FI100754B - Oskillaattoripiiri - Google Patents

Description

100754

Oskillaattoripiiri

Keksinnön kohteena ovat yleisesti värähtelypiirit eli oskillaattorit, ja erityisesti multivibraattoreihin 5 perustuvat säädettävät oskillaattorit.

Virta- ja jänniteohjatut oskillaattorit (ICO ja VCO) ovat tärkeitä komponentteja lähettimien ja vastaanottimien rakenteissa. Päävaatimukset VCO/ICO:lle, kun tähdätään sovelluksiin kannettavissa langattomissa 10 tietoliikennejärjestelmissä, ovat: 1-20 GHz toimintataa- juusalue, hyvin alhainen vaihekohina, sekä mahdollisimman alhainen käyttöjännite ja tehonkulutus. Rakenteesta riippuen tietoliikennelaite voi sisältää useita VCO/ICO:ita, joita tarvitaan eri tarkoituksiin, esimer-15 kiksi taajuuskonversio, syntesointi, modulointi, jne.

Niiden suorituskyky vaikuttaa voimakkaasti koko tieto-liikenneyksikön suorituskykyyn. Toisaalta tarve implementoida nämä oskillaattorit piiteknologioille kohtaa useita ongelmia.

20 Viimeisten vuosien aikana monet tutkimustyöt on keskittyneet löytämään optimaalisia ratkaisuja.

; VCO/ICO:iden ytimenä käytetään pääasiallisesti kahta oskillaattorityyppiä: sinioskillaattorit ja relaksaatio- V ; oskillaattorit. Sinioskillaattorit tuottavat tavallises- *:*·: 25 ti parhaat parametrit mitä tulee korkeaan taajuuteen ja : alhaiseen vaihekohinaan, mutta ne ovat helposti imple- • · · ;*·*; mentoitavissa enimmäkseen vain GaAS-teknologioilla.

Siirtyminen Bipolaari-, CMOS-, tai BiCMOS-teknologioihin :·. aiheuttaa monia ongelmia pääasiallisesti hyvin johtavan • ·« 30 substraatin vuoksi. Toisaalta tällaisten käytettävissä • · · *. olevien teknologioiden nopeus on haastamassa tutkijat, r * · koska se nykyisin saavuttaa 10-40 GHz tran- sienttitaajuudet, jota aikaisemmin pidettiin taajuusalu- eena, joka voitaisiin kattaa vain GaAS-pohjäisillä mate- ! . 35 riaaleilla. Piipohjaisten teknologioiden nopeus on jo « ♦ 2 100754 riittävä matkaviestintietoliikenteeseen taajuusalueella 1-20 Ghz, jota useimmat matkaviestimet ja langattomat LANit käyttävät. Lisäksi yksi ohjaava tekijä kannettavien laitteiden suunnittelussa on aina ollut voimakas vaa-5 timus toimia niin alhaisella käyttöjännitteellä kuin mahdollista ja kuluttaa hyvin vähän tehoa.

LC-tyyppisissä oskillaattoreissa aktiiviset pii-rikomponentit pidetään poissa epälineaariselta toiminta-alueelta, kun taas relaksaatio-oskillaattoreissa si-10 nimäinen signaali on tulosta pulssipiirin kyvyttömyydestä kytkeä riittävän nopeasti hyvin suurilla taajuuksilla .

Värähtelypiirejä eli oskillaattoreita voidaan toteuttaa monilla eri piirirakenteilla. Eräs näistä on 15 astabiili (vapaasti käyvä) multivibraattori. Kuviossa 1 on esitetty eräs perinteinen emitterikytketty multivib-raattoripiiri, jota on käytetty jänniteohjattujen oskillaattorien (VCO) toteuttamiseen. Piiri käsittää kaksi transistoria Q1 ja Q2, joiden välille on aikaansaatu 20 positiivinen takaisinkytkentä kytkemällä kukin transistorin kollektori puskuritransistorin Q3,Q4 kautta ohjaa- : maan toisen transistorin kantaa. Ql:n ja Q2:n kollekto- rit on kytketty vastuksien Rcl ja vastaavasti Rc2 kautta käyttöjännitelähteen 1 yhteen potentiaaliin, ja emitte-25 rit on kytketty virtalähteiden 3 ja vastaavasti 4 kautta • · . käyttöjännitelähteen alempaan potentiaaliin. Vastaavasti • · · *··' puskuritransistorien Q3 ja Q4 emitterit on kytketty vir- • i « *·* talähteiden 5 ja 6 kautta alempaan potentiaaliin. Lisäk si Ql:n ja Q2:n emittereiden väliin on kytketty ka- • · • *·· 30 pasitanssi C. Positiivinen takaisinkytkentä sekä vastus- ten RC1 ja RC2 ja kapasitanssin C muodostamat sarja-resonanssipiirit Rcl-C ja Rc2-C aikaansaavat sen, että multivibraattorin ulostulo jatkuvasti värähtelee kahden • i , tilan välillä, kun värähtely on kerran Hipaistu käyn- f I · ·/· · 35 tiin. Värähtelytaajuus määräytyy RC-sarjaresonanssipii- • « • · · « 3 100754 rien komponenttien arvoista.

