JP2001111341A - 電圧制御発振装置 - Google Patents

電圧制御発振装置

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JP2001111341A JP28418899A JP28418899A JP2001111341A JP 2001111341 A JP2001111341 A JP 2001111341A JP 28418899 A JP28418899 A JP 28418899A JP 28418899 A JP28418899 A JP 28418899A JP 2001111341 A JP2001111341 A JP 2001111341A
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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 良好な位相雑音特性を得る。 【解決手段】 高い周波数で発振する場合、タンク回路
3に並列接続するMOSFETを11と13にする。低
い周波数で発振する場合、制御素子15と17をオンさ
せ、タンク回路3に並列接続するMOSFETを、1
1、13、19、21とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路チ
ップ内に集積されたタンク回路を具備する電圧制御発振
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図6に、従来の電圧制御発振装置の構成
を示す。コイル105、107と電圧制御可変容量素子
109で、タンク回路103を構成する。コイル105
と107の共通接続端と電圧源Vddの間に電流源10
1が配置されている。互いのゲートとドレインが交差接
続されたソース接地のNチャンネルMOSFET111
と113は、タンク回路103に並列に接続された増幅
器を構成する。発振出力は、NチャンネルMOSトラン
ジスタ111と113のドレインに接続された出力端子
115と117から出力される。出力端子117から出
力される発振出力は、出力端子115から出力される発
振出力に対し反転の関係にある。
【0003】この電圧制御発振装置の発振周波数Fc
は、下記(数1)の式(1)で決定される。
【数1】 式(1)において、Lはコイル105および107のイ
ンダクタンスの合計である。そして、Cは電圧制御可変
容量素子109の容量および、MOSFET111およ
び113のドレインの寄生容量の総和である。
【0004】そして発振周波数Fcにおいて、Foff
setだけ発振周波数から離れた周波数における位相雑
音L(Foffset)は、下記(数2)の式(2)で
表される。
【数2】 式(2)において、kはボルツマン係数、Tは絶対温
度、Reffはタンク回路(105、107、109)
の寄生抵抗、Aはタンク回路103の負コンダクタンス
に並列接続された増幅器(111、113)のコンダク
タンスとその負コンダクタンスの比に関係する値、Pr
msはこの電圧制御発振装置の発振強度である。
【0005】前記位相雑音を決定する大きな要因の一つ
である信号強度について考えてみる。タンク回路103
の負コンダクタンスGnegは、下記(数3)の式
(3)で表せる。
【数3】 例えば発振周波数Fcの可変範囲を30%と考えると、
電圧制御可変容量素子109の必要な可変容量範囲は発
振周波数Fcの可変範囲の二乗、タンク回路103の必
要な負コンダクタンスはさらに二乗となり最大で1.3
の四乗となる。つまり上記(数2)の式(2)中のコン
ダクタンス比Aは、最低容量つまり最も高い周波数を発
振させたときと、最高容量つまり最も低い周波数を発振
させたときとで、3倍程度異なることになる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来の電圧制御発振装
置では、位相雑音L(Foffset)における値A
は、発振周波数Fcにしたがって可変であり、最も低い
周波数で発振したとき(Cが最も大きいとき)大きな値
となってしまい、位相雑音特性を劣化させるという問題
があった。
【0007】そこで本発明は、良好な位相雑音特性を有
する電圧制御発振装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の電圧制御発振装
置は、第1の電圧源に一端が接続される電流源と、前記
電流源の他端に接続される可変容量素子と少なくとも2
個のコイルからなるタンク回路と、ドレインが前記タン
ク回路の第1の入出力端に接続され、ソースが第2の電
圧源に接続される第1のMOSトランジスタと、ドレイ
ンが前記タンク回路の第2の入出力端と前記第1のMO
Sトランジスタのゲートに接続され、ゲートが前記第1
のMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが
前記第2の電圧源に接続される第2のMOSトランジス
タと、一端が前記第1のMOSトランジスタのドレイン
に接続される第1の制御素子と、ドレインが前記第1の
制御素子の他端に接続され、ゲートが前記第2のMOS
トランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第2
の電圧源に接続される第3のMOSトランジスタと、一
端が前記第2のMOSトランジスタのドレインに接続さ
れる第2の制御素子と、ドレインが前記第2の制御素子
の他端に接続され、ゲートが前記第1のMOSトランジ
スタのドレインに接続され、ソースが前記第2の電圧源
に接続される第4のMOSトランジスタと、前記第1の
MOSトランジスタのドレインに接続される第1の出力
端子と、前記第2のMOSトランジスタのドレインに接
続される第2の出力端子とを具備することを特徴とす
る。
【0009】
【発明の実施の形態】図1に、本発明の電圧制御発振装
置の実施の形態の構成を示す。コイル5、7と電圧制御
可変容量素子9で、タンク回路3を構成する。コイル5
と7の共通接続端と電圧源Vddの間に電流源1が配置
されている。
【0010】制御素子15、17がオフのとき、Nチャ
ンネルMOSFET11、13がタンク回路3に並列接
続された増幅器を構成する。制御端子15、17がオン
のとき、NチャンネルMOSFET11、13、19、
21がタンク回路3に並列接続された増幅器を構成す
る。
【0011】MOSFET11のドレインは、コイル5
の他端、MOSFET13、21のゲート、制御素子1
5の一端、出力端子23に接続されている。MOSFE
T13のドレインは、コイル7の他端、MOSFET1
1、19のゲート、制御素子17の一端、出力端子25
に接続されている。
【0012】MOSFET19のドレインは、制御素子
15の他端に接続されている。MOSFET21のドレ
インは、制御素子17の他端に接続されている。
【0013】MOSFET11、13、19、21のソ
ースは、グランドに接続されている。
【0014】発振出力は、出力端子23と25から出力
される。出力端子25から出力される発振出力は、出力
端子23から出力される発振出力に対し反転の関係にあ
る。
【0015】図1の電圧制御発振装置は、半導体集積回
路で構成させる。
【0016】図1の電圧制御発振装置の発振周波数Fc
は、上記(数1)の式(1)で決定される。式(1)に
おいて、Lはコイル5、7のインダクタンスの合計であ
る。Cは、制御素子15と17がオフのとき、電圧制御
可変容量素子9の容量および、MOSFET11および
13のドレインの寄生容量の総和である。制御素子15
と17がオンのとき、Cは、電圧制御可変容量素子9の
容量およびMOSFET11、13、19、21のドレ
インの寄生容量の総和である。
【0017】そして発振周波数Fcにおいて、Foff
setだけ発振周波数Fcから離れた周波数における位
相雑音L(Foffset)は、上記(数2)の式
(2)で表される。式(2)において、kはボルツマン
係数、Tは絶対温度、Reffはタンク回路3の寄生抵
抗、Aはタンク回路3の負コンダクタンスに並列接続さ
れる増幅器(制御素子15と17がオンのとき11、1
3、19、21、制御素子15と17がオフのとき1
1、13)のコンダクタンスとその負コンダクタンスの
比に関係する値、Prmsはこの電圧制御発振装置の発
振強度である。
【0018】タンク回路3の負コンダクタンスGneg
は、上記(数3)の式(3)で表される。
【0019】式(2)から判るように、位相雑音を減少
させるには、タンク回路3の寄生抵抗Reffを低下さ
せることと電圧制御発振装置の発振強度Prmsを大き
くすることが重要である。しかしながらタンク回路3の
寄生抵抗Reffは、製造プロセスに起因するものであ
り、プロセスが決定してしまうと変えることは困難であ
る。
【0020】一方通常電圧制御発振装置の発振強度Pr
msは非常に大きな値として設定されるが、低い周波数
の信号を発振させようとすると、タンク回路3内の可変
容量素子9の容量を大きくし、多くの電荷の充放電を行
わねばならず、結果として大きな信号強度を得ることが
できない。
【0021】そこで図1においては、低い発振周波数に
おいて制御素子15と17をオンさせることにより、タ
ンク回路3に対して並列接続されるMOSFETの数を
増加させる。これによりコンダクタンス比Aを増加させ
ることなく、十分な発振強度を得て、良好な位相雑音特
性を得ることが実現できた。図1においては、発振周波
数に関わらず値Aをある程度一定にしている。
【0022】図2に、図1の電圧制御発振装置の具体的
回路構成例を示す。電流源1は、PチャンネルMOSF
ET51、53および抵抗55からなる。MOSFET
51のゲートは、MOSFET53のゲートとドレイン
に接続され、ソースは電圧源Vddに接続され、ドレイ
ンはコイル5と7の共通接続端に接続されている。MO
SFET53のソースは電圧源Vddに接続され、ドレ
インは抵抗55の一端に接続されている。抵抗55の他
端は、グランドに接続されている。
【0023】電圧制御可変容量素子9は、接合ダイオー
ド9aと接合ダイオード9bからなる。接合ダイオード
9aのアノードは、コイル5の他端に接続され、カソー
ドは接合ダイオード9bのカソードに接続されている。
接合ダイオード9bのアノードは、コイル7の他端に接
