JP2005094282A - 通信用半導体集積回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】送信用発振回路を半導体チップに内蔵させる場合に、広い周波数範囲に亘って発振動作することができるとともに、発振周波数の精度を、送信スペクトラムの劣化を防止することができる通信用半導体集積回路(高周波IC)を提供する。
【解決手段】送信用発振回路(TXVCO240)のKV特性のばらつきを、位相制御ループ内のチャージポンプ(237)の電流Icpを調整することで補正するようにした。より具体的には、送信用VCOのKV値Kvを測定して、Kv・Icpが所定の値になるようにチャージポンプの電流Icpを調整するようにした。
【選択図】図2

Description

本発明は、発振周波数を切り替えることが可能な電圧制御発振回路(VCO)を半導体チップに内蔵させる場合に適用して有効な技術に関し、例えば、複数バンドの信号を送受信可能な携帯電話機のような無線通信装置に用いられて送信信号を変調したりアップコンバートしたりする高周波用半導体集積回路における送信用VCOの制御ループに利用して有効な技術に関する。
携帯電話機等の無線通信装置(移動体通信装置)の方式の一つに、GSM(Global System for Mobile Communication)と呼ばれる方式がある。このGSM方式においては、搬送波の位相を送信データに応じてシフトするGMSK(Gaussian Minimum Shift Keying )と呼ばれる位相変調方式が用いられている。
ところで、近年のGSM方式等の携帯電話機においては、GMSK変調モードの他に、搬送波の位相成分と振幅成分を変調する3π/8rotating8−PSK(Phase Shift Keying)変調モードを有するEDGE(Enhanced Data Rates for GMS Evolution)と呼ばれるシステムが実用化されつつある。1シンボル当たり1ビットの情報を送るGMSK変調に対し、3π/8rotating8−PSK(以下、8−PSKと称する)変調では1シンボル当たり3ビットの情報を送ることができるため、EDGEモードはGMSKモードに比べて高い伝送レート(384kbps)による通信が可能である。
送信信号の位相成分と振幅成分にそれぞれ情報を持たせる変調方式の実現方法としては、送信したい信号を位相成分と振幅成分に分離した後、位相制御ループと振幅制御ループでそれぞれフィードバックをかけて制御した後、アンプで合成して出力するポーラループと呼ばれる方式が従来より知られている(例えば、ARTECH HOUSE,INC.が1979年に出版の"High Linearity RF Amplifier Design "by Kenington,Peter B.の第162頁)。
ところで、近年、無線通信システムにおいては、部品点数を減らしてシステムの小型化および低コスト化を図るため、できるだけ多くの回路を1つあるいは数個の半導体集積回路内に取り込む努力がなされている。その一つに、送信用発振器を、変復調機能を有する半導体集積回路(以下、高周波ICと称する)に内蔵させる試みがあり、GSM方式の通信システムを構成する高周波ICに関しては、送信用発振器をオンチップ化させたものが、本出願人等によって開発され提案されている(特許文献1)。
特願2003−048631号
本発明者等は、EDGE方式の通信システムを構成する高周波ICに送信用発振器を内蔵させる技術について検討を行なった。その結果、以下のような問題点があることが明らかになった。なお、本発明者等が検討したEDGEシステムにおけるポーラループ方式は、位相制御ループに関しては送信用発振器の出力または高周波電力増幅回路(以下、パワーアンプと称する)の出力を検出して基準信号と比較する位相比較回路にフィードバックさせ、振幅制御ループに関してはパワーアンプの出力を検出して基準信号と比較する振幅比較回路にフィードバックさせる方式である。かかるポーラループ方式については、本出願人等によって提案された特許出願(特願2003−54042号)に開示されている。
ところで、従来、携帯電話機においては、例えば880〜915MHz帯のGSMと1710〜1785MHz帯のDCS(Digital Cellular System)のような2つの周波数帯の信号を扱えるデュアルバンド方式の携帯電話機がある。また、かかるデュアルバンド方式の携帯電話機においては、それぞれの周波数帯に対応した送信用発振器(以下、送信用VCOと称する)を2つ設け、送信用VCOを切り替えることにより2つの方式に対応することができるようにしたものがある。
ところが、近年においては、GSMやDCSの他に例えば1850〜1915MHz帯のPCS(Personal Communication System)の信号を扱えるトリプルバンド方式の携帯電話機に対する要求がある。また、携帯電話機は今後さらに多くの方式に対応できるものが要求されると予想される。このような複数の方式に対応できる携帯電話機に使用される送信用VCOは発振帯域(発振可能な周波数範囲)が広いことが必要である。
一方、半導体チップに内蔵させた送信用VCOの性能を決める大きな要因に、インダクタなどの受動素子のQ値がある。受動素子のQ値は、現在の半導体製造技術では半導体チップ上に形成された素子の方がディスクリートの部品で構成された素子よりも低くなってしまう。そこで、インダクタとして外付け素子を用いるようにしているものもある。しかしながら、それでは部品点数の削減が充分に達成されない。従って、インダクタをも含めてオンチップ化することが重要である。
しかし、オンチップ化されたVCOの発振帯域は、受動素子のQ値が低いため、ディスクリート部品である発振モジュールの発振帯域よりも狭くなるという不具合がある。かかる課題を解決するため、前記先願発明(特願2003−48631号)では、送信用VCOの容量値を段階的に変更可能な構成を設け、使用周波数帯に応じていずれかの容量値を選択して発振周波数を切り替えるようにしたマルチバンド方式の送信用VCOを採用している。
ただし、前記先願発明はGMSK変調のみをサポートするGSMシステム用の高周波ICに送信用VCOを内蔵させるための技術に留まる。本発明者らは、EDGEシステム用の高周波ICにマルチバンド方式の送信用VCOを内蔵させる際に生じる技術的課題について検討した。その結果、製造ばらつきにより送信用VCOを構成するオンチップの容量素子の容量値が設計値からずれると、各バンドのKV特性(電圧−周波数感度)が所望の特性からずれて制御ループのループゲインが変化してしまい、EVM(エラーベクトルマグニチュード)が劣化するとともに、搬送波の周波数から0.4MHz離れた周波数の信号レベルの減衰量を意味するスペクトラル・リグロース(送信スペクトラム)が劣化してしまうことが明らかとなった。
ここで、EVMが劣化すると変調精度が低下し、スペクトラル・リグロースが劣化すると隣接チャネルへのノイズの漏れ量が多くなるため、EVMの劣化も送信スペクトラムの劣化もできるだけ防止する必要がある。なお、位相制御と振幅制御を別々に行なうポーラループ方式では、送信用VCOの信号は位相変調成分のみ有し振幅変調成分を持たないのに送信用VCOのKV特性のばらつきでEVMが劣化するのは、PSK変調では位相と振幅との間に密接な関係があり、位相の誤差は振幅の誤差に影響を与えるためであると考えられる。
この発明の目的は、送信用発振回路を半導体チップに内蔵させる場合に、広い周波数範囲に亘って発振動作することができるとともに、発振周波数の精度を高めることができる通信用半導体集積回路(高周波IC)を提供することにある。
この発明の他の目的は、送信用発振回路を半導体チップに内蔵させる場合に、製造ばらつきに伴う送信用発振回路のKV特性の変化によるEVMの劣化および送信スペクトラムの劣化を防止することができる通信用半導体集積回路を提供することにある。
この発明のさらに他の目的は、特に位相変調と振幅変調を行なうEDGEシステムを構成する通信用半導体集積回路に送信用発振回路を内蔵させる場合に利用して有効な技術を提供することにある。
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添附図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、送信用発振回路(送信用VCO)を含むPLL制御ループにおいて、送信用VCOのKV特性のばらつきを、制御ループ内のチャージポンプの電流Icpを調整することで補正するようにしたものである。より具体的には、送信用VCOのKV値Kv(=発振周波数範囲/制御電圧範囲)を測定して、Kv・Icpが所定の値になるようにチャージポンプの電流Icpを調整する。また、送信用VCOのKV特性のばらつきをチャージポンプの電流Icpで補正する場合、チャージポンプの電流Icpがずれていたのでは正しい調整が行なえないので、送信用VCOのKV特性を補正する前に、先ずチャージポンプの電流を測定して電流のずれを補正する。
