei der das Potential an allen Punkten der Elektrode 4 jeweils um denselben Betrag geändert wird, um den sich auch die Steuerspannung ändert. In Fig. 7 ist eine solche Ansteuerung mit Hilfe einer Ansteuerschaltung 5 dargestellt. Diese weit einen Spannungsteiler auf, der aus zwei in Serie zueinander ohmschen geschalteten Widerständen R1 und R2 besteht. Der eine Anschluß dieser Serienschaltung ist mit dem Anschluß 41 verbundenen, der andere mit dem Massepotential. Der Verbindungspunkt 51 beider Widerstände ist an den positiven Eingang eines Differenzverstärkers 52 geschaltet, dessen Ausgang mit dem Anschluß 42 verbunden ist. Ferner ist der negative Eingang des Verstärkers 52 einerseits über einen Widerstand R3 mit seinem Ausgang und andererseits über einen Widerstand R4 mit dem Massepotential beschaltet.
• Die Steuerspannung Ul wird wieder dem Elektrodenanschluß 41 zugeführt, während der Anschluß 22 auf Massepotential gelegt ist.
• Fig. 8 zeigt die mittels der Ansteuerschaltung 5 erreichten Spannungsverläufe längs der Elektrode 4. Steigt die Amplitude des Eingangssignales von U1 nach U1', so wird mit Hilfe der Ansteuerschaltung 5 die Spannung U2 ebenfalls um die Spannungsdifferenz U1t-U.1 auf U2' angehoben. Der gesamte Spannungsverlauf UG wird damit um den Betrag U1'-U1 in die Lage UG' verschoben. Damit ist der Zusammenhang zwischen der Amplitude von U1 und der Kapazität des Isolierschichtkondensators linear und kann mit der Gleichung beschrieben werden. In dieser Gleichung bedeutet L' die Länge der Inversionsrandschicht 23, die nach der Spannungsverschiebung um U1'-U1 erreicht wird. C zu bedeutet die hierbei eingestellte Kapazität. In Fig. 8 ist außerdem der Spannungsverlauf UG" dargestellt, der sich bei einer Verringerung der Steuerspannung U1 auf den kleineren Wert Uin ergibt. Die hierbei entstehende Länge der Inversionsrandschicht ist mit L bezeichnet.
• Eine weitere vorteilhafte Art der Ansteuerung ist in Fig. 9 angegeben. Durch Anlegen von konstanten Spannungen U7 und U2 an die Elektrodenanschlüsse 42 und 41, wobei U1 größer ist als U2, und durch Anlegen einer Steuerspannung U an das Gebiet 2 kann die Länge L der Inversionsrandschicht ebenfalls eingestellt werden.
• Die Inversionsrandschicht reicht bis zu jenem Ort, an dem die Beziehung UG = U + UT erfüllt ist. Die Abhängigkeit der Kapazität C von der Steuerspannung U ist durch die Gleichung gegeben.
• In Fig. 9 ist der Spannungsverlauf UG dargestellt, der sich beim Anlegen von Spannungen U1 und U2 an die Anschlüsse 41 und 42 ergibt. Weiterhin sind zwei horizontale Gerade eingezeichnet, die jeweils Spannungswerten U+UT und U'+UT entsprechen. Die Schnittpunkte dieser Geraden mit dem Spannungsverlauf UG bestimmen die Längen L und L' der Inversionsrandschicht 23, die sich für den Anschluß 22 zugeführte Steuerspannungen U und U' ergeben.
• Bei der Verwendung einer konstanten Vorspannung für das Substrat 1 muß der Einfluß des Substratsteuerfaktors beachtet werden. In Fig. 11 ist eine Schaltung dargestellt, bei der die Spannung UA zwischen dem Gebiet 2 und dem Substrat 1 konstant gehalten wird. Die Steuerspannung U an dem Gebiet 2 entspricht der Differenz UA-U' der konstanten Spannung UA zwischen Substrat 1 und Diffusionsgebiet 2 und der Steuerspannung U'. Wird die Spannung UA gleich groß wie die Spannung Ul am Anschluß 41 gewählt, so ergibt sich die folgende lineare Beziehung zwischen der Kapazität C und der Steuerspannung Fig. 12 zeigt einen mit 6 bezeichneten, schematisch dargestellten Isolierschichtkondensator nach der Erfindung, dessen Anschlüsse 22 und 42 mit einer Induktivität 7 beschaltet sind. Damit entsteht ein Parallelschwingkreis, dessen Anschlüsse die Bezugszeichen 71 und 72 tragen. Die Schwingkreisabstimmung erfolgt zweckmäßigerweise mittels der dem Anschluß 41 zugeführten Steuerspannung U1 (entsprechend Fig. 4 oder Fig. 6) oder mittels der Steuerspannung U am Anschluß 22 (entsprechend Fig. 8 oder Fig. 10). Im letzteren Fall ist ein Kondensator C3 vorgesehen, der die Spannung U von den übrigen Teilen des Schwingkreises abblockt. Der Schwingkreis nach Fig. 12 entspricht den Schaltungsteilen KT und IT von Fig. 1, wobei IT durch die Induktivität 7 dargestellt wird.
