JP5117426B2 - 発振回路 - Google Patents

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Description

本発明は、発振回路に関するものであり、特に電圧制御型発振回路に関する。
従来の振幅制御付き電圧制御型発振回路VCO1(Voltage Controlled Oscillator)の構成を図6に示す。図6に示すように、VCO1は、電流制御発振回路2と、振幅検出回路3と、比較回路4と、電流源5とを有する。電流制御発振回路2からの出力を振幅検出回路3が振幅検出する。比較回路4は、その振幅検出した検出出力を基準電圧で比較する。その比較結果を電流制御発振回路2にフィードバックする。このフィードバックの結果、電流制御発振回路2の出力振幅レベルを一定にする。
特開2005−323286号公報
以上のように、VCO1では、上述したフィードバック制御により、電流制御発振回路2の振幅を一定にしている。この振幅の設定は、図6の固定電圧源V1及びV2の固定電圧で行っている。しかし、VCO1は、電流制御発振回路2の振幅設定を固定電圧により行っているため、製造バラツキ等による、S/N比の劣化が発生すると、その劣化を吸収する機構がなくVCO1の出力する信号品質が劣化する可能性がある。
本発明は、振幅制御値に応じて動作状態となる個数が変化する複数の第1電流源と、前記複数の第1電流源から出力されるバイアス電流値の合計値に応じて振幅が制御される出力信号を生成する信号生成回路と、振幅設定値に応じて動作状態となる個数が変化する複数の第2電流源と、前記複数の第2電流源から出力される振幅設定電流の合計値と前記出力信号の振幅に応じて生成される振幅検出電流との差に基づき振幅検出信号を出力する振幅検出回路と、前記振幅検出信号に基づき前記振幅制御値を変更する制御回路と、を有する発振回路である。
本発明にかかる発振回路は、振幅検出回路により出力信号の振幅レベルをモニターし、出力信号を生成する信号生成回路にフィードバックして、出力信号の振幅レベルを一定に調整する。この出力信号の振幅レベルは、振幅設定値に応じて調整可能である。
本発明にかかる電圧制御型発振回路は、S/N比の最適化が可能となる。
実施の形態にかかる発振回路のブロック構成図である。 実施の形態にかかる振幅検出回路の構成である。 実施の形態にかかる可変電流源の構成である。 実施の形態にかかる信号生成回路の構成である。 VCO出力信号の振幅レベルと振幅制御信号のデジタル値との関係を示すグラフである。 従来の電圧制御型発振回路の構成である。
発明の実施の形態1
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図1に本実施の形態にかかる電圧制御型発振回路100のブロック構成の一例を示す。図1に示すように、電圧制御型発振回路100は、信号生成回路110と、振幅検出回路120と、デジタル制御回路130とを有する。
振幅検出回路120は、信号生成回路110が出力するVCO出力信号と、デジタル制御回路130が出力する振幅設定信号に応じて振幅検出信号を出力する。振幅検出回路120の回路構成を図2に示す。図2に示すように、振幅検出回路120は、PMOSトランジスタQP121、QP122と、NMOSトランジスタQN121〜QN127と、電流源CS121、CS122と、可変電流源121とを有する。
PMOSトランジスタQP121は、ソースが電源電圧端子VDD、ドレイン及びゲートがノードA1に接続される。PMOSトランジスタQP122は、ソースが電源電圧端子VDD、ソースがノードA2、ゲートがノードA1に接続される。電流源CS121は、PMOSトランジスタQP121と接地電圧端子VSS間に接続される。
NMOSトランジスタQN121は、ドレインがノードA2、ソースがノードA3に接続される。NMOSトランジスタQN122は、ドレインがノードA2、ソースがノードA4に接続される。NMOSトランジスタQN121、QN122のゲートには、VCO出力信号が入力される。このVCO出力信号は差動信号であり、この差動信号の一方をDetT、他方をDetBとする。更に詳しくいうと、NMOSトランジスタQN121のゲートにVCO出力信号DetT、NMOSトランジスタQN122のゲートにVCO出力信号DetBが入力される。
