DE102004020156A1

DE102004020156A1 - Einfangsbereich-Steuermechanismus für spannungsgesteuerte Oszillatoren

Info

Publication number: DE102004020156A1
Application number: DE102004020156A
Authority: DE
Inventors: Ranjit Kanata Singh; Youcef Ottawa Fouzar; Simon John Ottawa Skierszkan; Hazem Ottawa Abdel-Maguid
Original assignee: Zarlink Semoconductor Inc
Current assignee: Microsemi Semiconductor ULC
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2004-04-24
Publication date: 2004-12-02
Also published as: CN1543075A; FR2854510A1; US6882237B2; US20040217820A1

Abstract

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.

Description

Diese Erfindung betrifft elektronische spannungsgesteuerte Oszillatorschaltungen, zum Beispiel für den Einsatz in phasenverriegelten Schleifen, die als monolithische integrierte Schaltungen hergestellt sind.

Die Schwingungsfrequenz eines Oszillators wird typischerweise mit einer Steuerspannung eingestellt. Eine solche Oszillation wird als ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) be zeichnet. Bei einigen Implementierungen ändert die Steuerspannung die Stromquelle für einen oder für alle einer Vielzahl von Invertierern, die miteinander in Reihe geschaltet sind. In anderen Implementierungen ändert die Steuerspannung die Kapazität in einem Induktivitäts/Kapazitäts-Resonator.

Bei typischen Implementierungen integrierter Schaltungen ist das Schaltungselement, welches eine Kapazität hat, 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-Vorspannung oder ein MOS-Varaktor, wobei in diesem Fall der Anreicherungs- oder Verarmungsbereich unter dem Gatter eines Flächenfeldeffekttransistors als eine Funktion der Spannung des Gatters zur Senken/Quellenspannung variiert. Die Senke oder Quelle sind bei solchen Implementierungen typischerweise zusammengeschaltet. In beiden Fällen variiert die Kapazität in einer nichtlinearen Weise bei Änderungen in der Steuerspannung. Die Variation in der Schwingungsfrequenz wiederum variiert auch in einer nichtlinearen Weise mit Änderungen in der Kapazität des Resonators (tatsächlich variiert sie typischerweise als 1√(LC). Das Gesamtergebnis ist, dass die Verstärkung des Oszillators, gemessen durch das Verhältnis von (Änderungen in der Frequenz)/(Änderungen in der Steuerspannung), mit der angelegten Steuerspannung variiert. Bei vielen Anwendungen, so wie Frequenz-Synthesizern für Mobiltelefone, phasenverriegelten Schleifen für Telefoniesysteme, so wie optischen SONET-Verbindungen, ist es wünschenswert, diese Verstärkung zu minimieren.

Eine phasenverriegelte Schleife weist typischerweise einen Phasendetektor auf, welcher die Phasenversetzung zwischen einem Referenztakt, einer Ladungspumpe, welche die erfasste Phasendifferenz in einen Quellen- oder Senkenstrom konvertiert, welcher in der Dauer entsprechend der Dauer der Phasendifferenz variiert, einen Schleifenfilter, der aus irgendeiner Kombination aus Widerständen und Kondensatoren besteht, welcher die Ladung der Ladungspumpe sammelt, was zu einer variierenden Spannung führt. Diese Spannung wird entweder direkt an den Oszillator gegeben oder durch eine Pufferschaltung geleitet.

Eine niedrige Verstärkung in dem VCO ist wesentlich beim Optimieren der Systemeigenschaften, so wie Phasenrauschen, Ausgangstakt-Jitter, Rauschimmunität der Energiequelle oder PLL-Dämpfungsfaktor. Wenn die Verstärkung des VCO verringert wird, wird der Einfangsbereich der PLL auch über einen gegebenen Bereich der Steuerspannung verringert. Wenn nach der Herstellung der Oszillator einen Versatz zwischen seiner gewünschten Frequenz oder dem Frequenzbereich der Resonanz und dem System hat (einschließlich des VCO und angeschlossener Schaltungen), wird die integrierte Schaltung unbenutzbar.

