JP2001156545A - 電圧制御発振器および電圧制御発振器を用いた通信機 - Google Patents

電圧制御発振器および電圧制御発振器を用いた通信機

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JP2001156545A
JP2001156545A JP33279299A JP33279299A JP2001156545A JP 2001156545 A JP2001156545 A JP 2001156545A JP 33279299 A JP33279299 A JP 33279299A JP 33279299 A JP33279299 A JP 33279299A JP 2001156545 A JP2001156545 A JP 2001156545A
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Japan
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phase shift
controlled oscillator
differential amplifier
voltage controlled
differential
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JP33279299A
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Takeshi Yasunaga
毅 安永
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Superheterodyne Receivers (AREA)
  • Transmitters (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 消費電流を増加させることなく広い発振周波
数の制御幅を得ることができるとともに集積(IC)化
に好適であり、携帯電話機のローカル信号の発生に有効
である電圧制御発振器を提供すること。 【解決手段】 トランジスタQ1、Q2による差動増幅器
の差動出力を、トランジスタQ3、Q4を含むエミッタフ
ォロワ回路を介して可変移相回路PS1、PS2に入力す
る。この可変移相回路PS1、PS2を通過後に差動増幅
器の差動入力に正帰還する。さらに、可変移相回路PS
は、バラクタダイオードCvを使用して、制御電圧Vtの
制御で、移相量が可変できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電圧制御発振器、特
に半導体集積回路(IC)化に好適であり、かつ発振周
波数の制御範囲が広い電圧制御発振器に関する。
【0002】
【従来の技術】電圧制御発振器は、ラジオ受信機等のヘ
テロダイン型無線受信機等に広く使用されている。この
電圧制御発振器の代表的な従来例の回路図を図3に示
す。差動対トランジスタQ1、Q2と、これらトランジス
タのコレクタ抵抗R1、R2とにより差動増幅器が構成さ
れている。この差動増幅器の差動出力端子間にインダク
タLo、コンデンサCo、バラクタダイオードCv1、Cv2
から成るLC共振回路が接続されている。また、コンデ
ンサC1、C2は直流阻止用コンデンサであり、コンデン
サCoおよびバラクタダイオードCv1、Cv2の容量に
比べて十分大きな値に選定されている。
【0003】また、トランジスタQ3とそのエミッタに
接続されたエミッタ抵抗R3とから成るエミッタフォロ
ワ回路、およびトランジスタQ4とそのエミッタに接続
されたエミッタ抵抗R4とからなるエミッタフォロワ回
路が、それぞれ上記差動増幅器の差動出力端に接続され
ている。これら1対のエミッタフォロワ回路を介して差
動出力Voが、差動増幅器を構成するトランジスタQ1、
Q2のベースへ正帰還される。このときの発振周波数
は、バラクタダイオードCv1、Cv2の容量をCvとする
と次の数式1で表わされる。
【数1】 ただし、 Co'=2Co+Cv ・・・(2)
【0004】上述した従来の電圧制御発振器において
は、バラクタダイオードCv1、Cv2を用いて共振回路を
構成している。このため、バラクタダイオードの直流抵
抗分によるQ特性の劣化が、発振器のC/N特性を劣化
させることになる。さらに、制御電圧に対する電圧制御
発振器の発振周波数制御特性が、使用するバラクタダイ