NMOSトランジスタQN123は、ドレインが電源電圧端子VDD、ソースがノードA3に接続される。NMOSトランジスタQN124は、ドレインが電源電圧端子VDD、ソースがノードA4に接続される。NMOSトランジスタQN123、QN124のゲートには、基準電圧Vrefが印加されている。
電流源CS122は、電源電圧端子VDDとNMOSトランジスタQN125間に接続される。NMOSトランジスタQN125は、ドレインとゲートがノードA5、ソースが接地電圧端子VSSに接続される。NMOSトランジスタQN126は、ドレインがノードA3、ソースが接地電圧端子VSS、ゲートがノードA5に接続される。NMOSトランジスタQN127は、ドレインがノードA4、ソースが接地電圧端子VSS、ゲートがノードA5に接続される。
可変電流源121は、電源電圧端子VDDとノードA2間に接続される。可変電流源121は、振幅設定信号に応じて、ノードA2に供給する電流量を変化させる。可変電流源121の回路構成を図3に示す。図3に示すように、可変電流源121は、スイッチSW101〜SW10n(n:2以上の整数)と、PMOSトランジスタQP101〜QP10nとを有する。スイッチSW101〜SW10nと、PMOSトランジスタQP101〜QP10nは、それぞれ電源電圧端子VDD、ノードA2間に直列接続される。PMOSトランジスタQP101〜QP10nのゲートは、ノードA1に接続されている。よって、PMOSトランジスタQP101〜QP10nは、PMOSトランジスタQP121を入力トランジスタとするカレントミラー構成となっている。なお、PMOSトランジスタQP122も、PMOSトランジスタQP121を入力トランジスタとするカレントミラー構成となっている。よって、PMOSトランジスタQP101〜QP10n及びQP122は、PMOSトランジスタQP121に流れる電流に応じた電流をノードA2に供給する電流源(第2電流源)とみなすことができる。
PMOSトランジスタQP101〜QP10nは、流れる電流量の比が異なるようトランジスタサイズ等が調整されている。例えば、PMOSトランジスタQP101に流れる電流を「1」とすると、PMOSトランジスタQP102には、電流比「2」の電流が流れるように設定される。更に、PMOSトランジスタQP103は電流比「4」、PMOSトランジスタQP104は電流比「8」、・・・、PMOSトランジスタQP10nは電流比「2n−1」の電流が流れるように設定される。
スイッチSW101〜SW10nには振幅設定信号が入力される。そして、その振幅設定信号に応じてオン状態、オフ状態になるスイッチ数が制御される。この振幅設定信号は、nビットのデジタル信号CNTL[n−1:0]となる。ここで、n=4の場合での可変電流源121の動作を簡単に説明する。この場合、スイッチSW101〜SW104には、それぞれ振幅設定信号CNTL[3:0]が入力される。例えば、スイッチSW101にCNTL[0]、スイッチSW102にCNTL[1]、スイッチSW103にCNTL[2]、スイッチSW104にCNTL[3]が入力される。そして、ハイレベルとなった振幅設定信号CNTL[0]〜CNTL[3]に対応するスイッチSW101〜SW104がオン状態となる。
例えば、振幅設定信号CNTL[3:0]が「0000」のとき、スイッチSW101〜SW104全てがオフ状態となり、PMOSトランジスタQP101〜QP104にも全て電流が流れない。逆に、振幅設定信号CNTL[3:0]が「1111」のとき、スイッチSW101〜SW104全てがオン状態となる。よって、PMOSトランジスタQP101〜QP104は、PMOSトランジスタQP121に流れる電流に応じたカレントミラー電流をノードA2に供給する。また、振幅設定信号CNTL[3:0]が「1001」のとき、PMOSトランジスタQP101、QP104は、PMOSトランジスタQP121に流れる電流に応じたカレントミラー電流をノードA2に供給する。
ノードA2は、振幅検出回路120が出力する振幅検出信号の出力端子を構成する。この振幅検出信号は、デジタル制御回路130へ出力される。
信号生成回路110は、電流制御発振回路を有する。外部回路、例えばロウパスフィルタを経由した位相比較器等からの制御信号Vvに応じてVCO出力信号の周波数を変化させる。更に、振幅制御信号に応じてVCO出力信号の振幅レベルを制御する。信号生成回路110の回路構成の一例を図4に示す。
