DE102005016626B4 - Active parametric quadrature divider - Google Patents

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Abstract

Aktiver parametrischer Quadraturteiler (20) für Radiofrequenzen, der aus zwei aktiven parametrischen Teilern (10, 10') besteht, wobei jeder der beiden aktiven parametrischen Teiler (10, 10') folgendes umfasst: einen verstimmbaren LC Schwingkreis (11) und eine Treiberschaltung mit negativem Widerstand (17), dadurch gekennzeichnet, dass der LC Schwingkreis (11) ein induktives Element (12) und ein kapazitives Element, bestehend aus mehreren miteinander verbundenen Kapazitätsdioden (13 bis 16), umfasst, dass das induktive Element (12) zwischen einem positiven und einem negativen Anschluss angeschlossen ist, und dass zwei erste Kapazitätsdioden (13, 14) mit ihren Anoden jeweils mit dem positiven bzw. dem negativen Anschluss und mit ihren Kathoden miteinander verbunden sind, und zwei zweite Kapazitätsdioden (15, 16) mit ihren Kathoden jeweils mit dem positiven bzw. dem negativen Anschluss und mit ihren Anoden miteinander verbunden sind, dass eine differenzielle Abstimmeingangsspannung zwischen einem positiven Eingangsanschluss, definiert durch die Kathoden der zwei ersten Kapazitätsdioden (13, 14), und...An active parametric quadrature divider (20) for radio frequencies consisting of two active parametric dividers (10, 10 '), each of the two active parametric dividers (10, 10') comprising: a tunable LC resonant circuit (11) and a driver circuit having negative resistance (17), characterized in that the LC resonant circuit (11) comprises an inductive element (12) and a capacitive element consisting of a plurality of capacitance diodes (13 to 16) connected to one another, that the inductive element (12) is connected between a connected to positive and a negative terminal, and that two first capacitance diodes (13, 14) are connected to each other with the positive and the negative terminal and with their cathodes, and two second capacitance diodes (15, 16) with their cathodes are connected to each other with the positive and the negative terminal and their anodes, that a differential tuning input voltage zw a positive input terminal, defined by the cathodes of the two first capacitance diodes (13, 14), and ...

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft einen aktiven parametrischen Teiler für Radiofrequenzen, insbesondere einen aktiven parametrischen Quadraturteiler für Radiofrequenzen, der für eine Implementierung in integrierten Schaltungen geeignet ist.The present invention relates to an active parametric splitter for radio frequencies, in particular a radio frequency active parametric quadrature splitter suitable for implementation in integrated circuits.

Einer der kritischen Bausteine in Radiofrequenz (RF) Kommunikationsschaltkreisen ist der Frequenzsynthesizer, der das RF Signal des Lokaloszillators (LO) zum Senden und zum Empfangen generiert. Typischer Weise wird das LO Signal durch einen LC Oszillator generiert, welcher mit Hilfe einer Phase locked Loop (PLL) auf ein niederfrequentes Referenztaktsignal synchronisiert ist. Für einen Vergleich mit dem niederfrequenten Referenztaktsignal muss das RF Signal mittels eines RF Teilers auf niedrigere Frequenzen geteilt werden.One of the critical building blocks in Radio Frequency (RF) communication circuitry is the frequency synthesizer that generates the local oscillator (LO) RF signal for transmission and reception. Typically, the LO signal is generated by a LC oscillator, which is synchronized by means of a phase locked loop (PLL) to a low-frequency reference clock signal. For comparison with the low frequency reference clock signal, the RF signal must be divided by means of an RF divider to lower frequencies.

Der erste Baustein in einer Frequenzteilerkette ist gewöhnlich sehr kritisch zu entwerfen, da er auf der maximalen RF Frequenz arbeitet und typischer Weise zuverlässig über einen bestimmten Bereich von Eingangsfrequenzen arbeiten muss.The first building block in a frequency divider chain is usually very critical in design because it operates at the maximum RF frequency and typically has to operate reliably over a certain range of input frequencies.

Beschreibung des verwandten Standes der TechnikDescription of the Related Art

Frequenzteiler für RF Anwendungen können in zwei Familien gruppiert werden:
Breitband- und Schmalbandfrequenzteiler.Frequency dividers for RF applications can be grouped into two families:
Broadband and narrow band frequency divider.

Ein typischer Breitband RF Teller besteht aus zwei RF Flip-Flops, die in einer negativen Rückkopplungsschleife in einer Master/Slave Konfiguration zusammengeschaltet sind. Ein RF Flip-Flop umfasst zwei invers getaktete differenzielle Paare mit geteilten resistiven Lasten, die als eine differenzielle Messverstärkerstufe (zum „Einbringen” der Daten in die Zelle) und einem regeneratives Paar (zum Regenerieren und Eintakten von Daten während inverser Taktflanken) arbeiten.A typical broadband RF disk consists of two RF flip-flops interconnected in a negative feedback loop in a master / slave configuration. An RF flip-flop comprises two inverse-clocked differential pairs with divided resistive loads operating as a differential sense amplifier stage (for "injecting" the data into the cell) and a regenerative pair (for regenerating and clocking in data during inverse clock edges).

