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Dokumentenidentifikation DE102006023352A1 22.11.2007
Titel Integrierter abstimmbarer Schwingkreis
Anmelder ATMEL Duisburg GmbH, 47057 Duisburg, DE
Erfinder El Rai, Samir, 47057 Duisburg, DE
Vertreter Müller, W., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 69123 Heidelberg
DE-Anmeldedatum 17.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006023352
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse H03L 7/099(2006.01)A, F, I, 20060517, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H03B 5/02(2006.01)A, L, I, 20060517, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen integrierten abstimmbaren Schwingkreis zum Bereitstellen eines hochfrequenten Ausgangssignals mit einer von einem Steuersignal abhängigen Frequenz, beinhaltend einen Parallelschwingkreis mit einem ersten induktiven Element und einem Ausgang zum Bereitstellen des hochfrequenten Ausgangssignals, eine Schalteinheit mit einer gesteuerten Strecke und einem Steueranschluß zum Schalten zwischen Zuständen, wobei die Schalteinheit ausgebildet ist, in einem ersten Zustand ein vorwiegend kapazitives Verhalten und in einem zweiten Zustand ein vorwiegend resistives Verhalten aufzuweisen, wobei der Schwingkreis ausgestaltet ist, den Steueranschluß der Schalteinheit in Abhängigkeit vom Steuersignal anzusteuern. Erfindungsgemäß weist der Schwingkreis ein mit dem ersten induktiven Element transformatorisch koppelbares zweites induktives Element auf, wobei die gesteuerte Strecke parallel zum zweiten induktiven Element geschaltet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen spannungsgesteuerten Oszillator und eine integrierte Schaltung.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten abstimmbaren Schwingkreis nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin einen spannungsgesteuerten Oszillator sowie eine integrierte Schaltung.

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet integrierter Schaltungen (integrated circuits, IC). Sie liegt insbesondere auf dem Gebiet integrierter abstimmbarer Schwingkreise (tank circuits) zum Bereitstellen eines hochfrequenten Ausgangssignals mit einer von einem Steuersignal abhängigen (Ziel) Frequenz. Solche Schwingkreise werden vielfach in Hochfrequenz-Schaltungsanordnungen (radio frequency, RF) wie spannungsgesteuerten Oszillatoren, Verstärkern, Tuner etc. in Sende-/Empfangsvorrichtungen von Telekommunikationssystemen eingesetzt.

Aus US 6,778,022 B1 ist ein LC-Parallelschwingkreis bekannt (2A), dessen Schwingungsfrequenz eingestellt (abgestimmt) wird, indem der Wert variabler Kapazitäten des Parallelschwingkreises entsprechend verändert wird. Hierzu werden Kondensatoren mit Hilfe von digital gesteuerten Schaltelementen, die in Serie zu jedem Kondensator geschaltet sind, individuell in den Schwingkreis geschaltet oder aber nicht mit diesem verbunden (3).

Nachteilig ist hierbei, daß die Schaltelemente im geschlossenen Zustand einen nicht zu vernachlässigenden Serienwiderstand darstellen; der die Güte des Schwingkreises beeinträchtigt. Wird zur Erhöhung der Güte die Breite der Schaltelemente vergrößert, nimmt jedoch die Streukapazität der Schaltelemente zu. Hierdurch steigt im geöffneten Zustand die Gesamtkapazität des Schwingkreises, so daß die maximal einstellbare Frequenz und damit die Breite des Abstimmbereichs, in dem die Frequenz eingestellt werden kann, abnimmt. Eine Steigerung der Güte kann also nur zu Lasten der Abstimmbarkeit bzw. eine Verbesserung der Abstimmbarkeit nur zu Lasten der Güte des Schwingkreises erreicht werden.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einfach und kostengünstig zu implementierende integrierte Schwingkreise und spannungsgesteuerte Oszillatoren anzugeben, die eine verbesserte Abstimmbarkeit ohne Beeinträchtigung der Güte oder/und eine höhere Güte ohne Einschränkung der Abstimmbarkeit aufweisen und robust gegenüber Rauschstörungen des Steuersignals sind, so daß leistungsfähige integrierte Schaltungen aufwandsgünstig realisiert werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Schwingkreis mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen spannungsgesteuerten Oszillator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 20 und durch eine integrierte Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 21.

Der erfindungsgemäße integrierte abstimmbare Schwingkreis zum Bereitstellen eines hochfrequenten Ausgangssignals mit einer von einem Steuersignal abhängigen Frequenz beinhaltet (A) einen Parallelschwingkreis mit einem ersten induktiven Element und einem Ausgang zum Bereitstellen des hochfrequenten Ausgangssignals, (B) eine Schalteinheit mit einer gesteuerten Strecke und einem Steueranschluß zum Schalten zwischen Zuständen, wobei die Schalteinheit ausgebildet ist, in einem ersten Zustand (OFF) ein vorwiegend kapazitives Verhalten und in einem zweiten Zustand (ON) ein vorwiegend resistives Verhalten aufzuweisen, und (C) ein mit dem ersten induktiven Element transformatorisch koppelbares zweites induktives Element, wobei (D) der Schwingkreis ausgestaltet ist, den Steueranschluß der Schalteinheit in Abhängigkeit vom Steuersignal anzusteuern und (E) die gesteuerte Strecke parallel zum zweiten induktiven Element geschaltet ist.

Der erfindungsgemäße spannungsgesteuerte Oszillator weist mindestens einen solchen Schwingkreis auf.

