DE69320648T2 - Spannungsgesteuerter Oszillator für Betrieb mit niedriger Versorgungsspannung - Google Patents

Spannungsgesteuerter Oszillator für Betrieb mit niedriger Versorgungsspannung

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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Oszillatoren, zum Beispiel auf eine spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung zum Betrieb bei niedrigen Versorgungsspannungen.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Spannungsgesteuerte Oszillator(VCO)-Schaltungen sind in der Technik wohl bekannt und werden in einer Anzahl von Anwendungen, zum Beispiel innerhalb einer phasenverriegelten Schleife (PLL) vewendet. Eine VCO-Schaltung enthält typischerweise ein variables Element wie einen Kodensator, das zum Einstellen der Frequenz eines Ausgangssignals der VCO-Schaltung variiert werden kann.
  • Eine VCO-Schaltung enthält typischerweise einen Typ von Ausgangsstufe derart, daß die Ausgangsimpedanz der VCO-Schaltung einen geeigneten Wert hat. Eine Ausgangsstufe, die mit einer Oszillatorschaltung über einen Kopplungskondensator gekoppelt ist, ist in dem US Patent Nr. 5 107 228 mit einem Veröffentlichungsdatum vom 21. April 1992 offenbart. Dieses Patent offenbart eine VCO- Schaltung, die einen Ausgangsverstärker zum Liefern einer einstellbaren Ausgangsimpedanz aufweist. Jedoch weisen die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Schaltungen eine Emitterschaltungsausgangsstufe auf, die keine hohe Gainverstärkung liefert. Des weiteren benötigen die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Schaltungen einen separaten Vorspannstrom sowohl für den Ausgangsverstärker als auch die Oszillationsstufe und sind daher nicht leistungseffizient.
  • Daher gibt es eine Notwendigkeit, eine verbesserte VCO-Schaltung anzugeben, die eine Ausgangsstufe mit einer einstellbaren Ausgangsimpedanz aufweist, zum Betreiben bei niedrigen Versorgungsspannungen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die einzige Figur ist eine detaillierte schematische Darstellung, die eine spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung zum Betreiben bei niedrigen Versorgungsspannungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung illustriert, die in dem anhängenden unabhängigen Anspruch 1 definiert ist.
    • Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
  • Unter Bezugnahme auf die einzige Figur, eine detaillierte schematische Darstellung, die eine spannungsgesteuerte Oszillator(VCO)-Schaltung 10 mit einem Ausgang am Anschluß 16 illustriert, ist gezeigt. Die VCO-Schaltung 10 weist eine Oszillatorstufe auf, die einen Oszillatortransistor 20 enthält, der eine Basis aufweist, die über einen Kondensator 21 mit den ersten Anschlüssen des variablen Kondensators 22 und des Induktors 24, die parallel geschaltet sind, verbunden ist. Die zweiten Anschlüsse des Kondensators 22 und des lnduktors 24 sind mit einem ersten Versorgungsspannungsanschluß gekoppelt, an dem das Potential VEE angelegt ist. Der Kondensator 21 liefert einen Gleichstromblock zum Hindern eines Leckstromes aus dem Kondensator 22 und dem Induktor 24 am Fließen in die Basis des Transistors 20.
  • Die Basis des Transistors 20 ist außerdem über einen Widerstand 28 mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluß gekoppelt. Die Basis des Transistors 20 ist außerdem über einen Kondensator 36 mit einem Schaltungsknoten 30 gekoppelt, wobei der Kondensator 36 die Variation der Basis-Emitter-Kapazität des Transistors 20 minimiert. Der Emitter des Transistors 20 ist mit dem Schaltungsknoten 30 gekoppelt, wobei ein Widerstand 32 und ein Kondensator 34 parallel zwischen den Schaltungsknoten 30 und den ersten Versorgungsspannungsanschluß geschaltet sind. Der Kollektor des Transistors 20 stellt einen Ausgang der Oszillatorstufe dar. Der Kollektor des Transistors 20 ist außerdem über einen Induktor 38 mit einem zweiten Versorgungsspannungsanschluß gekoppelt, an dem das Betriebspotential Vcc angelegt ist.
  • Die VCO-Schaltung 10 enthält außerdem eine Basisschaltungsausgangspufferstufe, die einen Transistor 50 enthält, der einen Kollektor, der den Ausgang der Ausgangspufferstufe darstellt, aufweist, der über einen Kodensator 51 mit dem Anschluß 16 gekoppelt ist. Der Kollektor des Transistors 50 ist außerdem über einen Induktor 52 mit dem Betriebspotential Vcc verbunden. Die Basis des Transistors 50 ist über einen Widerstand 56 mit der Basis des Transistors 20 gekoppelt. Des weiteren ist die Basis des Transistors 50 über einen Widerstand 76 mit dem Betriebspotential Vcc verbunden. Der Emitter des Transistors 50, der den Eingang der Ausgangspufferstufe darstellt, ist über einen Kondensator 58 mit dem Kollektor des Transistors 20 gekoppelt. Des weiteren ist der Emitter des Transistors 50 über einem Widerstand 60 mit dem Betriebspotential VEE gekoppelt. Die Basis des Transistors 50 ist über einen Kondensator 72 mit dem Betriebspotential VEE gekoppelt.
