Title:
Vorrichtungen und Verfahren zur Signalkopplung
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Es werden Kopplungsvorrichtungen, Schaltungen mit derartigen Kopplungsvorrichtungen und entsprechende Verfahren bereitgestellt, bei welchen ein erstes und zweites Signal aus einem Auskoppelnden Schaltungsteil ausgekoppelt werden und getrennt in erste und zweite Schaltungsteile eingekoppelt werden. Durch die Verwendung verschiedener Kopplungsmechanismen erfolgt dabei eine Signaltrennung. Insbesondere kann eines der Signale als differenzielles Signal und das andere als Gleichtaktsignal gekoppelt werden.





Inventors:
Issakov, Vadim, Dr. (80469, München, DE)
Forstner, Johann Peter (85643, Steinhöring, DE)
Trotta, Saverio (80538, München, DE)
Application Number:
DE102016109359A
Publication Date:
11/23/2017
Filing Date:
05/20/2016
Assignee:
Infineon Technologies AG, 85579 (DE)
International Classes:
H03H7/46
Domestic Patent References:
DE102014103344A1N/A
DE102014114200A1N/A
DE102014203228A1N/A
Attorney, Agent or Firm:
Kraus & Weisert Patentanwälte PartGmbB, 80539, München, DE
Claims:
1. Kopplungsvorrichtung, umfassend:
ein Auskoppelelement zum Senden eines ersten Signals und eines zweiten Signals von einem auskoppelnden Schaltungsteil,
ein erstes Einkoppelelement zum Empfangen des ersten Signals von dem Auskoppelelement, wobei das zweite Signal unterdrückt wird, und
ein zweites Einkoppelelement zum Empfangen des zweiten Signals von dem Auskoppelement, wobei das erste Signal unterdrückt wird, wobei die Kopplungsvorrichtung eingerichtet ist, das Auskoppelement mit dem ersten Einkoppelelement überwiegend über ein magnetisches Feld zu koppeln und das Auskoppelelement mit dem zweiten Einkoppelelement überwiegend über ein elektrisches Feld zu koppeln.

2. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei dem Auskoppelelement das erste Signal als differenzielles Signal und das zweite Signal als Gleichtaktsignal zuführbar ist,
wobei das erste Signal an dem ersten Einkoppelelement als differenzielles Signal abgreifbar ist, und
wobei das zweite Signal an dem zweiten Einkoppelelement als Gleichtaktsignal abgreifbar ist.

3. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Auskoppelelement eine Spule umfasst, wobei das erste Einkoppelelement eine Spule mit differenziellen Anschlüssen umfasst, und wobei das dritte Auskoppelelement eine Spule umfasst, deren Anschlüsse miteinander verbunden sind.

4. Kopplungsvorrichtung, umfassend:
eine Sendespule mit einem differenziellen Anschluss,
eine erste Empfangsspule mit einem differenziellen Anschluss, und
eine zweite Empfangsspule, deren Enden miteinander verbunden sind, um einen einpoligen Anschluss zu bilden.

5. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Sendespule, die erste Empfangsspule und die zweite Empfangsspule jeweils nur eine Windung umfassen.

6. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Sendespule, die erste Empfangsspule und die zweite Empfangsspule als Spulenstapel angeordnet sind.

7. Schaltung, umfassend:
eine Kopplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6,
ein auskoppelndes Schaltungsteil zum Erzeugen eines ersten Signals und eines zweiten Signals,
einen zweiten Schaltungsteil zum Empfangen des ersten Signals von dem ersten Schaltungsteil über die Kopplungsvorrichtung, wobei das zweite Signal unterdrückt wird, und
einen dritten Schaltungsteil zum Empfangen des zweiten Signals von dem ersten Schaltungsteil über die Kopplungsvorrichtung, wobei das erste Signal unterdrückt wird.

8. Schaltung nach Anspruch 7, wobei der zweite Schaltungsteil einen ersten Puffer mit einem differenziellen Eingang umfasst, welcher mit der Kopplungsvorrichtung gekoppelt ist.

9. Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der dritte Schaltungsteil einen zweiten Puffer mit einem einpoligen Eingang umfasst, welcher mit der Kopplungsvorrichtung gekoppelt ist.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 7–9, wobei der erste Schaltungsteil eingerichtet ist, der Kopplungsvorrichtung das erste Signal als differenzielles Signal zuzuführen und das zweite Signal als Gleichtaktsignal zuzuführen.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 7–10, wobei der erste Schaltungsteil eingerichtet ist, das zweite Signal als Harmonische des ersten Signals zu erzeugen.

12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1–10, wobei der erste Schaltungsteil einen Oszillator mit kreuzgekoppelten Transistoren oder einen Colpitts-Oszillator umfasst.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 7–12, wobei der erste Schaltungsteil einen Frequenzmultiplizierer oder einen Frequenzteiler umfasst.

14. Verfahren, umfassend:
Senden eines ersten Signals und eines zweiten Signals mittels einer Sendespule, wobei das erste Signal der Sendespule als differenzielles Signal und das zweite Signal der Sendespule als Gleichtaktsignal zugeführt wird,
Empfangen des ersten Signals an einer differenziellen Empfangsspule, und
Empfangen des zweiten Signals an einer einpoligen Empfangsspule.

15. Verfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend Erzeugen des ersten Signals und des zweiten Signals mittels einer Oszillatorschaltung.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das erste Signal eine andere Frequenz aufweist als das zweite Signal.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14–16, wobei die Sendespule die differenzielle Empfangsspule und die einpolige Empfangsspule eine Kopplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6 bilden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14–17, wobei das Verfahren mit einer Schaltung nach einem der Ansprüche 7–13 durchgeführt wird.

Description:
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Signalkopplung, d.h. zum Koppeln von Signalen beispielsweise von einem Schaltungsteil zu einem anderen Schaltungsteil. Insbesondere betrifft die vorliegende Anmeldung Signalkopplungen von Hochfrequenzsignalen, beispielsweise mit einer Frequenz oberhalb von 1 GHz.

HINTERGRUND

Bei vielen Anwendungen ist es notwendig, Signale, insbesondere Hochfrequenzsignale, welche in einem Schaltungsteil erzeugt oder verarbeitet werden, einem anderen Schaltungsteil einer Schaltung zur weiteren Verwendung bereitzustellen. Beispielsweise müssen bei manchen Anwendungen von einem Oszillator wie einem spannungesteuerten Oszillator (VCO, vom Englischen „Voltage Controlled Oscillator“) erzeugte Signale einer Frequenzteilerkette, einer Sendeschaltung oder einer Empfangsschaltung zugeführt werden, Signale von einem Frequenzverdoppler weiteren Schaltungsteilen zugeführt werden oder ein Teil einer Ausgabe einer Sendeschaltung einer Diagnoseschaltung wie einem Leistungsdetektor zu Testzwecken zugeführt werden.

Bei einer solchen Auskopplung von Signalen aus einer Schaltung und Einkopplung in eine andere Schaltung ist es in vielen Fällen wünschenswert oder erforderlich, die Funktion des Schaltungsteils, aus welcher das Signal (oder mehrere Signale) ausgekoppelt wird (im Folgenden auch als auskoppelnder Schaltungsteil bezeichnet), möglichst wenig zu beeinflussen. Insbesondere ist es bei vielen Anwendungen wünschenswert, dass eine derartige Signalauskopplung eine möglichst geringe Last für den auskoppelnden Schaltungsteil, darstellt. Dies ist insbesondere bei vielen Anwendungen kritisch, bei denen hohe Frequenzen beispielsweise entsprechend Millimeterwellen (im Bereich beispielsweise größer 10 GHz) verwendet werden. Als Beispiel kann hier ein spannungsgesteuerter Oszillator genannt werden, welcher einen Resonatortank verwendet. Wenn eine Last direkt mit Knoten des Resonatortanks verbunden wird, belastet dies den Resonatortank und beeinflusst das Phasenrauschen.

Zudem ist es bei manchen Anwendungen wünschenswert, ein Signal nicht nur bei einer Frequenz auszukoppeln, sondern aus einer einzigen Schaltung Signale verschiedener Frequenzen getrennt voneinander auszukoppeln. Ein Beispiel kann das Auskoppeln einer höheren Harmonischen der fundamentalen Frequenz eines Oszillators sein. Wenn beispielsweise ein spannungsgesteuerter Oszillator bei einer fundamentalen Frequenz von 30 GHz arbeitet, liegt bei manchen Implementierungen an manchen Knoten eine zweite Harmonische bei 60 GHz vor. Bei manchen Oszillatorkonfigurationen, beispielsweise einer sogenannten Push-Push-Konfiguration, wird dann das fundamentale Signal (z.B. 30 GHz) einer Frequenzteilerkette zugeführt, und die zweite Harmonische (z.B. 60 GHz) wird einem Empfänger oder Sender zugeführt. Auch bei Frequenzverdopplern, Zirkulatoren oder Duplexern können zwei Frequenzen simultan auftreten.

Herkömmlicherweise erfolgt eine derartige Auskopplung mehrerer Signale mit verschiedenen Frequenzen durch direkte Kopplung, wobei zum Verringern der Last beispielsweise kleinere Transistoren verwendet werden, um eine (parasitäre) Lastkapazität zu verringern. Dennoch kann es hier zu Beeinträchtigungen der Schaltung, aus der ausgekoppelt wird, kommen. Zudem können derartige Herangehensweisen zusätzliche parasitäre Effekte schaffen. Schließlich hat auch eine Verkleinerung von Strukturen wie Transistoren ihre Grenzen.

Es ist daher eine Aufgabe, verbesserte Vorrichtungen und Verfahren zur Signalkopplung bereitzustellen.

KURZFASSUNG

Diesbezüglich werden Verfahren und Vorrichtungen wie in den unabhängigen Ansprüchen definiert bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.

Die obige Kurzfassung gibt lediglich einen kurzen Überblick und ist nicht als einschränkend auszulegen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

2 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

3 ist ein Schaltungsdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

46 sind verschiedene Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise von Ausführungsbeispielen.

7A7C zeigen perspektivische Ansichten einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

8A und 8B zeigen Schaltungen, welche als Grundlage für Simulationen dienen.

9 zeigt Ergebnisse von Simulationen auf Basis der Schaltungen der 8A und 8B.

10 zeigt eine Schaltung als Grundlage für Simulationen.

11A und 11B zeigen Ergebnisse von Simulationen auf Basis der Schaltung der 10.

1219 zeigen Schaltungen gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.

