(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を具備している集積回路（ＩＣ）温度補償された電圧制御発振器（ＶＣＯ）：
半導体基板；
その基板上に製造され、可変周波数共振回路を有する発振器、その共振回路の周波数は、部分的に、少なくとも１つのバラクタダイオードに与えられる制御電圧に基づいて制御される；
その少なくとも１つのバラクタのレファレンス端部に結合された出力を有する基板上に製造され、その少なくとも１つのバラクタが原因の温度感受性周波数ドリフトを実質的に補償するように構成された可変電圧ソース、
可変電圧ソースは、
ＰＴＡＴ電流源；
ＰＴＡＴ電流源の出力に結合され、選択可能な温度係数を有する抵抗負荷、を含み、
抵抗負荷は、並列に結合された複数のコンポジット抵抗を含んでいる、その複数のコンポジット抵抗のそれぞれは、異なる温度係数を有し、ＰＴＡＴ電流源に選択的に負荷をかけるように構成される、ＶＣＯ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度安定化された電圧制御発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
本特許出願は、2004年3月30日に出願され、本出願人にその権利を譲渡され、この明細書において参考文献とされている仮出願第 60/557,984号（“発振周波数の温度補償”）に基づいて優先権を主張している。
【０００３】
無線通信装置は、典型的に、利用可能な周波数帯の割当てられたスペクトル内の割当てられた周波数帯において動作するように構成される。この割当てられたスペクトルは１つの連続した(contiguous)周波数スパン(span)であることができ、あるいはマルチプルな(multiple)互いに素の(disjoint)周波数スパンから成るものであってもよい。あるシステムにおいては、周波数割当ては動的であることができ、また、マルチモードセルラー(cellular)通信システムにおけるハンドオフの場合におけるように、通信の進行中に変化することができる。
【０００４】
無線通信装置は、典型的に、その装置がマルチプル周波数帯からの任意の割当てられた周波数帯において動作することを可能にする同調範囲にわたって同調されることのできる電圧制御発振器（ＶＣＯ）を組入れる。ＶＣＯは、典型的に、ＶＣＯ出力周波数を所望の周波数に同調させる値にＶＣＯの制御電圧を維持するように構成された位相同期ループ（ＰＬＬ）を含むことのできる周波数シンセサイザ中に組入れられる。
【０００５】
ＶＣＯの周波数応答は、典型的に、そのＶＣＯの動作温度範囲にわたって変化するため、ＰＬＬは、典型的に、同じ所望のＶＣＯ周波数を得るために温度にわたって異なった制御電圧値を提供する。与えられた制御電圧値に関するフリーランニング(free running)ＶＣＯ出力周波数の変化は、温度ドリフトと呼ばれることができ、ｐｐｍ／℃のターム(terms)により特徴づけられてもよい。大きいＶＣＯ温度ドリフトは、与えられたＶＣＯ出力周波数を温度にわたって維持するために必要とされる制御電圧の範囲を増加させる。
【０００６】
無線通信装置の設計は、携帯装置(devices)のフォームファクタ(form factor)を減少させることが頻繁に求められることにより複雑化する。たとえば、セルラー電話機のサイズは、小型のブリーフケースのサイズの大きさ(volume)から、掌に容易に納まる大きさに減少している。無線通信装置のフォームファクタの減少は、典型的に電池である携帯電力源のために利用可能な大きさを減少させる。このように、消費電力は、典型的に、無線通信装置において重要であり、装置は、消費電力を最小にし、それによって電池寿命を最大にするように設計される。
【０００７】
電池パワーが減少されることのできる１つのやり方は、低い電圧レベルで動作する内部コンポーネントを設計することである。セルラー電話機内の集積回路が２．２ボルト以下で動作するのは珍しいことではない。
【０００８】
減少された消費電力と共に減少されたサイズおよび減少された動作電圧の設計制約は、さらに、無線通信装置中のＶＣＯに関する問題を生じさせる。ＶＣＯのサイズは、集積回路内にＶＣＯを構成することにより最小にされることができる。ＶＣＯ設計は、ＶＣＯの残りのものと比較して比較的大きい可能性のある、ＶＣＯの共振回路中で使用されるリアクティブ(reactive)コンポーネントのような、外部コンポーネントを使用している。
【０００９】
しかしながら、ステップアップ(step up)電圧コンバータが使用されるのでなければ、ＶＣＯ出力周波数を同調させるための制御電圧は、供給電圧より低いものに制限される。しかしながら、ステップアップ電圧コンバータの使用は、典型的に、追加スペースが必要とされるために、望ましくない。さらに、そのコンバータは１００％の効率で動作することができず、その結果、追加の消費電力となる。したがって、ＶＣＯ出力周波数を同調させるために利用可能な制御電圧は、典型的に、供給電圧より低い。
【発明の概要】
【００１０】
ＶＣＯ周波数ドリフトの問題は、制御電圧同調範囲の一部分が周波数ドリフトを補償することを別にして定められる（ｓｅｔ  ａｓｉｄｅ）ため、所望のスペクトルにわたって同調するＶＣＯの能力に悪影響を及ぼす。
【００１１】
セルラー電話のような電池からパワーを供給される(battery-powered)装置中の電圧制御発振器（ＶＣＯ）は、比較的狭い制御電圧範囲を使用して非常に広い周波数範囲にわたって同調するように構成されることができる。ＶＣＯの周波数応答は、ＶＣＯ共振回路の一部を形成するバラクタに温度可変電圧ソースを与えることにより温度補償されることができる。バラクタのレファレンス(reference)端部は、バラクタ温度依存性を実質的に補償する温度依存性を有する温度依存電圧ソースにより供給されることができる。温度依存電圧ソースは、絶対温度比例(Proportional To Absolute Temperature)（ＰＴＡＴ）装置であることができる。