Ein typischer Schmalband RF Teiler umfasst eine abgestimmte Last, d. h. einen LC Schwingkreis, der auf die interossierende Frequenz zentriert ist. Diese Schmalbandteiler können in drei Kategorien gruppiert werden, wie es in H. R. Rategh, T. H. Lee, „Superharmonic Injection-Locked Frequency Dividers”, IEEE Solid-State Circuits, Vol. 34, pp. 813–821, Juni 1999 beschrieben ist.A typical narrow band RF splitter comprises a tuned load, i. H. an LC resonant circuit centered on the interossing frequency. These narrow band splitters can be grouped into three categories, as described in H.R. Rategh, T.H. Lee, "Superharmonic Injection-Locked Frequency Dividers", IEEE Solid-State Circuits, Vol. 34, pp. 813-821, June 1999.

Regenerative Teiler: Eine Frequenzteilung wird erreicht durch das Anlegen eines RF Eingangssignals an einen Mischer, wo es mit dem rückgekoppelten, tiefpassgefilterten Mischerausgang multipliziert wird (für eine Teilung durch 2). Diese Art von Teiler wird in R. D. Miller „Fractional-frequency generators utilizing regenerative modulation””, Proc. IRE, Vol. 37, pp. 446–457, 1939 beschrieben.Regenerative Dividers: Frequency division is achieved by applying an RF input signal to a mixer where it is multiplied by the feedback lowpass filtered mixer output (for division by 2). This type of splitter is described in R. D. Miller "Fractional-frequency Generators Utilizing Regenerative Modulation", Proc. IRE, Vol. 37, pp. 446-457, 1939.

Passive parametrische Teiler: Die Frequenzteilung wird erreicht durch Anregung (mit der Eingangsfrequenz) einer Kapazitätsdiode, welche Teil eines Resonators hoher Güte (high-Q) ist, der auf die gewünschte Ausgangsfrequenz zentriert ist.Passive Parametric Dividers: Frequency division is achieved by exciting (at the input frequency) a capacitance diode which is part of a high-Q resonator centered at the desired output frequency.

Injektion-Locked Oszillatoren: Eine Frequenzteilung basiert auf der Synchronisation eines Oszillators (der auf die Ausgangsfrequenz zentriert ist) mit der Eingangsfrequenz, wie es beschrieben ist durch R. Adler, „A study of locking phenomena in oscillators”, Proc IRE, Vol. 34, pp. 351–357, Juni 1946.Inject-Locked Oscillators: A frequency division is based on the synchronization of an oscillator (centered on the output frequency) with the input frequency as described by R. Adler, "A study of locking phenomena in oscillators", Proc IRE, Vol. 34 , pp. 351-357, June 1946.

Die Verwendung von passiven parametrischen Teilern ist relativ gebräuchlich in der Mikrowellenentwicklung, vgl. beispielsweise W. Konrath, J. Muller, M. Schallner, „Frequency-genetator circuit”, US 6 657 508 A . Jedoch sind in der Mikroelektronik die Qualitäten der Induktivitäten und Kapazitätsdioden nicht gut genug, um passive parametrische Teller zum Laufen zu bringen.The use of passive parametric dividers is relatively common in microwave development, cf. for example W. Konrath, J. Muller, M. Schallner, "Frequency-geneticator circuit", US Pat. No. 6,657,508 , However, in microelectronics, the inductance and capacitance diode qualities are not good enough to make passive parametric dishes work.

DD 212 857 A1 offenbart einen parametrischen Frequenzteiler für Mikrowellen mit einem verstimmbaren LC Schwingkreis und einer Treiberschaltung mit negativem Widerstand. Die Teilerschaltung umfasst ein aktives Bauelement in Form eines Transistors, welches zusammen mit einem Streifenleiter und einer Kapazitätsdiode den Schwingkreis bildet. DD 212 857 A1 discloses a microwave parametric frequency divider having a tunable LC resonant circuit and a negative resistance driver circuit. The divider circuit comprises an active component in the form of a transistor, which forms the resonant circuit together with a strip conductor and a capacitance diode.

DE 600 07 740 T2 offenbart eine Mikrowellen-Teilerschaltung, welche aus einem aktiven Bauelement und mehreren Streifenleitern gebildet ist. DE 600 07 740 T2 discloses a microwave divider circuit formed of an active device and a plurality of strip conductors.