Der Stand der Technik hat sich auf Abstimmverfahren für den VCO konzentriert, die On-Chip-Lösungen ausnutzen. Zum Beispiel sprechen die US 6 137 372 B und die US 2002/0033739 A1 das Problem des Abstimmens des Einfangsbereichs eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) durch Addieren oder Subtrahieren von Schaltungselementen an, in beiden Fällen Kapazität innerhalb des VCO selbst. Diese Verfahren erlauben den Aufbau eines VCO, der wegen der Variation bei der Herstellung in dem VCO angepasst werden kann, und sie können Änderungen in den Umweltbedingungen kompensieren, in denen die Schaltung arbeitet, so wie Änderungen in der Temperatur, jedoch haben sie den Nachteil, dass sie abrupt die Schwingungsfrequenz des Oszillators ändern, wenn ein Kondensator hinzugefügt oder entfernt wird. Dies ist inhärent in der US 6 211 745 B , Spalte 14, Zeile 51 gewürdigt, wo angegeben ist, dass „wenn der VCO 500 in einem solchen System benutzt wird, verhindert das Verfahren 800 bevorzugt die Kalibrierung des VCO während der Zeitschlitze, 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 Steuerung 502 fortführen kann, die Ausgangsfrequenz (fout) 102 zu überwachen. Wenn ein zu großer Fehler erfasst wird, kann die diskrete Steuerung 502 den Schalter (SW) 512 zurückbewegen, um den anfänglichen Steuerknoten 510 auszuwählen und wieder das digitale Steuerwort (Bc) 404 basierend auf einer gewünschten Prozedur zu modifizieren." Diese abrupte Änderung in der Frequenz kann nachteilig für die Gesamtsystemleistungsfähigkeit sein, da ein Unterschied in der Frequenz zwischen dem VCO und der Eingangsreferenz ein Phasenwandern in den Ausgangstakten erzeugen wird, bis die PLL neu synchronisiert hat.

In der US 5 912 595 B wird der VCO in der Frequenz mit einer Steuerspannung abgestimmt, die durch einen D/A (Digital-Analog)-Wandler auf diskrete Werte geschaltet wird. Die Schaltung wird durchgeführt, um Änderungen in der Temperatur zu kompensieren, so dass die Variation in der Ausgangsfrequenz des VCO minimiert wird. Da dieses Schalten diskrete Spannungswerte in der Abstimmspannung erzeugen wird, wird wiederum jede Schaltungaktion eine Stufe in der Steuerspannung des VCO erzeugen, was eine abrupte Änderung in der VCO-Frequenz mit den begleitenden Problemen erzeugt.

Die US 2003/0089381 A1 offenbart einen spannungsgesteuerten Oszillator einer phasenverriegelten Schleife mit einer digital gesteuerten Verstärkungskompensation. Dieser benutzt Digital/Analog-Wandler und erfordert das Ein- und Ausschalten von Schaltungselementen.

US 6 670 861 B befasst sich mit breiten Frequenzbereichen auf dem Gebiet der Breitbandmodulation-Summiernetzwerke, die eine Spannung skalieren, welche an einen VCO gegeben wird, und eine Kalibrierverstärkungsschaltung, die das Skalieren des modulierten Signals steuert. Dieses Patent erfordert den Einsatz von Implementierungszählern und Operationsverstärkern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein spannungsgesteuerter Oszillator mit einem breiten Bereich der Betriebsfrequenz zur Verfügung gestellt, welcher ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz als eine erste Funktion einer Steuerspannung variiert, welche an einen Steueranschluß angelegt ist, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator weiterhin eine Verstärkungsanpaßschaltung zum Anpassen der Verstärkung umfasst, derart, dass die erste Funktion als eine zweite Funktion der Verstärkung variiert.

Gemäß den Grundsätzen der Erfindung sollte der VCO für einen relativen breiten Bereich der Schwingungsfrequenz gestaltet sein. Dies stellt sicher, dass trotz Variationen bei der Herstellungsprozeßtoleranz und den Betriebsbedingungen des Gerätes eine Steuerspannung ausgewählt werden kann, 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 Abstimmbereich vorzubelasten, der nahe dem Vorwärts-Vorspannungsbereich liegt oder sogar in den Vorwärts-Vorspannungsbereich hineingeht, was seine Kapazität stark vergrößert.

