(57)【要約】【課題】クロックとして使用可能なスペクトラム拡散周波数変調された発振器回路を提供する。【解決手段】スペクトラム拡散周波数変調された発振器回路は、抵抗器などの基準要素と、電圧制御発振器と、基準要素および電圧制御発振器に結合され、かつ発振器に第１の制御信号を供給し、発振器を基準要素の値に対応する周波数で発振させるように構成された第１の回路とを含む。発振器にランダム信号を供給するように構成された第２の回路は、発振器の周波数をディザリングさせる。発振器に、ＥＭＩを低減するほど高速であるが、スイッチレギュレータなどの制御されたデバイスが追跡できないほど高速すぎないランダム周波数変調を発生させるために、発振器は、（１）発振器周波数の変化率を制御して、その変化率を発振器周波数の一定の率とし、（２）発振器周波数の周波数変化量を制御して、その周波数変化量を発振器周波数の一定の率とするように構成された第３の回路を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペクトラム拡散周波数変調された発振器回路であって、
基準要素と、
制御された発振器と、
基準要素および制御された発振器に結合され、かつ発振器に第１の制御信号を供給して、発振器を基準要素の値に対応する周波数で発振させるように構成された第１の回路と、
発振器にランダム信号を供給して、発振器の周波数をディザリングさせるように構成された第２の回路と、
（１）発振器周波数の変化率を制御して、該変化率を発振器周波数の一定の率とし、（２）発振器周波数の周波数変化量を制御して、該周波数変化量を発振器周波数の一定の率とするように構成された第３の回路とを含む、スペクトラム拡散周波数変調された発振器回路。
【請求項２】
スペクトラム拡散周波数変調された発振器回路であって、
周波数制御入力ポートを有する制御された発振器と、
制御された発振器の入力ポートに結合された第１の閉ループ回路とを含み、第１の閉ループ回路は、可変帯域フィルタと、ピーク検出器と、可変利得増幅器とを含み、ピーク検出器および可変利得増幅器は、フィルタ帯域幅の関数として、フィルタから振幅が一定の信号を生成するように構成され、
発振器回路の第１の制御ループに結合され、出力信号の周波数を変調するランダム信号発生器と、
フィルタと電圧が制御され発振器とを含む第２の閉ループ回路とをさらに含み、電圧が制御された発振器は、第１の閉ループ回路によって定められ、かつランダム信号発生器によって不規則にディザリングされた周波数の出力信号を生成し、フィルタの帯域は、電圧が制御された発振器によって生成される出力信号によって制御される、スペクトラム拡散周波数変調された発振器回路。
【請求項３】
フィルタは、可変帯域ローパスフィルタである、請求項２に記載の発振器回路。
【請求項４】
ランダム信号は、ローパスフィルタによってフィルタ処理されたランダム電圧信号であり、
一定の直流電圧は、制御された発振器に制御信号を供給するために、フィルタ処理されたランダム電圧と結合される、請求項３に記載の発振器回路。
【請求項５】
制御された発振器は、電圧制御発振器である、請求項４に記載の発振器回路。
【請求項６】
ランダム信号は、ランダム電圧信号である、請求項４に記載の発振器回路。
【請求項７】
制御電圧の変化率は、制御電圧のピークピーク変化に比べて小さい、請求項５に記載の発振器回路。
【請求項８】
制御された発振器のゲインは、制御された発振器の中心出力周波数を制御する、請求項４に記載の発振器回路。
【請求項９】
スペクトラム拡散周波数変調された発振器回路であって、
基準電流が流される周波数設定抵抗器に結合されるよう適合させた入力と、
周波数が制御された抵抗器と、
制御された発振器と、
周波数設定抵抗器に結合され、かつ発振器を、周波数が制御された抵抗器の値によって
決まる制御された周波数で駆動するように構成された積分器回路と、
積分器回路に結合され、制御された周波数に不規則変動を生じさせるためのランダム信号発生器とを含む、スペクトラム拡散周波数変調された発振器回路。
【請求項１０】
ランダム信号発生器は、
