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    • 专利摘要:
    Ein spannungsgesteuerter Oszillator erzeugt ein Ausgangssignal, dessen Frequenz als eine erste Funktion einer Steuerspannung variiert, die an einen Steueranschluss angelegt ist. Der spannungsgesteuerte Oszillator hat einen weiten Bereich der Betriebsfrequenz. Eine Verstärkungsanpassschaltung stellt die Verstärkung des spannungsgesteuerten Oszillators derart ein, dass die erste Funktion als eine zweite Funktion der Verstärkung variiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verstärkungsanpassschaltung eine variable Impedanz, die extern sein kann oder auf einem gemeinsamen Chip mit dem Oszillatorkern integriert ist.
    公开号:DE102004020156A1
    申请号:DE200410020156
    申请日:2004-04-24
    公开日:2004-12-02
    发明作者:Hazem Ottawa Abdel-Maguid；Youcef Ottawa Fouzar；Ranjit Kanata Singh；Simon John Ottawa Skierszkan
    申请人:Microsemi Semiconductor ULC；
    IPC主号:H03B5-12
    专利说明:
    [0001] DieseErfindung betrifft elektronische spannungsgesteuerte Oszillatorschaltungen,zum Beispiel fürden Einsatz in phasenverriegelten Schleifen, die als monolithischeintegrierte Schaltungen hergestellt sind.
    [0002] DieSchwingungsfrequenz eines Oszillators wird typischerweise mit einerSteuerspannung eingestellt. Eine solche Oszillation wird als einspannungsgesteuerter Oszillator (VCO) be zeichnet. Bei einigen Implementierungen ändert dieSteuerspannung die Stromquelle füreinen oder füralle einer Vielzahl von Invertierern, die miteinander in Reihe geschaltetsind. In anderen Implementierungen ändert die Steuerspannung dieKapazitätin einem Induktivitäts/Kapazitäts-Resonator.
    [0003] Beitypischen Implementierungen integrierter Schaltungen ist das Schaltungselement,welches eine Kapazitäthat, die sich mit einer Steuerspannung ändert, ein Kollektor-Varaktor.Dies kann eine Diode sein, welch als ein variabler Kondensator benutzt wird,mit der Variation der Verbindungskapazität abhängig von der Umkehr-Vorspannungoder ein MOS-Varaktor, wobei in diesem Fall der Anreicherungs- oderVerarmungsbereich unter dem Gatter eines Flächenfeldeffekttransistors alseine Funktion der Spannung des Gatters zur Senken/Quellenspannungvariiert. Die Senke oder Quelle sind bei solchen Implementierungentypischerweise zusammengeschaltet. In beiden Fällen variiert die Kapazität in einernichtlinearen Weise bei Änderungenin der Steuerspannung. Die Variation in der Schwingungsfrequenzwiederum variiert auch in einer nichtlinearen Weise mit Änderungenin der Kapazitätdes Resonators (tatsächlichvariiert sie typischerweise als 1√(LC). Das Gesamtergebnis ist,dass die Verstärkungdes Oszillators, gemessen durch das Verhältnis von (Änderungen in der Frequenz)/(Änderungenin der Steuerspannung), mit der angelegten Steuerspannung variiert.Bei vielen Anwendungen, so wie Frequenz-Synthesizern für Mobiltelefone,phasenverriegelten Schleifen fürTelefoniesysteme, so wie optischen SONET-Verbindungen, ist es wünschenswert,diese Verstärkungzu minimieren.
    [0004] Einephasenverriegelte Schleife weist typischerweise einen Phasendetektorauf, welcher die Phasenversetzung zwischen einem Referenztakt, einerLadungspumpe, welche die erfasste Phasendifferenz in einen Quellen-oder Senkenstrom konvertiert, welcher in der Dauer entsprechendder Dauer der Phasendifferenz variiert, einen Schleifenfilter, der ausirgendeiner Kombination aus Widerständen und Kondensatoren besteht,welcher die Ladung der Ladungspumpe sammelt, was zu einer variierenden Spannungführt.Diese Spannung wird entweder direkt an den Oszillator gegeben oderdurch eine Pufferschaltung geleitet.
    [0005] Eineniedrige Verstärkungin dem VCO ist wesentlich beim Optimieren der Systemeigenschaften,so wie Phasenrauschen, Ausgangstakt-Jitter, Rauschimmunität der Energiequelleoder PLL-Dämpfungsfaktor.Wenn die Verstärkungdes VCO verringert wird, wird der Einfangsbereich der PLL auch über einengegebenen Bereich der Steuerspannung verringert. Wenn nach der Herstellungder Oszillator einen Versatz zwischen seiner gewünschten Frequenz oder dem Frequenzbereichder Resonanz und dem System hat (einschließlich des VCO und angeschlossenerSchaltungen), wird die integrierte Schaltung unbenutzbar.
