JPH1051238A

JPH1051238A - 電圧制御発振器

Info

Publication number: JPH1051238A
Application number: JP20061696A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nemoto; 謙治根本
Original assignee: Asahi Kasei Microsystems Co Ltd; Asahi Kasei Microdevices Corp
Current assignee: Asahi Kasei Microsystems Co Ltd; Asahi Kasei Microdevices Corp
Priority date: 1996-07-30
Filing date: 1996-07-30
Publication date: 1998-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】発振周波数の制御電圧に対する直線性を大幅に
改善するとともに、発振周波数のダイナミックレンジを
大きくした電圧制御発振器を提供すること。【解決手段】増幅器と、該増幅器に並列に接続され帰還
ループを構成する圧電素子と、増幅器の入力端または出
力端の少なくとも一方に接続され、与えられる制御電圧
に応じて容量値が変化する複数の負荷容量と、制御電圧
を生成する制御電圧発生回路とを備える。そして、制御
電圧発生回路は、負荷容量毎に定められたオフセットを
持たせて、各負荷容量に制御電圧を与えるように構成さ
れている電圧制御発振器である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、制御電圧に応じて
容量値が変化する負荷容量を有する電圧制御発振器に係
わり、特に、発振周波数の制御電圧に対する直線性を大
幅に改善するとともに、発振周波数のダイナミックレン
ジを大きくした電圧制御発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、通信分野、ＡＶ（Ａｕｄｉｏ
−Ｖｉｓｕａｌ）分野を始めとする各種の分野において
用いられる信号処理回路を製造する際に、発振周波数が
安定していて、ジッタも少ない発振器が望まれている。
しかし、広く普及している水晶発振器では、水晶固有の
温度依存性により、温度環境が変化してしまうと発振周
波数が±１０（ｐｐｍ）程度変化してしまう。この温度
環境の変化による周波数変動を除去するため、制御電圧
により発振周波数を制御する電圧制御発振器が提案され
ており、例えば、図６に示したものが知られている。

【０００３】この電圧制御発振器は、増幅器３と、増幅
器３に並列に接続され帰還ループを構成する圧電素子で
ある水晶振動子１と、帰還ループを構成する抵抗２と、
増幅器３の入力端および出力端に接続され、与えられる
制御電圧に応じて容量値が変化するバリキヤップ４、５
と、制御電圧を生成する周波数調整電圧発生回路６とを
有する。

【０００４】本回路は、水晶振動子１を用いて生じさせ
る発振周波数を、水晶振動子１の両端に接続された負荷
容量の容量値を変化させる事により変更するものであっ
て、負荷容量として、制御電圧により容量値が変化する
バリキャップ４、５を用い、周波数調整電圧発生回路６
で制御電圧を生成している電圧制御発振器である。

【０００５】そして、バリキャップとしては、ＰＮ接合
を有するダイオードに逆バイアス電圧を印加して容量と
して用いた場合、この容量値がダイオードの端子間電圧
に依存することを利用したバリキャップダイオードが広
く用いられている。また、ＣＭＯＳプロセスを用いて、
増幅器とバリキャップを１つの半導体基板上に集積した
ものとしては、特開平４−３０４７０４号公報に記載さ
れたのものが知られている。

【０００６】このバリキャップは、図２に示すように、
バリキャップを、ＭＯＳトランジスタと、該ＭＯＳトラ
ンジスタに直列に接続した容量Ｃ₀により構成したもの
であり、ＭＯＳトランジスタのゲート電圧（Ｖｃ）に応
じて、ＭＯＳトランジスタのオン抵抗値が変化するた
め、ゲート電圧（Ｖｃ）によって容量値が制御可能な素
子を提供するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の電圧制御発振器において、バリキャップダイオ
ードを用いた場合、容量値が変化する電圧範囲が大きく
（２８（ｖ）程度）、かつ、容量値が電圧変化に対して
直線的に変化する、良好な性能を有するものがあるが、
特殊なプロセスを用いて回路素子を製造しているため、
通常のＣＭＯＳプロセスを用いて製造し、増幅器等と同
一半導体チップ上に回路を形成して集積化することがで
きないという問題があった。

【０００８】また、図２に示したバリキャップは、通常
のＣＭＯＳプロセスを用いて製造することができ、増幅
器等との集積化は容易であるものの、容量値が変化する
電圧範囲が小さく（１（ｖ）程度）、容量値変化の電圧
変化に対する直線性も良好でないことが知られている。

