用於調節頻率的裝置的製作方法

2023-08-01 21:39:31 1

專利名稱：用於調節頻率的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於生成或調節頻率的裝置，它尤其涉及一種用於生成具有高精度或高解析度的頻率的振蕩器電路。這種裝置在諸如行動電話的移動無線電裝置中尤其用於頻率調節。
在許多電子設備中，尤其是也在像行動電話那樣的電信設備中，需要振蕩器或時鐘發生器。利用這些振蕩器或時鐘發生器例如生成發送信號，處理另外的信號，或對處理器定時。振蕩器生成具有某種重複率、即頻率的以某種節拍變化的信號。該頻率通常必須是可以很精細地調節的。在傳統的模擬控制的振蕩器中，通過改變電子電路中的參數的模擬控制信號(電壓、電流、...)來實現這種可調節性。但是若干時間以來，也使用在電路中轉接或接通/斷開元件的振蕩器。由於元件(例如電容器)隨後不能通過中間值，所以頻率只能以確定的步進來調節並且不是連續的。如果步進過於粗略，則這在有些系統中導致問題。人們將這些振蕩器類型稱為數控振蕩器(DCD＝DigitallyControlled Oscillators)。以下更詳細地闡述這種頻率調節。
尤其是在移動無線電裝置中重要的是，生成作為具有高頻率精度的數據信號的載頻(該數據信號被調製到該載頻上)的頻率。例如像行動電話那樣的移動站必須能夠在由基站相應地請求時調節基站所請求的頻率，以便建立良好的通信連接。為此目的，在行動電話中設置有振蕩器電路或振蕩器，該振蕩器能夠生成具有高精度的頻率或載頻，其中該振蕩器的頻率是可調節的。


圖1中展示了振蕩器電路或振蕩器的一種實施方案，如例如在行動電話或一般地在移動無線電設備中所採用的那樣。在此，在電路的中心展示了石英元件QO，該石英元件QO被設計用於生成具有高精度頻率的振蕩。由振蕩器電路或石英元件QO生成的頻率在此情況下用作緊接著的頻率處理裝置的參考頻率。在例如按照GSM(全球移動通信系統)標準工作的行動電話中，所生成的頻率可以位於26MHz±2.6Hz處。在該實例中，所生成的頻率被提供給無線電晶片FC上的無線電裝置FE。在該無線電裝置FE中，必要時將該頻率提供給乘法裝置或(未示出的)倍頻器，以便例如在相應的乘法以後生成具有多倍值的頻率。在按照GSM標準工作的行動電話的實例中，作為數據信號的載頻的倍增的頻率應為900MHz。現在藉助無線電裝置或與該無線電裝置相連接的(未示出的)天線向基站傳送基於所生成的倍增的載頻的無線電信號，該基站在需要時回送無線電信號，在該無線電信號中它請求行動電話改變或匹配頻率或載頻。由行動電話的無線電裝置FE處理這種請求，以便啟動用於匹配載頻的過程。
無線電裝置FE或與該無線電裝置FE相連接的控制裝置此時生成輸送給調節電路或調諧電路TS的模擬控制信號ASS(通過圖左邊緣上的箭頭來表明)，該調節電路或調諧電路TS與石英元件相連接。該模擬控制信號ASS在此情況下首先通過調諧電路TS的由多個電阻和電容器組成的濾波器段FI，以便例如濾出外部的幹擾。該模擬控制信號隨後被輸送給調諧電路的核心件、即具有壓控電容的變容二極體VC。通過藉助該模擬控制信號來調節變容二極體VC上的電容，可以因此如此來影響石英元件QO的振蕩，使得改變(這裡在實例中用於生成倍增的載頻的)整個振蕩器電路的頻率(關於進一步的說明也請參閱圖3)，以便滿足基站的請求。
