JP2003347844A - 電圧制御発振器、ｐｌｌ回路及び半導体装置 - Google Patents

電圧制御発振器、ｐｌｌ回路及び半導体装置

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正之 米川
Takehito Doi
岳人 土井
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu VLSI Ltd
Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】発振周波数帯域を広帯域化しながら、ＣＮ特性
及び直線性の劣化を防止し得る電圧制御発振器を提供す
る。 【解決手段】制御電圧ＶＴに基づく発振周波数の出力信
号ｆvcoを出力するとともに、切替え信号ＶＳＷの入力
に基づいて出力信号ｆvcoの発振周波数帯域を切り替え
る切替え手段を備えた発振部２３と、制御電圧ＶＴに基
づいて、切替え信号ＶＳＷを出力する制御部２８とで電
圧制御発振器が構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ＰＬＬ回路等に
使用される電圧制御発振器（以下ＶＣＯという）に関す
るものである。
【０００２】近年、携帯電話等の移動体通信機器におい
ては、小型化、軽量化及び低価額化がますます要請され
ている。そこで、このような移動体通信機器に使用され
るＶＣＯのＩＣ化が必要となっている。しかし、ＶＣＯ
のＩＣ化については、発振周波数帯域の広域化、入出力
特性の直線性の確保、ノイズ特性、製造ばらつきによる
発振周波数帯域の変動等の課題があり、これらの課題を
解決することが必要となっている。
【０００３】
【従来の技術】図１０は、ＶＣＯの従来例を示す。イン
ダクタ１ａ，１ｂの一端には電源Ｖccがそれぞれ供給さ
れ、他端間には可変容量２ａ，２ｂが接続される。前記
可変容量２ａ，２ｂ間に制御電圧ＶＴが入力される。前
記可変容量２ａ，２ｂは、制御電圧ＶＴに基づいてその
容量値が変化する。
【０００４】前記インダクタ１ａ，１ｂの他端間には、
固定容量３が可変容量２ａ，２ｂに対し並列となるよう
に、接続される。前記インダクタ１ａの他端にはＮＰＮ
トランジスタＴr1のコレクタが接続され、前記インダク
タ１ｂの他端にはＮＰＮトランジスタＴr2のコレクタが
接続されている。
【０００５】前記トランジスタＴr1のベースは、トラン
ジスタＴr2のベースに接続され、同トランジスタＴr2の
ベースはトランジスタＴr1のベースに接続されている。
前記トランジスタＴr1，Ｔr2のエミッタはそのトランジ
スタＴr1，Ｔr2にエミッタ電流を供給する電流源４に接
続される。
【０００６】そして、前記トランジスタＴr1，Ｔr2のコ
レクタから相補出力信号ＯＵＴ，ＸＯＵＴがＶＣＯの出
力信号ｆvcoとして出力される。このように構成された
ＶＣＯでは、電源Ｖccの供給に基づいて発振動作を行
い、出力信号ｆvcoの発振周波数は、次式で表される。
【０００７】
【数１】 ここで、Ｌはインダクタ１ａ，１ｂのインダクタンス
値、Ｃは可変容量２ａ，２ｂと固定容量３の容量値の総
和である。
【０００８】従って、制御電圧ＶＴに基づいて可変容量
２ａ，２ｂの容量値が変化すると、出力信号ｆvcoの周
波数が変化する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記のようなＶＣＯを
ＰＬＬ回路に搭載する場合には、ＰＬＬ回路のロックレ
ンジを広帯域化するために、ＶＣＯの発振周波数帯域を
広帯域化する必要がある。
【００１０】ところが、図１１に示すように、ＶＣＯの
発振周波数帯域を広帯域化すると、ＣＮ（キャリヤ・ノ
イズ）特性の劣化及び制御電圧ＶＴの変化に対する出力
信号ｆvcoの直線性の劣化等が発生する。
【００１１】一方、図１２に示すように、ＶＣＯの発振
周波数帯域を狭帯域化すれば、ＣＮ特性及び直線性の劣
化を防止することができる。しかし、ＰＬＬループのロ
ックレンジが狭帯域化するとともに、製造ばらつきによ
り発振周波数帯域が設定値から外れてしまう等、製造ば
