WO2009119042A1 - 電圧制御発振器、並びにそれを用いたｐｌｌ回路及び無線通信機器 - Google Patents

電圧制御発振器、並びにそれを用いたｐｌｌ回路及び無線通信機器 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a voltage controlled oscillator used for generating a local oscillation signal of a wireless communication device, a PLL circuit using the same, and a wireless communication device.
  • Voltage controlled oscillators are widely used as a means for generating a local oscillation signal of a wireless communication device.
  • this voltage controlled oscillator is manufactured as a high frequency IC, it is necessary to widen the range of the oscillation frequency in order to absorb the variation of the component generated in the semiconductor manufacturing process. Further, in recent years, in order to support communication systems using different frequency bands, it is necessary to be able to adjust the oscillation frequency of the voltage control oscillator in a wide frequency range.
  • FIG. 13 is a diagram showing a configuration example of a conventional voltage control oscillator 1d in which the range of the oscillation frequency is widened (for example, Patent Document 1).
  • a conventional voltage control oscillator 1 d includes an inductor circuit including an inductor 3, a first variable capacitance circuit including a variable capacitance element 4, a second variable capacitance circuit including a variable capacitance element 5, and a variable capacitance
  • a third variable capacitance circuit composed of the element 6, a negative resistance circuit composed of the transistor 9, a bias circuit 16, and switches 54 and 55 are provided.
  • the inductor circuit, the first to third variable capacitance circuits, and the negative resistance circuit are connected in parallel with one another to form an oscillation circuit.
  • the conventional voltage control oscillator 1d switches the connection destination of at least one of the two capacitance control elements 5 and 6 connected in parallel by the switch 54 or 55.
  • a plurality of types of oscillation frequency characteristics are obtained which cover different oscillation frequency ranges according to the switched connection destination and suppress the frequency sensitivity to a small value indicating the change rate of the oscillation frequency with respect to the frequency control potential.
  • variable voltage elements 5 and 6 are all targets to be controlled by switching the switches 54 and 55 in order to cover a wide oscillation frequency range. For this reason, it has the following problems.
  • variable capacitance element when used as a fixed capacitance, even if the voltage applied to the variable capacitance elements 5 and 6 is 0 V or Vdd, the potential difference between both ends of the variable capacitance element is determined by the oscillation amplitude on the resonance line side. Reach the changing area. Therefore, there is a problem that the phase noise characteristic is deteriorated when noise is added to the power supply voltage or the control potential. Therefore, it is desirable to reduce the number of variable capacitance elements used as the fixed capacitance as much as possible.
  • variable capacitance element (dotted line in the figure) using the MOS transistor has a smaller change ratio of capacitance as compared with the capacitance switch circuit (solid line in the figure). For this reason, a voltage controlled oscillator using all variable capacitive elements has a problem that the frequency variable range is narrowed as compared with a voltage controlled oscillator including a capacitive switch circuit. Therefore, it is desirable to use the capacitive switch circuit effectively.
  • an object of the present invention is to provide a voltage controlled oscillator capable of variably controlling the oscillation frequency over a wide range while maintaining low frequency sensitivity while suppressing deterioration of phase noise characteristics, and a PLL using the voltage controlled oscillator.
  • a circuit and a wireless communication device are provided.
  • the present invention is directed to a voltage controlled oscillator, and a PLL circuit and a wireless communication device using the voltage controlled oscillator.
  • the voltage controlled oscillator of the present invention comprises an inductor circuit having an inductor, a plurality of variable capacitance circuits each having a variable capacitance element, at least one capacitance switch circuit, and a negative resistance circuit. And a frequency sensitivity control unit that applies a control potential and a control signal to the plurality of variable capacitance circuits and the at least one capacitance switch circuit.
  • the inductor circuit, the plurality of variable capacitance circuits, the at least one capacitance switch circuit, and the negative resistance circuit are connected in parallel.
  • the frequency sensitivity control unit fixedly applies a control potential for feedback control of the oscillation frequency to at least one of the plurality of variable capacitance circuits, and at least one of the other at least one of the plurality of variable capacitance circuits. Either the control potential or the control signal is switched and applied based on at least one control signal applied to the capacitive switch circuit.
  • the frequency sensitivity control unit causes the control signal to be applied to at least one of the plurality of variable capacitance circuits when a low level control signal that does not turn on the switch is applied to all of the at least one capacitance switch circuit. It is preferred to apply. In addition, it is preferable that the frequency sensitivity control unit apply a control potential to all of the plurality of variable capacitance circuits when a high level control signal to turn on the switch is applied to all of at least one capacitance switch circuit. .
  • the control signals applied to at least one other of the plurality of variable capacitance circuits are two types of potentials, low level and high level.
  • at least one of the variable capacitance elements of the n variable capacitance circuits is configured of an inversion type MOS or an accumulation type MOS.
  • the present invention it is possible to variably control the oscillation frequency over a wide range while maintaining low frequency sensitivity while suppressing deterioration of phase noise characteristics.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a voltage control oscillator 101 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A illustrates the frequency characteristics of a conventional voltage controlled oscillator.
  • FIG. 2B illustrates the frequency sensitivity characteristic of a conventional voltage controlled oscillator.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining frequency characteristics of the voltage control oscillator 101 according to the first embodiment.
