JP2006279600A - 可変周波数発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノイズの影響を受けることなく所望の発振周波数が得られる可変周波数発振器を提供する。
【解決手段】 差動増幅器１１〜１３をリング状に接続することによりリングオシレータを構成する。各差動増幅器１１〜１３の入力には、それぞれ、前段の差動増幅器からの信号または参照信号Ｖref の一方を選択するスイッチＳＷ１〜ＳＷ３が設けられる。各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、スイッチ情報レジスタに格納されているスイッチ情報に従って動作する。リングオシレータの発振周波数は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の状態の組合せに応じて決まる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、可変周波数発振器に係わり、特に、複数の差動増幅器を利用してリングオシレータを構成する可変周波数発振器に係わる。

従来より、様々な用途において可変周波数発振器が利用されている。一例としては、各種通信機器において信号の同期動作のために使用されている。
可変周波数発振器としては、様々な形態のものが知られているが、その１つとして複数の差動増幅器を利用してリングオシレータを構成する可変周波数発振器が広く実用化されている。

図７（ａ）は、公知の電圧制御発振器の一例の構成を示す図である。この電圧制御発振器１００は、リング状に接続された複数の差動増幅器１０１〜１０４、参照電圧生成回路１０５、オペアンプ１０６、レプリカ回路１０７を含んで構成される。

各差動増幅器１０１〜１０４は、それぞれ図７（ｂ）に示す構成であり、遅延素子として動作する。各差動増幅器１０１〜１０４の遅延時間は、制御電圧Ｖo により変化するテイルカレントＩo を利用して調整されるが、その際、参照電圧生成回路１０５、オペアンプ１０６、レプリカ回路１０７によって生成されるゲート電圧Ｖc が各差動増幅器１０１〜１０４に与えられる。なお、参照電圧生成回路１０５、オペアンプ１０６、レプリカ回路１０７は、各差動増幅器１０１〜１０４のテイルカレントＩo と同じ電流Ｉo を流すレプリカ回路１０７の出力電圧（すなわち、上述したゲート電圧Ｖc ）が参照電圧Ｖref に一致するように動作する。

上記構成の電圧制御発振器１００において、各差動増幅器１０１〜１０４の遅延時間を調整すれば、それに応じて発振周波数が変化する。一方、各差動増幅器１０１〜１０４の遅延時間は、制御電圧Ｖo に応じて変化するテイルカレントＩo に依存する。なお、各差動増幅器１０１〜１０４の遅延時間は、出力端子の容量を「ＣＬ」、出力振幅を「Ｖs 」とすると、「ＣＬ・Ｖs ／Ｉo 」に比例する。よって、制御電圧Ｖo を調整することにより、所望の発振周波数を得ることができる。

なお、上述の電圧制御発振器１００の構成および動作は、特許文献１に詳しく記載されている。
特開平９−２１４２９９号公報（図１、明細書の段落００２３〜００２９）

従来技術に係る電圧制御発振器１００においては、発振周波数は、制御電圧Ｖo により制御される。したがって、この制御電圧Ｖo にノイズが乗ると、要求する発振周波数が得られなくなってしまう。また、電圧制御発振器１００は、参照電圧生成回路１０５、オペアンプ１０６、およびレプリカ回路１０７を備える必要があり、消費電流が大きくなってしまう。

本発明の目的は、ノイズの影響を受けることなく所望の発振周波数が得られる可変周波数発振器を提供することである。

本発明の可変周波数発振器は、リング状に接続された複数の差動増幅器と、上記複数の差動増幅器の各々に対して設けられそれぞれ前段の差動増幅器からの出力信号または参照信号の一方を選択する複数のスイッチと、上記複数のスイッチを制御するためのスイッチ情報を格納する格納手段、を有する。そして、上記複数のスイッチは、それぞれ上記格納手段に格納されているスイッチ情報に従って一方の信号を選択する。

複数の差動増幅器をリング状に接続することにより、リングオシレータが形成される。このリングオシレータの発振周波数は、各差動増幅器の遅延時間の和に依存する。各差動増幅器の遅延時間は、前段の差動増幅器からの出力信号が入力される場合と、差動増幅器の一方に前段の差動増幅器からの出力信号が入力され、他の一方に参照信号が入力される場合とで異なる。ここで、スイッチ情報を利用して複数のスイッチの状態を制御することにより、前段の差動増幅器からの出力信号が入力される差動増幅器の数および入力の一方が参照信号である差動増幅器の数を任意の設定することができる。よって、スイッチ情報を利用して可変周波数発振器の発振周波数を切り換えることができる。なお、本発明の可変周波数発振器は、複数の差動増幅器がリング状に接続される構成であるため、初段の差動増幅器において「前段の差動増幅器」とは、最後段の差動増幅器を指す。

