JP2015154394A - Vco回路及び周波数シンセサイザ - Google Patents
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Abstract
【課題】位相ノイズを改善すると共に発振信号の振幅を迅速に安定させる。【解決手段】実施形態によれば、VCO回路は、電流源と、発振コア部と、振幅検出部と、電流制御部と、ローパスフィルタと、スイッチと、を備える。前記電流源は、電流制御信号に応じた値のバイアス電流を供給する。前記発振コア部は、前記バイアス電流により発振動作して発振信号を出力する。前記振幅検出部は、前記発振信号の振幅に応じた検出電圧を出力する。前記電流制御部は、前記検出電圧が基準電圧に等しくなるように制御信号を出力する。前記ローパスフィルタは、前記制御信号をフィルタリングした前記電流制御信号を前記電流源に供給する。前記スイッチは、前記ローパスフィルタに並列接続されている。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、VCO回路及び周波数シンセサイザに関する。
発振信号の振幅を目標振幅に調整する振幅調整部を備えるVCO(Voltage Controlled Oscillator)回路がある。このようなVCO回路では、振幅調整部のノイズの影響により発振信号の位相ノイズが悪化する。位相ノイズを改善するために狭帯域フィルタを用いて振幅調整部のノイズを低減した場合、発振信号の振幅が安定するまでの時間が長くなる。
本発明が解決しようとする課題は、位相ノイズを改善できると共に発振信号の振幅を迅速に安定させることができるVCO回路および周波数シンセサイザを提供することである。
実施形態によれば、VCO回路は、電流源と、発振コア部と、振幅検出部と、電流制御部と、ローパスフィルタと、スイッチと、を備える。前記電流源は、電流制御信号に応じた値のバイアス電流を供給する。前記発振コア部は、前記バイアス電流により発振動作して発振信号を出力する。前記振幅検出部は、前記発振信号の振幅に応じた検出電圧を出力する。前記電流制御部は、前記検出電圧が基準電圧に等しくなるように制御信号を出力する。前記ローパスフィルタは、前記制御信号をフィルタリングした前記電流制御信号を前記電流源に供給する。前記スイッチは、前記ローパスフィルタに並列接続されている。
以下に、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。これらの実施形態は、本発明を限定するものではない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る周波数シンセサイザ100の概略構成を示すブロック図である。図1に示すように、周波数シンセサイザ100は、VCO回路10と、粗調整回路20と、PLL回路30と、制御部40と、ローカル信号伝送回路50と、を備える。周波数シンセサイザ100は、例えば、半導体集積回路として構成できる。
図1は、第1の実施形態に係る周波数シンセサイザ100の概略構成を示すブロック図である。図1に示すように、周波数シンセサイザ100は、VCO回路10と、粗調整回路20と、PLL回路30と、制御部40と、ローカル信号伝送回路50と、を備える。周波数シンセサイザ100は、例えば、半導体集積回路として構成できる。
VCO回路10は、発振信号OUTの周波数を制御可能である。具体的には、VCO回路10は、制御電圧Vcに応じて発振信号OUTの周波数を細かく制御可能であり、粗調整信号Stに応じて発振信号OUTの周波数を粗く制御可能である。
VCO回路10は、電流源11と、発振コア部12と、振幅調整部13と、ローパスフィルタ14と、スイッチ15と、を有する。
電流源11は、一端に電源電圧VDDが供給され、他端から電流制御信号Sccに応じた値のバイアス電流を供給する。本実施形態では、電流源11は、バイアス電流を出力するP型MOSトランジスタを有する。電流制御信号Sccは、電圧の信号であり、P型MOSトランジスタのゲートに供給される。
