(57)【要約】  本発明の電圧制御発振器は、電源端子（１０１）、出力周波数を制御する制御端子（２）、出力端子（３ａ，３ｂ）、交差結合トランジスタ（５ａ，５ｂ）、容量（６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ）、ＬＣタンク（１０ａ，１０ｂ）、抵抗（１１７）、接地容量（１８）、および中心周波数制御回路（１６）からなる。中心周波数制御回路（１６）は、抵抗（１１ａ，１１ｂ）、接地容量（１２）、出力周波数の中心周波数を制御する中心周波数制御端子（４）、および分圧回路（１５）からなる。抵抗（１１ａ，１１ｂ）は、交差結合トランジスタ（５ａ，５ｂ）のベース端子に接続され、他端同士が接続されて、該接続点に接地容量（１２）と分圧回路（１５）の一端が接続される。分圧回路（１５）の他端は中心周波数制御端子（４）に接続される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数制御端子と可変容量とトランジスタとを備え、前記周波数制御端子から供給される電圧に応じて出力周波数を可変する電圧制御発振器において、
前記周波数制御端子は、
前記可変容量の容量を変化させて前記出力周波数を制御するための電圧が供給される第１の周波数制御端子と、
前記トランジスタの特性を変化させて前記出力周波数の中心周波数を制御するための電圧が供給される第２の周波数制御端子とを含む電圧制御発振器。
【請求項２】
前記トランジスタは、コレクタ端子とベース端子とを互いに交差結合させた２つの交差結合トランジスタを構成し、
前記可変容量は、インダクタと共に共振回路を構成し、
前記共振回路が前記交差結合トランジスタにより励振されるように構成されている、請求項１に記載の電圧制御発振器。
【請求項３】
前記第２の周波数制御端子は、前記交差結合トランジスタのベースの接合容量を可変する電圧が供給される、請求項２に記載の電圧制御発振器。
【請求項４】
トランジスタとＬＣタンクとを備え、前記トランジスタにより前記ＬＣタンクを励振して発振させて出力周波数を可変する電圧制御発振器において、
前記ＬＣタンクを励振して発振させて前記出力周波数を可変する第１の周波数制御手段と、
前記トランジスタの特性を変化させて前記出力周波数を可変する第２の周波数制御手段とをさらに備える電圧制御発振器。
【請求項５】
前記第２の周波数制御手段は、前記トランジスタのベース端子またはゲート端子の電圧を変化させて前記出力周波数を可変する、請求項４に記載の電圧制御発振器。
【請求項６】
互いに交差結合させた２つの交差結合トランジスタと、インダクタおよび可変容量からなるＬＣタンクとを備え、前記交差結合トランジスタにより前記ＬＣタンクを励振して発振させて出力周波数を可変する電圧制御発振器において、
前記可変容量の容量を変化させて前記出力周波数を可変する第１の周波数制御手段と、
前記交差結合トランジスタのベース端子またはゲート端子の電圧を変化させて前記出力周波数を可変する第２の周波数制御手段とをさらに備える電圧制御発振器。
【請求項７】
コレクタ端子とベース端子とを互いに交差結合させた２つの交差結合トランジスタと、インダクタおよび可変容量からなるＬＣタンクと、前記可変容量の容量を可変して前記ＬＣタンクの共振周波数を可変するための制御電圧が供給される制御端子とを備え、前記交差結合トランジスタにより前記ＬＣタンクを励振して発振させると共に、前記制御電圧により前記出力周波数を制御する電圧制御発振器において、
前記交差結合トランジスタのベース端子またはゲート端子の電圧を変化させて、前記制御電圧により制御された前記出力周波数の中心周波数を制御する中心周波数制御手段をさらに備える電圧制御発振器。
【請求項８】
前記中心周波数制御手段は、中心周波数制御端子から供給された中心周波数制御電圧を分圧して前記２つの交差結合トランジスタのそれぞれのベース端子またはゲート端子に印加するための分圧回路を含む、請求項７に記載の電圧制御発振器。
【請求項９】
前記中心周波数制御手段は、
前記２つの交差結合トランジスタのそれぞれのベース端子またはゲート端子に一端が接続され、他端同士が接続された２つの抵抗と、
前記２つの抵抗の他端同士が接続された接続点に一端が接続され、他端が接地された接地容量と、
前記２つの抵抗の他端同士が接続された接続点に一端が接続され、他端が中心周波数制御電圧を供給する中心周波数制御端子に接続され、前記中心周波数制御電圧を分圧する分圧回路とを含む、請求項７に記載の電圧制御発振器。
【請求項１０】
出力周波数を制御する制御端子と、前記出力周波数の中心周波数を制御する中心周波数制御端子とを備えた電圧制御発振器において、
交差結合させた２つの交差結合トランジスタのベース端子またはゲート端子と前記中心周波数制御端子との間に配置され、前記中心周波数制御端子から前記交差結合トランジスタのベース端子またはゲート端子に印加される電圧を変化させて前記出力周波数を制御する中心周波数制御回路をさらに備える電圧制御発振器。
【請求項１１】
前記中心周波数制御回路は、
前記２つの交差結合トランジスタのそれぞれのベース端子またはゲート端子に接続された２つの抵抗と、
前記２つの抵抗と前記中心周波数制御端子との間に一端が接続され、他端が接地された容量とを含む、請求項１０に記載の電圧制御発振器。
【請求項１２】
前記中心周波数制御端子と前記抵抗との間に配置された分圧回路をさらに含む、請求項１１に記載の電圧制御発振器。
【請求項１３】
前記中心周波数制御回路は、
前記２つの交差結合トランジスタのそれぞれのベース端子またはゲート端子に接続され、所定の発振周波数範囲内の任意の周波数において１／４波長の電気長を有する２つの伝送線路と、
前記２つの伝送線路と前記中心周波数制御端子との間に一端が接続され、他端が接地された容量とを含む、請求項１０に記載の電圧制御発振器。
【請求項１４】
前記中心周波数制御端子と前記伝送線路との間に配置された分圧回路をさらに含む、請求項１３に記載の電圧制御発振器。
【請求項１５】
前記トランジスタのエミッタ端子またはソース端子に接続された抵抗と、
前記抵抗と電源端子とが接続された接続点に一端が接続され、他端が接地された容量とをさらに備える、請求項１に記載の電圧制御発振器。
【請求項１６】
可変容量とトランジスタとを備えた電圧制御発振器の周波数制御方法において、
前記可変容量の容量を変化させて出力周波数を制御し、
前記トランジスタの特性を変化させて前記出力周波数の中心周波数を制御する方法。
【請求項１７】
