DE3784002T2 - Integrierter spannungsgesteuerter oszillator mit hohem verstaerkungsgrad. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Gebiet von Oszillatoren und im besonderen auf spannungsgesteuerte Oszillatoren von dem Typ, wie sie zum Beispiel in Schaltungen für Phasenregelkreise (PLL-Schaltungen) benutzt werden.
• Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltungen (VCO) erzeugen Ausgangssignale, deren Frequenz sich als Funktion einer Eingangssteuerspannung verändert. Diese Schaltungen werden sowohl in Systemen mit PLL-Schaltungen verwendet wie auch in anderen beliebigen Systemen, wo ein frequenzvariables Ausgangssignal als Funktion eines Eingangssignals erforderlich ist.
• In Datenübertragungssystemen sind PLL-Schaltungen dazu benutzt worden, um Taktinformationen aus einem empfangenen Signal herauszuziehen, wodurch voneinander entfernte Datensysteme gleichzeitig arbeiten können. In der US-Patentschrift Nr. 4,131,861 von Malaviya mit dem Titel "Oszillatorsystem mit variabler Frequenz, wobei dieses System zwei aufeinander abgestimmte Oszillatoren enthält, die durch einen Phasenregelkreis gesteuert werden" und in der US-Patentschrift Nr. 4,513,427 von Boriello und anderen mit dem Titel "Daten- und Taktwiederherstellungssystem für Datenübertragungssteuerungen" werden Beispiele für solche Anwendungen beschrieben. Die VCO in diesen Anwendungsfällen haben eine hoch stabilisierte Mittenfrequenz bei oder nahe bei der gewünschten Systemtaktfrequenz und eine hohe Verstärkung oder Veränderung in der Ausgangsfrequenz bei gegebener Änderung der Eingangsspannung. Abschließend ist es besonders vorteilhaft, wenn der VCO auf demselben Chip mit dem PLL und anderen Schaltungen integriert werden kann, damit die Größe, der Energiebedarf, die Verzögerung und die Kosten des Systems reduziert werden.
• Es sind hoch stabilisierte VCO hergestellt worden, bei denen hoch eigenstabile Frequenzbestimmungsbauelemente eingesetzt wurden, wie etwa Varactordioden, Festkörperquarzbauelemente und Festkörper- und Oberflächenschallwellen-Bauelemente. Eine relativ hohe VCO-Verstärkung (MHz/Volt) kann man mit Hilfe von Operationsverstärkern wie etwa in der US-Patentschrift Nr. 4,118,674 erreichen, die einen Quarzoszillator benutzt. Diese Bauteile sind jedoch nicht mit den anderen in einem VCO oder PLL erforderlichen Bauelementen auf einem Chip integrierbar.
• Eine weitere VCO-Konfiguration in Systemen nach dem üblichen Stand der Technik benutzt in Reihe geschaltete Inverter, die in Ringform verbunden sind, damit sie einen ringförmigen Oszillator bilden, wie er zum Beispiel in der US-Patentschrift Nr. 4,072,910 von Dingwall und anderen mit dem Titel "Spannungsgesteuerter Oszillator mit gleichlaufgesteuerter Stromquelle und Stromsenke" beschrieben wird. Weitere Ringoszillator-VCOs werden in den US-Patentschriften Nr. 4,052,673; 4,513,427 und 3,931,588 beschrieben. Derartige Oszillatoren haben den Vorteil geringer Größe, niedriger Kosten, eines großen Abstimmbereiches und sind integrierbar. Die maximale Frequenz eines Ringoszillators wird durch die logische Geschwindigkeit, d. h. die Schaltverzögerung der zur Bildung der Inverterschaltungen benutzten Bauelemente begrenzt. Die oben zitierte US-Patentschrift Nr. 4,513,427 beschreibt einen Ringoszillator VCO, der eine angezapfte Verzögerungsleitung benutzt. Da die Bauelemente auf einem einzigen Baustein mit integrierter Schaltung enthalten sind, erreicht die Oszillatorfrequenz in der dargelegten Anordnung die Größenordnung von 40 MHz, und der Datenübertragungsdurchsatz beträgt 10 Mbit/s. Für viel höhere Datendurchsätze, die dann sogar noch höhere Taktfrequenzen erfordern, reicht die Technologie der angezapften Verzögerungsleitung nicht aus.
