DE60306532T2 - Lc-oszillator - Google Patents

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Landscapes

  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen LC-Oszillator.
  • US-6 281 758 offenbart einen LC-Oszillator, wobei der Resonanzkreis als „Varaktor-Abstimmkreis" bezeichnet wird, wobei die Kondensatoren durch spannungsgesteuerte Kondensatoren, ebenfalls als Varaktoren bekannt, gebildet werden. Die Induktoren und Kondensatoren sind mit den kreuzgekoppelten PMOS-Transistoren des aktiven Schaltkreises unmittelbar verbunden. Der Knoten, welcher die beiden Induktoren verbindet, ist mit einem, einen NMOS-Transistor enthaltenden Pufferkreis verbunden, welcher wiederum an Erde gelegt ist.
  • Bei der Entwicklung von LC-Oszillatoren wurden MOS- (Metall-Oxid-Halbleiter) Transistoren (ebenfalls als MOSFETs bekannt) gegenüber Bipolartransistoren auf Grund der Rauschcharakteristiken der MOS-Transistoren und des gleichmäßigen Übergangs von dem gesättigten in den linearen Betriebsbereich bevorzugt. Der Oszillator von US 6 281 758 sieht ein Paar PMOS- (p-Kanal-MOS-) Transistoren vor, welche, im Vergleich zu herkömmlich verwendeten NMOS- (n-Kanal-MOS-) Transistoren, ein wesentlich geringeres Flimmern und eine bessere Substratisolation ermöglichen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Steilheit der PMOS-Transistoren bei einem bestimmten Vorspannungsstrom etwa die Hälfte ihrer NMOS-Gegenstücke ausmacht, wodurch sich eine geringere Oszillatorsignalverstärkung ergibt.
  • C. M. Hung, B. A. Floyd, N. Park und Kenneth K. O., „Fully Integrated 5.35-GHz CMOS VCOs and Prescalers", IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, Band 49, Seiten 17–22, Nr. 1, Januar 2001, beschreiben einen LC-Oszillator, welcher MOS-Varaktoren, PMOS-Transistoren und ein optimiertes Resonator-Layout aufweist.
  • Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, einen LC-Oszillator vorzusehen, welcher eine verbesserte Oszillatorsignalverstärkung vorsieht und dabei die vorteilhaften Eigenschaften der PMOS-Transistoren beibehält. Die Erfindung wird durch den Nebenanspruch definiert. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungsbeispiele.
  • Demzufolge weist ein Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung einen ersten und einen zweiten Transistor-Hilfsstromkreis zur weiteren Verstärkung des Oszilla torsignals auf, wobei jeder Transistor-Hilfsstromkreis jeweils einen Eingangsanschluss vorsieht, welcher mit dem Drain des ersten und zweiten PMOS-Transistors verbunden ist.
  • Das heißt, die Transistor-Hilfsstromkreise des LC-Oszillators verbessern dessen Verstärkung, während die Grundkonfiguration des Oszillators unbeeinflusst bleibt. Insbesondere wird die kreuzgekoppelte PMOS-Transistoranordnung nicht verändert. Stattdessen befinden sich die Transistor-Hilfsstromkreise im Wesentlichen außerhalb des kreuzgekoppelten Transistorpaares und sind so geschaltet, dass sie die Rauschkennwerte des Oszillators nicht nachteilig beeinflussen.
  • Bei einem Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung weisen der erste und der zweite Transistor-Hilfsstromkreis einen Ausgangsanschluss auf, welche jeweils mit der Source des ersten und zweiten PMOS-Transistors verbunden sind. Das heißt, die Transistor-Hilfsstromkreise sind jeweils zwischen dem Drain und der Source der PMOS-Transistoren geschaltet. Vorzugsweise sind die Ausgangsanschlüsse des ersten und zweiten Transistor-Hilfsstromkreises durch Kopplungskondensatoren an die Sources der PMOS-Transistoren gekoppelt.
  • In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind der erste und zweite PMOS-Transistor jeweils mit einem hinteren Gate versehen, welches mit einem Ausgangsanschluss eines jeweiligen Transistor-Hilfsstromkreises verbunden ist. Hierdurch wird ein zusätzlicher Signalweg vorgesehen, welcher die Verstärkung des Oszillatorsignals unterstützt.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind der erste und zweite Transistor-Hilfsstromkreis jeweils in Reihe mit dem ersten und dem zweiten PMOS-Transistor geschaltet. Das heißt, sie sind vorzugsweise direkt an die Sources der jeweiligen PMOS-Transistoren gekoppelt.