トランジスタによりＬＣタンクを励振して発振させて出力周波数を可変する電圧制御発振器の周波数制御方法において、
前記ＬＣタンクを励振して発振させて前記出力周波数を可変し、
前記トランジスタの特性を変化させて前記出力周波数を可変する方法。
【請求項１８】
互いに交差結合させた２つの交差結合トランジスタによりＬＣタンクを励振して発振させて出力周波数を可変する電圧制御発振器の周波数制御方法において、
可変容量の容量を変化させて前記出力周波数を可変し、
前記交差結合トランジスタのベース端子またはゲート端子の電圧を変化させて前記出力周波数を可変する方法。
【請求項１９】
コレクタ端子とベース端子とを互いに交差結合させた２つの交差結合トランジスタにより、インダクタおよび可変容量からなるＬＣタンクを励振して発振させると共に、制御電圧により出力周波数を制御する電圧制御発振器の周波数制御方法において、
前記交差結合トランジスタのベース端子またはゲート端子の電圧を変化させて、前記制御電圧により制御された前記出力周波数の中心周波数を制御する方法。
【請求項２０】
交差結合させた２つのトランジスタのベース端子またはゲート端子と中心周波数制御端子との間に中心周波数制御回路を備えた電圧制御発振器の周波数制御方法において、
前記中心周波数制御端子から前記中心周波数制御回路を介して供給される前記トランジスタのベース端子またはゲート端子の電圧を変化させて出力周波数の中心周波数を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）および電圧制御発振器の周波数制御方法に関し、特に、マイクロ波・ミリ波帯で用いられる交差結合型の電圧制御発振器および電圧制御発振器の周波数制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波・ミリ波帯では、交差結合型の電圧制御発振器（以下、交差結合型電圧制御発振器と称す）が用いられている。交差結合型電圧制御発振器は、制御端子に供給される電圧を制御することにより発振周波数を変化させる回路である。交差結合型電圧制御発振器は、通常、電源端子と制御端子を具備する。電源端子には固定電圧が供給され、制御端子には発振周波数を制御する制御電圧が供給される。【０００３】
以下、図面を参照して、従来の交差結合型電圧制御発振器について説明する。なお、以下の説明において、「静電容量」を単に「容量」と記載する。【０００４】
図１は、従来の交差結合型電圧制御発振器の一構成例を示す回路図である。【０００５】
図１を参照すると、本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、正の電源電圧Ｖｃｃが供給される電源端子１、発振周波数を制御する制御電圧Ｖｃｏｎｔが供給される制御端子２、出力端子３ａ，３ｂ、コレクタ端子とベース端子とが互いに交差結合された交差結合トランジスタ５ａ，５ｂ、直流電流を遮断する直流遮断容量７ａ，７ｂ、ＬＣタンク１０ａ，１０ｂ、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのエミッタ端子を接地する抵抗１７、および接地容量２１ａ，２１ｂから構成されている。【０００６】
ＬＣタンク１０ａ，１０ｂは、可変容量８ａ，８ｂおよびインダクタ９ａ，９ｂから構成される共振回路である。交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのコレクタ端子とベース端子には、ＬＣタンク１０ａ，１０ｂを介して共通の電源端子１から電源電圧Ｖｃｃが供給される。交差結合トランジスタ５ａのコレクタ端子と交差結合トランジスタ５ｂのベース端子にはＬＣタンク１０ａから共通の電圧が供給され、交差結合トランジスタ５ｂのコレクタ端子と交差結合トランジスタ５ａのベース端子にはＬＣタンク１０ｂから共通の電圧が供給される。【０００７】
本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース端子とコレクタ端子とを互いに交差結合させることにより、エミッタ結合差動増幅器が形成されている。また、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのコレクタ端子はＬＣタンク１０ａ，１０ｂを介して相互に接続されている。【０００８】
本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、上記のように構成された結果、正帰還が得られる。このとき、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂは交互に導通する。これに対応してＬＣタンク１０ａ，１０ｂが励振され発振する。制御端子２に供給される制御電圧Ｖｃｏｎｔを変化させると、可変容量８ａ，８ｂの容量が変化する。これにより、出力端子３ａ，３ｂから出力される信号の発振周波数は、図２に示すように制御される。【０００９】
図２は、横軸に制御端子２に供給される制御電圧Ｖｃｏｎｔをとり、縦軸に出力端子３ａ，３ｂから出力される信号の発振周波数ｆをとったグラフである。このような特性を交差結合型電圧制御発振器の入出力特性と呼ぶ。また、外部回路の特性等も含めて決定されるある制御電圧を中心電圧Ｖ０と呼び、中心電圧Ｖ０に対応する発振周波数を中心周波数ｆ０と呼ぶ。図２の入出力特性は、本従来例の交差結合型電圧制御発振器がシングルバンド動作を行っていることを示している。【００１０】
なお、図２の入出力特性は、右肩下がりの特性となっているが、右肩上がりの特性にすることもできる。例えば、可変容量８ａ，８ｂにバリキャップダイオードを使用した場合、バリキャップダイオードの向きおよび可変容量８ａ，８ｂに印加される電圧の極性を反転させることにより、右肩上がりの特性にすることができる。本発明の交差結合型電圧制御発振器でも同様に、右肩下がりおよび右肩上がりの特性の両方を得ることができるが、以下では、右肩下がりおよび右肩上がりの特性に関する説明は省略する。【００１１】
図３は、従来の交差結合型電圧制御発振器の他の構成例を示す回路図である。【００１２】
図３を参照すると、本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、図１に示した交差結合型電圧制御発振器における抵抗１７を電流源２２に置換している。【００１３】
図４は、従来の交差結合型電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。【００１４】
