(57)【要約】【課題】電圧制御発振器の共振容量値のうち固定容量の容量値を等価的に減少させることにより、共振容量の可変分を増加させ、発振周波数範囲を拡大する。【解決手段】差動出力用の共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢを有する差動型の負性コンダクタンス発生回路１１と、容量値が電圧制御によって制御される可変容量とインダクタンスとが並列接続された差動型の共振回路１０と、差動型の負性インピーダンス回路１３とを備える。共振ノード間に共振回路と負性インピーダンス回路が接続される。共振ノード間に生じている固定容量の容量値が負性インピーダンス回路が呈する負性インピーダンスによって低減される。固定容量は、共振ノードＯＵＴと接地電位との間及び共振ノードＯＵＴＢと接地電位との間のそれぞれに生じている浮遊容量で代表される。【選択図】図１
2006324953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動出力用の第１の端子及び第２の端子を有する差動型の負性コンダクタンス発生回路と、
容量値が電圧制御によって制御される可変容量とインダクタンスとが並列接続された差動型の共振回路であって、上記第１の端子及び第２の端子の間に接続された上記共振回路と、
上記第１の端子及び第２の端子の間に接続された差動型の負性インピーダンス回路とを具備して成り、
上記第１の端子及び上記第２の端子の間に生じている固定容量の容量値が上記負性インピーダンス回路が呈する負性インピーダンスによって低減されることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項２】
請求項１において、
上記固定容量は、上記第１の端子と接地電位との間及び上記第２の端子と上記接地電位との間のそれぞれに生じている浮遊容量を含んでいることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項３】
請求項１において、
直列接続された２個の容量を１組の容量とし、並列接続された少なくとも１組の容量を有し、上記少なくとも１組の容量の各々が印加電圧の大小によって容量値が二通りに変化する差動型の容量切替部が上記第１の端子及び第２の端子の間に接続されていることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項４】
請求項１において、
並列接続された少なくとも１個の容量を有し、上記少なくとも１個の容量の各々が印加電圧の大小によって容量値が二通りに変化する容量切替部が上記第１の端子と接地電位の間及び第２の端子と上記接地電位の間のそれぞれに接続されていることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項５】
請求項１において、
上記負性コンダクタンス発生回路は、
上記第１の端子に出力端子が接続された第１のトランジスタと、
上記第２の端子に出力端子が接続された第２のトランジスタとを具備し、
上記第１のトランジスタの入力端子が第１の容量を介して上記第２の端子に接続され、上記第２のトランジスタの入力端子が第２の容量を介して上記第１の端子に接続され、上記第１のトランジスタ及び上記第２のトランジスタの接地端子が相互に接続され、その接続点に第１の電流源が接続されており、
上記負性インピーダンス回路は、
上記第１の端子に出力端子が接続された第３のトランジスタと、
上記第２の端子に出力端子が接続された第４のトランジスタと
上記第３のトランジスタの接地端子と上記第４のトランジスタの接地端子との間に接続された第３の容量とを具備し、
上記第３のトランジスタの入力端子が上記第２のトランジスタの入力端子に接続され、上記第４のトランジスタの入力端子が上記第１のトランジスタの入力端子に接続され、上記第３のトランジスタの接地端子に第２の電流源が接続され、上記第４のトランジスタの接地端子に第３の電流源が接続されていることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項６】
請求項５において、
上記第１の電流源は、上記接続点に出力端子が接続された第５のトランジスタを具備し、上記第５のトランジスタの入力端子が第１の電圧源に接続され、上記第５のトランジスタの接地端子が第２の電圧源に結合され、
上記第２の電流源は、上記第３のトランジスタの接地端子に出力端子が接続された第６のトランジスタを具備し、上記第６のトランジスタの入力端子が第３の電圧源に接続され、上記第６のトランジスタの接地端子が第４の電圧源に結合され、
上記第３の電流源は、上記第４のトランジスタの接地端子に出力端子が接続された第７のトランジスタを具備し、上記第７のトランジスタの入力端子が上記第３の電圧源に接続され、上記第７のトランジスタの接地端子が上記第４の電圧源に結合されていることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項７】
請求項６において、
上記第１〜第７のトランジスタは、バイポーラトランジスタであり、出力端子がコレクタ、入力端子がベース、接地端子がエミッタであることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項８】
請求項１において、
上記負性コンダクタンス発生回路は、
上記第１の端子に出力端子が接続された第１のトランジスタと、
上記第２の端子に出力端子が接続された第２のトランジスタとを具備し、
上記第１のトランジスタの入力端子が第１の容量を介して上記第２の端子に接続され、上記第２のトランジスタの入力端子が第２の容量を介して上記第１の端子に接続され、上記第１のトランジスタ及び上記第２のトランジスタの接地端子が相互に接続され、その接続点に第１の電流源が接続されており、
上記負性インピーダンス回路は、
上記第１の端子に出力端子が結合された第３のトランジスタと、
上記第２の端子に出力端子が結合された第４のトランジスタと
上記第３のトランジスタの接地端子と上記第４のトランジスタの接地端子との間に接続された第３の容量とを具備し、
上記第３のトランジスタの入力端子が上記第４のトランジスタの出力端子に接続され、上記第４のトランジスタの入力端子が上記第３のトランジスタの出力端子に接続され、上記第３のトランジスタの接地端子に第２の電流源が接続され、上記第４のトランジスタの接地端子に第３の電流源が接続されていることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項９】
請求項８において、
上記第１の電流源は、上記接続点に出力端子が接続された第５のトランジスタを具備し、上記第５のトランジスタの入力端子に第１の電圧源が接続され、上記第５のトランジスタの接地端子が第２の電圧源に結合され、
上記第２の電流源は、上記第３のトランジスタの接地端子に出力端子が接続された第６のトランジスタを具備し、上記第６のトランジスタの入力端子に第３の電圧源が接続され、上記第６のトランジスタの接地端子が第４の電圧源に接続され、
上記第３の電流源は、上記第４のトランジスタの接地端子に出力端子が接続された第７のトランジスタを具備し、上記第７のトランジスタの入力端子に上記第３の電圧源が接続され、上記第７のトランジスタの接地端子が上記第４の電圧源に結合されていることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項１０】
請求項９において、
上記第１〜第７のトランジスタは、バイポーラトランジスタであり、出力端子がコレクタ、入力端子がベース、接地端子がエミッタであることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項１１】
請求項９において、
上記第１の端子に第１のダイオードを介して上記第３のトランジスタの出力端子が結合され、