藉助剛才所說明的調諧電路來模擬地生成或修正石英振蕩器的控制電壓，這雖然提供了在一定程度上任意準確的或連續的修正的優點，並且能夠在石英振蕩器上實現精確的頻率調節，但是不利的是，由於所採用的模擬控制信號而導致的該方法的高的幹擾敏感性，以及在調諧電路、尤其是變容二極體VC相對於無線電晶片FC布置在外部時的高額成本。
替代外部的調諧電路TS、即未設置在無線電晶片上的調諧電路，也可以在無線電晶片上設置用於生成控制信號或控制電壓的調諧電路，該調諧電路允許數字頻率修正。為此在圖2中展示了一種石英振蕩器或其線路布置的一種實施方案，在該線路布置中調諧電路被設置在無線電晶片中。
按照圖1，設置有被設計用於生成具有高精度頻率的振蕩的石英元件QO。如果現在因為例如如上所述應執行載頻與由基站所請求的值的匹配而應改變由石英元件或振蕩器電路所生成的頻率，則現在不再像圖1中那樣藉助模擬調諧電路、而是藉助可數控的電容組(Kapazitaetsbank)KB11來執行匹配。該電容組KB11在此情況下包括多個並聯的電容器K11-K14，可以單獨地接通或斷開這些電容器K11-K14，以便達到具有確定值的第一總電容。藉助分配給每一個電容器K11-K14的開關S11-S14來實現這種接通或斷開。在此情況下，由無線電裝置FE或(未示出的)控制裝置發送數字編程代碼或修正代碼到電容組KB11上，於是在該電容組KB11中接通或斷開相應的電容器。現在根據因此生成的第一總電容如此來影響石英元件QO的振蕩，使得又引起由石英振蕩器QO所生成的頻率的改變或匹配。
剛才示出的石英振蕩器的數字頻率修正方法雖然因為可以在一個無線電晶片上設置所有用于振蕩器電路(包括石英振蕩器)的部件而提供了微小的幹擾敏感性以及價格便宜的製造可能性。但是由於在通過電容組KB11生成控制電容時，基於在接通或斷開調節電容器K11-K14時(第一)總電容的離散的或量化的變化δC，只能利用電容δC生成離散的或量化的頻率或頻率變化，所以在圖2中所展示的數字頻率修正的情況下不可能準確地調節由石英振蕩器QO所生成的頻率(關於進一步的說明也請參閱圖6)。
因此本發明的任務是創造一種用於生成頻率的可能性，該可能性允許成本低地調節具有高精度的頻率。
該任務通過獨立權利要求的主題來解決。有利的擴展方案是從屬權利要求的主題。
在此，數控振蕩器首先具有一個或至少一個決定頻率的元件，用於生成具有確定的高精度頻率的振蕩。在此情況下可以涉及一種尤其是以石英元件為實施形式的振蕩元件。該振蕩器電路還具有與決定頻率的元件相連接的調節裝置，用於改變該振蕩器電路的振蕩頻率，其中該調節裝置具有以下部件。它具有可數控的第一電抗組，在該第一電抗組中多個第一調節電抗以互相聯接的形式布置，並且是可以單獨控制的，以便調節預先決定的第一總電抗。在這裡，聯接可以像在下文中那樣是並聯或串聯。此外還要注意的是，應將電抗理解為僅由感抗和/或容抗引起的交流電的阻抗，並且在這裡是電容或電容器和/或電感或線圈等等的概括。此外，該調節裝置具有微調電路，該微調電路此外被連接到第一電抗組，並且該微調電路具有第一電抗，該第一電抗與由第二電抗和可數控的第二電抗組組成的並聯電路相串聯，在該可數控的第二電抗組中多個第二調節電抗以互相聯接的形式布置，並且是可以單獨控制的，以便調節預先決定的第二總電抗。
