WO2006095502A1

WO2006095502A1 - 電圧制御発振器および電圧制御発振器の周波数制御方法

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Publication number: WO2006095502A1
Application number: PCT/JP2006/301181
Authority: WO
Inventors: Kenichi Hosoya; Shigeki Wada
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2006-09-14
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Abstract

　本発明の電圧制御発振器は、電源端子（１０１）、出力周波数を制御する制御端子（２）、出力端子（３ａ，３ｂ）、交差結合トランジスタ（５ａ，５ｂ）、容量（６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ）、ＬＣタンク（１０ａ，１０ｂ）、抵抗（１１７）、接地容量（１８）、および中心周波数制御回路（１６）からなる。中心周波数制御回路（１６）は、抵抗（１１ａ，１１ｂ）、接地容量（１２）、出力周波数の中心周波数を制御する中心周波数制御端子（４）、および分圧回路（１５）からなる。抵抗（１１ａ，１１ｂ）は、交差結合トランジスタ（５ａ，５ｂ）のベース端子に接続され、他端同士が接続されて、該接続点に接地容量（１２）と分圧回路（１５）の一端が接続される。分圧回路（１５）の他端は中心周波数制御端子（４）に接続される。

Description

明細書

電圧制御発振器および電圧制御発振器の周波数制御方法

技術分野

[0001] 本発明は、電圧制御発振器 (VCO)および電圧制御発振器の周波数制御方法に関し、特に、マイクロ波 'ミリ波帯で用いられる交差結合型の電圧制御発振器および電圧制御発振器の周波数制御方法に関する。

背景技術

[0002] 従来、マイクロ波 ·ミリ波帯では、交差結合型の電圧制御発振器 (以下、交差結合型電圧制御発振器と称す)が用いられている。交差結合型電圧制御発振器は、制御端子に供給される電圧を制御することにより発振周波数を変化させる回路である。交差結合型電圧制御発振器は、通常、電源端子と制御端子を具備する。電源端子には固定電圧が供給され、制御端子には発振周波数を制御する制御電圧が供給される。

[0003] 以下、図面を参照して、従来の交差結合型電圧制御発振器にっ、て説明する。なお、以下の説明において、「静電容量」を単に「容量」と記載する。

[0004] 図 1は、従来の交差結合型電圧制御発振器の一構成例を示す回路図である。

[0005] 図 1を参照すると、本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、正の電源電圧 Vcc が供給される電源端子 1、発振周波数を制御する制御電圧 V が供給される制御端

cont

子 2、出力端子 3a, 3b、コレクタ端子とベース端子とが互いに交差結合された交差結合トランジスタ 5a, 5b、直流電流を遮断する直流遮断容量 7a, 7b、 LCタンク 10a, 1 0b、交差結合トランジスタ 5a, 5bのェミッタ端子を接地する抵抗 17、および接地容量 21a, 21b力構成されている。

[0006] LCタンク 10a, 10bは、可変容量 8a, 8bおよびインダクタ 9a, 9bから構成される共振回路である。交差結合トランジスタ 5a, 5bのコレクタ端子とベース端子には、 LCタンク 10a, 10bを介して共通の電源端子 1から電源電圧 Vccが供給される。交差結合トランジスタ 5aのコレクタ端子と交差結合トランジスタ 5bのベース端子には LCタンク 1 Oaから共通の電圧が供給され、交差結合トランジスタ 5bのコレクタ端子と交差結合トランジスタ 5aのベース端子には LCタンク 10bから共通の電圧が供給される。

[0007] 本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース端子とコレクタ端子とを互いに交差結合させることにより、ェミッタ結合差動増幅器が形成されている。また、交差結合トランジスタ 5a, 5bのコレクタ端子は LCタンク 10a, 10bを介して相互に接続されて、る。

[0008] 本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、上記のように構成された結果、正帰還が得られる。このとき、交差結合トランジスタ 5a, 5bは交互に導通する。これに対応して LCタンク 10a, 10bが励振され発振する。制御端子 2に供給される制御電圧 V cont を変化させると、可変容量 8a, 8bの容量が変化する。これにより、出力端子 3a, 3bから出力される信号の発振周波数は、図 2に示すように制御される。

[0009] 図 2は、横軸に制御端子 2に供給される制御電圧 V をとり、縦軸に出力端子 3a, cont

3bから出力される信号の発振周波数 fをとつたグラフである。このような特性を交差結合型電圧制御発振器の入出力特性と呼ぶ。また、外部回路の特性等も含めて決定されるある制御電圧を中心電圧 Vと呼び、中心電圧 Vに対応する発振周波数を中

0 0

心周波数 f

0と呼ぶ。図 2の入出力特性は、本従来例の交差結合型電圧制御発振器がシングルバンド動作を行って!/、ることを示して!/、る。

[0010] なお、図 2の入出力特性は、右肩下がりの特性となっているが、右肩上がりの特性にすることもできる。例えば、可変容量 8a, 8bにバリキャップダイオードを使用した場合、バリキャップダイオードの向きおよび可変容量 8a, 8bに印加される電圧の極性を反転させることにより、右肩上がりの特性にすることができる。本発明の交差結合型電圧制御発振器でも同様に、右肩下がりおよび右肩上がりの特性の両方を得ることができるが、以下では、右肩下がりおよび右肩上がりの特性に関する説明は省略する。

[0011] 図 3は、従来の交差結合型電圧制御発振器の他の構成例を示す回路図である。

[0012] 図 3を参照すると、本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、図 1に示した交差結合型電圧制御発振器における抵抗 17を電流源 22に置換している。

