JP2007501574A - 周波数選択性を有し低位相ノイズかつ低熱ドリフトの発振器 - Google Patents

周波数選択性を有し低位相ノイズかつ低熱ドリフトの発振器 Download PDF

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Abstract

電圧制御発振器（２００）は、３端子デバイス（２０３）と、このデバイスの第１の端子（２０８）と第２の端子（２１０）とに跨って結合された回路（２０５）とを具備する。回路（２０５）は好ましくは、デバイス（２０３）をバイアスするとともに、デバイス（２０３）によって発生した選択量のノイズをデバイス（２０３）にフィードバックしてデバイス（２０３）の第３の端子（２１６）に存在する比例量の位相ノイズを低減する働きをする。

Description

本発明は、電圧制御発振器（voltage controlled oscillator：ＶＣＯ）の回路構成に関する。好ましくは、斯かる電圧制御発振器は、熱的に安定していること、超低位相ノイズ性能、および比較的高い周波数でしかも広い周波数範囲で動作可能なこと、のうち１つ以上の特性を有する。
電圧制御発振器（ＶＣＯ）は、ＤＣ電圧を高周波（ＲＦ）電圧に変換するために使用することができるコンポーネントである。その出力信号の大きさはＶＣＯ回路デザインに依存し、動作周波数は入力信号を提供する共振器によって決まる。クロック発生クロック再生回路（clock generation and clock recovery circuits）は、一般的には、位相ロックループ（phase locked loop：ＰＬＬ）内にあるＶＣＯを使用して外部参照（external reference）または受信データストリーム（incoming data stream）のどちらか一方からクロックを発生する。ＶＣＯは、それゆえＰＬＬの性能にとって多くの場合に重要である。また、ＰＬＬは通信ネットワーク構築において不可欠なコンポーネントである。というのは、発生したクロック信号は、一般的には、基本的なサービス情報がその意図した目的に使用できるように、その情報を伝送または再生（リカバリ）するために使用することができるからである。ＰＬＬは、通信を運ぶ搬送波周波数に通信機器が迅速にロックオン（lock-on）することを可能にするので、無線ネットワークにおいて特に重要である。
この点において、ＶＣＯの動的動作範囲およびノイズ性能は、ＰＬＬそれ自体の性能を制限しまたはそれに影響を与えることがある。一例として、市販のセラミック共振器ベースのＶＣＯの動作周波数は、一般的に３，０００，０００，０００ヘルツ（３ギガＨｚあるいは３ＧＨｚ）に制限され、通常は−４０℃乃至＋８５℃の温度範囲で１０，０００，０００（１０メガＨｚあるいは１０ＭＨｚ）を超える温度ドリフトを有する。セラミック共振器ベースの発振器の位相ノイズ（あるいは位相雑音）は、通常、１ＧＨｚ（または１，０００ＭＨｚ）の動作周波数に対して１０ｋＨｚで−１２０ｄＢｃ／Ｈｚである。弾性表面波（surface acoustic wave：ＳＡＷ）共振器ベースの発振器は、一般的に、動作周波数６２２ＭＨｚにおいて１０ｋＨｚで−１３５ｄＢｃ／Ｈｚ、および動作周波数２．５ＧＨｚに対して１０ｋＨｚで−１２２ｄＢｃ／Ｈｚを与える。一般的なＳＡＷ共振器ベースの発振器は、比較的低い位相ノイズを有する。しかし、その性能は動作温度範囲では非常に悪く、動作周波数選択の数が制限される。
図１は、既に知られている発振器の略回路図である。図１に示すように、例えばセラミック共振器といった共振器１０は、コンデンサＣ0１３を介してトランジスタ１６のベースと容量結合される。フィードバックコンデンサＣ1１８も、トランジスタ１６のベースと、接地されたフィードバックコンデンサＣ2１９とに結合される。コンデンサＣ1１８とコンデンサＣ2１９の値は、好ましくは調整可能（可調）である。トランジスタ１６のエミッタ端子は、インダクタＬC２３を介して接地される。トランジスタ１６のコレクタ端子は、インダクタＬ0２６を介してＤＣ電圧源Ｖｃｃ２９でバイアスされる。抵抗Ｒ2３３は、トランジスタのベースからインダクタＬ0２６に跨って結合される。追加の抵抗Ｒ1３５は、電圧源Ｖｃｃに結合されるとともに、コンデンサＣ0３７を介して接地される。この回路構成において、抵抗Ｒ2３３とＲ1３５の比は、動作中の温度安定化を実現するように選ばれる。出力信号は、コレクタからＶ01で容量結合されることがある。Ｖ01における出力信号は、より良いアイソレーションを実現するが、位相ノイズ性能は悪い。アイソレーションはより劣るが、より良い位相ノイズ性能のために、Ｖ02がトランジスタのエミッタから容量結合されることがある。加えて、出力信号Ｖ01またはＶ02は、それらが基本周波数プラスその高調波であるので、非正弦波である。既に述べたように、このタイプの発振器の位相ノイズ性能は、一般的に１ＧＨｚの動作周波数に対して１０ｋＨｚで−１２０ｄＢｃ／Ｈｚであり、周波数ドリフトは、一般的に−４０℃乃至＋８５℃にわたって１０ＭＨｚである。
このため、超低ノイズおよび低熱ドリフト性能を広い動作周波数範囲とともに実現する共振器ベースの発振器、例えばＶＣＯ（電圧制御発振器）、は有用である。
上記課題を解決するため、本発明の１つの側面として、超低ノイズ、低熱ドリフトおよび広い周波数範囲の高Ｑ値共振器ベースの発振器が提供される。本発振器の位相ノイズは、動作周波数１ＧＨｚに対して１０ｋＨｚで−１３０ｄＢｃ／Ｈｚより良い。本発明によれば、本発振器は、−４０°乃至＋８５°の動作温度範囲にわたってこのノイズ性能を維持し、斯かる動作温度範囲で６ＭＨｚ乃至０．８ＭＨｚの熱ドリフトを維持する。
本発明のもう１つの側面として提供される発振器は、好ましくは、３端子デバイスと、前記３端子デバイスの第１の端子と第２の端子とに跨って結合されており、該３端子デバイスをバイアスするとともに該３端子デバイスによって発生した選択量の位相ノイズを該３端子デバイスにフィードバックして該３端子デバイスの第３の端子に存在する比例量の位相ノイズを低減する働きをする第１の回路と、を具備する。
当該発振器は、望ましくは、前記３端子デバイスの第２の端子と第３の端子とに跨って結合されて当該発振器の動作中における該３端子デバイスの熱ドリフトを制御する働きをする第２の回路を更に具備することがある。