発振コア部12は、電流源11から供給されたバイアス電流により発振動作して発振信号OUTを出力する。例えば、発振コア部12は、発振信号OUTの周波数を決定するための複数のキャパシタ(図示せず)を内部に有しており、粗調整信号Stに応じてキャパシタを切り替え、発振信号OUTの周波数を制御する。つまり、粗調整信号Stによる制御では、発振信号OUTの周波数は離散的に変化する。一方、制御電圧Vcによる制御では、発振信号の周波数は連続的に変化する。
発振コア部12は、バイアス電流が増加するほど発振信号OUTの振幅を増加させ、バイアス電流が減少するほど発振信号OUTの振幅を減少させる。
振幅調整部13は、発振信号OUTの振幅が目標振幅に近づくように制御信号Scを出力する。具体的には、振幅調整部13は、発振信号OUTの振幅が目標振幅より小さい場合には、制御信号Scを小さくし、これによりバイアス電流を増加させる。また、振幅調整部13は、発振信号OUTの振幅が目標振幅より大きい場合には、制御信号Scを大きくし、これによりバイアス電流を減少させる。
このような制御により、発振信号OUTの目標周波数やPVT(プロセス、電源電圧または温度)が変化した場合であっても、発振信号OUTの振幅が一定の目標振幅になるため、発振信号OUTの振幅の減少による位相ノイズの劣化を低減できる。つまり、目標周波数やPVTが変化しても比較的安定した位相ノイズを得ることができる。
振幅調整部13は、振幅検出部13aと、基準電圧生成部13bと、コンパレータ(電流制御部)13cと、を有する。振幅検出部13aは、発振信号OUTの振幅に応じた検出電圧Vdを出力する。検出電圧Vdは、例えば、発振信号OUTの振幅に比例してもよい。基準電圧生成部13bは、所定の基準電圧VREFを生成する。コンパレータ13cは、検出電圧Vdが基準電圧VREFに等しくなるように制御信号Scを出力する。つまり、基準電圧VREFを変更することにより、目標振幅を変更することができる。
ローパスフィルタ14は、電流源11と振幅調整部13のコンパレータ13cとの間に接続され、制御信号Scをフィルタリングした電流制御信号Sccを電流源11に供給する。つまり、ローパスフィルタ14は、制御信号Scのノイズを除去する。制御信号Scのノイズは、例えば、振幅検出部13aのノイズと、基準電圧生成部13bのノイズと、コンパレータ13cのノイズとを含む。ローパスフィルタ14は、例えば、抵抗とキャパシタとで構成されてもよい。
ローパスフィルタ14のカットオフ周波数は、低減したい位相ノイズのオフセット周波数に応じて適宜調整すればよい。低減したい位相ノイズのオフセット周波数が低いほど、カットオフ周波数は低くする必要があり、制御信号Scが変化した時の電流制御信号Sccの応答時間が長くなる。例えば、低減したい位相ノイズのオフセット周波数が約100kHzから約10MHzである場合、この周波数範囲における電流制御信号Sccのノイズを低減できるようにカットオフ周波数を設定すればよい。
スイッチ15は、ローパスフィルタ14に並列接続され、オン時にローパスフィルタ14をバイパスする。つまり、スイッチ15は、オン時に制御信号Scを電流制御信号Sccとしてそのまま電流源11に供給する。
粗調整回路20は、VCO回路10に供給する粗調整信号Stを制御して、発振信号OUTの周波数を目標周波数に粗調整する。
PLL回路30は、VCO回路10に供給する制御電圧Vcを制御して、発振信号OUTの周波数を目標周波数に微調整する。図示する例では、粗調整回路20が粗調整を終了すると、PLL回路30が微調整を行う。
PLL回路30は、分周器(DIV)31と、位相比較器(PD:Phase Detector)32と、チャージポンプ(CP:Charge Pump)33と、ループフィルタ(LF:Loop Filter)34と、を有する。
分周器31は、VCO回路10の発振信号OUTを分周して帰還信号FBを生成する。位相比較器32は、帰還信号FBの位相と基準信号REFの位相とを比較し、比較結果に応じた信号を出力する。チャージポンプ33は、位相比較器32の出力信号に応じた出力電圧を生成する。ループフィルタ34は、チャージポンプ33の出力電圧を平滑化して、制御電圧Vcを生成する。