20 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. So ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können bei anderen Ausführungsbeispielen manche der dargestellten Merkmale oder Komponenten weggelassen sein und/oder durch alternative Merkmale oder Komponenten ersetzt werden. Zudem können zusätzlich zu den dargestellten und beschriebenen Merkmalen oder Komponenten weitere Merkmale oder Komponenten, beispielsweise Merkmale oder Komponenten herkömmlicher Hochfrequenzschaltungen, bereitgestellt sein.

Variationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Merkmale oder Komponenten verschiedener Ausführungsbeispiele können zudem miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen können direkte Verbindungen, d.h. Verbindungen ohne dazwischen liegende Elemente (beispielsweise durch einfache Leiterbahnen) auch durch indirekte Verbindungen, d.h. Verbindungen mit einem oder mehreren zusätzlichen dazwischen liegenden Elementen, ersetzt werden und umgekehrt, so lange die grundsätzliche Funktion der Verbindung, beispielsweise ein bestimmtes Signal zu übertragen, eine bestimmte Steuerung zu bewirken oder eine bestimmte Art von Information zu übertragen, im Wesentlichen erhalten bleibt.

Bei Ausführungsbeispielen werden verschiedene Kopplungsmechanismen benutzt, um zwei Signale verschiedener Frequenz von einem Schaltungsteil zu einem anderen Schaltungsteil zu koppeln. Dabei erfolgt die Kopplung bei manchen Ausführungsbeispielen unter galvanischer Trennung, d.h. ohne ohmsch-leitende Verbindung. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird dabei auf Seiten eines auskoppelnden Schaltungsteils nur ein einziges Kopplungselement bereitgestellt.

Bei manchen Ausführungsbeispielen wird insbesondere ein erstes Signal mittels induktiver Kopplung, d.h. Kopplung über ein Magnetfeld, und ein zweites Signal über kapazitive Kopplung, d.h. basierend auf einem elektrischen Feld, ausgekoppelt. Dies ist schematisch in 1 dargestellt. Auf Seiten eines auskoppelnden Schaltungsteils 10 liegen ein erstes und ein zweites Signal mit unterschiedlichen Frequenzen f1, f2 vor. Mittels einer Auskoppelvorrichtung 11 wird dann das erste Signal mit der Frequenz f1 zu einem ersten Schaltungsteil 12 mittels einer magnetischen Kopplung (H-Feld-Kopplung) und das zweite Signal mit der Frequenz f2 über eine das elektrische Feld benutzende Kopplung (E-Feld-Kopplung) zu einem zweiten Schaltungsteil 13 ausgekoppelt. Dabei ist zu bemerken, dass mit „magnetischen Feld“ und „elektrischen Feld“ die überwiegenden, d.h. dominanten Kopplungsmechanismen bezeichnet werden (magnetische Induktion bzw. Kopplung überwiegend durch E-Feld z.B. durch Ladungsinfluenz (auch als elektrostatische Induktion bezeichnet) ähnlich der Signalübertragung von Wechselstromsignalen über einen Kondensator), was nicht bedeutet, dass das jeweils andere Feld überhaupt nicht vorliegt. Die Kopplungen werden später näher erläutert.

Durch die verschiedenen Arten von Kopplungen ist bei manchen Ausführungsbeispielen das zweite Signal mit der Frequenz f2 im ersten Schaltungsteil 12 unterdrückt, und das erste Signal mit der Frequenz f1 ist im zweiten Schaltungsteil 13 unterdrückt.

Zur Realisierung derartiger Kopplungen wird bei manchen Ausführungsbeispielen das erste Signal als differenzielles Signal und das zweite Signal als einpoliges Signal in den ersten bzw. in den zweiten Schaltungsteil gekoppelt. Die Begriffe „Gleichtaktsignale“ (engl. common mode) oder ein „einpoliges Signal“ werden im Folgenden im Wesentlichen synonym verwendet. Hierzu kann beispielsweise eine einzige Spule auf Seiten des auskoppelnden Schaltungsteils 10 bereitgestellt sein. Dies wird später noch näher erläutert.

2 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 werden ein erstes Signal und ein zweites Signal, welche unterschiedliche Frequenzen aufweisen, auf Seiten eines auskoppelnden Schaltungsteils 25 einem einzigen Sendeelement 20 zugeführt. Dabei kann das erste Signal als differenzielles Signal und das zweite Signal als einpoliges Signal oder Gleichtaktsignal zugeführt werden. Das Sendeelement 20 kann beispielsweise eine erste Spule sein. Das erste Signal wird dann wie über einen Pfeil 23 angedeutet von einem ersten Empfangselement 21 empfangen, um in einem ersten Schaltungsteil 26 weiter verwendet zu werden. Bei dem Kopplungspfad 23 wird das zweite Signal unterdrückt. Das erste Empfangselement 21 kann beispielsweise eine differenzielle Spule sein, um das erste Signal als differenzielles Signal zu empfangen.

Das zweite Signal wird über einen Kopplungspfad 24 zu einem zweiten Empfangselement 22 übertragen, welches ein einpoliges Empfangselement sein kann, beispielsweise eine „geschlossene“ Spule, wie später näher erläutert werden wird. Das differenzielle erste Signal wird bei dem Kopplungspfad 24 unterdrückt. Auf diese Weise wird das zweite Signal einem zweiten Schaltungsteil 27 zugeführt.

Indem ein differenzielles Signal und ein einpoliges Signal (Gleichtaktsignal) verwendet werden, ist somit ein einziges Sendelement zur Kopplung ausreichend. Dies verringert beispielsweise bei manchen Ausführungsbeispielen eine benötigte Chipfläche.