Wenn einmal ein großer Frequenzeinfangsbereich mittels einer ausreichend hohen VCO-Verstärkung erreicht ist, kann eine variable Verstärkungsschaltung als ein Puffer für die VCO-Steuerspannung eingesetzt werden. Dieser Puffer kann auch benutzt werden, um einen Gleichspannungsversatz zwischen der variierenden Eingangssteuerspannung und der Steuerspannung des VCO einzuführen.

Die Verstärkung zwischen der Variation in der Eingangsspannungsvariation und der Ausgangsspannungsvariation des Puffers wird mittels eines Widerstandes eingestellt. Der Widerstand kann außerhalb des Chips angeordnet werden, um irgendwelche Abhängigkeiten von Herstellungstoleranzen bei der Herstellung von integrierten Schaltungen 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 Wertes des externen Widerstands erweitert den Abstimmbereich des Oszillators.

Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Erweitern des Bereiches eines spannungsgesteuerten Oszillators zur Verfügung, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator eine Ausgangsfrequenz abhängig von einer Steuerspannung erzeugt, mit dem Bereitstellen einer Verstärkungsanpaßschaltung um die Verstärkung des spannungsgesteuerten Oszillators einzustellen; dem Einstellen der Verstärkungsanpaßschaltung, um die Verstärkung des spannungsgesteuerten Oszillators so einzurichten, dass der gewünschte Betriebsbereich zur Verfügung gestellt wird.

Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 ein generisches Blockschaubild der Elemente einer phasenverriegelten Schleife ist;
2 einen LC-spannungsgesteuerten Oszillator veranschaulicht;
3 die typische Variation in der Kapazität eines Varaktors als Funktion der Spannung über der Diode veranschaulicht;
4 ein Blockschaubild eines spannungsgesteuerten Oszillators gemäß der Erfindung ist;
5a, 5b, 5c mögliche alternative Implementierungen für den Widerstand Rtune aus 4 veranschaulicht; und
6 die gemessene Variation in der Verstärkung des VCO und den Abstimmbereich als eine Funktion des externen (Off-Chip) Widerstandes zeigt.
1 ist ein Blockschaubild einer generischen phasenverriegelten Schleife. Sie weist einen Phasendetektor 10 auf, welcher an seinen Eingängen ein Referenzsignal und ein Rückkopplungssignal erhält, eine Ladungspumpe 12, welche ein Ausgabe des Phasendetektors 10 erhält, welcher die erfasste Phasendifferenz zu einem Quellen- oder Senkenstrom umwandelt, der sich in der Dauer entsprechend der Dauer der Phasendifferenz ändert, und einen spannungsgesteuerten Oszillator 16, dessen Ausgang über den Teiler 18 zu dem Eingang des Phasendetektors 10 zurückgespeist wird. Der Schleifenfilter 14 weist Widerstand 20 und Kondensatoren 22 auf.
Der spannungsgesteuerte Oszillator 16 ist in 2 gezeigt. Dieser weist ein Paar Transistoren 30 auf, eine Konstantstromquelle 32, Widerstände 34, ein Paar Varaktoren 36 (Kondensatoren mit variabler Kapazität), ein Paar Induktoren 38 und ein Paar Kondensatoren 40. Der Eingangsanschluß 42 erhält eine Steuerspannung V_ctl von dem Schleifenfilter 14. Im Betrieb ändert die Steuerspannung V_ctl die Kapazität der Varaktoren 36 in der LC-Schaltung und variiert so die Ausgangsfrequenz des Oszillators.
3 zeigt die Variation in der Kapazität eines Varaktors. Es wird bemerkt werden, dass die Änderung der Kapazität für einen gegebenen Spannungsbereich stark zunimmt, wenn sich dem Vorwärts-Spannungsbereich genähert wird.
Bei der Ausführungsform der Erfindung, die in 4 gezeigt ist, geht dem Kern 56 des VCO 16 eine variable Verstärkungsschaltung 44 voran, welche einen FET 54, Festwiderstände 48, 52, ein variables Widerstandselement 46 und den Kondensator 50 aufweist. Die Verstärkung dieser Schaltung kann variiert werden, indem der variable Widerstand 46, der zwischen dem Verstärkungsanpaßanschluß und der Energiequelle liegt, angepasst wird.
Der Widerstand 46 kann außerhalb des Chips angeordnet werden, um jegliche Abhängigkeit von Herstellungstoleranzen bei der Herstellung integrierter Schaltungen auszuschalten. Ein solcher Widerstand ist in 5a gezeigt. In diesem Fall ist der Hauptbereich der Verstärkungsanpaßschaltung auf einem monolithischen Chip mit dem Kern 56 des spannungsgesteuerten Oszillators integriert. Der Festwiderstand 46 ist mit einer Kontaktfläche der Vorrichtung auf dem Chip für den Anschluß an die Energiequelle durch den externen variablen Widerstand 46 verbunden. Als Alternative kann der Widerstand 46 ein On-Chip-Widerstand sein.
5a bis 5c zeigen verschiedene mögliche Konfiguration für das variable Widerstandselement 46. Wie in 5a gezeigt, kann das Widerstandselement ein einfacher außerhalb des Chips liegender variabler Widerstand sein. Als Alternative, wie in 5c gezeigt, kann es aus einer Schaltung bestehen, welche mehrere feste Widerstände 48 aufweist, die durch FET-Schalter 50 auswählbar sind. Bei der Ausführungsform, wie sie in 5c gezeigt ist, besteht das variable Widerstandselement aus dem Widerstand 46 in Reihe mit einem Aus wahl-MOSFET, welcher den Strom durch den Festwiderstand 46 entsprechend der einstellbaren Spannung V_tune steuert, die an dem Transistor 52 anliegt.
Der Varaktor 36 ist mit dem Abstimmbereich nahe dem Vorwärts-Vorspannungsbereich oder selbst in den Vorwärts-Vorspannungsbereich vorgespannt, wie in 3 gezeigt, was seine Kapazität stark erhöht. Wenn man einen großen Frequenzeinfangbereich mittels einer ausreichend hohen Verstärkung des VCO erhalten hat, wird die variable Verstärkungsschaltung 44 als ein Puffer für die Steuerspannung des VCO eingesetzt. Dieser Puffer kann benutzt werden, um einen Gleichspannungsversatz zwischen der variierenden Eingangssteuerspannung und der Steuerspannung des VCO einzuführen.
Die Verstärkung zwischen der Variation in der Eingangsspannungsvariation und der Ausgangsspannungsvariation des Puffers wird mittels des Widerstandselementes 46 angepaßt. Wie es in 6 gezeigt ist, erweitert ein Zuwachs des Wertes des externen Widerstands den Abstimmbereich des Oszillators. Weiterhin nimmt die Steigung der Kurve zu, wenn der Wert des Widerstandes anwächst. Dieser Zuwachs in der Steigung führt zu höherer Verstärkung und der damit verbundenen Verschlechterung der Schaltung. Dies zeigt, dass die Schaltung mit einem minimalen Widerstand hergestellt und durch ihn charakterisiert werden kann, der für die endgültige Schaltungsanwendung ausgewählt wird. Der ausgewählte Widerstand wird zu klein wie möglich gemacht, wobei es für den Oszillator weiter möglich ist, den gewünschten Ausgangsfrequenzbereich zu erzeugen. In 6 ist der Effekt des Widerstandes für einen Bereich von 0 bis 1.6 kOHM gezeigt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Spannungsgesteuerter Oszillator, der ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz als eine erste Funktion einer Steuerspannung variiert, die an einen Steueranschluß angelegt ist, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator einen breiten Bereich für die Betriebsfrequenz hat und eine Verstärkunganpaßschaltung zum Anpassen seiner Verstärkung umfasst, derart, dass die erste Funktion als eine zweite Funktion der Verstärkung variiert.