さらに、本発明の斯かる側面によれば、当該発振器は、望ましくは、前記３端子デバイスの第２の端子に結合されて該３端子デバイスへの入力を提供する働きをする共振器を更に具備する。任意の高Ｑ値共振器が使用できるが、より好ましくは、前記共振器はセラミック共振器である。
加えて、前記３端子デバイスは、最も好ましくはバイポーラトランジスタから成り、該３端子デバイスの第１、第２および第３の端子はそれぞれ、バイポーラトランジスタのコレクタノード、ベースノードおよびエミッタノードを成す。他方で、前記３端子デバイスは電界効果型トランジスタから成ることがあり、該３端子デバイスの第１、第２および第３の端子はそれぞれ、電界効果型トランジスタのコレクタノード、ベースノードおよびエミッタノードを成す。どのタイプであれ一般に前記３端子デバイスは、望ましくは、該３端子デバイスの第１の端子および第２の端子の間の１８０°位相シフトを提供する働きをする。
さらに本発明の斯かる側面によれば、当該発振器は、前記３端子デバイスの第３の端子に直列に結合された第１のフィルタおよび第２のフィルタを更に具備する。前記第１および第２のフィルタは、動作の基本周波数に調整された時定数を各々有することが更に望ましい。最も好ましくは、前記第１のフィルタは時定数が動作の基本周波数に調整されたＬＣフィルタから成り、前記第２のフィルタは時定数が動作の基本周波数に調整されたＲＣフィルタから成る。前記第１のフィルタは、前記第２のフィルタにインダクタを介して結合されていることが更に望ましいことがある。
なお、さらに本発明の斯かる側面によれば、当該発振器は、好ましくは、前記３端子デバイスの第２の端子に結合されて当該発振器の異なる動作周波数を選択する働きをする共振器・同調サブ回路（resonator and tuning sub-circuit）を更に具備する。
加えて、前記第２の回路は、望ましくは、前記３端子デバイスの第２の端子に結合された第１のフィードバックコンデンサと、前記第１のフィードバックコンデンサと前記３端子デバイスの第３の端子とに結合された温度補償抵抗と、前記第１のフィードバックコンデンサと前記温度補償抵抗との間に結合されかつ接地された第２のフィードバックコンデンサとを具備する。
当該発振器の前記第１の回路は、更に望ましくは、当該発振器の動作温度範囲にわたって前記３端子デバイスの第１の端子において実質的に一定のバイアス電圧を維持する。さらになお本発明のこの側面によれば、当該発振器は、望ましくは、前記３端子デバイスの第２の端子に並列に結合されて該３端子デバイスへの入力を提供する働きをする１対の共振器を更に具備する。
本発明の更にもう１つの側面として、共振器ベースの発振器のための回路が提供される。１つの形態として、前記回路は、ベース、コレクタおよびエミッタを有するトランジスタを具備する。望ましくは、バイアス・温度補償回路網（bias and temperature compensation network）が前記トランジスタのコレクタとベースとに跨って結合される。フィードバックコンデンサも前記トランジスタのベースに結合される。好ましくは、動作中の熱ドリフトを低減するために前記フィードバックコンデンサと前記トランジスタのエミッタとに跨って抵抗が接続される。共振器が前記トランジスタのベースに容量接続され、第１および第２の抵抗の絶対値は、望ましくは、前記トランジスタのエミッタに存在する位相ノイズと位相が十分ずれた選択量の位相ノイズが前記トランジスタのベースに与えられるように選択される。最も好ましくは、前記トランジスタのベース端子にフィードバックされる位相ノイズは前記トランジスタのエミッタ端子における位相ノイズとおよそ１８０°位相がずれている。
加えて、好ましくは、２段再生フィルタリング（two-stage regenerative filtering）が前記トランジスタによって発生するサーマル・ショットノイズ（thermal and shot noise）を効率的に低減するために前記トランジスタのエミッタ端子に導入される。さらに斯かる形態によれば、前記トランジスタのエミッタに接続された各前記フィルタの時定数は、動作の基本周波数に調整される。前記バイアス・温度補償回路網は、好ましくは、前記トランジスタのベースとコレクタとの間に第１の抵抗と直列に結合されたインダクタを含む。バイアス電圧は、前記バイアス・温度補償回路網を完成すべく、前記第１の抵抗および前記トランジスタのコレクタとの間に接続された第２の抵抗を介して印加される。
さらに本発明の斯かる側面によれば、好ましくは前記第２の抵抗を介して前記トランジスタにバイアス電圧が印加される。加えて、前記トランジスタはバイポーラトランジスタであることも望ましく、電界効果型トランジスタであることも同様に望ましい。
さらに本発明の斯かる側面によれば、出力信号は前記トランジスタのエミッタに結合された前記第１および第２のフィルタの間で取り出される。
本発明の追加の側面として、ベース、コレクタおよびエミッタを有するトランジスタを含む発振器回路が提供される。当該発振器回路は、前記トランジスタのコレクタとベースとに跨って結合されたバイアス・温度補償回路網と、前記トランジスタのベースとエミッタとに跨って結合されたフィードバックコンデンサ・熱ドリフト補償回路網とを更に具備する。加えて、２段再生フィルタが、好ましくは、前記トランジスタのエミッタ端子に結合される。当該発振器回路は前記トランジスタのベースに容量結合されたセラミック共振器あるいは任意の高Ｑ値共振器（high-Q resonator）も含む。さらに斯かる形態によれば、当該発振器回路の発振周波数を選ぶために同調回路網が前記共振器に容量結合される。
さらに本発明の斯かる側面によれば、前記トランジスタのエミッタに結合された各前記フィルタの時定数が発振器周波数の動作の基本周波数で機能するように調整される。
斯かる形態の変形として、前記第１の共振器と並列に容量結合された第２の共振器が追加的に含まれる。
