FI111574B

FI111574B - Integroitu lämpötilakompensoitu kideoskillaattoripiiri

Info

Publication number: FI111574B
Application number: FI20011991A
Authority: FI
Inventors: Tero Sillanpaeae; Daniel Beeler
Original assignee: Micro Analog Syst Oy
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2003-08-15
Also published as: DE60212035T2; EP1304806A2; DE60212035D1; ATE329406T1; FI20011991A; HK1054134A1; FI20011991A0; EP1304806B1; EP1304806A3

Description

111574

Integroitu, lämpötilakompensoitu kideoskillaattoripiiri

Esillä oleva keksintö liittyy integroituihin kideoskillaattoripiireihin ja erityisesti lämpötilakompensoituihin kideoskillaattoripiireihin.

5 Jänniteohjatut kideoskillaattorit (VCXO) ovat laajasti käytössä elekt roniikkalaitteissa, esim. järjestelmäkellon tai referenssitaajuuden generoinnissa, taajuussyntesoijissa, jne. Perustyyppinen kideoskillaattori tyypillisesti sisältää kiteen, varaktroridiodin ja jonkinlaisen vahvistimen. Tällaisen oskillaattorin värähtelytaajuutta säädetään jännitteellä, joka esiintyy varaktoridiodin yli. Mo-10 nissa sovelluksissa jänniteohjatun kideoskillaattorin VCXO ulostulojännitteen tarkkuusvaatimukset ovat hyvin tiukat. Yksi tekijöistä, joka vaikuttaa VCXO:n tarkkuuteen on lämpötila. Erityisesti varaktorin muodostama kapasitanssi ja tätä kautta oskillaattorin taajuus muuttuu lämpötilan mukana.

Lämpötilakompensoidussa jänniteohjatussa kideoskillaattorissa 15 (TCVCXO) kideoskillaattorin ohjausjännitettä muutetaan lämpötilasta riippuvaisesti siten, että lämpötilan vaikutus ulostulotaajuuteen kompensoituu. Toisin sanoen ohjausjännite riippuu lämpötilasta siten, että varaktoridiodin muodostama kapasitanssi on oleellisesti vakio, kun lämpötila muuttuu. Tämän tuloksena myös kideoskillaattorin ulostulotaajuus on oleellisesti vakio. Kuvio 1 esittää 20 tekniikan tason TCVCXO:n. Erilaisia lämpötilariippuvia ohjausjännitteitä Vi, V2 ja Vn, jotka saadaan generaattorilohkoilta 10i, 102 ja 10N, lisätään summain -vahvistimella 11 muodostamaan ohjausjännite Vcntrl varaktoridiodille jännite-ohjatussa kideoskillaattorissa 13, jotta poistetaan kideoskillaattoritaajuuden f0 lämpötilariippuvuus. Summausvahvistimen 11 yksinkertaistettu rakenne käsit-:1 25 tää sarjavastukset Ri, R2 ja RN jännitteiden Vi, V2 ja vastaavasti VN kytkemi seksi operaatiovahvistimen 110 invertoivaan sisääntuloon. Takaisinkytkentä-vastus Rfb on kytketty operaatiovahvistimen 110 invertoivan sisääntulon ja ulostulon väliin. Summainjännitereferenssistä 14 saatava referenssijännite liitetään operaatiovahvistimen 110 ei-invertoivaan sisääntuloon. Vahvistimen 11 30 ulostulon ja oskillaattorin 13 ohjaussisääntulon välissä voi olla ylimääräinen skaalausverkko. Summainvahvistimen 11 jännitereferenssi generoidaan sum-mainjännitereferenssigeneraattorissa 14. Ulkopuolinen ohjausjännite Vc liitetään summainvahvistimelle 11 summausjännitereferenssigeneraattorin kautta.

Ongelma, jonka keksijä on havainnut tällaisessa lämpötilakompen-35 soidussa kideoskillaattoripiirissä, on että piiri tuottaa kohinaa ohjausjännittee-seen Vcntrl .Ohjausjännitteen kohina aiheuttaa värinää (jitter) oskillaattoritaa- 2 111574 juudella f0. Tämä havaitaan vaihekohinana oskillaattorin ulostulosignaalissa. Hyvän TCVCXO:n vaihekohinan tulisi olla -130 dB perusvärähtelytaajuusam-plitudin alapuolella 100 Hz:n etäisyydellä perustaajuudesta (katso kuvio 2).

Keksinnön tavoitteena on lämpötilakompensoitu kideoskillaattoripii-5 ri, jossa on vähäisempi vaihekohina oskillaattorin ulostulosignaalissa.