らつきに対するマージンが低下するという問題点があ
る。
【００１２】この発明の目的は、発振周波数帯域を広帯
域化しながら、ＣＮ特性及び直線性の劣化を防止し得る
電圧制御発振器を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】図１は、本発明の原理説
明図である。すなわち、制御電圧ＶＴに基づく発振周波
数の出力信号ｆvcoを出力するとともに、切替え信号Ｖ
ＳＷの入力に基づいて前記出力信号ｆvcoの発振周波数
帯域を切り替える切替え手段を備えた発振部２３と、前
記制御電圧ＶＴに基づいて、前記切替え信号ＶＳＷを出
力する制御部２８とで電圧制御発振器が構成される。
【００１４】また、図２〜図４に示すように、前記発振
部２３は、インダクタ１ａ，１ｂと、制御電圧ＶＴに基
づいて容量が変化する可変容量２ａ，２ｂと、固定容量
Ｃ１〜Ｃ３とで前記発振周波数帯域を設定可能とし、前
記切替え手段は、切替え信号ＶＳＷ１〜ＶＳＷ３に基づ
いて並列に接続する固定容量の数を選択するスイッチ回
路ＳＷ１〜ＳＷ３とから構成した。
【００１５】
【発明の実施の形態】図９は、この発明を具体化したＶ
ＣＯを搭載するＰＬＬ回路の一例を示す。発振器１１は
水晶振動子の発振に基づく固有周波数の基準クロック信
号ＣＫを基準分周器１２に出力する。基準分周器１２は
カウンタ回路で構成され、シフトレジスタ１３で設定さ
れる分周比に基づいて、前記基準クロック信号ＣＫを分
周した基準信号ｆｒを位相比較器１４に出力する。
【００１６】前記位相比較器１４には、比較分周器１５
から比較信号ｆｐが入力される。そして、位相比較器１
４は前記基準信号ｆｒと比較信号ｆｐとの周波数差及び
位相差に応じたパルス信号ΦＲ，ΦＰをチャージポンプ
１６に出力する。
【００１７】前記チャージポンプ１６は、前記位相比較
器１４から出力されるパルス信号ΦＲ，ΦＰに基づい
て、出力信号ＳＣＰをＬＰＦ（ローパスフィルタ）１７
に出力する。
【００１８】この出力信号ＳＣＰは、直流成分にパルス
成分が含まれたものであり、その直流成分はパルス信号
ΦＲ，ΦＰの周波数変動にともなって変化し、パルス成
分はパルス信号ΦＲ，ΦＰの位相差に基づいて変化す
る。
【００１９】前記ＬＰＦ１７は、チャージポンプ１６の
出力信号ＳＣＰを平滑して高周波成分を除去した出力信
号をＶＣＯ１８に制御電圧ＶＴとして出力する。前記Ｖ
ＣＯ１８は、前記制御電圧ＶＴに応じた周波数の出力信
号ｆvcoを外部回路に出力するとともに、前記比較分周
器１５に出力する。
【００２０】前記比較分周器１５は、パルススワロー方
式であって、プリスケーラ１９と、メインカウンタ２０
と、スワローカウンタ２１と、制御回路２２とから構成
される。
【００２１】前記出力信号ｆvcoは、前記プリスケーラ
１９に入力され、そのプリスケーラ１９はＶＣＯ１８の
出力信号ｆvcoの周波数をＭ分周若しくはＭ＋１分周し
て、メインカウンタ２０及びスワローカウンタ２１に出
力信号Ｐoutとして出力する。
【００２２】前記スワローカウンタ２１は、プリスケー
ラ１９の出力信号ＰoutをＡ分周して、その出力信号を
前記制御回路２２に出力する。前記制御回路２２は、ス
ワローカウンタ２１の分周信号に基づいて、前記プリス
ケーラ１９に例えばＬレベルのモジュラス信号ＸＭＤを
出力する。プリスケーラ１９はそのモジュラス信号ＸＭ
Ｄに基づいて、ＶＣＯ１８の出力信号ｆvcoをＭ分周し
た出力信号Ｐoutを出力する。
【００２３】また、スワローカウンタ２１がＡ個のパル
スをカウントしている間は、制御回路２２は例えばＨレ
ベルのモジュラス信号ＸＭＤを出力し、プリスケーラ１
９はそのモジュラス信号ＸＭＤに基づいて、ＶＣＯ１８
の出力信号ｆvcoをＭ＋１分周した出力信号Ｐoutを出力
する。
【００２４】前記メインカウンタ２０の分周比は、前記
シフトレジスタ１３で設定され、プリスケーラ１９の出
力信号ＰoutをＮ分周して、前記位相比較器１４に比較
信号ｆｐとして出力する。また、メインカウンタ２０の
分周信号は前記制御回路２２に出力され、制御回路２２
はメインカウンタ２０がプリスケーラ１９の出力信号Ｐ
outをＮ分周する毎に、スワローカウンタ２１に起動信
