ITMI20090125A1 - Oscillatore elettronico con ridotto rumore di fase - Google Patents
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Description
Descrizione della domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo: “Oscillatore elettronico con ridotto rumore di fase”
Campo tecnico dell’invenzione
La presente invenzione riguarda in generale il settore elettronico. Più in particolare, la presente invenzione riguarda la riduzione del rumore di fase in un oscillatore elettronico causato dal rumore “flicker” dei dispositivi elettronici nell’oscillatore.
Tecnica nota
E’ noto che i dispositivi elettronici sono tali da generare non solo un segnale utile (ad esempio, corrente), ma anche rumore. Le cause di tale rumore sono diverse e quindi è possibile identificare diverse tipologie di rumore.
In particolare, il rumore “flicker” è presente in quasi tutti i dispositivi elettronici, fra i quali i transistori, come ad esempio i transistori ad effetto di campo a giunzione (JFET= Junction Field Effect Transistor= Transistore a Giunzione ad Effetto di Campo) o metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET= Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor= Transistore ad Effetto di Campo Metallo-Ossido-Semiconduttore). In particolare, nei transistori MOSFET la causa del rumore flicker è ad esempio la presenza di impurità nel canale conduttivo del transistore. Il rumore flicker è predominante a basse frequenze: infatti l’andamento della densità spettrale di potenza del rumore flicker generato da un transistore è inversamente proporzionale alla frequenza f, tipicamente con una legge 1/f.
In prima approssimazione, il rumore flicker associato alla corrente di uscita di un transistore MOSFET è proporzionale al quadrato della tensione fra drain e source in zona ohmica ed è indipendente dalla tensione tra drain e source in zona di saturazione.
Il rumore flicker è particolarmente fastidioso negli oscillatori elettronici, cioè i dispositivi elettronici che sono tali da generare un segnale periodico ad una determinata frequenza detta frequenza di oscillazione o frequenza portante; infatti il rumore flicker si mischia con la frequenza di oscillazione e da origine a rumore di fase nell’oscillazione.
La figura 1 mostra schematicamente un oscillatore elettronico 1 secondo l’arte nota del tipo differenziale complementare, in cui è presente rumore di fase nell’oscillazione causato dal rumore flicker dei dispositivi elettronici presenti nell’oscillatore (soprattutto dei transistori): tale rumore di fase si manifesta nello spettro della oscillazione con un andamento in frequenza con legge 1/f<3>attorno alla frequenza di oscillazione.
Il rumore flicker non consente quindi di ottenere oscillatori elettronici con elevata stabilità di frequenza; di conseguenza, questo limita le prestazioni di sistemi che richiedono oscillatori con elevata stabilità di frequenza, come ad esempio i sistemi di comunicazione radio ad alta capacità o i sistemi di recupero del sincronismo per ricevitori in fibra ottica ad alta frequenza.
Sono note diverse tecniche per ridurre il rumore di fase nell’oscillazione causato dal rumore flicker, ma risultano tutte poco efficaci oppure hanno lo svantaggio di essere efficaci in un intervallo di frequenze limitato.
Breve sommario dell’invenzione
La presente invenzione riguarda un oscillatore elettronico come definito nella annessa rivendicazione 1 e da sue forme di realizzazione preferite descritte nelle rivendicazioni dipendenti da 2 a 14.
La Richiedente ha percepito che l’oscillatore elettronico in accordo con la presente invenzione può ridurre il rumore di fase dell’oscillazione causato dal rumore flicker. Inoltre ha i seguenti vantaggi:
- migliora l’intervallo di frequenze in cui l’oscillatore funziona con un rumore di fase inferiore;
- non modifica la transconduttanza dei transistori quando questi sono tali da funzionare in zona di saturazione;
- riduce la sensitività della frequenza di oscillazione rispetto a variazioni della resistenza di conduzione dei transistori.
Forma oggetto della presente invenzione anche un dispositivo per la ricostruzione di un segnale d’orologio definito nella annessa rivendicazione 15 ed un ricevitore radio definito nella annessa rivendicazione 16.
Breve descrizione dei disegni
Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi dell’invenzione risulteranno dalla descrizione che segue di una forma di realizzazione preferita e di sue varianti fornita a titolo esemplificativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:
- la Figura 1 mostra schematicamente un oscillatore elettronico secondo l’arte nota;
- la Figura 2 mostra schematicamente un oscillatore elettronico secondo una prima realizzazione dell’invenzione;
- la Figura 3 mostra schematicamente un confronto fra l’oscillatore elettronico secondo l’arte nota e secondo la prima realizzazione dell’invenzione relativamente ad un possibile andamento della tensione su un terminale del circuito risonante, della tensione sul drain di un transistore e della corrente nel transistore dell’oscillatore elettronico secondo la prima realizzazione dell’invenzione;
- la Figura 4 mostra schematicamente un confronto fra l’oscillatore elettronico secondo l’arte nota e secondo la prima realizzazione dell’invenzione relativamente ad un possibile andamento del rumore di fase in banda laterale singola, in funzione della frequenza relativa;
- la Figura 5 mostra schematicamente un possibile andamento del rumore di fase in banda laterale singola dell’oscillatore elettronico secondo la prima realizzazione dell’invenzione, in funzione della resistenza di un resistore in serie ad un transistore ed in funzione del rapporto fra le resistenze di due resistori in serie ai rispettivi transistori;
- la Figura 6 mostra schematicamente un possibile andamento della frequenza di oscillazione normalizzata e della derivata della frequenza di oscillazione normalizzata, in funzione della resistenza di un resistore in serie ad un transistore;
- la Figura 7 mostra schematicamente un oscillatore elettronico secondo una seconda realizzazione dell’invenzione;
- la Figura 8 mostra schematicamente un oscillatore elettronico secondo una terza realizzazione dell’invenzione.