上記した手段によれば、送信用VCOを含むPLL制御ループにおいて、送信用VCOのKV特性がばらついても、Kv・Icp=一定となるようにチャージポンプの電流Icpを調整することにより、EVMの劣化を防止して変調精度を高めることができる。
本発明は、特にポーラループ方式で8−PSK変調の位相制御と振幅制御を行なうEDGEシステムを構成する通信用半導体集積回路に送信用発振回路を内蔵させる場合に利用すると有効である。その理由は、以下のとおりである。
ポーラループ方式では、送信用VCOのKV特性がずれると、位相制御ループのループゲインが変動するため、送信スペクトラムが劣化するおそれがある。具体的には、2つの極ωp1,ωp2と1つのゼロ点ωzを有する位相制御ループのループゲインの周波数特性を図示すると、図12のようになり、極とゼロ点の位置はループフィルタによって固定されているため、送信用VCOのKV特性がずれると、ループゲインの周波数特性は同図に破線で示すように上下にシフトする。そのため、KV特性のばらつきで位相制御ループの雑音抑圧度が変動し、送信スペクトラムの劣化を招いてしまう。従って、上記した手段により送信用VCOのKV特性のばらつきを補正することにより、送信スペクトラムを向上させることができる。
また、ポーラループでは、送信信号が位相成分と振幅成分に分離され、それぞれ位相制御ループと振幅制御ループにより制御された後、パワーアンプにて合成されて出力されるため、位相成分と振幅成分の周波数帯域が合っていないと変調精度が悪化する。表1に、ポーラループ方式を採用した送信回路において位相制御ループと振幅制御ループの周波数帯域を色々変えて8−PSK変調モードで動作させたときの変調精度(EVM)のシミュレーション結果を示す。
Figure 2005094282
また、表2には、同様の条件でシミュレーションを行なって得られたスペクトラル・リグロースを示す。
Figure 2005094282
表1および表2においては、左上から右下に向かう対角線上の数値が2つのループの周波数帯域が合っている状態での数値を示している。表1および表2より、位相制御ループと振幅制御ループの周波数帯域が合っているほど変調精度およびスペクトラル・リグロースは良好になることが分かる。従って、位相制御ループの周波数帯域と振幅制御ループの周波数帯域を、それぞれのループフィルタで同一の帯域(例えば搬送波の周波数±1.8MHz)に設定するのがよい。
しかし、そのように設定した場合であっても、送信用VCOのKV特性がばらついてVCOの発振周波数範囲と位相制御ループのループ帯域との関係が所望の関係からずれると、VCOの発振周波数範囲と振幅制御ループのループ帯域との関係も所望の関係からずれてしまう。そのため、位相制御精度および振幅制御精度が低下するおそれがあるが、VCOのKv・Icpを補正することによりVCOの発振周波数範囲と位相制御ループのループ帯域との関係およびVCOの発振周波数範囲と振幅制御ループのループ帯域との関係が所望の関係となるようにすることができ、それによって位相制御精度のみならず振幅制御精度も向上させることができる。
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、本発明に従うと、送信用発振回路(TXVCO)を多バンド構成にしたことによりTXVCOを半導体チップに内蔵させた場合にも、広い周波数範囲に亘って発振動作することができるとともに、容量素子のばらつきによりKV値がずれたとしてもこれを補正することができるため発振周波数の精度を高めることができる。
また、位相成分の変調と振幅成分の変調を行なうEDGEシステムを構成する通信用半導体集積回路(高周波IC)にTXVCOを内蔵させた場合には、製造ばらつきでTXVCOのKV特性が所望の特性からずれると、EVMが劣化するとともに送信スペクトラムが劣化するおそれがあるが、上記実施例を適用することによってTXVCOのKV値のずれを補正することができるためEVMを良好にして変調精度を向上させるとともに、送信スペクトラムの劣化を防止することができる。
次に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
図1は、本発明に係る送信用発振回路を内蔵した通信用半導体集積回路(高周波IC)及びそれを用いた無線通信システムの一実施例を示すブロック図である。この実施例は、位相制御ループと振幅制御ループを有するいわゆるポーラループ方式で8−PSK変調を行なうEDGE方式の無線システムに適用したものである。
図1に示す無線通信システムは、信号電波を送受信するアンテナ100と、送受信を切り替えるスイッチ110と、受信信号から不要波を除去するSAWフィルタなどからなるバンドパスフィルタ120と、送信信号を増幅する高周波電力増幅回路(パワーアンプ)130と、受信信号を復調したり送信信号を変調したりする高周波IC200と、送信データをI,Q信号に変換したり高周波IC200を制御したりするベースバンド回路300とからなる。この実施例では、高周波IC200およびベースバンド回路300は、各々別個の半導体チップ上にそれぞれ半導体集積回路として構成されている。
特に制限されるものでないが、この実施例の高周波IC200は、GSM850とGSM900、DCS1800、PCS1900の4つの通信方式による信号の変復調が可能に構成されている。また、これに応じて、バンドパスフィルタ120は、GSM系の周波数帯の受信信号を通過させるフィルタと、DCS1800の周波数帯の受信信号を通過させるフィルタと、PCS1900の周波数帯の受信信号を通過させるフィルタとからなる。
本実施例の高周波IC200は、大きく分けると、受信系回路と、送信系回路と、それ以外の制御回路やクロック系回路などの送受信系に共通の回路からなる制御系回路とで構成される。
受信系回路は、受信信号を増幅するロウノイズアンプ210と、高周波用発振回路(RFVCO)250で生成された発振信号φRFを分周し互いに90°位相がずれた直交信号を生成する分周移相回路211と、ロウノイズアンプ210で増幅された受信信号に分周移相回路211で分周された直交信号を合成することで復調を行なうミキサからなる復調回路212a,212bと、復調されたI,Q信号をそれぞれ増幅してベースバンド回路300へ出力する高利得増幅部(PGA)220A,220Bなどからなる。
送信系回路TXCは、例えば640MHzのような中間周波数の発振信号φIFを生成する発振回路(IFVCO)230と、該発振回路230で生成された発振信号φIFを分周しかつ互いに90°位相がずれた直交信号を生成する分周移相回路232と、生成された直交信号をベースバンド回路300から供給されるI信号とQ信号により変調をかけるミキサからなる変調回路233a,233bと、変調された信号を合成する加算器234と、所定の周波数の送信信号φTXを発生する送信用発振回路(TXVCO)240a,240bと、送信用発振回路240a,240bから出力される送信信号φTX(フィードバック信号)と高周波用発振回路(RFVCO)250で生成された発振信号φRFを分周した信号φRF'とを合成することでそれらの周波数差に相当する周波数の信号を生成するオフセットミキサ253aと、該オフセットミキサ253aの出力と前記加算器234で合成された信号TXIFとを比較して周波数差および位相差を検出する位相比較回路236と、該位相検出回路236の出力に応じた電圧を生成するチャージポンプ&ループフィルタ237と、高周波電力増幅回路130から出力される送信出力をカプラ等で抽出したフィードバック信号と高周波用発振回路(RFVCO)250で生成された発振信号φRF'とを合成することでそれらの周波数差に相当する周波数の信号を生成する第2のオフセットミキサ235bと、該オフセットミキサ235bの出力と前記加算器234で合成された信号TXIFとを比較して振幅差を検出する振幅比較回路238と、検出された振幅差に応じた電圧とベースバンドIC300からの出力レベル指示信号Vrampとから高周波電力増幅回路130の利得を制御する信号Vapcを生成するPA出力制御回路239などから構成されている。
