JP3955566B2 - 補償された発振器回路 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、補償された発振器回路に関するものである。

一般的に、発振器とは、正弦振動を生成するために用いられる信号発生器をいう。ＬＣ発振器の場合、インダクタンス（Induktivitaet）と容量（Kapazitaet）とを有する共振回路が、周波数を決定する。正弦振動を生成する最も簡単な方法では、増幅器を使用してＬＣ共振回路の減衰を補償する（Entdaempfung）。

このような発振器の基本的な構造は、例えば、「Tieze, Schenk:Halbleiter-Schaltungstechnik（半導体回路技術）」、第１０版、１９９３年、４５８ページ以降に記載されている。

より高性能に、かつ、より高い効率を実現するために、発振器は、一般的に、プッシュプル発振器（Gegentaktoszillatoren）として構成されている。なお、このプッシュプル発振器には、減衰を補償するために、２つの交差結合された(kreuzgekoppelte)トランジスタが備えられている。この場合、交差結合(Kreuzkopplung)は、導電性（galvanische）、容量性、誘導性または変圧性の正の帰還（Mitkopplung）であればよい。

様々な周波数を生成するために、例えば、バラクタダイオード（Varaktordiode）を用いて、ＬＣ共振回路の集積容量を調節可能に設計することも一般的に行われている。

発振器回路を集積回路として構成する場合、一般的な製造方法では、プロセスのばらつき（Prozessschwankungen）によって必然的に、例えば、容量値のプラス／マイナス２０％の誤差を伴う。使用される部品の公称値（Nennwerten）と、上記誤差を有する容量値との不一致は、発振器の出力信号の振幅の相違という望ましくない結果を引き起こす原因となる。

減衰補償増幅器に備えられているトランジスタ（例えばＭＯＳ電界効果トランジスタ）のバイアス電流を、トランジスタの勾配（Steilheit）を補償しながら再調整することが知られている。そのため、一般的には、依存電流源（abhaengige Stromquelle）が備えられている。しかし、この依存電流源は、発振器の位相ノイズ(Phasenrauschen)を増加させる。さらに、トランジスタのバイアス電流を補償しながら再調整することは、動作基点のシフト（Arbeitspunktverstellung）につながり、それゆえ、トランジスタの駆動性能（Aussteuerbarkeit）の低下につながる。

文献ＵＳ６，１１８，３４８には、クリスタル発振器回路（Quarz-Oszillatorschaltkreis）が開示されている。複数の並列接続された変換器段階（Inverterstufen）が設けられ、これら変換器段階は、入力側および出力側において共振クリスタル（Schwingquarz）に接続されている。変換器段階に接続されている制御信号発生器は、様々な利得（Verstaerkungen）への切り替えを行う。そして、この切り替えを遅延して行って、出力信号に生じるノイズレベルを低くしている。

本発明の目的は、発振器回路の良好な位相ノイズ特性と同時に、使用される部品の公称値からの製造誤差、および、この製造誤差によって生じる出力信号の振幅の相違を補償するための補償された発振器回路を提供することにある。

本発明によれば、上記目的は、以下のような補償された発振器回路により達成される。すなわち、
共振回路と、
上記共振回路の減衰を補償するために、共振回路に対してそれぞれ切り替え可能に結合されている複数の減衰補償増幅器と、
各減衰補償増幅器に対して設けられるとともに、共振回路と供給電位端子との間で、効率的に切り替え可能な電流経路をそれぞれ形成するために、上記減衰補償増幅器に結合するスイッチと、を備え、
上記電流経路は、それぞれ、減衰補償増幅器に電流を供給するための電流源を備えている、発振器回路のことである。