オードCv1、Cv2の容量変化特性に依存するため、高性
能なバラクタダイオードが要求される。このため、バラ
クタダイオードの集積(IC)化が難しく、外付け部品
となり部品点数が増加するので、電圧制御発振器および
/またはこれを使用する無線通信機等の組立てコストが
上昇する。
【0005】他の従来の電圧制御発振器が、特開平8−
307149号公報に開示されている。この従来の電圧
制御発振器の回路図を図4に示す。図4に示す従来の電
圧制御発振器は、差動対トランジスタQ1、Q2と、これ
らトランジスタQ1、Q2のコレクタにそれぞれ接続され
たコレクタ抵抗R1、R2とにより差動増幅器が構成され
る。この差動増幅器の差動出力端子間にインダクタLo
およびコンデンサCoから成るLC共振回路が並列接続
されている。また、トランジスタQ3と、そのエミッタ
に接続されたエミッタ抵抗R3とから成るエミッタフォ
ロワ回路およびトランジスタQ4と、そのエミッタに接
続されたエミッタ抵抗R4とから成るエミッタフォロワ
回路により、上記差動増幅器の差動出力Voがバッファ
されて、別の差動対トランジスタQ5、Q6のベースに印
加される。これら差動対トランジスタQ5、Q6は、エミ
ッタ電流Ieにより制御されるエミッタ抵抗成分re
と、エミッタ間コンデンサCeとにより、RCローパス
(低域通過)フィルタを構成しており、位相がシフトす
る。エミッタ抵抗Reおよびエミッタ間コンデンサCe
から成るローパスフィルタを移相回路とする。この移相
回路の出力を差動対トランジスタQ1、Q2のベースに帰
還している。
【0006】また、差動対トランジスタQ5、Q6のコレ
クタ電流は、上述したLC共振回路にも帰還され、発振
周波数は、エミッタ電流Ieにより変化する。このよう
に、共振回路にバラクタダイオードを使用せず(コンデ
ンサおよびインダクタを使用し)、エミッタ抵抗成分r
eおよびエミッタ間コンデンサCeから成る移相回路に
より発振周波数を制御することで集積化が可能となり、
外付け部品を減らすことができる。ここで、差動対トラ
ンジスタQ1、Q2のコレクタ抵抗R1、R2の値をRo、
エミッタ間コンデンサCeの値をコンデンサCoの2倍と
すると、発振周波数は次の数式3のように表わせる。
【数3】 ただしre=kT/qIe ・・・(4)ここで、k
はボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電子の電荷であ
る。
【0007】一例として、Ro=100Ω、Lo=2nH、
Co=2pFとする。Ie=1mAのときの発振周波数は、
上記数式3より2.04GHzとなる。また、Ieを100μA増加
させてIe=1.1mAとしたときの発振周波数は、上記数
式3より2.074GHzとなる。このときの周波数変化範囲
は、2.074GHz−2.04GHz=34MHzである。さらに、Ieを2
倍の2mAに増加させたときの周波数変化範囲は200MHz
となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の電圧制御発振器では、エミッタ電流Ieにより制御さ
れるエミッタ抵抗reにより移相回路の移相量を変化さ
せるために、発振周波数の制御範囲を広くするには、エ
ミッタ電流Ieを大きく変化させる必要がある。このた
め、消費電流が増加するという問題があった。さらに、
所望の周波数制御特性を得るために、エミッタ電流Ie
を外部制御電圧に応じて制御する回路が必要となり回路
規模が増加するという問題があった。
【0009】そこで、本発明の目的は、上述した問題を
解決し、広い発振周波数の制御範囲が得られ、集積(I
C)化に適した比較的小回路規模の電圧制御発振器を提
供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に記載
の発明は、差動増幅器と、この差動増幅器の差動出力端
子にそれぞれ接続されたインダクタおよび差動出力端子
間に接続されたコンデンサから成るLC共振回路と、差
動増幅器の差動出力をそれぞれエミッタフォロワ回路を
介して受けて、差動増幅器の差動入力に正帰還する可変
移相回路とを備え、この可変移相回路の移相量を外部制
御電圧により制御可能にするよう構成されている。この
ような構成により、消費電流が少なくかつ広い発振周波
数の制御範囲が得られる電圧制御発振器となる。
【0011】また、本発明の請求項2に記載の発明は、
前記差動増幅器および前記エミッタフォロワをバイポー
