JP4358185B2 - 電圧制御発振器、並びに、送信機及び受信機 - Google Patents

Description

本発明は電圧制御発振器に関するものであり、特に発振周波数の変動範囲が切り替え制御可能な電圧制御発振器に関するものである。

制御電圧を印加することにより発振周波数を制御することができる電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）は、近年、無線送受信機の局部発振器を中心に幅広く使用されている。このような電圧制御発振器には、高安定性、低位相ノイズ性、低雑音性などが要求される。しかし、無線送受信機の発振周波数範囲は広帯域に及ぶため、１つの電圧制御発振器で、これらの要求を満足することは困難である。このため、１つの集積回路上に、発振周波数の変動範囲が異なる複数の電圧制御発振器を設け、必要な発振周波数範囲をカバーする方法がとられている。しかし、集積回路上に複数の電圧制御発振器を設けた場合、複数の電圧制御発振器を配置するためのレイアウト面積を要することからチップサイズが増大し、コストの上昇を招く。そこで、共振回路のインダクタンスを切り替えて発振周波数の変動範囲を切り替えることにより、あたかも異なる複数の電圧制御発振器を備えているかのごとく、必要な発振周波数範囲をカバーすることのできる電圧制御発振器が考案されている。

図５は、特許文献１に開示された、インダクタンスの切り替え機能を有する電圧制御発振器５００の概略構成を示す回路図である。図５に示したように、電圧制御発振器５００は、容量制御端子を制御電圧入力端子５０１に接続された一対の可変容量素子Ｃ５０１を備えている。当該制御電圧入力端子５０１に外部から制御電圧を印加することにより、該可変容量素子Ｃ５０１の容量値を変化させ、インダクタＬ５０１と可変容量素子Ｃ５０１とを含む共振回路の共振周波数を制御することができる。加えて、電圧制御発振器５００は、電源５０２をインダクタＬ５０１の端部に接続するか、あるいは、インダクタＬ５０１の中間部に接続するかを切り替えるスイッチＳＷ５０１を備えている。電圧制御発振器５００においては、ＳＷ５０１を切り替えることにより共振回路のインダクタンスを変化させ、発振周波数の変動範囲を切り替えることができる。

図６は、特許文献２に開示された、インダクタンスの切り替え機能を有する他の電圧制御発振器６００の概略構成を示す回路図である。図６に示したように、電圧制御発振器６００は、容量制御端子を制御電圧入力端子６０１に接続された一対の可変容量素子Ｃ６０１を備えている。当該制御電圧入力端子６０１に外部から制御電圧を印加することにより、該可変容量素子６０１の容量値を変化させ、インダクタＬ６０１と可変容量素子Ｃ６０１とを含む共振回路の共振周波数を制御できる。加えて、電圧制御発振器６００は、図６に示したように、各主インダクタＬ６０１に対し、当該主インダクタＬ６０１と磁気結合された副インダクタＬ６０２を備えている。従って、電圧制御発信機６００においては、副インダクタンスＬ６０２を含む閉回路に接続されたスイッチＳＷ６０１の導通と遮断とを切り替えることにより、共振回路のインダクタンスを変化させ、発振周波数の変動範囲を切り替えることができる。

しかしながら、共振回路のインダクタンスを切り替えて、発振周波数の変動範囲を切り替える上記従来の電圧制御発振器においては、以下のような問題があった。

すなわち、上記電圧制御発振器５００においては、スイッチＳＷ５０１とインダクタＬ５０１とが直列に接続されている。このため、スイッチＳＷ５０１やインダクタＬ５０１を流れる電流が寄生抵抗やノイズの影響を受けやすく、位相ノイズ特性が劣化したり、雑音が増加したりするという問題があった。

また、上記電圧制御発振器６００においては、主インダクタＬ６０１に加え、主インダクタＬ６０１との間で相互磁気誘導を生じせしめる副インダクタＬ６０２を設ける必要がある。従って、電圧制御発振器６００においては、主副２種類のインダクタＬ６０１〜Ｌ６０２を配置するためのレイアウト面積を確保する必要により、チップサイズが増大するという問題があった。この問題を回避するために、これらのインダクタを形成する配線層を２層以上配置する構成も考案されているが、この場合、ポリシリコン等で構成されるグランドシールドと呼ばれる接地層を各配線層間に設ける必要があり、製造コストが上昇するという問題を招来する。