  • FIG. 3B is a diagram for explaining the frequency sensitivity characteristic by the voltage control oscillator 101 of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing a detailed configuration of the frequency sensitivity control unit 180 in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a voltage control oscillator 102 according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a diagram for explaining the frequency characteristic by the voltage control oscillator 102 of the second embodiment.
  • FIG. 6B is a diagram for explaining frequency sensitivity characteristics by the voltage control oscillator 102 of the second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a detailed configuration of the frequency sensitivity control unit 180 in the second embodiment.
  • FIG. 8A shows a configuration of a voltage controlled oscillator 103 according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8B is a diagram showing detailed connections inside the frequency sensitivity control unit 180 of FIG. 8A.
  • FIG. 8C is a diagram showing another detailed connection inside the frequency sensitivity control unit 180 of FIG. 8A.
  • FIG. 9A is a diagram for explaining the frequency characteristic by the voltage control oscillator 103 of the third embodiment.
  • FIG. 9A is a diagram for explaining the frequency characteristic by the voltage control oscillator 103 of the third embodiment.
  • FIG. 9B is a diagram for explaining the frequency sensitivity characteristic by the voltage control oscillator 103 of the third embodiment.
  • FIG. 10A illustrates another variable capacitance circuit that can be used for the voltage controlled oscillator of the present invention.
  • FIG. 10B illustrates another variable capacitance circuit that can be used for the voltage controlled oscillator of the present invention.
  • FIG. 10C illustrates another variable capacitance circuit that can be used for the voltage controlled oscillator of the present invention.
  • FIG. 10D illustrates another variable capacitance circuit that can be used for the voltage controlled oscillator of the present invention.
  • FIG. 10E illustrates another capacitive switch circuit that can be used for the voltage controlled oscillator of the present invention.
  • FIG. 10A illustrates another variable capacitance circuit that can be used for the voltage controlled oscillator of the present invention.
  • FIG. 10B illustrates another variable capacitance circuit that can be used for the voltage controlled oscillator of the present invention.
  • FIG. 10C illustrates another variable capacitance circuit that
  • FIG. 11 is a diagram showing the configuration of a PLL circuit 300 using the voltage controlled oscillator of the present invention.
  • FIG. 12 shows a configuration of a wireless communication device using the PLL circuit of FIG.
  • FIG. 13 shows a configuration of a conventional voltage controlled oscillator 1d.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the problems of the conventional voltage controlled oscillator 1d.
  • FIG. 1 is a view showing a configuration example of a voltage control oscillator 101 according to a first embodiment of the present invention. However, bias circuits and the like are omitted.
  • a voltage control oscillator 101 according to the first embodiment includes an inductor circuit 110, a first variable capacitance circuit 120, a second variable capacitance circuit 130, a first capacitance switch circuit 140, and a second control signal. And a negative resistance circuit 160, a current source 170, and a frequency sensitivity control unit 180.
  • the inductor circuit 110, the first variable capacitance circuit 120, the second variable capacitance circuit 130, the first capacitance switch circuit 140, the second capacitance switch circuit 150, and the negative resistance circuit 160 are connected in parallel to one another and oscillated. Configure the circuit.
  • Inductor circuit 110 includes inductors 111 and 112 connected in series, and a connection point between inductor 111 and inductor 112 is supplied with power supply potential Vdd.
  • the negative resistance circuit 160 is configured such that two transistors 161 and 162 are cross-coupled to each other.
  • the transistors 161 and 162 are suitably MOS transistors or bipolar transistors.
  • the first variable capacitance circuit 120 is configured of variable capacitance elements 121 and 122 connected in series, and control for feedback control of the oscillation frequency is made to a connection point A between the variable capacitance element 121 and the variable capacitance element 122.
  • a potential Vt is applied.
  • the second variable capacitance circuit 130 includes variable capacitance elements 131 and 132 connected in series, and control is performed via a frequency sensitivity control unit 180 at a connection point B between the variable capacitance element 131 and the variable capacitance element 132.
  • the potential Vt or the control signal Fsel1 is applied.
  • the variable capacitance elements 121, 122, 131, and 132 are variable capacitance elements using a gate capacitance used in a CMOS process.
  • the first capacitance switch circuit 140 includes a MOS transistor 143 and capacitors 141 and 142 connected to the drain and source of the MOS transistor 143, respectively, and the control signal Fsel2 is applied to the gate of the MOS transistor 143.
  • Second capacitance switch circuit 150 includes MOS transistor 153, and capacitors 151 and 152 connected to the drain and source of MOS transistor 153, respectively, and control signal Fsel3 is applied to the gate of MOS transistor 153.
  • the first and second capacitive switch circuits 140 and 150 constitute a band switching circuit.
  • FIGS. 2A to 9B An example of a specific operation of the voltage controlled oscillator 101 according to the first embodiment configured as described above will be further described using FIGS. 2A to 9B.
  • the frequency variable range of the voltage control oscillator 101 is the high level (logical value 1) / low level (logical value 0) of the control signal Fsel2 applied to the first capacitance switch circuit 140, and the second capacitance switch.
  • the inductance value L is constant.
  • the fixed capacitance value Cc is different among the four frequency ranges a to d, the frequency range a having the highest oscillation frequency is the smallest, and the frequency range d having the lowest oscillation frequency is the largest.
