JPH03254507A - 電圧制御発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、共振回路網、増幅器及びリアクタンス回路網
を備え、これらの総てが発振器ループに組み込まれ、リ
アクタンス回路網は制御入力に供給される制御信号に依
存した値を有する１又は複数のリアクタンス部品を有し
、これによって発振周波数が該制御信号により調整され
得る電圧制御発振器に関する。かかる電圧制御発振器は
オランダ特願第８８００１１９号より知られる。

要約すれば、本発明は、共振回路網、増幅器及びリアク
タンス回路網を備え、これらの総ては発振器ループに組
み込まれ、リアクタンス回路網は１又は複数のリアクタ
ンス部品を有し、その値は制御入力に供給される制御信
号に依存し、それによって発振器周波数が該制御信号に
より調整され得る電圧制御発振器である。制御ループは
共振回路網とリアクタンス回路網との間に設けられ、こ
の制御ループにより共振回路網のインピーダンス又はア
ドミッタンスの虚数部分の値と基準値として作用する制
御信号との間の差が決定される。リアクタンス回路網の
インピーダンス又はアドミッタンスの虚数部分は、該差
により調整される。制御ループは前記値を微分するため
の微分回路及び差動増幅器を備え、差動回路の一方の入
力部に微分回路の出力信号が供給されその他方の入力部
に制御信号が供給される。

１ｔｖｃｏと呼ばれ、またリアクタンス回路網が水晶発
振子である場合にはｖｃｘｏと呼ばれる電圧制御発振器
の場合における制御入力に温度依存信号を与えることに
より、発振周波数の温度による変動を補償することが可
能である。かかる発振器はＴＣＯ，又はリアクタンス回
路網が水晶発振子である場合にはＴ　ＣＸ　Ｏ（ｔｅｍ
ｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　ｃｒｙｓ
ｔａｌ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）として知られている。

リアクタンス回路網に組み合わせられる可変リアクタン
ス部品又は可変リアクタンス、例えばバリキャップダイ
オードは、その他のリアクタンス部品とリアクタンス回
路網に対して直列又は並列に選択的に組み入れられるか
、あるいは発振器ループ内の別の位置に組み入れること
ができる。この部品は受動的であることは必ずしも必要
ではなく、その他の能動リアクタンス回路もまた適して
いる。後者の場合、例えば利得率又は抵抗を変えること
により制御性を得ることができる。実施は、発振器ルー
プの回りの利得ＡＬの虚数部分の零が等しくなる周波数
が、調整可＃しなリアクタンス威分の値により常に影響
されるようなものでなければならないであろう。その理
由は、このことは第１のバルクハウセンの発振条件、即
ち Ｉ讃（Ａ　ｌｌ　＝　０ を満たし得る虚数部分のこの値に対してのみであるから
である。

リアクタンス回路網のリアクタンス部品の値は、一般に
温度及び非線性に依存し、正確には知られていない。休
止状態、即ち制御信号に無い状態において、リアクタン
ス回路網により発振周波数を正確に決定させるためには
、リアクタンス回路網の発振器増幅器及びリアクタンス
部品により得られるループ利得の虚数部分を零に等しく
することが必要である。即ち、これはリアクタンス回路
網のリアクタンス部品の成分値の調整により行なわれる
。しかし、前記成分値は温度に依存し、これらの温度係
数は広がりを有する。更に、成分値と制御信号との関係
は一般に線形ではなく、かっこの関係も広げられる。Ｖ
Ｃ（Ｘ）Ｏにおいて望まれるように、例えば制御信号と
周波数変化との間の線形の相互関係を達成するために良
く定義された方法で発振周波数を制御できるようにする
には、あるいはＴＣ（Ｘ）０において望まれるように発
振周波数の温度変動を補償するためには、制御信号と周
波数との間の関係、又は温度と周波数との間の関係を決
定するための計測の実施がまず必要である。成分の広が
りを受ける各発振器に対して個々に測定してこれらの関
係を知るならば、正確な回路網を設計することが可能で
あり、望ましい直線性又は温度に対する独立性が得られ
る。これらの手順は時間がかかり従って費用もかさむ。

