DE102004028068A1

DE102004028068A1 - Oszillator

Info

Publication number: DE102004028068A1
Application number: DE102004028068A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Ruile; Edgar Dr. Schmidhammer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2005-12-29
Also published as: JP2008502240A; WO2005122390A3; WO2005122390A2; US20070296513A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Oszillator mit einem Resonatorelement und einem Steuerelement zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Resonatorelements auf verschiedene Werte, wobei das Resonatorelement aus mindestens einem Resonator besteht. Das Steuerelement kann als eine Steuerschicht zur Steuerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle im Resonator realisiert werden. Das Steuerelement kann alternativ als ein Schalterelement ausgebildet sein und zur Schaltung verschiedener Teilzweige eines als ein Resonatormagazin bzw. eine Resonatorbank ausgebildeten Resonatorelements benutzt werden. Dabei ist vorzugsweise ein Trimmelement vorgesehen, mit dem eine Feinabstimmung der Oszillatorfrequenz möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Oszillator, insbesondere einen Oszillator mit einem Resonator in seinem Rückkopplungszweig.

Allgemein sind Oszillatoren mit einem dielektrischen Resonator (Dick- oder Dünnschwinger) bekannt, deren dielektrische bzw. piezoelektrische Schicht z. B. aus Quarz besteht. Die Quarzoszillatoren erzeugen ein Signal mit einer in hohem Maße stabilen Frequenz, die zwischen 10 kHz und 200 MHz liegt.

Aus der Druckschrift B. Otis and J. Rabaey, „A 300-μW 1.9-GHz CMOS Oscillator Utilizing Micromachined Resonators", IEEE 2003, p. 1271, ist ein Oszillator bekannt, bei dem im Rückkopplungszweig eines Transistors ein Dünnschichtresonator angeordnet ist. Dieser Oszillator erzeugt ein HF-Signal (HF = Hochfrequenz) von 1,9 GHz. Dieses Signal kann z. B. als Referenzfrequenz eines Modulators in einem tragbaren Funkgerät verwendet werden.

Der Oszillator schwingt mit einer Frequenz, die zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz des Resonators liegt. Innerhalb dieses Intervalls kann eine Anpassung der Oszillatorfrequenz z. B. durch eine Trimmkapazität erfolgen. Bezogen auf eine Mittenfrequenz ist der Unterschied zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz – bedingt durch die Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht – ca. 1 bis 3%. Daher ist nur eine geringfügige Anpassung der Oszillatorfrequenz möglich.

Aus der Druckschrift Qiuting Huang and P. Basedeau, „Design Considerations for high-Frequency Crystal Oszillators Digitally Trimmable to Sub-ppm Accuracy", IEEE 1997; p. 408, 7 ist bekannt, eine digital angesteuerte Kapazitätsbank in einem Rückkopplungszweig eines CMOS-basierten Pierce-Oszillators zu verwenden. Die Kapazitätsbank kann parallel zu einem Quarz-Resonator geschaltet werden.

Je nach Anwendung werden Oszillatoren auch für eine andere Frequenz, z. B. > 2 GHz benötigt. Im Einzelfall ist die Oszillatorfrequenz z. B. durch die Einstellung der Resonanzfrequenz eines Dünnschichtresonators beispielsweise mittels geeigneter Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht einstellbar. Eine nachträgliche Anpassung der Frequenz in einem fertigen Bauteil ist allerdings nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Oszillator mit einer hohen Güte anzugeben, dessen Frequenz designunabhängig von extern verstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Oszillator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind aus weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung gibt einen Oszillator mit einem Resonatorelement an, das eine einstellbare Resonanzfrequenz aufweist, und einem Steuerelement zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Resonators auf verschiedene Werte. Das Resonatorelement besteht aus mindestens einem Resonator.

Mit einem Steuerelement kann – durch die Steuerung der Frequenz des Resonatorelements – eine Verschiebung der Oszillatorfrequenz erzielt werden, die den Abstand von Resonanz- zu Antiresonanzfrequenz eines Einzelresonators überschreitet. Ein Trimmelement dagegen verändert die Oszillatorfrequenz, ohne dabei die Frequenz des Resonatorelements zu verschieben. Das Steuerelement für sich ist also kein Trimmelement, dessen elektrische Werte, insbesondere die Blindwiderstandsgrößen wie z. B. Kapazität oder Induktivität, einstellbar sind. Im Sinne der Erfindung stellt das Resonatorelement für sich ein Trimmelement bzw. einen (vorzugsweise von außen) steuerbaren „Trimmresonator" dar. Die Erfindung hat daher den Vorteil, dass eine in hohem Maße genaue Einstellung einer Oszillatorfrequenz mit einem Resonatorelement und einem Steuerelement ohne zusätzliche Trimmelemente in einem breitbandigen Frequenzintervall möglich ist. Der Oszillator gemäß Erfindung zeichnet sich durch ein geringes Phasenrauschen aus.

Der Oszillator gemäß Erfindung ist vorzugsweise zur Erzeugung von Schwingungen mit einer Frequenz ab ca. 1 GHz vorgesehen. Der Oszillator kann eine beliebige Oszillatorgrundschaltung (z. B. Pierce-Oszillator, Colpitts-Oszillator) mit mindestens einem Verstärkerelement aufweisen. Das Verstärkerelement kann ein CMOS-Operationsverstärker (CMOS = complementary metaloxide semiconductor) oder ein Feldeffekttransistor sein.

