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JP3802081B2 - 低供給電圧で動作する電圧制御発振器 - Google Patents

低供給電圧で動作する電圧制御発振器 Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、発振器に関し、例えば、低供給電圧で動作する、電圧制御発振回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電圧制御発振(VCO)回路は、当技術では公知であり、例えば、位相ロックループにおけるように、多数の用途において利用されている。VCO回路は、典型的にコンデンサのような可変素子を備えており、これを変化させてVCO回路の出力信号の周波数を調整できるようにしたものである。
【0003】
VCO回路は、典型的に、あるタイプの出力段を備えており、VCO回路の出力インピーダンスが適切な値となるようにしている。結合コンデンサを介して発振回路に結合されている出力段が、1992年4月21日に特許された米国特許第5107228号に開示されている。この特許は、調整可能な出力インピーダンスを与えるための、出力増幅器を有するVCO回路を開示している。しかしながら、図1および図2に示された回路は、共通エミッタ出力段を有しているが、これは高い利得増幅をもたらすものではない。更に、図1および図2に示された回路は、出力増幅器及び発振段の両方に、別個のバイアス電流を必要とするので、電力が効率的でない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、調整可能な出力インピーダンスを備えた出力段を有し、低供給電圧で動作するようにした、改良されたVCO回路を提供することが、必要とされている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明によるVCO回路は、発振に負抵抗技術を利用した発振段を備え、更にこの発振段が低供給電圧で動作できるようにする第1インダクタを備えている。また、本発明のVCO回路は、第2インダクタと第1コンデンサとを含む出力段も備えており、VCO回路の出力抵抗を、最大出力駆動能力に対して、調節することができる。
【0006】
【実施例】
図1を参照すると、端子16に出力を有する電圧制御発振(VCO)回路10を例示する、詳細な回路図が示されている。VCO回路10は、発振トランジスタ20を含む発振段を備えている。発振トランジスタ20は、ベースがコンデンサ21を介して、並列接続された可変コンデンサ22及びインダクタ24の第1端子に結合されている。コンデンサ22およびインダクタ24の第2端子は、電位VEEが印加される第1供給電圧端子に結合されている。コンデンサ21は、直流を遮断して、コンデンサ22およびインダクタ24からの洩れ電流が、トランジスタ20のベースに流入するのを防止する。
【0007】
トランジスタ20のベースも、抵抗器28を介して、第1供給電圧端子に結合されている。また、トランジスタ20のベースは、コンデンサ36を介して、回路ノード30にも結合されている。コンデンサ36は、トランジスタ20のベース・エミッタ間容量の変動を最少に抑えるものである。トランジスタ20のエミッタは、回路ノード30に結合されており、抵抗器32とコンデンサ34とが、回路ノード30と第1供給電圧端子との間に、並列に結合されている。トランジスタ20のコレクタは、発振段の出力を表わすものである。また、トランジスタ20のコレクタは、インダクタ38を介して、電位VCCが供給される第2供給電圧端子に、結合されている。
【0008】
VCO回路10は、トランジスタ50を含む共通ベース出力バッファ段も備えており、当該出力バッファ段の出力を表わすトランジスタ50のコレクタが、コンデンサ51を介して端子16に結合されている。また、トランジスタ50のコレクタは、インダクタ52を介して、動作電位VCCにも結合されている。トランジスタ50のベースは、抵抗器56を介して、トランジスタ20のベースに結合されている。更に、トランジスタ50のベースは、抵抗器76を介して、動作電位VCCに結合されている。トランジスタ50のエミッタは、出力バッファ段の入力を表わすものであり、コンデンサ58を介して、トランジスタ20のコレクタに結合されている。更に、トランジスタ50のエミッタは、抵抗器60を介して、動作電位VEEに結合されている。トランジスタ50のベースは、コンデンサ72を介して、動作電位VEEに結合されている。
【0009】
動作中、発振段は、トランジスタ20、抵抗器28および32、コンデンサ21,22,34,36、ならびにインダクタ28および38によって構成される。抵抗器28は(抵抗器56および76と共に)、バイアスネットワークを形成し、トランジスタ20および50のベースに、所定のバイアス電圧を供給する。これら所定のバイアス電圧は、トランジスタ50および20に、所定の電流を通電させるものである。
【0010】
VCO回路10は、インダクタ24、コンデンサ21,22,34,36、トランジスタ20および抵抗器32とコンデンサ34との並列結合で形成されたループにおける総合抵抗が負の場合、発振する。これは、エネルギを散逸する抵抗要素がない場合、理想的に調節された回路の発振に規則性がない(indefinite)という事実に基づいている。したがって、トランジスタの入力インピーダンスの実部分が十分負側にあり、ループに対して全体的に負の抵抗を生じるならば、VCO回路10は発振する。