  • the variable capacitance value Cv has the same value even if the frequency ranges a to d change if the control potential Vt is constant. For this reason, in the above equation, in the frequency range d where the oscillation frequency f is the lowest, the capacitance value ratio Cv / (Cc + Cv) of the variable capacitance value Cv to the total capacitance value Cc + Cv becomes the smallest and the frequency sensitivity becomes low. On the other hand, in the frequency range a where the oscillation frequency f is the highest, the capacitance value ratio Cv / (Cc + Cv) becomes the largest and the frequency sensitivity becomes high.
  • the frequency sensitivity control unit 180 when the frequency range selected by the first and second capacitance switch circuits 140 and 150 is high by the frequency sensitivity control unit 180, control is applied to the connection point B of the second variable capacitance circuit 130.
  • the second variable capacitance circuit 130 is used as a band switching circuit by switching the potential Vt to the control signal Fsel1, that is, causing the second variable capacitance circuit 130 to function as a fixed capacitance circuit.
  • the frequency sensitivity control unit 180 applies the control signal Fsel1 to the connection point B of the second variable capacitance circuit 130 when the control signals Fsel2 and Fsel3 fall to the high frequency range a where the control signals Fsel2 and Fsel3 are both low. Switch to low level.
  • the high frequency variable range a is separated into two, a variable range ah (logical value 000) based on the upper frequency and a variable range al (logical value 001) based on the lower frequency. (Figure 3A).
  • the frequency sensitivity can be suppressed without narrowing the high frequency variable range a (FIG. 3B).
  • FIG. 3B A specific circuit example of the frequency sensitivity control unit 180 for realizing this embodiment is shown in FIG. Note that “*” described in FIG. 3A and FIG. 4 indicates that the logic value may be either 1 or 0.
  • FIG. 5 is a view showing a configuration example of a voltage control oscillator 102 according to a second embodiment of the present invention. However, bias circuits and the like are omitted.
  • the voltage control oscillator 102 of the second embodiment has a configuration in which a third variable capacitance circuit 135 is added to the voltage control oscillator 101 of the first embodiment.
  • the third variable capacitance circuit 135 includes variable capacitance elements 136 and 137 connected in series, and control is performed via a frequency sensitivity control unit 180 at a connection point C between the variable capacitance element 136 and the variable capacitance element 137.
  • the potential Vt or the control signal Fsel1 is applied.
  • the frequency sensitivity control unit 180 applies the control potential Vt or the control signal Fsel1 to the connection point C of the third variable capacitance circuit 135, thereby varying the third variable capacitance circuit 135. Not only as a capacitance circuit but also as a band switching circuit is performed.
  • the frequency sensitivity control unit 180 applies the control signal Fsel1 to the connection point B of the second variable capacitance circuit 130 when the control signals Fsel2 and Fsel3 fall to the high frequency range a where the control signals Fsel2 and Fsel3 are both low. Switch to low level.
  • the control signal Fsel1 is applied to the connection point C of the third variable capacitance circuit 135.
  • the frequency sensitivity control unit 180 applies the control signal Fsel1 to the connection point C of the third variable capacitance circuit 135 when the control signal Fsel2 is in the high frequency range b where the control signal Fsel2 is high and the Fsel3 is low. , Switch between high level and low level.
  • the control potential Vt is applied to the connection point B of the second variable capacitance circuit 130.
  • the frequency variable range a is separated into two, a variable range ah (logical value 000) based on the upper frequency and a variable range al (logical value 001) based on the lower frequency.
  • the frequency variable range b is divided into two: a variable range bh (logical value 010) based on the upper frequency and a variable range bl (logical value 011) based on the lower frequency (FIG. 6A).
  • the frequency sensitivity can be suppressed without narrowing the high frequency variable ranges a and b (FIG. 6B).
  • FIG. 6B A specific circuit example of the frequency sensitivity control unit 180 for realizing this embodiment is shown in FIG. Note that “*” described in FIG. 6A and FIG. 7 indicates that the logic value may be either 1 or 0.
  • the configurations of the voltage controlled oscillators 101 and 102 shown in FIGS. 1 and 5 are merely examples.
  • the voltage controlled oscillator according to the present invention only needs to have a configuration including two or more variable capacitance circuits and at least one capacitance switch circuit.
  • the following control is possible using the configurations shown in FIGS. 8A to 8C. It is.
  • the high band signal output from the voltage controlled oscillator is low band via a 1 / n divider. Convert to a signal.
  • the frequency sensitivity of the band can be about 1/2 of the low band ( Figures 9A and 9B).
  • variable capacitance circuit of the voltage control oscillator of the present invention uses a configuration (FIGS. 10A to 10D) using an inversion type or accumulation type MOS transistor or C coupling other than the configuration shown in FIG. It is also possible. Further, the capacitance switch circuit of the voltage controlled oscillator of the present invention can also use the configuration shown in FIG. 10E other than the configuration shown in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of a PLL circuit 300 using the voltage controlled oscillators 101 to 103 according to the first to third embodiments of the present invention.
  • the PLL circuit 300 includes a phase comparator 301, a loop filter 302, a voltage control oscillator 303 of the present invention, and a frequency divider 304.
  • the phase comparator 301 compares the input reference signal with the signal obtained by dividing the output signal of the voltage control oscillator 303 by the divider 304.
  • the signal output from phase comparator 301 is input as a control potential Vt to voltage control oscillator 303 via loop filter 302.