【００１２】
この開示は、半導体基板と、この基板上に製造され、可変周波数共振回路を有する発振器とを含む集積回路（ＩＣ）温度補償されたＶＣＯであって、その共振回路の周波数は、部分的に、少なくとも１つのバラクタダイオードに与えられる制御電圧に基づいて制御され、また、基板上に製造され、その少なくとも１つのバラクタのレファレンス端部に結合された出力を有し、その少なくとも１つのバラクタが原因の温度感受性(temperature sensitive)周波数ドリフトを実質的に補償するように構成された可変電圧ソースを含むＩＣ温度補償されたＶＣＯを含んでいる。
【００１３】
この開示はまた、基板、その基板上に製造されたＣＭＯＳ発振器、その基板上に製造され、そのＣＭＯＳ発振器の発振の周波数を制御するようにＣＭＯＳ発振器に結合され、共通の陽極接続を有する一対のバラクタダイオードの各陰極に与えられる制御電圧により決定される共振周波数の少なくとも一部分を有するＬＣ共振タンク、その基板上に製造され、共通の陽極接続に結合された出力を有する温度可変電圧ソースを含むＩＣ温度補償されたＶＣＯを含んでいる。
【００１４】
この開示はまた、温度可変電圧ソースを発生すること、およびＶＣＯの共振回路中の少なくとも１つのバラクタダイオードのレファレンス側に温度可変電圧ソースの出力を与えることを含む、ＶＣＯを温度補償する方法を含んでいる。
【００１５】
この開示の実施形態の特徴、目的および利点は、以下の詳細な説明および添付図面から明らかになるであろう。なお、図面において類似のエレメントは同じ参照符号を付けられている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】無線通信装置内に組入れられたＶＣＯの１実施形態の機能ブロック図。
【図２】温度補償されたＶＣＯの１実施形態の機能ブロック図。
【図３】温度補償された同調キャパシタモジュールの１実施形態の機能ブロック図。
【図４】温度補償された電圧ソースの１実施形態の機能ブロック図。
【図５Ａ】ＶＣＯを温度安定化するプロセスの１実施形態のフローチャート。
【図５Ｂ】ＶＣＯを温度安定化するプロセスの１実施形態のフローチャート。
【図６】温度にわたって補償されていないＶＣＯ周波数応答曲線の１実施形態のグラフ。
【図７】温度にわたって温度補償されたＶＣＯ周波数応答曲線の１実施形態のグラフ。
【図８】温度安定化されたＶＣＯの１実施形態のマイクロ写真。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
周波数安定性はＶＣＯ設計において重要な問題である。ＶＣＯの周波数安定性は、ＣＤＭＡ受信機のような無線通信装置にとって、とくに重要である可能性があり、それは信号を連続的に受信し、また、ＶＣＯのディスクリート（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）周波数制御を再較正（ｒｅｃａｌｉｂｒａｔｅ）するために割込まれることができない。複数のディスクリート周波数ステップを使用してＶＣＯ位相雑音と同調範囲を結合解除（ｄｅｃｏｕｐｌｅ）する試みは、典型的に、ＶＣＯ周波数ドリフトに関連した問題を解決しない。何故ならそれは、最小の連続した同調範囲が、典型的に、ＶＣＯの最大周波数ドリフトにより決定されるためである。セルラー電話の内部において、ＶＣＯ周波数ドリフトは、自己加熱または環境温度変化を含む種々のファクタによるものであることのできる温度変動により発生される可能性が最も高い。ＶＣＯ周波数ドリフトはまた、電池サプライ（ｓｕｐｐｌｙ）の変動の影響を受ける可能性がある。
【００１８】
たとえば、１．７ＧＨｚ  ＣＤＭＡ  ＶＣＯは、−３０℃から９０℃に及ぶ温度範囲にわたって１５ＭＨｚを超えて容易にドリフトする可能性がある。この大きさのＶＣＯ周波数ドリフトは、ＶＣＯの連続した同調範囲が十分に高くない場合には、位相同期ループ（ＰＬＬ）にロック（ｌｏｃｋ）を失わせる可能性がある。位相雑音を犠牲にして連続した同調範囲を増加する代わりに、開示された装置および方法は温度にわたる周波数ドリフトを減少させる。
【００１９】
温度変動によるＶＣＯ周波数ドリフトを補償するための装置および方法が開示されている。記載されている装置は、ゼロ-ＩＦ  ＣＤＭＡ受信機適用に関して典型的な厳しい位相雑音要求を満足させることのできる、温度およびサプライ変動に対して非常な低い感度を有する完全に集積されたＣＭＯＳ  ＶＣＯを含んでいる。ＶＣＯおよび温度補償モジュールは、同じＩＣ半導体基板上に製造されることができ、また、そのＩＣは、１．１Ｖ、２．２Ｖ、または３．３Ｖのような比較的低い供給電圧で動作するように構成されることができる。
【００２０】
開示されている装置および方法は、コンポーネントの温度変動を補償することによりＶＣＯ周波数ドリフトを補償する。とくに、代わりにＶＣＯタンク回路とも呼ばれるＶＣＯ共振回路内のコンポーネントの温度依存性は、補償されることができる。共振回路が誘導性および容量性コンポーネントを含んでいる場合、温度補償は容量性素子上で行われることができる。たとえば、共振回路は、１以上の固定値インダクターおよび１以上の同調可能な(tunable)キャパシタを含む同調可能な回路であることができる。同調可能なキャパシタは、典型的にバラクタと簡単に呼ばれるバラクタダイオードであることができる。バラクタはしばしば、素子の電圧バイアシング(biasing)を容易にするために２個のバラクタ間に共通のリターン（ｒｅｔｕｒｎ）を有する背中合わせ（ｂａｃｋ  ｔｏ  ｂａｃｋ）構造に配置される。
【００２１】