【０００９】したがって、制御電圧に対する発振周波数
の変化は直線的ではなくなる。この様子を図７に示す。
図７の横軸には制御電圧（Ｖｃ）、縦軸には発振周波数
ｆ（Ｈｚ）をとっており、制御電圧Ｖｃの変化に対し
て、なだらかに発振周波数ｆが変化する様子が分かる。
また、発振周波数変化の制御電圧に対する傾き（ｄｆ／
ｄＶＣ）を、図８に示している。図８の横軸には制御電
圧（Ｖｃ）、縦軸には発振周波数（ｆ）の変化の制御電
圧（ＶＣ）に対する傾き（ｄｆ／ｄＶＣ）をとってお
り、制御電圧に対する周波数変化は直線的でないため、
傾き（ｄｆ／ｄＶＣ）が負の一定値になる箇所が存在し
ないことがわかる。

【００１０】一般に、理想的な電圧制御発振器の特性
は、図９、図１０に示すように制御電圧（ＶＣ）に対す
る発振周波数（ｆ）の変化が直線的となる。即ち、図９
に示すように、制御電圧（Ｖｃ）に対する発振周波数ｆ
（Ｈｚ）の変化は直線的となるため、発振周波数（ｆ）
の変化の制御電圧（ＶＣ）に対する傾きは、負の一定値
をとる箇所が存在する。したがって、図７、８に示すよ
うな特性を有する電圧制御発振器は、理想的な電圧制御
発振器とは程遠い。

【００１１】また、ＣＭＯＳプロセスを用いて製造可能
で集積化が可能なバリキャップとしては、図３に示すよ
うな、ＭＯＳトランジスタのソース端子とドレイン端子
を短絡したソース・ドレイン共通端子と、ゲート端子の
２つの端子を備えるＭＯＳ容量を用いることもできが、
このバリキャップも図２に示したバリキャップと同様
に、容量値が変化する電圧範囲が小さく（１（ｖ）程
度）、また、容量値変化の電圧変化に対する直線性が良
くない。したがって、このバリキャップを用いた場合に
も、電圧制御発振器の特性は、図７、図８に示したよう
になってしまう。

【００１２】このように、電圧変化に対する周波数変化
の直線性が良く、ＣＭＯＳプロセスを用いて集積化可能
な電圧制御発振器が実現できないという未解決の課題が
あった。

【００１３】そこで、本発明の目的は、発振周波数の制
御電圧に対する直線性を大幅に改善するとともに、発振
周波数のダイナミックレンジを大きくした電圧制御発振
器を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、増幅器と、該増幅器に並列に接続
され帰還ループを構成する圧電素子と、増幅器の入力端
または出力端の少なくとも一方に接続され、与えられる
制御電圧に応じて容量値が変化する複数の負荷容量と、
制御電圧を生成する制御電圧発生回路とを備え、前記制
御電圧発生回路は、負荷容量毎に定められたオフセット
を持たせて、各負荷容量に制御電圧を与えるように構成
されている、電圧制御発振器が提供される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しつつ説明する。図１は、本発明にかかる電圧制御
発振器の一実施形態の構成図を示したものである。

【００１６】本実施形態における電圧制御発振器は、増
幅器３と、該増幅器３の帰還ループを構成する抵抗２、
圧電振動子としての水晶振動子１、負荷容量としてのバ
リキャップ４１〜４ｉ、５１〜５ｉ、および、発振周波
数調整のため、バリキャップに供給する制御電圧を生成
する周波数調整電圧発生回路６１〜６ｉを備える制御電
圧発生回路１００とを有して構成されている。また、増
幅器３の出力側と入力側には、抵抗２と圧電素子１とが
並列に接続されている。

【００１７】さらに、増幅器３の入力端子、出力端子に
は夫々、負荷容量としてバリキャップ４１〜４ｉ、５１
〜５ｉが複数接続され、さらに具体的には、入力端子に
はバリキャップ４１〜４ｉが接続され、出力端子にはバ
リキャップ５１〜５ｉが接続されている。なお、入力端
子および出力端子に接続されるバリキャップは、２以上
の任意の数でよく、したがって、バリキャップに付され
た符号「ｉ」は、例えば、２以上の任意の整数で良く、
また、入力端子および出力端子のいずれか一方にのみバ
リキャップを接続した構成にしてもよい。

【００１８】さらに、周波数調整電圧発生回路６１の出
力端子は、バリキャップ４１およびバリキャップ５１
の、増幅器３に接続されていない方の端子に接続され、
バリキャップ４１およびバリキャップ５１に制御電圧Ｖ
Ｃ１を与え、また、周波数調整電圧発生回路６２の出力
端子は、バリキャップ４２およびバリキャップ５２の、
増幅器３に接続されていない方の端子に接続され、バリ
キャップ４２およびバリキャップ５２に制御電圧ＶＣ２
を与え、さらに、周波数調整電圧発生回路６ｉの出力端
子は、バリキャップ４ｉおよびバリキャップ５ｉの、増
幅器３に接続されていない方の端子に接続され、バリキ
ャップ４ｉおよびバリキャップ５ｉに制御電圧ＶＣｉを
与えるように構成されている。