上記第２の端子に第２のダイオードを介して上記第４のトランジスタの出力端子が結合されていることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項１２】
請求項１１において、
上記第１〜第７のトランジスタは、バイポーラトランジスタであり、出力端子がコレクタ、入力端子がベース、接地端子がエミッタであることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項１３】
請求項１において、
上記負性コンダクタンス発生回路は、第１の負性コンダクタンス発生回路と第２の負性コンダクタンス発生回路とを含んで構成され、
上記第１の負性コンダクタンス発生回路は、
上記第１の端子にドレインが接続され、上記第２の端子にゲートが接続された第１のｎＭＯＳトランジスタと、
上記第２の端子にドレインが接続され、上記第１の端子にゲートが接続された第２のｎＭＯＳトランジスタとを具備し、
上記第１のｎＭＯＳトランジスタ及び上記第２のｎＭＯＳトランジスタのソースが相互に接続され、その接続点に第１の電流源が接続されており、
上記第２の負性コンダクタンス発生回路は、
上記第１の端子にドレインが接続され、上記第２の端子にゲートが接続された第１のｐｎＭＯＳトランジスタと、
上記第２の端子にドレインが接続され、上記第１の端子にゲートが接続された第２のｐＭＯＳトランジスタとを具備し、
上記第１のｐＭＯＳトランジスタ及び上記第２のｐＭＯＳトランジスタのソースが相互に接続され、その接続点に第２の電流源が接続されており、
上記負性インピーダンス回路は、
上記第１の端子にドレインが結合された第３のｎＭＯＳトランジスタと、
上記第２の端子にドレインが結合された第４のｎＭＯＳトランジスタと、
上記第３のｎＭＯＳトランジスタのソースと上記第４のｎＭＯＳトランジスタのソースとの間に接続された容量とを具備し、
上記第３のｎＭＯＳトランジスタのゲートが上記第４のｎＭＯＳトランジスタのドレインに接続され、上記第４のｎＭＯＳトランジスタのゲートが上記第３のｎＭＯＳトランジスタのドレインに接続され、上記第３のｎＭＯＳトランジスタのソースに第３の電流源が接続され、上記第４のｎＭＯＳトランジスタのソースに第４の電流源が接続されていることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項１４】
請求項１３において、
上記第３の電流源は、上記第３のｎＭＯＳトランジスタのソースにドレインが接続された第５のｎＭＯＳトランジスタを具備し、上記第５のｎＭＯＳトランジスタのゲートが第１の電圧源に接続され、上記第５のｎＭＯＳトランジスタのソースに第２の電圧源が接続され、
上記第４の電流源は、上記第４のｎＭＯＳトランジスタのソースにドレインが接続された第６のｎＭＯＳトランジスタを具備し、上記第６のｎＭＯＳトランジスタのゲートが上記第１の電圧源に接続され、上記第６のｎＭＯＳトランジスタのソースが上記第２の電圧源に接続されていることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項１５】
請求項１４において、
上記第１の端子に第１のダイオードを介して上記第３のｎＭＯＳトランジスタのドレインが結合され、
上記第２の端子に第２のダイオードを介して上記第４のｎＭＯＳトランジスタのドレインが結合されていることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項１６】
無線周波数の受信信号を低周波信号に変換する複数の受信系統と、
上記複数の受信系統から選択された１系統に、受信系統毎に周波数が異なる局発信号を供給する局発信号発生回路と、
上記低周波信号を増幅して出力する出力系統とを具備して成り、
上記受信信号は受信系統毎に周波数が異なり、
上記複数の受信系統の各々は、
上記受信信号を増幅する低雑音増幅器と、上記低雑音増幅器の出力信号の不要波を除去する帯域通過フィルタと、上記直交する局発信号を入力して上記帯域通過フィルタの出力信号を上記低周波信号に変換するミキサとを具備し、
上記局発信号発生回路は、発振信号を生成する電圧制御発振器と、上記電圧制御発振器が出力する発振信号を分周する分周回路と、上記分周回路の出力信号から、上記複数の受信系統への上記局発信号を生成する信号分配回路とを具備し、
上記電圧制御発振器は、
差動出力用の第１の端子及び第２の端子を有する差動型の負性コンダクタンス発生回路と、
容量値が電圧制御によって制御される可変容量とインダクタンスとが並列接続された差動型の共振回路であって、上記第１の端子及び第２の端子の間に接続された上記共振回路と、
上記第１の端子及び第２の端子の間に接続された差動型の負性インピーダンス回路とを具備して成り、
上記第１の端子及び上記第２の端子の間に生じている固定容量の容量値が上記負性インピーダンス回路が呈する負性インピーダンスによって低減されることを特徴とする無線通信機。
【請求項１７】
請求項１６において、
上記固定容量は、上記第１の端子と接地電位との間及び上記第２の端子と上記接地電位との間のそれぞれに生じている浮遊容量を含んでいることを特徴とする無線通信機。
【請求項１８】
請求項１６において、
並列接続された少なくとも１個の容量を有し、上記少なくとも１個の容量の各々が印加電圧の大小によって容量値が二通りに変化する容量切替部が上記第１の端子と接地電位の間及び第２の端子と上記接地電位の間のそれぞれに接続されていることを特徴とする無線通信機。
【請求項１９】
請求項１６において、
上記負性コンダクタンス発生回路は、
上記第１の端子に出力端子が接続された第１のトランジスタと、
上記第２の端子に出力端子が接続された第２のトランジスタとを具備し、
上記第１のトランジスタの入力端子が第１の容量を介して上記第２の端子に接続され、上記第２のトランジスタの入力端子が第２の容量を介して上記第１の端子に接続され、上記第１のトランジスタ及び上記第２のトランジスタの接地端子が相互に接続され、その接続点に第１の電流源が接続されており、
上記負性インピーダンス回路は、
上記第１の端子に出力端子が接続された第３のトランジスタと、
上記第２の端子に出力端子が接続された第４のトランジスタと
上記第３のトランジスタの接地端子と上記第４のトランジスタの接地端子との間に接続された第３の容量とを具備し、
上記第３のトランジスタの入力端子が上記第２のトランジスタの入力端子に接続され、上記第４のトランジスタの入力端子が上記第１のトランジスタの入力端子に接続され、上記第３のトランジスタの接地端子に第２の電流源が接続され、上記第４のトランジスタの接地端子に第３の電流源が接続されていることを特徴とする無線通信機。
【請求項２０】
変調信号を増幅する入力系統と、
上記入力系統が出力する上記変調信号を、複数の無線周波数の送信信号から選択された１送信信号に変換する変調器であって、上記複数の送信信号は互いに周波数が異なる上記変調器と、
上記変調器が出力する送信信号毎に設けられ、上記送信信号を増幅する複数の出力増幅器と、
上記変調信号に、送信信号毎に周波数が異なる局発信号を供給する局発信号発生回路とを具備して成り、
上記局発信号発生回路は、発振信号を生成する電圧制御発振器と、上記電圧制御発振器が出力する発振信号を分周する分周回路と、上記分周回路の出力信号から、上記変調器への上記局発信号を生成する信号分配回路とを具備し、
上記電圧制御発振器は、
差動出力用の第１の端子及び第２の端子を有する差動型の負性コンダクタンス発生回路と、
容量値が電圧制御によって制御される可変容量とインダクタンスとが並列接続された差動型の共振回路であって、上記第１の端子及び第２の端子の間に接続された上記共振回路と、
上記第１の端子及び第２の端子の間に接続された差動型の負性インピーダンス回路とを具備して成り、
上記第１の端子及び上記第２の端子の間に生じている固定容量の容量値が上記負性インピーダンス回路が呈する負性インピーダンスによって低減されることを特徴とする無線通信機。
