JP4794790B2 - 可変周波数発振器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変発振器に関し、特に、周波数設定信号に応じて発振周波数を可変可能で、個別のトリミング信号によりトリミング可能な発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は可変発振器の一形態を示す図である。図１の回路は、符号２で発振信号を生成する共振部１と出力段３とを備えている。出力段３は、共振部の共振を維持し、符号４で発振出力を生成するために増幅することにより、符号２で信号を高める。共振部は、直列に接続された容量５とインダクタンス６を有する。容量は、可変容量（バリキャップ）ダイオード７であり、制御入力８に供給された電圧に依存して容量が変化する。このように、発振器の周波数は、その電圧により変更されうる。この発振器は、電圧制御型発振器である。
【０００３】
図１に示した発振器を用いて多くの応用分野において、予め定めた範囲の周波数がバリキャップ・ダイオード７を用いて正確に切り替わるように精度よく発振器を構成する必要がある。例えば、多くの通信分野において、発振器は有効な通信チャネルの周波数に対応する多くの予め定めた周波数の一つで動作しなければならない。他の端子と通信を行うために発振器を使用する通信端子では、２つの端子で使用される周波数は互いに正確に一致しなければならない。製造工程において、個々の発振器の回路部品の値にかなりの違いがあることがよくある。特に、発振器がチップ上に形成される場合にこの傾向が著しい。（オンチップ部品の値の一般的な変動は、抵抗の場合で±３０％、キャパシタの場合で±１０％、インダクタの場合で±７％である。この値はまた、温度に非常に依存する。このため、制御入力８に対応するチャネル設定電圧を供給したときに所定のチャネル周波数が選択されるように、発振器の製造後にトリミングするのが一般的である。
【０００４】
トリミング動作を行う一つの手法は、バリキャップ・ダイオード７自身を利用することである。トリミングされたオフセット電圧は、チャネル設定電圧が制御入力８にも供給されたとき、所定のチャネル周波数が正確に生成されるように制御入力８に供給されうる。しかしながら、この手法では、有効なチャネルの周波数包絡線だけでなく、回路をトリミングする必要のある付加的な範囲の共振周波数を調整可能な十分なスロー（範囲）をもつバリキャップ・ダイオード７が必要になる。必要とされる全体的なスローは、一般には約３０％である。この効果として、より小さなスローと比較して、バリキャップ・ダイオードは、制御入力８での電圧により敏感である。その結果、通常の動作では、バリキャップ・ダイオードを正確に制御するのはかなり難しい。さらに、広範な引っ張り範囲は、回路の発振エネルギーの多くがバリキャップ・ダイオード７を通過することを暗示している。これにより、一般に、固定値のキャパシタよりはるかに多くの損失（すなわち、より低いＱ）がある。損失が大きいと、位相ノイズは小さくなり、受信機の性能を実質的に悪くする。他の問題として、バリキャップ・ダイオードが大きなスローを有するならば、発振器の結果としての制御入力８の電圧変動はバリキャップの容量を変えることができ、回路の周波数を変調することができる。さらに、発振器が位相ロックト・ループ（ＰＬＬ）で用いられるとき、バリキャップ７の広範囲にわたる実効容量は、ＰＬＬのループゲインを変化させることを意味する。これにより、安定しにくくなり、周波数ホッピングシステムに要求される高速のジャンプとは互換性がない。これは、ループ時定数用の調整を導入することにより対応できるが、製造工程中で金のかかる処理である。
【０００５】
他の手法は、図２の回路を用いることである。図２の構成要素には、図１と同じ符号が付している。図２の回路において、追加のオフチップ機械トリマー９が発振器の容量部５に設けられる。これにより、より小さなスローをもつバリキャップのダイオードを使用できる。あるいは、容量が固定のオフチップが用いられてもよい。しかしながら、オフチップ部品は、大きくて比較的高価であり、製造工程中の機械的な調整といった不便な工程が必要になる。機械トリマーの代替品として、レーザートリミングにより製造工程中に調整可能なオンチップ容量を設けてもよい。しかしながら、この手法は、集積回路（ＩＣ）のパッケージングの前にのみ行うことができるため不便であり、レーザートリミング工程は歩留まりが低くて、ＩＣプロセスの変更が必要なため、高価になる。
【０００６】
他の公知の構成において、（例えば、図１のバリキャップ７で表される）連続的な可変容量は、有限の可変容量配置で直列に配置されている。この配置は、有限の可変容量の可変範囲よりわずかに小さい容量段数が可能になる。この配置において、第１の租同調動作は、有限の可変容量配置を用いて製造した後、連続的な可変容量の可変範囲内の所望の容量に設定するために行われる。有限な可変配置の設定はその後に固定される。その後、使用中に、連続的な可変容量は、所望の容量に正確に調整されうる。しかしながら、第１の同調動作の粗さは、連続的な可変容量が最適範囲外で動作しなければならないことを意味する。