デジタルアナログ変換器と、アナログデジタル変換器を駆動する乱数発生器と、デジタルアナログ変換器の出力を平滑化するためのスイッチトキャパシタフィルタとを含み、乱数発生器は、制御された発振器の出力によって駆動され、スイッチトキャパシタフィルタは、制御された発振器の出力に同期化される、請求項９に記載の発振器回路。
【請求項１１】
制御された発振器は、周波数が制御された抵抗器を制御する第１のフィードバック信号およびランダム信号発生器に印加される第２のフィードバック信号を供給する、請求項９に記載の発振器回路。
【請求項１２】
ランダム信号発生器は、周波数設定抵抗器に見掛け上の不規則変動を生じさせる第１のランダム信号を供給する、請求項９に記載の発振器回路。
【請求項１３】
制御された発振器は、制御された電圧入力ポートおよび制御された電流入力ポートを有する、請求項９に記載の発振器回路。
【請求項１４】
積分器回路は、制御された発振器の電圧入力ポートに第１の制御信号を供給し、ランダム信号発生器は、積分器回路および制御された発振器の電流入力ポートに第２の制御信号を供給し、余分なフィルタ処理を補償する、請求項１３に記載の発振器回路。
【請求項１５】
ランダム信号発生器は、フィルタ帯域幅に対する出力周波数の比率を上昇させる分割器をさらに含む、請求項１０に記載の発振器回路。
【請求項１６】
周波数が制御された抵抗器は、スイッチトキャパシタ回路である、請求項９に記載の発振器回路。
【請求項１７】
スペクトラム拡散変調を実現する周波数変調された発振器回路によって生じる電磁干渉を低減する方法であって、
発振器回路の出力周波数の周波数変化率を制御して、該周波数変化率を出力周波数の一定の率とするステップと、
制御された発振器回路の出力周波数の周波数変化量を制御して、該周波数変化量を出力周波数の一定の率とするステップとを含む、電磁干渉を低減する方法。
【請求項１８】
ランダム変調信号を処理して、周波数変化率および周波数変化量を制御するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
周波数変調された発振器回路であって、
第１および第２の入力ポートを有する制御された発振器と、
基準信号および発振器の出力に応じて、発振器の第１の入力ポートに第１の制御信号を供給し、発振器に、基準信号によって定められる中心出力周波数を取得させるための積分器と、
積分器にランダム信号を供給するために第１の回路において接続され、かつ発振器の第２の入力ポートにランダム信号を供給するために第２の回路において接続されて、発振器の出力周波数をディザリングさせるランダム信号発生器とを含む、周波数変調された発振器回路。
【請求項２０】
（１）発振器周波数の変化率を制御して、該変化率を発振器周波数の一定の率とし、（２）発振器周波数の周波数変化量を制御して、該周波数変化量を発振器周波数の一定の率とするように構成された信号処理回路を含む、請求項１９に記載の周波数変調された発振器回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は、一般には、発振器のクロック源に関し、より具体的には、スペクトラム拡散周波数変調を用いるクロックの周波数変調による電磁干渉の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景の説明
スイッチングレギュレータなどの電子デバイスは、そのようなデバイスを用いる電子回路の動作にとって有害となり得る電磁干渉をしばしば引起す。スイッチングレギュレータは、あるレベルの入力電圧を、別のレベルの出力電圧に変換する。入力電圧源のエネルギは、インダクタまたはコンデンサに蓄積され、それから出力に伝達または移される。エネルギ伝達は、レギュレータのクロック源によって決まる速度で繰返される。切換動作によって干渉が生じ、その干渉のエネルギは、クロック源の高調波である周波数に集中する。
【０００３】
