JP2003204219A - 発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＶＣＯ１０００内において、所望周波数と、
所望周波数以外の周波数において発振条件を満たしてし
まい性能を発揮する事ができない。 【解決手段】 ＬＣ共振回路１００と、マルチバイブレ
ータ回路２００との間にローパスフィルタ２０および２
１を設ける事により、マルチバイブレータ回路２００か
ら伝達される信号の高周波成分をカットして、減衰させ
る事により所望周波数のみについて発振条件を満たすよ
うにする事ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発振器に関し、特
にマルチバイブレータ方式の回路構成に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話等の通信機器において、
発振周波数を調整できる発振器が一般的に用いられてお
り、主として、電圧に応じて発振周波数を変化させるこ
とができる電圧制御発振器（以下、ＶＣＯ（voltage-co
ntrolled oscillator）とも称する）を挙げることがで
きる。

【０００３】図４は、従来のマルチバイブレータ方式Ｖ
ＣＯ１０００の回路構成を示す図である。

【０００４】図４を参照して、従来のＶＣＯ１０００
は、ＬＣ共振回路１００と、マルチバイブレータ回路２
００とを含む。

【０００５】ＬＣ共振回路１００は、可変容量素子の一
例として共振用バラクタダイオード１および２と、共振
用コンデンサ３および４と、共振用インダクタ５および
６とを有する。

【０００６】マルチバイブレータ回路２００は、帰還抵
抗７および８と、帰還コンデンサ９および１０と、トラ
ンジスタ１１および１２と、電流源１３とを有する。

【０００７】まず、ＬＣ共振回路１００について説明す
る。共振用バラクタダイオード１および共振用コンデン
サ３は、ノードＮ１とノードＮ２との間に直列に接続さ
れている。共振用バラクタダイオード２および共振用コ
ンデンサ４は、ノードＮ１とノードＮ３との間に直列に
接続されている。共振用インダクタ５は、ノードＮ２
と、電源電圧ＶＣＣと接続されているノードＮ４との間
に配置されている。共振用インダクタ６は、ノードＮ３
と、電源電圧ＶＣＣと接続されているノードＮ４との間
に配置されている。ノードＮ１は、可変の制御電圧ＶＣ
ＮＴと接続されている。

【０００８】共振用バラクタダイオード１および２は、
制御電圧ＶＣＮＴに応じて容量値を変えることのできる
可変容量ダイオードである。したがって、制御電圧ＶＣ
ＮＴを調整する事によって、共振用バラクタダイオード
１および２の容量値を変化させることにより共振回路１
００が出力する位相を調整することができる。

【０００９】次に、マルチバイブレータ回路２００の回
路構成について説明する。帰還抵抗７および帰還コンデ
ンサ９は、ノードＮ９を介して、ノードＮ５とノードＮ
６との間に直列に接続されている。帰還抵抗８および帰
還コンデンサ１０は、ノードＮ１０を介して、ノードＮ
５とノードＮ７との間に直列に接続されている。

【００１０】トランジスタ１１のエミッタ側は、ノード
Ｎ８と接続されており、コレクタ側はノードＮ６と接続
されている。また、トランジスタ１１のゲートは、ノー
ドＮ１０と接続されている。

【００１１】トランジスタ１２のエミッタ側は、ノード
Ｎ８と接続されており、コレクタ側はノードＮ７と接続
されている。また、トランジスタ１２のゲートは、ノー
ドＮ９と接続されている。電流源１３は、ノードＮ８と
接地電圧ＧＮＤとの間に配置されている。また、電源電
圧ＶＣＣと接続されているノードＮ４とノードＮ５とは
電気的に結合されている。

【００１２】マルチバイブレータ回路２００の動作につ
いて説明する。マルチバイブレータ回路２００は、電流
源１３が電流を供給している時に活性化され、供給して
いないときは、非活性化状態にある。以下においては、
常に活性化されているものとして説明する。

【００１３】電源投入時において、製造上のばらつきの
ため、ノードＮ９およびノードＮ１０の立ち上がり時間
が異なる。このためどちらもオン状態となるのではな
く、いずれか一方がオン状態となり、他方がオフ状態と
なっている。