号を出力する。
【００２５】従って、上記ＰＬＬ回路ではメインカウン
タ２０がプリスケーラ１９の出力信号ＰoutをＮ分周す
る毎にスワローカウンタ２１が動作して、プリスケーラ
１９の出力信号Ｐoutをカウントする。
【００２６】このような動作を行って、基準信号ｆｒと
比較信号ｆｐの周波数及び位相が一致するように、ＶＣ
Ｏ１８の周波数がロックアップされる。前記ＶＣＯ１８
の具体的構成を図２に従って説明する。前記制御電圧Ｖ
Ｔは、発振部２３に入力される。前記発振部２３は、図
３に示すように、容量部２４を除いて、前記従来例のＶ
ＣＯと同様である。
【００２７】前記容量部２４は、図４に示すように、両
側にそれぞれスイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷ３が接続された
容量Ｃ１〜Ｃ３が並列に接続され、そのスイッチ回路Ｓ
Ｗ１〜ＳＷ３は、スイッチ制御信号ＶＳＷ１〜ＶＳＷ３
に基づいて開閉される。
【００２８】各スイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷ３は、例えば
ＰチャネルＭＯＳトランジスタとＮチャネルＭＯＳトラ
ンジスタとを並列に接続したトランスミッションゲート
で構成される。そして、対応するスイッチ制御信号ＶＳ
Ｗ１〜ＶＳＷ３がＬレベルとなったとき導通状態とな
り、Ｈレベルとなったとき不導通となるように設定され
る。
【００２９】従って、各スイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷ３が
すべて導通状態となったとき、容量部２４の容量は、容
量Ｃ１〜Ｃ３の容量値の総和となる。このとき、発振部
２３の制御電圧ＶＴに基づく出力信号ｆvcoの発振周波
数帯域は、図６に示すＡ帯で推移する。
【００３０】また、スイッチ回路ＳＷ２，ＳＷ３のみが
導通状態となると、容量部２４の容量は容量Ｃ２，Ｃ３
の容量値の和となる。このとき、発振部２３の制御電圧
ＶＴに基づく出力信号ｆvcoの発振周波数帯域は、図６
に示すＢ帯で推移する。
【００３１】また、スイッチ回路ＳＷ３のみが導通状態
となると、容量部２４の容量は容量Ｃ３の容量値とな
る。このとき、発振部２３の制御電圧ＶＴに基づく出力
信号ｆvcoの発振周波数帯域は、図６に示すＣ帯で推移
する。
【００３２】前記スイッチ制御信号ＶＳＷ１〜ＶＳＷ３
は、図２に示すように、制御部２８を構成する比較器２
５〜２７で生成される。前記比較器２５〜２７には前記
制御電圧ＶＴが入力される。各比較器２５〜２７は、ヒ
ステリシス特性を備えた比較器である。
【００３３】前記比較器２５の特性は、図５（ａ）に示
すように、立上がり側しきい値ＶthＨ１と立下り側しき
い値ＶthＬ１とを備えている。そして、Ｌレベルのスイ
ッチ制御信号ＶＳＷ１を出力している状態では、制御電
圧ＶＴがしきい値ＶthＨ１より高くなったとき、スイッ
チ制御信号ＶＳＷ１をＨレベルとする。また、Ｈレベル
のスイッチ制御信号ＶＳＷ１を出力している状態では、
制御電圧ＶＴがしきい値ＶthＬ１より低くなったとき、
スイッチ制御信号ＶＳＷ１をＬレベルとする。
【００３４】前記比較器２６は、図５（ｂ）に示すよう
に、立上がり側しきい値ＶthＨ２と立下り側しきい値Ｖ
thＬ２とに基づいて、比較器２５と同様に動作する。し
きい値ＶthＨ２は、しきい値ＶthＨ１より高く、しきい
値ＶthＬ２はしきい値ＶthＬ１より高い電圧に設定され
る。
【００３５】前記比較器２７は、図５（ｃ）に示すよう
に、立上がり側しきい値ＶthＨ３と立下り側しきい値Ｖ
thＬ３とに基づいて、比較器２５と同様に動作する。し
きい値ＶthＨ３は、Ｖしきい値ＶthＨ２より高く、しき
い値ＶthＬ３はしきい値ＶthＬ２より高い電圧に設定さ
れる。
【００３６】次に、上記のように構成されたＶＣＯ１８
の動作を説明する。さて、前記ＰＬＬ回路の起動時に、
制御電圧ＶＴが比較器２５のしきい値ＶthＬ１より低い
レベルから上昇するとき、制御電圧ＶＴがしきい値Ｖth
Ｈ１を越えるまでは、各比較器２５〜２７から出力され
るスイッチ制御信号ＶＳＷ１〜ＶＳＷ３はすべてＬレベ