Descrizione dettagliata dell’invenzione
Con riferimento alla figura 2, viene mostrato un oscillatore elettronico 110 secondo una prima realizzazione dell’invenzione, in cui l’oscillatore 110 è del tipo differenziale complementare: questo ha il vantaggio di poter essere realizzato in un processo CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor= Metallo Ossido Semiconduttore Complementare).
Si osservi che l’invenzione può essere applicata anche ad altre tipologie di oscillatori, ad esempio modificando un oscillatore differenziale (non complementare, mostrato in figura 7) od un oscillatore Colpitts (mostrato in figura 8).
L’oscillatore 110 comprende:
- un primo transistore MOSFET di tipo n T101, atto a commutare fra la zona di interdizione (indicata anche con modalità di funzionamento in interdizione) e la zona di conduzione (detta anche modalità di funzionamento in conduzione) in funzione della tensione sul suo terminale di gate g1;
- un secondo transistore MOSFET di tipo n T102, atto a commutare fra la zona di interdizione e la zona di conduzione in funzione della tensione sul suo terminale di gate g2;
- un circuito risonante 120;
- un primo resistore R1;
- un secondo resistore R2;
- un terzo transistore MOSFET di tipo p T103, atto a commutare fra la zona di interdizione e la zona di conduzione in funzione della tensione sul suo terminale di gate g3;
- un quarto transistore MOSFET di tipo p T104, atto a commutare fra la zona di interdizione e la zona di conduzione in funzione della tensione sul suo terminale di gate g4;
- un terzo resistore R3;
- un quarto resistore R4;
- un circuito di polarizzazione 121.
In tecnologie integrate, almeno uno dei resistori R1, R2, R3, R4 può essere realizzato ad esempio in polisilicio.
Il circuito di polarizzazione 121 ha la funzione di polarizzare i transistori T101, T102, T103, T104. La figura 2 mostra che il circuito di polarizzazione 121 è interposto fra la tensione di alimentazione Valim ed i transistori T103, T104 e mostra che i terminali di source s1 ed s2 del primo transistore T101 e del secondo transistore T102 sono collegati a massa, ma alternativamente il circuito di polarizzazione 121 può essere interposto fra Massa ed i transistori T101, T102.
Il circuito di polarizzazione 121 può essere ad esempio:
- un corto circuito;
- un generatore di corrente realizzato con transistori; - un resistore;
- un induttore;
- un risonatore.
Allo scopo di spiegare l’invenzione ed effettuare un confronto con l’oscillatore 10 secondo l’arte nota, si suppone che il circuito di polarizzazione 121 dell’oscillatore 110 sia un corto circuito, cioè che il terminale di source s3 del transistore T103 ed il terminale di source s4 del transistore T104 siano collegati alla tensione di alimentazione Valim, uguale ad esempio a 1,2 volt; analogamente, si suppone che i terminali di source s1 ed s2 del primo transistore T101 e del secondo transistore T102 siano collegati a massa (come mostrato in figura 2). I diagrammi mostrati nelle figure 3, 4, 5, 6 sono quindi ricavati nell’ipotesi in cui il circuito di polarizzazione 121 sia un corto circuito ed in cui i terminali di source s1 ed s2 del primo transistore T101 e del secondo transistore T102 siano collegati a massa.
Il circuito risonante 120 comprende un primo terminale 101 ed un secondo terminale 102 e può essere ad esempio un risonatore parallelo, comprendente un induttore in parallelo ad un capacitore, preferibilmente con una capacità variabile (realizzata ad esempio con diodi varactor). Più in generale, il circuito risonante 120 è un dispositivo od una rete con una impedenza tra i due morsetti di tipo passa-banda, cioè con almeno un picco alla frequenza di oscillazione.
Il primo resistore R1 è collegato in serie al primo transistore T101 ed è interposto fra il primo transistore T101 ed il circuito risonatore 120; in particolare, il primo resistore R1 ha un terminale collegato al terminale di drain d1 del primo transistore T101 ed ha un altro terminale collegato al primo terminale 101 del circuito risonante 120.
Il secondo resistore R2 è collegato in serie al secondo transistore T102 ed è interposto fra il secondo transistore T102 ed il circuito risonante 120; in particolare, il secondo resistore R2 ha un terminale collegato al terminale di drain d2 del secondo transistore T102 ed ha un altro terminale collegato al secondo terminale 102 del circuito risonante 120.
Inoltre il terminale di gate g1 del primo transistore T101 è collegato al secondo terminale 102 del circuito risonante 120 ed il terminale di gate g2 del secondo transistore T102 è collegato al primo terminale 101 del circuito risonante 120.
Il terzo resistore R3 è collegato in serie al terzo transistore T103 ed è interposto fra il terzo transistore T103 ed il circuito risonante 120; in particolare, il terzo resistore R3 ha un terminale collegato al terminale di drain d3 del terzo transistore T103 ed ha un altro terminale collegato al primo terminale 101 del circuito risonante 120.
Il quarto resistore R4 è collegato in serie al quarto transistore T104 ed è interposto fra il quarto transistore T104 ed il circuito risonante 120; in particolare, il quarto resistore R4 ha un terminale collegato al terminale di drain d4 del quarto transistore T104 ed ha un altro terminale collegato al secondo terminale 102 del circuito risonante 120.
Inoltre il terminale di gate g3 del terzo transistore T103 è collegato al secondo terminale 102 del circuito risonante 120 ed il terminale di gate g4 del quarto transistore T104 è collegato al primo terminale 101 del circuito risonante 120.
L’oscillatore 110 è tale da generare un segnale di tensione V101 del primo terminale 101 del circuito risonatore 120 con un andamento periodico di tipo sinusoidale con frequenza uguale alla frequenza di oscillazione, come verrà spiegato meglio in seguito relativamente alla descrizione della figura 3a.