送信用発振回路240a,240bのうち一方はGSM用の850〜900MHz帯の信号を生成する回路、他方はDCSおよびPCS用の1800〜1900MHz帯の信号を生成する回路である。
また、この実施例の高周波IC200のチップ上には、チップ全体を制御する制御回路260と、前記高周波用発振回路(RFVCO)250と共にRF用PLL回路を構成するRFシンセサイザ261と、前記中間周波数の発振回路(IFVCO)230と共にIF用PLL回路を構成するIFシンセサイザ262と、これらのシンセサイザ261および262の基準クロックとなるクロック信号φrefを生成する基準発振回路(VCXO)264とが設けられている。シンセサイザ261および262は、それぞれ位相比較回路とチャージポンプとループフィルタなどで構成される。
なお、基準発振信号φrefは周波数精度の高いことが要求されるため、基準発振回路264には外付けの水晶振動子Xtalが接続される。基準発振信号φrefとしては、26MHzあるいは13MHzのような周波数が選択される。かかる周波数の水晶振動子は汎用部品であり容易に手に入れることができるためである。
制御回路260には、コントロールレジスタが設けられ、このレジスタにはベースバンドIC300からの信号に基づいて設定が行なわれる。具体的には、ベースバンドIC300から高周波IC200に対して同期用のクロック信号CLKと、データ信号SDATAと、制御信号としてロードイネーブル信号LENとが供給されており、制御回路260は、ロードイネーブル信号LENが有効レベルにアサートされると、ベースバンドIC300から伝送されてくるデータ信号SDATAをクロック信号CLKに同期して順次取り込んで、上記コントロールレジスタにセットする。特に制限されるものでないが、データ信号SDATAはシリアルで伝送される。ベースバンドIC300はマイクロプロセッサなどから構成される。
制御回路260内のコントロールレジスタは、特に制限されるものでないが、高周波用発振回路(RFVCO)250や中間周波数の発振回路(IFVCO)230におけるVCOの周波数測定を開始させる制御ビットや、受信モード、送信モード、アイドルモードなどのモードを指定するビットフィールドなどが設けられる。ここで、アイドルモードは待受け時等ごく一部の回路のみ動作し少なくとも発振回路を含む大部分の回路が停止するスリープ状態となるモードである。
この実施例では、位相検出回路236と、チャージポンプ&ループフィルタ237、送信用発振回路(TXVCO)240a,240bおよびオフセットミキサ236によって周波数変換を行なう送信用PLL回路(TXPLL)が構成される。本実施例のマルチバンド方式の無線通信システムでは、例えばベースバンドIC300からの指令によって制御回路260が、送受信時に高周波用発振回路250の発振信号の周波数φRFを、使用するチャネルに応じて変更すると共に、GSMモードかDCS/PCSモードかに応じて、オフセットミキサ235a,235bに供給される信号の周波数を変更することによって送信周波数の切り替えが行なわれる。
一方、高周波用発振回路(RFVCO)250の発振周波数は、受信モードと送信モードとで異なる値に設定される。高周波用発振回路(RFVCO)250の発振周波数fRFは、送信モードでは、例えばGSM850の場合3616〜3716MHzに、GSM900の場合3840〜3980MHzに、またDCSの場合3610〜3730MHzに、さらにPCSの場合3860〜3980MHzに設定され、この発振周波数fRFが分周回路でGSMの場合は1/4に分周され、またDCSとPCSの場合は1/2に分周されてオフセットミキサ235a,235bに供給される。
オフセットミキサ235aは、RFVCO250からの発振信号φRFと送信用発振回路(TXVCO)TXVCO240a,240bからの送信用発振信号φTXの周波数の差(fRF−fTX)に相当する信号を出力し、この差信号の周波数が変調信号TXIFの周波数と一致するように送信用PLL(TXPLL)が動作する。言いかえると、TXVCO240a,240bは、RFVCO250からの発振信号φRFの周波数(GSMの場合はfRF/4,DCSとPCSの場合はfRF/2)と変調信号TXIFの周波数との差に相当する周波数で発振するように制御される。
また、この実施例においては、TXVCO240a,240bの周波数のキャリブレーションおよび使用バンドの選択を行なうため、TXVCO240a,240bの出力φTXがIFシンセサイザ262に供給され、IFシンセサイザ262からのバンド選択信号VB3〜VB0がTXVCO240a,240bへ供給されるように構成されている。
本実施例の高周波ICにおいては、送信用VCOのKV値Kv(=発振周波数範囲/制御電圧範囲)を測定してKv・Icpが所定の値になるようにチャージポンプの電流Icpを調整することで送信用VCOのKV特性のばらつきを補正するようにしている。ここで、送信用VCOのKV特性のばらつきをチャージポンプの電流Icpで補正する場合、チャージポンプの電流Icpがずれていたのでは正しい調整が行なえない。そこで、送信用VCOのKV特性の補正の前に先ずチャージポンプの電流を測定してずれを補正しておく必要がある。
図2を用いて、本実施例におけるチャージポンプの電流Icpのずれの補正の仕方を説明する。図2は、図1におけるチャージポンプ&ループフィルタ237のうちチャージポンプ237aの部分の詳細を示す。
チャージポンプ237aは、チャージアップ用の電流源IPと、チャージダウン用の電流源INと、これらの電流源IP,INと出力ノードN0との間に接続され送信時には位相比較回路236からのアップ信号UPまたはダウン信号DOWNによりオン、オフされるスイッチS1,S2と、上記電流源IPと並列に設けられた電流補正用の電流源TI1〜TInと、これらの電流源TI1〜TInとスイッチS1との間に設けられた調整用スイッチS11〜S1nなどから構成されている。
チャージポンプ237aの出力ノードN0と接地点との間にループフィルタを構成する容量CLFが接続されている。特に制限されるものでないが、この実施例においては、容量CLFは外付け容量とされている。ループフィルタは、一次のフィルタの場合、上記容量CLFと配線寄生抵抗等から構成することができるが、二次以上の高次のフィルタの場合には、さらに容量と抵抗が設けられる。このうち、容量CLFを除く抵抗と容量は位相比較回路236よりも前段に設けるようにしてもよい。
この実施例のチャージポンプ237には、電流源IPの電流値を測定して電流ばらつきを補正できるようにするため、チャージポンプ237aの出力ノードN0の電位を検出するコンパレータ371と、該コンパレータ371の出力によってラッチ動作するD型フリップフロップ372と、基準クロックφrefを計数することにより計時動作を行なうタイマカウンタ373と、該タイマカウンタ373の計数値と規定値とに基づいて電流Icpの補正値を算出する演算回路374と、算出された補正値を記憶するレジスタ375などからなる電流測定補正回路370が設けられている。そして、演算回路374からチャージポンプ237a内の調整用スイッチS11〜S1nを制御する信号TD1〜TDnが供給されて、電流源IPの電流値のずれが補正されるようにされている。また、チャージポンプ237aの出力ノードN0と接地点との間には、容量CLFの電荷をディスチャージするリセット用のスイッチS0が設けられている。
次に、チャージポンプ237の電流源IPの電流値の測定および補正動作について、図3を用いて説明する。
電流値の測定に際しては、先ず、測定開始信号TX_ONをロウレベルにして、スイッチS0をオンさせて容量CLFの電荷をディスチャージした状態で、信号ICPDEF_ONをハイレベルに変化させてコンパレータ371を活性化する(タイミングt1)。また、チャージポンプ237内のスイッチS1をオン、スイッチS2およびS11〜S1nをオフの状態に設定する。そして、例えば1μ秒のような時間をおいて測定開始信号TX_ONをハイレベルに変化させる(タイミングt2)。すると、スイッチS0がオフされて、電流源IPからの電流によって容量CLFが充電され、出力ノードN0の電位Vcapが徐々に増加する。これとともに、タイマカウンタ373では、クロックφrefによる計時動作が開始される。