  • the voltage control oscillator 303 outputs a signal of a desired frequency based on the control potential Vt. With this configuration, the PLL circuit 300 locks (locks) the desired frequency.
  • a mixer may be used instead of the divider 304, or the divider 304 and the mixer may be used in combination.
  • FIG. 12 is a view showing a configuration example of a wireless communication device 400 using the PLL circuit 300.
  • the wireless communication device 400 includes an antenna 401, a power amplifier 402, a modulator 403, a switch 404, a low noise amplifier 405, a demodulator 406, and a PLL circuit 300.
  • the modulator 403 When transmitting a wireless signal, the modulator 403 modulates a desired high frequency signal output from the PLL circuit 300 with a baseband modulation signal and outputs it.
  • the high frequency modulation signal output from the modulator 403 is amplified by the power amplifier 402 and emitted from the antenna 401 via the switch 404.
  • the high frequency modulation signal received from the antenna 401 is input to the low noise amplifier 405 via the switch 404, amplified, and input to the demodulator 406.
  • the demodulator 406 demodulates the input high frequency modulation signal into a baseband modulation signal by the high frequency signal output from the PLL circuit 300.
  • the PLL circuit 300 may be used on each of the transmission side and the reception side. Also, the PLL circuit 300 may double as a modulator.
  • the oscillation frequency can be variably controlled over a wide range while maintaining low frequency sensitivity while suppressing deterioration of phase noise characteristics. It is possible to
  • the voltage controlled oscillator of the present invention can be used to generate a local oscillation signal of a wireless communication device, etc., and in particular, when variably controlling the oscillation frequency over a wide range with low frequency sensitivity while suppressing deterioration of phase noise characteristics. Useful for etc.

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Abstract

　第１及び第２の可変容量回路１２０及び１３０と、第１及び第２の容量スイッチ回路１４０及び１５０とを備える。第１の可変容量回路１２０には制御電位Ｖｔが、第１及び第２の容量スイッチ回路１４０及び１５０には制御信号Ｆｓｅｌ２及びＦｓｅｌ３が、固定的に印加される。第２の可変容量回路１３０には、制御信号Ｆｓｅｌ２及びＦｓｅｌ３が共にローレベルとなる場合には制御信号Ｆｓｅｌ１が、それ以外の場合には制御電位Ｖｔが、印加される。この制御により、高い周波数の可変範囲が、上側周波数を基準とする可変範囲と下側周波数を基準とする可変範囲との２つに分離され、高い周波数の可変範囲を狭くすることなく、周波数感度を抑えることができる。

Description

電圧制御発振器、並びにそれを用いたＰＬＬ回路及び無線通信機器