前述の特許出願より知られる電圧制御発振器においては
、リアクタンス部品の温度及び非線性による不正確の影
響は実質的に無くされた。この目的で、発振器の前記リ
アクタンス回路網、この例においては移相回路網には、
位相検知器を有する別の制御ループが設けられ、この検
知器は発振器の感度が温度変化の場合でも正確かつ一定
であるように設計される。このために、制御信号に直接
比例する移相が位相検知器の手段により移相回路網に加
えられる。この結果、発振周波数、及び制御信号の電圧
又は電流によるその変動は共振回路網により完全に決定
される。

しかし、この接続の問題点は、共振回路網のＱが前記変
動に影響すること、並びに前記変動が非線形であること
である。このため、本発明により正確に電圧制御され、
又は温度補償された（水晶）発振器を実現するように共
振回路網を製造する際におけるＱの正確な管理が要求さ
れる。前記Ｑの再現性の管理は一般に非常に困難である
。

この公知の電圧制御発振器の移相回路網の提供に応じて
第２の問題が生ずる。小信号ループの利得の実の部分が
移相の交替の結果としてかなり変化する。振動について
は、ループを回る利得の実の部分は、第２のバルクハウ
ゼン条件により、常に１より大でなければならない。従
って、発振器ループに組み入れられる増幅器は、所要の
移相の総てについてこの第２の条件を満たすように設計
されなければならない。事実上、これに要求される大き
なループ利得は短期安定で費用がかさむことが知られて
いる。

本発明の目的はこれらの欠点及び問題点をなくすことで
ある。このことは、本発明により、共振回路網とリアク
タンス回路網との間に制御ループが設けられ、この制御
ループにより共振回路網のインピーダンス又はアドミッ
タンスの虚数部分の測定値と基準値として作用する制御
信号との間の差が決定され、共振回路網のインピーダン
ス又はアドミッタンスの虚数部分が前記の差により調整
される前述形式の電圧制御発振器において達成される。

本発明による有利な実施例においては、前記の差を微分
するために制御ループ中に微分回路が設けられ、差動増
幅器はその一方の入力に微分回路の出力信号が供給され
、制御入力として作動するそのもう一方の入力に制御信
号が供給される。

公知の電圧制御発振器の場合の方法と比較して、これは
制御ループの手段により測定され制御される移相回路網
の位相ではなく、本発明によるこの設計においては、こ
れは制御信号又は基準値の支援を本質的に含んだ制御ル
ープの手段により制御される共振回路網のインピーダン
ス又はアドミッタンスの虚数部分である。この方法は、
制御信号と周波数変動との間の関係を非常に良い近似で
線形にすることができ、かつ感度は製造中に最善の管理
ができる共振回路網の１個のパラメーターのみに依存す
るという利点を持つ。

本発明は添付図面を参照しある例示の実施例を主体とし
詳細に説明されるであろう。

本発明による発振器を説明するために、第１図のＬＣＲ
直列回路により形成された共振回路網の事例がまず与え
られる。更に、共振回路網の接続された部分が負の実抵
抗を示すようなフィードバックを有する増幅器Ａ、が発
振器ループに組み込まれる。直列共振回路網を有する発
振器のこの基本的な構成は、シー・ニー・エム・ブーン
の論文「高性能のネガティブフィードバック発振器の設
計（Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆ
ｏｒｍａｎｃｅ　ｎｅｇａｔｉｖｅｆｅｅｄｂａｃｋ　
ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）Ｊ、１９８９、デルフトユニ
バーシティオブテクノロジイ及び第２図より知られる。