コンパレータ371には、電流源IPの電流値が設定通りの値である場合に、充電開始後所定時間後に出力ノードN0の電位Vcapが到達すべき電圧が比較電圧VBGとして印加されており、出力ノードN0の電位Vcapがこの比較電圧VBGに達すると、コンパレータ371の出力が変化してフリップフロップ372の出力がハイレベルに変化される(タイミングt3)。これにより、タイマカウンタ373が計時動作を停止し、演算回路374がそのときのタイマカウンタの係数値を読み込んで予め与えられている規定値と比較することで、電流源IPの電流値Icpが設計値からどの程度ずれているか検出し、検出したずれ量に応じて制御信号TD1〜TDnを生成する。
本実施例では、電流源IPの電流値が設計通りのときの値をIcp、ずれた電流値をIcp'とおいて、Icpで容量CLFを充電して比較電圧VBGに達した時のカウンタ373の計数値CNTと、Icp'で容量CLFを充電して比較電圧VBGに達した時のカウンタ373の計数値CNT'との比CNT'/CNTを電流補正係数Aとしたときに、Aが「+1」のときに電流Icpを1%、Aが「+2」のときに電流Icpを2%……のように、補正できるよう演算回路374と調整用電流源TI1〜TInが構成されている。これにより、電流補正係数Aから容易にチャージポンプ237内のスイッチS11〜S1nの制御信号TD1〜TDnを生成することができる。
この制御信号TD1〜TDnによってスイッチS11〜S1nのオン、オフ状態が決定され、調整用電流源TI1〜TInのうち電流源IPと並列に接続されるものが決定される。調整用電流源TI1〜TInは、電流源IPよりも小さい電流値を有し2のn乗の重み付けをしたものを用いることにより、少ない調整用電流源で比較的多段階の電流調整が可能になる。
図4には、本実施例において使用する送信用VCOの構成が示されている。 この実施例の送信用VCOはLC共振型発振回路であり、ソースが共通接続されかつ互いにゲートとドレインとが交差結合された一対のNチャネルMOSトランジスタQ1,Q2と、該トランジスタQ1,Q2の共通ソースと接地点GNDとの間に接続された定電流源I0と、各トランジスタQ1,Q2のドレインと電源電圧端子Vccとの間にそれぞれ接続されたインダクタL1,L2と、上記トランジスタQ1,Q2のドレイン端子間に直列に接続された容量C1,可変容量素子としてのバラクタ・ダイオードDv1,Dv2および容量C2と、容量C1とバラクタ・ダイオードDv1の接続ノードn1と接地点との間に接続され基準DC電圧のGND化用のインダクタL11と、バラクタ・ダイオードDv2と容量C2の接続ノードn2と接地点との間に接続されたインダクタL12と、トランジスタQ11,Q12のドレイン端子間に直列に接続された容量C11,C12と、容量C11,C12と並列に接続された容量C21,C22;C31,C32;C41,C42とから構成されている。
そして、この実施例の発振回路においては、バラクタ・ダイオードDv1とDv2の接続ノードn0に図1のチャージポンプ&ループフィルタ237からの制御電圧Vtが印加されて発振周波数が連続的に変化される一方、容量C11,C12の接続ノードn11と、容量C21,C22の接続ノードn12と、容量C31,C32の接続ノードn13と、容量C41,C42の接続ノードn14には、適合バンド決定回路19からのバンド選択信号VB3〜VB0が供給され、VB3〜VB0がハイレベルかロウレベルのいずれかにされることによって発振周波数が段階的に変化されるように構成されている。
また、容量C11とC12は同一容量値、C21とC22、C31とC32、C41とC42もそれぞれ同一容量値である。ただし、容量C11,とC21とC31とC41の容量値はそれぞれ2のm乗(mは3,2,1,0)の重みを有するように設定されており、VB3〜VB0の組合せに応じて容量値が16段階で変化され、発振回路は図5に示す16バンドの周波数特性のいずれかで動作するようにされる。
VCOがカバーすべき周波数範囲を広くしたい場合、制御電圧Vtによるバラクタ・ダイオードDv1,Dv2の容量値の変化のみで行なおうとすると、図5に破線Aで示すように、Vt−fTF特性が急峻になり、VCOの感度すなわち周波数変化量と制御電圧変化量との比(Δf/ΔVt)が大きくなってノイズに弱くなる。つまり、制御電圧Vcに僅かなノイズがのっただけでVCOの発振周波数が大きく変化してしまう。
この問題を解決するために、この実施例のTXVCO240a,240bは、LC共振回路を構成する容量素子を複数個並列に設けて、バンド切替え信号VB3〜VB0で接続する容量素子を16段階に切り替えてCの値を変化させることで、図5に実線で示すように、16本のVt−fTF特性線に従った発振制御を行なえるように構成され、送信時には使用する周波数帯に応じていずれかの特性を選択して動作させるようにされている。
なお、この実施例のLC共振型発振回路においては、容量C11〜C42はNチャネルMOSトランジスタのゲート電極と基板間の容量で構成されている。容量C11〜C42を構成するMOSトランジスタのゲート幅の比により所望の容量比(2のm乗)を得ることができる。以下、容量C11〜C42をバンド切替え容量と称し、バラクタ・ダイオードDv1とDv2を可変容量と称する。容量C11〜C42として、半導体基板上に形成された金属膜−絶縁膜−金属膜のサンドイッチ構造の容量を用いても良い。
また、本実施例においては、インダクタL1,L2およびL11,L12はオンチップの素子が使用されているが、これは部品点数を減らすためであり、外付け素子を使用することも可能である。インダクタL1,L2の他にインダクタL11,L12を設けているのは発振周波数の電源電圧Vcc依存性を減らすためであり、L11,L12,C1,C2は省略することも可能である。その場合、バラクタ・ダイオードの接続は反転させる。
次に、送信用VCOの各バンドの周波数の測定およびKV特性の補正動作について説明する。送信用VCOのKV特性のばらつきは、可変容量Dv1,Dv2のばらつきとバンド切替え容量C11〜C42のばらつきによるところが大きい。まず、図6〜図8を用いて可変容量Dv1,Dv2のばらつきとKV特性のばらつきとの関係について説明する。
可変容量Dv1,Dv2のばらつきによるVCOの周波数ばらつきは、ノードn11〜n14にハイレベルの電圧を印加してバンド切替え容量C11〜C42をすべて見えなくしたときに最も大きく現われる。このときのVCOの周波数特性は、図5に示されているバンド#0〜#15のうちバンド#15である。図6にバンド#15の特性を拡大して示す。図6において、破線は可変容量Dv1,Dv2にばらつきがないときの特性を、実線はDv1,Dv2が設計値からずれたときの特性の例を示す。
また、図7には、送信用VCO240a,240bのうちGSM用のVCO240aの2つの制御電圧Vt1(0V),Vt2(Vcc)に対応した発振周波数f1',f2'の差f1'−f2'とKV偏差との関係を、図8にはDCSとPCS用のVCO240bの発振周波数f1',f2'の差f1'−f2'とKV偏差との関係を、シミュレーションにより調べた結果を示す。なお、ここで、KV偏差とは、Kvを可変容量Dv1,Dv2にばらつきがないときのKV値すなわち設計値、Kv'を実際のVCOのKV値とすると、Kv'/Kvで表わされる値である。図7および図8より、図4のような送信用VCOにおいては、発振周波数f1',f2'の差f1'−f2'(以下、Δf'と記す)とKV偏差とは比例関係にあることが分かる。
本実施例においては、バラクタ・ダイオードDv1,Dv2のカソード側ノードn0に制御電圧Vtとして例えば0Vを印加した時のVCOのバンド#15の発振周波数f1'と、制御電圧Vtとして2.8Vを印加した時のバンド#15の発振周波数f2'とを測定し、2つの測定周波数の差Δf'からKV値のずれ量さらにはこのKV値のずれを補正するのに必要なチャージポンプの電流源IPの電流値Icp'を補正するための容量補償係数Bを決定することとした。
具体的には、Kv・Icp=Kv'・Icp'となるように、チャージポンプの電流源IPの電流値Icp'を調整する。上式を変形すると、Icp'=Icp・(Kv/Kv')となる。ここで、上述したように、周波数差Δf'とKV偏差(Kv'/Kv)とは比例関係、つまりΔf'とKv/Kv'とは反比例の関係にあるので、上式は周波数差Δf'を用いて、Icp'=Icp・{B/Δf'}で表わすことができる。
これより、制御電圧VtをVt1(0V)とVt2(Vcc)にした時のTxVCOの周波数f1',f2'を測定により検出すれば、Kv・Icp=Kv'・Icp'となるように、Icp'を調整できることが分かる。しかも、この実施例の高周波ICでは、容量補償係数Bが「+1」のときに電流Icpを+1%、容量補償係数Bが「+2」のときに電流Icpを+2%のように、補正できるようにされている。これにより、容量補償係数Bから容易にチャージポンプ237内のスイッチS11〜S1nの制御信号TD1〜TDnを生成することができる。なお、Vccはこの実施例では2.8Vにされているが、これに限定されるものではない。