  • Der erste und der zweite Transistor-Hilfsstromkreis können jeweils einen Bipolartransistor, einen MOS-Transistor oder beide aufweisen. Vorzugsweise ist ein solcher MOS-Transistor durch einen NMOS-Transistor dargestellt.
  • Vorzugsweise sind der erste und/oder der zweite Kondensator durch einen regelbaren Kondensator dargestellt. Dadurch kann die Oszillatorfrequenz abgestimmt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, Kondensatoren mit einem Festwert einzusetzen.
  • Nach einem wichtigen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird vorgezogen, dass der Resonanzkreis direkt an Erde gelegt ist. Dieses ist insbesondere bei solchen Ausführungsbeispielen von Vorteil, bei denen der Resonanzkreis regelbare Kondensatoren enthält. Solche Kondensatoren machen eine Abstimmspannung erforderlich, welche, wenn der Resonanzkreis an Erde gelegt ist, über einen wesentlich größeren Bereich verändert werden kann, als es sonst der Fall wäre. Somit wird ein größerer Frequenzabstimmungsbereich erhalten. Darüber hinaus sind die (Anoden) Anschlüsse der regelbaren Kondensatoren somit mit einer direkten DC-Erdung versehen, was in einer Abstimmspannung mit einem sehr geringen Rauschen und folglich einem Oszillatorsignal mit einer hohen, spektralen Reinheit resultiert.
  • Eine direkte Erdung des Resonanzkreises kann ebenfalls bei nicht abstimmbaren LC-Oszillatoren, das heißt, Oszillatoren mit festen Kondensatorwerten, erfolgen.
  • Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin einen integrierten Schaltkreis mit einem LC-Oszillator, wie oben definiert, sowie eine Anordnung mit einem LC-Oszillator, wie oben definiert, vor. Der Oszillator der vorliegenden Erfindung eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen eine relativ niedrige Versorgungsspannung verwendet wird. Exemplarische Vorrichtungen, bei denen der Oszillator der vorliegenden Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden kann, sind Fernsehtuner, Kanalumsetzer und ähnliche Telekommunikationsgeräte.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 – eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 – eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 – eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Der lediglich durch ein nicht einschränkendes Beispiel in 1 dargestellte Oszillator 1 weist einen Resonanzkreis, einen aktiven Schaltkreis sowie zwei Transistor-Hilfsstromkreise auf. Der Resonanzkreis (welcher ebenfalls als Parallelresonanzkreis bezeichnet werden kann) weist einen ersten Induktor La und einen zweiten Induktor Lb, welche in Reihe geschaltet sind, sowie einen ersten Kondensator Cva und einen zweiten Kondensator Cvb, welche ebenfalls in Reihe geschaltet sind, parallel zu den Induktoren auf, so dass diese einen geschlossenen Regelkreis bilden. Die Kondensatoren Cva und Cvb sind regelbare Kondensatoren und nehmen einen zweiten Abstimmkondensator Cvb auf, wobei diese parallel zu den Induktoren ebenfalls in Reihe geschaltet sind, um einen geschlossenen Regelkreis zu bilden. Die Kondensatoren Cva und Cvb sind regelbare Kondensatoren und nehmen eine Abstimmspannung Vtun an ihrem gemeinsamen Knoten auf. Der gemeinsame Knoten der Induktoren ist, wie unten näher erläutert, als an Erde gelegt dargestellt.
  • Der aktive Schaltkreis weist zwei PMOS-Transistoren Ma und Mb auf, welche kreuzgekoppelt sind, das heißt, das Gate von Transistor Mb ist mit dem Drain von Transistor Ma verbunden, während das Gate von Transistor Ma mit dem Drain von Transistor Mb verbunden ist. Die Drains des ersten und zweiten PMOS-Transistors Ma und Mb sind ebenfalls jeweils an den ersten und zweiten Kondensator Cva, Cvb und den ersten und zweiten Induktor La und Lb gekoppelt. Die Sources der PMOS-Transistoren Ma und Mb sind mit Stromquellen verbunden, welche (gleiche) Vorspannungsströme abgeben.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Oszillatorschaltung 1 weiterhin zwei Transistor-Hilfsstromkreise (oder zusätzliche Verstärkungsschaltungen) mit jeweils den Transistoren Qa und Qb auf. Diese Transistoren Qa und Qb, welche als Bipolartransistoren vom npn-Typ dargestellt sind, weisen jeweils eine Basis auf, welche über einen Kopplungskondensator CBa, CBb an den Drain des jeweiligen PMOS-Transistors gekoppelt ist. Der den Kopplungskondensator CBa, CBb mit dem PMOS-Transistor Ma, Mb verbindende Knoten bildet den Eingangsanschluss des jeweiligen Transistor-Hilfsstromkreises, während der Ausgangsanschluss durch den Knoten gebildet wird, welcher einen weiteren Kopplungskondensator CEa, CEb mit der Source des PMOS-Transistors Ma, Mb verbindet. Dieser weitere Kopplungskondensator CEa, CEb ist mit dem Emitter des Transistors Qa, Qb verbunden, womit eine Emitterverstärkerschaltung gebildet wird.
