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Die
vorliegende Erfindung, wie sie im unabhängigen Anspruch 1 definiert
ist, betrifft einen Oszillatorschaltkreis, der mit Verzögerungszellen
ausgestattet ist, die Versorgungsspannungsanschlüsse haben und zu einem Ring
zusammengeschlossen sind, um ein Oszillatorsignal auszugeben.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren einen spannungsgesteuerten
Oszillator (Voltage Controlled Oscillator – VCO), einen Phasenregelkreis (Phase
Locked Loop – PLL),
einen integrierten Schaltkreis (Integrated Circuit – IC) und
ein Telekommunikationsgerät,
wie jeweils in den Ansprüchen
6, 7, 8 bzw. 9 dargelegt.
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DE-OS-3634594
offenbart einen Mehrfrequenzoszillator, der dort in 1 gezeigt
ist, der eine erstes Oszillatorsignal f (0) ausgibt, während zusätzliche
Oszillatorsignalfrequenzen (f) mittels eines steuerbaren Schalters
von Abgriffspunkten abgeleitet werden, die Verzögerungszellen miteinander verbinden,
die in einem Ring angeordnet sind. Ein solcher umfangreicher Oscillator
ist relativ langsam, verbraucht viel Strom und eignet sich nicht
für Telekommunikationsanwendungen
mit sehr hohen Frequenzen.
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Ein
Oszillatorschaltkreis, der in den Oberbegriffen der oben angesprochenen
Ansprüche
dargestellt ist, ist in US-A-5,844,447 offenbart. Der bekannte Oszillatorschaltkreis
enthält
einen ersten Ringoszillator, der Wechselrichter aufweist, die an
einen ersten Puffer angeschlossen sind, und einen zweiten Ringoszillator,
der Verzögerungszellen
aufweist, die an einen zweiten Puffer angeschlossen sind. Jede Verzögerungszelle
besteht aus einem PMOS-Transistor und einem NMOS-Transistor, die
sich problemlos vollständig
auf einem Chip integrieren lassen. Der erste Pufferausgang erzeugt
eine erste Wellenform, die eine hohe Frequenz aufweist, und der
zweite Pufferausgang erzeugt eine zweite Wellenform, die eine niedrigere
Frequenz aufweist. Es ist allgemein bekannt, dass die maximal erreichbare
Frequenz eines Ringoszillators umgekehrt proportional zur Anzahl der
darin angeordneten Verzögerungszellen
ist. Dies beschränkt
jedoch die Anwendungsmöglichkeiten
eines Ringoszillators, der mehrere solcher Verzögerungszellen hat, bei Verwendung
im GHz-Bereich, wie er heutzutage in Telekommunikationsgeräten üblich ist, insbesondere
bei Mobiltelefonen, Pagern usw. Darüber hinaus steigt der Stromverbrauch
dieser Geräte
mit zunehmender Nutzungshäufigkeit. Darum
sind diese bekannten Ringoszillatorschaltkreise zur Verwendung in
Schaltungen mit sehr hoher Frequenz weniger geeignet.
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Ein
weiteres Beispiel für
Ringoszillatoren ist in der Schrift US-A-5,262,735 offenbart.
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Es
ist jedoch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kosteneffektiven
Oszillatorschaltkreis bereitzustellen, der einfach ist, der problemlos auf
einer kleinen Chipfläche
zu integrieren ist und der zur Anwendung im GHz-Bereich geeignet
ist, aber trotzdem einen sehr geringen Stromverbrauch hat.
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Zu
diesem Zweck ist der Oszillatorschaltkreis der vorliegenden Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszellen gemeinsame Versorgungsspannungsanschlüsse haben,
wobei diese Anschlüsse über ein
Kopplungsmittel an die Versorgung gekoppelt sind, um ein weiteres
Oszillatorsignal abzugeben, das von den jeweiligen gemeinsamen Versorgungsspannungsanschlüssen hergeleitet
wird.