ルとなり、発振部２３は図６に示すＡ帯で動作する。
【００３７】この状態で、例えば図６に示すａ点のよう
に、制御電圧ＶＴが比較器２５のしきい値ＶthＨ１を越
えない範囲で、発振部２３の出力信号ｆvcoが収束しか
つロックされれば、発振部２３はＡ帯で動作する状態に
維持される。
【００３８】次いで、ＰＬＬ回路のロック設定周波数が
ｃ点に移動すると、制御電圧ＶＴが上昇する。そして、
制御電圧ＶＴが比較器２５のしきい値ＶthＨ１を越える
と、比較器２５から出力されるスイッチ制御信号ＶＳＷ
１はＨレベルとなる。
【００３９】すると、スイッチ回路ＳＷ１は不導通とな
って、容量部２４の容量値は容量Ｃ２，Ｃ３の容量値の
和となって小さくなり、発振部２３はＡ帯のｂ点からＢ
帯のｄ点に移動する。
【００４０】そして、出力信号ｆvcoをｃ点に収束する
ために、制御電圧ＶＴが低下し、やがてｃ点に収束す
る。このとき、制御電圧ＶＴが比較器２５のしきい値Ｖ
thＬ１を下回るまで、比較器２５から出力されるスイッ
チ制御信号ＶＳＷ１はＨレベルに維持されるので、発振
部２３はＢ帯で動作する。
【００４１】この状態から、ＰＬＬ回路のロック設定周
波数がｅ点に移動すると、制御電圧ＶＴが上昇する。そ
して、制御電圧ＶＴが比較器２６のしきい値ＶthＨ２を
越えると、比較器２６から出力されるスイッチ制御信号
ＶＳＷ２はＨレベルとなる。
【００４２】すると、スイッチ回路ＳＷ２は不導通とな
って、容量部２４の容量値は容量Ｃ３の容量値となって
小さくなり、発振部２３はＢ帯のｆ点からＣ帯のｇ点に
移動する。
【００４３】そして、出力信号ｆvcoをｅ点に収束させ
るために、制御電圧ＶＴが低下し、やがてｅ点に収束す
る。このとき、制御電圧ＶＴが比較器２６のしきい値Ｖ
thＬ２を下回るまで、比較器２６から出力されるスイッ
チ制御信号ＶＳＷ２はＨレベルに維持されるので、発振
部２３はＣ帯で動作する。
【００４４】また、ＰＬＬ回路のロック設定周波数が例
えばｅ点から再びｃ点に移動すると、制御電圧ＶＴが低
下する。そして、制御電圧ＶＴが比較器２６のしきい値
ＶthＬ２を下回ると、比較器２６から出力されるスイッ
チ制御信号ＶＳＷ２はＬレベルとなる。
【００４５】すると、スイッチ回路ＳＷ２が導通して、
容量部２４の容量値は容量Ｃ２，Ｃ３の容量値の和とな
り、発振部２３はＢ帯のｈ点に移行する。そして、出力
信号ｆvcoをｃ点に収束させるために、制御電圧ＶＴが
上昇し、やがてｃ点に収束する。ｉ点からｊ点への移行
によるＢ帯からＡ帯への移行も上記と同様な動作とな
る。
【００４６】上記のように構成されたＶＣＯ１８では、
次に示す作用効果を得ることができる。 （１）制御電圧ＶＴに基づいて、Ａ帯、Ｂ帯、Ｃ帯のい
ずれかの発信周波数帯域を自動的に選択して、出力信号
ｆvcoの周波数をロック設定周波数に収束させることが
できる。 （２）Ａ帯、Ｂ帯、Ｃ帯の各発振周波数帯域を狭帯域化
することができるので、制御電圧ＶＴに対する出力信号
ｆvcoのＣＮ特性及び直線性を向上させることができ
る。 （３）Ａ帯、Ｂ帯、Ｃ帯を自動的に切り替えることによ
り、ＶＣＯ１８としての発振周波数帯域を広帯域化する
ことができる。従って、ＰＬＬ回路のロックレンジを広
帯域化することができるとともに、製造ばらつきに対す
るマージンを確保することが容易である。 （４）各比較器２５〜２７がヒステリシスを備え、Ａ
帯、Ｂ帯、Ｃ帯の各発振周波数帯域がオーバーラップし
ているので、発振周波数帯域の切替えを円滑に行うこと
ができる。
【００４７】上記実施の形態は、次に示すように変更す
ることもできる。 ・容量部２４の容量値をさらに多段階に切り替えること
により、各容量値に対応する発振周波数帯域をさらに狭
帯域化して、ＣＮ特性及び直線性の向上図ったり、ある
いはＶＣＯとしての発振周波数帯域をさらに広帯域化す
ることができる。 ・前記実施の形態では、容量部２４の容量値を切り替え
ることにより、発振部２３の発振周波数帯域を切り替え
る構成としたが、図７に示すように、インダクタの値を
スイッチ制御信号ＶＳＷ１〜ＶＳＷ３で切り替えるよう
にしてもよい。 ・図８に示すように、可変容量の容量値をスイッチ制御
