JP2001156599A - 単一ステージの電圧制御リング発信回路 - Google Patents

単一ステージの電圧制御リング発信回路

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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、リング発振回路に関する。 【解決手段】 単一ステージ電圧制御リング発振器は、
トランスインピーダンス電流‐電圧回路に接続されてい
るトランスアドミッタンス電圧−電流回路を含む。トラ
ンスインピーダンス回路の出力は、トランスアドミッタ
ンス回路の入力に接続されている。好適には、トランス
アドミッタンス回路とトランスインピーダンス回路とを
対にして整合させ、1つ以上の伝送線を介して2つの回
路を互いに接続し、伝送線の長さを選択して要求される
公称の発振周波数を決定することが可能である。また、
トランスインピーダンス回路とトランスアドミッタンス
回路とは、電圧により制御することができる素子を含ん
でもよく、それらの素子を調節することにより発振周波
数を調節することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は、リング発信回路に関する。
【0002】
【従来技術】電子回路の種類のうち多くのものは、内部
のクロック信号を生成することを要求される。図1に示
されているように、上記の信号を生成する単純な回路と
しては、在来型のリング発振器がある。上記の回路10
は、直列接続の複数のインバータ12a,12bと、最
後のインバータ12bの出力を最初のインバータ12a
の入力に接続する交差接続の帰還経路14とを含む。上
記の回路が発振するためには、ループの全体にわたる利
得が、1よりも大きいことが必要となる。加えて、全体
にわたる位相シフトが、180度でなければならず、従
って、この位相シフトのために要求される2つの極を生
じさせるのに少なくとも2つのステージを必要とする。
在来型のリング発振器の発振周波数は、各ステージ間の
遅延に関係しており、その遅延は、使用されているイン
バータ回路の種類のみならず回路内に存在する寄生の容
量Cpの大きさに帰する。各ステージがτの遅延を生じ
る場合には、半周期に要する時間に相当するループ遅延
は、2τとなる。従って、2ステージの回路が動作する
際の公称の周波数は、図1に示されているように1/4
τとなる。
【0003】
【解決しようとする課題】しかしながら、構造を容易に
することに起因して、リング発振器は、未解決の技術的
な限界と関連して、高い周波数領域においてはとりわけ
有効であるというわけではない。例えば、ある特定に技
術に関しては、ラッチ回路は、40GHzでクロック信
号を発生することが可能である。かかる技術的な方法に
おいては、2ステージのリング発振器は、各ステージの
スイッチングの遅延に起因して、20GHzよりも大き
い周波数の出力信号を生成するのは通常不可能である。
負荷抵抗を小さくすることにより、在来型のリング発振
器で使用されるインバータの遅延を減少させることが可
能である。上記の解決手段は、リング発振器の動作周波
数を増加させるが、同時に、その動作周波数における小
信号利得をも減少させる。従って、上記の発振器は、一
般的に、その出力で小さな電力しか供給しないため、受
容しかねるノイズの影響を受けることとなる。
【0004】高周波領域での使用に耐え得る代替的な発
振器は、LC共振回路を使用している。LC発振器の広
い多様性は、当業者にとっては周知である。この種の回
路についての欠点は、集積回路上で大きな範囲を占めて
しまうということである。その他の欠点としては、調節
可能な範囲が非常に限られていることと、製造の際に高
い精度を要し、全コストがかさむこととがあげられる。
【0005】従って、要求される発振周波数において在
来型のリング発振回路よりも大きな利得を有すると共
に、小さなループ遅延を有し、なお且つ発振周波数を増
加させた修正されたリング発振器の構造を提案すること
は好ましいことである。
【0006】
【解決手段】本発明によって設計される単一ステージ電
圧制御リング発振器は、トランスインピーダンス電流−
電圧(TIS)回路に接続されているトランスアドミッ
タンス(TAS)電圧−電流回路を含む。一対の伝送線
によりTAS回路をTIS回路に接続してもよく、要求
される(公称の)発振周波数に応じて伝送線の長さを選
択することが可能である。TIS回路の電圧出力は、T
IS回路の入力に接続される。加えて、好適には、回路
素子を対にして整合させることによって、TAS回路の
寄生の出力容量をTIS回路の入力インピーダンスで相
殺して、発振周波数における利得を増加させる。好適に
は、TIS回路は、調節可能な電流源を含み、電流源を
調節して発振周波数を変化させることが可能である。T
AS回路もまた、調節可能な素子を備えることが可能で
ある。接続されたTAS/TIS回路は、2つ以上の極
を持ち、それによって十分な位相シフトを生じて発振を