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Es
ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass der Oszillatorschaltkreis
mit der relativ geringen Frequenz des Oszillatorsignals arbeitet,
während
die weitere Oszillatorsignalfrequenz auf einen höheren Wert synthetisiert wird.
Jedoch bestimmt die niedrigere Betriebsfrequenz den niedrigeren
Stromverbrauch, was insbesondere für mobile Technik und für Kommunikationsgeräte von Bedeutung
ist. In der Praxis könnte
ein sehr geringer Stromverbrauch mit einer Versorgungsspannung von
nur einigen wenigen Volt kombiniert werden. Es ist zu beachten,
dass im Gegensatz zur herkömmlichen
Denkweise der hier vorgestellte Lösungsansatz von der Vorstellung ausgeht,
dass, wenn zuerst das niederfrequente Oszillatorsignal erzeugt wird,
das weitere hochfrequente Oszillatorsignal aufwandfrei dazugewonnen
wird, ohne dass Strom oder wesentliche Hardware benötigt wird.
Für den
Fachmann kommen viele verschiedene Kopplungsmittel in Frage. Das
Kopplungsmittel kann zum Beispiel enthalten: eine Stromquelle, eine Strommess-
oder -konvertierungsvorrichtung, einen oder mehrere Stromspiegel
oder ein Impedanzelement, das im einfachsten Fall ein Widerstand
ist.
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Darüber hinaus
ist der Oszillatorschaltkreis der Erfindung sogar in der Lage, zwei
Oszillatorsignale gleichzeitig auszugeben, wobei diese Signale auch
unterschiedliche Frequenzen haben. Dies vereinfacht den Schaltungsaufbau,
verringert die benötigte
IC-Chipfläche und
macht den Schaltkreis besonders – wenn auch nicht unbedingt
ausschließ lich – nützlich für die Verwendung
in mehrstufigen – eventuell
ringförmigen – Mischerschaltkreisen,
wie zum Beispiel in Überlagerungssendern,
-empfängern und/oder
-transceivern, wie für
GSM, Dect oder Pager. Des Weiteren beschreibt der Erfinder die Zusammensetzung
eines Oszillatorschaltkreises, wobei die maximal erreichbare Frequenz
fmax des weiteren Oszillatorsignals nicht mehr (umgekehrt proportional) von
der Anzahl N an Verzögerungszellen,
die in den Schaltkreis eingebaut sind, abhängt, wie zuvor angesprochen.
fmax ist nun sogar vollkommen unabhängig von N. Des Weiteren ist
anzumerken, dass jedes der Oszillatorsignale hochgradig sinusförmig ist
und dass folglich die Stromversorgung nicht mit Versorgungsspitzen
belastet wird, was zu einem stabilen und statikfreien Betrieb des
erfindungsgemäßen neuartigen
Oszillatorschaltkreises führt.
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Eine
Ausführungsform
des Oszillatorschaltkreises der vorliegenden Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, dass die geradzahligen Verzögerungszellen an den einen
gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluss angeschlossen sind, während die
ungeradzahligen Verzögerungszellen
an den anderen gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluss angeschlossen
sind. Vorteilhafterweise gilt die Beziehung f1 = N × f2 für den Oszillatorschaltkreis der
Erfindung, wobei f1 die Frequenz des hochfrequenten weiteren Oszillatorsignals
ist und f2 die Frequenz des niederfrequenten Oszillatorsignals ist.