• In Fig. 13 ist wieder ein Isolierschichtkondensator 6 nach der Erfindung dargestellt, dessen Anschlüsse 22 und 42 mit den Eingängen 73 und 74 eines an sich bekannten Gyrators 7' beschaltet sind. Dieser Gyrator ist beispielsweise in dem IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-7, No.6, Dezember 1972 auf den Seiten 469-474 eingehend beschrieben. Wie insbesondere die Figur 2 dieser Veröffentlichung erkennen läßt, handelt es sich dabei um eine aus Transistoren und Widerständen aufgebaute Vierpolschaltung, die an ihren eingangsseitigen Anschlüssen eine Induktivität nachbildet, wenn sie ausgangsseitig mit einer Kapazität abgeschlossen ist. In Fig. 13 sind die Ausgänge des Gyrators mit 75 und 76 bezeichnet und der kapazitive Abschluß durch den Kondensator CA gegeben. Damit liegt an den Schaltungspunkten 73 und 74 eine Induktivität, die den Kondensator 6 wieder zu einem Parallelschwingkreis mit den Anschlüssen 71 und 72 ergänzt. Die Schaltung nach Fig. 13 ist leicht integrierbar, während in Fig. 12 die Realisierung der Induktivität 7 in integrierter Schaltungstechnik zu Schwierigkeiten führen kann. Der Schwingkreis nach Fig. 13 stellt eine bevorzugte Realisierung der Teilschaltung IT, KT von Fig. 1 dar.
• Fig. 14 entspricht der Schaltung nach Fig. 13 mit dem Unterschied, daß der Kondensator CA durch einen Isolierschichtkondensator 6' nach der Erfindung ersetzt ist.
• Steuert man diesen über die Anschlüsse 22', 41' und 42' in der bereits anhand der Fig. 12 beschriebenen Weise an, so erhält man wegen der weiteren Ansteuerung des Kondensators 6 über die Anschlüsse 22, 41 und 42 einen sehr großen Einstellbereich der Resonanzfrequenz. Dies führt beim Einsetzen der Schaltung von Fig. 14 an die Stelle der Teilschaltung IT, KT von Fig. 1 zu einem sehr großen Einstellbereich der Oszillatorfrequenz.
• Mit besonderem Vorteil kann der steuerbare Oszillator nach der Erfindung als ein Umsetzer betrieben werden, der ein amplitudenmoduliertes Signal in ein frequenzmoduliertes Signal umsetzt. Hierbei ist der kapazitive Schaltungsteil KT entsprechend einer der Figuren 5, 7, 9 oder 11 ausgebildet und der induktive Schaltungsteil IT als Induktivität 7 oder Gyrator 7', gegebenenfalls mit einem Isolierschichtkondensator 6' als kapazitivem Abschluß. Führt man nun dem Anschluß 41 oder dem Anschluß 22 ein amplitudenmoduliertesEingangssignal zu, so wird die Schwingkreisfrequenz in Abhängigkeit von dem jeweiligen Momentanwert der Amplitude des Eingangssignals verändert. Daher--ist das am Ausgang A auftretende Oszillatorsignal entsprechend frequenzmoduliert. Der Schwingkreis in der Ausführung nach Fig. 14 mit den Teilen 6, 7 und 6' erlaubt eine AM/FM-Umsetzung von Eingangssignalen, deren Amplitude einen großen Hub bzw.
• eine große Schwankungsbreite aufweist.