[0013] 図 4は、従来の交差結合型電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。

[0014] 図 4を参照すると、本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、負の電源電圧 V が供給される電源端子 101、発振周波数を制御する制御電圧 V が供給される制

cont

御端子 2、出力端子 3a, 3b、コレクタ端子とベース端子が互いに交差結合された交差結合トランジスタ 5a, 5b、直流電流を遮断する直流遮断用容量 6a, 6b, 7a, 7b、 LCタンク 10a, 10b、交差結合トランジスタ 5a, 5bのェミッタ端子を電源端子 101に接続する抵抗 117、および交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース端子を接地する接地抵抗 33a, 33bから構成されている。

[0015] LCタンク 10a, 10bは、可変容量 8a, 8bおよびインダクタ 9a, 9bから構成される共振回路である。交差結合トランジスタ 5a, 5bのェミッタ端子には電源端子 101から抵抗 117を介して負の電源電圧 V が供給され、ベース端子には接地抵抗 33a, 33b

EE

とベース電流により決まる電圧が供給される。制御端子 2に供給される電圧 V を変

cont 化させると、可変容量 8a, 8bの容量が変化する。これにより、出力端子 3a, 3bから出力される信号の発振周波数は、図 2に示すように制御される。

[0016] 図 5は、従来の交差結合型電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。

[0017] 図 5を参照すると、本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、負の電源電圧 V

EE

が供給される電源端子 101、発振周波数を制御する制御電圧 V が供給される制

cont

御端子 2、出力端子 3a, 3b、コレクタ端子とベース端子が互いに交差結合された交差結合トランジスタ 5a, 5b、直流電流を遮断する直流遮断用容量 6a, 6b, 7a, 7b、 LCタンク 10a, 10b、交差結合トランジスタ 5a, 5bのェミッタ端子を電源端子 101に接続する抵抗 117、交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース端子を電源端子 101に接続する抵抗 35a, 35b、および交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース端子を接地する接地抵抗 34a, 34bから構成されている。

[0018] LCタンク 10a, 10bは、可変容量 8a, 8bおよびインダクタ 9a, 9bから構成される共振回路である。交差結合トランジスタ 5a, 5bのェミッタ端子には、電源端子 101から抵抗 117を介して電源電圧 V が供給され、ベース端子には、電源端子 101から電

EE

源電圧 V が接地抵抗 34aおよび抵抗 35a (または、接地抵抗 34bおよび抵抗 35b)

EE

により分圧されて供給される。制御端子 2に供給される制御電圧 V を変化させると

cont

、可変容量 8a, 8bの容量が変化する。これにより、出力端子 3a, 3bから出力される信号の発振周波数は、図 2に示すように制御される。

[0019] 図 6は、従来の交差結合型電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。

[0020] 図 6を参照すると、本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、負の電源電圧 V

EE

cont

御端子 2、出力端子 3a, 3b、コレクタ端子とベース端子が互いに交差結合された交差結合トランジスタ 5a, 5b、直流電流を遮断する直流遮断用容量 6a, 6b, 7a, 7b、 LCタンク 10a, 10b、交差結合トランジスタ 5a, 5bのェミッタ端子を電源端子 101に接続する抵抗 117、交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース端子を接地する接地抵抗 33a, 33b、および容量バンク 36から構成されている。

[0021] LCタンク 10a, 10bは、可変容量 8a, 8bおよびインダクタ 9a, 9bから構成される共振回路である。容量バンク 36は、複数個（n個）の容量 37a, 37bおよびスィッチ 38から構成されている。交差結合トランジスタ 5a, 5bのェミッタ端子には電源端子 101から抵抗 117を介して負の電源電圧 V が供給され、ベース端子には接地抵抗 33a, 3

EE

3bとベース電流により決まる電圧が供給される。制御端子 2に供給される制御電圧 V を変化させると、可変容量 8a, 8bの容量が変化する。これにより、出力端子 3a, 3 cont

bから出力される信号の発振周波数は、図 2に示すように制御される。さらに、容量バンク 36の複数個のスィッチ 38のオン Zオフの組み合わせに応じて、中心周波数 f 0が離散的に制御される。その結果、図 7に示すように離散的に制御された複数の入出力特性が得られる。

[0022] 図 7は、横軸に制御端子 2に供給される制御電圧 V をとり、縦軸に出力端子 3a,

cont

3bから出力される信号の発振周波数 fをとつたグラフである。図 7の入出力特性は、本従来例の交差結合型電圧制御発振器が離散的なマルチバンド動作を行っていることを示している。なお、入出力特性を離散的に制御する従来技術としては、特開 20 04— 120215号公報および特開 2004— 159222号公報に開示された技術がある。

[0023] 図 8は、従来の交差結合型電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。

[0024] 図 8を参照すると、本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、負の電源電圧 V が供給される電源端子 101、発振周波数を制御する制御電圧 V が供給される制

cont

御端子 2、出力端子 3a, 3b、コレクタ端子とベース端子が互いに交差結合された交差結合トランジスタ 5a, 5b、直流電流を遮断する直流遮断用容量 6a, 6b, 7a, 7b、 LCタンク 110a, 110b,交差結合トランジスタ 5a, 5bのェミッタ端子を電源端子 101 に接続する抵抗 117、および交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース端子を接地する接地抵抗 33a, 33b力構成されている。

[0025] LCタンク 110a, 110bは、可変容量 8a, 8bおよび可変インダクタ 39a, 39b力ら構成される共振回路である。交差結合トランジスタ 5a, 5bのェミッタ端子には電源端子 101から抵抗 117を介して負の電源電圧 V が供給され、ベース端子には接地抵抗

