JP2007515904A - 低減ノイズ帯域スイッチング回路用の方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
電圧制御発振器(VCO)の中核部に制御電圧を供給する電圧源と、出力が前記電圧源の入力に接続した位相同期ループと、各バラクタの無ノイズバイアスを有する増幅器回路及び無ノイズバイアスを有するタンク回路を備え、出力が前記位相同期ループの入力に接続したVCO中核部と、前記電圧源及び前記VCO中核部の間に位置し、前記電圧源から前記VCO中核部への位相ノイズを低減する減衰器と、を具備した低位相ノイズVCO。
Description
この発明は一般に発振器の分野に関する。詳細には、この発明は無線通信アプリケーションにて信号を発生する電圧制御発振器に関する。
電圧制御発振器(VCO: voltage-controlled oscillator)は、増幅、フィードバック及び共振回路を使用してその出力周波数がその入力電圧に比例するようにして発振信号を生成して、繰返しの電圧波形を発生する回路である。
無線通信アプリケーションでは、VCOは大きな周波数範囲に渡って動作する。VCOは、それらの動作は周知であるが、一般にタンク回路及び増幅器回路を備えている。こういった回路をバイアスすることもまた既知であり、特許文献1に記載されている。特許文献1は、異なる周波数帯域で帯域切換え可能なVCOを動作させる方法を述べている。典型的な帯域スイッチング回路では、増幅器またはタンク回路をバイアスするとノイズを導いてしまい、この結果、VCOの出力に位相ノイズが出ることになる。
従って、低減ノイズ帯域スイッチング回路用の方法及び装置を提供することが望ましい。
米国特許第6,674,333号(Peckham他)
本発明の目的は、以前の電圧制御発振器回路の少なくとも1つの不利益を除去するかまたは軽減することにある。
第1の態様において、本発明は、電圧制御発振器(VCO: voltage-controlled oscillator)の中核部に制御電圧を供給する電圧源と、出力が前記電圧源の入力に接続した位相同期ループと、増幅器回路及びタンク回路を備え、出力が前記位相同期ループの入力に接続したVCO中核部と、前記電圧源及び前記VCO中核部の間に位置し、前記電圧源から前記VCO中核部に送られるノイズを低減して、前記電圧源の周波数変動を低減する容量性デバイダ回路減衰器と、を具備したことを特徴とする低位相ノイズVCOを提供する。
別の実施例では、電圧制御発振器(VCO: voltage-controlled oscillator)でのノイズを低減する方法において、増幅器回路及びタンク回路を備えたVCO中核部に減衰した電圧をもたらす段階と、各増幅器スイッチを備えた増幅器バイアスを介して前記増幅器回路をバイアスすると共に、各タンクスイッチを備えたタンクバイアスを介して前記タンク回路をバイアスして、前記VCO中核部の出力でのノイズを低減する段階と、を具備したことを特徴とする前記方法が提供される。
本発明の他の態様及び特徴は、添付図面と共にこの発明の特定の実施例に関する以下の説明を吟味すれば直ちに当業者にとって明瞭となろう。
本発明の各実施例は添付した各図を参照して例示的にのみここで説明することとする。
一般に、本発明は低減ノイズ帯域スイッチング回路用の方法及び装置を提供する。
図1を参考にすると、従来技術の電圧制御発振器(VCO: voltage-controlled oscillator)の略図が示されている。VCO10は増幅器バイアス14及びタンクバイアス16に接続したバイアス制御装置12を備えている。電圧源18及びデジタル制御装置20は、増幅器バイアス14及びタンクバイアス16と共にVCO中核部22に接続している。このVCO中核部22は増幅器24及びタンク26を備えている。増幅器24及びタンク26からの各出力は出力電圧28として送信される。
図2はVCO10が動作中の周波数に関する出力電圧28のグラフ30を提供している。