促すように構成される。
【0007】ある特定の実施形態においては、制限増幅
器は、TIS回路に使用される。在来型の制限するため
の増幅器は、比較的広帯域の応答特性を有し、その利得
が特定の周波数でピークをもたないように構成される
が、在来型の制限増幅器とは異なり、利得が、要求され
る発振周波数でピークを持つ狭帯域の応答特性を有する
ように、制限増幅器の素子を選択することが可能であ
る。
【0008】好都合なことに、本発明によるTAS/T
ISリング発振回路は、在来型のマルチステージリング
発振器の設計により実現することが可能なものよりもよ
り高い発振周波数とより高い電力とを供給する。加え
て、寸法の相対的な小型化と電圧制御リング発振器の設
計上の簡素化とを犠牲にせずに、発振周波数及び電力の
増加を達成することが可能である。回路は、受動インダ
クタンス又は可変容量ダイオードを使用せずに高い発振
周波数を実現することが可能であり、従って、高周波L
C発振器により利用可能な調節可能な範囲よりもより広
い調節可能な範囲を有する。
【0009】
【実施の形態】本発明の上記の及びその他の特徴は、本
発明の例示的な実施例に関する以下の詳細な記載と図面
とにより容易に明らかとなるであろう。
【0010】図2は、本発明によるリング発振器20の
ブロック線図である。発振器20は、トランスインピー
ダンス(“TIS”)回路24の入力25に接続されて
いる出力23を備えるトランスアドミッタンス(“TA
S”)電圧‐電流回路22を含む。TIS回路24は、
反転電流−電圧増幅器26と帰還インピーダンス28と
を含む。TIS回路24の出力30は、TAS回路の入
力32に接続されている。回路20内に存在する寄生の
容量Cpも図2に示されている。好適な実施例において
は、TAS回路22とTIS回路24とを対にして整合
させ、それによってTAS回路22の出力容量をTIS
回路24の入力インピーダンスで相殺する。この構成
は、2つの回路間の接続におけるエネルギー損失の値を
減少させ、それによってループ利得を増加させ、従って
回路の動作を改善する。回路を対にして整合させる様々
な方法は、当業者にとって周知であり、従って、ここで
は詳細に検討する必要はない。
【0011】本発明の好適な実施例においては、TIS
回路24は、修正された制限増幅器の設計を含んでい
る。在来型の制限増幅器の動的な応答特性は、発振を生
じさせる利得のピークを減少させ又は除去するように意
図的に構成されているので、それらの増幅器は、一般的
に、リング発振器を構成する際の用途に適しているとは
考えられていない。特に、在来型の制限増幅器において
は、広い周波数帯域で比較的一定の値を維持すると共
に、特定の周波数でスパイクしない利得を増幅器が有す
るように、素子の値を選択する。対照的に、本発明によ
れば、本発明に使用される修正された制限増幅器の利得
が、重要度の高い周波数、例えば、40GHzでピーク
を持つように、増幅器の特定の素子の値を選択する。好
適には、素子の値を選択することにより、要求される発
振周波数での狭帯域の応答特性を得ることが可能であ
る。
【0012】好都合なことに、本発明によるTAS/T
ISリング発振回路は、在来型のマルチステージリング
発振器の設計により実現可能なものよりもより高い発振
周波数とより大きな出力電力とを有する。加えて、特に
TAS回路22とTIS回路24とを対にして整合させ
る場合には、本発明の発振回路20のループ遅延は、同
等の素子を使用する在来型のリング発振器の遅延よりも
小さくなり、従って、発振周波数を増加させる。
【0013】好適には、TAS回路22とTIS回路2
4とのうちの少なくとも1つが、発振周波数を変化させ
るように調節することが可能である調節可能な回路素子
を含む。好適には、発振器の動作範囲内で周波数と共に
減少する利得を有する出力緩衝増幅器 (示されていな
い) を発振器20に接続してもよい。上記の減少する利
得を有する緩衝増幅器は、発振器20の出力電力が発振
周波数と共に増加する特性を補償し、回路の利用可能な
調節範囲にわたって比較的一定の出力電力をもたらす。
【0014】図3は、図2に示されているリング発振器
20の好適な実施形態の概略図である。TAS回路22
は、共通の電流源Icont2に接続されているエミッ
タを有する一対のトランジスタQ1とQ2とを含む。ト
ランジスタQ1とQ2のベースは、TAS回路22の非
反転入力32aと反転入力32bとして使用される。図
示されているように、TAS回路22の非反転出力23
aと反転出力23bは、TIS回路24の非反転入力2
5aと反転入力25bに接続されている。電流源Ico
nt2は、好適には、在来型の電流ミラーであり、制御
信号に依存する電流の大きさを安定させる。TAS回路
22の出力23b,23bとTIS回路24の入力25
a,25bとの間に伝送線T1とT2とを挿入すること
が可能である。伝送線T1とT2の長さを適切に選択す
ることにより、回路20の公称の発振周波数の範囲を調
節することが可能である。