【００１４】たとえば、トランジスタ１１がオン状態
で、トランジスタ１２がオフ状態であるとする。このと
き、帰還コンデンサ９は、ノードＮ５と電気的に結合さ
れている電源電圧ＶＣＣから帰還抵抗７を通して充電さ
れる。これに応じて、ノードＮ９の電位は、上昇する。
この電位がある程度の電位にまで上昇すると、ノードＮ
７の電位が低くなる。そして、トランジスタ１１のゲー
トと接続されているノードＮ１０の電位も低くなる。こ
れに応じて、トランジスタ１１の導通電流も減少するよ
うになり、トランジスタのコレクタ側のノードＮ６の電
位が高くなる。この変化は、帰還コンデンサ９を介して
ノードＮ９の電位をさらに上昇させるため、トランジス
タ１１および１２のオンオフが入れ替わり、トランジス
タ１２は、オン状態となり、トランジスタ１１は、オフ
状態となる。

【００１５】このような動作が周期的に実行され、左右
のトランジスタ１１および１２が交互にオンオフを繰り
返す事により、マルチバイブレータ回路２００は、一定
周期の信号を出力するとともに、ＬＣ共振回路１００に
よって調整された周波数特性にしたがって、かかる信号
を、自己共振しながら増幅する。

【００１６】ＶＣＯ１０００の出力信号は、マルチバイ
ブレータ回路２００に含まれるトランジスタ１１および
１２のコレクタ側すなわちノードＮ６およびノードＮ７
から取ることができる。かかる側から出力信号を取るこ
とによりＶＣＯ１０００における所望周波数特性を持つ
発振信号に対して最大の電圧利得を取ることができる。
なお、ノードＮ６から出力される出力信号ＯＵＴ１とノ
ードＮ７から出力される出力信号ＯＵＴ２とは、互いに
逆相の関係にある。

【００１７】ここで、ＶＣＯ１０００の周波数特性は、
ＬＣ共振回路１００の周波数特性と、マルチバイブレー
タ回路２００の周波数特性とのベクトル積によって決定
される。したがって、ＶＣＯ１０００の発振条件は、Ｌ
Ｃ共振回路１００の位相と、マルチバイブレータ回路２
００の位相のベクトル積が０度の時の周波数において、
ＬＣ共振回路１００の利得と、マルチバイブレータ回路
２００の利得のベクトル積が１以上である事である。す
なわちＶＣＯ１０００全体の周波数特性において位相が
０度となる周波数において、電圧利得が１以上である事
である。

【００１８】この従来のＶＣＯ１０００においては、増
幅したい所望の周波数において、上記の発振条件が満た
されるように各素子の定数を設定する必要がある。

【００１９】しかし、携帯電話器で使用されるような高
密度の集積回路で用いる場合、その製造段階において各
素子の定数にばらつきが発生する。また、各素子の温度
特性にもばらつきが生じるという問題がある。

【００２０】そこで、ＶＣＯ１０００を量産し、どのよ
うな条件下においても所望の周波数において発振するた
めには、電圧利得にある程度のマージンを持たせること
が可能なように各素子の素子定数を設定する必要があ
る。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように電圧利得にマージンを持たせるべく各素子の定
数を設定した場合、このマージンのために所望周波数以
外の周波数において発振条件が満たされてしまう場合が
ある。

【００２２】図５は、電圧利得にマージンを持たせたＶ
ＣＯ１０００の発振条件を示す図である。

【００２３】図５（ａ）および（ｂ）は、マルチバイブ
レータ回路２００の周波数特性を示す図である。図５
（ｃ）および（ｄ）は、ＬＣ共振回路１００の周波数特
性を示す図である。図５（ｅ）および（ｆ）は、ＶＣＯ
１０００の周波数特性を示す図である。

【００２４】上述した発振条件を満たす周波数を考える
と、図５（ｆ）を参照して、所望周波数ｆ０（Ｈｚ）で
発振するように、周波数ｆ０における位相のベクトル積
（すなわち、ＶＣＯ１０００全体の位相特性）が３６０
×ｎ度（ｎ：整数）、すなわち０度となるように設計す
ると、それ以外にも位相が０度となる周波数ｆ１が存在
する。