そこで、共振回路の容量値を切り替えることにより、発振周波数の変動範囲を切り替える電圧制御発振器が考案されている。図７は、共振回路の容量値を切り替える機能を有する電圧制御発振器７００の概略構成を示す回路図である。電圧制御発振器７００は、図７に示したように、容量制御端子を制御電圧入力端子７０１に接続された一対の可変容量素子Ｃ７０１を備えている。該制御電圧入力端子７０１に制御電圧を印加することにより、該可変容量素子Ｃ７０１の容量値を変化させ、インダクタＬ７０１と可変容量素子Ｃ７０１とを含む共振回路の共振周波数を制御できる。加えて、電圧制御発振器７００は、さらにもう一対の可変容量素子Ｃ７０２を備えており、該可変量素子Ｃ７０２の容量制御端子は、ＳＷ７０１を介して、ＧＮＤあるいは電源の何れか一方に接続される。従って、ＳＷ７０２により該可変容量素子Ｃ７０２の容量値を切り替えて、発振周波数の変動範囲を切り替えることができる。

電圧制御発振器７００においては、発振周波数の変動範囲の切り替え用のインダクタを設ける必要がない。このため、位相ノイズ特性が良好で、また、小型化に有利な電圧制御発振器を提供することができる。
特開２００３−２２９７１８号公報（公開日：平成１５年８月１５日） 特開２００２−１５１９５３号公報（公開日：平成１４年５月２４日）

しかしながら、共振回路の容量値を切り替えることにより発振周波数の変動範囲を切り替える電圧制御発振器においては、位相ノイズ特性が良好で、小型化に有利である反面、共振周波数の変動範囲の切り替え前後の発振周波数の比が、制御電圧に依存して、一定値にならないという問題を生じる。このため、このような電圧制御発振器を送信機、あるいは、受信機の局部発振器として用いる場合、当該送信機、あるいは、当該受信機の回路設計が複雑になり、当該送信機、あるいは、当該受信機のコストが上昇してしまうという問題を招来していた。

上記問題について、図７に示した電圧制御発振器７００に即して具体的に説明すれば以下の通りである。

電圧制御発振器７００の共振回路は、インダクタＬ７０１と、該インダクタＬ７０１に対して並列に接続された可変容量素子Ｃ７０１および他の可変容量素子Ｃ７０２からなる。従って、共振回路の全容量値Ｃは、制御電圧入力端子７０１に印加される制御電圧Ｖｃにより決まる可変容量素子Ｃ７０１の容量値Ｃ_Ｖと、可変容量素子Ｃ７０２の容量値Ｃ_Ｘとの和Ｃ_Ｖ＋Ｃ_Ｘで与えられる。

ここで、可変容量素子Ｃ７０２の容量値Ｃ_Ｘは、上述したように、ＳＷ７０１により切り替えることができる。すなわち、可変容量素子Ｃ７０２の容量値制御端子が接地されているとき可変容量素子Ｃ７０２の容量値はＣ_Ａとなり、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０２ｃが電源に接続されているとき可変容量素子Ｃ７０２の容量値はＣ_Ｂ（Ｃ_Ａ＞Ｃ_Ｂ）となる。

電圧制御発振器における発振周波数、すなわち、共振回路の共振周波数ｆは、共振回路の全容量値Ｃと、共振回路のインダクタンスＬとにより、

と定まる。従って、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値がＣ_Ａであるとき、電圧制御発振器７００の共振周波数ｆ_Ａは以下のように与えられる。

また、変容量素子の容量値がＣ_Ｂであるとき、電圧制御発振器７００の共振周波数ｆ_Ｂは以下のように与えられる。

ここで、Ｌは、インダクタＬ７０１のインダクタンスである。

従って制御電圧Ｖｃを一定に保って、共振周波数の変動範囲を切り替えると、切り替え前後の共振周波数の比ｆ_Ａ／ｆ_Ｂは

となる。よって、共振周波数範囲の切り替え前後の共振周波数の比は、容量値Ｃ_Ｖ、すなわち制御電圧Ｖｃに依存し、一定値にはならない。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、位相ノイズ特性が良好で、小型に有利であると同時に、共振周波数の変動範囲の切り替え前後の発振周波数の比が制御電圧に依存しない電圧制御発振器を提供することにある。

本発明の電圧制御発振器は、上記課題を解決するために、第１の可変容量素子および該第１の可変容量素子に並列に接続された第２の可変容量素子を含み、該第１の可変容量素子に印加する制御電圧に応じて共振周波数が変動する共振回路と、上記第２の可変容量素子の容量値を切り替えることにより、上記共振回路における共振周波数の変動範囲を切り替える共振周波数範囲切り替え手段と、上記第１の可変容量素子に印加する制御電圧を一定に保って、上記共振周波数の変動範囲を切り替えた場合に、上記共振周波数範囲切り替え手段による上記共振周波数の変動範囲の切り替え前後の共振周波数の比が、上記制御電圧に依存しないよう、上記共振周波数を補正する共振周波数補正手段とを備えたことを特徴としている。