相互に独立してオン／オフが切り替えられる上記減衰補償増幅器によって、増幅器のバイアス電流と、全ての発振器回路のチャンネル幅に対するチャンネル長の比率との双方、すなわち、利得の勾配が変化する。従って、部品評価値（Bauelementwerte）が、誤差に起因して公称値から相違するにもかかわらず、発振器の出力信号を一定の振幅にすることができる。トランジスタのバイアス電流だけが変更されていないので、供給電流とトランジスタの動作基点との双方の、実際の部品評価値に対する依存度が減少する。これにより、回路の出力部において所望の共振振幅を得る、すなわち、例えば所望の共振振幅からの、製造に依存する相違を補償するために、減衰補償増幅器は、相互に独立して、効率的に、発振器回路に接続または切断される。

減衰補償増幅器トランジスタのトランジスタ勾配の増加に伴って、発振器回路の出力信号の振幅が増加する。この場合、勾配は、バイアス電流と、トランジスタのチャンネル幅に対するチャンネル長の比率と、の積の、乗根にほぼ比例している。

つまり、本発明では、発振増幅器（すなわち減衰補償増幅器）の理想的な動作基点からの相違を非常に小さくすることができる。その結果、使用される部品が公称値から相違していることに起因して生じる性能損失は、大幅に低減される。

本発明によれば、電流経路はそれぞれ、減衰補償増幅器に電流を供給する（speisen）ための一つの電流源を備えている。

例えば、切り替え可能な電流源が備えられていてもよい。この電流源はそれぞれ、それぞれ１つの減衰補償増幅器を備えた１つの電流経路に設けられ、減衰補償増幅器は、共通の共振回路に固定して接続されていてもよい。

本発明の好ましい実施例では、スイッチは、それぞれ、駆動回路に接続されている制御端子を備えている。

従って、発振器の減衰補償を行うための所望する全ての勾配を設定するために、減衰補償増幅器の特定の組み合わせを、駆動回路によって簡単に選択することができる。これにより、所望する振幅の発信器信号を得ることができる。

本発明のほかの好ましい実施形態では、振幅値検出部（Amplitudenwerterfassung）を備えた制御ループ（Regelschleife）が形成され、上記振幅値検出部は、入力部側で共振回路に接続され、出力側で駆動回路に接続されている。

上記制御ループを形成すれば、振幅を測定し、補償方法として(in kompensierender Weise)、対応する減衰補償増幅器のオン／オフの切り替えを行うことにより、部品の製造誤差を自動的に等化（Abgleich）できる。

本発明のほかの好ましい実施形態では、減衰補償増幅器を有する電流経路は、互いに並列となるように、共振回路に接続されている。

本発明の他の好ましい実施形態では、減衰補償増幅器は、それぞれ、交差結合された２つのトランジスタを備えている。

電界効果トランジスタを使用する場合、トランジスタ対のうちの一方のトランジスタの１つのゲート端子が、トランジスタ対のうちの他方のトランジスタのドレイン端子をその都度横断するように接続することによって、トランジスタの交差結合を実現できる。

この場合、上記結合は、直接導電性（unmittelbar galvanisch）、容量性、または変圧性の結合とすればよい。トランジスタ対のソース端子は、ソースノードで相互に直接接続されており、オン／オフの切り替えが可能な電流源と接続されている。これにより、減衰補償増幅器に電流を供給するための切り替え可能な電流経路が得られる。

本発明のほかの好ましい実施形態では、減衰補償増幅器のトランジスタは、チャンネル幅に対するチャンネル長の比率が同じとなるように対をなしているＭＯＳＦＥＴトランジスタであり、減衰補償増幅器のチャンネル幅に対するチャンネル長の比率は、相互に関連付けられてバイナリーステップで累進する（binar abgestuft）。

勾配に影響を与えるチャンネル幅に対するチャンネル長の比率に２つの段階を設けることによって、必要とされる部品が比較的少なく、表面領域が比較的小さい場合に、部品の製造誤差を良好に補償できる。

発振器回路が適用される利用分野に応じて、当然、減衰増幅器におけるトランジスタ比率を、ほかの手法で等級付けを行うことも有効である。

本発明のほかの好ましい実施形態では、スイッチは、デジタル駆動されるトランジスタスイッチとして形成されている。ＣＭＯＳ半導体技術またはＢｉＣＭＯＳ半導体技術に基づくトランジスタの切り替えは、簡単に実行でき、また、簡単に駆動できる。