図4に示すように、信号生成回路110は、PMOSトランジスタQP111〜QP113と、可変容量VC110と、インダクタL111、L112と、可変電流源111とを有する。PMOSトランジスタQP111は、ソースが電源電圧端子VDD、ドレイン及びゲートがノードB1に接続される。電流源CS111は、PMOSトランジスタQP111と接地電圧端子VSS間に接続される。
可変電流源111は、電源電圧端子VDDとノードB2間に接続される。可変電流源111は、振幅制御信号に応じて、ノードB2に供給する電流量を変化させる。可変電流源111の構成は、図3の可変電流源121とほぼ同様の構成となっている。つまり、図3で示したノードA1をB1、ノードA2をB2、振幅設定信号を振幅制御信号に置き換えた構成となる。よって、デジタル信号である振幅制御信号に応じてノードB2に供給する電流量を変化させる。また、可変電流源111のPMOSトランジスタQP101〜QP10nでは、PMOSトランジスタQP111を入力トランジスタとするカレントミラー構成となっている。よって、可変電流源111のPMOSトランジスタQP101〜QP10nは、PMOSトランジスタQP111に流れる電流に応じた電流を供給する電流源(第1電流源)とみなすことができる。可変電流源111の動作自体は、可変電流源121と同様となるため、説明は省略する。
PMOSトランジスタQP112は、ソースがノードB2、ドレインがノードB3に接続される。PMOSトランジスタQP113は、ソースがノードB2、ドレインがノードB4に接続される。PMOSトランジスタQP112のゲートがノードB4、PMOSトランジスタQP113のゲートがノードB3に接続される。可変容量VC110は、ノードB3、B4間に接続される。インダクタL111、L112は、ノードB3、B4間に接続され、その中間ノードが接地電圧端子VSSに接続される。ここで、ノードB3、B4は、信号生成回路110の出力端子を構成する。よって、ノードB3、B4から差動のVCO出力信号DetT、DetBが出力される。
可変容量VC110は、上述した制御信号Vvが入力され、容量値が制御される。可変容量VC110が有する容量値が変更されると、インダクタL111、L112が有するインダクタンスとの共振周波数が変化し、ノードB3、B4に流れる電流の周波数も変化する。このため、VCO出力信号の周波数が変化する。PMOSトランジスタQP112、QP113、可変容量VC110、インダクタL111、L112とで電流制御発振回路を構成する。
可変電流源111のノードB2に供給する電流値は、上述のようにデジタル信号である振幅制御信号の値に応じて変化させることができる。よって、この振幅制御信号の値に応じてノードB3、B4に流れる電流値を増加もしくは減少させることができる。このノードB3、B4に流れる電流値が増加するとVCO出力信号の振幅レベルが大きくなり、反対に、電流値が減少するとVCO出力信号の振幅レベルが小さくなる。このように、VCO出力信号の振幅レベルをデジタル信号である振幅制御信号に応じて調整できる。
デジタル制御回路130は、振幅検出回路120からハイレベルもしくはロウレベルの振幅検出信号を入力し、その振幅検出信号の信号レベルに応じて、デジタル信号の振幅制御信号を信号生成回路110に出力する。また、デジタル信号である振幅設定信号を振幅検出回路120へ出力する。
以上のような、電圧制御型発振回路100の動作を説明する。なお、電圧制御型発振回路100は、振幅検出回路120に特徴があるため、振幅検出回路120の動作を中心に説明する。また、PMOSトランジスタQP122がノードA2に供給する電流をI1、可変電流源121がノードA2に供給する電流をI2とする。また、VCO出力信号に応じてNMOSトランジスタQN121、QN122が流す電流をそれぞれI3、I4とする。ここで、前提としてVCO出力信号が無信号時の電流I1〜I4の関係を式(1)となるように、各トランジスタのバイアス電圧等を調整しているものとする。
I1+I2>I3+I4・・・(1)
まず、VCO出力信号が無信号時には、ノードA2に供給される電流I1+I2の方が、引き抜かれる電流I3+I4より大きい。このため、ノードA2の電位がハイレベルとなる。つまり、VCO出力信号が無信号時には、振幅検出信号がハイレベルとなる。
