DE60103958T2 - Spannungsgesteuerter Oszillator - Google Patents

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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)

Description

  • 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.

Claims (6)

  1. In Spannung gesteuerter Oszillator mit einer eine Struktur mit zwei gekoppelten, in CMOS-Technologie realisierten Stromwendern (111, 112; 111', 112') aufweisenden oszillierenden Stufe (100; 100'), dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Stromwender zur Bildung eines Quadrupols (110; 110') mit zwei Eingängen (e1, e2; e'1; e'2) und zwei Ausgängen (s1, s2; s'1, s'2) verkabelt sind, die jeweils den Eingängen und Ausgängen der Stromwender entsprechen, wobei die Verstärkung des Quadrupols (110; 110') auf jedem der Ausgänge maximal ist, wenn die Eingänge gleichphasig sind, und dass zwei Schwingkreise (121, 122) parallel jeweils zwischen den Eingängen (e1, e2; e'1; e'2) und den Ausgängen (s1, s2; s'1, s'2) der Stromwender angeordnet sind, wobei die genannten Schwingkreise (121, 122) in Frequenz durch eine Abstimmungsspannung (Vt) gesteuert sind.
  2. Oszillator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromwender (111, 112; 111', 112') aus zwei in Serie angeordneten Transistoren MOS (M1, M2, M3, M4) mit entgegengesetzter Polarität gebildet werden, wobei der Eingang (e1, e2; e'1, e'2) des Stromwenders sich auf dem Gitter eines Transistors (M1, M3) einer ersten Polarität und der Ausgang am Mittelpunkt der beiden Transistoren befinden.
  3. Oszillator gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (e1, e2) eines Stromwenders (111, 112) an das Gitter des Transistors (M4, M2) einer zweiten Polarität des anderen Stromwenders angeschlossen ist, wobei die zweite Polarität der genannten ersten Polarität entgegengesetzt ist.
  4. Oszillator gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (s'1, s'2) eines Stromwenders (111', 112') an das Gitter des Transistors (M4, M2) einer zweiten Polarität des anderen Stromwenders angeschlossen ist, wobei die zweite Polarität der genannten ersten Polarität entgegengesetzt ist.
  5. Oszillator gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er eine aus zwei in Serie angeordneten Transistoren MOS (M5, M6) mit entgegengesetzter Polarität gebildete Verstärkerstufe (200) umfasst, wobei jeder Ausgang (s1, s2) der genannten oszillierenden Stufe (100) an das Gitter einer der genannten Transistoren MOS (M5, M6) angeschlossen ist.
  6. Oszillator gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass er eine aus zwei Transistoren MOS (M5 M6') derselben Polarität, in Serie angeordnete gebildete Verstärkerstufe (200') umfasst, wobei jeder Ausgang (s'1, s'2) der genannten oszillierenden Stufe (100') an das Gitter einer der genannten Transistoren MOS (M5, M6') angeschlossen ist.
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