Bei den oben genannten Teilerschaltungen handelt es sich nicht um voll differentielle Teller. Sie sind auch nicht für eine integrierte Bauweise geeignet.The divider circuits mentioned above are not fully differential plates. They are also not suitable for an integrated construction.

DE 102 57 471 A1 offenbart einen Injection-Locked-Oszillator-Schaltkreis, also keinen aktiven parametrischen Teller mit differentiellen Ein- und Ausgängen im Sinne der vorliegenden Erfindung. Das Eingangssignal wird an einem Mittenanschluss des induktiven Bauelements des Schwingkreises bzw. an den stromverstärkenden Transistoren eingespeist. Dadurch hat die Schaltung nur einen sehr kleinen Fangbereich von wenigen Prozent der Eingangsfrequenz und die Resonanzfrequenz des Schwingkreises muss sehr genau auf die Eingangsfrequenz abgestimmt sein. DE 102 57 471 A1 discloses an injection-locked oscillator circuit, ie no active parametric plate with differential inputs and outputs in the sense of the present invention. The input signal is fed to a center terminal of the inductive component of the resonant circuit or to the current-amplifying transistors. As a result, the circuit has only a very small capture range of a few percent of the input frequency and the resonant frequency of the resonant circuit must be very accurately matched to the input frequency.

Die DE 1 160 033 A offenbart einen parametrisch erregten Resonator in diskreter Bauweise, der eine nichtlineare Kapazität bestehend aus zwei gegensinnig zusammen geschalteten Halbleitern und eine Schwingkreisinduktivität umfasst.The DE 1 160 033 A discloses a parametrically excited resonator of discrete construction having a non-linear capacitance consisting of two comprises semiconductors connected in opposite directions and a resonant circuit inductance.

Die US 5 406 237 A offenbart eine Frequenzmultiplizierschaltung für die Leistungsstufe eines Mikrowellensystems, welche eine Vollwellen-Brückenschaltung aus Kapazitätsdioden und eine aus Stichleitungen gebildete Induktivität umfasst.The US 5 406 237 A discloses a frequency multiplier circuit for the power stage of a microwave system, which comprises a full-wave bridge circuit of capacitance diodes and an inductance formed by stubs.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen aktiven parametrischen RF Quadraturteiler vorzuschlagen, welcher die Durchführbarkeit eines RF Frequenzteilers mit geringer Verlustleistung und einen weiten Frequenzfangbereich (bis zu 25% der Eingangsfrequenz) kombiniert, und welcher dazu geeignet ist, um in integrierten Schaltkreisen verwendet zu werden.It is the object of the present invention to propose an active parametric RF quadrature divider which combines the feasibility of a low power dissipation RF frequency divider and a wide frequency capture range (up to 25% of the input frequency) suitable for use in integrated circuits ,

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen aktiven parametrischen Quadraturteiler, wie er im unabhängigen Anspruch 1 beschrieben ist.This object is achieved by an active parametric quadrature divider as described in independent claim 1.

Andere Merkmale, die als für die Erfindung charakteristisch angesehen werden, sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben, auf welche hierin Bezug genommen wird.Other features which are considered to be characteristic of the invention are described in the dependent claims to which reference is hereby made.

Gemäß der Erfindung wird ein aktiver parametrischer Quadraturteiler für Radiofrequenzen vorgeschlagen, welcher aus zwei aktiven parametrischen Teilern besteht, wobei jeder der beiden aktiven parametrischen Teiler grundsätzlich einen verstimmbaren LC Schwingkreis und einen Treiberschaltkreis mit negativem Widerstand umfasst. Das kapazitive Element des LC Schwingkreises umfasst vorzugsweise mehrere Kapazitätsdioden.According to the invention, an active parametric quadrature divider for radio frequencies is proposed which consists of two active parametric dividers, each of the two active parametric dividers basically comprising a tunable LC resonant circuit and a negative resistance driver circuit. The capacitive element of the LC resonant circuit preferably comprises a plurality of capacitance diodes.

Das hier präsentierte innovative Konzept ist es, einen aktiven parametrischen Schwingkreis als einen Frequenzteiler für integrierte RF Schaltkreise zu verwenden. Der vorgeschlagene parametrische Frequenzteiler erlaubt es, eine RF Eingangsfrequenz in einem Teilerverhältnis von 2 zu teilen. Der vorgeschlagene parametrische Teiler hat bessere Leistungseigenschaften als die gemäß der Literatur aktuell verfügbaren Schaltkreise zur Frequenzteilung: Tatsächlich hat er eine geringere Leistungsaufnahme als konventionelle RF Flip-Flops und er arbeitet zuverlässig über einen größeren Eingangsfrequenzfangbereich als konventionelle Injektion-Locked Schwingkreise.The innovative concept presented here is to use an active parametric resonant circuit as a frequency divider for integrated RF circuits. The proposed parametric frequency divider allows one to divide an RF input frequency in a divide ratio of two. The proposed parametric divider has better performance characteristics than the currently available frequency division circuits according to the literature: in fact, it has a lower power consumption than conventional RF flip-flops and it operates reliably over a larger input frequency capture range than conventional injection-locked resonant circuits.