ラトランジスタで構成することを特徴とする請求項1に
記載の電圧制御発振器としている。この構成により、遮
断周波数が数十GHz以上の高周波トランジスタが使用で
き、高周波帯の電圧制御発振器を得ることができる。
【0012】さらに、本発明の請求項3に記載の発明
は、前記差動増幅器および前記エミッタ(ソース)フォ
ロワをMOSトランジスタで構成することを特徴とする
請求項1に記載の電圧制御発振器としている。この構成
により、論理回路を必要とするプログラマブル分周器、
位相比較器、電圧制御発振器から成るPLL周波数シン
セサイザを全てMOSプロセスで構成することができす
ので、回路全体をMOS化、即ちIC化によるコスト低
減が図れる。
【0013】さらにまた、本発明の請求項4に記載の発
明は、可変移相回路が抵抗、コンデンサおよびバラクタ
ダイオードから成るRC移相回路であることを特徴とす
る請求項1に記載の電圧制御発振器としている。この構
成により、可変移相回路の移相量を大きくとることがで
き、消費電流または回路規模を増加することなく広範囲
の発振周波数の制御が容易に行える。
【0014】また、本発明の請求項5に記載の発明は、
アンテナ、送受信部、通信制御部を有する携帯電話機に
おける送受信回路で使用するローカル信号の発生に、請
求項1、2、3または4の電圧制御発振器を使用し、可
変移相回路の移相量が外部制御電圧により制御されるこ
とを特徴とする。この構成により、集積化に好適な電圧
制御発振器が得られるので、携帯電話機の小型化が可能
になる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明による電圧制御発振
器の好適実施形態例の構成および動作を、添付図を参照
して詳細に説明する。なお、図3および図4の回路素子
に対応する素子には、便宜上同様の参照符号を使用す
る。
【0016】図1は、本発明による電圧制御発振器の好
適な実施の形態の構成を示す一部ブロックによる回路図
である。また、図2は、図1中の可変移相回路の具体的
回路図である。この電圧制御発振器は、エミッタが相互
接続された差動対トランジスタQ1、Q2と、夫々これら
トランジスタのコレクタに負荷として接続されたインダ
クタL1、L2とにより差動増幅器を構成している。この
差動増幅器のコレクタ負荷インダクタL1、L2および差
動出力端子間に接続されたコンデンサCoによりLC共
振回路を構成している。また、差動対トランジスタQ
1、Q2のコレクタに、それぞれトランジスタQ3、Q4お
よび定電流源から成るエミッタフォロワ回路が接続さ
れ、これにより差動増幅器の差動出力がバッファされ
る。そして、可変移相回路PS1、PS2を通過後に差動
対トランジスタQ1、Q2のベースに正帰還する。
【0017】次に、この電圧制御発振器の動作について
説明する。インダクタL1、L2の値をLo/2とする
と、発振周波数は次の数式5で表わせる。
【数5】 ここで、可変移相回路の位相変化量をφとする。この時
の発振周波数の変化幅は次の数式6で表わされる。 △f=φ/2π ・・・(6)
【0018】図2は、図1中の可変移相回路PS1、PS
2の一例の回路図を示す。抵抗Rp,コンデンサCpおよび
バラクタダイオードCvから成るRC移相回路である。
この可変移相回路PSは、コンデンサCpとバラクタダ
イオードCvとの接続点に印加する制御電圧Vtを可変す
ることにより、バラクタダイオードCvの静電容量(キ
ャパシタンス)が変化するので、このバラクタダイオー
ドCvとコンデンサCpとの合成静電容量が変化して、移
相変化量の制御が可能である。この移相回路PSを構成
するバラクタダイオードCvは、共振回路に用いた場合
と異なり高性能は要求されない。このため、集積化が可
能となる。図1の電圧制御発振器の可変移相回路PS
1、PS2に図2のRC移相回路PSを用いるときの動作
を説明する。
【0019】インダクタL1、L2の値をLo/2とする
と、発振周波数は次の数式7で表わせる。
【数7】 ただし、
【数8】 ここで、Roは差動対トランジスタQ1、Q2のコレクタ
のインピーダンスである。いま、Ro=100、Lo=2n
H、Co=2pF、Rp=100ΩおよびCx=2pFとする。
このときの発振周波数は、上記数式7より1.78GHzと求
まる。次に、Cx=1pFとする。このときの発振周波
数は、上記数式7より2.06GHzと求まる。このときの周
波数変化範囲は、2.06GHz−1.78GHz=280MHzである。