本発明のもう１つの側面によれば、プッシュプッシュ発振器（push-push oscillator）回路配列が提供される。このプッシュプッシュ発振器回路は１対の発振器サブ回路に結合された１対の直列に結合された共振器を具備する。各発振器サブ回路は、好ましくは既に述べた形態に従って配列した、３端子デバイスと、バイアス・温度回路網と、フィードバックコンデンサ・熱ドリフト補償回路網と、再生ステージフィルタリングとから成る。加えて、位相結合回路網が各発振器サブ回路の出力信号を組み合わせるために両方の発振器サブ回路に跨って結合される。本発明の斯かる側面によれば、各前記発振器サブ回路のそれぞれの出力信号は、位相結合回路網が低次の高調波を相殺しながら第２高調波成分を構成的に加えるように、１８０°位相がずれている。このようにして、第２高調波で機能しかつ広い周波数範囲で有効な超低ノイズ、低熱ドリフト信号が作り出される。
本発明の更なる形態として提供されるプッシュプッシュ発振器回路は、構成要素である発振器回路の基本周波数のＮ倍の周波数で機能する超低ノイズ・低熱ドリフト信号を作り出すＮプッシュ構成に一般化される。
本発明は、トランジスタと一緒に使用されるときに特に有利であるが、本発明の教示に基づいて他の３端子デバイスが使用される場合がある。本発明の利点を実現するためにバイポーラ型および電界効果型のトランジスタも使用されることがある。
もう１つの側面として、本発明は、第１、第２および第３の端子を有する第１の３端子デバイスと、第１、第２および第３の端子を有しており直列に結合された複数の共振器によって前記第１の３端子デバイスに結合された第２の３端子デバイスとを具備する電圧制御発振器（ＶＣＯ）を含む。当該電圧制御発振器は、更に望ましくは、前記第１および第２の３端子デバイスの各々の第２および第３の端子の間にそれぞれ結合され、それぞれのデバイスの熱ドリフトを制御する第１の回路と、前記第１および第２の３端子デバイスの各々の第１および第２の端子の間にそれぞれ結合され、それぞれの第１の端子において十分な固定バイアス電圧状態を維持する働きをする第２の回路とを含む。
さらに本発明の斯かる側面によれば、位相結合回路網（phase coupling network）が、望ましくは、前記第１および第２の３端子デバイスのそれぞれの第１の端子の間に前記第２の回路と並列に結合され、当該発振器の基本周波数の高調波にある出力を発生させる働きをする。
本発明のなお更なる側面として、ネットワーク通信装置（network communication device）であって、望ましくは、該通信装置からまたは該通信装置へ伝達される情報を伝送または再生（リカバリ）するために使用されるクロック信号を発生するための位相ロックループ（phase lock loop：ＰＬＬ）を含むネットワーク通信装置が提供される。最も好ましくは、前記位相ロックループは、前記クロック信号を発生するための電圧制御発振器（voltage controlled oscillator：ＶＣＯ）を含む。本発明の斯かる側面によれば、前記電圧制御発振器は、３端子デバイスと、前記３端子デバイスの第１の端子と第２の端子とに跨って結合され、該３端子デバイスをバイアスするとともに、該３端子デバイスによって発生した選択量の位相ノイズを該３端子デバイスにフィードバックして該３端子デバイスの第３の端子に存在する比例量の位相ノイズを低減する働きをする第１の回路と、前記３端子デバイスの第２の端子と第３の端子とに跨って結合され、当該発振器の動作中における該３端子デバイスの熱ドリフトを制御する働きをする第２の回路とを具備する。
本発明のなお更なる側面として、セルラ携帯無線電話機（cellular telephone）であって、望ましくは、該電話機からまたは該電話機へ伝達される情報を伝送または再生（リカバリ）するために使用されるクロック信号を発生するための位相ロックループ（phase lock loop：ＰＬＬ）を含むセルラ携帯無線電話機が提供される。最も好ましくは、前記位相ロックループは、前記クロック信号を発生するための電圧制御発振器（voltage controlled oscillator：ＶＣＯ）を含む。本発明の斯かる側面によれば、前記電圧制御発振器は、３端子デバイスと、前記３端子デバイスの第１の端子と第２の端子とに跨って結合され、該３端子デバイスをバイアスするとともに、該３端子デバイスによって発生した選択量の位相ノイズを該３端子デバイスにフィードバックして該３端子デバイスの第３の端子に存在する比例量の位相ノイズを低減する働きをする第１の回路と、前記３端子デバイスの第２の端子と第３の端子とに跨って結合され、当該発振器の動作中における該３端子デバイスの熱ドリフトを制御する働きをする第２の回路とを具備する。
さらに本発明によれば、超低ノイズの熱的に安定した比較的高い周波数の信号をＶＣＯから発生するための方法が提供される。本方法は、第１、第２および第３の端子を有する３端子デバイスを提供することを含む。本発明は、前記３端子デバイスの第１および２の端子を跨ぐようにバイアス・温度補償回路を結合するとともに、前記３端子デバイスの第２および第３の端子を跨ぐようにフィードバックコンデンサ・熱ドリフト回路を結合することを更に含む。さらに本方法によれば、２段再生フィルタリング（two-stage regenerative filtering）が前記３端子デバイスの第３の端子に結合される。共振器も前記３端子デバイスの第２の端子に容量結合される。
本発明の方法の１つの側面として、前記バイアス・温度補償回路は、前記３端子デバイスの第１の端子にＤＣバイアス電圧を第１の抵抗およびインダクタを介して印加し、前記第１の抵抗およびインダクタおよび前記第２の端子の間に第２の抵抗を結合することを含む。斯かる側面によれば、本方法は、前記３端子デバイスの第２の端子に選択量のノイズをフィードバックしながら前記３端子デバイスをバイアスするために前記第１および第２の抵抗の絶対値を選択することを更に含む。
本方法は、更に望ましくは、前記共振器に同調回路網（tuning network）を容量結合することを含む。
本方法の１つの変形として、前記３端子デバイスの第２の端子へのフィードバックの利得を増大させるバイアス・温度補償回路網を導入することが含まれる。
図２は、本発明の１つの側面に基づく発振器回路２００のモジュールを示したブロック図である。図に示すように、３端子デバイス２０３は、第１の端子２０８と第２の端子２１０との間に結合されたバイアス・温度補償回路網２０５を有する。３端子デバイス２０３は、バイポートランジスタまたは電界効果型トランジスタ（field effect transistor：ＦＥＴ）またはその他任意の３端子デバイスの場合がある。特に、本発明によれば、第１の端子２０８と第２の端子２１０の間に１８０°位相シフトを与えることができ動作周波数において十分な利得を供給する任意の３端子デバイスが使用される。加えて、３端子デバイスの最大動作周波数は必要とされる動作周波数より何倍も高い、例えば約１０倍高い、ことも望ましい。