• Im Falle von Datenverarbeitungssystemen mit Datenübertragungsverbindungen, in denen die Datenübertragungsdurchsätze in der Größenordnung von mehreren hundert Mbit/s liegen, ist ein VCO erforderlich, der eine Mittenfrequenz von mehreren hundert MHz und eine Verstärkung von mindestens 1 GHz/Volt hat, damit eine akzeptable Rauschleistung erreicht wird. Die bekannten VCO-Anordnungen können mit einer auf einen einzigen Baustein enthaltenen integrierten Schaltung diese Leistung nicht erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Es ist daher Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen spannungsgesteuerten Oszillator zu schaffen, der für einen Betrieb mit hohen Frequenzen und hohen Verstärkungen geeignet ist, wobei alle Bauteile dafür auf einem einzigen Baustein mit integrierter Schaltung integrierbar sein müssen.
• Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen VCO zu schaffen, der aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Inverterschaltungen in Form eines Ringes besteht, wobei die Mittenfrequenz und die Verstärkung des VCO wählbar sind.
• Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen integrierbaren VCO zu schaffen, der bei Phasenregelkreisen und anderen Einsatzgebieten benutzt werden kann.
• In Übereinstimmung mit einer Variante der vorliegenden Erfindung wird ein spannungsgesteuerter Oszillator aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Inverterschaltungen in Form eines Ringes gebildet. Jeder Inverter ist eine geerdete Emitterschaltung, die eine aktive Pull-up-Stufe hat, damit eine kurze Gatterverzögerung erreicht wird. Die Frequenz des Ringoszillators wird von der Anzahl der Inverterstufen bestimmt, die Verstärkung ist wählbar, indem man eine externe Steuerspannung nur an einige bestimmte Inverter anlegt. Der VCO kann auf einem einzigen integrierten Schaltkreis zusammen mit den anderen Schaltungen hergestellt werden, die für die Bildung eines PLL, eines Normalfrequenzgenerators oder anderer solcher Frequenzerzeugungssysteme notwendig sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Weitere Gegenstände und viele der zu erwartenden Vorzüge der vorliegenden Erfindung können im Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den dazugehörigen Zeichnungen besser verständlich gemacht werden, wobei:
• Fig. 1 ein Blockschaltbild eines spannungsgesteuerten Oszillators entsprechend der vorliegenden Erfindung ist,
• Fig. 2 eine schematische Darstellung einer in dem VCO von Fig. 1 verwendeten Inverterstufe ist,
• Fig. 3 eine graphische Darstellung der Frequenz des VCO von Fig. 1 als Funktion der Steuerspannung ist,
• Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines alternativen VCO-Steuerspannungsgenerators und
• Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Phasenregelkreissystems unter Einschluß eines VCO nach vorliegender Erfindung ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VORZUGSVARIANTEN