Seuraavassa tarkastellaan lähemmin multivibraat-torin toimintaa. Oletetaan aluksi, että Q1 ja Q3 ovat pois päältä (johtamaton tila). Ql:n ollessa pois päältä 5 ovat Ql:n kollektori sekä Q2:n kanta suurinpiirtein käyttöjännitepotentiaalissa. Tällöin on Q2 päällä (johtava tila), ja sen emitterivirta on 11+12. Samoin on puskuritransistori Q4 on päällä syöttäen kantavirtaa Q2:lle. Q2: n johtaessa virta II kulkee Q2:n emitteriltä 10 kapasitanssin C kautta Ql:n emitterille. Tällöin virta Il varaa/purkaa kapasitanssin C varausta, jolloin Ql:n emitteripotentiaali putoaa tietyllä nopeudella, kunnes Q1 alkaa johtaa Ql:n kantaemitterijännitteen ylittäessä n. 0.6V. Kun Q1 alkaa johtaa, sen kollektorijännite al-15 kaa pudota, minkä seurauksena puskuritransistori Q3 alkaa sulkeutua. Q4:n kautta syntyvän positiivisen takaisinkytkennän vuoksi myös Q2:n kantajännite putoaa ja Q2 sulkeutuu. Q2:n sulkeutuminen aiheuttaa Q2:n kollektori j ännitteen kasvamisen, mikä nopeuttaa Q3 avautumis-20 ta. Q3:n avautuminen kasvattaa, positiivisen takaisinkytkennän kautta, Ql:n kantavirtaa. Suurempi kantavirta ; purkaa nopeammin Ql:n kantapiirin loiskapasitanssit ja sitä kautta nopeuttaa Ql:n avautumista. Q2:n ollessa pois päältä ja Ql:n päällä, virta 12 kulkee Ql:n emitte- * * * * . 25 riitä kapasitanssin C kautta Q2:n emitterille, jossa • · emitterijännite alkaa pudota kunnes aiheuttaa jälleen • · i Q2:n avautumisen ja, Q3:n kautta, Ql:n sulkeutumisen.

• « · • · · *.* ' Tällaisen multivibraattoripiirin nopeus (maksimi- resonanssitaajuus) riippuu ensisijaisesti transistorei- • · j *.· 30 den Q1 ja Q2 ominaisuuksista. Puskuritransistorit Q3 ja Q4 nostavat multivibraattoripiirin nopeutta, koska ne mahdollistavat suuremman kantavirran, joka puolestaan purkaa nopeammin transistorien Q1 ja Q2 kantapiirin loiskapasitanssit ja näin nopeuttaa transistorin kytkey- ii ; 35 tyrnistä tilasta toiseen.

• ( I

4 100754

Pienin mahdollinen käyttöjännite Vcc saavutetaan, kun oletetaan, että virtalähteet 3 ja 4 ovat ideaalisia, ts. niissä ei synny jännitehäviötä. Kun ideaaliset virtalähteet korvataan jollakin käytännön piirirakenteella, 5 kuten virtapeileillä, Vcc kasvaa. Jos mennään takaisin piirin toimintaperiaatteeseen, todetaan, että virtatiet ovat joko Ql-C-virtapeili4 tai Q2-C-virtapeili3 ja että virtapeilit tuottavat stabiilin virran referenssikonden-saattorin C läpi, mikä on pääsyy tyypilliseen alhaiseen 10 vaihekohinaan. Kun nyt etsitään uutta tapaa kasvattaa nopeutta, referenssikondensaattoria ei voida enää pienentää paljon enempää, koska siitä tulee loiska-pasitanssien suuruusluokkaa, minkä seurauksena piirin hallittu suunnittelu ei ole mahdollista.

15 Nykyisin on kuitenkin tarve yhä suurempiin no peuksiin samalla kun käyttöjännite haluttaisiin saada mahdollisimman alhaiseksi, erityisesti elektroniikka-laitteissa, joissa käytetään akkuteholähteitä.

Jännite- tai virtaohjatun oskillaattorin toteut-20 taminen multivibraattoripiirin avulla vaatii sopivan säätöratkaisun lisäämistä piiriin. Tällaisen säädön tulisi olla mahdollisimman yksinkertainen.

Kuvion 1 piirissä pulssiamplitudi määräytyy virtojen 11+12 summasta kerrottuna vastaavan jakson (cycle) * . 25 kollektorivastuksen Rcl tai Rc2 arvolla. Pulssin levey den määrää sen virran arvo, joka II tai 12 syöttää re- • · · *·!·' ferenssikondensaattorin C kautta sen uudelleenvarausjak- • · · ·.· - sojen aikana. Täten taajuudensäätöä varten täytyy muut taa joko referenssikondensaattorin C kapasitanssia tai : 30 sen läpi kulkevaa virtaa.

Kapasitanssin muuttaminen voidaan tehdä, jos re-ferenssikondensaattorina C käytetään varaktoria. Ongelmana on kuitenkin, että varaktoriteknologiat eivät ole yleensä yhteensopivia esimerkiksi BiCMOS-teknologioiden 35 kanssa. BiCMOS-teknologiassa voidaan käyttää sen sijaan 5 100754 PN-liitosta. Mutta tällöin kuvio 1 piirissä kondensaattori työskentelee jatkuvasti vaihtaen jännitteen polariteettia. Tässä tapauksessa kahden varaktorin sarjaankytkentä, vastakkaisesti toisiin nähden, voi olla jonkin-5 lainen ratkaisu, mutta toisen diodin myötäsuuntaisen jännitealueen toiminnasta, esiintyy tiettyjä epälineaarisuuksia ja multivibraattorin vaihekohina saattaisi olla niin korkea, ettei sitä voida hyväksyä.