【００１９】このように、周波数調整電圧発生回路は、
対応するバリキャップに制御電圧を与えるように複数個
設けられ、複数設けられた周波数調整電圧発生回路は、
制御電圧発生回路１００を構成する。よって、周波数調
整電圧発生回路に付された符番「ｉ」も２以上の任意の
整数で良い。なお、周波数調整電圧発生回路自体は公知
なので詳細な回路説明は行わない。

【００２０】また、バリキャップとしては、図２、図３
に示したものや、あるいは、バリキャップダイオード素
子のいずれを採用してもよい。但し、図２、図３に示し
たバリキャップを採用すれば、ＣＭＯＳプロセスを用い
て、同一基板上に集積することが可能である。因みに、
図２に示したバリキャップを採用する場合、増幅器３の
の入力端子、出力端子に接続されるのは、ＭＯＳトラン
ジスタのドレイン端子であり、周波数調整電圧発生回路
の出力端子に接続されるのはＭＯＳトランジスタのゲー
ト端子である。

【００２１】また、バリキャップ、周波数調整電圧発生
回路に付けられた符番のｉは２以上の任意の数で良い。
ここで、周波数調整電圧発生回路６１、６２、６ｉの出
力電圧ＶＣ１、ＶＣ２、ＶＣｉは、夫々次式で表される
ように、制御電圧発生回路１００が構成されているもの
とする。

【００２２】ＶＣ１＝ＶＣＶＣ２＝ＶＣ−Ｖｏｆｆ１ＶＣ３＝ＶＣ−Ｖｏｆｆ２一般に、ＶＣｉ＝ＶＣ−Ｖｏｆｆｊ、ｊ＝ｉ−１ここで、ＶＣは、バリキャップの容量値変化が起こる制
御電圧であり、Ｖｏｆｆｊは、容量値変化が起こる制御
電圧ＶＣに対するオフセット電圧であり、対応する周波
数調整電圧発生回路が、該オフセット電圧を参照した制
御電圧印加を行う。図４上部では、一例として３つの周
波数調整電圧発生回路６１、６２、６３から出力される
電圧ＶＣ１、ＶＣ２、ＶＣ３変化に対する発振周波数の
変化の特性を示しており、電圧ＶＣ２、ＶＣ３は夫々、
電圧ＶＣ１に対して、Ｖｏｆｆ１、Ｖｏｆｆ２なるオフ
セットを設けられて、出力される様子を示している。

【００２３】次に、本回路の動作について説明する。な
お、以下、理解の容易化のためｉ＝３として説明する。
また、周波数調整電圧回路から出力される電圧が「ｖ
１」となったとき、バリキャップの容量変化が起こるも
のとする。さらに、、３つの周波数調整電圧発生回路６
１、６２、６３からは夫々、予め定められたパターンの
電圧ＶＣ１、ＶＣ２、ＶＣ３が出力されるものとする。

【００２４】まず最初に、制御電圧発生回路１００から
出力される制御電圧が増加して、「ｖ１」になると、即
ち、周波数調整電圧発生回路６１から出力される電圧Ｖ
Ｃ１が、「ＶＣ１＝ｖ１」となると、ＶＣ１により制御
されるバリキャップ４１、５１により発振周波数が変化
を始める。さらに、制御電圧が増加して、制御電圧発生
回路１００から出力される電圧ＶＣが増加して、「ＶＣ
＝ｖ１＋Ｖｏｆｆ１」になると、即ち、周波数調整電圧
発生回路６２から出力される電圧ＶＣ２が、「ＶＣ２＝
ｖ２」となると、ＶＣ２により制御されるバリキャップ
４２、５２により発振周波数が変化を始める。

【００２５】さらに、同様に、制御電圧発生回路１００
から出力される制御電圧が増加して、「ＶＣ＝ｖ１＋Ｖ
ｏｆｆ２」になると、即ち、周波数調整電圧発生回路６
３（図示せず）から出力される電圧ＶＣ３が、「ＶＣ３
＝ｖ３」となると、ＶＣ３により制御されるバリキャッ
プ４３、５３（図示せず）により発振周波数が変化を始
める。よって、それぞれのバリキャップを単独で用いた
場合、電圧ＶＣ１〜ＶＣ３により制御されることによ
る、制御電圧−発振周波数特性は、図４中の実線に示す
ようになり、このとき、図４中の３本の実線の関係は、
横方向にシフトした関係になり、そのシフト量は、前述
したオフセット電圧Ｖｏｆｆ１、Ｖｏｆｆ２となる。