Der Oszillator weist einen Oszillatorkreis auf, der ein Verstärkerelement und einen Schwingkreis mit einem Resonatorelement umfasst. Der Schwingkreis ist in einem Zweig angeordnet, der z. B. ein Rückkopplungszweig des Verstärkerelements ist. Der Schwingkreis kann auch zwischen dem Eingang des Verstärkerelements und Masse angeordnet sein.

Der Resonator kann im Prinzip ein dielektrischer Resonator sein. Der Resonator kann alternativ in Streifenleitungstechnik ausgeführt sein. Der Resonator kann auch ein LC-Resonator sein. Auch die Ausbildung eines Resonators als ein mikroelektromechanisches Element ist möglich.

Der Resonator ist vorzugsweise ein elektroakustischer (d. h. mit akustischen Wellen arbeitender) Resonator. Der elektroakustische Resonator weist vorzugsweise eine piezoelektrische Schicht auf.

Der Resonator kann in einer Variante der Erfindung ein Dünnschichtresonator (FBAR = Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator) sein, der mindestens eine zwischen zwei Elektroden angeordnete piezoelektrische Schicht aufweist. Der Dünnschichtresonator kann ein auf einem Substrat über einem Hohlraum angeordneter Membrantyp-Resonator sein. Der Dünnschichtresonator kann ein auf einem Substrat über einem akustischen Spiegel angeordneter Resonator sein. Der Dünnschichtresonator kann ein Resonatorstapel mit mehreren übereinander angeordneten, akustisch und/oder elektrisch miteinander gekoppelten (Teil-)Resonatoren sein. Die gekoppelten Resonatoren können miteinander nur akustisch über eine Koppelschicht gekoppelt sein.

In einer weiteren Variante kann der Resonator ein mit Oberflächenwellen arbeitender Resonator, z. B. ein DMS-Resonator (DMS = Double Mode SAW, SAW = Surface Acoustic Wave) mit akustisch miteinander longitudinal gekoppelten Wandlern oder ein Eintor-Resonator sein. Ein SAW-Resonator kann als ein Thin Film SAW Bauelement ausgebildet sein, bei dem die piezoelektrische Schicht in Dünnschichttechnologie erzeugt ist.

Die gewünschte Frequenzverschiebung des Oszillators erfolgt durch die entsprechende Ansteuerung des dem Resonator bzw. dem Resonatorelement zugeordneten Steuerelements. Das Steuerelement wird vorzugsweise elektrisch – bevorzugt durch eine Steuerspannung – angesteuert.

Das Resonatorelement ist in einer ersten bevorzugten Variante der Erfindung als ein Resonatormagazin bzw. eine Resonatorbank ausgebildet. Die Resonatorbank umfasst mehrere Resonatoren. Die verschiedenen Resonatoren weisen vorzugsweise unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf.

Das gesamte, breitbandige, durchstimmbare Frequenzintervall wird dabei in verschiedene vergleichsweise schmalbandige Teilbereiche (Frequenzbereiche) unterteilt. Dies hat den Vorteil, dass in einem schmalbandigen Frequenzbereich das Phasenrauschen gering gehalten werden kann. Jedem Frequenzbereich ist ein eigener Resonator zugeordnet.

Ein Umschalter oder Schalterelemente verbinden wahlweise (vorzugsweise genau) einen Resonator mit dem Verstärkerelement des Oszillators. Der Umschalter bzw. die Schalterelemente stellen ein Steuerelement dar. Der Umschalter kann als ein fertiges Bauteil verfügbar sein, das zum Umschalten zwischen zwei oder mehr Teilpfaden geeignet ist.

Die Resonatoren sind vorzugsweise in parallel zueinander geschalteten Teilzweigen eines Schwingkreises angeordnet. Die Teilzweige werden durch das entsprechende Steuerelement im Schwingkreis eingeschaltet. Einem Teilzweig ist vorzugsweise ein Schalterelement oder ein Anschluss eines Umschalters zugeordnet. Das Schalterelement ist mit dem entsprechenden Resonator vorzugsweise elektrisch in Serie geschaltet.

Zu einem gegebenen Zeitpunkt bzw. in einem bestimmten Frequenzbereich ist im Schwingkreis mindestens ein Resonator – vorzugsweise nur ein Resonator – eingeschaltet. Beim Umschalten zwischen verschiedenen Resonatoren ändert sich die Resonanzfrequenz des Resonatorelements und daher auch die Oszillatorfrequenz stufenweise. Zur Feinabstimmung der Oszillatorfrequenz innerhalb eines Frequenzbereichs ist vorzugsweise ein Trimmelement – z. B. eine Trimmkapazität oder eine Trimminduktivität – vorgesehen. Es ist möglich, eine Trimmkapazität als eine – vorzugsweise digital gesteuerte – schaltbare Kapazitätsbank auszubilden. Die Kapazitätsbank kann z. B. aus CMOS-Kapazitäten bestehen. Die Trimmkapazität kann auch als Varaktor oder „switched capacitor" realisiert sein. Auch weitere Trimmelemente sind möglich.

Bei mehreren eingeschalteten Resonatoren, die unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, können im Oszillator gleichzeitig mehrere Signale mit unterschiedlichen Frequenzen generiert werden.