• 12 Patentansprüche 14 Figuren

Claims (12)

1. Patentans#rtiche iu r -1 J Elektronisch steuerbarer Oszillator mit einem frequenzbestimmenden Schwingkreis, der einen als Halbleiterschaltung realisierten Kondensator aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schwingkreis einen Isolierschichtkondensator auf einem Substrat (1) aus dotiertem Halbleitermaterial enthält, bei dem ein Teil der Oberfläche des Substrats (1) mit einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht (32) bedeckt ist, auf der eine Elektrode (4) angeordnet ist, daß ein entgegengesetzt zu dem Substrat (1) dotiertes Gebiet (2) an der Oberfläche desselben vorgesehen ist, das an den Substratbereich unterhalb der Elektrode (4) angrenzt, und daß die Elektrode (4) aus einem Material mit einem homogen verteilten Flächenwiderstand besteht und in den Bereichen zweier die Elektrodenfläche im wesentlichen zwischen sich einschließender Randzonen Elektrodenanschlüsse (41,42) aufweist, die mit einem Steuerstromkreis beschaltet sind.
2. 2. Oszillator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Elektrode (4) aus dotiertem, polykristallinem Silizium besteht.
3. 3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß einer der Elektrodenanschlüsse (41), der im Bereich des entgegengesetzt dotierten Gebietes (2) liegt, mit einer einstellbaren Steuerspannungsquelle (44) beschaltet ist und daß der andere Elektrodenanschluß (42) sowie das entgegengesetzt dotierte Gebiet (2) mit konstanten Spannungen beschaltet sind.
4. 4. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß einer der Elektrodenanschlüsse (41), der im Bereich des entgegengesetzt dotierten Gebiets (2) liegt, mit einer einstellbaren Steuerspannungsquelle (44) beschaltet ist, daß das entgegengesetzt dotierte Gebiet (2) mit einer konstanten Spannung beschaltet ist und daß der andere Elektrodenanschluß (42) mit dem erstgenannten Elektrodenanschluß (41) über eine Ansteuerschaltung (5) verbunden ist, die das Potential an ihrem Ausgang um denselben Betrag verändert, um den das Potential an ihrem Eingang verändert wird.
5. 5. Oszillator nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Ausgang der Ansteuerschaltung durch den Ausgang eines Differenzverstärkers (52) gebildet ist, dessen positiver Eingang mit dem teilspannungsführenden Ausgang (51) eines Widerstands-Spannungsteilers (R1, R2) verbunden ist, dessen Eingang den Eingang der Ansteuerschaltung darstellt, und daß der negative Eingang des Differenzverstärkers über einen ersten Widerstand (R3) mit seinem Ausgang und über einen zweiten Widerstand (R4) mit einem an ein konstantes Potential gelegten Schaltungspunkt verbunden ist.
6. 6. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beide Elektrodenanschlüsse (41,42) mit konstanten Spannungen beschaltet sind und daß das entgegengesetzt dotierte Gebiet (2) mit einer einstellbaren Steuerspannungsquelle verbunden ist.
7. 7. Oszillator nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das entgegengesetzt do- tierte Gebiet (2) über eine einstellbare Steuerspannunga quelle mit einer Vorspannungsquelle verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen beiden Spannungsquellen mit einer das Halbleitersubstrat kontaktierenden Elektrode verbunden ist.
8. 8. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der frequenzbestimmende Schwingkreis (IT,KT) eine dem Isolierschichtkondensator (6) parallelgeschaltete Induktivität (7) aufweist.
9. 9. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der frequenzbestimmende Schwingkreis (IT,KT) einen dem Isolierschichtkondensator (6) parallel geschalteten Gyrator (7') aufweist, der als eine aus Transistoren und Widerständen bestehende Vierpolschaltung ausgebildet und ausgangsseitig mit einem zweiten Kondensator (CA) abgeschlossen ist.
10. 10. Oszillator nach Anspruch 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der zweite Kondensator (CA) ebenso ausgebildet ist, wie der dem Eingang des Gyrstors (7') parallel geschaltete (6).
11. 11. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er einen Feldeffekttransistor (T) aufweist dessen Drain-Anschluß (D) über ein Lastelement (La) an eine Versorgungsspannung (VDD) geschaltet ist, dessen Source-Anschluß (S) an ein konstantes Potential geschaltet ist und dessen Gate-Anschluß (Ga) über einen frequenzbestimmenden Schwingkreis (IT,KT) mit dem Drain-Anschluß (D) verbunden ist.
12. 12. Verfahren zum Betrieb des Oszillators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß den Elektrodenanschlüssen (41,42) ein amplitudenmoduliertes Eingangssignal zugeführt wird und an dem frequenzbestimmenden Schwingkreis (6,7; 6,7'; 6,7',6') ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal abgegriffen wird.