JP4228302B2 - 電圧制御型発振器 - Google Patents

Description

本発明は、電圧制御型発振器に係り、特に、１つの発振器において複数の共振周波数を振動子の選択によって得ることを可能とする電圧制御型発振器に関する。

光通信システムのような高速ネットワーク市場においては、現在実用化されているものに限った場合でも、送受信されるデータの構造等の違いから、複数の周波数が使用されている。例えば６００ＭＨｚの帯域では、近接した４つの周波数（６２２．０８ＭＨｚ、６４４．５３１２５ＭＨｚ、６６６．５１４２９ＭＨｚ、６６９．３２６５８ＭＨｚ）が使用されており、これらの周波数に準じたデータを正常に送受信するためには、それぞれの周波数に応じた高周波発振器が必要とされる。

このため、複数の異なる周波数の通信システムを利用する場合には、利用する通信システムに応じた数の高周波発振器を用意しなければならず、設備費用がかさむと共に、発振器の接地スペースも広くならざるをえず、小型化・低価格化が進む高周波発振器の世情に背く結果となる。

このような現状を鑑み、特許文献１のような高周波発振器が提案されている。特許文献１に記載の高周波発振器は、発振回路中に、共振周波数が異なる複数の水晶発振器を備えると共に、水晶振動子への入力信号の経路をスイッチによって切り換えることで、所望する周波数に応じて使用する水晶振動子の選択を行うというものである。

高周波発振器を上記構成とすることにより、１つの高周波発振器によって複数の共振周波数を選択することが可能となる。よって、設備費用の削減、設置スペースの削減が可能となり、結果として発振器自体の小型化・低価格化を実現することができる。
特開２００２−３３５１２７号公報

特許文献１に記載の電圧制御型発振器では、入力側信号の経路の切換によって使用する水晶振動子の選択を行い、不使用の水晶振動子には信号が入力されないように構成されている。しかし、特許文献１に記載の電圧制御型発振器では、出力側において、回路の一部を共有している（例えば水晶振動子に対応して設けられた弾性表面波素子の出力側）。このため、前記共有部分がスタブとなる等の影響により、選択された水晶振動子の発振周波数や周波数制御特性等に影響を与えるという問題がある。

本発明では、選択される振動子間に生じるアイソレーションを取り、相互の回路間に生じる種々の影響を回避することができる電圧制御型発振器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明に係る電圧制御型発振器は、それぞれ所定の共振周波数で共振する複数の圧電振動子を備えた電圧制御型発振器であって、外部からの制御電圧の大きさに応じて入力信号の位相をずらして出力する電圧制御移相回路と、前記複数の圧電振動子に対して信号入力側と信号出力側とのそれぞれに備えられ、外部からの制御信号により前記複数の圧電振動子の中からいずれか１つを選択する切換手段と、前記切換手段により、選択された前記圧電振動子からの前記所定の共振周波数を有する共振信号を選択する周波数選択手段と、増幅器とを有し、前記電圧制御移相回路と、前記切換手段により選択された前記圧電振動子と、前記周波数選択手段と、前記増幅器とにより正帰還発振ループを形成し、前記周波数選択手段は、ＬＣ並列共振回路であり、前記複数の圧電振動子の前記信号出力側と接地との間に前記複数の圧電振動子のそれぞれに直列に接続されるインピーダンス素子を設け、前記複数の圧電振動子の中からいずれか１つが選択された際、選択された前記圧電振動子に直列接続された前記インピーダンス素子は前記ＬＣ並列共振回路と並列接続されることを特徴とする。