次に、VCO出力信号が入力され、徐々にVCO出力信号の振幅レベルが大きくなる。これに合わせて、電流I3+I4も増加する。しかし、式(1)の関係が成り立つ間は、ノードA2の電位はハイレベルが保持される。つまり、振幅検出信号もハイレベルのままである。
更にVCO出力信号の振幅レベルが大きくなり、電流I3+I4も増加する。そして、式(2)に示す関係となる。
I1+I2<I3+I4・・・(2)
このときノードA2において、供給される電流I1+I2よりも、引き抜かれる電流I3+I4の方が大きいため、ノードA2の電位がロウレベルとなる。よって、振幅検出信号がロウレベルとなる。このように、PMOSトランジスタQP101〜QP10n及びQP122から供給される電流I1+I2(振幅設定電流の合計値)とNMOSトランジスタQN121、QN122が引き抜く電流I3+I4(振幅検出電流)との差の値(正か負か)で振幅検出信号の信号レベル(ハイレベルかロウレベルか)が決定される。
このハイレベルからロウレベルに切り替わるときのノードA2の電位を閾値電圧Vthとすると、この閾値電圧Vthは、電流I2の電流量により調整することができる。ここで、この電流I2は、可変電流源121がノードA2に供給する電流である。そして、電流I2は、図3で説明したように振幅設定信号により調整可能である。すなわち、デジタル信号である振幅設定信号の値に応じて、オン状態とするスイッチSW101〜SW10nを制御し、電流I2の電流量を調整することが可能である。よって、上述した閾値電圧Vthの値を、この振幅設定信号により細かく制御できる。
ここで、振幅検出回路120からの振幅検出信号は、デジタル制御回路130に送られる。そして、デジタル制御回路130は、この振幅検出信号に応じた振幅制御信号を信号生成回路110に送る。信号生成回路110は、上述したようにデジタル信号である振幅制御信号により制御される可変電流源111を有している。可変電流源111は、振幅制御信号の値に応じてノードB2に供給するバイアス電流の電流値を調整可能である。このバイアス電流の電流量が増加すると、ノードB3もしくはB4に生じるVCO出力信号(DetTもしくはDetB)の振幅レベルも大きくなる。
この結果、例えば、振幅検出信号がハイレベルである場合、バイアス電流を増加させるようデジタル制御回路130が振幅制御信号を信号生成回路110に送り、VCO出力信号の振幅レベルを大きくさせる。逆に、振幅検出信号がロウレベルである場合、バイアス電流を減少させるようデジタル制御回路130が振幅制御信号を信号生成回路110に送り、VCO出力信号の振幅レベルを小さくさせる。このように、信号生成回路110が出力するVCO出力信号の振幅レベルを振幅検出回路120が検出し、その検出結果である振幅検出信号に応じた振幅制御信号をデジタル制御回路130が信号生成回路110に送る。この信号生成回路110、振幅検出回路120、デジタル制御回路130により行われるフィードバック動作により、VCO出力信号の振幅レベルを一定にすることができる。
ここで、上述した振幅検出信号がハイレベル、ロウレベルに切り替わる閾値電圧はデジタル信号である振幅設定信号の値によって細かく制御できる。このため、デジタル信号である振幅設定信号の値に応じて、VCO出力信号の振幅レベルを所望の値に変化させることができる。つまり、上述した信号生成回路110、振幅検出回路120、デジタル制御回路130によるフィードバック動作を、新たに設定した振幅設定信号の値で行うことができる。そして、この新たに設定した振幅設定信号の値に応じたVCO出力信号の振幅レベルで一定となるよう上述したフィードバック動作が再び行われる。図5に4ビットの振幅設定信号と、VCO出力信号の振幅レベルの関係を表すグラフを示す。図5に示す例では、VCO出力信号の振幅レベルを0.4Vo−pに設定したい場合、振幅設定信号を「1001」とすればよいことがわかる。VCO出力信号の振幅レベルを、これよりも下げたい場合は、振幅制御信号のデジタル値を下げ、逆に振幅レベルを上げたい場合、振幅制御信号のデジタル値を上げればよい。
ここで、従来の電圧制御型発振回路VCO1では、振幅検出回路3と、比較回路4とにより電流制御発振回路2の出力するVCO出力信号の振幅レベルを一定にするフィードバックを行っている。但し、電流制御発振回路2の出力する出力信号の振幅設定は、固定電圧V1、V2により行なわれる。このため、電圧制御型発振回路1では、製造バラツキ等によりS/N比の劣化が発生すると、その劣化を吸収する機構がなく、出力信号の品質が劣化する問題があった。