3 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels, um grundlegende Techniken zu erläutern, welche bei einigen Ausführungsbeispielen verwendet werden. Das Ausführungsbeispiel der 3 umfasst eine Kopplungsvorrichtung 33. Die Kopplungsvorrichtung 33 umfasst eine Sendespule 37 zum Auskoppeln von Signalen aus einem auskoppelnden Schaltungsteil, eine erste Empfangsspule 38 und eine zweite Empfangsspule 310.

Der Sendespule 37 werden an Eingängen Inp, Inn ein erstes Signal mit einer ersten Amplitude Vin1 und einer ersten Frequenz f1 und ein zweites Signal mit einer Amplitude Vin2 und einer zweiten Frequenz f2 zugeführt. Zur Erzeugung der Signale sind schematisch Signalgeneratoren 34 dargestellt. Wie später erläutert werden wird können die Signalgeneratoren 34 beispielsweise Oszillatorschaltungen, Frequenzteilerschaltungen oder Multipliziererschaltungen umfassen, sind jedoch nicht hierauf beschränkt.

Das erste und zweite Signal werden dabei in der Darstellung der 3 den Eingängen Inp, Inn über Quellenimpedanzen 35, 36 mit Widerstandswerten RS zugeführt. Die Quellenimpedanzen 35, 36 repräsentieren dabei in dem dargestellten Modell Impedanzen von Schaltungen, die zur Erzeugung des ersten und zweiten Signals dienen, z.B. Oszillatorschaltungen.

Wie in 3 veranschaulicht, ist das erste Signal dabei ein differenzielles Signal, welches der Quellenimpedanz 35 mit einer Phasenlage 0° und der Quellenimpedanz 36 mit einer Phasenlage 180º zugeführt wird, so dass sich ein differenzielles Signal ergibt. Das zweite Signal wird hingegen als Gleichtaktsignal zugeführt, bei dem die dem Widerstand 35 und dem Widerstand 36 zugeführten Komponenten eine gleiche Phasenlage aufweisen. In anderen Worten wird beiden Anschlüssen der Sendespule 37 für das zweite Signal das gleiche Signal zugeführt. In einem Diagramm 30 ist schematisch ein Spektrum der Eingangsleistung für die Sendespule 37 über der Frequenz dargestellt, wobei bei dem dargestellten Beispiel nur bei den Frequenzen f1 und f2 wesentliche Anteile vorliegen. Beide Signale werden mit ähnlich großer Leistung der Sendespule 37 zugeführt.

Die erste Empfangsspule 38 weist zwei Anschlüsse auf, welche mit entsprechenden Anschlüssen einer Last 39 gekoppelt sind. An der Last 39 ist dann das in die erste Empfangsspule 38 eingekoppelte Signal abgreifbar. Durch die differenzielle Ausgestaltung mit zwei Anschlüssen wird dabei das erste Signal bei der Frequenz f1 eingekoppelt, während das zweite Signal bei der Frequenz f2 unterdrückt wird. Dabei handelt es sich um eine Kopplung durch magnetische Induktion, wie bereits unter Bezugnahme auf die 1 kurz erläutert und wie später noch weiter ausgeführt werden wird. Die zweite Empfangsspule 310 weist miteinander verbundene Anschlüsse auf, welche beide mit einem ersten Anschluss einer Last 311 verbunden sind, während ein zweiter Anschluss der Last 311 mit Masse verbunden ist. An der Last 311 ist ein in die zweite Empfangsspule 310 eingekoppeltes Signal abgreifbar. Dabei wird wegen der einpoligen Ausgestaltung im Wesentlichen nur das zweite Signal bei der Frequenz f2 empfangen, während das erste Signal bei der Frequenz f1 unterdrückt wird.

Dies ist in Diagrammen 31 und 32 schematisch dargestellt. Das Diagramm 31 zeigt die Leistung Pout, die in die erste Empfangsspule 38 eingekoppelt wird. Schematisch dargestellt wird hier im Wesentlichen nur bei der Frequenz f1 ein Signal empfangen. Das Diagramm 32 zeigt entsprechendes für die zweite Empfangsspule 310. Hier wird im Wesentlichen nur bei der zweiten Frequenz f2 ein Signal empfangen, während das Signal bei der ersten Frequenz f1 unterdrückt wird.

Durch die Verwendung einer einzigen Sendespule 37 kann wie bereits erwähnt die Kopplungsvorrichtung 33 kompakt aufgebaut werden, und es sind keine völlig separaten Komponenten für die zwei Kopplungen nötig. Zudem wird die Kopplung unter galvanischer Trennung, d.h. ohne direkte ohmsche Verbindung, realisiert, was eine Last für den auskoppelenden Schaltungsteil verringert und somit die Funktionsweise des auskoppelnden Schaltungsteils weniger beeinträchtigt. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann so beispielsweise eine Grundfrequenz und eine höhere harmonische ausgekoppelt werden, beispielsweise bei einem spannungsgesteuerten Oszillator, bei dem eine zweite harmonische beispielsweise ausgekoppelt werden kann, ohne eine zusätzliche Stromquelle zur Masse zu benötigen. Entsprechende Ausführungsbeispiele werden später noch detaillierter erläutert.

Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die 46 die Funktionsweise der dargestellten Schaltungen, insbesondere der Schaltung der 3, mit verschiedenen Kopplungsarten (Kopplung über magnetisches Feld und Kopplung über elektrisches Feld) noch näher erläutert.