当該電圧制御回路の発振周波数は、上記共振回路の共振周波数に応じて変化するので、上記構成によれば、当該電圧制御回路の発振周波数は、上記制御電圧により制御することができ、また、その変動範囲は、上記共振周波数範囲切り替え手段により切り替えることができる。

しかも、上記構成によれば、共振周波数の変動範囲の切り替えは、上記第２の可変容量素子の容量値を切り替えることにより実現されるので、すなわち、上記共振回路のインダクタンスを切り替えるスイッチが直列に接続されることなく実現されるので、位相ノイズ特性が良好で、また、副インダクタンスを用いずに実現されるので、小型な電圧制御発振器を実現することができるという効果を奏する。

その上、上記構成によれば、上記共振周波数補正手段の作用により、上記共振周波数の変動範囲の切り替え前後の共振周波数の比が上記制御電圧に依存しない電圧制御発振器を実現できるという効果を奏する。

本発明の電圧制御発振器においては、上記共振周波数補正手段は、上記第２の可変容量素子に並列に接続された第３の可変容量素子を含み、該第３の可変容量素子の容量値を切り替えることにより上記共振周波数を補正することが好ましい。

上記構成によれば、上記共振周波数の補正は、可変容量素子の容量値を切り替えることにより実現されるので、すなわち、共振回路のインダクタンスを切り替えることなく実現されるので、位相ノイズ特性が良好で、また、小型であると同時に、共振周波数の変動範囲の切り替え前後の共振周波数の比が上記制御電圧に依存しない電圧制御発振器を実現することができるという効果を奏する。

本発明の電圧制御発振器においては、上記共振周波数補正手段は、上記第３の可変容量素子に、上記制御電圧を印加するか、あるいは、電圧源により出力される一定の出力電圧を印加するかを、上記共振周波数切り替え手段と連動して切り替えるスイッチを含んでいることが好ましい。

上記構成によれば、上記共振周波数補正手段は、可変容量素子、スイッチ、電圧源により構成される。すなわち、少ない部品点数、および、単純な回路な設計で共振周波数補正手段を構成することができる。従って、共振周波数の変動範囲の切り替え前後の共振周波数の比が上記制御電圧に依存しない電圧制御発振器を低コストで提供することができるという更なる効果を奏する。

本発明の電圧制御発振器において、上記スイッチは、トランジスタを含むことが好ましい。

上記構成によれば、電流の導通と遮断とを切り替えるスイッチ機能を、上記トランジスタに担わせることができる。しかも、スイッチ機能をトランジスタに担わせたことにより、上記共振周波数補正手段を、さらに小型かつ低コストに実現することができるという効果を奏する。また、スイッチ機能をトランジスタに担わせたことにより、当該スイッチを制御する制御信号としてデジタル信号を利用することが可能になるという更なる効果を奏する。

なお、上記トランジスタは、ＭＯＳ電解効果トランジスターであって良く、上記スイッチは、ＮＭＯＳトランジスタとＰＭＯＳトランジスタとからなる単極双投スイッチであって良い。

本発明の電圧制御発振器においては、上記スイッチは、デジタル信号である制御信号と、該制御信号をインバータにより反転した反転信号とにより制御されることが好ましい。

上記構成によれば、単一の制御信号と、その制御信号から生成された反転信号とにより、トランジスタで構成される単極双投スイッチの切り替え制御を行うことができる。しかも、反転信号はインバータにより生成されるので、上記スイッチの切り替え制御を実現するための回路構成を単純化し、当該電圧制御発振器を小型化・低コスト化できるという更なる効果を奏する。

本発明の送信機、あるいは、受信機は、上記電圧制御発振器を局部発振器として含むことを特徴とする
上記電圧制御発振器を備えている送信機、あるいは、受信機においては、共振周波数の変動範囲の切り替え前後の共振周波数の比が制御電圧に依存して変化してしまうことに対応するための回路構成を必要としない。すなわち、回路構成が容易で、低コストな送信機、あるいは、受信機を提供できるという効果を奏する。

本発明の電圧制御発振器は、以上のように、第１の可変容量素子および該第１の可変容量素子に並列に接続された第２の可変容量素子を含み、該第１の可変容量素子に印加する制御電圧に応じて共振周波数が変動する共振回路と、上記第２の可変容量素子の容量値を切り替えることにより、上記共振回路における共振周波数の変動範囲を切り替える共振周波数範囲切り替え手段と、上記第１の可変容量素子に印加する制御電圧を一定に保って、上記共振周波数の変動範囲を切り替えた場合に、上記共振周波数範囲切り替え手段による上記共振周波数の変動範囲の切り替え前後の共振周波数の比が、上記制御電圧に依存しないよう、上記共振周波数を補正する共振周波数補正手段とを備えている。