Toinen vaihtoehto on muuttaa virtaa ja sen seu-10 rauksena kondensaattorin uudelleenvarauksen nopeutta.

Tämä on hyvin tehokas tapa säätää värähtelyjen taajuutta, mutta pääasiallisin epäkohta on sen suora vaikutus pulssien amplitudiin.

Esillä olevan keksinnön eräänä päämääränä on uusi 15 jännite- tai virtaohjattu oskillaattoripiiri, jolla on suurempi nopeus tekniikan tason piireihin verrattuna.

Esillä olevan keksinnön vielä eräänä päämääränä on uusi jännite- tai virtaohjattu oskillaattoripiiri, jossa on yksinkertainen ja laaja taajuudensäätö.

20 Keksinnön kohteena on oskillaattori, joka käsit tää . . käyttöjännitelähteen, ;· ’ ensimmäisen epälineaarisen vahvistinvälineen, joka käsittää ensimmäisen ja toisen pääelektrodin sekä ·.* * 25 ohjauselektrodin, toisen epälineaarisen vahvistinkomponentin, joka :: : käsittää ensimmäisen ja toisen pääelektrodin sekä oh- jauselektrodin, kolmannen vahvistinkomponentin, jonka pääelekt- :·. 30 rodit on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin oh- • · *· j auselektrodille ja käyttöjännitelähteen ensimmäiseen • · · potentiaaliin ja jonka ohjauselektrodi on toiminnallisesti kytketty toisen vahvistinkomponentin ensimmäiselle pääelektrodille niin, että aikaansaadaan positiivinen 35 takaisinkytkentä, 6 100754 neljännen vahvistinkomponentin, jonka pääelekt-rodit on kytketty toisen vahvistinkomponentin oh-jauselektrodille ja käyttöjännitelähteen ensimmäiseen potentiaaliin ja jonka ohjauselektrodi on toiminnalli-5 sesti kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin ensimmäiselle pääelektrodille niin, että aikaansaadaan positiivinen takaisinkytkentä, kapasitiivisen komponentin, joka on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin toisen pääelektrodin ja 10 toisen vahvistinkomponentin toisen pääelektrodin väliin, ensimmäisen ja toisen vastuksen, joiden kautta ensimmäisen vahvistinkomponentin ensimmäinen pääelektro-di ja vastaavasti toisen vahvistinkomponentin ensimmäinen pääelektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen ensim-15 mäiseen potentiaaliin. Oskillaattorille on tunnusomaista, että se käsittää viidennen vahvistinkomponentin, jonka ensimmäinen pääelektrodi on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin toiselle pääelektrodille, neljännen vahvistin-20 välineen toisen pääelektrodin ollessa toiminnallisesti kytketty ohjaamaan viidettä vahvistinvälinettä positiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi, kuudennen vahvistinkomponentin, jonka ensimmäinen pääelektrodi on kytketty toisen vahvistinkomponentin '.· · 25 toiselle pääelektrodille, kolmannen vahvistinkomponentin toisen pääelektrodin ollessa toiminnallisesti kytketty ohjaamaan kuudetta vahvistinkomponenttia positiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi, ensimmäisen säädettävän virtalähteen, jonka επί·. 30 simmäinen napa on kytketty viidennen ja kuudennen vah- vistinkomponentin toisille pääelektrodeille ja toinen «Il napa on kytketty jännitelähteen toiseen potentiaaliin, mainitun oskillaattorin taajuuden ollessa säädettävissä ‘ " ensimmäisen virtalähteen virtaa II säätämällä, 35 välineet kompensointivirran johtamiseksi ensim-

I I

• · « ♦ · 7 100754 mäisen vastuksen ja vastaavasti toisen vastuksen kautta siten, että kunkin vastuksen läpi kulkeva virta on oleellisesti vakio ja virrasta II riippumaton.

Keksinnön mukainen relaksaatio-oskillaattori pe-5 rustuu uuteen multivibraattorirakenteeseen. Multivi-braattori on varustettu viidennellä ja kuudennella vah-vistinkomponentilla, jotka toimivat aktiivisina pulldown -komponentteina. Pull-down -vahvistinkomponentit on toiminnallisesti ristiinkytketty kolmannen ja neljännen 10 puskuritransistorin kautta siten, että ne ovat vuorotellen johtavassa ja johtamattomassa tilassa ensimmäisen ja toisen vahvistinkomponentin tilan mukaan pakko-ohjattuina. Kun toinen vahvistinkomponentti on johtamattomassa tilassa ja ensimmäinen vahvistinkomponentti on johtavas-15 sa tilassa, ensimmäisen vahvistinkomponentin toisen pää-elektrodin ja toisen käyttöjännitepotentiaalin väliin kytketty viides pull-down -vahvistinkomponentti on johtamattomassa tilassa. Toisen vahvistinkomponentin toisen pääelektrodin ja toisen käyttöjännitepotentiaalin väliin 20 kytketty kuudes pull-down -vahvistinkomponentti on johtavassa tilassa vetäen (pull-down) toisen pääelektrodin toiseen käyttöjännitepotentiaaliin. Tällöin piirissä kulkee vain yksi virtatie ensimmäisen vahvistinkomponentin, kapasitiivisen komponentin ja kuudennen vahvistin- • · · 25 komponentin kautta. Vastaavasti, kun ensimmäinen vahvis- • · . tinkomponentti on johtamattomassa tilassa ja toinen vah- • · · *♦*;* vistinkomponentti johtavassa tilassa, kuudes pull-down • « *·* * -vahvistinkomponentti on johtamattomassa tilassa ja vii des pull-down -vahvistinkomponentti johtavassa tilassa.