このような構成の電圧制御型発振器によれば、切換手段作動のみによって使用する共振周波数の切換が可能となるため、１種類の電圧制御型発振器で所望の共振周波数を得ることができる。また、圧電振動子に対して切換手段を、信号の入力側と出力側とに備えるようにし、双方の切換手段を同期して作動させる構成としたことにより、使用する圧電振動子を含む共振回路は、他の圧電振動子（選択されない圧電振動子）から独立した構成となる。このため、他の圧電振動子との間でアイソレーションを取ることができ、選択された圧電振動子の周波数等に影響を及ぼす虞が無い。また、圧電振動子を含む帰還回路を備えることにより、発振周波数の精度を向上させることができる。また、選択された圧電振動子に対応する周波数選択手段を備えることにより、回路のインピーダンス不整合による雑音や、異常発振に基づく不要な雑音を除去できるので、それらの雑音に起因するジッタが発生する虞が無い。さらに上記のような構成によれば、選択された圧電振動子に対応するＬＣ並列共振回路単位で受動素子（コンデンサ）の切換を行う必要が無い。よって、ＬＣ並列共振回路単位でコンデンサの切換を行う場合に比べ、対となるインダクタ分の部品数を削減することができ、電圧制御型発振器の小型化を図ることが可能となる。

また、前記周波数選択手段は、サーミスタを備えるようにしても良い。
このような構成とすることにより、電圧制御型発振器の制御電圧−発振周波数特性が広い範囲に改善される。このため、発振周波数の温度変化を軽減できる。本発明の場合、特にＮＴＣサーミスタを使用すると良い。これにより、高温域の特性が改善され、周囲の環境温度が高温になったとしても周波数の安定した電圧制御型発振器を提供することができる。なお、ＰＴＣサーミスタを用いた場合は、特に、低温域の特性が改善されることとなる。

また、上記構成の電圧制御型発振器において、前記増幅器は、前記所定の共振周波数の前記共振信号を増幅して出力する発振用差動増幅器と、前記発振用差動増幅器からの出力信号を入力する帰還バッファ用差動増幅器とを備え、前記電圧制御移相回路と、前記切換手段により選択された圧電振動子と、前記周波数選択手段と、前記発振用作動増幅器と、前記帰還バッファ用差動増幅器とにより正帰還発振ループを形成するものとしても良い。

また、上記構成の電圧制御型発振器において、前記帰還バッファ用差動増幅器は、反転出力端子及び非反転出力端子を有し、前記それぞれの出力端子のうちいずれか１つを選択する信号選択手段を備え、前記正帰還発振ループを構成するようにしても良い。

このような構成とすることにより、帰還バッファ用作動増幅器から出力される互いに異なる位相を有する２つの信号から、いずれかを選択することができるので、電圧制御移相回路における調整可能な移相量を少なく設定することができる。このため、使用する周波数帯に応じて複数の電圧制御移相回路を備える必要が無い。よって、電圧制御型発振器の小型化、低価格化を図ることができる。

以下、本発明の電圧制御型発振器に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の電圧制御型発振器に係る実施形態の一部であり、本発明は、これらに限定されるものではない。
図１は、本発明の電圧制御型発振器に係る圧電制御型発振器の第１の実施形態を示すブロック図である。

電圧制御型発振器１０Ａは、発振用差動電圧増幅器２２、出力用差動電圧増幅器２４、帰還バッファ用差動増幅器２６をそれぞれ内蔵するＩＣチップ２０と、外部からの制御電圧Ｖｃに基づいて入力信号の位相を所定量ずらして調整する電圧制御移相回路３０と、それぞれ所定の共振周波数を有する複数の圧電振動子（本実施形態では特にＳＡＷ共振子）Ｘ１〜Ｘｎと、外部からの制御信号によりオン／オフ動作する切換手段４０と、周波数選択手段（ＬＣ並列共振回路）５０ａとから構成される。

上記構成の電圧制御型発振器１０Ａでは、ＩＣチップ２０からクロック信号Ｆが出力される。また、ＩＣチップ２０に備えられた発振用差動電圧増幅器２２の反転入力端子Ｄ２には、外部から基準バイアス電圧Ｖ_BB及びＬＣ並列共振回路５０ａによって選択された、ＳＡＷ共振子の共振周波数が供給される。また、本実施形態の電圧制御型発振器１０Ａには、発振用差動電圧増幅器２２と、帰還バッファ用差動増幅器２６と、電圧制御移相回路３０と、前記複数のＳＡＷ共振子Ｘｍ（ｍ＝１〜ｎ）のうちのいずれか１つと、ＬＣ並列共振回路５０ａと、により正帰還発振ループが構成されている。なお、選択されたＳＡＷ共振子を、以下、ＳＡＷ共振子Ｘｍと称す。