さらに、この実施例の高周波ICでは、TXVCOと同様にマルチバンド構成にされたIFVCOにおける使用バンドを決定するためIFVCOのPLL回路に周波数を測定する機能が設けられており、この機能を利用してTXVCOの周波数f1',f2'を測定しTXVCOにおける使用バンドを決定するとともに、その際に得られた周波数測定値を利用してバラクタ・ダイオードDv1,Dv2の容量ばらつきに伴うTXVCOのKV特性のずれを補正できるように構成されている。IFVCOおよびTXVCOの周波数の測定については、後に改めて説明する。
ところで、上記KV補正は、TXVCOが有する図5に示されているような16個のバンドのKV特性のうち最も周波数の高いバンド#15に関するものである。他のバンド#0〜#14のKV特性は、前述したようにバンド切替え容量C11〜C42の接続状態によって決定されるが、バンド切替え容量C11〜C42がばらつきを有すると制御電圧−発振周波数特性もずれることになる。そこで、次に、TXVCO内のバンド切替え容量C11〜C42のばらつきにより生じるKV特性のばらつきの補正の仕方について説明する。なお、バンド切替え容量C11〜C42は、半導体チップ上に形成されているためいずれか一つの容量値がばらつくと他の容量も同じ割合でばらつくことになる。
図9に、各バンド#0〜#15のKV特性を示す。このうち(A)はバンド切替え容量C11〜C42が設計値通りに形成された場合のKV特性を、また(B)はバンド切替え容量C11〜C42が設計値よりも小さい方向へずれた場合のKV特性を示す。本実施例では、特に制限されるものでないが、バンド#15のKV値Kv(#15)とバンド#0のKV値Kv(#0)の比Kv(#15)/Kv(#0)は、GSM用のTXVCO240aで1.55、DCSとPCS用のTXVCO240bで1.30となるように設定されている。
図9(A)と(B)とを比較すると分かるように、バンド切替え容量C11〜C42が設計値よりも小さい方向へずれると、特性の分布全体が、Kv(#15)/Kv(#0)が1.55や1.30のときよりも小さくなる方向へ比例縮小する。図示しないが、バンド切替え容量C11〜C42が設計値よりも大きい方向へずれると、特性の分布全体が、Kv(#15)/Kv(#0)が1.55や1.30よりも大きくなる方向へ比例拡張する。
なお、図9(B)のバンド#15(全ての容量C11〜C42がオフの状態)のKV値Kv(#15)'は図9(A)のバンド#15のKV値Kv(#15)とずれている。これは、図9のKV特性を可変容量Dv1,Dvのばらつきを含めて表わしたためであり、前述の補正方法で可変容量Dv1,Dvのばらつきに伴うKV値のずれを補正すれば、バンド#15のKV値Kv(#15)'は設計値のKv(#15)と一致する。よって、上記補正後のTXVCOのKV特性分布は、理想のTXVCOのKV特性分布とほぼ比例した関係となることが分かる。
ところで、図9に示されているように、各バンドのKV特性を示す放物線のボトム(KVの最小値)は直線上に並ぶ。また、設計値のバンド#15のKV値Kv(#15)とバンド#0のKV値Kv(#0)は予め計算によって知ることができる。従って、実際のVCOのバンド#15の周波数f15'とバンド#0の周波数f0'を測定すれば、バンド#15のKV値Kv(#15)は計算によって求めることができる。また、バンド#15と#0以外のいずれか2つのバンド例えば#6,#7に着目すると、(f0−f15):(f6−f7)=(f0'−f15'):(f6'−f7')が成り立つ。
従って、バンド#15と#0以外のいずれか任意の2つのバンドの周波数を測定することによってもKV値のずれを算出し、チャージポンプの電流源の電流Icpの補正値を決定することができる。なお、上記説明では、各バンドの周波数をKV特性曲線のボトム位置での周波数としたが、各バンドのKV特性曲線は略同一であるので、図9(A)における仮想線Bを平行移動した線B'と各バンドのKV特性曲線との交点はそれぞれ各特性曲線の同一位置になる。従って、B'線と各バンドのKV特性曲線との交点の周波数つまり制御電圧Vtが同じであれば任意の制御電圧(例えば1.0V)での各バンドの周波数測定値を用いても補正値を決定することができる。
さらに、可変容量Dv1,Dv2のばらつきを補正せずに測定したTXVCOの周波数f6',f7'に基づいて補正値を決定しても、決定した補正値に、前記可変容量Dv1,Dv2のばらつきに起因するKV値を補正するために決定した補正値を合算したものを新たな補正値として用いれば、可変容量Dv1,Dv2のばらつきに起因するKV値のずれとバンド切替え用容量C11〜C42のばらつきに起因するKV値のずれを同時に補正することができる。その場合、合算後の補正値をレジスタ37に記憶させておき、適合バンドが決定した時に対応する補正値を読み出してチャージポンプへ供給させるようにすることができる。具体的には、レジスタ37に記憶されている各バンドの周波数測定値毎に補正値を算出して、テーブル形式のデータとしてレジスタ37に格納しておくのが望ましい。
チャージポンプの電流源の電流Icpのばらつきに関しても同様であり、ばらつきを含む電流のままチャージポンプを動作させて測定した周波数から得られたKV値の補正値に、図2を用いて説明した前記チャージポンプの電流源の電流Icpのばらつきを検出して決定した補正値を加算(減算を含む)したものを新たな補正値として用いれば、チャージポンプの電流源の電流Icpのばらつきに起因するKV値のずれと可変容量Dv1,Dv2のばらつきに起因するKV値のずれとバンド切替え用容量C11〜C42のばらつきに起因するKV値のずれを同時に補正することができる。この場合にも、合算後の補正値をレジスタ37に記憶させておくようにすることができる。
また、バンド切替え用容量C11〜C42のばらつきに起因するKV値のずれを前述したチャージポンプの電流源の電流Icpの調整で補正する場合においても、補正値のカウント「1」が電流Icpの1%に相当していると便利である。そこで、本実施例では、周波数差から補正値を決める時に、電流Icpの1%に相当する周波数差になっている2つのバンドを見つけ、その2つのバンドの周波数測定値を使用してKV値の補正値を決定することとした。さらに、この実施例の高周波ICでは、IFVCOのPLL回路に使用バンドを決定するために周波数の測定するカウンタ機能を設け、このカウンタ機能を利用してIFVCOの周波数とTXVCOの周波数をそれぞれ測定し使用バンドを決定するとともに、TXVCOでは測定された周波数値の中からKV値の補正値を決定するのに利用するものを選択することとした。
次に、TXVCOの周波数の測定とKV値のキャリブレーションを行なう回路の具体例を説明する。図10には、VCOの周波数測定機能と測定結果に基づいてVCOの使用バンドを選択する機能とを備えたPLL回路の具体例が示されている。なお、図10において、図1に示されている回路や素子と同一の回路や素子には同一の符号を付して重複した説明は省略する。
図10の実施例においては、電流測定補正回路370'は図2における電流測定補正回路370から演算回路374およびレジスタ375を除いたものとされている。演算回路374およびレジスタ375の機能を後述の使用バンド決定用の演算回路38とレジスタ37に含ませているためである。また、図10においては、チャージポンプ237に相当する回路の図示が省略されている。これは、位相比較回路237の出力段をチャージポンプと同様な機能を有する回路として構成することができるからである。
一方、図10には、容量と抵抗とからなるループフィルタ237bの構成例が示されている。ループフィルタ237bを構成する容量や抵抗は外付け素子として接続される。さらに、図10の実施例においては、TXVCO240a,240bの周波数測定時やPLL引込み時に、スイッチSW0'によってチャージポンプからの電圧Vtの代わりに直流電圧源217からの所定の直流電圧VDCをループフィルタ238に供給できるように構成されている。
図10に示すPLL回路は、図1に示されているIFシンセサイザ262の部分の具体的な構成例を示したもので、この実施例ではこのIFシンセサイザ262を用いて中間周波数の発振信号φIFを生成する発振回路(IFVCO)230のみならず送信用発振回路(TXVCO)240a,240bの周波数をそれぞれ測定できるように構成されている。GSM用のTXVCO240aと、DCS/PCS用のTXVCO240bは、周波数測定時および送信時に、制御回路260からの制御信号によっていずれか一方が動作状態にされる。
