JP4884405B2 - LC oscillator - Google Patents

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Description

本発明は、寄生抵抗の影響を打ち消す負性抵抗回路を備えるLC発振器(LC共振回路)に関するものである。   The present invention relates to an LC oscillator (LC resonance circuit) including a negative resistance circuit that cancels the influence of parasitic resistance.

図10は、従来のLC発振器の構成を表す一例の概念図である。同図に示すLC発振器50は、2つの端子20,22の間に並列に接続されたインダクタLp、キャパシタCpおよび負性抵抗回路52によって構成されている。インダクタLpには寄生抵抗が存在する。そのため、寄生抵抗による影響を打ち消し、LC発振器50が所定の周波数で確実に発振することができるように負性抵抗回路52が設けられている。 FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating an example of the configuration of a conventional LC oscillator. The LC oscillator 50 shown in the figure is constituted by an inductor L p , a capacitor C p and a negative resistance circuit 52 connected in parallel between two terminals 20 and 22. The inductor L p has a parasitic resistance. Therefore, the negative resistance circuit 52 is provided so as to cancel the influence of the parasitic resistance and to ensure that the LC oscillator 50 can oscillate at a predetermined frequency.

従来のLC発振器では、1つのインダクタでLCタンク(インダクタとキャパシタの並列回路)が構成されている。この構成のLC発振器では、2つの端子から出力される発振信号の負荷が等負荷になること(出力の対称性)を要求されるなど、LCタンクが次段のデバイスの色々な制約を直接受ける。そのため、LCタンクを駆動する、負性抵抗回路52を構成する能動素子も、その出力信号に対称性などの制約を受けることになる。   In a conventional LC oscillator, an LC tank (a parallel circuit of an inductor and a capacitor) is configured by one inductor. In the LC oscillator of this configuration, the LC tank is directly subjected to various restrictions of the next-stage device, such as the load of the oscillation signal output from the two terminals being required to be equal (symmetry of output). . For this reason, the active element that constitutes the negative resistance circuit 52 that drives the LC tank is also subject to restrictions such as symmetry in its output signal.

また、オンチップのLC発振器では、そのインダクタの部分で寄生抵抗やシリコン基板との相互インダクタンスなどによる大きなロス(損失)が存在する。そのため、高いQ値(振幅増大係数)を達成することが困難であり、発振信号の位相ノイズ(例えば、ジッタ)を小さくすることが常に課題であった。ここで、Q値とは、振動の状態を現す指標である。Q値が高いほど、発振信号の振動が安定していることを意味する。   In the on-chip LC oscillator, there is a large loss (loss) due to parasitic resistance and mutual inductance with the silicon substrate in the inductor portion. For this reason, it is difficult to achieve a high Q value (amplitude increase coefficient), and it has always been a problem to reduce the phase noise (for example, jitter) of the oscillation signal. Here, the Q value is an index representing the state of vibration. A higher Q value means that the oscillation of the oscillation signal is more stable.

Q値が低いLC発振器を発振させるためには、比較的大きな駆動能力を持つ能動素子を用いる必要がある。しかし、能動素子で発生するノイズ成分も、LC発振器のロスによるノイズ成分と同等かそれ以上の大きさがあるという問題があった。   In order to oscillate an LC oscillator having a low Q value, it is necessary to use an active element having a relatively large driving capability. However, there is a problem that the noise component generated in the active element is equal to or larger than the noise component due to the loss of the LC oscillator.

ところで、発振信号の位相ノイズを抑えるためには、「Q値が高いオンチップインダクタを作る」か、「より低ノイズでLCタンクをドライブする」という2つのアプローチがあり、これまで盛んに議論されてきた。   By the way, in order to suppress the phase noise of the oscillation signal, there are two approaches, “make an on-chip inductor with a high Q factor” or “drive the LC tank with lower noise”, and have been actively discussed so far. I came.

前者に関しては、パターングランドシールド(Pattern Ground Shield)という手法により、キャパシタを介したシリコン基板とのロスは劇的に改善された。しかし、パターングランドシールドの手法を用いても、シリコン基板中の誘導電流に起因するロスは防ぎようがない。そのため、製造プロセス自体を変えない限り、これからのロスの劇的な改善は難しいと考えられる。   Regarding the former, the pattern ground shield (Pattern Ground Shield) technique dramatically improved the loss to the silicon substrate via the capacitor. However, even if the pattern ground shield technique is used, there is no way to prevent loss due to the induced current in the silicon substrate. Therefore, unless the manufacturing process itself is changed, it will be difficult to dramatically improve the loss in the future.

一方、後者についても様々な手法が提案されている。しかし、LCタンクがこれを駆動する能動素子と直接繋がる構成である以上、LC発振器の発振信号に対して、バイアス点、スイング幅(信号振幅)、対称性などの制約がかかり、それが発振信号の低ノイズ化に対する大きな障害となっている。その結果、LCタンクからのノイズ成分と同程度の強度を持つノイズが能動素子からも発生することは避けられない。   On the other hand, various methods have been proposed for the latter. However, since the LC tank is directly connected to the active element that drives the LC tank, there are restrictions on the oscillation signal of the LC oscillator, such as the bias point, swing width (signal amplitude), symmetry, and so on. This is a major obstacle to reducing noise. As a result, it is inevitable that noise having the same strength as the noise component from the LC tank is also generated from the active element.

上記の通り、オンチップのLC発振器では、LCタンク自体のロスが大きく、製造プロセスを改良しない限り、これ以上のQ値の向上は期待できない。また、ロスが大きいLCタンクを駆動する能動素子が発生するノイズも、LCタンクからのノイズと同程度であり、LCタンクと能動素子が直接繋がる状況下では、これ以上、能動素子からのノイズを抑えることは難しいという問題があった。   As described above, in the on-chip LC oscillator, the loss of the LC tank itself is large, and unless the manufacturing process is improved, further improvement of the Q value cannot be expected. Also, the noise generated by the active element that drives the LC tank with a large loss is about the same as the noise from the LC tank. Under the situation where the LC tank and the active element are directly connected, the noise from the active element is further reduced. There was a problem that it was difficult to suppress.