    [0006] DerStand der Technik hat sich auf Abstimmverfahren für den VCOkonzentriert, die On-Chip-Lösungen ausnutzen.Zum Beispiel sprechen die US6 137 372 B und die US 2002/0033739 A1 das Problem desAbstimmens des Einfangsbereichs eines spannungsgesteuerten Oszillators(VCO) durch Addieren oder Subtrahieren von Schaltungselementen an,in beiden FällenKapazitätinnerhalb des VCO selbst. Diese Verfahren erlauben den Aufbau einesVCO, der wegen der Variation bei der Herstellung in dem VCO angepasstwerden kann, und sie können Änderungenin den Umweltbedingungen kompensieren, in denen die Schaltung arbeitet,so wie Änderungenin der Temperatur, jedoch haben sie den Nachteil, dass sie abruptdie Schwingungsfrequenz des Oszillators ändern, wenn ein Kondensatorhinzugefügtoder entfernt wird. Dies ist inhärentin der US 6 211 745 B , Spalte14, Zeile 51 gewürdigt,wo angegeben ist, dass „wennder VCO 500 in einem solchen System benutzt wird, verhindert dasVerfahren 800 bevorzugt die Kalibrierung des VCO während derZeitschlitze, in denen Sprache/Daten empfangen oder gesendet werden", und in der US 6 137 373 in Spalte 9,Zeile 49, wo angegeben ist, dass „falls gewünscht, die diskrete Steuerung502 fortführenkann, die Ausgangsfrequenz (fout) 102 zu überwachen. Wenn ein zu großer Fehlererfasst wird, kann die diskrete Steuerung 502 den Schalter (SW)512 zurückbewegen,um den anfänglichenSteuerknoten 510 auszuwählenund wieder das digitale Steuerwort (Bc) 404 basierend auf einergewünschtenProzedur zu modifizieren." Dieseabrupte Änderungin der Frequenz kann nachteilig für die Gesamtsystemleistungsfähigkeitsein, da ein Unterschied in der Frequenz zwischen dem VCO und derEingangsreferenz ein Phasenwandern in den Ausgangstakten erzeugenwird, bis die PLL neu synchronisiert hat.
    [0007] Inder US 5 912 595 B wirdder VCO in der Frequenz mit einer Steuerspannung abgestimmt, die durcheinen D/A (Digital-Analog)-Wandler auf diskrete Werte geschaltetwird. Die Schaltung wird durchgeführt, um Änderungen in der Temperaturzu kompensieren, so dass die Variation in der Ausgangsfrequenz desVCO minimiert wird. Da dieses Schalten diskrete Spannungswerte inder Abstimmspannung erzeugen wird, wird wiederum jede Schaltungaktion eineStufe in der Steuerspannung des VCO erzeugen, was eine abrupte Änderungin der VCO-Frequenzmit den begleitenden Problemen erzeugt.
    [0008] DieUS 2003/0089381 A1 offenbart einen spannungsgesteuerten Oszillatoreiner phasenverriegelten Schleife mit einer digital gesteuertenVerstärkungskompensation.Dieser benutzt Digital/Analog-Wandler und erfordert das Ein- undAusschalten von Schaltungselementen.
    [0009] US 6 670 861 B befasstsich mit breiten Frequenzbereichen auf dem Gebiet der Breitbandmodulation-Summiernetzwerke,die eine Spannung skalieren, welche an einen VCO gegeben wird, undeine Kalibrierverstärkungsschaltung,die das Skalieren des modulierten Signals steuert. Dieses Patenterfordert den Einsatz von Implementierungszählern und Operationsverstärkern.
    [0010] Gemäß der vorliegendenErfindung wird ein spannungsgesteuerter Oszillator mit einem breiten Bereichder Betriebsfrequenz zur Verfügunggestellt, welcher ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz alseine erste Funktion einer Steuerspannung variiert, welche an einenSteueranschluß angelegt ist,wobei der spannungsgesteuerte Oszillator weiterhin eine Verstärkungsanpaßschaltungzum Anpassen der Verstärkungumfasst, derart, dass die erste Funktion als eine zweite Funktionder Verstärkung variiert.