【００２５】図５（ｅ）を参照して、上述したように電
圧利得にマージンを持たせるために回路定数を設計する
ことにより、所望以外の周波数ｆ１においても利得が１
以上となってしまう問題が発生する。この結果、ＶＣＯ
１０００全体においては、所望の周波数ｆ０の他に、周
波数ｆ１においても発振条件が満たされてしまう。

【００２６】このような現象が生じると、ＶＣＯ１００
０内において所望周波数ｆ０と所望周波数以外の周波数
ｆ１との間で干渉し、さらなる別の周波数においても発
振するためＶＣＯ１０００の性能を満たす事ができなく
なる。

【００２７】この発明は、このような問題点を解決する
ためになされたものであって、この発明の目的は、電圧
利得にマージンを持たせるために回路定数を設計した場
合でも、所望周波数以外での発振を防止する事ができる
発振器を提供する事である。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明の発振器は、所定
の周波数特性の信号を発振し、増幅するための発振回路
と、発振回路の位相に対してベクトル積が０度となる位
相を設定するための共振回路と、発振回路と共振回路と
の間に配置され、共振回路によりベクトル積が０度とな
る複数の周波数の信号のうち所望周波数を除く周波数の
信号を所定レベル以下に減衰させるためのフィルタとを
備える。

【００２９】好ましくは、フィルタは、所望周波数より
も高い周波数範囲の成分を減衰させるためのローパスフ
ィルタである。

【００３０】好ましくは、共振回路は、制御電圧に応じ
て容量値が変化する可変容量素子とを含み、共振回路
は、制御電圧に応じてベクトル積が０度となる位相を設
定する。

【００３１】好ましくは、発振回路は、第１および第２
のトランジスタと、第１のトランジスタの出力を第２の
トランジスタの制御電極に伝達するための第１の帰還容
量素子と、第２のトランジスタの出力を第１のトランジ
スタの制御電極に伝達するための第２の帰還容量素子と
を含み、所望周波数は、第１および第２のトランジスタ
の出力側から出力される。

【００３２】特に、発振回路は、共振回路と第１および
第２のトランジスタとの間にそれぞれ接続される第１お
よび第２の抵抗素子をさらに備え、フィルタは、第１の
抵抗素子および第１の帰還容量素子を含んで形成され
る、第１のトランジスタの出力に所望周波数よりも高い
周波数範囲の成分を減衰させるための第１のローパスフ
ィルタと、第２の抵抗素子および第２の帰還容量を含ん
で形成される、第２のトランジスタの出力の所望周波数
よりも高い周波数範囲の成分を減衰させるための第２の
ローパスフィルタとを含む。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または
相当部分には同一符号を付し、その説明を繰返さない。

【００３４】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態１に従うＶＣＯ１０１０の回路構成を示す図であ
る。

【００３５】図１を参照して、ＶＣＯ１０１０は、ＬＣ
共振回路１００と、マルチバイブレータ回路２００と、
フィルタ２０および２１とを含む。

【００３６】マルチバイブレータ回路２００の周波数特
性は、帰還抵抗７および８と、帰還コンデンサ９および
１０と、トランジスタ１１および１２とによって設定さ
れる。

【００３７】フィルタ２０および２１は、所望の周波数
以外での発振を防ぐために、所望の周波数以外の信号を
減衰させるために設けられる。

【００３８】特に、ＶＣＯ１０１０の携帯電話器等への
適用を考えると、所望周波数よりも高い周波数範囲の信
号を減衰させる必要があるため、フィルタとしてはロー
パスフィルタを用いるのが適当である。したがって、以
下の実施の形態では、ローパスフィルタを例示して説明
する。

【００３９】マルチバイブレータ回路２００は、左右の
トランジスタ１１および１２を交互にオンオフさせるこ
とにより一定周期の信号を出力する。ローパスフィルタ
２０および２１は、マルチバイブレータ回路２００から
出力された信号のうちの高周波成分の信号をカットして
ＬＣ共振回路１００に伝達する。

【００４０】図２は、本発明の実施の形態に従うＶＣＯ
１０１０の発振条件を示す図である。

【００４１】図２（ａ）および図２（ｂ）は、ローパス
フィルタ２０および２１を付加したマルチバイブレータ
回路２００の周波数特性を示す図である。マルチバイブ
レータ回路２００は、図２（ａ）および（ｂ）に示され
る周波数特性に応じた信号増幅を行なう。