ここで、本発明と直接的に関連性のある先行技術文献は存在しないが、本発明と同様に相互誘導作用によって発生される相互インダクタンスを利用したLC発振器の先行技術文献として特許文献1がある。   Here, there is no prior art document directly related to the present invention, but there is Patent Document 1 as a prior art document of an LC oscillator using a mutual inductance generated by a mutual induction action as in the present invention. .

特許文献1には、LC共振回路を構成するインダクタンス素子と対向するように配置され相互誘導結合される二次側インダクタンス素子の両端子間に、容量素子とスイッチ素子とを並列に接続し、スイッチ素子がオフされた状態では二次側インダクタンス素子の両端子間に容量素子が接続された状態となって等価インダクタンスが増加し、スイッチ素子がオンされた状態では二次側インダクタンス素子の両端子間が短絡された状態となって等価インダクタンスが減少するようにしたLC共振型発振回路が開示されている。   In Patent Document 1, a capacitor element and a switch element are connected in parallel between both terminals of a secondary side inductance element that is arranged so as to face an inductance element that constitutes an LC resonance circuit and is mutually inductively coupled. When the element is turned off, the capacitance element is connected between both terminals of the secondary side inductance element, and the equivalent inductance increases. When the switch element is turned on, between the terminals of the secondary side inductance element An LC resonant oscillation circuit is disclosed in which the equivalent inductance is reduced in a short-circuited state.

特開2007−174552号公報JP 2007-174552 A

本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解消し、発振信号の対称性などの制約が要求される場合においても、その制約を制御する自由度を向上させることができるLC発振器を提供することにある。
また、本発明のさらなる目的は、上記目的に加えて、その発振信号の位相ノイズを低減することができるLC発振器を提供することにある。
An object of the present invention is to provide an LC oscillator capable of solving the problems of the prior art and improving the degree of freedom for controlling the restrictions even when restrictions such as symmetry of the oscillation signal are required. There is.
A further object of the present invention is to provide an LC oscillator capable of reducing the phase noise of the oscillation signal in addition to the above object.

上記目的を達成するために、本発明は、並列に接続された第1のインダクタおよびキャパシタからなるLCタンク、ならびに、第1の負性抵抗回路を含む1次側のLC発振器と、相互インダクタンスを発生する相互誘導作用によって前記第1のインダクタと結合された第2のインダクタおよび第2の負性抵抗回路を含む2次側のLC発振器とを備え、前記1次側のLC発振器のみが前記第1のインダクタの両端に各々接続された、発振信号を出力する2つの出力端子を有し、前記2次側のLC発振器は発振信号を出力する出力端子を有していないことを特徴とするLC発振器を提供するものである。 In order to achieve the above object, the present invention relates to an LC tank including a first inductor and a capacitor connected in parallel, a primary LC oscillator including a first negative resistance circuit, and a mutual inductance. A second-side LC oscillator including a second inductor and a second negative resistance circuit coupled to the first inductor by a mutual inductive action that occurs, and only the primary-side LC oscillator is the first-side LC oscillator. An LC oscillator having two output terminals connected to both ends of one inductor for outputting an oscillation signal, wherein the secondary LC oscillator does not have an output terminal for outputting an oscillation signal. An oscillator is provided.

前記1次側のLC発振器の負性抵抗回路は、前記第1のインダクタの両端に接続された前記出力端子の間で対称な信号を出力し、前記2次側のLC発振器の負性抵抗回路は、前記第2のインダクタの両端に接続された端子の間で非対称な信号を出力することが好ましい。 The negative resistance circuit of the primary side LC oscillator outputs a symmetric signal between the output terminals connected to both ends of the first inductor, and the negative resistance circuit of the secondary side LC oscillator Preferably outputs an asymmetric signal between terminals connected to both ends of the second inductor.

ここで、前記2次側のLC発振器の負性抵抗回路は、インバータと、該インバータの入力端子とグランドとの間に接続された第1のキャパシタと、前記インバータの出力端子とグランドとの間に接続された第2のキャパシタとを備え、
前記第1のキャパシタの容量値よりも前記第2のキャパシタの容量値の方が大きいことが好ましい。
Here, the negative resistance circuit of the LC oscillator on the secondary side includes an inverter, a first capacitor connected between the input terminal of the inverter and the ground, and an output terminal of the inverter and the ground. A second capacitor connected to
It is preferable that the capacitance value of the second capacitor is larger than the capacitance value of the first capacitor.

2次側の負性抵抗回路には、DCバイアス点、スイング(信号振幅)、対称性、寄生容量などの制約はない。これにより、本発明によれば、1次側の負性抵抗回路および2次側の負性抵抗回路を合わせても、これらの制約が大幅に改善されるので、より低ノイズの負性抵抗回路を実現できる。その結果、LC発振器全体として、発振信号の位相ノイズを大幅に低減することが可能である。   The negative resistance circuit on the secondary side has no restrictions such as a DC bias point, swing (signal amplitude), symmetry, and parasitic capacitance. As a result, according to the present invention, even when the negative resistance circuit on the primary side and the negative resistance circuit on the secondary side are combined, these restrictions are greatly improved, so that the negative resistance circuit with lower noise can be obtained. Can be realized. As a result, the phase noise of the oscillation signal can be greatly reduced as the entire LC oscillator.

また、2次側の負性抵抗回路には上記の制約がないことから、発振信号の位相ノイズの低減に限らず、DCバイアス点、スイング、対称性、寄生容量などの制御も、2次側のLC発振器において、ある程度、その自由度を向上させることができる。その結果、LC発振器全体として、DCバイアス点、スイング、対称性、寄生容量などの制御の自由度を向上させることができる。   In addition, since the secondary side negative resistance circuit does not have the above-mentioned restrictions, the control of the DC bias point, swing, symmetry, parasitic capacitance, etc. is not limited to the reduction of the phase noise of the oscillation signal. In this LC oscillator, the degree of freedom can be improved to some extent. As a result, the degree of freedom of control of the DC bias point, swing, symmetry, parasitic capacitance, etc. can be improved for the entire LC oscillator.