熱ドリフト補償・フィードバック回路網２１３は、第２の端子２１０と第３の端子２１６とに跨って結合される。熱ドリフト補償・フィードバック回路網２１３の構成素子は、動作温度範囲で熱的安定性を実現するように選ばれる。
バイアス・温度補償回路網２０５は、第１の端子２０８に出現するバイアス電圧を一定に維持する働きをする。このため、動作中に生じることがある温度変動は３端子デバイス２０３の動作に影響を与えにくい。
共振器・同調サブ回路２１８も第２の端子２１０に結合されている。共振器・同調サブ回路２１８は、回路２００が発振する異なる動作周波数を選ぶために使用される。
第１のフィルタ２２８および第２のフィルタ２３０は、第３の端子２１６に直列に結合されて出力信号２３５の２段フィルタリング（two-stage filtering）を実現する。
本発明の１つの側面によれば、バイアス・温度補償回路網２０５は、３端子デバイス２０３によって生み出された選択量の位相ノイズを３端子デバイス２０３のベースにフィードバックし、それにより第３の端子２１６または出力２３５に存在する比例量の位相ノイズを低減または相殺するよう選ばれる。
動作に関して、図２の発振器２００は、好ましくは以下のように動作する。まず共振器・同調ダイオードのブロック２１８は、選択周波数の入力信号を第２の端子２１０に提供するよう調整される。バイアス・温度補償回路網２０５は、第１の端子２０８に所定の電圧を印加する働きをする。３端子デバイス２０３が一旦適正にバイアスされると、３端子デバイス２０３は、バイアス・温度補償回路網２０５およびフィードバックコンデンサ・熱ドリフト補償回路網２１３を構成する素子の値のみならず、第２の端子２１０における入力の周波数に依存する信号を、第３の端子２１６に出力する。既に述べたように、バイアス・温度補償回路網２０５の素子の値は、選択量の位相ノイズを３端子デバイス２０３の第２の端子２１０へフィードバックするのみならず、第１の端子２０８におけるバイアス電圧を十分一定に保つように選ばれる。バイアス・温度補償回路網２０５によってフィードバックされる位相ノイズは、最も好ましくは、第３の端子２１６に存在する位相ノイズと位相がずれており、その結果、３端子デバイス２０３の動作温度範囲または動作環境の温度範囲における変化を補償する。加えて、フィードバックコンデンサ・熱ドリフト補償回路網２１３は、第３の端子２１６に存在する選択量の位相ノイズを第２の端子２１０にフィードバックして３端子デバイス２０３における熱ドリフトによって引き起こされることがある出力周波数の変化を補償する。フィルタ２２８およびフィルタ２３０によって実現される２段フィルタリングは、３端子デバイス２０３のノイズスペクトル密度を低減するよう構成される。このため、３端子デバイス２０３は、共振器・同調ダイオードのブロック２１８の設定（セッティング）に基づく周波数で発振し、フィードバックコンデンサ・熱ドリフト補償回路網ブロック２１３によって熱ドリフトを補償するのみならず、バイアス・温度補償回路網２０５によって動作温度の変化を有利に補償する。
次に、図３に本発明の１つの側面に基づく図２の発振器回路の実施形態２５０を示す。図３に示すように、温度補償抵抗２５２は、トランジスタまたは３端子デバイス２５７のエミッタ２５５とフィードバックコンデンサ２５９とに跨って接続されている。抵抗２５２の目的は、発振器の動作中の熱ドリフトを最小化することにある。第１のフィルタ２２８は、インダクタ２６０およびコンデンサ２６２を含むＬＣフィルタ回路網から成る。第１のフィルタ２２８は、トランジスタによって生み出されたより高次の高調波信号を濾波する働きをする。第２のフィルタ２３０は、抵抗２６５およびコンデンサ２６７を含むＲＣ回路網から成る。第２のフィルタ２３０は、３端子デバイス２５７のサーマルショットノイズを濾波する働きをする。第１および第２のフィルタの時定数は、動作の基本周波数に調整される。この再生２段フィルタリングは、３端子デバイス２５７のサーマル・ショットノイズ電流によって生じたノイズパワースペクトル密度を効率的に低減する。既に述べたように、出力信号２３５は第１および第２のフィルタの間のポイントから取り出される。
図３の特別な実施形態では、バイアス・温度補償回路網２０５は図示された仕方で配置された多数の素子から成る。バイアス・温度補償回路網２０５は、３端子デバイスのＤＣ動作状態を決定する。加えて、バイアス・温度補償回路網２０５は、トランジスタの選択量の位相ノイズを抵抗３３を介してトランジスタのベース２７０にフィードバックする働きもする。
同調回路網２７２は、共振器１０に結合されており、回路の出力を調整するとともに抵抗２５２およびコンデンサ２５９によって消えなかった任意の残余熱ドリフトを補償するために使用される。
図４に本発明の追加の側面に基づく発振器のもう１つの実施形態２７５を概略的に示す。特に、第１のフィルタ２２８および第２のフィルタ２３０は、図３に示したようにエミッタ出力に結合される。加えて、熱補償抵抗２５２もフィードバックコンデンサ２５９とエミッタ２５５とを跨いで結合される。しかしながら、図４の実施形態は、同調回路網、例えば同調回路網２７２や、温度補償回路網、例えば温度補償回路網２０５は含まない。図４の実施形態によれば、抵抗２７９および抵抗２８０の絶対値は、エミッタにおける位相ノイズを低減するように選ばれる。本発明の１つの側面によれば、抵抗２７９および抵抗２８０の値の適正な選択はノイズがトランジスタのコレクタ２８３からベース２８５へフィードバックされる結果をもたらすことになる。ベース２８５にフィードバックされるノイズは、エミッタ２８６とはノイズの位相が正反対になるので、位相ノイズの低減は出力ポートで実現される。
抵抗２７９（または３３）および抵抗２８０（または３５）の正確な値は、３端子デバイスのＤＣバイアスを決定する。好ましくは、これらの抵抗の絶対値の組は、回路の位相ノイズ性能を最小化しながら同じバイアスを提供するよう設定される。これら２つの抵抗は、図３に示したようなフィードバック利得がより高いより複雑な電子回路と置き換えられることもある。