【0011】
トランジスタ20の入力抵抗の計算についての分析は、「Modern Communication Circuit」(McGrwa-Hill Publishing Co.,1985)の第243〜245ページに詳しく論じられている。トランジスタ20の入力インピーダンス(ri)の実部についての最終結果を、式1に示す。
【0012】
i = -gm/(W2 x (CBE + C36) X CE
ここで、
mはトランジスタ20のトランスコンダクタンス、
Wは動作周波数、
BEはトランジスタ20のベース・エミッタ間容量、
36はコンデンサ36の容量、
Eはトランジスタ20のエミッタから見た容量である。
【0013】
式1に示したriの強度が、ループ内の他の全ての抵抗の合計より大きい場合、トランジスタ20はインダクタ(またはコンデンサ)の散逸エネルギを供給することができることは、理解されなくてはならない。したがって、VCO回路10は、発振を維持することができる。
【0014】
結果として、トランジスタ20のコレクタに現れる信号は、[2 x pi x (L xCequiv) -1/2]に実質的に等しい中央周波数(Fc)で発振する発振状信号である。ここで、pi=3.1415927、Lはインダクタ24のインダクタンス、そしてCequivは式2で表わされるループの等価容量である。
【0015】
equiv = C22 +C21 // [(CBE20 + C36 ) // C34 +CBE20 // (CCS20 + C58 //C72//CBE50) ]
ここで、
BE20はトランジスタ20のベース・エミッタ間容量、
CB20はトランジスタ20のコレクタ・ベース間容量、
CS20はトランジスタ20のコレクタ・基板間容量、
BE50はトランジスタ50のベース・エミッタ間容量であり、
//は、「並列である」ことを意味する。
【0016】
コンデンサ22の値を変化させると、式2で表わした等価容量も変化し、これによってトランジスタ20のコレクタに現れる信号の中央周波数を変化させることになることは、理解すべきである。更に、コンデンサ22はバラクタの形を取ることもでき、このバラクタ間に印加される電圧を調整すれば、中央周波数も調整されることは、注意するに値しよう。
【0017】
共通ベース出力バッファ段は、トランジスタ50、抵抗器60、およびコンデンサ72を備えており、ここで、抵抗器28,56,76が、前述のように、トランジスタ50のベースに、所定のバイアス電圧を供給することが理解されよう。同一バイアスネットワークを備えてトランジスタ20および50のベースにバイアスすることによって、VCO回路の全電力消費を低減することを実現することは重要である。共通ベース出力バッファ段は、トランジスタ50のエミッタに入力を、そしてトランジスタ50のコレクタに出力を有し、ここでトランジスタ50は、トランジスタ20のコレクタに現れる発振信号を出力端子16に転送することによって、電流バッファとして作用する。また、トランジスタ50は、トランジスタ20のコレクタにおいて、低インピーダンス(そのエミッタ抵抗−re)を与え、トランジスタ20のコレクタ・ベース間容量のミラー逓倍(miller multiplier) 効果を減少させることによって、VCO回路10の上側の遮断周波数を高める。
【0018】
コンデンサ72は、出力バッファ段のための安定コンデンサ(stability capacitor)であり、一方抵抗器60は、動作電位VCC、インダクタ52、トランジスタ50及び抵抗器60からのバイアス電流経路を完成させるものである。
【0019】
インダクタ38は、インピーダンスの整合、およびトランジスタ20のコレクタ電圧のための経路をもたらすものである。インダクタ38を利用することによって、トランジスタ20のコレクタは、トランジスタ20を飽和させることなく、電圧VCC周囲で揺動できるようになっていることは、注意するに値しよう。更に、インダクタ38も、インダクタ38と関連する低い内部抵抗のために、VCO回路10がより低い供給電圧で動作できるようにするものである。
【0020】
整合要素51および52を利用して、VCO10の出力(端子16)に、所定の抵抗を与えることができる。更に、インダクタ52も、上述のようにインダクタ38がトランジスタ20のコレクタにバイアスを供給するのと同様に、トランジスタ50のコレクタにバイアスを供給する。VCO回路10の出力抵抗(ROUT)の計算は非常に複雑であり、簡素化した表現は含まれていない。しかしながら、実際の検査結果では、インダクタ52またはコンデンサ51の値を変化させることによって、端子16における出力抵抗を、例えば50オームのような所定値に調整することができることが、示されている。
【0021】
要約すると、端子16から見た出力抵抗は、整合要素51および52によって調整することができる。したがって、図1のVCO回路の出力インピーダンスは、端子16に結合される回路(図示せず)の入力インピーダンスを、最大駆動能力に対して整合させるように設計することができる。更に、VCO回路10は、共通ベース出力バッファ段を備えており、これによって、電力散逸を最少に抑えると共に、高周波数特性を改良することができる。
