-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen in Spannung gesteuerten Oszillator
mit einer oszillierenden Stufe mit zwei gekoppelten, in CMOS-Technologie
realisierten Stromwendern.
-
Die
Erfindung findet eine besonders vorteilhafte Anwendung im für das Versenden
und den Empfang von Funknachrichten verwendeten Hochfrequenzbereich,
in der Größenordnung
von 5 GHz.
-
In
der Zukunft ist die Einrichtung von lokalen Funknetzen vorgesehen,
die die Steuerung einer Reihe von bei einem Teilnehmer vorhandenen
Geräten
erlauben. Zur Begrenzung der Ausstrahlung, damit ein lokales Netz
keine benachbarten Netze stören kann,
beträgt
das für
die Trägerwelle
ausgewählte Frequenzband
rund 5 GHz. Jedem Teilnehmer wird ein Kanal von einer in diesem
Frequenzband enthaltenen Breite von ungefähr 20 MHz zugeteilt. Daher
ist es notwendig, beim Empfang über
einen lokalen Oszillator zu verfügen,
der zur Erzeugung präziser
Frequenzen zur Auswahl eines bestimmten Kanals verfügt. Diese
Funktion wird mittels eines in Spannung gesteuerten Oszillators
(VCO) realisiert, der zur Herstellung einer anpassbaren Frequenz
im Band der 5 GHz und mit der erforderlichen Kanalbreite geeignet ist.
-
Da
es sich um Anwendungen für
die breite Öffentlichkeit
handelt, bei denen der wirtschaftliche Faktor ein ausschlaggebendes
Element ist, ist es selbstverständlich
von wesentlicher Bedeutung, die für die VCO erforderlichen Leistungen
durch Technologien mit einem hohen Integrationsniveau und zu niedrigen
Produktionskosten sicherzustellen.
-
Unter
diesem Gesichtspunkt könnte
die ganz besonders für
die Integration von Funkfrequenzkomponenten geeignete bipolare Technologie
eine gute Lösung
darstellen. Wenn sie jedoch vorteilhaft umgesetzt werden könnte, um
die Funkfunktionen der Schaltkreise zu realisieren, kann diese Technologie aufgrund
eines hohen Verbrauchs und durch die notwendigen Siliziumflächen verursachten übermäßigen Kosten
nicht für
die Verarbeitung der Signale niedrigerer Frequenzen eingesetzt werden.
Die CMOS-Technologie jedoch eignet sich ausgesprochen gut für die Verarbeitungsfunktionen
des Signals, daher die Idee des Versuchs, sie zur Realisierung des
gesamten Schaltkreises einzusetzen, unter Einschluss des VCO.
-
Somit
wurde der Schaltkreis der 1 vorgeschlagen,
der eine oszillierende Stufe eines in Spannung gesteuerten, eine
Struktur mit zwei gekoppelten, in CMOS-Technologie realisierten
Stromwendern aufweisenden Oszillators darstellt. Genauer gesagt
werden die beiden Stromwender durch Transistoren entgegengesetzter
Polarität
in Serie gebildet, nämlich
M1 und M2 einerseits und M3 und M4 andererseits. Wie in 1 dargestellt,
sind die beiden Stromwender in „in Schleife zurückgeschaltet".
-
Die
Antragstellerin hat nachweisen können, dass
das bekannte, bei 5 GHz arbeitende VCO der 1 die Erreichung
eines Phasengeräuschs
in der Größenordnung
von –92
dBc bis 100 kHz der Trägerfrequenz
erlaubte, was sich verglichen mit dem in der bipolaren Technologie
erzielten Wert von –100
dBc bei bestimmten Anwendungen als unzureichend erweist. Weiterhin
sind die Ausgänge
S1 und S2 der Struktur der 1 in entgegengesetzter
Phase und somit schlecht an den Einsatz eines Verstärkers vom Typ push-pull
zum Herausziehen eines Signals oberhalb von 5 GHz angepasst, und
zwar aufgrund der Eingangsstreukapazität des Verstärkers.