【０００７】
性能上の重大な低下を招くことなく、より簡易かつ経済的にトリミングすることができる可変周波数発振器が必要である。
【０００８】
本発明の第１の形態によれば、回路の第１および第２のノードの間の容量に依存する周期的な出力を生成し、第１および第２のノードの間に接続された容量素子を有する発振回路を備え、前記容量素子は、出力の周波数を変えるための可変可能な容量を有する可変容量ユニットと、出力の周波数を除去するために第１および第２のノードの間の可変容量ユニットに並列に選択的に接続可能な複数のトリミング容量と、を有する可変周波数発振器を備える。
【０００９】
本発明において、スイッチ（好ましくは、トランジスタ等の電気的に感度のよいスイッチ）は、好ましくは、各スイッチング信号に応答して、第１および第２のノード間のトリミング容量を選択的に接続する第１および第２のノード間の各トリミング容量に直列に接続される。
【００１０】
本発明の第２の形態によれば、第１および第２のノードの間の容量に依存する周期的な出力を生成し、第１および第２のノードに接続された容量素子を有する発振回路を備え、前記容量素子は、周波数範囲に対して出力周波数を連続的に変更可能な容量をもつ可変容量ユニットと、前記周波数範囲の幅の半分以下の段数で出力周波数を除去する容量素子に選択的に直列に接続可能な複数のトリミング容量と、を有する。
【００１１】
本発明において、可変容量ユニットは第１のノードと中間ノードとの間に接続される。トリミング容量はそれぞれ、中間ノードと第２のノードとの間の可変容量ユニットに直列に接続可能である。本発明では、スイッチ（好ましくは、トランジスタ等の電気的に感度のよいスイッチ）は、好ましくは、応答スイッチング信号に応答して、中間ノードと第２のノードとの間のトリミング容量を選択的に接続する中間ノードと第２のノードとの間の各トリミング容量に直列に接続される。
【００１２】
複数のトリミング容量を有限の可変容量ユニットに設けるのが望ましい。トリミング容量は、望ましくは、互いに並列に選択的に接続可能である。
【００１３】
発振器は、一組のトリミング容量を第１および第２のノード間に接続させる制御装置を有する。発振器は、一つ以上のトリミング容量を定義する情報格納用の制御装置に接続されたメモリをも有する。制御装置および／またはメモリは、発振器が一部を構成するいかなる装置においても、他の機能を行いうる。上述した一つ以上のトリミング容量のそれぞれは、発振器の各動作周波数に対応する。制御装置は、制御装置に供給された動作周波数を定義する情報に応じて、組の一つを定義する情報を取り出すことができる。制御装置は、一つの組を定義し、かつトリミング容量の組を第１および第2ノード間に接続させる情報をメモリから取り出すことができる。
【００１４】
少なくとも一つのトリミング容量は、他のトリミング容量とは異なる容量値を有する。好ましくは、これらの値すべては異なっている。
【００１５】
トリミング容量は、半数以下の工程で出力周波数をトリミングできるのが望ましい。望ましくは、周波数範囲の幅の1/10以下をトリミングできる。そのトリミングできる周波数範囲で、連続的な可変容量素子は、それ自体、調整を行うことができる。トリミング容量は、１０以上、好ましくは４０または５０以上の有限な調整段数を有する。
【００１６】
可変容量ユニットの容量は、可変容量の入力に供給された電圧により可変可能である。出力と発振器を安定化させる可変容量入力との間に接続された位相ロックトループ等のフィードバック装置がある。可変容量ユニットは、好ましくは連続的に可変可能である。
【００１７】
発振器または発振回路は、好ましくは単一の集積回路上に形成される。
【００１８】
本発明は、一組のトリミング容量を定義する情報をメモリから取り出し、第１および第２のノードの間にトリミング容量の組み合わせを接続し、可変容量入力での電圧を第１のプリセット電圧範囲と比較し、その電圧が第１のプリセット電圧範囲外であるならば、可変容量入力での電圧に基づいて、トリミング容量の調整された組合せを決定し、トリミング容量の調整された組合せを定義する情報をメモリに格納する。
【００１９】
可変容量入力での電圧が第２のプリセット電圧範囲内にあるときのみ、前記決定するステップが行われる。記憶するステップでは、調整されたトリミング容量の組を定義する情報は、トリミング容量の組を定義する前記情報をメモリで置き換えるように記憶される。
【００２０】
本発明は、添付の図面を参照して、一実施形態に基づいて以下に説明される。
【００２１】