« · : 30 Tällöin piirissä kulkee vain yksi virtatie toisen vah- vistinkomponentin, kapasitiivisen komponentin ja viiden-nen pull-down -vahvistinkomponentin kautta. Tässä "kak-soisristikytketyssä" multivibraattoripiirissä saavute-. taan pull-down -tekniikan avulla saavutetaan kaksi ker- V · 35 taa suurempi ulostulosignaalin amplitudi samalla käyttö- 8 100754 jännitteellä, kun verrataan tekniikan tason multivi-braattoripiireihin.

Keksinnön mukaisessa oskillaattorissa johdetaan säätövirta aktiivisesti alasvedettyjen pull-down -vah-5 vistinkomponenttien ja ensimmäisen virtalähteen kautta. Säätövirran muuttaminen muuttaa oskillaattorin ulostulo-taajuutta. Jotta oskillaattorin ulostulosignaalin amplitudi saataisiin säätövirrasta riippumattomaksi, ylimääräinen kompensointivirta johdetaan vastusten, jotka on 10 kytketty ensimmäisen ja toisen vahvistinkomponentin ja käyttöjännitelähteen ensimmäisen potentiaalin väliin, kautta. Kompensointi virtaa säädetään edullisesti samalla tavoin mutta eri suuntaan kuin säätövirtaa siten, että virta vastusten kautta on vakio. Tämä kompensointi-15 virta aikaansaadaan seitsemännellä ja kahdeksannella vahvistinkomponentilla, jotka on kytketty ensimmäisen ja vastaavasti toisen vahvistinkomponentin toiselta pää-elektrodilta toisen virtalähteen kautta maahan. Seitsemäs ja kahdeksas vahvistinkomponentti on kytketty pakko-20 ohjatusti seuraamaan viidennen ja vastaavasti kuudennen vahvistinkomponentin tiloja.

Edullisesti myös kolmannella ja neljännellä pus-kurivahvistinvälineellä on vastaavat pull-down -vahvis-tinkomponentit, jotka on ristiinkytketty pakko-ohjatusti ’ . 25 seuraamaan viidennen ja kuudennen pull-down -transisto rin tiloja. Tämä kasvattaa merkittävästi nopeutta sekä - • · · kolmannen ja neljännen vahvistinkomponentin muodostamien *.* ' emitteriseuraajien tehokkuutta, ja aikaansaa suuremman amplitudin ja alhaisemman ulostuloresistanssin samasta • · ί '·· 30 pienjännitteisestä teholähteestä tekniikan tason ratkai- suihin verrattuna.

*

Keksintöä selitetään seuraavassa viitaten oheiseen piirrokseen, jossa kuvio 1 on tekniikan tason mukaisen multivibraat- : 35 torin kytkentäkaavio, · • · · • i · • · 9 100754 kuvio 2 on keksinnön mukaisen oskillaattorin kytkentäkaavio, ja kuvio 3 on säädettävän virtalähteen kytkentäkaavio .

5 Esillä oleva keksintö soveltuu käyttöjännitteen alentamiseen, nopeuden lisäämiseen ja taajuudensäädön toteuttamiseen oskillaattoreissa, jotka perustuvat ns. emitterikytkettyihin multivibraattoripiireihin. Vaikka kuviossa 21 esitetyssä oskillaattorissa on käytetty vah-10 vistineliminä bipolaaritransistoreita, keksinnön mukai sissa piiriratkaisuissa voidaan käyttää periaatteessa minkä tahansa tyyppisiä epälineaarisia vahvistinkom-ponentteja, kuten MOS-, CMOS-, SOI-, HEMT- ja HBT-tran-sistorit, mikroaaltoputket sekä tyhjiöputket. Näissä 15 komponenteissa elektrodien nimityksen saattavat vaihdel la. Bipolaaritransistorin pääelektrodit ovat kollektori ja emitteri ja ohjauselektrodi on kanta. FET-transisto-reissa vastaavat elektrodit ovat nielu, lähde ja hila.

Tyhjiöputkissa vastaavia elektrodeja nimitetään yleensä 20 anodi, katodi ja hila. Täten myös termi emitterikytketty multivibraattori täytyy ymmärtää tässä yhteydessä ylei-sempänä käsitteenä, joka kattaa mm. termit katodikytket-ty tai lähdekytketty multivibraattori.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön ensisijaisen • i « ’ . 25 suoritusmuodon mukainen oskillaattori, joka perustuu emitterikytkettyyn multivibraattoripiirin. Tarkastellaan • · Φ *·:·* ensin varsinaisen multivibraattoripiirin rakennetta.