【0022】
先に論じたことから、低供給電圧で動作する新規な電圧制御発振(VCO)回路が提供されたことは、今では明らかなはずである。VCO回路は、負抵抗技術を利用して発振を行う発振段を備え、更に発振段が低供給電圧で動作できるようにする第1インダクタを備えている。また、VCOは、第2インダクタとコンデンサとを備え、VCO回路の出力抵抗を最大出力駆動能力に対して調整できるようにした、出力段も備えている。
【0023】
本発明をその具体的実施例について記載したが、多くの変更、修正および改造は、上述の説明を参照すれば、当業者には明白であろう。したがって、そのような変更、修正および改造は、添付の請求の範囲内に含まれることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による、低供給電圧で動作する電圧制御発振回路を示す、詳細回路図。
【符号の説明】
16 出力
10 電圧制御発振回路
20,50 トランジスタ
24,38,52 インダクタ
21,22,34,36,51,72 コンデンサ
28,32,60 抵抗器

Claims (4)

  1. 出力(16)を有する電圧制御発振回路(10)であって:
    (a)全体的に負抵抗を有する発振ループを有する発振段であって、前記発振段は出力に所定の周波数を有する発振信号を発生するように構成されており:
    (i)前記発振ループ内にある第1トランジスタ(20)であって、前記第1トランジスタは第1および第2通電電極と制御電極とを有し、前記第1および第2通電電極は、前記発振段の前記出力と第1供給電圧端子(VEE)との間に結合されており、前記第1トランジスタの前記制御電極は第1バイアス電圧を受け取るように結合されている、前記第1トランジスタ;および
    (ii)前記発振段の前記出力と第2供給電圧端子(VDD)との間に結合されており、前記第1トランジスタが低供給電圧で動作できるようにする、第1インダクタ(38);
    から成る前記発振段;
    (b)前記発振段から前記電圧制御発振回路の出力に、前記発振信号を転送する、出力段であって:
    (i)第1および第2通電電極と制御電極とを有する第2トランジスタ(50)であって、前記第2通電電極は前記発振段の前記出力に容量的に結合されており、前記第2トランジスタの前記制御電極は、第2バイアス電圧を受け取るように結合されている、前記第2トランジスタ;
    (ii)前記第2供給電圧端子と、前記第2トランジスタの前記第1通電電極との間に結合されている第2インダクタ(52);および
    (iii)前記第2トランジスタの前記第1通電電極と、前記電圧制御発振回路の出力との間に結合されている第1コンデンサ(51)
    から成る前記出力段;および
    (c)前記第1および第2供給電圧端子間に接続された同一バイアスネットワーク(28、56、76)であって、前記第1および第2トランジスタにそれぞれ所定の電流を通電させるべく、前記第1および第2トランジスタの制御電極に、それぞれ前記第1および第2バイアス電圧を供給する前記同一バイアスネットワーク、
    から成り、前記第2インダクタおよび前記第1コンデンサを用いて、前記電圧制御発振回路の出力に、所定の抵抗を与えることを特徴とする、電圧制御発振回路。
  2. 請求項1記載の電圧制御発振回路において、前記発振段は更に:
    第1および第2端子を有する第3インダクタ(24)であって、前記第2端子が前記第1供給電圧端子に結合されている、前記第3インダクタ;
    第1および第2端子を有する第2コンデンサ(22)であって、前記第1端子が前記第3インダクタの前記第1端子に結合されており、前記第2端子が前記第1供給電圧端子に結合されている、前記第2コンデンサ;
    前記第3インダクタの前記第1端子と前記第1トランジスタの前記制御電極との間に結合されている、第3コンデンサ(21);
    前記第1トランジスタの前記第2通電電極と前記第1供給電圧端子との間に結合されている、第1抵抗器(32);
    前記第1トランジスタの前記制御電極と前記第1供給電圧端子との間に結合されている、第2抵抗器(28);および
    前記第1トランジスタの前記第2通電電極と前記第1供給電圧端子との間に結合されている、第4コンデンサ(34)、
    を含むことを特徴とする電圧制御発振回路。
  3. 請求項2記載の電圧制御発振回路において、前記発振段は、更に、前記第1トランジスタの前記制御および第2通電電極間に結合されている、第5コンデンサ(36)を含むことを特徴とする電圧制御発振回路。
  4. 請求項1記載の電圧制御発振回路において、前記出力段は、更に:
    前記第2トランジスタの前記第2通電電極と前記第1供給電圧端子との間に結合されている、第1抵抗器(60);および
    前記第2トランジスタの前記制御電極と前記第1供給電圧端子との間に結合されている、第2コンデンサ(72)、
    を含むことを特徴とする電圧制御発振回路。
JP29238693A 1992-10-29 1993-10-29 低供給電圧で動作する電圧制御発振器 Expired - Lifetime JP3802081B2 (ja)

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