本発明の他の態様の可変周波数発振器は、リング状に接続された複数の差動増幅器と、上記複数の差動増幅器の各々に対して設けられそれぞれ対応する差動増幅器をデュアルモードまたはシングルモードのいずれか一方で動作させるスイッチ手段と、上記複数のスイッチ手段を制御するためのスイッチ情報を格納する格納手段、を有する。そして、上記複数のスイッチ手段は、それぞれ上記格納手段に格納されているスイッチ情報に従って対応する差動増幅器の動作モードを制御する。

上記可変周波数発振器において、デュアルモードは、前段の差動増幅器からの差動信号を増幅する動作モードである。また、シングルモードは、前段の差動増幅器からの差動信号の一方および所定の直流電圧が入力されたときの動作モードである。よって、この可変周波数発振器の作用は、基本的に、上述した可変周波数発振器と同じである。

なお、上記スイッチ情報は、各差動増幅器に対してそれぞれ１ビットの情報が割り当てられたデジタルコードで構成されるようにしてもよい。この場合、必要最小限の情報で発振周波数を切り換えることができる。

本発明によれば、スイッチ情報を利用して複数のスイッチを制御することにより発振周波数を切り換えるので、ノイズの影響を受けることなく所望の発振周波数が得られる。

図１は、本発明の実施形態の可変周波数発振器の構成を示す図である。実施形態の可変周波数発振器１は、複数の差動増幅器１１〜１３がリング状に接続されたリングオシレータを含んで構成される。

各差動増幅器１１〜１３の入力端子には、それぞれ前段の差動増幅器の出力端子が接続される。なお、本発明の可変周波数発振器１は、複数の差動増幅器がリング状に接続される構成であるため、初段の差動増幅器１１において「前段の差動増幅器」とは、最後段の差動増幅器１３を指す。ここで、差動増幅器１１の正側入力端子は、差動増幅器１３の正側出力端子と接続され、差動増幅器１１の負側入力端子は、スイッチＳＷ１を介して差動増幅器１３の負側出力端子と接続されている。また、差動増幅器１２の正側入力端子は、差動増幅器１１の負側出力端子と接続され、差動増幅器１２の負側入力端子は、スイッチＳＷ２を介して差動増幅器１１の正側出力端子と接続されている。さらに、差動増幅器１３の正側入力端子は、差動増幅器１２の負側出力端子と接続され、差動増幅器１３の負側入力端子は、スイッチＳＷ３を介して差動増幅器１２の正側出力端子と接続されている。

スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、それぞれ、スイッチ情報レジスタ（格納手段）２０に格納されているスイッチ情報に従って、前段の差動増幅器からの信号または参照信号Ｖref の一方を選択する。ここで、参照信号Ｖref は、予め決められた所定の直流電圧である。

スイッチ情報レジスタ２０は、図２に示すように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のためのスイッチ情報を格納する領域２１〜２３から構成されされている。図２に示す例では、領域２１には、「１：参照信号Ｖref を選択」が設定されており、領域２２および領域２３には、それぞれ「０：前段の差動増幅器からの信号を選択」が設定されている。そして、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、スイッチ情報レジスタ２０に格納されているスイッチ情報に従って制御される。

図１および図２に示す例では、スイッチＳＷ１は、参照信号Ｖref を選択して差動増幅器１１に与える。したがって、差動増幅器１１の正側入力端子には、差動増幅器１３からの出力信号が与えられ、差動増幅器の負側入力端子には、参照信号Ｖref が与えられる。すなわち、差動増幅器１１は、差動増幅器からの出力信号の一方を増幅するモード（以下、シングルモード）で動作することになる。

一方、スイッチＳＷ２は、前段の差動増幅器からの信号を選択して差動増幅器１２に与える。したがって、差動増幅器１１の１組の入力端子には、差動増幅器１２からの出力信号が与えられる。すなわち、差動増幅器１２は、差動増幅器からの出力信号を増幅するモード（以下、デュアルモード）で動作することになる。なお、この例では、差動増幅器１３も同様にデュアルモードで動作する。

図３は、各差動増幅器１１〜１３の実施例である。なお、差動増幅器１１〜１３は、基本的に、同じ構成である。
入力トランジスタＭ１、Ｍ２のゲートには、入力信号が与えられる。ここで、入力信号は、前段の差動増幅器からの出力信号または参照信号Ｖref である。また、入力トランジスタＭ１、Ｍ２のドレインには、それぞれ抵抗Ｒd を介して電源電圧Ｖddが印加される。さらに、入力トランジスタＭ１、Ｍ２のソースは、互いに接続されている。