図３は単一の集積回路上に実装可能な無線端末用の可変発振回路を示す図である。図３の可変発振回路は、共振部１と出力段３とを有する。共振部は、符号５で示す容量部と誘導部６とを有する。図３の回路において、容量部５は切替可能なトリミング容量１０，１１，１２等の列を有する。これらは、回路をデジタル的にトリミングさせるために、各トランジスタ１３，１４，１５による共振回路で選択的にスイッチされる。
【００２２】
より詳細には、図３の共振部は、ノード１７と共振部の出力２との間に接続されたインダクタンス１６を有する。容量１０−１２はノード１７，１８に並列に接続される。各容量１０−１２に直列に、スイッチングトランジスタ１３−１５が接続されている。各スイッチングトランジスタは、所望の電圧が対応するスイッチング入力ライン１９−２１からゲートに入力されるとき、電流がソースとドレイン間を流れることができるように接続される。これにより、直列に接続された容量はノード１７，１８の間に接続される。バリキャップ・ダイオード７はノード１８，２２の間に接続される。ノード２２は、使用中の発振器の動作周波数を選択するために符号８からの電圧入力を受ける。ノード２２は、容量２３をデカップルすることにより、無線周波数で接地端子からデカップルされる。
【００２３】
回路がオンチップで製造された後、ノード１７，１８の間の回路にまたは回路から、一つ以上の容量１０−１２等を切り替えることによりトリミングすることができる。これにより、発振器の全体的な容量部５の実効容量を変えることができる。
【００２４】
回路のトリミングは、端子をオンさせるたびに、例えば標準的な受信周波数をもつ回路の出力と比較することにより行われる。あるいは、トリミング動作は、製造段階で行われる。各トリミング容量は回路にまたは回路から完全に切り替えられるので、トリミングはデジタル動作である。スイッチングトランジスタ１３−１５等の設定は、各スイッチングトランジスタの切替入力に対応する一桁の２進数で表される。トリミング容量の設定は、製造または使用中の無線端子の記憶によりデジタル的に格納されうる。そして、メモリからの適当な設定を呼び出すことにより要求されるとき、正確に再生される。一つ以上の設定は、異なる動作周波数や温度等の他のアプリケーション用に（製造中または使用中に）格納される。
【００２５】
図４は発振器１，３を制御する好適な配置の一例を示す図である。発振器の出力は、分周器２５、位相検出器２６およびループフィルタ３０を有するＰＬＬ２４に伝送される。分周信号と基準信号の位相差は、発振器の入力８にフィードバックされる。発振器の切替入力１９−２１などは、発振器制御ユニット２７から駆動される。制御ユニットは無線端末の主プロセッサ２８の管理下にある。制御ユニット２７は入力８での電圧をモニターする。制御ユニットは、符号８での電圧がプリセット値にできるだけ近づくように、トリミング容量の切り替えを調整する。その端子の各動作周波数での動作を行うことにより、制御ユニット２７は比較的一定に回路のループゲインを維持する。
【００２６】
制御回路２７は、メモリ２９からの各動作周波数で、切替入力１９−２１等の所望の設定を回復できる。周波数を切り替えるために、制御回路は記憶された設定を入力１９−２１に供給し、アナログＰＬＬに残りの周波数エラーを安定させる。この構成では、入力８に直接電圧を影響させる制御ユニットは必要ない。そこで、発振制御は完全にデジタルである。入力１９−２１等の結合された設定は、制御ユニット２７からのマルチビットの２進数のトリミング設定信号として見られうる。
【００２７】
切替入力１９−２１用のトリムコード設定用のテーブルは、起動中またはバックグランド・タスクとして、あるいは端末局の製造中に、（例えば、マルチビットの２進数のテーブルとして）制御ユニット２７によりメモリに記憶されうる。使用中のテーブルを構築する一つのアルゴリズムは以下の通りである。
【００２８】
１．切替入力への供給は、発振周波数用のルックアップテーブルに格納されたデジタルコードを入力する。
【００２９】
２．ＰＬＬが安定化するのを待機する。
【００３０】
３．制御ユニット２７内のＡ−Ｄコンバータによりバリキャップ入力８の電圧をデジタル化する。
【００３１】
４．デジタル化した電圧を第１のプリセット電圧ウインドウと比較する。もし電圧が第１のプリセット・ウインドウ内にあれば、現在のデジタルコード設定を維持する。
【００３２】
５．バリキャップ入力での電圧が第１のプリセット・ウインドウ外にあれば、デジタル化した電圧を第２のより広いプリセット・ウインドウと比較する。もし電圧が第２のプリセット・ウインドウ内にあれば、現在の無線活動用の（パケットやバーストデータの送受信用の）プリセット・デジタルコード設定を維持するが、現在の周波数用に格納されたコードを調整する。その結果、現在の動作周波数用に切り替えられるトリミング容量を適切に増加または減少させる。調整されたコードは、現在の周波数が次に選択されたときに利用される。
【００３３】