Die erfindungsgemäße integrierte Schaltung weist mindestens einen solchen Schwingkreis und/oder mindestens einen solchen spannungsgesteuerten Oszillator auf.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, zusätzlich zum (ersten) Parallelschwingkreis mindestens einen weiteren abschaltbaren (zweiten) Parallelschwingkreis vorzusehen, dessen (zweites) induktives Element transformatorisch mit dem (ersten) induktiven Element des ersten Parallelschwingkreises gekoppelt ist und der parallel zum zweiten induktiven Element eine Schalteinheit mit einer gesteuerten Strecke aufweist, die parallel zum zweiten induktiven Element geschaltet ist.

Indem die Schalteinheit des abschaltbaren Parallelschwingkreises mit Hilfe eines Steuersignals entsprechend angesteuert wird, verändert sich aufgrund der transformatorischen Kopplung der effektive Induktivitätswert des ersten induktiven Elements und damit die Frequenz des Ausgangssignals. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine verbesserte Abstimmbarkeit ohne Beeinträchtigung der Güte und/oder eine höhere Güte ohne Einschränkung der Abstimmbarkeit erreicht. Außerdem wird eine höhere Robustheit gegenüber Rauschstörungen des Steuersignals ermöglicht. Weiterhin wird vorteilhaft ermöglicht, den Schwingkreiswiderstand bei Resonanz und die Amplitude des Ausgangssignals z.B. in einem spannungsgesteuerten Oszillator während des Abstimmvorgangs konstant zu halten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung zu entnehmen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung beruht das kapazitive Verhalten der Schalteinheit vollständig auf einer Kapazität der gesteuerten Strecke im ersten Zustand. Ein solcher Schwingkreis ist besonders einfach zu implementieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beruht das kapazitive Verhalten der Schalteinheit auf der Kapazität der gesteuerten Strecke im ersten Zustand und einer parallel zur gesteuerten Strecke geschalteten kapazitiven Einheit. Hierdurch kann vorteilhaft der Gesamtkapazitätswert der Schalteinheit bei einem veränderlichen Wert der Kapazität der gesteuerten Strecke konstant gehalten werden. Auf diese Weise können vorteilhaft besonders hohe Schwingkreisgüten erreicht werden.

Vorzugsweise weist die Schalteinheit einen Feldeffekttransistor auf, dessen Drain-Source-Kanal die gesteuerte Strecke bildet und dessen Gate-Anschluß mit dem Steueranschluß verbunden ist. Eine solcher Schwingkreis ist sehr kostengünstig zu realisiseren und beansprucht wenig Chipfläche.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Schalteinheit ein mikroelektromechanisches Schaltelement auf. Auf diese Weise sind vorteilhaft sehr kleine Werte des ohmschen Widerstandes und damit sehr hohe Güten im eingeschalteten Zustand möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der (erste) Parallelschwingkreis eine parallel zum ersten induktiven Element geschaltete erste kapazitive Einheit mit einem vorzugsweise einstellbaren Kapazitätswert auf. Der Schwingkreis ist ausgestaltet, den einstellbaren Kapazitätswert der ersten kapazitiven Einheit in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren Steuersignal einzustellen. Ein solcher Schwingkreis weist eine besonders breiten Abstimmbereich und/oder eine besonders hohe Frequenzauflösung bei der Abstimmung auf.

In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der ersten kapazitiven Einheit um eine parasitäre Kapazität. Ein solcher Schwingkreis ist besonders einfach zu implementieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Schalteinheit eine parallel zur gesteuerten Strecke geschaltete zweite kapazitive Einheit auf. Hierdurch kann vorteilhaft der Gesamtkapazitätswert der Schalteinheit bei einem veränderlichen Wert der Kapazität der gesteuerten Strecke konstant gehalten werden. Auf diese Weise können vorteilhaft besonders hohe Schwingkreisgüten erreicht werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die zweite kapazitive Einheit einen einstellbaren Kapazitätswert aufweist und ist der Schwingkreis ausgestaltet, den einstellbaren Kapazitätswert der zweiten kapazitiven Einheit in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren Steuersignal einzustellen. Ein solcher Schwingkreis weist eine besonders breiten Abstimmbereich und/oder eine besonders hohe Frequenzauflösung bei der Abstimmung auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das zweite induktive Element zwei in Reihe geschaltete induktive Teilelemente auf und ist am Verbindungspunkt der induktiven Teilelemente ein erster Potentialwert anlegbar, wenn sich die Schalteinheit im ersten Zustand befindet, und ein unterschiedlicher zweiter Potentialwert, wenn sich die Schalteinheit im zweiten Zustand befindet. Auf diese Weise können vorteilhaft besonders hohe Schwingkreisgüten sowie eine erhöhte Robustheit des Steuersignals gegenüber Rauschen erreicht werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein mit dem ersten induktiven Element transformatorisch koppelbares drittes induktives Element und eine zum dritten induktiven Element parallel geschaltete zweite Schalteinheit mit einer zweiten gesteuerten Strecke vorgesehen, wobei die zweite gesteuerte Strecke parallel zum dritten induktiven Element geschaltet ist. Hierdurch wird die Frequenzauflösung des Schwingkreises vorteilhaft feiner.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens ein erster Schwingkreis und ein zweiter Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen, wobei ein aufgetrennter Parallelschwingkreis des zweiten Schwingkreises parallel geschaltet ist zum ersten induktiven Element des ersten Schwingkreises. Hierdurch wird die Frequenzauflösung des Schwingkreises vorteilhaft feiner. Außerdem werden auf diese Weise mehrere Ausgangssignale bereitgestellt, die sich in ihrer Amplitude unterscheiden.

In typischen Ausgestaltungen ist die integrierte Schaltung als monolithisch integrierte Schaltung, als Hybridschaltung oder als Multilayer-Keramik-Schaltung ausgebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigen

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schwingkreises;

2 eine Ausführungsform der Schalteinheit aus 1;

3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schwingkreises (Draufsicht);

4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schwingkreises (Draufsicht);

5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schwingkreises (Draufsicht).