IFシンセサイザ262は、IFVCO230の発振信号φIFを1/2分周する分周回路DVD1と、該分周回路で分周された信号またはTXVCO240a(240b)の発振信号φTXを1/2(または1/4)に分周する分周回路DVD2の出力信号を選択するセレクタ31と、選択された信号を分周する可変分周回路32と、基準発振回路264からの26MHzの基準発振信号φrefを1MHzに分周する固定分周回路33と、IFPLL回路30などを備えている。
IFPLL回路30は、詳細は図示しないが、送信用PLLと同様に位相比較回路と、チャージポンプと、ループフィルタなどからなる。可変分周回路32は、1/16分周または1/17分周が可能なプリスケーラ321と、モジュロカウンタを構成するNカウンタ322およびAカウンタ323からなる。
また、IFシンセサイザ262は、VCOの周波数測定時にNカウンタ322が計数した値とROM(リードオンリメモリ)40に記憶されている基準データ(周波数情報)とを比較する比較回路35、この比較回路35における比較結果に基づいてIFVCO230の使用バンド情報を保持するカウンタレジスタ36、IFVCO,TXVCOの周波数測定時にNカウンタ322が計数した値を記憶するレジスタ37、ベースバンド回路から供給されるRFVCOとIFVCOの周波数設定値RF/IF(N,A)に基づいてIFVCO,TXVCOの目標発振周波数値TX(N,A)を算出する演算回路38、該演算回路38による算出値と前記レジスタ37に記憶されている値とを比較してIFVCO,TXVCOにおける使用バンドを指定するコードVB2'〜VB0',VB3〜VB0を生成する適合バンド決定回路39を備えている。なお、この適合バンド決定回路39は前記制御回路260の一部として構成することも可能である。また、演算回路38は図2に示されている演算回路374と共通の回路、レジスタ37は図2に示されているレジスタ375と共通の回路とすることができる。
周波数測定時、スイッチSW0によりループフィルタ16に供給される直流電圧VDCは、制御電圧Vcの有効可変範囲内であればどのような電圧値であってもよい。本実施例では、制御電圧Vtの可変範囲のほぼ中間の例えば1.0Vのような電圧が直流電圧VDCとして選択される。直流電圧VDCは、1.0Vに限定されず1.2Vや1.4Vなど制御電圧Vtの可変範囲であれば任意の電圧とすることができる。周波数測定中、直流電圧VDCは、バンドを切り替えても同一の値とされる。上記スイッチSW0、可変分周回路32、比較回路35、レジスタ37、演算回路38および適合バンド決定回路39は、前記制御回路260によって制御される。
IFVCO230は、図4に示されているTXVCOと同様なLC共振型発振回路で構成されるとともに、LC共振回路を構成する容量素子が複数個並列に設けられており、その容量素子をバンド切り替え信号VB1〜VB0で選択的に接続させることにより、LC共振回路のCの値を切り替えることで発振周波数を4段階に切り替えることができるように構成されている。この実施例では、レジスタ37と適合バンド決定回路39とをIFシンセサイザ262内に設けたことにより、従来のPLL回路で行なわれている周波数の合わせ込みという調整作業が不要になっている。
すなわち、従来のPLL回路では、VCOを動作させて周波数を測定し制御電圧−周波数特性(Vt−fIF特性)が所定の初期値と所定の傾きとなるように、周波数の合わせ込みを行なっていた。これに対し、本実施例のPLL回路は、予めスイッチSW0を切り替えて所定の直流電圧VDCをIFVCO230に印加して各バンドでの周波数を測定してレジスタ37に記憶しておき、実際の使用に際しては、外部からカウンタ322,323に与えられる指定バンドに応じた設定値とレジスタ37に記憶されている測定値を比較して、その指定バンドの周波数範囲をカバーできるものを、複数(8個)のVt−fIF特性線の中から1つだけ選んでその特性線に従って発振制御動作するように、IFVCO230の切り替え(容量素子の切り替え)を行なう。
このような方式によれば、予めカバーしたい周波数範囲よりもバラツキを考慮した分だけ少し広めの範囲をカバーするとともに、8段階のVt−fIF特性線を隣接するもの同士で少しずつ(望ましくは半分ずつ)周波数範囲が重なるようにIFVCOを設計しておけば、必ず指定された周波数範囲をカバーできる特性線が存在することになる。従って、測定によって分かった実際の特性に基づいて、各指定バンドに対応しているVt−fIF特性線を選択すればよく、周波数の合わせ込みが不要となるとともに、予め使用バンドとIFVCOの切り替え状態とを1対1で対応させておく必要がない。TXVCO240a,240bについても同様である。
プリスケーラ321とNカウンタ322およびAカウンタ323からなるモジュロカウンタとによる発振信号の分周の仕方は既に公知の技術である。プリスケーラ321は、例えば1/16分周と1/17分周のように、分周比の異なる2種類の分周が可能に構成されており、Nカウンタ322のカウント終了信号で一方の分周比から他方への切り替えが行なわれる。Nカウンタ322とAカウンタ323はプログラマブルカウンタで、Nカウンタ322には、所望の周波数(出力として得たいVCOの発振周波数fIF)を基準発振信号φref'の周波数fref'とプリスケーラ221の第1の分周比(実施例では17)とで割り算したときの整数部が、またAカウンタ323には、その余り(MOD)が設定され、各カウンタはその設定された値を計数するとカウント動作を終了し、再度設定値のカウントを行なう。
このような手順でプリスケーラ321とモジュロカウンタが動作すると、プリスケーラ321は先ずIFVCO230の発振信号を1/(2*16)分周し、その出力をAカウンタ323が設定値まで計数すると、Aカウンタ323からカウント終了信号MCが出力され、この信号MCによってプリスケーラ21の動作が切り替えられ、再びAカウンタ323が設定値を計数するまでプリスケーラ321はRFVCO250の発振信号を1/(2*17)分周する。このような動作をすることによって、モジュロカウンタ2は整数比でなく、小数部を有する比で発振信号の分周を行なうことができるようになる。
さらに、この実施例では、セレクタ31を切り替えてプリスケーラ321にTXVCO240aまたは240bからの発振信号を入力するとともに、Nカウンタ322はTXVCOの周波数の測定時に11ビットのカウンタとして動作できるように構成されている。これにより、16バンドすなわち16段階で発振周波数を切り替えることができるように構成されたTXVCO240a,240bの16バンドのうちバンド#0〜#14の15バンドのそれぞれについて測定された周波数が、レジスタ37にを記憶されるようになっている。つまり、TXVCOが16個の切り替えバンドを有している場合、15バンドのキャリブレーション値を測定するだけでよい。送信時に使用する周波数帯がバンド#0〜#14が合致しないときは、自動的にバンド#15を選択すればよいためである。
制御回路260は、IFVCOの周波数測定時にはIFVCO230に対して8個のバンドを順番に選択するように切り替え信号VB2'〜VB0'を生成して出力し、TXVCOの周波数測定時にはTXVCO240a,240bに対して16個のバンドを順番に選択するように切り替え信号VB3〜VB0を生成して出力する。また、制御回路260は、電源投入時等に電流測定補正回路370を動作させてチャージポンプ237aの電流源の電流値を測定し、電流のばらつきを検出して電流補正値を決定してレジスタ37に記憶させる。
送信時には、適合バンド決定回路39は、レジスタ37に記憶されている測定値と演算回路38に供給されるNカウンタ322およびAカウンタ323の設定コードIF(N,A)とを比較してIFVCO230に対するバンド切り替え信号として3ビットのコードVB2'〜VB0'を生成し出力するとともに、設定コードRF(N,A)およびIF(N,A)に基づいて演算回路38により算出された値と前記レジスタ37に記憶されている値とを比較してTXVCO240a,240bに対するバンド切り替え信号として4ビットのコードVB3〜VB0を生成し出力するように構成されている。演算回路38を設けたことにより、ベースバンド回路300がIFVCO,TXVCOの周波数設定値を供給しなくて済み、短時間にIFVCO,TXVCOの使用バンドを決定することができるようになる。