単純化のため、増幅器Ａ、は理想的なヌラーのように挙
動すると仮定する。共振器部分の入力抵抗は次式で与え
られる。

Ｒｉ＝−Ｒ，Ｒ，／Ｒ３ 抵抗の一つを非線形抵抗で置換すると、安定な発振器増
幅度のために要する制限作用が得られる。

これは、第３図により、Ｒ３の代わりに制限用差動増幅
器構成を使用することにより達せられる。

ＬＣＲ共振器Ｚｒに印加される電圧は矩形波であり１．
Ｒ，に等しいピークツーピーク値を持つ。共振回路網の
濾波作用のため、前記回路網における電流は事実上サイ
ンカーブであり、従って出力電圧もそうである。出力電
圧の大きさは回路の直列抵抗とＲ１の大きさとによって
ほぼ決定される。

この場合は、振動のためのバルクハウゼン条件は次のよ
うに書ける。

ＩａｌＺｒｌ＝０ Ｒ≦Ｒｉ ここに、Ｒｉは入力抵抗の小信号値を表し、ｌｍ１Ｚｒ
）は次式で与えられる。

１ｍ［Ｚｒ１＝（ωＬ−１／ωｃ） 振動周波数ω。は第１の要求より次のようになる。

ωｏ”１／ｆＬｃ 周波数の調整性能は、この例においては、第４図により
共振器Ｚｒと直列にリアクタンス調整可能要素又はリア
クタンス回路網Ｚｄを組み入れる公知の方法により得ら
れる。このような要素の代表例はバリキャップダイオー
ドである。もし前記ダイオードが電圧制御コンデンサー
のようにモデル化されつるならば、この直列回路はＲに
つい同じ条件となる。しかし、Ｉａ＋（Ｚｒｌに対する
条件は（ωＬ−１７ωＣ）＝１／ωＣｄ である。いいかえると、第１のバルクハウゼン条件を満
たすためＩ；、共振器インピーダンスの虚数部分はリア
クタンス直列分の虚数部分と等しくかつ符号が逆でなけ
ればならない。従って、共振器インピーダンスの虚数部
分とリアクタンス直列分の虚数部分との両者は周波数変
化の値である。

第５図はこの原理に基づく本発明のによる実施例を示す
。この例においては、発振器ループは、通常、共振回路
網Ｚｒ、増幅器Ａ、及びリアクタンス回路網Ｚｄを具備
する。前記２種の虚数部分を測定するために、この例で
は共振器及びリアクタンス回路網の直列回路を通る電流
が一定であると暫定的に仮定した。もし出力をｉ＝　ｆ
−ｓｉｎ（ωｔ）と書くならば、共振器Ｚｒの両端の電
圧はＵｒ＝ｆ−Ｉ　Ｚｒｌ　・５ｉｎ（ωｔ＋ψ）と書
ける。

移相器Ｐの電圧又は電流の位相をπ／２移動させ微分回
路Ｂにおいてこの２個の値を互いに掛けると次式で与え
られる値ｙ、を得る。

ｙ１＝ｆ２・ｌＺｒ１◆５ｉｎ（ωｔ＋ψ）・（ＣＯ８
ωｔ）ｆ２・ｌ　Ｚｒｌ　・［５ｉｎ（２ωｔ＋ψ）＋
ｓｉｎψ］２ωの周波数成分は低域濾波器Ｆの手段によ
り除去でき、信号 ｙ２＝ｆ２・ｌＺｒ１・Ｓｉｎψ＝ｆ２・ＩａｌＺｒｌ
が残る。ｉは一定と仮定したのでｙ２は共振器インピー
ダンスＺｒの虚数部分の値である。

差動増幅器Ａ２において、値ｙ２と発振器の外部制御信
号又は基準値Ｘ＋ｅｌとの差が続いて増幅される。ｙ２
及び基準値は、増幅器、掛は算機及び低域濾波器の設計
により、電圧又は電流のいずれかの単位を持つであろう
。増幅器の出力信号ｙ３はリアクタンス回路網Ｚｄにお
ける１個又はそれ以上の成分の値に影響を与えるために
使用される。もし利得の値が十分に大きいならば、ｙ２
と基準値との差は、増幅器の最終出力信号（リアクタン
ス部品の制御信号）のために零に接近する。