また、本発明によれば、2次側の負性抵抗回路を構成するインバータの入力端子側のキャパシタの容量値よりも同出力端子側のキャパシタの容量値の方を大きく設計することにより、発振信号のノイズ特性を向上させることができる。   Further, according to the present invention, by designing the capacitance value of the capacitor on the output terminal side to be larger than the capacitance value of the capacitor on the input terminal side of the inverter constituting the secondary negative resistance circuit, The noise characteristics of the signal can be improved.

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明のLC発振器を詳細に説明する。   Hereinafter, an LC oscillator according to the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

図1は、本発明のLC発振器の構成を表す一実施形態の概念図である。同図に示すLC発振器10は、1次側のLC発振器12と、2次側のLC発振器14とによって構成されている。   FIG. 1 is a conceptual diagram of an embodiment showing the configuration of the LC oscillator of the present invention. The LC oscillator 10 shown in FIG. 1 includes a primary side LC oscillator 12 and a secondary side LC oscillator 14.

1次側のLC発振器12は、2つの端子20,22の間に並列に接続されたインダクタLp、キャパシタCpおよび負性抵抗回路16によって構成されている。一方、2次側のLC発振器14は、互いに接続されたインダクタLm1および負性抵抗回路18によって構成されている。1次側、2次側のインダクタLp、Lm1は相互インダクタを構成し、両者の間は、相互インダクタンスMを発生する相互誘導作用によって結合されている。 The primary-side LC oscillator 12 includes an inductor L p , a capacitor C p and a negative resistance circuit 16 connected in parallel between the two terminals 20 and 22. On the other hand, the secondary-side LC oscillator 14 includes an inductor L m1 and a negative resistance circuit 18 connected to each other. The primary side and secondary side inductors L p and L m1 constitute a mutual inductor, and the two are coupled by a mutual induction action that generates a mutual inductance M.

ここで、負性抵抗回路16,18は、その出力端子の電圧が上がるに従って電流が減少し、出力端子の電圧が下がるに従って電流が増大する、逆に言えば、電流が減少するに従って電圧が上がり、電流が増大するに従って電圧が下がる特性を持つものである。   Here, in the negative resistance circuits 16 and 18, the current decreases as the output terminal voltage increases, and the current increases as the output terminal voltage decreases. In other words, the voltage increases as the current decreases. The voltage decreases as the current increases.

2つの端子20,22の間に並列に接続されたインダクタLpおよびキャパシタCpからなるLCタンクは、寄生抵抗で代表されるロスを必ず持っている。そのため、寄生抵抗の影響を打ち消してLC発振器10の発振を確実に持続させる目的から、1次側のLC発振器12に負性抵抗回路16が設けられ、かつ、2次側のLC発振器14に負性抵抗回路18が設けられている。 The LC tank including the inductor L p and the capacitor C p connected in parallel between the two terminals 20 and 22 always has a loss represented by parasitic resistance. Therefore, for the purpose of canceling the influence of the parasitic resistance and ensuring that the oscillation of the LC oscillator 10 is sustained, the negative resistance circuit 16 is provided in the primary LC oscillator 12 and the negative LC oscillator 14 is negative. A resistive circuit 18 is provided.

LC発振器10は、図10に示す従来のLC発振器50に示すように、本来、1次側のLC発振器12だけに設けられる負性抵抗回路の一部を、2次側のLC発振器14に移動させて、1次側のLCタンクのロスを補うように構成したものである。従って、1次側の負性抵抗回路16の抵抗値と、2次側の負性抵抗回路18の抵抗値の合計は、インダクタLpの寄生抵抗の抵抗値を打ち消すのに十分な大きさを持ち、つまり、インダクタLpの寄生抵抗の抵抗値以上であり、その逆極性となるように設計されている。 As shown in the conventional LC oscillator 50 shown in FIG. 10, the LC oscillator 10 moves a part of the negative resistance circuit originally provided only in the primary side LC oscillator 12 to the secondary side LC oscillator 14. Thus, the loss of the LC tank on the primary side is compensated. Therefore, the sum of the resistance value of the negative resistance circuit 16 on the primary side and the resistance value of the negative resistance circuit 18 on the secondary side is sufficiently large to cancel the resistance value of the parasitic resistance of the inductor L p. In other words, it is designed to be equal to or greater than the resistance value of the parasitic resistance of the inductor L p and have the opposite polarity.

2次側の負性抵抗回路18には、DCバイアス点、スイング、対称性、寄生容量などの制約はない。これにより、1次側の負性抵抗回路16および2次側の負性抵抗回路18を合わせても、これらの制約が大幅に改善されるので、より低ノイズの負性抵抗回路を実現できる。その結果、LC発振器10全体として、発振信号の位相ノイズを大幅に低減することが可能である。   The negative resistance circuit 18 on the secondary side has no restrictions such as a DC bias point, swing, symmetry, and parasitic capacitance. As a result, even if the primary negative resistance circuit 16 and the secondary negative resistance circuit 18 are combined, these restrictions are greatly improved, so that a lower noise negative resistance circuit can be realized. As a result, the phase noise of the oscillation signal can be greatly reduced as the entire LC oscillator 10.

また、2次側の負性抵抗回路18には上記の制約がないことから、発振信号の位相ノイズの低減に限らず、DCバイアス点、スイング、対称性、寄生容量などの制御も、2次側のLC発振器14において、ある程度、その自由度を向上させることができる。その結果、LC発振器10全体として、DCバイアス点、スイング、対称性、寄生容量などの制御の自由度を向上させることができる。   Further, since the secondary side negative resistance circuit 18 does not have the above-described restriction, the control of the DC bias point, swing, symmetry, parasitic capacitance, etc. is not limited to the reduction of the phase noise of the oscillation signal. In the LC oscillator 14 on the side, the degree of freedom can be improved to some extent. As a result, the LC oscillator 10 as a whole can improve the degree of freedom in controlling the DC bias point, swing, symmetry, parasitic capacitance, and the like.