• · · *.* * Multivibraattoripiiri käsittää kuusi NPN-bipolaa- ritransistoria Ql, Q2, Q3, Q4, Q5 ja Q6. Transistorin Q1 • · | *·· 30 kollektorielektrodi on kytketty vastuksen Rcl kautta käyttöjännitteeseen Vcc, ja emitteri on kytketty transistorin Q5 kollektorille. Transistorin Q2 kollektori on kytketty vastuksen Rc2 kautta käyttöjännitteeseen Vcc ja , emitteri transistorin Q6 kollektorille. Transistoreiden 35 Q5 ja Q6 emitterit on kytketty yhteen ja virtalähteen 22 10 100754 kautta käyttöjännitepotentiaaliin 0V. Transistoreiden Q1 ja Q2 emittereiden väliin on kytketty kondensaattori C.

Transistoreiden Q1 ja Q2 välille on aikaansaatu positiivinen takaisinkytkentä kytkemällä Q2:n kollektori 5 puskuritransistorin Q3 kautta Ql:n kannalle, ja Ql:n kollektori puskuritransistorin Q4 kautta Q2:n kannalle. Vastaavasti transistoreiden Q5 ja Q6 välille on aikaansaatu positiivinen takaisinkytkentä kytkemällä signaalit transistoreiden Q1 ja Q2 kannoilta puskuritransistorei-10 den Q3 ja vastaavasti Q4 kautta pull-down -transistoreiden Q6 ja vastaavasti Q5 kannoille.

Tarkemmin sanottuna, Q3:n kanta on kytketty Q2:n kollektorille kollektori käyttöjännitteeseen Vcc. Q3:n emitteri on kytketty diodikytketyn transistorin Q9 kan-15 nalle ja kollektorille sekä transistorin Q1 kannalle.

Transistorin Q9 emitteri on kytketty toisen diodikytketyn transistorin Q10 kollektorille ja kannalle. Transistorin Q10 emitteri on kytketty transistorin Q6 kannalle.

Vastaavasti Q4:n kanta on kytketty Ql:n kollek-20 torille kollektori käyttöjännitteeseen Vcc. Q4: n emitteri on kytketty diodikytketyn transistorin Qll kannalle ja kollektorille sekä transistorin Q1 kannalle. Transistorin Qll emitteri on kytketty toisen diodikytketyn transistorin Q12 kollektorille ja kannalle. Transistorin • · · * , 25 Q12 emitteri on kytketty transistorin Q5 kannalle.

Ql:n kanta Q2:n kollektorille, ja Q2:n kanta Ql:n kol- '•ϊ-* lektorille.

• · · V * Puskuritransistoreiden Q3 ja Q4 ansiosta transis toreiden Ql, Q2, Q5 ja Q6 kantavirrat saadaan suuremmik- ·· j 30 si, mikä nopeuttaa kantaelektrodien loiskapasitanssien purkautumista ja sitä kautta transistoreiden kytken-tänopeutta.

Lisäksi Q10:n emitterin ja käyttöjännitteen 0V väliin on kytketty sarjaan pull-down -transistori Ml, 35 joka on MOS-transistori. Vastaavasti Q12:n emitterin ja 11 100754 käyttöjännitteen 0V väliin on kytketty sarjaan pull-down -transistori M2, joka on MOS-transistori. Ml ja M2 on ristiinkytketty pakko-ohjatusti seuraamaan pull-down -transistorien Q5 ja vastaavasti Q6 tiloja. Tarkemmin 5 sanottuna, Ml:n kanta on kytketty Q5:n kannalle ja M2:n kanta on kytketty Q6:n kannalle.

Positiiviset takaisinkytkennät sekä vastusten Rcl,Rc2 ja kondensaattorin C muodostamat sarjaresonans-sipiirit Rcl-C ja Rc2-C aikaansaavat sen, että multivi-10 braattorin ulostulo (esim. Q10:n ja Q12:n emitterit) vä-rähtelee kahden tilan välillä, kun värähtely on kerran Hipaistu käyntiin. Piirin resonanssitaajuus asetetaan komponenttien Rcl, Rc2 ja C arvoilla.

Keksinnön mukaisessa multivibraattoripiirissä 15 pull-down -transistorit Q5 ja Q6 korvaavat virtalähteet perinteisessä multivibraattoripiirissä, joka on esitetty kuviossa 1. Transistoreiden Q5 ja Q6 ristiinkytkennän vuoksi ne ovat vuorotellen päällä ja pois päältä transistoreiden Q1 ja Q2 tilojen pakko-ohjaamina. Oletetaan 20 esimerkiksi, että transistori Q1 on päällä ja transistori Q2 on pois päältä. Tällöin transistorin Q10 emitteri syöttää transistorin Q4 kannalle kantavirran, jonka seurauksena transistori Q4 johtaa. Johtavassa tilassa transistori Q4 vetää Q2:n emitterijännitteen potentiaaliin 0 *·’ ’ 25 V lähes ilman jännitehäviötä, kun oletetaan virtalähde * ' 22 ideaaliseksi. Tämän seurauksena transistori Q5, jonka : kanta on kytketty Q12:n emitterille, on pois päältä.