図４を参照すると、本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、負の電源電圧ＶＥＥが供給される電源端子１０１、発振周波数を制御する制御電圧Ｖｃｏｎｔが供給される制御端子２、出力端子３ａ，３ｂ、コレクタ端子とベース端子が互いに交差結合された交差結合トランジスタ５ａ，５ｂ、直流電流を遮断する直流遮断用容量６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ、ＬＣタンク１０ａ，１０ｂ、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのエミッタ端子を電源端子１０１に接続する抵抗１１７、および交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース端子を接地する接地抵抗３３ａ，３３ｂから構成されている。【００１５】
ＬＣタンク１０ａ，１０ｂは、可変容量８ａ，８ｂおよびインダクタ９ａ，９ｂから構成される共振回路である。交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのエミッタ端子には電源端子１０１から抵抗１１７を介して負の電源電圧ＶＥＥが供給され、ベース端子には接地抵抗３３ａ，３３ｂとベース電流により決まる電圧が供給される。制御端子２に供給される電圧Ｖｃｏｎｔを変化させると、可変容量８ａ，８ｂの容量が変化する。これにより、出力端子３ａ，３ｂから出力される信号の発振周波数は、図２に示すように制御される。【００１６】
図５は、従来の交差結合型電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。【００１７】
図５を参照すると、本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、負の電源電圧ＶＥＥが供給される電源端子１０１、発振周波数を制御する制御電圧Ｖｃｏｎｔが供給される制御端子２、出力端子３ａ，３ｂ、コレクタ端子とベース端子が互いに交差結合された交差結合トランジスタ５ａ，５ｂ、直流電流を遮断する直流遮断用容量６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ、ＬＣタンク１０ａ，１０ｂ、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのエミッタ端子を電源端子１０１に接続する抵抗１１７、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース端子を電源端子１０１に接続する抵抗３５ａ，３５ｂ、および交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース端子を接地する接地抵抗３４ａ，３４ｂから構成されている。【００１８】
ＬＣタンク１０ａ，１０ｂは、可変容量８ａ，８ｂおよびインダクタ９ａ，９ｂから構成される共振回路である。交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのエミッタ端子には、電源端子１０１から抵抗１１７を介して電源電圧ＶＥＥが供給され、ベース端子には、電源端子１０１から電源電圧ＶＥＥが接地抵抗３４ａおよび抵抗３５ａ（または、接地抵抗３４ｂおよび抵抗３５ｂ）により分圧されて供給される。制御端子２に供給される制御電圧Ｖｃｏｎｔを変化させると、可変容量８ａ，８ｂの容量が変化する。これにより、出力端子３ａ，３ｂから出力される信号の発振周波数は、図２に示すように制御される。【００１９】
図６は、従来の交差結合型電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。【００２０】
図６を参照すると、本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、負の電源電圧ＶＥＥが供給される電源端子１０１、発振周波数を制御する制御電圧Ｖｃｏｎｔが供給される制御端子２、出力端子３ａ，３ｂ、コレクタ端子とベース端子が互いに交差結合された交差結合トランジスタ５ａ，５ｂ、直流電流を遮断する直流遮断用容量６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ、ＬＣタンク１０ａ，１０ｂ、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのエミッタ端子を電源端子１０１に接続する抵抗１１７、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース端子を接地する接地抵抗３３ａ，３３ｂ、および容量バンク３６から構成されている。【００２１】
ＬＣタンク１０ａ，１０ｂは、可変容量８ａ，８ｂおよびインダクタ９ａ，９ｂから構成される共振回路である。容量バンク３６は、複数個（ｎ個）の容量３７ａ，３７ｂおよびスイッチ３８から構成されている。交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのエミッタ端子には電源端子１０１から抵抗１１７を介して負の電源電圧ＶＥＥが供給され、ベース端子には接地抵抗３３ａ，３３ｂとベース電流により決まる電圧が供給される。制御端子２に供給される制御電圧Ｖｃｏｎｔを変化させると、可変容量８ａ，８ｂの容量が変化する。これにより、出力端子３ａ，３ｂから出力される信号の発振周波数は、図２に示すように制御される。さらに、容量バンク３６の複数個のスイッチ３８のオン／オフの組み合わせに応じて、中心周波数ｆ０が離散的に制御される。その結果、図７に示すように離散的に制御された複数の入出力特性が得られる。【００２２】
図７は、横軸に制御端子２に供給される制御電圧Ｖｃｏｎｔをとり、縦軸に出力端子３ａ，３ｂから出力される信号の発振周波数ｆをとったグラフである。図７の入出力特性は、本従来例の交差結合型電圧制御発振器が離散的なマルチバンド動作を行っていることを示している。なお、入出力特性を離散的に制御する従来技術としては、特開２００４−１２０２１５号公報および特開２００４−１５９２２２号公報に開示された技術がある。【００２３】
図８は、従来の交差結合型電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。【００２４】