図2は、1次側の負性抵抗回路の構成を表す回路図である。同図に示す負性抵抗回路16は、2つのN型MOSトランジスタ(以下、NMOSという)24,26と、定電流源28とによって構成されている。NMOS24,26のドレインは、それぞれ、端子20,22に接続され、NMOS24,26のゲートは、それぞれ、端子22,20に接続されている。定電流源28は、NMOS24,26のソースとグランドとの間に接続されている。図中、Gmは、NMOS24,26の電圧電流ゲイン(トランスコンダクタンス)を表す。 FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of the negative resistance circuit on the primary side. The negative resistance circuit 16 shown in FIG. 1 includes two N-type MOS transistors (hereinafter referred to as NMOS) 24 and 26 and a constant current source 28. The drains of the NMOSs 24 and 26 are connected to the terminals 20 and 22, respectively, and the gates of the NMOSs 24 and 26 are connected to the terminals 22 and 20, respectively. The constant current source 28 is connected between the sources of the NMOSs 24 and 26 and the ground. In the figure, G m represents the voltage / current gain (transconductance) of the NMOSs 24 and 26.

負性抵抗回路16において、端子20の電圧が下がり、その逆に、端子22の電圧が上がると、NMOS24はオフ状態からオン状態に遷移し、かつ、NMOS26はオン状態からオフ状態に遷移する。従って、端子20から、NMOS24、定電流源28を介してグランドに流れる電流は次第に増大し、端子22から、NMOS26、定電流源28を介して流れる電流は次第に減少する。   In the negative resistance circuit 16, when the voltage at the terminal 20 decreases, and conversely, the voltage at the terminal 22 increases, the NMOS 24 transitions from the off state to the on state, and the NMOS 26 transitions from the on state to the off state. Therefore, the current flowing from the terminal 20 to the ground via the NMOS 24 and the constant current source 28 gradually increases, and the current flowing from the terminal 22 via the NMOS 26 and the constant current source 28 gradually decreases.

一方、端子20の電圧が上がり、その逆に、端子22の電圧が下がると、NMOS24はオン状態からオフ状態に遷移し、かつ、NMOS26はオフ状態からオン状態に遷移する。従って、端子20から、NMOS24、定電流源28を介してグランドに流れる電流は次第に減少し、端子22から、NMOS26、定電流源28を介して流れる電流は次第に増大する。   On the other hand, when the voltage at the terminal 20 increases and the voltage at the terminal 22 decreases, the NMOS 24 transitions from the on state to the off state, and the NMOS 26 transitions from the off state to the on state. Therefore, the current flowing from the terminal 20 to the ground via the NMOS 24 and the constant current source 28 gradually decreases, and the current flowing from the terminal 22 via the NMOS 26 and the constant current source 28 gradually increases.

1次側の負性抵抗回路16は、出力信号の対称性が要求される。そのため、NMOS24,26の電圧電流ゲインGmは等しく設計されており、端子20,22間で対称な信号が出力される構成となっている。 The primary-side negative resistance circuit 16 is required to have a symmetrical output signal. Therefore, the voltage / current gains G m of the NMOSs 24 and 26 are designed to be equal, and a symmetrical signal is output between the terminals 20 and 22.

図3は、2次側の負性抵抗回路の構成を表す回路図である。同図に示す負性抵抗回路18は、2つの端子32,34の間に接続されたインバータ30と、インバータ30の入力端子とグランドとの間に接続されたキャパシタC1と、インバータ30の出力端子とグランドとの間に接続されたキャパシタC2とによって構成されている。ここで、キャパシタC1の容量値よりもキャパシタC2の容量値の方が大きく設定されている。 FIG. 3 is a circuit diagram showing the configuration of the negative resistance circuit on the secondary side. The negative resistance circuit 18 shown in the figure includes an inverter 30 connected between two terminals 32 and 34, a capacitor C 1 connected between an input terminal of the inverter 30 and the ground, and an output of the inverter 30. The capacitor C 2 is connected between the terminal and the ground. Here, the capacitance value of the capacitor C 2 is set larger than the capacitance value of the capacitor C 1 .

負性抵抗回路18に入力される信号は、例えば、その周波数が数GHzで、その振幅が小さいサイン波である。このような高周波の小信号(小振幅の信号)がインバータ30に入力されると、インバータ30からは、入力信号と同じ周波数で、かつ、逆極性の矩形波ではなく、入力信号と同じ周波数、ほぼ逆極性で、かつ、その振幅が増幅されたサイン波が出力される。   The signal input to the negative resistance circuit 18 is, for example, a sine wave having a frequency of several GHz and a small amplitude. When such a high-frequency small signal (small amplitude signal) is input to the inverter 30, the inverter 30 has the same frequency as the input signal and the same frequency as the input signal, instead of the rectangular wave having the opposite polarity, A sine wave having substantially reverse polarity and an amplified amplitude is output.

2次側の負性抵抗回路18には対称性が要求されない。そのため、キャパシタC1の容量値よりもキャパシタC2の容量値の方が大きく設計されており、端子32,34間で非対称な信号が出力される構成となっている。上記例のように、キャパシタC1の容量値よりもキャパシタC2の容量値の方を大きく設計することにより、発振信号のノイズ特性を向上させることができる。 The secondary negative resistance circuit 18 is not required to be symmetrical. For this reason, the capacitance value of the capacitor C 2 is designed to be larger than the capacitance value of the capacitor C 1 , and an asymmetric signal is output between the terminals 32 and 34. As in the above example, the noise characteristic of the oscillation signal can be improved by designing the capacitance value of the capacitor C 2 to be larger than the capacitance value of the capacitor C 1 .

次に、LC発振器10のノイズ特性について説明する。   Next, noise characteristics of the LC oscillator 10 will be described.