Im Vergleich zu Lösungen des Standes der Technik hat die vorliegende Erfindung mehrere Vorteile. Der aktive parametrische Teiler gemäß der Erfindung ist besser in Bezug auf Stromverbrauch verglichen mit konventionellen Breitbandfrequenzteilern aufgrund der resonanten Last. Es ist ferner wichtig zu bemerken, dass konventionelle Breitband bistabile Flip-Flops aufgrund der benötigten Rückkopplung, eigentlich Rückkopplungssysteme sind, die unstabil werden können. Daher arbeiten selbst konventionelle Breitband Flip-Flops nur in einem limitierten Frequenzbereich zuverlässig und sind sehr empfindlich auf Störeffekte. Daher ist der limitierte Arbeitsbereich für einen aktiven parametrischen Teiler kein Nachteil in Bezug auf Breitbandschaltkreise.Compared to prior art solutions, the present invention has several advantages. The active parametric divider according to the invention is better in terms of power consumption compared to conventional wideband frequency dividers due to the resonant load. It is also important to note that conventional wideband bistable flip-flops, because of the feedback required, are actually feedback systems that can become unstable. Therefore, even conventional broadband flip-flops work reliably only in a limited frequency range and are very sensitive to parasitics. Therefore, the limited operating range for an active parametric divider is not a disadvantage with respect to broadband circuits.

Die konventionellen regenerativen Teiler benötigen einen Mischer, welcher typischer Weise eine erhebliche Menge Strom verbraucht. Darüber hinaus gibt es einen Konflikt zwischen einem großem Frequenzbereich, d. h. einem Bandpassfilter mit relativ geringer Güte (low-Q), und einem geringen Stromverbrauch, d. h. einem Bandpassfilter mit hoher Güte (high-Q). Diese Grenzen treten bei dem aktiven parametrischen Teiler gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf.The conventional regenerative splitters require a mixer which typically consumes a significant amount of power. In addition, there is a conflict between a large frequency range, i. H. a low-Q bandpass filter, and low power consumption, i. H. a high-Q bandpass filter. These limits do not occur in the active parametric divider according to the present invention.

Konventionelle passive parametrische Frequenzteiler beruhen auf dem gleichen Arbeitsprinzip wie der hier präsentierte Schaltkreis und sind hauptsächlich in diskreten Mikrowellensystemen beschrieben. Tatsächlich benötigen passive parametrische Teiler Resonatoren mit sehr hoher Güte um vernünftige Arbeitsbereiche zu erreichen. Diese Resonatoren hoher Güte können in integrierten Schaltkreisen nicht erreicht werden und daher können passive parametrische Teiler in integrierten Schaltkreisen nicht verwendet werden. Der hier präsentierte aktive parametrische Teiler kann als ein „quasi passiver parametrischer Teiler” angesehen werden, bei dem die hohe Güte durch den „effektiven LC Schwingkreis” erzielt wird, der durch den LC Schwingkreis mit (relativ) geringer Güte und einen durch den Treiber bereit gestellten negativen Widerstand gegeben ist.Conventional passive parametric frequency dividers are based on the same principle of operation as the circuit presented here and are mainly described in discrete microwave systems. In fact, passive parametric dividers require very high quality resonators to achieve reasonable workspaces. These high quality resonators can not be achieved in integrated circuits, and therefore passive parametric dividers in integrated circuits can not be used. The active parametric divider presented here can be considered as a "quasi passive parametric divider", where the high quality is achieved by the "effective LC resonant circuit" provided by the (relatively) low quality LC resonant circuit and one by the driver given negative resistance is given.