従って、当該電圧制御発振器は、位相ノイズ特性が良好であり、小型化に有利であり、かつ、共振周波数の変動範囲の切り替え前後の共振周波数の比が、上記制御電圧に依存しない。

また、本発明の送信機、あるいは、受信機は、以上のように、上記電圧制御発振器を局部発振器として備えている。

従って、当該送信機、あるいは、受信機は、回路構成が容易で、低コストである。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明すれば以下の通りである。

はじめに、図１に基づいて、本発明の一実施形態である電圧制御発振器１００について説明する。図１は、電圧制御発振器１００の概略構成を示す回路ブロック図である。電圧制御発振器１００は、概略的に、増幅回路１００ａと共振回路１００ｂと共振周波数補正回路１００ｃとを備えており、増幅回路１００ａの出力を共振回路１００ｂを介して増幅回路１００ａに帰還して発振する発振回路を構成している。

電圧制御回路１００の増幅回路１００ａは、差動対を構成する一対のトランジスタＴｒ１０１ａ・ｂを含む増幅回路である。図１に示すように、トランジスタＴｒ１０１ａ・ｂのエミッタは、共通の電流源Ｉ１０１を介して接地され、各トランジスタＴｒ１０１ａ（Ｔｒ１０１ｂ）のコレクタは、固定容量素子Ｃ１０４ｂ（Ｃ１０４ａ）を介して、他方のトランジスタＴｒ１０１ｂ（Ｔｒ１０１ａ）のベースに接続されている。

増幅回路１００ａに含まれるトランジスタＴｒ１０１ａ・ｂのコレクタには、共振回路１００ｂが接続されている。図１に示すように、電圧制御発振器１００の共振回路１００ｂは、インダクタおよび可変容量素子を備えたＬＣ共振回路であり、具体的には、インダクタＬ１０１ａ・ｂと、該インダクタ１０１に対して並列に接続された、可変容量素子Ｃ１０１ａ・ｂおよび可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂとを備えた共振回路である。共振回路１００ｂのインダクタは、直列接続された一対のインダクタＬ１０１ａとインダクタＬ１０１ｂとを含み、インダクタＬ１０１ａとインダクタＬ１０１ｂの中点には電源電圧ＶＤＤが印加されている。

可変容量素子Ｃ１０１ａ・ｂは、制御電圧により共振回路１００ｂの共振周波数を変化させるための可変容量素子である。互いに接続された可変容量素子Ｃ１０１ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０１ｃには、制御電圧入力端子１０１が接続されており、該容量値制御端子Ｃ１０１ｃに外部から制御電圧Ｖｃを印加できる。従って、制御電圧入力端子１０１に制御電圧Ｖｃを印加して、可変容量素子Ｃ１０１ａ・ｂの容量値Ｃ_Ｖを変化させることにより、共振回路１００ｂの共振周波数を制御することができる。すなわち、共振回路１００ｂは、可変容量素子Ｃ１０１ａ・ｂを含み、可変容量素子Ｃ１０１ａ・ｂに印加する制御電圧に応じて共振周波数が変動する共振回路として機能する。

互いに接続された可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０２ｃは、スイッチＳＷ１０１に接続されている。スイッチＳＷ１０１は単極双投スイッチであり、容量値制御端子Ｃ１０２ｃに接続された端子とは異なる２つの端子のうち、一方は接地され、他方は電源１０２に接続されている。すなわち、スイッチＳＷ１０１は、可変容量素子１０２ａ・ｂの容量値制御端子１０２ｃを、接地するか、あるいは、電源１０２に接続するかを切り替えることができる。従って、当該スイッチＳＷ１０１を切り替えることにより、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０２ｃを接地電位に保つか、あるいは、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０２ｃに電源電圧ＶＤＤを印加するかを切り替えることができる。これにより、スイッチＳＷ１０１の状態に応じて、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値Ｃ_Ｘは２値を取る。すなわち、容量値制御端子Ｃ１０２ｃを接地したとき、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値はＣ_Ａとなり、容量値制御端子Ｃ１０２ｃを電源１０２に接続したとき、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値はＣ_Ｂ（Ｃ_Ａ＞Ｃ_Ｂ）となる。これにより、スイッチＳＷ１０１は、共振回路１００ｂにおける共振周波数の変動範囲を切り替える共振周波数範囲切り替え手段として機能する。

共振回路１００ｂの容量値Ｃは、制御電圧Ｖｃにより決まる可変容量素子Ｃ１０１ａ・ｂの容量値Ｃ_Ｖと可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値Ｃ_Ｘとの和、すなわち、Ｃ＝Ｃ_Ｖ＋Ｃ_Ｘで与えられる。