Die 4 erläutert eine übliche induktive Kopplung zwischen zwei Spulen 40, 41, welche im Falle der 3 beispielsweise der ersten Spule 37 und der zweiten Spule 38 entsprechen. In der 4 ist ein magnetischer Fluss durch die zweite Spule 41, welche durch ein Magnetfeld B1, welches von der ersten Spule 40 durch einen Strom i1 erzeugt wird, dargestellt. Dies führt zu einer induzierten Spannung v21 in der zweiten Spule 41. Der magnetische Fluss durch die erste Spule 40 bzw. durch die zweite Spule ist dabei das Integral des Magnetfeldes B1 über die Querschnittsfläche der Spule.

Eine entsprechende Induktion kann auch von der zweiten Spule 41 zu der ersten Spule 40 stattfinden. Dies entspricht der herkömmlichen magnetischen Induktion zwischen zwei Spulen und wird daher nicht näher erläutert. Wie aus der 4 ersichtlich ist für diese Induktion jeweils ein differenzieller Signalanschluss bei der ersten Spule 40 und der zweiten Spule 41 erforderlich, so dass mittels Induktion beispielsweise ein erstes Signal von der Sendespule 37 in die erste Empfangsspule 38 der 3 eingekoppelt werden kann.

Die 5 zeigt eine entsprechende Situation für einpolige Signale (Gleichtaktsignale), bei welchen eine Spannung an beide Anschlüsse der ersten Spule angelegt ist, entsprechend dem Anlegen des zweiten Signals mit der Frequenz f2 an die Sendespule 37 der 3. Entsprechend wird eine Spannung an der zweiten Spule abgegriffen. Hier wirken die Spulen gleichsam als Platten eines Kondensators 52, wie in 5 veranschaulicht. Die Bezugszeichen 50 und 51 bezeichnen einen ersten Schaltungsteil, welcher ein auszukoppelndes Signal erzeugt, bzw. einen zweiten Schaltungsteil, welcher das Signal empfängt.

Somit wird mittels der 4 und 5 veranschaulicht, wie differenzielle Signal mittels magnetischer Induktion und Gleichtaktsignale (einpolige Signale) über ein elektrisches Feld übertragen wurden.

Dies wird im Folgenden noch mathematisch näher erläutert.

Im Folgenden wird der mathematisch-netzwerktheoretische Hintergrund für einen idealisierten Fall unter Bezugnahme auf die 6A und 6B erläutert. Zunächst wird unter Bezugnahme auf die 6A der Fall einer einpolig angekoppelten Empfangsspule mit einer Induktivität L2 bei einer Sendespule L1 dargestellt. Als differenzielles Signal werden Anschlüssen 1 und 2 der Spule L1 Signale +v1ejω1t, –v1jω1t, wobei j die imaginäre Einheit, v1 die Amplitude des ersten Signals, t die Zeit und ω1 die Kreisfrequenz des ersten Signals ist, zugeführt. Als Gleichtaktsignal wird beiden Anschlüssen ein Signal v2ejω2t zugeführt, wobei wiederum t die Zeit, j die imaginäre Einheit, ω2 die Kreisfrequenz des zweiten Signals und v2 die Amplitude des zweiten Signals ist. Mit C sind kapazitive Kopplungen zwischen den Spulen bezeichnet.

Die nachfolgende Analyse wird die sogenannte modifizierte Nodalanalyse (MNA) verwendet. Dabei gilt x = A–1·z, wobei A eine Matrix ist, welche die Kopplung zwischen Noden beschreibt, x eine Matrix ist, die unbekannte Größen enthält (insbesondere die empfängerseitig eingekoppelten Spannungen und Ströme), und z eine Matrix ist, welche die Quellen enthält (d. h. die in die Sendespule eingekoppelten Signale).

Für den Fall der differenziellen Anregung (erstes Signal) in 6A lässt sich die obige Gleichung wie folgt schreiben:

Wie zu sehen ist, wird an dem Knoten 3 in 6A (dritte Zeile des Vektors x) eine 0 erzeugt, d.h. der differenzielle Eingang ergibt bei der dargestellten einpoligen Auskopplung keinen Signalbeitrag.

Für den Fall der Gleichtaktanregung (zweites Signal der 6A) ergibt sich folgende Gleichung.

Hier ergibt sich an dem Ausgangsknoten 3 also ein Signal entsprechend dem zweiten Signal v2ejω2t, welches durch einen RC-Filter gedämpft ist.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 6B der Fall einer differenziellen Auskopplung an der zweiten Spule an Ausgangsknoten 2 und 3 erläutert. Ansonsten entspricht die 6B der 6A.

Zunächst wird die Übertragung des ersten Signals, d. h. ein differenzielles Eingangssignal bei differenziellem Ausgang erläutert. Hier ergibt sich folgende Gleichung

Wenn dann das Signal an den Knoten 2 und 3 differenziell abgegriffen wird, ergibt sich als Ausgangssignal d.h. das erste Signal mit einer Dämpfung, welche von den Kapazitäten, Induktivitäten und Widerständen abhängt.

Im Falle einer Gleichtaktanregung (zweites Signal der 6B) und differenziellem Abgriff ergibt sich hingegen

Hier ergibt sich dann als differenzielles Ausgangssignal an den Knoten 2 und 3 gemäß Vout = V2 – V3 = 0 0, so dass hier kein Signal übertragen wird.