Die Resonatorbank kann aus einzelnen Resonatoren ausgebildet sein. Vorzugsweise sind aber alle Resonatoren auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet. Die Resonatorbank kann als ein Chip ausgebildet sein. In einer Variante ist es möglich, einen Chip mit einer schaltbaren Resonatorbank auszubilden. Das Steuerelement und das Resonatorelement, d. h. mehrere Resonatoren sind dabei Bestandteile der schaltbaren Resonatorbank. Der Chip kann weitere Komponenten, insbesondere die Komponenten des Oszillators (z. B. ein Verstärkerelement, Schalterelemente, Trimmelemente zur Feinabstimmung der Oszillatorfrequenz, L, C, R) umfassen. Alternativ kann der Chip mit der Resonatorbank bzw. der schaltbaren Resonatorbank auf einem Trägersubstrat montiert sein, auf dem die weiteren Komponenten des Oszillators angeordnet sind. Der Chip kann mit dem Trägersubstrat mittels Bonddrähte oder in Flip-Chip-Technik verbunden sein. Auch die Steuerelemente können jeweils oder zusammen als ein Chip ausgebildet sein.

Das Trägersubstrat kann mehrere durch vertikale elektrische Verbindungen miteinander verbundene Metalllagen und dazwischen angeordnete dielektrische Lagen aufweisen, wobei in den Metalllagen (vorzugsweise in den verborgenen Metalllagen) Strukturen des Oszillatorkreises ausgebildet sind.

Die in den Teilzweigen angeordneten Schalterelemente können zusammen in einem Chip verfügbar sein und eine Schalterbank bilden. Möglich ist auch, die Schalterelemente unabhängig voneinander auszubilden. Die Schalterelemente können Halbleiterelemente oder mikroelektromechanische Schalter (MEMS) sein.

In einer zweiten bevorzugten Variante der Erfindung ist das im Schwingkreis des Oszillators angeordnete Resonatorelement ein Resonator, der so ausgebildet ist, dass seine Resonanzfrequenz durch eine physikalische – ggf. mechanische oder thermische – Einwirkung, z. B. infolge einer durch Druck oder Zug hervorgerufenen Deformation der piezoelektrischen Schicht, einstellbar ist. Auch die Kombination der verschiedenartigen Einwirkungen, z. B. mechanisch und thermisch, ist möglich.

In diesem Fall ist das Steuerelement vorzugsweise mechanisch fest mit der piezoelektrischen Schicht des Resonators verbunden. Das Steuerelement kann z. B. als eine Steuerschicht zur Steuerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle in der piezoelektrischen Schicht des Resonators realisiert werden. Dabei ist im Prinzip auch eine stufenlose Abstimmung der Resonanzfrequenz des Resonators möglich.

Eine Steuerschicht kann als ein Verbund aus einer ersten und einer zweiten Steuerschicht ausgebildet sein. Die erste Steuerschicht steht im Kontakt mit der piezoelektrischen Schicht des Resonators und dient zur Veränderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle in der piezoelektrischen Schicht des Resonators. Die zweite Steuerschicht dient vorzugsweise zur Erzeugung mechanischer Spannungen in der ersten Steuerschicht. Die zweite Steuerschicht ist vorzugsweise als eine piezoelektrische Steuerschicht ausgebildet.

Auch in der zweiten bevorzugten Variante kann ein Trimmelement vorgesehen sein, mit dem eine unabhängige (zusätzliche) Feinabstimmung der Oszillatorfrequenz möglich ist. Diese Ausführungsform ist, bezogen auf die Grundfläche der Anordnung, besonders platzsparend.

Die beiden bevorzugten Varianten der Erfindung sind miteinander kombinierbar. Insbesondere kann die Resonatorbank mehrere abstimmbare Resonatoren aufweisen.