可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０２ｃが接地されているとき、すなわち、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値Ｃ_ＸがＣ_Ａであるとき、共振回路１００ｂの共振周波数ｆ_Ａは以下のように与えられる。

ここで、Ｌは、インダクタＬ１０１のインダクタンスである。可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０２ｃが接地された状態で、制御電圧Ｖｃを変化させると、共振回路１０１ｂの共振周波数は上式に従って、一定の変動範囲の中で連続的に変化する。

一方、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０２ｃが電源１０２に接続されているとき、すなわち、可変容量素子の容量値Ｃ_ＸがＣ_Ｂであるとき、共振回路１００ｂの共振周波数ｆ_Ｂは以下のように与えられる。

可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０２ｃが電源１０２に接続された状態で、制御電圧Ｖｃを変化させると、共振回路１０１ｂの共振周波数は上式に従って、上記変動範囲とは異なる変動範囲の中で連続的に変化する。

制御電圧入力端子１０１に印加する制御電圧Ｖｃを一定に保って、共振周波数範囲を切り替えると、共振周波数範囲の切り替え前後の共振周波数の比ｆ_Ａ／ｆ_Ｂは

となる。可変容量素子Ｃ１０１ａ・ｂの容量値Ｃ_Ｖが制御電圧Ｖｃに依存して決まるので、
、共振周波数範囲の切り替え前後の共振周波数の比ｆ_Ａ／ｆ_Ｂは、制御電圧Ｖｃに依存し、一定にはならない。

しかしながら、電圧制御発振器１００は、その特徴的な構成として、共振周波数補正回路１００ｃを備えている。共振周波数補正回路１００ｃは、発振周波数の変動範囲の切り替え前後の発振周波数の比が、制御電圧Ｖｃに依存しないよう、共振回路１００ｂの共振周波数を補正する。

共振周波数補正回路１０１ｃの作用により、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０２ｃが接地されているとき、共振周波数補正回路１００ｃを含む電圧制御回路１００の共振周波数ｆ_Ａ´は、

となり、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０２ｃが電源１０２に接続されているとき、共振周波数補正回路１００ｃを含む電圧制御回路１００の共振周波数ｆ_Ｂ´は、

となる。ここで、Ｆ_Ａ、および、Ｆ_Ｂは、共振周波数に対する共振周波数補正回路１００ｃによる補正項を示し、

となるように設定されている。すなわち、共振周波数補正手段１０１ｃの作用により、共振周波数の変動範囲の切り替え前後で、共振周波数補正回路１００ｃを含む電圧制御回路１００における共振周波数の比、すなわち、発振周波数の比ｆ_Ａ´／ｆ_Ｂ´は、制御電圧Ｖｃに依存せず、一定値となる。

次に、図２を参照して、共振周波数補正回路１００ｃの具体的な回路構成例について説明する。図２は、図１に示した電圧制御発振器１００の回路図であり、図１において回路ブロックとして示した共振周波数補正回路１００ｃの具体的な回路構成を示している。

図２（ａ）に示したように、共振周波数補正回路１００ｃは、上述した可変容量素子１０２ｃに対して並列に接続された一対の可変容量素子１０３ａ・ｂを含んでいる。互いに接続された可変容量素子Ｃ１０３ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０３ｃには、スイッチＳＷ１０２が接続されている。スイッチＳＷ１０２は単極双投スイッチであり、容量値制御端子Ｃ１０３ｃに接続された端子とは異なる２つの端子のうち、一方は制御電圧入力端子１０１に接続され、他方は電圧源Ｖ１０１を介して接地されている。すなわち、スイッチＳＷ１０２により、可変容量素子１０３の容量値制御端子１０３ｃを、制御電圧入力端子１０１に接続するか、電圧源Ｖ１０１を介して接地するかを切り替えることができる。従って、当該スイッチＳＷ１０２を切り替えることにより、可変容量素子Ｃ１０３ａ・ｂの容量値制御端子Ｃ１０３ｃに制御電圧Ｖｃ、あるいは、電圧源Ｖ１０１の出力電圧Ｖｏの何れか一方を印加することができる。これにより、可変容量素子Ｃ１０３ａ・ｂの容量値は２値を取る。