【請求項２１】
請求項２０において、
上記固定容量は、上記第１の端子と接地電位との間及び上記第２の端子と上記接地電位との間のそれぞれに生じている浮遊容量を含んでいることを特徴とする無線通信機。
【請求項２２】
請求項２０において、
並列接続された少なくとも１個の容量を有し、上記少なくとも１個の容量の各々が印加電圧の大小によって容量値が二通りに変化する容量切替部が上記第１の端子と接地電位の間及び第２の端子と上記接地電位の間のそれぞれに接続されていることを特徴とする無線通信機。
【請求項２３】
請求項２０において、
上記負性コンダクタンス発生回路は、
上記第１の端子に出力端子が接続された第１のトランジスタと、
上記第２の端子に出力端子が接続された第２のトランジスタとを具備し、
上記第１のトランジスタの入力端子が第１の容量を介して上記第２の端子に接続され、上記第２のトランジスタの入力端子が第２の容量を介して上記第１の端子に接続され、上記第１のトランジスタ及び上記第２のトランジスタの接地端子が相互に接続され、その接続点に第１の電流源が接続されており、
上記負性インピーダンス回路は、
上記第１の端子に出力端子が接続された第３のトランジスタと、
上記第２の端子に出力端子が接続された第４のトランジスタと
上記第３のトランジスタの接地端子と上記第４のトランジスタの接地端子との間に接続された第３の容量とを具備し、
上記第３のトランジスタの入力端子が上記第２のトランジスタの入力端子に接続され、上記第４のトランジスタの入力端子が上記第１のトランジスタの入力端子に接続され、上記第３のトランジスタの接地端子に第２の電流源が接続され、上記第４のトランジスタの接地端子に第３の電流源が接続されていることを特徴とする無線通信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信機に適用して好適な発振器に係り、特に集積回路上にて実現され、かつ広い周波数可変範囲を有する電圧制御発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信機に必要不可欠な構成要素として局部発振信号（以下「局発信号」と略称する）発生回路がある。通常、局発信号発生回路に電圧制御発振器が用いられ、電圧制御発振器の発振周波数を制御することにより、局発信号の周波数範囲が決定される。非特許文献１に、ＬＣ共振型差動発振器の共振ノードに切り替え可能な容量素子を接続し、発振周波数を離散的に切り替える電圧制御発振器の例が開示されている。また、圧電振動子を含む共振回路と接地の間に負の容量値を与える負値コンデンサを接続し、共振回路に並列に接続したコンデンサの容量値を減少する方向に調整可能とした発振器及びフィルタの例が特許文献１に開示されている。更に、負性インピーダンス回路を用い、制御電圧によってそのインピーダンスを変化させることにより発振周波数を変化させる発振回路の例が特許文献２に開示されている。なお、上記発振回路に用いられる負性インピーダンス回路を増幅器に採用した負性増幅回路の例が特許文献３に開示されている。
【０００３】
【非特許文献１】Takahiro Nakamura（中村宝弘）他、「ア・フリィ・インテグレイテッド・３９．８−／４３−ＧＨｚ・ＶＣＯ（A fully Integrated 39.8-/43-GHz VCO−featuring Wide Tuning Range and Low Temperature-drift−for Single-chip MUX/DEMUX LSIs）」、（米国）、２００４・アイイーイーイー・ラジオ・フリケンシ・インテグレイテッド・シンポジウム（2004 IEEE Radio Frequency integrated Symposium）論文集、２００４年、講演番号ＴＵ３Ａ−２、ｐ．３１７−３２０
【特許文献１】特開平８−２０４４５１号公報
【特許文献２】特開平１０−２５６８３０号公報
【特許文献３】特開平１０−２４７８３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在、電圧制御発振器を牽引する応用は、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）やＰＤＣ（Personal Digital Cellar）、ＰＨＳ（Personal Handy-phone System）、ＰＣＳ（Personal Communication Services）などの通信方式の携帯電話用無線通信機や、ＩＥＥＥ規格に定められた無線通信仕様である８０２．１１a、８０２．１１ｂ、８０２．１１ｇに準拠するワイヤレスＬＡＮ（Local Area Network）を構成する無線通信機が主流である。また、これらの通信方式や無線通信仕様では使用する周波数が様々である。これら無線通信機には常に、低価格化、小型化、そして長時間動作のための低消費電力化が求められている。これらの要求に応える方法の一つに、無線通信用回路をより少ない個数の半導体集積回路（以下「ＩＣ：Integrated Circuit」という）によって実現する方法がある。特に、基板材料が低コストであることと、半導体プロセスの高い成熟度によって高歩留まりが確保されていることから、シリコン（Ｓｉ）ＩＣにて無線通信用回路を実現する試みが多くなされ、現在まで多くの低価格かつ小型な無線通信機が提供されてきた。今後の開発では更なる低価格化と小型化が求められると共に、ユーザの所在やその目的に応じて最適な無線通信を行なうために上記の複数の無線通信仕様に対応可能な無線通信機の実現が期待されている。
【０００５】
しかしながら、上記の様々な通信周波数に対して、上記の従来のＩＣ上の無線通信用回路では、ＩＣ内の電圧制御発振器の周波数範囲が狭いために対応が不可能であり、そのため、複数の発振器を搭載することによって対応することになり、消費電流の増加やチップ面積の増加が避けられない。非特許文献１に記載の発振器は、この問題をある程度緩和したものであるが、容量素子値の最小値はゼロではなく最大値と最小値の比が小さいため必要とされる発振周波数の範囲によっては、単一の電圧制御発振器で実現することができないという問題がある。
【０００６】
この問題は、電圧制御発振器の共振ノードに生じる容量値が変化しない固定容量（浮遊容量など）が、所定の発振周波数を実現するために必要な容量値のうち多くを占めることが原因である。原因の定量的な解析は後述する。
【０００７】
特許文献１の負性コンデンサは、固定の容量値を低減するために用いられる。負性コンデンサ手段を用いた発振器の例では、特許文献１の図３（ａ）にあるように、オペアンプと抵抗Ｒｓ、Ｒｆで構成される非反転増幅回路の入力と出力間に容量Ｃｆを挿入する回路が付加される。この回路構成により、オペアンプの正相入力端子とアースの間に等価的に負性の容量が発生する。しかしながら、同図の発振器はオペアンプの使用を前提にしている。その利得をＡとすると、Ａ≫１で、かつ負性容量を発生させる周波数においてオペアンプ自身の入力から出力への位相回りがゼロという理想的な条件の下でのみ、非反転増幅回路において負性容量発生の回路動作と効果が得られる。しかし、現状でのオペアンプの動作帯域は高々５００ＭＨｚ程度であり、そのため特許文献１による回路技術は、ＧＨｚ帯で発振する電圧制御発振器に適用することは困難である。
【０００８】
発明が解決しようとする課題について以下に図を用いて詳細に説明する。図１０は、差動型のＬＣ共振回路（ＤＲＣ）１０と、同じく差動型の負性コンダクタンス発生回路（ＮＧＣ）１１によって構成された一般的なＬＣ共振型差動電圧制御発振器を示す。共振回路のＣ成分、即ち共振容量は、容量制御端子１００に印加される電圧で変化するものとする。また、共振回路のＬ成分、即ち共振インダクタンスは、ＩＣ上のパッドを介してＩＣ外付け素子によって実現されるか、又はＩＣ上の素子によって実現されるものとする。
【０００９】