Die Injektion-Locked Teiler der Literatur haben typischer Weise einen geringen Stromverbrauch, ähnlich dem hier vorgestellten aktiven parametrischen Teiler. Das Arbeitsprinzip von Injektion-Locked Teilern besteht darin, die Verstärkung eines Schwingkreises mit der Eingangsfrequenz zu modulieren. Es ist jedoch sehr schwer große Fangbereiche durch Modulation der Verstärkung des Schwingkreises zu erreichen. Daher arbeiten konventionelle Injektion-Locked Teiler typischer Weise in Frequenzbereichen von maximal 10%. Gemäß der Architektur des aktiven parametrischen Schwingkreises dagegen wird der Fangbereich im wesentlichen durch die Hälfte des Verstimmungsbereiches des LC Schwingkreises bestimmt. Daher bestimmt der Kapazitätsbereich der Kapazitätsdiode den Arbeitsfangbereich. Der Kapazitätsbereich einer typischen integrierten MOS-Kapazitätsdiode ist ungefähr 150%, so dass der Frequenzbereich 125% ist und der Gesamtbetriebsbereich für den Frequenzteiler bis zu 25% der Eingangsfrequenz beträgt.The injection-locked dividers of the literature typically have low power consumption, similar to the active parametric divider presented here. The working principle of injection-locked dividers is to modulate the gain of a resonant circuit with the input frequency. However, it is very difficult to achieve large capture ranges by modulating the gain of the resonant circuit. Therefore, conventional injection-locked dividers typically operate in frequency ranges of at most 10%. By contrast, according to the architecture of the active parametric resonant circuit, the capture range is determined essentially by half of the detuning range of the LC resonant circuit. Therefore, the capacitance range of the capacitance diode determines the work area. The capacitance range of a typical MOS integrated varactor diode is about 150%, so the frequency range is 125% and the total operating range for the frequency divider is up to 25% of the input frequency.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

1: Ein typisches Schaltbild eines differenziellen LC Schwingkreises mit differenziellem Verstimmen der Diode. 1 : A typical circuit diagram of a differential LC resonant circuit with differential detuning of the diode.

2: Ein vereinfachtes Schaltbild für einen einzelnen Schwingkreis mit negativem Widerstand. Die beiden Treiber mit negativem Widerstand treiben den LC Schwingkreis. 2 : A simplified circuit diagram for a single resonant circuit with negative resistance. The two drivers with negative resistance drive the LC resonant circuit.

3: Zwei unabhängige aktive parametrische Teller, die durch Eingangssignale mit entgegengesetztem Vorzeichen betrieben werden, was in einem Quadraturteiler mit der Hälfte der Eingangsfrequenz resultiert. 3 : Two independent active parametric plates operated by opposite sign input signals, resulting in a quadrature divider at half the input frequency.

4: Zwei aktive parametrische Teller, die durch Eingangssignale mit entgegengesetztem Vorzeichen und Kreuzkoppler betrieben werden (bezeichnet als Verstärkungsstufen in einem 45° Winkel) was in einem Quadraturteiler mit der Hälfte der Eingangsfrequenz mit einem festen IQ Verhältnis zwischen den Ausgängen resultiert. 4 Two active parametric plates operated by opposite sign input signals and cross couplers (referred to as gain stages at a 45 ° angle) resulting in a quadrature divider at half the input frequency with a fixed IQ ratio between the outputs.

Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen der ErfindungDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION

Die allgemeinste Form eines aktiven parametrischen Tellers 10 gemäß der Erfindung ähnelt einem LC Oszillator und besteht aus einem verstimmbaren LC Schwingkreis 11 und einem Schaltkreis mit negativem Widerstand als Treiber. Der LC Schwingkreis umfasst im allgemeinen ein induktives Element und ein kapazitives Element. In integrierten Schaltkreisen wird es bevorzugt, einen differenziellen LC Schwingkreis 11 zu verwenden, wie er in 1 gezeigt ist. Der LC Schwingkreis umfasst ein induktives Element 12, das zwischen einen positiven und einem negativen Anschluss geschaltet ist, und vier Kapazitätsdioden 13, 14, 15, 16. Zwei dieser Kapazitätsdioden 13, 14 sind mit ihren Anoden jeweils mit dem positiven bzw. dem negativen Anschluss V+ und V– verbunden und jeweils mit ihren Kathoden miteinander verbunden. Die zwei anderen Kapazitätsdioden 15, 16 sind mit ihren Kathoden jeweils mit dem positiven bzw. dem negativen Anschluss V+ und V– verbunden, und jeweils mit ihren Anoden miteinander verbunden. Eine differenzielle Abstimm-Eingangsspannung Vin wird zwischen die Kathoden der Kapazitätsdioden 13, 14, die einen positiven Eingangsanschluss definieren, und die Anoden der Kapazitätsdioden 15, 16, die einen negativen Eingangsanschluss definieren, angelegt.The most common form of an active parametric dish 10 according to the invention resembles a LC oscillator and consists of a tunable LC resonant circuit 11 and a circuit with negative resistance as a driver. The LC resonant circuit generally comprises an inductive element and a capacitive element. In integrated circuits it is preferred to use a differential LC resonant circuit 11 to use as he is in 1 is shown. The LC resonant circuit comprises an inductive element 12 , which is connected between a positive and a negative terminal, and four capacitance diodes 13 . 14 . 15 . 16 , Two of these capacitance diodes 13 . 14 are connected with their anodes respectively to the positive and the negative terminal V + and V - and connected to each other with their cathodes. The two other capacitance diodes 15 . 16 are connected with their cathodes respectively to the positive and the negative terminal V + and V - , and connected to each other with their anodes. A differential tuning input voltage V in is placed between the cathodes of the capacitance diodes 13 . 14 , which define a positive input terminal, and the anodes of the capacitance diodes 15 . 16 , which define a negative input terminal, applied.