次に、図５に本発明の１つの側面に基づく動作中の発振器の測定された位相ノイズのプロットを示す。発振器が１ＧＨｚの動作周波数に合わせられ、かつ、測定値が再生フィルタの有る場合と無い場合とで採取された。再生フィルタリングが有る場合には、位相ノイズは１０ｋＨｚで約−１３０ｄＢ／Ｈｚであった。再生フィルタリングが無い場合には位相ノイズは約−１２５ｄＢ／Ｈｚで若干良くなかった。従って、再生フィルタリングが無くても、本発明の上述の側面に基づき、位相ノイズ、共振器ベースの発振器の性能の改善が見られた。
図６に、本発明の追加の側面に基づく並列結合共振器型発振器３００を示す。ブロック３１０に示すように、発振器３００は１対の並列結合した共振器を含む。それ以外については、発振器３００は、図２および図３に示されたものと全て同じ基本要素を含む。共振器３１２および３１４は、コンデンサ３２０を跨いで並列に接続される。コンデンサ３２０を跨いで共振器を並列に適切に容量結合することにより、発振器の位相ノイズ性能が改善されることがある。図６の並列配列の結果、回路のノイズ性能を増大しない単一の同調回路（tuned circuit）がもたらされる。図６の配列は、既に説明した単一共振器型発振器回路の位相ノイズよりも約１０乃至２０ｄＢだけ性能を改善することもある。
図７に本発明のもう１つの側面に基づく直列結合共振器型発振器４００を形成するためのプッシュプッシュ（push-push）トポロジーにおける基本モジュールとそれらの配列を示す。本発明の斯かる側面によれば、第１の３端子デバイス４０３および第２の３端子デバイス４０６は、複数の直列に結合した共振器４０８を介して背合わせで結合される。３端子デバイス４０３および４０６は各々、それぞれのフィードバックコンデンサ・熱ドリフト補償回路網４１１に結合される。本回路の基本周波数で作用する第１のフィルタ４１５は、３端子デバイス４０３の第２の端子４１７に結合される。本回路の基本周波数で作用する第２のフィルタ４１９は、同じく３端子デバイス４０６の第２の端子４２１に結合される。バイアス・温度補償回路網４２３は、３端子デバイス４０３および４０６のそれぞれの第３の端子４２７および４２８に結合される。位相結合回路網４３２もバイアス・温度補償回路網４２３と並列に３端子デバイス４０３および４０６のそれぞれの第３の端子４２７および４２８に結合される。本回路の出力４４０は、位相結合回路網４３２に接続され、直列に結合した共振器の数に応じて回路の基本周波数の倍数で働く。例えば、２つの共振器が直列に結合された場合には、出力は回路の基本周波数の２倍である。
次に、図８に図７のプッシュプッシュ配列に基づく発振器４５０の実施形態を示す。特に、発振器４５０は１対の直列に結合したセラミック共振器４５２および４５４から構成される。これらの共振器は、伝送線路の一部４５７を介して直列に結合される。図に示すように、共振器４５２および４５４は２つの半波共振器として振る舞う。物理的には、共振器４５２および４５４は、単一の共通の共振器からそれをタップして位相が１８０°ずれた発振信号を提供するようにして形成される。
第１の共振器４５２は、コンデンサ４６０を介して第１のフィードバック・温度補償回路網４６２に容量結合される。第１のフィードバック・温度補償回路網４６２は、フィードバックコンデンサ４６３、４６４および４６５と、温度補償抵抗４６８とを含む。図３の回路構成と同様に、温度補償抵抗４６８は、コンデンサ４６４と第１の３端子デバイス（図ではトランジスタ）４０３のエミッタとを跨いで結合される。既に述べたように、トランジスタ４０３は、バイポーラトランジスタまたはＦＥＴから成る場合がある。２段再生フィルタリングがここでもエミッタのところにインダクタ４６９およびコンデンサ４６０から成る第１のＬＣフィルタで実施される。第２のＲＣフィルタは、コンデンサ４７２および抵抗４７４によって形成される。
第１のバイアス・温度補償回路網４７８は、３端子デバイス４０３のベースとコレクタとに跨って結合される。第１のバイアス・温度補償回路網４７８は、トランジスタ４０３のコレクタに結合されたインダクタ４８０に、コンデンサ４８２および４８４、抵抗４８５、４８６および４８７、並びにバイアスＤＣ電圧源４８９および伝送線路４９０を一緒にして構成される。第１のバイアス・温度補償回路網４７８は、抵抗４９２を介して第２の３端子デバイス４０６のバイアス・温度補償回路網に結合される。本発明の斯かる実施形態によれば、図８に示すように、第２のトランジスタ４０６は、第１のトランジスタ４０３が第１の共振器４５２に結合されたのと対称的な回路構成を成すように、第２の共振器４５４に結合される。
図８におけるトランジスタ４０３および４０６並びにそれらのサブ回路（例えば、バイアス・温度補償回路網、フィードバック・熱ドリフト回路網）の配列は、超低位相ノイズおよび低熱ドリフト性能を実現しつつ図３の単一共振器型発振器の周波数動作を２倍拡大する。図８の実施形態によれば、発振信号の位相が１８０°ずれた２つの複製信号が各トランジスタのコレクタ端子で作り出される。位相結合回路網は、このとき、トランジスタおよびサブ回路の各配列で作られたそれぞれの信号を組み合わせて回路の基本周波数の第２高調波における信号を作り出す。
上記実施形態は、コンデンサ４９７および４９８を介して（２つの）共振器を跨ぐように容量結合された選択的な位相調整回路網（phase tuning network）４９３を更に含む。位相調整回路網４９３は、これらの共振器からの信号の位相差、延いては、発振器回路によって作り出される信号の位相差、を微調整するのに使用される。
図８に示した２プッシュ発振器構成に関して言えば、２つの発振器の間の逆対称位相は１８０°である。共通の高Ｑ値共振器（例えばセラミック共振器）を通じて結合された２つの対称的な発振器サブ回路は、この２つのサブ回路の出力コレクタ電流が１８０°位相が異なること強要し、これによりこの２つのサブ回路のトランジスタのベースを通じて接続された共振器を跨いで差分電圧が発生する。２共振器サブ回路は対称的であるので、それによりセラミック共振器の中央に仮想ＲＦ接地（virtual RF ground）が生じ、共振器の方向における２つのサブ回路のベース電流は逆位相にある。セラミック共振器の真ん中にある仮想ＲＦ接地は、共振器を対称的に半分ずつ２つに分割し、この結果、ＳＲＦ（self-resonant frequency）のダブリング（二倍化）がもたらされ、それにより、単一共振器は２つの直列に結合された１／２共振器（半波共振器）として取り扱われる。