  • Im Betrieb weist die Oszillationsstufe den Transistor 20, die Widerstände 28 und 32, die Kondensatoren 21, 22, 34 und 36 und die Induktoren 24 und 38 auf. Der Widerstand 28 (in Verbindung mit den Widerständen 56 und 76) bildet ein Vorspannnetzwerk zum Liefern vorbestimmter Vorspannungen an den Basen der Transistoren 20 und 50. Diese vorbestimmten Vorspannungen liefern einen vorbestimmten Strom, der durch die Transistoren 50 und 20 fließt.
  • Die VCO-Schaltung 10 wird schwingen, falls der Gesamtwiderstand in der Schleife, die durch den Induktor 24, die Kondensatoren 21, 22, 34 und 36, den Transistor 20 und die Parallelschaltung des Widerstandes 32 und des Kondensators 34 gebildet wird, negativ ist. Dieses basiert auf der Tatsache, daß eine ideal abgestimmte Schaltung undefiniert schwingen wird, falls kein Widerstandselement vorhanden ist, das einen Energieverlust bringt. Derart wird die VCO- Schaltung 10 schwingen, falls der Realteil der Eingangsimpedanz des Transistors 20 ausreichend negativ ist, um einen negativen Gesamtwiderstand für die Schleife zu ergeben.
  • Die Analyse der Berechnung des Eingangswiderstandes des Transistors 20 ist im Detail auf den Seiten 243-245 von 'Modern Communication Circuits', McGraw- Hill Publishing Co., 1985 diskutiert. Das Endergebnis für den Realteil der Eingangsimpedanz (ri) des Transistors 20 ist gezeigt in Gl.1.
  • ri = -gm/(w² · (CBE + C&sub3;&sub6;) · CE) (1),
  • wobei
  • gm die Transkonduktanz des Transistors 20 ist;
  • w die Betriebsfrequenz ist;
  • CBE die Basis-Emitter-Kapazität des Transistors 20 ist;
  • C&sub3;&sub6; die Kapazität des Kondensators 36 ist; und
  • CE die Kapazität ist, die an dem Emitter des Transistors 20 gesehen wird.
  • Es muß verstanden werden, daß, falls die Größe von ri, wie es in Gl.1 gezeigt ist, größer als die Summe jedweder anderer Widerstände innerhalb der Schleife ist, dann der Transistor 20 in der Lage sein wird, die Verlustleistung des Induktors (oder Kondensators) zu liefern. Derart wird die VCO-Schaltung 10 in der Lage sein, die Schwingung zu halten.
  • Als ein Ergebnis ist das Signal, das an dem Kollektor des Transistors erscheint, ein schwingendes Signal, das mit einer Mittenfrequenz (Fc) schwingt, die im wesentlichen gleich zu [2 · Pi · (L · Cequiv)-1/2] ist, wobei Pi = 3,1415927, L die Induktivität des Induktors 24 und Cequiv die äquivalente Kapazität der Schleife ist, wie sie in Gl. 2 ausgedrückt ist.
  • Cequiv = C&sub2;&sub2; + C&sub2;&sub1; //[(CBE20 + C&sub3;&sub6;)]// C&sub3;&sub4; + CCB20 //(CCS20 + C&sub5;&sub8; //C&sub7;&sub2;//CBE50)] (2)
  • wobei
  • CBE20 die Basis-Emitter-Kapazität des Transistors 20 ist;
  • CCB20 die Kollektor-Basis-Kapazität des Transistors 20 ist;
  • CCS20 die Kollektor-Substrat-Kapazität des Transistors 20 ist;
  • CBE50 die Basis-Emitter-Kapazität des Transistors 50 ist; und
  • //bedeutet 'parallel mit'.
  • Es sollte verstanden werden, daß durch Variieren des Wertes des Kondensators 22 die äquivalente Kapazität, wie sie in Gl. 2 ausgedrückt ist, variiert wird, wodurch die Mittenfrequenz des Signales variiert wird, das an dem Kollektor des Transistors 20 erscheint. Des weiteren ist es Wert zu bemerken, daß der Kondensator 22 die Form eines Varactors annehmen kann, wobei ein Einstellen der Spannung, die über den Varactor angelegt ist, die Mittenfrequenz einstellen wird.