-
Daher
besteht das vom Gegenstand dieser Erfindung zu lösende technische Problem darin,
einen in Spannung gesteuerten Oszillator mit einer eine Struktur
mit zwei gekoppelten, in CMOS-Technologie realisierten Stromwendern
aufweisende Struktur vorzuschlagen, die das Erreichen von wenigstens
mit denen der bipolaren VCO gleichwertigen Leistungen erlauben würde, insbesondere
was das Phasengeräusch
anbelangt, und die, hilfsweise eine bessere Kompatibilität mit den
Verstärkern
vom Typ push-pull als die bekannten VCO-MOS bieten würde.
-
Die
Lösung
des gestellten technischen Problems besteht gemäß dieser Erfindung darin, dass die
genannten Stromwender zur Bildung eines Quadrupols mit zwei Eingängen und
zwei Ausgängen verkabelt
sind, die jeweils den Eingängen
und Ausgängen
der Stromwender entsprechen, wobei die Verstärkung des Quadrupols auf jedem
der Ausgänge
maximal ist, wenn die Eingänge
gleichphasig sind, und dass die zwei Schwingkreise parallel jeweils
zwischen den Eingängen
und den Ausgängen
der Stromwender angeordnet sind, wobei die genannten Schwingkreise
in Frequenz durch eine Abstimmungsspannung gesteuert sind.
-
Somit
arbeitet der erfindungsgemäße Oszillator
aufgrund der dem Quadrupol eine maximale Verstärkung für gleichphasige Eingänge verleihenden
Verkabelung automatisch auf der diese Bedingung gewährleistenden
Frequenz, was zu einer besseren Stabilität des Oszillators und einem
geringeren, aus der Autosynchronisation der beiden Stromwender resultierenden
Phasengeräusch
führt.
-
Gemäß einer
besonderen Ausführungsart des
in Frequenz gesteuerten erfindungsgemäßen Oszillators wird jeder
Stromwender aus zwei in Serie angeordneten Transistoren mit entgegengesetzter Polarität gebildet,
wobei der Eingang des Stromwenders sich auf dem Gitter eines Transistors
MOS einer ersten Polarität
und der Ausgang am Mittelpunkt der beiden Transistoren befinden.
-
Eine
erste Variante der Erfindung sieht vor, dass der Eingang eines Stromwenders
an das Gitter des Transistors einer zweiten Polarität des anderen Stromwenders
angeschlossen ist, wobei die zweite Polarität der genannten zweiten Polarität entgegengesetzt
ist. Wie wir später
im Einzelnen sehen werden, liegt der Vorteil dieser ersten Variante
darin, dass die zwei Ausgänge
der oszillierenden Stufe gleichphasig sind. Dann kann man also vorsehen, dass
der erfindungsgemäße Oszillator
eine aus zwei in Serie angeordneten Transistoren MOS mit entgegengesetzter
Polarität
gebildete Verstärkerstufe
umfasst, wobei jeder Ausgang der genannten oszillierenden Stufe
an das Gitter einer der genannten Transistoren MOS angeschlossen
ist. Somit beträgt
die Streukapazität
des Verstärkers
vom Typ push-pull von jedem Ausgang aus gesehen die Hälfte der
gesamten Streukapazität.
Daraus ergeben sich ein besserer Durchlassbereich und die Möglichkeit
zur Erhöhung
der Frequenz des Oszillators oberhalb von 5 GHz.
-
Eine
zweite Variante der Erfindung sieht vor, dass der Ausgang eines
Stromwenders an das Gitter des Transistors einer zweiten Polarität des anderen Stromwenders
angeschlossen ist, wobei die zweite Polarität der genannten ersten Polarität entgegengesetzt
ist. Gemäß dieser
zweiten Variante sind diese beiden Ausgänge der oszillierenden Stufe
in entgegengesetzter Phase, es ist daher nicht möglich, den Vorteil der ersten
Variante der Erhöhung
des Durchlassbereichs des Oszillators mit einer Verstärkerstufe vom
Typ push-pull zu erhalten. Dieser Vorteil kann jedoch erfindungsgemäß erreicht
werden, wenn der Oszillator eine aus zwei Transistoren MOS derselben Polarität, in Serie
angeordnete gebildete Verstärkerstufe umfasst,
wobei jeder Ausgang der genannten oszillierenden Stufe an das Gitter
einer der genannten Transistoren MOS angeschlossen ist.