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente und Signale – sofern nicht anders angegeben – mit denselben Bezugszeichen versehen.

1 zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schwingkreises. Der Schwingkreis 10 weist einen ersten Parallelschwingkreis 11 und einen abschaltbaren zweiten Parallelschwingkreis 12 auf.

Der erste Parallelschwingkreis 11 beinhaltet ein erstes induktives Element L1 und eine parallel geschaltete erste kapazitive Einheit C1. Das vom Schwingkreis 10 bei entsprechender Anregung bereitgestellte hochfrequente Ausgangssignal yRF, das eine (Ziel) Frequenz f0 beispielsweise im Gigahertzbereich aufweist (abstimmbar z.B. von 10 GHz bis 14 GHz), kann z.B. an den Anschlüssen der kapazitiven Einheit C1 abgegriffen werden.

Die kapazitive Einheit C1 weist vorzugsweise einen einstellbaren Kapazitätswert auf, der mit Hilfe mindestens eines Steuersignals vt1 eingestellt wird. Die kapazitive Einheit C1 kann beispielsweise eine Einheit mit einem kontinuierlich veränderbaren Kapazitätswert, wie z.B. eine Varaktor-, Kapazitäts-, MOS-Diode (metal oxide semiconductor) oder einen MEM-Varaktor (mikroelektromechanisch) oder/und eine Einheit mit einem schrittweise veränderbaren Kapazitätswert aufweisen, die z.B. als geschalteter MIM-Kondensator (metal insulator metal), geschalteter Polycap oder als geschaltete Kondensatorbank (capazitive digital-to-analog converter, CDAC) ausgeführt ist. Vorzugsweise weist die kapazitive Einheit C1 eine Varaktordiode und eine parallel geschaltete Kondensatorbank auf. Alternativ kann die kapazitive Einheit C1 einen festen Kapazitätswert aufweisen. In weiteren Ausführungsformen handelt es sich bei der kapazitiven Einheit C1 um eine parasitäre Kapazität z.B. eines Verstärkungselementes, mit dem der erfindungsgemäße Schwingkreis z.B. in einem spannungsgesteuerten Oszillator zum Einsatz kommt.

Der abschaltbare zweite Parallelschwingkreis 12 weist eine Parallelschaltung aus einem zweiten induktiven Element L2 und einer Schalteinheit S1 auf. Das zweite induktive Element L2 ist hierbei mit dem ersten induktiven Element L1 transformatorisch (induktiv) gekoppelt, was in 1 durch Doppelpfeile und die Koppelinduktivität M veranschaulicht ist.

Die Schalteinheit S1 weist eine gesteuerte Strecke 15, einen Steueranschluß 16 zum Schalten der gesteuerten Strecke zwischen einem ausgeschalteten/geöffneten („OFF") und einem eingeschalteten/geschlossenen („ON") Zustand und vorzugsweise eine zur gesteuerten Strecke parallel geschaltete zweite kapazitive Einheit C2 auf. Die gesteuerte Strecke 15 ist damit direkt parallel zum zweiten induktiven Element L2 geschaltet. Am Steueranschluß 16 liegt das Steuersignal vt2 an, so daß die Schalteinheit S1 bzw. die gesteuerte Strecke 15 in Abhängigkeit vom Steuersignal vt2 angesteuert wird und so zwischen den Zuständen ON und OFF wechselt.

Im geöffneten Zustand (OFF) weist die Schalteinheit S1 ein vorwiegend kapazitives verhalten auf, während sie im geschlossenen Zustand (ON) ein vorwiegend resistives Verhalten zeigt. Dies bedeutet, daß im geöffneten Zustand das kapazitive und im geschlossenen Zustand das resistive Verhalten überwiegt. Das kapazitive Verhalten der Schalteinheit S1 beruht hierbei auf der Kapazität C_off der gesteuerten Strecke 15 im Zustand OFF und ggf. der Kapazität der kapazitiven Einheit C2, während das resistive Verhalten auf den ohmschen Widerstand Ron der gesteuerten Strecke 15 im Zustand ON zurückzuführen ist.

Sofern vorhanden weist die kapazitive Einheit C2 vorzugsweise einen festen Kapazitätswert auf und ist z.B. als MIM-Kondensator oder als verteilte Kapazität ausgeführt. Alternativ kann sie einen einstellbaren Kapazitätswert aufweisen und z.B. als Varaktor, MEM-Varaktor, geschalteter MIM-Kondensator und/oder geschaltete Kondensatorbank ausgeführt sein.

Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Schwingkreis – wie in 1 dargestellt – differentiell realisiert und stellt daher ein differentielles Ausgangssignal yRF bereit, dessen Frequenz f0 von den Steuersignalen vt1 und vt2 abhängt. Unterteilt man das erste induktive Element L1 – wie ebenfalls in 1 dargestellt – in zwei Teilelemente mit identischen Induktivitätswerten, so stellt sich an deren Verbindungspunkt 17 eine sog. Wechselstrommasse (virtual ground) ein. Wird auch das zweite induktive Element L2 in zwei Teilelemente mit identischen Induktivitätswerten aufgeteilt, so kann – wie nachfolgend eingehender erläutert – das DC-Potential an ihrem Verbindungspunkt 18 vorteilhaft eingestellt werden.

Alternativ kann der erfindungsgemäße Schwingkreis nicht-differentiell (single ended) ausgeführt sein.