図９に図８のプッシュプッシュ構成の位相ノイズ性能を示す。動作周波数２．４ＧＨｚでは、プッシュプッシュ共振器は１０ｋＨｚで約−１２５ｄＢｃ／Ｈｚの位相ノイズを与える。さらに、位相ノイズは動作周波数１．２ＧＨｚに対して１０ｋＨｚで約−１３０ｄＢｃ／Ｈｚである。
図８のプッシュプッシュ（push-push）配列または２プッシュ（2-push）配列は、Ｎ個のトランジスタ発振器サブ回路のアレイを直列結合することによって発振器回路の基本周波数の最大Ｎ倍の周波数で動作する発振器を実現するよう拡張することができる。特に、また図１０に示すように、Ｎ個の隣り合うサブ回路は、位相が互いに３６０°／Ｎだけずれた発振信号のＮ個の複製信号を生み出すべく、１つの共通の共振器を共有するように結合されることがある。このＮ個の複製信号は、図８および図９に示したような仕方で、信号位相の対称性に因り不要な高調波を相殺しながら所望の高調波を作り出すよう組み合わされる場合がある。
図１１に本発明の更にもう１つの側面に基づく４プッシュ（4-push）発振器のトポロジーを示す。この４プッシュ発振器では、隣り合うサブ回路は互いに位相が９０°ずれており、相互インジェクションモード（mutual injection mode）で同時に発振する。ある隣接したサブ回路からの発振信号は別のサブ回路に送り込まれ、さらに再びその他のサブ回路に送り込まれる等々が行われ、こうして全てのサブ回路が同じ基本周波数（ｆ0）で発振することができるようになっている。以下の数式から判るように、各サブ回路の基本発振信号はその他の信号との位相差が９０°、１８０°、および２７０°となる。
４プッシュ発振器の各サブ回路の時間的に変動する発振信号は、次式で与えることができる。
Figure 2007501574
所望の第４高調波信号４ｆ0は、それらの同相関係（in-phase relations）から拡張した周波数動作のために構成的に組み合わされる。しかしながら、不要な基本信号ｆ0、第２高調波信号２ｆ0、第３高調波信号３ｆ0および第５高調波信号５ｆ0は、４プッシュトポロジーにおけるリング共振器の直交共振モード（orthogonal resonance modes）から位相不一致関係（out of the phase relation）によって抑えられる。
一般に本発明の１つの側面によれば、Ｎプッシュ発振器は単一発振器と比較して位相ノイズおよび熱ドリフトをＮ倍改善する。
以上、本発明は特定の実施形態に関して述べられてきたが、これらの実施形態は単に原理および用途を説明するためのものであることは理解されたい。それゆえ、本願特許請求の範囲の各請求項によって定義される本発明の技術的思想の範囲内において、上記実施形態に数々の変更が加えられることがあること、そして他の配列（アレンジメント）が考案されることがあることは理解されたい。
本発明は、情報通信分野において産業上の利用可能性を有しており、データ、電話機、セルラネットワーク、あるいは一般に通信ネットワークで通信するために使用される任意数の装置において利用されることがある。斯かる装置は、限定はされないが、例えば、セルラ携帯無線電話機、個人用情報携帯端末（personal digital assistants：ＰＤＡ）、モデムカード、ラップトップコンピュータ、衛星電話機等を含むことがある。一般論として、様々な添付図面を参照して説明された本発明の発振器回路は、ネットワーク上で送受信された情報を伝送または再生（リカバリ）するために使用されることがあるクロック信号を発生するためにＰＬＬにおいて利用されることがある。無線ネットワークに加え、本発明の回路は有線ネットワーク、衛星ネットワーク等において利用されることがある。
既知の発振器の略回路図である。 本発明の１つの側面による発振器の機能ブロック図である。 本発明の１つの側面による図２の発振器の回路図である。 本発明の１つの側面による図２の発振器の回路図である。 本発明の１つの側面による発振器動作の位相ノイズ性能をグラフで示した図である。 本発明の１つの側面による発振器の略回路図である。 本発明の１つの側面による発振器の機能ブロック図である。 図７の機能ブロック図に基づく発振器の実施形態の略図である。 図８の回路に基づく発振器動作の位相ノイズ性能をグラフで示した図である。 本発明の１つの側面によるＮプッシュ発振器のトポロジーを示した図である。 本発明の１つの側面による４プッシュ発振器のトポロジーを示した図である。

Claims (42)

  1. ３端子デバイスと、
    前記３端子デバイスの第１の端子と第２の端子とに跨って結合され、該３端子デバイスをバイアスするとともに、該３端子デバイスによって発生した選択量の位相ノイズを該３端子デバイスにフィードバックして該３端子デバイスの第３の端子に存在する比例量の位相ノイズを低減する働きをする第１の回路と、
    を具備することを特徴とする発振器。
  2. 前記３端子デバイスの第２の端子に結合されて該３端子デバイスへの入力を提供する働きをする共振器を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の発振器。
  3. 前記共振器はセラミック共振器であることを特徴とする請求項２に記載の発振器。
  4. 前記３端子デバイスはバイポーラトランジスタから成り、該３端子デバイスの第１、第２および第３の端子はそれぞれ、前記バイポーラトランジスタのコレクタノード、ベースノードおよびエミッタノードを成す、ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
  5. 前記３端子デバイスは電界効果型トランジスタから成り、該３端子デバイスの第１、第２および第３の端子はそれぞれ、電界効果型トランジスタのコレクタノード、ベースノードおよびエミッタノードを成す、ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