In der Praxis ist N geradzahlig, das heißt 2, 4, 6, 8, ..., was zu
verlässlichen
ganzzahligen Werten möglicher Frequenzverhältnisse
führt,
die vollständig
durch die Anzahl N an Verzögerungszellen
kontrolliert werden und für
eine Vielzahl verschiedener Anwendungen und Frequenzen geeignet
sind. Wenn N größer wird, so
wird der Frequenzunterschied zwischen beiden Oszillatorsignalen
größer, dergestalt,
dass eine höhere
erreichbare erste Oszillatorfrequenz mit einem niedrigeren Stromverbrauch
kombiniert wird, weil der Stromverbrauch durch die niedrigere zweite
Oszillatorfrequenz bestimmt wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Oszillatorschaltkreises gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N an Verzögerungszellen
geradzahlig ist und mindestens 4 beträgt. Vorteilhafterweise stehen
zwei Oszillatorfrequenzen gleichzeitig zur Verfügung, wobei f1 = N × f2, während das
Oszillatorsignal mit der Frequenz f1 in differenzieller Form zur
Verfügung
steht und das Oszillatorsignal mit der Frequenz f2 sogar in Quadraturform zur
Verfügung
steht.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Oszillatorschaltkreises gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass, wenn jede Verzögerungszelle eine Aus breitungsverzögerung δ hat, für die weitere Oszillatorsignalfrequenz
f1 gilt, dass sie gleich 1/(2δ) beträgt. Eine
solche Ausführungsform
mit vorzugsweise identischen Verzögerungszellen ist besonders einfach
zu integrieren und kann eine sehr hohe Frequenz f1 bereitstellen,
wenn δ sehr
klein ausgelegt wird.
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In
ihrer einfachsten Ausführungsform
ist eine Verzögerungszelle
ein Wechselrichter, insbesondere ein digitaler Wechselrichter, dergestalt,
dass das niederfrequente Oszillatorsignal in Quadraturform zur Verfügung steht,
wenn N = 4, 8, ..., was sich besonders für Überlagerungssender und -empfänger mit
digitaler Modulation eignet.
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Von
den möglichen
Technologien zum Implementieren des Oszillatorschaltkreises gemäß der Erfindung
auf einer IC-Chipfläche,
wie zum Beispiel GaAs oder bipolar, hat sich CMOS als der kosteneffektivste
Prozess herausgestellt.
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Der
Oszillatorschaltkreis gemäß der Erfindung
wird nun zusammen mit seinen weiteren Vorteilen eingehender besprochen,
wofür die
angehängte Zeichnung
herangezogen wird, in der ähnliche
Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. In der
Zeichnung ist Folgendes zu sehen:
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1 zeigt
einen bekannten Überlagerungsempfänger, der
eine Überlagerungsoszillatorschaltung
nach dem Stand der Technik aufweist.
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2 zeigt
ein Grundschema der Oszillatorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine Verallgemeinerung möglicher
Ausführungsformen
des Oszillatorschaltkreises von 2, die spannungsgesteuert
ist.
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4 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform einer
Verzögerungszelle
zur Anwendung in dem Oszillatorschaltkreis von 3.
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1 zeigt
einen zum Stand der Technik gehörenden Überlagerungsoszillatorschaltkreis 1,
der einen spannungsgesteuerten Oszillator (Voltage Controlled Oscillator – VCO) 2 umfasst,
der an einen Puffer/Verstärker 3 angeschlossen
ist, um ein erstes hochfrequentes Oszillatorsignal in einen Anschluss f1
einzuspeisen, der wiederum mit einer Frequenzteilerschaltung 4 (mit
einem Divisor M) und eventuell mit einem Quadraturschaltkreis 5 verbunden
ist, um ein zweites Quadratur-Oszillatorsignal f2 mit einer Frequenz
auszugeben, die niedriger als die hohe Frequenz des ersten Oszillatorsignals
ist. Ein solcher Schaltkreis 1 kann in einer einschlägig bekannten Überlagerungs-, zum
Beispiel Funkempfängerarchitektur,
angewendet werden, die in der schematischen Darstellung eine Antenne
und Filterverstärker
A1-A4 enthält,
wobei ein empfangenes Funksignal in zwei Mischerstufen – m1 und
m2, m3 – zu
einem Basisbanddaten- oder Audiosignal an den Anschlüssen d1 und
d2 abwärtskonvertiert
wird. In diese beiden Mischerstufen werden die zwei Oszillatorsignale
f1 und f2 eingespeist. Der Stromverbrauch des Schaltkreises 1 kann
so totalisiert werden, dass er die Stromkomponenten enthält: Ivco(f1) + Iamp(f1) + Idiv(f1)
+ Iq(f1/M) (1)wobei
die Angabe, die zwischen Klammern gesetzt ist, eine Abhängigkeit
von der hohen Frequenz f1 anzeigt. Das heißt, je höher f1 ist, desto höher ist
der Stromverbrauch. Heutzutage findet die Kommunikation im GHz-Bereich
mit einem entsprechend hohen Stromverbrauch statt.
