DE69102592T2

DE69102592T2 - Spannungsgesteuerte ausgeglichene Quarzoszillatorschaltung.

Info

Publication number: DE69102592T2
Application number: DE69102592T
Authority: DE
Inventors: Robert W Walden
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1990-07-10
Filing date: 1991-07-02
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: DE69102592D1; US5030926A; CA2043599C; CA2043599A1; HK136495A; EP0466388A2; JP3150363B2; EP0466388B1; EP0466388A3; JPH04233805A

Description

Die Erfindung betrifft spannungsgesteuerte Oszillatorschaltungen.
Eine bekannte und sinnvolle Art einer Oszillatorschaltung ist eine Kristalloszillator-Schaltung. Eine solche Schaltung enthält einen Oszillator (z.B. einen Quarzkristall), ein Elektrodenpaar, die an den Oszillator angeschlossen sind und einen invertierenden Verstärker, der über die Elektroden angeschlossen ist. Eine solche Schaltung besitzt eine Resonanzfrequenz fR, bei der die Schaltung schwingt, wobei diese Frequenz in einer recht komplizierten Weise von den wirksamen Parametern (Induktivität, Kapazität, Widerstand) der verschiedenen Elemente einschließlich des Kristalls abhängt. Ein separater Kondensator, der zwischen jede Elektrode und Masse geschaltet ist, kann zum Ändern ("Abstimmen") der Resonanzfrequenz der Schaltung hinzugefügt sein.
Um die Resonanzfrequenz einer Kristalloszillator-Schaltung während des Schwingens zu verändern ("ziehen"), ist ein Varaktor (veränderliche Kapazität, variable capacitor) anstelle eines Kondensators eingesetzt. Genauer ausgedrückt, enthält eine bekannte Pierce-Oszillatorschaltung folgende Komponenten:
a) einen Kristalloszillator mit einem ersten und zweiten Anschluß,
b) einen ersten Varaktor, dessen einer Anschluß unmittelbar an den Eingangsanschluß des Verstärkers und dessen anderer Anschluß an einen gemeinsamen Knoten angeschlossen ist,
c) einen zweiten, im wesentlichen mit dem ersten Varaktor übereinstimmenden Varaktor, dessen einer Anschluß unmittelbar an den Ausgangsanschluß des Verstärkers und dessen anderer Anschluß unmittelbar an den gemeinsamen Knoten angeschlossen ist, und
d) eine Einrichtung zum Anlegen einer Steuerspannung an den gemeinsamen Knoten, um die aszillatorfrequenz des Oszillators zu verändern.
Während des Schaltungsbetriebs wird die Kapazität des Varaktors durch Verändern einer externen (Steuer-) Spannung Vc, die an den Varaktor angelegt ist, variiert, wodurch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises um einen Betrag fR gezogen ("verschoben") wird, der von der Größe von Vc abhängt Allerdings ist in vielen praktischen Anwendungen der Bereich (das Intervall) von Resonanzfrequenzen ("Ziehbereich"), in dem die Schaltung bei einer Frequenz schwingen kann, die linear von einer angelegten Spannung abhängt, auf ein schmaleres Frequenzintervall (fmax-fmin) als gewünscht begrenzt. Beispielsweise ist es in einigen praktischen Anwendungen wünschenswert, die getaktete Schaltung von zwei entfernt angeordneten Einrichtungsteilen mit Hilfe eines gesonderten VCXO, der in jedem Teil vorhanden ist, zu synchronisieren, wobei ein oder beide VCXOs unvermeidliche Schwankungen in der Resonanzfrequenz aufweisen, die durch Schwankungen in der örtlichen Umgebungstemperatur verursacht werden. In solchen Fällen kann der Resonanzfrequenz-Ziehbereich eines der VCXOs nicht groß genug sein, um die unvermeidlichen Frequenzschwankungen ds anderen VCXO aufzunehmen.
In der US-PS-4 827 226 ist ein Oszillator offenbart, der einen Kristalloszillator enthält, der zu einer Pierce-Oszillator- Schaltungskonfiguration verschaltet ist, die mittels eines Abstimmnetzwerks, das ein Paar von digital einstellbaren Kondensatoren aufweist, einstellbar ist.
Es ist wünschenswert, einen VCXO-Schaltkreis zu haben, der den Ziehbereich vergrößert.
Gemäß der Erfindung wird eine spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung geschaffen, wie sie in Anspruch 1 testgelegt ist.