    [0011] Gemäß den Grundsätzen derErfindung sollte der VCO füreinen relativen breiten Bereich der Schwingungsfrequenz gestaltetsein. Dies stellt sicher, dass trotz Variationen bei der Herstellungsprozeßtoleranzund den Betriebsbedingungen des Gerätes eine Steuerspannung ausgewählt werdenkann, bei der der VCO den Betrieb bei der gewünschten Frequenz zur Verfü gung stellt.Ein Mittel, dies zu tun, ist es, den Varaktor mit einem Abstimmbereichvorzubelasten, der nahe dem Vorwärts-Vorspannungsbereichliegt oder sogar in den Vorwärts-Vorspannungsbereichhineingeht, was seine Kapazitätstark vergrößert.
    [0012] Wenneinmal ein großerFrequenzeinfangsbereich mittels einer ausreichend hohen VCO-Verstärkung erreichtist, kann eine variable Verstärkungsschaltungals ein Puffer fürdie VCO-Steuerspannung eingesetzt werden. Dieser Puffer kann auchbenutzt werden, um einen Gleichspannungsversatz zwischen der variierendenEingangssteuerspannung und der Steuerspannung des VCO einzuführen.
    [0013] DieVerstärkungzwischen der Variation in der Eingangsspannungsvariation und derAusgangsspannungsvariation des Puffers wird mittels eines Widerstandeseingestellt. Der Widerstand kann außerhalb des Chips angeordnetwerden, um irgendwelche Abhängigkeitenvon Herstellungstoleranzen bei der Herstellung von integriertenSchaltungen auszuschalten, oder er kann ein On-Chip-Widerstand sein,dessen Wert als eine grobe Steuerung in einer On-Chip-Implementation angepasst wird,welche eine Kalibriereinrichtung umfasst. Ein Zuwachs des Wertesdes externen Widerstands erweitert den Abstimmbereich des Oszillators.
    [0014] DieErfindung stellt auch ein Verfahren zum Erweitern des Bereicheseines spannungsgesteuerten Oszillators zur Verfügung, wobei der spannungsgesteuerteOszillator eine Ausgangsfrequenz abhängig von einer Steuerspannungerzeugt, mit dem Bereitstellen einer Verstärkungsanpaßschaltung um die Verstärkung desspannungsgesteuerten Oszillators einzustellen; dem Einstellen derVerstärkungsanpaßschaltung,um die Verstärkungdes spannungsgesteuerten Oszillators so einzurichten, dass der gewünschte Betriebsbereichzur Verfügunggestellt wird.
    [0015] DieErfindung wird nun in weiteren Einzelheiten lediglich beispielhaftmit Bezug auf die beigefügtenZeichnungen beschrieben, wobei:
    [0016] 1 ein generisches Blockschaubildder Elemente einer phasenverriegelten Schleife ist;
    [0017] 2 einen LC-spannungsgesteuertenOszillator veranschaulicht;
    [0018] 3 die typische Variationin der Kapazität einesVaraktors als Funktion der Spannung über der Diode veranschaulicht;
    [0019] 4 ein Blockschaubild einesspannungsgesteuerten Oszillators gemäß der Erfindung ist;
    [0020] 5a, 5b, 5c mögliche alternativeImplementierungen fürden Widerstand Rtune aus 4 veranschaulicht;und
    [0021] 6 die gemessene Variationin der Verstärkungdes VCO und den Abstimmbereich als eine Funktion des externen (Off-Chip)Widerstandes zeigt.
    [0022] 1 ist ein Blockschaubildeiner generischen phasenverriegelten Schleife. Sie weist einen Phasendetektor 10 auf,welcher an seinen Eingängenein Referenzsignal und ein Rückkopplungssignal erhält, eineLadungspumpe 12, welche ein Ausgabe des Phasendetektors 10 erhält, welcherdie erfasste Phasendifferenz zu einem Quellen- oder Senkenstromumwandelt, der sich in der Dauer entsprechend der Dauer der Phasendifferenz ändert, undeinen spannungsgesteuerten Oszillator 16, dessen Ausgang über denTeiler 18 zu dem Eingang des Phasendetektors 10 zurückgespeistwird. Der Schleifenfilter 14 weist Widerstand 20 undKondensatoren 22 auf.
    [0023] Derspannungsgesteuerte Oszillator 16 ist in 2 gezeigt. Dieser weist ein Paar Transistoren 30 auf,eine Konstantstromquelle 32, Widerstände 34, ein Paar Varaktoren 36 (Kondensatorenmit variabler Kapazität),ein Paar Induktoren 38 und ein Paar Kondensatoren 40.Der Eingangsanschluß 42 erhält eine SteuerspannungVctl von dem Schleifenfilter 14.Im Betrieb ändertdie Steuerspannung Vctl die Kapazität der Varaktoren 36 inder LC-Schaltung und variiert so die Ausgangsfrequenz des Oszillators.