Tämä tavoite saavutetaan lämpötilakompensoidulla kideoskillaatto-rilla, jolle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön edulliset suoritusmuodot on esitetty oheisissa epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

10 Keksijä on havainnut, että ensisijaisen kohinalähteen muodostavat ohjausjännitegeneraattorilohkot. Ohjauspiiri ei vaimenna kohinaa summain-vahvistimen kaistanleveyden sisällä, ja tämän vuoksi summainvahvistimen sisääntuloihin kytketyiltä lohkoilta tuleva kohina lisätään ohjausjännitteeseen, jonka lämpötilansäätöpiiri antaa ulostulona kideoskillaattorille. Eräs lähesty-15 mistäpä tämän ongelman ratkaisemiseksi on tietenkin pienentää kohinaa ko-hinalähteissä, ts. ohjaussignaaligeneraattoreissa. Keksinnön mukainen lähestymistapa pienentää kohinaa on lisätä alipäästösuodin kohinalähteiden ja ki-deoskillaattorin väliselle signaalitielle. Generaattoreilta tulevat lämpötilariippu-vaiset ohjausjännitteet muuttuvat niin hitaasti, että alipäästösuodatus alemmal-20 la kuimataajuudella, kuten 10 Hz, ei vaikuttaisi lämpötilakompensoidun kide-oskillaattorin suorituskykyyn toiminnan aikana. Pääongelma on se, kuinka voidaan toteuttaa integroitu alipäästösuodin hyvin alhaisella kuimataajuudella.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti integroitu alipäästösuodin on lisätty lämpötilakompensoidun jänniteohjatun kideoskillaattoripiirin summain-25 vahvistimeen. Summainvahvistimen sisääntulo varustetaan hyvin suuriarvoi-sella integroidulla resistanssilla, niin että summattavat ohjausjännitteet syötetään vastaavien sarjavastusten kautta mainitun integroidun resistanssin yhteen napaan ja sitten edelleen integroidun resistanssin kautta summainvahvistimen invertoivaan sisääntuloon. Lisäksi summainvahvistimen invertoivan si-30 sääntulon ja ulostulon väliin on kytketty takaisinkytkentäkondensaattori. Kek-*: sinnön edullisessa suoritusmuodossa integroitu resistanssi on aikaansaatu mosfet-transistorin johtavuustilan resistanssilla (on-resistanssi).

Tämän seurauksena saadaan alipäästösuodin, jolla on hyvin alhainen kulmataajuus, ja vaihekohina jänniteohjatun kideoskillaattorin ulostulotaa-35 juudessa pienenee.

3 111574

Ongelma, jonka alhaisen kulmataajuuden omaava integroitu ali-päästösuodin aiheuttaa, on se, että piirin käynnistyminen on hitaampi kuin ennen, ts. kun piirin käyttöjännite kytketään päälle, summainvahvistimelle saadaan askelsisääntulo, mutta vahvistimen ulostulojännite saavuttaa staattisen 5 arvon suhteellisen hitaasti. Keksinnön eräässä suoritusmuodossa integroitu alipäästösuodin on aikaansaatu ohitusmekanismilla, jolla integroitu resistanssi ohitetaan oskillaattoripiirin käynnistyksessä. Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa tämä ohitusmekanismi käsittää transistorin, joka on kytketty integroidun resistanssin yli ja järjestetty kytkeytymään päällejohtavaan tilaan oskil-10 laattoripiirin käynnistyksessä. Kun transistori on päällä, vahvistimen sisääntuloon aikaansaadaan suhteellisen alhainen resistanssi ja tämän vuoksi integroidun suotimen kulmataajuus asetetaan paljon korkeammalle taajuudelle ja summainvahvistimen ulostulo asettuu paljon nopeammin. Asettumisen jälkeen ohitusmekanismi kytketään pois ja kytkentätaajuus asetetaan alhaiselle taa-15 juudelle.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisemmin edullisten suoritusmuotojen avulla viitaten oheisiin piirroksiin, joissa kuvio 1 esittää tekniikan tason mukaisen lämpötilakompensoidun, jänniteohjatun kideoskillaattorin lohkokaavion, 20 kuvio 2 on kuvaaja, joka havainnollistaa TCVCXO:n vaihekohinan vaimennusvaatimuksia, ja kuvio 3 on keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisen lämpötilakompensoidun, jänniteohjatun kideoskillaattoripiirin lohkokaavio.

