JP4545737B2 - 発振器回路 - Google Patents

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Description

本発明は、発振器回路の分野に関し、より詳細には、発振周波数がGHz(ギガヘルツ)範囲の高周波発振器回路の分野に関するがこれに限定されない。
GHz範囲で動作する多くの発振器回路は、従来技術から知られている。同調範囲が14GHz〜21.5GHzの発振器回路は、K.Ettinger、M.Bergmair、H.Pretl、W.Thomann、J.Fenk、R.Weigelの「An Integrated 20 GHz SiGe Bipolar Differential Oscillator with High Tuning Range」、2000 Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting(BCTM)の要旨集、ミネアポリス、2000年、p.161〜163、ISBN 0−7803−6384−1(国際標準図書番号)から知られている。この発振器回路は、SiGeバイポーラ技術で実現され、オンチップストリップ線路インダクタ(on−chip strip line inductor)および発振器トランジスタの寄生容量からなるタンクを特徴としている。出力バッファが、このタンクに誘導結合されている。発振器コアは、LCタンクおよび交差結合された差動増幅器で構成されている。この交差結合された対は、タンクの抵抗損失を補償するための負抵抗を提供する。この発振器回路の欠点の1つは、交差結合された差動増幅器によって提供される負抵抗が、最高21.5GHzまでの周波数にしか十分でないということである。
CMOS技術で実現される類似の高周波発振器は、C.De RanterおよびM.Steyaertの「A 0.25μm CMOS 17GHzVCO」、ISSCC Digest of Technical Papers内、p.370〜371、2001年2月から知られている。この発振器回路も、抵抗およびコイルにおける電力損失をカバーするための、交差結合されたトランジスタ対を有する、LCタンクをベースにした電圧制御発振器を備えている。
さらに、この設計に基づく、高いQのインダクタを組み込んだ電圧制御LC発振器が、http://www.esscirc.org/esscirc2001/proceedings/data/169.pdfから知られている。
この回路は、最高10GHzまでの周波数で動作する。さらに、2.4GHz用の別の電圧制御LC同調発振器が、http://www.eesof.tm.agilent.com/pdf/nordic_vlsi.pdfから知られている。
他の従来技術の発振器回路の例が、米国特許第4810976号、米国特許第6249190号、および国際公開WO02/065632号に示されている。やはり、交差結合されたトランジスタ対が、電圧制御発振器コアを非減衰性にする(un−damping)ために使用されている。
周波数範囲が、ある周波数までしか負抵抗を十分に提供しない交差結合されたトランジスタ対によって限定されることは、従来技術の高周波発振器に共通の欠点である。こうした周波数の限界は、たとえばQUBiC4Gの場合は25GHzで使用される技術に依存する。
したがって、従来技術の周波数限界を向上させることを可能にする改良型発振器回路を提供する必要がある。本発明は、独立請求項によって定義される。従属請求項は、有利な実施形態を定義する。
本発明は、共振器に対称的に結合された第1および第2のエミッタフォロワを備える発振器回路を提供する。これらのエミッタフォロワは容量性負荷(capacitive load)を有する。エミッタフォロワのトランジスタに容量性負荷をかけると、入力インピーダンスは負の実数値となり、この負の実数値には共振器を非減衰性にする効果がある。したがって、交差結合されたトランジスタ対の使用が避けられる。
共振器は、LC共振器として実現されることが好ましい。たとえは、この共振器は、周波数同調用の同調電圧を有するインダクタおよびバラクタによって実現されることができる。このバラクタと直列に、直列抵抗が低い高容量のコンデンサが追加される。こうすることにより、バラクタのアノードは高オームの直列抵抗を介して直流接地され、カソードはゼロボルトから電源電圧VCCまで同調可能である。バラクタの底板は、寄生成分(parasitics)が高くなっており、共通モードである。このトポロジは、電源電圧以内のできるだけ大きな同調範囲をもつ。バラクタには、ゼロバイアスから逆バイアスまでの間のバイアスがかけられる。
