JP2004056720A

JP2004056720A - Voltage controlled oscillator, high frequency receiver using the same, and high frequency transmitter

Info

Publication number: JP2004056720A
Application number: JP2002215092A
Authority: JP
Inventors: Yoshitsugu Sakurai; 櫻井　祥嗣
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a voltage controlled oscillator in which the movable range of an oscillation frequency is wide, circuit scale is reduced and phase noise characteristics are excellent. <P>SOLUTION: In the voltage controlled oscillator, a reference voltage to be applied to one terminal of each of variable capacitors Cv1 and Cv2 and a reference voltage to be applied to one terminal of each of variable capacitors Cv21 and Cv22 are made different. A control voltage V<SB>CTL</SB>is applied to the other terminal of each of the variable capacitors Cv1, Cv2, Cv21 and Cv22. One terminal of the variable capacitor Cv1 and one terminal of the variable capacitor Cv21 are connected via a fixed capacitor C21. One terminal of the variable capacitor Cv2 and one terminal of the variable capacitor Cv22 are connected via a fixed capacitor C22. The oscillation frequency is controlled in accordance with the control voltage V<SB>CTL</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御電圧に応じて発振周波数が可変する電圧制御発振器並びにそれを用いた高周波受信器及び高周波送信器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電圧制御発振器の一構成例を図６に示す。図６の電圧制御発振器は共振部部１と能動部２を有する。
【０００３】
共振部１は、インダクタＬ１及びＬ２の直列回路と可変容量素子Ｃｖ１及びＣｖ２の直列回路とが並列接続された回路である。また、インダクタＬ１と可変容量素子Ｃｖ１との接続ノードに出力端子Ｔ１が接続され、インダクタＬ２と可変容量素子Ｃｖ２との接続ノードに出力端子Ｔ２が接続される。さらに、可変容量素子Ｃｖ１とＣｖ２との接続ノードに制御電圧端子Ｔ３が接続される。なお、可変容量素子とは、両端端子間の電位差に応じて両端端子間の容量が変化する素子である。
【０００４】
インダクタＬ１とインダクタＬ２との接続ノードに定電圧Ｖ_ＣＣが印加され、制御電圧端子Ｔ３に制御電圧Ｖ_ＣＴＬが印加される。したがって、可変容量素子Ｃｖ１及びＣｖ２の容量は制御電圧端子Ｔ３に印加される制御電圧Ｖ_ＣＴＬによって制御される。
【０００５】
能動部２は、ＮＰＮ型トランジスタＱ１及びＱ２と、バイアス抵抗Ｒ１及びＲ２と、信号レベル調整用の固定容量素子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１１、及びＣ１２と、直流電流源３とを備える。
【０００６】
トランジスタＱ１のコレクタが出力端子Ｔ１に接続され、トランジスタＱ２のコレクタが出力端子Ｔ２に接続される。
【０００７】
そして、トランジスタＱ１のベースとトランジスタＱ２のコレクタとが固定容量素子Ｃ１を介して接続され、トランジスタＱ２のベースとトランジスタＱ１のコレクタとが固定容量素子Ｃ２を介して接続される。
【０００８】
また、トランジスタＱ１のベースが、バイアス抵抗Ｒ１の一端及び固定容量素子Ｃ１１の一端に接続される。バイアス抵抗Ｒ１の他端にバイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓが印加され、固定容量素子Ｃ１１の他端は接地される。また、トランジスタＱ２のベースが、バイアス抵抗Ｒ２の一端及び固定容量素子Ｃ１２の一端に接続される。バイアス抵抗Ｒ２の他端にバイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓが印加され、固定容量素子Ｃ１２の他端は接地される。
【０００９】
さらに、トランジスタＱ１のエミッタとトランジスタＱ２のエミッタとが共通に接続され、直流電流源３を介して接地される。
【００１０】
このような構成である図６の電圧制御発振器の動作について説明する。共振部１が共振周波数の信号を出力端子に出力する。能動部２の負性抵抗及び出力端子Ｔ１、Ｔ２間に接続される負荷抵抗とが相殺することによって、出力端子Ｔ１、Ｔ２間に出力される出力電圧Ｖ_Ｏが定常振動になる。そして、制御電圧Ｖ_ＣＴＬに応じた任意の発振周波数の出力電圧Ｖ_Ｏを得ることが可能となる。
【００１１】
可変容量素子は両端端子間の電位差が大きすぎても小さすぎても容量値が飽和してしまうので、図６の電圧制御発振器において制御電圧Ｖ_ＣＴＬを変化させると、可変容量素子Ｃｖ１及びＣｖ２の容量値はいずれも図７（ａ）に示すようにある特定の制御電圧範囲でのみ線形的に変化する。従って、図６の電圧制御発振器が出力する発振周波数は、制御電圧Ｖ_ＣＴＬの変化に応じて図７（ｂ）に示すようにある特定の制御電圧範囲でのみ線形的に変化する。
