JP3923690B2 - 電圧制御発振装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路チップ内に集積されたタンク回路を具備する電圧制御発振装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図6に、従来の電圧制御発振装置の構成を示す。コイル105、107と電圧制御可変容量素子109で、タンク回路103を構成する。コイル105と107の共通接続端と電圧源Vddの間に電流源101が配置されている。互いのゲートとドレインが交差接続されたソース接地のNチャンネルMOSFET111と113は、タンク回路103に並列に接続された増幅器を構成する。発振出力は、NチャンネルMOSトランジスタ111と113のドレインに接続された出力端子115と117から出力される。出力端子117から出力される発振出力は、出力端子115から出力される発振出力に対し反転の関係にある。
【0003】
この電圧制御発振装置の発振周波数Fcは、下記(数1)の式(1)で決定される。
【数1】
式(1)において、Lはコイル105および107のインダクタンスの合計である。そして、Cは電圧制御可変容量素子109の容量および、MOSFET111および113のドレインの寄生容量の総和である。
【0004】
そして発振周波数Fcにおいて、Foffsetだけ発振周波数から離れた周波数における位相雑音L(Foffset)は、下記(数2)の式(2)で表される。
【数2】
式(2)において、kはボルツマン係数、Tは絶対温度、Reffはタンク回路(105、107、109)の寄生抵抗、Aはタンク回路103の負コンダクタンスに並列接続された増幅器(111、113)のコンダクタンスとその負コンダクタンスの比に関係する値、Prmsはこの電圧制御発振装置の発振強度である。
【0005】
前記位相雑音を決定する大きな要因の一つである信号強度について考えてみる。タンク回路103の負コンダクタンスGnegは、下記(数3)の式(3)で表せる。
【数3】
例えば発振周波数Fcの可変範囲を30%と考えると、電圧制御可変容量素子109の必要な可変容量範囲は発振周波数Fcの可変範囲の二乗、タンク回路103の必要な負コンダクタンスはさらに二乗となり最大で1.3の四乗となる。つまり上記(数2)の式(2)中のコンダクタンス比Aは、最低容量つまり最も高い周波数を発振させたときと、最高容量つまり最も低い周波数を発振させたときとで、3倍程度異なることになる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電圧制御発振装置では、位相雑音L(Foffset)における値Aは、発振周波数Fcにしたがって可変であり、最も低い周波数で発振したとき(Cが最も大きいとき)大きな値となってしまい、位相雑音特性を劣化させるという問題があった。
【0007】
そこで本発明は、良好な位相雑音特性を有する電圧制御発振装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の電圧制御発振装置は、
第1の電圧源に一端が接続される電流源と、
前記電流源の他端に接続される可変容量素子と少なくとも2個のコイルからなるタンク回路と、
ドレインが前記タンク回路の第1の入出力端に接続され、ソースが第2の電圧源に接続される第1のMOSトランジスタと、
ドレインが前記タンク回路の第2の入出力端と前記第1のMOSトランジスタのゲートに接続され、ゲートが前記第1のMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第2の電圧源に接続される第2のMOSトランジスタと、
一端が前記第1のMOSトランジスタのドレインに接続される第1のスイッチング制御素子と、
ドレインが前記第1のスイッチング制御素子の他端に接続され、ゲートが前記第2のMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第2の電圧源に接続される第3のMOSトランジスタと、
一端が前記第2のMOSトランジスタのドレインに接続される第2のスイッチング制御素子と、
ドレインが前記第2のスイッチング制御素子の他端に接続され、ゲートが前記第1のMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第2の電圧源に接続される第4のMOSトランジスタと、
前記第1のMOSトランジスタのドレインに接続される第1の出力端子と、
前記第2のMOSトランジスタのドレインに接続される第2の出力端子とを具備し、前記第1および第2のスイッチング制御素子がオフのとき、前記第1および第2のMOSトランジスタが前記タンク回路に並列接続された増幅器を構成し、前記第1および第2のスイッチング制御素子がオンのとき、前記第1のMOSトランジスタ乃至第4のMOSトランジスタが前記タンク回路に並列接続された増幅器を構成することを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の電圧制御発振装置の実施の形態の構成を示す。コイル5、7と電圧制御可変容量素子9で、タンク回路3を構成する。コイル5と7の共通接続端と電圧源Vddの間に電流源1が配置されている。