スイッチングレギュレータの出力は、クロック制御された切換えによって生じる干渉を加えた直流レベルの信号である。スイッチングレギュレータが異なると、必要とするクロック周波数も異なる。従って、スイッチングレギュレータの干渉は、設計ごとに違ってくる。干渉を低減するための技術は、低速および高速の両方のクロック周波数のクロックに有効でなければならない。レギュレータのクロック周波数が動的に異なる場合、ある範囲の周波数にわたって干渉エネルギを拡散することができるので、いずれの周波数でもエネルギが低減される。この技術は、スペクトラム拡散周波数変調として知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スペクトラム拡散周波数変調を実施する方法には、三角波形または正弦波形などの周期的な波形を伴う変調、およびランダム変調が含まれる。しかし、これらの技術にはそれぞれ欠点がある。
【０００５】
変調波形の形状は、干渉スペクトラムの形状に影響を及ぼす。図１は、クロック源の周期的な正弦波周波数変調を伴う、典型的なスイッチングレギュレータの出力を示す。上部のトレース１０２は、変調信号である。下部のトレース１０４は、レギュレータの出力である。下部のトレース１０４は、スイッチングにより誘導される干渉の振幅変動として発生する。クロック周波数付近の干渉エネルギが「拡散」されたとしても、スペクトラムには、低周波の大振幅成分が加えられている。この「振幅変調」によって、電子回路の動作が乱れやすくなる場合があり、その結果、正弦波変調の利点を無にすることになる。
【０００６】
ランダム変調によって、周期的な波形の使用に関する改善がなされる。スイッチングレギュレータのクロック源が、不規則に変動しており、たとえば、「周波数ホッピング」と呼ばれる技術を使用している場合、結果として生じる干渉の振幅変調は不規則となる。不規則な振幅変動は、ノイズと区別がつかないほどである。しかし、最適なランダム信号を生成する上で、ランダム変調には困難が伴う。ＥＭＩを低減するランダム信号は、高速および低速の両方のホッピング速度で、実際のレギュレータがそれらの速度を追跡できる能力の範囲内で設けるべきである。この目的でローパスフィルタ処理が採用されており、それがなければ、出力はリップルを示す傾向がある。しかし、フィルタ処理が過剰であると、ランダム変調の利点が打消されることになる。
【０００７】
広範囲のクロック周波数を生成し、数多くのスイッチングレギュレータの用途に対応で
きる製品が求められている。そのような製品は、いずれのクロック周波数でも、ＥＭＩを十分に低減できるほど高速であるが、スイッチングレギュレータが追跡できないほど高速すぎないランダム周波数変調を発生させる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
概要
スペクトラム拡散周波数変調される発振器回路は、基準要素と、制御された発振器と、基準要素および制御された発振器に結合され、かつ発振器に第１の制御信号を供給して、発振器を基準要素の値に対応する周波数で発振させるように構成された第１の回路とを備える。そこに含まれるのは、発振器にランダム信号を供給して、発振器の周波数をディザリングさせるように構成された第２の回路、および（１）発振器周波数の変化率を制御して、その変化率を発振器周波数の一定の率とし、（２）発振器周波数の周波数変化量を制御して、その周波数変化量を発振器周波数の一定の率とするように構成された第３の回路である。
【０００９】
この発明のさらなる特徴および利点を、以下の説明において示す。一部は、その説明から明らかになるか、またはこの発明の実施によって知ることができる。この発明の特徴および利点は、前掲の特許請求の範囲で特に示す手段およびその組合せによって実現および取得できる。この発明のこれらの特徴および利点ならびにその他の特徴および利点は、以下の説明および前掲の特許請求の範囲からより完全に明らかになるか、または以下で述べるこの発明の実施によって理解できる。
【００１０】