【００１２】
ところで、近年電圧制御発振器から出力される発振周波数の広範化の要求が高まっている。発振周波数の可動範囲が広範な電圧制御発振器を実現するには、容量変化の大きい可変容量素子を用いたり、複数の可変容量素子を並列接続して用いるようにすればよい。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、可変容量素子の容量値が飽和しない制御電圧範囲は同一であるので、発振周波数の可動範囲を広範にすると、制御電圧Ｖ_ＣＴＬの変化に対する発振周波数の変化の割合であるＶＣＯ感度が高くなる。そして、ＶＣＯ感度が高いと制御電圧ラインに入り込む外乱により位相ノイズが増大するので、位相ノイズ特性が劣化するという問題があった。
【００１４】
特開平７−２２８４１号公報で開示されている電圧制御発振器は、制御電圧の分圧を可変容量ダイオードのアノードに印加することによって、可変容量ダイオードの両端電圧を制限する構成としているので、ＶＣＯ感度を下げることが可能である。ただし、この電圧制御発振器は、制御電圧ラインから分割抵抗に常に電流が流れる構成であるため、熱雑音により位相ノイズの劣化が起こり、ＶＣＯ感度を下げることによる位相ノイズの改善効果をうち消してしまっていた。
【００１５】
また、図８（ａ）に示すように制御電圧の全ての変化範囲において容量値が線形的に変化する理想的な可変容量素子を電圧制御発振器に用いれば、発振周波数は図８（ｂ）に示すように変化し、発振周波数の可動範囲を広範にしてもＶＣＯ感度を下げることが可能である。しかしながら、このような理想的な可変容量素子を実際に実現することはできない。
【００１６】
また、発振周波数を広範にする一般的な方法として、電圧制御発振器自体のＶＣＯ感度は低いままで、発振周波数帯域の異なる電圧制御発振器を複数設ける構成や、共振部内の可変容量素子をスイッチにより切り替える構成が挙げられる。しかしながら、これらの構成の電圧制御発振器は、回路構成が複雑になり、そのうえ回路面積も増大するという問題があった。
【００１７】
本発明は、上記の問題点に鑑み、発振周波数の可動範囲が広範であり、回路規模が小さく且つ位相ノイズ特性が良好な電圧制御発振器並びにそれを用いた高周波受信器及び高周波送信器を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る電圧制御発振器においては、共振部と、該共振部の振動が減衰しないように前記共振部に電力を供給する能動部と、を備え、制御電圧に応じて発振周波数を制御する電圧制御発振器であって、前記共振部が、固定容量素子、第１の可変容量素子、及び第２の可変容量素子を有し、前記第１の可変容量素子の一端に第１の基準電圧が印加され、前記第１の可変容量素子の他端に前記制御電圧が印加され、前記第２の可変容量素子の一端に第２の基準電圧が印加され、前記第２の可変容量素子の他端に前記制御電圧が印加され、前記第１の基準電圧が印加される前記第１の可変容量素子の一端と、前記第２の基準電圧が印加される前記第２の可変容量素子の一端とが前記固定容量素子を介して接続される構成とする。
【００１９】
可変容量素子は両端端子間の電位差によって容量値が決まるため、電圧制御発振器を上記構成にすると、第１の可変容量素子と第２の可変容量素子において、制御電圧の変化に対して容量値が線形的に変化する制御電圧の範囲が互いに異なることになる。したがって、第１の可変容量素子、第２の可変容量素子、及び固定容量素子の合成容量が制御電圧の変化に対して線形的に変化する制御電圧の範囲を広範にすることができる。これにより、制御電圧に対する発振周波数の変化が緩やかになり電圧制御発振器のＶＣＯ感度を下げることができるため、発振周波数の可動範囲を広範にしても位相ノイズ特性を良好にすることができる。また、発振周波数帯域の異なる電圧制御発振器を複数設けたり、共振部内の可変容量素子を切り替えるスイッチを設けたりする必要がないので、回路規模を小さくすることができる。
【００２０】
また、前記第１の可変容量素子、前記第２の可変容量素子、及び前記固定容量素子の合成容量値が前記制御電圧の変化に対して略直線的に変化するように、前記第１の可変容量素子の容量値、前記第２の可変容量素子の容量値、及び前記固定容量素子の容量値が設定されるようにしてもよい。
【００２１】
これにより、制御電圧に対して共振部の容量値が略直線的に変化する領域が拡がり、制御電圧に対する発振周波数の変化が緩やかになり、電圧制御発振器のＶＣＯ感度を下げることができる。
【００２２】
そして、前記第１の可変容量素子、前記第２の可変容量素子、及び前記固定容量素子の合成容量値が前記制御電圧の変化に対して略直線的に変化するように、前記第１の基準電圧及び前記第２の基準電圧を設定するとよい。
【００２３】
第１の基準電圧と第２の基準電圧との差が、第１の可変容量素子の容量値が直線的に変化する制御電圧範囲と第２の可変容量素子の容量値が直線的に変化する制御電圧範囲との差であるので、第１の基準電圧と第２の基準電圧との差を最適値に設定することで、前記第１の可変容量素子、前記第２の可変容量素子、及び前記固定容量素子の合成容量値変化の直線性を増加させることができる。
【００２４】
また、前記発振周波数が前記制御電圧の変化に対して略直線的に変化するように、前記第１の可変容量素子の容量値、前記第２の可変容量素子の容量値、及び前記固定容量素子の容量値が設定されるようにしてもよい。
【００２５】
前記第１の可変容量素子、前記第２の可変容量素子、及び前記固定容量素子の合成容量値を前記制御電圧の変化に対して略直線的に変化させる場合と同様に、制御電圧に対する発振周波数の変化が緩やかになり、電圧制御発振器のＶＣＯ感度を下げることができる。その上、前記第１の可変容量素子、前記第２の可変容量素子、及び前記固定容量素子の合成容量値を前記制御電圧の変化に対して略直線的に変化させる場合に比べて発振周波数変化の直線性が向上する。ただし、共振部以外の回路部分の寄生容量等も考慮して容量値を決定する必要があるため容量値を決定するために行う計算が複雑になる。
【００２６】
そして、前記発振周波数が前記制御電圧の変化に対して略直線的に変化するように、前記第１の基準電圧及び前記第２の基準電圧を設定するとよい。
【００２７】
第１の基準電圧と第２の基準電圧との差を最適値に設定することで、発振周波数が制御電圧の変化に対して略直線的に変化するようにできる。