以上から、本発明による制御ループを使用すれば共振器
インピーダンスの虚数部分は次式による基準値によって
正確に決定されることが明らかである。

１ｍ（Ｚｒｌ＝ｘ＋１／ｆ２ もしＸｒｅｆを零にすると、Ｉｍ（Ｚｒｌもまた零とな
り、発振器周波数は正確に共振器の共振周波数と等しい
。この例においては、これは、制御されたリアクタンス
部品の容量が無限大になったに違いないであろうという
ことを意味する。もちろん、これは非現実的な設定であ
る。しかし、この例の前記要素と直列に自己インダクタ
ンスを組み入れることにより、リアクタンス部品の虚数
部分は事実上、零に調整可能である。達成条件は、増幅
器がリアクタンス部品の要求値に対して、なおその正常
動作範囲に有るかの点だけである。この場合は、制御可
能なリアクタンス回路網の不正確性、非線性及び温度依
存性はいささかも影響ない。

共振器インピーダンスの虚数部分は、本発明による制御
ループの使用の結果、基準値Ｘ＋ｅｌに直接に比例する
。前記虚数部分と周波数との間の正確に知られた相互関
係により、正確なＶＣＯの実現が可能である。もし例の
共振器が使用されれば、周波数との虚数部分との間のこ
の関係は次式で与えられる。

Ｉ　ｍｆＺｒｌ＝（ωＬ　−１／ωｃ）共振周波数ωｒ
＝１／７ＬＣの付近では、虚数部分のωについての微分
係数は次式で与えられる。

［ｄ（ＩｍｆＺｒｌ／ｄω］／ωｒ＝２Ｌ再現処理にお
いてＬの値をうまく制御できれば、ωｒの付近における
ＶＣＯの感度もまた知られる。

ωｒに関してあまり大きくない周波数変化に対しては、
虚数部分とωとの関係は更によい近似で線形である。こ
のことは、Ｘｒｅｆとωとの関係もまた線形であると、
及び補償回路網を使用しないことを意味する。例えば、
線形の周波数変調を小振幅で得ることができる。大振幅
で線形を維持するには非線形の補償を必要とするが、こ
の場合は、補償すべき非線形の形式が正確に知られると
いう利点がある。更に、Ｘｒ□と発振器周波数との間の
正確に知られた関係は、温度による発振器周波数の変動
を正確に補償する可能性を提供する。この目的には、温
度による共振回路網の共振周波数の変動を知るだけでよ
い。補償を達成するため、Ｘｒｅｆが、信号から誘導さ
れ、温度センサーの支援を得て適切に選定された回路網
により作られる。この方法で正確なＴＣ（Ｘ）Ｏが作ら
れる。前述の周波数変調と組み合わせて温度補償を使用
しうろことは明らかである。

上の例は本発明による制御ループの説明としてのみ意図
された。しかし、制御ループは、直列共振回路網、リア
クタンス回路網、増幅器構成等のような例に使用された
種々の基本作用の特別な実施例には限定されない。この
ようなモデル化しうる総ての直列及び並列の共振回路網
及び共振器は、本発明による発振器の設計の始点として
使うことができる。並列共振回路網の場合の二重性のた
め、アドミッタンスの虚数部分は直列共振回路網におけ
ると同じ効果を得るように制御されなければならないこ
と、並びに電圧又は電流についてそれぞれ直列共振回路
網の場合に説明された考えと同じ考えが並列共振回路網
の電圧又は電流にそれぞれ摘要されることは明きらかで
ある。本発明の性質は、共振器インピーダンス又はアド
ミッタンスの虚数部分が制御ループの手段による発振器
ループのリアクタンス回路網のインピーダンス又はアド
ミッタンスの虚数部分の調整により制御されるというこ
と、並びに外部制御信号又は基準値及び共振器インピー
ダンス（又はアドミッタンス）又はリアクタンス回路網
のインピーダンス（又はアドミッタンス）の虚数部分の
差がリアクタンス回路網の制御信号を形成するために増
幅されるということである。