【００２６】上述したように、それぞれのバリキャップ
によって、発振周波数が変化する制御電圧（ＶＣ）の値
が異なるように制御電圧発生回路１００が出力する電圧
が定められているので、ＶＣ１、ＶＣ２、ＶＣ３により
制御されるバリキャップを全部用いた場合には、まず、
ＶＣ１による発振周波数の変化が生じ、ＶＣ１による発
振周波数の変化が小さくなると、今度は、ＶＣ２による
発振周波数の変化が始まり、さらに、ＶＣ２による発振
周波数の変化が小さくなると、ＶＣ３による発振周波数
の変化が始める。よって、総合特性としては、図４中の
点線で示すような、制御電圧−発振周波数特性が得られ
る。

【００２７】このとき、それぞれのバリキャップを単独
で用いた場合、ＶＣ１〜ＶＣ３により制御されるバリキ
ャップの、発振周波数（ｆ）の変化の制御電圧（ＶＣ）
に対する傾き（ｄｆ／ｄＶＣ）は、図５中の実線に示す
ようになる。ここで実際には、ＶＣ１〜ＶＣ３に同じ容
量のバリキャップを用いると、２番目、３番目のバリキ
ャップが作用する時には、１番目、２番目のバリキャッ
プが固定容量となっているので、バリキャップ容量の値
が大きくなり、電圧制御発振器の感度が小さくなってく
る。よって、ＶＣ１＜ＶＣ２＜ＶＣ３とすることによ
り、一定の感度にすることができる。したがって、総合
特性のｄｆ／ｄＶＣはこの実線の和になるので、適当な
Ｖｏｆｆ１、Ｖｏｆｆ２の値を選ぶことにより、図５中
の点線のようにすることができ、理想電圧制御発振器の
特性に近づけることが可能になる。

【００２８】よって、「ｄｆ／ｄＶＣ」が一定となる領
域を大幅に増加するように改善できるので、電圧制御発
振器としての、制御電圧−発振周波数特性の直線性が大
幅に改善され、周波数調整範囲も拡大できることにな
る。

【００２９】また、本実施形態によれば、ＣＭＯＳプロ
セスを用いて集積化可能な電圧制御発振器を提供できる
ことになる。なお、以上説明してきた実施形態では、周
波数調整電圧発生回路を３つ設けた制御電圧発生回路を
例に取り説明してきたが、周波数調整電圧発生回路の個
数を増加させることにより、発振周波数が直線的に変化
する制御電圧範囲を大きくすることができとともに、周
波数調整範囲も拡大することが可能となる。

【００３０】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、ＣＭＯＳプロセスを用いて集積化した電圧制御発振
器において、周波数調整電圧発生回路と該周波数調整電
圧発生回路出力電圧により容量値が制限されるバリキャ
ップとを複数設け、さらに、各周波数調整電圧発生回路
の出力電圧に電圧差（オフセット）を持たすことによ
り、制御電圧−発振周波数特性の直線性が大幅に改善さ
れ、周波数調整範囲も拡大できることになる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる電
圧制御発振器によれば、制御電圧によって容量値が制御
される負荷容量を複数有し、さらに、制御電圧発生回路
が、負荷容量毎に定められたオフセットを持たせて、各
負荷容量に制御電圧を与えるように構成されているた
め、発振周波数の制御電圧に対する直線性を大幅に改善
することが可能となるとともに、発振周波数のダイナミ
ックレンジを大きくすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の構成図である。

【図２】バリキャップの構成例の説明図である。

【図３】バリキャップの他の構成例の説明図である。

【図４】制御電圧と発振周波数の関係を示す説明図であ
る。

【図５】発振周波数の制御電圧に対する微分値の変化を
示す説明図である。

【図６】従来の電圧制御発振器の構成例を示す構成図で
ある。

【図７】従来の電圧制御発振器における、制御電圧と発
振周波数の関係を示す説明図である。

【図８】従来の電圧制御発振器における、発振周波数の
制御電圧に対する微分値の変化を示す説明図である。

【図９】理想電圧制御発振器における、制御電圧と発振
周波数の関係を示す説明図である。

【図１０】理想電圧制御発振器における、発振周波数の
制御電圧に対する微分値の変化を示す説明図である。

【符号の説明】１水晶振動子２抵抗３増幅器４１バリッキャップ４２バリッキャップ４ｉバリッキャップ５１バリッキャップ５２バリッキャップ５ｉバリッキャップ６１周波数調整電圧発生回路６２周波数調整電圧発生回路６ｉ周波数調整電圧発生回路１００制御電圧発生回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】増幅器と、該増幅器に並列に接続され帰還
ループを構成する圧電素子と、増幅器の入力端または出
力端の少なくとも一方に接続され、与えられる制御電圧
に応じて容量値が変化する複数の負荷容量と、制御電圧
を生成する制御電圧発生回路とを備え、前記制御電圧発生回路は、負荷容量毎に定められたオフ
セットを持たせて、各負荷容量に制御電圧を与えるよう
に構成されている、電圧制御発振器。