【００２８】
また、全ての回路を単一の半導体チップ上に形成するようにしてもよい。
【００２９】
上述したように本発明に係る電圧制御発振器は回路規模を小さくできるので、全ての回路を単一の半導体チップ上に形成することが容易である。全ての回路を単一の半導体チップ上に形成することによって、外付け部品点数を低減することができ、コストの削減を図ることができる。
【００３０】
また、本発明に係る高周波送信器又は高周波受信器においては、上記いずれかの構成の電圧制御発振器を備えるようにする。
【００３１】
このような構成にすることで、局部発振信号の位相ノイズが低くなる。したがって、優れた送信特性を有する高周波送信器又は優れた受信特性を有する高周波受信器を実現することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係る電圧制御発振器の構成を図１に示す。なお、図１において、図６と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
【００３３】
図１の電圧制御発振器は、共振部部１’と能動部２を有しており、図６の電圧制御発振器に新たに可変容量素子Ｃｖ２１及びＣｖ２２と、固定容量素子Ｃ２１及びＣ２２と、抵抗Ｒ１１及びＲ１２と、第２基準電圧端子Ｔ４とを加えた構成である。
【００３４】
可変容量素子Ｃｖ２１の一端及び可変容量素子Ｃｖ２２の一端がそれぞれ制御電圧端子Ｔ３に接続される。可変容量素子Ｃｖ２１の他端は固定容量素子Ｃ２１を介して出力端子Ｔ１に接続され、可変容量素子Ｃｖ２２の他端は固定容量素子Ｃ２２を介して出力端子Ｔ２に接続される。また、可変容量素子Ｃｖ２１と固定容量素子Ｃ２１との接続ノードに抵抗Ｒ１１の一端が接続され、可変容量素子Ｃｖ２２と固定容量素子Ｃ２２との接続ノードに抵抗Ｒ１２の一端が接続される。抵抗Ｒ１１の他端と抵抗Ｒ１２の他端とが共通接続され、第２基準電圧端子Ｔ４に接続される。
【００３５】
第２基準電圧端子Ｔ４に定電圧である第２基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２が印加される。したがって、可変容量素子Ｃｖ２１及びＣｖ２２の容量は制御電圧端子Ｔ３に印加される制御電圧Ｖ_ＣＴＬによって制御される。
【００３６】
可変容量素子は両端端子間の電位差によって容量値が決まるため、基準電圧が異なり制御電圧が共通である可変容量素子Ｃｖ１及びＣｖ２１は、図２（ａ）に示すように制御電圧Ｖ_ＣＴＬの変化に対して容量値が線形的に変化する制御電圧範囲が互いに異なることになる。なお、図２（ａ）において４は可変容量素子Ｃｖ１の容量値であり、５は可変容量素子Ｃｖ２１の容量値を示している。
【００３７】
ここで、図１の電圧制御発振器から可変容量素子Ｃｖ１及びＣｖ２１と、固定容量素子Ｃ２１とからなる回路を抜き出すと図３に示すようになる。そして、図３の回路の合成容量値が図２（ｂ）に示すように制御電圧Ｖ_ＣＴＬに対して略直線的に変化するように、可変容量素子Ｃｖ１及びＣｖ２１の種類と、定電圧Ｖ_ＣＣの値と、第２基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２の値と、固定容量素子Ｃ２１の容量値とを決定する。具体的には、可変容量素子Ｃｖ１の制御電圧Ｖ_ＣＴＬに対する容量値の変化比と、可変容量素子Ｃｖ２１及び固定容量素子Ｃ２１の合成容量の制御電圧Ｖ_ＣＴＬに対する容量値の変化比とが略同一になるように、可変容量素子Ｃｖ１及びＣｖ２１の種類と、定電圧Ｖ_ＣＣの値と、第２基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２の値と、固定容量素子Ｃ２１の容量値とを決定する。
【００３８】
また、可変容量素子Ｃｖ２を可変容量素子Ｃｖ１と同一のものとし、可変容量素子Ｃｖ２２を可変容量素子Ｃｖ２１と同一のものにする。
【００３９】
これにより、共振部１’の容量値が制御電圧Ｖ_ＣＴＬに対して略直線的に変化するようになる。図２から明らかなように共振部１’の容量値は、可変容量素子単体の容量値に比べて略直線的に変化する領域が拡がるので、図１の電圧制御発振器では、制御電圧Ｖ_ＣＴＬに対する発振周波数の変化が緩やかになり、ＶＣＯ感度を下げることができる。したがって、図１の電圧制御発振器は、発振周波数の可動範囲を広範にしても位相ノイズ特性を良好にすることができる。
【００４０】
また、発振周波数帯域の異なる電圧制御発振器を複数設けたり、共振部内の可変容量素子を切り替えるスイッチを設けたりする必要がないので、回路規模を小さくすることができる。
【００４１】
なお、共振部１’の容量値が制御電圧Ｖ_ＣＴＬに対して略直線的に変化するように可変容量素子Ｃｖ１及びＣｖ２１の種類と、定電圧Ｖ_ＣＣの値と、第２基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２の値と、固定容量素子Ｃ２１の容量値とを決定するのではなく、発振周波数が制御電圧Ｖ_ＣＴＬの変化に対して略直線的に変化するように可変容量素子Ｃｖ１及びＣｖ２１の種類と、定電圧Ｖ_ＣＣの値と、第２基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２の値と、固定容量素子Ｃ２１の容量値とを決定するようにしてもよい。
【００４２】
この場合も制御電圧Ｖ_ＣＴＬに対する発振周波数の変化が緩やかになり、電圧制御発振器のＶＣＯ感度を下げることができる。その上、共振部１’の容量値を前記制御電圧の変化に対して略直線的に変化させる場合に比べて発振周波数変化の直線性が向上する。ただし、共振部１’以外の回路部分の寄生容量等も考慮して可変容量素子Ｃｖ１及びＣｖ２１の種類と、定電圧Ｖ_ＣＣの値と、第２基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２の値と、固定容量素子Ｃ２１の容量値を決定する必要があるためこれらを決定するために行う計算が複雑になる。
【００４３】
次に、本発明に係る電圧制御発振器の他の構成を図４に示す。なお、図４において図１と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
【００４４】