ここで図3を参考にすると、低減ノイズ帯域スイッチング回路用の装置が示されている。この装置は無線ラジオ周波数(RF: radio frequency)アプリケーションにて信号を発生するVCO向きである。この装置、即ちVCO50は増幅器バイアス54及びタンクバイアス56に接続したバイアス制御装置52を備えている。これら2つのバイアス54及び56は、減衰器60によって減衰された電圧源58と共にVCO中核部62に接続している。このVCO中核部62は増幅器、即ち増幅器回路64及びタンク、即ちタンク回路66を備え、電圧源58の入力に接続した位相同期ループ(PLL: phase locked loop)68にその出力が接続している。VCO中核部62内では、増幅器回路64が増幅器バイアス54によってバイアスされると共に、タンク回路66がタンクバイアス56によってバイアスされた状態で、増幅器回路64がタンク回路66に結合している。
動作においては、電圧源58がVCO中核部62のタンク回路66用の入力電圧を発生する。同時に、バイアス制御装置12は第1のセットの制御信号を増幅器バイアス54に、また第2のセットの制御信号をタンクバイアス56にそれぞれ送信する。
入力電圧を発生した後、この入力電圧はタンク回路66に送信される前に減衰器60に送信される。この入力電圧が減衰されている間、以下に述べるようなノイズの無いバイアス電圧をもたらすことによって、増幅器バイアス54及びタンクバイアス56は増幅器回路64及びタンク回路66の動作を制御する。減衰した入力電圧とノイズの無いバイアス用電圧を組み合わせることによって、出力もまた無ノイズとなり、この結果、クリアな出力信号が得られる。この出力の例を図4に示し、図4はまた出力電圧(Vout)に関して出力周波数(fout)についての減衰の結果を示している。
減衰において、fout対電圧源電圧、即ちKVCOの傾斜は減少し、この結果、電圧源電圧のどんな変化に対しても、foutの変化は小さい。KVCOがより低くなると、次式に示すように位相ノイズが低減される。
従って、入力電圧が減衰すると、タンク回路に対して低減ノイズ信号がもたらされ、更にVCO中核部の出力のノイズを低減できるようになる。
図5を参照すると、減衰器60の第1の実施例が容量性電圧デバイダとして示されている。減衰器60は、以下の式でC2として示されると共にアース74に接続した第2のコンデンサ72と直列に接続し、以下の式でC1としても示される第1のコンデンサ70を備えている。減衰器60はまたスイッチ71を備えている。第1のコンデンサ70は電圧源58からその入力(Vin)を受信し、減衰器60の出力(Vout)80はVCO中核部62のタンク回路66に通じている。減衰器60の出力80は第1及び第2のコンデンサ70及び72の間にある。容量性電圧デバイダは次のようにして入力電圧を減衰させる。
入力電圧が引き渡されたとき、位相同期ループ68は動作を開始し、スイッチ71が閉じて(ON状態)経路を生成して、入力電圧(Vin)の値まで第2のコンデンサ72を充電する。位相同期ループ68が同期できるようになった後、容量性電圧デバイダは使用可能状態であると判り、従って、小さなループ利得のみが点Aになり、この点Aでは電圧信号のノイズが低減されることが考慮され、この結果、順次、ノイズに起因する周波数の変動が小さく抑えられる。この理由は、入力電圧の直流部分が比較的一定であると共に、入力電圧の交流部分が減衰されてきており、これによって入力電圧からのノイズもまた減衰させられ、順次、ノイズに起因する周波数変動が低減されることによる。
減衰器の出力80はタンク回路に接続し、タンク回路66に対して同調、即ち制御の電圧として機能する。減衰器の出力は図9に示すように、一対のバラクタ108の間に接続している。
図6は減衰器60の代替実施例を示している。この実施例において、減衰器60はダイオード80が付加された点を除いて図5の実施例と同様である。このダイオード80は順方向にバイアスされることが好ましい。更に、減衰器60の出力81はまた、負の位相同期ループ83における減衰器の入力Vinに対してスイッチ79を介してフィードバックされる。フィードバックループはVoutを所望の電圧に引き戻すように入力電圧のどんな変動の補正にも考慮している。リーク経路抵抗(抵抗器78による経路プロバイダ)による変化におけるどんな損失をもまたフィードバックループ83及びダイオード80によって補正される。