本発明を更に明確にするため、特定の基本機能の可能な
具体化及び必要な可能の付加設備が以下詳述されるであ
ろう。

第５図の実施例において、始点は直列ＬＲＣ回路網Ｚｒ
及び損失無しと仮定された調整可能なリアクタンス回路
網Ｚｄであった。この場合、両回路網の直列インピーダ
ンスの実の部分は、共振回路網の直列抵抗Ｒにより完全
かつ排他的に決定される。両回路網の一方のインピーダ
ンスの実の部分値を得るため又は誘導するために、電圧
／電流関係の決定が必要である。第５図の微分回路Ｂに
おけると同様に、この決定は種々の方法で行いうる。こ
の例では２個の回路網の直列回路を通る電流が一定であ
ると仮定された。この仮定は実際的ではない。例に用い
られた掛は算に加えて、虚数部分の値もまた電圧及び電
流の割り算により得ることができる。しかし、これは、
実際上、実行の簡単な回答ではない。電流を一定に保つ
こと、又はアドミッタンスの虚数部分を測定するとして
電圧を一定に保つことは、実際に容易に満足させつる回
答である。しかし、一般にこの一定性を達成するには別
の設備を設ける必要があろう。補償技術もフィードバッ
ク技術もこの目的に適している。

例えば、直列共振回路網において、全インピーダンスの
実の部分が周波数並びに温度により変化しかつ正確には
分からないとすると、フィードバック技術の使用が最も
効果的である。このフィードバックを使用する目的のた
め、共振回路網を通る電流を得るために正確な値Ａｍが
必要である。値Ａｍと基準値Ｖｒｅｌとの間の差は増幅
され、共振器を通る電流は増幅された信号で調整される
。利得が大きければ、測定値と基準値との差（Ａ−−ｖ
、１）は非常に小さくなり、もし基準値Ｖ＋ｅｌが一定
でかつ正確に知られるならば共振器を通る電流もまた一
定かつ正確に知られる。インピーダンスを通る電流を一
定に保ちかつアドミッタンスの両側の電圧を一定に保つ
このような制御ループは実際的に知られており、しばし
ば自動利得制御装置と呼ばれる。

先に与えられた本発明による発振器の例では、かかる制
御は第６図に示された単純な方法で実行できる。発振器
増幅器Ａ、の出力において、Ｒ３が正確な抵抗であるな
らば電流の正確な測定値が信号として利用できる。この
交流電圧は正確な振幅復調器りの支援により直流に変換
される。前記直流と基準値Ｖ　との差が大利得場幅器Ａ
３によって増幅され、制限用差動増幅器の電流源１．が
前記増幅器Ａ３の出力信号により調整される。

この例においては、共振回路網のようなインピーダンス
又はリアクタンス回路網のインピーダンスの虚数部分の
値が掛は算回路の支援により得られた。この回路は、い
わゆるアナログ掛は算機、又はいわゆるスイッチング掛
は算機のいずれかである。第１の場合には、出力信号は
例におけるように１２に比例する。第２の場合は、ｌと
比例して得られる。スイッチング掛は算機は、例の場合
において電流Ａｍの測定値が加えられる入力に供給され
る信号が振幅において制限できるという利点を持つ。こ
れにより位相をπ／２だけ変える回路網の簡単な具体化
が得られる。もし共振器電流に関する大きさが既に制限
されているならば、π／２の位相移動は簡単な積分回路
により行いうる。

この方法で得られた三角波信号が、再限定の結果として
、スイッチング掛は算回路のスイッチングチャンネル用
の入力信号として使用される。前記に実行可能性は本発
明による発振器回路網を、特に、モノリシック積分機と
し、従って安価な量産品とする。