前記３つの差動増幅器２２〜２６は、図２に示すＥＣＬ（Ｅｍｉｔｔｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｌｏｇｉｃ）ラインレシーバを用いた差動増幅回路である。ＥＣＬラインレシーバを高周波発振器に用いることにより、高速動作が可能となる。また、図２に示すように、ＳＡＷ共振子Ｘｍからの共振信号を増幅する差動増幅器２２〜２６は、ＥＣＬラインレシーバを用いた差動増幅回路から構成されるので、集積回路化することができ、電圧制御型発振器１０Ａの小型化を図ることができる。

発振用差動電圧増幅器２２では、ＳＡＷ共振子Ｘｍからの所定の共振周波数ｆｍの信号が発振用差動電圧増幅器２２の非反転入力端子Ｄ１に入力される。そして、相互の位相差が１８０度である出力信号が、非反転出力端子Ｑ＋と反転出力端子Ｑ−から出力される。
出力用差動電圧増幅器２４は、発振用差動電圧増幅器２２からの出力信号を波形整形し、所定の発振周波数、例えば、６２２．０８ＭＨｚのクロック信号Ｆとして出力する。

帰還バッファ用差動増幅器２６はバッファ機能を有する差動増幅器であり、その出力は出力端子Ｑ１、Ｑ２に出力される。そして、ＥＣＬラインレシーバを用いた帰還バッファ用差動増幅器２６のそれぞれの出力端子Ｑ１、Ｑ２に、図示しないエミッタ終端抵抗がそれぞれ接続される。なお、図２には、エミッタ終端抵抗Ｒ６、Ｒ７を出力端子ＯＵＴ−、ＯＵＴ＋のそれぞれに接続した状態が示されている。

電圧制御移相回路３０は、外部からの制御電圧Ｖｃに基づいて電圧制御型発振器１０Ａの移相条件を満足させるため、帰還バッファ用差動増幅器２６からの出力信号ＳＱ１またはＳＱ２のいずれかを所定の移相量に調整する。
図３は、電圧制御移相回路３０の構成を示す回路図である。ＬＣ並列共振回路５０ａは、インダクタＬとコンデンサＣの並列回路として、発振用差動電圧増幅器２２の非反転及び反転のそれぞれの入力端子Ｄ１、Ｄ２間に接続される。そして、選択されたＳＡＷ共振子Ｘｍの共振周波数ｆｍを選択して出力する。

前記切換手段４０は、前記複数のＳＡＷ共振子Ｘ１〜Ｘｎに対して、信号の入力側と出力側とにそれぞれ備えられる。また、前述のごとく一対備えられた切換手段４０は、入力端子Ｔｃを介して外部から入力される制御信号ＣＯＮＴによって同期して作動するように構成されており、前記複数のＳＡＷ共振子Ｘ１〜Ｘｎの中からいずれか１つを選択する。これにより、選択されたＳＡＷ共振子Ｘｍを構成要素とする発振回路は、他の（選択されなかった）ＳＡＷ共振子から完全に独立した回路を形成することとなる。このため、回路の一部を共有するために生じていた他の共振子によるスタブ等の影響（干渉）を抑制することができる。また、上記切換手段４０によって、前記ＳＡＷ共振子のうちのいずれか１つを選択することにより、前述したような所定の共振周波数、例えば現在使用されている、６２２．０８ＭＨｚ、６４４．５３１２５ＭＨｚ、６６６．５１４２９ＭＨｚ、６６９．３２６５８ＭＨｚのいずれかの共振周波数を確実に得ることができる。

上記のような構成要素を有する第１の実施形態の電圧制御型発振器１０Ａについて、図１を参照して、実施例を説明する。
図１において、複数のＳＡＷ共振子Ｘ１〜Ｘｎは上記構成の切換手段４０が接続されている。なお、切換手段４０は外部からの制御信号によって動作するスイッチ等によって構成すれば良い。前記複数のＳＡＷ共振子Ｘ１〜Ｘｎの信号出力側には、前記切換手段４０の一方（出力側）を介してＬＣ並列共振回路５０ａが接続される。