図4は、図1に示す1次側のLC発振器のSpiceモデル(スパイスモデル)の構成を表す回路図である。同図に示すLC発振器のSpiceモデルは、図1のインダクタLpに相当するインダクタLSおよびキャパシタCpと、レジスタRSと、キャパシタCox2と、レジスタRsub2およびキャパシタCsub2と、キャパシタCox1と、レジスタRsub1およびキャパシタCsub1とによって構成されている。 FIG. 4 is a circuit diagram showing the configuration of the Spice model of the primary LC oscillator shown in FIG. The Spice model of the LC oscillator shown in FIG. 1 includes an inductor L S and a capacitor C p corresponding to the inductor L p in FIG. 1, a resistor R S , a capacitor C ox2 , a resistor R sub2 and a capacitor C sub2, and a capacitor C. It is constituted by ox1 , a resistor Rsub1, and a capacitor Csub1 .

インダクタLSおよびレジスタRSは、2つの端子20,22の間に直列に接続されている。キャパシタCox2は端子20に接続され、レジスタRsub2およびキャパシタCsub2は、キャパシタCox2と端子36との間に並列に接続されている。キャパシタCox1は端子22に接続され、レジスタRsub1およびキャパシタCsub1は、キャパシタCox1と端子36との間に並列に接続されている。 The inductor L S and the resistor R S are connected in series between the two terminals 20 and 22. The capacitor C ox2 is connected to the terminal 20, and the resistor R sub2 and the capacitor C sub2 are connected in parallel between the capacitor C ox2 and the terminal 36. The capacitor C ox1 is connected to the terminal 22, and the resistor R sub1 and the capacitor C sub1 are connected in parallel between the capacitor C ox1 and the terminal 36.

ここで、レジスタRSは、インダクタLSの寄生抵抗を表す。端子36は半導体基板に繋がる端子である。インダクタLS、キャパシタCpおよびレジスタRS以外の素子は、LCタンクを構成するインダクタLSおよびキャパシタCpが接続された端子20,22と、半導体基板に接続された端子36との間に存在する寄生抵抗および寄生容量を表す。なお、負性抵抗回路16の図示は省略している。 Here, the resistor R S represents the parasitic resistance of the inductor L S. The terminal 36 is a terminal connected to the semiconductor substrate. Elements other than the inductor L S , the capacitor C p and the resistor R S are provided between the terminals 20 and 22 to which the inductor L S and the capacitor C p constituting the LC tank are connected, and the terminal 36 connected to the semiconductor substrate. Represents existing parasitic resistance and capacitance. The negative resistance circuit 16 is not shown.

続いて、図5は、図1に示すLC発振器のSpiceモデルの構成を表す回路図である。同図は、図4に示す1次側のLC発振器12のSpiceモデルにおいて、図3に示す2次側のLC発振器18を追加したものである。   Next, FIG. 5 is a circuit diagram showing the configuration of the Spice model of the LC oscillator shown in FIG. This figure is obtained by adding the secondary LC oscillator 18 shown in FIG. 3 to the Spice model of the primary LC oscillator 12 shown in FIG.

ここで、インダクタLSのインダクタンス=10nH、キャパシタCpの容量値=1pF、レジスタRSの抵抗値=10Ω、キャパシタCox2の容量値=120fF、レジスタRsub2の抵抗値=750Ω、キャパシタCsub2の容量値=50fF、キャパシタCox1の容量値=120fF、レジスタRsub1の抵抗値=500Ω、キャパシタCsub1の容量値=75fF、発振信号の発振周波数=1010rad/s(1.6GHz)とする。 Here, inductance of inductor L S = 10 nH, capacitance value of capacitor C p = 1 pF, resistance value of resistor R S = 10Ω, capacitance value of capacitor C ox2 = 120 fF , resistance value of resistor R sub2 = 750Ω, capacitor C sub2 Capacitance value = 50 fF , capacitance value of capacitor C ox1 = 120 fF , resistance value of resistor R sub1 = 500Ω, capacitance value of capacitor C sub1 = 75 fF, oscillation frequency of oscillation signal = 10 10 rad / s (1.6 GHz) To do.

また、2次側のLC発振器14において、インダクタLm1のインダクタンス=5nH、インダクタLSとインダクタLm1との相互誘導作用によって発生される相互インダクタンスM=5nH、インバータ30の電圧電流ゲインGm=0.05S(シーメン)、インバータ30の入力端子側のキャパシタC1の容量値=800fF、同出力端子側のキャパシタC2の容量値=2.5pFとする。 Further, in the LC oscillator 14 on the secondary side, the inductance of the inductor L m1 = 5 nH, the mutual inductance M = 5 nH generated by the mutual induction action of the inductor L S and the inductor L m1, and the voltage / current gain G m of the inverter 30 = It is assumed that the capacitance value of the capacitor C 1 on the input terminal side of the inverter 30 is 800 fF and the capacitance value of the capacitor C 2 on the output terminal side is 2.5 pF.

続いて、図6は、図5に示すLC発振器のSpiceモデルにおいて、2次側のLC発振器を等価回路に置き換えた構成を表す回路図である。同図に示す2次側のLC発振器14の等価回路は、インダクタLm1と、レジスタRe1およびキャパシタCe1と、ノイズ電流源38とによって構成されている。インダクタLm1と、直列に接続されたレジスタRe1およびキャパシタCe1と、ノイズ電流源38とは並列に接続されている。 FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration in which the secondary LC oscillator is replaced with an equivalent circuit in the Spice model of the LC oscillator shown in FIG. The equivalent circuit of the secondary-side LC oscillator 14 shown in the figure is configured by an inductor L m1 , a resistor R e1 and a capacitor C e1, and a noise current source 38. The inductor L m1 , the resistor R e1 and capacitor C e1 connected in series, and the noise current source 38 are connected in parallel.

図5に示す2次側のLC発振器において、インバータ30の電圧電流ゲインGm=0.05、インバータ30の入力端子側のキャパシタC1の容量値=800fF、同出力端子側のキャパシタC2の容量値=2.5pFの場合、図6に示す2次側のLC発振器14の等価回路において、レジスタRe1の抵抗値=−250Ω、キャパシタCe1の容量値=600fF、ノイズ電流源38の電流値InX 2 ̄=4kTγ(0.05/56.1)となる。 In the secondary-side LC oscillator shown in FIG. 5, the voltage / current gain G m = 0.05 of the inverter 30, the capacitance value of the capacitor C 1 on the input terminal side of the inverter 30 = 800 fF, and the capacitor C 2 on the output terminal side When the capacitance value is 2.5 pF, in the equivalent circuit of the secondary side LC oscillator 14 shown in FIG. 6, the resistance value of the resistor R e1 = −250Ω, the capacitance value of the capacitor C e1 = 600 fF, and the current of the noise current source 38 The value I nX 2  ̄ = 4 kTγ (0.05 / 56.1).