６．バリキャップ入力での電圧が第２のウインドウ外にあるとき（ユニットが同調から外れているとき）、現在の無線活動を中断して再校正モードに入る。
【００３４】
この手法はまた、端末局における固有の自己テスト(BIST)動作中に使用できる。上記の手法は、各動作周波数用に繰り返される。この種の自己テスト特性は、製造中のコストを大幅に削減でき、使用中の適切な動作を保証するために望ましい。
【００３５】
トランシーバが有効である間に、トランシーバは連続的にモニターし、最適な容量値またはその近傍にアナログ可変容量を維持するために、トランジスタのスイッチに供給されたデジタルコードを調整する。
【００３６】
容量列は、２つの上方からいくつかの容量を有する。トリミング容量の値は、同じか異なっている。トリミング容量の値は同じか異なっている。トリミング容量の値が異なっているとき、同じ数のトリミング容量はＩＣの面積を削減するために、より広範な範囲でトリミングさせるために利用されうる。トリミング容量は、全体の容量の１２８に等しいステップを設けてもよい。これは例えば、同じ値の１２８個の容量または２つの異なる因子で比例された７個の容量値で達成されうる。
【００３７】
再校正モードにおいて、制御ユニット２７は、バリキャップ入力での電圧を繰り返しモニターすることができ、バリキャップ入力電圧が第１または第２ウインドウ内になるまで、適切に一つ以上のトリミング容量を切り替えることにより、実効的な総合トリミング容量を増減できる。トリミング容量の値のステップが同じであれば、非常に単純なトリミング・アルゴリズムが制御ユニット２７で用いることができ、いくつかの容量を切り替えることにより、単に単調に実効的な総合トリミング容量を調整する。もし容量値が異なっていれば、トリミングアルゴリズムは容量値を考慮に入れるべきである。
【００３８】
上述したアルゴリズムのステップ５は、完全な再校正の必要なしに、（例えば温度変動による）ドリフトを弱めるために徐々に変化させるので特に有益である。
【００３９】
トリミング容量１０−１２は、互いに並列で、バリキャップ７に直列である。この配置は、回路に対し、インダクタンスやキャパシタンスの名目上の値の広範囲をカバーさせる。トリミング容量は、バリキャップ７に二者択一的に並列でありうる。
【００４０】
バリキャップ７の値は、容量部５の他の直列容量の総計に対してかなり大きいのが望ましい。好ましくは、他の容量の５〜１０倍がよい。これは、発振器のバリキャップの実効Ｑを実際のＱより高く、例えば５〜１０倍にさせる。容量１０−１２の値は一般に約５０〜１００ｆＦである。容量部の有限調整部は、バリキャップの範囲より実質的に小さい段数で、約５０以上の有限の容量段数にする。これにより、バリキャップは、選択された有限の段数の範囲内に設定されるだけでなく、連続的な可変範囲の所望の狭い部分が所望の容量を作り出す。これは、一段のみの設定で、バリキャップが所望の全体的な容量を与えるシステムと対比して、ループ時定数とループ応答のより優れた制御を可能にする。
【００４１】
（例えばバリキャップ）の連続的に可変の容量の範囲は、有限の可変容量回路を含む容量部で利用可能な全体的な可変範囲より非常に小さい周波数調整を与える。これは、連続的な可変容量が全体的な調整範囲の大部分を占めるシステムより、はるかに良好な位相ノイズ特性を示す。
【００４２】
無線端末は、無線端末および／または受信機でありうる。端末は、TDMA（時分割多重アクセス）とFHSS（周波数ホップされたスペクトラム拡散）を含む、優れた仕組みで動作可能である。発振器は、階調生成等の他の応用分野で使用可能である。
【００４３】
図３および図４に図示された回路で数多くの変更が可能である。例えば、発振器の出力段は、必要に応じて変更可能である。バリキャップ７は、電圧、電流または手動制御される容量により、置換または補完可能である。
【００４４】
出願人は、本クレームの範囲を限定しなければ、本発明は、暗示的に、または明白に、または一般化して開示された、いずれの特徴または特徴の組合せを含むことに注意を促したい。上述の記載において、本発明の範囲内で種々の変更をなしうることは当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 可変周波数発振器の一形態を示す図。
【図２】 図１の変形例を示す図。
【図３】 可変周波数発振器の回路図。
【図４】 図３の回路の制御配置図。

Claims (16)

1. 無線端末で使用される可変周波数発振器であって、
   回路の第１および第２のノードの間の容量に依存する周期的な出力を生成し、第１および第２のノードの間に接続された容量素子を有する発振回路であって、前記容量素子は、出力の周波数を変えるための可変可能な容量を有する可変容量ユニットと、出力の周波数を調整するために第１および第２のノードの間に接続可能な複数のトリミング容量と、を有する発振回路と、