さらに、前記複数のＳＡＷ共振子Ｘ１〜Ｘｎそれぞれの出力側端子には、前記切換手段４０を介してコンデンサＣ１〜Ｃｎ（インピーダンス素子）の一端が接続されるようにする。また、コンデンサＣ１〜Ｃｎの他端は接地される。この構成は、ＳＡＷ共振子Ｘ１〜Ｘｎのいずれか１つのＳＡＷ共振子Ｘｍが選択されると同時に、これに対応するコンデンサＣｍ（ｍ＝１〜ｎ）をＬＣ並列共振回路５０ａと並列に接続するというものである。なお、以下コンデンサＣｍは選択されたコンデンサを示すものとする。

上記実施例において、複数のＳＡＷ共振子Ｘ１〜Ｘｎのそれぞれに対応して接続されたコンデンサＣ１〜Ｃｎのうち、いずれか１つのコンデンサの機能をＬＣ並列共振回路５０ａのコンデンサＣと共有させるようにしても良い。このような構成により、上記実施例の電圧制御型発振器１０Ａの構成からコンデンサを１つ削減することができる。
また、実施例中のＳＡＷ共振子ＸｍとコンデンサＣｍとは、直接接続にかぎらず、図示しない切換手段によって各々を選択して接続するように構成しても良い。

上記のように、本実施例は、ＳＡＷ共振子ＸｍとコンデンサＣｍを直列接続させた構成で切換るというものである。この構成により、ＳＡＷ共振子Ｘｍに接続される容量素子の切換をＬＣ並列共振回路毎に切換るという構成に比べて、前記コンデンサＣｍと対を成すであろうインダクタの数に応じた部品数を削減することができる。
なお、本実施形態中の切換手段４ａ（スイッチ）は、切換スイッチ、ダイオードスイッチ、スイッチングトランジスタ、及びマルチプレクサ等の様々な切換手段を考慮するものとする。

次に、図４に基づいて、選択されたコンデンサＣｍが並列接続されるＬＣ並列共振回路５０ａの役割とその周波数特性について説明する。なお、ここでは、説明を簡易にする都合上、図１に示す構成の電圧制御型発振器において、２つのＳＡＷ共振子を使用した場合について説明する。

ＳＡＷ共振子Ｘ１、Ｘ２の共振周波数をそれぞれｆ１、ｆ２とする。また、ＳＡＷ共振子Ｘ１が選択されたときのＬＣ並列共振回路５０ａの共振周波数ｆｓ１は、コンデンサＣ１が付加（接続）されるため、ｆｓ１＝１／（２π√（Ｌ（Ｃ＋Ｃ１）））となる。ＳＡＷ共振子Ｘ２が選択されたときのＬＣ並列共振回路５０ａの共振周波数ｆｓ２は、コンデンサＣ２が付加されるため、ｆｓ２＝１／（２π√（Ｌ（Ｃ＋Ｃ２）））と表される。

図４において、例えば、ＳＡＷ共振子Ｘ１におけるＬＣ並列共振回路５０ａの周波数特性は、コンデンサＣ１が付加されてｆａとして表され、ＳＡＷ共振子Ｘ１の共振周波数ｆ１はその特性ｆａ内では選択可能な周波数となる。同様に、ＳＡＷ共振子Ｘ２が選択されるとコンデンサＣ２が付加されるので、そのときのＬＣ並列共振回路５０ａの周波数特性はｆｂのように周波数が低いほうに移動し（Ｃ２＞Ｃ１の場合）、ＳＡＷ共振子Ｘ２の共振周波数ｆ２は特性ｆｂ内で選択可能な周波数となる。

以上説明したように、付加されるコンデンサＣｍにより、ＬＣ並列共振回路５０ａの周波数特性は、これに対応するＳＡＷ共振子Ｘｍの共振周波数ｆｍを選択できる特性に変更される。

ところで、このＬＣ並列共振回路を設ける理由は、不要な周波数を除去する点にある。すなわち、数１０ＭＨｚで共振するＳＡＷ共振子を用いた高周波用の電圧制御型発振器１０Ａは、ＳＡＷ共振子Ｘ１〜Ｘｎを始めとして、電圧制御移相回路３０、ＬＣ並列共振回路５０ａ、差動電圧増幅器２２、２４からなる帰還回路を構成している。この帰還回路におけるインピーダンスの整合性が十分にとれないことに起因して高周波発振信号波形が歪む等の不要の高調波が存在する。