Im Betriebszustand einer Ausführungsform nach der Erfindung ist eine Eingangs-Steuerspannung Vc über ein Eingangsnetzwerk derart an zwei gemeinsame Knoten angelegt, daß sich die an diese Knoten angelegten, resultierenden Hilfssteuerspannungen VA bzw. VB auf eine nichtlineare Weise als Funktion von Vc unterscheiden. Beispielsweise kann das Eingangsnetzwerk so ausgebildet sein, daß die Hilfssteuerspannungen VA und VB vorteilhafterweise um den Gate-zu-Source-Spannungsabfall an einem MOS-Transistor differieren können. Um eine (gute Annäherung an die) Linearität über einen großen Bereich von Eingangsspannungen Vc zu erreichen, können zudem die zuvorgenannten Hilfssteuerspannungen VA und VB aus einem nichtlinearen Spannungsteiler-Netzwerk abgeleitet werden, welches andere Schaltungs-Nichtlinearitäten ausgleicht. Die durch die beiden gemeinsamen Knoten gewonnene Flexibilität ermöglicht daher gleichzeitig einen großen Ziehbereich und eine bessere Linearität.
Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig.1 ein Schaltbild einer bekannten VCXO-Schaltung,
Fig.2 ein Schaltbild einer die Erfindung verwirklichenden VCXO-Schaltung, und
Fig. 3 ein Schaltbild eines nicht-linearen Spannungsteiler-Netzwerks, das zum Bilden einer Steuerspannung für die in Fig.2 gezeigte Schaltung sinnvoll ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt eine VCXO-Schaltung 100 einen Eingangssteuerspannungs-Anschluß 70 sowie ein Paar von Ausgangsanschlüssen 26 und 27. Weiterhin umfaßt die Schaltung 100 einen Kristalloszillator 11, der typischerweise ein Quarzoszillator ist, an den zwei Elektroden 12 und 13 angeschlossen sind. Ferner ist ein Eingangsanschluß 22 eines invertierenden Verstärkers 20 der Schaltung 100 an die Elektrode 12 und ein Ausgangsanschluß 23 an die Elektrode 13 angeschlossen. Bei einer Pierce-Oszillatorschaltung, wie sie hier bevorzugt ist, ist der Verstärker 20 zu einer gemeinsamen Sourceschaltung (in MOS-Technologie) verschaltet, d.h.der Eingangsanschluß 22 ist beispielsweise an das Gate eines MOS- Treibertransistors angeschlossen, dessen Sourceanschluß an eine stabile Spannungsquelle VSS und dessen Drainanschluß an den Ausgangsanschluß 23 des Verstärkers 20 angeschlossen ist, wobei der Ausgangsanschluß des Verstärkers über eine Last an eine andere stabile Spannungsquelle VDD angeschlossen ist. Die Elektrode 12 ist über einen ersten Varaktor 30 und die Elektrode 13 über einen zweiten Varaktor 40 mit demselben gemeinsamen Knoten verbunden. Der erste und zweite Varaktor 30 und 40 sind vorzugsweise im wesentliche identisch ("paarweise angepaßt), um die Schaltung symmetrisch zu gestalten. Für einen sinnvollen Betrieb können sie jedoch etwa um einen Faktor 2 differieren. Der gemeinsame Knoten 35 ist über einen Kondensator 50 mit Masse verbunden. Der gemeinsame Knoten 35 ist ferner über einen Widerstand 60 mit dem Eingangssteuerspannungs-Anschluß 70 verbunden.
Während des Schaltungsbetriebs ist die Eingangssteuerspannung Vc an den Steuerspannungs-Anschluß 70 angelegt, um die Resonanzfrequenz fR zu ziehen. Der bekannte Widerstand 60 hilft, die Schaltung 100 gegenüber Rauschen am Eingangsanschluß 70 zu isolieren so wie den Leistungsverbrauch bei der Schwingungsfrequenz zu minimieren.
Außerdem ist in bekannter Weise ein Widerstand 24 über den Verstärker 20 angeschlossen, um sicherzustellen, daß die mittlere Spannung an dem Eingangs- und Ausgangsanschluß 22 und 23 gleich ist, wodurch Verzerrungen im Ausgangsignal, die durch im übrigen große Abweichungen von der gewünschten Nennbetriebs-Ausgangswellenform hervorgerufen werden, minimiert werden.
Ein Spannungsbegrenzer 25 ist in bekannter Weise über den Verstärker 20 geschaltet, um die Schwingungsamplituden zu begrenzen und somit die Steuerspannungen Vc effektiver beim Ziehen der Resonanzfreguenz fR auszunutzen, d.h. (dfR/dVc) und damit den Ziehbereich zu erhöhen.
Wie bekannt ist, besteht der Zweck des Kondensators 50 darin, die Gleichspannung an dem gemeinsamen Knoten 35 zu stabilisieren. Seine Kapazität ist typischerweise mindestens zehnmal höher als die der (gleichen) Varaktoren 30 und 40.
Die Ausgangsanschlüsse 26 und 27 der Schaltung 100 sind an den Eingangsanschluß 22 bzw. an den Ausgangsanschluß 23 des Verstärkers 20 anzuschließen. Eine Nutzungseinrichtung 81 oder 82 oder beide sind an die Ausgangsanschlüsse 26 bzw. 27 der Schaltung 100 angeschlossen. Die durch die Nutzungseinrichtung 81 empfangenen Schwingungen weisen zwar kleinere Amplituden auf als die durch die Nutzungseinrichtung 82 empfangenen, doch enthalten sie eine bessere Annäherung an die reine Sinusform.
Typischerweise handelt es sich bei den Nutzungseinrichtungen um getaktete Schaltungen, die mittels einer VCXO-Schaltung 100 synchronisiert werden.