• · ' V * Tällöin Q5:n läpi ei kulje virtaa. Multivibraattoripii rissä on nyt vain yksi virtatie, nimittäin Rcl-Ql-C-Q6.

·*·.. 30 Transistori Q5, joka ei johda, erottaa kondensaattorin C

toisen navan täysin potentiaalista 0V. Transistori Q6, joka on päällä, kytkee kondensaattorin C toisen navan potentiaaliin 0V lähes ilman jännitehäviötä, kun virtalähde 22 oletetaan ideaaliseksi. Vastaavasti toisessa 35 värähtelytilassa Ql on pois päältä, Q2 on päällä, Q5 on 12 100754 päällä ja Q6 on pois päältä. Tällöin multivibraattori-piirissä on vain yksi virtatie, nimittäin Rc2-Q2-C-Q5.

Q6, joka ei ole päällä, erottaa kondensaattorin C toisen navan täysin potentiaalista 0V. Transistori Q5, joka on 5 päällä, vetää kondensaattorin C toisen navan potentiaaliin 0V lähes ilman jännitehäviötä, kun virtalähde 22 oletetaan ideaaliseksi. Näin kondensaattorin yli saadaan mahdollisimman suuri osa käyttöjännitteestä.

Täten, koska ristiinkytkettyjen pull-down -tran-10 sistoreiden Q5 ja Q6 ansiosta vältetään virtalähteiden aiheuttamat jännitehäviöt perinteisissä multivibraatto-ripiireissä, keksinnön mukainen kaksoisristiinkytketty pull-down -tekniikalla toteutettu multivibraattoripiiri tuottaa kaksi kertaa suuremman ulostulosignaalin ampli-15 tudin samalla käyttöjännitteellä verrattuna kuvion 1 perinteiseen piiriin. Lisäksi pull-down -transistorien ansiosta piirin nopeus huomattavan suuri verrattuna tekniikan tason ratkaisuihin.

Käytännössä virtalähde 22 muodostuu kuitenkin 20 esim. virtapeilistä, jota ohjataan jännitteellä. Tällöin virtapeilin yli syntyy jännitehäviö, jolloin tarvitaan hieman korkeampi käyttöjännite.

Virtalähteen 22 kautta kulkevaa virtaa II (kondensaattorin C läpi kulkeva virta) säätämällä voidaan *·* ’ 25 säätää oskillaattorin taajuutta. Jos virtalähde 22 muo- ’ ’ dostuu virtapeilistä, jota ohjataan jännitteellä, saa- *·!/ daan jänniteohjattu oskillaattori VCO. Jos virtalähde 22 • < % V toteutetaan piiriratkaisulla, jota ohjataan virralla, saadaan virtaohjattu oskillaattori. Nämä erilaiset vir-·*·.. 30 talähteen 22 toteutukset ovat alan ammattimiehelle il- ·*·*; meisiä.

Oskillaattorin värähtelee kahden tilan välillä. Ensimmäisessä tilassa säätövirta II kulkee reittiä Rcl-Q1-C-Q6 virtalähteelle 22. Toisessa tilassa säätövirta 35 II kulkee reittiä Rc2-Q2-C-Q5 virtalähteelle 22. Säätö- 13 100754 virta kulkee siten myös kollektorivastusten Rcl ja Rc2 kautta ja vaikuttaa oskillaattorin ulostulosignaalin amplitudiin. Toisin sanoen signaaliamplitudi muuttuu, kun säätövirtaa II ja taajuutta muutetaan.

5 Keksinnön mukaisessa oskillaattorissa oskillaat torin ulostulosignaalin amplitudi on saatu säätövirrasta Il riippumattomaksi siten, että johdetaan ylimääräinen kompensointivirta Icom vastusten Rcl ja Rc2 kautta. Kompensointi virtaa Icom säädetään edullisesti samalla ta-10 voin mutta eri suuntaan kuin säätövirtaa II siten, että virta vastusten Rcl ja Rc2 kautta on vakio. Tätä varten oskillaattoripiiri käsittää transistorit Q7 ja Q8, jotka on kytketty Ql:n ja vastaavasti Q2:n emitteriltä toisen virtalähteen 21 kautta käyttöjännitepotentiaaliin OV. Q7 15 ja Q8 on kytketty pakko-ohjatusti seuraamaan Q6:n ja vastaavasti Q5:n tiloja. Tarkemmin sanottuna Q7:n kol-lektori on kytketty Ql:n emitterille, kanta on kytketty Q6:n kannalle ja emitteri on kytketty virtalähteen 21 ensimmäiseen napaan. Vastaavasti Q8:n kollektori on kyt-20 ketty Q2: n emitterille, kanta on kytketty Q5:n kannalle ja emitteri on kytketty virtalähteen 21 ensimmäiseen napaan. Virtalähteen toinen napa on kytketty käyttöjännitepotentiaaliin OV.

Diodikytkettyjen transistoreiden Q9-Q12 tarkoi-’·* [ 25 tuksena on estää transistoreiden Q7 ja Q8 saturaatio.