Somit wird durch die obigen Erläuterungen auch mathematisch-netzwerktheoretisch gezeigt, dass die Trennung der Signale durch die verschiedenen Kopplungsmechanismen möglich ist. Zu beachten ist, dass in der Praxis durch Asymmetrien dennoch geringe Anteile des zweiten Signals mit dem ersten Signal differenziell gekoppelt werden können, bzw. Teile des ersten Signals mit dem zweiten Signal gleichtaktmäßig gekoppelt werden können. Mit anderen Worten kann es durch verschiedene Effekte dazu kommen, dass die Signaltrennung nicht zu 100% erfolgt. Für viele Anwendungen ist die Signaltrennung jedoch jedenfalls ausreichend.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 7 eine Implementerierungsmöglichkeit für eine Kopplungsvorrichtung erläutert. Dabei zeigt die 7A eine Draufsicht auf die Kopplungsvorrichtung, die 7B eine Ansicht von einer Unterseite der Kopplungsvorrichtung und die 7C eine Hervorhebung eines Teils der Vorrichtung. Die Begriff „Draufsicht“ und „Ansicht von unten“ dienen lediglich der leichteren Zuordnung, und die dargestellte Vorrichtung kann in jeder beliebigen Orientierung benutzt werden.

Die Vorrichtung der 7 umfasst eine Sendespule 70, auch als Hauptspule bezeichnet, welche beispielsweise als Spule 37 der 3 dienen kann. In dem dargestellten Fall weist die Sendespule 70 eine einzige Windung auf. An den Anschlüssen der Spule 70 werden dann beispielsweise ein erstes Signal als differenzielles Signal und ein zweites Signal als Gleichtaktsignal angelegt.

Des Weiteren umfasst die Vorrichtung der 7 eine erste Empfangsspule 71 und eine zweite Empfangsspule 72, welche ebenfalls jeweils eine Windung aufweisen und die gleiche Spulenform wie die Sendespule 70 aufweisen und wie dargestellt gestapelt angeordnet sind. Die Spulen selber können dabei beispielsweise durch metallische Leiterbahnen gebildet sein und durch nicht leitendes dielektrisches Material, beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, voneinander getrennt sein.

Die erste Empfangsspule 71 weist dabei wie dargestellt zwei Anschlüsse auf, um einen differenziellen Abgriff wie oben diskutiert zu ermöglichen. Die zweite Empfangsspule 72 weist wie dargestellt nur einen einzigen Anschluss auf und kann somit beispielsweise als zweite Empfangsspule 310 der 3 verwendet werden und wirkt im Wesentlichen als Kondensatorplatte wie erläutert. Zu bemerken ist, dass die Reihenfolge der Spule nur als Beispiel zu verstehen ist, und die Spule auch in anderer Reihenfolge angeordnet sein können, beispielsweise die Sendespule 70 zwischen den Empfangsspulen 71, 72. Zudem kann die Form der Spulen auch anders als dargestellt sein. Des Weiteren können auch weitere Spulen, z.B. eine zweite Sendespule oder weitere Empfangsspulen, bereitgestellt sein. Mit einer Vorrichtung wie in 7 dargestellt ist, ist eine kompakte Implementierung möglich. Andere Implementierungen sind jedoch ebenso möglich.

Zur Demonstration der Funktionsweise werden nun unter Bezugnahme auf die 811 Simulationsergebnisse diskutiert. Zu bemerken ist, dass diese Simulationsergebnisse nur zur weiteren Veranschaulichung dienen und je nach Implementierung Ergebnisse und Signale bei realen Schaltungen hiervon abweichen können.

Die 8A und 8B zeigen Diagramme von Schaltungen, welche zur Simulation verwendet wurden. Dabei zeigt die 8A den Fall eines differenziell zugeführten Signals, und die 8B den Fall eines einpoligen Signals, was durch die Phasendifferenz 180 in der 8A bzw. 0 in 8B zum Ausdruck kommt. Mit 80 ist die simulierte Kopplungsvorrichtung, beispielsweise entsprechend der 7, bezeichnet. Die verschiedenen Widerstandswerte und Frequenzwerte, welche in den 8A und 8B angegeben sind, dienen lediglich als Simulationsbeispiel zur weiteren Veranschaulichung, und je nach Anwendung können sich die verwendeten Wert unterscheiden. Entsprechend können sich auch die Ergebnisse unterscheiden, und die dargestellten Simulationen dienen lediglich der Veranschaulichung.

Die 9 zeigt Simulationsergebnisse für die Schaltungen der 8A und 8B für verschiedene Fälle. Dabei ist in 9 jeweils die Dämpfung in Dezibel über der Frequenz angezeigt. Eine Kurve 90 zeigt das differenzielle Ausgangssignal im Falle der 8A, d.h. bei differenziellem Eingangssignal. Wie zu sehen ist, liegt hier nur eine geringe Dämpfung (weniger als –4 dB) vor. Die Kurve 92 zeigt den Gleichtaktausgang der 8A. Hier herrscht eine relativ hohe Dämpfung vor, die selbst bei einer hohen Frequenz von 100 GHz im Bereich von –19 bis –20 dB liegt. Im Falle der 8A wird also das differenzielle Signal auf den differenziellen Ausgang übertragen, jedoch nicht auf einen Gleichtaktausgang.