根據一種有利的擴展方案，該調節裝置具有可數控的(作為第一電抗組的)第一電容組，在該第一電容組中多個(作為第一調節電抗的)第一調節電容器以互相聯接的形式布置，並且是可以單獨控制的，以便調節預先決定的(作為第一總電抗的)第一總電容。該調節裝置還具有微調電路，該微調電路此外被連接到第一電容組，並且該微調電路具有(作為第一電抗的)第一電容器，該第一電容器與由(作為第二電抗的)第二電容器和可數控的(作為第二電抗組的)第二電容組組成的並聯電路相串聯，在該可數控的第二電容組中多個(作為第二調節電抗的)第二調節電容器以互相聯接的形式布置，並且是可以單獨控制的，以便調節預先決定的(作為第二總電抗的)第二總電容。
根據另一種有利的擴展方案，該調節裝置可以相應地具有可數控的(作為第一電抗組的)第一電感組，在該可數控的第一電感組中多個(作為第一調節電抗的)第一調節電感以互相聯接的形式布置，並且是可以單獨控制的，以便調節預先決定的(作為第一總電抗的)第一總電感。該調節裝置還具有微調電路，該微調電路此外被連接到第一電容組，並且該微調電路具有(作為第一電抗的)第一電感，該第一電感與由(作為第二電抗的)第二電感和可數控的(作為第二電抗組的)第二電感組組成的並聯電路相串聯，在該可數控的第二電感組中多個(作為第二調節電抗的)第二調節電感以互相聯接的形式布置，並且是可以單獨控制的，以便調節預先決定的(作為第二總電抗的)第二總電感。該調節電感在此可以包括線圈、振蕩迴路或具有確定電感的線路。
根據本發明的數控振蕩器電路在此具有以下優點a)以數字方式實現振蕩器的振蕩迴路的頻率修正，並且於是例如不依賴於D/A(數/模)轉換器特性(例如在供電電壓擾動時的特性)。
b)可以將編程代碼以數字方式發送到調節裝置的電容組上，由此引起大的幹擾不敏感性。可以省略(像在模擬頻率修正時那樣的)濾波。
c)由於可以將振蕩器電路的所有部件設置在一個晶片上，所以導致位置、元件和成本、甚至裝配成本的節約。
d)通過完全集成在一個集成電路中，顯著降低電氣設備中的振蕩器電路的開發時間。
通過在調節裝置中採用微調電路，可以實現幾乎任意的解析度，並且因此實現很準確的頻率調節。
根據本發明的另一方面，創造一種具有根據上述擴展方案的振蕩器電路的電氣設備。該電氣設備可以具有無線電模塊或無線電裝置，在該無線電模塊中設置有振蕩器電路，尤其用於生成作為無線電信號的載頻的基礎的頻率。在此情況下，該電氣設備可以被構造為(可攜式)計算機或被構造為移動無線電設備、尤其是行動電話。該無線電模塊或移動無線電設備可以按照GSM(全球移動通信系統)、UMTS(通用移動電信系統)、DECT(數字增強無線電信)、WLAN(無線區域網)或CDMA(碼分多址)標準工作。
以下參考附圖來更詳細地闡述本發明的優選的實施形式。
圖1展示了用於藉助模擬頻率修正來生成和調節頻率的電路；圖2展示了用於藉助數字頻率修正來生成和調節頻率的電路；圖3展示了一種電路的詳細示圖，該電路用於尤其藉助模擬頻率修正來生成和調節頻率；圖4以圖3的部件的等效電路圖展示了用於生成和調節頻率的電路的詳細示圖；圖5展示了圖4的等效電路圖，其中將多個電容器匯總成一個負載電容器CL或一個負載電容；圖6展示了一個用於闡述在實例中藉助多個對地的小電容器的並聯來生成數控可變電容的示意圖；圖7展示了作為負載電容CL的函數的頻率f(CL)的示圖；圖8展示了根據一種用於調節振蕩器電路的頻率的本發明實施形式、例如根據圖5的阻抗轉換器電路的電路圖。
在以下藉助振蕩器或振蕩器電路來闡述用於生成或調節頻率的電路的優選實施形式之前，首先將再次根據石英振蕩器(CXO受控石英振蕩器)的實例來探討可調節的振蕩器或振蕩器電路的基本理論。
1.在可調節的振蕩器情況下的頻率調節圖3A在此再次展示了受控振蕩器或振蕩器電路的、形成振蕩迴路或振蕩系統的三個主要部件a)有源部件AT該有源部件AT起著負電阻的作用，並且允許系統的振蕩，因為它補償了電路的剩餘部分的電阻。該有源部件可以用與電容器(C有源)串聯的負電阻(-R或-R有源)來示出(請參閱圖3B)。