Die induktiven Elemente L1, L2 sind vorzugsweise als in einer oder mehreren Metallisierungsebenen einer integrierten Schaltung angeordnete Leiterschleifen ausgebildet. Alternativ kann es sich auch um Bonddrähte oder andere Verbindungsmittel, wie z.B. kleine Lötkugeln, Flip-Chip-Übergänge etc. handeln.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schwingkreises gemäß der vorstehenden Beschreibung mit Bezug auf 1 ist nachfolgend beschrieben.

2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Schalteinheit S1 mit einem Feldeffekttransistor (MOSFET). Der Feldeffekttransistor T1 weist einen Drain-Anschluß T1D, einen Source-Anschluß T1S und einen Gate-Anschluß T1G auf. Der Drain-Source-Kanal des Feldeffekttransistors T1 bildet die gesteuerte Strecke 15 (siehe 1) der Schalteinheit S1 und ist zur vorzugsweise vorgesehenen kapazitiven Einheit C2 parallel geschaltet. Der Gate-Anschluß T1G ist mit dem Steueranschluß 16 verbunden, so daß am Gate-Anschluß T1G das Steuersignal vt2 anliegt.

Im ausgeschalteten/geöffneten Zustand (OFF) stellt der Transistor T1 bzw. sein Drain-Source-Kanal vorwiegend eine Kapazität C_off dar, die in 2 gestrichelt dargestellt und als Drain-Source-Kapazität C_DS bezeichnet ist. Im eingeschalteten/geschlossenen Zustand (ON) stellt der Transistor T1 bzw. sein Drain-Source-Kanal vorwiegend einen ohmschen Widerstand Ron dar.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Schalteinheit S1 anstelle eines Feldeffekttransistors ein mikroelektromechanisches Schaltelement (MEM) auf.

Im folgenden wird die Funktionsweise des vorstehend mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen Schwingkreises eingehender erläutert.

Im geschlossenen Zustand (ON) schließt die Schalteinheit S1 das zweite induktive Element L2 kurz und verhindert so größtenteils das Entstehen eines Magnetfeldes. Hierdurch verringert sich der Induktivitätswert des ersten induktiven Elements auf den effektiven Induktivitätswert L1_eff = L1 – M2/L2 < L1,(1) wobei M die Koppelinduktivität und L1, L2 die Induktivitätswerte des ersten bzw. zweiten induktiven Elements bezeichnen. Der ohmsche Widerstand Ron der gesteuerten Strecke 15 sollte hierbei möglichst klein sein.

Im geöffneten Zustand (OFF) wirkt die gesteuerte Strecke 15 als Kapazität C_off (im Falle des MOSFET gilt C_off = C_DS), so daß ein Parallelschwingkreis aus dem zweiten induktiven Element L2 und einer Parallelschaltung der Kapazitäten C_off = C_DS und C2 entsteht. Infolge der transformatorischen (induktiven) Kopplung zwischen den induktiven Elementen L1 und L2 nimmt der effektive Induktivitätswert L1_eff den folgenden Wert an L1_eff = L1 + [(&ohgr;M)2 C2_res/(1 – &ohgr;2 L2 C2_res)],(2) wobei C2_res = C2 + C_off die Gesamtkapazität der Parallelschaltung aus den Kapazitäten C2 und C_off und &ohgr; = 2&pgr;f die Kreisfrequenz bezeichnen.

Gemäß Gleichung (2) erhöht sich der Induktivitätswert des ersten induktiven Elements effektiv, wenn der Ausdruck &ohgr;2 L2 C2_res kleiner als eins ist, d.h. L1_eff > L1, falls &ohgr;2 < 1/(L2 C2_res) = (2&pgr; f2)2.(3)

Der Induktivitätswert L2 und der Kapazitätswert C2_res wird vorteilhaft so gewählt, daß die Resonanzfrequenz f2 des abschaltbaren Parallelschwingkreises 12oberhalb der Betriebsfrequenz f = &ohgr;/2&pgr; bzw. der Frequenz f0 des Ausgangssignals yRF liegt.

Durch die effektive Abnahme des Induktivitätswertes des ersten induktiven Elements gemäß Gleichung (1) erhöht sich die maximal einstellbare Frequenz des Schwingkreises, während durch die effektive Zunahme gemäß Gleichung (2) und (3) die minimal einstellbare Frequenz sinkt. Der Abstimmbereich des Schwingkreises vergrößert sich somit. Insbesondere Steigerungen des Wertes der Koppelinduktivität M führen hierbei zu einer Verbreiterung des Abstimmbereichs.

Die Einstellung der Zielfrequenz f0 des Ausgangssignals yRF erfolgt bei dem Schwingkreis gemäß 1, 2 durch die Veränderung des Kapazitätswertes der ersten kapazitiven Einheit C1 sowie durch die Veränderung des effektiven Induktivitätswertes L1_eff gemäß Gleichung (1)-(3), wobei der Kapazitätswert C1 mit Hilfe mindestens eines Steuersignals vt1 eingestellt wird und der effektive Induktivitätswert L1_eff zumindest vom Steuersignal vt2 beeinflußt wird.

Eine solche Aufteilung der Frequenzabstimmung eines Schwingkreises in eine direkte Abstimmung einer Schwingkreiskapazität (C1) und eine indirekte Abstimmung einer Schwingkreisinduktivität (L1_eff) durch einen kapazitiv abstimmbaren und transformatorisch (induktiv) gekoppelten zweiten Schwingkreis (12) eröffnet die Möglichkeit, eine geforderte Gesamtabstimmbarkeit (Breite des Bereichs der Zielfrequenzen f0) derart optimiert auf die direkte und die indirekte Abstimmung zu verteilen, daß weitere Anforderungen an den Schwingkreis, insbesondere an die Güte des Schwingkreises, erfüllt werden können.