  • Ebenfalls mit dem Emitter der Transistoren Qa, Qb ist ein hinteres Gate der PMOS-Transistoren Ma, Mb verbunden. Das hintere Gate oder der „Bulkanschluss" ist ein parasitärer MOS-Transistoranschluss, welcher eine weitere Gelegenheit zur Signalsteuerung bietet.
  • Wie aus 1 ersichtlich, ist die Grundkonfiguration des LC-Oszillators 1 von 1 mit der vom Stand der Technik her bekannten identisch. Die Transistor-Hilfsstromkreise Qa und Qb sehen eine zusätzliche Verstärkung vor. Die zusätzliche Verstärkung wird erreicht, ohne die ausgezeichneten Rauschcharakteristiken der Oszillator-Grundschaltung zu beeinträchtigen.
  • Wie oben angegeben, ist der Resonanzkreis (Cva, Cvb, La, Lb) des Ausführungsbeispiels von 1 direkt an Erde gelegt. Hierdurch kann die den regelbaren Konden satoren (Varaktoren) Cva, Cvb zugeführte Abstimmspannung Vtun von der Versorgungsspanung Vcc bis zu einer, zur Vorspannung der Varaktoren erforderlichen Mindestspannung von etwa 0,3 V reichen. Dieser Abstimmbereich ist wesentlich größer als bei LC-Oszillatoren nach dem Stand der Technik, bei welchen der Resonanzkreis typischerweise bei einer Spannung im Bereich zwischen der Versorgungsspannung und Erde arbeitet. Mittel, um die Anodenanschlüsse der regelbaren Kondensatoren unter Verwendung von AC-Kopplung künstlich an Erde zu legen, haben einen nachteiligen Einfluss auf die spektrale Reinheit sowie auf den Frequenzabstimmbereich. Infolgedessen weist der Oszillator der vorliegenden Erfindung einen wesentlich größeren Abstimmbereich auf.
  • In dem dargestellten Beispiel weisen die Transistor-Hilfsstromkreise jeweils einen einzelnen Bipolartransistor auf. Es besteht jedoch die Möglichkeit, an Stelle des Bipolartransistors einen MOS-Transistor oder in jedem Transistor-Hilfsstromkreis mehrere Transistoren zu verwenden.
  • Obgleich das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Oszillators 1 der vorliegenden Erfindung in 1 dargestellt ist, sind alternative Lösungen möglich.
  • In dem Ausführungsbeispiel von 2 sind die Hilfstransistoren Qa, Qb in Reihe mit den PMOS-Transistoren Ma, Mb angeordnet: die Emitter von Qa, Qb sind mit den Sources von Ma, Mb verbunden. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass es weniger Komponenten erforderlich macht und durch gemeinsames Nutzen von Vorspannungsströmen (IDC) leistungsstärker ist. Das Ausführungsbeispiel von 3 ist, mit der Ausnahme der Bipolartransistoren Qa, Qb, welche durch die NMOS-Transistoren Na, Nb ersetzt wurden, mit diesem von 2 im Wesentlichen identisch.
  • Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, basiert die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, dass die vorteilhaften Rauscheigenschaften von PMOS-Transistoren aufrechterhalten und dabei ein LC-Oszillator mit einer höheren Verstärkung vorgesehen werden sollte. Diese höhere Verstärkung heißt, dass die Anwendungen des Oszillators der vorliegenden Erfindung nicht auf Resonanzkreise mit einem hohen Qualitätsfaktor (hohe Resonanzimpedanz) beschränkt sind, und dass Resonanzkreise mit einem geringeren Qualitätsfaktor ebenfalls verwendet werden können. Darüber hinaus ist ein größerer Sicherheitsspielraum dagegen vorgesehen, dass bei extremen Betriebszuständen keine Oszillation auftritt, was aus Schwankungen der Versorgungsspannung, Temperaturschwankungen und Parameteränderungen resultieren kann, die sich wiederum aus Variationen bei dem Herstellungsverfahren der integrierten Schaltkreise, in welche die Oszillatoren integ riert sein können, ergeben können. Bei dem LC-Oszillator der vorliegenden Erfindung wird die Grundkonfiguration des Oszillators aufrechterhalten, jedoch sind zusätzlich Transistoren angeordnet, um die Signalverstärkung zu erhöhen.