Analogamente, il segnale di tensione V102 del secondo terminale 102 ha un andamento periodico di tipo sinusoidale alla frequenza di oscillazione ed è sfasato di 180° rispetto al segnale di tensione V101 del primo terminale 101.
La Richiedente ha percepito che il rumore flicker di un transistore MOSFET può anche essere schematizzato come una perturbazione della tensione di controllo gate-source od equivalentemente, come una perturbazione della resistenza di conduzione del transistore MOSFET, quando opera in zona ohmica. La densità spettrale di potenza del rumore flicker di corrente del transistore MOSFET in zona ohmica è in prima approssimazione proporzionale al quadrato della tensione fra drain e source.
Ogni resistore in serie ad un transistore ha la funzione di ridurre la densità spettrale di potenza del rumore flicker di corrente generato dal corrispondente transistore ed ha la funzione di ridurre la tensione fra drain e source del corrispondente transistore quando questo è in conduzione. Per esempio, si supponga che il rumore flicker di corrente generato dal resistore R1 (collegato in serie al transistore T101) sia trascurabile rispetto al rumore flicker di corrente generato dal transistore T101. In questo esempio, il resistore R1 ha la funzione di ridurre la potenza del rumore flicker di corrente generato dal transistore T101 di un fattore (1+R1/rds101)<2>, dove rds101è la resistenza di conduzione fra drain d1 e source s1 del transistore T101 quando il transistore T101 è tale da funzionare nella zona ohmica; inoltre il resistore R1 ha la funzione di ridure la tensione fra drain d1 e source s1 del transistore T101 durante la fase di conduzione del transistore T101.
Vantaggiosamente, il valore della resistenza del resistore R1 è maggiore della resistenza di conduzione rds101del transistore R1; in questo modo, la densità spettrale di potenza del rumore flicker di corrente generato dal transistore T101 viene ridotta sensibilmente. Per esempio, il valore della resistenza del resistore R1 è scelto in corrispondenza del valore massimo o minimo relativo della frequenza di oscillazione in funzione della resistenza del resistore R1, come verrà spiegato più in dettaglio in seguito relativamente alla descrizione della figura 6.
La Richiedente ha percepito che la frequenza di oscillazione dell’oscillatore 10 secondo l’arte nota è diversa dalla frequenza di risonanza del circuito risonante 20, perché l’andamento nel tempo della corrente iniettata nel circuito risonante 20 dipende dal valore della resistenza di conduzione rds1del transistore T1. Pertanto una perturbazione statica della resistenza di conduzione rds1produce una variazione della frequenza di oscillazione dell’oscillatore 10. Quindi il rumore flicker a bassa frequenza di T1, modulando la resistenza di conduzione rds1, produce rumore di frequenza con andamento 1/f. Poiché la fase dell’oscillatore 10 è proporzionale all’integrale della sua frequenza di oscillazione, il rumore di frequenza con andamento 1/f produce rumore di fase con andamento 1/f<3>. Invece nell’oscillatore 110 il resistore R1 ha anche la funzione di ridurre la sensibilità della frequenza di oscillazione dell’oscillatore 110 rispetto alle variazioni della resistenza di conduzione rds101del transistore T101: questo ha il vantaggio di ridurre la conversione di rumore flicker del transistore T101 in rumore di fase.
Vantaggiosamente, il valore della resistenza del resistore R1 è scelto in modo che la frequenza di oscillazione dell’oscillatore 110 sia costante in seguito a perturbazioni della resistenza di conduzione rds101del transistore T101, cioè è scelto su un punto di massimo o minimo relativo della frequenza di oscillazione in funzione della resistenza del resistore R1, come verrà spiegato meglio in seguito relativamente alla descrizione della figura 6.
Le stesse considerazioni relative al resistore R1 possono essere applicate ai resistori R2, R3, R4, cioè: - il resistore R2 ha la funzione di ridurre la densità spettrale di potenza del rumore flicker di corrente generato dal transistore T102 ed inoltre di ridurre la sensibilità della frequenza di oscillazione dell’oscillatore 110 rispetto alle variazioni della resistenza di conduzione rds102del transistore T102, con il vantaggio di ridurre la conversione del rumore flicker del transistore T102 in rumore di fase. Vantaggiosamente, il valore della resistenza del resistore R2 è maggiore della resistenza di conduzione rds2del transistore R2 ed è scelto su un punto di massimo o minimo relativo della frequenza di oscillazione in funzione della resistenza del resistore R2;
- il resistore R3 ha la funzione di ridurre la densità spettrale di potenza del rumore flicker di corrente generato dal transistore T103 e di ridurre la sensibilità della frequenza di oscillazione dell’oscillatore 110 rispetto alle variazioni della resistenza di conduzione rds103di T103, con il vantaggio di ridurre la conversione di rumore flicker di T103 in rumore di fase. Vantaggiosamente, il valore della resistenza del resistore R3 è maggiore della resistenza di conduzione rds3del transistore R3 ed è scelto su un punto di massimo o minimo relativo della frequenza di oscillazione in funzione della resistenza del resistore R3;
- il resistore R4 ha la funzione di ridurre la potenza del rumore flicker generato dal transistore T104 e di ridurre la sensibilità della frequenza di oscillazione dell’oscillatore 110 rispetto alle variazioni della resistenza di conduzione rds104di T104, con il vantaggio di ridurre la conversione di rumore flicker di T104 in rumore di fase. Vantaggiosamente, il valore della resistenza del resistore R4 è maggiore della resistenza di conduzione rds4del transistore R4 ed è scelto su un punto di massimo o minimo relativo della frequenza di oscillazione in funzione della resistenza del resistore R4.
Secondo una variante della prima forma di realizzazione dell’invenzione (non mostrata nelle figure), l’oscillatore 110 può essere modificato in modo da sostituire i resistori R1 ed R2 con un unico resistore R12, collegando il drain d1 del transistore T101 con il drain d2 del transistore T102 ed interponendo il resistore R12 fra i drain d1-d2 ed il circuito risonante 120. Considerazioni analoghe possono essere fatte per i resistori R3 ed R4, che possono essere sostituiti con un unico resistore R34.
