(57)【要約】【課題】発振周波数帯域を広帯域化しながら、実装面積の増大及びＣＮ特性の劣化を防止し得る発振器を提供する。【解決手段】周波数設定部は、一次側インダクタンスＬ１，Ｌ２と容量ＶＣ１，Ｃ１との共振周波数に基づいて、発振周波数を設定し、発振部Ｔｒ１，Ｔｒ２は前記周波数設定部で設定された周波数に基づいて発振する。前記一次側インダクタンスＬ１，Ｌ４に対し、相互インダクタンスＭを発生させて、発振周波数を変化させる制御回路Ｌ３，Ｌ４，Ｔｒ３，Ｔｒ４を備える。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次側インダクタンスと容量との共振周波数に基づいて、発振周波数を設定する周波数設定部と、
前記周波数設定部で設定された周波数に基づいて発振する発振部と
を備えた発振器であって、
前記一次側インダクタンスに対し、相互インダクタンスを発生させる制御回路を備えたことを特徴とする発振器。
【請求項２】
前記制御回路は、
前記一次側インダクタンスに対し相互インダクタンスを発生させる二次側インダクタンスと、
前記二次側インダクタンスに流れる電流を、前記一次側インダクタンスに流れる電流と同相または逆相とする電流制御部と
から構成したことを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項３】
前記電流制御部は、前記二次側インダクタンスに流れる電流を、前記一次側インダクタンスに流れる電流に対し同相または逆相に切替え可能としたことを特徴とする請求項２記載の発振器。
【請求項４】
前記電流制御部は、前記二次側インダクタンスに流れる電流値を調節可能としたことを特徴とする請求項２または３記載の発振器。
【請求項５】
前記一次側インダクタンスと二次側インダクタンスとをトランス状に配置したことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の発振器。
【請求項６】
前記発振部は、前記周波数設定部で設定された共振周波数に基づいて交互にオンする一対の発振用トランジスタで構成し、前記電流制御部はそのベースが前記トランジスタのいずれかのベースに接続される一対の制御用トランジスタで構成したことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の発振器。
【請求項７】
前記制御用トランジスタのベースと、前記発振用トランジスタのベースとの間にスイッチを設け、該スイッチで前記制御用トランジスタのベースを前記発振用トランジスタのいずれのベースに接続するかを選択可能としたことを特徴とする請求項６記載の発振器。
【請求項８】
前記発振用トランジスタと前記制御用トランジスタとのスイッチング動作の位相を変調することにより、前記共振周波数を調整可能としたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の発振器。
【請求項９】
インダクタンスと容量との共振周波数に基づいて、発振周波数を設定する周波数設定部と、
前記周波数設定部で設定された周波数に基づいて発振する発振部と
を備えた発振器であって、
前記インダクタンスに寄生抵抗及び寄生容量を付加することなく前記共振周波数を切替え可能とする制御回路を備えたことを特徴とする発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体通信、衛星通信等の通信装置において、搬送波や内部信号等として使用される高周波帯域信号を生成するためのＬＣ発振器を使用した電圧制御発振器に関するものである。
【０００２】
近年、携帯電話等の移動体通信機器においては、小型化、軽量化及び低価額化がますます要請され、このような移動体通信機器に使用される電圧制御発振器のＩＣ化が進んでいる。そこで、電圧制御発振器を構成するインダクタンス素子もＬＳＩ素子内に集積化されるようになっている。そして、このような電圧制御発振器の発振周波数帯域を広帯域化することが必要となっている。
【０００３】
【従来の技術】
図６は、発振周波数帯域を広帯域化した電圧制御発振器の第一の従来例を示す。電圧制御発振器１ａでは、電源Ｖｃｃの投入に基づいてインダクタンスＬ１１，Ｌ１２、可変容量ＶＣ１、固定容量Ｃ１で設定される発振周波数で発振する。電圧制御発振器１ｂでは、電源Ｖｃｃの投入に基づいてインダクタンスＬ２１，Ｌ２２、可変容量ＶＣ２、固定容量Ｃ４で設定される発振周波数で発振する。さらに、同様に動作する多数の電圧制御発振器が備えられる。
【０００４】
そして、各電圧制御発振器ではインダクタンス値及び容量値をそれぞれ異なる値に設定することにより、異なる発振周波数帯域で発振する。このような構成により、各電圧制御発振器を適宜切替えて使用することにより、広帯域の発振周波数を得るようになっている。
【０００５】
図７は、第二の従来例を示す。この電圧制御発振器は、前記電圧制御発振器１ｂにスイッチＳＷ１〜ＳＷｎ＋１とインダクタンスＬ１１〜Ｌｎ１，Ｌ１２〜Ｌｎ２を付加したものである。
【０００６】