• Bezogen auf die Abbildungen ist in Fig. 1 ein VCO 10 zu sehen, der mit einer Variante der vorliegenden Erfindung übereinstimmt. VCO 10 wird aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Inverterstufen 12 gebildet, die in einer Ringoszillatorkonfiguration zusammengeschlossen sind, wobei jeder Inverter 12 einen Eingang 14 hat, der mit dem Ausgang 16 der vorhergehenden Inverterstufe 12 verbunden ist. Ein VCO-Steuerspannungsgenerator 18 hat einen Ausgang, der mit dem Steuereingang 20 jeder Inverterstufe 12 verbunden ist. Der VCO-Generator 18 liefert ein Steuerspannungssignal, das die Frequenz des VCO 10 verändert. Das Steuerspannungssignal besteht aus einer festen Vorspannung zur Festlegung der Nennbetriebsfrequenz von VCO 10 und einem externen Spannungssignal Vext zur Veränderung der VCO-Frequenz über die Nennfrequenz. Der Ausgang faus an der Klemme 22 von VCO 10 kann über den Eingang 14 und den Ausgang 16 einer beliebigen Inverterstufe 12 geleitet werden. Ein differentielles Stromschaltlogik-Gatter kann entlang der Klemme 22 angeordnet werden, damit der Signalausschlag verstärkt wird und eine höhere Rauschgrenze erreicht wird. In Fig. 1 ist allein zum Zwecke der Erläuterung ein elfstufiger VCO dargestellt. In Abhängigkeit von der gewünschten Mittenfrequenz des VCO kann eine größere oder kleinere Anzahl von Stufen benutzt werden, Voraussetzung ist natürlich eine ungerade Zahl von Stufen. Die VCO-Frequenz f wird bestimmt durch die Gleichung
• f = 1/2ND,
• wobei N die Anzahl der Stufen und D die durchschnittliche Verzögerung jeder Stufe ist. Demzufolge wird bei der Verminderung der Verzögerung die VCO-Frequenz steigen.
• Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer der VCO-Inverterstufen 12. Jede Stufe 12 ist ein geerdeter Emitter-Inverter mit einer aktiven Pull-up-Schaltung. Das Eingangssignal Vin zur Basis des Transistors T1 ist der Ausgang der vorhergehenden Inverterstufe. Der Emitter von T1 ist geerdet, und der Kollektor von T1 ist der Ausgang des Inverters 12. Der Emitter des Pull-up-Transistors T2 wird auch mit dem Kollektor von T1 verbunden. Das Eingangssignal Vgen zum Emitter von T2 an der Klemme 20 ist die Steuerspannung vom VCO-Generator 18. Der Kollektor von T2 wird mit der Systemstromversorgung VCC verbunden, und ein Pull-up-Widerstand Rpu wird zwischen der Basis und dem Emitter von T2 eingeschaltet.
• Während des Betriebes ist der "oben"-Pegel an der Basis von T1, d. h. die Spannung für den Fall, daß T1 eingeschaltet ist, die Basisemitterspannung Vbe von T1 bei seinem "Ein"-Strom. Dieser Strom wird von Vgen und Rpu bestimmt. Der "unten"-Pegel an der Basis von T1 ist Vgen - Vbe (T2) bei einem Strom, der die Gesamtsumme des Stromes aus der vorhergehenden Stufe minus dem in Rpu fließenden Strom ist. Der Pull-up-Transistor T2 und der Widerstand Rpu tragen wie folgt zu der geringen Verzögerung des Inverters 12 bei. Wenn der Inverter 12 eingeschaltet ist, fließt Strom sowohl durch T1 wie T2. Wenn der Eingang Vin zu T1 abfällt, indem er den Strom abschaltet, dann wird der Strom in T2 eine zusätzliche Verzögerungszeitspanne lang weiterfließen, die durch seine Basisemitter-Zeitkonstante bestimmt wird. Der Emitterstrom von T2 fließt direkt in die Basis von T1 der folgenden Stufe, indem er sie dabei sehr schnell einschaltet. Die direkte Wirkung dieser Verzögerung zwischen T1 und T2 besteht in einem Überschwingen auf die Einschalttransiente, was zu einer Verminderung der Anstiegszeit und der Verzögerung der folgenden Stufe führt. Eine gleichartige Wirkung tritt während der Abschaltung der folgenden Stufe ein. Der Signalausschlag hat die Größenordnung von etwa 100 mV. Die Verzögerung hat die Größenordnung von etwa 100 ps, was um etwa das Fünffache schneller ist als die Verzögerung eines differentiellen Stromschaltlogik-Gatters, das mit den gleichen Elementen aufgebaut wird. Der obere und der untere Pegel sind beide verriegelt, wie es am Eingangssignal an der Basis von T1 gezeigt ist. Deshalb können durch die Einstellung der Steuerspannung Vgen sehr große Veränderungen beim Oszillatorstrom erreicht werden. Auf diese Weise kann die Leistung im VCO 10 verändert werden, ohne daß der Betrieb des Oszillators ungünstig beeinflußt wird.
