Brevet FR2873516A1 — publié le 20060127

Oscillateur contrôlé en tension à capacité linéaire Domaine technique de l'invention L'invention concerne un oscillateur contrôlé en tension comportant un amplificateur et un réseau oscillant comportant une inductance et au moins des premier et second condensateurs variables ayant chacun une capacité variant en fonction de la tension qui lui est appliquée. État de la technique Un oscillateur contrôlé en tension ( Voltage Controlled Oscillator: VCO ) fournit des signaux oscillants dont la fréquence varie en fonction d'une tension de contrôle Uc. Le gain de l'oscillateur contrôlé en tension est défini par le rapport K = F/Uc entre la fréquence F de ses signaux de sortie et la tension de contrôle Uc appliquée sur son entrée. Le gain varie généralement en fonction de la tension de contrôle Uc appliquée. Les oscillateurs contrôlés en tension sont souvent utilisés dans des boucles à verrouillage de phase, comme représenté à la figure 1. Une telle boucle comporte classiquement un oscillateur 1 contrôlé en tension, dont l'entrée est connectée, par l'intermédiaire d'un filtre 2, à la sortie d'un comparateur de phase 3 et dont la sortie, qui constitue la sortie de la boucle, est connectée à une première entrée du comparateur de phase 3, éventuellement par l'intermédiaire d'un diviseur de fréquence 4. Des signaux d'horloge, ayant une fréquence de référence Fref prédéterminée et par exemple fournis par un oscillateur à quartz, sont appliqués sur une seconde entrée du comparateur de phase 3. La tension de contrôle Uc de l'oscillateur est ainsi fonction de la différence entre la fréquence Fs des signaux de sortie de l'oscillateur 1, éventuellement affectée d'un coefficient de division, et de la fréquence de référence Fref. Quand la boucle est verrouillée, la fréquence Fs de sortie est ainsi égale à la fréquence de référence Fref ou à un multiple de celle-ci. Une telle boucle à verrouillage de phase est utilisée dans de nombreux circuits nécessitant une synthèse de fréquence, en particulier dans le domaine des o radio-fréquences, pour la réception de signaux modulés. Plusieurs standards de transmission, par exemple des standards de type GSM, GPS ou DCS, des standards utilisant la technologie Bluetooth ou un réseau local sans fil (WLAN), sont souvent utilisés dans un même récepteur, notamment dans les téléphones portables. II est alors souhaitable de pouvoir passer rapidement d'un standard à 1s une autre, par exemple d'un standard de type GSM à un standard de type Bluetooth. Le passage d'un standard à l'autre, c'est-à-dire d'une bande de fréquence à l'autre, peut provoquer le décrochage de la boucle à verrouillage de phase, c'est-à-dire l'oscillateur contrôlé en tension ne fournit plus aucun signal. Afin d'éviter le décrochage de la boucle, on cherche à construire des oscillateurs 1 dont les variations de la fréquence F avec la tension de contrôle Uc sont linéaires et monotones, c'est-à-dire dont le gain K = F/Uc est une constante. Un oscillateur contrôlé en tension comporte typiquement un amplificateur et un réseau oscillant de type LC. Le réseau oscillant est très important, car de sa conception dépendent les performances du circuit, par exemple le bruit de phase, le coefficient de qualité, la fréquence d'oscillation, etc... De manière générale, la fréquence F de sortie de l'oscillateur contrôlé en tension est fonction de la valeur d'une l'inductance L du réseau oscillant et de la capacité totale Ct du réseau oscillant: F = 1/(27C-jL x Ct(Uc) ). Dans la plupart des cas, la capacité totale Ct et la fréquence d'oscillation F varient de manière non-linéaire avec la tension de contrôle. Actuellement, deux techniques principales sont utilisées pour la conception d'oscillateurs contrôlés en tension ayant une caractéristique capacité/tension linéaire. Une première technique consiste à utiliser un condensateur variable dans une gamme restreinte de la tension de contrôle Uc, dans laquelle la capacité varie linéairement. Cependant, ceci nécessite de réduire la plage de variation de la tension de contrôle. Cette technique permet d'obtenir une caractéristique capacité/tension linéaire mais le gain de l'oscillateur est, dans ce cas, très grand et, ainsi, le bruit de phase est important. De plus, la plage de tension étant réduite, l'asservissement d'une boucle à verrouillage de phase est plus difficile à réaliser et une stabilité de la boucle est difficile à atteindre. Une deuxième technique consiste à polariser différemment des condensateurs variables connectés en parallèle. Cette technique permet d'obtenir une caractéristique capacité/tension linéaire. Cependant, cette technique est difficile à réaliser. Le brevet US6396356, par exemple, décrit un oscillateur 1 contrôlé en tension comportant plusieurs condensateurs variables dont les parties linéaires des caractéristiques capacité/tension sont utilisées successivement. Comme illustré à la figure 2, cet oscillateur 1 comporte un amplificateur 5 et un réseau oscillant 6, de type LC, comportant une inductance L dont une première borne est connectée à la sortie de l'amplificateur 5 et une seconde borne est connectée à la masse. La première borne de l'inductance L est également connectée