Die Kurven 91 und 93 zeigen entsprechende Fälle für die 8B. Eine Kurve 91 zeigt das differenziell abgegriffene Ausgangssignal im Falle einer Gleichtaktanregung. Hier ergeben sich je nach Frequenz Dämpfungen im Bereich von –40 bis –110 dB. Für den Gleichtaktausgang ergeben sich nur geringe Dämpfungen. Hier wird also das Gleichtaktsignal übertragen, während kaum Übersprechen auf den differenziellen Ausgang vorliegt.

Dabei ist bei dem dargestellten Simulationsergebnis das Übersprechen des Gleichtakteingangssignals auf den differenziellen Ausgang geringer als das Übersprechen des differenziellen Eingangssignals auf den Gleichtaktausgang. Dies wird unter Bezugnahme auf die 10 und 11 anhand einer weiteren Simulation veranschaulicht. Die 10 zeigt eine der Simulation zugrunde gelegte Schaltung, wobei mit 100 eine Kopplungsvorrichtung wie die Kopplungsvorrichtung der 7 bezeichnet ist. Als Beispielsignale wurde ein Signal der Frequenz 30 GHz als differenzielles Signal und ein Signal der Frequenz 60 GHz (zum Beispiel zweite Harmonische) als Gleichtaktsignal verwendet. Wiederum sind sämtliche angegebene Zahlenwerte nur als Beispiel zum Zwecke der Veranschaulichung zu verstehen.

Die 11A zeigt die Signalanteile an dem differenziellen Ausgang (entsprechend beispielsweise der Spule 38 der 8 oder der Empfangsspule 71 der 7), und 11B zeigt die relativen Signalstärken am einpoligen Ausgang (beispielsweise über die Spule 310 der 3 oder die Spule 72 der 7). Wie zu sehen ist, ist am differenziellen Ausgang (11A) das als Gleichtaktsignal zugeführte Signal unterdrückt (mit etwa –50 dB), während am Gleichtaktausgang das differenziell zugeführte Signal unterdrückt ist (allerdings in geringerem Ausmaß etwa –14 dB). Diese Signaltrennung ist für viele Anwendungen ausreichend.

Im Folgenden werden nunmehr verschiedene Vorrichtungen als Anwendungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kopplungsvorrichtungen diskutiert. Die Kopplungsvorrichtungen können dabei im Detail wie oben diskutiert implementiert sein, beispielsweise wie in 7 gezeigt, sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Die dargestellten Anwendungsbeispiele sind darüber hinaus nicht als einschränkend auszulegen, und Kopplungsvorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen können auch bei anderen Anwendungen verwendet werden.

Die 12 zeigt eine Schaltung, bei welcher ein Ausführungsbeispiel einer Kopplungsvorrichtung 120 zum Auskoppeln von Signalen aus einem push-push-spannungsgesteuerten Oszillator 126 dient. Der spannungsgesteuerte Oszillator 126 ist bei dem dargestellten Beispiel mit zwei kreuzgekoppelten NMOS Transistoren und zwei variablen Kapazitäten, welchen eine Tuningspannung VTune zugeführt wird, implementiert.

Die Vorrichtung 120 umfasst eine Sendespule 123, welche derart mit dem Oszillator 126 gekoppelt ist, dass sie ein Grundsignal des Oszillators mit einer Frequenz f0 als differenzielles Signal und eine Harmonische mit der Frequenz 2f0 als Gleichtaktsignal zugeführt bekommt. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 120 eine erste Empfangsspule 121 zum Übertragen des differenziellen Signals mit der Frequenz f0 und eine zweite Spule 122, deren Enden miteinander verbunden sind, zum Empfangen des Gleichtaktsignals mit der Frequenz 2f0. Die Sendespule 123 sowie die Empfangsspulen 121, 122 arbeiten wie oben erläutert, beispielsweise wie unter Bezugnahme auf die 3 erläutert, und können beispielsweise wie in 7 dargestellt implementiert sein, sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Mit der ersten Empfangsspule 121 ist ein erster (differenzieller) Puffer 124 gekoppelt, über den dann ein Ausgangssignal Vout mit der Frequenz f0 ausgegeben wird. Mit der zweiten Empfangsspule 122 ist ein zweiter (in diesem Fall einpoliger) Puffer 125 verbunden, um ein Signal Vout mit der Frequenz 2f0 auszugeben.

Auf diese Weise können sowohl das Signal mit der Frequenz f0 als auch die Harmonische mit der Frequenz 2f0 in nicht invasiver Weise ausgekoppelt werden, wodurch der Betrieb des Oszillators kaum oder gar nicht gestört wird.

Der dargestellte Oszillator 126 ist nur als Beispiel zu verstehen, und es sind verschieden Variationen und Abwandlungen möglich. Einige hiervon werden in den nächsten Figuren diskutiert. Um Wiederholungen zu vermeiden, weisen dabei einander entsprechende Elemente die gleichen Bezugszeichen auf und werden nicht nochmals erläutert.

In 13 ist ein Oszillator 130 mit der Kopplungsvorrichtung 120 gekoppelt. Der Oszillator 130 ist dabei auf Basis kreuzgekoppelter PMOS-Transistoren anstelle der NMOS-Transistoren der 12 aufgebaut. Ansonsten entspricht die Funktionsweise der Vorrichtung der 13 im Wesentlichen der Vorrichtung der 12.