温度可変電圧ソースは、ＶＣＯの温度感受性周波数変動を補償するためにバラクタの後部(backside)に与えられることができる。温度可変電圧ソースは、たとえば、絶対温度比例（ＰＴＡＴ）モジュールとして構成されることができる。ＰＴＡＴモジュールは、選択可能な抵抗負荷を駆動するように構成された定電流源を含むことができる。抵抗負荷は選択可能なコンポジット(composite)抵抗のアレイを含むことができ、各コンポジット抵抗は２つの抵抗の直列接続を含んでいる。その抵抗の１つは負の温度係数（ＴＣ）を示すことができ、その直列構成における別の抵抗は正のＴＣを示すことができる。２つの抵抗の割合を変更することにより、そのコンポジット抵抗全体のＴＣを変更することができる。温度にわたるＶＣＯ周波数ドリフトは、適切なＴＣを有するコンポジット抵抗を選択することにより補償されることができる。
【００２２】
ＰＴＡＴソースを使用して行われる温度補償が以下に説明されるが、そのソースは絶対温度に厳密に比例する必要はなく、また、所望の動作温度範囲にわたって温度に、実質的に、あるいは概して、比例することができる。したがって、ＰＴＡＴという用語は、ニア（ｎｅａｒ）ＰＴＡＴ、事実上(substantially)ＰＴＡＴ、ならびに予め定められた温度範囲に対するＰＴＡＴまたはニアＰＴＡＴだけでなくＰＴＡもまた指している。さらに、補償されている温度ドリフト特徴に応じて、その補償は、ニアＰＴＡＴ、絶対温度相補(Complementary To Absolute Temperature)（CTAT）、ニアCTAT、ＰＴＡＴとCTATソースの組合せに基づいて行われてよい。
【００２３】
図１は、無線通信装置100内に組入れられたＶＣＯ120の１実施形態の機能ブロック図である。無線通信装置100は、たとえば、セルラーまたはパーソナル通信サービス（ＰＣＳ）バンドにおいて動作するセルラー電話のようなポータブル無線電話であることができる。
【００２４】
無線通信装置100は、１以上の予め定められた周波数帯内の一つの周波数に選択的にプログラムされることのできる周波数シンセサイザ110を含むことができる。周波数シンセサイザ110は、プログラム可能なディバイダレイショ(ratio)を有する位相同期ループ（ＰＬＬ）において動作するＶＣＯ120を含むことができる。
【００２５】
ＶＣＯ120は周波数シンセサイザ110の出力周波数で動作することができ、その後の図面に関連してさらに詳細に説明される温度補償モジュール122を使用して、部分的に、周波数安定化されることができる。ＶＣＯ120の出力は、可能なディバイダレイショの範囲に基づいて１つの特定のディバイダレイショを実施するように構成されることのできるプログラム可能なディバイダ112の入力に結合されることができる。そのディバイダレイショの選択は、部分的に、ＶＣＯ120の出力周波数を決定する。
【００２６】
プログラム可能なディバイダ112からの出力は、位相検出器114の第１の入力に結合されることができる。レファレンス発振器116からの出力は、位相検出器114の第２の入力に結合されることができる。
【００２７】
レファレンス発振器116は、典型的に、非常に安定した単一周波数発振器である。レファレンス発振器116は、周波数および温度安定化された発振器であることができ、たとえば、温度補償された水晶振動子（ＴＣＸＯ）であることができる。
【００２８】
位相検出器114はスケール(scale)されたＶＣＯ周波数の位相をレファレンス発振器116の出力信号の位相と比較するように構成されることができ、また、その比較に基づいて制御信号を出力するように構成されることができる。位相検出器114の出力はループフィルタ118の入力に結合されることができる。ループフィルタ118は、周波数シンセサイザ110のループ帯域幅を構成するように使用されることができ、それは周波数シンセサイザ110の獲得および同調率ならびにＶＣＯ120の出力の位相雑音に影響を与える。ループフィルタ118は、位相検出器114からの信号出力の転移を滑らかにするように動作することができる。ループフィルタ118の出力は、ＶＣＯ120を所望の出力周波数にロックするようにＶＣＯ120の制御入力に結合されることができる。
【００２９】
周波数シンセサイザ110の出力は、受信機130および送信機140に結合されることができる。周波数シンセサイザ110からの出力は、たとえば、受信機130のための局部発振器（ＬＯ）であることができる。
【００３０】
１実施形態において、受信機130は、代わりにゼロ中間周波数（ＩＦ）受信機と呼ばれる直接ダウンコンバージョン(downconversion)受信機であるように構成されることができる。ゼロＩＦ受信機において、ＬＯは、ダブルサイデッド(double-sided）変調を実施する実施形態に関する動作周波数帯の中心周波数と実質的に同じ周波数に同調されることができる。受信機130は、周波数シンセサイザ110の出力を使用して実質的にベースバンド周波数に入力ＲＦ信号を周波数変換することができる。
【００３１】
受信機130の出力は、付加的な処理のためにベースバンドプロセッサ150に結合されることができる。たとえば、ベースバンドプロセッサ150は、受信されたデータの出力および復調を行うことができる。
【００３２】
ベースバンドプロセッサ150はまた、入力された信号またはデータを受取るために外部入力装置（示されていない）とインターフェースするように構成されることができる。ベースバンドプロセッサ150は、その入力されたデータおよび信号を処理して、アップコンバージョン(upconversion)および送信のために送信機140に結合されることのできる送信出力信号を発生するように構成されることができる。１実施形態において、送信信号はベースバンド信号であることができ、送信機は周波数シンセサイザ110からの出力を使用して送信帯域にその信号をアップコンバート(upconvert)する。送信機140は、送信周波数帯が受信周波数帯と同じでない場合に、その周波数を周波数シンセサイザからオフセットするように構成された付加的な固定された周波数発振器を含むように構成されることができる。別の実施形態においては、ベースバンドプロセッサ150からの送信出力は、送信周波数帯と受信周波数帯との間におけるオフセットされた周波数に中心を置かれたＩＦ信号であることができる。
【００３３】
１実施形態において、周波数シンセサイザ110の実質的に全ての素子は、単一のＩＣ内に構成されることができる。別の実施形態においては、単一のＩＣはまた受信機130および送信機140の特徴のいくつかまたは全てを実施するように構成されることができる。消費される電池パワーを最小にするために、ＩＣは比較的低い供給電圧から動作するように設計されることができる。たとえば、供給電圧は３．３ボルト、２．２ボルト、１．１ボルトまたは別の比較的低い電圧であることができる。ＩＣは、典型的に低電圧装置に関連したその比較的低い電圧消費を維持するために、どのタイプのステップアップレギュレーション（step up regulation）も実施しなくてもよい。さらに、ステップアップ電力変換器の除去は、電力源の非効率性のために失われるであろう電力を保存する。
【００３４】
このような低電圧ＩＣにおいて動作する周波数シンセサイザ110は、ＶＣＯ120の制御電圧が動作してもよい制限された電圧範囲を有する。典型的に、ＶＣＯ120の制御電圧のような内部で制御される電圧は、供給電圧範囲全体をトラバース(traverse)することができない。電圧供給レール（ｒａｉｌｓ）と達成可能な内部電圧との間に存在する若干量のマージンが典型的に存在する。したがって、典型的に、ＶＣＯ120の制御電圧のような内部ＩＣ電圧は供給電圧範囲のサブセット(subset)に制限される。たとえば、２．２ボルトのＩＣにおいて、ＶＣＯ制御電圧は０．４−２．０ボルトの範囲に制限される可能性がある。
【００３５】
位相検出器114の、および、したがって、ループフィルタ118からの出力は、電圧レールの付近の内部電圧を発生させる能力および供給電圧によって制限される範囲を有する可能性がある。したがって、ＶＣＯ120の出力周波数範囲はまた、制御電圧ソースから出力されることのできるその制限された同調範囲により制限されることができる。
【００３６】
ＶＣＯ120の周波数ドリフトが実質的に存在する場合、その利用可能な制御電圧範囲の実質的な部分は、ＰＬＬがその周波数ドリフトを補償することを可能にするためにリザーブ(reserve)される必要がある可能性がある。温度補償モジュール122はＶＣＯ120の周波数ドリフトを補償するように構成されることができ、それによって実質的に制御電圧範囲全体がＶＣＯ120の出力周波数を選択するために利用可能であることを可能にする。
【００３７】
１実施形態において、温度補償モジュール122は、開ループ方式で周波数ドリフトを補正するためにＶＣＯ120と関連して動作することができる。別の実施形態において、温度補償モジュール122は、閉ループ温度補正プロセスにおいてＶＣＯ120と関連して動作することができる。後続する図面に見られるように、温度補償モジュール122は、周波数ドリフトのソース(sources)を独立的に補償するように動作してもよいマルチプルな温度補正コンポーネントを含むことができる。
【００３８】
図２は、図１の無線通信装置において使用されることのできる温度補償されたＶＣＯ120の１実施形態の機能ブロック図である。図２のＶＣＯ120の実施形態は、可変ＬＣタンク回路を有する交差結合(cross-couple)されたＣＭＯＳ  ＶＣＯとして構成されている。
【００３９】
ＶＣＯ120は、第２のＰＭＯＳおよびＮＭＯＳトランジスタ212bおよび210bを含む第２のＣＭＯＳインバータに交差(cross)結合された第１のＰＭＯＳおよびＮＭＯＳトランジスタ212aおよび210aを含む第１のＣＭＯＳインバータとして見られることができる。インダクター222と同調可能なキャパシタモジュール224の並列の組合せを含む同調可能なＬＣタンク回路は、インバータのそれぞれの出力を（もとの）その入力に結合する。同調可能なキャパシタモジュール224は、以下説明するように、温度補償されたキャパシタモジュールであることができる。
【００４０】
ＶＣＯ120は、直流リターンまたは電圧コモン(common)と呼ばれてもよい、接地端子に負荷トランジスタ234を結合するＲＦチョーク236と直列の負荷トランジスタ234を有するアクティブ（ａｃｔｉｖｅ）負荷を駆動するように構成された絶対温度比例（ＰＴＡＴ）電流源232を含む温度補償されたバイアスモジュール230を含むことができる。この構成において、ＲＴＡＴ電流源232および負荷トランジスタ234はＰＴＡＴ電圧ソースに相当する。ＲＦチョーク236はまた、ＣＭＯＳトランジスタのためのリターンを接地端子に結合することができる。
【００４１】
ＰＴＡＴ電流源232はまた、直列の抵抗242およびシャント(shunt)キャパシタ244を有するローパスフィルタ（ＬＰＦ）に結合されることができる。ＬＰＦの出力は、差動増幅器240の入力に結合されることができる。差動増幅器240のレファレンス入力は、タンクインダクター222の中間地点に結合されることができ、それは仮想接地(virtual ground)を表す。差動増幅器240の出力は、ＲＦチョーク250を通ってインバータにバイアス電流を供給するバイアストランジスタ246を制御する。バイアストランジスタ246の出力は、バイパス (bypass)キャパシタ252により濾波されることができる。
【００４２】
発振の周波数は、ＬＣタンク回路の共振周波数を変化させることにより変えられることができる。インダクターは、半導体基板上に製造されることのできる固定値インダクターであることができる。典型的に、温度にわたるインダクター変動は大きくないため、無視されてもよい。
【００４３】
同調可能なＬＣタンク回路におけるキャパシタは、それらのキャパシタンスを決定する電圧にバイアスされる１以上のバラクタを含むことができる。カップリングキャパシタ(coupling capacitors)は、ＬＣタンクの残りの部分にバラクタを結合し、ＶＣＯ120の残りのものからバラクタに与えられる直流バイアスを分離するために使用されてもよい。カップリングキャパシタは、たとえば、ＩＣ内に製造された金属・絶縁体・金属(Metal Insulator Metal)（ＭＩＭ）キャパシタであることができる。
【００４４】
ＶＣＯ120はまた、ＬＣタンクにおけるバラクタに並列に結合された１以上の選択可能な固定値キャパシタを含むことができる。固定値キャパシタは、ＶＣＯ120の動作をディスクリートな周波数帯に変化させるためにＬＣタンクに選択的に結合されることができる。
【００４５】
さらに、ＶＣＯ120の発振周波数は、ＣＭＯＳインバータにおけるトランジスタのそれぞれにより与えられる接合容量の影響を受ける可能性がある。したがって、タンクキャパシタンスの実効値は、マルチプルキャパシタ値の組合せである可能性がある。
【００４６】
発振の周波数に影響を与える(contribute to)種々のキャパシタは大きい温度係数を有することができるため、ＶＣＯ120の周波数ドリフトはキャパシタンスの変動を補償することにより実質的に補償されることができる。
【００４７】
図３は、温度補償された同調キャパシタモジュール224の１実施形態の機能ブロック図である。温度補償された同調キャパシタモジュール224は、ＰＴＡＴ電圧ソース370および380を使用して温度補償される複数のバラクタ310a-310bおよび320a-320bを含むことができる。
【００４８】
第１および第２のバラクタ310aおよび310bは、共通の陽極を有する背中合わせ構造に構成されることができる。第１および第２のバイアス抵抗340aおよび340bは、たとえば、図１に示されているシンセサイザにおけるループフィルタの出力であることができる周波数制御電圧ソース（示されていない）に第１および第２のバラクタ310aおよび310bの陽極をそれぞれ結合する。第１および第２のバラクタ310aおよび310bのキャパシタンスは、逆電圧バイアスの大きさに基づいて変化する。したがって、周波数制御電圧を変化させることにより、タンクのキャパシタンスは変化され、ＶＣＯに関する動作の周波数は変化されることができる。
【００４９】
第１および第２の直流ブロッキング(blocking)キャパシタ330aおよび330bは、ＬＣタンクの残りのものにバラクタを結合し、そうでなければ周波数制御電圧がＶＣＯの動作に影響を及ぼすことを阻止する。直流ブロッキングキャパシタ330aおよび330bは、とくに、ＶＣＯが完全に半導体基板上に製造されるときに、ＭＩＭキャパシタとして製造されることができる。
【００５０】
第１および第２のバラクタ310aおよび310bの温度変動は、バラクタ310aおよび310bの後部または陽極に温度変化電圧を与えることにより少なくとも部分的に補償されることができる。温度変化電圧は、出力が第１の緩衝増幅器350によってバッファされる第１のＰＴＡＴ電圧ソース370により発生されることができる。第１のキャパシタ374にシャントされて(in shunt)結合される直列の第１の抵抗372を含むローパスフィルタは、第１のＰＴＡＴ電圧ソース370の出力を第１の緩衝増幅器350の入力に結合する。ＲＣフィルタは、第１および第２のバラクタ310aおよび310bの後部に対する雑音の影響(contribution)を減少するように構成された帯域幅を提供することができる。ＲＣフィルタの帯域幅は、たとえば、数(a few to several)ｋＨｚであることができる。第１の緩衝増幅器350は、ＲＣフィルタの低ポール(pole)周波数がＰＬＬループフィルタを妨害するのを避けるためにバラクタ対の共通ノードにおいて低いインピーダンスを与えるために低雑音電圧ホロワとして使用される。
【００５１】
第１の緩衝増幅器350は、第１および第２のバラクタ310aおよび310bの共通の陽極接続を駆動する。第１のＰＴＡＴ電圧ソース370は、温度が原因のキャパシタンス変動を実質的に補償するように構成されることができる。第１の緩衝増幅器350はまた、第１および第２のバラクタ310aおよび310bの陽極からレファレンス(reference)への低インピーダンス接続を提供するように構成されることができる。
【００５２】
１実施形態において、第１のＰＴＡＴ電圧ソース370は、温度にわたってその出力バイアス電圧を増加するように構成されることができる。第１のＰＴＡＴ電圧ソース370からのバイアス電圧の増加は、第１および第２のバラクタ310aおよび310bのキャパシタンスが同調電圧を変化させずに減少されることを可能にすることができる。第１および第２のバラクタ310aおよび310bは、その第１および第２のバラクタ310aおよび310bを横切る電圧の揺れ(swing)が非線形平均化効果(non-linear averaging effect)を無視するように十分に小さいことが可能であるように、ＭＩＭ直流ブロッキングキャパシタ330aおよび330bを通ってＶＣＯタンクに結合されることができる。
【００５３】
第１および第２のバラクタ310aおよび310bが比較的急峻な電圧対キャパシタンス変動（relatively steep voltage to capacitance variation）を有する場合、温度補償のために必要とされるオフセットキャパシタンスは、同調電圧に基づいて変化することができる。その補償は同調電圧に大きく依存するため、これは望ましくない。同調電圧の影響を減少するために、第３および第４のバラクタ320aおよび320bは、第１および第２のバラクタ310aおよび310bに並列に追加されることができる。第３および第４のバラクタ320aおよび320bは背中合わせ構造に構成されることができ、その第３および第４のバラクタ320aおよび320bの陽極は一緒になるように結合されている。第３および第４のバラクタ320aおよび320bの陰極は、第１および第２のバラクタ310aおよび310bの陰極とそれぞれ共通していることができる。
【００５４】
第３および第４のバラクタ320aおよび320bの後部は、出力が第２の緩衝増幅器360によってバッファされる第２のＰＴＡＴ電圧ソース380によって発生された温度変化電圧によりバイアスされることができる。第２のキャパシタ384にシャントされて結合される直列の第２の抵抗382を含むローパスフィルタは、第２のＰＴＡＴ電圧ソース380の出力を第２の緩衝増幅器360の入力に結合する。ＲＣフィルタの帯域幅は、第１のＰＴＡＴ電圧ソース370と共に使用されたＲＣフィルタのものに類似していることができ、たとえば、数ｋＨｚであることができる。第２の緩衝増幅器360は、第３および第４のバラクタ320aおよび320bの共通の陽極接続を駆動する。第２のＰＴＡＴ電圧ソース380は、温度が原因のキャパシタンス変動を実質的に補償するように構成されることができる。第２のバッファ360はまた、第３および第４のバラクタ320aおよび320bの陽極からレファレンスへの低インピーダンス接続を提供するように構成されることができる。第２のＰＴＡＴ電圧ソース380は、第１のＰＴＡＴ電圧ソース370から独立して動作してもよい。
【００５５】
第３および第４のバラクタ320aおよび320bとの第１および第２のバラクタ310aおよび310bの並列の組合せは、温度補償された同調キャパシタモジュール224がもっと小さい同調電圧範囲を使用して所望のキャパシタンス範囲を達成することを可能にし、また、組合せられたキャパシタンスの温度感度を減少させることができる。
【００５６】
１実施形態において、異なったバイアス電圧は、２つのバラクタ対の後部に与えられることができる。たとえば、第１のＰＴＡＴ電圧ソース370により発生された第１の電圧バイアスは、第１および第２のバラクタ310aおよび310bの後部に与えられることができる。第１の電圧バイアスは、たとえば、比較的小さい電圧であることができる。たとえば、第２のＰＴＡＴ電圧ソース380によって発生された第２の電圧バイアスは、第３および第４のバラクタ320aおよび320bの後部に与えられることができる。第２の電圧バイアスは、たとえば、比較的大きい電圧であることができ、その結果、第３および第４のバラクタ320aおよび320bを横切る比較的小さい逆バイアスとなる。したがって、第１のＰＴＡＴ電圧ソース370からの温度係数は、各バラクタ対を横切る異なる逆バイアス電圧のために、第２のＰＴＡＴ電圧ソース380の温度係数と異なる可能性がある。そのオフセットキャパシタンスは第１のＰＴＡＴ電圧ソース370の出力から第２のＰＴＡＴ電圧ソース380の出力までの範囲にわたって平均化されることができる。相対的な温度補償は、より広い同調電圧範囲にわたって行われることができる。
【００５７】
図４は、図３に示されているＰＴＡＴ電圧ソースのいずれかとして構成されてもよい、ＰＴＡＴ電圧ソース400の１実施形態の機能ブロック図である。さらに、抵抗負荷がＰＴＡＴ電圧ソース400から除去された場合、残りの回路は、図２に示されているＰＴＡＴ電流源として使用されてもよいＰＴＡＴ電流源を特定する。
【００５８】
ＰＴＡＴ電圧ソース400は、差動増幅器410の入力に結合された第１および第２の接合ダイオード420および430を有する差動増幅器410を含んでいる。第１の接合ダイオード420は第１の抵抗422に結合される。第１の抵抗422は、差動増幅器410の非反転入力に結合される。第２の接合ダイオード430は、差動増幅器410の反転入力に結合される。第１および第２の接合ダイオード420および430は、たとえば、バイポーラダイオード、バイポーラトランジスタからのベース・エミッタ接合、ＣＭＯＳ回路において生成された寄生バイポーラトランジスタからのベース・エミッタ接合、逆に(in inversion)動作されるＭＯＳトランジスタ、およびこれと同様なもの、あるいは他の接合ダイオードであることができる。
【００５９】
差動増幅器410の出力は、電流ミラー(current mirror)を制御する。差動増幅器410の出力は、第１および第２のプルアップ(pull up)抵抗452および454を使用して供給電圧にプルアップされるそれらのドレインを有する第１および第２のＦＥＴ442および444のゲートを駆動するように構成されることができる。第１のＦＥＴ442のソースは差動増幅器410の非反転入力に結合され、第２のＦＥＴ444のソースは差動増幅器410の反転入力に結合される。
【００６０】
ＰＴＡＴ電流は、第１および第２のダイオード420および430のエリア(areas)を変化させることにより差動増幅器410と電流ミラーの組合せによって発生されることができる。ダイオードエリアの差は、温度に実質的に比例する順方向電圧変動（forward voltage variation）を生成する。差動増幅器410は、ダイオードの間の差を増幅し、また、その差に基づいて電流ミラーを制御するように構成される。
【００６１】
第３のＦＥＴ446は、第３の抵抗456によって電圧レファレンス（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）にプルアップされるそのドレインを有する。第３のＦＥＴ446のゲートは、ＰＴＡＴ電流源を生成するように差動増幅器410の出力によって制御される。ＰＴＡＴ電流源の出力は、ＰＴＡＴ電圧出力を生成するように抵抗負荷460に結合されることができる。
【００６２】
抵抗負荷460は、複数のコンポジット抵抗462a-462nの並列の組合せとして構成されることのできる抵抗のアレイを含むことができる。コンポジット抵抗462a-462nのそれぞれは、その抵抗と直列に結合された対応したスイッチ464a-464nを使用して抵抗負荷460に選択的に含まれ、あるいはここから除去されることができる。スイッチ464a-464nは、たとえば、トランジスタ、ＭＥＭスイッチ、ヒューズおよびこれと同様なものを含む機械的スイッチ、あるいは他の制御可能な接続、もしくは制御可能な接続の組合せであることができる。ヒューズは、抵抗負荷460に関する抵抗の選択が一度ベースで行われることのできる構造のための制御可能な接続として使用できることに注意されたい。
【００６３】
コンポジット抵抗462a-462nのそれぞれは、少なくとも１つの抵抗を含むことができる。２以上の抵抗を有するこれらのコンポジット抵抗に関して、コンポジット抵抗は、正および負の温度係数（ＴＣ）を有する２以上の抵抗の直列接続を含むことができる。コンポジット抵抗の全体的ＴＣは、それらＴＣの１つを有する抵抗の割合を変化させることにより調節されることができる。
【００６４】
ＰＴＡＴ電圧ソース400の全体的ＴＣは、抵抗負荷460におけるコンポジット抵抗462a-462nの選択に基づいて変更（ｍｏｄｉｆｙ）されることができる。したがって、抵抗負荷460のＴＣは、ＲＴＡＴ電流源のＴＣのいくつかまたは全てを補うか、無効にする（ｎｅｇａｔｅ）か、あるいは、そうでなければ、変更するために使用されることができる。
【００６５】
図５Ａは、ＶＣＯを温度安定化する方法500の１実施形態のフローチャートである。この方法500は、図１の周波数シンセサイザ内において、あるいは図２のＶＣＯにおいて行われることができる。この方法500は、図２のＶＣＯのような温度補償モジュールを含むＶＣＯ内で行われるものとして記載されている。
【００６６】
方法500は、温度補償モジュールを使用するＶＣＯが温度可変電圧ソースを発生するブロック510から始まる。温度可変電圧ソースは、共振回路のバラクタが電圧補償されるように構成されることができる。典型的に、温度可変電圧ソースは、予め定められた動作温度範囲にわたって補償されていないＶＣＯまたはバラクタのＴＣに対して実質的に相補的なものであるＴＣで構成される。
【００６７】
ＶＣＯはブロック520に進み、たとえば、ローパスフィルタを使用して電圧ソースからの出力を濾波する。ローパスフィルタは、そうでなければ、位相雑音の劣化（degradation）の一因となる可能性のある、温度可変電圧ソースが原因のどのような雑音影響を減少させるために使用されることができる。
【００６８】
電圧ソースからの出力を濾波した後、ＶＣＯはブロック530に進み、たとえば、低雑音電圧ホロワを使用して濾波された出力電圧をバッファする。電圧ホロワは、バラクタに低いインピーダンスを与え、ＶＣＯを有するＰＬＬにおいて使用されることのできるループフィルタをフィルタの低ポール周波数が妨害しないようにするために使用されることができる。
【００６９】
電圧をバッファした後、ＶＣＯは、そのＶＣＯの共振回路内に含まれる１以上の同調バラクタの後部またはレファレンス側にそのバッファされた電圧を与える。典型的に、ＶＣＯ共振回路は、共通の陽極で構成されたバラクタの対を含んでいる。このような構造において、バッファされた電圧はバラクタ対にレファレンスを与えることができる。
【００７０】
図５Ｂは、図５Ａの方法において使用される温度可変電圧ソースを発生する方法510の１実施形態のフローチャートである。この方法510は、たとえば、図４に示されている構造を使用して、あるいは、図１の温度補償モジュールを使用して、行われることができる。
【００７１】
方法510は、温度補償モジュールが温度可変電流を発生するブロック550から始まる。温度可変電流は、たとえば、非反転および反転入力のそれぞれに電圧レファレンスを提供する異なったエリアの接合ダイオードを有する差動増幅器を使用して、発生されることができる。差動増幅器は、接合ダイオードにおける変動に基づいて温度可変電流を発生する電流ミラーおよび電流源を制御することができる。
【００７２】
温度可変電流源の出力は、構成可能な負荷抵抗により負荷をかけられるように設計されることができる。温度補償モジュールはブロック560に進み、補償されていないＶＣＯドリフトを補償する負荷抵抗を決定する。ＶＣＯドリフトを補償するために温度可変電流と共同してＴＣを示す負荷抵抗は、スイッチを閉じること、１以上の抵抗に対応したヒューズをとばすこと、あるいは他の何等かの選択方式によって選択されることができる。
【００７３】
適切な負荷抵抗が選択された後、温度補償モジュールはブロック570に進み、選択された負荷抵抗値を有する負荷抵抗に温度可変電流を与えることができる。その後、温度可変電圧は、負荷抵抗を横切る（across）電圧を使用してソース(source)されることができる。
【００７４】
図６は、温度にわたって補償されていないＶＣＯ周波数応答曲線の１実施形態のグラフ600である。周波数応答曲線は、０．４ボルト乃至２ボルトの制御電圧にわたってプロット(plot)されている。このような制御電圧範囲は、制御電圧もまたオンチップ(on-chip)で発生されるオンチップＶＣＯ構造と２．２ボルトの供給電圧を有する集積回路の特徴を表している。
【００７５】
周波数応答曲線は、セルラー電話のような無線通信装置により経験される典型的な環境を超える−３０、＋２５、および＋９０℃に関してプロットされている。制御電圧範囲の実質的な部分は、たとえば、１．７１０ＧＨｚの特定の周波数にＶＣＯを維持することが必要とされることが認められる。図６に示されているように、周波数は、何等かの温度補償なしで、−３０℃乃至＋９０℃の温度範囲にわたって１．７ＧＨｚにおいてほぼ１６ＭＨｚより大きく低下(drop)する。
【００７６】
図７は、ＶＣＯがここに記載されている方法および装置にしたがって温度補償されている、温度にわたって温度補償されたＶＣＯ周波数応答曲線の１実施形態のグラフ700である。周波数応答曲線は−３０、＋２５、および＋９０℃に関してプロットされ、その温度補償が温度にわたってＶＣＯ周波数ドリフトを実質的に補償することを示している。
【００７７】
図８は、ＶＣＯおよび温度補償モジュールが単一の半導体基板上に製造される、温度安定化されたＶＣＯの１実施形態のマイクロ写真800である。ＶＣＯは、たとえば、図２の温度補償されたＶＣＯであることができる。ＶＣＯは、０．２５μｍの４-金属１-ポリ（4-metal 1-poly）ＣＭＯＳプロセスで構成されて３２-ピンのクワッド・フラット・ノーリード(Quad Flat No-Lead)(ＱＦＮ)パッケージにパッケージ化され、また、ダイレクトコンバージョン(direct conversion)ＣＤＭＡ受信機に適した周波数範囲で動作するように構成される。
【００７８】
発振器トポロジー(topology)は異なる対（ｄｉｆｆ-ｐａｉｒｓ）でスタックされ、レギュレータは図２に示されているものに類似している。レギュレータ基準電圧はＮＦＥＴ（Ｍ６）から発生され、基準電圧雑音は一次フィルタ（Ｒｌ＆Ｃ２）によって減衰される。バラクタ温度補償は、図３に示されているように構成される。ＰＴＡＴ電圧ソースにより発生された後部バイアス電圧は室温で０．９Ｖおよび１．９Ｖに設定され、それらのＴＣは適切な抵抗の選択により調節可能である。
【００７９】
ＶＣＯはまた、ＬＣタンクにおけるバラクタに並列に結合された付加的な固定されたキャパシタの選択的なスイッチングによりいくつかの予め定められた動作帯域にわたって(across)同調するように構成されることができる。粗同調(coarse tuning)トランジスタのためのインバータ供給電圧は２Ｖに設定されることができ、また、ＴＣ＝１０００ｐｐｍ／℃を有することができる。この温度補償は、ＦＥＴのドレインバルク接合ダイオードの接合電圧降下を補償するために使用されることができる。
【００８０】
ＰＴＡＴ電圧ソースにより与えられた正のＴＣのバイアシング電圧により、周波数ドリフトは、１０ｐｐｍ／℃より小さい等価（equivalent）ＴＣに対応した０．６〜１．８Ｖの微同調範囲にわたって２ＭＨｚより低くなる。位相雑音測定は、位相雑音が４．５ｋＨｚより下では１／ｆ2の速度で減少し、その速度が再び１／ｆ2に戻るほぼ２００ｋＨｚまで１／ｆ4の速度で続くことを示す。温度にわたる位相雑音変動は、ＶＣＯバイアシング電流のＰＴＡＴ特性のために１ｄＢより小さい。ＶＣＯは、ｌＯＯｋＨｚ／Ｖより低い電力源感度を有する６つのディスクリート同調ブランチ(branches)により１．５５ＧＨｚ−１．９５ＧＨｚをカバーするように同調されることができる。
【００８１】
ＶＣＯにおける温度感受性周波数ドリフトを補償するための装置および方法が開示されている。その装置および方法は、ＰＴＡＴ電圧ソースのような温度変化電圧ソースを使用して補償電圧を発生する。温度変化電圧ソースの大きさおよびＴＣは、共振回路内の１以上のバラクタの後部に与えられるときにＶＣＯの周波数ドリフトを実質的に取消すように構成されることができる。バラクタに対する変化する制御電圧の影響を最小にするために、複数のバラクタは並列に構成され、また、バラクタに与えられる補償電圧バイアスは、実質的に制御電圧範囲全体に及ぶように構成されることができる。
【００８２】
開示されている実施形態に関連して記載された種々の例示的な論理ブロック、モジュール、および回路は、ここに記載されている機能を行うように設計された汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラム可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他のプログラム可能な論理装置、ディスクリートゲートまたはトランジスタ論理、ディスクリートハードウェアコンポーネント、またはその任意の組合せにより構成され、あるいは行われることができる。汎用プロセッサはマイクロプロセッサであることができるが、しかし、別の実施形態において、そのプロセッサは任意のプロセッサ、制御装置、マイクロ制御装置、または状態マシンであってよい。プロセッサはまた、たとえば、ＤＳＰとマイクロプロセッサの組合せ等の計算装置の組合せ、複数のマイクロプロセッサ、１つのＤＳＰコアと関連した１以上のマイクロプロセッサ、あるいは任意の他のこのような構造として構成されてもよい。
【００８３】
ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、不揮発性メモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、取出し可能なディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、あるいは技術的に知られた任意の他の形態の記憶媒体中に存在することができる。一例の記憶媒体は、プロセッサがその記憶媒体から情報を読出し、その記憶媒体に情報を書込むことができるように、そのプロセッサに結合される。別の実施形態において、記憶媒体はプロセッサに統合されていてもよい。
【００８４】
ここに開示されている実施形態に関連して記載された方法、プロセス、またはアルゴリズムのステップは、直接ハードウェアにおいて、プロセッサにより実行されるソフトウェアモジュールにおいて、あるいはその２つの組合せで組み入れられることができる。方法またはプロセスにおける種々のステップまたは動作(act)は図示された順序で行われてもよく、あるいは別の順序で行われてもよい。さらに、１以上のプロセスまたは方法ステップは除去されてもよく、あるいは１以上のプロセスまたは方法ステップはそのプロセスまたは方法ステップに付加されてもよい。付加的なステップ、ブロック、またはアクションは方法およびプロセスの始め、終り、または間に現在あるエレメントに付加されてもよい。
【００８５】
上記の開示された実施形態の説明は、当業者がこの開示を形成し、あるいは使用することを可能にするために与えられている。これらの実施形態への種々の修正は、当業者に容易に明らかになるであろう。また、ここに規定されている一般的な原理は本発明の技術的範囲を逸脱することなく他の実施形態に適用されてもよい。したがって、この開示はここに示されている実施形態に制限されるものではなく、ここに開示されている原理および新しい特徴に一致した広い技術的範囲を与えられている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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