本発明の好ましい一実施形態によれば、共振器回路は、共通カソードタンク回路として実現される。あるいは、共振器回路は、共通アノードタンク回路としても実現される。
本発明の好ましい一実施形態によれば、第2のエミッタフォロワ対によって第1および第2のエミッタフォロワに容量性負荷がかけられる。このようにして、2対のカスケード接続されたエミッタフォロワが形成される。
そのかわりにまたはそれに加えて、コンデンサが、容量性負荷を提供するために第1のエミッタフォロワと第2のエミッタフォロワとの間に相互結合される。
本発明の他の好ましい実施形態によれば、レベルシフタが電源電圧と共振器との間に結合される。このレベルシフタは、1つまたは複数のダイオードによって実現されることができる。エミッタフォロワのベース−コレクタ接合部が共振器の信号のクランプを開始する前に、ダイオードは、これが共振器の両端でより大きな信号振幅(signal swing)を可能にするので、レベルシフトとして働く。
本発明は、交差結合されたトランジスタ対以外の手段で高周波発振器回路を実現できるという点で、特に有利である。特に、本発明は、使用される技術に応じて、たとえばQUBiC4Gの場合には、20GHzを超え最高40GHzまでの低周波および高周波限度を有する発振器回路の実現を可能にする。このことは、いくつかの例を挙げると、位相ロックループ、アップコンバータ、ダウンコンバータ、ミクサ、信号発生器などの応用例に特に有利である。
本発明を用いて得られるその他の利点は、以下の通りである。
交差結合されたトランジスタ対からの雑音寄与がなくなるので、位相雑音が改善する。
必要なチップ領域が縮小される。
エミッタフォロワの高い容量性負荷により、発振器回路の出力における大きな信号振幅が可能になる。
より少ない寄生成分が共振器回路を介して接続されるので、発振器回路の同調範囲は著しく広がる。
以下に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。
図1は、共振器102を備える発振器回路100を示す。ここで検討する例では、共振器102はインダクタ104を含み、このインダクタは電流Idを生成する電流源106に対称的に結合される。別のインダクタ104が、電源電圧に対称的に結合される。共振器102は、周波数同調用同調電圧Vtuneを印加するための制御端子110を有するバラクタ108を備える。コンデンサ112が、バラクタ108と直列に結合される。コンデンサ112は、高容量であり、したがって直列抵抗が低いことが好ましい。したがって、バラクタ108のアノードは、高オーム直列抵抗114を介して直流接地され、カソード、すなわち制御端子110は、ゼロボルトから最高で電源電圧まで同調可能である。バラクタの底板は共通モードである。このトポロジにより、電源電圧以内で同調範囲をできるだけ大きくすることが可能になる。共振器102は、共振器102のアノードがエミッタフォロワ116および118にそれぞれ結合されるように、共通カソードタイプになっている。エミッタフォロワ116および118は対称的な設計になっており、どちらもトランジスタT1および電流源Ief1を含む。エミッタフォロワ116および118のトランジスタT1のベースは、共振器102のアノードに結合される。エミッタフォロワ116および118の容量性負荷は、エミッタフォロワ120および122によって提供される。やはり、エミッタフォロワ120および122も対称的に設計されており、各エミッタフォロワはトランジスタT2および電流源Ief2を含む。エミッタフォロワ120のトランジスタT2のベースは、エミッタフォロワ116のトランジスタT1のエミッタに結合され、同様に、エミッタフォロワ122のトランジスタT2のベースは、エミッタフォロワ118のトランジスタT1のエミッタに結合される。エミッタフォロワ120および122によってもたらされるトランジスタT1の容量性負荷は、共振器102から見た入力インピーダンスの負の実部をもたらす。入力インピーダンスのこの負の実部は、共振器102を非減衰性にするために使用される。抵抗Rは、シングルエンド形出力インピーダンスを実現して、出力端子OUT+、OUT−を設けるために使用される。たとえば、各抵抗Rは、50オームのインピーダンスをもつ。出力部OUT+およびOUT−は、コンデンサCacによって出力負荷124に結合されており、これらの負荷も50オームであることが好ましい。