ここで、kはボルツマン係数、Tは絶対温度、γはMOSトランジスタのノイズ係数を表す。ノイズはランダムに発生する。そのため、ノイズ電流源38の電流値InX 2 ̄の算出式は電流の分散値を表す。 Here, k represents a Boltzmann coefficient, T represents an absolute temperature, and γ represents a noise coefficient of the MOS transistor. Noise occurs randomly. Therefore, the formula for calculating the current value I nX 2の of the noise current source 38 represents the dispersion value of the current.

続いて、図7は、図6に示すLC発振器のSpiceモデルにおいて、2次側のLC発振器の等価回路を1次側のLC発振器の等価回路に置き換えた構成を表す回路図である。同図に示す1次側のLC発振器の等価回路は、等価インピーダンスZneg,eqと、ノイズ電圧源40とによって構成されている。等価インピーダンスZneg,eqおよびノイズ電圧源40は、インダクタLSとレジスタRSとの間に直列に接続されている。 FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration in which the equivalent circuit of the secondary LC oscillator is replaced with the equivalent circuit of the primary LC oscillator in the Spice model of the LC oscillator shown in FIG. The equivalent circuit of the primary-side LC oscillator shown in the figure is constituted by an equivalent impedance Z neg, eq and a noise voltage source 40. The equivalent impedance Z neg, eq and the noise voltage source 40 are connected in series between the inductor L S and the resistor R S.

図6に示す2次側のLC発振器の等価回路において、レジスタRe1の抵抗値=−250Ω、キャパシタCe1の容量値=600fF、ノイズ電流源38の電流値InX 2 ̄=4kTγ(0.05/56.1)の場合、図7に示す1次側のLC発振器の等価回路において、等価インピーダンスZneg,eq=−8.25Ω+3.8j(=−8.25Ω+0.38nH)、ノイズ電圧源40の電圧値Vn,eq 2 ̄=4kTγ*2.64となる。 In the equivalent circuit of the secondary side LC oscillator shown in FIG. 6, the resistance value of the resistor R e1 = −250Ω, the capacitance value of the capacitor C e1 = 600 fF, the current value I nX 2  ̄ = 4 kTγ (0. 05 / 56.1), in the equivalent circuit of the primary side LC oscillator shown in FIG. 7, the equivalent impedance Z neg, eq = −8.25Ω + 3.8j (= −8.25Ω + 0.38 nH), noise voltage source A voltage value of 40, V n, eq 2 40 = 4 kTγ * 2.64.

ここで、図7に示す1次側のLC発振器の等価回路において、上記の等価インピーダンスZneg,eqは下記式によって算出される。
neg,eq=(ωM)2/(−R+1/jωCx
Mは相互インダクタンス=5nH、−RはレジスタRe1の抵抗値=−250Ω、jは虚数単位、ωは角周波数=1010rad/s、CxはキャパシタCe1の容量値=600fFである。
Here, in the equivalent circuit of the primary side LC oscillator shown in FIG. 7, the equivalent impedance Z neg, eq is calculated by the following equation.
Z neg, eq = (ωM) 2 / (− R + 1 / jωC x )
M is mutual inductance = 5 nH, −R is resistance value of the resistor R e1 = −250Ω, j is an imaginary unit, ω is angular frequency = 10 10 rad / s, and C x is a capacitance value of the capacitor C e1 = 600 fF.

図10のLC発振器50であれば、ノイズ電圧源40の電圧値Vn,eq 2 ̄=4kTγ*8.25となるが、図7のLC発振器の場合、ノイズ電圧源40の電圧値Vn,eq 2 ̄=4kTγ*2.64となる。すなわち、負性抵抗の抵抗値=−8.25Ωを得るために、図10のLC発振器50は8.25Ωのレジスタに等しい熱雑音を発生するが、図7のLC発振器は、2.64Ωのレジスタに等しい熱雑音しか発生しないことが分かる。 If LC oscillator 50 in FIG. 10, the voltage value V n of the noise voltage source 40, but the eq 2 ¯ = 4kTγ * 8.25, if the LC oscillator of FIG 7, the voltage of the noise voltage source 40 value V n , eq 2  ̄ = 4 kTγ * 2.64. That is, in order to obtain the resistance value of the negative resistance = −8.25Ω, the LC oscillator 50 of FIG. 10 generates thermal noise equal to the resistor of 8.25Ω, whereas the LC oscillator of FIG. It can be seen that only thermal noise equal to the resistor is generated.

以上の結果から、得られる負性抵抗の抵抗値=−8.25Ωであるのに対し、加わる熱雑音は抵抗値=2.64Ωのレジスタに等しい程度であることが分かる。2次側の負性抵抗回路として、図2に示す負性抵抗回路16を用いた場合、−8.25Ωの負性抵抗値を得るためには、抵抗値=8.25Ωのレジスタ程度の熱雑音が発生することを考えると、図3の負性抵抗回路18であれば、より低ノイズが達成できていることが分かる。   From the above results, it can be seen that, while the resistance value of the negative resistance obtained is −8.25Ω, the applied thermal noise is about the same as the resistor having the resistance value = 2.64Ω. When the negative resistance circuit 16 shown in FIG. 2 is used as the secondary-side negative resistance circuit, in order to obtain a negative resistance value of −8.25Ω, the resistance value is about the resistance of 8.25Ω. In view of the occurrence of noise, it can be seen that lower noise can be achieved with the negative resistance circuit 18 of FIG.