Con riferimento alla figura 3, il grafico in alto (figura 3a) mostra (sull’asse delle ordinate) il confronto fra un esempio di andamento del segnale di tensione V101 generabile dal primo terminale 101 (o del segnale di tensione V102 del secondo terminale 102, che è sfasato di 180° rispetto al segnale di tensione V101 del primo terminale 101) del circuito risonante 120 dell’oscillatore 110 secondo la prima realizzazione dell’invenzione (linea continua) ed un esempio di andamento della tensione V1 generabile dal primo terminale 1 del circuito risonante 20 dell’oscillatore 10 secondo l’arte nota (linea tratteggiata), in funzione di un periodo misurato in gradi (sull’asse delle ascisse); per semplicità si suppone che i resistori R1 ed R2 abbiano un valore della resistenza uguale a 330 Ohm e che i resistori R3 ed R4 abbiano un valore della resistenza uguale a 165 Ohm.
Si può osservare che l’andamento del segnale di tensione V101 (linea continua) del primo terminale 101 del circuito risonante 120 è oscillante, con forma sostanzialmente sinusoidale e (nell’ipotesi in cui la tensione di alimentazione Valim sia pari a 1,2 volt) con valori compresi fra 1.1 e 0.1 volt.
La figura 3a mostra inoltre un esempio di andamento della tensione Vd1(linea tratto e punto) del terminale di drain d1 del transistore T101 dell’oscillatore 110, sempre nell’ipotesi in cui R1=R2= 330 Ohm e R3=R4= 165 Ohm.
Si può osservare che la tensione Vd1ha una forma non-sinusoidale. Pertanto il transistore T101 dell’oscillatore 110 ha una tensione fra drain d1 e source s1 mediamente inferiore rispetto a quella fra drain e source del transistore T1 dell’oscillatore 10 secondo l’arte nota e quindi il transistore T101 opera nella zona ohmica per una frazione maggiore del periodo (rispetto al transistore T1). Questo consente una riduzione media del rumore flicker dovuto al transistore T101.
La figura 3a inoltre mostra schematicamente che l’andamento della tensione Vd1del terminale di drain d1 del transistore T101 in un periodo può essere diviso in diverse zone:
- una prima zona (al centro del periodo) in cui il transistore T101 è tale da funzionare in zona di conduzione ed in particolare in zona ohmica;
- una seconda zona (all’inizio ed alla fine del periodo) in cui il transistore T101 è tale da funzionare in zona di interdizione;
- una terza zona (compresa fra la prima e la seconda zona) in cui il transistore T101 è tale da funzionare in zona di conduzione ed in particolare zona di saturazione.
Si può osservare l’intervallo di tempo in cui il transistore T101 è tale da funzionare in zona ohmica è aumentato (rispetto a quello in cui il transistore T101 secondo l’arte nota è tale da funzionare in zona ohmica). Le considerazioni precedenti relative al transistore T101 sono applicabili analogamente ai transistori T102, T103, T104.
Il grafico in basso (figura 3b) mostra (sull’asse delle ordinate) il confronto fra un esempio di andamento della corrente I101 (linea continua) che è tale da fluire nel transistore T101 (ed è uguale a quella che è tale da fluire nel resistore R1) dell’oscillatore 110 secondo la prima realizzazione dell’invenzione ed un esempio di andamento della corrente I1 (linea tratteggiata) che è tale da fluire nel transistore T1 dell’oscillatore 10 secondo l’arte nota, sempre in funzione di un periodo misurato in gradi (sull’asse delle ascisse); nuovamente, per semplicità si suppone R1=R2= 330 Ohm e R3=R4=165 Ohm.
Si può osservare che l’andamento nel tempo della corrente I101 attraverso il transistore T101 è oscillante in un periodo compreso fra 0° e 360°; in particolare, l’andamento della corrente I101 è prima crescente dal valore 0 fino ad un primo valore massimo, poi decrescente dal primo valore massimo ad un valore minimo, quindi crescente dal valore minimo ad un secondo valore massimo ed infine decrescente dal secondo valore massimo al valore 0. Inoltre i valori massimi della corrente I101 che è tale da scorrere attraverso il transistore T101 in base alla prima realizzazione dell’invenzione sono molto inferiori ai valori massimi della corrente I1 che è tale da scorrere attraverso il transistore T1 in base all’arte nota.
Con riferimento alla figura 4, viene mostrato (sull’asse delle ordinate) il confronto fra un esempio di andamento del rumore di fase in banda laterale singola dell’oscillatore 110 secondo la prima realizzazione dell’invenzione (linea continua) ed un esempio di andamento del rumore di fase in banda laterale singola dell’oscillatore 10 secondo l’arte nota (linea tratteggiata), in funzione della frequenza relativa (sull’asse delle ascisse, in scala logaritmica), cioè in funzione della distanza dalla frequenza di oscillazione (detta anche frequenza portante); nuovamente, per semplicità si suppone R1=R2=330 Ohm e R3=R4= 165 Ohm. E’ noto che il rumore di fase in banda laterale singola è definito come il rapporto fra la potenza di rumore in una banda laterale (tipicamente, 1 Hz) ad una certa distanza dalla frequenza portante e la potenza della portante, ed è misurato in dBc/Hz; in inglese è indicato con Single Sideband to Carrier Ratio (abbreviato con SSCR).
E’ possibile osservare che il rumore di fase secondo l’invenzione (linea continua) è sempre inferiore al rumore di fase secondo l’arte nota (linea tratteggiata secondo l’arte nota), in un ampio intervallo di frequenza relativa compreso fra circa 100 Hz e circa 10 MHz.