Als Schalterelemente können strom- oder spannungsgesteuerte Schalter (z. B. GaAs-Schalter) verwendet werden. Die Schalterelemente können Halbleiter-Schalter, z. B. Dioden, Transistoren (insbesondere Feldeffekttransistoren) oder MEMS-Schalter sein. Auch die Kombination der verschiedenartigen genannten Strukturen in einem Schalterelement bzw. Umschalter ist möglich.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfin dung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch
1 einen bekannten Pierce-Oszillator mit einem Resonator im Rückkopplungszweig eines Verstärkers
2A einen Oszillator gemäß Erfindung mit einem abstimmbaren Resonator als Resonatorelement
2B eine Ausführung eines abstimmbaren Resonators als eine Resonatorbank, deren Resonatoren jeweils in Teilzweigen eines Schwingkreises geschaltet sind
2C einen Oszillator mit einem Operationsverstärker als Verstärkerelement, einer Resonatorbank und einem Umschalter
3A einen Oszillator gemäß Erfindung mit einem Feldeffekttransistor als Verstärkerelement, einer Resonatorbank und Schalterelementen in den Teilzweigen des Schwingkreises
3B einen Teilzweig des Schwingkreises mit mehreren Teilzweigen, wobei der Teilzweig eine Trimmkapazität aufweist
4 die Resonanzkurven verschiedener Resonatoren in einer Resonatorbank
5A einen Oszillator mit einer Resonatorbank, die aus abstimmbaren Resonatoren besteht (ohne Trimmkapazitäten)
5B einen Oszillator mit einer Resonatorbank, die aus abstimmbaren Resonatoren besteht, und Trimmkapazitäten
6 einen Oszillator mit einem abstimmbaren Resonatorfilter, das akustische miteinander gekoppelte Teilresonatoren aufweist
7 einen Oszillator gemäß 3A, bei dem die Steuerelemente in den Teilzweigen spannungsgesteuerte Schalterelemente sind
8 einen Oszillator gemäß 7, bei dem die Trimmkapazität eine Kapazitätsbank ist
9 einen abstimmbaren Dünnschichtresonator mit einer Steuerschicht
10 einen abstimmbaren Dünnschichtresonator, bei dem das Steuerelement zwei Steuerschichten umfasst
11 ein abstimmbares Oberflächenwellenfilter als Resonatorelement, bei dem eine Steuerschicht vorgesehen ist
12, 13 jeweils ein abstimmbares Oberflächenwellenfilter als Resonatorelement, bei dem zwei Steuerschichten vorgesehen sind
14 als Resonatorelement ein abstimmbares Resonatorfilter, das als ein DMS-Filter ausgeführt ist
15 einen Oszillator mit einem Resonatorelement im Kollektorzweig eines Transistors
16 einen Oszillator mit einem Resonatorelement im Emitterzweig eines Transistors
17, 18 jeweils einen Oszillator mit einem Schwingkreis, der am Eingang des Verstärkerelements zur Masse geschaltet ist
1 zeigt eine bekannte Oszillatorschaltung (Pierce-Oszillator) mit einem Resonator RE' und einem Verstärkerelement VE. Im Rückkopplungszweig des Oszillators sind neben dem Resonator RE' Trimmkapazitäten C₁ und C₂ (z. B. Varaktoren) angeordnet. Die Einstellung der Oszillatorfrequenz erfolgt mit Hilfe der Varaktoren C₁ und C₂. U ist eine Steuerspannung zur Einstellung (über eine Verstärkerstufe und einen Widerstand) des Arbeitspunkts des Verstärkerelements. Das generierte Hochfrequenzsignal wird über den Ausgang OUT abgegriffen. Der Gleichspannungsanteil des Signals wird über die Trennkapazität C₃ abgetrennt.
In der 2A ist ein Oszillator gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Schwingkreis ist in diesem Fall im Rückkopplungszweig des Verstärkerelements angeordnet. Das Resonatorelement ist im Rückkopplungszweig des Verstärkerelements VE angeordnet. Hier besteht das Resonatorelement aus einem abstimmbaren Resonator. Der Unterschied zur 1 besteht darin, dass das Resonatorelement RE für sich ein Trimmelement ist, bei dem die Resonanzfrequenz eingestellt werden kann. Die Kapazitäten C₁ und C₂, die miteinander in Serie und mit dem Resonatorelement parallel geschaltet sind, sind in diesem Beispiel nicht abstimmbar. In einer Variante der Erfindung können die Kapazitäten C₁ und C₂ auch abstimmbar sein.
In diesem Beispiel ist ein hier nicht dargestelltes Steuerelement z. B. als eine mit dem Resonatorelement RE verbundene Steuerschicht ausgebildet, siehe Erläuterungen zu den 9 bis 13.
2B zeigt, dass das abstimmbare Resonatorelement RE gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch eine schaltbare Resonatorbank T1 ersetzt werden kann. In 2B sind im Rückkopplungszweig mehrere Teilzweige vorgesehen, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind. Das Resonatorelement RE ist als eine Resonatorbank T1 mit n Resonatoren RE_j ausgebildet, j = 1 bis n. Die Resonatoren RE_j sind jeweils mit einem ihm zugeordneten Schalterelement S_j in Serie geschaltet. Die jeweilige Serienschaltung von diesen Elementen ist in einem Teilzweig angeordnet.
Aus den mehreren Teilzweigen wird zum gegebenen Zeitpunkt z. B. genau ein Teilzweig in den Oszillatorkreis eingeschaltet.
Eine Resonatorbank T1 kann als ein kompaktes Bauelement mit Außenkontakten verfügbar sein. In einer Variante der Erfindung kann das Resonatorelement (bzw. seine Resonatoren RE_j) aber auch in einem kompakten Bauelement angeordnet sein, das ferner weitere Komponenten, z. B. die Schalterelemente S_j aufweist. In der 2C ist angedeutet, dass die einzelnen Schalterelemente S_j durch einen Umschalter S ersetzt werden können. Der Umschalter kann als ein kompaktes Bauteil verfügbar sein. Der Umschalter S kann mehrere Schalterelemente S_j aufweisen.
In dem in 2C vorgestellten Beispiel ist das Verstärkerelement VE als ein Operationsverstärker ausgebildet. Der Schwingkreis umfasst den Umschalter, das Resonatorelement RE sowie eine in Bezug auf Masse balancierte Serienschaltung von den Trimmkapazitäten C₁ und C₂. Die Trimmkapazitäten C₁ und C₂ bilden hier ein (zusätzliches) Trimmelement, das parallel zu dem Resonatorelement RE geschaltet ist.
Die 3A zeigt ein Blockschaltbild eines Oszillators mit einem Feldeffekttransistor als Verstärkerelement, einer Resonatorbank T₁ und einzelnen Schalterelementen S_j, die in den Teilzweigen des Schwingkreises angeordnet sind. In diesem Fall handelt es sich um ein spannungsgesteuertes Verstärkerelement. Die Schalterelemente S_j können alternativ als stromgesteuerte Schaltungselemente (z. B. Dioden) verfügbar sein.
Die Resonatoren RE_j weisen vorzugsweise voneinander unterschiedliche Resonanzfrequenzen f_j auf. In einem definierten Frequenzbereich ist im Schwingkreis vorzugsweise nur ein Resonator eingeschaltet. Die Umschaltung zwischen den Frequenzbereichen erfolgt mittels der Schalterelemente S_j. Die Schalterelemente werden so angesteuert, dass in diesem Bereich mindestens ein Schalterelement (vorzugsweise nur ein Schalterelement) durchgeschaltet ist. Bei nur einem durchgeschalteten Schalterelement bleiben alle weiteren Schalterelemente offen.