　本発明は、無線通信機器の局部発振信号の生成等に用いられる電圧制御発振器、並びにそれを用いたＰＬＬ回路及び無線通信機器に関する。
　電圧制御発振器は、無線通信機器の局部発振信号を発生させる手段として広く使用されている。この電圧制御発振器は、高周波ＩＣとして製造される場合、半導体製造プロセスで生じる構成要素のばらつきを吸収するため、発振周波数の範囲を広くする必要があった。また、近年では異なる周波数帯を使用する通信システムに対応するため、電圧制御発振器の発振周波数を、広い周波数範囲で調整できる必要が生じている。
　図１３は、発振周波数の範囲を広くした従来の電圧制御発振器１ｄの構成例を示す図である（例えば、特許文献１）。図１３において、従来の電圧制御発振器１ｄは、インダクタ３からなるインダクタ回路と、可変容量素子４からなる第１の可変容量回路と、可変容量素子５からなる第２の可変容量回路と、可変容量素子６からなる第３の可変容量回路と、トランジスタ９からなる負性抵抗回路と、バイアス回路１６と、スイッチ５４及び５５を備える。インダクタ回路、第１～第３の可変容量回路、及び負性抵抗回路は、互いに並列接続されて発振回路を構成する。
　この従来の電圧制御発振器１ｄは、並列に設けられた２つ可変容量素子５及び６のうち、少なくとも一方の容量値制御端子の接続先をスイッチ５４又は５５によって切り替える。これにより、切り替えた接続先に応じて異なる発振周波数範囲をカバーして、周波数制御電位に対する発振周波数の変化率を示す周波数感度を小さく抑えた複数種類の発振周波数特性を得ている。
特開２００７－１０４１５２号公報
　しかしながら、上記従来の電圧制御発振器１ｄは、広い発振周波数範囲をカバーするためにスイッチ５４及び５５を切り替えて制御する対象が、全て可変容量素子５及び６である。このため、次の問題を有している。
　第１に、可変容量素子を固定容量として使用する場合、可変容量素子５及び６に印加される電圧を０Ｖ又はＶｄｄにしても共振ライン側の発振振幅によって、可変容量素子の両端電位差は容量が変化する領域に達する。このため、電源電圧や制御電位にノイズが加わった場合に、位相雑音特性が劣化してしまうという問題がある。よって、固定容量として使用する可変容量素子の数は、できるだけ少なくする方が望ましい。
　第２に、図１４に示すように、ＭＯＳトランジスタを用いた可変容量素子（図中の点線）は、容量スイッチ回路（図中の実線）と比較して容量の変化比が小さい。このため、全て可変容量素子を用いた電圧制御発振器は、容量スイッチ回路を含んだ電圧制御発振器と比較して、周波数可変範囲が狭くなるという問題がある。よって、容量スイッチ回路を有効に使用することが望ましい。
　それ故に、本発明の目的は、位相雑音特性の劣化を抑制しつつ、低い周波数感度のまま広い範囲にわたって発振周波数を可変制御することが可能な電圧制御発振器、並びにその電圧制御発振器を用いたＰＬＬ回路及び無線通信機器を提供することである。
　本発明は、電圧制御発振器、並びにその電圧制御発振器を用いたＰＬＬ回路及び無線通信機器に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の電圧制御発振器は、インダクタを有するインダクタ回路と、それぞれ可変容量素子を有する複数の可変容量回路と、少なくとも１つの容量スイッチ回路と、負性抵抗回路と、複数の可変容量回路及び少なくとも１つの容量スイッチ回路に、制御電位及び制御信号を印加する周波数感度制御部とを備える。このインダクタ回路、複数の可変容量回路、少なくとも１つの容量スイッチ回路、及び負性抵抗回路は、並列に接続される。周波数感度制御部は、複数の可変容量回路の少なくとも１つに、発振周波数をフィードバック制御するための制御電位を固定的に印加し、複数の可変容量回路の他の少なくとも１つに、少なくとも１つの容量スイッチ回路に印加される少なくとも１つの制御信号に基づいて、制御電位及び制御信号のいずれかを切り替えて印加する。
　この構成において、周波数感度制御部は、少なくとも１つの容量スイッチ回路の全てにスイッチをオンさせないローレベルの制御信号が印加された場合に、複数の可変容量回路の他の少なくとも１つに制御信号を印加することが、好ましい。また、周波数感度制御部は、少なくとも１つの容量スイッチ回路の全てにスイッチをオンさせるハイレベルの制御信号が印加された場合に、複数の可変容量回路の全てに制御電位を印加することが、好ましい。なお、複数の可変容量回路の他の少なくとも１つに印加される制御信号は、ローレベルとハイレベルの２種類の電位である。また、好ましくは、ｎ個の可変容量回路の可変容量素子の少なくとも１つが、Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ型ＭＯＳ又はＡｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ型ＭＯＳで構成されている。