図2は、他の実施形態のブロック図である。図1および図2における同様の要素は、同じ参照番号で示してある。図1の実施形態と同様に、図2の実施形態の共振器102も、カスケード接続されたエミッタフォロワ116、120および118、122に結合される。エミッタフォロワ120は、エミッタフォロワ116に対する容量性負荷を提供し、同様に、エミッタフォロワ122は、エミッタフォロワ118に対する容量性負荷を提供する。ここで検討される実施形態では、コンデンサC1が、エミッタフォロワ116および118の容量性負荷を増加させるために追加される。コンデンサC1は、トランジスタT1のエミッタ相互間に接続される。コンデンサC1の容量が十分大きい場合には、エミッタフォロワ120および122を省き、抵抗RをトランジスタT1のエミッタに直接接続することも可能である。さらに、レベルシフタ回路126が、電源電圧と共振器102との間に対称的に結合される。レベルシフタ回路126は、ダイオードD1およびダイオードD1と並列に接続されたコンデンサCxを含む。ダイオードD1は、レベルシフトとして働き、トランジスタT1のベース−コレクタ接合部が振器102の信号をクランプし始める前に、振器102の両端でダイオード2個分までの大きさの信号振幅を可能にするために使用される。最大達成可能信号振幅をさらに増大させるために、追加のダイオードがダイオードD1と直列に追加されることができる。ダイオードD1の追加の雑音は、コンデンサCxによってフィルタされるが、この雑音は、電流源Idを用いてダイオードD1を流れる直流電流を増加させることによって低減されることもできる。
出力バッファの入力インピーダンスの負の実部(real)は、エミッタフォロワ116および118の容量性負荷によるものであり、1/(f)の勾配をもつ。
Figure 0004545737
式中、Cはエミッタフォロワ120および122の入力インピーダンスであり、Rは共振器102から見た差動並列入力抵抗(differential parallel input resistance)である。この抵抗は、発振器を開始させるために、共振器102の正抵抗よりも絶対値で小さくなっていなければならないので、このトポロジは、負抵抗が十分低くなる周波数を超えると、特に有用である。従来技術のタンク回路では、通常、Q係数は、バラクタの固定直列抵抗によって周波数が高くなり、かつ表皮効果によってインダクタの直列抵抗が増加したときに、減少する。共振器102の並列抵抗は、1/(f)ほど急勾配ではないので、この新しいトポロジは、使用される技術に応じて、たとえばQUBiC4Gの場合には20GHzを超え最高40GHzまでの、より高い周波数で有用である。出力バッファの並列等価入力インピーダンスが、図3に示されている。40GHzでは、等価RC回路は、21fF(フェムトファラッド)と並列に−504Ωであり、フィリップのQUBiC4Gプロセスでは40GHzVCOの実用的な実装が可能になる。56GHzでは、この抵抗はもはや負ではなく、この新しいトポロジを用いたQUBiC4GのLC−VCOに対して、56GHzの新しい周波数限界を課す。
図4は、QUBiC4Gの共振器102の実用的な実装の並列等価RC回路を示す。(バッファから)この共振器102と並列な負の抵抗−504Ωは、0.5Vを超える同調電圧で発振を開始させるのに十分である(ただし、タンクからの正の並列抵抗は、+526Ωである)。図2の新しいトポロジを用いたLC−VCOでの過渡的結果が、図5に示されている。位相雑音の結果は、図6に示されている。同調範囲は、39.4GHzから最高43.1GHzまでである(0.5から3.5Vまでの同調)。この位相雑音は、最悪の場合(0.5Vの同調電圧で)、4MHzで−92dBc/Hzである。これらの回路原理は、NPNトランジスタの代わりにPNPトランジスタを用いて実施されることもできる。出力バッファは、NPNトランジスタとPNPトランジスタの両方が利用可能な場合には、A/B級として実施されることができる。また、バッファの第1の段、すなわちエミッタフォロワ116、118が90度の位相シフトをもたらし、容量性負荷が(部分的に)かけられたままである限り、NMOSおよび/またはPMOSトランジスタも使用されることができる。
図1および2のトポロジには多くの利点があり、それらのいくつかは以下に要約される。
所与のタンク回路を用いて、出力バッファを介して非減衰性にすると、常に同調範囲の増大およびより高い発振周波数をもたらす。この2つの利点は、従来技術のトポロジの交差結合されたバイポーラ回路と、カスケード接続の2つのエミッタフォロワを含む出力バッファを比較したときに、共振器への容量性負荷が減少することによるものである。
本発明により、交差結合されたバイポーラ対(−2/g)を避けることができる。このバイポーラ対は、周波数を限定する要因であった。というのは、負抵抗には、この抵抗がそこから正になるある周波数限界があるからである。この周波数限界は、図1および2のトポロジの場合よりも低い。