Betrachtet man die Güte eines kapazitiven Elementes (z.B. C1) als Funktion seiner Abstimmbarkeit AC = C1max/C1min, so sinkt die Güte mit zunehmender Abstimmbarkeit AC zunächst langsam, ab einem bestimmten Grenzwert AC_lim der Abstimmbarkeit jedoch deutlich schneller. Wird eine geforderte hohe Gesamtabstimmbarkeit ausschließlich durch eine direkte Abstimmung von Kapazitäten realisiert, so weist der Schwingkreis aufgrund dieses Sachverhaltes ggf. nur eine niedrige Güte auf. Werden jedoch z.B. die Kapazitäten auf Abstimmbarkeiten AC unterhalb des Grenzwertes AC_lim ausgelegt und wird die in Anbetracht der geforderten Gesamtabstimmbarkeit notwendige verbleibende Abstimmbarkeit durch eine indirekte Abstimmung der Schwingkreisinduktivität erreicht, können insgesamt deutlich höhere Schwingkreisgüten erzielt werden, wie Simulationen und weitere Untersuchungen der Anmelderin bestätigt haben.

Um die Güte des Schwingkreises gemäß 1 und 2 weiter zu erhöhen, wird vorteilhaft die Güte bei geschlossener Schalteinheit (ON) gesteigert, indem die Breite des Transistors T1 vergrößert und damit der Widerstand Ron verkleinert wird. Dies führt zwar zu einer Erhöhung der Kapazität C_DS = C_off, die beim vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Schwingkreis vorteilhaft ausgeglichen wird, indem der Kapazitätswert C2 des zweiten kapazitiven Elements entsprechend verringert wird, so daß die Gesamtkapazität C2_res = C2 + C_off konstant und die Breite des Abstimmbereichs gemäß Gleichung (2) unverändert bleibt. Auf diese Weise ist es möglich, Vorteile bei geschlossener Schalteinheit (ON) zu erzielen (höhere Güte), ohne dafür Nachteile bei geöffneter Schalteinheit (OFF) in Kauf nehmen zu müssen (engerer Abstimmbereich). Im Extremfall ist die Kapazität C_DS = C_off so hoch, daß das zweite kapazitive Element C2 entfällt.

Zur weiteren Steigerung der Schwingkreisgüte wird vorteilhaft die Güte bei geöffneter Schalteinheit (OFF) erhöht, indem am Verbindungspunkt 18 (siehe 1) vorzugsweise das invertierte Steuersignal vt2_inv angelegt wird. Kann das Steuersignal vt2 beispielsweise die beiden Spannungswerte 3V und 0V annehmen, um den Transistor T1 zu öffnen bzw. zu schließen, so nimmt vt2_inv den Wert 3V an, falls vt2 = 0V und vt2_inv = 0V, falls vt2 = 3V. Auf diese Weise wird die gesteuerte Strecke 15 je nach Zustand der Schalteinheit mit DC-Potentialen versorgt, die auf eine höhere Güte der Drain-Source-Kapazität und damit auf eine höhere Schwingkreisgüte führen (zur Arbeitspunkteinstellung sind somit vorteilhaft keine Widerstände erforderlich, was zu einer erhöhten Robustheit gegenüber Rauschen führt). Die damit einhergehende Reduktion der Kapazität C_DS wird vorteilhaft durch eine Erhöhung der Kapazität C2 ausgeglichen.

In einer weiteren Ausführungsform werden am Verbindungspunkt 18 folgende Potentialwerte angelegt, wobei wiederum von den beiden exemplarischen Spannungswerten 3V und 0V für das Steuersignal vt2 ausgegangen wird:

  • – 0V, falls vt2 = 0V (Zustand 1)
  • – 3V, falls vt2 = 0V (Zustand 2)
  • – 0V, falls vt2 = 3V (Zustand 3).

In diesem Fall ergeben sich insgesamt drei Zustände, wobei die Schalteinheit S1 in den Zuständen 1 und 2 ein vorwiegend kapazitives Verhalten und im Zustand 3 ein vorwiegend resistives verhalten aufweist. Die Zustände 1 und 2 unterscheiden sich hierbei im Kapazitätswert der Drain-Source-Kapazität C_DS. Hierdurch wird die Frequenzauflösung des Schwingkreises vorteilhaft feiner.

Alternativ kann am Verbindungspunkt 18 ein festes Bezugspotential (Masse) angelegt werden.

Der erfindungsgemäße Schwingkreis ermöglicht es weiterhin, durch eine entsprechende Wahl der Werte von M, C2, L2, C1, L1 sicherzustellen, daß sich der Schwingkreiswiderstand bei Resonanz und damit die Amplitude des Ausgangssignals yRF z.B. in einem spannungsgesteuerten Oszillator während des Abstimmvorgangs vorteilhaft im wesentlichen nicht verändert. Wird der minimale bzw. der maximale effektive Induktivitätswert L1_eff mit L1min bzw. AL·L1min bezeichnet und der minimale bzw. maximale Kapazitätswert der ersten kapazitiven Einheit C1 mit C1min bzw. AC·C1min bezeichnet, so sind die Werte der genannten Parameter so zu wählen, daß die beiden Faktoren AL und AC möglichst gut übereinstimmen (AL = AC). In diesem Falle bleibt der Schwingkreiswiderstand bei Resonanz und damit die Amplitude des Ausgangssignals yRF während des Abstimmvorgangs konstant.