図１に示す電圧制御型発振器１０Ａには、複数の経路に応じた帰還回路が存在する。このため、相互の帰還回路の影響による異常発振が発生することがある。このため、電圧制御型発振器自体に、それらの不要な周波数を除去するために周波数選択性を持たせることが必要となる。すなわち、ＬＣ並列共振回路５０ａにこの機能を持たせ、これにより、図４で説明したようにＳＡＷ共振子Ｘｍの共振周波数ｆｍが選択され、前述した不要な高調波や異常発振等の雑音を除去することができる。

上記のような構成の第１の実施形態によれば、複数のＳＡＷ共振子とこれを選択するための切換手段を備え、入力端子を介して外部から入力された制御信号により、複数のＳＡＷ共振子のいずれか１つのＳＡＷ共振子を選択する。この選択により、システムの使用に応じた所定の共振周波数が得られることとなり、１種類の電圧制御型発振器で光ファイバ通信システム等における個々のシステム使用に応じることができる。

また、ＳＡＷ共振子の信号入力側と出力側との両方に切換手段を備えたことにより、従来の切換手段による圧電振動子の選択方法では回避できなかった他の周波数特性を有する圧電振動子の影響を回避することができる。例えば従来は図５に示すように、実線ｆαと実線ｆβとでそれぞれ示す周波数制御特性を有する２種類のＳＡＷ共振子があった場合、ｆαの制御特性をｆβの制御特性に合わせるように調整した場合、前記調整はｆβにも影響を与えてしまい、ｆβは破線ｆβ´のような制御特性となってしまう。このため、複数のＳＡＷ共振子に対し相互の影響を考慮して調整を図ろうとした場合、その調整は煩雑になる。これに対し、本発明のような切換手段を備えた電圧制御型発振器では、両者の間にアイソレーションを取ることができ、相互間の影響を抑制することができる。そのため、各圧電振動子の周波数制御特性を個々に調整することができる。

また、１種類の電圧制御型発振器で複数の周波数を選択することができるため、この１種類の電圧制御型発振器を設計・製造すればよいので、その在庫管理が容易になる。
また、ＳＡＷ共振子は、ＡＴカット型水晶振動子のような副振動がないので、主振動と結合することがないうえに、不要なスプリアスも存在しない。又、さらに高い周波数を得るための逓倍回路を必要としないので、高調波も発生することがない。従って、それらに起因するジッタを発生することがないという効果が得られる。

次に図６を参照して本発明の電圧制御型発振器に係る第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る電圧制御型発振器１０Ｂは、ＳＡＷ共振子Ｘ１〜Ｘｎに接続されたコンデンサＣ１〜Ｃｎに変えて、ＬＣ並列共振回路５０ｂを可変容量ダイオード（可変容量素子）Ｃｖｏとした点と、制御電圧生成部６０とを設けた点が第１の実施形態と異なる。上記以外の構成要素は、第１の実施形態と同一であるため、図中に同一符号を附して説明は省略する。

図６においてＬＣ並列共振回路５０ｂは、可変容量ダイオードＣｖｏとインダクタＬから構成されている。前記ＬＣ並列共振回路５０ｂは、後述する制御電圧Ｖｃｏの入力により可変容量ダイオードの容量値が設定され、選択されたＳＡＷ共振子Ｘｍの共振周波数ｆｍを有する信号を選択する。

また、前記制御電圧生成部６０は、外部端子Ｔｃを介して入力された制御信号ＣＯＮＴに基づいて、前記ＬＣ並列共振回路５０ｂの可変容量ダイオードＣｖｏに供給する制御電圧Ｖｃｏを生成する。
上記構成により、第１の実施形態でＳＡＷ共振子Ｘ１〜Ｘｎに接続されていた複数のコンデンサＣ１〜Ｃｎを削除することができる。これにより、電圧制御型発振器の小型化を図ることができる。