Innerhalb des gegebenen Frequenzbereichs kann die Oszillatorfrequenz mit Hilfe der Trimmkapazitäten C₁ und C₂ fein abgestimmt werden.
In der 3B ist ein Teilzweig eines Schwingkreises mit mehreren Teilzweigen gezeigt. Der Teilzweig weist neben dem Resonator RE_j und dem Schalterelement S_j eine Trimmkapazität C_j auf. In diesem Beispiel ist die Trimmkapazität C_j in Serie mit dem jeweiligen Resonator RE_j geschaltet.
Die 4 zeigt die Resonanzkurven verschiedener in einer Resonatorbank angeordneter Resonatoren. Die Resonanzkurve 1 ist dem ersten Resonator RE₁ zugeordnet. Die Resonanzkurven 2 und 3 sind dem zweiten bzw. dritten Resonator RE₂ bzw. RE₃ zugeordnet. Beim Umschalten vom ersten zum zweiten bzw. dritten Resonator erfolgt der Übergang zwischen der Resonanzkurve 1 zur Resonanzkurve 2 bzw. 3, der durch Pfeile gekennzeichnet ist.
In der 5A ist angedeutet, dass die Resonatoren RE_j einer Resonatorbank T1 jeweils abstimmbar sein können. Möglich ist es auch, dass in einer Resonatorbank nur ein Resonator oder ein Teil der Resonatoren als abstimmbare Resonatoren ausgebildet sind.
In diesem Fall kann die Feinabstimmung der Resonatorfrequenz im jeweiligen abstimmbaren Resonator durchgeführt werden. Daher sind hier weitere Trimmelemente im Prinzip nicht notwendig.
In 5B ist es angedeutet, dass die zusätzlichen Trimmkapazitäten trotzdem vorgesehen sein können. Es ist auch möglich, dass in einem in der 3B dargestellten Teilzweig der Resonator RE_j wie in der zweiten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen abstimmbar ist.
In der 6 ist ein Oszillator mit einem Operationsverstärker als Verstärkerelement VE gezeigt. Im Rückkopplungszweig des Verstärkerelements ist ein Resonatorelement RE und Anpassnetzwerke AN1 und AN2 angeordnet. Die Anpassnetzwerke können grundsätzlich in einem Schwingkreiszweig bzw. in seinen Teilzweigen vorgesehen sein. Es ist auch möglich, im Beispiel gemäß 6 auf die Anpassnetzwerke AN1, AN2 zu verzichten.
Hier ist das Resonatorelement RE als ein abstimmbares Resonatorfilter mit mindestens zwei akustisch miteinander gekoppelten Teilresonatoren (z. B. Wandlern) vorgesehen. Das abstimmbare Resonatorfilter kann z. B. gemäß 14 als ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes DMS-Filter ausgebildet sein. Das Resonatorfilter kann als ein Resonatorstapel mit gekoppelten Dünnschichtresonatoren ausgebildet sein.
Die Teilresonatoren sind in diesem Beispiel auch elektrisch miteinander verkoppelt. Möglich ist aber auch, dass die Teilresonatoren eines derart ausgebildeten Resonatorelements RE nur akustisch miteinander gekoppelt sind. Bei einem Resonatorstapel kann die akustische Kopplung durch eine zwischen zwei Teilresonatoren angeordnete Koppelschicht zustande kommen.
Im Beispiel gemäß der 7 sind die Schalterelemente S_j als spannungsgesteuerte Elemente (Feldeffekt-Transistoren) ausgebildet. Die Ansteuerung des Schalterelements S_j erfolgt mittels einer Steuerspannung U_j.
In der 8 ist es angedeutet, dass die Trimmkapazitäten im Trimmelement T2 als Kapazitätsbänke C'₁ bzw. C'₂ ausgebildet sein können. Die Kapazitätsbänke werden über den Eingang IN vorzugsweise digital angesteuert. Die Kapazitätsbänke sind zur Balancierung vorzugsweise jeweils auf Masse gelegt. Möglich ist es aber auch, dass die in der Kapazitätsbank angeordneten Kapazitäten nicht auf Masse gelegt sind.
In 9 ist ein Dünnschichtresonator im Querschnitt gezeigt. Der Resonator ist hier als Mehrschichtbauelement auf einem Substrat SU erzeugt. Er umfasst eine Steuerschicht GDE, über der in engem Kontakt eine piezoelektrische Schicht PS ausgebildet ist, welche einerseits mit einem Paar HF-Elektroden ES1 zur Anregung akustischer Volumenwelle und andererseits mit einem Paar Steuerspannungs-Elektroden ES2 versehen ist. Die Steuerschicht ist vorzugsweise eine sogenannte GDE-Schicht (GDE = Giant Delta E), d. h. eine Schicht, die einen „Giant Delta E"- Effekt aufweist.
GDE-Materialien sind Materialien, die eine außergewöhnlich hohe Änderung des Elastizitätsmoduls unter einer mechanischen Verspannung aufweisen. Eine Reihe solcher Materialien aus den unterschiedlichsten Materialklassen sind in letzter Zeit bekannt geworden.
Eine große Steifigkeitsänderung durch mechanische Verspannungen wird beispielsweise mit bestimmten metallischen Gläsern, sogenannten Metgläsern erreicht, die hauptsächlich aus den Metallen Eisen, Nickel und Kobalt bestehen. So weisen beispielsweise Metgläser der Zusammensetzung Fe₈₁Si_3,5B_13,5C₂, FeCuNbSiB, Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ Fe₅₅ Co₃₀ B₁₅ oder Fe₈₀ mit Si und Cr einen starken Delta E Effekt auf. Solche Metgläser sind beispielsweise unter dem Markennamen VITROVAC ® 4040 der Vakuumschmelze oder unter der Bezeichnung Metglas ® 2605 SC (Fe₈₁ Si_3,5 B_13,5C₂) bekannt.
In der in 9 gezeigten vorteilhaften Ausführung stellt die Top-Elektrode sowohl eine der HF-Elektroden als auch eine der Steuerspannungs-Elektroden zugleich dar. Die zweite HF-Elektrode bzw. die zweite Steuerspannungs-Elektrode ist neben der piezoelektrischen Schicht PS auf der Steuerschicht angeordnet.
Die zweite HF-Elektrode ES1 kann in einer weiteren Ausführungsform unterhalb der piezoelektrischen Schicht PS angeordnet sein. Die zweite Steuerspannungs-Elektrode des Elektrodenpaar ES2 kann als dünne Metallschicht entweder oberhalb oder unterhalb der Steuerschicht GDE liegen. Die letztere Möglichkeit ist in 9 durch die wahlweise vorzusehende Metallschicht ME angedeutet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Steuerschicht eine der HF-Elektroden oder der Steuerspannungs-Elektroden ersetzt. Die Steuerspannungs-Elektroden können weiterhin quer zur piezoelektrischen Schicht angeordnet sein.
Die Dicken von piezoelektrischer Schicht PS und Steuerschicht GDE sind so gewählt, dass beide Schichten im Eindringbereich der akustischen Welle liegen.
Das Dickenverhältnis von piezoelektrischer Schicht PS zur Steuerschicht GDE im Bereich der Eindringtiefe ist ein weiterer einstellbarer Parameter für das erfindungsgemäße Bauelement. Je größer der Anteil der Steuerschicht innerhalb der Eindringtiefe ist, desto größer ist der Abstimmbereich, über den die Arbeitsfrequenz bzw. Mittenfrequenz des Filters verschoben werden kann. Ein größerer Anteil piezoelektrischer Schicht PS innerhalb der Eindringtiefe dagegen erhöht die Kopplung und damit die Bandbreite des Filters. In Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften des Bauelements wird das Verhältnis so eingestellt, dass entweder eine hohe Kopplung oder eine hohe Abstimmbarkeit oder eine geeignete Optimierung bezüglich beider Eigenschaften erhalten wird.
