JP2007208488A

JP2007208488A - 周波数逓倍回路および半導体集積回路

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Publication number: JP2007208488A
Application number: JP2006023305A
Authority: JP
Inventors: Shinpei Kubota; 晋平久保田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】出力信号のＤＣオフセット成分である直流成分を補償することができる周波数逓倍回路を提供する。
【解決手段】ローパスフィルタ１０３を用いて、第２の乗算回路１０２の出力信号から直流成分を抽出する。抽出された該直流成分は、反転加算回路１０４によって、第１の乗算回路の出力信号に反転して加えられる。その結果、第１の乗算回路１０１の出力信号から、後段の回路に影響を及ぼす可能性のあるＤＣオフセット成分を除去することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線用送受信回路などに使用される発振器等において、入力信号の２倍の周波数の出力信号を得る周波数逓倍回路に関するものである。

周波数逓倍回路は、様々な機器の信号処理に用いられている。その一例として、周波数逓倍回路は、ＲＦ送受信系に必要不可欠である発振器に備えられている。発振器によって作り出される発振周波数が上昇するほど、回路設計には困難を要する。そのため、発振器に周波数逓倍回路を備えることにより、消費電力や回路規模を小さくすることが可能となる。

周波数逓倍回路としては従来から、２つの正弦波信号の積を出力する乗算回路が用いられている。２つの入力信号をｓｉｎ２πｆｔ、利得をＡとしたとき、乗算回路の出力信号Ｖoutは、
Ｖout＝Ａｓｉｎ^２２πｆｔ
＝Ａ／２（１−ｃｏｓ２π・２ｆｔ）
となり、入力信号の２倍の周波数をもつ出力信号を得ることができる。

上記のような乗算回路を利用した周波数逓倍回路は、例えば特許文献１，２において開示がある。
特開２０００−６８７４４号（公開日２０００年３月３日）特開平８−１１６２１５号（公開日１９９４年１０月１８日）

上述したように、上記乗算回路の出力には、周波数成分を持たない直流成分Ａ／２が現れる。この直流成分は、出力のＤＣオフセットとなり、このＤＣオフセット成分を補償せずにそのまま直結で後段の回路へ出力信号を供給した場合には、後段の回路に悪影響を及ぼすことがある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力においてＤＣオフセット成分を含まない周波数逓倍回路を実現することにある。

本発明の周波数逓倍回路は、入力信号である２つの正弦波信号を乗算する第１の乗算回路と、前記第１の乗算回路の出力信号に現れる直流成分を算出する直流成分算出部と、前記第１の乗算回路の出力信号から前記直流成分算出部によって算出された直流成分を減ずる減算回路とを備えている。

ここで、前記直流成分算出部は、前記第１の乗算回路と同一の構成を有する第２の乗算回路と、前記第２の乗算回路の出力信号から直流成分を抽出するローパスフィルタとを備えていてもよい。

上記構成によれば、上記第１の乗算回路は、入力信号である２つの正弦波信号を乗算するものであり、その出力信号は入力信号の２倍の周波数をもつ。但し、上記第１の乗算回路における出力には、直流成分が現れる。

また、直流成分算出部は、例えば、第２の乗算回路と、該第２の乗算回路の出力信号から直流成分を抽出するローパスフィルタとから構成され、第１の乗算回路の出力信号に現れる直流成分を算出することができる。

そして、上記減算回路は、前記第１の乗算回路の出力信号から前記直流成分算出部によって算出された直流成分を減ずる処理を行うため、減算回路の出力は上記直流成分を含まず、入力信号の２倍の周波数をもつ出力信号となる。

すなわち、上記周波数逓倍回路は、出力信号のＤＣオフセット成分である直流成分を補償することができ、上記周波数逓倍回路は、後段の回路へ出力信号を供給する場合に、その後段の回路への影響を少なくすることが可能である。

また、前記直流成分算出部は、前記第１の乗算回路の出力信号から直流成分を抽出するローパスフィルタを備えていてもよい。

直流成分算出部は、例えば、第１の乗算回路の出力信号から直流成分を抽出するローパスフィルタから構成され、第１の乗算回路の出力信号に現れる直流成分を算出することができる。