• In der Fig. 3 wird eine Funktion 24 der Ausgangsfrequenz über der Steuerspannung Vgen bei einem elfstufigen VCO entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei einer Frequenz von etwa 400 MHz beträgt die Verstärkung des VCO etwa 4 GHz/Volt. Die Verstärkung des VCO wird dargestellt als
• wobei Δf die Veränderung der Ausgangsfrequenz entsprechend der Veränderung ΔV der Steuerspannung Vgen, D die durchschnittliche Verzögerung pro Stufe, ΔD die Veränderung der Verzögerung und N die Anzahl der Stufen im VCO sind. Die Veränderung der Verstärkung ist primär abhängig von der Veränderung der Stufenverzögerung. Die Hauptquelle der Verzögerungsveränderung ist die Änderung der Steuerspannung Vgen in Bezug auf die Basisemitterspannung Vbe von T2. Der Nennwert von Vgen ist Vbe1(aus) - Vbe2(ein).
• Fig. 4 zeigt eine alternative Anordnung des Steuerspannungsgenerators 18 aus Fig. 1, wobei die VCO-Verstärkung eingestellt werden kann. Im Unterschied zum Anlegen der gleichen Steuerspannung Vgen auf alle Inverterstufen 12 bei der Fig. 1 wird hier das Steuersignal mit Hilfe der Generatoren GEN1 und GEN2 in zwei Komponenten aufgeteilt. Der Generator GEN1 liefert eine feste Vorspannung Vgen1 an ausgewählte Inverterstufen, zum Beispiel an die Stufen 1 bis 9, während der Generator GEN2 ein Steuerspannungssignal Vgen2 an die verbleibenden Stufen 10 und 11 liefert. Das Signal Vgen2 ist eine Kombination einer festen Vorspannung und eines externen Steuersignals Vext. In diesem Beispiel beträgt die VCO-Verstärkung 2/11 der Verstärkung des in Fig. 1 gezeigten VCO. Andere VCO-Verstärkungen können in der gleichen Weise gewählt werden.
• Der VCO aus der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise in einer PLL-Schaltung wie in der in Fig. 4 gezeigten verwendet werden. Ein typischer PLL umfaßt einen Phasendetektor 26, einen Tiefpaßringfilter 28 und einen VCO 10. Bei Anwendung als Taktextraktor ist fEIN der ankommende Datenstrom und fAus das Taktsignal, das aus dem Datenstrom wiedergewonnen oder herausgezogen wird. Die Wirkungsweise von PLL ist bekannter Stand der Technik und muß nicht im einzelnen beschrieben werden. Wenn die Eingangsfrequenz fein in den PLL erhöht wird, dann ist eine höhere Verstärkung erforderlich, uni eine akzeptable Leistung und Rauschgrenze zu erreichen. Systeme nach dem bisherigen Stand der Technik konnten die erforderlichen Frequenzen nur mit VCO erreichen, die diskrete Bauelemente, wie etwa Varactor-Dioden oder Oberflächenschallwellen-Bauelemente enthalten. Sogar dann waren die VCO-Verstärkungen für einige Anwendungsgebiete nicht akzeptabel. Außerdem sind solche Bauelemente relativ teuer und können nicht mit den anderen VCO- und PLL-Bauelementen auf einem Chip integriert werden. Obgleich der VCO nach vorliegender Erfindung auf dem Anwendungsgebiet eines PLL erläutert worden ist, kann er bei beliebigen Anwendungsfällen, die einen solchen Oszillator benötigen, eingesetzt werden.
• Die vorliegende Erfindung stellt somit einen VCO mit hoher Frequenz und hoher Verstärkung zur Verfügung, bei dem Verstärkung und Frequenz wählbar sind, wobei der VCO auf einer einzigen integrierten Schaltung realisierbar ist.

