FI103232B - Oskillaattoripiiri - Google Patents

Description

103232

Oskillaattoripiiri

Keksinnön kohteena ovat yleisesti värähtelypiirit eli oskillaattorit, ja erityisesti multivibraattoreihin 5 perustuvat säädettävät oskillaattorit.

Virta- ja jänniteohjatut oskillaattorit (ICO ja VCO) ovat tärkeitä komponentteja lähettimien ja vastaanottimien rakenteissa. Päävaatimukset VCO/ICO:lle, kun tähdätään sovelluksiin kannettavissa langattomissa 10 tietoliikennejärjestelmissä, ovat: 1-20 GHz toimintataa- juusalue, hyvin alhainen vaihekohina, sekä mahdollisimman alhainen käyttöjännite ja tehonkulutus. Rakenteesta riippuen tietoliikennelaite voi sisältää useita VCO/ICO:ita, joita tarvitaan eri tarkoituksiin, esimer-15 kiksi taajuuskonversio, syntesointi, modulointi, jne. Niiden suorituskyky vaikuttaa voimakkaasti koko tieto-liikenneyksikön suorituskykyyn. Toisaalta tarve implementoida nämä oskillaattorit piiteknologioille kohtaa useita ongelmia.

20 Viimeisten vuosien aikana monet tutkimustyöt on keskittyneet löytämään optimaalisia ratkaisuja. VCO/ICO:iden ytimenä käytetään pääasiallisesti kahta oskillaattorityyppiä: sinioskillaattorit ja relaksaatio-·' oskillaattorit. Sinioskillaattorit tuottavat tavallises- 25 ti parhaat parametrit mitä tulee korkeaan taajuuteen ja alhaiseen vaihekohinaan, mutta ne ovat helposti implementoitavissa enimmäkseen vain GaAS-teknologioilla. Siirtyminen Bipolaari-, CMOS-, tai BiCMOS-teknologioihin aiheuttaa monia ongelmia pääasiallisesti hyvin johtavan .. 30 substraatin vuoksi. Toisaalta tällaisten käytettävissä olevien teknologioiden nopeus on haastamassa tutkijat, koska se nykyisin saavuttaa 10-40 GHz transienttitaajuu-det, jota aikaisemmin pidettiin taajuusalueena, joka voitaisiin kattaa vain GaAS-pohjaisilla materiaaleilla.

35 Piipohjaisten teknologioiden nopeus on jo riittävä mat- m t 2 103232 kaviestintietoliikenteeseen taajuusalueella 1-20 Ghz, jota useimmat matkaviestimet ja langattomat LANit käyttävät. Lisäksi yksi ohjaava tekijä kannettavien laitteiden suunnittelussa on aina ollut voimakas vaatimus toi-5 mia niin alhaisella käyttöjännitteellä kuin mahdollista ja kuluttaa hyvin vähän tehoa.

LC-tyyppisissä oskillaattoreissa aktiiviset pii-rikomponentit pidetään poissa epälineaariselta toiminta-alueelta, kun taas relaksaatio-oskillaattoreissa sini-10 mäinen signaali on tulosta pulssipiirin kyvyttömyydestä kytkeä riittävän nopeasti hyvin suurilla taajuuksilla.

Värähtelypiirejä eli oskillaattoreita voidaan toteuttaa monilla eri piirirakenteilla. Eräs näistä on astabiili (vapaasti käyvä) multivibraattori. Kuviossa 1 15 on esitetty eräs perinteinen emitterikytketty multivib-raattoripiiri, jota on käytetty jänniteohjattujen oskillaattorien (VCO) toteuttamiseen. Piiri käsittää kaksi transistoria Q1 ja Q2, joiden välille on aikaansaatu positiivinen takaisinkytkentä kytkemällä kukin transis-20 torin kollektori ohjaamaan toisen transistorin kantaa.