ＬＣ共振回路１０の差動端子である正相端子（＋）と逆相端子（−）は、それぞれ差動型の負性コンダクタンス発生回路１１の正相端子（＋）と逆相端子（−）に接続されることにより、正相の共振ノードＯＵＴと逆相の共振ノードＯＵＴＢが形成される。負性コンダクタンス発生回路１１は、負のコンダクタンスを発生させることで、共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢで発生する電力の損失を補完し、発振器として発振を持続させる目的で用いられる。共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢから差動信号が出力される。
【００１０】
容量切替部（ＶＣＣ）１２は、共振容量の容量値を離散的に大幅に変更させる目的で共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢに接続されるものである。差動型のノードＯＵＴ，ＯＵＴＢに接続して用いられるため、２個の同じ容量切替部（ＶＣＣ）１２で差動型の容量切替部が形成される。２個の容量切替部（ＶＣＣ）１２で同じ符号の端子は相互に接続される。基準電圧印加端子１２０に一定の電圧値の直流電圧が印加され、複数備えられた切替電圧印加端子１２１〜１２ｎに対してはその任意の端子に切替用の直流電圧が印加される。直流電圧が印加された端子１２１〜１２ｎと端子１２０との間の電位差によって共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢのそれぞれに現れる容量値が段階的に変化する。
【００１１】
この電圧制御発振器の具体回路の例を図１１に示す。図１１では、差動型のＬＣ共振回路１０は、インダクタＬ１，Ｌ２、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２、バイアス用抵抗Ｒ１によって構成される。インダクタＬ１，Ｌ２のインダクタンス値は等しく、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２の容量値は等しい。差動型の負性コンダクタンス発生回路１１は、エミッタ結合されたトランジスタＱ１，Ｑ２、定電流源Ｉｃｓ１、バイパス容量ＣＢＰ１，ＣＢＰ２、そしてバイアス抵抗Ｒ２，Ｒ３によって構成されている。
【００１２】
容量切替部１２は、端子１２０と端子１２１の間の電位差によって大小２値の容量値を取るＣｓ１からＣｓｎまでのｎ個（ｎ：正の整数）の容量によって構成される。共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢに生じる、配線とアース間の寄生容量をそれぞれＣｐ１，Ｃｐ２とし、二つの容量値は等しいものとする。電源電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３としてそれぞれの所定の定電圧が印加される。
【００１３】
発振周波数は、共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢの一方と接地（差動動作の中性点）との間からみたインダクタンスＬと容量Ｃによって決まり、次の式（１）によって表される。
Ｆｏｓｃ＝１／（２π√（Ｌ・Ｃ））  ・・・（１）
このとき、Ｌ＝Ｌ１（＝Ｌ２）、Ｃ＝Ｃｖ＋Ｃｓ＋Ｃｐであるとして、
Ｆｏｓｃ＝１／（２π√（Ｌ１・（Ｃｖ＋Ｃｓ＋Ｃｐ）））  （２）
となる。ここでＣｖは可変容量ダイオードＤ１の容量値（＝可変容量ダイオードＤ２の容量値）、Ｃｓは容量切替部１２の容量値、Ｃｐは共振ノードＯＵＴの寄生容量Ｃｐ１の容量値（＝寄生容量Ｃｐ２の容量値））を示す。
【００１４】
ここで、所望の周波数範囲の目標の上限を４４００ＭＨｚ、下限を３２００ＭＨｚとして説明する。インダクタＬ１（＝Ｌ２）の値を０．５ｎＨと仮定すると、共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢの一方の容量値は、４４００ＭＨｚの場合には２．６２ｐＦ、３２００ＭＨｚの場合には４．９５ｐＦが必要となる。これらの容量は、式（２）から、Ｃｖ＋Ｃｓ＋Ｃｐによって実現されるが、容量値Ｃｖ，Ｃｓにはそれぞれ上下限（ＣｍａｘとＣｍｉｎ）が存在する。容量値Ｃｖは、図１２Ａに示すように、容量制御端子１００に与えられる制御電圧Ｖｃｎｔによって連続的に変化する。そのＣｍｉｎ/Ｃｍａｘを比α（ここでは０．８５）とする。また、ＣｍｉｎとＣｍａｘの容量差をΔＣｖとする。同様に、容量値Ｃｓは、図１２Ｂに示すように、容量切替部１２が端子１２１と端子１２０との間の電位差によって実現する最大と最小の容量があり、その比β（Ｃｍｉｎ/Ｃｍａｘ）を０．３とする。また、ＣｍｉｎとＣｍａｘの容量差をΔＣｓとするＣｖ＝１．５５ｐＦとＣｓ＝０．７７ｐＦの最小値と寄生容量Ｃｐ（＝０．３ｐＦ）を組み合わせて、共振容量２．６２ｐＦを実現した場合、発振周波数４４００ＭＨｚが得られることになる。
【００１５】
同じ構成にて、容量値Ｃｖ，Ｃｓをそれぞれ最大値にすることで目標の３２００ＭＨｚの発振周波数が得られるか否かを計算する。上記の比αとβから、Ｃｖの最大値は１．８２ｐＦ、Ｃｓの最大値は２．５８ｐＦである。寄生容量０．３ｐＦと合わせても共振容量は４．７ｐＦとなり、発振周波数は３２８５ＭＨｚとなり目標の３２００ＭＨｚを満たすことができない。αとβの容量比や、ＣｖとＣｓの比を変化させることで、発振周波数範囲は拡大することができるが、上記の数値例はＳｉ・ＲＦＩＣでの代表的な値であることから、この例のような４４００ＭＨｚから３２００ＭＨｚの周波数範囲を有する電圧制御発振器を実現することは困難であることは明らかであると言える。
【００１６】
図３に共振容量の目標と例示した容量値Ｃｖ，Ｃｓの内訳を「負性容量無し」の欄に示している。目標の共振容量を得るには、共振容量における固定値を減少させ、それによって容量値Ｃｖ，Ｃｓを大きくし、相対的に可変分（ΔＣｖ、ΔＣｓ）を増加させることが必要となる。
【００１７】
なお、特許文献２の発振回路はＬＣ共振回路を用いずに構成され、従ってインダクタは用いられない。その代わりに、負性コンダクタンス発生回路の両エミッタを配線で接続するのでなく、抵抗と容量の直列回路で接続するようにして負性キャパシタンスを発生させ、この負性キャパシタンスが上記インダクタとして用いられる。従って、ＬＣ共振回路を用い、その容量の可変範囲を広げることについては言及されていない。また、特許文献２では、負性キャパシタンスが用いられているが対象が増幅器であり、発振器とは構成が異なる。
【００１８】
本発明は、上記の課題を克服するためになされたもので、電圧制御発振器の共振容量における固定容量の容量値を等価的に減少させることにより、共振容量の可変分を増加させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するための本発明の代表的なものの一例を示せば以下のようになる。即ち、本発明の電圧制御発振器は、差動出力用の第１の端子及び第２の端子を有する差動型の負性コンダクタンス発生回路と、容量値が電圧制御によって制御される可変容量とインダクタンスとが並列接続された差動型の共振回路であって、上記第１の端子及び第２の端子の間に接続された上記共振回路と、上記第１の端子及び第２の端子の間に接続された差動型の負性インピーダンス回路とを具備して成り、上記第１の端子及び上記第２の端子の間に生じている固定容量の容量値が上記負性インピーダンス回路が呈する負性インピーダンスによって低減されることを特徴とする。このように、固定容量の容量値が低減されるため、共振回路における共振容量の可変分を増加させることが可能になり、電圧制御発振器の発振周波数の可変範囲を拡大することができる。上記固定容量は、上記第１の端子と接地電位との間及び上記第２の端子と上記接地電位との間のそれぞれに生じている浮遊容量で代表される。
【００２０】