【0015】TISの制限増幅器回路24は、上記で検
討されたように、トランジスタQ4及びQ3をそれぞれ
駆動させる入力25a及び25bと、エミッタフォロワ
の構成に配列されているトランジスタQ6とQ8とによ
り提供される非反転出力30aと、トランジスタQ5と
Q7とにより提供される反転出力30bとを備える差動
電流増幅器の形態を取る。トランジスタQ8及びQ7の
エミッタは、電流源I a及びIbにそれぞれ接続され、こ
れらの電流源は、適切な大きさの抵抗器であってもよ
い。トランジスタQ3及びQ4のエミッタは、接続さ
れ、さらに電流源Icont1に接続される。電流源I
cont1は、好適には、在来型の電流ミラーであり、
制御信号に依存すると共に、電流Ia及びIbよりも大き
い電流の大きさを安定させる。出力30a,30bは、
TAS回路22の入力32b,32aに交差接続され
る。
【0016】TISのステージの周波数応答は、Q3,
Q4及びRLによって構成される差動増幅器の全体に渡
る利得と、増幅器の帯域幅と、帰還抵抗RFとに依存す
る。増幅器の利得は、RLと電流Icont1の振幅と
を選ぶことにより決定される。増幅器の帯域幅は、トラ
ンジスタQ3乃至Q8の寸法とRLの大きさとに依存す
る。素子の値の大きさは、重要度の高い周波数で利得の
ピークを持つように選択される。RFに対するRLの比を
増加させるにつれて、ピーク値は、高くなる。利得Aを
増加させるにつれて、ピーク値は、増加する。一般的
に、精密な伝達関数とピークの周波数は、上記のパラメ
ータ全ての間の相互作用と、特定のトランジスタの構成
と、未解決の技術的課題とに依存する。適切な設計パラ
メータを選択して、期待するピーク値の効果を得るため
に、様々な技術が利用可能であり、これらの技術は、当
業者にとって周知となるであろう。高い動作速度を得る
ためには、所定の技術の応用と同程度に小さくトランジ
スタを製造する必要がある。回路のある特定の実施形態
においては、Icont1は、概ね8mAの電流を供給
し、Icont2は、概ね4mAの電流を供給し、Ia
bは、共に、概ね3mAであり、抵抗器は、全て、概ね
100Ωである。TIS増幅器の直流電流Icont1
を変化させることにより、発振周波数についての電圧制
御を実現することが可能である。また、TAS回路の電
流Icont2を付加的な制御手段として使用して、発
振周波数を調節することも可能である。
【0017】本発明は、専ら、好適な実施例と関連して
示され、説明されてきたが、当業者であれば、本発明の
意図及び範囲から逸脱することなく形態及び細部の種々
の改変を行うことが可能であるということを認識するで
あろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】在来型のリング発振回路を表す図である。
【図2】本発明によるリング発振回路を表す図である。
【図3】図2のリング発振器の実施形態の1つを表す図
である。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単一ステージの電圧制御リング発振器で
    あって、 入力として電圧を受信して、該入力電圧に比例する大き
    さを持つ出力電流を発生するトランスアドミッタンス回
    路と、 入力として該トランスアドミッタンス回路の該出力電流
    を受信して、該入力電流に比例する大きさを持つ出力電
    圧を発生するトランスインピーダンス回路とを含み、該
    トランスインピーダンス回路の出力は、該トランスアド
    ミッタンス回路の入力に接続されている発振器。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の発振器において、該ト
    ランスインピーダンス回路が、制限増幅器を含む発振
    器。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の発振器において、該制
    限増幅器は、あらかじめ定められた発振周波数でピーク
    の利得を持つように構成される発振器。
  4. 【請求項4】 請求項2に記載の発振器において、該制
    限増幅器が、電圧によって制御される電流源を含み、該
    電流源によって生じる電流の大きさを変化させることに
    より発振周波数を調節することが可能である発振器。
  5. 【請求項5】 請求項2に記載の発振器において、該ト
    ランスアドミッタンス回路の出力とトランスコンダクタ
    ンス回路の入力との間に接続されると共に、ある長さを
    有する伝送線をさらに含み、該伝送線の長さにより発振
    周波数を決定する発振器。
  6. 【請求項6】 請求項1に記載の発振器において、要求
    される動作周波数において該トランスアドミッタンス回
    路と該トランスインピーダンス回路とを対にして整合さ
    せる発振器。
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