この発明の前述の利点およびその他の利点を得る方法を明らかにするために、上記で簡単に述べたこの発明を、添付の図面に図示された特定の具体例を参照して、より詳細に説明する。これらの図面は、この発明の典型的な実施例を示しているに過ぎず、それゆえにこの発明の範囲を制限するとは見なされないという認識の下で、添付の図面を用いて、この発明をさらに特定的かつ詳細に記述および説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
詳細な説明
広範囲の周波数を生成し、電磁干渉（ＥＭＩ）を低減できるほど高速であるが、スイッチングレギュレータのような、発振器回路を使用するデバイスによって確実に追跡可能なランダム周波数変調を発生させる、スペクトラム拡散周波数変調された発振器回路について説明する。
【００１２】
図２は、この発明の一実施例に従う発振器回路２００の図である。発振器回路２００は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２３０を含み、その出力周波数は、ＶＣＯの中心出力周波数を設定するための定電圧を供給する直流源２２０によって制御される。発振器回路２００はさらに、ランダム電圧信号を生成して、ＶＣＯ周波数を変調または「ディザリングする」ランダム電圧源２１０を含む。図１では発振器を制御するために電圧信号を使用しているが、電流または数字などの他の信号を用いてもよい。
【００１３】
生成されたランダム電圧信号は、供給される定電圧信号に加えられ、それによって、ＶＣＯ２３０を制御するための制御信号ｖｏが生成される。ユーザが選択可能なゲインＫを使用して、発振器の周波数を広範囲にわたって変化させてもよい。可変帯域ローパスフィルタ２１６を設けて、ＶＣＯ２３０により出力される信号の変化率を制限してもよい。増幅器２１２およびピーク検出器２１４は、帯域幅の変化につれて、フィルタからの一定のピークピーク振幅を確保する。
【００１４】
理想的なＶＣＯは、式ｆｏ＝Ｋ*ｖｏによって表わすことができ、Ｋは定数である。制
御電圧ｖｏが時間とともに変化する場合、ＶＣＯの周波数出力ｆｏも時間とともに変化し、それによって周波数変調された信号が生成される。ここで教示される原則に従ってスペクトラム拡散周波数変調された（ＳＳＦＭ）信号を生成するために、（１）制御電圧ｖｏの変化率をｖｏのピークピーク変化に比べて小さく保ち、（２）ｖｏの振幅の確率分布を均一にする。振幅が均一に分布する制御電圧がゆっくりと変化すると、周波数スペクトラムは平坦になり、それはＥＭＩの低減には望ましい。
【００１５】
ｖｏの変化率
周波数変調システムにおいて、有意義な項はβすなわち「変調指数」である。変調指数βは、次のように定義できる。
【００１６】
【数１】
2007243911.tif 000003
【００１７】
式中、Δｆｏは出力周波数のずれであり、ｆｏmは出力周波数の最大変化率である。たとえば、出力周波数が名目上１ＭＨｚであり、かつ２０ＫＨzの率で＋１０％ずれている場合、次のようになる。
【００１８】
【数２】
2007243911.tif 000004
【００１９】
ＶＣＯの出力は制御電圧ｖｏに直線的に関係しているので、変調指数は次のように表わすことができる。
【００２０】
【数３】
2007243911.tif 000005
【００２１】
式中、Δｖｏは制御電圧のピークピーク変化であり、ｖｏmは制御電圧の最大変化率である。
【００２２】
図２に関連して前述したように、ユーザが選択可能なゲインＫを用いて発振器の周波数を変化させてもよい。ローパスフィルタ２１６の帯域幅は、ＶＣＯ周波数を追跡する。したがって、周波数の変化率は、Ｋに比例して上昇する。さらに、フィルタからの信号の振幅は、閉ループ制御において、ピーク検出器２１４および増幅器２１２により一定に保たれるので、Ｋが上昇すると、ピークのずれが増大する。したがって、βはすべての出力周波数に対して一定に保たれる。
【００２３】
均一な振幅の確率密度
ランダム電圧源２１０が生成するランダム電圧信号によって、制御電圧ｖｏの確率密度は確実に均一になる。これに関連して、ランダム電圧信号の生成における有利な特性を示すために、図３に、クロック信号の周波数変調に使用できる一般的な波形をいくつか図示