共振周波数範囲の切り替え前後で、共振周波数補正回路１００ｃを含む電圧制御回路１００における共振周波数の比、すなわち発振周波数の比ｆ_Ａ´／ｆ_Ｂ´が、制御電圧Ｖｃに依存せず、一定値となるよう、スイッチＳＷ１０１とスイッチＳＷ１０２とは連動して動作する。具体的には、スイッチＳＷ１０１により可変容量素子１０２ａ・ｂの容量制御端子１０２ｃが接地されるとき、スイッチＳＷ１０２は、可変容量素子１０３ａ・ｂの容量制御端子１０３ｃを制御電圧入力端子１０１に接続する。一方、スイッチＳＷ１０１により可変容量素子１０２ａ・ｂの容量制御端子１０２ｃが電源１０２に接続されているとき、スイッチＳＷ１０２は、可変容量素子１０３ａ・ｂの容量制御端子１０３ｃを電圧源Ｖ１０１を介して接地する。

図２（ｂ）は、スイッチＳＷ１０１により、可変容量素子１０２ａ・ｂの容量値制御端子１０２ｃが接地され、スイッチＳＷ１０２により、可変容量素子１０３ａ・ｂの容量値制御端子１０３ｃが制御電圧入力端子１０１に接続された状態の電圧制御発振器１００の回路状態を示す回路図である。

電圧制御発振器１００が図２（ｂ）に示した状態にあるとき、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値は、上述したとおりＣ_Ａとなる。一方、可変容量素子Ｃ１０３ａ・ｂは、可変容量素子Ｃ１０１ａ・ｂと並列に接続されており、かつ、可変量素子Ｃ１０３ａ・ｂと同一の制御電圧Ｖｃが印加されているため、可変容量素子Ｃ１０３ａ・ｂの容量値Ｃ_Ｙは、可変容量素子Ｃ１０１ａ・ｂの容量値Ｃ_Ｖに比例する。すなわち、

となる。ここで、ａは正の定数（ａ＞０）である。

従って、電圧制御発振器１００が図２（ｂ）に示した状態にあるとき、電圧制御発振器１００の全容量値Ｃ_Ａ´は、以下の式で与えられる。

従って、電圧制御発振器１００が図２（ｂ）に示した状態にあるとき、電圧制御発振器１００の共振周波数ｆ_Ａ´は、以下の式で与えられる。

図２（ｃ）は、スイッチＳＷ１０１により、可変容量素子１０２ａ・ｂの容量値制御端子１０２ｃが電源１０２に接続され、スイッチＳＷ１０２により、可変容量素子１０３ａ・ｂの容量値制御端子１０３ｃが電圧源Ｖ１０１を介して接地された状態の電圧制御発振器１００の回路状態を示す回路図である。

電圧制御発振器１００が図２（ｃ）に示した状態にあるとき、可変容量素子Ｃ１０２ａ・ｂの容量値は、上述したとおりＣ_Ｂとなる。一方、可変容量素子Ｃ１０３ａ・ｂの容量値は、電圧源Ｖ１０１の出力電圧Ｖｏに応じて決まる一定値Ｃｏになる。

従って、電圧制御発振器１００が図２（ｂ）に示した状態にあるとき、電圧制御発振器１００の全容量値Ｃ_Ｂ´は、以下の式で与えられる。

従って、電圧制御発振器１００が図２（ｂ）に示した状態にあるとき、電圧制御発振器１００の共振周波数ｆ_Ｂ´は、以下の式で与えられる。

故に、共振周波数範囲の切り替え前後の共振周波数の比ｆ_Ａ´／ｆ_Ｂ´は

となる。

電圧源Ｖ１０１の出力電圧電圧Ｖｏは、上記定数ａと容量値Ｃｏが、

を満足するように設定される。そうすると、共振周波数の変動範囲の切り替え前後の共振周波数の比ｆ_Ａ´／ｆ_Ｂ´は

となり、制御電圧Ｖｃに依存しない一定値となる。

次に、図３を参照して、上記スイッチＳＷ１０１、あるいは、スイッチＳＷ１０２として好適に利用できるスイッチについて説明する。

図３（ａ）は、ＳＷ１０１、あるいは、ＳＷ１０２を構成するためのスイッチ素子３０を示す回路図である。図３（ａ）に示したように、スイッチ素子３０は、ＮＭＯＳトランジスタ３１とＰＭＯＳトランジスタ３２とによって構成されている。スイッチ素子３０のオンとオフ、すなわち、端子３３と端子３４との間の導通と遮断は、制御信号入力端子３５から入力される制御信号によって制御される。

図３（ｂ）は、上記スイッチ素子と同等の、スイッチ素子３０ａとスイッチ素子３０ｂとを組み合わせて得られる単極双投スイッチである。図３（ｂ）に示した単極双投スイッチによれば、制御信号入力端子３５ａに入力される制御信号によって、端子３６と端子３７との間の導通と遮断とを制御することができ、また、制御信号入力端子３５ｂに入力される制御信号によって、端子３６と端子３８との間の導通と遮断とを制御することができる。従って、制御信号入力端子３５ａと制御信号入力端子３５ｂとに、互いに反転された制御信号を入力することにより、端子３６を、端子３７と端子３８とのうち何れか一方と接続できる。従って、図３（ｂ）示した単極双投スイッチにより、上記スイッチＳ１０１、あるいは、ＳＷ１０２を構成することができる。