本発明の主な特徴及び実施態様は以下のとおりである。

１、共振回路網、増幅器及びリアクタンス回路網を具備
し、これらの総ては発振器ループに組み込まれ、リアク
タンス回路網は、値が制御入力部に供給される制御信号
に依存する１又はそれ以上のリアクタンス部品を有し、
その結果発振器周波数が該制御信号で調整され得る電圧
制御発振器であって、 制御ループが共振回路網とリアクタンス回路網との間に
設けられ、この制御ループにより、共振回路網のインピ
ーダンス又はアドミッタンスの虚数部分の値と基準値と
して作用する制御信号との間の差が決定され、リアクタ
ンス回路網のインピーダンス又はアドミッタンスの虚数
部分が前記差により調整されることを特徴とする電圧制
御発振器。

２、前記制御ループは前記値を微分する微分回路及び差
動増幅器を備え、差動増幅器の一方の入力部に微分回路
の出力信号が供給されその他方の入力部に制御入力とし
て作用する制御信号が供給されることを特徴とする上記
第１項に記載の電圧制御発振器。

３、微分回路はπ／２位相シフト器を備えた倍率器であ
り、これはその一方の入力部と直列に組み込まれ、そし
て該倍率器により、共振回路網を通る電流又は共振回路
網両端の電圧のπ／２位相をシフトされた値が前記回路
網両端の電圧又は共振回路網を通る電流と掛は算され、
低域濾波器が倍率器の出力と差動増幅器の一方の入力部
との間に組み込まれていることを特徴とする上記第２項
に記載の電圧制御発振器。

４、微分回路はπ／２位相シフト器を備えた倍率器であ
り、これはその一方の入力部と直列に組み込まれ、そし
て該倍率器により、電圧又は電流がπ／２だけ位相をシ
フトされている共振回路網両端の電圧又は共振回路網を
通る電流が前記回路網を通る電流又はその両端の電圧と
掛は算され、低域濾波器が倍率器の出力部と差動増幅器
の一方の入力部との間に組み込まれていることを特徴と
する上記第２項に記載の電圧制御発振器。

５、倍率器はアナログ倍率器であることを特徴とする上
記第３項又は第４項に記載の電圧制御発６、倍率器がス
イッチング倍率器であることを特徴とする上記第３項又
は第４項に記載の電圧制御発振器。

７、共振回路網は直列共振又は並列共振の形式のもので
あり、自動利得制御ループが共振回路網のインピーダン
スを通る電流又は共振回路網のアドミッタンスの両側の
電圧を一定に保つために設けられていることを特徴とす
る上記第１項乃至第６項のいずれか１項に記載の電圧制
御発振器。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ＬＣＲ直列回路により形成された共振回路網
の例、 第２図は、共振器ループに属し、且つ組み合わせられた
フィードバックにより影響される入力に負の実抵抗を有
し、その入力に共振回路網が接続される増幅器の例、 第３図は、第２図に示された増幅器の別の実施例、 第４図は、直列共振回路網及び調整可能なリア振器。 クタンス部品の直列回路の例、 第５図は、本発明による電圧制御共振器の実施例、そし
て 第６図は、本発明による電圧制御共振器に使用する自動
利得制御ループを示す。 手続補正書 （方式〉 平成３年３月１４日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 共振回路網、増幅器及びリアクタンス回路網を具備し、
   これらの総ては発振器ループに組み込まれ、リアクタン
   ス回路網は、値が制御入力部に供給される制御信号に依
   存する１又はそれ以上のリアクタンス部品を有し、その
   結果発振器周波数が該制御信号で調整され得る電圧制御
   発振器であって、 制御ループが共振回路網とリアクタンス回路網との間に
   設けられ、この制御ループにより、共振回路網のインピ
   ーダンス又はアドミッタンスの虚数部分の値と基準値と
   して作用する制御信号との間の差が決定され、リアクタ
   ンス回路網のインピーダンス又はアドミッタンスの虚数
   部分が前記差により調整されることを特徴とする電圧制
   御発振器。