すなわち、上記周波数逓倍回路は、第２の乗算回路を備えていないため、回路規模の縮小を図ることができるというさらなる効果を奏する。

また、半導体集積回路に、上記の回路構成を持つ周波数逓倍回路を備えるようにしてもよい。

以上のように、本発明の周波数逓倍回路は、入力信号である２つの正弦波信号を乗算する第１の乗算回路と、前記第１の乗算回路の出力信号に現れる直流成分を算出する直流成分算出部と、前記第１の乗算回路の出力信号から前記直流成分算出部によって算出された直流成分を減ずる減算回路とを備えている。

それゆえ、周波数逓倍回路の出力信号のＤＣオフセット成分である直流成分を補償することができる。これにより、後段の回路への影響を少なくすることが可能である。

〔実施形態１〕
本発明の一実施形態について、図１ないし図４に基づいて説明すると以下の通りである。

本発明の形態にかかる周波数逓倍回路は、図１に示すように、第１の乗算回路１０１、第１の乗算回路１０１と同一の構成を有する第２の乗算回路１０２（直流成分算出部）、ローパスフィルタ１０３（直流成分算出部）、および反転加算回路１０４（減算回路）から構成されている。

第２の乗算回路１０２およびローパスフィルタ１０３は直列に接続されており、直列に接続された第２の乗算回路１０２およびローパスフィルタ１０３は、第１の乗算回路１０１と並列に接続されている。

第１の乗算回路１０１に入力される信号Ｖ_ＩＮを、
Ｖ_ＩＮ＝Ａｓｉｎ２πｆｔ
とすると、第１の乗算回路１０１から出力される信号ＯＵＴ_１０１は、
ＯＵＴ_１０１＝Ａｓｉｎ^２２πｆｔ
＝Ａ／２（１−ｃｏｓ２π・２ｆｔ）
となる。また、この出力信号ＯＵＴ_１０１は反転加算回路１０４に入力される。

また、第２の乗算回路１０２に入力される信号は、第１の乗算回路１０１に入力される信号と同一であるため、Ｖ_ＩＮで表される。

ここで、第２の乗算回路１０２は、第１の乗算回路１０１と同一の構成であるため、第１の乗算回路１０１と入出力特性も同一である。よって、第２の乗算回路１０２から出力される信号ＯＵＴ_１０２も、
ＯＵＴ_１０２＝Ａ／２（１−ｃｏｓ２π・２ｆｔ）
となる。この出力信号ＯＵＴ_１０２はローパスフィルタ１０３に入力される。

ローパスフィルタ１０３は、入力された信号ＯＵＴ_１０２から直流成分のみを抽出する回路構成となっている。よって、ローパスフィルタ１０３から出力される信号ＯＵＴ_１０３は、
ＯＵＴ_１０３＝Ａ／２
となる。この出力信号ＯＵＴ_１０３は反転加算回路１０４に入力される。

反転加算回路１０４は、直流成分のみであるローパスフィルタ１０３の出力信号ＯＵＴ_１０３を反転し、第１の乗算回路１０１の出力信号ＯＵＴ_１０１に加える。すなわち、反転加算回路１０４は、第１の乗算回路１０１の出力信号ＯＵＴ_１０１からローパスフィルタ１０３の出力信号ＯＵＴ_１０３を減算する減算回路として機能する。これにより、反転加算回路１０４は、次式に表されるような出力信号ＯＵＴ_１０４を後段の回路に供給する。

ＯＵＴ_１０４＝ＯＵＴ_１０１−ＯＵＴ_１０３
＝Ａ／２（１−ｃｏｓ２π・２ｆｔ）−Ａ／２
＝−Ａ／２ｃｏｓ２π・２ｆｔ
すなわち、本実施の形態に係る周波数逓倍回路の出力は、反転加算回路１０４からの出力信号ＯＵＴ_１０４であり、この出力信号ＯＵＴ_１０４には直流成分が含まれておらず、ＤＣオフセットをキャンセルして後段の回路に出力信号を供給することが可能となる。