Oskillaattorin ensimmäisessä värähtelytilassa :.i ; säätövirta II kulkee reittiä Rcl-Ql-C-Q6 virtalähteelle • » V * 22. Q7 on päällä samanaikaisesti Q6:n kanssa, joten kom pensointivirta Icom kulkee reittiä Rcl-Ql-Q7 virtaläh-30 teelle 21. Täten vastuksen Rcl kautta kulkee vakiovirta :*·*: Il + Icom riippumatta Il:n arvosta. Vastaava tilanne on myös toisessa värähtelytilassa vastuksen Rc2 kautta kulkevan virran suhteen.

Kuvion 2 piiriä on analysoitu käyttäen 0,8 pm Bi-35 CMOS-teknologiaa, jossa bipolaarisilla NPN-transisto- • · 14 100754 reillä transienttitaajuus FXMAX = 14 GHz. Transistoreiden läpi kulkeva virta on valittu olemaan sellainen, joka aikaansaa tämän transienttitaajuuden FT, jolloin virta on tällä teknologialla noin 800 μΑ. MOS-transistoreilla Ml 5 ja M2 W=l,2um ja W/L=100. Suurin värähtelytaajuus noin 2 GHz saavutetaan kondensaattorin C minimiarvolla 0.2pF. Amplitudi on noin 0,4V ja tehonkulutus noin 16mW 4,5V käyttöjännitteestä. Piirin säätökyky on 1250MHz/mA. Vai-hekohina on alhainen. Oskillaattori kykenee toimimaan 10 myös matalilla taajuuksilla, joilla voidaan helpommin käyttää suuria ulkopuolisia kondensaattoreita C. Piiri tarvitsee toimintaa varten ainakin 4,4V (4.0+0,4V), jossa jännitteen todellisten virtalähteiden yli oletetaan olevan noin 0,4 V MOS-transistoreille, joita käytetään 15 tuottamaan II ja Icom.

Kuviossa 3 esitetty yksi tapa toteuttaa VCO kuvion 2 piiristä on syöttää virrat II ja Icom virtapeileillä M7 ja M8, joita ohjataan differentiaalivahvistimella M2-M3-M4-M5. Differentiaalivahvistinta ohjataan säätö-20 jännitteellä VCOcontrol.

Keksintö voidaan toteuttaa myös puhtaasti Bipo- laaritekniikalla.

Keksinnön mukainen oskillaattoripiiri on erityisen sopiva nykyaikaisiin vaihelukittuihin silmukoihin *·1 1 25 (PLL) tietoliikenne- ja mikroprosessorisovellutuksissa.

• 1 Piirrokset ja niihin liittyvä selitys on tarkoi- tettu vain havainnollistamaan keksintöä. Yksityiskohdil- • « t V ‘ taan keksintö voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa ja hengessä.

• · • · • 1 · • · · • · · • · · I i «

« t I < · I

« t • · 1 « «4 « ·

Claims (6)

15 100754

1. Oskillaattori, joka käsittää käyttöjännitelähteen (1), 5 ensimmäisen epälineaarisen vahvistinvälineen (Ql), joka käsittää ensimmäisen ja toisen pääelektrodin sekä ohjauselektrodin, toisen epälineaarisen vahvistinkomponentin (Q2), joka käsittää ensimmäisen ja toisen pääelektrodin sekä 10 ohjauselektrodin, kolmannen vahvistinkomponentin (Q3), jonka pää-elektrodit on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ohjauselektrodille ja käyttöjännitelähteen (1) ensimmäiseen potentiaaliin ja jonka ohjauselektrodi on 15 toiminnallisesti kytketty toisen vahvistinkomponentin (Q2) ensimmäiselle pääelektrodille niin, että aikaansaadaan positiivinen takaisinkytkentä, neljännen vahvistinkomponentin (Q4), jonka pää-elektrodit on kytketty toisen vahvistinkomponentin (Q2) 20 ohjauselektrodille ja käyttöjännitelähteen (1) ensimmäi seen potentiaaliin ja jonka ohjauselektrodi on toiminnallisesti kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin « * « : (Ql) ensimmäiselle pääelektrodille niin, että aikaansaa- daan positiivinen takaisinkytkentä, '· 25 kapasitiivisen komponentin (C) , joka on kytketty ·;··: ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) toisen pääelektro- ; din ja toisen vahvistinkomponentin (Q2) toisen pääelekt- • « t rodin väliin, • · ensimmäisen ja toisen vastuksen (Rcl,Rc2), joiden .. 30 kautta ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ensimmäinen • · · *... pääelektrodi ja vastaavasti toisen vahvistinkomponentin I I · *'* (Q2) ensimmäinen pääelektrodi on kytketty käyttöjännite lähteen (1) ensimmäiseen potentiaaliin, tunnettu siitä, että piiri käsittää 35 viidennen vahvistinkomponentin (Q5) , jonka en- 16 100754 simmäinen pääelektrodi on kytketty ensimmäisen vahvis-tinkomponentin (Ql) toiselle pääelektrodille, neljännen vahvistinkomponentin (Q4) toisen pääelektrodin ollessa toiminnallisesti kytketty ohjaamaan viidettä vahvistin-5 komponenttia positiivisen takaisinkytkennän aikaansaami seksi, kuudennen vahvistinkomponentin (Q6), jonka ensimmäinen pääelektrodi on kytketty toisen vahvistinkomponentin (Q2) toiselle pääelektrodille, kolmannen vah-10 vistinvälineen (Q3) toisen pääelektrodin ollessa toiminnallisesti kytketty ohjaamaan kuudetta vahvistinvälinet-tä positiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi, ensimmäisen säädettävän virtalähteen (22), jonka ensimmäinen napa on kytketty viidennen ja kuudennen vah-15 vistinkomponentin (Q5,Q6) toisille pääelektrodeille ja toinen napa on kytketty jännitelähteen (1) toiseen potentiaaliin, mainitun oskillaattorin taajuuden ollessa säädettävissä ensimmäisen virtalähteen virtaa II säätämällä, 20 välineet (Q7,Q8,22) kompensointivirran johtami seksi ensimmäisen vastuksen (Rcl) ja vastaavasti toisen vastuksen (Rc2) kautta siten, että kunkin vastuksen läpi : kulkeva virta on oleellisesti vakio ja virrasta II riip- v,: pumaton. ·#· · 25 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen oskillaattori, ·;··: tunnettu siitä, että mainitut välineet käsittä- . *· vät • · · • · · seitsemännen vahvistinkomponentin (Q7), jonka ensimmäinen pääelektrodi on kytketty ensimmäisen vahvis-30 tinkomponentin (Ql) toiselle pääelektrodille ja oh- • · · j auselektrodi on toiminnallisesti kytketty kolmannen • · · *'* ’ vahvistinkomponentin (Q3) toiselle pääelektrodille, kahdeksannen vahvistinkomponentin (Q8), jonka ensimmäinen pääelektrodi on kytketty toisen vahvistin-,35 komponentin (Q2) toiselle pääelektrodille ja oh- I I < I » « 100754 17 jauselektrodi on toiminnallisesti kytketty neljännen vahvistinkomponentin (Q4) toiselle pääelektrodille, toisen säädettävän virtalähteen, jonka ensimmäinen napa on kytketty seitsemännen ja kahdeksannen vah-5 vistinkomponentin (Q7,Q8) toisille pääelektrodeille ja toinen napa on kytketty jännitelähteen (1) toiseen potentiaaliin .