図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示した単極双投スイッチの変形例であり、インバータ３９を備えたことにより、単一の制御信号で、端子３６を、端子３７と端子３８とのうち何れか一方と接続できる単極双投スイッチを示す回路図である。図３（ｃ）に示した単極双投スイッチにおいては、単一の制御信号入力端子３５ｃに入力された制御信号が、スイッチ素子３０ａに与えられると同時に、インバータ３９により反転された当該制御信号がスイッチ素子３０ｂに与えられる。すわなち、図３（ｃ）に示した単極双投スイッチは、制御信号入力端子３５ｃに入力された制御信号と、該制御信号をインバータにより反転した反転信号とにより制御される。

図３（ｂ）、あるいは、図３（ｃ）に示した単極双投スイッチを電圧制御発振器１００のスイッチＳＷ１０１、あるいは、スイッチＳＷ１０２に用いる場合、当該スイッチを制御する制御信号としてデジタル信号を用いることができる。また、特に図３（ｃ）に示した単極双投スイッチをスイッチＳＷ１０１、あるいは、スイッチＳＷ１０２に用いる場合、単一の制御信号により切り替え制御を実現できることから、これらのスイッチの切り替え制御を実現するための回路構成を単純化・小型化することができる。

上記電圧制御発振器１００は、送信機、受信機、あるいは、送受信機に含まれる局部発振器として好適に利用することができる。図４は、電圧制御発振器１００を局部発振器として含む送受信機４００の概略的な回路構成を示す回路ブロック図である。

図４に示すように、送受信機４００は、受信回路を構成する、ＬＮＡ（ロー・ノイズ・アンプ）４０３、ダウンミキサ４０４、可変アンプ４０５、ＢＰＦ（バンドパス・フィルタ）４０６、アンプ４０７、および、復調器４０８を備えており、受信機として機能する。また、送受信機４００は、送信回路を構成する、変調器４１０、ＢＰＦ（バンドパス・フィルタ）４１１、アップミキサ４１２、および、パワーアンプ４１３を備えており、送信機としても機能する。送受信機４００は、アンテナ４０１と、該アンテナ４０１の接続先を上記送信回路、あるいは、上記受信回路の何れか一方に切り替えるスイッチ４０２とを備えている。また、送受信機４００は、ダウンミキサ４０４、および、アップミキサ４１２に接続された局部発振器４０９を備えている。

受信時、アンテナ４０１により受信されたＲＦ信号は、スイッチ４０２を介して、ＬＮＡ４０３に入力される。ＬＮＡ４０３は、アンテナ４０１から入力されたＲＦ信号を増幅し、ダウンミキサ４０４に送る。ダウンミキサ４０４は、取得したＲＦ信号を局部発信機４０９の出力と混合してダウンコンバートし、ＩＦ信号を得る。得られたＩＦ信号は、可変アンプ４０５により増幅された後、ＢＰＦ４０６により不要な周波数がカットされる。ＢＰＦから出力された信号は、さらに、アンプ４０７で再度増幅され、増幅された信号は、復調器４０８に送られる。

一方、復調器４１０から出力されたＩＦ信号は、ＢＰＦ４１１により不要な周波数をカットされ、アップミキサ４１２に送られる。アップミキサ４１２は、取得したＩＦ信号を局部発信機４０９の出力と混合してアップコンバートし、ＲＦ信号を得る。得られたＲＦ信号は、パワーアンプ４１３により増幅された後、スイッチ４０２を介してアンテナ４０１に送られ、該アンテナ４０１から送信される。

送受信機４００が備えている局部発振器４０９として、本発明に係る電圧制御発振器、例えば電圧制御発振器１００を利用することができる。本発明に係る電圧制御発振器は、発振周波数の変動範囲の切り替え前後で、発振周波数の比が制御電圧に依存しない。従って、本発明に係る電圧制御発振器を局部発振器として含む送信機、受信機、あるいは、送受信機においては、回路設計が容易になる。さらに、本発明に係る電圧制御発振器は、広い発振周波数を有するにも係わらず、複数のインダクタを備える必要がないので、従来より小型かつ低コストな局部発振器を提供することができる。すなわち、本発明の電圧制御発振器を局部発振器として用いれば、小型かつ低コストな送信機、受信機、あるいは、送受信機を実現することができる。