固定タンク回路の場合、位相雑音の結果は、新しいトポロジの方が従来技術のトポロジに比べて常により良好である。というのは、交差結合対からの雑音源はもはや存在しないからである。
図1および2の出力バッファは、カスケード接続の2つのエミッタフォロワを含んでいるので、より大きな振幅を可能にするコレクタでの信号振幅は存在しない。従来技術の設計では、縮退差動対(degenerated differential pair)が、通常、タンクと並列な高いオーム抵抗をもつバッファの第1段として追加される。この段の場合は、減衰が大きいため、等価タンクの電圧振幅は小さくなる。
交差結合対をなくすことで、VCOの電力損失が低減する。
図7は、直交発振器のブロック図を示す。直交信号の生成は、いくつかの方法で実施されることができる。低い位相雑音の場合には、通常、共振器(LC)タイプのVCOが、構成単位として使用される。2つのLC−VCOコアにそれら同士を結合する何らかの手段を加えたものを用いて、直交信号の生成は実施される。図7には、このIQ生成の原理が示されている。2つのVCOコアは、実質的に同一である。どちらも、差動出力信号を生成するものとする。環状になった1つの交差結合が180度の位相シフトを実施し、各コアは90度の位相シフトを生成する。LCタイプVCOコアのいくつかの実装が知られている。このコアには、前述のようにLCタンク回路を用いる。
図8は、本発明の一実施形態による、並列結合を用いた直交発振器を示す。第1の発振器回路は、第3のエミッタフォロワ120および第4のエミッタフォロワ122に結合された第1のトランジスタ対Tc1、Tc2を備え、第2の発振器回路は、第3のエミッタフォロワ120’および第4のエミッタフォロワ122’に結合された第2のトランジスタ対Tc1’、Tc2’を備える。第1のトランジスタ対Tc1、Tc2のコレクタは、第2の発振器回路に含まれるタンク回路に結合され、第2のトランジスタ対Tc1’、Tc2’のコレクタは、第1の発振器回路のタンク回路に交差結合される。この並列実装の欠点は、結合トランジスタTc1、Tc2およびTc1’、Tc2’からLCタンクへの接続により、タンク負荷が増加することである。この図において、これらの結合トランジスタのベースは、120、122および120’、122’のエミッタに結合されることもできる。
図9は、本発明の他の実施形態による、直列結合を用いた直交発振器を示す。第1の発振器回路は、第3のエミッタフォロワ120、122に結合された第1のトランジスタ対Tc1、Tc2を備え、第2の発振器回路は、第4のエミッタフォロワ120’、122’に結合された第2のトランジスタ対Tc1’、Tc2’を備える。第1のトランジスタ対Tc1、Tc2のコレクタは、それぞれ第2のトランジスタ対Tc1’、Tc2’のベースに結合される。第2のトランジスタ対Tc1’、Tc2’のコレクタは、それぞれ第1のトランジスタ対Tc1、Tc2のベースに交差結合される。直交発振器の場合は、直列実装形態が好ましい。というのは、LCタンクの負荷が低減されるからである。さらに、結合トランジスタが直列接続されているので、全バイアス電流が増加される必要はない。結合トランジスタTc1、Tc2およびTc1’、Tc2’は、エミッタフォロワ120、122および120’、122’のバイアス電流Ief2を共用する。
これらの実施形態は、バイポーラ技術での実装を指すが、本発明の概念は、たとえばGaAs、SiGe、CMOSなど他の技術に必要な変更を加えて適用されてもよい。その結果、端子つまりベース、エミッタおよびコレクタは、それぞれゲート、ソースおよびドレインに対応する。
本発明の保護範囲は、本明細書に記載の実施形態に限定されないことを留意されたい。本発明の保護範囲は、請求項内の参照番号によっても限定されない。「含む(comprising)」という語は、請求項に記載されている以外の要素を除外するものではない。要素の前の「1つの(aまたはan)」という語は、複数のかかる要素を除外するものではない。本発明の要素を形成する手段は、専用ハードウェアの形でも、プログラム式プロセッサの形でも実施されることができる。本発明は、それぞれの新規な機能または機能の新規な組合せに存在する。
容量性負荷が第2のエミッタフォロワ対によって提供される、第1の実施形態のブロック図である。 エミッタフォロワ相互間に追加のコンデンサが結合された、本発明の第2の実施形態のブロック図である。 出力バッファの並列等価入力インピーダンスを示す図である。 共振器(インダクタおよびバラクタ)の並列等価RC回路インピーダンスを示す図である。 39.4GHzから最高43.1GHzまでの同調範囲内での過渡的な結果を示す図である。 40GHzにおける位相雑音結果を示す図である。 直交発振器のブロック図である。 本発明の一実施形態による、並列結合を用いた直交発振器を示す図である。 本発明の他の実施形態による、直列結合を用いた直交発振器を示す図である。