  6. 前記３端子デバイスの第２の端子と第３の端子とに跨って結合されて、当該発振器の動作中における該３端子デバイスの熱ドリフトを制御する働きをする第２の回路を更に具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
  7. 前記３端子デバイスは、該３端子デバイスの第１の端子および第２の端子の間の１８０°位相シフトを提供する働きをすることを特徴とする請求項１に記載の発振器。
  8. 前記３端子デバイスの第３の端子に直列に結合された第１のフィルタおよび第２のフィルタを更に具備することを特徴とする請求項１に記載の発振器。
  9. 前記第１のフィルタは、時定数が動作の基本周波数に調整されたＬＣフィルタから成ること特徴とする請求項８に記載の発振器。
  10. 前記第２のフィルタは、時定数が動作の基本周波数に調整されたＲＣフィルタから成ることを特徴とする請求項８に記載の発振器。
  11. 前記３端子デバイスの第２の端子に結合されて、当該発振器の異なる動作周波数を選択する働きをする共振器・同調サブ回路を更に具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
  12. 前記共振器・同調サブ回路は、共振器に容量結合されて当該発振器における熱ドリフトを低減する働きをする同調回路網を含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の発振器。
  13. 前記第２の回路は、前記３端子デバイスの第２の端子に結合された第１のフィードバックコンデンサと、前記第１のフィードバックコンデンサと前記３端子デバイスの第３の端子とに結合された温度補償抵抗と、前記第１のフィードバックコンデンサと前記温度補償抵抗との間に結合されかつ接地された第２のフィードバックコンデンサと、を具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
  14. 前記第１の回路は、当該発振器の動作温度範囲にわたって前記３端子デバイスの第１の端子において実質的に一定のバイアス電圧を維持する、ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
  15. 前記３端子デバイスの第２の端子に並列に結合されて該３端子デバイスへの入力を提供する働きをする１対の共振器を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の発振器。
  16. ベース、コレクタおよびエミッタを有するトランジスタと、
    前記トランジスタのベースとコレクタとの間に第１の抵抗と直列に接続されたインダクタと、前記第１の抵抗と前記インダクタとの間に接続された第２の抵抗とを含むバイアス・温度補償回路網と、
    前記トランジスタのベースに接続されたフィードバックコンデンサと、
    前記フィードバックコンデンサと前記トランジスタのエミッタとに跨って接続されて当該発振器の熱ドリフトを低減する働きをする抵抗と、
    前記トランジスタのベースに容量接続された共振器と、を具備し、
    前記第１および第２の抵抗の絶対値は、前記トランジスタのエミッタにおける位相ノイズと位相がずれた選択量の位相ノイズが前記トランジスタのベースに与えられるように設定されている、ことを特徴とする電圧制御発振器。
  17. 前記トランジスタのエミッタに結合された２段再生フィルタを更に具備することを特徴とする請求項１６に記載の電圧制御発振器。
  18. 前記２段再生フィルタは、第１のＬＣフィルタに第２のＲＣフィルタが誘導結合したものを含むことを特徴とする請求項１６に記載の電圧制御発振器。
  19. 出力信号が前記第１および第２のフィルタの間で取り出されることを特徴とする請求項１８に記載の電圧制御発振器。
  20. バイアス電圧が前記第２の抵抗を介して前記トランジスタに印加されることを特徴とする請求項１６に記載の電圧制御発振器。
  21. 第１、第２および第３の端子を有する第１のデバイスと、
    前記第１および第２の端子の間に結合されたバイアス・温度回路と、
    前記第２の端子に結合された共振器・同調回路と、
    前記第２および第３の端子の間に結合されたフィードバック・熱ドリフト補償回路と、
    前記第３の端子に結合された第１のフィルタと、
    前記第１のフィルタに結合された第２のフィルタと、を具備し、
    前記第１および第２のフィルタは当該回路の動作の基本周波数に調整された時定数を含むとともに、前記バイアス・温度回路は選択量のノイズを前記第１のデバイスにフィードバックする、ことを特徴とする電圧制御発振器回路。
  22. 前記第１のデバイスはバイポーラトランジスタから成り、前記第１、第２および第３の端子はそれぞれ、前記バイポーラトランジスタのコレクタノード、ベースノードおよびエミッタノードを成す、ことを特徴とする請求項２１に記載の電圧制御発振器回路。
  23. 前記第１のデバイスは電界効果型トランジスタから成り、前記第１、第２および第３の端子はそれぞれ、前記電界効果型トランジスタのコレクタノード、ベースノードおよびエミッタノードを成す、ことを特徴とする請求項２１に記載の電圧制御発振器回路。
  24. 前記第１のフィルタはＬＣ回路から成り、前記第２のフィルタはＲＣフィルタから成り、前記第１および第２のフィルタはインダクタを介して結合されている、ことを特徴とする請求項２１に記載の電圧制御発振器回路。
  25. 前記フィードバック・熱ドリフト補償回路は、前記第２の端子に結合された第１のフィードバックコンデンサと、前記第１のフィードバックコンデンサと前記第３の端子とに結合された温度補償抵抗と、前記第１のフィードバックコンデンサと前記温度補償抵抗との間に結合されかつ接地された第２のフィードバックコンデンサとを具備する、ことを特徴とする請求項２１に記載の電圧制御発振器回路。
  26. 第１、第２および第３の端子を有する第２の３端子デバイスを更に具備し、前記第２のデバイスは、前記共振器、前記フィードバック・熱ドリフト補償回路および前記バイアス・温度回路に結合されるとともに、前記第１および第２のデバイスは更に、該第１および第２のデバイスの出力信号を組み合わせて当該回路の動作の基本周波数の第２高調波で機能する信号を発生する位相結合回路網に結合されている、ことを特徴とする請求項２１に記載の電圧制御発振器回路。