  • Die Basisschaltungsausgangspufferstufe enthält den Transistor 50, den Widerstand 60 und den Kondensator 72, wobei zu verstehen ist, daß die Widerstände 28, 56 und 76 eine vorbestimmte Vorspannung an der Basis des Transistors 50 liefern, wie es zuvor beschrieben worden ist. Es ist wichtig zu realisieren, daß durch Bereitstellen desselben Vorspannungsnetzwerkes zum Vorspannen der Basen der Transistoren 20 und 50 der Gesamtleistungsverbrauch der VCO- Schaltung reduziert wird. Die Basisschaltungsausgangspufferstufe weist einen Eingang an dem Emitter des Transistors 50 und einen Ausgang an dem Kollektor des Transistors 50 auf, wobei der Transistor 50 als ein Strompuffer wirkt durch Übertragen des schwingenden Signals, das an dem Kollektor des Transistors 20 erscheint, zu dem Ausgangsanschluß 16. Der Transistor 50 liefert außerdem eine niedrige Impedanz (sein Emitterwiderstand - re) an dem Kollektor des Transistors 20, was den Miller-Multipliziereffekt der Kollektor-Basis-Kapazität des Transistors 20 reduziert, wodurch die obere Abschneidefrequenz der VCO-Schaltung 10 erweitert wird.
  • Der Kondensator 72 ist ein Stabilitätskondensator für die Ausgangspufferstufe, während der Widerstand 60 einen Vorspannungsstromweg von dem Betriebspotential VCC über den Induktor 52, den Transistor 50 und den Widerstand 60 komplettiert.
  • Der Induktor 38 liefert sowohl eine Impedanzanpassung als auch einen Weg für die Kollektorspannung des Transistors 20. Es ist Wert zu bemerken, daß durch Verwenden des Induktors 38 es dem Kollektor des Transistors 20 ermöglicht wird, um die Spannung Vcc zu schwingen, ohne den Transistor 20 zu sättigen. Darüberhinaus erlaubt der Induktor 38 der VCO-Schaltung 10 bei niedrigeren Versorgungsspannungen zu arbeiten, aufgrund des niedrigen internen Widerstandes, der mit dem Induktor 38 verbunden ist.
  • Die Anpassungselemente 51 und 52 können verwendet werden, um einen vorbestimmten Widerstand an dem Ausgang der VCO-Schaltung 10 (Anschluß 16) zu liefern. Des weiteren liefert der Induktor 52 eine Vorspannung für den Kollektor des Transistors 50 ähnlich zu dem Induktor 38, der eine Vorspannung für den Kollektor des Transistors 20 liefert, wie oben beschrieben worden ist. Die Berechnung des Ausgangswiderstandes (RouT) der VCO-Schaltung 10 ist sehr komplex und daher ist ein vereinfachter Ausdruck nicht enthalten. Jedoch zeigen tatsächliche Testergebnisse, daß durch Variieren des Wertes des lnduktors 52 oder des Kondensators 51 der Ausgangswiderstand an dem Anschluß 16 auf einen vorbestimmten Wert, zum Beispiel 50 Ohm, eingestellt werden kann.
  • Zusammenfassend kann der Ausgangswiderstand, der vom Anschluß 16 aus gesehen wird, über die Anpassungelemente 51 und 52 eingestellt werden. Derart kann die Ausgangsimpedanz der VCO-Schaltung 10 aus Fig. 1 entworfen werden, mit der Eingangsimpedanz einer Schaltung (nicht gezeigt), die mit dem Anschluß 16 verbunden ist, für eine maximale Treiberfähigkeit übereinzustimmen. Des weiteren weist die VCO-Schaltung 10 eine Basisschaltungsausgangspufferstufe auf, wodurch ein minimaler Leistungsverlust und eine bessere Hochfrequenzleistung geliefert werden.
  • Es sollte nun aus der vorhergehenden Diskussion offensichtlich sein, daß eine neue spannungsgesteuerte Oszillator(VCO)-Schaltung zum Betreiben bei niedrigen Versorgungsspannungen bereitgestellt worden ist. Die VCO-Schaltung enthält eine Oszillationsstufe, die eine negative Widerstandstechnik zur Schwingung verwendet, und sie enthält einen ersten Induktor zum Ermöglichen eines Betriebes der Oszillationsstufe bei niedrigen Versorgungsspannungen. Die VCO- Schaltung enthält außerdem eine Ausgangsstufe, die einen zweiten Induktor und einen Kondensator enthält, zum Ermöglichen dessen, daß der Ausgangswiderstand der VCO-Schaltung für eine maximale Ausgangstreiberfähigkeit eingestellt wird.
  • Während die Erfindung in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen derselben beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, daß viele Änderungen, Modifikationen und Variationen den Fachleuten im Lichte der vorhergehenden Beschreibung ohne Abweichen von dem Umfang der Erfindung, wie er in den anhängenden Ansprüchen definiert ist, offensichtlich werden.

Claims (3)

1. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung (10) mit einem Ausgang (16), die eine Oszillationsstufe aufweist, die mit einer Ausgangsstufe über einen Kopplungskondensator (58) gekoppelt ist, zum Übertragen des Oszillationssignals von einem Ausgang der Oszillationsstufe an den Ausgang (16) der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung, bei der die Oszillationsstufe eine Oszillationsschleife aufweist, die einen negativen Gesamtwiderstand aufweist, so daß die Oszillationsstufe ein Oszillationssignal mit einer vorbestimmten Frequenz von einem Ausgang liefert, wobei die Oszillationsstufe enthält:
einen ersten Transistor (20) in der Oszillationsschleife, wobei der erste Transistor (20) eine erste und eine zweite stromführende Elektrode und eine Steuerelektrode aufweist, die erste und die zweite stromführende Elektrode zwischen den Ausgang der Oszillationsstufe und einen ersten Versorgungsspannungsanschluß (VEE) geschaltet sind, und die Steuerelektrode des ersten Transistors (20) zum Empfangen einer ersten Vorspannung geschaltet ist;
einen ersten Induktor (24), der einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, wobei der zweite Anschluß das ersten Induktors (24) mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluß (VEE) gekoppelt ist;
einen ersten Kondensator (21), der zwischen den ersten Anschluß des ersten Induktors (24) und die Steuerelektrode des ersten Transistors (20) geschaltet ist;
einen ersten Widerstand (32), der zwischen die zweite stromführende Elektrode des ersten Transistors (20) und den ersten Versorgungsspannungsanschluß (VEE) geschaltet ist;
einen zweiten Widerstand (28), der zwischen die Steuerelektrode des ersten Transistors (20) und den ersten Versorgungsspannungsanschluß (VEE) geschaltet ist;
einen zweiten Kondensator (34), der zwischen die zweite stromführende Elektrode des ersten Transistors (20) und den ersten Versorgungsspannungsanschluß (VEE) geschaltet ist,
wobei die spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung (10) dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Oszillationsstufe enthält:
einen zweiten Induktor (38), der zwischen den Ausgang des Oszillationsstufe und einen zweiten Versorgungsspannungsanschluß (Vcc) geschaltet ist, zum Ermöglichen dessen, daß der erste Transistor (20) bei niedrigen Versorgungsspannungen arbeitet;
einen dritten Kondensator (22), der einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, wobei der erste Anschluß des dritten Kondensators (22) mit dem ersten Anschluß des ersten lnduktors (24) gekoppelt ist, und der zweite Anschluß des dritten Kondensators (22) mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluß (VEe) gekoppelt ist; und
einen vierten Kondensator (36), der über die Steuerelektrode und die zweite stromführende Elektrode des ersten Transistors (20) gekoppelt ist; und
die Ausgangsstufe enthält:
einen Basisschaltungs-Bipolartransistor (50), der eine erste und eine zweite stromführende Elektrode und eine Steuerelektrode aufweist, wobei die zweite stromführende Elektrode kapazitiv mit dem Ausgang der Oszillationsstufe gekoppelt ist, und die Steuerelektrode des Basisschaltungs-Bipolartransistors (50) zum Empfangen einer zweiten Vorspannung gekoppelt ist;
einen dritten Induktor (52), der zwischen den zweiten Versorgungsspannungsanschluß (Vcc) und die erste stromführende Elektrode des Basisschaltungs- Bipolartransistors (50) geschaltet ist;
einen fünften Kondensator (51), der zwischen die erste stromführende Elektrode des Basisschaltungs-Bipolartransistors (50) und den Ausgang (16) der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung (10) geschaltet ist;
einen dritten Widerstand (60), der zwischen die zweite stromführende Elektrode des Basisschaltungs-Bipolartransistors (50) und den ersten Versorgungsspannungsanschluß (VEE) geschaltet ist; und
einen sechsten Kondensator (72), der zwischen die Steuerelektrode des Basisschaltungs-Bipoiartransistors (50) und den ersten Versorgungsspannungsanschluß (VEE) geschaltet ist.
2. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung (10) nach Anspruch 1, bei der der dritte Induktor (52) und der fünfte Kondensator (51) zum Liefern eines vorbestimmten Widerstandes an dem Ausgang (16) der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung (15) verwendet werden.
3. Spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung (10) nach Anspruch 1, bei der die Steuerelektrode des ersten Transistors mit dem zweiten Versorgungsspannungsanschluß über den vierten und den fünften Widerstand (56, 76) gekoppelt ist, und bei der die gemeinsam verbundenen Anschlüsse des vierten und des fünften Widerstandes (56, 76) mit der Steuerelektrode des Basisschaltungs-Bipolartransistors (50) verbunden sind.
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