La differenza fra i valori del rumore di fase secondo l’arte nota e quelli secondo l’invenzione è maggiore a frequenza relativa più bassa (compresa fra 100 Hz e 100 kHz) e diminuisce al crescere della frequenza relativa (per valori maggiori di 100 kHz); in particolare, l’andamento della linea tratteggiata secondo l’arte nota segue una legge K1/f<3>+K2/f<2>(dove K1 e K2 sono delle costanti), mentre l’andamento della linea continua secondo l’invenzione segue una legge K2/f<2>.
La seguente tabella mostra un confronto fra i valori del rumore di fase senza resistori in serie ai transistori (cioè secondo l’arte nota) e con resistori R1, R2, R3, R4 in serie ai transistori (cioè secondo la prima realizzazione dell’invenzione) con R1=R2= 330 Ohm e R3=R4= 165 Ohm, in funzione di particolari valori della frequenza relativa:
Con riferimento alla figura 5a, viene mostrato (sull’asse delle ordinate) un esempio di andamento del rumore di fase in banda laterale singola SSCR dell’oscillatore elettronico 110 secondo la prima realizzazione dell’invenzione, in funzione (sull’asse delle ascisse) del valore della resistenza del resistore R1 in serie al transistore T101.
In particolare, il rumore di fase è misurato ad una distanza in frequenza pari a 1 kHz dalla frequenza della portante; inoltre si sono utilizzati valori delle resistenze dei resistori R1, R2, R3, R4 tali per cui R1=R2 e R3=R4=0.5*R1.
Si può osservare che il rumore di fase presenta un minimo per un valore della resistenza del resistore R1 uguale a circa 330 Ohm. Il grafico mostra che per variazioni di resistenza del resistore R1 del 10% dal valore ottimo nominale pari a 330 Ohm, si ha un peggioramento del rumore di fase di circa 1 dB. Pertanto, si può concludere che la riduzione del rumore è poco dipendente dal valore assoluto della resistenza del resistore R1.
Con riferimento alla figura 5b, viene mostrato (sull’asse delle ordinate) un esempio di andamento del rumore di fase in banda laterale singola SSCR dell’oscillatore elettronico 110 secondo la prima realizzazione dell’invenzione, in funzione (sull’asse delle ascisse) del valore del rapporto fra la resistenza del resistore R3 in serie al transistore T103 e la resistenza del resistore R1 in serie al transistore T101.
In particolare, il rumore di fase è misurato ad una distanza in frequenza pari a 1 kHz dalla frequenza della portante; inoltre si sono utilizzati valori delle resistenze dei resistori R1 ed R2 uguali a 330 Ohm e R3/R1=R4/R2.
Si può osservare che il rumore di fase presenta un minimo per un valore della resistenza del resistore R3 uguale a circa 0.5 il valore della resistenza del resistore R1. Il grafico mostra che per una variazione di 1% del rapporto ottimo R3/R1 dal valore nominale di 0.5, l’aumento del rumore di fase è minore di 0.1 dB.
Pertanto si ottiene il minimo rumore di fase dell’oscillatore 110 secondo la prima realizzazione dell’invenzione utilizzando i seguenti valori delle resistenze dei resistori R1, R2, R3, R4:
R1=R2= 330 Ohm
R3=R4=0.5*R1= 165 Ohm.
Con riferimento alla figura 6a, viene mostrato (sull’asse delle ordinate) un esempio di andamento della frequenza di oscillazione dell’oscillatore 110 normalizzata rispetto alla frequenza di risonanza f0del circuito risonante 120, in funzione (sull’asse delle ascisse) della resistenza del resistore R1 in serie al transistore T101; inoltre si sono utilizzati valori delle resistenze dei resistori R1, R2, R3, R4 tali per cui R1=R2 e R3=R4=0.5*R1.
Si può osservare che la frequenza di oscillazione dell’oscillatore 110 cresce per valori crescenti della resistenza del resistore R1 da 0 a 330 Ohm e decresce per valori della resistenza del resistore R1 da 330 Ohm a 600 Ohm. Pertanto la frequenza di oscillazione dell’oscillatore 110 raggiunge un massimo locale per un valore della resistenza del resistore R1 pari a 330 Ohm (nelle ipotesi fatte di R1=R2, R3=R4=0,5*R1).
Con riferimento alla figura 6b, viene mostrato (sull’asse delle ordinate) un esempio di andamento della derivata (espressa in dB) della frequenza di oscillazione dell’oscillatore 110 normalizzata rispetto al valore della resistenza del resistore R1, in funzione (sull’asse delle ascisse) della resistenza del resistore R1 in serie al transistore T101.
Si può osservare che la derivata ha un valore di –90 dB per R1 uguale a 0 Ohm (ossia in assenza dei resistori R1, R2, R3, R4, cioè nel caso dell’oscillatore 10 secondo l’arte nota) ed ha un valore di –110 dB per R1 uguale a 225 Ohm. Pertanto si ha una riduzione della sensitività della frequenza di oscillazione (in funzione della resistenza del resistore R1) pari a 20 dB passando da una resistenza di valore uguale a 0 Ohm ad una resistenza di valore uguale a 225 Ohm.
Sarà ora descritto il funzionamento dell’oscillatore elettronico 110 della figura 2 secondo la prima realizzazione dell’invenzione, facendo anche riferimento alle figure 3a e 3b.
Si supponga inizialmente che i transistori T104 e T101 siano in conduzione, mentre i transistori T103 e T102 funzionino in zona di interdizione (cioè T103 e T102 sono sostanzialmente equivalenti ad un circuito aperto). In queste ipotesi la corrente fluisce dalla alimentazione Valim verso Massa, attraversando in successione il transistore T104, il resistore R4, il circuito risonante 120, il resistore R1 ed il transistore T101.