図示した例では、粗調整回路20は、チャージポンプ33の出力電圧を用いて粗調整を行うが、これに限らない。
制御部40は、粗調整制御信号S1を用いて、粗調整回路20に所定の粗調整期間だけ粗調整を行わせた後、PLL回路30に微調整を行わせる。制御部40は、例えば、基準信号REFに基づいて粗調整期間の計時を行うカウンタで構成してもよい。
制御部40は、スイッチ制御信号S2を用いて、粗調整期間内に、スイッチ15をオフからオンに制御した後でオフに制御する。制御部40は、粗調整期間の開始タイミングでスイッチ15をオフからオンに制御することが好ましい。その理由は、粗調整期間が開始した後、可能な限り早く発振信号OUTの振幅を目標振幅に調整することが好ましいためである。また、制御部40は、発振信号OUTの振幅が目標振幅になった後で、スイッチ15をオフに制御する。また、制御部40は、粗調整期間内にスイッチ15を一旦オンからオフに制御した後、スイッチ15をオフに保つ。
ローカル信号伝送回路50は、発振信号OUTに基づいてローカル信号LOを出力する。ローカル信号伝送回路50は、ローカル信号LOの周波数が発振信号OUTの周波数とは異なるようにローカル信号LOを出力してもよい。
図2は、図1の周波数シンセサイザ100の制御タイミングを示すタイミング図である。
まず、周波数シンセサイザ100のリセットが解除された時などの時刻t0において、粗調整制御信号S1がローレベルからハイレベルになる。これにより、粗調整回路20が動作を開始して、発振信号OUTの周波数の粗調整を行う。
また、この時刻t0において、スイッチ制御信号S2がローレベルからハイレベルになり、スイッチ15がオンする。これにより、ローパスフィルタ14がバイパスされるため、発振信号OUTの振幅は、時刻t1の前に迅速に目標振幅に調整される。
次に、時刻t1において、スイッチ制御信号S2がハイレベルからローレベルになり、スイッチ15がオフする。これにより、制御信号Scは狭帯域のローパスフィルタ14によりノイズが抑制され、得られた低ノイズの電流制御信号Sccが電流源11に供給される。従って、バイアス電流も低ノイズであり、発振信号OUTの位相ノイズも低ノイズになる。
この時、スイッチ15がオンからオフに切り替わることにより、電流制御信号Sccが変化する可能性がある。そのため、発振信号OUTの振幅及び周波数が小さく変動する可能性がある。しかし、時刻t1では、発振信号OUTの周波数の粗調整が行われているため、発振信号OUTの微小な周波数変動は粗調整により吸収される。さらに、電流制御信号Sccは電流源11のPMOSトランジスタのゲートに供給されているため、ローパスフィルタ14やスイッチ15にリーク電流以外は流れない。そのため、スイッチ15の切り替わりによる電流制御信号Sccの変動は、十分に小さい。
次に、時刻t2において、粗調整制御信号S1がハイレベルからローレベルになる。これにより、粗調整回路20が動作を停止して、時刻t2以降ではPLL回路30が発振信号OUTの周波数の微調整を行う。つまり、図2の例では、粗調整期間は、時刻t0から時刻t2の間の期間である。
次に、時刻t3において、発振信号OUTの周波数は目標周波数とほぼ一致する。つまり、この例では、ロックアップ時間は、時刻t0から時刻t3の間の時間である。
時刻t1以降でスイッチ15はオフを保っているため、時刻t3以降、低い位相ノイズを有する目標周波数の発振信号OUTを得ることができる。
図3は、図1のVCO回路10の位相ノイズの周波数特性を示す図である。図3に示すように、スイッチ15がオフの場合の位相ノイズPN1は、スイッチ15がオンの場合の位相ノイズPN2と比較して、約100kHzから約10MHzの周波数オフセットにおいて改善している。スイッチ15がオンの場合の位相ノイズPN2は、ローパスフィルタ14が設けられていない場合の位相ノイズと同等である。