入力電圧が引き渡されたとき、スイッチ79が閉じられ(ON状態)経路が生成されて、入力電圧(Vin)の値まで第2のコンデンサ72を充電する。第2のコンデンサ72がVinの値に達した後、容量性電圧デバイダは使用可能状態にあると判り、従って、小さいループ利得のみがノイズによる周波数の小さい変動が考慮される点Aになる。
図6aは時間に渡ってのVout及び入力電圧Vinの比較を示している。負のフィードバックループ83において、Vinが5Vに変動するとき、Voutは容量性電圧デバイダの式によって決定されるように2.5Vまで増加し、次いでVoutがフィードバックされ、これによって電圧源を補正して、Vinを1Vまで引き戻す。
図7は減衰器60の別の実施例を示している。この実施例において、減衰器60はダブル容量性電圧デバイダを備えている。減衰器60は電圧源58からその入力(Vin)を受信し、かつ第2のコンデンサ84及びアース86に直列に接続した第1のコンデンサ82を備えている。この第1のコンデンサ82はまた直列接続の第3のコンデンサ88及び第4のコンデンサ90を介してアース86に接続している。これら第3及び第4のコンデンサ88及び90は第2のコンデンサ84と並列である。コンデンサ82、84、88及び90は順方向にバイアスされたダイオード92と並列に接続している。更に図に示すように、第1及び第2のコンデンサ82及び84が第3及び第4のコンデンサ88及び90によって分割されるようにして、第1の容量性電圧デバイダは第2の容量性電圧デバイダによって分割される。第1及び第3のコンデンサ82及び88は順方向にバイアスされたダイオード92に並列である。
減衰器60はまた、位相同期ループ68が同期しようとしているときの最初の期間の際に各コンデンサの充電を助長するのに使用される一対のスイッチ94及び96を備えている。
出力電圧Voutは以下に示す式に従って減衰される。
減衰器の減衰した出力は、仮に電圧源58がタンク回路66に直接接続されるとした場合よりもタンク回路66に対するよりノイズの少ない入力電圧を考慮している。何故ならば、ダブル容量性電圧デバイダがαの値を下げ、このことによって順次、回路の位相ノイズが低減されるからである。
図8を参考にすると、VCO50の一部分の略図が示されている。バイアス制御装置52は、VCO中核部62の増幅器回路64に接続した増幅器バイアス54に接続している。増幅器回路64の動作及び内容は当業者にとって周知であろう。
増幅器バイアス54は、増幅器バイアス用電圧源102と一緒に、バイアス制御装置52によって制御される一対のスイッチ100を備えている。バイアス制御装置52はまた増幅器バイアス用電圧源102を制御する。増幅器回路64にノイズの無いバイアス電圧をもたらすために、バイアス制御装置52が(VCO10に対するパワーアップ状態を示す)論理的ハイ(high)を検知したとき、増幅器スイッチ制御信号及びVバイアス増幅器制御信号をそれぞれ備えた第1のセットの制御信号が増幅器バイアス54及び増幅器バイアス用電圧源102にそれぞれ送出される。
増幅器スイッチ制御信号を受信すると直ちに、増幅器バイアス54の各スイッチ100は閉じられ、Vバイアス増幅器制御信号を受信すると直ちに、バイアス用電圧源102が起動する。増幅器バイアス用電圧源102は各スイッチ100間に通電して、増幅器回路64に出力電圧をもたらす。所定の期間の経過後、バイアス制御装置52は増幅器バイアス54に信号を送信して、各スイッチ100を開く。このことは各スイッチ100の出力電圧が所定の値に達した後に生じる。
所定の電圧に達した後に各スイッチ100を開くことによって、各スイッチ100から増幅器回路64に送信中の電圧は無ノイズとして判り得る。何故ならば、増幅器バイアス用電圧源102及び増幅器回路64の間に直接接続はないからである。従って、VCO中核部62はノイズの無いバイアス条件下で動作し得る。サンプルタイミング図を図8aに示す。