-
Die
nachfolgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten, beispielhaften
und nicht einschränkenden
Zeichnungen wird deutlich machen, worin die Erfindung besteht und
wie sie realisiert werden kann.
-
2 ist
ein Schema einer ersten Realisierung eines in Spannung gesteuerten
erfindungsgemäßen Oszillators.
-
3 ist
ein Schema einer zweiten Realisierung eines in Spannung gesteuerten
erfindungsgemäßen Oszillators.
-
4 ist
ein Schema eines Steuerschaltkreises der Schwingkreise der 2 und 3.
-
In 2 wird
ein in Spannung gesteuerter Oszillator mit einer oszillierenden
Stufe 100 und einer Verstärkerstufe 200 dargestellt.
-
Die
oszillierende Stufe 100 weist eine Struktur mit zwei gekoppelten,
in CMOS-Technologie realisierten Stromwendern 111, 112 auf.
Genauer gesagt, wird ein erster Stromwender 111 durch die
beiden in Serie angeordneten Transistoren MOS M1, M2 entgegengesetzter
Polarität
gebildet, wobei der Eingang e1 des genannten Stromwenders 111 sich auf
dem Gitter des Transistors M1 befindet, hier mit einer ersten Polarität N, und
der Ausgang s1 sich im Mittelpunkt der beiden Transistoren MOS M1,
M2. Der zweite Stromwender 112 umfasst symmetrisch die
beiden ebenfalls in Serie angeordneten Transistoren MOS M3, M4 mit
ebenfalls entgegengesetzter Polarität, wobei der Eingang e2 und
der Ausgang s2 dieses Stromwenders sich jeweils auf dem Gitter des Transistors
M3 entgegengesetzter Polarität
N und auf dem Mittelpunkt der beiden Transistoren M3, M4 befinden.
-
Im
Ausführungsbeispiel
der 1 wird die Kopplung der beiden Stromwender 111, 112 durch Verbinden
des Eingangs e1, e2 eines Stromwenders mit dem Gitter des Transistors
MOS M4, M2 zweiter, der ersten Polarität P des anderen Stromwenders entgegengesetzter
Polarität
durchgeführt.
-
Anzumerken
ist eine Besonderheit der Anbringung der beiden Stromwender 111, 112 der 1,
die in der Tatsache beruht, dass vom Aspekt der Verkabelung her
die beiden Stromwender nicht geschlossen sind, da die Gitter der
Transistoren M1 und M2 einerseits und M3 und M4 andererseits nicht an
ein und demselben Knotenpunkt untereinander angeschlossen sind.
Der Quadrupol 110, dessen Eingänge und Ausgänge jedoch
den Eingängen
e1, e2 und den Ausgängen
s1, s2 der Stromwender entsprechen, weisen eine maximale Verstärkung auf, wenn
die Eingänge
e1, e2 gleichphasig sind. Mit anderen Worten, wenn der Quadrupol 110 seinen
durch die maximale Verstärkung
definierten nominalen Funktionspunkt erreicht hat, sind die Knotenpunkte N1
und N2 gleichphasig und die Stromwender 111, 112 daher
funktional geschlossen.
-
Zur
Vervollständigung
der oszillierenden Stufe 100 werden zwei Schwingkreise 121, 122 jeweils parallel
zwischen den Eingängen
e1, e2 und den Ausgängen
s1, s2 der Stromwender 111, 112 angeordnet. Wie
in 2 angegeben, werden die Schwingkreise 121, 122 durch
eine Abstimmungsspannung Vt über
die Widerstände
R1 und R2 in Frequenz gesteuert. Jeder Schwingkreis wird durch einen
induktiven Widerstand L1, L2 und eine durch zwei in Serie geschaltete
Kapazitäten
C1, C2 und C3, C4 realisierte parallele Kapazität gebildet; es handelt sich
effektiv um die Transistoren MOS vom Typ N oder P (varactors).