Das Hinzufügen des Varaktors 30 zum Varaktor 40 oder das Hinzufügen des Varaktors 40 zum Varaktor 30 dient dazu, die Schaltung symmetrisch zu gestalten. Dies geschieht dadurch, daß man die variablen Impedanzen der Elektroden 12 und 13 sowohl an den Eingangssteueranschluß 70 als auch an die Masse angleicht; dadurch ergibt sich eine bessere Schaltungssymmetrie, was wiederum zu einer kleineren, erforderlichen Halbleiterfläche, auf der die Schaltung hergestellt wird, zu einem geringeren Leistungsverlust und zu einer größeren Schaltungsstabilität führt. Andererseits können geringe Unterschiede zwischen den Varaktorparametern - sagen wir einmal, ein Varaktor ist doppelt so groß wie der andere - in einigen Fällen sinnvoll sein, wie zum Beispiel zum Verändern des Verhältnisses zwischen der Signalamplitude am Anschluß 26 und am Anschluß 27.
Kondensatoren 28 und 29 können fakultativ am Ausgangsanschluß 26 bzw. 27 angeschlossen sein, um die Resonanzfrequenz fR der Schaltung 100 ständig zu ändern und die Linearität von fR gegen Vc (allerdings auf Kosten des Ziehbereichs) zu verbessern.
Vorteilhafterweise sind die Kapazitäten der beiden Kondensatoren 28 und 29, obgleich nicht notwendigerweise gleich, um mindestens einen Faktor 5 kleiner als diejenigen der Varaktoren 30 und 40.
Wir nehmen nunmehr Bezug auf Fig.2, in der die darin gezeigten Elemente, die denjenigen in Fig.1 ähnlich oder gleich sind,mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Wie in Fig.2 gezeigt ist, ist eine VCXO-Schaltung 200 aus der oben beschriebenen VCXO-Schaltung 100 (Fig.l) durch Hinzufügen eines parallelen Pfades abgeleitet, der durch Varaktoren 31 und 41, die an einem zweiten gemeinsamen Knoten 36 angeschlossen sind, zusammen mit einem Kondensator 51, der zwischen Masse und dem zweiten gemeinsamen Knoten 36 geschaltet ist, gebildet wird. Vorteilhafterweise sind alle Varaktoren 30, 31, 40 und 41 gleich. Es ist weiter ein die gleiche Aufgabe wie der Widerstand 60 erfüllende Widerstand 61, hinzugefügt, der an den gemeinsamen Knoten 36 angeschlossen ist. Eine Konstantstromquelle 71 ist an den Sourceanschluß 73 eines p- Kanal-MOS-Transistors 72 angeschlossen, und der Gateanschluß 74 des MOS-Transistors 72 ist an den Eingangssteuerspannungs- Anschluß 70 angeschlossen.
Während des Betriebs ist die Steuerspannung Vc an den Eingangssteuerspannungs-Anschluß 70 angelegt, und die Hilfssteuerspannungen VA bzw. VB werden an den gemeinsamen Knoten 36 und 35 erzeugt. Die Spannungen VA und VB unterscheiden sich um den Dioden-Gate-zu-Source-Spannungsabfall am Transistor 72. Deshalb stehen die Spannungen VA und VB in einem nicht-linearen Verhältnis zur Einganssteuerspannung Vc. Durch eine geeignete Wahl der verschiedenen Parameter der Schaltung 200 kann die Nichtlinearität in VA und VB dazu dienen, die Nichtlinearitäten in der oben beschriebenen Schaltung 100 zu kompensieren, wodurch eine noch bessere Annäherung an die lineare Beziehung zwischen fR und Vc für die Schaltung 200 gegenüber der Schaltung 100 erzielt wird.
Fig. 3 zeigt ein nicht-lineares Spannungsteiler-Netzwerk 300, das vorteilhafterweise zum Erzeugen der zuvor erwähnten Spannungen VA und VB an den Anschlüssen 36 bzw. 35 anstelle der in Fig.2 zu diesem Zweck verwendeten Anordnung benutzt werden kann. Die in Fig.3 gezeigten Elemente, die denjenigen in Fig.2 ahnlich oder gleich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Wie in Fig.3 gezeigt, ist ein Spannungsteiler durch die Serienschaltung der Widerstände 62 und 63 sowie durch den Source-zu-Drain-Widerstand eines p-Kanal-MOS-Hilfstransistors 64 gebildet, dessen Gate mit seinem Drainanschluß (Lastschaltung) verbunden ist. Der Gateanschluß 74 des Transistors 72 ist an einen zwischen den Widerständen 62 und 63 liegenden Knoten 65 angeschlossen. Als Folge der nicht-linearen Charakteristik des Source-Drain-Widerstandes des MOS- Transistors 64 ist die am Gateanschluß 74 erzeugte Spannung mehr eine nicht-lineare Funktion von Vc, als daß sie mit Vc wie in Schaltung 200 (Fig.2) übereinstimmt. Zudem kann die Nichtlinearität Nichtlinearitäten in der Schaltung 200 kompensieren.
Obwohl die Erfindung ausführlich bezüglich spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, können verschiedene Änderungen vorgenommen werden.
Beispielsweise können zusätzliche Varaktoren, die an zusätzliche Steuerspannungen angeschlossen sind, hinzugefügt werden, um eine noch bessere Annäherung an den linearen Schwingungsfrequenzgang zu liefern.