  • Es sei erwähnt, dass in diesem Dokument das Wort „aufweisen" bzw. „aufweist" bzw. „mit" weitere Elemente oder Schritte nicht ausschließen soll, und dass die Verwendung des Wortes „ein" bzw. „eine" eine große Anzahl nicht ausschließt. Die in der Zeichnung dargestellten Einzeltransistoren Qa, Qb, Na und/oder Nb können durch eine Transistorschaltung, welche aus zwei Transistoren oder mehr besteht, ersetzt werden.
  • Es liegt daher für Fachkundige auf der Hand, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, und dass viele Modifikationen und zusätzliche Anordnungen vorgenommen werden können, ohne dabei von dem Anwendungsbereich der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen.

Claims (12)

  1. LC-Oszillator (1) zur Erzeugung eines Oszillatorsignals mit: – einem Resonanzkreis mit einem ersten und einem zweiten Kondensator (Cva, Cvb) und einer ersten und einer zweiten Induktivität (La, Lb) zur Bestimmung der Frequenz des Oszillatorsignals, – einem aktiven Schaltkreis mit einem ersten und einem zweiten PMOS-Transistor (Ma, Mb) zur Verstärkung des Oszillatorsignals, wobei das Gate eines jeden Transistors mit dem Drain des anderen Transistors unmittelbar verbunden ist, um ein direkt kreuzgekoppeltes Transistorpaar vorzusehen, wobei der aktive Schaltkreis mit dem Resonanzkreis verbunden ist, – wobei der Oszillator weiterhin einen ersten und einen zweiten Transistor-Hilfsstromkreis (Qa, Qb; Na, Nb) zur weiteren Verstärkung des Oszillatorsignals aufweist, wobei jeder Transistor-Hilfsstromkreis einen Eingangsanschluss aufweist, welcher jeweils mit dem Drain des ersten und des zweiten PMOS-Transistors verbunden ist, wobei der LC-Oszillator dadurch gekennzeichnet ist, dass – der erste und der zweite Transistor-Hilfsstromkreis (Qa, Qb; Na, Nb) jeweils einen Ausgangsanschluss aufweisen, welcher jeweils mit der Source des ersten und des zweiten PMOS-Transistors verbunden ist.
  2. LC-Oszillator nach Anspruch 1, wobei die Ausgangsanschlüsse des ersten und des zweiten Transistor-Hilfsstromkreises (Qa, Qb) durch Kopplungskondensatoren (CEa, CEb) mit der Source der PMOS-Transistoren (Ma, Mb) verbunden ist.
  3. LC-Oszillator nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite PMOS-Transistor (Ma, Mb) jeweils mit einem steuerbaren, hinteren Gate versehen sind, welches mit einem Ausgangsanschluss eines jeweiligen Transistor-Hilfsstromkreises (Qa, Qb) verbunden ist.
  4. LC-Oszillator nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite Transistor-Hilfsstromkreis (Qa, Qb; Na, Nb) jeweils mit dem ersten und dem zweiten PMOS-Transistor in Reihe geschaltet sind.
  5. LC-Oszillator nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Transistor-Hilfsstromkreis (Qa, Qb) jeweils einen Ausgangsanschluss aufweisen, welcher mit dem Resonanzkreis verbunden ist.
  6. LC-Oszillator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste und der zweite Transistor-Hilfsstromkreis (Qa, Qb) einen Bipolartransistor aufweisen.
  7. LC-Oszillator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste und der zweite Transistor-Hilfsstromkreis (Na, Nb) einen MOS-Transistor, vorzugsweise einen NMOS-Transistor, aufweisen.
  8. LC-Oszillator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste und/oder der zweite Kondensator (Cva, Cvb) durch einen regelbaren Kondensator dargestellt sind/ist.
  9. LC-Oszillator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Resonanzkreis direkt an Erde gelegt ist.
  10. Integrierter Schaltkreis mit einem LC-Oszillator nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
  11. Anordnung mit einem LC-Oszillator (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
  12. Anordnung nach Anspruch 12, welche durch ein Fernsehgerät oder ein Telekommunikationsgerät dargestellt ist.
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