本発明は、発振周波数の変動範囲が切り替え制御可能な電圧制御発振器を含む集積回路に利用することが可能であり、特に、送信機、受信機、あるいは、送受信機に含まれる局部発振器として好適に利用することができる。

本発明の電圧制御発振器の概略構成を示す回路ブロック図である。 図１に示した本発明の電圧制御発振器の回路図であり、図１において回路ブロックとして示した共振周波数補正回路の具体的な回路構成を示している。 図３（ａ）は、本発明の電圧制御発振器が備えているスイッチを構成するスイッチ素子を示す回路図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示したスイッチ素子の組み合わせてなる、本発明の電圧制御発振器が備えているスイッチの構成を示す回路図である。図３（ｃ）は、図３（ａ）に示したスイッチ素子の組み合わせてなる、本発明の電圧制御発振器が備えている他のスイッチの構成を示す回路図である。 本発明の電圧制御発振器を備えている送受信機の概略構成を示す回路ブロック図である。 従来技術を示すものであり、インダクタンスを切り替える機能を有する電圧制御発振器の概略構成を示す回路図である。 従来技術を示すものであり、インダクタンスを切り替える機能を有する他の電圧制御発振器の概略構成を示す回路図である。 従来技術を示すものであり、容量値を切り替える機能を有する電圧制御発振器の概略構成を示す回路図である。

符号の説明

１００ 電圧制御発振器
１００ａ 増幅回路
Ｔｒ１０１ａ、Ｔｒ１０１ｂ トランジスタ
Ｃ１０４ａ、Ｃ１０４ｂ 固定容量素子
１００ｂ 共振回路
Ｌ１０１ａ、Ｌ１０１ｂ インダクタ
Ｃ１０１ａ、Ｃ１０１ｂ 可変容量素子（第１の可変容量素子）
Ｃ１０１ｃ 容量値制御端子
１０１ 制御電圧入力端子
Ｃ１０２ａ、Ｃ１０２ｂ 可変容量素子（第２の可変容量素子）
Ｃ１０２ｃ 容量値制御端子
ＳＷ１０１ スイッチ（共振周波数切り替え手段）
１００ｃ 共振周波数補正回路（共振周波数補正手段）
Ｃ１０３ａ、Ｃ１０３ｂ 可変容量素子（第３の可変容量素子）
Ｃ１０３ｃ 容量値制御端子
ＳＷ１０２ スイッチ
Ｉ１０１ 電流源
Ｖ１０１ 電圧源
１０２ 電源
３０、３０ａ、３０ｂ スイッチ素子
３１ ＮＭＯＳトランジスタ（トランジスタ）
３２ ＰＭＯＳトランジスタ（トランジスタ）
４００ 送受信機
４０９ 局部発振器（電圧制御発振器）

Claims (7)

1. 第１の可変容量素子および該第１の可変容量素子に並列に接続された第２の可変容量素子を含み、該第１の可変容量素子に印加する制御電圧に応じて共振周波数が変動する共振回路と、
   上記第２の可変容量素子の容量値を切り替えることにより、上記共振回路における共振周波数の変動範囲を切り替える共振周波数範囲切り替え手段と、
   上記第１の可変容量素子に印加する制御電圧を一定に保って、上記共振周波数の変動範囲を切り替えた場合に、上記共振周波数範囲切り替え手段による上記共振周波数の変動範囲の切り替え前後の共振周波数の比が、上記制御電圧に依存しないよう、上記共振周波数を補正する共振周波数補正手段とを備えたことを特徴とする電圧制御発振器。
2. 上記共振周波数補正手段は、上記第２の可変容量素子に並列に接続された第３の可変容量素子を含み、該第３の可変容量素子の容量値を切り替えることにより上記共振周波数を補正することを特徴とする請求項１に記載の電圧制御発振器。
3. 上記共振周波数補正手段は、上記第３の可変容量素子に、上記制御電圧を印加するか、あるいは、電圧源により出力される一定の出力電圧を印加するかを、上記共振周波数範囲切り替え手段と連動して切り替えるスイッチを含んでいることを特徴とする請求項２に記載の電圧制御発振器。
4. 上記スイッチは、トランジスタを含んでいることを特徴とする請求項３に記載の電圧制御発振器。
5. 上記スイッチは、デジタル信号である制御信号と、該制御信号をインバータにより反転した反転信号とにより制御されることを特徴とする請求項３に記載の電圧制御発振器。
6. 請求項１から５のうち何れか一項に記載の電圧制御発振器を局部発振器として含むことを特徴とする送信機。
7. 請求項１から５のうち何れか一項に記載の電圧制御発振器を局部発振器として含むことを特徴とする受信機。

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