b)決定頻率的部件FT(這裡是石英)該決定頻率的部件FT大多作為具有並聯電容器C0的串聯RLC電路示出。對於石英振蕩器的情況，具有一定精度的石英參數R1、C1和L1是已知的(請參閱圖3C)。
c)調節部件ET它大多通過用於電路定中心的可調節的電容器(Cv)和若干固定的電容器(這裡是Cs和Cp)來實現(請參閱圖3D)。該可調節的電容器可以通過大多為電壓(在此情況下是VC(X)O或「壓控(石英)振蕩器」)的模擬信號(如已經根據圖1所闡述的那樣)或通過數位訊號(如以下還將更準確地闡述的那樣)來調節。
圖4展示了剛才所闡述的具有等效部件的石英振蕩器電路。
如果如在圖5中已執行的那樣總計或匯總電容器Cv，Cp，Cs和C有源，則可以簡化振蕩器或振蕩器電路的示圖振蕩元件現在與電容或負載電容CL相串聯。CL是Cv、Cp、Cs和C有源的函數。在該特殊情況下，CL可以根據圖4來計算(等式1) 如果用f0=(2L1C1)-1]]>來描述石英的固有頻率，則現在可以將頻率f表達為CL的函數(等式2)，其中電路能以該頻率振蕩f(CL)=f0(1+c12(C0+CL))----(2)]]>圖7中展示了負載電容CL的頻率f的這種函數。
於是可以通過改變負載電容CL並且由於CL本身依賴於Cv而通過改變可調節的電容Cv來調節振蕩器電路的頻率f。
2.數控的振蕩器電路的實現以下現在將闡述可調節的電容Cv的一般性實現，如在上面已經說明的那樣。
藉助圖6展示了生成具有可變電容的電容器的基本原理。通過例如多個電容器K01-K04與小電容dCv的並聯，生成較大的電容或總電容CV。這種並聯電路也稱為電容組KB01(關於此也請參閱涉及具有各個調節電容器K11-K14的電容組KB11的圖2)。如果藉助每個單個電容或每個單個電容器的開關S01-S04的轉換(藉助編程代碼)是可編程的，大電容CV的值則是可變的。
因此為以下的闡述而假設，電容組KB01具有總電容Cv，該總電容CV通過各個電容dCv的接通或斷開是可變的或可調節的。
利用剛才所說明的方案，頻率精度非常依賴於最小可實現的電容dCv。如果將頻率看作整個負載電容CL的函數(請參閱等式2和圖7)，則針對頻率精度df(CL)得出df(CL)=(fCL)dCL]]>值dCL在這裡是對於整個負載電容的值來說可以達到的精度。因為CL是Cv的函數，所以也可以寫出dCL(Cv)=(CLCv)dCv]]>該兩個等式給出了作為整個負載電容CL(Cv)和電容組的電容步進dCv的函數的頻率精度(等式3)df(Cv)=(fCL)(CLCv)dCv----(3)]]>在根據圖3-5的振蕩器電路的本實例中，可以如下寫出緊接著的兩個等式fCL=-f0C12(C0+CL)2]]> 為了獲得數量級的概念，應考察以下的計算實例。如果Cv＝10pF和dCv＝2fF適用，並且石英參數具有下列值f0＝25992606HzC1＝6.6fFC0＝1.6pF則在此情況下可計算出電路的頻率精度。
利用CP＝4pFCs＝C有源＝40pF來確定電路的尺寸。
在該情況下得出
CL=8.24pFFCL(CL)=1773.45Hz/pFCLCv(Cv)=0.346df(Cv=10pF)=1.22Hz]]>但是存在這種精度不夠的情況(例如在移動無線電裝置中，像在按照GSM標準工作的行動電話中)。於是嘗試優化石英參數或電路中的其它值，但是迴旋餘地常常是很小的。