    [0024] 3 zeigt die Variation inder Kapazitäteines Varaktors. Es wird bemerkt werden, dass die Änderungder Kapazitätfür einengegebenen Spannungsbereich stark zunimmt, wenn sich dem Vorwärts-Spannungsbereichgenähertwird.
    [0025] Beider Ausführungsformder Erfindung, die in 4 gezeigtist, geht dem Kern 56 des VCO 16 eine variableVerstärkungsschaltung 44 voran,welche einen FET 54, Festwiderstände 48, 52,ein variables Widerstandselement 46 und den Kondensator 50 aufweist.Die Verstärkungdieser Schaltung kann variiert werden, indem der variable Widerstand 46, derzwischen dem Verstärkungsanpaßanschluß und derEnergiequelle liegt, angepasst wird.
    [0026] DerWiderstand 46 kann außerhalbdes Chips angeordnet werden, um jegliche Abhängigkeit von Herstellungstoleranzenbei der Herstellung integrierter Schaltungen auszuschalten. Einsolcher Widerstand ist in 5a gezeigt.In diesem Fall ist der Hauptbereich der Verstärkungsanpaßschaltung auf einem monolithischenChip mit dem Kern 56 des spannungsgesteuerten Oszillatorsintegriert. Der Festwiderstand 46 ist mit einer Kontaktfläche derVorrichtung auf dem Chip fürden Anschluß andie Energiequelle durch den externen variablen Widerstand 46 verbunden.Als Alternative kann der Widerstand 46 ein On-Chip-Widerstandsein.
    [0027] 5a bis 5c zeigen verschiedene mögliche Konfigurationfür dasvariable Widerstandselement 46. Wie in 5a gezeigt, kann das Widerstandselementein einfacher außerhalbdes Chips liegender variabler Widerstand sein. Als Alternative,wie in 5c gezeigt, kannes aus einer Schaltung bestehen, welche mehrere feste Widerstände 48 aufweist, diedurch FET-Schalter 50 auswählbar sind. Bei der Ausführungsform,wie sie in 5c gezeigtist, besteht das variable Widerstandselement aus dem Widerstand 46 inReihe mit einem Aus wahl-MOSFET, welcher den Strom durch den Festwiderstand 46 entsprechendder einstellbaren Spannung Vtune steuert, diean dem Transistor 52 anliegt.
    [0028] DerVaraktor 36 ist mit dem Abstimmbereich nahe dem Vorwärts-Vorspannungsbereichoder selbst in den Vorwärts-Vorspannungsbereichvorgespannt, wie in 3 gezeigt,was seine Kapazität starkerhöht.Wenn man einen großenFrequenzeinfangbereich mittels einer ausreichend hohen Verstärkung desVCO erhalten hat, wird die variable Verstärkungsschaltung 44 alsein Puffer fürdie Steuerspannung des VCO eingesetzt. Dieser Puffer kann benutztwerden, um einen Gleichspannungsversatz zwischen der variierendenEingangssteuerspannung und der Steuerspannung des VCO einzuführen.
    [0029] DieVerstärkungzwischen der Variation in der Eingangsspannungsvariation und derAusgangsspannungsvariation des Puffers wird mittels des Widerstandselementes 46 angepaßt. Wiees in 6 gezeigt ist,erweitert ein Zuwachs des Wertes des externen Widerstands den Abstimmbereichdes Oszillators. Weiterhin nimmt die Steigung der Kurve zu, wennder Wert des Widerstandes anwächst.Dieser Zuwachs in der Steigung führtzu höhererVerstärkungund der damit verbundenen Verschlechterung der Schaltung. Dies zeigt,dass die Schaltung mit einem minimalen Widerstand hergestellt unddurch ihn charakterisiert werden kann, der für die endgültige Schaltungsanwendung ausgewählt wird.Der ausgewählteWiderstand wird zu klein wie möglichgemacht, wobei es fürden Oszillator weiter möglichist, den gewünschtenAusgangsfrequenzbereich zu erzeugen. In 6 ist der Effekt des Widerstandes für einenBereich von 0 bis 1.6 kOHM gezeigt.
    [0030] Diein der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in denAnsprüchenoffenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auchin beliebiger Kombination fürdie Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
    权利要求:
    Claims (20)
    [1] Spannungsgesteuerter Oszillator, der ein Ausgangssignalerzeugt, dessen Frequenz als eine erste Funktion einer Steuerspannungvariiert, die an einen Steueranschluß angelegt ist, wobei der spannungsgesteuerteOszillator einen breiten Bereich für die Betriebsfrequenz hatund eine Verstärkunganpaßschaltungzum Anpassen seiner Verstärkungumfasst, derart, dass die erste Funktion als eine zweite Funktionder Verstärkungvariiert.