カレントミラー回路３１は、１組のトランジスタM３、M４から構成され、電流源３２により生成される電流Ｉと同じ電流ＩがトランジスタＭ４を介して流れる。また、トランジスタＭ４は、入力トランジスタＭ１、Ｍ２のソースに接続されている。

上記構成の可変周波数発振器１の発振周波数は、リングオシレータを構成する差動増幅器１１〜１３の各遅延時間の和によって決まる。すなわち、各差動増幅器１１〜１３は、それぞれ遅延素子として動作する。ここで、各差動増幅器１１〜１３における遅延時間を「Ｔpd1 」〜「Ｔpd3 」とすると、可変周波数発振器１の発振周期Ｔは、下記の（１）式で表される。
Ｔ＝２×（Ｔpd1 ＋Ｔpd2 ＋Ｔpd3 ）・・・（１）
よって、可変周波数発振器１の発振周波数ｆは、下記の（２）式で表される。
ｆ＝１／Ｔ＝１／｛２×（Ｔpd1 ＋Ｔpd2 ＋Ｔpd3 ）｝・・・（２）
よって、可変周波数発振器１の発振周波数は、各差動増幅器１１〜１３の遅延時間を適切に設定することにより、調整することができる。そして、実施形態の可変周波数発振器１においては、各差動増幅器１１〜１３の動作モード（デュアルモード／シングルモード）を切り換えることによって、遅延時間を調整する。

図４は、差動増幅器の利得の周波数特性を示す図である。図４に示すように、差動増幅器がシングルモードで動作する場合の利得は、デュアルモードで動作する場合の利得と比べて６ｄBだけ低くなる。このため、差動増幅器がシングルモードで動作する場合の遮断周波数Ｆcsは、デュアルモードで動作する場合の遮断周波数Ｆcdと比べてΔFだけ高くなる。基本的には、「Ｆcs＝２Ｆcd」という関係が得られる。従って、各差動増幅器１１〜１３は、デュアルモードで動作するときよりも、シングルモードで動作するときの方が高速動作が可能となる。換言すれば、各差動増幅器１１〜１３の遅延時間Tpdは、デュアルモードで動作するときよりも、シングルモードで動作するときの方が小さくなる。

次に、各差動増幅器１１〜１３の遅延時間Tpdと可変周波数発振器１の発振周波数との関係について説明する。
図５は、各差動増幅器１１〜１３の等価回路である。なお、図５に示す電流源は、図３に示したカレントミラー回路３１および電流源３２に相当し、電流Ｉを生成する。また、各出力端子には、それぞれ出力容量ＣＬが存在するものとする。この場合、各差動増幅器の遅延時間Ｔpdは、出力信号の振幅を「Ｖs 」とすると、下記の（３）式で表される。
Tpd＝ＣＬ・Ｖs ／Ｉ・・・（３）
上記構成の差動増幅器がデュアルモードで動作する場合は、図６（ａ）に示すように、１組の入力端子に信号Ｖin（＋）および信号Ｖin（−）が入力される。そして、１組の出力端子を介して信号Ｖ１および信号Ｖ２が出力される。ここで、信号Ｖ１および信号Ｖ２の振幅は、互いに同じである。

差動増幅器がシングルモードで動作する場合は、図６（ｂ）に示すように、１組の入力端子に差動増幅器からの出力信号Ｖin（＋）および参照信号Ｖref が入力される。そして、１組の出力端子を介して信号Ｖ３および信号Ｖ４が出力される。ここで、信号Ｖ４の振幅は、デュアルモードの場合の出力信号Ｖ１／Ｖ２と同じなるが、信号Ｖ３の振幅は、信号Ｖ１／Ｖ２／Ｖ３の振幅よりも小さくなる。

ここで、差動増幅器の遅延時間Ｔpdは、上記（３）式に示したように、差動増幅器からの出力信号の振幅に比例する。したがって、差動増幅器の遅延時間Ｔpdは、デュアルモードで動作するときよりも、シングルモードで動作するときの方が小さくなる。

具体的な計算例を示す。尚、ここでは、抵抗Ｒd の抵抗値が「３ｋΩ」、電源電圧Ｖddが「３．０Ｖ」、参照信号Ｖref の直流電位が「１．０Ｖ」、電流Ｉが「５００μＡ」であり、下記の計算結果が得られたものとする。
デュアルモードのときの遅延時間Ｔpd＝２９ピコ秒
シングルモードのときの遅延時間Ｔpd＝２２ピコ秒
そうすると、可変周波数発振器１の発振周波数は、下記のように算出される。