図８を参照すると、本従来例の交差結合型電圧制御発振器は、負の電源電圧ＶＥＥが供給される電源端子１０１、発振周波数を制御する制御電圧Ｖｃｏｎｔが供給される制御端子２、出力端子３ａ，３ｂ、コレクタ端子とベース端子が互いに交差結合された交差結合トランジスタ５ａ，５ｂ、直流電流を遮断する直流遮断用容量６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ、ＬＣタンク１１０ａ，１１０ｂ、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのエミッタ端子を電源端子１０１に接続する抵抗１１７、および交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース端子を接地する接地抵抗３３ａ，３３ｂから構成されている。【００２５】
ＬＣタンク１１０ａ，１１０ｂは、可変容量８ａ，８ｂおよび可変インダクタ３９ａ，３９ｂから構成される共振回路である。交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのエミッタ端子には電源端子１０１から抵抗１１７を介して負の電源電圧ＶＥＥが供給され、ベース端子には接地抵抗３３ａ，３３ｂとベース電流により決まる電圧が供給される。制御端子２に供給される制御電圧Ｖｃｏｎｔを変化させると、可変容量８ａ，８ｂの容量が変化する。これにより、出力端子３ａ，３ｂから出力される信号の発振周波数は、図２に示すように制御される。さらに、可変インダクタ３９ａ，３９ｂのインダクタ値を制御することにより、中心周波数ｆ０が連続的に制御される。その結果、図９に示すように連続的に制御された複数の入出力特性が得られる。【００２６】
図９は、横軸に制御端子２に供給される制御電圧Ｖｃｏｎｔをとり、縦軸に出力端子３ａ，３ｂから出力される信号の発振周波数ｆをとったグラフである。図９の入出力特性は、本従来例の交差結合型電圧制御発振器が連続的なマルチバンド動作を行っていることを示している。【００２７】
上述したように、図１、図３、図４、および図５に示した交差結合型電圧制御発振器では、図２に示したような１つの入出力特性しか得られない。すなわち、これらの交差結合型電圧制御発振器は、シングルバンド動作を行う発振器であるため、マルチバンド動作を実現することができない。このような交差結合型電圧制御発振器を無線通信システム等に用いられる位相ロックループ（ＰＬＬ）回路に適用した場合、複数の周波数帯（マルチバンド）での動作は不可能である。また、これらの交差結合型電圧制御発振器を光通信システム等に用いられるクロック・データ再生（ＣＤＲ）回路等に適用した場合、複数のビットレートでの動作は不可能である。【００２８】
また、図６に示した交差結合型電圧制御発振器では、複数の離散的な入出力特性が得られるため、マルチバンド動作を実現することができる。しかし、この交差結合型電圧制御発振器は、複数個の容量およびスイッチから構成される容量バンクが必要であるため、回路が複雑になる。そのため、この交差結合型電圧制御発振器は、特に、ミリ波帯などの超高周波帯でマルチバンド動作を実現することが困難である。【００２９】
また、図８に示した交差結合型電圧制御発振器でも、複数の連続的な入出力特性が得られるため、マルチバンド動作を実現することができる。しかし、可変インダクタは通常ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ；微小電気機械システム）等の技術を用いて実現されるため、この交差結合型電圧制御発振器は、構造や生産プロセスが複雑になる。そのため、この交差結合型電圧制御発振器は、特に、ミリ波帯などの超高周波帯では不適である。
【発明の開示】
【００３０】
そこで、本発明の目的は、簡易な構成で、広帯域に渡って複数の連続的な入出力特性を得ることができる電圧制御発振器および電圧制御発振器の周波数制御方法を提供することにある。
【００３１】
本発明は、周波数制御端子と可変容量とトランジスタとを備え、周波数制御端子から供給される電圧に応じて出力周波数を可変する電圧制御発振器に適用される。
【００３２】
本発明の電圧制御発振器は、周波数制御端子として、可変容量の容量を変化させて出力周波数を制御するための電圧が供給される第１の周波数制御端子と、トランジスタの特性を変化させて出力周波数の中心周波数を制御するための電圧が供給される第２の周波数制御端子とを含むことを特徴としている。
【００３３】
この構成によれば、第１の周波数制御端子から供給される電圧によって出力周波数を制御するだけでなく、第２の周波数制御端子から供給される電圧によって出力周波数の中心周波数を制御しているため、複数の連続的な入出力特性が得られる。
【００３４】
よって、簡易な構成で、広帯域に渡り複数の連続的な入出力特性が得られるマルチバンド動作の電圧制御発振器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の電圧制御発振器の一構成例を示す回路図である。
【図２】電圧制御発振器のシングルバンド動作を説明する図である。
【図３】従来の電圧制御発振器の他の構成例を示す回路図である。
【図４】従来の電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。
【図５】従来の電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。
【図６】従来の電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。
【図７】電圧制御発振器の離散的なマルチバンド動作を説明する図である。
【図８】従来の電圧制御発振器のさらに他の構成例を示す回路図である。
【図９】電圧制御発振器の連続的なマルチバンド動作を説明する図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態による電圧制御発振器の構成を示す回路図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態による電圧制御発振器の構成を示す回路図である。
【図１２】本発明の電圧制御発振器において、入出力特性をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１３】本発明の電圧制御発振器において、中心周波数制御電圧に対する発振出力の変化をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１４】本発明の電圧制御発振器において、中心周波数制御電圧に対する中心周波数の変化をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態による電圧制御発振器の構成を示す回路図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態による電圧制御発振器の構成を示す回路図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態による電圧制御発振器の構成を示す回路図である。