Der akustisch aktive Teil des Bauelements kann zum Substrat SU hin durch einen akustischen Spiegel AS abgetrennt sein, der für eine hundertprozentige Reflexion der akustischen Welle zurück in den akustisch aktiven Teil des Bauelements sorgt.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Steuerschicht eine Teilschicht des akustischen Spiegels AS darstellt. Wichtig ist dabei auch hier, dass die Steuerschicht im Eindringbereich der akustischen Welle liegt, so dass in dieser Ausführungsform die Steuerschicht insbesondere eine obere Teilschicht des akustischen Spiegels ist. So wird eine bessere Abstimmbarkeit über die Steuerschicht erzielt.
Möglich ist es auch, dass die untere Steuer- oder HF-Elektrodenschicht eine Teilschicht des akustischen Spiegels AS darstellt.
Die an die Steuerelektroden angelegte variierende Spannung (Steuerspannung) wird zur Frequenzabstimmung des Filters benutzt. Im Ausführungsbeispiel von 9 übernimmt die genannte piezoelektrische Schicht PS zweierlei Funktion als Anregungsschicht zur Anregung von akustischen Volumenwellen und als abstimmbare Schicht zur Erzeugung einer mechanischen Verspannung, welche auf die Steuerschicht übertragen wird und eine Veränderung der Materialsteifigkeit hervorruft. Letztere beeinflusst wiederum die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle und damit die Mittelfrequenz des Filters.
10 zeigt den Querschnitt einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform eines abstimmbaren Dünnschichtresonators. Die piezoelektrische Anregungsschicht PS1 liegt zwischen zwei HF-Elektroden ES1. Die untere dieser Elektroden ES1 stellt gleichzeitig eine Steuerspannungs-Elektrode ES2 dar. Darunter ist eine erste Steuerschicht GDE angeordnet, die in einer weiteren möglichen Ausführungsform die zuletzt erwähnte Elektrode ersetzen kann, falls die erste Steuerschicht GDE elektrisch leitend ist. Zwischen der Schicht GDE und der unteren der Steuerspannungs-Elektroden ES2 liegt eine zweite Steuerschicht PS2 (die piezoelektrische Abstimmschicht).
In 11 ist anhand einer schematischen Querschnittsdarstellung ein mit Oberflächenwellen arbeitender abstimmbarer Resonator erläutert.
Der Resonator umfasst eine Steuerschicht GDE, über der in engem Kontakt eine piezoelektrische Schicht PS ausgebildet ist. Die Elektrodenstrukturen ES1 sind auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht PS ausgebildet. Die von den Elektrodenstrukturen ES1, beispielsweise von Interdigitalwandlern, erzeugten akustischen Wellen haben eine Eindringtiefe in den Mehrschichtaufbau von etwa einer halben Wellenlänge. Die Dicken von piezoelektrischer Schicht PS und Steuerschicht GDE sind so gewählt, dass beide Schichten im Eindringbereich der akustischen Welle liegen.
Eine erste Steuerspannungs-Elektrode ES2 ist auf der Oberseite der piezoelektrischen Schicht PS, die akustische Strukturen wie z. B. Interdigitalwandler und Reflektoren trägt, angeordnet. Als zweite Steuerelektrode ES2 in diesem Ausführungsbeispiel dient die elektrisch leitende Steuerschicht GDE.
Die zweite Steuerelektrode kann außerdem als eine zusätzliche Metallschicht oberhalb oder unterhalb der Steuerschicht GDE angeordnet sein.
In dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel dient die piezoelektrische Schicht PS sowohl zur Anregung akustischer Oberflächenwellen als auch zur Steuerung elastischer Eigenschaften der darunter liegenden Steuerschicht GDE mittels mechanischer Verspannungen, die als Folge des inversen piezoelektrischen Effektes beim Anlegen variierender Steuerspannung auftreten.
12 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts ein weiteres Beispiel eines mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Resonators, wobei die erste Steuerschicht GDE zwischen der piezoelektrischen Anregungsschicht PS1 und der piezoelektrischen Abstimmschicht PS2 (zweiter Steuerschicht) angeordnet ist. Eine Steuerspannungs-Elektrode ES2 liegt unterhalb der Abstimmschicht PS2. Die zweite Steuerelektrode ES2 kann entweder als erste Steuerschicht GDE oder als eine zusätzliche Metallschicht oberhalb oder unterhalb der ersten Steuerschicht GDE ausgebildet sein.
In 13 ist ein abstimmbares Oberflächenwellenfilter ohne Trägersubstrat gezeigt. Die akustischen Strukturen wie z. B. Interdigitalwandler oder Reflektoren befinden sich auf der Oberseite der piezoelektrischen Anregungsschicht PS1. Die erste Steuerschicht GDE ist zwischen der Anregungsschicht PS1 und der zweiten Steuerschicht PS2 angeordnet. Letztere ist beiderseits mit Steuerspannungs-Elektroden ES2 versehen.
Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht darin, die obere Steuerspannungs-Elektrode ES2 als die erste Steuerschicht auszubilden.
14 zeigt schematisch den Aufbau eines (abstimmbaren) DMS-Filters. Dabei sind zwei Wandler W1, W2 in einer akustischen Spur nebeneinander angeordnet und akustisch miteinander verkoppelt. Die Wandler W1, W2 sind zwischen zwei Reflektorstrukturen angeordnet. Ein erster Wandler W1 ist an einen ersten Signalanschluss RF1 angeschlossen. Ein zweiter Wandler W2 ist an einen zweiten Signalanschluss RF2 des Resonatorfilters angeschlossen. Beide Wandler sind mit Masse verbunden.
Eine in 14 nicht gezeigte Steuerschicht kann gemäß den in 11 bis 13 gezeigten Anordnungen ausgeführt werden.
Weitere mögliche Ausgestaltungen eines Oszillators gemäß Erfindung sind in den 15 bis 18 gezeigt. In der 15 ist das Resonatorelement RE im Kollektorzweig eines Transistors angeordnet. In der 16 ist das Resonatorelement RE im Emitterzweig eines Transistors angeordnet. In den
17 und 18 ist das Resonatorelement RE am Eingang des Verstärkerelements zur Masse geschaltet.
In der 16 steht R_L für einen Lastwiderstand. Das Resonatorelement RE ist parallel zu einer Induktivität L_p geschaltet. Neben dem abstimmbaren Resonatorelement RE sind weitere Trimmelemente (eine Trimminduktivität und eine Trimmkapazität) vorgesehen.
Diese Erfindung ist nicht auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele, Oszillatortypen (z. B. Pierce-, Colpitts-, Clapp-Oszillatoren) bzw. die Anzahl der dargestellten Elemente begrenzt. Die Resonatoren (z. B. SAW, FBAR) können zur Erhöhung der Frequenzstabilität temperaturkompensiert sein.