EE

33a, 33bとベース電流により決まる電圧が供給される。制御端子 2に供給される制御電圧 V を変化させると、可変容量 8a, 8bの容量が変化する。これにより、出力端

cont

子 3a, 3bから出力される信号の発振周波数は、図 2に示すように制御される。さらに、可変インダクタ 39a, 39bのインダクタ値を制御することにより、中心周波数 f が連続

0 的に制御される。その結果、図 9に示すように連続的に制御された複数の入出力特性が得られる。

[0026] 図 9は、横軸に制御端子 2に供給される制御電圧 V をとり、縦軸に出力端子 3a,

cont

3bから出力される信号の発振周波数 fをとつたグラフである。図 9の入出力特性は、本従来例の交差結合型電圧制御発振器が連続的なマルチバンド動作を行っていることを示している。

[0027] 上述したように、図 1、図 3、図 4、および図 5に示した交差結合型電圧制御発振器では、図 2に示したような 1つの入出力特性しか得られない。すなわち、これらの交差結合型電圧制御発振器は、シングルバンド動作を行う発振器であるため、マルチバンド動作を実現することができな、。このような交差結合型電圧制御発振器を無線通信システム等に用いられる位相ロックループ (PLL)回路に適用した場合、複数の周波数帯 (マルチバンド)での動作は不可能である。また、これらの交差結合型電圧制御発振器を光通信システム等に用いられるクロック ·データ再生 (CDR)回路等に適用した場合、複数のビットレートでの動作は不可能である。

[0028] また、図 6に示した交差結合型電圧制御発振器では、複数の離散的な入出力特性が得られるため、マルチバンド動作を実現することができる。しかし、この交差結合型電圧制御発振器は、複数個の容量およびスィッチカゝら構成される容量バンクが必要であるため、回路が複雑になる。そのため、この交差結合型電圧制御発振器は、特に、ミリ波帯などの超高周波帯でマルチバンド動作を実現することが困難である。

[0029] また、図 8に示した交差結合型電圧制御発振器でも、複数の連続的な入出力特性が得られるため、マルチバンド動作を実現することができる。しかし、可変インダクタは通常 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems ;微小電気機械システム）等の技術を用いて実現されるため、この交差結合型電圧制御発振器は、構造や生産プロセスが複雑になる。そのため、この交差結合型電圧制御発振器は、特に、ミリ波帯などの超高周波帯では不適である。

発明の開示

[0030] そこで、本発明の目的は、簡易な構成で、広帯域に渡って複数の連続的な入出力特性を得ることができる電圧制御発振器および電圧制御発振器の周波数制御方法を提供することにある。

[0031] 本発明は、周波数制御端子と可変容量とトランジスタとを備え、周波数制御端子から供給される電圧に応じて出力周波数を可変する電圧制御発振器に適用される。

[0032] 本発明の電圧制御発振器は、周波数制御端子として、可変容量の容量を変化させて出力周波数を制御するための電圧が供給される第 1の周波数制御端子と、トランジスタの特性を変化させて出力周波数の中心周波数を制御するための電圧が供給される第 2の周波数制御端子とを含むことを特徴としてヽる。

[0033] この構成によれば、第 1の周波数制御端子力供給される電圧によって出力周波数を制御するだけでなぐ第 2の周波数制御端子力供給される電圧によって出力周波数の中心周波数を制御しているため、複数の連続的な入出力特性が得られる。

[0034] よって、簡易な構成で、広帯域に渡り複数の連続的な入出力特性が得られるマルチバンド動作の電圧制御発振器を実現することができる。

図面の簡単な説明

[0035] [図 1]従来の電圧制御発振器の一構成例を示す回路図である。

[図 2]電圧制御発振器のシングルバンド動作を説明する図である。 [図 3]従来の電圧制御発振器の他の構成例を示す回路図である。

[図 4]従来の電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。

[図 5]従来の電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。

[図 6]従来の電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。

[図 7]電圧制御発振器の離散的なマルチバンド動作を説明する図である。

[図 8]従来の電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。

[図 9]電圧制御発振器の連続的なマルチバンド動作を説明する図である。

[図 10]本発明の第 1の実施形態による電圧制御発振器の構成を示す回路図である。

[図 11]本発明の第 2の実施形態による電圧制御発振器の構成を示す回路図である。

[図 12]本発明の電圧制御発振器において、入出力特性をシミュレーションした結果を示す図である。

[図 13]本発明の電圧制御発振器において、中心周波数制御電圧に対する発振出力の変化をシミュレーションした結果を示す図である。

[図 14]本発明の電圧制御発振器において、中心周波数制御電圧に対する中心周波数の変化をシミュレーションした結果を示す図である。

[図 15]本発明の第 3の実施形態による電圧制御発振器の構成を示す回路図である。

[図 16]本発明の第 4の実施形態による電圧制御発振器の構成を示す回路図である。

[図 17]本発明の第 5の実施形態による電圧制御発振器の構成を示す回路図である。

[図 18]本発明の電圧制御発振器を適用した位相ロックループ回路の一構成例を示すブロック図である。

[図 19]本発明の電圧制御発振器を適用したクロック 'データ再生回路の一構成例を示すブロック図である。

[図 20]本発明の電圧制御発振器を適用した位相ロックループ回路の他の構成例を示すブロック図である。

[図 21]本発明の電圧制御発振器を適用したクロック 'データ再生回路の他の構成例を示すブロック図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 [0037] (第 1の実施形態）