そして、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎ＋１を選択して導通状態とすると、インダクタンスＬ２１，Ｌ２２に選択されたインダクタンスＬ１２が並列に接続される。
従って、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎ＋１を導通状態とするか不導通状態とするかを選択することにより、インダクタンス値を変更して、広帯域の発振周波数を得るようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示す構成では、電圧制御発振器の広帯域化を図るために、複数の電圧制御発振器を用意する必要があるため、実装面積が増大する等の問題点がある。
【０００８】
図７に示す構成では、インダクタンス値のみを切替える構成であるため、図６に示す構成に比して実装面積の増大を抑制することができる。しかし、選択して接続されるインダクタンスには、インダクタンスＬ２１，Ｌ２２との間にそれぞれ直列にスイッチが介在されるため、インダクタンスに寄生抵抗成分あるいは寄生容量成分が発生する。
【０００９】
このため、インダクタンスのＱ値が劣化し、電圧制御発振器のＣ／Ｎ特性の劣化の原因となる。
この発明の目的は、発振周波数帯域を広帯域化しながら、実装面積の増大及びＣＮ特性の劣化を防止し得る発振器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
周波数設定部は、一次側インダクタンスと容量との共振周波数に基づいて、発振周波数を設定し、発振部は前記周波数設定部で設定された周波数に基づいて発振する。前記一次側インダクタンスに対し、相互インダクタンスを発生させて、発振周波数を変化させる制御回路を備える。
【００１１】
また、前記制御回路は、前記一次側インダクタンスに対し相互インダクタンスを発生させる二次側インダクタンスと、前記二次側インダクタンスに流れる電流を、前記一次側インダクタンスに流れる電流と同相または逆相とする電流制御部とから構成し、前記電流制御部は、前記二次側インダクタンスに流れる電流を、前記一次側インダクタンスに流れる電流に対し同相または逆相に切替え可能とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第一の実施の形態）
図１は、この発明を具体化した電圧制御発振器の第一の実施の形態を示す。トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のコレクタはそれぞれインダクタンスＬ１，Ｌ２を介して電源Ｖｃｃに接続され、エミッタは定電流源１ａを介してグランドＧＮＤに接続される。
【００１３】
前記トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のコレクタ間には、可変容量ＶＣ１及び固定容量Ｃ１が並列に接続される。また、前記トランジスタＴｒ１のコレクタは、容量Ｃ２を介して前記トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３のベースに接続され、前記トランジスタＴｒ２のコレクタは、容量Ｃ３を介して前記トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４のベースに接続されている。
【００１４】
なお、この電圧制御発振器の発振周波数を制御する制御電圧を入力する場合には、可変容量ＶＣ１の接続点に制御電圧を入力するが、図１においては特に記載しない。
【００１５】
前記トランジスタＴｒ３のコレクタは、インダクタンスＬ３を介して電源Ｖｃｃに接続され、前記トランジスタＴｒ４のコレクタはインダクタンスＬ４を介して電源Ｖｃｃに接続される。
【００１６】
前記トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４のエミッタは、定電流源１ｂを介してグランドＧＮＤに接続される。
前記インダクタンスＬ１〜Ｌ４は、巻方向の等しいスパイラルコイルで形成され、そのインダクタンス値はＬ１＝Ｌ２≧Ｌ３＝Ｌ４として設定される。
【００１７】
そして、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４は同相で動作し、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３は同相で動作する。また、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４とトランジスタＴｒ２，Ｔｒ３とは逆相で動作する。
【００１８】
前記インダクタンスＬ１，Ｌ４と、同Ｌ２，Ｌ３とは、相互インダクタンスＭが発生するように構成される。相互インダクタンスＭの発生原理を説明すると、図８に示すように、例えばインダクタンスＬ１に対しトランスを形成するように配置されるインダクタンスＬ４に同相または逆相の電流が流れると、インダクタンスＬ４から発生する磁界は、インダクタンスＬ１に相互インダクタンスＭを発生させる。