なお、直列接続された２個の容量を１組の容量とし、並列接続された少なくとも１組の容量を有し、上記少なくとも１組の容量の各々が印加電圧の大小によって容量値が二通りに変化する差動型の容量切替部を上記第１の端子及び第２の端子の間に接続することが望ましい。或いは、並列接続された少なくとも１個の容量を有し、上記少なくとも１個の容量の各々が印加電圧の大小によって容量値が二通りに変化する容量切替部を上記第１の端子と接地電位の間及び第２の端子と上記接地電位の間のそれぞれに接続することが望ましい。発振周波数の可変範囲を一層拡大することができる。
【００２１】
また、上記負性コンダクタンス発生回路は、上記第１の端子に出力端子が接続された第１のトランジスタと、上記第２の端子に出力端子が接続された第２のトランジスタとを具備し、上記第１のトランジスタの入力端子が第１の容量を介して上記第２の端子に接続され、上記第２のトランジスタの入力端子が第２の容量を介して上記第１の端子に接続され、上記第１のトランジスタ及び上記第２のトランジスタの接地端子が相互に接続され、その接続点に第１の電流源が接続されていることが望ましい。更に、上記負性インピーダンス回路は、上記第１の端子に出力端子が接続された第３のトランジスタと、上記第２の端子に出力端子が接続された第４のトランジスタと上記第３のトランジスタの接地端子と上記第４のトランジスタの接地端子との間に接続された第３の容量とを具備し、上記第３のトランジスタの入力端子が上記第２のトランジスタの入力端子に接続され、上記第４のトランジスタの入力端子が上記第１のトランジスタの入力端子に接続され、上記第３のトランジスタの接地端子に第２の電流源が接続され、上記第４のトランジスタの接地端子に第３の電流源が接続されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、電圧制御発振器に負性インピーダンスを呈する回路を設けることによって固定容量の容量値が低減されるため、共振回路における共振容量の可変分を増加させることが可能になり、電圧制御発振器の発振周波数の可変範囲を拡大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る電圧制御発振器及びそれを用いた無線通信機を図面に示した実施形態を参照して更に詳細に説明する。
【００２４】
図１に本発明の第１の実施形態を示す。電圧制御発振器は、差動型のＬＣ共振回路１０と、差動型の負性コンダクタンス発生回路１１と、２個の容量切替部１２と、寄生容量Ｃｐ１，Ｃｐ２と、差動型の負性インピーダンス回路１３とを含んで構成される。差動型のＬＣ共振回路１０、差動型の負性コンダクタンス発生回路１１及び差動型の負性インピーダンス回路１３のそれぞれの正相端子＋同士及び逆相端子−同士は相互に接続され、正相の共振ノードＯＵＴ（第１の端子）及び逆相の共振ノードＯＵＴＢ（第２の端子）が形成される。２個の容量切替部１２はそれぞれ共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢに接続され、双方一体で差動型の容量切替部を成す。寄生容量Ｃｐ１，Ｃｐ２は、それぞれ共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢの配線に生じている。共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢから差動信号が出力される。
【００２５】
差動型のＬＣ共振回路１０は、インダクタＬ１，Ｌ２、可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２、バイアス用抵抗Ｒ１によって構成される。容量制御端子１００に周波数制御用電圧Ｃｃｎｔが与えられる。なお、差動型のＬＣ共振回路１０は、直列接続のインダクタＬ１，Ｌ２によるインダクタと、直列接続の可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２による可変容量とが並列接続されて構成されているとして表される。
【００２６】
差動型の負性コンダクタンス発生回路１１は、エミッタ結合されたトランジスタＱ１（第１のトランジスタ），Ｑ２（第２のトランジスタ）、エミッタがＶ２に結合されて定電流源（第１の電流源）を形成するトランジスタＱｃｓ１（第５のトランジスタ）及び抵抗Ｒ４、バイパス容量ＣＢＰ１（第１の容量），ＣＢＰ２（第２の容量）、そしてバイアス抵抗Ｒ２，Ｒ３によって構成される。電源電圧Ｖ１、抵抗Ｒ４に接続されるＶ２（第２の電圧源）及びＶ３として、それぞれの所定の定電圧が印加され、トランジスタＱｃｓ１に与えられるバイアス電圧Ｖ４（第１の電圧源）として所定の定電圧が印加される。なお、本明細書では、ＡとＢの間に何らかの素子又は配線が介在してＡとＢが結ばれる場合に、ＡとＢは結合していると言うこととする。
【００２７】
容量切替部１２は、端子１２０と端子１２１〜端子１２ｎとの間の電位差によってそれぞれ大小２値の容量値を取るＣｓ１〜Ｃｓｎまでのｎ個（ｎ：正の整数）の容量によって構成される。２個の容量切替部（ＶＣＣ）１２で同じ符号の端子は相互に接続される。基準電圧印加端子１２０に一定の電圧値の直流電圧が印加され、複数備えられた切替電圧印加端子１２１〜１２ｎに対してはその任意の端子に切替用の直流電圧が印加される。直流電圧が印加された端子１２１〜１２ｎと端子１２０との間の電位差によって共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢのそれぞれに現れる容量値が段階的に変化する。なお、共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢ間に接続される差動型の容量切替部としてみると、２個の容量切替部１２のＣｓ１，Ｃｓ２，…，Ｃｓｎのそれぞれは、直列接続の１組の容量で表される。そして、１組の容量のそれぞれが共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢ間に並列接続されていると表される。
【００２８】
負性インピーダンス回路１３は、トランジスタＱｎ１（第３のトランジスタ），Ｑｎ２（第４のトランジスタ）、エミッタがＶ５（第４の電圧源）に結合されてトランジスタＱｎ１側の定電流源（第２の電流源）を形成するトランジスタＱｃｓｎ１（第６のトランジスタ）及び抵抗Ｒｃｓｎ１、エミッタがＶ５に結合されてトランジスタＱｎ２側の定電流源（第３の電流源）を形成するトランジスタＱｃｓｎ２（第７のトランジスタ）及び抵抗Ｒｃｓｎ２、エミッタ間結合容量Ｃｎ（第３の容量）によって構成される。抵抗Ｒｃｓｎ１，Ｒｃｓｎ２に接続される電源電圧Ｖ５及びトランジスタＱｃｓｎ１，Ｑｃｓｎ２に与えられるバイアス電圧Ｖ６（第３の電圧源）として、それぞれ所定の定電圧が印加される。
【００２９】
以上の構成において、各トランジスタにはバイポーラトランジスタが用いられるので、本実施形態の電圧制御発振器はバイポーラ型であり、３Ｖ程度の電源電圧で動作する。
【００３０】
以下、負性インピーダンス回路１３の動作を、図２に示す原理回路を用いて説明する。図２は、エミッタをインピーダンスＺによって結合したトランジスタＱｎ１，Ｑｎ２と、それぞれのトランジスタをバイアスする定電流源Ｉｃｓｎで構成される。図中の波形は、電圧及び電流の信号の位相を明示するために記載したものである。
【００３１】
トランジスタＱｎ１のベースの交流電圧をｖｉとすると、その逆相の交流電圧ｖｉｂ（振幅はｖｉと等しい）はトランジスタＱｎ２のベースに印加されるものとする。ここで、トランジスタＱｎ１，Ｑｎ２が定電流源Ｉｃｓｎによってエミッタフォロワとして動作しているので、エミッタの交流電圧ｖｅ，ｖｅｂは、近似的にそれぞれ交流電圧ｖｉ，ｖｉｂと考えることができる。そのため、エミッタ間のインピーダンスＺを流れる電流ｉｚは、以下の式（３）で表される。
ｉｚ＝（ｖｅ−ｖｅｂ）／Ｚ＝＝（ｖｉ−ｖｉｂ）／Ｚ＝２ｖｉ／Ｚ  ・・・（３）
また、トランジスタＱｎ１，Ｑｎ２に流れる交流電流をそれぞれ、ｉｏ，ｉｏｂとすると、
ｉｚ＝ｉｏ＝−ｉｏｂ  ・・・（４）
である。ここで｜ｖｉ｜＝｜ｖｉｂ｜である。
【００３２】
負性のインピーダンスを発生させるには、図２の交流電圧ｖｉと交流電流ｉｏｂが同じノードで発生するように結線すればよい。このとき、ｉｏ−ｉｚ＝０，ｉｏｂ＋ｉｚ＝０，ｖｉ＝−ｖｉｂ＝ｖｅ＝−ｖｅｂ，ｉｚ＝（ｖｅ−ｖｅｂ）／Ｚとなり、これにより、
Ｚｎｅｇ＝ｖｉ／ｉｏｂ＝ｖｉ／（−ｉｚ）＝−Ｚ／２  ・・・（５）
の負性インピーダンスＺｎｅｇを正相端子＋の接地の間（同様に、逆相端子−と接地の間）に発生することができる。言い換えると、正相端子＋と逆相端子−の間に２Ｚｎｅｇを発生することができる。負性容量を発生させるためには、インピーダンスＺに容量Ｃを配置すれば良い。その場合、式（５）は以下のようになり、正相端子＋の接地の間（同様に、逆相端子−と接地の間）に−２Ｃの負性容量が得られる。
Ｚｎｅｇ＝−（1／（ｊωＣ・２））＝１／（ｊω・（−２Ｃ））  ・・・（６）
この−２Ｃの負性容量によって、共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢのそれぞれに生じている固定容量の容量値が等価的に減少される。言い換えると、正相端子＋と逆相端子−の間に−Ｃの負性容量が得られ、これによって、共振ノードＯＵＴと共振ノードＯＵＴＢの間の固定容量の容量値が等価的に減少される。
【００３３】
なお、図２の負性インピーダンス回路をＧＨｚ以上の周波数帯で用いる場合には、各周波数ω自体が大きくなるため、相対的に容量Ｃの値が小さくなる。このため、回路を構成する寄生抵抗の影響が大きくなり、実効的な負性インピーダンスが変化する。ここで考慮する寄生抵抗成分は、トランジスタＱ１，Ｑ２の相互コンダクタンスによって発生する抵抗Ｒｇｍである。Ｒｇｍは、負性インピーダンスに対して直列に生じ、その値は−１／ｇｍと負の値を有している。また、トランジスタＱ１，Ｑ２の寄生エミッタ抵抗ＲＥも同様に負性の抵抗として生じ、寄生素子の影響を考慮した負性インピーダンスＺｎｅｇ’は、
Ｚｎｅｇ’＝−１／ｇｍ−ＲＥ＋１／（ｊω・（−２Ｃ））  ・・・（７）
と表される。
【００３４】
図１に示す第１の実施形態の負性インピーダンス回路１３は、図２を用いて解説した負性インピーダンス回路を変形して電圧制御発振器へ適用させたものである。容量Ｃは、エミッタ間結合容量Ｃｎとして与えられる。トランジスタＱｎ１のコレクタ（逆相端子−）が共振ノードＯＵＴＢに結合され、トランジスタＱｎ２のコレクタ（同相端子＋）が共振ノードＯＵＴに結合される。図１に示す負性インピーダンス回路１３においては、トランジスタＱｎ１，Ｑｎ２のベースが、共振ノードＯＵＴ、ＯＵＴＢではなく、負性コンダクタンス発生回路１１内のトランジスタＱ２，Ｑ１のベースにそれぞれ接続される。
【００３５】
この接続には２つの効果がある。一つは、トランジスタＱｎ１，Ｑｎ２の入力寄生容量を、共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢに接続することなく、共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢの電圧変化を検出することができるからである。これにより、負性インピーダンス回路１３を付加することによって共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢの寄生容量が増加するのを抑えることができる。もう一つの効果は、トランジスタＱｎ１，Ｑｎ２のベース・コレクタ間バイアスを負にすることができることである。トランジスタＱｎ１，Ｑｎ２のベースは、それぞれのトランジスタの導通時にベース・コレクタ間バイアスが負になるようにバイアス電圧が設定される。これによってトランジスタＱｎ１，Ｑｎ２の動作速度が高速化される。
【００３６】
一方、図２の回路構成のように、トランジスタＱｎ１，Ｑｎ２で、ベースを相手のコレクタに接続するのでは、直流バイアス電圧に関して言えば、トランジスタのベースとコレクタは同電位である。このため、図１の負性コンダクタンス発生回路１１中のトランジスタＱ１，Ｑ２ほどの高速動作は望めない。この欠点を克服するために、図１中の負性インピーダンス回路１３では、トランジスタＱｎ１，Ｑｎ２のベースは、それぞれ負性コンダクタンス回路のトランジスタＱ２，Ｑ１と同じバイアス電位の端子へ接続される。従って、トランジスタＱｎ１，Ｑｎ２のベースに現れる電圧振幅は、共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢの電圧とは異なるが、負性インピーダンス回路１３の容量値Ｃｎの値を調整することにより、所望の負性容量を共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢに発生させることができる。
【００３７】
本実施形態の効果を、図３を用いて定量的に説明する。エミッタ間結合容量Ｃｎの値を０．２ｐＦとすれば、式（７）を用いて共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢに−０．４ｐＦの負性容量を発生することができる。これにより、共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢの固定値の容量を増加させることができるため、ダイオードＤ１，Ｄ２の容量値であるＣｖと、容量切替部１２の容量値であるＣｓの値を増加させることができる。共振ノードＯＵＴの寄生容量Ｃｐ１（＝Ｃｐ２）は、負性インピーダンス回路自身の寄生容量のために０．４ｐＦとする。２．６２ｐＦの共振容量を得るため、負性容量と寄生容量Ｃｐの値を考慮して容量Ｃｖ，Ｃｓの最小値をそれぞれ、１．７５ｐＦと０．８７ｐＦに設定する。容量Ｃｓ，Ｃｖの最大値は、それぞれ最小値の１／０．８５倍、１／０．３倍であるから、２．０５５ｐＦと２．９１１ｐＦとなる。負性容量−０．４ｐＦと寄生容量０．４ｐＦと合わせることにより、共振容量の最大値は、４．９６１ｐＦとなり、共振インダクタンスが０．５ｐＨ時に３２００ＭＨｚの発振周波数が得られることになる。即ち、負性インピーダンス回路１３を備えた電圧制御発振器によって、発振周波数範囲を拡大することができ、例として３２００ＭＨｚと４４００ＭＨｚの発振周波数を一つの電圧制御発振器にて実現することができる。以上について、図３の「負性容量有り」の欄に、共振容量における固定値を減少させるために負性容量Ｃｎｅｇ＝−０．４ｐＦを用いて、目標の共振容量を得る例が示される。
【００３８】
上記の説明では、負性インピーダンス回路１３の定電流源用トランジスタＱｃｓｎ１とＱｃｓｎ２のベースの電圧は所定の定電圧であるとした。なお、この設定を変え、ベースの電圧Ｖ５を負性インピーダンス回路１３の電源電圧Ｖ４と等しくすると、トランジスタＱｃｓｎ１，Ｑｃｓｎ２、更にトランジスタＱｎ１，Ｑｎ２をそれぞれカットオフさせて負性インピーダンス回路の動作を無効にすることができる。この機能によって、共振容量を一時的に増加させることができるため、更に発振周波数を低くし、周波数可変範囲を増加させることができる。
【００３９】
続いて、図４に、容量切替部１２の具体回路の例を示す。ｎ個の容量Ｃｓ１〜Ｃｓｎは、それぞれ単位容量セルとして構成される。単位容量セルは、容量Ｃ１と、ドレインとソースが結合されたＭＯＳトランジスタＭ１と、そのゲートバイアス用抵抗Ｒ１によって構成される。単位容量セル中のＭＯＳのドレインとソースは全て共通化され、端子１２０に定電圧Ｖ１２０が与えられる。また個々の単位容量セルのＲ１の一方の端子は端子１２１（１２２，…，１２ｎ）として設定され、端子１２０の定電圧に対して高低の２値の定電圧値Ｖ１２１（Ｖ１２２，…，Ｖ１２ｎ）が設定される。電位の関係が、Ｖ１２１＞Ｖ１２０の場合にＭＯＳ容量値はＣｍｉｎの値を、Ｖ１２１＜Ｖ１２０の場合にＭＯＳ容量値はＣｍａｘの値をとる。