図 10は、本発明の第 1の実施形態による交差結合型電圧制御発振器の構成を示す回路図である。

[0038] 図 10を参照すると、本実施形態による交差結合型電圧制御発振器は、負の電源電圧 V が供給される電源端子 101、発振周波数を制御する制御電圧 V が供給

EE cont される制御端子 2、可変制御された発振周波数の信号を出力する出力端子 3a, 3b、コレクタ端子とベース端子とが互いに交差結合された交差結合トランジスタ 5a, 5b、直流電流を遮断する直流遮断容量 6a, 6b, 7a, 7b、共振回路としての LCタンク 10a , 10b、交差結合トランジスタ 5a, 5bのェミッタ端子を電源端子 101に接続する抵抗 117、電源端子 101を接地する接地容量 18、および交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース端子に接続された中心周波数制御回路 16から構成されている。

[0039] LCタンク 10a, 10bは、可変容量 8a, 8bおよびインダクタ 9a, 9bから構成される共振回路である。また、中心周波数制御回路 16は、抵抗 11a, l ib,接地容量 12、中心周波数制御端子 4、および分圧回路 15から構成されている。分圧回路 15は、抵抗 13, 14から構成されている。分圧回路 15は、中心周波数制御端子 4から供給された中心周波数制御電圧 V を抵抗 13, 14により分圧して取り込む。抵抗 11a, l ibの

tune

それぞれの一端は交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース端子に接続され、他端同士は接続されている。この他端同士の接続点には、接地容量 12と分圧回路 15の一端が接続されている。分圧回路 15の他端は中心周波数制御端子 4に接続されている。

[0040] なお、制御端子 2は、第 1の周波数制御端子を構成するか、または、第 1の周波数制御手段を構成する。また、中心周波数制御端子 4は、第 2の周波数制御端子を構成し、中心周波数制御回路 16は、第 2の周波数制御手段を構成する。

[0041] 以下に、本実施形態による交差結合型電圧制御発振器の動作について説明する

[0042] 交差結合トランジスタ 5a, 5bの直流動作点は、電源端子 101から抵抗 117を介して供給される電源電圧 V と、中心周波数制御端子 4から中心周波数制御回路 16を介

EE

して供給される中心周波数制御電圧 V とにより決定される。交差結合トランジスタ 5

tune

aのコレクタ端子と交差結合トランジスタ 5bのベース端子とは、直流遮断容量 6aにより直流的に分離される。また、交差結合トランジスタ 5bのコレクタ端子と交差結合トランジスタ 5aのベース端子とは、直流遮断容量 6bにより直流的に分離される。また、交差結合トランジスタ 5a, 5bのコレクタ端子と外部回路とは、直流遮断容量 7a, 7bにより直流的に分離される。また、中心周波数制御回路 16と交差結合トランジスタ 5a, 5b のコレクタ端子とは、直流遮断容量 6a, 6bにより直流的に分離される。

[0043] 制御端子 2に供給される制御電圧 V を変化させると、可変容量 8a, 8bの容量が cont

変化する。これにより、出力端子 3a, 3bから出力される信号の発振周波数は、図 2に示すように制御される。

[0044] 複数の周波数帯で動作可能な位相ロックループ回路（PLL)や、複数のビットレートで動作可能なクロック 'データ再生回路 (CDR)を実現するためには、中心電圧 Vに

0 対する中心周波数 f を制御し、複数の入出力特性を実現する必要がある。

0

[0045] 本実施形態では、中心周波数制御端子 4から中心周波数制御回路 16を介して供給される中心周波数制御電圧 V により、交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース電 tune

圧を制御する。それにより、交差結合トランジスタ 5a, 5bの特性、特にベース'コレクタ端子間の接合容量を変化させて、複数の入出力特性を実現する。

[0046] 交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース端子同士を、抵抗 11a, l ibにより高周波的に分離する。さらに、中心周波数制御端子 4に接続される外部回路のインピーダンス変動の影響を回避するために、接地容量 12を設ける。

[0047] 発振周波数 fは、交差結合トランジスタ 5a, 5bの特性、特にベース'コレクタ端子間の接合容量に強く依存する。そのため、このような構成をとることにより広帯域に中心周波数 f

0を制御することが可能になる。

[0048] すなわち、図 9に示すように広帯域にわたる連続的な入出力特性を実現でき、広範囲でのマルチバンド動作が実現できる。より具体的には、中心周波数制御電圧 V tune により、中心電圧 Vに対する中心周波数 f が可変し、入出力特性が連続的に制御さ

0 0

れる。

[0049] このような構成をとつた場合、発振周波数 fは、上述のように、交差結合トランジスタ 5a, 5bの特性、特にベース'コレクタ端子間の接合容量に強く依存する。そのため、中心周波数制御電圧 V の電圧変動の影響、あるいは中心周波数制御回路 16に混入する外部雑音の影響により、発振動作の不安定化が起こりやすくなる。これらの影響を抑圧するために、本実施形態では分圧回路 15を備えている。

[0050] また、このような構成をとつた場合、中心周波数 f の制御に伴い、発振出力が大きく

0

変動してしまうという問題がしばしば生じる。発明者らの検討によれば、この問題は電源供給用の抵抗 117を適切な値に選ぶことにより回避されることが分力つた。この適切な値は、通常、外部回路との高周波的な分離に十分なほど大きな値ではない。従つて、外部回路のインピーダンス変動を回避するため、本実施形態では接地容量 18 を備えている。

[0051] 上述したように本実施形態では、簡易な構成で、電源電圧の変動や外部雑音に対する安定性を保持しながら、広帯域に渡るマルチバンド動作を実現することができる