また、送信時には、制御回路260は、レジスタ37に記憶されているTXVCOの選択バンドの周波数測定値を演算回路38へ送って、周波数測定値に基づいてKV値のずれ量を算出させ、そのずれを補正するのに必要なチャージポンプ237aの電流源の電流補正値を決定してチャージポンプ237aへ送り、電流を補正させる。なお、このときチャージポンプ237aへ送られる電流補正値は、可変容量Dv1,Dv2のばらつきに起因するKV値のずれを補正するための補正値とバンド切替え用容量C11〜C42のばらつきに起因するKV値のずれを補正するための補正値を合算したものである。このような補正値の合算は、演算回路38がリアルタイムで行なっても良いが、周波数測定値が得られた時点で行なうとともに、合算後の補正値はレジスタ37に格納しておくようにすることができる。
次に、この実施例の高周波ICを用いた無線通信システムにおけるIFVCOとTXVCOの周波数測定およびTXVCOのKV値の補正の手順を、図11を用いて説明する。図11において、"Initial State"は電源立ち上げから送受信が可能になるまでの状態、"Dedicated Mode"は"Initial State"後の送受信が可能な状態の1フレーム期間を示したものである。各フレームは、8個のスロットからなり、第1スロット$0に受信モード"Rx"が、第7スロット$6に送信モード"Tx"が割り当てられている。第5スロット$4の"Moni"は、一定の受信電波状態を基準にして基地局からの距離を測定し、受信時の高利得増幅部のゲインを決定するための測定を行なうモードである。これらのモードは、ベースバンド回路300から高周波IC200の制御回路260に対して供給されるコマンドによって開始される。コマンドは例えば8ビットのような所定のビット長のコード(Wordと呼ばれる)によって構成されており、予め複数種類のコマンドコードが用意されている。
前記実施例のIFVCOの周波数測定とTXVCOの周波数測定は、例えば図11に示すGSMのタイムスロットにおけるイニシャルステート"Initial State"のタイムスロット"$7"あるいは"Dedicated Mode"中の送信も受信も行なわないスロット$0〜$3や$7のようなアイドルモード中に、ベースバンド回路300から所定のコマンド(Word7)が入力されると実行される。一方、周波数測定結果に基づくバンドの選択とKV値の補正は、送信モード"Tx"の開始時に行なわれる。なお、図11において、"Rx"は受信モードコマンドを送信した後に受信バーストになる期間を表している。
電源投入後に、ベースバンド回路300から高周波IC200に対して"System Reset Word"なるコマンドが供給されると、イニシャルステート"Initial State"に入り、制御回路260によって先ず基準発振回路(VCXO)264が起動され、高周波IC200内部のレジスタなどの回路が初期状態に設定された後、コマンド(Word7)が入力されるとチャージポンプの電流源の電流Icpの測定とIFVCOおよびTXVCOの周波数測定が実行される。
なお、この周波数測定が終了すると、ベースバンド回路300から高周波IC200に対して、カウンタ322に設定する値(使用チャネルの周波数情報)を含む"Synthesizer Control Word"が供給される。すると、制御回路260は、ベースバンド回路300からの周波数情報とレジスタ37に記憶されている周波数測定結果に基づいてRFVCO250の使用バンドを選択するとともにカウンタ322に周波数値を設定する。そして、制御回路260は、RFVCO250を発振動作させ、受信用PLLループをロック状態にさせる。
この"Synthesizer Control Word"は、高周波ICに次のアクティブスロットが送信スロットであるか受信スロットであるかを知らせるために用いられるシングル制御バイト[TR]を含んでいる。受信モードが選択されると、"Synthesizer Control Word"が高周波ICに送られてもIFVCO,IFシンセサイザはオンされない。ベースバンド回路300は送信モードを指定するコマンドを送り、それから"Receive Word"を送ることもでき、高周波ICが"Synthesizer Control Word"を受信したときに、IFVCO,IFシンセサイザがアクティブになり、正しい周波数にロックされて受信スロットが開始される。また、"Receive Word"が高周波ICに送られたときに、IFVCO,IFシンセサイザは自動的にオフされる。一方、送信モードが指令されると、"Synthesizer Control Word"を高周波ICに送ることでIFVCO,IFシンセサイザをオンさせる。IFVCOを含むPLLループは送信スロットの前にロックされる。
ベースバンド回路300が高周波IC200に対して、受信動作を指令する"Receiver Control Word"を送って来ると、制御回路260は、高利得増幅部220A,220B内のオフセットキャンセル回路を起動させてアンプの入力DCオフセットキャンセルを行なわせる。このDCオフセットキャンセルの後、制御回路260は受信モードに入り、受信系回路を動作させて受信信号の増幅、復調を行なわせる。また、制御回路260は、受信信号がGSMかDCS/PCSかに応じて切替え制御も行なう。
受信モードが終了すると、ベースバンド回路300はカウンタ322および323に設定する値(使用チャネルの周波数情報)を含むウォームアップモードを指令するコマンド"Synthesizer Control Word"を送って来る。すると、制御回路260はウォームアップモードに入り、ベースバンド回路300からの周波数情報とレジスタに記憶されている周波数測定結果に基づいてRFVCO250の使用バンドを選択するとともに、カウンタ322および323に周波数値を設定する。そして、制御回路260は、RFVCO250とIFVCO230を発振動作させ、RFPLLおよびIFPLLループをロック状態にさせる。
その後、ベースバンド回路300は高周波IC200に対して、送信動作を指令するコマンド"Transmitter Control Word"を送って来ると、制御回路260は送信モードに入り、演算回路38からの周波数情報とレジスタ37に記憶されている周波数測定結果に基づいてTXVCO240の使用バンドを選択させ、TXVCO240aまたは240bを動作させるとともに、適合バンド決定回路39は選択したバンドに応じた電流補正値をレジスタ37から読み出してチャージポンプ237aに電流補正値を送って電流Icpを補正させ、送信用PLLループをロック状態に持って行き、送信信号の変調、増幅を行なわせる。また、制御回路260は、送信切替えスイッチSW4をオンさせると共に、送信信号がGSMかDCS/PCSかに応じてTXVCOの切替え制御も行なう。TXVCO240aまたは240bのいずれを使用するかは、ベースバンド回路300から供給されるコマンドに含まれる所定のコードで決定される。
図11の下半分には、イニシャルステート"Initial State"のタイムスロット"$7"中に行なわれるIFVCO230、TXVCO240a,240bの周波数測定のより詳細なタイミングが示されている。図11に示されているように、所定のコマンド"Word7"が入力されると、チャージポンプの電流源の電流Icpの測定とIFVCOの周波数測定が開始され、IFVCOの周波数測定が終了するとTXVCO240a(GSM)の各バンド#0〜#14の周波数測定とTXVCO240b(DCS)の各バンド#0〜#14の周波数測定が順次実行される(期間T2)。そして、その後、TXVCOのKV値のばらつき検出のためのTXVCO240a(GSM)のバンド#15のVt=0における周波数測定(期間T3)と、TXVCO240b(DCS)のバンド#15のVt=2.8Vにおける周波数測定(期間T4)が順次実行される。
そして、これらの測定値に基づいて決定された適合バンド選択信号VB2'〜VB0'が送信モードの開始時点でIFVCOに、また測定値に基づいて決定された適合バンド選択信号VB3〜VB0とチャージポンプ電流補正値が送信モードの開始時点でTXVCOに、それぞれ供給される。バンド切替え用容量C11〜C42のばらつきに起因するKV値のずれを補正するために測定される周波数は、適合バンドを決定するため期間T2で行なわれる制御電圧Vtを1.0Vにして行なわれた周波数測定値が兼用される。