RE: Resonatorelement
RE₁...RE_n: Resonator
U: Steuerspannung
U₁...U_n: Steuerspannung
S₁...S_n: Schalter
S: Umschalter
T1: Resonatorbank
T2: Trimmelement
VE: Verstärkerelement
R: Widerstand zur Einstellung der Betriebsspannung
: eines Verstärkerelements
C₁, C₂: Kapazität
C₁', C₂': digital angesteuerte Kapazitätsbank
C₃: Trennkapazität
1: Resonanzkurve (Frequenzgang der Admittanz) der
: Resonatorbank mit dem eingeschalteten ersten
: Resonator
2: Resonanzkurve (Frequenzgang der Admittanz) der
: Resonatorbank mit dem eingeschalteten zweiten
: Resonator
3: Resonanzkurve (Frequenzgang der Admittanz) der
: Resonatorbank mit dem eingeschalteten dritten
: Resonator
AN1, AN2: Anpassungsnetzwerk
OUT: Ausgang
RF1, RF2: Anschlüsse des Resonators
PS, PS1, PS2: piezoelektrische Schicht
PS', PS'': zusätzliche piezoelektrische Schicht
ES1: erste Elektrode
ES2: zweite Elektrode
GDE: (erste) Steuerschicht
ME: Metallschicht
SU: Trägersubstrat
AS: akustischer Spiegel
W1: erster Wandler
W2: zweiter Wandler