。この際の出力変動も同時に回避できる。

[0052] (第 2の実施形態）

図 11は、本発明の第 2の実施形態による交差結合型電圧制御発振器の構成を示す回路図である。なお、図 11において、図 10の第 1の実施形態と同一部には同一の符号を付してある。

[0053] 図 11を参照すると、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器は、図 10に示した交差結合型電圧制御発振器におけるインダクタ 9a, 9bを伝送線路 19a, 19bに置換している。スパイラルインダクタ等を高精度に実現することが困難な超高周波帯にお Vヽては、このように伝送線路でインダクタ成分を実現する方法が適して!/ヽる。

[0054] 以下、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器の動作にっ、て、シミュレーション結果を用いて説明する。シミュレーションでは、 39.8Gbpsおよび 43.0Gbpsのビットレートに対応可能な光通信用クロック 'データ再生回路に適用されることを想定し、発振周波数を 40GHz前後に設定した。トランジスタとしては、 InP (インジウム燐)上の HBT (ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）を想定した。シミュレーションは、ハーモニック'バランス法 (調波平衡法）により行った。

[0055] 図 12は、中心周波数制御電圧 V を 0. 4V、 3. 4V、 6. 4Vとした場合の入出力

tune

特性をシミュレーションした結果を示す図である。

[0056] 図 12において、最上部は、中心周波数制御電圧 V を 0. 4Vとした場合の入出力特性を示している。制御電圧 V の中心電圧 Vが— 0. 75Vの時、中心周波数 f が

cont 0 0

43GHzで、電圧制御発振器の利得 K (発振周波数 fの制御電圧 V に対する変

VCO cont

化率）が— 345MHzZVとなっている。また、最下部は、中心周波数制御電圧 V

tune を 6. 4 Vとした場合の入出力特性を示している。制御電圧 V の中心電圧 Vが一 0

cont 0

. 75Vの時、中心周波数 f 力 8GHzで、電圧制御発振器の利得 K がー 271

0 VCO

MHzZVとなっている。

[0057] したがって、目的の 39. 8GHz〜43GHzの範囲でのマルチバンド動作が実現されている。また、中心周波数を制御したことによる電圧制御発振器の利得 K の変化

VCO

は、—345MHzZV〜一 271MHzZVで、 25%程度の変化であり、位相ロックループの設計上問題にならな!/、程度である。

[0058] 図 13は、中心周波数制御電圧 V (V)に対する発振出力（dBm)の変化をシミュ

tune

レーシヨンした結果を示す図である。図 13に示すように、中心周波数制御電圧 V

tune に対し、発振出力はほぼ一定に保持されている。

[0059] 図 14は、中心周波数制御電圧 V (V)に対する中心周波数 f (GHz)の変化を、

tune 0

分圧回路 15を具備した場合と、具備しない場合の各々についてシミュレーションした結果を示す図である。

[0060] 図 14において、黒丸印で示した分圧回路が無い場合の特性は、中心周波数制御電圧 V がー 0.5V〜0.5Vに変化すると、中心周波数 f が約 45GHz〜37GHzと変 tune 0

化する。また、白丸印で示した分圧回路がある場合の特性は、中心周波数制御電圧 V がー 10V〜： L0Vに変化すると、中心周波数 f が約 45GHz〜37GHzと変化す tune 0

る。

[0061] このことから分力るように、分圧回路 15を設けることにより、中心周波数制御電圧 V

tu に対する中心周波数 f の変化率を、約 8GHzZV (黒丸印；分圧回路が無い場 ne 0

合)から約— 400MHzZV (白丸印；分圧回路がある場合)へと、約 1Z20に抑圧することができる。これ〖こより、中心周波数制御電圧 V の電圧変動が起こった場合や

tune

、中心周波数制御回路 16に外部雑音が混入した場合にも、発振動作の安定性を保持することが可能になる。この際、中心周波数 f の制御範囲はそのまま保持される。

0

[0062] (第 3の実施形態）図 15は、本発明の第 3の実施形態による交差結合型電圧制御発振器の構成を示す回路図である。なお、図 15において、図 10の第 1の実施形態と同一部には同一の符号を付してある。

[0063] 図 15を参照すると、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器は、図 10に示した交差結合型電圧制御発振器における抵抗 11a, l ibを伝送線路 20a, 20bに置換している。ここで、伝送線路 20a, 20bは、所定の発振周波数範囲内の任意の周波数において 1Z4波長の電気長を有するものとし、望ましくは、所定の発振周波数範囲の中心の周波数において 1Z4波長の電気長を有するものとする。このような構成をとることにより、大きな値の抵抗の使用を回避することができ、位相雑音や電源端子の電源電圧変動の点で有利となる場合がある。

[0064] (第 4の実施形態）

図 16は、本発明の第 3の実施形態による交差結合型電圧制御発振器の構成を示す回路図である。なお、図 16において、図 10の第 1の実施形態と同一部には同一の符号を付してある。

[0065] 図 16を参照すると、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器は、接地電位に対し正の電源電圧 Vccを供給する電源端子 1を、交差結合トランジスタ 5a, 5bのコレクタ端子側に設けている。また、接地容量 21a, 21bを具備している。本実施形態は、電源端子 1から供給される電源電圧の極性が正である正電源規格の場合の一例である。