　本発明によれば、位相雑音特性の劣化を抑制しつつ、低い周波数感度のまま広い範囲にわたって発振周波数を可変制御することが可能となる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電圧制御発振器１０１の構成例を示す図 図２Ａは、従来の電圧制御発振器の周波数特性を説明する図 図２Ｂは、従来の電圧制御発振器の周波数感度特性を説明する図 図３Ａは、第１の実施形態の電圧制御発振器１０１による周波数特性を説明する図 図３Ｂは、第１の実施形態の電圧制御発振器１０１による周波数感度特性を説明する図 図４は、第１の実施形態における周波数感度制御部１８０の詳細な構成を示す図 図５は、本発明の第２の実施形態に係る電圧制御発振器１０２の構成例を示す図 図６Ａは、第２の実施形態の電圧制御発振器１０２による周波数特性を説明する図 図６Ｂは、第２の実施形態の電圧制御発振器１０２による周波数感度特性を説明する図 図７は、第２の実施形態における周波数感度制御部１８０の詳細な構成を示す図 図８Ａは、本発明の第３の実施形態に係る電圧制御発振器１０３の構成を示す図 図８Ｂは、図８Ａの周波数感度制御部１８０内部の詳細な接続を示す図 図８Ｃは、図８Ａの周波数感度制御部１８０内部の他の詳細な接続を示す図 図９Ａは、第３の実施形態の電圧制御発振器１０３による周波数特性を説明する図 図９Ｂは、第３の実施形態の電圧制御発振器１０３による周波数感度特性を説明する図 図１０Ａは、本発明の電圧制御発振器に使用可能な他の可変容量回路を説明する図 図１０Ｂは、本発明の電圧制御発振器に使用可能な他の可変容量回路を説明する図 図１０Ｃは、本発明の電圧制御発振器に使用可能な他の可変容量回路を説明する図 図１０Ｄは、本発明の電圧制御発振器に使用可能な他の可変容量回路を説明する図 図１０Ｅは、本発明の電圧制御発振器に使用可能な他の容量スイッチ回路を説明する図 図１１は、本発明の電圧制御発振器を用いたＰＬＬ回路３００の構成を示す図 図１２は、図１１のＰＬＬ回路を用いた無線通信機器の構成を示す図 図１３は、従来の電圧制御発振器１ｄの構成を示す図 図１４は、従来の電圧制御発振器１ｄの問題点を説明するための図
符号の説明
１０１～１０３、３０３　電圧制御発振器
１１０　インダクタ回路
１１１、１１２　インダクタ
１２０、１３０、１３５　可変容量回路
１２１、１２２、１３１、１３２、１３６、１３７　可変容量素子
１４０、１５０　容量スイッチ回路
１４１、１４２、１５１、１５２　容量
１４３、１５３、１６１、１６２　トランジスタ
１６０　負性抵抗回路
１７０　電流源
１８０　周波数感度制御部
３００　ＰＬＬ回路
３０１　位相比較器
３０２　ループフィルタ
３０４　分周器
４００　無線通信機器
４０１　アンテナ
４０２　電力増幅器
４０３　変調器
４０４　スイッチ
４０５　低雑音増幅器
４０６　復調器
　（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る電圧制御発振器１０１の構成例を示す図である。ただし、バイアス回路等は省略してある。図１において、第１の実施形態の電圧制御発振器１０１は、インダクタ回路１１０と、第１の可変容量回路１２０と、第２の可変容量回路１３０と、第１の容量スイッチ回路１４０と、第２の容量スイッチ回路１５０と、負性抵抗回路１６０と、電流源１７０と、周波数感度制御部１８０とを備える。インダクタ回路１１０、第１の可変容量回路１２０、第２の可変容量回路１３０、第１の容量スイッチ回路１４０、第２の容量スイッチ回路１５０、及び負性抵抗回路１６０は、互いに並列接続されて発振回路を構成する。
　インダクタ回路１１０は、直列に接続されたインダクタ１１１及び１１２で構成され、インダクタ１１１とインダクタ１１２との接続点には、電源電位Ｖｄｄが供給される。負性抵抗回路１６０は、２つのトランジスタ１６１及び１６２が互いにクロスカップリングされた構成である。このトランジスタ１６１及び１６２は、ＭＯＳトランジスタ又はバイポーラトランジスタが適している。
　第１の可変容量回路１２０は、直列に接続された可変容量素子１２１及び１２２で構成され、可変容量素子１２１と可変容量素子１２２との接続点Ａには、発振周波数をフィードバック制御するための制御電位Ｖｔが印加される。第２の可変容量回路１３０は、直列に接続された可変容量素子１３１及び１３２で構成され、可変容量素子１３１と可変容量素子１３２との接続点Ｂには、周波数感度制御部１８０を介して制御電位Ｖｔ又は制御信号Ｆｓｅｌ１が印加される。可変容量素子１２１、１２２、１３１、及び１３２は、ＣＭＯＳプロセスで用いられるゲート容量を利用した可変容量素子である。
　第１の容量スイッチ回路１４０は、ＭＯＳトランジスタ１４３と、ＭＯＳトランジスタ１４３のドレイン及びソースにそれぞれ接続される容量１４１及び１４２とで構成され、ＭＯＳトランジスタ１４３のゲートには、制御信号Ｆｓｅｌ２が印加される。第２の容量スイッチ回路１５０は、ＭＯＳトランジスタ１５３と、ＭＯＳトランジスタ１５３のドレイン及びソースにそれぞれ接続される容量１５１及び１５２とで構成され、ＭＯＳトランジスタ１５３のゲートには、制御信号Ｆｓｅｌ３が印加される。第１及び第２の容量スイッチ回路１４０及び１５０は、バンド切り替え回路を構成する。
　次に、上記のように構成された第１の実施形態に係る電圧制御発振器１０１における具体的な動作の一例を、さらに図２Ａ～図９Ｂを用いて説明する。
　まず、第１の可変容量回路１２０の接続点Ａ及び第２の可変容量回路１３０の接続点Ｂの両方に、制御電位Ｖｔが固定的に印加されている場合を考える。この場合、電圧制御発振器１０１の周波数可変範囲は、第１の容量スイッチ回路１４０に印加される制御信号Ｆｓｅｌ２のハイレベル（論理値１）／ローレベル（論理値０）と、第２の容量スイッチ回路１５０に印加される制御信号Ｆｓｅｌ３のハイレベル（論理値１）／ローレベル（論理値０）との組み合わせで得られる、４つの周波数範囲ａ（論理値００）、ｂ（論理値０１）、ｃ（論理値１０）、及びｄ（論理値１１）に基づいて決定される（図２Ａ）。このハイレベルとローレベルは、電源電圧（＝Ｖｄｄ）とグランド電圧（＝０Ｖ）が適している。