しかし、本実施の形態の電圧制御型発振回路100では、振幅検出回路120によりVCO出力信号の振幅レベルをモニターし、VCO出力信号を生成する信号生成回路110にフィードバックして、VCO出力信号の振幅レベルを一定に調整する。この振幅レベルは、デジタル信号である振幅設定信号で調整することが可能である。このため、電圧制御型発振回路100のS/N比の最適化が可能となり、電圧制御型発振回路VCO1での問題を解決することができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものでなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、図3で説明した可変電流源121では、PMOSトランジスタQP101〜QP10nに流れる電流にデジタル信号である振幅設定信号のビット桁重みを付していた。しかし、PMOSトランジスタQP101〜QP10nのトランジスタサイズを同じにする等により、PMOSトランジスタQP101〜QP10nに流れる電流がビット桁重みに関係なく同じ電流となるようにしてもよい。この場合、単にスイッチSW101〜SW10nのオン状態になる数に応じて、可変電流源121がノードA2に供給する電流量が増減する。
100 電圧制御型発振回路
110 信号生成回路
120 振幅検出回路
130 デジタル制御回路
QP111〜QP113、QP121、QP122、QP101〜QP10n PMOSトランジスタ
QN121〜QN127 NMOSトランジスタ
SW101〜SW10n スイッチ
CS111、CS121、CS122 電流源
111、121 可変電流源
VC110 可変容量
L111、L112 インダクタ

Claims (6)

  1. 振幅制御値に応じて動作状態となる個数が変化する複数の第1電流源と、
    前記複数の第1電流源から出力されるバイアス電流値の合計値に応じて振幅が制御される出力信号を生成する信号生成回路と、
    振幅設定値に応じて動作状態となる個数が変化する複数の第2電流源と、
    前記複数の第2電流源から出力される振幅設定電流の合計値と前記出力信号の振幅レベルに応じて生成される振幅検出電流との差に基づき振幅検出信号を出力する振幅検出回路と、
    前記振幅検出信号に基づき前記振幅制御値を変更する制御回路と、を有する
    発振回路。
  2. 前記振幅設定値は、前記複数の第2電流源の数に応じたビット値を有するデジタル信号の振幅設定信号により決定される
    請求項1に記載の発振回路。
  3. 前記振幅検出回路は、
    前記出力信号を制御端子に入力し、前記出力信号の振幅レベルに応じて前記振幅検出電流を流す第1のトランジスタと、
    前記複数の第2の電流源と前記第1のトランジスタとが接続される第1のノードと、を有し、
    前記第1のノードの電位レベルに応じて前記振幅検出信号を生成する
    請求項1または請求項2に記載の発振回路。
  4. 前記振幅制御値は、前記複数の第1電流源の数に応じたビット値を有するデジタル信号の振幅制御信号により決定される
    請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の発振回路。
  5. 前記信号生成回路は、外部回路からの制御信号に応じて、前記出力信号の周波数を制御する電流制御発振回路を有し、
    前記電流制御発振回路は、前記複数の第1電流源から出力されるバイアス電流値に応じた振幅レベルの前記出力信号を出力する
    請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の発振回路。
  6. 所定の周波数を有する発振信号を出力する信号生成回路と、
    制御信号に基づき供給する電流量が変化する可変電流源を含むと共に、入力される前記発振信号及び前記電流量に基づく信号を出力する検出回路と、
    前記検出回路が出力する信号に基づいて前記発振信号の振幅を制御する制御回路と、
    を有する回路。
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