図４の電圧制御発振器は、共振部部１’’と能動部２を有しており、図１の電圧制御発振器に新たに可変容量素子Ｃｖ３１及びＣｖ３２と、固定容量素子Ｃ３１及びＣ３２と、抵抗Ｒ２１及びＲ２２と、第３基準電圧端子Ｔ５とを加えた構成である。
【００４５】
可変容量素子Ｃｖ３１の一端及び可変容量素子Ｃｖ３２の一端がそれぞれ制御電圧端子Ｔ３に接続される。可変容量素子Ｃｖ３１の他端は固定容量素子Ｃ３１を介して出力端子Ｔ１に接続され、可変容量素子Ｃｖ３２の他端は固定容量素子Ｃ３２を介して出力端子Ｔ２に接続される。また、可変容量素子Ｃｖ３１と固定容量素子Ｃ３１との接続ノードに抵抗Ｒ２１の一端が接続され、可変容量素子Ｃｖ３２と固定容量素子Ｃ３２との接続ノードに抵抗Ｒ２２の一端が接続される。抵抗Ｒ２１の他端と抵抗Ｒ２２の他端とが共通接続され、第３基準電圧端子Ｔ５に接続される。
【００４６】
第３基準電圧端子Ｔ５に定電圧である第３基準電圧Ｖ_ｒｅｆ３が印加される。したがって、可変容量素子Ｃｖ３１及びＣｖ３２の容量は制御電圧端子Ｔ３に印加される制御電圧Ｖ_ＣＴＬによって制御される。
【００４７】
可変容量素子Ｃｖ３１及びＣｖ３２と、固定容量素子Ｃ３１及びＣ３２と、抵抗Ｒ２１及びＲ２２と、第３基準電圧端子Ｔ５とを追加することによって、制御電圧Ｖ_ＣＴＬに対して共振部の容量値が略直線的に変化する領域を図１の電圧制御発振器に比べてさらに拡げることができ、制御電圧Ｖ_ＣＴＬに対する発振周波数の変化が図１の電圧制御発振器に比べてさらに緩やかになり、ＶＣＯ感度を図１の電圧制御発振器に比べてさらに下げることができる。
【００４８】
なお、図１及び図４の電圧制御発振器は回路規模が小さいため、全ての回路を単一の半導体チップに形成し、電圧制御発振器の低コスト化を図ることができる。この場合、インダクタＬ１及びＬ２はスパイラルインダクタにするとよい。
【００４９】
次に、本発明に係る高周波送受信器について説明する。本発明に係る高周波送受信器の回路ブロック図を図５に示す。なお、電圧制御発振器２１は上述した図４の電圧制御発振器であり、アンテナ１０以外の回路は１チップの半導体集積回路装置に格納されている。
【００５０】
まず受信側について説明する。アンテナ１０によって受信されたＲＦ信号がスイッチ１１を介してローノイズアンプ１２に入力され、ローノイズアンプ１２で増幅されたのち、ミキサ１３で局部発振信号とミキシングされ、ＩＦ信号にダウンコンバートされる。このＩＦ信号は、バンドパスフィルタ１４によって不要な周波数成分が除去されたのち復調部１５に送られ、受信信号に復調される。
【００５１】
続いて送信側について説明する。送信信号が変調器１６によって変調され、バンドパスフィルタ１７によって不要な周波数成分が除去されたのち、ミキサ１８で局部発振信号とミキシングされ、ＲＦ信号にアップコンバートされる。このＲＦ信号は、パワーアンプ１９で電力増幅されたのち、スイッチ１１を介してアンテナ１０から出力される。
【００５２】
局部発振信号は位相同期発振器２０から出力される。位相同期発振器２０は、分周器（図示せず）、水晶発振器（図示せず）、位相比較器（図示せず）、及び電圧制御発振器２１を備えている。分周器は電圧制御発振器２１の出力を水晶発振器の周波数まで分周する。位相比較器は、この分周した信号と水晶発振器からの信号とを位相比較して得られた誤差信号を電圧制御発振器２１に負帰還して局部発振信号の周波数を安定させる。
【００５３】
電圧制御発振器２１を、位相ノイズ特性が良好である図４の電圧制御発振器にしているので、位相同期発振器２０から出力される局部発振信号の位相ノイズが低くなる。したがって、図５の高周波送受信器は従来の高周波送受信器と比較して送受信特性が向上する。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によると、発振周波数の可動範囲が広範であり、回路規模が小さく且つ位相ノイズ特性が良好な電圧制御発振器並びにそれを用いた高周波受信器及び高周波送信器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電圧制御発振器の構成を示す図である。
【図２】図１の電圧制御発振器に設けられる可変容量素子の容量値特性及び共振部の容量値特性を示す図である。
【図３】図１の電圧制御発振器に設けられる可変容量素子と固定容量素子とからなる回路の構成を示す図である。
【図４】本発明に係る電圧制御発振器の他の構成を示す図である。
【図５】本発明に係る高周波送受信器の構成を示す図である。
【図６】従来の電圧制御発振器の構成を示す図である。
【図７】実際の可変容量素子の容量値特性及び実際の可変容量素子を用いた場合の電圧制御発振器の発振周波数特性を示す図である。
【図８】理想的な可変容量素子の容量値特性及び理想的な可変容量素子を用いた場合の電圧制御発振器の発振周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
１’、１’’　　共振部
２　　能動部
Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２　　固定容量素子
Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｖ２１、Ｃｖ２２、Ｃｖ３１、Ｃｖ３２　　可変容量素子
Ｖ_ＣＣ　定電圧
Ｖ_ＣＴＬ　　制御電圧
Ｖ_ｒｅｆ２　　第２基準電圧
Ｖ_ｒｅｆ３　　第３基準電圧
２１　　電圧制御発振器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a voltage-controlled oscillator whose oscillation frequency varies according to a control voltage, and a high-frequency receiver and a high-frequency transmitter using the same.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 shows a configuration example of a conventional voltage controlled oscillator. The voltage controlled oscillator of FIG. 6 has a resonance section 1 and an active section 2.