-
Die
Ausgangsstufe 200 ist ein durch zwei in Serie angeordneter,
auf ihrem jeweiligen Gitter durch die Ausgangssignale s1, s2 der
oszillierenden Stufe 100 gesteuerte Transistoren MOS M5,
M6 entgegengesetzter Polarität
gebildeter Verstärker
vom Typ push-pull, wobei diese doppelte Steuerung des push-pull
200 nur möglich
ist, weil die Ausgänge
s1, s2 gleichphasig sind. Somit lädt jedes Ausgangssignal nur
einen einzigen Transistor M5, M6, was dem erfindungsgemäßen Oszillator
einen besseren Durchlassbereich im Verhältnis zum bekannten VCO des
Standes der Technik (1) verleiht, bei dem die Ausgänge s1,
s2 in entgegengesetzter Phase sind und bei dem ein und derselbe
Ausgang s2 gleichzeitig die beiden Transistoren des push-pulls lädt.
-
In 1 sieht
man, dass der Ausgang s1 in der Tat durch zwei Transistoren geladen
wird, nämlich
dem Transistor M5 der Verstärkerstufe 200 und einem
Transistor M7 vom Typ N, um die Ladungen der Ausgänge s1 und
s2 ins Gleichgewicht zu bringen. Der Ausgang s2 wird nämlich durch
den Transistor M6 vom Typ P des Verstärkers 200 geladen,
der in den Mobilitätsverhältnissen
der Elektronen und der Löcher
breiter ist als der Transistor M5 vom Typ N. Dieses Setzen ins Gleichgewicht
erlaubt die Vermeidung der Einbringung von Verzerrungen beim Ausgangssignal
S.
-
3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
in Spannung gesteuerten erfindungsgemäßen Oszillators, der sich vom
Beispiel der 2 durch die Art und Weise unterscheidet,
wie die Stromwender 111' und 112' gekoppelt sind.
In der oszillierenden Stufe 100' der 3 ist der
Ausgang s1', s2' eines Stromwenders 111', 112' an das Gitter
des Transistors MOS M4, M2 mit der Polarität der Transistoren MOS M1,
M3 des anderen Stromwenders entgegengesetzter Polarität P angeschlossen.
-
Der
Quadrupol 110' weist
ebenfalls eine maximale Verstärkung
auf, wenn die Eingänge
e'1, e'2 der Stromwender 111', 112' gleichphasig
sind. Die Ausgänge
s'1 und s'2 sind jedoch in
entgegengesetzter Phase, was ihre Anwendung auf die Transistoren MOS
M5, M6 der Verstärkerstufe 200 wie
in 2 ausschließt.
Eine die Erhöhung
des Durchlassbereichs des Oszillators der 3 erlaubende
Lösung besteht
in der Realisierung einer Verstärkerstufe 200' mit zwei in
Serie angeordneten Transistoren MOS M5, M6' derselben Polarität, wobei jeder Ausgang s'1, s'2 der oszillierenden
Stufe 100' an
das Gitter einer der genannten Transistoren M5, M6' angeschlossen ist.
-
Zwecks
Erleichterung der Anpassung des Frequenzbandes kann man der von
der Abstimmungsspannung Vt gewährleisteten
Feineinstellung eine dank eines analogen oder logischen Steuersignals
erhaltene Grobeinstellung hinzufügen.
Dafür fügt man,
wie in 4 dargestellt, in den Schwingkreisen 121'', 122'' parallel
einen oder mehrere durch ein Steuersignal gesteuerte Kondensatorstrukturen MOD
hinzu. Im in 4 dargestellten Beispiel werden
zwei Kondensatorstrukturen MOS durch zwei digital auf 2 Bits kodierte
Steuersignale c1, c2 gesteuert, was 4 Grobeinstellungspositionen
ergibt.