Der Treiber 17 ist ebenfalls ein differenzieller Treiber und kann sowohl ein komplementärer Treiber mit negativem Widerstand, wie er in 2 gezeigt ist, oder ein kreuzgekoppeltes NMOS (oder PMOS) Paar mit einer mittig angezapften Spule im LC Schwingkreis sein, um eine DC Vorspannung zu liefern.The driver 17 is also a differential driver and can be both a complementary driver with negative resistance, as in 2 or a cross-coupled NMOS (or PMOS) pair with a center tapped coil in the LC resonant circuit to provide a DC bias.

Die Eigenresonanzfrequenz des LC Schwingkreises 11 wird auf den gewünschten Ausgangsfrequenzbereich zentriert. Ein Eingangssignal Vin, wird an den Eingang zum Verstimmen des LC Schwingkreises 11 angelegt, d. h. an die Kapazitätsdioden. Das Ausgangssignal Vout ist ein differenzielles Signal über den positiven und negativen Anschlüssen V+ und V– des LC Schwingkreises 11 mit präzise der halben Eingangsfrequenz (für ausreichend große Eingangsamplituden).The natural resonance frequency of the LC resonant circuit 11 is centered on the desired output frequency range. An input signal V in , is applied to the input for detuning the LC resonant circuit 11 created, ie to the capacitance diodes. The output signal V out is a differential signal across the positive and negative terminals V + and V - of the LC resonant circuit 11 with precisely half the input frequency (for sufficiently large input amplitudes).

Die Arbeitsweise des Schaltkreises ist wie folgt. Der aktive parametrische Teller 10 kann als ein LC Oszillator mit verstimmbarer Eigenresonanzfrequenz angesehen werden. Der Treiber für diesen „Oszillator” Ist jedoch nicht stark genug, um eine stabile Oszillation auf der Eigenresonanzfrequenz des LC Schwingkreises 11 aufrecht zu erhalten. Daher vermindert sich die Eigenresonanzfrequenz dieses Oszillators exponentiell aufgrund von dissipativen Verlusten im LC Schwingkreis 11. Wenn nun ein Eingangssignal an die Kapazitätsdioden 13 bis 16 des LC Schwingkreises 11 angelegt wird, wird der LC Schwingkreis „periodisch” (d. h. mit der Frequenz fin) auf Frequenzen höher oder niedriger als die Hälfte der Eingangsfrequenz verstimmt. Dieses periodische Verstimmen führt zu einer parametrischen Instabilität im Schwingkreis, ähnlich wie parametrische Oszillationen in der klassischen Mechanik wie es von V. I. Arnold, „Mathematical Methods of Classical Mechanics.”, Springer Verlag, New York 1989 beschrieben wurde.The operation of the circuit is as follows. The active parametric dish 10 can be considered as a LC oscillator with tunable self-resonant frequency. However, the driver for this "oscillator" is not strong enough to provide stable oscillation at the natural resonant frequency of the LC resonant circuit 11 to maintain. Therefore, the self-resonant frequency of this oscillator decreases exponentially due to dissipative losses in the LC resonant circuit 11 , If now an input signal to the capacitance diodes 13 to 16 of the LC resonant circuit 11 is applied, the LC resonant circuit is "periodically" (ie with the frequency f in ) detuned to frequencies higher or lower than half of the input frequency. This periodic detuning causes parametric instability in the tuned circuit, much like parametric oscillations in classical mechanics as described by VI Arnold, "Mathematical Methods of Classical Mechanics.", Springer, New York, 1989.

Diese parametrische Instabilität zeigt sich in einem exponentiellen Wachstumsmodus bei der Hälfte der Eingangsfrequenz fin. Dieser Wachstumsmodus ist, ähnlich einem LC Oszillator mit negativem Widerstand, begrenzt durch die Begrenzung (Clipping) aufgrund der Versorgungsspannung und Masse. Daher ist das Ausgangssignal Vout eine Oszillation von „rail to rail” bei der Hälfte der Frequenz fin des Eingangssignals Vin.This parametric instability manifests itself in an exponential growth mode at half the input frequency f in . This growth mode is, similar to a LC oscillator with negative resistance, limited by the limitation (clipping) due to the supply voltage and ground. Therefore, the output signal V out is an oscillation of "rail to rail" at half the frequency f in of the input signal V in .