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2 zeigt
ein Basisschema eines Oszillatorschaltkreises 6 mit einem
deutlich niedrigeren Stromverbrauch. Der Grund dafür ist, dass
eine Ringverzögerungszellenanordnung,
die in dem Schaltkreis 6 enthalten ist, mit einer relativ
niedrigen Frequenz f2 oszilliert, von der das höherfrequente Signal f1 einfach
abgeleitet wird. Nun kann der Stromverbrauch des Schaltkreises 6,
der an die Stelle des Schaltkreises 1 in 1 tritt,
so totalisiert werden, dass er die Stromkomponenten enthält: Ivco(f2) + Iamp(f2)was deutlich weniger
ist, als die Beziehung (1) angibt. Das liegt an der geringeren
Anzahl an Termen in der Beziehung und auch daran, dass beide Terme
eine Abhängigkeit
nur von der niedrigeren Frequenz f2 aufweisen.
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3 zeigt
eine Verallgemeinerung möglicher
Ausführungsformen
des Oszillatorschaltkreises 6. Der Schaltkreis 6 kann
ab zwei Verzögerungszellen 7 haben
(gibt aber auch dann nur ein einziges Oszillatorausgangssignal aus).
Wenn er vier oder mehr – aber
eine gerade Zahl von – Zellen
hat, so werden Signale mit unterschiedlichen Frequenzen in einer Weise
erzeugt, die weiter unten noch erklärt wird. Solche Verzögerungszellen 7 können, wie
dem einschlägig
bewanderten Fachmann allgemein bekannt ist, zum Beispiel so verkörpert sein,
wie es in 4 gezeigt ist. Die Verzögerungszellen 7 enthalten
Transistoren, wie zum Beispiel vom GaAs-Typ oder bipolaren Typ,
vorzugsweise aber vom CMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Typ. In einem differenziellen
Aufbau enthält
die Zelle einen Endtransistor M0, der zwei parallele Abzweigungen
steuert, die die Transistoren M1-M6
enthalten, die in Anschlüssen
Si enden. Auf M3 und M4 kann gewünschtenfalls
verzichtet werden.
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3 zeigt
Verzögerungszellen 7 des
Typs von 4(a), wobei der Oszillatorschaltkreis 6 externe
Lasten in Form einfacher Widerstände
RL und RR enthält, die
an den Versorgungsspannungsanschluss 8 bzw. 9 angeschlossen
sind. Generell können
die Lastwiderstände – entweder
auf dem Chip oder nicht – Kopplungsmittel
sein, wie zum Beispiel eine Stromquelle, eine Strommess- oder -konvertierungsvorrichtung,
ein oder mehrere Stromspiegel oder ein Impedanzelement. Anschluss 8 ist
mit den ungeradzahligen Verzögerungszellen
verbunden, während
Anschluss 9 mit den geradzahligen Verzögerungszellen verbunden sind,
und zwar beide über
die jeweiligen Anschlüsse
Si. Eine Verbindung Pi (i = 1 ... N-1) verbindet einen invertierenden
Ausgang von Zelle Nr. i mit einem nicht-invertierenden Eingang von
Zelle Nr. i + 1, und Verbindung Ni (i = 1 ... N-1) verbindet einen nicht-invertierenden
Ausgang von Zelle Nr. i mit einem invertierenden Eingang von Zelle
Nr. i + 1. Jedoch ist der Ausgang PN mit
dem nicht-invertierenden Eingang von Zelle Nr. 1 verbunden, während der Ausgang
NN mit dem nicht-invertierenden Eingang von
Zelle Nr. 1 verbunden ist. Die Anschlüsse Vc, Vb1 und Vb2 geben Steuerspannungen
für die
Zellen 7 ab. Der Ringoszillatorschaltkreis 6 oszilliert
somit mit einer niedrigen Frequenz f2, die von PN und NN abgenommen
wird, und die hohe Frequenz f1 kann von den Anschlüssen 8 und 9 abgenommen
werden. Es gilt die Beziehung f1 = N × f2. Die Versorgungsspannungsanschlüsse 8 und 9 addieren
praktisch jeweils kontinuierlich die Versorgungsströme durch
die jeweiligen Verzögerungszellen,
so dass das Oszillatorsignal dazwischen arithmetisch in einer einfachen, stromsparenderen
und hochgradig sinusförmigen Weise
synthetisiert wird. Die Signale an P1, N1; P2, N2, ... haben alle
eine gleiche Frequenz, aber ihre Phasen unterscheiden sich voneinander.