【００１９】
このとき、インダクタンスＬ１の交流電圧振幅をＶ１、インダクタンスＬ４の交流電圧振幅をＶ４、各インダクタンスＬ１，Ｌ４に流れる交流電流をＩ１，Ｉ４とすると、
Ｖ１＝Ｌ１（ｄＩ１／ｄｔ）＋Ｍ（ｄＩ４／ｄｔ）
Ｖ４＝Ｌ４（ｄＩ４／ｄｔ）＋Ｍ（ｄＩ１／ｄｔ）
また、インダクタンスＬ１，Ｌ４と相互インダクタンスＭとの間には、
Ｌ１×Ｌ４−Ｍ２≧０
が成立している。
【００２０】
このように、インダクタンスＬ４の交流電流Ｉ４がインダクタンスＬ１の交流電圧振幅Ｖ１に影響する。
図９に示すように、インダクタンスＬ１，Ｌ４のスパイラルコイルの巻き方向が同じの場合、交流電流Ｉ１，Ｉ４が同相であれば、インダクタンスＬ１のインダクタンス値は
Ｌ１＋Ｍ
となる。また、交流電流Ｉ１，Ｉ４が逆相であれば、インダクタンスＬ１のインダクタンス値は
Ｌ１−Ｍ
となる。
【００２１】
インダクタンスＬ１，Ｌ４のスパイラルコイルの巻き方向が逆方向であれば、この関係は逆となる。また、インダクタンスが２個以上であっても、この関係に変わりはない。
【００２２】
図１に示す電圧制御発振器において、相互インダクタンスＭが発生していないとすれば、インダクタンスＬ１と容量ＶＣ１，Ｃ１とによる発振周波数ｆは、
ｆ＝１／（２π√（Ｌ１×Ｃ）
但し、
Ｃ＝１／（１／Ｃ１＋１／ＶＣ１）
である。
【００２３】
インダクタンスＬ４に交流電流Ｉ４が流れて、相互インダクタンスＭがインダクタンスＬ１に作用する場合、インダクタンスＬ１及び相互インダクタンスＭと容量ＶＣ１，Ｃ１とによる発振周波数ｆは、交流電流Ｉ１，Ｉ４が同相であるか逆相であるかによって、
ｆ＝１／（２π√（（Ｌ１±Ｍ）×Ｃ）
となり、２種類の発振周波数を持つことになる。
【００２４】
前記インダクタンスＬ１，Ｌ４は、図１０に示すように、例えば半導体基板上の同一層においてスパイラルコイルとして形成される。インダクタンスＬ４は同Ｌ１より少ない捲き数でよく、効率の良い磁界を形成するために、中空状のコイルとすることが望ましい。インダクタンスＬ２，Ｌ３もインダクタンスＬ１，Ｌ４と同様な構成である。
【００２５】
次に、図１に示す電圧制御発振器の動作を説明する。電源Ｖｃｃの投入に基づいてトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２は交互にオンされる。トランジスタＴｒ４はトランジスタＴｒ１と同相でオンされ、トランジスタＴｒ３はトランジスタＴｒ２と同相でオンされる。
【００２６】
すると、インダクタンスＬ１，Ｌ４間には相互インダクタンスＭが発生し、インダクタンスＬ１のインダクタンス値はＬ１＋Ｍとなる。同様に、インダクタンスＬ２，Ｌ３間には相互インダクタンスＭが発生し、インダクタンスＬ２のインダクタンス値はＬ２＋Ｍとなる。
【００２７】
従って、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２による発振周波数は、インダクタンス値Ｌ１＋Ｍ，Ｌ２＋Ｍと、容量ＶＣ１，Ｃ１による共振周波数となり、相互インダクタンスＭが存在しない場合とは異なる周波数となる。
【００２８】
そして、可変容量ＶＣ１の容量値を調整することにより、共振周波数を調整可能である。
上記のように構成された電圧制御発振器では、次に示す作用効果を得ることができる。
（１）トランジスタＴｒ１と同相でトランジスタＴｒ４を動作させ、トランジスタＴｒ２と同相でトランジスタＴｒ３を動作させることにより、インダクタンスＬ１，Ｌ２に相互インダクタンスＭを付加して、インダクタンスＬ１，Ｌ２のインダクタンス値を増大させることができる。従って、相互インダクタンスＭにより、発振周波数帯域を低周波数化することができる。
（２）可変容量ＶＣ１の容量値を調整することにより、所定の発振周波数帯域内において、発振周波数を調整することができる。
（３）各インダクタンスＬ１〜Ｌ４にスイッチが接続されることはない。従って、インダクタンスのＱ値を劣化させることはない。
（第二の実施の形態）
図２は、第二の実施の形態を示す。この実施の形態は、前記第一の実施の形態のトランジスタＴｒ３のベースをトランジスタＴｒ１のベースに接続し、トランジスタＴｒ４のベースをトランジスタＴｒ２のベースに接続したものであり、その他の構成は第一の実施の形態と同様である。
【００２９】
このような構成により、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ３が同相で動作し、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ４が同相で動作する。従って、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４は逆相で動作し、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３も逆相で動作する。
【００３０】