Der Betriebsbereich für eine verlässliche Frequenzteilung des aktiven parametrischen Teilers 10 hängt ab von dem Einstellbereich der Kapazitätsdioden 13 bis 18 (für beste Ergebnisse sollte der Einstellbereich der Kapazitätsdioden größer als ungefähr das Doppelte des gewünschten Betriebsbereichs betragen), der Stärke des Treibers (je schwächer der Treiber desto geringer ist der Betriebsbereich) und der Form des Eingangssignals Vin (je größer die Amplitude des Eingangssignals bei der Frequenz fin desto größer ist der Betriebsbereich).The operating range for reliable frequency division of the active parametric divider 10 depends on the adjustment range of the capacitance diodes 13 to 18 (for best results, the range of adjustment of the capacitance diodes should be greater than approximately twice the desired operating range), the strength of the driver (the weaker the driver, the lower the operating range) and the shape of the input signal V in (the greater the amplitude of the input signal at is the frequency f is greater in the more the operating range).

Das Konzept des aktiven parametrischen Tellers kann sehr leicht auf einen parametrischen Quadraturteiler 20 verallgemeinert werden, wie er in 3 gezeigt ist. Wenn ein Eingangssignal Vin an zwei unabhängige aktive parametrische Teiler 10 und 10' angelegt wird, ist das Polaritätsvorzeichen des Eingangssignals entgegengesetzt an jedem LC Schwingkreis 11 und 11', so dass die beiden aktiven parametrischen Teiler bei der Hälfte der Eingangsfrequenz arbeiten und zwei Ausgangssignale Vout1 und Vout2 liefern mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90°.The concept of the active parametric plate can very easily be applied to a parametric quadrature divider 20 be generalized as he is in 3 is shown. When an input signal V in to two independent active parametric dividers 10 and 10 ' is applied, the polarity sign of the input signal is opposite to each LC resonant circuit 11 and 11 ' in that the two active parametric dividers operate at half the input frequency and provide two output signals V out1 and V out2 with a mutual phase difference of 90 °.

Die relativen Phasen zwischen den beiden parametrischen Teller 10 und 10', die in 3 gezeigt sind, haben immer noch eine Uneindeutigkeit von +/–90°. Daher hängt es von den anfänglichen Bedingungen ab, welcher der beiden Teiler dem anderen vorausläuft. Diese Uneindeutigkeit kann dadurch beseitigt werden, dass man den beiden Schwingkreisen eine bevorzugte relative Phasenbeziehung gibt. Dies kann dadurch erfolgen, ähnlich wie bei jedem Quadraturoszillator, dass man die beiden parametrischen Teller 10 und 10' kreuzkoppelt. Die Kreuzkoppler können durch jede Art von Treiber realisiert werden, wobei zur Vereinfachung komplementäre Treiber 17 in 4 gezeigt sind. Die Kreuzkopplung der beiden parametrischen Teller 10 und 10' verwendet acht Treiber 17 mit negativem Widerstand, die miteinander und mit den parametrischen Teilern 10, 10' gekoppelt sind, wie in 4 gezeigt. Die Ausgangssignale Vout1 und Vout2 haben eine feste Phasenbeziehung zueinander. Das Konzept für den aktiven parametrischen Quadraturoszillator kann ohne weiteres verallgemeinert werden auf jeden LC Schwingkreis mit 2n Phasen mit gleichem Abstand.The relative phases between the two parametric plates 10 and 10 ' , in the 3 shown still have an ambiguity of +/- 90 °. Therefore, it depends on the initial conditions which of the two divisors precedes the other. This ambiguity can be eliminated by giving the two resonant circuits a preferred relative phase relationship. This can be done, similar to any quadrature oscillator, by adding the two parametric plates 10 and 10 ' cross coupling. The cross couplers can be realized by any type of driver, with complementary drivers for simplicity 17 in 4 are shown. The cross-coupling of the two parametric plates 10 and 10 ' uses eight drivers 17 with negative resistance to each other and to the parametric dividers 10 . 10 ' are coupled, as in 4 shown. The output signals V out1 and V out2 have a fixed phase relation to each other. The concept for the active parametric quadrature oscillator can be readily generalized to any LC circuit with 2n phases equidistant.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
aktiver parametrischer Teiler 10' active parametric divider 10 '
1111
LC-Schwingkreis 11' LC resonant circuit 11 '
1212
induktives Elementinductive element
1313
Kapazitätsdiodecapacitance diode
1414
Kapazitätsdiodecapacitance diode
1515
Kapazitätsdiodecapacitance diode
1616
Kapazitätsdiodecapacitance diode
1717
Treiber (negativer Widerstand) 17' Driver (negative resistance) 17 '
2020
parametrischer Quadraturteiler 20' parametric quadrature divider 20 '

Claims (7)