Eine weitere Variante ist in 14 dargestellt. Hier ist eine Oszillator 140 mit der Kopplungsvorrichtung 120 verbunden. Der Aufbau des Oszillators 140 entspricht größtenteils dem Aufbau des Oszillators 126 der 12. Im Gegensatz zu diesem ist der Oszillator 140 jedoch mit kreuzgekoppelten Bipolartransistoren anstelle der NMOS-Transistoren der 12 implementiert.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 15 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 15 umfasst ein mit der Kopplungsvorrichtung 120 gekoppelter Oszillator 150 ein Paar von kreuzgekoppelten PMOS-Transistoren und ein Paar von kreuzgekoppelten NMOS-Transistoren aufgebaut ist (sog. „current reusing“-Oszillator). Der Oszillator der 15 ist somit gleichsam eine Kombination der Oszillatoren der 12 und 13. Durch die Verwendung zweier Paare kreuzgekoppelter Oszillatoren kann bei manchen Ausführungsbeispielen ein Phasenrauschen verringert werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 16 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 16 umfasst eine Oszillatoranordnung einen ersten Oszillatorkern 165 mit NMOS-Transistor und einen zweiten Oszillatorkern 166 ebenfalls mit NMOS-Transistoren, wobei die Kerne jeweils im Wesentlichen dem Oszillator 126 der 12 entsprechen. Eine Kopplungsvorrichtung 160 der 16 umfasst dementsprechend eine erste Sendespule 163 und eine zweite Sendespule 164. Wie die Kopplungsvorrichtung 120 umfasst die Kopplungsvorrichtung 160 des Weiteren eine erste Empfangsspule, welche differenziell arbeitet und mit dem ersten Puffer 124 gekoppelt ist, und eine zweite Empfangsspule 162, welche einpolig arbeitet und mit dem zweiten Puffer 125 gekoppelt ist. Abgesehen von dem Vorhandensein zweier Sendespulen entspricht die Kopplungsvorrichtung 160 der Kopplungsvorrichtung 120 und arbeitet ähnlich wie diese und kann entsprechend realisiert sein. Beispielsweise lässt sich die zusätzliche Sendespule durch eine weitere Spule in dem Stapel der 7 realisieren. Die Kopplung der Oszillatorkerne 165, 166 erfolgt dabei über das Magnetfeld der Sendespulen 163, 164, so dass die Oszillatoren in Phase und mit gleicher Frequenz schwingen. Zudem ist zu bemerken, dass auch mehr als zwei Kerne bereitgestellt sein können.

Es können auch andere Arten von Oszillatoren verwendet werden. In 17 ist als Oszillator 170 ein sogenannter Colpitts-VCO dargestellt, welcher wiederum mit der Kopplungsvorrichtung 120 gekoppelt ist. Der Colpitts-VCO 170 der 17 ist dabei auf Basis von NMOS-Transistoren implementiert. 18 zeigt demgegenüber eine Implementierung eines Colpitts-VCO 180 auf Basis von Bipolartransistoren, insbesondere Heteroübergangsbipolartransistoren (HBTs). Abgesehen von den unterschiedlichen Transistortypen entspricht die Schaltung der 18 derjenigen der 17.

Die Anwendung von Kopplungsvorrichtungen wie beschrieben ist nicht auf Oszillatorschaltungen beschränkt. Als weiteres Beispiel zeigt die 19 einen Frequenzmultiplizierer 190, bei welchem eine Frequenz eines differenziellen Signals Vinp, Vinn, vervielfacht wird. Auch hier werden der Sendespule 123 der Kopplungsvorrichtung 120 ein Grundsignal bei der Frequenz f0 als differenzielles Signal und eine Harmonische bei der Frequenz 2f0 (frequenzmultipliziertes Signal) als Gleichtaktsignal zugeführt, welche dann von den Empfangsspulen 121, 122 wie beschrieben separat empfangen werden können.

Somit können Kopplungsvorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen generell eingesetzt werden, um Signale verschiedener Frequenzen getrennt auszukoppeln.

In 20 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Während die 20 als Folge von Vorgängen dargestellt ist, ist die dargestellte Reihenfolge nicht als einschränkend auszulegen. Insbesondere können manche der Vorgänge auch gleichzeitig in verschiedenen Teilen einer Schaltung erfolgen.

Das Verfahren der 20 kann mittels der unter Bezugnahme auf die 119 diskutierten Vorrichtungen durchgeführt werden, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Modifikationen und Abwandlungen, welche unter Bezugnahme auf die 119 diskutiert wurden, sind auch auf das Verfahren der 20 anwendbar.

Bei 200 in 20 wird ein erstes Signal und ein zweites Signal mittels einer Sendespule gesendet, insbesondere aus einem auskoppelnden Schaltungsteil ausgekoppelt. Das erste und das zweite Signal weisen dabei unterschiedliche Frequenzen auf. Beispielsweise kann das zweite Signal eine höhere Harmonische des ersten Signals sein oder umgekehrt. Das erste Signal kann der Sendespule dabei als differenzielles Signal und das zweite Signal als Gleichtaktsignal zugeführt werden.

Bei 201 wird das erste Signal an einer differenziellen Empfangsspule empfangen, und bei 202 wird das zweite Signal an einer einpoligen Empfangsspule (d.h. einer Empfangsspule, deren Enden miteinander verbunden sind) empfangen, wobei das jeweils andere Signal unterdrückt wird. Auf diese Weise können zwei verschiedene Signale effizient gekoppelt werden.

Wie bereits betont dienen die obigen Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen.