(57)【要約】  移相器の入力にキャパシタの容量を可変なローパスフィルタを設ける。ローパスフィルタの効果により、入力信号の立ち上がりが緩くなる。キャパシタの容量を可変することにより、立ち上がりが急峻なものから緩やかなものに変えることが出来る。移相器では、入力信号波形の立ち上がりが閾値とクロスするタイミングで出力信号を生成するので、入力信号の立ち上がり方が変わることにより、入力信号の直流電圧値に対する入力信号波形が閾値とクロスするタイミングが変わる。入力信号である０°信号と１８０°信号の直流電圧値と波形の立ち上がり方をそれぞれ調整することにより、移相器から出力される０°信号と９０°信号間の位相差をより柔軟に調整することが出来る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロック信号が閾値以上となったタイミングで動作して、互いに位相が９０°ずれた周期信号を出力する移相手段と、
該移相手段に入力する該クロック信号の直流成分の電圧値を設定する直流電圧設定手段と、
該クロック信号の立ち上がりの傾斜を可変するクロック信号傾斜可変手段と、
を備えることを特徴とする移相器。
【請求項２】
前記クロック信号傾斜可変手段は、容量の異なるキャパシタを備えたローパスフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の移相器。
【請求項３】
前記クロック信号傾斜可変手段は、抵抗値の異なる負荷抵抗を備えた差動増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の移相器。
【請求項４】
前記クロック信号傾斜可変手段は、異なる相互コンダクタンスを有するトランジスタを備えたカスコード型差動増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の移相器。
【請求項５】
前記クロック信号傾斜可変手段は、半導体集積回路上に形成された、ＧＮＤ層からの距離、あるいは、幅の異なる金属配線と、接続する金属配線を選択するスイッチとを備えることを特徴とする請求項１に記載の移相器。
【請求項６】
前記クロック信号は、相互に１８０°位相がずれた２つの信号からなり、前記直流電圧設定手段と、前記クロック信号傾斜可変手段とは、該２つの信号のそれぞれに設けられることを特徴とする請求項１に記載の移相器。
【請求項７】
前記直流電圧設定手段は、前記クロック信号から直流成分を取り除くコンデンサと、所望の直流電圧を、直流成分が取り除かれた該クロック信号に与える直流電源とからなることを特徴とする請求項１に記載の移相器。
【請求項８】
前記移相手段は、前記クロック信号の２倍の周期の、互いに位相が９０°ずれた周期信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の移相器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線回路で用いられる局発信号用90°移相器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、無線ＬＡＮなどの無線システムサービスでは通信容量を増やすため、高周波広帯域化および多値変調方式やキャリア間隔を狭くするような多重方式などが採用されている。これらの無線システムには直交変復調器が多く使用され、その局発用信号には通信品質を確保するため高い位相精度が要求される。【０００３】
図１Ａ及び図１Ｂは、一般的な無線送受信機に使われる移相器について説明する図である。
図１Ａは、受信機における直交復調器を示し、図１Ｂは、送信機における直交変調器を示す。図１Ｂにおいて、受信信号は、受信増幅器１０によって増幅され、その後分岐されて直交復調器のミキサ１１−１、１１−２に入力される。また、発振器１５からは、局発信号が発振され、発振された局発信号が移相器１４に入力される。移相器１４では、局発信号から、移相されていない０°信号と９０°移相された９０°移相信号が生成され、それぞれ、ミキサ１１−１、１１−２に入力される。０°信号が入力されるミキサ１１−１でダウンコンバートされる受信信号は、Ｉ信号となり、ローパスフィルタ１２−１、増幅器１３−１を通って、復調ベースバンド信号となる。一方、９０°信号が入力されるミキサ１１−２でダウンコンバートされる受信信号は、Ｑ信号となり、ローパスフィルタ１２−２、増幅器１３−２を通って、復調ベースバンド信号となる。【０００４】
図１Ｂにおいては、やはり、発振器１６で、局発信号が生成され、移相器１７で、０°信号と、９０°信号が生成され、ミキサ２０−１、２０−２にそれぞれ入力される。Ｉ信号である、変調ベースバンド信号は、増幅器１８−１、ローパスフィルタ１９−１を通って、ミキサ２０−１に入力され、アップコンバートされて、送信増幅器２１に入力される。Ｑ信号である、変調ベースバンド信号は、増幅器１８−２、ローパスフィルタ１９−２を通って、ミキサ２０−２に入力され、アップコンバートされて送信増幅器２１に入力される。送信増幅器２１では、Ｉ信号をアップコンバートした信号とＱ信号をアップコンバートした信号を合成した信号を増幅し、送信信号とする。【０００５】
直交変復調器の局発信号からは、たとえば、分周型の９０°移相器によって０°信号と９０°信号が生成される。しかし、直交復調器が高い位相精度の動作要求を満たすためには素子プロセスや製造ばらつきによる位相ずれを調整可能とする必要があり、９０°移相器にこの機能が必要となる。【０００６】
図２Ａ及び図２Ｂは、分周型９０°移相器の動作を説明する図である。
２倍の周波数の差動信号、０°と１８０°を入力し、９０°位相がずれた所望の周波数信号を得る。１８０°ずれた２倍の周波数信号の立ち上がりで動作することで９０°の位相差が得られる。【０００７】
図２Ａに示されるように、入力信号として、周波数２ｆの、０°信号と１８０°信号からなる差動信号を用い、直流成分をコンデンサでカットした後、直流電圧源２６、２７によって、それぞれに直流成分が新たに与えられた後、分周型９０°移相器２５に入力され、出力信号として、周波数ｆで、移相が０°と９０°の差動信号を得る。【０００８】
図２Ｂには、分周型９０°移相器の動作が示されている。入力信号としては、周波数が２ｆの０°信号と、１８０°移相信号を用いる。分周型９０°移相器２５は、２つの入力信号の立ち上がりのみで、信号値を可変する動作を行うことにより、入力信号の０°信号からは、周波数ｆの０°出力信号を得、入力信号の１８０°信号からは、周波数ｆの９０°移相出力信号を得る。【０００９】
図３及び図４は、９０°移相器の回路例及びその説明図である。
図３において、入力の０°信号は、Ｄラッチ（１）の反転クロック端子とＤラッチ（２）のクロック端子に入力され、入力の１８０°信号は、Ｄラッチ（１）のクロック端子とＤラッチ（２）の反転クロック端子に入力される。Ｄラッチ（１）の正転出力は、出力信号の９０°信号となり、Ｄラッチ（２）の正転入力端子に入力される。Ｄラッチ（１）の反転出力は、Ｄラッチ（２）の反転入力端子に入力される。Ｄラッチ（２）の正転出力は、出力信号の０°信号となり、Ｄラッチ（１）の反転端子に入力される。Ｄラッチ（２）の反転出力は、Ｄラッチ（１）の正転端子に入力される。【００１０】
入力０°信号について動作を説明すると、Ｄラッチ（１）は、（Ａ）の立ち下がりで入力（Ｄ）を読み込んで、（Ｂ）に出力する。この（Ｂ）は、出力９０°信号となる。Ｄラッチ（２）は、（Ａ）の立ち上がりで、入力（Ｂ）を読み込み、（Ｃ）に出力する。この（Ｃ）は、出力０°信号となる。したがって、出力９０°信号は、入力０°信号の立ち下がりタイミングで信号値を変化させ、出力０°信号は、入力０°信号の立ち上がりのタイミングで信号値を変化させる。【００１１】
なお、Ｄラッチ（１）、（２）におけるクロック入力、反転クロック入力の判定においては、それぞれのラッチ内に閾値電圧を設けておき、入力クロック信号が閾値電圧より大きくなったタイミングで、それぞれのラッチが信号の入力と出力を行うようにする。【００１２】
図４は、図３の９０°移相器の動作を説明するタイミングチャートである。
信号（Ｂ）は、Ｄラッチ（１）が、信号（Ａ）の立ち下がりで、信号（Ｄ）を読み込んで、出力するものである。信号（Ｃ）は、Ｄラッチ（２）が、信号（Ａ）の立ち上がりで、信号（Ｂ）を読み込み、出力するものである。以上から、出力０°信号は、信号（Ｃ）のように、出力９０°信号は、信号（Ｂ）のようになる。【００１３】
図５は、分周型９０°移相器の従来の移相調整方法を説明する図である。
信号入力の直流電圧を変えることで信号の立ち上がりタイミングを調整して出力信号の位相差を調整する。図５の（１）は、０°信号の場合を示しており、移相器の閾値電圧よりも入力信号の直流電圧を小さくすることにより、入力信号波形が閾値とクロスする点のタイミングを遅くしている。これにより、０°信号のタイミングを遅くすることが出来る。図５の（２）は、９０°移相信号の場合を示しており、入力信号の直流成分を移相器の閾値電圧より大きくすることにより、入力信号波形が閾値とクロスする点のタイミングを、早くしている。これにより、９０°移相信号のタイミングを早くすることが出来る。したがって、入力信号波形と閾値がクロスするタイミングで、出力信号の立ち上がり、立ち下がり生成されるので、図５の（１）と（２）を同時に行うことにより、０°信号のタイミングを遅くし、９０°移相信号のタイミングを早くでき、両者の位相差を小さくすることが出来る。両者の位相差を大きくしたい場合には、上記と逆のことをすればよい。【００１４】
しかし、素子プロセスや製造バラツキによる移相器閾値電圧のずれ、入力信号回路のトランジスタスピードのばらつきによる入力信号波形の変化等により、直流電圧の調整範囲や調整ステップに限界があるため、所望の位相調整範囲が得られない場合が発生する。【００１５】
図６は、従来技術の問題点を説明する図である。
特許文献１のような場合、素子プロセスや製造バラツキなどにより、図６の（１）に示すように、移相器閾値電圧と入力信号の直流電圧との間に差がある場合、直流電圧の調整範囲が移相器閾値電圧に比べ、上側あるいは下側に偏ってしまい、出力信号の立ち上がりのタイミングを遅くするほうは、大きく調整できるが、早くするほうは、少ししか調整できない、あるいは、その逆などが発生する。そして、少ししか調整できない方向に、大きく調整しなければならない場合には、出力信号の位相差を調整しきれない場合が発生する。また、図６のように、入力信号波形の立ち上がりが急峻な場合には、入力信号の直流電圧を大きく変化させても、立ち上がりが急峻なため、タイミングの調整範囲が狭くなる場合も発生する。タイミング調整範囲が狭い場合にも、やはり、要求される出力信号の位相差を十分調整しきれない場合が発生する。
【特許文献１】特開昭５８−５６５２２号公報
【発明の開示】
【００１６】
本発明の課題は、近年の広帯域無線通信システムに利用できる、移相調整機能を有した移相器を提供することである。
本発明の移相器は、クロック信号が閾値以上となったタイミングで動作して、互いに位相が９０°ずれた周期信号を出力する移相手段と、該移相手段に入力する該クロック信号の直流成分の電圧値を設定する直流電圧設定手段と、該クロック信号の立ち上がりの傾斜を可変するクロック信号傾斜可変手段とを備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】一般的な無線送受信機に使われる移相器について説明する図である。
【図１Ｂ】一般的な無線送受信機に使われる移相器について説明する図である。
【図２Ａ】分周型９０°移相器の動作を説明する図である。
【図２Ｂ】分周型９０°移相器の動作を説明する図である。
【図３】９０°移相器の回路例（その１）である。
【図４】９０°移相器の回路例（その２）である。
【図５】分周型９０°移相器の従来の移相調整方法を説明する図である。
【図６】従来技術の問題点を説明する図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態の動作を説明する図（その１）である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態の動作を説明する図（その１）である。
【図７Ｃ】本発明の実施形態の動作を説明する図（その１）である。
【図８Ａ】本発明の実施形態の動作を説明する図（その２）である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態の動作を説明する図（その２）である。
【図９】本発明の実施形態の動作を説明する図（その３）である。
【図１０】本発明の実施形態の動作を説明する図（その４）である。
【図１１】入力信号の立ち上がりを緩やかにするための第２の構成例を示す図である。
【図１２】入力信号の立ち上がりを緩やかにするための第３の構成例を示す図である。
【図１３】入力信号の立ち上がりを緩やかにするための第４の構成例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図７Ａ〜図１０は、本発明の実施形態の動作を説明する図である。
移相器に入力する波形を図７のように立ち上がりが急峻なものから緩やかなものに変化させると、同じ直流電圧でも立ち上がるタイミングを変えることができる。緩やかであるほど電圧変化に対する位相変化が大きくなり位相可変範囲を大きくでき、調整ステップの大きさも可変とすることができる。【００１９】
図７Ａは、移相器閾値電圧よりも入力信号の直流電圧が大きい場合であり、入力信号波形の立ち上がりを緩やかにすることにより、より大きく、出力信号の立ち上がりタイミングを早くすることが出来るようになる。また、図７Ｂは、移相器閾値電圧よりも入力信号の直流電圧が小さい場合であり、入力信号波形の立ち上がりを緩やかにすることにより、より大きく、出力信号の立ち上がりタイミングを遅くすることが出来るようになる。図７Ｃに拡大して示されているように、入力信号波形が移相器閾値電圧とクロスするタイミングで、出力信号の立ち上がり、立ち下がりが生成されるので、直流電圧の調整範囲が同じであっても、入力信号波形の立ち上がりが緩やかになればなるほど、出力信号の立ち上がり、立ち下がりのタイミングの調整範囲が大きくなっている。【００２０】
図７Ａ〜Ｃの実現方法としては、図８Ａに示されるように、移相器の入力に可変ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を設け、タイミング調整範囲が、必要な調整範囲となるようローパスフィルタの時定数（遮断周波数)を調整することが可能である。ローパスフィルタ３０、３１は、入力信号の０°信号と、１８０°信号の両方に、直流をカットするコンデンサの前の位置に設け、同じ構成とする。両方のローパスフィルタ３０、３１には、それぞれ複数のキャパシタＣ１〜Ｃ３をスイッチを介して接続しておき、必要に応じてスイッチを切り替えて、ローパスフィルタの時定数を調整する。ローパスフィルタ３０、３１のキャパシタで、同じ記号で示されているキャパシタは、同じ容量を有するように構成する。図８Ｂには、０°信号の側の分周型９０°移相器への入力信号波形を示している。ローパスフィルタのキャパシタの容量が大きくなるに従い、入力信号波形の立ち上がりが緩やかになる。これにより、図７で説明した通り、位相可変範囲を大きくすることができる。【００２１】
図９及び図１０は、移相器の位相調整量の設定の例を示す図である。
図９においては、移相器に入力される入力信号の直流電圧が０のときに、移相器から出力される０°信号（Ｉ信号）と９０°信号（Ｑ信号）の位相差が７０°になっている場合の移相器の位相調整量の例を示した図である。デフォルトの状態では、ローパスフィルタにキャパシタＣ１が接続され、キャパシタを接続しない場合と、Ｃ１より容量の大きいキャパシタＣ２を接続する場合が可能な場合を示している。Ｉ信号とＱ信号の位相差は、９０°であるべきであるが、現在７０°であるので、移相器の出力信号の位相を調整しなくてはならない。しかし、図９に示されている場合では、デフォルトの場合、キャパシタＣ１が接続されているのであるが、入力信号の直流電圧を最大に変化させても、移相器の調整量が９０°までに至らない。キャパシタなしの場合には、デフォルトの場合に比べ、入力信号の立ち上がりが急峻になるので、調整範囲が狭くなってしまう。一方、キャパシタＣ２をローパスフィルタに接続した場合には、調整範囲が広くなり、移相器調整量が９０°にいたるようになる。このように、本発明の実施形態では、デフォルトの状態で、必要とされる位相調整量が得られなくても、ローパスフィルタの特性を変えて、移相器への入力信号波形の立ち上がりを緩やかにすることにより、必要な位相調整量を得られるようにできる。【００２２】
図１０は、移相器に入力される入力信号の直流電圧が０のときに、Ｉ信号とＱ信号の位相差が９０°となっている場合である。また、ローパスフィルタは、キャパシタなし、キャパシタＣ１を接続、Ｃ１より容量の大きいキャパシタＣ２を接続、の３通りに変えることができるようになっている。デフォルトでは、キャパシタＣ１が接続されているとする。図１０の場合は、直流電圧が０のときに、移相器調整量がすでに９０°に達しているので、大きく位相調整する必要がない。むしろ、微調整が出来るほうが望ましい。ローパスフィルタにキャパシタＣ２を用いると、調整範囲は広がるが、直流電圧の単位変化あたりの移相器調整量の変化量がより大きくなり、微調整にはならない。ところが、ローパスフィルタにキャパシタを接続しない場合には、調整範囲は狭くなるが、図１０のグラフで移相器調整量の傾きが小さくなっていることからわかるように、直流電圧の単位変化あたりの移相器調整量の変化量が小さくなっている。したがって、直流電圧の単位変化あたりの移相器調整量の変化量が小さくなるので、位相量を微調整することが出来るようになる。【００２３】
図１１は、入力信号の立ち上がりを緩やかにするための第２の構成例である。
図１１に示すように、移相器前段に差動増幅器を設け、負荷抵抗を増減することでミラー効果による容量を可変でき、ローパスフィルタの効果が得られる。いま、負荷抵抗として、抵抗値Ｒ１の抵抗を選択したとすると、ミラー効果による容量は、Ｃ＝Ｃｇｄ×（１＋ｇｍ×Ｒ１）で与えられる。ここで、ｇｍはトランジスタの相互コンダクタンス、Ｃｇｄは、トランジスタのドレインとゲート間の寄生容量である。抵抗値がＲ２、Ｒ３のときは、上記式で、Ｒ１のところに、Ｒ２、Ｒ３を代入すればよい。この構成により得られるローパスフィルタの遮断周波数は、１／（Ｒｉ×Ｃ）で与えられる。Ｃは、上記式により与えられたものである。Ｒｉは、トランジスタへの入力抵抗値である。抵抗を大きくするとミラー容量が増加し、ローパスフィルタ効果により移相器入力波形の立ち上がりが緩やかとなる。本構成では、ローパスフィルタ効果を、トランジスタと抵抗からなる回路で実現しているので、ＬＳＩとした場合、回路構成はやや複雑になっても、キャパシタを複数設け、容量を可変する場合に比べて回路面積を小さくできる。【００２４】
図１２は、入力信号の立ち上がりを緩やかにするための第３の構成例である。
移相器の前段にカスコード型差動増幅器を設け、入力トランジスタのドレインに接続されたゲート接地トランジスタの相互コンダクタンスを増減することでミラー効果による容量を可変でき、ローパスフィルタの効果が得られる。トランジスタｇｍ、ｇｍ１、ｇｍ２、ｇｍ３は、それぞれ、相互コンダクタンスがｇｍ、ｇｍ１、ｇｍ２、ｇｍ３のトランジスタを示す。Ｃｇｄは、トランジスタのドレインとゲート間の寄生容量である。トランジスタのｇｍがｇｍ１のものを選択した場合のカスコード型差動増幅器の容量は、Ｃ＝Ｃｇｄ×（１＋ｇｍ／ｇｍ１）となる。また、ローパスフィルタとしての遮断周波数は、入力抵抗値をＲｉとすると、１／（Ｒｉ×Ｃ）で与えられる。この場合も、ＬＳＩで回路を構成した場合、カスコード型差動増幅器にキャパシタが含まれないので、回路面積を小さくすることが出来る。【００２５】
図１３は、入力信号の立ち上がりを緩やかにするための第４の構成例である。
集積回路では配線容量を利用して、ローパスフィルタの効果が得られる。配線幅が広くまたより下層の配線である方が容量を大きくできる。図１３にあるように、金属配線３５は、多層からなるＬＳＩのＧＮＤ層に近い下層配線で構成され、しかも、配線の幅が広くなっているので、容量が最も大きくなっている。金属配線３６は、下層配線で構成されているが、金属配線３５より配線幅が狭く、容量が金属配線３５より小さくなっている。金属配線３７は、上層配線に構成されており、配線幅も広くないので、最も容量が小さくなっている。信号の立ち上がりを緩やかにする効果としては、金属配線３５が最も大きく、順に、金属配線３６、金属配線３７となる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
2008107932.tif 000021
2008107932.tif 000022