する。矩形波３１０の振幅は、どの時点でも、５０％の確率で０．２Ｖであり、かつ５０％の確率で０．９Ｖである。三角波形３２０の振幅は、等しい確率で０．４Ｖから０．９Ｖのうちの任意の値をとる。ランダム波形３３０の振幅は、等しい確率で０．１Ｖから１．０Ｖのうちの任意の値をとる。したがって、三角波形およびランダム波形の確率密度は均一であるが、矩形波はそうではない。ただし、三角波形は周期的であるので、拡散されるにもかかわらず、望ましくない振幅成分を生じる傾向がある。
【００２４】
図４は、この発明の別の具体的な実施例に従うＳＳＦＭ発振器回路４００を示し、この発振器回路は、制御された発振器４３０によって生成される周波数信号にランダム変調を施すためのランダム電圧発生器４２０を含む。制御された発振器４３０は、電圧および電流が制御された発振器として図示されているが、他の形態として、入力ポートが制御された２つの発振器を使用してもよい。
【００２５】
このランダム電圧発生器４２０を無視すると、発振器回路４００は、制御された発振器４３０を含む閉ループ回路であり、発振器４３０の周波数は、代わりに入力電圧ｖｏおよび入力電流ｉｏによって制御される。入力電圧または入力電流（または両方）が増大すると、制御された発振器４３０の出力周波数が上昇する。制御入力電圧ｖｏは、オペアンプ４０６とフィードバックコンデンサ４０７とからなる積分器４０８によって生成される。積分器４０８の非反転入力は、電源電圧Ｖ＋と抵抗器ＲSET４０２の電圧降下との差に対応する基準電圧を受け、抵抗器の基準電圧の値はユーザが決定する。非反転入力は、電源電圧Ｖ＋と抵抗器ＲSW４１０全体にわたる電圧降下との差に対応するダイナミック電圧ＶSETを受け、抵抗器の抵抗値は、除算器４３２を通して発振器４３０の周波数を追跡する。制御入力電流ｉｏは、電流源４０４によって生成され、係数αによって表現される種々の所定の比率で入力電流Ｉsetからミラーリングされ、その目的は以下で明らかになる。
【００２６】
図示の例によれば、抵抗器４１０は、周波数が制御された抵抗器であり、スイッチトキャパシタとして、すなわち、その実効抵抗値が、キャパシタをバイパスするために接続されるスイッチの繰返し率に関連するキャパシタとして、半導体回路において実現可能である。この例における周波数が制御された抵抗器４１０は、次の値を取ることができる。
【００２７】
【数４】
2007243911.tif 000006
【００２８】
電流が積分器４０８を流れると、積分器の出力ｖｏが０ボルトまたはその他の初期値から増大し、それによって、制御された発振器４３０が発振を開始する。積分器の出力ｖｏがさらに増大すると、出力周波数ｆVCOが上昇する。制御された発振器の出力信号が周波数が制御された抵抗器４１０にフィードバックされて、抵抗器４１０の値が発振器周波数を追跡する。上述の抵抗器４１０の抵抗値は、与えられる周波数に反比例するので、ｆVCOの上昇につれて、抵抗器を流れる電流ＩSWが増大する。平衡状態においては、電流ＩSWは電流ＩSETに合致し、発振器４３０の出力周波数は、次の式によって算出できる。
【００２９】
【数５】
2007243911.tif 000007
【００３０】
式中、ＦOは、キャパシタの値ＣSWおよび現行のミラー比α１によって決まる定数である。この式が示すように、積分器４０８の出力は、電源の制限内で、発振器の入力制御から独立して、ループが平衡状態に到達するのに必要な任意の電圧を追跡する。したがって、ユーザは、ユーザが選択可能な抵抗器４０２の値（ＲSET）を変更するだけで、広範囲のクロック（発振器）周波数を正確に選択することができる。
【００３１】
ランダム電圧発生器４２０を導入することによって、発振器の制御量ｖｏおよびｉｏに不規則変動が重畳され、発振器の周波数が不規則に変調または「ディザリング」される。ランダム電圧発生器４２０は、図示のとおり、従来の様態で相互接続された、スイッチトキャパシタローパスフィルタ４２２と、デジタルアナログ変換器４２４と、乱数発生器４２６と、分割器４２７および４２８とを含む。ランダム電圧発生器４２０は、制御された発振器４３０の出力を受入れる。分割器４２８を使用して、フィルタの帯域幅に対する制御された発振器の周波数の比率を上昇させてもよい。したがって、分割器４２８の値を高くすると、変調指数βが上昇する。分割器４２８の所与の値について、ＶＣＯ周波数のすべての値に対して、変調指数βは一定のままである。スイッチトキャパシタフィルタ４２２は、デジタルアナログ変換器４２４の出力を平滑化し、周波数が急激に変化するのを防ぐ。