図9を参考にすると、VCO中核部、タンクバイアス回路及びバイアス制御装置の略図が示されている。バイアス制御装置52は、VCO中核部62のタンク回路66に接続したタンクバイアス56に接続している。タンク回路64の動作及び内容は当業者には周知となろう。
増幅器バイアスに関しては、タンクバイアス56は、タンクスイッチ制御信号を含んだ第2のセットの制御信号を用いてバイアス制御装置52によって制御される一対のスイッチ104を備えている。タンクバイアス電圧源106は、バイアス制御装置52によって送信されるVバイアスタンク制御制御信号によって制御される。タンクバイアス56の動作は図8に関して前述したように、増幅器バイアス54の動作と同様である。
本発明の減衰器に要求される部品の寸法及びコストに起因して、これらの減衰器は集積回路に用いて有益であることが理解されよう。
減衰した電圧及びバイアス制御電圧をVCO中核部に設けることによって、低減ノイズ帯域スイッチング回路が提供される。
この発明の前述した各実施例は例としてのみ意図されたものである。変更、修正及び変形は、特許請求の範囲によってのみ規定されるこの発明の範囲から逸脱することなく当業者によって特定の実施例に対して行うことができよう。
10、50 VCO
12、52 バイアス制御装置
14、54 増幅器バイアス
16、56 タンクバイアス
18、58 電圧源
20 デジタル制御装置
22、62 VCO中核部
24 増幅器
26 タンク
28 出力電圧
30 グラフ
60 減衰器
64 増幅器回路
66 タンク回路
68 PLL
70,82 第1のコンデンサ
71、79、100 スイッチ
72,84 第2のコンデンサ
74、86 アース
78 抵抗器
80 ダイオード
81 出力
83 負の位相同期ループ
88 第3のコンデンサ
90 第4のコンデンサ
92 順方向にバイアスされたダイオード
102 増幅器バイアス用電圧源
108 バラクタ
12、52 バイアス制御装置
14、54 増幅器バイアス
16、56 タンクバイアス
18、58 電圧源
20 デジタル制御装置
22、62 VCO中核部
24 増幅器
26 タンク
28 出力電圧
30 グラフ
60 減衰器
64 増幅器回路
66 タンク回路
68 PLL
70,82 第1のコンデンサ
71、79、100 スイッチ
72,84 第2のコンデンサ
74、86 アース
78 抵抗器
80 ダイオード
81 出力
83 負の位相同期ループ
88 第3のコンデンサ
90 第4のコンデンサ
92 順方向にバイアスされたダイオード
102 増幅器バイアス用電圧源
108 バラクタ
Claims (20)
- 電圧制御発振器(VCO: voltage-controlled oscillator)の中核部に制御電圧を供給する電圧源と、
出力が前記電圧源の入力に接続した位相同期ループと、
増幅器回路及びタンク回路を備え、出力が前記位相同期ループの入力に接続したVCO中核部と、
前記電圧源及び前記VCO中核部の間に位置し、前記電圧源から前記VCO中核部に送られるノイズを低減して、前記電圧源の周波数変動を低減する容量性デバイダ回路減衰器と、を具備したことを特徴とする低位相ノイズVCO。 - 前記減衰器が第1及び第2のコンデンサを備えた容量性デバイダ回路を具備したことを特徴とする請求項1に記載の低位相ノイズVCO。
- 前記減衰器が寄生リーク経路を更に備えたことを特徴とする請求項2に記載の低位相ノイズVCO。
- 前記容量性デバイダ回路に結合したダイオードを更に具備したことを特徴とする請求項3に記載の低位相ノイズVCO。
- 前記ダイオードが前記第1のコンデンサに並列に結合したことを特徴とする請求項4に記載の低位相ノイズVCO。
- 前記ダイオードが順方向にバイアスされていることを特徴とする請求項4に記載の低位相ノイズVCO。
- 前記減衰器の出力を前記減衰器の入力に接続するフィードバックループを更に具備したことを特徴とする請求項5に記載の低位相ノイズVCO。
- 前記減衰器が前記第2のコンデンサに差し渡って位置する第2の容量性デバイダを更に具備したことを特徴とする請求項7に記載の低位相ノイズVCO。