【００４２】図２（ａ）を参照して、マルチバイブレー
タ回路２００によって生成される信号の電圧利得は、ロ
ーパスフィルタ２０および２１を付加したために高周波
成分の信号の電圧利得が減少している。すなわち、上述
した所望周波数以外の周波数ｆ１の信号の電圧利得につ
いて考慮すると、図５（ａ）においては、電圧利得ｇａ
であり、図２（ａ）においては、電圧利得ｇｂ（＜ｇ
ａ）であるため電圧利得が減少している。

【００４３】図２（ｃ）および図２（ｄ）は、ＬＣ共振
回路１００の周波数特性を示す図である。これらの周波
数特性は、図５で示したＬＣ共振回路１００の周波数特
性と同様である。

【００４４】図２（ｅ）および図２（ｆ）は、ＶＣＯ１
０１０全体の周波数特性を示す図である。

【００４５】ここで、上述したＶＣＯ１０１０の発振条
件について考える。上述した発振条件を満たす周波数を
考えると、図２（ｆ）を参照して、所望周波数ｆ０（Ｈ
ｚ）で発振するように、周波数ｆ０における位相のベク
トル積が０度となるように設計すると、上述したように
位相が０度となるその他の周波数ｆ１が存在する。

【００４６】図２（ｅ）を参照して、ＶＣＯ１０１０の
電圧利得について考える。周波数ｆ０（Ｈｚ）およびｆ
１（Ｈｚ）の周波数における電圧利得を見ると、周波数
ｆ０（Ｈｚ）の電圧利得は１以上であるが周波数ｆ１
（Ｈｚ）の電圧利得は１以下となる。

【００４７】この結果について考察すると、ローパスフ
ィルタ２０および２１は、位相が０度となる他の周波数
ｆ１の電圧利得を１未満にするために、マルチバイブレ
ータ回路２００が出力する、周波数ｆ１を含む高周波成
分の信号を減衰させる。そのため、ＶＣＯ１０１０全体
の高周波成分の信号の電圧利得は、マルチバイブレータ
回路２００が出力した高周波成分の信号の電圧利得の低
下により、全体として低下することになる。

【００４８】したがって、かかる構成とすることにより
所望周波数ｆ０（Ｈｚ）においてのみ発振条件を満たす
ことができ、所望周波数以外の周波数ｆ１（Ｈｚ）につ
いては、発振条件は満たされない。

【００４９】本発明の実施の形態のＶＣＯ１０１０によ
り、電圧利得にマージンを持たせた回路素子の設計をし
た場合においても所望の周波数でのみ発振させることが
できる。

【００５０】（実施の形態２）本発明の実施の形態２
は、実施の形態１の図１のＶＣＯ１０１０と同様の効果
をより簡易な回路構成で提供することを目的としてい
る。

【００５１】図３は、本発明の実施の形態２に従うＶＣ
Ｏ１０２０の回路構成を示す図である。

【００５２】図３を参照して、ＶＣＯ１０２０は、ＬＣ
共振回路１００と、マルチバイブレータ回路２０１とを
含む。

【００５３】マルチバイブレータ回路２０１は、マルチ
バイブレータ回路２００と比較して負荷用抵抗２２およ
び２３をさらに備える点で異なる。

【００５４】マルチバイブレータ回路２０１は、負荷用
抵抗２２および２３を付加することにより、マルチバイ
ブレータ回路２０１をＬＣ共振回路１００側から見た場
合、負荷用抵抗２２および２３と帰還コンデンサ９およ
び１０とによって、抵抗およびコンデンサを含むローパ
スフィルタ２４および２５を形成する。このローパスフ
ィルタ２４および２５は、実施の形態１で説明したロー
パスフィルタ２０および２１と等価なものである。

【００５５】このため、所望周波数のみを発振させるよ
うに負荷用抵抗２２および２３の素子を設計することに
より、所望周波数の電圧利得を減衰させずに、所望周波
数以外の高周波成分の信号の電圧利得を減衰させるロー
パスフィルタを実現することが可能となる。

【００５６】本発明の実施の形態２の構成により、実施
の形態１と同様の効果を得ることができる。また、発振
回路の一例としてマルチバイブレータ回路を用いる事に
より、ＬＣ共振回路１００との間に設けられるローパス
フィルタを特に簡易に形成することが可能である。