Ql:n ja Q2: n kollektorit on kytketty vastuksien Rcl ja ^ vastaavasti Rc2 kautta käyttöjännitelähteen 1 yhteen ^ potentiaaliin, ja emitterit on kytketty virtalähteiden 3 • ja vastaavasti 4 kautta käyttöjännitelähteen alempaan 25 potentiaaliin. Lisäksi Ql:n ja Q2:n emittereiden väliin ; on kytketty referenssikondensaattori C. Positiivinen ta

kaisinkytkentä sekä vastusten RC1 ja RC2 ja kapasitans-; sin C muodostamat sarjaresonanssipiirit Rcl-C ja Rc2-C

aikaansaavat sen, että multivibraattorin ulostulo jatku-’ 30 vasti värähtelee kahden tilan välillä, kun värähtely on kerran Hipaistu käyntiin. Värähtelytaajuus määräytyy RC-sarjaresonanssipiirien komponenttien arvoista. Värähtelytaajuutta voidaan säätää muuttamalla jotakin näistä komponenttiarvoista, tyypillisesti kapasitanssia C.

1 35 Seuraavassa tarkastellaan lähemmin multivibraat- • · 3 103232 torin toimintaa. Oletetaan aluksi, että Q1 on pois päältä (johtamaton tila). Ql:n ollessa pois päältä ovat Ql:n kollektori sekä Q2:n kanta suurinpiirtein käyttöjännite-potentiaalissa. Tällöin on Q2 päällä (johtava tila), ja 5 sen emitterivirta on 11+12. Q2:n johtaessa virta II kulkee Q2:n emitteriltä kapasitanssin C kautta Ql:n emitte-rille. Tällöin virta II varaa/purkaa kapasitanssin C varausta, jolloin Ql:n emitteripotentiaali putoaa tietyllä nopeudella, kunnes Q1 alkaa johtaa Ql:n kantaemitteri-10 jännitteen ylittäessä n. 0.6V. Kun Q1 alkaa johtaa, sen kollektorijännite alkaa pudota, jolloin positiivisen takaisinkytkennän vuoksi myös Q2:n kantajännite putoaa ja Q2 sulkeutuu. Q2:n sulkeutuminen aiheuttaa Q2:n kollektori jännitteen kasvamisen, mikä nopeuttaa Ql:n avautu-15 mistä. Q2:n ollessa pois päältä ja Ql:n päällä, virta 12 kulkee Ql:n emitteriltä kapasitanssin C kautta Q2:n emitterille, jossa emitterijännite alkaa pudota kunnes aiheuttaa jälleen Q2:n avautumisen ja Ql:n sulkeutumisen.

20 Tällaisen multivibraattoripiirin nopeus (maksimi- resonanssitaajuus) riippuu ensisijaisesti transistorei-den Q1 ja Q2 ominaisuuksista. Multivibraattoripiirin nopeutta voidaan kasvattaa tekemällä positiivinen ta- • ' kaisinkytkentä puskuritransistoreiden kautta, koska ne 25 mahdollistavat suuremman kantavirran, joka puolestaan purkaa nopeammin transistorien Q1 ja Q2 kantapiirin loiskapasitanssit ja näin nopeuttaa transistorin kytkeytymistä tilasta toiseen.

Pienin mahdollinen käyttöjännite Vcc saavutetaan, • 30 kun oletetaan, että virtalähteet 3 ja 4 ovat ideaalisia, ts. niissä ei synny jännitehäviötä. Kun ideaaliset virtalähteet korvataan jollakin käytännön piirirakenteella, kuten virtapeileillä, Vcc kasvaa. Jos mennään takaisin piirin toimintaperiaatteeseen, todetaan, että virtatiet 35 ovat joko Ql-C-virtapeili4 tai Q2-C-virtapeili3 ja että • · 4 103232 virtapeilit tuottavat stabiilin virran referenssikonden-saattorin C läpi, mikä on pääsyy tyypilliseen alhaiseen vaihekohinaan. Kun nyt etsitään uutta tapaa kasvattaa nopeutta, referenssikondensaattoria ei voida enää pie-5 nentää paljon enempää, koska siitä tulee loiskapasitans-sien suuruusluokkaa, minkä seurauksena piirin hallittu suunnittelu ei ole mahdollista.

Nykyisin on kuitenkin tarve yhä suurempiin nopeuksiin samalla kun käyttöjännite haluttaisiin saada 10 mahdollisimman alhaiseksi, erityisesti elektroniikka-laitteissa, joissa käytetään akkuteholähteitä.

Jännite- tai virtaohjatun oskillaattorin toteuttaminen multivibraattoripiirin avulla vaatii sopivan säätöratkaisun lisäämistä piiriin. Tällaisen säädön tu-15 lisi olla mahdollisimman yksinkertainen.