【００３２】
ランダム電圧発生器４２０は、ランダム電圧ＶNを生成し、ユーザが選択可能な抵抗器４０２に見掛け上の不規則変動を発生させ、次に、出力周波数ｆVCOに不規則変動を生じさせる。電流ＩSETの一部は、ランダム電圧ＶNによって乗算される。加算接合部に印加された電圧を変化させるために、ユーザが選択可能な抵抗器４０２から印加される新しい電流は、ＩSET*（α１＋ＶN*α２）である。ＩSET*α１の項は発振器の出力周波数を設定し、ＩSET*ＶN*α２の項は出力周波数のランダム変調成分を生成する。
【００３３】
しかし、積分器４０８は、発振器４３０にランダム変調を与えるという面において、追加されたランダムな項に、望ましくない余分なフィルタ処理を施す。このフィルタ処理を補償するために、制御された発振器４３０の電流入力に、第２のランダム信号が印加される。この第２の信号は、式ＩSET*（α３＋ＶN*α４）よって定められる。
【００３４】
上述したように、制御された発振器４３０の電圧入力または電流入力が増加すると、発振器の出力周波数が上昇する。ＩSET*ＶN*α４の項は、制御された発振器４３０の制御電流入力ｉｏに印加される制御電流に不規則変動を生じさせる。
【００３５】
したがって、発振器回路４００は、一定の変調指数と平坦な周波数スペクトラムとを伴うランダム変調を有する可変周波数クロック源を実現する。発振器の出力は、ユーザが選択可能な抵抗器４０２の値を調整することにより、広範囲の周波数にわたって調整可能となる。ランダム電圧発生器は、振幅の分布が均一な変調信号をもたらす。積分器に印加されるランダム信号によって、ゆっくりと変化するランダム変調が与えられるが、一方で、制御された発振器４３０の制御信号ｉｏにランダム信号を加えると、急激に変化するランダム変調が生じる。それに伴い、ローパスフィルタ４２２によってランダム変調の変化率が定められて、変調率が出力周波数を追跡できるようになり、任意のユーザが選択可能な出力周波数を得られる。ＥＭＩは、いかなるクロック周波数に対しても低減できる。
【００３６】
開示された実施例に関する上記の説明によって、当業者はこの発明を実施または使用できるようになる。これらの実施例に対する種々の変形例は、当業者には簡単に理解でき、ここで定められる一般原則は、この発明の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施例にも適用できる。したがって、この発明は、ここで示した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に全般にわたって一致するものと意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】クロック源の周期的な周波数変調を用いる典型的なスイッチングレギュレータ出力のグラフの図である。
【図２】この発明の一実施例に従う発振器回路の回路図である。
【図３】いくつかの波形およびそれらに対応する振幅の確率密度を示す図である。
【図４】この発明の一実施例に従う発振器回路図である。
【符号の説明】
【００３８】
２００  発振器回路、２１０  電流源、２２０  直流源、２３０  電圧制御発振器、４００  発振器回路、４０２  抵抗器、４０８  積分器、４１０  抵抗器、４２０  ランダム電圧発生器、４３０  制御された発振器。
【図１】
2007243911.tif 000008
【図２】
2007243911.tif 000009
【図３】
2007243911.tif 000010
【図４】
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