続されている。接合ダイオード9a、9bのカソードに
は、入力端子57を介して制御電圧が供給される。
【0024】制御素子15は、NチャンネルMOSFE
T15からなる。MOSFET15のドレインは、MO
SFET11のドレインに接続され、ソースはMOSF
ET19のドレインに接続され、ゲートは入力端子59
に接続されている。制御素子17は、NチャンネルMO
SFET17からなる。MOSFET17のドレイン
は、MOSFET13のドレインに接続され、ソースは
MOSFET21のドレインに接続され、ゲートは入力
端子61に接続されている。MOSFET15と17を
同時にオンさせるときは、入力端子59と61に共通の
電圧が供給される。
【0025】図3に、MOSFET15と17をカット
オフしたとき、入力端子57に入力される制御電圧に対
する発振周波数の関係、およびMOSFET15と17
をオンしたとき、入力端子57に入力される制御電圧に
対する発振周波数の関係を示した。図3のa点において
入力端子59と61に供給する電圧を高電圧状態にし
て、MOSFET15と17をオンさせることで発振可
能な周波数は、MOSFET15と17をオフさせたま
まで発振可能な周波数に比べて非常に広範囲であること
が確認できる。
【0026】図4に、図1の本発明の電圧制御発振装置
における位相雑音の発振周波数依存性と図6の従来の電
圧制御発振装置における位相雑音の発振周波数依存性を
比較して示した。
【0027】図5に、図1の変形例を示した。つまりN
チャンネルMOSFET11、13、19、21の代わ
りに、PチャンネルMOSFET31、33、35、3
7を使用している。
【0028】
【発明の効果】以上本発明の電圧制御発振装置によれ
ば、広い周波数範囲で良好な位相雑音特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電圧制御発振装置の実施の形態を示す
図である。
【図2】図1の電圧制御発振装置の具体的回路構成を示
す図である。
【図3】図2において、MOSFET15と17をカッ
トオフしたとき、入力端子57に入力される制御電圧に
対する発振周波数の関係、およびMOSFET15と1
7をオンしたとき、入力端子57に入力される制御電圧
に対する発振周波数の関係を示す図である。
【図4】図1の本発明の電圧制御発振装置における位相
雑音の発振周波数依存性と図6の従来の電圧制御発振装
置における位相雑音の発振周波数依存性を比較した図で
ある。
【図5】図1の変形例を示す図である。
【図6】従来の電圧制御発振装置の構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
1・・電流源、3・・タンク回路、5、7・・コイル、
9・・電圧制御可変容量素子、11、13、19、21
・・NチャンネルMOSFET、15、17・・制御素
子、23、25・・発振出力端子。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の電圧源に一端が接続される電流源
    と、 前記電流源の他端に接続される可変容量素子と少なくと
    も2個のコイルからなるタンク回路と、 ドレインが前記タンク回路の第1の入出力端に接続さ
    れ、ソースが第2の電圧源に接続される第1のMOSト
    ランジスタと、 ドレインが前記タンク回路の第2の入出力端と前記第1
    のMOSトランジスタのゲートに接続され、ゲートが前
    記第1のMOSトランジスタのドレインに接続され、ソ
    ースが前記第2の電圧源に接続される第2のMOSトラ
    ンジスタと、 一端が前記第1のMOSトランジスタのドレインに接続
    される第1の制御素子と、 ドレインが前記第1の制御素子の他端に接続され、ゲー
    トが前記第2のMOSトランジスタのドレインに接続さ
    れ、ソースが前記第2の電圧源に接続される第3のMO
    Sトランジスタと、 一端が前記第2のMOSトランジスタのドレインに接続
    される第2の制御素子と、 ドレインが前記第2の制御素子の他端に接続され、ゲー
    トが前記第1のMOSトランジスタのドレインに接続さ
    れ、ソースが前記第2の電圧源に接続される第4のMO
    Sトランジスタと、 前記第1のMOSトランジスタのドレインに接続される
    第1の出力端子と、 前記第2のMOSトランジスタのドレインに接続される
    第2の出力端子とを具備することを特徴とする電圧制御
    発振装置。
  2. 【請求項2】 高い周波数で発振する場合、前記第1と
    第2の制御素子をオフさせ、低い周波数で発振する場
    合、前記第1と第2の制御素子をオンさせることを特徴
    とする請求項1に記載の電圧制御発振装置。
  3. 【請求項3】 前記電流源と、前記タンク回路と、前記
    第1乃至第4のMOSトランジスタと、前記第1および
    第2の制御素子とを半導体集積回路で構成させることを
    特徴とする請求項1に記載の電圧制御発振装置。
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