   それぞれが発振器動作周波数に対応する一つ以上の前記トリミング容量の組を定義する情報を記憶するメモリと、
   前記トリミング容量を前記第１のノードおよび第２のノード間に接続させるために前記メモリに結合される制御装置と、
   前記出力と前記可変容量ユニットの入力との間に接続され、前記発振回路を安定化するための帰還装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記メモリから現在の発振器動作周波数に対応する前記トリミング容量の組を定義する情報を読出して、読出した前記トリミング容量の組を前記第１および第２のノード間に接続し、前記可変容量ユニットの入力電圧を第１のプリセット電圧範囲および第２のより広範なプリセット電圧範囲と比較し、
   前記制御装置は、
   前記入力電圧が前記第１のプリセット電圧範囲外で、かつ前記第２のより広範なプリセット電圧範囲内の場合には、現在の無線活動期間の間は前記第１のノードおよび前記第２のノード間に接続される前記トリミング容量の組を維持し、
   前記可変容量ユニットの入力電圧に基づいて、前記トリミング容量を調整した組を決定して、前記調整した組を定義する情報を前記メモリに格納し、
   現在の動作周波数が後の無線活動期間内に選択された場合は、前記第１のノードおよび前記第２のノード間で前記調整したトリミング容量の組を接続することを特徴とする可変周波数発振器。
2. 前記トリミング容量はそれぞれ、前記第１および第２のノードの間に選択的に接続可能であることを特徴とする請求項１に記載の可変周波数発振器。
3. 前記トリミング容量はそれぞれ、互いに並列に選択的に接続可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の可変周波数発振器。
4. 各スイッチング信号に応答して、前記第１および第２のノードの間にトリミング容量を選択的に接続する、前記第１および第２のノードの間の各トリミング容量に直列に接続されるスイッチを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の可変周波数発振器。
5. 各スイッチはスイッチングトランジスタであることを特徴とする請求項４に記載の可変周波数発振器。
6. 前記制御装置は、請求項４または５に記載の前記スイッチング信号を生成可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の可変周波数発振器。
7. 少なくとも一つのトリミング容量は、他のトリミング容量とは異なる容量値を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の可変周波数発振器。
8. 可変容量ユニットの容量は、可変容量ユニットに供給される電圧により可変されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の可変周波数発振器。
9. フィードバック装置は位相ロックトループであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の可変周波数発振器。
10. 可変容量ユニットは可変容量ダイオードであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の可変周波数発振器。
11. 前記制御装置は、前記メモリ内の前記トリミング容量の組を定義する情報を、前記トリミング容量の調整した組を定義する情報に置換して格納することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の可変周波数発振器。
12. 前記トリミング容量のそれぞれは、前記可変容量ユニットと並列に選択的に接続可能であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の可変周波数発振器。
13. 前記トリミング容量のそれぞれは、前記可変容量ユニットと直列に選択的に接続可能であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の可変周波数発振器。
14. 前記制御装置は、前記可変容量ユニットの入力電圧が前記第２のより広範なプリセット電圧範囲外の場合には、現在の無線活動を中断するように構成されることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の可変周波数発振器。
15. 前記制御装置は、現在の無線活動が中断された場合には、再校正モードに移行するように構成されることを特徴とする請求項１３に記載の可変周波数発振器。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の可変周波数発振器を備えた無線端末。

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