【図１８】本発明の電圧制御発振器を適用した位相ロックループ回路の一構成例を示すブロック図である。
【図１９】本発明の電圧制御発振器を適用したクロック・データ再生回路の一構成例を示すブロック図である。
【図２０】本発明の電圧制御発振器を適用した位相ロックループ回路の他の構成例を示すブロック図である。
【図２１】本発明の電圧制御発振器を適用したクロック・データ再生回路の他の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。【００３７】
（第１の実施形態）
図１０は、本発明の第１の実施形態による交差結合型電圧制御発振器の構成を示す回路図である。【００３８】
図１０を参照すると、本実施形態による交差結合型電圧制御発振器は、負の電源電圧ＶＥＥが供給される電源端子１０１、発振周波数を制御する制御電圧Ｖｃｏｎｔが供給される制御端子２、可変制御された発振周波数の信号を出力する出力端子３ａ，３ｂ、コレクタ端子とベース端子とが互いに交差結合された交差結合トランジスタ５ａ，５ｂ、直流電流を遮断する直流遮断容量６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ、共振回路としてのＬＣタンク１０ａ，１０ｂ、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのエミッタ端子を電源端子１０１に接続する抵抗１１７、電源端子１０１を接地する接地容量１８、および交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース端子に接続された中心周波数制御回路１６から構成されている。【００３９】
ＬＣタンク１０ａ，１０ｂは、可変容量８ａ，８ｂおよびインダクタ９ａ，９ｂから構成される共振回路である。また、中心周波数制御回路１６は、抵抗１１ａ，１１ｂ、接地容量１２、中心周波数制御端子４、および分圧回路１５から構成されている。分圧回路１５は、抵抗１３，１４から構成されている。分圧回路１５は、中心周波数制御端子４から供給された中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅを抵抗１３，１４により分圧して取り込む。抵抗１１ａ，１１ｂのそれぞれの一端は交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース端子に接続され、他端同士は接続されている。この他端同士の接続点には、接地容量１２と分圧回路１５の一端が接続されている。分圧回路１５の他端は中心周波数制御端子４に接続されている。【００４０】
なお、制御端子２は、第１の周波数制御端子を構成するか、または、第１の周波数制御手段を構成する。また、中心周波数制御端子４は、第２の周波数制御端子を構成し、中心周波数制御回路１６は、第２の周波数制御手段を構成する。【００４１】
以下に、本実施形態による交差結合型電圧制御発振器の動作について説明する。【００４２】
交差結合トランジスタ５ａ，５ｂの直流動作点は、電源端子１０１から抵抗１１７を介して供給される電源電圧ＶＥＥと、中心周波数制御端子４から中心周波数制御回路１６を介して供給される中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅとにより決定される。交差結合トランジスタ５ａのコレクタ端子と交差結合トランジスタ５ｂのベース端子とは、直流遮断容量６ａにより直流的に分離される。また、交差結合トランジスタ５ｂのコレクタ端子と交差結合トランジスタ５ａのベース端子とは、直流遮断容量６ｂにより直流的に分離される。また、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのコレクタ端子と外部回路とは、直流遮断容量７ａ，７ｂにより直流的に分離される。また、中心周波数制御回路１６と交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのコレクタ端子とは、直流遮断容量６ａ，６ｂにより直流的に分離される。【００４３】
制御端子２に供給される制御電圧Ｖｃｏｎｔを変化させると、可変容量８ａ，８ｂの容量が変化する。これにより、出力端子３ａ，３ｂから出力される信号の発振周波数は、図２に示すように制御される。【００４４】
複数の周波数帯で動作可能な位相ロックループ回路（ＰＬＬ）や、複数のビットレートで動作可能なクロック・データ再生回路（ＣＤＲ）を実現するためには、中心電圧Ｖ０に対する中心周波数ｆ０を制御し、複数の入出力特性を実現する必要がある。【００４５】
本実施形態では、中心周波数制御端子４から中心周波数制御回路１６を介して供給される中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅにより、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース電圧を制御する。それにより、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂの特性、特にベース・コレクタ端子間の接合容量を変化させて、複数の入出力特性を実現する。【００４６】
交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース端子同士を、抵抗１１ａ，１１ｂにより高周波的に分離する。さらに、中心周波数制御端子４に接続される外部回路のインピーダンス変動の影響を回避するために、接地容量１２を設ける。【００４７】
発振周波数ｆは、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂの特性、特にベース・コレクタ端子間の接合容量に強く依存する。そのため、このような構成をとることにより広帯域に中心周波数ｆ０を制御することが可能になる。【００４８】
すなわち、図９に示すように広帯域にわたる連続的な入出力特性を実現でき、広範囲でのマルチバンド動作が実現できる。より具体的には、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅにより、中心電圧Ｖ０に対する中心周波数ｆ０が可変し、入出力特性が連続的に制御される。【００４９】