ここで、キャパシタC1、C2を共に1.4pFとした場合に同様の計算を行うと、得られる負性抵抗値は−8.25Ωであるのに対し、加わる熱雑音は8.4Ωの抵抗と同等となるので、キャパシタC1、C2の容量値の対称性を崩した方が、低ノイズであることが確かめられる。 Here, when the same calculation is performed when both capacitors C 1 and C 2 are set to 1.4 pF, the obtained negative resistance value is −8.25Ω, whereas the added thermal noise is 8.4Ω. Since it is equivalent to the resistance, it is confirmed that the noise is reduced when the symmetry of the capacitance values of the capacitors C 1 and C 2 is broken.

逆にキャパシタC1の容量値が2.5pF、キャパシタC2の容量値が800fFとし、図5のキャパシタC1とキャパシタC2を入れ替えた場合を想定すると、やはり得られる負性抵抗値は−8.25Ωで変わらないが、インバータのデバイスノイズが現れるインバータ出力ノード(図3の端子34)につながるキャパシタC2の値は減少しているので、この負性抵抗回路のノイズ特性は劣化してしまうことが理解できる。 Conversely, assuming that the capacitance value of the capacitor C 1 is 2.5 pF, the capacitance value of the capacitor C 2 is 800 fF, and the capacitor C 1 and the capacitor C 2 in FIG. Although the value does not change at 8.25Ω, the value of the capacitor C 2 connected to the inverter output node (terminal 34 in FIG. 3) in which the device noise of the inverter appears has decreased, so that the noise characteristic of this negative resistance circuit has deteriorated. I can understand.

以上により、同じ負性抵抗値で、なるべく低ノイズ化を図るには、キャパシタC1の容量値よりもキャパシタC2の容量値を大きくしてやればよいことがわかる。 From the above, it can be seen that the capacitance value of the capacitor C 2 may be made larger than the capacitance value of the capacitor C 1 in order to reduce the noise as much as possible with the same negative resistance value.

次に、図1に示すLC発振器10の物理的な構造について説明する。   Next, the physical structure of the LC oscillator 10 shown in FIG. 1 will be described.

図8は、図1に示すLC発振器の物理的な構造を表す斜視図、図9は、図8に示すLC発振器の構造を表す側断面図である。これらの図は、図1に示すLC発振器10を半導体チップ上に構成したものである。LC発振器10は、1次側のインダクタLpと、2次側のインダクタLm1と、2つのパターングランドシールド(以下、PGS(Pattern Ground Shield)という)42,44とによって構成されている。 FIG. 8 is a perspective view showing the physical structure of the LC oscillator shown in FIG. 1, and FIG. 9 is a side sectional view showing the structure of the LC oscillator shown in FIG. In these figures, the LC oscillator 10 shown in FIG. 1 is configured on a semiconductor chip. The LC oscillator 10 includes a primary-side inductor L p , a secondary-side inductor L m1 , and two pattern ground shields (hereinafter referred to as PGS (Pattern Ground Shield)) 42 and 44.

1次側のインダクタLpは、上層側の配線層内に螺旋状に巻回されたメタル配線によって形成されている。一方、2次側のインダクタLm1は、下層側の配線層内に螺旋状に巻回されたメタル配線によって構成されている。なお、各々のインダクタLp、Lm1において、メタル配線同士が交差する部分は、スルーホール、および、インダクタが形成される配線層の上層ないしは下層の配線層内のメタル配線を介して巻線の外側に端子が引き出されている。 The primary inductor L p is formed of a metal wiring spirally wound in an upper wiring layer. On the other hand, the secondary-side inductor L m1 is configured by a metal wiring spirally wound in the lower wiring layer. In each of the inductors L p and L m1 , the portion where the metal wirings intersect is a through hole and the winding via the metal wiring in the upper or lower wiring layer in which the inductor is formed. The terminal is pulled out to the outside.

PGS44は、ポリシリコン(Poly)からなる、インダクタLp、Lm1のサイズに対応するサイズのシート状のものである。PSG44は、半導体チップの基板上に配置されている。一方、PGS42は、メタル(Metal)からなる、PGS44と同じサイズのものである。PGS42は、1次側のインダクタLpと2次側のインダクタLm1との間に配置されている。各々のインダクタLp、Lm1とPGS42との間、インダクタLm1とPGS44との間は絶縁層(絶縁体)によって分離されている。 The PGS 44 is made of polysilicon (Poly) and has a sheet shape having a size corresponding to the sizes of the inductors L p and L m1 . The PSG 44 is disposed on a semiconductor chip substrate. On the other hand, the PGS 42 is made of metal and has the same size as the PGS 44. The PGS 42 is disposed between the primary side inductor L p and the secondary side inductor L m1 . The inductors L p and L m1 are separated from the PGS 42 and the inductors L m1 and PGS 44 are separated by an insulating layer (insulator).

なお、1次側のインダクタLpを下層側に設け、2次側のインダクタLm1を上層側に設ける構成としてもよい。PGS42は、インダクタLp、Lm1の寄生容量の増大や、インダクタを形成するメタル配線の低抵抗性による誘電性ロスの増大が問題になるケースでは配置しない方がよい場合もある。従って、PGS42は、必要に応じて適宜設けることが望ましい。 The primary side inductor L p may be provided on the lower layer side, and the secondary side inductor L m1 may be provided on the upper layer side. In some cases, the PGS 42 may not be arranged in cases where the parasitic capacitance of the inductors L p and L m1 is increased and the increase in dielectric loss due to the low resistance of the metal wiring forming the inductor is a problem. Therefore, it is desirable to provide the PGS 42 as necessary.

本発明は、基本的にオンチップのLC発振器、すなわち、半導体集積回路に搭載されるLC発振器に好適なものであるが、半導体集積回路に搭載されるもの以外のLC発振器に対しても適用可能なものである。   The present invention is basically suitable for an on-chip LC oscillator, that is, an LC oscillator mounted on a semiconductor integrated circuit, but can also be applied to LC oscillators other than those mounted on a semiconductor integrated circuit. It is a thing.