　しかし、この場合の電圧制御発振器１０１の周波数感度は、低い周波数範囲では感度が低く、高い周波数範囲で感度が高くなるという課題がある（図２Ｂ）。つまり、電圧制御発振器１０１の発振周波数ｆは、インダクタ回路１１０のインダクタンス値Ｌ、可変容量回路１２０及び１３０による可変容量値Ｃｖ、容量スイッチ回路１４０及び１５０の容量や負性抵抗回路１６０等で発生する寄生容量による固定容量値Ｃｃを用いて、次式で表される。
　　ｆ＝１／（２π×√（Ｌ×（Ｃｖ＋Ｃｃ）））
　ここで、インダクタンス値Ｌは、一定である。また、固定容量値Ｃｃは、４つの周波数範囲ａ～ｄで異なり、発振周波数が最も高い周波数範囲ａが最も小さく、発振周波数が最も低い周波数範囲ｄが最も大きい。なお、可変容量値Ｃｖは、制御電位Ｖｔが一定であれば周波数範囲ａ～ｄが変化しても、全て同じ値となる。このため、上式において、発振周波数ｆが最も低い周波数範囲ｄでは、可変容量値Ｃｖ対全容量値Ｃｃ＋Ｃｖの容量値比率Ｃｖ／（Ｃｃ＋Ｃｖ）が最も小さくなって周波数感度は低くなる。一方、発振周波数ｆが最も高い周波数範囲ａでは、容量値比率Ｃｖ／（Ｃｃ＋Ｃｖ）が最も大きくなって周波数感度は高くなる。
　そこで、本発明では、周波数感度制御部１８０によって、第１及び第２の容量スイッチ回路１４０及び１５０で選択された周波数範囲が高い時には、第２の可変容量回路１３０の接続点Ｂに印加する制御電位Ｖｔを制御信号Ｆｓｅｌ１に切り替える、すなわち第２の可変容量回路１３０を固定容量回路として機能させることで、第２の可変容量回路１３０をバンド切り替え回路として用いることを行う。
　周波数感度制御部１８０は、制御信号Ｆｓｅｌ２及びＦｓｅｌ３が共にローレベルとなる高い周波数範囲ａとなる場合に、第２の可変容量回路１３０の接続点Ｂに制御信号Ｆｓｅｌ１を印加して、ハイレベルとローレベルとを切り替える。この制御により、高い周波数の可変範囲ａが、上側周波数を基準とする可変範囲ａｈ（論理値０００）と下側周波数を基準とする可変範囲ａｌ（論理値００１）との２つに分離される（図３Ａ）。これにより、高い周波数の可変範囲ａを狭くすることなく、周波数感度を抑えることができる（図３Ｂ）。この実施例を実現するための周波数感度制御部１８０の具体的な回路例を、図４に示す。なお、図３Ａ及び図４に記載する“＊”は、論理値が１又は０のいずれでもよいことを示している。
　（第２の実施形態）
　図５は、本発明の第２の実施形態に係る電圧制御発振器１０２の構成例を示す図である。ただし、バイアス回路等は省略してある。図５において、第２の実施形態の電圧制御発振器１０２は、上記第１の実施形態の電圧制御発振器１０１に、第３の可変容量回路１３５を加えた構成である。
　第３の可変容量回路１３５は、直列に接続された可変容量素子１３６及び１３７で構成され、可変容量素子１３６と可変容量素子１３７との接続点Ｃには、周波数感度制御部１８０を介して制御電位Ｖｔ又は制御信号Ｆｓｅｌ１が印加される。この第２の実施形態では、周波数感度制御部１８０によって、第３の可変容量回路１３５の接続点Ｃに制御電位Ｖｔ又は制御信号Ｆｓｅｌ１が印加されることで、第３の可変容量回路１３５を可変容量回路としてだけではなく、さらにバンド切り替え回路として用いることを行う。
　周波数感度制御部１８０は、制御信号Ｆｓｅｌ２及びＦｓｅｌ３が共にローレベルとなる高い周波数範囲ａとなる場合に、第２の可変容量回路１３０の接続点Ｂに制御信号Ｆｓｅｌ１を印加して、ハイレベルとローレベルとを切り替える。この時、第３の可変容量回路１３５の接続点Ｃには、制御信号Ｆｓｅｌ１が印加される。また、周波数感度制御部１８０は、制御信号Ｆｓｅｌ２がハイレベルかつＦｓｅｌ３がローレベルとなる高い周波数範囲ｂとなる場合に、第３の可変容量回路１３５の接続点Ｃに制御信号Ｆｓｅｌ１を印加して、ハイレベルとローレベルとを切り替える。この時、第２の可変容量回路１３０の接続点Ｂには、制御電位Ｖｔが印加される。この制御により、周波数可変範囲ａが、上側周波数を基準とする可変範囲ａｈ（論理値０００）と下側周波数を基準とする可変範囲ａｌ（論理値００１）との２つに分離されると共に、周波数可変範囲ｂが、上側周波数を基準とする可変範囲ｂｈ（論理値０１０）と下側周波数を基準とする可変範囲ｂｌ（論理値０１１）との２つに分離される（図６Ａ）。これにより、高い周波数の可変範囲ａ及びｂを狭くすることなく、周波数感度を抑えることができる（図６Ｂ）。この実施例を実現するための周波数感度制御部１８０の具体的な回路例を、図７に示す。なお、図６Ａ及び図７に記載する“＊”は、論理値が１又は０のいずれでもよいことを示している。
　（第３の実施形態）
　なお、図１及び図５で示した電圧制御発振器１０１及び１０２の構成は、一例に過ぎない。本発明の電圧制御発振器は、２つ以上の可変容量回路と少なくとも１つの容量スイッチ回路を含んだ構成であればよく、例えば図８Ａ～図８Ｃに示す構成を用いれば次のような制御も可能である。
　１つの電圧制御発振器を用いて異なる周波数（ハイバンド、ローバンド）の信号を出力するような場合、一般的には電圧制御発振器から出力されるハイバンド信号を１／ｎ分周器を介してローバンド信号に変換する。この場合、１／ｎ分周器から出力されるローバンド信号の周波数感度と、電圧制御発振器から出力されるハイバンド信号の周波数感度とを、合わせておくことが好ましい。従って、このためには、ローバンド信号に関しては、電圧制御発振器から出力される時点で周波数感度をハイバンド信号のｎ倍にしておく必要がある。
　ｎ＝２における具体的な電圧制御発振器１０３の構成例を図８Ａに、周波数感度制御部１８０内部の具体的な接続を図８Ｂ及び図８Ｃに示す。これらの図に示すように、７つの可変容量回路ｍｏｓｖ０～ｍｏｓｖ６と１つの容量スイッチ回路ｓｗとを組み合わせて、ハイバンドについては６つの周波数範囲に、ローバンドについては３つの周波数範囲に分離し、ハイバンドの周波数感度をローバンドの約１／２にすることができる（図９Ａ及び図９Ｂ）。