すると、インダクタンスＬ１，Ｌ４間には相互インダクタンスＭが発生し、インダクタンスＬ１のインダクタンス値はＬ１−Ｍとなる。同様に、インダクタンスＬ２，Ｌ３間には相互インダクタンスＭが発生し、インダクタンスＬ２のインダクタンス値はＬ２−Ｍとなる。
【００３１】
従って、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２による発振周波数は、インダクタンス値Ｌ１−Ｍ，Ｌ２−Ｍと、容量ＶＣ１，Ｃ１による共振周波数となり、相互インダクタンスＭが存在しない場合とは異なる周波数となる。
【００３２】
そして、可変容量ＶＣ１の容量値を調整することにより、共振周波数を調整可能である。
上記のように構成された電圧制御発振器では、次に示す作用効果を得ることができる。
（１）トランジスタＴｒ１に同期してトランジスタＴｒ３を動作させ，トランジスタＴｒ２に同期してトランジスタＴｒ４を動作させることにより、インダクタンスＬ１，Ｌ２から相互インダクタンスＭを減じて、インダクタンスＬ１，Ｌ２のインダクタンス値を減少させることができる。従って、相互インダクタンスＭにより、発振周波数帯域を高周波数化することができる。
（２）可変容量ＶＣ１の容量値を調整することにより、所定の発振周波数帯域内において、発振周波数を調整することができる。
（３）各インダクタンスＬ１〜Ｌ４にスイッチが接続されることはない。従って、インダクタンスのＱ値を劣化させることはない。
（第三の実施の形態）
図３は、第三の実施の形態を示す。この実施の形態は、トランジスタＴｒ３のベースをスイッチＳＷ３を介してトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベースのいずれかに接続可能とし、トランジスタＴｒ４のベースをスイッチＳＷ４を介してトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベースのいずれかに接続可能としたものである。その他の構成は、前記第一の実施の形態と同様である。
【００３３】
そして、スイッチＳＷ３，ＳＷ４の制御により、トランジスタＴｒ１のベースがトランジスタＴｒ４のベースに接続されるとき、トランジスタＴｒ２のベースがトランジスタＴｒ３のベースに接続される。
【００３４】
また、トランジスタＴｒ１のベースがトランジスタＴｒ３のベースに接続されるとき、トランジスタＴｒ２のベースがトランジスタＴｒ４のベースに接続される。
このような構成により、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４が同相で動作し、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３が同相で動作する状態と、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４が逆相で動作し、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３が逆相で動作する状態とのいずれかを選択可能である。
【００３５】
このように構成された電圧制御発振器では、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４が同相で動作し、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３が同相で動作するようにスイッチＳＷ３，ＳＷ４を制御すると、インダクタンスＬ１のインダクタンス値はＬ１＋Ｍとなり、インダクタンスＬ２のインダクタンス値はＬ２＋Ｍとなる。この状態での発振周波数は、
ｆＬ＝１／（２π√（（Ｌ１＋Ｍ）×Ｃ）
となる。
【００３６】
また、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４が逆相で動作し、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３が逆相で動作するようにスイッチＳＷ３，ＳＷ４を制御すると、インダクタンスＬ１のインダクタンス値はＬ１−Ｍとなり、インダクタンスＬ２のインダクタンス値はＬ２−Ｍとなる。この状態での発振周波数は、
ｆＨ＝１／（２π√（（Ｌ１−Ｍ）×Ｃ）
となる。
【００３７】
従って、この発振器ではスイッチＳＷ３，ＳＷ４の制御により２つの中心発振周波数を選択可能であり、各中心発振周波数に基づく２つの周波数帯域のいずれかで発振する。
【００３８】
そして、可変容量ＶＣ１の容量値を調整することにより、各共振周波数帯域内において共振周波数を調整可能である。
上記のように構成された電圧制御発振器では、前記第一及び第二の実施の形態で得られた作用効果に加えて、次に示す作用効果を得ることができる。
（１）スイッチＳＷ３，ＳＷ４の制御により、２つの発振周波数帯域を得ることができる。従って、電圧制御発振器の出力信号周波数を広帯域化することができる。
（２）１つの電圧制御発振器で２つの発振周波数帯域を備えることができるので、出力信号周波数の広帯域化を図りながら、回路実装面積の増大を防止することができる。特に、インダクタンスＬ１，Ｌ４及びＬ２，Ｌ３はトランス状にレイアウトするので、実装面積の増大を防止することができる。