Bei hinreichend großen Kapazitätswerten C_off bzw. C_DS kann in weiteren Ausführungsbeispielen die in 1 und 2 gezeigte kapazitive Einheit C2 der Schalteinheit S1 vorteilhaft entfallen. In diesem Fall beruht das kapazitive Verhalten der Schalteinheit S1 im Zustand OFF ausschließlich auf der Kapazität C_off bzw. C_DS der gesteuerten Strecke 15 im Zustand OFF.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der erfindungsgemäße Schwingkreis z.B. in einem spannungsgesteuerten Oszillator NCO) zum Einsatz kommt. Parasitäre Kapazitäten von Verstärkungselementen (Transistoren) des VCO reduzieren hier zwar den durch eine direkte Abstimmung von Schwingkreiskapazitäten bedingten Abstimmungsanteil, nicht jedoch den auf eine erfindungsgemäße indirekte Abstimmung von Schwingkreisinduktivitäten (L1_eff) zurückzuführenden Anteil.

3 zeigt schematisch ein Layout eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schwingkreises. Die Draufsicht gemäß 3 entspricht einem Ausschnitt aus einer horizontalen Schnittebene durch eine integrierte Schaltung mit einem erfindungsgemäßen Schwingkreis 10 gemäß 1 und 2. Der Schwingkreis 20 weist einen ersten Parallelschwingkreis 11 und einen abschaltbaren zweiten Parallelschwingkreis 12 auf.

Der erste Parallelschwingkreis 11 weist eine das erste induktive Element L1 bildende erste Leiterschleife 21 auf, an die eine als Varaktordiode mit parallelgeschalteter Kondensatorbank (CDAC) ausgestaltete erste kapazitive Einheit C1 angeschlossen ist (in 3 symbolisch dargestellt). Der abschaltbare zweite Parallelschwingkreis 12 weist eine das zweite induktive Element L2 bildende zweite Leiterschleife 22 auf, an die der Feldeffekttransistor T1 und – parallel hierzu – eine als MIM-Kondensator ausgebildete zweite kapazitive Einheit C2 angeschlossen sind, die zusammen die Schalteinheit S1 bilden. Der Transistor T1 weist hierbei mehrere Drain-Source-„Finger" auf.

Die beiden Leiterschleifen 21, 22 sind transformatorisch gekoppelt.

Der abschaltbare zweite Parallelschwingkreis 12 ist vorzugsweise innerhalb oder alternativ außerhalb des ersten Parallelschwingkreis 11 angeordnet.

In weiteren Ausführungsformen weist die Leiterschleife 21 und/oder die Leiterschleife 22 mehrere Windungen (volle Schleifen) auf. Die Anzahl der Windungen kann hierbei in beiden Leiterschleifen übereinstimmen oder voneinander abweichen.

Anstelle der quasi oktaedrischen Ausprägung gemäß 3 können die Leiterschleifen auch rechteckig, quadratisch, oval, rundlich oder mit „abgerundeten Ecken" ausgeführt sein.

4 zeigt schematisch ein Layout eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schwingkreises. Beim Schwingkreis 30 sind zwei abschaltbare Parallelschwingkreise 12, 13 innerhalb des ersten Parallelschwingkreises 11 angeordnet und mit diesem transformatorisch gekoppelt.

Der erste Parallelschwingkreis 11 weist eine das erste induktive Element L1 bildende erste Leiterschleife 31 auf, an die eine als Varaktor ausgestaltete erste kapazitive Einheit C1 angeschlossen ist, die in 4 symbolisch dargestellt ist. Der erste abschaltbare Parallelschwingkreis 12 weist eine ein zweites induktives Element L2 bildende zweite Leiterschleife 32 auf, an die eine erste Schalteinheit S1 angeschlossen ist. Der zweite abschaltbare Parallelschwingkreis 13 weist eine ein drittes induktives Element L3 bildende dritte Leiterschleife 33 auf, an die eine zweite Schalteinheit S2 angeschlossen ist.

Die Schalteinheiten S1, S2 weisen jeweils eine zum Element L2 (32) bzw. L3 (33) parallel geschaltete gesteuerte Strecke auf, die durch ein Steuersignal vt2 bzw. vt3 angesteuert wird. Die gesteuerten Strecken werden in diesem Ausführungsbeispiel durch Feldeffekttransistoren (MOSFET) gebildet. Separate kapazitive Elemente sind in den Schalteinheiten S1, S2 nicht vorgesehen, so daß die Schalteinheiten in diesem Ausführungsbeispiel ausschließlich Feldeffekttransistoren enthalten, auf deren Drain-Source-Kapazität das kapazitive Verhalten der Schalteinheiten im Zustand OFF beruht.

Die erste Leiterschleife 31 bzw. das erste induktive Element L1 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit der zweiten und der dritten Leiterschleife 32, 33 bzw. mit dem zweiten und dritten induktiven Element L2, L3 transformatorisch gekoppelt, wie in 4 anhand der Doppelpfeile zu erkennen ist.

Die Leiterschleifen 3133 können analog zur entsprechenden Aussage bzgl. 3 auch rechteckig, oval etc. ausgeführt sein.

In weiteren Ausführungsformen weisen die Leiterschleifen 31, 32 und/oder 33 mehrere Windungen (volle Schleifen) auf, wobei die Anzahl der Windungen von Leiterschleife zu Leiterschleife variiert oder übereinstimmt.

In weiteren Ausführungsbeispielen sind mehr als zwei abschaltbare Parallelschwingkreise vorgesehen, deren induktive Elemente jeweils transformatorisch mit dem ersten Parallelschwingkreis gekoppelt sind. Je mehr abschaltbare Parallelschwingkreise vorgesehen werden, umso feiner ist die Frequenzauflösung des Schwingkreises, d.h. die Schrittweite der Frequenzabstimmung.

Unabhängig von ihrer Anzahl sind die abschaltbaren Parallelschwingkreise innerhalb und/oder außerhalb des ersten Parallelschwingkreises angeordnet.

5 zeigt schematisch ein Layout eines bevorzugten vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schwingkreises. Beim Schwingkreis 40 sind mehrere erfindungsgemäße Schwingkreise 20, 20', ... miteinander verschaltet.