　なお、本発明の電圧制御発振器の可変容量回路には、図１等で示した構成以外にも、Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ型やＡｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ型のＭＯＳトランジスタやＣ結合を用いた構成（図１０Ａ～図１０Ｄ）を用いることも可能である。また、本発明の電圧制御発振器の容量スイッチ回路も、図１等で示した構成以外にも、図１０Ｅで示す構成を用いることも可能である。
　［電圧制御発振器を用いた構成例］
　図１１は、本発明の第１～第３の実施形態に係る電圧制御発振器１０１～１０３を用いたＰＬＬ回路３００の構成例を示す図である。図１１において、ＰＬＬ回路３００は、位相比較器３０１と、ループフィルタ３０２と、本発明の電圧制御発振器３０３と、分周器３０４とを備える。
　位相比較器３０１は、入力される基準信号と、電圧制御発振器３０３の出力信号を分周器３０４で分周した信号とを比較する。位相比較器３０１から出力される信号は、ループフィルタ３０２を介して電圧制御発振器３０３に制御電位Ｖｔとして入力される。電圧制御発振器３０３は、制御電位Ｖｔに基づいて所望周波数の信号を出力する。この構成により、ＰＬＬ回路３００は、所望とされる周波数を固定（ロック）する。なお、分周器３０４の代わりにミキサを用いてもよいし、分周器３０４とミキサを併用してもよい。
　また、図１２は、上記ＰＬＬ回路３００を用いた無線通信機器４００の構成例を示す図である。図１２において、無線通信機器４００は、アンテナ４０１と、電力増幅器４０２と、変調器４０３と、スイッチ４０４と、低雑音増幅器４０５と、復調器４０６と、ＰＬＬ回路３００とを備える。
　無線信号を送信する場合、変調器４０３は、ＰＬＬ回路３００から出力される所望の高周波信号をベースバンド変調信号で変調して出力する。変調器４０３から出力される高周波変調信号は、電力増幅器４０２によって増幅され、スイッチ４０４を介してアンテナ４０１から放射される。無線信号を受信する場合、アンテナ４０１から受信された高周波変調信号は、スイッチ４０４を介して低雑音増幅器４０５に入力されて増幅され、復調器４０６に入力される。復調器４０６は、ＰＬＬ回路３００から出力される高周波信号によって、入力された高周波変調信号をベースバンド変調信号に復調する。なお、ＰＬＬ回路３００は、送信側及び受信側のそれぞれで用いてもよい。また、ＰＬＬ回路３００が変調器を兼ねてもよい。
　以上のように、本発明の電圧制御発振器、並びにそれを用いたＰＬＬ回路及び無線通信機器によれば、位相雑音特性の劣化を抑制しつつ、低い周波数感度のまま広い範囲にわたって発振周波数を可変制御することが可能となる。
　本発明の電圧制御発振器は、無線通信機器の局部発振信号の生成等に利用可能であり、特に位相雑音特性の劣化を抑制しつつ、低い周波数感度のまま広い範囲にわたって発振周波数を可変制御する場合等に有用である。

Claims (7)

  1. 　インダクタを有するインダクタ回路と、
    　それぞれ可変容量素子を有する複数の可変容量回路と、
    　少なくとも１つの容量スイッチ回路と、
    　負性抵抗回路と、
    　前記複数の可変容量回路及び前記少なくとも１つの容量スイッチ回路に、制御電位及び制御信号を印加する周波数感度制御部とを備え、
    　前記インダクタ回路、前記複数の可変容量回路、前記少なくとも１つの容量スイッチ回路、及び前記負性抵抗回路が、並列に接続され、
    　前記周波数感度制御部は、
    　　前記複数の可変容量回路の少なくとも１つに、発振周波数をフィードバック制御するための制御電位を固定的に印加し、
    　　前記複数の可変容量回路の他の少なくとも１つに、前記少なくとも１つの容量スイッチ回路に印加される少なくとも１つの制御信号に基づいて、前記制御電位及び制御信号のいずれかを切り替えて印加することを特徴とする、電圧制御発振器。
  2. 　前記周波数感度制御部は、前記少なくとも１つの容量スイッチ回路の全てにスイッチをオンさせないローレベルの制御信号が印加された場合に、前記複数の可変容量回路の他の少なくとも１つに前記制御信号を印加することを特徴とする、請求項１に記載の電圧制御発振器。
  3. 　前記周波数感度制御部は、前記少なくとも１つの容量スイッチ回路の全てにスイッチをオンさせるハイレベルの制御信号が印加された場合に、前記複数の可変容量回路の全てに前記制御電位を印加することを特徴とする、請求項１に記載の電圧制御発振器。
  4. 　前記複数の可変容量回路の他の少なくとも１つに印加される前記制御信号は、ローレベルとハイレベルの２種類の電位であることを特徴とする、請求項２に記載の電圧制御発振器。
  5. 　前記複数の可変容量回路の可変容量素子の少なくとも１つが、Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ型ＭＯＳ又はＡｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ型ＭＯＳで構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電圧制御発振器。
  6. 　請求項１に記載の電圧制御発振器を備えた、ＰＬＬ回路。
  7. 　請求項１に記載の電圧制御発振器を備えた、無線通信機器。
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