Con riferimento alle figure 3a e 3b, il transistore T101 passa dalla zona di interdizione (in cui la corrente I101 è 0) prima in zona di saturazione quando la tensione Vd1e V102 sono vicine al valore di polarizzazione e poi in zona ohmica quando la tensione Vd1è inferiore alla tensione V102 di un valore pari alla tensione di soglia del transistore T101. Nello stesso intervallo di tempo la corrente I101 cresce da un valore uguale a 0 ad un valore massimo e poi raggiunge un valore minimo in corrispondenza del minimo della tensione Vd1. Si osservi che la presenza del resistore R1 aumenta l’intervallo di tempo in cui il transistore T101 funziona in zona ohmica. Inoltre, la presenza del resistore R1 in serie al transistore T101 ha il vantaggio di non modificare la transconduttanza del transistore T101 quando questo funziona nella zona di saturazione.
Analogamente, Con riferimento alle figure 3a e 3b il transistore T104 passa dalla zona di interdizione (in cui la corrente I104 è 0) prima in zona di saturazione quando le tensioni Vd4e V101 sono vicine al valore di polarizzazione e poi in zona ohmica quando la tensione Vd4è maggiore della tensione V101 di un valore pari alla tensione di soglia del transistore T104. Nello stesso intervallo di tempo la corrente I104 cresce da un valore uguale a 0 ad un valore massimo e poi raggiunge un valore minimo in corrispondenza del massimo della tensione Vd4. Si osservi che la presenza del resistore R4 aumenta l’intervallo di tempo in cui il transistore T104 funziona in zona ohmica. Inoltre, la presenza del resistore R4 in serie al transistore T104 ha il vantaggio di non modificare la transconduttanza del transistore T104 quando questo funziona nella zona di saturazione.
Durante l’intervallo di tempo in cui i transistori T104 e T101 sono in conduzione, il segnale di tensione V101 del primo terminale 101 del circuito risonante 120 ha l’andamento della semi-onda positiva del segnale periodico sinusoidale alla frequenza di oscillazione.
Quando i transistori T104 e T101 hanno raggiunto la zona di interdizione, i transistori T103 e T102 sono in conduzione. In questo caso la corrente fluisce dalla alimentazione Valim verso Massa, attraversando in successione il transistore T103, il resistore R3, il circuito risonante 120, il resistore R2 ed il transistore T102.
Con riferimento alle figure 3a e 3b, il transistore T102 passa dalla zona di interdizione (in cui la corrente I102 è 0) prima in zona di saturazione quando le tensioni Vd2e V101 sono vicine al valore di polarizzazione e poi in zona ohmica quando la tensione Vd2è inferiore alla tensione V101 di un valore pari alla tensione di soglia del transistore T102. Nello stesso intervallo di tempo la corrente I102 cresce da un valore uguale a 0 ad un valore massimo e poi raggiunge un valore minimo in corrispondenza del minimo della tensione Vd2. Si osservi che la presenza del resistore R2 aumenta l’intervallo di tempo in cui il transistore T102 funziona in zona ohmica. Inoltre, la presenza del resistore R2 in serie al transistore T102 ha il vantaggio di non modificare la transconduttanza del transistore T102 quando questo funziona nella zona di saturazione.
Analogamente, con riferimento alle figure 3a e 3b il transistore T103 passa dalla zona di interdizione (in cui la corrente I103 è 0) prima in zona di saturazione quando le tensioni Vd3e V102 sono vicine al valore di polarizzazione e poi in zona ohmica quando la tensione Vd3è maggiore della tensione V102 di un valore pari alla tensione di soglia del transistore T103. Nello stesso intervallo di tempo la corrente I103 cresce da un valore uguale a 0 ad un valore massimo e poi raggiunge un valore minimo in corrispondenza del massimo della tensione Vd3. Si osservi che la presenza del resistore R3 aumenta l’intervallo di tempo in cui il transistore T103 funziona in zona ohmica. Inoltre, la presenza del resistore R3 in serie al transistore T103 ha il vantaggio di non modificare la transconduttanza del transistore T103 quando questo funziona nella zona di saturazione.
Durante l’intervallo di tempo in cui i transistori T103 e T102 sono in conduzione, il segnale di tensione V101 del primo terminale 101 del circuito risonante 120 ha l’andamento della semi-onda negativa del segnale periodico sinousoidale alla frequenza di oscillazione.
Quando i transistori T103 e T102 hanno raggiunto la zona di interdizione, i transistori T104 e T101 ritornano in conduzione e quindi si ripete il funzionamento descritto in precedenza.
Con riferimento alla figura 7, viene mostrato un oscillatore elettronico 210 in base ad una seconda realizzazione dell’invenzione.
L’oscillatore 210 comprende:
- un transistore MOSFET di tipo n T201, atto a commutare fra la zona di interdizione e la zona di conduzione in funzione della tensione sul suo terminale di gate g9;
- un transistore MOSFET di tipo n T202, atto a commutare fra la zona di interdizione e la zona di conduzione in funzione della tensione sul suo terminale di gate g10;
- un resistore R201;
- un resistore R202;
- un capacitore C200;
- un primo induttore L201 ed un secondo induttore L202; - un circuito di polarizzazione 221.
Il capacitore C200 comprende un primo terminale 201 ed un secondo terminale 202.
Il resistore R201 è collegato in serie al transistore T201 ed è interposto fra il transistore T201 ed il capacitore C200; in particolare, il resistore R201 ha un terminale collegato al terminale di drain d9 del transistore T201 ed ha un altro terminale collegato al primo terminale 201 del capacitore C200.
Il resistore R202 è collegato in serie al transistore T202 ed è interposto fra il transistore T202 ed il capacitore C200; in particolare, il resistore R202 ha un terminale collegato al terminale di drain d10 del transistore T202 ed ha un altro terminale collegato al secondo terminale 202 del capacitore C200.