à une borne 7 de rétroaction reliée à une première entrée 8 de l'amplificateur 5. Une seconde entrée 9 de l'amplificateur est connectée à la masse. La borne 7 de rétroaction est reliée à la masse par l'intermédiaire d'un premier condensateur variable Cv1 et d'un premier condensateur à capacité fixe Cl connectés en série et par l'intermédiaire d'un second condensateur variable Cv2 et d'un second condensateur à capacité fixe C2 connectés en série. Cependant, lors d'une commutation d'un condensateur variable à l'autre, la tension de contrôle varie de manière discontinue, ce qui peut provoquer le décrochage d'une boucle à verrouillage de phase comportant cet oscillateur. Par ailleurs, cet oscillateur présente un écart entre les valeurs minimale et maximale de la capacité totale important et, ainsi, un bruit de phase important. Objet de l'invention L'invention a pour but de surmonter ces inconvénients et, plus particulièrement, de réaliser un oscillateur contrôlé en tension ayant une caractéristique capacité/tension linéaire et monotone, permettant d'obtenir un gain continue et monotone et dont le bruit de phase est réduit. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que les premier et second condensateurs variables sont connectés en série, la capacité de l'un des condensateurs variables variant dans le même sens que la tension qui lui est appliquée et la capacité de l'autre condensateur variable variant en sens inverse par rapport à la tension qui lui est appliquée. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, au moins un condensateur ayant une capacité fixe est connecté en série ou en parallèle avec les premier et second condensateurs variables. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les premier et second condensateurs variables sont constitués par des transistors, respectivement de type PMOS et NMOS. Selon un développement de l'invention, au moins une série supplémentaire de 10 premier et second condensateurs variables supplémentaires est connectée en parallèle avec les premier et second condensateurs variables. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, au moins un condensateur supplémentaire ayant une capacité fixe est connecté en série ou en parallèle avec les premier et second condensateurs variables supplémentaires. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 illustre schématiquement une boucle à verrouillage de phase de type classique. La figure 2 illustre un oscillateur contrôlé en tension selon l'art antérieur. Les figures 3 et 4 représentent deux modes particuliers de réalisation d'un oscillateur selon l'invention. La figure 5 illustre les variations de la capacité totale d'un oscillateur selon la figure 3 en fonction de sa tension de contrôle Uc ainsi que les variations de la capacité de chacun des condensateurs variables en fonction de la tension U qui lui est appliquée. Les figures 6 et 7 représentent deux modes particuliers de réalisation d'un oscillateur selon l'invention. Description de modes particuliers de réalisation L'oscillateur 1 contrôlé en tension représenté à la figure 3 est un oscillateur à sortie unique qui comporte un amplificateur 5 et un réseau oscillant 6 connectés selon la figure 2. Le réseau oscillant 6 comporte un premier condensateur variable Cv+ et un second condensateur variable Cvconnectés en série. Dans le mode de réalisation particulier représenté, l'inductance L est connectée en parallèle avec les premier (Cv+) et second (Cv-) condensateurs variables. La capacité du premier condensateur variable Cv+ varie dans le même sens que la tension qui lui est appliquée, tandis que la capacité du second condensateur variable Cv- varie en sens inverse par rapport à la tension qui lui est appliquée, c'est-à-dire la capacité diminue lorsque la tension aux bornes du second condensateur variable Cv- augmente. L'oscillateur 1 contrôlé en tension représenté à la figure 4 est un oscillateur à sortie différentielle et comporte, comme précédemment, un premier condensateur variable Cv+ et un second condensateur variable Cvconnectés en série avec l'inductance L et l'amplificateur 5 recevant, à son entrée 8, un signal ayant une fréquence F2, Les condensateurs variables Cv+ et Cv- peuvent être constitués par tout moyen approprié et, plus particulièrement, par des varactors, de type diode ou de type transistor, ou par des capacités à base de MEMs. Les premier (Cv+) et second (Cv-) condensateurs variables sont, de préférence, constitués par des transistors, respectivement de type PMOS et NMOS. La figure 5 illustre un exemple des variations non-linéaires de la capacité de chacun des condensateurs variables Cv+ et Cv-, constitués respectivement par o des transistors PMOS et NMOS, en fonction d'une tension U (abscisse en haut de la figure 5), respectivement appliquée indépendamment à chaque condensateur variable. Tandis que la capacité C(PMOS) du condensateur PMOS augmente lorsque la tension U appliquée à ses bornes augmente, la capacité C(NMOS) du condensateur PMOS diminue lorsque la tension U appliquée à ses bornes augmente. La figure 5 illustre également, en fonction de la tension de contrôle Uc (abscisse en bas de la figure 5), les variations de la capacité totale Ct, c'est-à-dire la