Kuvion 1 piirissä pulssiamplitudi määräytyy virtojen 11+12 summasta kerrottuna vastaavan jakson (cycle) kollektorivastuksen Rcl tai Rc2 arvolla. Pulssin leveyden määrää sen virran arvo, joka II tai 12 syöttää re-20 ferenssikondensaattorin C kautta sen uudelleenvarausjaksojen aikana. Täten taajuudensäätöä varten täytyy muuttaa joko referenssikondensaattorin C kapasitanssia tai I sen läpi kulkevaa virtaa.

1 ·- Kapasitanssin muuttaminen voidaan tehdä, jos re- 25 ferenssikondensaattorina C käytetään varaktoria. Ongel mana on kuitenkin, että varaktoriteknologiat eivät ole yleensä yhteensopivia esimerkiksi BiCMOS-teknologioiden ' kanssa. BiCMOS-teknologiassa voidaan käyttää sen sijaan PN-liitosta. Mutta tällöin kuvio 1 piirissä kondensaat- !. 30 tori työskentelee jatkuvasti vaihtaen jännitteen polari- « 1 teettia. Tässä tapauksessa kahden varaktorin sarjaankyt kentä, vastakkaisesti toisiin nähden, voi olla jonkinlainen ratkaisu, mutta toisen diodin myötäsuuntaisen jännitealueen toiminnasta, esiintyy tiettyjä epälineaa-35 risuuksia ja multivibraattorin vaihekohina saattaisi 103232 5 olla niin korkea, ettei sitä voida hyväksyä.

Toinen vaihtoehto on muuttaa virtaa ja sen seurauksena kondensaattorin uudelleenvarauksen nopeutta. Tämä on hyvin tehokas tapa säätää värähtelyjen taajuut-5 ta, mutta pääasiallisin epäkohta on sen suora vaikutus pulssien amplitudiin.

Esillä olevan keksinnön eräänä päämääränä on uusi jännite- tai virtaohjattu oskillaattoripiiri, jolla on yksinkertainen taajuudensäätö, suurempi nopeus sekä pie-10 nempi käyttöjännite ja tehonkulutus kuin tekniikan tason piireillä.

Keksinnön kohteena on oskillaattoripiiri, joka käsittää käyttöjännitelähteen, 15 ensimmäisen epälineaarisen vahvistinkomponentin, joka käsittää ensimmäisen ja toisen pääelektrodin sekä ohjauselektrodin, toisen epälineaarisen vahvistinkomponentin, joka käsittää ensimmäisen ja toisen pääelektrodin sekä oh-20 jauselektrodin, toisen vahvistinkomponentin ensimmäisen pääelektrodin ollessa kytketty ohjaamaan ensimmäisen vahvistinkomponentin ohjauselektrodia, ja vastaavasti ensimmäisen vahvistinkomponentin ensimmäisen pääelektro-.· din ollessa kytketty ohjaamaan toisen vahvistinkomponen- 25 tin ohjauselektrodia, kapasitiivisen komponentin, joka on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin toisen pääelektrodin ja toisen vahvistinkomponentin toisen pääelektrodin väliin, ensimmäisen ja toisen vastuksen, joiden kautta 30 ensimmäisen vahvistinkomponentin ensimmäinen pääelektro- « > di ja vastaavasti toisen vahvistinkomponentin ensimmäinen pääelektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen ensimmäiseen potentiaaliin. Oskillaattorille on tunnusomaista, se käsittää 35 ensimmäisen säädettävän virtalähteen, joka on 6 103232 kytketty sarjaan ensimmäisen vahvistinkomponentin toisen pääelektrodin ja käyttöjännitelähteen toisen potentiaalin väliin, toisen säädettävän virtalähteen, joka on kytketty 5 sarjaan toisen vahvistinkomponentin toisen pääelektrodin ja käyttöjännitelähteen toisen potentiaalin väliin, mainitun ensimmäisen ja toisen virtalähteen virtojen II ja 12 määrätessä oskillaattorin taajuuden, välineet kompensointivirran johtamiseksi ensim-10 mäisen vastuksen ja vastaavasti toisen vastuksen kautta siten, että kunkin vastuksen läpi kulkeva virta on oleellisesti vakio ja virroista II ja 12 riippumaton.

Keksinnön mukainen relaksaatio-oskillaattori perustuu multivibraattorirakenteeseen, joka käsittää en-15 simmäisen ja toisen vahvistinkomponentin, jotka on ristiinkytketty positiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi. Taajuudensäätö tehdään säätämällä referenssikon-densaattorin kautta kulkevaa virtaa. Jotta oskillaattorin ulostulosignaalin amplitudi saataisiin säätövirrasta 20 riippumattomaksi, johdetaan vastusten, jotka on kytketty : ensimmäisen ja toisen vahvistinkomponentin ja käyttöjän nitelähteen ensimmäisen potentiaalin väliin, kautta ylimääräinen kompensointivirta. Kompensointivirtaa sääde- --- tään edullisesti samalla tavoin mutta eri suuntaan kuin 25 säätövirtaa siten, että virta vastusten kautta on vakio. Toisin sanoen kompensointivirta kompensoi säätövirtojen muutoksia. Tämä kompensointivirta aikaansaadaan kolmannella ja neljännellä vahvistinkomponentilla, jotka on kytketty ensimmäisen ja vastaavasti toisen vahvistinkom-; 30 ponentin ensimmäiseltä pääelektrodilta kompensointivir- talähteen kautta maahan, kolmas ja neljäs vahvistinkom-: ponentti on kytketty pakko-ohjatusti seuraamaan ensim mäisen ja vastaavasti toisen vahvistinkomponentin tiloja.

I 35 Keksinnön toisen suoritusmuodon mukainen oskil- ’ 103232 laattori on lisäksi varustettu ulostulopuskureina toimivilla viidennellä ja kuudennella vahvistinkomponentilla, jotka antavat suuremman ulostulovirran ja estävät ulostuloa kuormittamasta muiden vahvistinkomponenttien toi-5 mintaa. Lisäksi viidennen ja kuudennen vahvistinkom-ponentin ja toisen käyttöjännitepotentiaalin väliin on sijoitettu seitsemäs ja kahdeksas pull-down -vahvistin-komponentti, jotka on ristiinkytketty pakko-ohjatusti seuraamaan toisen ja vastaavasti ensimmäisen vahvistin-10 komponentin tiloja. Tämä kasvattaa merkittävästi nopeutta sekä viidennen ja kuudennen vahvistinkomponentin muodostamien emitteriseuraajien tehokkuutta, ja aikaansaa suuremman amplitudin ja alhaisemman ulostuloresis-tanssin samasta pienjännitteisestä teholähteestä teknii-15 kan tason ratkaisuihin verrattuna.

Keksintöä selitetään seuraavassa viitaten oheiseen piirrokseen, jossa kuvio 1 on tekniikan tason mukaisen multivibraat-torin kytkentäkaavio, ja 20 kuviot 2, 3 ja 4 ovat keksinnön mukaisten oskil laattorien kytkentäkaavioita, ja kuvio 5 on säädettävän virtalähteen kytkentäkaavio .

,· Esillä oleva keksintö soveltuu käyttöjännitteen 25 alentamiseen, nopeuden lisäämiseen ja taajuudensäädön toteuttamiseen oskillaattoreissa, jotka perustuvat ns. emitterikytkettyihin multivibraattoripiireihin. Vaikka kuvioissa 1 ja 2 esitetyssä oskillaattorissa on käytetty vahvistineliminä bipolaaritransistoreita, keksinnön mu-30 kaisissa piiriratkaisuissa voidaan käyttää periaatteessa minkä tahansa tyyppisiä epälineaarisia vahvistinkom-ponentteja, kuten MOS-, CMOS-, SOI-, HEMT- ja HBT-tran-sistorit, mikroaaltoputket sekä tyhjiöputket. Näissä komponenteissa elektrodien nimityksen saattavat vaihdel-35 la. Bipolaaritransistorin pääelektrodit ovat kollektori 8 103232 ja emitteri ja ohjauselektrodi on kanta. FET-transisto-reissa vastaavat elektrodit ovat nielu, lähde ja hila. Tyhjiöputkissa vastaavia elektrodeja nimitetään yleensä anodi, katodi ja hila. Täten myös termi emitterikytketty 5 multivibraattori täytyy ymmärtää tässä yhteydessä ylei-sempänä käsitteenä, joka kattaa mm. termit katodikytket-ty tai lähdekytketty multivibraattori.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon mukainen oskillaattori, joka perustuu 10 emitterikytkettyyn multivibraattoripiirin.

Oskillaattori käsittää kuusi NPN-bipolaaritran-sistoria Ql, Q2, Q3, Q4, Q5 ja Q6. Transistorin Q1 kol-lektorielektrodi on kytketty vastuksen Rcl kautta käyttöjännitteeseen Vcc ja emitteri virtalähteen 11 kautta 15 käyttöjännitepotentiaaliin OV. Transistorin Q2 kollekto-ri on kytketty vastuksen Rc2 kautta käyttöjännitteeseen Vcc ja emitteri virtalähteen 12 kautta käyttöjännitepotentiaaliin OV. Transistoreiden Ql ja Q2 emittereiden väliin on kytketty kondensaattori C. Transistoreiden Ql 20 ja Q2 välille on aikaansaatu positiivinen takaisinkyt kentä kytkemällä Q2:n kollektori Ql:n kannalle, ja Ql:n kollektori Q2:n kannalle.

Positiiviset takaisinkytkennät sekä vastusten ;*. Rcl,Rc2 ja kondensaattorin C muodostamat sarjaresonans- 25 sipiirit Rcl-C ja Rc2-C aikaansaavat sen, että multivi- braattorin ulostulo Vouti-Vout2 värähtelee kahden tilan välillä, kun värähtely on kerran Hipaistu käyntiin. Piirin resonanssitaajuus asetetaan komponenttien Rcl, Rc2 ja C arvoilla.

30 Kuten aikaisemmin kuvion 1 yhteydessä selitet- « « tiin, pulssiamplitudi määräytyy virtojen 11+12 summasta kerrottuna vastaavan jakson (cycle) kollektorivastuksen Rcl tai Rc2 arvolla. Pulssin leveyden määrää sen virran arvo, joka II tai 12 syöttää referenssikondensaattorin C 35 kautta sen uudelleenvarausjaksojen aikana. Täten taajuu- | 3 103232 densäätö voidaan toteuttaa referenssikondensaattorin C läpi kulkevaa virtaa. Kuviossa 2 esitetyssä keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa, taajuudensäätö tapahtuu säätämällä säädettävien virtalähteiden 11 ja 12 virtoja 5 II ja 12.

Tämä on tehokas tapa säätää taajuutta, mutta pääasiallisin epäkohta on sen suora vaikutus pulssien amplitudiin. Jotta oskillaattorin ulostulosignaalin amplitudi saataisiin säätövirrasta riippumattomaksi, keksin-10 nön mukaisesti johdetaan Rcl:n ja Rc2:n kautta ylimääräinen kompensointivirta Icom. Kompensointivirtaa Icom säädetään edullisesti samalla tavoin mutta eri suuntaan kuin säätövirtoja II ja 12 siten, että virta vastusten Rcl ja Rc2 kautta on vakio, samalla kun virta kondens-15 saattorinC kautta muuttuu. Toisin sanoen kompensointi-virta Icom kompensoi säätövirtojen II ja 12 muutoksia.

Kuvion 2 suoritusmuodossa tämä kompensointivirta Icom aikaansaadaan transistoreilla Q3 ja Q4 , jotka on kytketty Ql:n ja Q2:n kollektorilta kompensointivirta-20 lähteen 22 kautta maahan. Q3 ja Q4 on kytketty pakko-oh-jatusti seuraamaan Ql:n ja vastaavasti Q2:n tiloja.

Virtojen II ja 12 arvo voi olla erilainen, jos pulssileveyden ja tauon välillä tarvitaan ero. Yleensä valitaan 11=12 siten, että virta on avalanche-prosessin 25 maksimitransienttinopeuden alueella. Tämä voi olla esimerkiksi virta, jolla saavutetaan käytettävien transis-toreiden transienttitaajuus fT.

Tarkemmin sanottuna transistorin Q3 kollektori on kytketty Ql:n kollektorille ja kanta Ql:n kannalle. 30 Transistorin Q4 kollektori on kytketty Q2:n kollektorille ja kanta Q2:n kannalle. Transistoreiden Q3 ja Q4 emitterit on kytketty yhteen ja virtalähteen 22 kautta käyttöjännitepotentiaaliin 0V.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön toisen suoritus-35 muodon mukainen oskillaattori. Kuvion 2 peruspiirin li- 10 103232 säksi kuvion 3 oskillaattori käsittää ulostulopuskuri-transistorit Q5 ja Q6, jotka antavat suuremman ulostu-lovirran ja estävät ulostuloa kuormittamasta muita tran-sistoreita. Lisäksi puskuritransistoreiden ja toisen 5 käyttöjännitteen 0V väliin on sijoitettu pull-down -transistorit Ml ja M2, jotka ovat MOS-transistoreita. Ml ja M2 on ristiinkytketty Q6:n ja vastaavasti Q5:n emittereille. Tämä kasvattaa merkittävästi nopeutta sekä Q5:n ja Q6:n muodostamien emitteriseuraajien tehokkuut-10 ta, ja aikaansaa suuremman amplitudin ja alhaisemman ' ulostuloresistanssin samasta pienjännitteisestä teholäh teestä tekniikan tason ratkaisuihin verrattuna.

Tarkemmin sanottuna Q5:n kollektori on kytketty " käyttöjännitteeseen Vcc, kanta on kytketty Ql:n kollek- 15 torille ja emitteri Ml:n nielu-elektrodille. Q6:n kollektori on kytketty käyttöjännitteeseen Vcc, kanta on kytketty Q2:n kollektorille ja emitteri M2:n nielu-elektrodille. Ml:n hila on kytketty Q6:n emitterille ja lähde käyttöjännitteeseen 0V. M2:n hila on kytketty Q5:n 20 emitterille ja lähde käyttöjännitteeseen 0V.

Kuvion 2 piiri ei ole täysin tyydyttävä, koska saavutettu ulostuloamplitudi on vain noin 35mV. Tämän " ongelman aiheuttaa ensisijaisesti MOS-transistoreiden äärellinen kynnys jännite VT, joka estää niitä toimimasta __ v 25 asianmukaisesti näin alhaisilla jännitteillä. Ml:n ja ’ M2:n sijasta voidaan käyttää bipolaaritransistoreita, =; mutta tulos ei ole parempi. Toinen vaihtoehto on kasvat- ' taa Vcc arvoon, joka on suurinpiirtein sama kuin MOS- transistoreiden VT. Vaikka ulostuloamplitudi on tämän .· 30 jälkeen riittävän suuri, signaalimuoto on lähes koi- • · E ' ‘ miomainen ja sopimaton joihinkin sovelluksiin. Ideaali sessa virtalähteessä 11, 12 tai 22 ei synny jännitehäviöitä. Reaalinen virtalähde 11, 12 tai 22 muodostuu kuitenkin esim. virtapeilistä, jota ohjataan jännitteellä. 35 Tällöin virtapeilin yli syntyy jännitehäviö, jolloin

• I

11 103232 tarvitaan hieman korkeampi käyttöjännite. Täten käyttö-jännite Vc on suurempi kuin 2V, koska siinä täytyy olla mukana 0,5 V jännite, joka tarvitaan reaalisten virtalähteiden yli.

5 Kuvio 4 esittää keksinnön kolmannen suoritusmuo don mukaisen oskillaattorin, jossa suorituskykyä on parannettu kasvattamalla MOS-transistoreiden Ml ja M2 ohjauksen tehokkuutta. Niiden ohjaus otetaan nyt Ql:n ja Q2:n kollektoreilta, mikä muodostaa toisen ristiinkyt-10 kennän piirissä. Tarkemmin sanottuna Ml:n hila on kytketty Q2:n kollektorille ja M2:n hila on kytketty Ql:n kollektorille.

Kuvion 4 oskillaattorin nopeus on sama kuin kuvioiden 2 ja 3 piireissä, mutta ulostulosignaalin ampli-15 tudi ja muoto on parempi näillä korkeilla taajuuksilla. Myöskin tarvittava käyttöjännite on alhaisin mahdollinen 1,1V + 0,4V = 1,5 V, missä 0,4V käytetään reaalisten virtalähteiden 11, 12 ja 22, kun ne toteutetaan MOS-transistoreilla.

20 Kuvion 2 piiriä on analysoitu käyttäen 0,8 pm Bi- CMOS-teknologiaa, jossa bipolaarisilla NPN-transisto-reilla transienttitaajuus FTMAX = 14 GHz. Transistoreiden läpi kulkeva virta on valittu olemaan sellainen, joka aikaansaa tämän transienttitaajuuden FT, jolloin virta on 25 tällä teknologialla noin 800 μΑ. MOS-transistoreilla Ml ja M2 W=l,2um ja W/L=100.

Analyysissä referenssikondensaattorin C kapasitanssiarvo oli 0,5pF ja säätövirtaa muutettiin alueella 500-800uA.

Näin saavutettu taajuusalue kattoi 880MHz-l,7GHz. Saavu- ,1 30 tettu säätökyky on siten 2,6GHz/mA, mikä ylittää oleel- • · lisesti tunnetuilla piireillä saavutetut tulokset. Amplitudi on noin 550mW ja tehonkulutus vain 3,3mW käyttö-jännitteestä 1,5V. Piirin säätökyky on 750MHz/mA. Referenssikondensaattorin C yli olevan signaalin muoto säi-35 lyy emitterikytketyille multivibraattoreille tyypillisi- • i 12 103232 nä, mikä on pääsyy hyvin alhaiselle vaihekohinalle. Oskillaattori kykenee toimimaan myös matalilla taajuuksilla, joilla voidaan helpommin käyttää suuria ulkopuolisia kondensaattoreita C.

5 Jos virtalähde 11, 12 tai 22 muodostuu virtapei listä, jota ohjataan jännitteellä, saadaan jänniteohjat-tu oskillaattori VCO. Kuviossa 5 esitetty yksi tapa toteuttaa VCO kuvion 2 piiristä on syöttää virrat II, 12 ja loom virtapeileillä M6-M7 ja M8, joita ohjataan dif-10 ferentiaalivahvistimella M2-M3-M4-M5. Differentiaalivah vistinta ohjataan säätöjännitteellä VCOcontrol. Jos virtalähde 11, 12 tai 22 toteutetaan piiriratkaisulla, jota ohjataan virralla, saadaan virtaohjattu oskillaattori. Nämä erilaiset virtalähteen toteutukset ovat alan ammat-15 timiehelle ilmeisiä.

Keksintö voidaan toteuttaa myös puhtaasti Bipo-laaritekniikalla.

Keksinnön mukainen oskillaattoripiiri on erityisen sopiva nykyaikaisiin vaihelukittuihin silmukoihin 20 (PLL) tietoliikenne- ja mikroprosessorisovellutuksissa.

Piirrokset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan keksintöä. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten *;· puitteissa ja hengessä. 1 m * • ·

Claims (8)

13 103232

1. Oskillaattoripiiri, joka käsittää käyttöjännitelähteen (1), 5 ensimmäisen epälineaarisen vahvistinkomponentin (Ql), joka käsittää ensimmäisen ja toisen pääelektrodin sekä ohjauselektrodin, toisen epälineaarisen vahvistinkomponentin (Q2) , joka käsittää ensimmäisen ja toisen pääelektrodin sekä 10 ohjauselektrodin, toisen vahvistinkomponentin (Q2)ensimmäisen pääelektrodin ollessa kytketty ohjaamaan ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ohjauselektrodia, ja vastaavasti ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ensimmäisen pääelektrodin ollessa kytketty ohjaamaan toisen 15 vahvistinkomponentin (Q2) ohjauselektrodia, kapasitiivisen komponentin (Cl), joka on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) toisen pääelektrodin ja toisen vahvistinkomponentin (Q2) toisen pääelektrodin väliin, 20 ensimmäisen ja toisen vastuksen (Rcl,Rc2), joiden kautta ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ensimmäinen pääelektrodi ja vastaavasti toisen vahvistinkomponentin (Q2) ensimmäinen pääelektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen (1) ensimmäiseen potentiaaliin, Γ 25 ensimmäisen säädettävän virtalähteen (11), joka on kytketty sarjaan ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) toisen pääelektrodin ja käyttöjännitelähteen toisen potentiaalin väliin, toisen säädettävän virtalähteen (12), joka on kyt-30 ketty sarjaan toisen vahvistinkomponentin (Q2) toisen ' ·[ pääelektrodin ja käyttöjännitelähteen toisen potentiaalin väliin, mainitun ensimmäisen ja toisen virtalähteen (11,12) virtojen II ja 12 määrätessä oskillaattorin taajuuden, 35 välineet (Q3,Q4,22) kompensointivirran johtami seksi ensimmäisen vastuksen (Rcl) ja vastaavasti toisen 14 103232 vastuksen (Rc2) kautta siten, että kunkin vastuksen läpi kulkeva virta on oleellisesti vakio ja virroista II ja 12 riippumaton, tunnettu siitä, että oskillaat-toripiiri lisäksi käsittää 5. viidennen ja kuudennen vahvistinkomponentin (Q5,Q6), jotka toimivat ulostulopuskureina, sekä pull-down -piirin (Ml,M2) viidennen ja kuudennen vahvistinkomponentin ja käyttöjännitelähteen (1) toisen potentiaalin välissä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen oskillaattori- piiri, tunnettu siitä, että mainitut välineet käsittävät kolmannen vahvistinkomponentin (Q3), jonka ensimmäinen pääelektrodi on kytketty ensimmäisen vahvistin-15 komponentin (Ql) toiselle pääelektrodille ja ohjaus-elektrodi on kytketty toisen vahvistinkomponentin (Q2) ensimmäiselle pääelektrodille, neljännen vahvistinkomponentin (Q4), jonka ensim-mäinen pääelektrodi on kytketty toisen vahvistinkom-20 ponentin (Q2) toiselle pääelektrodille ja ohjauselektrodi on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ensimmäiselle pääelektrodille, kolmannen säädettävän virtalähteen (22), jonka ensimmäinen napa on kytketty kolmannen ja neljännen vahvis-: 25 tinkomponentin (Q3,Q4) toisille pääelektrodeille ja toi- ; nen napa on kytketty jännitelähteen (1) toiseen potenti aaliin.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen oskillaattori-piiri, tunnettu siitä, että kolmannen virtaläh- " 30 teen säätö on sellainen, että toisen virtalähteen (22) ; ** kompensointivirran ja virtojen II ja 12 summa on oleelli sesti vakio.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen oskillaattori- * piiri, tunnettu siitä, että 35 viidennen vahvistinkomponentin (Q5) ensimmäinen pääelektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen (1) ensim- 15 103232 mäiseen potentiaaliin, ohjauselektrodi on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ensimmäiselle pää-elektrodille ja toinen pääelektrodi on kytketty mainittuun pull-down -piiriin, 5 kuudennen vahvistinkomponentin (Q6) ensimmäinen pääelektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen (1) ensimmäiseen potentiaaliin, ohjauselektrodi on kytketty toisen vahvistinkomponentin (Q2) ensimmäiselle pääelektrodille ja toinen pääelektrodi on kytketty mainittuun pull-down 10 -piiriin.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen oskillaattori-piiri, tunnettu siitä, että pull-down -piiri käsittää seitsemännen vahvistinkomponentin (Ml), joka on 15 kytketty viidennen vahvistinkomponentin (Q5) toisen pää-elektrodin ja jännitelähteen (1) toisen potentiaalin väliin ja jonka ohjauselektrodi on kytketty kuudennen vahvistinkomponentin (Q6) ohjauselektrodille, kahdeksannen vahvistinkomponentin (M2), joka on 20 kytketty kuudennen vahvistinkomponentin (Q6) toisen pää-elektrodin ja jännitelähteen (1) toisen potentiaalin väliin ja jonka ohjauselektrodi on kytketty kuudennen vahvistinkomponentin (Q6) ohjauselektrodille.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen oskillaattori- '· 25 piiri, tunnettu siitä, että pull-down -piiri kä sittää seitsemännen vahvistinkomponentin (Ml), joka on kytketty viidennen vahvistinkomponentin (Q5) toisen pää-elektrodin ja jännitelähteen (1) toisen potentiaalin vä-30 liin ja jonka ohjauselektrodi on kytketty toisen vah- ' 1· vistinkomponentin (Q2) ensimmäiselle pääelektrodille, kahdeksannen vahvistinkomponentin (M2), joka on - kytketty kuudennen vahvistinkomponentin (Q6) toisen pää- elektrodin ja jännitelähteen (1) toisen potentiaalin vä-35 liin ja jonka ohjauselektrodi on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ensimmäiselle pääelektrodille. t 16 103232

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen oskil-laattoripiiri, tunnettu siitä, että ensimmäinen, toinen, kolmas, neljäs, viides ja kuudes vahvistinkom-ponentti ovat bipolaaritransistoreita, ja että seitsemäs 5 ja kahdeksas vahvistinkomponentti ovat MOS-transistorei-ta.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen os-killaattoripiiri, tunnettu siitä, että kaikki vahvistinkomponentit ovat bipolaaritransistoreita. 1 « ·« 1’ 103232