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen oskillaattori, tunnettu siitä, että toisen virtalähteen säätö 10 on sellainen, että toisen virtalähteen kompensointivir- ran ja ensimmäisen virtalähteen säätövirran summa on oleellisesti vakio.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen oskillaattori, tunnettu siitä, että se käsittää 15 diodityyppisesti kytketyn yhdeksännen vahvistin- komponentin (Q9), jonka ensimmäinen pääelektrodi ja oh-jauselektrodi ovat kytketyt ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ohjauselektrodille ja kolmannen vahvistinkomponentin (Q3) toiselle pääelektrodille, 20 diodityyppisesti kytketyn kymmenennen vahvistin- komponentin (Q10), jonka ensimmäinen pääelektrodi ja oh-jauselektrodi ovat kytketyt yhdeksännen vahvistinkom-' : ponentin (Q9) toiselle pääelektrodille, ja jonka toinen pääelektrodi on kytketty kuudennen (Q6) ja seitsemännen ·#· · 25 (Q7) vahvistinkomponentin ohjauselektrodille, *:·*: diodityyppisesti kytketyn yhdennentoista vahvis- : tinkomponentin (Qll), jonka ensimmäinen pääelektrodi ja • « * ohj auselektrodi ovat kytketyt toisen vahvistinkomponentin (Q2) ohjauselektrodille ja neljännen vahvis-30 tinvälineen (Q4) toiselle pääelektrodille, • · · diodityyppisesti kytketyn kahdennentoista vah- • · · *'* vistinkomponentin (Q12), jonka ensimmäinen pääelektrodi ja ohjauselektrodi ovat kytketyt yhdennentoista vahvistinkomponentin (Qll) toiselle pääelektrodille, ja jonka 35 toinen pääelektrodi on kytketty viidennen (Q5) ja kah- « · « 18 100754 deksannen (Q8) vahvistinkomponentin ohjauselektrodille.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen oskillaattori, tunnettu siitä, että se käsittää kolmannentoista vahvistinkomponentin (Ml), joka 5 on kytketty kymmenennen vahvistinkomponentin (Q10) toi sen pääelektrodin ja jännitelähteen (1) toisen potentiaalin väliin ja jonka ohjauselektrodi on kytketty viidennen vahvistinkomponentin (Q5) ohjauselektrodille, neljännentoista vahvistinkomponentin (M2), joka 10 on kytketty kahdennentoista vahvistinkomponentin (Q12) toisen pääelektrodin ja jännitelähteen (1) toisen potentiaalin väliin ja jonka ohjauselektrodi on kytketty kuudennen vahvistinkomponentin (Q6) ohjauselektrodille.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen multivibraatto- 15 ripiiri, tunnettu siitä, että ensimmäinen, toi nen, kolmas, neljäs, viides, kuudes, seitsemäs, kahdeksas, yhdeksäs, kymmenes, yhdestoista ja kahdestoista vahvistinkomponentti ovat bipolaaritransistoreita, ja että kolmastoista ja neljästoista vahvistinkomponentti 20 ovat MOS-transistoreita. • ♦ · • · • · · • · < • 4 * • C · • < • · • · • · • · · ··· • · · • · · 1007154 19