- 前記増幅器回路に接続した増幅器バイアスと、
前記タンク回路に接続したタンクバイアスと、を更に具備し、
前記増幅器バイアスが前記増幅器回路のバイアスを制御すると共に、前記タンクバイアスが前記タンク回路のバイアスを制御することを特徴とする請求項1に記載の低位相ノイズVCO。 - 前記増幅器バイアス及び前記タンクバイアスに接続し、前記増幅器バイアス及び前記タンクバイアスを制御するバイアス制御装置を更に具備したことを特徴とする請求項9に記載の低位相ノイズVCO。
- 前記増幅器バイアスが、
増幅器バイアス用電圧源と、
前記バイアス制御装置によって開閉される一対のスイッチと、を更に具備し、
前記各スイッチが開かれたとき、前記各スイッチは前記増幅器バイアス用電圧源から前記増幅器回路への電圧用の経路をもたらし、前記各スイッチが閉じられたとき、前記増幅器バイアス用電圧源が前記増幅器回路から切り離されることを特徴とする請求項9に記載の低位相ノイズVCO。 - 前記タンクバイアスが、
タンクバイアス用電圧源と、
前記バイアス制御装置によって開閉される一対のスイッチと、を更に具備し、
前記各スイッチが開かれたとき、前記各スイッチは前記タンクバイアス用電圧源から前記タンク回路への電圧用の経路をもたらし、前記各スイッチが閉じられるたとき、前記タンクバイアス用電圧源が前記タンク回路から切り離されることを特徴とする請求項9に記載の低位相ノイズVCO。 - 電圧制御発振器(VCO: voltage-controlled oscillator)でのノイズを低減する方法において、
増幅器回路及びタンク回路を備えたVCO中核部に減衰した電圧をもたらす段階と、
各増幅器スイッチを備えた増幅器バイアスを介して前記増幅器回路をバイアスすると共に、各タンクスイッチを備えたタンクバイアスを介して前記タンク回路をバイアスして、前記VCO中核部の出力でのノイズを低減する段階と、を具備したことを特徴とする前記方法。 - バイアスする前記段階が、
閉増幅器スイッチ信号を前記各増幅器スイッチに送信する段階と、
前記各増幅器スイッチを閉じる段階と、
前記各閉じた増幅器スイッチを介して、バイアス用電圧源から前記増幅器回路へ電圧を送信する段階と、
所定の時間後に前記各増幅器スイッチを開いて前記バイアス用電圧源から前記増幅器回路を切り離して、前記バイアス用電圧源から前記増幅器回路に供給されるノイズを低減する段階と、を具備したことを特徴とする請求項13に記載の方法。 - 前記各増幅器スイッチを開く前記段階の前に、
開増幅器スイッチ信号を前記各増幅器スイッチに送信する段階を更に具備したことを特徴とする請求項14に記載の方法。 - バイアスする前記段階が、
閉タンクスイッチ信号を前記各タンクスイッチに送信する段階と、
前記各タンクスイッチを閉じる段階と、
前記各閉じたタンクスイッチを介してバイアス用電圧源から前記タンク回路に電圧を送信する段階と、
所定の時間後に前記各タンクスイッチを開いて前記バイアス用電圧源から前記タンク回路を切り離して、前記バイアス用電圧源から前記タンク回路に供給されるにノイズを低減する段階と、を具備したことを特徴とする請求項15に記載の方法。 - 前記各タンクスイッチを開く前記段階の前に、
開タンクスイッチ信号を前記各タンクスイッチに送信する段階を更に具備したことを特徴とする請求項16に記載の方法。 - 減衰した電圧をもたらす前記段階が、
電圧源から入力電圧を受信する段階と、
前記入力電圧を容量性的に分割する段階と、
前記減衰した電圧を前記VCO中核部に送信する段階と、を具備したことを特徴とする請求項15に記載の方法。 - 減衰した電圧をもたらす前記段階が、
フィードバックループでの前記減衰した電圧を前記入力電圧に送信する段階を更に具備したことを特徴とする請求項18に記載の方法。 - 前記減衰した電圧を送信する前記段階の前に、減衰した電圧をもたらす前記段階が、
前記入力電圧を容量性的に分割する前記段階に起因する前記電圧を容量性的に分割する段階を更に具備したことを特徴とする請求項18に記載の方法。
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