実施形態では、1次側の負性抵抗回路の一部を、2次側のLC発振器に移動させて2次側の負性抵抗回路としているが、1次側の負性抵抗回路の全部を2次側のLC発振器側に移動させてもよい。この場合、1次側の負性抵抗回路は不要である。また、負性抵抗回路の具体的な回路構成は図示例のものに限定されず、同様の機能を果たすものがいずれも利用できる。   In the embodiment, a part of the primary-side negative resistance circuit is moved to the secondary-side LC oscillator to form a secondary-side negative resistance circuit. You may move to the LC oscillator side of the secondary side. In this case, a negative resistance circuit on the primary side is not necessary. Further, the specific circuit configuration of the negative resistance circuit is not limited to the illustrated example, and any circuit having the same function can be used.

本発明は、基本的に以上のようなものである。
以上、本発明のLC発振器について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
The present invention is basically as described above.
The LC oscillator according to the present invention has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. .

本発明のLC発振器の構成を表す一実施形態の概略図である。It is the schematic of one Embodiment showing the structure of LC oscillator of this invention. 図1に示すLC発振器の1次側の負性抵抗回路の構成を表す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration of a negative resistance circuit on a primary side of the LC oscillator illustrated in FIG. 1. 図1に示すLC発振器の2次側の負性抵抗回路の構成を表す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration of a negative resistance circuit on the secondary side of the LC oscillator illustrated in FIG. 1. 図1に示す1次側のLC発振器のSpiceモデルの構成を表す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration of a Spice model of the primary-side LC oscillator illustrated in FIG. 1. 図1に示すLC発振器のSpiceモデルの構成を表す回路図である。It is a circuit diagram showing the structure of the Spice model of LC oscillator shown in FIG. 図5に示すLC発振器のSpiceモデルにおいて、2次側のLC発振器を等価回路に置き換えた構成を表す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a configuration in which the secondary LC oscillator is replaced with an equivalent circuit in the Spice model of the LC oscillator illustrated in FIG. 5. 図6に示すLC発振器のSpiceモデルにおいて、2次側のLC発振器の等価回路を1次側のLC発振器の等価回路に置き換えた構成を表す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration in which an equivalent circuit of a secondary LC oscillator is replaced with an equivalent circuit of a primary LC oscillator in the Spice model of the LC oscillator shown in FIG. 6. 図1に示すLC発振器の物理的な構造を表す斜視図である。It is a perspective view showing the physical structure of the LC oscillator shown in FIG. 図8に示すLC発振器の構造を表す側断面図である。It is a sectional side view showing the structure of the LC oscillator shown in FIG. 従来のLC発振器の構成を表す一例の概略図である。It is the schematic of an example showing the structure of the conventional LC oscillator.

符号の説明Explanation of symbols

10、50 LC発振器
12 1次側のLC発振器
14 2次側のLC発振器
20,22,32,34 端子
16、18 負性抵抗回路
24,26 N型MOSトランジスタ(NMOS)
28 定電流源
30 インバータ
38 ノイズ電流源
40 ノイズ電圧源
42,44 パターングランドシールド(PGS)
p、Lm1、LS インダクタ
p、C1、C2、Cox1、Cox2、Csub1、Csub2、Ce1 キャパシタ
S、Rsub1、Rsub2、Re1 レジスタ
10, 50 LC oscillator 12 Primary side LC oscillator 14 Secondary side LC oscillator 20, 22, 32, 34 Terminal 16, 18 Negative resistance circuit 24, 26 N-type MOS transistor (NMOS)
28 Constant Current Source 30 Inverter 38 Noise Current Source 40 Noise Voltage Source 42, 44 Pattern Ground Shield (PGS)
L p , L m1 , L S inductors C p , C 1 , C 2 , C ox1 , C ox2 , C sub1 , C sub2 , C e1 capacitors R S , R sub1 , R sub2 , R e1 registers

Claims (3)

並列に接続された第1のインダクタおよびキャパシタからなるLCタンク、ならびに、第1の負性抵抗回路を含む1次側のLC発振器と、相互インダクタンスを発生する相互誘導作用によって前記第1のインダクタと結合された第2のインダクタおよび第2の負性抵抗回路を含む2次側のLC発振器とを備え、前記1次側のLC発振器のみが前記第1のインダクタの両端に各々接続された、発振信号を出力する2つの出力端子を有し、前記2次側のLC発振器は発振信号を出力する出力端子を有していないことを特徴とするLC発振器。 An LC tank including a first inductor and a capacitor connected in parallel, a primary LC oscillator including a first negative resistance circuit, and the first inductor by a mutual induction action that generates a mutual inductance. An oscillation comprising: a secondary LC oscillator including a coupled second inductor and a second negative resistance circuit, wherein only the primary LC oscillator is connected to both ends of the first inductor, respectively. An LC oscillator comprising two output terminals for outputting a signal, wherein the secondary LC oscillator does not have an output terminal for outputting an oscillation signal . 前記1次側のLC発振器の負性抵抗回路は、前記第1のインダクタの両端に接続された前記出力端子の間で対称な信号を出力し、前記2次側のLC発振器の負性抵抗回路は、前記第2のインダクタの両端に接続された端子の間で非対称な信号を出力することを特徴とする請求項1記載のLC発振器。 The negative resistance circuit of the primary side LC oscillator outputs a symmetric signal between the output terminals connected to both ends of the first inductor, and the negative resistance circuit of the secondary side LC oscillator The LC oscillator according to claim 1, wherein an asymmetric signal is output between terminals connected to both ends of the second inductor. 前記2次側のLC発振器の負性抵抗回路は、インバータと、該インバータの入力端子とグランドとの間に接続された第1のキャパシタと、前記インバータの出力端子とグランドとの間に接続された第2のキャパシタとを備え、
前記第1のキャパシタの容量値よりも前記第2のキャパシタの容量値の方が大きいことを特徴とする請求項1または2に記載のLC発振器。
The negative resistance circuit of the secondary LC oscillator is connected between an inverter, a first capacitor connected between the input terminal of the inverter and the ground, and an output terminal of the inverter and the ground. A second capacitor,
The LC oscillator according to claim 1 or 2, wherein a capacitance value of the second capacitor is larger than a capacitance value of the first capacitor.
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