このような構成をとった場合、発振周波数ｆは、上述のように、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂの特性、特にベース・コレクタ端子間の接合容量に強く依存する。そのため、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅの電圧変動の影響、あるいは中心周波数制御回路１６に混入する外部雑音の影響により、発振動作の不安定化が起こりやすくなる。これらの影響を抑圧するために、本実施形態では分圧回路１５を備えている。【００５０】
また、このような構成をとった場合、中心周波数ｆ０の制御に伴い、発振出力が大きく変動してしまうという問題がしばしば生じる。発明者らの検討によれば、この問題は電源供給用の抵抗１１７を適切な値に選ぶことにより回避されることが分かった。この適切な値は、通常、外部回路との高周波的な分離に十分なほど大きな値ではない。従って、外部回路のインピーダンス変動を回避するため、本実施形態では接地容量１８を備えている。【００５１】
上述したように本実施形態では、簡易な構成で、電源電圧の変動や外部雑音に対する安定性を保持しながら、広帯域に渡るマルチバンド動作を実現することができる。この際の出力変動も同時に回避できる。【００５２】
（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態による交差結合型電圧制御発振器の構成を示す回路図である。なお、図１１において、図１０の第１の実施形態と同一部には同一の符号を付してある。【００５３】
図１１を参照すると、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器は、図１０に示した交差結合型電圧制御発振器におけるインダクタ９ａ，９ｂを伝送線路１９ａ，１９ｂに置換している。スパイラルインダクタ等を高精度に実現することが困難な超高周波帯においては、このように伝送線路でインダクタ成分を実現する方法が適している。【００５４】
以下、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器の動作について、シミュレーション結果を用いて説明する。シミュレーションでは、３９.８Ｇｂｐｓおよび４３.０Ｇｂｐｓのビットレートに対応可能な光通信用クロック・データ再生回路に適用されることを想定し、発振周波数を４０ＧＨｚ前後に設定した。トランジスタとしては、ＩｎＰ（インジウム燐）上のＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）を想定した。シミュレーションは、ハーモニック・バランス法（調波平衡法）により行った。【００５５】
図１２は、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅを０．４Ｖ、３．４Ｖ、６．４Ｖとした場合の入出力特性をシミュレーションした結果を示す図である。【００５６】
図１２において、最上部は、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅを０．４Ｖとした場合の入出力特性を示している。制御電圧Ｖｃｏｎｔの中心電圧Ｖ０が−０．７５Ｖの時、中心周波数ｆ０が４３ＧＨｚで、電圧制御発振器の利得ＫＶＣＯ（発振周波数ｆの制御電圧Ｖｃｏｎｔに対する変化率）が−３４５ＭＨｚ／Ｖとなっている。また、最下部は、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅを６．４Ｖとした場合の入出力特性を示している。制御電圧Ｖｃｏｎｔの中心電圧Ｖ０が−０．７５Ｖの時、中心周波数ｆ０が３９．８ＧＨｚで、電圧制御発振器の利得ＫＶＣＯが−２７１ＭＨｚ／Ｖとなっている。【００５７】
したがって、目的の３９．８ＧＨｚ〜４３ＧＨｚの範囲でのマルチバンド動作が実現されている。また、中心周波数を制御したことによる電圧制御発振器の利得ＫＶＣＯの変化は、−３４５ＭＨｚ／Ｖ〜−２７１ＭＨｚ／Ｖで、２５％程度の変化であり、位相ロックループの設計上問題にならない程度である。【００５８】
図１３は、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅ（Ｖ）に対する発振出力（ｄＢｍ）の変化をシミュレーションした結果を示す図である。図１３に示すように、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅに対し、発振出力はほぼ一定に保持されている。【００５９】
図１４は、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅ（Ｖ）に対する中心周波数ｆ０（ＧＨｚ）の変化を、分圧回路１５を具備した場合と、具備しない場合の各々についてシミュレーションした結果を示す図である。【００６０】
図１４において、黒丸印で示した分圧回路が無い場合の特性は、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅが−０.５Ｖ〜０.５Ｖに変化すると、中心周波数ｆ０が約４５ＧＨｚ〜３７ＧＨｚと変化する。また、白丸印で示した分圧回路がある場合の特性は、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅが−１０Ｖ〜１０Ｖに変化すると、中心周波数ｆ０が約４５ＧＨｚ〜３７ＧＨｚと変化する。【００６１】
このことから分かるように、分圧回路１５を設けることにより、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅに対する中心周波数ｆ０の変化率を、約−８ＧＨｚ／Ｖ（黒丸印；分圧回路が無い場合）から約−４００ＭＨｚ／Ｖ（白丸印；分圧回路がある場合）へと、約１／２０に抑圧することができる。これにより、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅの電圧変動が起こった場合や、中心周波数制御回路１６に外部雑音が混入した場合にも、発振動作の安定性を保持することが可能になる。この際、中心周波数ｆ０の制御範囲はそのまま保持される。【００６２】
（第３の実施形態）
図１５は、本発明の第３の実施形態による交差結合型電圧制御発振器の構成を示す回路図である。なお、図１５において、図１０の第１の実施形態と同一部には同一の符号を付してある。【００６３】