Aktiver parametrischer Quadraturteiler (20) für Radiofrequenzen, der aus zwei aktiven parametrischen Teilern (10, 10') besteht, wobei jeder der beiden aktiven parametrischen Teiler (10, 10') folgendes umfasst: einen verstimmbaren LC Schwingkreis (11) und eine Treiberschaltung mit negativem Widerstand (17), dadurch gekennzeichnet, dass der LC Schwingkreis (11) ein induktives Element (12) und ein kapazitives Element, bestehend aus mehreren miteinander verbundenen Kapazitätsdioden (13 bis 16), umfasst, dass das induktive Element (12) zwischen einem positiven und einem negativen Anschluss angeschlossen ist, und dass zwei erste Kapazitätsdioden (13, 14) mit ihren Anoden jeweils mit dem positiven bzw. dem negativen Anschluss und mit ihren Kathoden miteinander verbunden sind, und zwei zweite Kapazitätsdioden (15, 16) mit ihren Kathoden jeweils mit dem positiven bzw. dem negativen Anschluss und mit ihren Anoden miteinander verbunden sind, dass eine differenzielle Abstimmeingangsspannung zwischen einem positiven Eingangsanschluss, definiert durch die Kathoden der zwei ersten Kapazitätsdioden (13, 14), und einem negativen Eingangsanschluss, definiert durch die Anoden der zwei zweiten Kapazitätsdioden (15, 16), angelegt wird, und dass das Polaritätsvorzeichen der angelegten differenziellen Abstimmeingangsspannung an jedem der LC Schwingkreise (11, 11') entgegengesetzt ist, so dass die beiden aktiven parametrischen Teiler auf der halben Eingangsfrequenz mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90° arbeiten.Active parametric quadrature divider ( 20 ) for radio frequencies, consisting of two active parametric dividers ( 10 . 10 ' ), each of the two active parametric dividers ( 10 . 10 ' ) comprises: a tunable LC resonant circuit ( 11 ) and a driver circuit with negative resistance ( 17 ), characterized in that the LC resonant circuit ( 11 ) an inductive element ( 12 ) and a capacitive element consisting of a plurality of capacitance diodes ( 13 to 16 ), that comprises the inductive element ( 12 ) is connected between a positive and a negative terminal, and that two first capacitance diodes ( 13 . 14 ) are each connected with their anodes with the positive and the negative terminal and with their cathodes, and two second capacitance diodes ( 15 . 16 ) having their cathodes respectively connected to the positive and the negative terminal and their anodes, that a differential tuning input voltage between a positive input terminal, defined by the cathodes of the two first capacitance diodes ( 13 . 14 ), and a negative input terminal, defined by the anodes of the two second capacitance diodes ( 15 . 16 ), and that the polarity sign of the applied differential tuning input voltage at each of the LC resonant circuits ( 11 . 11 ' ) is opposite, so that the two active parametric dividers operate at half the input frequency with a mutual phase difference of 90 °. Aktiver parametrischer Teiler für Radiofrequenzen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung mit negativem Widerstand (17) einen differenziellen Treiber umfasst.Active parametric splitter for radio frequencies according to claim 1, characterized in that the negative resistance driver circuit ( 17 ) comprises a differential driver. Aktiver parametrischer Teiler für Radiofrequenzen gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung mit negativem Widerstand (17) ein komplementärer Treiber mit negativem Widerstand ist.Active parametric splitter for radio frequencies according to one of claims 1 or 2, characterized in that the negative resistance driver circuit ( 17 ) is a complementary driver with negative resistance. Aktiver parametrischer Teiler für Radiofrequenzen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung mit negativem Widerstand (17) ein kreuzgekoppeltes NMOS oder PMOS Paar ist, mit einer zentral angezapften Spule im LC Schwingkreis zur Bereitstellung einer DC Vorspannung.Active parametric splitter for radio frequencies according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the negative resistance driver circuit ( 17 ) is a cross-coupled NMOS or PMOS pair, with a centrally tapped coil in the LC resonant circuit to provide a DC bias. Aktiver parametrischer Teiler für Radiofrequenzen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der LC Schwingkreis (11) eine Eigenresonanzfrequenz hat, die auf den gewünschten Ausgangsfrequenzbereich zentriert ist.Active parametric splitter for radio frequencies according to one of claims 1 to 4, characterized in that the LC resonant circuit ( 11 ) has a natural resonant frequency centered on the desired output frequency range. Aktiver parametrischer Teiler für Radiofrequenzen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden parametrischen Teiler (10, 10') miteinander kreuzgekoppelt sind.Active parametric splitter for radio frequencies according to one of claims 1 to 5, characterized in that the two parametric dividers ( 10 . 10 ' ) are cross-coupled with each other. Aktiver parametrischer Teiler für Radiofrequenzen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem integrierten Schaltkreis implementiert ist.Active radio frequency parametric splitter according to one of Claims 1 to 6, characterized in that it is implemented in an integrated circuit.
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