[0003]
The resonance unit 1 is a circuit in which a series circuit of inductors L1 and L2 and a series circuit of variable capacitance elements Cv1 and Cv2 are connected in parallel. The output terminal T1 is connected to a connection node between the inductor L1 and the variable capacitance element Cv1, and the output terminal T2 is connected to a connection node between the inductor L2 and the variable capacitance element Cv2. Further, a control voltage terminal T3 is connected to a connection node between the variable capacitance elements Cv1 and Cv2. Note that a variable capacitance element is an element whose capacitance between both terminals changes according to a potential difference between both terminals.
[0004]
The constant voltage V _CC is applied to the connection node between the inductor L1 and the inductor L2, and the control voltage V _CTL is applied to the control voltage terminal T3. Therefore, the capacitance of the variable capacitance element Cv1 and Cv2 are controlled by a control voltage _{V CTL} applied to the control voltage terminal T3.
[0005]
The active unit 2 includes NPN transistors Q1 and Q2, bias resistors R1 and R2, fixed capacitance elements C1, C2, C11 and C12 for adjusting signal levels, and a DC current source 3.
[0006]
The collector of the transistor Q1 is connected to the output terminal T1, and the collector of the transistor Q2 is connected to the output terminal T2.
[0007]
Then, the base of transistor Q1 and the collector of transistor Q2 are connected via fixed capacitance element C1, and the base of transistor Q2 and the collector of transistor Q1 are connected via fixed capacitance element C2.
[0008]
Further, the base of the transistor Q1 is connected to one end of the bias resistor R1 and one end of the fixed capacitance element C11. A bias voltage V _bias is applied to the other end of the bias resistor R1, and the other end of the fixed capacitance element C11 is grounded. Further, the base of the transistor Q2 is connected to one end of the bias resistor R2 and one end of the fixed capacitance element C12. A bias voltage V _bias is applied to the other end of the bias resistor R2, and the other end of the fixed capacitance element C12 is grounded.
[0009]
Further, the emitter of the transistor Q1 and the emitter of the transistor Q2 are commonly connected, and are grounded via the DC current source 3.
[0010]
The operation of the voltage controlled oscillator of FIG. 6 having such a configuration will be described. The resonance unit 1 outputs a signal of a resonance frequency to an output terminal. By the load resistance is canceled out is connected between the negative resistance and the output terminals T1, T2 of the active portion 2, the output voltage V _O to be output between the output terminals T1, T2 is a steady vibration. Then, it is possible to obtain an output voltage V _O of any oscillation frequency corresponding to the control voltage V _CTL.
[0011]
Since the variable capacitance element the capacitance value too large or too small potential difference across terminals is saturated, varying the control voltage V _CTL in the voltage controlled oscillator of FIG. 6, the variable capacitance element Cv1 and Cv2 Each of the capacitance values changes linearly only in a specific control voltage range as shown in FIG. Accordingly, the oscillation frequency outputted by the voltage controlled oscillator of FIG. 6 varies linearly only in certain control voltage range which is as shown in FIG. 7 (b) in accordance with a change of the control voltage V _CTL.
[0012]
In recent years, there has been an increasing demand for a wider oscillation frequency output from a voltage controlled oscillator. In order to realize a voltage controlled oscillator having a wide oscillation frequency movable range, a variable capacitance element having a large capacitance change may be used, or a plurality of variable capacitance elements may be connected in parallel.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the control voltage range in which the capacitance value of the variable capacitance element does not saturate is the same, if the movable range of the oscillation frequency is widened, the VCO sensitivity, which is the ratio of the change in the oscillation frequency to the change in the control voltage _VCTL , increases. . Then, when the VCO sensitivity is high, the phase noise increases due to disturbance entering the control voltage line, so that there is a problem that the phase noise characteristic is deteriorated.
[0014]
The voltage-controlled oscillator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-22841 is configured to limit the voltage across the variable capacitance diode by applying a divided voltage of the control voltage to the anode of the variable capacitance diode. It is possible to lower. However, since the voltage controlled oscillator has a configuration in which a current always flows from the control voltage line to the divided resistor, phase noise is deteriorated by thermal noise, and the effect of improving the phase noise by lowering the VCO sensitivity is eliminated. I was
[0015]
Further, as shown in FIG. 8A, if an ideal variable capacitance element whose capacitance value changes linearly in the entire change range of the control voltage is used for the voltage controlled oscillator, the oscillation frequency becomes as shown in FIG. As shown, the VCO sensitivity can be lowered even if the oscillation frequency movable range is widened. However, such an ideal variable capacitance element cannot be actually realized.
[0016]
As a general method for widening the oscillation frequency, a configuration in which a plurality of voltage-controlled oscillators having different oscillation frequency bands are provided while the VCO sensitivity of the voltage-controlled oscillator itself is kept low, or a variable capacitance element in the resonance unit is switched by a switch Configuration. However, the voltage controlled oscillators having these configurations have a problem that the circuit configuration is complicated and the circuit area is increased.