【００４０】
容量Ｃ１の値はＣｍａｘに対して１０倍程度大きい値に設定し、容量端子１２０１から見る容量値がＭＯＳ容量によって決まる。上記単位容量セルは、ＭＯＳのゲート面積を変更することによって、そのＭＯＳ容量値を任意に変更可能である。よって、図４の単位容量セルはあくまでも回路構成を示しており、そのＭＯＳ容量値の値は個々に設定することができる。
【００４１】
図５に本発明の第２の実施形態を示す。図１に示した第１の実施形態がバイポーラ型電圧制御発振器として構成されるのに対し、本実施形態は、ＭＯＳトランジスタを用いたＭＯＳ型電圧制御発振器として構成される。以下に本実施形態を説明するが、説明されないその他の構成は、第１の実施形態と同様である。なお、本明細書においては、バイポーラトランジスタ及びＭＯＳトランジスタに対して、ベースとゲートを入力端子、コレクタとドレインを出力端子、エミッタとソースを接地端子と言うこととする。
【００４２】
図５において、負性コンダクタンス発生回路は、２個の相補的に用いられる負性コンダクタンス発生回路１１ａ（第１の負性コンダクタンス発生回路）と負性コンダクタンス回路１１ｂ（第２の負性コンダクタンス発生回路）とで構成される。負性コンダクタンス発生回路１１ａは、ソース結合されたｎＭＯＳトランジスタＭｎ１（第１のｎＭＯＳトランジスタ），Ｍｎ２（第２のｎＭＯＳトランジスタ）、定電流源Ｉｃｓ１（第１の電流源）によって構成される。また、負性コンダクタンス回路１１ｂは、ソース結合されたｐＭＯＳトランジスタＭｐ１（第１のｐＭＯＳトランジスタ），Ｍｐ２（第２のｐＭＯＳトランジスタ）、定電流源Ｉｃｓ２（第２の電流源）によって構成される。負性インピーダンス回路１３ａは、ｎＭＯＳトランジスタＭｎ３（第３のｎＭＯＳトランジスタ），Ｍｎ４（第４のｎＭＯＳトランジスタ）、ソース結合容量Ｃｎ、トランジスタＭｎ３側の定電流源（第３の電流源）となるｎＭＯＳトランジスタＭｎ５（第５のｎＭＯＳトランジスタ）、トランジスタＭｎ４側の定電流源（第４の電流源）となるｎＭＯＳトランジスタＭｎ６（第６のｎＭＯＳトランジスタ）によって構成される。トランジスタＭｎ５，Ｍｎ６のゲートにバイアス電圧Ｖ６（第１の電圧源）が与えられ、トランジスタＭｎ５，Ｍｎ６ｎのソースに電源電圧Ｖ５（第２の電圧源）が与えられる。
【００４３】
トランジスタＭｎ１〜Ｍｎ４，Ｍｐ１，Ｍｐ２のゲートは、それぞれ対になる相手のドレインに接続される。ＭＯＳトランジスタのドレイン・ゲート間の電圧の設定には自由度があり、本実施形態のようにトランジスタＭｎ１〜Ｍｎ４，Ｍｐ１，Ｍｐ２のゲートをそれぞれ対になる相手のドレインに接続しても、第１の実施形態の場合と同様の動作原理と効果を得ることができる。また、トランジスタＭｎ５，Ｍｎ６に適切なバイアス電圧を与えることができる。
【００４４】
ｎＭＯＳトランジスタＭｎ３のドレイン（正相端子＋）は、共振ノードＯＵＴに結合され、ｎＭＯＳトランジスタＭｎ４のドレイン（逆相端子−）は、共振ノードＯＵＴＢに結合される。ｎＭＯＳトランジスタＭｎ１とｐＭＯＳトランジスタＭｐ１とは、ドレイン同士及びゲート同士がそれぞれ接続されることにより、ＣＭＯＳ（Complementary CMOS）トランジスタを成す。同様に、ｎＭＯＳトランジスタＭｎ２とｐＭＯＳトランジスタＭｐ２も、ドレイン同士及びゲート同士がそれぞれ接続されることにより、ＣＭＯＳトランジスタを成す。ＬＣ共振回路１０ａは、インダクタＬと、直列接続の可変容量ダイオードＤ１，Ｄ２によって構成される。電源電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ５、バイアス電圧Ｖ６として、それぞれに所定の電圧が印加される。
【００４５】
本実施形態では、負性コンダクタンス回路として負性コンダクタンス回路１１ａ及び負性コンダクタンス回路１１ｂの二つを相補的に用いることによって、バイポーラトランジスタに対してＭＯＳトランジスタのｇｍが低い点を補うことができる。更に、図５の構成を採用することによって、ＭＯＳトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈに対し、｜Ｖｔｈ｜＝０．２Ｖと設定することにより、１．５Ｖ程度の低い電源電圧で動作させることが可能になる。図１のバイポーラ型の電圧制御発振器が３Ｖ程度で動作するのに対して、電源電圧は約５０％低減される。
【００４６】
図６に本発明の第３の実施形態を示す。第１の実施形態の回路構成に対して、負性インピーダンス回路の構成が異なっている。図６の負性インピーダンス回路１３ｂは、トランジスタＱｎ１，Ｑｎ２のベースとコレクタを互いに交叉接続し、それぞれのコレクタと共振ノードの間にダイオードＤ３（第１のダイオード），Ｄ４（第２のダイオード）を配置して構成される。それにより、トランジスタＱｎ１のコレクタがダイオードＤ３を介して共振ノードＯＵＴＢに結合され、トランジスタＱｎ２のコレクタがダイオードＤ４を介して共振ノードＯＵＴに結合される。
【００４７】
トランジスタＱｎ１とＱｎ２のコレクタのインピーダンス値は、式（７）で示される。ダイオードＤ３，Ｄ４のそれぞれの両端に現れるインピーダンスは、１／ｇｍＤ＋ＲＤである。ここで、ｇｍＤはダイオードＤ３，Ｄ４の相互コンダクタンス、ＲＤは寄生直列抵抗である。このため、負性インピーダンス回路１３ｂが共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢのそれぞれに発生させるインピーダンスＺｎｅｇ''は、式（８）に示すことができる。
Ｚｎｅｇ''＝−１／ｇｍ−ＲＥ＋１／（ｊω・（−２Ｃ））
＋１／ｇｍＤ＋ＲＤ  ・・・（８）
ダイオードＤ３、Ｄ４の接合面積と、トランジスタＱｎ１、Ｑｎ２のエミッタ面積を調整することにより、インピーダンスＺｎｅｇ''における抵抗成分（−１／ｇｍ−ＲＥ＋１／ｇｍＤ＋ＲＤ）を小さくすることができ、これによって共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢでみた共振の鋭さＱを大きくすることができる。
【００４８】
図７に本発明の第４の実施形態を示す。図６に示す第３の実施形態をＭＯＳトランジスタで実現したものであり、ｎＭＯＳトランジスタＭｎ３のドレインがダイオードＤ３（第１のダイオード）を介して共振ノードＯＵＴＢに結合され、ｎＭＯＳトランジスタＭｎ４のドレインがダイオードＤ４（第２のダイオード）を介して共振ノードＯＵＴに結合される他は、図５と同様である。
【００４９】
本実施形態は、ダイオードＤ３，Ｄ４によって共振ノードＯＵＴ，ＯＵＴＢでみた共振のＱを向上させるほか、ＭＯＳトランジスタの使用によって動作可能な電源電圧を１．８Ｖ程度と、図６のバイポーラ型の電圧制御発振器が３Ｖ程度で動作するのに対して約４０％の電源電圧の低減を可能とする利点を有している。
【００５０】
図８に本発明の第５の実施形態を示す。図８は、第１〜第４の実施形態の電圧制御発振器から選択された本発明の電圧制御発振器３０８を含んで構成した無線通信機である。本実施形態の無線通信機は、無線周波数の３個の受信信号ＲＦｉｎ１，ＲＦｉｎ２，ＲＦｉｎ３を入力し、これらを直接に低周波信号に変換するダイレクトコンバージョン方式の３入力型無線受信機として構成される。低周波信号は、低周波信号同相成分（Ｉ相信号）及び低周波信号直交成分（Ｑ相信号）からなる。
【００５１】
周波数ＲＦ１の受信信号ＲＦｉｎ１に対して、受信信号ＲＦｉｎ１を増幅する低雑音増幅器３０１ａ、低雑音増幅器３０１ａの出力信号の不要波を除去する帯域通過フィルタ３０２ａ、帯域通過フィルタ３０２ａの出力信号を上記低周波信号に変換するダイレクトコンバージョン・ミキサ３０３ａが備えられる。同様に、周波数ＲＦ２の受信信号ＲＦｉｎ２に対して低雑音増幅器３０１ｂ、帯域通過フィルタ３０２ｂ、ダイレクトコンバージョン・ミキサ３０３ｂが備えられ、周波数ＲＦ３の受信信号ＲＦｉｎ３に対して低雑音増幅器３０１ｃ、帯域通過フィルタ３０２ｃ、ダイレクトコンバージョン・ミキサ３０３ｃが備えられる。このように、受信信号ＲＦｉｎ１，ＲＦｉｎ２，ＲＦｉｎ３に対して独自の回路からなる３個の受信系統が備えられる。周波数ＲＦ１，ＲＦ２，ＲＦ２は互いに異なる。