図１５を参照すると、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器は、図１０に示した交差結合型電圧制御発振器における抵抗１１ａ，１１ｂを伝送線路２０ａ，２０ｂに置換している。ここで、伝送線路２０ａ，２０ｂは、所定の発振周波数範囲内の任意の周波数において１／４波長の電気長を有するものとし、望ましくは、所定の発振周波数範囲の中心の周波数において１／４波長の電気長を有するものとする。このような構成をとることにより、大きな値の抵抗の使用を回避することができ、位相雑音や電源端子の電源電圧変動の点で有利となる場合がある。【００６４】
（第４の実施形態）
図１６は、本発明の第３の実施形態による交差結合型電圧制御発振器の構成を示す回路図である。なお、図１６において、図１０の第１の実施形態と同一部には同一の符号を付してある。【００６５】
図１６を参照すると、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器は、接地電位に対し正の電源電圧Ｖｃｃを供給する電源端子１を、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのコレクタ端子側に設けている。また、接地容量２１ａ，２１ｂを具備している。本実施形態は、電源端子１から供給される電源電圧の極性が正である正電源規格の場合の一例である。【００６６】
次に、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器の動作について説明する。【００６７】
交差結合トランジスタ５ａ，５ｂの直流動作点は、中心周波数制御端子４から中心周波数制御回路１６を介して供給される中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅにより決定される。交差結合トランジスタ５ａのコレクタ端子と交差結合トランジスタ５ｂのベース端子とは、直流遮断容量６ａにより直流的に分離される。また、交差結合トランジスタ５ｂのコレクタ端子と交差結合トランジスタ５ａのベース端子とは、直流遮断容量６ｂにより直流的に分離される。交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのコレクタ端子と外部回路とは、直流遮断容量７ａ，７ｂにより直流的に分離される。また、中心周波数制御回路１６は、直流遮断容量６ａ，６ｂにより、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのコレクタ端子側と直流的に分離される。【００６８】
制御端子２に供給される制御電圧Ｖｃｏｎｔを変化させると、可変容量８ａ，８ｂの容量が変化する。これにより、出力端子３ａ，３ｂから出力される信号の発振周波数は、図２に示すように制御される。【００６９】
本実施形態では、中心周波数制御端子４から中心周波数制御回路１６を介して供給される中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅにより、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース電圧を制御する。それにより、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース・コレクタ端子間の特性、特に接合容量を変化させて、中心電圧Ｖ０に対する中心周波数ｆ０を制御し、複数の入出力特性（マルチバンド動作）を実現する。【００７０】
交差結合トランジスタ５ａ，５ｂのベース端子同士を、抵抗１１ａ，１１ｂにより高周波的に分離する。さらに、中心周波数制御端子４に接続される外部回路のインピーダンス変動の影響を回避するために、接地容量１２を設ける。【００７１】
発振周波数ｆは、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂの特性、特にベース・コレクタ端子間の接合容量に強く依存する。そのため、このような構成をとることにより広帯域に中心周波数を制御することが可能になる。すなわち、図９に示すように広帯域にわたる連続的な入出力特性が実現でき、広範囲でのマルチバンド動作が実現できる。【００７２】
このような構成をとった場合、発振周波数ｆは、上述のように、交差結合トランジスタ５ａ，５ｂの特性、特にベース・コレクタ端子間の接合容量に強く依存する。そのため、中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅの電圧変動の影響、あるいは中心周波数制御回路１６に混入する外部雑音の影響により、発振動作の不安定化が起こりやすくなる。これらの影響を抑圧するために、本実施形態では分圧回路１５を備えている。【００７３】
上述したように本実施形態でも、上記第１〜第３の実施形態と同様に、簡易な構成で、電源電圧変動や外部雑音に対する安定性を保持しながら、広帯域に渡るマルチバンド動作を実現することができる。【００７４】
（第５の実施形態）
図１７は、本発明の第５の実施形態による交差結合型電圧制御発振器の構成を示す回路図である。なお、図１７において、図１６の第４の実施形態と同一部には同一の符号を付してある。【００７５】
図１７を参照すると、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器は、図１６に示した交差結合型電圧制御発振器における抵抗１７を電流源２２に置換している。なお、本実施形態の交差結合型電圧制御発振器の動作は第４の実施形態とほぼ同じなので説明は省略する。【００７６】
（第６の実施形態）
図１８は、本発明の第１〜第５の実施形態の交差結合型電圧制御発振器を適用した位相ロックループ（ＰＬＬ）回路の一構成例を示すブロック図である。【００７７】
図１８を参照すると、本実施形態に係るＰＬＬ回路は、信号入力端子２３、信号出力端子２４、位相比較回路２５、ループフィルタ（ＬＰＦ）２６、および第１〜第５の実施形態のいずれかの交差結合型電圧制御発振器２７から構成されている。なお、交差結合型電圧制御発振器２７の出力は差動出力であるが、ここでは簡単のため、出力端子３ａ，３ｂをまとめて出力端子３として示している。【００７８】
位相比較回路２５は、信号入力端子２３から入力された信号の位相を、交差結合型電圧制御発振器２７の出力端子３から帰還された信号の位相と比較し、その位相差を出力する。この出力は、ループフィルタ（ＬＰＦ）２６を通って交差結合型電圧制御発振器２７の制御端子２に入力される。【００７９】