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 1, bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung eine anpassbare Impedanz umfasst, die die Verstärkung festlegt.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 2, bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung einen Verstärkungsanpaßanschluß umfasst und sich die anpassbare Impedanz zwischen dem Verstärkungsanpaßanschluß und einem Versorgungsanschluß befindet.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 2, bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung einen integrierten Bereich und ein externes Widerstandselement umfasst, die die einstellbare Impedanz zur Verfügung stellen.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 4, bei dem der integrierte Bereich der Verstärkungsanpaßschaltung mit einer Kontaktfläche der Vorrichtung auf einer monolithischen integrierten Schaltung für die Verbindung mit der Versorgung durch das externe Widerstandselement verbunden ist.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 2, bei dem die anpassbare Impedanz eine Vielzahl N Widerstände mit festem Wert umfasst, wobei jeder über einen Auswahltransistor auswählbar ist.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 6, bei dem die Auswahltransistoren in Reihe mit jeweiligen der Auswahltransistoren angeordnet sind.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 2, bei dem die anpassbare Impedanz einen MOS-Transistor mit einem Gatter umfasst, der mit einer einstellbaren Spannungsquelle verbunden ist.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 3, bei dem die anpassbare Impedanz einen MOS-Transistor mit einem ersten und zweiten Senken/Quellenbereich und einem Gatter umfasst, und die erste Senke/Quelle an den Verstärkungsanpaßanschluß gekoppelt ist und die zweite Senke/Quelle an den Versorgungsanschluß gekoppelt ist.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 9, bei dem die erste Senke/Quelle über einen Festwiderstand mit dem Verstärkungsanpaßanschluß verbunden ist.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer Schwingkreisschaltung, welche induktive und kapazitive Elemente umfasst, wobei das kapazitive Element einen oder mehrere Varaktoren umfasst, und bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung auch als ein Pegelverschieber wirkt, um eine Gleichspannungsversetzung zur Verfügung zu stellen, welche die Varaktoren vorwärts oder rückwärts vorbelastet, in bezug auf die Ruhespannung an seinem Schwingungsanschluß.
Spannungsgesteuerter Oszillator, mit: einem Oszillatorkern zum Erzeugen einer Ausgangsfrequenz abhängig von einer Steuerspannung; und eine Verstärkungsanpaßschaltung zum Anpassen der Verstärkung des Oszillatorkerns.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 12, bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung auch als ein Pegelschieber wirkt, um eine Gleichspannungsversetzung für die Steuerspannung zur Verfügung zu stellen.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 13, bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung eine einstellbare Impedanz aufweist.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 15, bei dem der Hauptbereich der Verstärkungsanpaßschaltung mit dem Oszillatorkern auf einem monolithischen Chip integriert ist und die variable Impedanz sich außerhalb des Chips befindet.
Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 13, mit einer Schwingkreisschaltung, welche induktive und kapazitive Elemente umfasst, wobei das kapazitive Element einen oder mehrere Varaktoren umfasst, und bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung die Gleichspannungsversetzung an einen Eingangsanschluß der Varaktoren gibt.
Verfahren zum Erweitern des Bereiches eines spannungsgesteuerten Oszillator, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator eine Ausgangsfrequenz abhängig von einer Steuerspannung erzeugt, mit den Schritten: Bereitstellen einer Verstärkungsanpaßschaltung, um die Verstärkung des spannungsgesteuerten Oszillators einzustellen; Einstellen der Verstärkungsanpaßschaltung, um die Verstärkung des spannungsgesteuerten Oszillators einzurichten, um den gewünschten Betriebsbereich zur Verfügung zu stellen.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Verstärkung mittels einer einstellbaren Impedanz angepasst wird und bei dem die minimale Impedanz ausgewählt wird, die mit dem gewünschten Betriebsbereich kompatibel ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die einstellbare Impedanz außerhalb des Chips angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Verstärkungsanpaßschaltung auch eine Gleichspannungsversetzung zur Verfügung stellt, um den spannungsgesteuerten Oszillator vorwärts oder rückwärts vorzubelasten, um so seinen Betriebsbereich zu vergrößern.