信号ＶＳＷ１〜ＶＳＷ３で切り替えるようにしてもよ
い。
【００４８】
【発明の効果】以上詳述したように、この発明は発振周
波数帯域を広帯域化しながら、ＣＮ特性及び直線性の劣
化を防止し得る電圧制御発振器を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の原理説明図である。
【図２】 ＶＣＯを示す回路図である。
【図３】 発振部を示す回路図である。
【図４】 容量部を示す回路図である。
【図５】 比較器の動作を示す説明図である。
【図６】 ＶＣＯの動作を示す説明図である。
【図７】 別例を示す回路図である。
【図８】 別例を示す回路図である。
【図９】 ＰＬＬ回路を示すブロック図である。
【図１０】 従来例を示す回路図である。
【図１１】 従来例の動作を示す説明図である。
【図１２】 従来例の動作を示す説明図である。
【符号の説明】
２３ 発振部 ２８ 制御部 ｆvco 出力信号 ＶＴ 制御電圧 ＶＳＷ 切替え信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土井 岳人 愛知県春日井市高蔵寺町二丁目1844番２ 富士通ヴィエルエスアイ株式会社内 Ｆターム(参考） 5J081 AA02 BB10 CC07 CC22 DD03 DD11 EE02 EE03 FF25 GG01 KK02 KK07 KK21 KK23 LL05 MM01 MM03 5J106 AA04 CC01 CC21 CC41 CC52 CC53 DD17 DD32 DD39 JJ01 KK05 KK08

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 制御電圧に基づく発振周波数の出力信号
    を出力するとともに、切替え信号の入力に基づいて前記
    出力信号の発振周波数帯域を切り替える切替え手段を備
    えた発振部と、 前記制御電圧に基づいて、前記切替え信号を出力する制
    御部とを備えたことを特徴とする電圧制御発振器。
  2. 【請求項２】 前記発振部は、インダクタと、前記制御
    電圧に基づいて容量が変化する可変容量と、固定容量と
    で前記発振周波数帯域を設定可能とし、 前記切替え手段は、前記切替え信号に基づいて並列に接
    続する前記固定容量の数を選択するスイッチ回路とから
    構成したことを特徴とする請求項１記載の電圧制御発振
    器。
  3. 【請求項３】 前記発振部は、インダクタと、前記制御
    電圧に基づいて容量が変化する可変容量と、固定容量と
    で前記発振周波数帯域を設定可能とし、 前記切替え手段は、複数のインダクタと、前記切替え信
    号に基づいて並列に接続する前記インダクタの数を選択
    するスイッチ回路とから構成したことを特徴とする請求
    項１記載の電圧制御発振器。
  4. 【請求項４】 前記発振部は、インダクタと、前記制御
    電圧に基づいて容量が変化する可変容量と、固定容量と
    で前記発振周波数帯域を設定可能とし、 前記切替え手段は、前記切替え信号に基づいて並列に接
    続する前記可変容量の数を選択するスイッチ回路とから
    構成したことを特徴とする請求項１記載の電圧制御発振
    器。
  5. 【請求項５】 前記制御部は、それぞれ異なるしきい値
    を備えた複数の比較器で構成したことを特徴とする請求
    項２乃至４のいずれかに記載の電圧制御発振器。
  6. 【請求項６】 前記比較器は、立上がり側しきい値が、
    立下り側しきい値より高くなるヒステリシスを備えたこ
    とを特徴とする請求項５記載の電圧制御発振器。
  7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれかに記載の電圧
    制御発振器を備えたことを特徴とするＰＬＬ回路。
  8. 【請求項８】 請求項７記載のＰＬＬ回路を搭載したこ
    とを特徴とする半導体装置。
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