此外可以嘗試降低電容dCv的值。可惜有時由於技術原因這是不可能的。對於這種情況，現在可以採用一種根據本發明實施形式的解決方案，該解決方案將在下文中進行說明。
3.通過使用阻抗轉換器來提高精度現在用具有兩個電容組、即具有可調電容Cvgrob的第一電容組KB21和具有可調電容Cvfein的第二電容組KB22的阻抗轉換器電路IWS來代替上述的(簡單的)具有可變電容Cv的電容組KB01。要提及的是，新的電容組中的每一個的結構(調節電容器的並聯電路)和作用方式對應於電容組KB01的(或圖2的電容組KB11的)作用方式。圖8中展示了阻抗轉換器電路的布線。在此，電容器Ca、電容器Cb和第二電容組KB22構成一個微調裝置或微調電路FES，如在下文中將對其進行闡述。對於兩個組中的每一個組來說，通過(在製造電容器時的)技術或通過電容組中的電容器的數量，電容變化的最好可達到的精度dCv被限制在電容器或調節電容器的最小可達到的電容dCvmin內。在大多數情況下如此來確定電容Cvgrob的尺寸，使得以平均的精度來實現所希望的頻率牽引範圍f(Cvgrobmax)-f(Cvgrobmin)。於是在這裡通過Cvfein、Ca和Cb的組合來實現精密的精度。
阻抗轉換器電路IWS的等效的電容或總電容現在用Cv來表示，並且可以如下來計算(等式4)Cv=Cvgrob+Ca(Cb+Cvfein)Ca+Cb+Cvfein]]>=Cvgrob+(CaCbCa+Cb+CvfeinCa+Cb)(1+CaCvfeinCa+Cb)-1Cadd(Ca,Cb,Cvfein)----(4)]]>從中可以看出，由粗略的電容Cvgrob和更精密量化的電容Cadd的總和得出Cv。
如果ΔCadd＝Cadd(Cvfeinmax)-Cadd(Cvfeinmin)是電容Cadd必須覆蓋的最大電容範圍，則在大多數的情況下希望0≤ΔCadd≤dCvgrob適用。
這裡合理的是，選擇Ca+Cb＞＞Cvfein。於是可以利用一種近似如下來簡化Cv(等式5)Cv~Cvgrob+CaCbCa+Cb+(CaCa+Cb)2Cvfein----(5)]]>等式5展示了，通過Ca和Cb的巧妙的選擇可以線性地使用Cv。於是Cvgrob的一個步進正好相當於通過Ca和Cb所轉換的電容範圍。這在第2點中已實現了。僅還剩下要指明，精度已得到改善。
如果將Cvfein轉換一個小的步進或電容步進dCvfein，這對於dCv來說則相當於一個步進dCv=(CvCvfein)dCvfein]]>在對等式4求導之後，導出並獲得(等式6)dCv=(CaCa+Cb+Cvfein)2dCvfein----(6)]]>=(CaCa+Cb)2(1+CvfeinCa+Cb)-2dCvfein]]>為了達到精細的解析度，必須如此來選擇Ca和Cb，使得Ca+Cb＞＞Cvfein適用。於是可以如下來寫出等式6dCv~(CaCa+Cb)2(1-2CvfeinCa+Cb)dCvfein----(7)]]>這還可以簡化為(等式8)dCv~(CaCa+Cb)2dCvfein----(8)]]>現在將在一個具體的數值實例中展示阻抗轉換器電路IWS的有利的作用用於製造電容器的技術允許製造具有作為最小值的電容值dCvfein＝2fF(＝2飛法拉(Femtofarad))的電容組的調節電容器。選擇Ca＝1pF和Cb＝10pF。於是阻抗轉換器電路IWS的總電容Cv可以以dCv的階躍來量化，這些階躍可以通過等式8來計算最後在KB22的電容變化dCvfein時針對阻抗轉換器電路IWS的有效電容變化從中得出dCv＝0.0165fF。在相對於只採用一個電容組來調節負載電容的解決方案的解析度的情況下，這相當於大約為121的改善係數。