符号の説明
100 発振器回路
102 共振器
104 インダクタ
106 電流源
108 バラクタ
110 制御端子
112 コンデンサ
114 抵抗
116、118、120、122 エミッタフォロア
124 出力負荷
126 レベルシフタ回路

Claims (14)

  1. 共振器手段(102)と、
    第1および第2のエミッタフォロワであって、前記第1および第2のエミッタフォロワのベースは前記共振器手段に対称的に結合され、各々は前記各エミッタフォロワの入力インピーダンスの負の実数値をもたらす容量性負荷(120、122、C1)を含む第1および第2のエミッタフォロワ(116、118)と、
    電源電圧と前記共振器手段との間に結合されたレベルシフタ手段(126)と、
    を備える発振器回路。
  2. 前記共振器がLC共振器である、請求項1に記載の発振器回路。
  3. 前記共振器が電圧制御共振器である、請求項1または2に記載の発振器回路。
  4. 前記共振器が、周波数同調用の制御電圧入力部(110)を有するバラクタ(108)を含む、請求項3に記載の発振器回路。
  5. コンデンサ(112)が前記バラクタに直列結合される、請求項4に記載の発振器回路。
  6. 前記共振器回路は一対のバラクタを備え、前記バラクタのカソードが互いに接続されている、前記請求項1から5のいずれか一項に記載の発振器回路。
  7. 前記共振器回路は一対のバラクタを備え、前記バラクタのアノードが互いに接続されている、前記請求項1から4のいずれか一項に記載の発振器回路。
  8. 第3のエミッタフォロワ(120)と第4のエミッタフォロワ(122)とをさらに備え、前記第1および前記第3のエミッタフォロワがカスケード接続され、前記第2および前記第4のエミッタフォロワもカスケード接続される、前記請求項1から7のいずれか一項に記載の発振器回路。
  9. コンデンサ(C1)が、前記第1のエミッタフォロワ(116)と前記第2のエミッタフォロワ(118)との間に結合される、前記請求項1から8のいずれか一項に記載の発振器回路。
  10. 前記レベルシフタ手段が少なくとも1つのダイオード(D1)を含む、請求項に記載の発振器回路。
  11. 2の発振器回路に交差結合された第1の発振器回路を備え、前記第1および第2の発振器回路は請求項8から10のいずれか一項に記載の前記発振器回路である、直交発振器。
  12. 前記第1の発振器回路が第1のトランジスタ対(Tc1、Tc2)を備え、前記第2の発振器回路が第2のトランジスタ対(Tc1’、Tc2’)を備え、前記第1のトランジスタ対(T c1 、T c2 )は前記第1の発振器回路の前記第3のエミッタフォロワ(120)および前記第4のエミッタフォロワ(122)に結合され、前記第2のトランジスタ対(T c1 ’、T c2 ’)は前記第2の発振器回路の前記第3のエミッタフォロワ(120’)および前記第4のエミッタフォロワ(122’)に結合され、前記第1のトランジスタ対(Tc1、Tc2)のコレクタが、前記第2の発振器回路に含まれる前記タンク回路に結合され、前記第2のトランジスタ対(Tc1’、Tc2’)のコレクタが、前記第1の発振器回路の前記タンク回路に交差結合される、請求項1に記載の直交発振器。
  13. 前記第1の発振器回路が第1のトランジスタ対(Tc1、Tc2)を備え、前記第2の発振器回路が第2のトランジスタ対(Tc1’、Tc2’)を備え、前記第1のトランジスタ対(T c1 、T c2 )は前記第1の発振器回路の前記第3のエミッタフォロワ(120)および前記第4のエミッタフォロワ(122)に結合され、前記第2のトランジスタ対(T c1 ’、T c2 ’)は前記第2の発振器回路の前記第3のエミッタフォロワ(120’)および前記第4のエミッタフォロワ(122’)に結合され、前記第1のトランジスタ対(Tc1、Tc2)のコレクタが、前記第2のトランジスタ対(Tc1’、Tc2’)のベースに結合され、前記第2のトランジスタ対(Tc1’、Tc2’)のコレクタが、前記第1のトランジスタ対(Tc1、Tc2)のベースに交差結合される、請求項1に記載の直交発振器。
  14. 前記請求項1から1のいずれか一項に記載の発振器回路を備える、位相ロックループ、アップコンバータ、ダウンコンバータ、ミクサ、信号発生器などの電子デバイス。
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