In der oberen Hälfte von 5 ist der Schwingkreis 20 gemäß der vorstehenden. Beschreibung bzgl. 3 dargestellt. Er umfaßt einen ersten Parallelschwingkreis 11 mit einer ersten Leiterschleife 41 und einer symbolisch dargestellten ersten kapazitiven Einheit C1, sowie einen abschaltbaren zweiten Parallelschwingkreis 12 mit einer transformatorisch gekoppelten zweiten Leiterschleife 42 und einer Schalteinheit S1.

An die Anschlüsse der ersten kapazitiven Einheit C1 ist ein weiterer erfindungsgemäßer Schwingkreis 20' angeschlossen, dessen erster Parallelschwingkreis 11'in der Mitte seiner Leiterschleife 41' aufgetrennt und mit den Anschlüssen der kapazitiven Einheit C1 des ersten Schwingkreises 20 verbunden wurde. Damit ist der aufgetrennte erste Schwingkreis 11' parallel geschaltet zur Leiterschleife 41 bzw. zur ersten kapazitiven Einheit C1 des ersten Schwingkreises 20. Auch der weitere Schwingkreis 20' weist einen abschaltbaren zweiten Parallelschwingkreis 12' mit einer transformatorisch (mit 41') gekoppelten zweiten Leiterschleife 42' und einer Schalteinheit S1' auf. Hierzu wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.

Auf diese Weise kann jedes der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele insgesamt N-fach fortgesetzt werden. Mit jeder zusätzlichen Schwingkreisstufe wird die Frequenzauflösung des Schwingkreises vorteilhaft feiner. Außerdem werden auf diese Weise insgesamt N Ausgangssignale yRF bereitgestellt, die sich in ihrer Amplitude unterscheiden und an den kapazitiven Einheiten C1, C1' der ersten Parallelschwingkreise 11, 11' abgegriffen werden können.

Gemäß 5 sind die Leiterschleifen jeder Stufe identisch ausgestaltet (41 = 41', 42 = 42') und weisen die Bauelemente aller Stufen identische Werte auf (ggf. bei gleichem Wert der Steuersignale). In weiteren Ausführungsbeispielen verändern sich die Bauelementwerte von Stufe zu Stufe. vorzugsweise verkleinern sich sowohl die Breiten als auch die Radien der Leiterschleifen und vergrößern sich die Kapazitätswerte entsprechend von Stufe zu Stufe (z.B. von oben nach unten in 5).

Die vorstehend mit Bezug auf die 34 getroffenen Aussagen bezüglich der Ausgestaltung der Leiterbahnen (rechteckig, oval etc.), der Anzahl der Windungen pro Leiterbahn bzw. induktivem Element, der Anzahl und der Anordnung der abschaltbaren Parallelschwingkreise gelten sinngemäß auch für das Ausführungsbeispiel gemäß 5.

Der anhand von Ausführungsbeispielen vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Schwingkreis kann in unterschiedlichsten Anwendungen in Oszillator-, Resonator-, Verstärker-, Tuner-Schaltungen etc. vorteilhaft eingesetzt werden.

Der erfindungsgemäße Schwingkreis bzw. die genannten Schaltungen sind jeweils vorzugsweise Bestandteil einer integrierten Schaltung, die z.B. als monolithisch integrierte Schaltung (z.B. application specific integrated circuit, ASIC, oder application specific standard product, ASSP), als Hybridschaltung (Dünn- bzw. Dickschichttechnologie) oder als Multilayer-Keramik-Schaltungsanordnung ausgebildet ist.

10
Schwingkreis
11, 11'
(erster) Parallelschwingkreis
12, 12', 13
abschaltbarer Parallelschwingkreis
15
gesteuerte Strecke
16
Steueranschluß
17, 18
Verbindungspunkt induktiver Teilelemente
20, 20'
Schwingkreis
21, 22
Leiterschleife; induktives Element
30
Schwingkreis
31, 32, 33
Leiterschleife; induktives Element
40
Schwingkreis
41, 41'
Leiterschleife; induktives Element
42, 42'
Leiterschleife; induktives Element
ASIC
application specific integrated circuit
ASSP
application specific standard product
CDAC
capacitive digital-to-analog-converter, geschaltete Kondensatorbank
IC
integrated circuit
MEM
mikroelektromechanisch
MIM
metal-isolator-metal
MOS
metal-oxide-semiconductor
MOSFET
metal-oxide-semiconductor field effect transistor
RF
radio frequency
VCO
voltage controlled oscillator
&ohgr;
Kreisfrequenz
AC, AL
Abstimmbarkeit einer Kapazität bzw. einer Induktivität
C1, C1'
kapazitive Einheit; Kapazitätswert der kapazitiven Einheit
C2, C2'
kapazitive Einheit; Kapazitätswert der kapazitiven Einheit
C2_res
Kapazitätswert der Parallelschaltung aus den Kapazitäten C2, C_off
C_DS
Drain-Source-Kapazität;
C_off
Kapazität der gesteuerten Strecke im Zustand „OFF"
f
Frequenz
f0
Frequenz des Ausgangssignals yRF
L1, L2, L3
induktives Element; Leiterschleife; Induktivitätswert
L1_eff
effektiver Induktivitätswert
M
Koppelinduktivität
Q
Güte
Ron
ohmscher Widerstand der gesteuerten Strecke im Zustand „ON"
S1, S1', S2
Schalteinheit
T1
MOSFET-Transistor
T1D, T1S
Drain- bzw. Source-Anschluß von T1
T1G
Gate-Anschluß von T1
vt1, vt1'
Steuersignal
vt2, vt2', vt3
Steuersignal
yRF
Ausgangssignal