Inoltre il terminale di gate g9 del transistore T201 è collegato al secondo terminale 202 del capacitore C200 ed il terminale di gate g10 del transistore T202 è collegato al primo terminale 201 del capacitore C200.
Il circuito di polarizzazione 221 è collegato fra i terminali di source s9, s10 del transistore T201, T202 e Massa.
Il primo induttore L201 è collegato fra il primo terminale 201 del capacitore C200 e la tensione di alimentazione Valim ed il secondo induttore L202 è collegato fra il secondo terminale 202 del capacitore C200 e la tensione di alimentazione Valim.
Almeno uno dei resistori R201 ed R202 può essere realizzato ad esempio in polisilicio.
Analogamente a quanto spiegato in precedenza per la prima realizzazione dell’invenzione, i resistori R201 ed R202 in serie rispettivamente ai transistori T201 e T202 hanno la funzione di ridurre la potenza del rumore flicker generato dai transistori T201 e T202. Pertanto le considerazioni precedenti relative ai transistori T101 e T102 della prima realizzazione dell’invenzione possono essere utilizzate anche per i transistori T201 e T202 della seconda realizzazione dell’invenzione.
Il circuito di polarizzazione 221 ha la funzione di polarizzare i transistori T201 e T202 e può essere alternativamente collegato fra la tensione di alimentazione Valim ed i terminali 203 e 204 degli induttori L201 e L202.
I resistori R201 e R202 in serie rispettivamente ai transistori T201 e T202 hanno la funzione di ridurre la densità spettrale di potenza del rumore flicker di corrente generato rispettivamente dai transistori T201 e T202 ed hanno la funzione di ridurre la tensione fra drain e source rispettivamente dei transistori T201 e T202 quando questi sono in conduzione. Vantaggiosamente, il valore della resistenza R201 è maggiore della resistenza di conduzione rds201del transistore R201; in questo modo, la densità spettrale di potenza del rumore flicker di corrente generato dal transistore T201 viene ridotta sensibilmente. Vantaggiosamente, il valore della resistenza R202 è maggiore della resistenza di conduzione rds202del transistore R202; in questo modo, la densità spettrale di potenza del rumore flicker di corrente generato dal transistore T202 viene ridotta sensibilmente.
Il funzionamento del circuito composto da T201, R201, T202, R202 è analogo a quello del circuito composto da T101, R1, T102, R2 e quindi le considerazioni dell’oscillatore 110 della prima realizzazione dell’invenzione possono essere applicate analogamente anche all’oscillatore 210 della seconda realizzazione dell’invenzione.
Secondo una variante della seconda realizzazione dell’invenzione (non mostrata nelle figure), l’oscillatore 210 può essere modificato in modo da sostituire i resistori R201 ed R202 con un unico resistore R201_202, collegando il drain d9 del transistore T201 con il drain d10 del transistore T202 ed interponendo il resistore R201_202 fra i drain d9-d10 ed il capacitore C200.
Secondo un’altra variante della seconda realizzazione dell’invenzione, l’oscillatore 210 può essere realizzato utilizzando transistori MOSFET di tipo p al posto dei MOSFET di tipo n T201, T202.
Con riferimento alla figura 8, viene mostrato un oscillatore elettronico 310 in base ad una terza realizzazione dell’invenzione, ottenuta modificando un oscillatore Colpitts secondo l’invenzione.
L’oscillatore 310 comprende:
- un transistore MOSFET di tipo n T301, atto a commutare fra la zona di interdizione e la zona di conduzione in funzione della tensione sul suo terminale di gate g11;
- un resistore R301;
- un primo capacitore C301;
- un secondo capacitore C302;
- un induttore L300;
- un circuito di polarizzazione 321.
Il resistore R301 è collegato in serie al transistore T301 ed è interposto fra il transistore T301 e l’induttore L300; in particolare, il resistore R301 ha un terminale collegato al terminale di drain d11 del transistore T301 ed ha un altro terminale collegato al terminale 301 dell’induttore L300.
L’induttore L300 è interposto fra il resistore R301 e la tensione di alimentazione Valim.
Il capacitore C301 ha un terminale collegato al terminale 301 dell’induttore L300 ed un altro terminale collegato al source s11 del transistore T301.
Il capacitore C302 ha un terminale collegato al source s11 del transistore T301 ed un altro terminale collegato a Massa.
Il circuito di polarizzazione 321 è interposto fra il source s11 del transistore T301 e Massa.
Il resistore R301 può essere realizzato ad esempio in polisilicio.
Il circuito di polarizzazione 321 ha la funzione di polarizzare il transistore T301.
Analogamente a quanto spiegato in precedenza per la prima realizzazione dell’invenzione, il resistore R301 in serie al transistore T301 ha la funzione di ridurre la densità spettrale di potenza del rumore flicker di corrente generato dal transistore T301 ed ha la funzione di ridurre la tensione fra drain e source del transistore T301 quando questo è in conduzione. Vantaggiosamente, il valore della resistenza R301 è maggiore della resistenza di conduzione rds301del transistore R301; in questo modo, la densità spettrale di potenza del rumore flicker di corrente generato dal transistore T301 viene ridotta sensibilmente.
Secondo una variante della terza realizzazione dell’invenzione, l’oscillatore 310 può essere realizzato utilizzando un transistore MOSFET di tipo p al posto del MOSFET di tipo n T301.
Si osservi che la prima, seconda e terza realizzazione dell’invenzione comprendono transistori di tipo MOSFET, ma l’invenzione può essere realizzata utilizzando anche altri tipi di transistori, come ad esempio i transistori JFET. Nel caso di transistori JFET (a canale n o p), in base all’invenzione un resistore è collegato in serie al JFET ed è interposto fra il terminale di drain del JFET ed il circuito risonante. In generale quindi è possibile indicare con: - “terminale per generare corrente” il terminale di source del MOSFET o del JFET;
- “terminale per ricevere corrente” il terminale di source del MOSFET o del JFET;
- “terminale di controllo” il terminale di gate del MOSFET o del JFET.