【００５２】
ダイレクトコンバージョン・ミキサ３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃに対して、局発発生回路３１１において生成される、互いに周波数が異なる３種の局発信号ＬＯ１，ＬＯ２，ＬＯ３が供給される。局発信号ＬＯ１，ＬＯ２，ＬＯ３のそれぞれは、互いに９０度位相が異なる、即ち直交している２個の信号から成る。ミキサ３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃから低周波信号が共通出力として出力される。
【００５３】
ここで、上記の３個の受信系統は同時に動作せず、通信状況やユーザの選択によって一つの系統のみが動作する。選択された系統のいずれもが低周波信号同相成分及び低周波信号直交成分を共通出力として出力する。ミキサ３０３ａ〜３０３ｃの共通出力は、増幅器３０４ａ，３０４ｂで増幅されてから、低域通過フィルタ３０５ａ，３０５ｂで不要波を除去され、段間容量３０６ａ，３０６ｂを経て可変利得増幅器３０７ａ，３０７ｂで再び増幅される。可変利得増幅器３０７ａ，３０７ｂからＩ／Ｑ両相の信号Ｄａｔａ＿Ｉ，Ｄａｔａ＿Ｑが出力される。増幅器３０４ａ，３０４ｂ、低域通過フィルタ３０５ａ，３０５ｂ、段間容量３０６ａ，３０６ｂ、及び可変利得増幅器３０７ａ，３０７ｂを含んで出力系統が構成される。
【００５４】
局発発生回路３１１は、第１〜第４の実施形態の電圧制御発振器から選択された本発明の電圧制御発振器３０８と、２分周と分周無しの２つの特性を切り替えられる可変分周回路３０９と、２分周機能と９０度位相差をつけた信号を生成する機能を備えた信号分配回路３１０によって構成される。信号分配回路３１０から局発信号ＬＯ１，ＬＯ２，ＬＯ３が出力される。
【００５５】
本発明の電圧制御発振器３０８を搭載することで、広い発振周波数を単一の発振器で出力することができることから、局発発生回路３１１を３系統に共通に使用することが可能になり、従って、チップ面積の縮小が可能となり、低コスト化を実現できる効果が得られる。
【００５６】
図９に本発明の第６の実施形態を示す。図９は、第１〜第４の実施形態の電圧制御発振器から選択された本発明の電圧制御発振器３０８を含んで構成した別の無線通信機である。本実施形態の無線通信機は、入力される変調信号ＭＯＤ＿Ｉ（変調信号同相成分）、変調信号ＭＯＤ＿Ｑ（変調信号直交成分）を直接に３個の無線周波数の送信信号ＲＦｏｕｔ１，ＲＦｏｕｔ２，ＲＦｏｕｔ３に変換するダイレクトコンバージョン方式の３入力型無線送信機として構成される。送信信号ＲＦｏｕｔ１，ＲＦｏｕｔ２，ＲＦｏｕｔ３の周波数は、互いに異なるＲＦ１，ＲＦ２，ＲＦ３である。
【００５７】
変調信号ＭＯＤ−Ｉ，ＭＯＤ−Ｑは、差動形式でそれぞれ可変利得増幅器４０１ａ，４０１ｂに入力される。可変利得増幅器４０１ａ，４０１ｂの出力信号は低域通過フィルタ４０２ａ，４０２ｂを経て不要波が除去される。可変利得増幅器４０１ａ，４０１ｂ及び低域通過フィルタ４０２ａ，４０２ｂを含んで入力系統が構成される。
【００５８】
低域通過フィルタ４０２ａ，４０２ｂの出力信号は、ダイレクトコンバージョン・変調器４０３に入力され、送信信号ＲＦｏｕｔ１，ＲＦｏｕｔ２，ＲＦｏｕｔ３から選択された１送信信号に変換される。ダイレクトコンバージョン・変調器４０３から出力された送信信号は、可変利得増幅器４０４で増幅されてから、３系統に分かれた出力増幅器４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃの何れかによって増幅される。送信信号ＲＦｏｕｔ１，ＲＦｏｕｔ２，ＲＦｏｕｔ３の選択は、通信状況やユーザの選択によって成される。このように、上記の３系統は同時には動作せず、選択された１系統の出力増幅器かから該当する無線受信信号が出力される。
【００５９】
この送信機においても、ダイレクトコンバージョン・変調器４０３に対して、局発発生回路３１１が生成する、互いに周波数が異なる３種の局発信号ＬＯ１，ＬＯ２，ＬＯ３が供給される。上述のように、局発信号ＬＯ１，ＬＯ２，ＬＯ３のそれぞれは、互いに９０度位相が異なる、即ち直交している２個の信号から成る。本実施形態においても、発明の電圧制御発振器３０８を搭載することで、広い発振周波数を単一の発振器で出力できることから、局発発生回路３１１を３系統に共通に使用することが可能になり、従って、チップ面積の縮小が可能となり、低コスト化を実現できる効果が得られる。
【００６０】
以上の各実施形態において、本発明の効果は、バイポーラトランジスタやＭＯＳトランジスタを用いた場合のみに発生するものではなく、電界効果トランジスタ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、高電子移動度トランジスタ、金属半導体接合電界効果トランジスタ等に置き換えても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、バイポーラトランジスタに関してはｎｐｎ型、ＭＯＳトランジスタは負性コンダクタンスにおいてｐ型及びｎ型を用いたＣＭＯＳ型の回路構成を示したが、電源電圧の極性を考慮した上で、ｐｎｐ型及びＭＯＳトランジスタではｎ型及びｐ型に入れ替えた回路構成をとっても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するための回路図。
【図２】本発明の差動負性インピーダンス回路の基本構成を説明するための回路図。
【図３】ＬＣ共振型電圧制御発振器の共振容量の内訳を説明するための図。
【図４】本発明の容量切替部の例を説明するための回路図。
【図５】本発明の第２の実施形態を説明するための回路図。
【図６】本発明の第３の実施形態を説明するための回路図。
【図７】本発明の第４の実施形態を説明するための回路図。
【図８】本発明の第５の実施形態を説明するための構成図。
【図９】本発明の第６の実施形態を説明するための構成図。
【図１０】一般的な電圧制御発振器を説明するための構成図。
【図１１】一般的な電圧制御発振器を説明するための回路図。
【図１２Ａ】可変容量の制御特性の例を示す図。
【図１２Ｂ】可変容量の制御特性の別の例を示す図。
【符号の説明】
【００６２】
１０…差動ＬＣ共振回路、１１…差動負性コンダクタンス発生回路、１２…容量切替部、１００…周波数制御用端子、１２０…基準電圧印加端子、１２１，１２２，１２ｎ…切替電圧印加端子、３０１…低雑音増幅器、３０２…バンドパスフィルタ、３０３…ダイレクトコンバージョン・ミキサ、３０４…増幅器、３０８…電圧制御発振器、３０９…可変分周回路、３１０…信号分配回路、３１１…局発発生回路、４０１…可変利得増幅器、４０３…ダイレクトコンバージョン・変調器、４０５…出力増幅器、Ｃｎ…負性インピーダンス回路の容量、ＣＢＰ１，ＣＢＰ２…バイパス容量、Ｃｐ１，Ｃｐ２…寄生容量、Ｄ１，Ｄ２…可変容量ダイオード、Ｄ３，Ｄ４…ダイオード、Ｉｃｓ１，Ｉｃｓ２…バイアス用定電流源、Ｉｃｓｎ…負性インピーダンス回路の定電流源、Ｌ１，Ｌ２…インダクタ、Ｍｎ１〜Ｍｎ６…ｎ型ＭＯＳトランジスタ、ＯＵＴ…正相共振ノード、ＯＵＴＢ…逆相共振ノード、Ｑ１，Ｑ２…負性コンダクタ発生用トランジスタ、Ｑｎ１，Ｑｎ２…負性インピーダンス回路を構成するトランジスタ、Ｑｃｓｎ１，Ｑｃｓｎ２，Ｑｃｓ１…電流源用トランジスタ、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ１２０…定電圧。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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