このように、本実施形態によれば、制御信号Scをフィルタリングした電流制御信号Sccを電流源11に供給するローパスフィルタ14と、ローパスフィルタ14に並列接続されたスイッチ15と、を備える。これにより、最初にスイッチ15をオンさせてローパスフィルタ14をバイパスし、発振信号OUTの振幅を迅速に安定させ、次に、スイッチ15をオフさせてローパスフィルタ14により電流制御信号Sccのノイズを低減し、発振信号OUTの位相ノイズを低減することができる。従って、位相ノイズを改善できると共に発振信号OUTの振幅を迅速に安定させることができる。
また、振幅調整部13は、構成が簡単であると共に消費電流が比較的小さい。
また、VCO回路10において発振信号OUTの振幅を迅速に安定させることができるので、周波数シンセサイザ100の粗調整期間を長くする必要がない。そのため、ロックアップ時間が長くなる恐れがない。
なお、電流源11は、発振コア部12と接地との間に設けられていてもよい。また、振幅調整部13やPLL回路30の構成は一例であり、同等の機能が得られればどのような構成でもよい。
(比較例)
ここで、比較例の周波数シンセサイザについて説明する。比較例の周波数シンセサイザは、スイッチ15が設けられていない点が第1の実施形態と異なる。この場合、発振信号OUTの位相ノイズは第1の実施形態と同程度である一方、ローパスフィルタ14により、電流制御信号Sccが安定するまでの時間は第1の実施形態より長くなる。
ここで、比較例の周波数シンセサイザについて説明する。比較例の周波数シンセサイザは、スイッチ15が設けられていない点が第1の実施形態と異なる。この場合、発振信号OUTの位相ノイズは第1の実施形態と同程度である一方、ローパスフィルタ14により、電流制御信号Sccが安定するまでの時間は第1の実施形態より長くなる。
従って、発振信号OUTの振幅が目標振幅に安定する時間は、例えば図2の時刻t2位になる。これにより、粗調整中に発振信号OUTの振幅が変化し続けるため、粗調整が不安定になり、時刻t2では粗調整が終了しないようになる。そのため、時刻t2より長く粗調整を行う必要がある。よって、比較例では、ロックアップ時間が本実施形態より長くなってしまう。
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、第1の実施形態の周波数シンセサイザ100を備える無線通信装置500に関する。
第2の実施形態は、第1の実施形態の周波数シンセサイザ100を備える無線通信装置500に関する。
図4は、図1の周波数シンセサイザ100を備える無線通信装置500のブロック図である。図4に示すように、無線通信装置500は、周波数シンセサイザ100と、アンテナ200と、スイッチ201と、低雑音増幅器202と、ミキサ203と、フィルタ204と、可変利得増幅器(VGA:Variable Gain Amplifier)205と、A/D変換器206と、信号処理部207と、D/A変換器208と、フィルタ209と、ミキサ210と、電力増幅器211と、を有する。
第1の実施形態で説明したように、周波数シンセサイザ100は、基準信号REFに基づいてローカル信号LOを生成する。
アンテナ200は、無線周波数の受信信号を受信し、無線周波数の送信信号を送信する。スイッチ201は、受信時に、アンテナ200で受信された受信信号を低雑音増幅器202に供給する。低雑音増幅器202は、スイッチ201から供給された受信信号を低雑音で増幅する。ミキサ203は、低雑音増幅器202の出力信号をローカル信号LOにより周波数変換して、受信信号より周波数を低くする。フィルタ204は、ミキサ203の出力信号を帯域制限する。可変利得増幅器205は、フィルタ204の出力信号を増幅する。可変利得増幅器205の利得は可変であり、可変利得増幅器205の出力信号の振幅がほぼ一定となるように調整される。A/D変換器206は、可変利得増幅器205の出力信号をデジタル信号に変換する。信号処理部207は、A/D変換器206から供給されたデジタル信号を信号処理して受信データを得る。