Kuviossa 3 on N-lohkoa 10i, 102 ...10n, jotka syöttävät jännitteet Vi, :· 25 V2 ja Vn summainvahvistimen 31 sisääntuloihin. Lohkot 10i - 10n voivat syöt tää joko vakiojännitteitä tai lämpötilariippuvaisia jännitteitä. Jännitteiden V1 - Vn lämpötilariippuvuus voi perustua mihin tahansa sopivaan funktioon, ja sillä voi olla mikä tahansa sopiva muoto.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti lohkojen 10i - 10N 30 lukumäärä N on 4. Ensimmäinen lohko 10i voi olla kuutiogeneraattori (cubic ·:· generator), joka synnyttää lämpötilariippuvaisen jännitteen V1, niin että ulostu lojännite Vout on kolmannen asteen polynomi, jossa on lämpötilamuuttuja. Toinen lohko 102 voi olla jännitereferenssi, joka synnyttää lämpötilasta riippumattoman jännitteen V2. Käytännössä tämä jännite voidaan johtaa summaus-35 jännitteen referenssilohkolta 14. Kolmas lohko IO3 voi olla lineaarinen gene- 4 111574 raattori, joka synnyttää jännitteen V3, joka on lineaarisesti riippuvainen lämpötilasta. Neljäs lohko 104 voi olla maakytkentä.

Summainvahvistimen 31 sisällä kukin jännitteistä Vi, V2 ja VN on kytketty piirisolmuun N1 vastaavien sarjavastusten R1, R2 ja RN kautta. Kek-5 sinnön mukainen integroitu suuri resistanssi Ron on kytketty solmun N1 ja toisen piirisolmun N2 väliin, joka on edelleen kytketty operaatiovahvistimen 310 invertoivaan sisääntuloon. Takaisinkytkentäkondensaattori C on kytketty solmun N2 ja vahvistimen 310 ulostulon väliin. Takaisinkytkentävastus RFBon kytketty solmu Ni ja vahvistimen 310 ulostulon väliin. Summainvahvistimen 31 10 jännitereferenssi synnytetään summausjännitereferenssigeneraattorilla 14. Jännitereferenssi voi olla joko vakio tai lämpötilariippuvainen. Ulkopuolinen oh-jausjännite Vc syötetään summainvahvistimelle summausjännitereferenssige-neraattorin kautta. Vc on ulkopuolinen ohjausjännite, jota käytetään ohjaamaan TCVCXO:n oskillaattoritaajuutta f0. Jos ohjausjännite Vc on vakio, oskil-15 laattorin taajuus ei muutu lämpötilakompensoidusta taajuudesta.

Summainvahvistimen 31 ulostulo on kytketty kideoskillaattorin 13 ohjausjännitesisääntuloon joko suoraan tai skaalausverkon 12 kautta. Kideos-killaattorissa 13 on kide, varaktori ja jonkinlainen vahvistin. Oskillaattorin 13 tyyppi ei ole relevantti esilläolevalle keksinnölle; se voi olla minkä tahansa 20 tyyppinen jänniteohjattu kideoskillaattori, jossa on varaktroridiodi.

Kuvion 3 mukainen piiristö on tyypillisesti toteutettu integroidulle piinsirulle minimimäärällä ulkopuolisia komponentteja. Tällaiset ulkopuoliset komponentit voivat sisältää kiteen ja kondensaattorin, jolla on suuri kapasitanssiako. Ulkopuoliset komponentit eivät ole toivottavia, koska ne ovat tilaa vie-25 viä, kalliita, vaativat ulkoisia liitäntöjä ja aikaansaavat potentiaalisia häiriölähteitä. Tämän vuoksi on edullista muodostaa keksinnön mukainen kohinan-suodatus integroidulle piirille ilman minkäänlaisia ylimääräisiä ulkopuolisia komponentteja. Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa suuri resistanssi Ron on mosfetin M2 on-resistanssi, joka mosfet M2 on kytketty solmujen N1 ja 30 N2 väliin ja biasoitu matalalla hila-lähde-jännitteellä. Tarkemmin sanottuna ·; M2:n lähde-elektrodi S2 on kytketty piirisolmuun N1 ja nieluelektrodi D2 on kyt ketty piirisolmuun N2. Mosfet M2 on biasoitu yhteensopivalla diodikytketyIlä mosfetilla Mi, jolla on pieni virtalähde lB. Tarkemmin sanottuna M^n lähde-elektrodi S1 on kytketty piirisolmuun Ni, hila G1 on kytketty M2:n hilaan G2 ja 35 nielu Di on kytketty virtalähteeseen lB. Lisäksi Mi:n nielu- ja hilaelektrodit on kytketty toisiinsa.