【００５７】なお、上記においては、主に電圧制御発振
器であるＶＣＯについて説明してきたが、ＶＣＯに限ら
ず他の発振器においても適用可能である。

【００５８】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００５９】

【発明の効果】請求項１記載の発振器は、発振回路およ
び共振回路に加えて、位相が０度である複数の周波数の
うちの所望周波数以外の周波数を減衰させるフィルタを
備えることにより、所望周波数のみにおいて発振させる
事ができる。

【００６０】請求項２記載の発振器は、フィルタをロー
パスフィルタとすることにより高周波成分の信号をカッ
トするため、所望周波数以外の高周波数成分の信号を減
衰させて所望周波数のみにおいて発振させる事ができ
る。

【００６１】請求項３記載の発振器は、共振回路に可変
容量素子を含み、制御電圧に応じて位相のベクトル積を
０度に設定することができるため発振器の制御性が向上
する。

【００６２】請求項４および５記載の発振器は、発振回
路にさらに第１の抵抗素子および第２の抵抗素子をさら
に備える事により、第１の抵抗素子および第１の帰還容
量素子を含む、第１のローパスフィルタと、第２の抵抗
素子および第２の帰還容量素子を含む、第２のローパス
フィルタとを簡易に形成することができるため回路全体
を簡易に設計する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１に従うＶＣＯ１０１０
の回路構成を示す図である。

【図２】 本発明の実施の形態１に従うＶＣＯ１０１０
の発振条件を示す図である。

【図３】 本発明の実施の形態２に従うＶＣＯ１０２０
の回路構成を示す図である。

【図４】 従来のマルチバイブレータ方式ＶＣＯ１００
０の回路構成を示す図である。

【図５】 電圧利得にマージンを持たせたＶＣＯ１００
０の発振条件を示す図である。

【符号の説明】

２０，２１，２４，２５ ローパスフィルタ、１００
ＬＣ共振回路、２００，２０１ マルチバイブレータ回
路、１０００，１０１０，１０２０ ＶＣＯ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊東 健治 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5J081 AA02 BB01 CC03 CC29 DD03 DD11 EE02 EE18 FF02 FF09 GG01 KK02 KK09 KK22 LL05 MM01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の周波数特性の信号を発振し、増幅
   するための発振回路と、 前記発振回路の位相に対してベクトル積が０度となる位
   相を設定するための共振回路と、 前記発振回路と前記共振回路との間に配置され、前記共
   振回路により前記ベクトル積が０度となる複数の周波数
   の信号のうち所望周波数を除く周波数の信号を所定レベ
   ル以下に減衰させるためのフィルタとを備える、発振
   器。
2. 【請求項２】 前記フィルタは、前記所望周波数よりも
   高い周波数範囲の成分を減衰させるためのローパスフィ
   ルタである、請求項１記載の発振器。
3. 【請求項３】 前記共振回路は、制御電圧に応じて容量
   値が変化する可変容量素子とを含み、 前記共振回路は、前記制御電圧に応じて前記ベクトル積
   が０度となる位相を設定する、請求項１記載の発振器。
4. 【請求項４】 前記発振回路は、 第１および第２のトランジスタと、 前記第１のトランジスタの出力を前記第２のトランジス
   タの制御電極に伝達するための第１の帰還容量素子と、 前記第２のトランジスタの出力を前記第１のトランジス
   タの制御電極に伝達するための第２の帰還容量素子とを
   含み、 前記所望周波数は、前記第１および第２のトランジスタ
   の出力側から出力される、請求項１記載の発振器。
5. 【請求項５】 前記発振回路は、前記共振回路と前記第
   １および第２のトランジスタとの間にそれぞれ接続され
   る第１および第２の抵抗素子をさらに備え、 前記フィルタは、 前記第１の抵抗素子および前記第１の帰還容量素子を含
   んで形成される、前記第１のトランジスタの出力に前記
   所望周波数よりも高い周波数範囲の成分を減衰させるた
   めの第１のローパスフィルタと、 前記第２の抵抗素子および前記第２の帰還容量を含んで
   形成される、前記第２のトランジスタの出力の前記所望
   周波数よりも高い周波数範囲の成分を減衰させるための
   第２のローパスフィルタとを含む、請求項４記載の発振
   器。