（１）すべての差動増幅器１１〜１３がデュアルモードで動作するとき
この状態は、スイッチ情報レジスタ２０に設定されている３ビットのスイッチ情報がすべて「０」である場合に実現される。そして、この場合の発振周波数は、下記のように求められる。
ｆ＝１／｛２×（３×２９^-12）｝＝５７４．７ＭＨｚ
（２）差動増幅器１１〜１３の中の１つがシングルモードで動作し、他の２つがデュアルモードで動作するとき
この状態は、スイッチ情報レジスタ２０に設定されている３ビットのスイッチ情報の中の任意の１ビットが「１」であり、他の２ビットが「０」である場合に実現される。そして、この場合の発振周波数は、下記のように求められる。
ｆ＝１／[｛２×（２×２９^-12）｝＋｛２×（１×２２^-12）｝]＝６２５ＭＨｚ
（３）差動増幅器１１〜１３の中の１つがデュアルモードで動作し、他の２つがシングルモードで動作するとき
この状態は、スイッチ情報レジスタ２０に設定されている３ビットのスイッチ情報の中の任意の１ビットが「０」であり、他の２ビットが「１」である場合に実現される。そして、この場合の発振周波数は、下記のように求められる。
ｆ＝１／[｛２×（１×２９^-12）｝＋｛２×（２×２２^-12）｝]＝６８４．９ＭＨｚ
（４）すべての差動増幅器１１〜１３がシングルモードで動作するとき
この状態は、スイッチ情報レジスタ２０に設定されている３ビットのスイッチ情報がすべて「１」である場合に実現される。そして、この場合の発振周波数は、下記のように求められる。
ｆ＝１／｛２×（３×２２^-12）｝＝７５７．５ＭＨｚ
このように、可変周波数発振器１の発振周波数は、スイッチ情報レジスタ２０に設定されているスイッチ情報に応じて一意に決まる。すなわち、スイッチ情報の設定によって、予め用意されている複数の周波数（上述の例では、４つの周波数）の中から所望の周波数を選択することができる。このとき、周波数の切換えは、デジタルコードであるスイッチ情報により行われるので、ノイズの影響を受けることなく、必要な周波数を正確に生成することができる。

また、各差動増幅器１１〜１３に対して設けられるスイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、それぞれ１個のトランジスタにより実現することができるので、図７に示した従来の構成と比べて回路規模が小さくなり、また、消費電力も小さくなる。

なお、リングオシレータを構成する差動増幅器の数は、特に限定されるものではない。ただし、３〜５段が好適である。
また、上述の実施例では、各差動増幅器の反転入力側にスイッチを設けているが、非反転入力側にスイッチを設ける構成であってもよい。

さらに、上述の実施例では、各差動増幅器１１〜１３の特性が互いに同じであるものとしているが、それらの特性は互いに異なっていてもよい。各差動増幅器１１〜１３の特性が互いに異なる場合は、３段構成のリングオシレータであっても、８（＝２³ ）通りの周波数を生成できる。

本発明の実施形態の可変周波数発振器の構成を示す図である。 スイッチ情報レジスタの実施例である。 差動増幅器の実施例である。 差動増幅器の周波数特性を示す図である。 差動増幅器の等価回路である。 デュアルモードおよびシングルモードを模式的に示す図である。 （ａ）は、公知の電圧制御発振器の一例の構成を示す図であり、（ｂ）は、リングオシレータを構成する各差動増幅器の構成を示す図である。

符号の説明

１ 可変周波数発振器
１１〜１３ 差動増幅器
２０ スイッチ情報レジスタ
３１ カレントミラー回路
３２ 電流源

Claims (3)

1. リング状に接続された複数の差動増幅器と、
   上記複数の差動増幅器の各々に対して設けられ、それぞれ前段の差動増幅器からの出力信号または参照信号の一方を選択する複数のスイッチと、
   上記複数のスイッチを制御するためのスイッチ情報を格納する格納手段、を有し、
   上記複数のスイッチは、それぞれ上記格納手段に格納されているスイッチ情報に従って一方の信号を選択することを特徴とする可変周波数発振器。
2. リング状に接続された複数の差動増幅器と、
   上記複数の差動増幅器の各々に対して設けられ、それぞれ対応する差動増幅器をデュアルモードまたはシングルモードのいずれか一方で動作させるスイッチ手段と、
   上記複数のスイッチ手段を制御するためのスイッチ情報を格納する格納手段、を有し、
   上記複数のスイッチ手段は、それぞれ上記格納手段に格納されているスイッチ情報に従って対応する差動増幅器の動作モードを制御することを特徴とする可変周波数発振器。
3. 上記スイッチ情報は、各差動増幅器に対してそれぞれ１ビットの情報が割り当てられたデジタルコードである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の可変周波数発振器。
   
   
   

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