（第四の実施の形態）
図４は、第四の実施の形態を示す。この実施の形態は、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４を同相で駆動し、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ４を同相で駆動している。また、トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４は電流値Ｉｃｓ２を調整可能とした可変電流源１ｃに基づいてそのコレクタ電流が制御される。
【００３９】
前記トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のコレクタ間の可変容量は省略されている。
このような構成により、インダクタンスＬ１，Ｌ４間に相互インダクタンスＭが発生し、インダクタンスＬ２，Ｌ３間に相互インダクタンスＭが発生する。従って、相互インダクタンスＭにより発振周波数帯域を調整可能である。
【００４０】
また、電流源１ｃの電流値Ｉｃｓ２を調整することにより、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４及びトランジスタＴｒ２，Ｔｒ３のスイッチング動作の位相が変調され、インダクタンスＬ３，Ｌ４に発生する磁界の位相が変化する。この結果、この発振回路の発振周波数を制御可能となる。従って、この電圧制御発振器では可変容量に代えて、電流源１ｃの電流値Ｉｃｓ２を調整することにより、発振周波数を調整することができる。
【００４１】
また、電流値Ｉｃｓ２による発振周波数の調整幅は、可変容量による発振周波数の調整幅より大きくすることができるので、発振周波数帯域を広帯域化することができる。
【００４２】
また、可変容量を省略することができるので、回路面積の縮小を図ることができる。
（第五の実施の形態）
図５は、第五の実施の形態を示す。この実施の形態は、前記第四の実施の形態のトランジスタＴｒ３，Ｔｒ４のエミッタを、それぞれＰチャネルＭＯＳトランジスタＴｒ５，Ｔｒ６を介して定電流源１ｂに接続し、トランジスタＴｒ５，Ｔｒ６のゲートに制御信号Ｃｔｒｌを入力する。
【００４３】
また、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４のベース間には容量Ｃ４が介在され、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３のベース間には容量Ｃ５が介在される。なお、トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４のベースには、バイアス電圧供給回路（図示しない）からバイアス電圧を供給する。その他の構成は、前記第四の実施の形態と同様である。
【００４４】
このような構成により、制御信号Ｃｔｒｌの電圧レベルを調整すると、トランジスタＴｒ５，Ｔｒ６のソース電流が調整され、トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４のコレクタ電流が調整される。
【００４５】
従って、前記第四の実施の形態と同様な作用効果を得ることができる。
上記実施の形態は、次に示すように変更することもできる。
・第三の実施の形態の構成に、第四あるいは第五の実施の形態の構成を付加してもよい。
・二次側インダクタンスは、各一次側インダクタンスに対し、それぞれ複数としてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明は発振周波数帯域を広帯域化しながら、実装面積の増大及びＣＮ特性の劣化を防止し得る発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態を示す回路図である。
【図２】第二の実施の形態を示す回路図である。
【図３】第三の実施の形態を示す回路図である。
【図４】第四の実施の形態を示す回路図である。
【図５】第五の実施の形態を示す回路図である。
【図６】従来例を示す回路図である。
【図７】従来例を示す回路図である。
【図８】相互インダクタンスの発生原理を示す説明図である。
【図９】インダクタンスのレイアウト例を示す説明図である。
【図１０】インダクタンスのレイアウト例を示す説明図である。
【符号の説明】
Ｌ１，Ｌ２　　　　　　　　　　一次側インダクタンス、周波数設定部
ＶＣ１，Ｃ１　　　　容量、周波数設定部
Ｍ　　　　　　相互インダクタンス
Ｌ３，Ｌ４　　　　　　　　　　制御回路（二次側インダクタンス）
Ｔｒ１，Ｔｒ２　　　発振部（トランジスタ）
Ｔｒ３，Ｔｒ４　　　制御回路、電流制御部（トランジスタ）
【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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