次に、本発明にかかる周波数逓倍回路に備えられている各回路構成について説明する。

第１の乗算回路１０１および第２の乗算回路１０２の一構成例を、乗算回路として既知であるギルバートセルミキサを用いて説明する。

ギルバートセルミキサは、図２に示すように、ＮＰＮトランジスタ（Ｑ２０１、Ｑ２０２、Ｑ２０３、Ｑ２０４、Ｑ２０５およびＱ２０６）、抵抗（Ｒ２０１、Ｒ２０２、Ｒ２０３、Ｒ２０４、Ｒ２０５、Ｒ２０６およびＲ２０７）、容量（Ｃ２０１およびＣ２０２）を備えて構成されている。また、上記ギルバートセルミキサは、入力端子（ＩＮ１）、反転入力端子（ＩＮ２）、出力端子（ＯＵＴ１）および反転出力端子（ＯＵＴ２）を有し、かつ、電流源（Ｉ２０１およびＩ２０２）および参照電圧ＶＣＣに接続されている。

ここで、第１の乗算回路１０１および第２の乗算回路１０２は、抵抗Ｒ２０２および抵抗Ｒ２０３の抵抗値、電流源Ｉ２０１および電流源Ｉ２０２の電流値がそれぞれ等しくなるように設計されている。

上記ギルバートセルミキサを第１の乗算回路１０１（または第２の乗算回路１０２）として用いる場合、入力端子ＩＮ１および反転入力端子ＩＮ２のそれぞれに入力される信号Ｖ_ＩＮが乗算された結果、出力端子ＯＵＴ１および反転出力端子ＯＵＴ２間から、乗算回路の出力信号ＯＵＴ_１０１（または出力信号ＯＵＴ_１０２）を得ることができる。

次に、ローパスフィルタ１０３の一構成例を、既知であるＲＣの差動１次ローパスフィルタを用いて説明する。

ＲＣの差動１次ローパスフィルタは、図３に示すように、抵抗（Ｒ３０１およびＲ３０２）、容量（Ｃ３０１）を備えて構成されている。また、上記差動１次ローパスフィルタは、入力端子（ＩＮ１）、反転入力端子（ＩＮ２）、出力端子（ＯＵＴ１）および反転出力端子（ＯＵＴ２）を備えている。

ここで、ローパスフィルタ１０３は、抵抗Ｒ３０１および抵抗Ｒ３０２の抵抗値が等しくなるように設計されている。

上記差動１次ローパスフィルタをローパスフィルタ１０３として用いる場合、入力端子ＩＮ１および反転入力端子ＩＮ２間に供給される第２の乗算回路１０２の出力信号ＯＵＴ_１０２を、容量Ｃ３０１で平滑して直流成分（すなわちＯＵＴ_１０３）を取り出す。

続いて、反転加算回路１０４の一構成例を図４に示す。反転加算回路１０４は、図４に示すように、ＮＰＮトランジスタ（Ｑ４０１、Ｑ４０２、Ｑ４０３およびＱ４０４）、抵抗（Ｒ４０１、Ｒ４０２、Ｒ４０３およびＲ４０４）を備えて構成されている。また、反転加算回路１０４は、電流源（Ｉ４０１、Ｉ４０２、Ｉ４０３およびＩ４０４）、および参照電圧ＶＣＣに接続されている。

ここで、反転加算回路１０４は、抵抗Ｒ４０１および抵抗Ｒ４０２の抵抗値、抵抗Ｒ４０３および抵抗Ｒ４０４の抵抗値がそれぞれ等しくなるように設計されている。また、電流源Ｉ４０１、Ｉ４０２、Ｉ４０３およびＩ４０４の電流値についても、すべて等しくなるように設計されている。

入力端子ＶＩＮ１Ａ、入力端子ＶＩＮ１Ｂ間に差動電圧ＶＩＮ１が入力され、入力端子ＶＩＮ２Ａ、入力端子ＶＩＮ２Ｂ間に差動電圧ＶＩＮ２が入力されると、差動電圧ＶＩＮ１および差動電圧ＶＩＮ２の極性が逆であり、負荷が共通であることから、出力端子ＯＵＴ１および出力端子ＯＵＴ２間の差動電圧Ｖoutは次式に表されるようなものとなる。

Ｖout＝Ｒ_Ｌ／Ｒ_Ｅ（ＶＩＮ１−ＶＩＮ２）
よって、図４に示された入力端子ＶＩＮ１Ａ、入力端子ＶＩＮ１Ｂ間には第１の乗算回路１０１の出力信号ＯＵＴ_１０１が入力され、入力端子ＶＩＮ２Ａ、入力端子ＶＩＮ２Ｂ間にはローパスフィルタ１０３の出力信号ＯＵＴ_１０３が入力される。そして、反転加算回路１０４によって、反転された出力信号ＯＵＴ_１０３が出力信号ＯＵＴ_１０１に加算されることにより、直流成分を含まない反転加算回路１０４の出力信号ＯＵＴ_１０４を、ＯＵＴ１およびＯＵＴ２間から得ることができる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について説明すれば、以下の通りである。なお、前記実施形態と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付記し、その説明は省略する。