また、信号処理部207は、送信データを信号処理したデジタル信号を出力する。D/A変換器208は、信号処理部207から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換する。フィルタ209は、D/A変換器208から出力されたアナログ信号を帯域制限する。ミキサ210は、フィルタ209の出力信号をローカル信号LOにより周波数変換して、無線周波数の信号として出力する。電力増幅器211は、ミキサ210の出力信号を電力増幅した送信信号をスイッチ201に供給する。スイッチ201は、送信時に、電力増幅器211から供給された送信信号をアンテナ200に供給する。
本実施形態によれば、第1の実施形態の周波数シンセサイザ100を備えるようにしているので、ローカル信号LOの位相ノイズが低く、且つ、ローカル信号LOの周波数の切り替えが高速である。従って、無線通信性能を改善できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10 VCO回路
11 電流源
12 発振コア部
13 振幅調整部
13a 振幅検出部
13b 基準電圧生成部
13c コンパレータ(電流制御部)
14 ローパスフィルタ
15 スイッチ
20 粗調整回路
30 PLL回路
31 分周器
32 位相比較器
33 チャージポンプ
34 ループフィルタ
40 制御部
50 ローカル信号伝送回路
100 周波数シンセサイザ
11 電流源
12 発振コア部
13 振幅調整部
13a 振幅検出部
13b 基準電圧生成部
13c コンパレータ(電流制御部)
14 ローパスフィルタ
15 スイッチ
20 粗調整回路
30 PLL回路
31 分周器
32 位相比較器
33 チャージポンプ
34 ループフィルタ
40 制御部
50 ローカル信号伝送回路
100 周波数シンセサイザ
Claims (5)
- 電流制御信号に応じた値のバイアス電流を供給する電流源と、
前記バイアス電流により発振動作して発振信号を出力する発振コア部と、
前記発振信号の振幅に応じた検出電圧を出力する振幅検出部と、
前記検出電圧が基準電圧に等しくなるように制御信号を出力する電流制御部と、
前記制御信号をフィルタリングした前記電流制御信号を前記電流源に供給するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタに並列接続されたスイッチと、
を備えることを特徴とするVCO回路。 - 前記スイッチは、オンに制御された後でオフに制御されることを特徴とする請求項1に記載のVCO回路。
- 発振信号の周波数を制御可能なVCO回路と、
前記発振信号の周波数を目標周波数に粗調整する粗調整回路と、
前記発振信号の周波数を前記目標周波数に微調整するPLL回路と、
前記粗調整回路に所定の粗調整期間だけ粗調整を行わせた後、前記PLL回路に微調整を行わせる制御部と、
を備え、
前記VCO回路は、
電流制御信号に応じた値のバイアス電流を供給する電流源と、
前記バイアス電流により発振動作して前記発振信号を出力する発振コア部と、
前記発振信号の振幅が目標振幅に近づくように制御信号を出力する振幅調整部と、
前記制御信号をフィルタリングした前記電流制御信号を前記電流源に供給するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタに並列接続されたスイッチと、を有し、
前記制御部は、前記粗調整期間内に、前記スイッチをオフからオンに制御した後でオフに制御することを特徴とする周波数シンセサイザ。 - 前記制御部は、前記粗調整期間の開始タイミングで前記スイッチをオフからオンに制御することを特徴とする請求項3に記載の周波数シンセサイザ。
- 前記制御部は、前記粗調整期間内に前記スイッチを一旦オンからオフに制御した後、前記スイッチをオフに保つことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の周波数シンセサイザ。
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