【0010】
制御素子15、17がオフのとき、NチャンネルMOSFET11、13がタンク回路3に並列接続された増幅器を構成する。制御端子15、17がオンのとき、NチャンネルMOSFET11、13、19、21がタンク回路3に並列接続された増幅器を構成する。
【0011】
MOSFET11のドレインは、コイル5の他端、MOSFET13、21のゲート、制御素子15の一端、出力端子23に接続されている。MOSFET13のドレインは、コイル7の他端、MOSFET11、19のゲート、制御素子17の一端、出力端子25に接続されている。
【0012】
MOSFET19のドレインは、制御素子15の他端に接続されている。MOSFET21のドレインは、制御素子17の他端に接続されている。
【0013】
MOSFET11、13、19、21のソースは、グランドに接続されている。
【0014】
発振出力は、出力端子23と25から出力される。出力端子25から出力される発振出力は、出力端子23から出力される発振出力に対し反転の関係にある。
【0015】
図1の電圧制御発振装置は、半導体集積回路で構成させる。
【0016】
図1の電圧制御発振装置の発振周波数Fcは、上記(数1)の式(1)で決定される。式(1)において、Lはコイル5、7のインダクタンスの合計である。Cは、制御素子15と17がオフのとき、電圧制御可変容量素子9の容量および、MOSFET11および13のドレインの寄生容量の総和である。制御素子15と17がオンのとき、Cは、電圧制御可変容量素子9の容量およびMOSFET11、13、19、21のドレインの寄生容量の総和である。
【0017】
そして発振周波数Fcにおいて、Foffsetだけ発振周波数Fcから離れた周波数における位相雑音L(Foffset)は、上記(数2)の式(2)で表される。式(2)において、kはボルツマン係数、Tは絶対温度、Reffはタンク回路3の寄生抵抗、Aはタンク回路3の負コンダクタンスに並列接続される増幅器(制御素子15と17がオンのとき11、13、19、21、制御素子15と17がオフのとき11、13)のコンダクタンスとその負コンダクタンスの比に関係する値、Prmsはこの電圧制御発振装置の発振強度である。
【0018】
タンク回路3の負コンダクタンスGnegは、上記(数3)の式(3)で表される。
【0019】
式(2)から判るように、位相雑音を減少させるには、タンク回路3の寄生抵抗Reffを低下させることと電圧制御発振装置の発振強度Prmsを大きくすることが重要である。しかしながらタンク回路3の寄生抵抗Reffは、製造プロセスに起因するものであり、プロセスが決定してしまうと変えることは困難である。
【0020】
一方通常電圧制御発振装置の発振強度Prmsは非常に大きな値として設定されるが、低い周波数の信号を発振させようとすると、タンク回路3内の可変容量素子9の容量を大きくし、多くの電荷の充放電を行わねばならず、結果として大きな信号強度を得ることができない。
【0021】
そこで図1においては、低い発振周波数において制御素子15と17をオンさせることにより、タンク回路3に対して並列接続されるMOSFETの数を増加させる。これによりコンダクタンス比Aを増加させることなく、十分な発振強度を得て、良好な位相雑音特性を得ることが実現できた。図1においては、発振周波数に関わらず値Aをある程度一定にしている。
【0022】
図2に、図1の電圧制御発振装置の具体的回路構成例を示す。電流源1は、PチャンネルMOSFET51、53および抵抗55からなる。MOSFET51のゲートは、MOSFET53のゲートとドレインに接続され、ソースは電圧源Vddに接続され、ドレインはコイル5と7の共通接続端に接続されている。MOSFET53のソースは電圧源Vddに接続され、ドレインは抵抗55の一端に接続されている。抵抗55の他端は、グランドに接続されている。
【0023】
電圧制御可変容量素子9は、接合ダイオード9aと接合ダイオード9bからなる。接合ダイオード9aのアノードは、コイル5の他端に接続され、カソードは接合ダイオード9bのカソードに接続されている。接合ダイオード9bのアノードは、コイル7の他端に接続されている。接合ダイオード9a、9bのカソードには、入力端子57を介して制御電圧が供給される。
【0024】