Claims

Oszillator mit einem Resonatorelement (RE) und einem Steuerelement (S) zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Resonatorelements (RE) auf eine Mehrzahl verschiedener Werte, wobei das Resonatorelement (RE) aus mindestens einem Resonator (RE₁, RE_n) besteht.
Oszillator nach Anspruch 1, mit einem Verstärkerelement (VE) und einem diesem zugeordneten Schwingkreis, in dem das Resonatorelement (RE) angeordnet ist.
Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Resonatorelement eine Resonatorbank (T1) mit mehreren Resonatoren (RE₁, RE_n) ist, wobei der Schwingkreis mehrere parallel zueinander geschaltete Teilzweige aufweist, wobei die Resonatoren (RE₁, RE_n) jeweils in einem Teilzweig angeordnet sind, wobei das Steuerelement ein Umschalter (S) ist, der zwischen den Teilzweigen umschaltet.
Oszillator nach Anspruch 3, wobei das Steuerelement mehrere Schalter (S₁, S_n) umfasst, wobei der entsprechende Schalter in einem Teilzweig angeordnet ist.
Oszillator nach Anspruch 3 oder 4, wobei mindestens einer der Resonatoren (RE₁, RE_n) bezüglich seiner Resonanzfrequenz abstimmbar ist.
Oszillator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei alle Resonatoren (RE₁, RE_n) bezüglich ihrer Resonanzfrequenz abstimmbar sind.
Oszillator nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die verschiedenen Resonatoren (RE₁, RE_n) voneinander unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen.
Oszillator nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei aus den mehreren Teilzweigen zum gegebenen Zeitpunkt mindestens ein Teilzweig in den Oszillatorkreis eingeschaltet wird.
Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Resonatorelement (RE) mindestens einen dielektrischen Resonator (RE₁, RE_n) umfasst.
Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Resonatorelement (RE) mindestens einen LC-Resonator oder ein Streifenleitungsresonator (RE₁, RE_n) umfasst.
Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Resonatorelement (RE) mindestens einen mikromechanischen Resonator (RE₁, RE_n) umfasst.
Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Resonatorelement (RE) mindestens einen elektroakustischen Resonator (RE₁, RE_n) umfasst.
Oszillator nach Anspruch 12, bei dem der Resonator mindestens eine piezoelektrische Schicht (PS1, PS2) aufweist, bei dem das Steuerelement in Form einer Steuerschicht (GDE) ausgebildet ist, welche mit der piezoelektrischen Schicht in Kontakt steht, wobei die unter einem mechanischen Stress stehende Steuerschicht (GDE) die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle in der piezoelektrischen Schicht (PS1, PS2) beeinflusst.
Oszillator nach Anspruch 12, bei dem der Resonator mindestens eine piezoelektrische Schicht (PS1, PS2) aufweist, wobei das Steuerelement eine erste (GDE) und eine zweite Steuerschicht aufweist, die zusammen einen Verbund bilden, wobei die zweite Steuerschicht eine zusätzliche piezoelektrische Schicht (PS', PS'') ist, welche zur Erzeugung von einem mechanischen Stress in der ersten Steuerschicht (GDE) dient, wodurch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle in der piezoelektrischen Schicht (PS1, PS2) beeinflusst wird.
Oszillator nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Steuerschicht (GDE) bei mechanischem Stress einen Giant-Delta-Effekt aufweist.
Oszillator nach Anspruch 13 bis 15, bei dem der mechanische Stress in der Steuerschicht (GDE) durch eine Steuerspannung (U1, U2) erzeugbar ist.
Oszillator nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem ein weiteres Steuerelement vorgesehen ist, das zum Umschalten zwischen den Teilzweigen dient.
Oszillator nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem der Resonator (RE₁, RE_n) ein mit akustischen Volumenwellen arbeitender Dünnschichtresonator ist.
Oszillator nach Anspruch 18, bei dem der Resonator (RE₁, RE_n) ein Resonatorstapel mit mehreren übereinander angeordneten Teilresonatoren ist.
Oszillator nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem der Resonator (RE₁, RE_n) mit akustischen Oberflächenwellen arbeitet.
Oszillator nach Anspruch 20, bei dem der Resonator (RE₁, RE_n) mehrere in einer akustischen Spur angeordnete, akustisch longitudinal miteinander gekoppelte Wandler aufweist.
Oszillator nach einem der Ansprüche 2 bis 21, bei dem im Schwingkreis ein Trimmelement (T2) angeordnet ist.
Oszillator nach Anspruch 22, bei dem das Trimmelement (T2) als Trimmkapazität oder Trimminduktivität ausgebildet ist.
Oszillator nach Anspruch 22 oder 23, bei dem das Trimmelement (T2) parallel zu dem Resonatorelement (RE) geschaltet ist.
Oszillator nach Anspruch 22 bis 24, bei dem das Trimmelement (T2) in Serie mit dem jeweiligen Resonator (RE₁, RE_n) geschaltet ist.