caractéristique capacité/tension, du réseau oscillant 6 représenté à la figure 3. La mise en série des premier (Cv+) et second (Cv-) condensateurs variables permet d'obtenir des variations sensiblement linéaires de la capacité totale Ct du réseau oscillant 6, en fonction de la tension de contrôle Uc. De plus, la pente de la courbe représentant la capacité totale Ct est inférieure, en valeur absolue, aux pentes moyennes Mp et Mn des courbes représentant respectivement les capacités C(PMOS) et C(NMOS) des condensateurs PMOS et NMOS. Ainsi, l'écart entre les valeurs minimale Ctmin et maximale Ctmax de la capacité totale Ct est plus faible que l'écart des valeurs extrêmes de chacune des capacités C(PMOS) et C(NMOS), ce qui permet d'obtenir un gain K plus faible et, ainsi, le bruit de phase est réduit. La série des condensateurs variables Cv+ et Cv- présente alors une caractéristique capacité/tension commune linéaire et monotone sans discontinuité. De plus, cette série ne nécessite pas de changer les polarisations des condensateurs ou de commuter d'un condensateur à l'autre. La caractéristique capacité/tension commune a une pente constante sur une plage de la tension de contrôle Uc, par exemple comprise entre OV et 1,2V, qui est supérieure à la plage de la tension de contrôle de l'art antérieur. Dans le mode de réalisation particulier représenté à la figure 6, un condensateur Cl ayant une capacité fixe est connecté en série avec les premier et second condensateurs variables Cv+ et Cv-, notamment entre la borne 7, d'une part, et l'ensemble formé par les condensateurs variables Cv+ et Cv-, d'autre part. Sur la figure 6, une première borne 10 de l'inductance L est connectée à la masse et une seconde borne 11 de l'inductance est connectée à la sortie de l'amplificateur 5. Le condensateur Cl ayant une capacité fixe peut aussi être placé en parallèle avec les condensateurs variables selon que l'on veut diminuer ou augmenter la capacité globale. Dans le mode de réalisation particulier représenté à la figure 7, une série supplémentaire 12 est connectée entre la masse et la borne 7, en parallèle avec la série constituée par les premier (Cv+) et second (Cv-) condensateurs variables. La série supplémentaire 12 comporte au moins un premier condensateur variable supplémentaire Csv+ et un second condensateur variable supplémentaire Csv-, et éventuellement un condensateur supplémentaire Csl à capacité fixe. La capacité du premier condensateur variable supplémentaire Csv+ varie dans le même sens que la tension qui lui est appliquée et la capacité du second condensateur variable supplémentaire Csvvarie en sens inverse par rapport à la tension qui lui est appliquée. Comme précédemment, le condensateur supplémentaire Csl à capacité fixe peut aussi être connecté en parallèle. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers représentés. En particulier, un ou plusieurs condensateurs à capacité fixe (Cl, C2, Csl, etc...) peuvent être connectés entre le premier condensateur variable Cv+, d'une part, et le second condensateur variable Cv-, d'autre part, ou alors entre la masse, d'une part, et l'ensemble des condensateurs variables Cv+ et Cv-, d'autre part. Par ailleurs, une alternance de premiers (Cv+) et seconds (Cv-) condensateurs peut être connectée en série, par exemple entre la masse et la borne 7, éventuellement en combinaison avec des condensateurs à capacité fixe. Dans un mode de réalisation non-représenté, plusieurs séries supplémentaires 12 sont connectées entre la borne 7 et la masse, chaque série comportant au moins des premier (Csv+) et second (Csv-) condensateurs variables supplémentaires et, éventuellement, des capacités fixes ou variables supplémentaires. Revendications 1. Oscillateur (1) contrôlé en tension comportant un amplificateur (5) et un réseau oscillant (6) comportant une inductance (L) et au moins des premier et second condensateurs variables (Cv) ayant chacun une capacité variant en fonction de la tension qui lui est appliquée, oscillateur caractérisé en ce que les premier et second condensateurs variables sont connectés en série, la capacité de l'un des condensateurs variables (Cv+) variant dans le même sens que la tension qui lui est appliquée et la capacité de l'autre condensateur variable (Cv-) variant en sens inverse par rapport à la tension qui lui est appliquée. 2. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second condensateurs variables (Cv+, Cv-) sont constitués par des transistors, respectivement de type PMOS et NMOS. 3. Oscillateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins un condensateur (Cl) ayant une capacité fixe est connecté en série ou en parallèle avec les premier et second condensateurs variables (Cv+, Cv-). 4. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins une série supplémentaire (12) de premier et second condensateurs variables supplémentaires (Csv+, Csv-) est connectée en parallèle avec les premier et second condensateurs variables (Cv+, Cv-) . 5. Oscillateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins un condensateur supplémentaire (Csl) ayant une capacité fixe est connecté en série ou en parallèle avec les premier et second condensateurs variables supplémentaires (Csv+, Csv-).