5 111574

Tarkastellaan nyt yksityiskohtaisemmin summainvahvistimen 31 toimintaa. N lohkoa syöttää jännitteitä summainvahvistimen 31 sisääntuloihin. Summainvahvistin 31 summaa sisääntulojännitteet seuraavan yhtälön mukaisesti 5 N D 1 ^=Σ(--ίγ--j—x—k,)> "> Ä» l + s-Ä„„C(l + + jossa Ron on mosfet-transistorin M2 on-resistanssi, s on kompleksinen kulmanopeus; Vni ovat sisääntulojännitteitä ja Rn ovat vastaavia sarjavas-10 tuksia. Jos transistori M2 on biasoitu matalalla VGs-jännitteellä, on mahdollista että Ron » Rn Rfb . Yllä olevasta yhtälöstä voidaan nähdä, että vahvistimen 31 DC-vahvistus on asetettu tarkasti resistanssisuhteella RFB/Rn ja integroidun alipäästösuotimen alipäästökulmataajuus on asetettu suurin piirtein aikavakiolla Ron C(1 + Rfb/Rh)· Kasvava vahvistus pienentää kulmataajuutta samalla 15 määrällä, pitäen näin suodattimen roll-off-jyrkkyyden -20 dB/decadi muuttumattomana. Tämän vuoksi roll-off-jyrkkyys voidaan asettaa vahvistusasetuk-sesta riippumatta.

Mosfetin on-resistanssi on

L

2° ... jossa μο on varauksenkuljettajien liikkuvuus bulkkiaineessa, Cox on hilaoksidikapasitanssi, W/L on transistorin hilan leveyden ja pituuden suhde, Vgs on hila-lähde-jännite ja Vth on transistorin kynnysjännite. Asettamalla Mi ja 25 M2 -suhde suhteellisen korkeaksi, ja biasointivirta Ib suhteellisen matalaksi, on helposti saavutettavissa vastusarvo, joka on useita satoja Mohmeja. Tämä resistanssi Ron synnyttää itsessään kohinaa, mutta se alipäästösuodatetaan itse ‘. suodattimessa. Tämän seurauksena on mahdollista pienentää kokonaisko- hinaa summainvahvistimen 31 ulostulossa taajuuksilla, jotka ovat suurempia 30 kuin kulmataajuus.

Otetaan muutamia mahdollisia arvoja esimerkkinä. Olkoon Ron = 100 Mohm, C = 100 pF, Rfb/Rn =100 kohm/100 kohm = 1. DC-vahvistus tulee olemaan 0 dB ja kulmataajuus on suurin piirtein 8 Hz. Vaimennus on yli 20 dB jo taajuudella 100 Hz ja lohkojen 10 aiheuttama värinä vaimenee enem- 111574 β män kuin 20 dB. Mosfetin on-resistanssi Ron lisää jonkin verran kohinaa ohja-usjännitteeseen Vcntrl, mutta myös se vaimenee enemmän kun 20 dB. Jos tämä vaimennettu on-resistanssin kohina on vähemmän kuin suodattamaton lohkokohina, kokonaiskohina pienenee.

5 Koska raskas alipäästösuodatus hidastaa merkittävästi oskillaattori- piirin käynnistymistä, mosfet-transistori M3 on kytketty rinnakkain transistorin M2 kanssa. Tarkemmin sanottuna lähde S3 ja nielu D3 on kytketty vastaavasti transistorin M2 lähteeseen S2 ja nieluun D2. Käynnistyspiiri 15 on kytketty transistorin M3 hilalle 3. Kun käyttöjännite on kytketty päälle, käynnistyspiiri 15 ai-10 kaansaa lyhyen jännitepulssin transistorin M3 hilalle G3, mikä vie transistorin M3 johtavaan tilaan jännitepulssin kestoajaksi. Johtavassa tilassa transistori M3 ohittaa transistorin M2 ja aikaansaa matalan resistanssin solmujen ja N2 välille. Tämän seurauksena suotimen kulmataajuus asetetaan sopimaan korkeammalle taajuudelle ja summainvahvistimen ulostulo Vout asettuu paljon 15 nopeammin. Asettumisen jälkeen transistorin M3 hilan G3 ohjausjännite poistetaan (ts. jännitepulssi päättyy), transistori M3 tulee johtamattomaksi, solmujen Ni ja N2 välille tuotetaan suuri resistanssi Ron ja tällä tavoin kulmataajuus asetetaan alhaiselle taajuudelle vaihekohinan suodattamista varten.

Pitäisi ymmärtää, että selitys vain havainnollistaa keksinnön edulli-20 siä suoritusmuotoja. Keksintö ei ole kuitenkaan rajoitettu näihin esimerkkeihin, vaan se voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa ja hengessä.