Claims (10)

1. Spannungsgesteuerter Oszillator, enthaltend:

eine Mehrzahl von Inverterstufen, in einer Ringkonfiguration zusammengeschlossen, wobei jede Inverterstufe eine Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme besitzt und die Eingangsklemme einer jeden der besagten Stufen an die Ausgangsklemme der nächsten vorangehenden Stufe angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede der besagten Inverterstufen enthält:

erste und zweite Transistoren, von denen jeder einen Emitter, eine Basis und einen Collector besitzt, wobei die Basis des besagten ersten Transistors die Eingangsklemme der Inverterstufe und der Collector des besagten ersten Transistors die Ausgangsklemme der Inverterstufe ist, und der Emitter des besagten zweiten Transistors an den Collector des besagten ersten Transistors angeschlossen ist, während der Collector des besagten zweiten Transistors an eine erste Stromversorgungsklemme und der Emitter des besagten ersten Transistors an eine zweite Stromversorgungsklemme angeschlossen ist, und

einen Widerstand, der zwischen der Basis und dem Emitter des besagten zweiten Transistors angeschlossen ist,

Generatormittel, die an die Basis des besagten zweiten Transistors in jeder der besagten Inverterstufen für die Bereitstellung einer Steuerspannung an diesen Stufen angeschlossen sind,

Oszillatorausgangsklemmen, die zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen einer jeder der besagten Mehrzahl von Inverterstufen angeschlossen sind.

2. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 1, in dem die besagte zweite Stromversorgungsklemme geerdet ist.

3. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 1, in dem die besagte Mehrzahl von Inverterstufen und die besagten Generatormittel aus einem einzigem Baustein mit integrierter Schaltung gebildet sind.

4. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 1, in dem das besagte Generatormittel enthält:

einen Generator einer festen Steuerspannung zum Anlegen einer festen Vorspannung an ausgewählte unter den besagten Inverterstufen; und

einen Generator einer veränderlichen Steuerspannung zum Anlegen eines Signals aus der besagten festen Vorspannung und einer veränderlichen Steuerspannung an den Rest der besagten Inverterstufen.

5. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 1, in dem der Verstärkungsfaktor des besagten Oszillators mindestens 1 GHz/Volt beträgt.

6. Ein phasenverriegeltes Schleifensystem, enthaltend:

Eingangs- und Ausgangsklemmen,

Phasendetektormittel, die an die besagte Eingangsklemme angeschlossen sind,

Filtermittel, die an den Ausgang des besagten Phasendetektormittels angeschlossen sind,

einen spannungsgesteuerten Oszillator gemäß Anspruch 1, der an den Ausgang des besagten Filtermittels und an einen Eingang des besagten Phasendetektormittels angeschlossen ist.

7. Das phasenverriegelte Schleifensystem nach Anspruch 6, in dem die besagte zweite Stromversorgungsklemme geerdet ist.

8. Das phasenverriegelte Schleifensystem nach Anspruch 6, in dem die besagte Mehrzahl Inverterstufen und das besagte Generatormittel auf einem einzigen Baustein mit integrierter Schaltung gebildet sind.

9. Das phasenverriegelte Schleifensystem nach Anspruch 6, in dem die Verstärkung des besagten spannungsgesteuerten Oszillators mindestens ca. 1 GHz/Volt beträgt.

10. Das phasenverriegelte Schleifensystem nach Anspruch 6, in dem das besagte Generatormittel enthält:

einen Generator einer festen Steuerspannung zum Anlegen einer festen Vorspannung an ausgewählte unter den besagten Inverterstufen; und

einen Generator einer variablen Steuerspannung zum Anlegen eines Signals, bestehend aus der besagten festen Vorspannung und einer veränderlichen Steuerspannung, an den Rest der Inverterstufen.