    [2] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 1,bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung eineanpassbare Impedanz umfasst, die die Verstärkung festlegt.
    [3] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 2,bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung einenVerstärkungsanpaßanschluß umfasstund sich die anpassbare Impedanz zwischen dem Verstärkungsanpaßanschluß und einemVersorgungsanschluß befindet.
    [4] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 2,bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung einenintegrierten Bereich und ein externes Widerstandselement umfasst,die die einstellbare Impedanz zur Verfügung stellen.
    [5] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 4,bei dem der integrierte Bereich der Verstärkungsanpaßschaltung mit einer Kontaktfläche der Vorrichtungauf einer monolithischen integrierten Schaltung für die Verbindungmit der Versorgung durch das externe Widerstandselement verbunden ist.
    [6] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 2,bei dem die anpassbare Impedanz eine Vielzahl N Widerstände mitfestem Wert umfasst, wobei jeder über einen Auswahltransistorauswählbar ist.
    [7] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 6,bei dem die Auswahltransistoren in Reihe mit jeweiligen der Auswahltransistorenangeordnet sind.
    [8] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 2,bei dem die anpassbare Impedanz einen MOS-Transistor mit einem Gatterumfasst, der mit einer einstellbaren Spannungsquelle verbunden ist.
    [9] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 3,bei dem die anpassbare Impedanz einen MOS-Transistor mit einem erstenund zweiten Senken/Quellenbereich und einem Gatter umfasst, und dieerste Senke/Quelle an den Verstärkungsanpaßanschluß gekoppeltist und die zweite Senke/Quelle an den Versorgungsanschluß gekoppeltist.
    [10] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 9,bei dem die erste Senke/Quelle übereinen Festwiderstand mit dem Verstärkungsanpaßanschluß verbunden ist.
    [11] Spannungsgesteuerter Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis10, mit einer Schwingkreisschaltung, welche induktive und kapazitiveElemente umfasst, wobei das kapazitive Element einen oder mehrereVaraktoren umfasst, und bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung auch als ein Pegelverschieber wirkt,um eine Gleichspannungsversetzung zur Verfügung zu stellen, welche dieVaraktoren vorwärts oderrückwärts vorbelastet,in bezug auf die Ruhespannung an seinem Schwingungsanschluß.
    [12] Spannungsgesteuerter Oszillator, mit: einemOszillatorkern zum Erzeugen einer Ausgangsfrequenz abhängig voneiner Steuerspannung; und eine Verstärkungsanpaßschaltung zum Anpassen derVerstärkungdes Oszillatorkerns.
    [13] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 12,bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung auchals ein Pegelschieber wirkt, um eine Gleichspannungsversetzung für die Steuerspannungzur Verfügungzu stellen.
    [14] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 13,bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung eineeinstellbare Impedanz aufweist.
    [15] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 15,bei dem der Hauptbereich der Verstärkungsanpaßschaltung mit dem Oszillatorkernauf einem monolithischen Chip integriert ist und die variable Impedanzsich außerhalbdes Chips befindet.
    [16] Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 13,mit einer Schwingkreisschaltung, welche induktive und kapazitiveElemente umfasst, wobei das kapazitive Element einen oder mehrereVaraktoren umfasst, und bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung die Gleichspannungsversetzungan einen Eingangsanschluß derVaraktoren gibt.
    [17] Verfahren zum Erweitern des Bereiches eines spannungsgesteuertenOszillator, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator eine Ausgangsfrequenzabhängigvon einer Steuerspannung erzeugt, mit den Schritten: Bereitstelleneiner Verstärkungsanpaßschaltung,um die Verstärkungdes spannungsgesteuerten Oszillators einzustellen; Einstellender Verstärkungsanpaßschaltung,um die Verstärkungdes spannungsgesteuerten Oszillators einzurichten, um den gewünschtenBetriebsbereich zur Verfügungzu stellen.
    [18] Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Verstärkung mittelseiner einstellbaren Impedanz angepasst wird und bei dem die minimaleImpedanz ausgewähltwird, die mit dem gewünschtenBetriebsbereich kompatibel ist.
    [19] Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die einstellbareImpedanz außerhalbdes Chips angeordnet ist.
    [20] Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Verstärkungsanpaßschaltungauch eine Gleichspannungsversetzung zur Verfügung stellt, um den spannungsgesteuertenOszillator vorwärtsoder rückwärts vorzubelasten,um so seinen Betriebsbereich zu vergrößern.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2004-12-02| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2008-02-14| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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