Das Oszillatorsignal f1 liegt in einer differenziellen Form vor, während f2
sogar in Quadraturform verfügbar
ist, zum Beispiel wenn N = 4, wenn die Signale I und Q dann von
Verzögerungszellenausgängen abgenommen
werden, die N/2 = 2 Verzögerungszellen
voneinander entfernt liegen. Darum sind beide Oszillatorsignale
ohne Modifizierung zum Beispiel in einer Überlagerungsfunkarchitektur,
wie sie zum Beispiel in 1 gezeigt ist, verwendbar. Jedoch
kann selbst in dem Fall, wo nur das hochfrequente Signal zum Beispiel
in einer Nieder-ZF- oder
Null-ZF-Architektur verwendet wird, aufgrund der niedrigen Oszillationsfrequenz immer
noch Strom gespart werden, weil diese niedrige Oszillationsfrequenz
für diese
Einsparungen verantwortlich ist.
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Meistens
wird – wie
in 4 gezeigt – der Endtransistor
Mo verwendet, um die Oszillationsfrequenz f2 des Rings abzustimmen.
Dies erreicht man durch Steuern der Spannung Vc an den Gattern jeweiliger
M0-Transistoren in jeder Zelle 7. Wenn qVc zunimmt, so
wird die Verzögerungszeit δ verkürzt, und
f2 nimmt zu, und auch f1. Es kann gezeigt werden, dass die maximal
erreichbare Frequenz fmax des Signals zwischen den Anschlüssen 8 und 9 durch
folgende Beziehung gegeben ist: fmax = 1/(2δmin)wobei δmin die kleinste
Verzögerungszeit
der verwendeten Verzögerungszellen
ist und wobei fmax nicht von der Anzahl der Verzögerungszellen N abhängt.
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Beispielhaft
sei angemerkt, dass ein spannungsgesteuerter Oszillatorschaltkreis
entwickelt wurde, wobei N = 4, der nur 328 μA bei einer Versorgungsspannung
von 2 Volt verbrauchte. Ein solcher VCO könnte zum Beispiel in einem
PLL angewendet werden, wie er zum Beispiel in der oben erwähnten Schrift
DE-OS-3634594 offenbart ist. Für
den Fachmann sind verschiedene Variationen durchführbar, wie
zum Beispiel das Abnehmen noch eines weiteren Signals von einem
anderen der – oder
einer anderen Kombination der – Anschlüsse Pi,
Ni oder von anderen Anschlüssen
Si, um f1 von dort abzuleiten. Natürlich könnte der Oszillator in einer
Vielzahl verschiedener Geräte,
Telekommunikationsgeräte,
wie zum Beispiel Telefonen, Mobiltelefonen, Pagern, Sendern, Empfängern, Transceivern,
meistens auf Chips integriert und zum Beispiel in einem VCO und/oder
PLL einsetzbar, angewendet werden.