  27. 前記共振器に結合された複数の３端子デバイスを更に具備し、前記複数の３端子デバイスの各々は、前記フィードバック・熱ドリフト補償回路網および前記バイアス・温度回路網に結合されるとともに、前記複数の３端子デバイスは更に、前記第１および第２のデバイスの出力信号を組み合わせて当該回路の動作の基本周波数の第Ｎ高調波で機能する信号を発生する位相結合回路網に結合されている、ことを特徴とする請求項２１に記載の電圧制御発振器回路。
  28. 第１、第２および第３の端子を有する第１の３端子デバイスと、
    第１、第２および第３の端子を有し、直列に結合された複数の共振器によって前記第１の３端子デバイスに結合された第２の３端子デバイスと、
    前記第１および第２の３端子デバイスの各々の第２および第３の端子の間にそれぞれ結合され、それぞれの３端子デバイスの熱ドリフトを制御する第１の回路と、
    前記第１および第２の３端子デバイスの各々の第１および第２の端子の間にそれぞれ結合され、それぞれの第１の端子において十分な固定バイアス電圧状態を維持する働きをする第２の回路と、
    前記第１および第２の３端子デバイスの各々の第１の端子の間に前記第２の回路と並列に結合され、前記発振器の基本周波数の高調波における出力を発生する働きをする位相結合回路網と、を具備することを特徴とするシステム。
  29. 前記第１および第２の３端子デバイスの各々の第３の端子にそれぞれ結合され、前記発振器の基本周波数において各々機能する第１および第２のフィルタを更に具備する、ことを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
  30. 前記複数の共振器は、伝送線路の一部を介して直列に結合されていることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
  31. 前記複数の共振器は、１８０°位相がずれた信号を提供するように単一の共通の共振器からタップして形成された２つの共振器から成る、ことを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
  32. 前記複数の共振器に跨って結合されて、該複数の共振器のそれぞれの共振器の信号の間の位相差を調整する働きをする位相調整回路網を更に具備する、ことを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
  33. 各前記３端子デバイスは、バイポーラトランジスタから成ることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
  34. 各前記３端子デバイスは、電界効果型トランジスタから成ることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
  35. 各前記３端子デバイスは、それぞれの第１および第２の端子の間の１８０°位相シフトを提供する働きをすることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
  36. ネットワーク通信装置であって、
    前記通信装置からまたは当該通信装置へ伝達される情報を伝送または再生するために使用されるクロック信号を発生するための位相ロックループを具備し、
    前記位相ロックループは、前記クロック信号を発生するための電圧制御発振器を含み、前記電圧制御発振器は、
    ３端子デバイスと、
    前記３端子デバイスの第１の端子と第２の端子とに跨って結合され、該３端子デバイスをバイアスするとともに、該３端子デバイスによって発生した選択量の位相ノイズを該３端子デバイスにフィードバックして該３端子デバイスの第３の端子に存在する比例量の位相ノイズを低減する働きをする第１の回路と、
    前記３端子デバイスの第２の端子と第３の端子とに跨って結合され、当該発振器の動作中における前記３端子デバイスの熱ドリフトを制御する働きをする第２の回路と、
    を具備する、ことを特徴とするネットワーク通信装置。
  37. 前記電圧制御発振器は、前記第２の端子に結合されて前記３端子デバイスへの入力を提供する働きをする共振器を更に具備する、ことを特徴とする請求項３６に記載のネットワーク通信装置。
  38. 前記共振器はセラミック共振器であることを特徴とする請求項３７に記載のネットワーク通信装置。
  39. 前記３端子デバイスはバイポーラトランジスタから成り、該３端子デバイスの第１、第２および第３の端子はそれぞれ、前記バイポーラトランジスタのコレクタノード、ベースノードおよびエミッタノードを成す、ことを特徴とする請求項３６に記載のネットワーク通信装置。
  40. 前記３端子デバイスは電界効果型トランジスタから成り、該３端子デバイスの第１、第２および第３の端子はそれぞれ、前記電界効果型トランジスタのコレクタノード、ベースノードおよびエミッタノードを成す、ことを特徴とする請求項３６に記載のネットワーク通信装置。
  41. 前記３端子デバイスは、その第１および第２の端子の間の１８０°位相シフトを提供する働きをすることを特徴とする請求項３６に記載のネットワーク通信装置。
  42. セルラ携帯無線電話機であって、
    前記セルラ携帯無線電話機からまたは当該セルラ携帯無線電話機へ伝達される情報を伝送または再生するために使用されるクロック信号を発生するための位相ロックループを具備し、
    前記位相ロックループは、前記クロック信号を発生するための電圧制御発振器を含み、前記電圧制御発振器は、
    ３端子デバイスと、
    前記３端子デバイスの第１の端子と第２の端子とに跨って結合され、該３端子デバイスをバイアスするとともに、該３端子デバイスによって発生した選択量の位相ノイズを該３端子デバイスにフィードバックして該３端子デバイスの第３の端子に存在する比例量の位相ノイズを低減する働きをする第１の回路と、
    前記３端子デバイスの第２の端子と第３の端子とに跨って結合され、当該発振器の動作中における前記３端子デバイスの熱ドリフトを制御する働きをする第２の回路と、
    を具備する、ことを特徴とするセルラ携帯無線電話機。
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