[0017]
In view of the above problems, the present invention provides a voltage-controlled oscillator having a wide oscillation frequency movable range, a small circuit scale, and good phase noise characteristics, and a high-frequency receiver and a high-frequency transmitter using the same. The purpose is to:
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a voltage controlled oscillator according to the present invention includes a resonance unit, and an active unit that supplies power to the resonance unit so that vibration of the resonance unit is not attenuated. A voltage-controlled oscillator that controls an oscillation frequency in response to the resonance unit, wherein the resonance unit includes a fixed capacitance element, a first variable capacitance element, and a second variable capacitance element, and one end of the first variable capacitance element A first reference voltage is applied to the first variable capacitance element, the control voltage is applied to the other end of the first variable capacitance element, a second reference voltage is applied to one end of the second variable capacitance element, and the second reference voltage is applied to the second variable capacitance element. The control voltage is applied to the other end of the variable capacitance element, and one end of the first variable capacitance element to which the first reference voltage is applied, and the second voltage to which the second reference voltage is applied. One end of the variable capacitance element is connected via the fixed capacitance element And it formed.
[0019]
Since the capacitance value of the variable capacitance element is determined by the potential difference between both terminals, when the voltage-controlled oscillator is configured as described above, the capacitance value of the first variable capacitance element and the second variable capacitance element with respect to a change in the control voltage is increased. The range of the control voltage that changes linearly will be different from each other. Therefore, it is possible to widen the range of the control voltage in which the combined capacitance of the first variable capacitance element, the second variable capacitance element, and the fixed capacitance element changes linearly with the change of the control voltage. As a result, the change of the oscillation frequency with respect to the control voltage becomes gentle, and the VCO sensitivity of the voltage controlled oscillator can be reduced. Therefore, even if the movable range of the oscillation frequency is wide, the phase noise characteristics can be improved. Further, since it is not necessary to provide a plurality of voltage controlled oscillators having different oscillation frequency bands or to provide a switch for switching the variable capacitance element in the resonance unit, the circuit scale can be reduced.
[0020]
Further, the first variable capacitance element such that a combined capacitance value of the first variable capacitance element, the second variable capacitance element, and the fixed capacitance element changes substantially linearly with a change in the control voltage. The capacitance value of the capacitance element, the capacitance value of the second variable capacitance element, and the capacitance value of the fixed capacitance element may be set.
[0021]
As a result, the region where the capacitance value of the resonance unit changes substantially linearly with respect to the control voltage is expanded, the change in the oscillation frequency with respect to the control voltage becomes gentle, and the VCO sensitivity of the voltage controlled oscillator can be reduced.
[0022]
The first reference value is set such that a combined capacitance value of the first variable capacitance element, the second variable capacitance element, and the fixed capacitance element changes substantially linearly with a change in the control voltage. Preferably, a voltage and the second reference voltage are set.
[0023]
The difference between the first reference voltage and the second reference voltage is a control voltage range in which the capacitance value of the first variable capacitance element changes linearly, and the capacitance value of the second variable capacitance element changes linearly. Since the difference between the first reference voltage and the second reference voltage is set to an optimum value, the first variable capacitance element, the second variable capacitance element, The linearity of the change of the combined capacitance value of the fixed capacitance element can be increased.
[0024]
In addition, the capacitance value of the first variable capacitance element, the capacitance value of the second variable capacitance element, and the fixed capacitance element may be such that the oscillation frequency changes substantially linearly with the change of the control voltage. May be set.
[0025]
As in the case where the combined capacitance value of the first variable capacitance element, the second variable capacitance element, and the fixed capacitance element is changed substantially linearly with respect to the change of the control voltage, the oscillation frequency with respect to the control voltage is changed. Changes slowly, and the VCO sensitivity of the voltage controlled oscillator can be reduced. In addition, compared to the case where the combined capacitance value of the first variable capacitance element, the second variable capacitance element, and the fixed capacitance element is changed substantially linearly with respect to the change of the control voltage, the oscillation frequency changes. Is improved. However, it is necessary to determine the capacitance value in consideration of the parasitic capacitance and the like of the circuit portion other than the resonance part, and thus the calculation performed to determine the capacitance value becomes complicated.
[0026]
The first reference voltage and the second reference voltage may be set so that the oscillation frequency changes substantially linearly with the change in the control voltage.
[0027]
By setting the difference between the first reference voltage and the second reference voltage to an optimum value, the oscillation frequency can be changed substantially linearly with a change in the control voltage.
[0028]
Further, all circuits may be formed on a single semiconductor chip.
[0029]
As described above, the voltage-controlled oscillator according to the present invention can reduce the circuit scale, so that it is easy to form all circuits on a single semiconductor chip. By forming all circuits on a single semiconductor chip, the number of external components can be reduced, and cost can be reduced.
[0030]
Further, the high-frequency transmitter or high-frequency receiver according to the present invention includes the voltage-controlled oscillator having any one of the above-described configurations.
[0031]
With such a configuration, the phase noise of the local oscillation signal is reduced. Therefore, a high-frequency transmitter having excellent transmission characteristics or a high-frequency receiver having excellent reception characteristics can be realized.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of a voltage controlled oscillator according to the present invention. In FIG. 1, the same portions as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0033]
The voltage controlled oscillator of FIG. 1 includes a resonance section 1 ′ and an active section 2. The voltage controlled oscillator of FIG. 6 is newly provided with variable capacitance elements Cv21 and Cv22, fixed capacitance elements C21 and C22, and a resistor R11. , R12 and a second reference voltage terminal T4.
[0034]
One end of the variable capacitance element Cv21 and one end of the variable capacitance element Cv22 are respectively connected to the control voltage terminal T3. The other end of the variable capacitance element Cv21 is connected to the output terminal T1 via the fixed capacitance element C21, and the other end of the variable capacitance element Cv22 is connected to the output terminal T2 via the fixed capacitance element C22. One end of a resistor R11 is connected to a connection node between the variable capacitance element Cv21 and the fixed capacitance element C21, and one end of a resistor R12 is connected to a connection node between the variable capacitance element Cv22 and the fixed capacitance element C22. The other end of the resistor R11 and the other end of the resistor R12 are commonly connected, and are connected to a second reference voltage terminal T4.