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものでない。例えば前記実施例においては、TXVCO240a,240bの周波数測定を、IFVCO230のために設けられているカウンタ322,323を用いて行なっているが、RFVCO250のために設けられているカウンタを用いて行なうようにしても良い。また、TXVCO240a,240bの周波数測定をすべてのバンドについて行なう代わりに、奇数バンドのみまたは偶数バンドのみ測定を行ない、未測定のバンドの周波数は前後のバンドの周波数測定値からその平均値を演算して得るようにしてもよい。実施例では、IFVCO230のバンド数は8バンドしたが、4バンドあるいは16バンド等であっても良い。TXVCO240a,240bも16バンドに限定されず、8バンドあるいは32バンド等であっても良い。
さらに、前記実施例においては、回路規模の増大を抑制する観点からTXVCO240a,240bの周波数測定をIFVCO230のために設けられている可変分周回路32を用いて行なっているが、TXVCO240a,240bの周波数測定を行なうための可変分周回路(カウンタ)を別途設け、1つのコマンドに応じてTXVCO240a,240bの周波数測定をIFVCO230の周波数測定と並行して行なうようにしても良い。カウンタを追加することにより、回路規模は多少増大するが複数のVCOの周波数測定を短時間に終了することができるという効果が得られる。
また、前記実施例においては、KV値のずれを補正するための補正値のカウント「1」がチャージポンプの電流源の電流Icpの1%に相当するようにしていると説明したが、本発明はそれに限定されるものでなく、補正値のカウント「1」がチャージポンプの電流源の電流Icpの0.5%とか0.8%などに相当していても何ら構わない。
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるEDGE方式による通信が可能な携帯電話機の無線通信システムに用いられる高周波ICに適用した場合について説明したが、本発明はEDGE方式の高周波ICに限定されるものでなく、位相変調と振幅変調が必要な16QAMや64QAMのような変調を行なう無線LAN用の高周波ICであって、変調方法として位相制御ループと振幅制御ループを有するポーラループ方式と呼ばれる方式を採用した送信系回路を有する高周波ICの送信用VCOに対しても本発明を適用することができる。
本発明の一実施例に係るマルチバンド方式の通信用半導体集積回路(高周波IC)及びそれを用いた無線通信システムの構成例を示すブロック図である。 図1の実施例の通信用半導体集積回路(高周波IC)におけるTXVCOを含むPLLループ上のチャージポンプとその電流源の電流を測定し電流補正値を生成する電流測定補正回路の一実施例を示すブロック図である。 図2の電流測定補正回路の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 TXVCOの具体例を示す回路図である。 TXVCOにおける制御電圧Vtと発振周波数fTXとの関係を示す特性図である。 TXVCOにおける制御電圧−発振周波数特性の一部を拡大して示す特性図である。 GSM用のTXVCOにおける同一バンドの2点の発振周波数差とKV偏差との関係を示す特性図である。 DCS/PCS用のTXVCOにおける同一バンドの2点の発振周波数差とKV偏差との関係を示す特性図である。 TXVCOの各バンド#0〜#15のKV特性の関係を示す特性図である。 図1の実施例の通信用半導体集積回路(高周波IC)におけるIFVCOを含むPLL回路とTXVCOを含むPLL回路の一実施例を示すブロック図である。 本発明の一実施例による高周波ICを用いた無線通信システムにおける各VCOの周波数測定および測定結果に基づく使用バンドの決定と電流値の補正のタイミングを示すタイミングチャートである。 ポーラループ方式における位相制御ループのループゲインの周波数特性を示す特性図である。
符号の説明
100 送受信用アンテナ
110 送受信切り替え用のスイッチ
120 フィルタ
130 高周波電力増幅回路
200 高周波IC
210 ロウノイズアンプ
211,232 分周移相回路
212a,212b 復調用ミキサ
220A,220B 高利得増幅回路
233a,233b 変調用ミキサ
230 中間周波数発振回路(IFVCO)
236 位相比較回路
237a 送信用PLLのチャージポンプ
237b 送信用PLLのループフィルタ
238 振幅比較回路
240a,240b 送信用発振回路(TXVCO)
250 高周波発振回路(受信用VCO,RFVCO)
261 RFPLL用シンセサイザ回路
262 IFPLL用シンセサイザ回路
264 基準発振回路
300 ベースバンド回路

Claims (10)

  1. 複数の周波数帯で発振動作可能に構成され位相変調された信号を出力する送信用発振回路と、該送信用発振回路の出力信号の位相と位相変調および振幅変調された信号の位相とを比較する位相比較回路と、該位相比較回路の出力に応じた電圧を生成するチャージポンプとを含み該チャージポンプにより生成された電圧により前記送信用発振回路の発振周波数を制御する位相制御ループと、
    送信信号を電力増幅する電力増幅回路の出力信号の振幅と位相変調および振幅変調された信号の振幅とを比較する振幅比較回路と、該振幅比較回路で検出された振幅差に応じた電圧を生成し前記電力増幅回路へ出力レベル制御信号として出力する振幅制御ループと、
    を備え、前記送信用発振回路の制御電圧−発振周波数特性のずれが前記チャージポンプの電流を調整することで補正されるようにされていることを特徴とする通信用半導体集積回路。
  2. 前記送信用発振回路の各周波数帯での発振周波数範囲/制御電圧範囲の値(Kv)と前記チャージポンプの電流値(Icp)との積(Kv・Icp)が所定の範囲に入るように、前記チャージポンプの電流を調整することを特徴とする請求項1に記載の通信用半導体集積回路。
  3. 前記送信用発振回路の発振周波数を測定可能な周波数測定回路と、
    該周波数測定回路により前記送信用発振回路の各周波数帯ごとに測定された周波数情報を記憶する記憶手段と、
    前記送信用発振回路の2つの所定制御電圧における発振周波数測定値に基づいて前記チャージポンプの電流の補正値を決定する演算回路と、を備えていることを特徴とする請求項2に記載の通信用半導体集積回路。
  4. 前記チャージポンプの電流の補正値は、前記発振周波数測定値ごとにそれぞれ適切な値がテーブルデータとして前記記憶手段に格納されていることを特徴とする請求項3に記載の通信用半導体集積回路。
  5. 前記送信用発振回路は、前記チャージポンプにより生成された電圧により容量値が変化される可変容量素子と、複数の固定容量素子と、該固定容量素子を接続離反可能な切替え手段とを備え、該切替え手段により固定容量素子の接続数が切り替えられることにより発振周波数帯が変更されるようにされ、
    各発振周波数帯に対応したチャージポンプの電流補正値が前記記憶手段に格納されていることを特徴とする請求項4に記載の通信用半導体集積回路。
  6. 前記補正値は、前記可変容量素子のばらつきによるKv値のばらつきを補正する値と、前記固定容量素子のばらつきによるKv値のばらつきを補正する値とを含んでいることを特徴とする請求項5に記載の通信用半導体集積回路。
  7. 前記周波数測定回路による前記送信用発振回路の周波数の測定は、電源投入時と、送信動作および受信動作のいずれもなされていない期間に、それぞれ実行されることを特徴とする請求項6に記載の通信用半導体集積回路。
  8. 前記送信用発振回路は、GSM方式の送信信号を生成する第1の発振回路と、DCS方式およびPCS方式の送信信号を生成する第2の発振回路であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の通信用半導体集積回路。
  9. 中間周波数の信号を生成する第3の発振回路と、送信データに基づいて生成されたI,Q信号により前記第3の発振回路により生成された中間周波数の信号を直交変調する変調回路を備え、該変調回路により位相変調および振幅変調された信号が前記位相比較回路および振幅比較回路に供給されるようにされていることを特徴とする請求項3〜8のいずれかに記載の通信用半導体集積回路。
  10. 前記周波数測定回路は、前記送信用発振回路または前記第1の発振回路および第2の発振回路の発振周波数と、前記第3の発振回路の発振周波数を測定可能にされている請求項9に記載の通信用半導体集積回路。
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