制御素子15は、NチャンネルMOSFET15からなる。MOSFET15のドレインは、MOSFET11のドレインに接続され、ソースはMOSFET19のドレインに接続され、ゲートは入力端子59に接続されている。制御素子17は、NチャンネルMOSFET17からなる。MOSFET17のドレインは、MOSFET13のドレインに接続され、ソースはMOSFET21のドレインに接続され、ゲートは入力端子61に接続されている。MOSFET15と17を同時にオンさせるときは、入力端子59と61に共通の電圧が供給される。
【0025】
図3に、MOSFET15と17をカットオフしたとき、入力端子57に入力される制御電圧に対する発振周波数の関係、およびMOSFET15と17をオンしたとき、入力端子57に入力される制御電圧に対する発振周波数の関係を示した。図3のa点において入力端子59と61に供給する電圧を高電圧状態にして、MOSFET15と17をオンさせることで発振可能な周波数は、MOSFET15と17をオフさせたままで発振可能な周波数に比べて非常に広範囲であることが確認できる。
【0026】
図4に、図1の本発明の電圧制御発振装置における位相雑音の発振周波数依存性と図6の従来の電圧制御発振装置における位相雑音の発振周波数依存性を比較して示した。
【0027】
図5に、図1の変形例を示した。つまりNチャンネルMOSFET11、13、19、21の代わりに、PチャンネルMOSFET31、33、35、37を使用している。
【0028】
【発明の効果】
以上本発明の電圧制御発振装置によれば、広い周波数範囲で良好な位相雑音特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電圧制御発振装置の実施の形態を示す図である。
【図2】図1の電圧制御発振装置の具体的回路構成を示す図である。
【図3】図2において、MOSFET15と17をカットオフしたとき、入力端子57に入力される制御電圧に対する発振周波数の関係、およびMOSFET15と17をオンしたとき、入力端子57に入力される制御電圧に対する発振周波数の関係を示す図である。
【図4】図1の本発明の電圧制御発振装置における位相雑音の発振周波数依存性と図6の従来の電圧制御発振装置における位相雑音の発振周波数依存性を比較した図である。
【図5】図1の変形例を示す図である。
【図6】従来の電圧制御発振装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
1・・電流源、3・・タンク回路、5、7・・コイル、9・・電圧制御可変容量素子、11、13、19、21・・NチャンネルMOSFET、15、17・・制御素子、23、25・・発振出力端子。
Claims (3)
- 第1の電圧源に一端が接続される電流源と、
前記電流源の他端に接続される可変容量素子と少なくとも2個のコイルからなるタンク回路と、
ドレインが前記タンク回路の第1の入出力端に接続され、ソースが第2の電圧源に接続される第1のMOSトランジスタと、
ドレインが前記タンク回路の第2の入出力端と前記第1のMOSトランジスタのゲートに接続され、ゲートが前記第1のMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第2の電圧源に接続される第2のMOSトランジスタと、
一端が前記第1のMOSトランジスタのドレインに接続される第1のスイッチング制御素子と、
ドレインが前記第1のスイッチング制御素子の他端に接続され、ゲートが前記第2のMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第2の電圧源に接続される第3のMOSトランジスタと、
一端が前記第2のMOSトランジスタのドレインに接続される第2のスイッチング制御素子と、
ドレインが前記第2のスイッチング制御素子の他端に接続され、ゲートが前記第1のMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第2の電圧源に接続される第4のMOSトランジスタと、
前記第1のMOSトランジスタのドレインに接続される第1の出力端子と、
前記第2のMOSトランジスタのドレインに接続される第2の出力端子とを具備し、前記第1および第2のスイッチング制御素子がオフのとき、前記第1および第2のMOSトランジスタが前記タンク回路に並列接続された増幅器を構成し、前記第1および第2のスイッチング制御素子がオンのとき、前記第1のMOSトランジスタ乃至第4のMOSトランジスタが前記タンク回路に並列接続された増幅器を構成することを特徴とする電圧制御発振装置。 - 高い周波数で発振する場合、前記第1と第2のスイッチング制御素子をオフさせ、低い周波数で発振する場合、前記第1と第2のスイッチング制御素子をオンさせることを特徴とする請求項1に記載の電圧制御発振装置。
- 前記電流源と、前記タンク回路と、前記第1乃至第4のMOSトランジスタと、前記第1および第2のスイッチング制御素子とを半導体集積回路で構成させることを特徴とする請求項1に記載の電圧制御発振装置。
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