[0035]
The second reference voltage _{V ref2} is a constant voltage is applied to the second reference voltage terminal T4. Therefore, the capacitance of the variable capacitance element Cv21 and Cv22 is controlled by a control voltage _{V CTL} applied to the control voltage terminal T3.
[0036]
Since the variable capacitance element that determines the capacitance value by the potential difference across terminals, the variable capacitance element Cv1 and Cv21 the reference voltage is common different control voltage is the change of the control voltage V _CTL as shown in FIG. 2 (a) In contrast, the control voltage ranges in which the capacitance value changes linearly are different from each other. In FIG. 2A, reference numeral 4 denotes a capacitance value of the variable capacitance element Cv1, and reference numeral 5 denotes a capacitance value of the variable capacitance element Cv21.
[0037]
Here, when a circuit including the variable capacitance elements Cv1 and Cv21 and the fixed capacitance element C21 is extracted from the voltage controlled oscillator of FIG. 1, the circuit becomes as shown in FIG. Then, the types of the variable capacitance elements Cv1 and Cv21 and the constant voltage V _CC are set so that the combined capacitance value of the circuit of FIG. 3 changes substantially linearly with respect to the control voltage V _CTL as shown in FIG. , The value of the second reference voltage _Vref2 , and the capacitance value of the fixed capacitance element C21. Specifically, the variation ratio of the capacitance value with respect to the control voltage V _CTL of the variable capacitor Cv1, the variable capacitance element Cv21 and substantially the same and the variation ratio of the capacitance value with respect to the control voltage V _CTL composite capacitance of the fixed capacitance elements C21 so as to determine the type of the variable capacitance element Cv1 and Cv21, the value of the constant voltage _{V CC,} the value of the second reference voltage _{V ref2,} the capacitance of the fixed capacitance element C21.
[0038]
The variable capacitance element Cv2 is the same as the variable capacitance element Cv1, and the variable capacitance element Cv22 is the same as the variable capacitance element Cv21.
[0039]
As a result, the capacitance value of the resonance section 1 'changes substantially linearly with respect to the control voltage _VCTL . The capacitance value of the apparent resonant portion 1 'from FIG. 2, since the region which varies substantially linearly as compared with the capacitance of the variable capacitance element alone expands, the voltage controlled oscillator of FIG. 1, with respect to the control voltage V _CTL The change of the oscillation frequency becomes gentle, and the VCO sensitivity can be lowered. Therefore, the voltage controlled oscillator of FIG. 1 can improve the phase noise characteristic even when the movable range of the oscillation frequency is wide.
[0040]
Further, since it is not necessary to provide a plurality of voltage controlled oscillators having different oscillation frequency bands or to provide a switch for switching the variable capacitance element in the resonance unit, the circuit scale can be reduced.
[0041]
Note that the types of the variable capacitance elements Cv1 and Cv21, the value of the constant voltage V _CC , and the value of the second reference voltage V _ref2 are changed so that the capacitance value of the resonance section 1 ′ changes substantially linearly with respect to the control voltage V _CTL . value and, instead of determining the capacitance of the fixed capacitance elements C21, the type of the variable capacitance element Cv1 and Cv21 so that the oscillation frequency varies substantially linearly with respect to changes in the control voltage V _CTL, constant voltage the value of V _CC, the value of the second reference voltage _{V ref2,} may be determined and the capacitance value of the fixed capacitance element C21.
[0042]
Also in this case, the change in the oscillation frequency with respect to the control voltage _VCTL becomes gentle, and the VCO sensitivity of the voltage controlled oscillator can be reduced. In addition, the linearity of the change of the oscillation frequency is improved as compared with the case where the capacitance value of the resonance unit 1 'is changed substantially linearly with the change of the control voltage. However, the type of the variable capacitance element Cv1 and Cv21 by considering parasitic capacitance of the circuit portions other than the resonator portion 1 ', the value of the constant voltage _{V CC,} the value of the second reference voltage _{V ref2,} fixed capacitance element C21 Since it is necessary to determine the capacitance values of the above, the calculations performed to determine these become complicated.
[0043]
Next, another configuration of the voltage controlled oscillator according to the present invention is shown in FIG. In FIG. 4, the same parts as those in FIG.
[0044]
The voltage controlled oscillator of FIG. 4 includes a resonance unit 1 ″ and an active unit 2. The voltage controlled oscillator of FIG. 1 is newly provided with variable capacitance elements Cv31 and Cv32, fixed capacitance elements C31 and C32, This is a configuration in which R21 and R22 and a third reference voltage terminal T5 are added.
[0045]
One end of the variable capacitance element Cv31 and one end of the variable capacitance element Cv32 are respectively connected to the control voltage terminal T3. The other end of the variable capacitance element Cv31 is connected to the output terminal T1 via the fixed capacitance element C31, and the other end of the variable capacitance element Cv32 is connected to the output terminal T2 via the fixed capacitance element C32. One end of a resistor R21 is connected to a connection node between the variable capacitance element Cv31 and the fixed capacitance element C31, and one end of a resistor R22 is connected to a connection node between the variable capacitance element Cv32 and the fixed capacitance element C32. The other end of the resistor R21 and the other end of the resistor R22 are commonly connected, and are connected to a third reference voltage terminal T5.
[0046]
A third reference voltage _Vref3, which is a constant voltage, is applied to the third reference voltage terminal T5. Therefore, the capacitance of the variable capacitance element Cv31 and Cv32 is controlled by a control voltage _{V CTL} applied to the control voltage terminal T3.
[0047]
A variable capacitance element Cv31 and CV32, and the fixed capacitance elements C31 and C32, and resistors R21 and R22, by adding a third reference voltage terminal T5, substantially linear capacitance value of the resonance portion with respect to the control voltage _{V CTL} 1 can be further expanded as compared with the voltage controlled oscillator of FIG. 1, and the change of the oscillation frequency with respect to the control voltage V _CTL becomes more gradual as compared with the voltage controlled oscillator of FIG. Can be further reduced as compared with the voltage-controlled oscillator of FIG.