次に図７を参照して本発明の電圧制御型発振器に係る第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る電圧制御型発振器１０Ｃは、ＬＣ並列共振回路５０ｃにＮＴＣサーミスタＲＴを並列に接続したことが第１の実施形態および第２の実施形態と異なる。この点以外の構成については上述した実施形態と同一であるため、図中に同一符号を附して説明を省略する。

上記のようにＬＣ並列共振回路５０ｃにＮＴＣサーミスタＲＴを備えることにより、高温域の周波数特性が改善され、周囲の環境温度が高温になったとしても周波数の安定した電圧制御型発振器を実現することができる。
上記それぞれの実施形態において、電圧制御移相回路３０と帰還バッファ用差動増幅器２６との接続は、切換手段を備えるようにして成すようにしても良い。
また、上記それぞれの実施形態における差動増幅器は、入出力単一型の増幅器によって代用しても良い。

また、上記実施形態において圧電振動子は、特に、ＳＡＷ共振子として説明したが、上記切換手段を使用した電圧制御発振器であれば、ＡＴカット水晶振動子や音叉型水晶振動子等であっても良い。

本発明の電圧制御型発振器に係る第１の実施形態を示すブロック図である。 ＥＣＬラインレシーバの回路構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態における電圧制御移相回路の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるＬＣ並列共振回路の周波数特性を説明する図である。 複数のＳＡＷ共振子間で生じる影響を説明する周波数制御特性についての図である。 本発明の電圧制御型発振器に係る第２の実施形態を示すブロック図である。 本発明の電圧制御型発振器に係る第３の実施形態を示すブロック図である。

符号の説明

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ………電圧制御型発振器、２０………ＩＣチップ、２２、２４、２６………差動増幅器（発振用差動電圧増幅器、出力用差動電圧増幅器、帰還バッファ用差動増幅器）、３０………電圧制御移相回路、４０………切換手段、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ………ＬＣ並列共振回路、６０………制御電圧生成部、Ｒ１〜Ｒ５、Ｒ８、Ｒｖ………抵抗、Ｒ６、Ｒ７………エミッタ終端抵抗、Ｔｒ１〜Ｔｒ５………バイポーラトランジスタ、Ｘｍ（ｍ＝１〜ｎ）………圧電振動子（ＳＡＷ共振子）、Ｃｍ（ｍ＝１〜ｎ）、Ｃ………コンデンサ、Ｌ………インダクタ。

Claims (3)

1. それぞれ所定の共振周波数で共振する複数の圧電振動子を備えた電圧制御型発振器であって、
   外部からの制御電圧の大きさに応じて入力信号の位相をずらして出力する電圧制御移相回路と、
   前記複数の圧電振動子に対して信号入力側と信号出力側とのそれぞれに備えられ、外部からの制御信号により前記複数の圧電振動子の中からいずれか１つを選択する切換手段と、
   前記切換手段により、選択された前記圧電振動子からの前記所定の共振周波数を有する共振信号を選択する周波数選択手段と、
   増幅器とを有し、
   前記電圧制御移相回路と、前記切換手段により選択された前記圧電振動子と、前記周波数選択手段と、前記増幅器とにより正帰還発振ループを形成し、
   前記周波数選択手段は、ＬＣ並列共振回路であり、
   前記複数の圧電振動子の前記信号出力側と接地との間に前記複数の圧電振動子のそれぞれに直列に接続されるインピーダンス素子を設け、
   前記複数の圧電振動子の中からいずれか１つが選択された際、選択された前記圧電振動子に直列接続された前記インピーダンス素子は前記ＬＣ並列共振回路と並列接続されることを特徴とする電圧制御型発振器。
2. 前記周波数選択手段は、サーミスタを備えることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御型発振器。
3. 前記増幅器は、前記所定の共振周波数の前記共振信号を増幅して出力する発振用差動増幅器と、前記発振用差動増幅器からの出力信号を入力する帰還バッファ用差動増幅器とを備え、
   前記電圧制御移相回路と、前記切換手段により選択された前記圧電振動子と、前記周波数選択手段と、前記発振用作動増幅器と、前記帰還バッファ用差動増幅器とにより正帰還発振ループを形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電圧制御型発振器。

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