關于振蕩器電路的實際應用，如根據圖1和2已闡述的那樣，同樣可以將根據本發明實施形式、即具有可數控的阻抗轉換器電路IWS的振蕩器電路集成在行動電話的無線電晶片上。例如在圖2中所展示的電容組KB11可以用阻抗轉換器電路IWS來代替。但是也可以設想將根據本發明實施形式的振蕩器電路應用在需要具有高精度的頻率用於其運行的其它電氣設備中。
權利要求
1.數控振蕩器電路，具有以下特徵決定頻率的元件(QO)，用於生成具有確定的高精度頻率的振蕩；與所述決定頻率的元件(QO)相連接的調節裝置(IWS)，用於改變所述振蕩器電路(QO)的振蕩頻率，其中所述調節裝置具有以下部件可數控的第一電抗組(KB21)，在該可數控的第一電抗組中多個第一調節電抗以互相聯接的形式布置，並且是可以單獨控制的，以便調節預先決定的第一總電抗(Cvgrob)；微調電路(FES)，該微調電路(FES)此外連接到所述第一電抗組(KB21)，並且該微調電路(FES)具有第一電抗(Ca)，該第一電抗(Ca)與由第二電抗(Cb)和可數控的第二電抗組(KB22)組成的並聯電路相串聯，在該可數控的第二電抗組中多個第二調節電抗以互相聯接的形式布置，並且是可以單獨控制的，以便調節預先決定的第二總電抗(Cvfein)。
2.按權利要求1的振蕩器電路，其中，所述決定頻率的元件是尤其以石英元件為實施形式的振蕩元件(QO)。
3.按權利要求1或2的振蕩器電路，其中，所述第一(Ca)和第二(Cb)電抗共同包括一個作為所述第二總電抗(Cvfein)的大很多的電抗。
4.按權利要求1至3之一的振蕩器電路，其中，通過數字編程代碼可以控制所述第一(KB21)和/或第二(KB22)電抗組，其中根據所述編程代碼來接通或斷開相應的調節電抗。
5.按權利要求1至4之一的振蕩器電路，其中，所述第一和/或第二電抗組是電容組，在該電容組中多個作為調節電抗的調節電容器以互相聯接的形式布置，並且是可以單獨控制的，以便調節預先決定的作為總電抗的總電容。
6.按權利要求1至4之一的振蕩器電路，其中，所述第一和/或第二電抗組是電感組，在該電感組中多個作為調節電抗的調節電感以互相聯接的形式布置，並且是可以單獨控制的，以便調節預先決定的作為總電抗的總電感。
7.按權利要求6的振蕩器電路，其中，所述調節電感是線圈、振蕩迴路或具有確定電感的線路。
8.具有按權利要求1至7之一的振蕩器電路的電氣設備。
9.按權利要求8的電氣設備，該電氣設備被構造為移動無線電設備、尤其是行動電話。
10.按權利要求9的電氣設備，該電氣設備按照GSM、UMTS、DECT、WLAN或CDMA標準工作。
全文摘要
公開了一種數控振蕩器電路，包括具有以下特徵的振蕩迴路用於生成具有確定的高精度頻率的振蕩的振蕩元件，和與該振蕩元件相連接的用於改變該振蕩元件的振蕩頻率的調節裝置(IWS)。該調節裝置在此具有以下部件。一方面它具有可數控的第一電容組(KB21)，在該第一電容組(KB21)中多個第一調節電容器以互相併聯的形式布置，並且是可以單獨控制的，以便調節預先決定的第一總電容(C
文檔編號H03B5/36GK1795605SQ200480014749
公開日2006年6月28日 申請日期2004年4月7日 優先權日2003年5月28日
發明者C·卡斯納夫, R·蒙諾 申請人:西門子公司