[0048]
Note that since the voltage controlled oscillators in FIGS. 1 and 4 have a small circuit scale, all circuits can be formed on a single semiconductor chip, and the cost of the voltage controlled oscillator can be reduced. In this case, the inductors L1 and L2 may be spiral inductors.
[0049]
Next, the high-frequency transceiver according to the present invention will be described. FIG. 5 is a circuit block diagram of the high-frequency transceiver according to the present invention. The voltage-controlled oscillator 21 is the above-described voltage-controlled oscillator in FIG. 4, and the circuits other than the antenna 10 are stored in a one-chip semiconductor integrated circuit device.
[0050]
First, the receiving side will be described. The RF signal received by the antenna 10 is input to the low-noise amplifier 12 via the switch 11, amplified by the low-noise amplifier 12, mixed with the local oscillation signal by the mixer 13, and down-converted into an IF signal. This IF signal is sent to a demodulation unit 15 after unnecessary frequency components are removed by a band-pass filter 14, and is demodulated into a reception signal.
[0051]
Next, the transmitting side will be described. After the transmission signal is modulated by the modulator 16 and unnecessary frequency components are removed by the band-pass filter 17, it is mixed with the local oscillation signal by the mixer 18 and up-converted into an RF signal. This RF signal is power-amplified by the power amplifier 19 and then output from the antenna 10 via the switch 11.
[0052]
The local oscillation signal is output from the phase locked oscillator 20. The phase locked oscillator 20 includes a frequency divider (not shown), a crystal oscillator (not shown), a phase comparator (not shown), and a voltage controlled oscillator 21. The frequency divider divides the output of the voltage controlled oscillator 21 to the frequency of the crystal oscillator. The phase comparator negatively feeds back an error signal obtained by comparing the phase of the frequency-divided signal with the signal from the crystal oscillator to the voltage controlled oscillator 21 to stabilize the frequency of the local oscillation signal.
[0053]
Since the voltage controlled oscillator 21 is the voltage controlled oscillator of FIG. 4 having good phase noise characteristics, the phase noise of the local oscillation signal output from the phase locked oscillator 20 is reduced. Therefore, the high-frequency transceiver of FIG. 5 has improved transmission and reception characteristics as compared with the conventional high-frequency transceiver.
[0054]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to realize a voltage-controlled oscillator having a wide oscillation frequency movable range, a small circuit scale, and good phase noise characteristics, and a high-frequency receiver and a high-frequency transmitter using the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a voltage controlled oscillator according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a capacitance value characteristic of a variable capacitance element and a capacitance value characteristic of a resonance unit provided in the voltage controlled oscillator of FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a circuit including a variable capacitance element and a fixed capacitance element provided in the voltage controlled oscillator of FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram showing another configuration of the voltage controlled oscillator according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a high-frequency transceiver according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional voltage controlled oscillator.
FIG. 7 is a diagram showing the capacitance value characteristics of an actual variable capacitance element and the oscillation frequency characteristics of a voltage controlled oscillator when an actual variable capacitance element is used.
FIG. 8 is a diagram showing capacitance value characteristics of an ideal variable capacitance element and oscillation frequency characteristics of a voltage controlled oscillator when an ideal variable capacitance element is used.
[Explanation of symbols]
1 ′, 1 ″ Resonant part 2 Active parts C21, C22, C31, C32 Fixed capacitance elements Cv1, Cv2, Cv21, Cv22, Cv31, Cv32 Variable capacitance element V _CC constant voltage V _CTL control voltage V _ref2 second reference voltage V _ref3 third reference voltage 21 voltage-controlled oscillator

Claims

A voltage-controlled oscillator that includes a resonance unit and an active unit that supplies power to the resonance unit so that vibration of the resonance unit is not attenuated, and controls an oscillation frequency according to a control voltage;
The resonance unit includes a fixed capacitance element, a first variable capacitance element, and a second variable capacitance element;
A first reference voltage is applied to one end of the first variable capacitance element, the control voltage is applied to the other end of the first variable capacitance element, and a second voltage is applied to one end of the second variable capacitance element. A reference voltage is applied, the control voltage is applied to the other end of the second variable capacitance element,
One end of the first variable capacitance element to which the first reference voltage is applied is connected via the fixed capacitance element to one end of the second variable capacitance element to which the second reference voltage is applied. A voltage controlled oscillator characterized by being performed.

The first variable capacitance element such that a combined capacitance value of the first variable capacitance element, the second variable capacitance element, and the fixed capacitance element changes substantially linearly with a change in the control voltage. The voltage controlled oscillator according to claim 1, wherein a capacitance value of the second variable capacitance element and a capacitance value of the fixed capacitance element are set.

The first reference voltage and the first reference voltage so that a combined capacitance value of the first variable capacitance element, the second variable capacitance element, and the fixed capacitance element changes substantially linearly with a change in the control voltage. 3. The voltage controlled oscillator according to claim 2, wherein the second reference voltage is set.

The capacitance value of the first variable capacitance element, the capacitance value of the second variable capacitance element, and the capacitance of the fixed capacitance element so that the oscillation frequency changes substantially linearly with the change of the control voltage. The voltage controlled oscillator according to claim 1, wherein a value is set.

The voltage controlled oscillator according to claim 4, wherein the first reference voltage and the second reference voltage are set such that the oscillation frequency changes substantially linearly with a change in the control voltage.

6. The voltage controlled oscillator according to claim 1, wherein all circuits are formed on a single semiconductor chip.

A high-frequency receiver comprising the voltage-controlled oscillator according to claim 1.

A high-frequency transmitter comprising the voltage-controlled oscillator according to claim 1.