JPS6384204A - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は所要の制御電圧によって発振周波数が制御され
る電圧制御発振器（ＶＣＯ）に関し、特にＭＯＳトラン
ジスタを用いて出力レベルが一定となる電圧制御発振器
に関する。

８０発明の概要 本発明は、奇数段のインバータをリング状に接続してな
る電圧制御発振器において、偶数段のインバータを介在
させた一対のノード間でインピーダンス変換手段を設け
たループを配設して制御することにより、一定の出力を
得るものである。

Ｃ０従来の技術 電圧制御発振器（ＶＣＯＨＶｏｌｔａｇｅ　　Ｃｏｎｔ
ｒｏｌｌｅｄ　０ｓｃｉｌｌａｔｏｒ　）は、所要の制
御電圧によって発振周波数ｆｏが変化する発振器であり
、その−例として奇数段のインバータをリング状に接続
した電圧制御発振器が知られている。

第６図に示す電圧制御発振器は、このような電圧制御発
振器の一例であり、その構成を簡単に説明すると、奇数
段のインバータＩ　ｎ、、　ｌ　ｎ、、・・・。

Ｉ　ｎｔｗ＋＋　（Ｎは自然数）を直列に接続しており
、最終段のインバータＩｎｚＨ＋１の出力は、第１段の
インバータＩｎ、に入力されてリング状となっている。

各インバータＩ　ｎ　Ｉｎ　Ｉ　ｎ　！＋　＋＋、　　
Ｉ　ｎ　ＩＮ＋１は為例えばＣＭＯＳインバータ構成と
されており、ＰＭＯＳトランジスタのソースに電源電圧
Ｖ、。が供給され、ＮＭＯ３）ランジスタのソースに接
地電圧ＶＳＳが供給される。そして最終段のインバータ
ＴｎｌＨ＋１からは、バッフｙＢｕｆ１．Ｂｕｆ２等の
バッファ回路を介して所要の発振周波数ｔｏからなる出
力が取り出されている。

ところで、このような電圧制御発振器は、ＣＭＯＳイン
バータに供給される電源電圧ｖ０の値を変化させて動作
させている。すなわち、その電源電圧ＶＨの値の変化に
よって、各インバータの遅延時間τ、−が変化して、発
振周波数ｆｏが変化する機構となっている。

Ｄ０発明が解決しようとする問題点 しかし、所要の発振周波数ｆｏを得るために電源電圧Ｖ
Ｄ１１の値を変化させるものでは、その出力レベルも変
動することになる。

そして、出力レベルが変動したときには、その出力レベ
ルの変動を補償する必要が生じ、安定した動作のために
は他の周辺回路や他のロジック等へのインターフェース
が複雑なものとなり、その為のコスト増等が問題となっ
ていた。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、−定の安定
した出力を得る電圧制御発振器の提供を目的とするもの
である。

Ｅ１問題点を解決するための手段 本発明は、奇数段のインバータをリング状に接続してな
る電圧制御発振器において、偶数段のインバータを介在
させた一対のノードを接続するループを設け、そのルー
プにインピーダンス変換手段を設け、そのインピーダン
ス変換手段を所要の電圧で制御して上記ループの電流を
調整することにより、所要の発振出力を得る電圧制御発
振器により上述の技術的課題を解決する。

Ｆ０作用 偶数段のインバータを介在させた一対のノードでは、入
力側のインバータ段における電位変化（立ち上がりや立
ち下がり）時の直前において、同相の電位関係にある。

そして、これらノードを接続することで、出力反転動作
の際の電流の注入若しくは注出経路は、２つのインバー
タ段を併用することになる。このインバータの出力反転
動作の際には、ゲート電圧（入力信号）に従って出力部
で電流の注入若しくは注出が行われるが、上記ループに
設けられた上記インピーダンス変換手段によってループ
の電流を制御することにより、併用される電流経路の一
方が制御されることになり、従って、その電位変化の速
度（即ち遅延時間τ。

、）は変化することになる。そして、このような電位変
化の速度によってリング状に接続される当該電圧制御発
振器からの発振周波数ｆｏは、所要のものとなり、この
時各インバータ段に供給される電源電圧ｖ０は何ら変化
しないため、一定の出力を安定して得ることができるこ
とになる。

Ｇ、実施例 本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明する。

第１の実施例 本発明の第１の実施例の電圧制御発振器は、第１図に示
すような構成を有している。即ち、奇数段のインバータ
Ｉ　ｎＩｎ　Ｉ　Ｊ、”’、　　Ｉ　ｎｓ＋４　（Ｎは
奇数）を直列に接続しており、最終段のインバータＩｎ
□の出力は、第１段のインバータＩｎ＋に入力されてリ
ング状となっている。各インバータ■ｎｌ＋　Ｉ　ｎ、
、＋＋＋、　　Ｉ　ｎ３Ｈは、例えばＣＭＯＳインバー
タ構成とされており、ＰＭＯ３）ランジスタのソースに
一定の電源電圧ｖ０が供給され、ＮＭＯＳトランジスタ
のソースに一定の接地電圧ＶＳＳが供給される。そして
、インバータｌｎ、とインバータＩｎ１．の２つのイン
バータを介在させて第１のループＬ１が設けられ、イン
バータＩｎｓとインバータＩｎｓの２つのインバータを
介在させて第２のループＬ２が設けられ、さらに順次ル
ープが設けられて、インバータＩｎユ、−２とインバー
タＩｎＢ−＋の２つのインバータを介在させた第Ｎのル
ープＬ、まで各ループが設けられている。

そして、各ループＬ、−Ｌ、には、それぞれ当該各ルー
プＬ、〜Ｌ８を流れる電流を制？Ｉして、発振周波数ｒ
ｏを可変とするためインピーダンス変換手段としてのＭ
ＯＳトランジスタＭ　ｌ”’　Ｍ　Ｎが配設されており
、これらＭｏＳトランジスタＭ１〜ＭＭの各ゲートは、
制御電圧Ｖ　ＣＴＬが供給されるように接続されている
。

なお、最終段のインバータＩｎｋｓには、所要の発振周
波数ｆｏとなる出力を取り出すようにバッファＢｕｆｆ
、Ｂｕｆ２のバッファ回路が接続されている。

次に、このような電圧制御発振器の動作を第２図を参照
しながら説明すると、まず、ある第に番目のル−プであ
る第にのル−プＬＩｌがインバータＩｒ１３に−１の出
力側のノードＮ　Ｄ　ｘ　ｋ−□とインバータＩｎ３．
の出力側のノーＥＮＤ３ｍを接続するように設けられ、
この第にのループＬ、はインバータ■ｎ３に一１トイン
バータＩｎ３にの２つのインパークを介在させている。

そして、この第にのループＬ。

にはＭｏ３）ランジスタＭｋが設けられ、そのゲートに
は制御電圧Ｖ　ＣＴＬが供給されるようになっている。

いま、インバータＩｎｆｆｍ−ｇの出力レベルがローレ
ベルからハイレベルに立ち上がろうとするとき、当初、
このインバータＩ　ｎｓｍ−ｔのＮＭＯＳトランジスタ
はオンであり、ＰＭＯ３）ランジスタは逆にオフである
が、その立ち上がりの際には、電源電圧Ｖ、より該ＰＭ
Ｏ５）ランジスタのソースを介して電流Ｉｉが注入され
る。この注入された電流１ｉは、その過渡期間において
は、当該インバータＩｎ、□８のＮＭＯＳトランジスタ
を介して接地側へ流れるのみならず、上記第にのループ
Ｌ、が配設されていることから、インバータＩｎ□のＮ
Ｍｏ３　ｌ−ランジスタを介しても接地側へ流れること
になる。ここで、この第にのループＬ、に流れる電流１
ｘは、当該第にのループＬｋに設けられ上記制御電圧Ｖ
　ＣＡＬによって制御されているＭｏ３）ランジスタＭ
ｋによって、その値が制御されるものであり、このため
各インバータの遅延時間τ、４を制御できる。たとえば
、上記ＭＯＳトランジスタＭｋをＮＭｏ３）ランジスタ
としたときには、制御電圧■。７Ｌをハイレベルとする
ことでそのインピーダンスは減少し、上記電流ＩｘＯ値
は大きくなり、インバータＩｎ３に−１の反転動作が遅
延することになって、結局、発振周波数ｆｏの値は低周
波数側に偏移することなる。また、逆に、制御電圧Ｖ　
ＣＴＬをローレベルとすることでそのインピーダンスは
増大し、上記電流ｌｘの値は小さくなり、インバータＩ
ｎ、ｈ−＋の反転動作が高速化して、発振周波数ｔｏの
値は高周波数側に偏移することなる。

このように本実施例の電圧制御発振器は、上記制御電圧
Ｖ　ＣＡＬによって、各ループのインピーダンス変換手
段を制御することで、所要の発振周波数ｔｏの出力を得
るものである。そして、この出力は、特に何ら直接にイ
ンバータに供給される電源電圧ＶＤ１１を変動させるも
のではないから、常に一定の出力レベルを維持するもの
である。

また、従来のように電源電圧Ｖ、を変動させていたとき
には、その制御自体で電力が消費されていたが、本実施
例の電圧制御発振器では、制御電圧ｖ、？１は、各ルー
プのインピーダンス変換手段に供給されるものであり、
例えばインピーダンス変換手段をＭｏ３Ｉ−ランジスタ
とした場合には、直接ゲートに接続されるため、その消
費電力は低減されることになる。

なお、この第１の実施例の電圧制御発振器においては３
個のインバータの組の全てに１つのループを設けている
が、インバータの組の一部にループを設けるようにして
も良い、また、全てのループにインピーダンス変換手段
を設けて説明したが、これに限定されず、その一部にイ
ンピーダンス変換手段を設けるようにしても良い、また
、当該電圧制御発振器のリング状のインバータの任意の
位置にバッファを設けることも自由であり、全体として
反転出力が入力部に帰還される構成であれば良い、さら
に、偶数個介在させるインバータの数として２個を例示
したが、４個、６個、・・・とさらに大きい偶数値であ
っても良い。

また、インピーダンス変換手段としてＭＯＳトランジス
タの例を説明したが、他の電流制御手段で良いことは勿
論である。

第２の実施例 本実施例は、第１の実施例におけるバッファの機能を有
している第３に番目（Ｋは自然数）のインバータを除去
した電圧制御発振器であり、第１の実施例の電圧制御発
振器の変形例である。

この第２の実施例の電圧制御発振器は、第３図に示すよ
うに、奇数段のインバータＩ　’Ｉ＋　Ｉ　ｎ、。

・・−、Ｉｎ□、１（Ｎは自然数）を直列に接続してお
り、最終段のインバータＩｎ□０．の出力は、第１段の
インバータＩｎ、に入力されてリング状となっている。

各インバータＩｎｎ、Ｉｎ諺、・・・＋Ｉ”ＩＮ、ｌは
、例えばＣＭＯＳインバータ構成とされており、ＰＭＯ
５）ランジスタのソースに一定の電源電圧ｖ０が供給さ
れ、ＮＭＯＳ）ランジスタのソースに一定の接地電圧Ｖ
、が供給される。そして、インバータＩｎ、とインバー
タＩｎ、の２つのインバータを介在させて第１のループ
Ｌ１が設けられ、インバータｌｎ、とインバータＩｎ４
の２つのインバータを介在させて第２のループＬｘが設
けられ、さらに順次ループが設けられて、インバー９１
　ｎｒｓ−＋トインバータ１ｎＨの２つのインバータを
介在させた第ＮのループＬＨまで各ループが設けられて
いる。

そして、各ループＬ、〜ＬＭには、それぞれ当該各ルー
プし、〜Ｌ、を流れる電流を制御して、　　・発振周波
数ｆｏを可変とするためインピーダンス変換手段として
のＭＯＳ）ランジスタＭ１〜ＭＮが配設されており、こ
れらＭＯＳ）ランジスタＭ、〜ＭＷの各ゲートは、制御
電圧Ｖ　ＣＴＬが供給されるように接続されている。

なお、パンフッとしての最終段のインバータ！ｎ□、ｌ
の出力部からバフフッＢｕｆ１．Ｂｕｆ２等のバッファ
回路を介して所要の発振周波数ｆＯからなる出力が取り
出されている。

このような構成を有する本実施例の電圧制御発振器は、
上述の第１の実施例と同様に、上記インピーダンス変換
手段としてのＭＯＳ）ランジスタＭ１〜Ｍ、のゲート電
圧を上記制御電圧Ｖ　ＣＡＬで制御することにより、所
要の発振周波数ｆｏを得ることができ、その電圧制御に
おいては、何ら各インバータＩ　ｎ　Ｉｎ　Ｉ　ｎ　Ｚ
＊　”’＋　　Ｉ　ｎ　ｚＨｈｌの電源電圧Ｖｌｌ１１
や接地電圧ＶＳＳは変動しないため、安定した一定の出
力レベルを得ることができる。

第３の実施例 本発明の第３の実施例の電圧制御発振器は、ノード間に
介在させるインバータを奇数段を構成するリング状のイ
ンバータ群とは別個のものとして配設したものである。

この第３の実施例の電圧′＠御光発振器、第４図に示す
ように、奇数段のインバータＩ　ｎｌｔ　Ｉ　ｎ、。

・・・、Ｉｎ□、１（Ｎは自然数）を直列に接続してお
り、最終段のインバータｔｎｚｓ＊＋の出力は、第１段
のインバータＩｎ＋　に入力されてリング状となってい
る。各インバータ’　”＋、Ｉ　ｎｚ、・・・、Ｉｎ□
０．は、例えばＣＭＯＳインバータ構成とされてお＃）
、ＰＭＯ３）ランジスタのソースに一定の電源電圧ｖ１
．が供給され、ＮＭＯＳ）ランジスタのソースに一定の
接地電圧ＶＳＳが供給される。そして、１つ置きのイン
バータＥ　ｎｌｔ　Ｉ　Ｊ、”’、　　Ｉ　ｎｚＮ−＋
では、それぞれ相互に出力部が入力部に接続され、入力
部が出力部に接続されるようにインバータＩｎｌ＋、　
Ｉ　ｎｌｘ、　＝、　　Ｉ　ｎｌ、Ｉを配設している。

さらに、その各インバータＩ　ｎｌｔ、　Ｉ　ｎｌ、、
　−＋　　Ｉ　ｎｌｉ＋の出力部と上記１つ置きのイン
バータＩｎ、、Ｉｎ、、・・・。

ＩｎｌＮ−１の入力部との間には、それぞれインピーダ
ンス変換手段としてのＭＯ３Ｉ−ランジスタＭＩ〜ＭＮ
が各ループＬ１〜Ｌ８に配設されるように接続されてい
る。

なお、これらＭＯＳ）ランジスタＭＩ〜Ｍ工の各ゲート
は、制御を圧Ｖ　ＣＡＬが供給されるように接続されて
おり、バッファとしての最終段のインバータＩｆ１ｍＮ
ｅｔの出力部からバッファＢｕｆｌ、Ｂｕｆ２等のバッ
ファ回路を介して所要の発振周波数ｆｏを有する出力が
取り出されている。

この第３の実施例においても、各ループＬ１〜Ｌ２は偶
数個のインバータ（例えばインバータＩｎ１とインバー
タＩｎＬ）を介在させており、それら各ループＬ、〜Ｌ
Ｎは出力反転動作の際の電流経路となるため、これを上
記ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ、で制御することにより
、所要の発振周波数ｆｏを得ることができる。

なお、各ループＬ、〜Ｌ８に介在させるインバータの数
が偶数個であれば良く、必ずしもリング状の部分を構成
しないインバータの数は限定されるものではない。

第４の実施例 本実施例は、奇数段のインバータによりリング状に構成
されるインバータ群の正相と逆相の双方の各ノードをそ
れぞれ接続した電圧制御発振器の例である。

この第４の実施例の電圧制御発振器は、第５図に示すよ
うに、奇数段のインバータＴ　ｎ、、　Ｉ　ｎ、。

・・・、　　Ｉ　ｎ２Ｎ＋Ｉ　（Ｎは自然数）を直列に
接続しており、最終段のインバータＩｎｚｓ＊＋の出力
は、第１段のインバータＩｎ、に入力されてリング状と
なっている。各インバータＩ　ｎ　Ｉｎ　Ｉ　ｎ　ｌ＋
　”’＋　　Ｉ　ｎ　ｔＮ、１は、例えばＣＭＯＳイン
バータ構成とされており、ＰＭＯ３）ランジスタのソー
スに一定の電源電圧ｖ０が供給され、ＮＭＯ３Ｉ−ラン
ジスタのソースに一定の接地電圧ＶＳＳが供給される。

そして、このうち奇数番目のインバータＩｎ、。

Ｉ　ｎ３．”・Ｉ　ｎ２Ｎ−３＋　　Ｉ　ｎ２Ｎ−１の
それぞれ出力側のノードには、インバータＩｎ、とイン
バータＩｎ３の２つのインバータを介在させるように逆
相の第１のループＩＬ、が設けられ、以下、これらのノ
ードで順次２つのインバータを介在させるように逆相の
ループが設けられて、インバータＩｎ、、”−２とイン
バータＩｎ！Ｎ−１の２つのインバータを介在させた逆
相の第Ｎ−１のループＩＬＮ−１まで各ループが設けら
れている。

また、奇数番目のインバータＩ　ｎｌ＋　Ｉ　ｎｓ、・
・弓”１Ｎ−２＋　　Ｉ　ｎ□−２のそれぞれ入力側の
ノードには、インバータＩｎ、とインバータＩｎ、の２
つのインバータを介在させるように正相の第１のループ
ＳＬ、が設けられ、以下、これらのノードで順次２つの
インバータを介在させるように正相のループが設けられ
て、インバータＩｎｔＮ−１とインバータＩｎＺＮ−２
の２つのインバータを介在させた正相の第Ｎ−１のルー
プ５ＬＮ−１まで各ループが設けられている。

、そして、各ループＩＬ＋〜ＩＬＮ−，及びＳＬ。

〜５ＬＮ−１には、それぞれ当該各ループを流れる電流
を制御して、発振周波数ｆＯを可変とするためインピー
ダンス変換手段としてのＭＯＳ）ランジスタＩＭ、〜Ｉ
ＭＮ−，及びＳＭ、〜５ＭＮ−１が配設されており、こ
れらＭＯＳ）ランジスタＩＭ１〜ＩＭＭ−＋及びＳ　Ｍ
　Ｉ””　Ｓ　Ｍ　Ｈ−＋の各ゲートは、制御電圧ｖ　
ｃｗｔが供給されるように接続されている。

なお、バッファとしての最終段のインバータ■ｎ１Ｎｉ
＋の出力部からバフファＢｕｆｌ、Ｂｕｆ２等のバッフ
ァ回路を介して所要の発振周波数ｔｏとなる出力が取り
出されている。

このような構成を有する本実施例の電圧制御発振器は、
上述の第１の実施例と同様に、上記インピーダンス変換
手段としてのＭＯＳ）ランジスタＩＭ＋〜ＬＭ、、−，
及びＳＭ、〜５ＭＮ−１のゲート電圧を上記制御電圧Ｖ
Ｃ？Ｌで制ｆｉｌｌすることにより、所要の発振周波数
ｒＯを得ることができ、その電圧制御においては、何ら
各インバータｌｎ、、ｌｎオ、・・・＋Ｉｎｔｇ＋ｔの
電源電圧Ｖ。や接地電圧ＶＳＳは変動しないため、安定
した一定の出力レベルを得ることができる。

なお、上述の第２〜第４の実施例の電圧制御発振器にお
いては介在させたインバータの組の全てに１つのループ
を設けているが、インバータの組の一部にループを設け
るようにしても良い、また、全てのループにインピーダ
ンス変換手段を設けて説明したが、これに限定されず、
その一部にインピーダンス変換手段を設けるようにして
も良い。

また、当該電圧制御発振器のリング状のインバータの任
意の位置にバッファを設けることも自由であり、全体と
して反転出力が入力部に帰還される構成であれば良い、
さらに、偶数個介在させるインバータの数として２個を
例示したが、４個、６個、・・・とさらに大きい偶数の
ものであっても良い。

また、インピーダンス変換手段としてＭＯＳトランジス
タの例を説明したが、他の電流制御手段で良いことは勿
論である。また、ＭＯＳ）ランジスタの場合は、ＮＭＯ
３）ランジスタに限定されずＰＭＯ３）ランジスタでも
良い、インバータとして０ＭＯ３構成のものを例示した
が、他のインバータの構成であっても良い。

Ｈ６発明の効果 本発明の電圧制御発振器は、ループに接続されたインピ
ーダンス変化手段を用いて発振周波数を制御するが、そ
の出力レベルは発振周波数に依存せず、常に一定のもの
となり、このため、他のロジック等への接続は容易とな
り、コストの低減等を実現する。

また、インピーダンス変換手段としてＭＯＳ　）ランジ
スタ等を用いたときには、低消費電力も同時に実現する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に説明する電圧制御発振
器の構成を示す回路図、第２図はその動作を説明するた
めの部分回路図、第３図は本発明の第２の実施例に説明
する電圧制御発振器の構成を示す回路図、第４図は本発
明の第３の実施例に説明する電圧制御発振器の構成を示
す回路図、第５図は本発明の第４の実施例に説明する電
圧制御発振器の構成を示す回路図、第６図は従来の電圧
制御発振器の一例を示す回路図である。 ｌ　ｎ　ｋ−−−−−・−−−−−一−−−−−−−−
−−・−・−−ｍ＝・インバータＬｍ、　Ｉ　Ｌｍ、　
Ｓ　Ｌｍ　　・−−−−・−−−−−ループＭ　＊、　
Ｉ　Ｍ　ｋｎ　Ｓ　Ｍ　＊　　・−−−−一−−・・Ｍ
ＯＳ）ランジスク（インピーダンス変換手段）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 奇数段のインバータをリング状に接続してなる電圧制御
   発振器において、 偶数段のインバータを介在させた一対のノードを接続す
   るループを設け、そのループにインピーダンス変換手段
   を設け、そのインピーダンス変換手段を所要の電圧で制
   御して上記ループの電流を調整することにより、所要の
   発振出力を得る電圧制御発振器。