このように、本実施形態に係るＰＬＬ回路は、信号入力端子２３から入力された信号の位相と交差結合型電圧制御発振器２７の出力信号の位相とが一致するように動作する。【００８０】
そして、本実施形態に係るＰＬＬ回路は、電圧制御発振器２７の中心周波数制御端子４に中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅを印加することによりマルチバンド動作が可能となり、複数周波数帯での動作が可能となる。【００８１】
（第７の実施形態）
図１９は、本発明の第１〜第５の実施形態の交差結合型電圧制御発振器を適用したクロック・データ再生（ＣＤＲ）回路の構成を示すブロック図である。【００８２】
図１９を参照すると、本実施形態に係るＣＤＲ回路は、位相比較回路２５、ループフィルタ（ＬＰＦ）２６、第１〜第５の実施形態のいずれかの交差結合型電圧制御発振器２７、データ信号入力端子２８、再生クロック信号出力端子２９、再生データ信号出力端子３０、９０°（１／２ビット分）だけ位相を遅らせる遅延回路３１、およびＤタイプ−フリップ・フロップ回路３２から構成されている。なお、交差結合型電圧制御発振器２７の出力は差動出力であるが、ここでは簡単のため、出力端子３ａ，３ｂをまとめて出力端子３として示している。【００８３】
データ信号入力端子２８から入力されたデータ信号は、遅延回路３１に入力されると同時にＤタイプ−フリップ・フロップ回路３２のデータ入力端子Ｄに入力される。Ｄタイプ−フリップ・フロップ回路３２のクロック入力端子ＣＬＫには交差結合型電圧制御発振器２７の出力端子３から帰還された信号が入力される。位相比較回路２５は、遅延回路３１から出力された信号とＤタイプ−フリップ・フロップ回路３２から出力された信号の位相を比較し、その位相差を出力する。この出力は、ループフィルタ（ＬＰＦ）２６を介して交差結合型電圧制御発振器２７の制御端子２に入力される。交差結合型電圧制御発振器２７の出力端子３からの信号は、再生クロック信号出力端子２９から再生クロック信号として出力される。【００８４】
本実施形態に係るＣＤＲ回路は、電圧制御発振器２７の中心周波数制御端子４に中心周波数制御電圧Ｖｔｕｎｅを印加することによりマルチバンド動作が可能となり、複数ビットレートでの動作が可能となる。【００８５】
（第８の実施形態）
図２０は、本発明の第１〜第５の実施形態の交差結合型電圧制御発振器を適用した位相ロックループ（ＰＬＬ）回路の他の構成例を示すブロック図である。なお、図２０において、図１８の第６の実施形態と同一部には同一の符号を付してある。【００８６】
図２０を参照すると、本実施形態に係るＰＬＬ回路は、図１８の第６の実施形態と比較して、電圧制御発振器２７の制御端子２および中心周波数制御端子４の接続を交換している。すなわち、制御端子２であっても、中心周波数制御端子４であっても出力周波数を可変できるので、制御端子２と中心周波数制御端子４の役目を交換しても動作させることができる。その他は、第６の実施形態と同じなので詳細な説明は省略する。【００８７】
（第９の実施形態）
図２１は、本発明の第１〜第５の実施形態の交差結合型電圧制御発振器を適用したクロック・データ再生（ＣＤＲ）回路の他の構成例を示すブロック図である。なお、図２１において、図１９の第７の実施形態と同一部には同一の符号を付してある。【００８８】
図２１を参照すると、本実施形態に係るＣＤＲ回路は、図１９の第７の実施形態と比較して、電圧制御発振器２７の制御端子２および中心周波数制御端子４の接続を交換している。すなわち、制御端子２であっても、中心周波数制御端子４であっても出力周波数を可変できるので、制御端子２と中心周波数制御端子４の役目を交換しても動作させることができる。その他は、第７の実施形態と同じなので詳細な説明は省略する。【００８９】
なお、第１〜第９の実施形態の交差結合型電圧制御発振器、ＰＬＬ回路、およびＣＤＲ回路は、携帯電話などの移動通信機器、テレビ受像機などの受像機、ラジオ受信機、テレビ付ディスプレイ・モニタ、各種映像装置（ディスプレイ装置）、パソコンを含む各種コンピュータ装置、データ伝送装置、その他各種電子機器などにおける、チューナー部、復調部、その他のマルチバンド動作が必要な部分に使用することができる。【００９０】
また、第１〜第９の実施形態の交差結合型電圧制御発振器、ＰＬＬ回路、およびＣＤＲ回路は、ＩＣなど、１チップ化した半導体装置（半導体デバイス）として製造することができる。そうすれば、各応用分野に安価な部品として供給することができる。【００９１】
また、第１〜第９の実施形態においては、能動素子としてバイポーラトタンジスタを使用した例を示したが、ＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＨＥＭＴ（ＨＩＧＨ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電界効果トランジスタを使用した場合も、同様の構成で同様の効果を実現することができる。この場合は、上記の実施形態の説明で、ベースがゲートに、エミッタがソースに、コレクタがドレインに読み替えられる。【００９２】
また、第１〜第９の実施形態においては、交差結合トランジスタとしてｎｐｎトランジスタを使用したが、ｐｎｐトランジスタを使用することもできる。【００９３】
また、第１〜第９の実施形態においては、制御端子２や中心周波数制御端子４から入力される電圧がデジタル信号である場合、最小ビットの分解能（例えば、８ビット信号なら１／２５６）の範囲で離散的な動作が行われることになる。これは、上記の実施形態では電圧が連続的に供給されるとみなし、周波数変化も連続的であるとしているためである。【００９４】
以上、本発明を、具体的な実施形態を用いて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で変形して実施できることは言うまでもない。【００９５】
また、本発明は、電圧制御発振器を適用する電子装置に、連続的なマルチバンド動作が可能な電圧制御発振器として広く利用できる。
【図１】
2006095502.tif 000002
【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
2006095502.tif 000023
2006095502.tif 000024
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