[0066] 次に、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器の動作について説明する。

[0067] 交差結合トランジスタ 5a, 5bの直流動作点は、中心周波数制御端子 4から中心周波数制御回路 16を介して供給される中心周波数制御電圧 V 〖こより決定される。交

tune

差結合トランジスタ 5aのコレクタ端子と交差結合トランジスタ 5bのベース端子とは、直流遮断容量 6aにより直流的に分離される。また、交差結合トランジスタ 5bのコレクタ端子と交差結合トランジスタ 5aのベース端子とは、直流遮断容量 6bにより直流的に分離される。交差結合トランジスタ 5a, 5bのコレクタ端子と外部回路とは、直流遮断容量 7a, 7bにより直流的に分離される。また、中心周波数制御回路 16は、直流遮断容量 6a, 6bにより、交差結合トランジスタ 5a, 5bのコレクタ端子側と直流的に分離される。

[0068] 制御端子 2に供給される制御電圧 V を変化させると、可変容量 8a, 8bの容量が

cont

[0069] 本実施形態では、中心周波数制御端子 4から中心周波数制御回路 16を介して供給される中心周波数制御電圧 V により、交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース電

tune

圧を制御する。それにより、交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース'コレクタ端子間の特性、特に接合容量を変化させて、中心電圧 Vに対する中心周波数 f を制御し、複

0 0

数の入出力特性 (マルチバンド動作)を実現する。

[0070] 交差結合トランジスタ 5a, 5bのベース端子同士を、抵抗 11a, l ibにより高周波的に分離する。さらに、中心周波数制御端子 4に接続される外部回路のインピーダンス変動の影響を回避するために、接地容量 12を設ける。

[0071] 発振周波数 fは、交差結合トランジスタ 5a, 5bの特性、特にベース'コレクタ端子間の接合容量に強く依存する。そのため、このような構成をとることにより広帯域に中心周波数を制御することが可能になる。すなわち、図 9に示すように広帯域にわたる連続的な入出力特性が実現でき、広範囲でのマルチバンド動作が実現できる。

[0072] このような構成をとつた場合、発振周波数 fは、上述のように、交差結合トランジスタ 5a, 5bの特性、特にベース'コレクタ端子間の接合容量に強く依存する。そのため、中心周波数制御電圧 V の電圧変動の影響、あるいは中心周波数制御回路 16に

tune

混入する外部雑音の影響により、発振動作の不安定化が起こりやすくなる。これらの影響を抑圧するために、本実施形態では分圧回路 15を備えている。

[0073] 上述したように本実施形態でも、上記第 1〜第 3の実施形態と同様に、簡易な構成で、電源電圧変動や外部雑音に対する安定性を保持しながら、広帯域に渡るマルチバンド動作を実現することができる。

[0074] (第 5の実施形態）

図 17は、本発明の第 5の実施形態による交差結合型電圧制御発振器の構成を示す回路図である。なお、図 17において、図 16の第 4の実施形態と同一部には同一の符号を付してある。 [0075] 図 17を参照すると、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器は、図 16に示した交差結合型電圧制御発振器における抵抗 17を電流源 22に置換している。なお、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器の動作は第 4の実施形態とほぼ同じなので説明は省略する。

[0076] (第 6の実施形態）

図 18は、本発明の第 1〜第 5の実施形態の交差結合型電圧制御発振器を適用した位相ロックループ（PLL)回路の一構成例を示すブロック図である。

[0077] 図 18を参照すると、本実施形態に係る PLL回路は、信号入力端子 23、信号出力端子 24、位相比較回路 25、ループフィルタ (LPF) 26、および第 1〜第 5の実施形態のいずれかの交差結合型電圧制御発振器 27から構成されている。なお、交差結合型電圧制御発振器 27の出力は差動出力であるが、ここでは簡単のため、出力端子 3 a, 3bをまとめて出力端子 3として示している。

[0078] 位相比較回路 25は、信号入力端子 23から入力された信号の位相を、交差結合型電圧制御発振器 27の出力端子 3から帰還された信号の位相と比較し、その位相差を出力する。この出力は、ループフィルタ (LPF) 26を通って交差結合型電圧制御発振器 27の制御端子 2に入力される。

[0079] このように、本実施形態に係る PLL回路は、信号入力端子 23から入力された信号の位相と交差結合型電圧制御発振器 27の出力信号の位相とがー致するように動作する。

[0080] そして、本実施形態に係る PLL回路は、電圧制御発振器 27の中心周波数制御端子 4に中心周波数制御電圧 V を印加することによりマルチバンド動作が可能となり

tune

、複数周波数帯での動作が可能となる。

[0081] (第 7の実施形態）

図 19は、本発明の第 1〜第 5の実施形態の交差結合型電圧制御発振器を適用したクロック ·データ再生（CDR)回路の構成を示すブロック図である。

[0082] 図 19を参照すると、本実施形態に係る CDR回路は、位相比較回路 25、ループフィルタ (LPF) 26、第 1〜第 5の実施形態のいずれかの交差結合型電圧制御発振器 27

、データ信号入力端子 28、再生クロック信号出力端子 29、再生データ信号出力端子 30、 90° (1Z2ビット分)だけ位相を遅らせる遅延回路 31、および Dタイプーフリップ 'フロップ回路 32から構成されている。なお、交差結合型電圧制御発振器 27の出力は差動出力であるが、ここでは簡単のため、出力端子 3a, 3bをまとめて出力端子 3として示している。

[0083] データ信号入力端子 28から入力されたデータ信号は、遅延回路 31に入力されると同時に Dタイプ—フリップ'フロップ回路 32のデータ入力端子 Dに入力される。 Dタイプ―フリップ'フロップ回路 32のクロック入力端子 CLKには交差結合型電圧制御発振器 27の出力端子 3から帰還された信号が入力される。位相比較回路 25は、遅延回路 31から出力された信号と Dタイプ—フリップ'フロップ回路 32から出力された信号の位相を比較し、その位相差を出力する。この出力は、ループフィルタ (LPF) 26 を介して交差結合型電圧制御発振器 27の制御端子 2に入力される。交差結合型電圧制御発振器 27の出力端子 3からの信号は、再生クロック信号出力端子 29から再生クロック信号として出力される。