Claims

1. Spannungsgesteuerte Qszillatorschaltung umfassend: einen Kristalloszillator (11) mit einem ersten und zweiten Anschluß (12, 13),

einen Verstärker (20) mit einem an den ersten Anschluß (12) angeschlossenen Eingangsanschluß (22) und einem an den zweiten Anschluß (13) angeschlossenen Ausgangsanschluß (23),

einen ersten Varaktor (30), dessen einer Anschluß unmittelbar mit dem Eingangsanschluß des Verstärkers und dessen anderer Anschluß an einen gemeinsamen Knoten (35) angeschlossen ist, einen zweiten Varaktor (40), dessen einer Anschluß unmittelbar an an den Ausgangsanschluß des Verstärkers und dessen anderer Anschluß unmittelbar an den gemeinsamen Knoten angeschlossen ist,

eine Einrichtung (70, 60) zum Anlegen einer Steuerspannung (VA) an den gemeinsamen Knoten, um die Schwingungsfrequenz des Oszillators (11) zu ziehen,

gekennzeichnet durch,

einen dritten Varaktor (31), dessen einer Anschluß an den Eingangsanschluß des Verstärkers und dessen anderer Anschluß an einen anderen gemeinsamen Knoten (36) angeschlossen ist,

einen vierten Varaktor (41), dessen einer Anschluß an den Ausgangsanschluß des Verstärkers und dessen anderer Anschluß an den gemeinsamen Knoten angeschlossen ist, und

eine Einrichtung (72, 61) zum Anlegen einer Vorspannung VB, die die sich von der Steuerspannung (VA) an dem anderen gemeinsamen Knoten ist.

2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Nutzungseinrichtung (82), die an den Ausgangsanschluß des Verstärkers angeschlossen ist.

3. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Nutzungseinrichtung (81), die an den Eingangsanschluß des Verstärkers angeschlossen ist.

4. Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei der die Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung aufweist:

einen ersten MOS-Transistor (72),

eine Stromquelle (71), die an einen Hoch-Strom führenden Anschluß des ersten MOS-Transistors angeschlossen ist, um einen Konstantstrom durch den Source-Drain-Pfad des ersten MOS- Transistors zu treiben,

ein Widerstandselement (60) zum Verbinden des gemeinsamen Knotens mit dem Gateanschluß (74) des ersten MOS-Transistors, und

ein Widerstandselement (61) zum Verbinden des gemeinsamen Knotens mit dem Hoch-Strom führenden Anschluß des ersten MOS- Transistors.

5. Oszillatorschaltung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen ersten und zweiten Widerstand (62,63) sowie durch einen zweiten MOS-Transistors, die zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei der Knoten (65) zwischen dem ersten und zweiten Widerstand an den Gateanschluß des ersten MOS-Transistors angeschlossen ist.

6. Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Kapazitäten des ersten, zweiten, dritten und vierten Varaktors für jede angelegte Betriebsspannung zueinander gleich sind.