«

Claims

111574

1. Integroitu, lämpötilakompensoitu kideoskillaattoripiiri, joka käsittää ensimmäisen generaattorin (10), joka synnyttää ensimmäisen läm-5 pötilariippuvan ohjausjännitteen, toisen generaattorin (10), joka synnyttää toisen lämpötilariippuvan ohjausjännitteen, summausvahvistimen (11, 31), jossa on ensimmäiset ja toiset sisääntulot mainittujen ensimmäisen ja vastaavasti toisen ohjausjännitteen (Vi, 10 V2) vastaanottamiseksi ja operaatiovahvistin (310) ulostulosummajännitteen (Vout) muodostamiseksi käytettäväksi taajuudenohjausjännitteenä, kolmannen piirin (14), joka synnyttää referenssijännitteen mainittua summainvahvistinta (11,31) varten, jänniteohjatun kideoskillaattorin (13), jolla on ohjaussisääntulo, joka 15 on toiminnallisesti kytketty vastaanottamaan mainittu taajuudenohjausjännite (Vout), tunnettu siitä, että mainittu summainvahvistin (11, 31) sisältää integroidun alipäästösuotimen, joka käsittää integroidun komponentin (M2) jolla on suuri resistanssiarvo, jolloin mainitulla komponentilla on ensimmäinen napa (D2), joka on kytketty mainitun 20 operaatiovahvistimen (310) invertoivaan sisääntuloon, ja toinen napa (S2), joka on kytketty piirisolmuun (N1), joka on edelleen kytketty mainittuun ensimmäiseen sisääntuloon ensimmäisen sarjavastuksen (R1) kautta ja mainittuun toiseen sisääntuloon toisen sarjavastuksen (R2) kautta, takaisinkytkentäkondensaattorin (C), joka on kytketty mainitun ope-*: 25 raatiovahvistimen (310) invertoivan sisääntulon ja ulostulon väliin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen oskillaattoripiiri, tunnettu ohitusmekanismista (M3) mainitun komponentin (M2) ohittamiseksi oskillaatto-ripiirin käynnistyksessä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen oskillaattoripiiri, tunnettu 30 siitä, että mainittu ohitusmekanismi käsittää transistorin (M3), joka on kytketty mainitun piirisolmun (N1) ja mainitun invertoivan sisääntulon väliin ja järjestetty kytkettäväksi päälle oskillaattoripiirin käynnistyksessä.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen oskillaattoripiiri, tunne 11 u siitä, että mainittu komponentti on mosfet-transistori (M2) ja mainittu 35 suuri resistanssi on mainitun mosfetin on-resistanssi. 111574

5. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen oskillaattoripiiri, tunnettu siitä, että mainittu integroitu komponentti käsittää transistorin (M2), jolla on ensimmäinen pääelektrodi (S2), joka on kytketty mainittuun piirisolmuun (Ni), ja toisen pääelektrodin (D2), joka on kytketty mainittuun invertoivaan si- 5 sääntuloon, jolloin mainittu transistori (M2) on biasoitu tuottamaan mainittu suuri resistanssiarvo.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1 - 5 mukainen oskillaattoripiiri, tunnettu siitä, että mainittu integroitu kompohentti käsittää mosfet-transis-torin (M2), joka on biasoitu hila-lähde-jännitteellä, jolloin mainitulla mosfet- 10 transistorilla (M2) on lähde (S2), joka on kytketty mainittuun piirisolmuun (NO, ja nielu (D2), joka on kytketty mainittuun invertoivaan sisääntuloon.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen oskillaattoripiiri, tunnettu siitä, että mainittu mosfet-transistori (M2) on biasoitu toisella diodi-kytketyllä mosfet-transistorilla (Mi), jolla on lähde (S1), joka on kytketty mainittuun pii- 15 risolmuun (N1), hila (G1), joka on kytketty mainitun mosfet-transistorin (M2) hilaan (G2), ja nielu (D2), joka on kytketty biasointivirtalähteeseen (lB) mainitun toisen mosfet-transistorin (M1) mainitulle hilalle (G2).

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1 - 7 mukainen oskillaattoripiiri, tunnettu siitä, että mainitun alipäästösuotimen kulmataajuus on alempi 20 kuin 10 Hz.

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1 - 8 mukainen oskillaattoripiiri, tunnettu siitä, että mainitun komponentin mainittu suuri resistanssiarvo on suurempi kuin 50 Mohmia, edullisesti suurempi kuin 100 Mohmia. • 111574