Anspruch[de]
Integrierter abstimmbarer Schwingkreis (10; 20; 30; 40) zum Bereitstellen eines hochfrequenten Ausgangssignals (yRF) mit einer von einem Steuersignal (vt2) abhängigen Frequenz (f0), beinhaltend:

a) einen Parallelschwingkreis (11) mit einem ersten induktiven Element (L1; 21; 31; 41) und einem Ausgang zum Bereitstellen des hochfrequenten Ausgangssignals(yRF),

b) eine Schalteinheit (S1) mit einer gesteuerten Strecke (15) und einem Steueranschluß (16) zum Schalten zwischen Zuständen, wobei die Schalteinheit (S1) ausgebildet ist, in einem ersten Zustand (OFF) ein vorwiegend kapazitives Verhalten und in einem zweiten Zustand (ON) ein vorwiegend resistives Verhalten aufzuweisen,

c) wobei der Schwingkreis ausgestaltet ist, den Steueranschluß (16) der Schalteinheit (S1) in Abhängigkeit vom Steuersignal (vt2) anzusteuern,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) ein mit dem ersten induktiven Element (L1; 21; 31; 41) transformatorisch koppelbares zweites induktives Element (L2; 22; 32; 42) vorgesehen ist, und

e) die gesteuerte Strecke (15) parallel zum zweiten induktiven Element (L2; 22; 32; 42) geschaltet ist.
Schwingkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive Verhalten der Schalteinheit (S1) teilweise oder vollständig auf einer Kapazität (C_off, C_DS) der gesteuerten Strecke (15) im ersten Zustand (OFF) beruht. Schwingkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive verhalten der Schalteinheit (S1) auf der Kapazität (C_off, C_DS) der gesteuerten Strecke (15) im ersten Zustand (OFF) und einer parallel zur gesteuerten Strecke (15) geschalteten kapazitiven Einheit (C2) beruht. Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das resistive Verhalten der Schalteinheit (S1) auf einem ohmschen Widerstand (Ron) der gesteuerten Strecke (15) im zweiten Zustand (ON) beruht. Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinheit (S1) einen Feldeffekttransistor (T1) aufweist, dessen Drain-Source-Kanal die gesteuerte Strecke (15) bildet und dessen Gate-Anschluß (T1G) mit dem Steueranschluß (16) verbunden ist. Schwingkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinheit (S1) ein mikroelektromechanisches Schaltelement (MEM) aufweist. Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelschwingkreis (11) eine parallel zum ersten induktiven Element (L1; 21; 31; 41) geschaltete erste kapazitive Einheit (C1) aufweist. Schwingkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste kapazitive Einheit (C1) einen einstellbaren Kapazitätswert aufweist und der Schwingkreis ausgestaltet ist, den einstellbaren Kapazitätswert der ersten kapazitiven Einheit (C1) in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren Steuersignal (vt1) einzustellen. Schwingkreis nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste kapazitive Einheit (C1) mindestens einen Metall-Isolator-Metall-Kondensator (MIM), einen Varaktor, einen geschalteten MIM-Kondensator oder eine geschaltete Kondensatorbank (CDAC) aufweist. Schwingkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der ersten kapazitiven Einheit (C1) um eine parasitäre Kapazität handelt. Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinheit (S1) eine parallel zur gesteuerten Strecke (15) geschaltete zweite kapazitive Einheit (C2) aufweist. Schwingkreis nach Anspruch 11, wobei die zweite kapazitive Einheit (C2) parallel zum zweiten induktiven Element (L2) geschaltet ist. Schwingkreis nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite kapazitive Einheit (C2) einen einstellbaren Kapazitätswert aufweist und der Schwingkreis ausgestaltet ist, den einstellbaren Kapazitätswert der zweiten kapazitiven Einheit (C2) in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren Steuersignal einzustellen. Schwingkreis nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite kapazitive Einheit (C2) mindestens einen Metall-Isolator-Metall-Kondensator (MIM), einen Varaktor, einen geschalteten MIM-Kondensator oder eine geschaltete Kondensatorbank (CDAC) aufweist. Schwingkreis nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite kapazitive Einheit (C2) als verteilte Kapazität ausgebildet ist. Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite induktive Element (L2) zwei in Reihe geschaltete induktive Teilelemente aufweist. Schwingkreis nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß am Verbindungspunkt der induktiven Teilelemente ein erster Potentialwert anlegbar ist, wenn sich die Schalteinheit (S1) im ersten Zustand (OFF) befindet, und ein unterschiedlicher zweiter Potentialwert anlegbar ist, wenn sich die Schalteinheit im zweiten Zustand (ON) befindet. Schwingkreis (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem ersten induktiven Element (L1; 31) transformatorisch koppelbares drittes induktives Element (L3; 33) und eine zum dritten induktiven Element parallel geschaltete zweite Schalteinheit (S2) mit einer zweiten gesteuerten Strecke vorgesehen sind, wobei die zweite gesteuerte Strecke parallel zum dritten induktiven Element geschaltet ist. Schwingkreis (40), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein erster Schwingkreis (20) und ein zweiter Schwingkreis (20') nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist, wobei ein aufgetrennter Parallelschwingkreis (11') des zweiten Schwingkreises (20') parallel geschaltet ist zum ersten induktiven Element (L1; 41) des ersten Schwingkreises (20). Spannungsgesteuerter Oszillator mit mindestens einem Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Integrierte Schaltung mit mindestens einem Schwingkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und/oder mindestens einem spannungsgesteuerten Oszillator nach Anspruch 20. Integrierte Schaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung als monolithisch integrierte Schaltung, als Hybridschaltung oder als Multilayer-Keramik-Schaltung ausgebildet ist.






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