[0084] 本実施形態に係る CDR回路は、電圧制御発振器 27の中心周波数制御端子 4に中心周波数制御電圧 V を印加することによりマルチバンド動作が可能となり、複数

tune

ビットレートでの動作が可能となる。

[0085] (第 8の実施形態）

図 20は、本発明の第 1〜第 5の実施形態の交差結合型電圧制御発振器を適用した位相ロックループ（PLL)回路の他の構成例を示すブロック図である。なお、図 20 において、図 18の第 6の実施形態と同一部には同一の符号を付してある。

[0086] 図 20を参照すると、本実施形態に係る PLL回路は、図 18の第 6の実施形態と比較して、電圧制御発振器 27の制御端子 2および中心周波数制御端子 4の接続を交換している。すなわち、制御端子 2であっても、中心周波数制御端子 4であっても出力周波数を可変できるので、制御端子 2と中心周波数制御端子 4の役目を交換しても動作させることができる。その他は、第 6の実施形態と同じなので詳細な説明は省略する。

[0087] (第 9の実施形態）

図 21は、本発明の第 1〜第 5の実施形態の交差結合型電圧制御発振器を適用したクロック 'データ再生（CDR)回路の他の構成例を示すブロック図である。なお、図 2 1において、図 19の第 7の実施形態と同一部には同一の符号を付してある。

[0088] 図 21を参照すると、本実施形態に係る CDR回路は、図 19の第 7の実施形態と比較して、電圧制御発振器 27の制御端子 2および中心周波数制御端子 4の接続を交換している。すなわち、制御端子 2であっても、中心周波数制御端子 4であっても出力周波数を可変できるので、制御端子 2と中心周波数制御端子 4の役目を交換しても動作させることができる。その他は、第 7の実施形態と同じなので詳細な説明は省略する。

[0089] なお、第 1〜第 9の実施形態の交差結合型電圧制御発振器、 PLL回路、および C DR回路は、携帯電話などの移動通信機器、テレビ受像機などの受像機、ラジオ受信機、テレビ付ディスプレイ'モニタ、各種映像装置 (ディスプレイ装置）、パソコンを含む各種コンピュータ装置、データ伝送装置、その他各種電子機器などにおける、チューナ一部、復調部、その他のマルチバンド動作が必要な部分に使用することができる。

[0090] また、第 1〜第 9の実施形態の交差結合型電圧制御発振器、 PLL回路、および CD R回路は、 ICなど、 1チップィ匕した半導体装置 (半導体デバイス)として製造することができる。そうすれば、各応用分野に安価な部品として供給することができる。

[0091] また、第 1〜第 9の実施形態においては、能動素子としてバイポーラトタンジスタを使用した例を示したが、 MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Tra nsistor)、 HEMT (HIGH Electron Mobility Transistor)、 MOSFET (Meta 1 Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の電界効果トランジスタを使用した場合も、同様の構成で同様の効果を実現することができる。この場合は、上記の実施形態の説明で、ベースがゲートに、ェミッタがソースに、コレクタがドレインに読み替えられる。

[0092] また、第 1〜第 9の実施形態においては、交差結合トランジスタとして npnトランジスタを使用したが、 pnpトランジスタを使用することもできる。

[0093] また、第 1〜第 9の実施形態においては、制御端子 2や中心周波数制御端子 4から入力される電圧がデジタル信号である場合、最小ビットの分解能 (例えば、 8ビット信号なら 1Z256)の範囲で離散的な動作が行われることになる。これは、上記の実施形態では電圧が連続的に供給されるとみなし、周波数変化も連続的であるとしているためである。

[0094] 以上、本発明を、具体的な実施形態を用いて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されることはなぐ本発明の要旨を変更しない範囲で変形して実施できることは言うまでもない。

[0095] また、本発明は、電圧制御発振器を適用する電子装置に、連続的なマルチバンド動作が可能な電圧制御発振器として広く利用できる。

Claims

請求の範囲

[1] 周波数制御端子と可変容量とトランジスタとを備え、前記周波数制御端子から供給される電圧に応じて出力周波数を可変する電圧制御発振器において、

前記周波数制御端子は、

前記可変容量の容量を変化させて前記出力周波数を制御するための電圧が供給される第 1の周波数制御端子と、

前記トランジスタの特性を変化させて前記出力周波数の中心周波数を制御するための電圧が供給される第 2の周波数制御端子とを含む電圧制御発振器。

[2] 前記トランジスタは、コレクタ端子とベース端子とを互いに交差結合させた 2つの交差結合トランジスタを構成し、

前記可変容量は、インダクタと共に共振回路を構成し、

前記共振回路が前記交差結合トランジスタにより励振されるように構成されている、請求項 1に記載の電圧制御発振器。

[3] 前記第 2の周波数制御端子は、前記交差結合トランジスタのベースの接合容量を可変する電圧が供給される、請求項 2に記載の電圧制御発振器。

[4] トランジスタと LCタンクとを備え、前記トランジスタにより前記 LCタンクを励振して発振させて出力周波数を可変する電圧制御発振器において、

前記 LCタンクを励振して発振させて前記出力周波数を可変する第 1の周波数制御手段と、

前記トランジスタの特性を変化させて前記出力周波数を可変する第 2の周波数制御手段とをさらに備える電圧制御発振器。

[5] 前記第 2の周波数制御手段は、前記トランジスタのベース端子またはゲート端子の電圧を変化させて前記出力周波数を可変する、請求項 4に記載の電圧制御発振器

[6] 互いに交差結合させた 2つの交差結合トランジスタと、インダクタおよび可変容量からなる LCタンクとを備え、前記交差結合トランジスタにより前記 LCタンクを励振して発振させて出力周波数を可変する電圧制御発振器において、