本発明の形態にかかる周波数逓倍回路は、図５に示すように、第１の乗算回路１０１、ローパスフィルタ１０３（直流成分算出部）、および反転加算回路１０４（減算回路）から構成されている。

第１の乗算回路１０１および反転加算回路１０４は直列に接続されており、第１の乗算回路１０１の後段には、ローパスフィルタ１０３が直列に接続された第１の乗算回路１０１および反転加算回路１０４と並列となるように接続されている。

第１の乗算回路１０１に信号Ｖ_ＩＮが入力されると、第１の乗算回路１０１から出力される信号ＯＵＴ_１０１は、ローパスフィルタ１０３と反転加算回路１０４とに入力される。

ローパスフィルタ１０３は、入力された信号ＯＵＴ_１０１から直流成分のみを抽出する回路構成となっており、この出力信号ＯＵＴ_１０３は反転加算回路１０４に入力される。

反転加算回路１０４は、直流成分のみであるローパスフィルタ１０３の出力信号ＯＵＴ_１０３を反転し、第１の乗算回路１０１の出力信号ＯＵＴ_１０１に加える。すなわち、反転加算回路１０４は、第１の乗算回路１０１の出力信号ＯＵＴ_１０１からローパスフィルタ１０３の出力信号ＯＵＴ_１０３を減算する減算回路として機能する。これにより、反転加算回路１０４は、出力信号ＯＵＴ_１０４を後段の回路に供給する。

すなわち、本実施の形態に係る周波数逓倍回路の出力もまた、反転加算回路１０４からの出力信号ＯＵＴ_１０４であり、この出力信号ＯＵＴ_１０４には直流成分が含まれておらず、ＤＣオフセットをキャンセルして後段の回路に出力信号を供給することが可能となる。

加えて、本実施の形態に係る周波数逓倍回路は、第２の乗算回路１０２を備えていないため、回路規模の縮小を図ることができる。

図２ないし４において示した乗算回路１０１、１０２、ローパスフィルタ１０３、および反転加算回路１０４は、いずれも、通常の半導体プロセスによって形成可能な素子（トランジスタ、抵抗、容量等）のみによって回路基板上に製造することが可能である。従って、実施形態１および２に係る周波数逓倍回路は、半導体集積回路上において、他の回路構成と共に作り込むことが可能である。

本発明の周波数逓倍回路は、送受信系に用いられる発振器等に利用することが可能である。

本発明の一実施形態を示すものであり、周波数逓倍回路の構成を示す回路図である。上記周波数逓倍回路で用いられる第１の乗算回路および第２の乗算回路の一構成例を示すものであり、ギルバートセルミキサの回路図である。上記周波数逓倍回路で用いられるローパスフィルタの一構成例を示すものであり、ＲＣの差動１次ローパスフィルタの回路図である。上記周波数逓倍回路で用いられる反転加算回路の一構成例を示す回路図である。本発明の他の実施形態を示すものであり、周波数逓倍回路の構成を示す回路図である。

符号の説明

１０１第１の乗算回路
１０２第２の乗算回路（直流成分算出部）
１０３ローパスフィルタ（直流成分算出部）
１０４反転加算回路（減算回路）

Claims

入力信号である２つの正弦波信号を乗算する第１の乗算回路と、
前記第１の乗算回路の出力信号に現れる直流成分を算出する直流成分算出部と、
前記第１の乗算回路の出力信号から前記直流成分算出部によって算出された直流成分を減ずる減算回路とを備えることを特徴とする周波数逓倍回路。
前記直流成分算出部は、
前記第１の乗算回路と同一の構成を有する第２の乗算回路と、
前記第２の乗算回路の出力信号から直流成分を抽出するローパスフィルタとを備えることを特徴とする請求項１に記載の周波数逓倍回路。
前記直流成分算出部は、
前記第１の乗算回路の出力信号から直流成分を抽出するローパスフィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の周波数逓倍回路。
請求項１、２または３に記載の周波数逓倍回路を備えることを特徴とする半導体集積回路。