Pertanto secondo l’invenzione un resistore è collegato in serie ad un transistore ed è interposto fra il terminale per ricevere corrente ed il circuito risonante.
Claims (16)
- Rivendicazioni 1. Oscillatore elettronico (110) comprendente: - un primo transistore (T101; T201; T301) di commutazione fra la zona di interdizione e la zona di conduzione, detto primo transistore avente: • un terminale di controllo (g1; g9; g11) della commutazione; • un primo terminale (d1; d9; d11) per ricevere corrente; - un circuito risonante (120); caratterizzato dal fatto che l’oscillatore comprende ulteriormente un primo resistore (R1; R201; R301) collegato in serie al primo transistore (T101; T201; T301) ed interposto fra il primo terminale (d1; d9; d11) del primo transistore (T101; T201; T301) ed il circuito risonante (120).
- 2. Oscillatore secondo la rivendicazione 1, in cui: - il primo transistore ha una resistenza di conduzione; - la resistenza del primo resistore è maggiore della resistenza di conduzione del primo transistore.
- 3. Oscillatore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il circuito risonante ha un primo (101) ed un secondo terminale (102) ed in cui il primo resistore (R1) è interposto fra il primo terminale (d1) del primo transistore (T101) ed il primo terminale (101) del circuito risonante, l’oscillatore comprendente: - un secondo transistore (T102) di commutazione fra la zona di interdizione e la zona di conduzione, detto secondo transistore avente un terminale di controllo (g2) della commutazione ed un primo terminale (d2) per ricevere corrente; - un secondo resistore (R2) collegato in serie al secondo transistore ed interposto fra il primo terminale (d2) del secondo transistore (T102) ed il secondo terminale (102) del circuito risonante.
- 4. Oscillatore secondo la rivendicazione 3, in cui: - il secondo transistore ha una resistenza di conduzione; - la resistenza del secondo resistore è maggiore della resistenza di conduzione del secondo transistore.
- 5. Oscillatore secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui: - il terminale di controllo (g1) del primo transistore è collegato al secondo terminale del circuito risonante; - il terminale di controllo (g2) del secondo transistore è collegato al primo terminale del circuito risonante.
- 6. Oscillatore secondo la rivendicazione 5, in cui il primo ed il secondo transistore hanno rispettivi secondi terminali (s1, s2) per generare corrente, in cui i secondi terminali del primo e del secondo transistore sono collegati a massa.
- 7. Oscillatore secondo la rivendicazione 1 o 2, l’oscillatore comprendente: - un secondo transistore di commutazione fra la zona di interdizione e la zona di conduzione, detto secondo transistore avente un terminale di controllo della commutazione ed un primo terminale per ricevere corrente, in cui i primi terminali del primo e del secondo transistore sono collegati fra di loro; in cui il primo resistore è collegato in serie al primo transistore ed al secondo transistore ed è interposto fra i primi terminali del primo e del secondo transistore ed il circuito risonante.
- 8. Oscillatore secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui il primo ed il secondo transistore sono a giunzione ad effetto di campo a canale n o sono Metallo-Ossido-Semiconduttore di tipo n, ed in cui il terminale di controllo del primo e del secondo transistore è il gate, il primo terminale del primo e del secondo transistore è il drain ed il secondo terminale del primo e del secondo transistore è il source.
- 9. Oscillatore secondo almeno una delle rivendicazioni da 5 a 8, l’oscillatore comprendente ulteriormente un terzo (T103) ed un quarto (T104) transistore di commutazione fra la zona di interdizione e la zona di conduzione, detti terzo e quarto transistore aventi un rispettivo terminale di controllo della rispettiva commutazione e comprendenti ulteriormente un terzo (R3) ed un quarto (R4) resistore, in cui: - il terzo resistore è collegato in serie al terzo transistore ed è interposto fra il terzo transistore ed il primo terminale del circuito risonante; - il quarto resistore è collegato in serie al quarto transistore ed è interposto fra il quarto transistore ed il secondo terminale del circuito risonante; - il terminale di controllo (g3) del terzo transistore è collegato al secondo terminale del circuito risonante; - il terminale di controllo (g4) del quarto transistore è collegato al primo terminale del circuito risonante.
- 10. Oscillatore secondo la rivendicazione 9, in cui: - il terzo ed il quarto transistore hanno rispettive resistenze di conduzione; - la resistenza del terzo resistore è maggiore della resistenza di conduzione del terzo transistore e la resistenza del quarto resistore è maggiore della resistenza di conduzione del quarto transistore.
- 11. Oscillatore secondo la rivendicazione 10, in cui il terzo ed il quarto transistore hanno rispettivi secondi terminali (s3, s4) per generare corrente, in cui i secondi terminali del terzo e del quarto transistore sono collegati alla tensione di alimentazione (Valim).
- 12. Oscillatore secondo la rivendicazione 11, in cui il terzo ed il quarto transistore sono a giunzione ad effetto di campo a canale p o sono Metallo-Ossido-Semiconduttore di tipo p, ed in cui il terminale di controllo del terzo e del quarto transistore è il gate, il primo terminale del terzo e del quarto transistore è il drain ed il secondo terminale del terzo e del quarto transistore è il source.
- 13. Oscillatore secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, in cui il circuito risonante è un risonatore parallelo comprendente un induttore ed un capacitore con capacità variabile.
- 14. Oscillatore secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno uno dei resistori è di polisilicio.
- 15. Dispositivo per ricostruire un segnale d’orologio, il dispositivo comprendente un oscillatore elettronico secondo almeno una delle rivendicazioni da 1 a 14.
- 16. Ricevitore radio comprendente un oscillatore elettronico secondo almeno una delle rivendicazioni da 1 a 14.
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