前記可変容量の容量を変化させて前記出力周波数を可変する第 1の周波数制御手段と、

前記交差結合トランジスタのベース端子またはゲート端子の電圧を変化させて前記出力周波数を可変する第 2の周波数制御手段とをさらに備える電圧制御発振器。

[7] コレクタ端子とベース端子とを互いに交差結合させた 2つの交差結合トランジスタと、インダクタおよび可変容量力なる LCタンクと、前記可変容量の容量を可変して前記 LCタンクの共振周波数を可変するための制御電圧が供給される制御端子とを備え、前記交差結合トランジスタにより前記 LCタンクを励振して発振させると共に、前記制御電圧により前記出力周波数を制御する電圧制御発振器において、

前記交差結合トランジスタのベース端子またはゲート端子の電圧を変化させて、前記制御電圧により制御された前記出力周波数の中心周波数を制御する中心周波数制御手段をさらに備える電圧制御発振器。

[8] 前記中心周波数制御手段は、中心周波数制御端子力供給された中心周波数制御電圧を分圧して前記 2つの交差結合トランジスタのそれぞれのベース端子またはゲート端子に印加するための分圧回路を含む、請求項 7に記載の電圧制御発振器。

[9] 前記中心周波数制御手段は、

前記 2つの交差結合トランジスタのそれぞれのベース端子またはゲート端子に一端が接続され、他端同士が接続された 2つの抵抗と、

前記 2つの抵抗の他端同士が接続された接続点に一端が接続され、他端が接地された接地容量と、

前記 2つの抵抗の他端同士が接続された接続点に一端が接続され、他端が中心周波数制御電圧を供給する中心周波数制御端子に接続され、前記中心周波数制御電圧を分圧する分圧回路とを含む、請求項 7に記載の電圧制御発振器。

[10] 出力周波数を制御する制御端子と、前記出力周波数の中心周波数を制御する中心周波数制御端子とを備えた電圧制御発振器において、

交差結合させた 2つの交差結合トランジスタのベース端子またはゲート端子と前記中心周波数制御端子との間に配置され、前記中心周波数制御端子から前記交差結合トランジスタのベース端子またはゲート端子に印加される電圧を変化させて前記出力周波数を制御する中心周波数制御回路をさらに備える電圧制御発振器。

[11] 前記中心周波数制御回路は、

前記 2つの交差結合トランジスタのそれぞれのベース端子またはゲート端子に接続された 2つの抵抗と、

前記 2つの抵抗と前記中心周波数制御端子との間に一端が接続され、他端が接地された容量とを含む、請求項 10に記載の電圧制御発振器。

[12] 前記中心周波数制御端子と前記抵抗との間に配置された分圧回路をさらに含む、請求項 11に記載の電圧制御発振器。

[13] 前記中心周波数制御回路は、

前記 2つの交差結合トランジスタのそれぞれのベース端子またはゲート端子に接続され、所定の発振周波数範囲内の任意の周波数において 1Z4波長の電気長を有する 2つの伝送線路と、

前記 2つの伝送線路と前記中心周波数制御端子との間に一端が接続され、他端が接地された容量とを含む、請求項 10に記載の電圧制御発振器。

[14] 前記中心周波数制御端子と前記伝送線路との間に配置された分圧回路をさらに含む、請求項 13に記載の電圧制御発振器。

[15] 前記トランジスタのェミッタ端子またはソース端子に接続された抵抗と、

前記抵抗と電源端子とが接続された接続点に一端が接続され、他端が接地された容量とをさらに備える、請求項 1に記載の電圧制御発振器。

[16] 可変容量とトランジスタとを備えた電圧制御発振器の周波数制御方法において、前記可変容量の容量を変化させて出力周波数を制御し、

前記トランジスタの特性を変化させて前記出力周波数の中心周波数を制御する方法。

[17] トランジスタにより LCタンクを励振して発振させて出力周波数を可変する電圧制御発振器の周波数制御方法にぉ、て、

前記 LCタンクを励振して発振させて前記出力周波数を可変し、

前記トランジスタの特性を変化させて前記出力周波数を可変する方法。

[18] 互いに交差結合させた 2つの交差結合トランジスタにより LCタンクを励振して発振させて出力周波数を可変する電圧制御発振器の周波数制御方法において、可変容量の容量を変化させて前記出力周波数を可変し、

前記交差結合トランジスタのベース端子またはゲート端子の電圧を変化させて前記出力周波数を可変する方法。

[19] コレクタ端子とベース端子とを互いに交差結合させた 2つの交差結合トランジスタにより、インダクタおよび可変容量力もなる LCタンクを励振して発振させると共に、制御電圧により出力周波数を制御する電圧制御発振器の周波数制御方法において、前記交差結合トランジスタのベース端子またはゲート端子の電圧を変化させて、前記制御電圧により制御された前記出力周波数の中心周波数を制御する方法。

[20] 交差結合させた 2つのトランジスタのベース端子またはゲート端子と中心周波数制御端子との間に中心周波数制御回路を備えた電圧制御発振器の周波数制御方法において、

前記中心周波数制御端子力前記中心周波数制御回路を介して供給される前記トランジスタのベース端子またはゲート端子の電圧を変化させて出力周波数の中心周波数を制御する方法。