【0020】以上のように、本発明による電圧制御発振
器の好適実施形態では、差動増幅器の差動出力をエミッ
タフォロワ回路を介して可変移相回路に入力し、可変移
相回路を通過後に差動増幅器の差動入力に正帰還するの
で、消費電流を増加させることなく広い発振周波数制御
範囲を得ることができる。さらに、バラクタダイオード
を移相回路の一部として使用するので、高性能なバラク
タダイオードを必要としない。このため、バラクタダイ
オードを他の回路素子とともに集積(IC)化すること
が可能となり、ICの外付け部品点数を低減できる。ま
た、制御回路を必要としないため、回路規模が増加せず
低コスト化が図れる。
【0021】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
では差動増幅器の差動出力をエミッタフォロワ回路を介
して可変移相回路に入力する。そして、可変移相回路を
通過後に差動増幅器の差動入力に正帰還するので、消費
電流の増加なく、発振周波数の制御範囲を広くできると
いう効果を奏する。さらに、バラクタダイオードを移相
回路の一部として使用するので、高性能なバラクタダイ
オードは必要ない。このため、バラクタダイオードを他
の回路素子とともに集積化することが可能となり、外付
け部品を低減できる。従って、小型軽量化が必須要件で
ある携帯電話機の送受信回路のローカル(局部発振)信
号発生用に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による電圧制御発振器の好適な実施の形
態の構成を示す一部ブロックで示す回路図、
【図2】図1中の可変移相回路の一例を示す回路図、
【図3】従来の電圧制御発振器の1例を示す回路図、
【図4】従来の電圧制御発振器の他の例を示す回路図で
ある。
【符号の説明】
Q1、Q2、Q3、Q4 トランジスタ L1、L2 インダクタ Co、Cp コンデンサ Cv バラクタダイオード PS1、PS2 可変移相回路 Rp 抵抗 Vt 外部制御電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5J066 AA01 CA36 CA62 CA87 CA91 FA19 HA02 HA10 HA19 HA25 HA29 HA33 KA02 KA05 KA07 KA13 KA16 KA42 MA01 MA12 ND01 ND11 ND22 ND23 PD02 SA13 5J081 AA08 BB01 CC07 CC42 CC43 CC44 DD03 DD11 EE03 EE04 EE18 FF09 FF17 FF21 FF23 FF24 GG01 KK02 KK09 LL05 MM01 5K020 AA01 DD11 DD13 DD15 EE03 GG04 MM01 MM03 MM11 MM12 MM13 5K060 CC04 DD03 HH26 JJ02 JJ03 JJ04 JJ06 LL16

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 差動増幅器と、該差動増幅器の差動出力
    端子にそれぞれ接続されたインダクタおよび前記差動出
    力端子間に接続されたコンデンサから成るIC共振回路
    と、前記差動増幅器の差動出力をそれぞれエミッタフォ
    ロワを介して受けて、前記差動増幅器の差動入力に正帰
    還する可変移相回路とを備え、該可変移相回路の移相量
    を外部制御電圧により制御可能にしたことを特徴とする
    電圧制御発振器。
  2. 【請求項2】 前記差動増幅器と前記エミッタフォロワ
    をバイポーラトランジスタで構成することを特徴とする
    請求項1に記載の電圧制御発振器。
  3. 【請求項3】 前記差動増幅器および前記エミッタフォ
    ロワをMOSトランジスタで構成することを特徴とする
    請求項1に記載の電圧制御発振器。
  4. 【請求項4】 前記可変移相回路が抵抗、コンデンサお
    よびバラクタダイオードから成るRC移相回路であるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の電圧制御発振器。
  5. 【請求項5】 ローカル信号を発生する請求項1乃至4
    のいずれかに記載の電圧制御発振器を送受信部を使用し
    てなる通信機。
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