本発明のほかの好ましい実施形態では、共振回路は、共振周波数を制御するための制御入力部を備えている。共振回路は、一般的に、ＬＣ共振回路で形成される。このとき、例えば制御電圧によって駆動されるバラクタ（Varaktor）によって、容量が制御可能である場合、インダクタンスが固定されていることが好ましい。

本発明の他の詳細に付いては、従属請求項に記載する。

以下、複数の実施例に基づいて、図を参照しながら、本発明を詳細に説明する。図中、同一の参照番号は、同じ構造および／または同じ性能を有する部品を示している。

図１は、本発明の第１実施例を示すブロック図である。図２は、本発明の第２実施例の簡略回路図である。図３は、本発明の第３実施例の回路図である。

図１は、補償された発振器回路の基本構成を、ＬＣ共振器１を有する簡略化されたブロック図で示す。ここで、所望の共振周波数を設定するために、上記ＬＣ共振器１に、制御電圧Ａが供給される。上記ＬＣ共振器１は、並列接続されている３つの電流経路を介して、基準電位（Bezugspotential）に接続されている。なお、これら３つの電流経路には、それぞれ、減衰補償増幅器２、電流源３、スイッチ４が直列に接続されている。発振し得る（schwingungsfaehigen）システムを提供するために、減衰補償増幅器２は、それぞれ１つの負のインピーダンスを有している。

スイッチ４は、その制御端子によって、共通の駆動回路５に接続されている。従って、駆動回路により、それぞれ独立に、１，２または３本の任意の電流経路と共振器１との接続あるいは切断を行うことができる。スイッチ４によって電流経路を遮断することにより、減衰補償増幅器２への供給電流(Speisestroms)の供給がそれぞれ遮断される。

さらに、自動調整を行うために、振幅検出器（Amplitudendetektor）６が備えられている。該振幅検出器６の入力部は、発振器回路の出力部に接続されており、発振器出力信号Ｂが供給される。振幅検出器６の出力部は、駆動回路５の入力部に接続されている。

大量生産法では常に避けることのできない、使用される部品の、例えば、容量、抵抗などの部品評価値に関する製造誤差のために、発振器出力信号Ｂでの信号振幅が、公称振幅（Soll-Amplitude）とは異なる。この振幅の相違は、駆動回路５で評価され、個々の電流経路のスイッチ４は、公称値から得られる振幅の相違の関数で駆動される。これにより、所望の公称振幅そのもの、または、公称振幅からの相違がわずかである振幅が、発振器の出力部で設定される。

減衰補償増幅器を個々に接続することにより、全ての利得の勾配を所望の状態に設定できる。その結果、減衰補償増幅器のバイアス電流だけを適合させることによって、駆動性能およびノイズ特性の悪化を引き起こす、動作基点のシフト（Verschiebung）を回避できる。

図２は、補償された発振器回路の第２実施例を示す。該補償された発振器回路は、振幅検出器６での帰還以外は、図１のブロック図に示す構造に対応している。また、この補償された発振器回路は、プッシュプル発振器として構成されている。そのため、ＬＣ共振器１は、２つのインダクタンス１１を備えるように設計されている。該インダクタンス１１は、それぞれ、一方の端子が第１供給電位端子７に接続され、第２の端子が容量１２の端子に接続されている。

減衰補償増幅器２は、２つ一組で交差結合されている２つのＭＯＳＦＥＴトランジスタ２１を備えている。上記トランジスタ２１は、ソース端子が直接相互に接続されており、制御端子が、容量１２の端子にそれぞれ接続されている。さらに、トランジスタ２１は、減衰補償増幅器２の、２つのトランジスタのうちの一方のトランジスタのゲート端子を、他方のトランジスタのソース端子に接続することにより、導電性の交差結合をなしている。３つの減衰補償増幅器２が備えられている場合を例に挙げて説明すると、これら３つの減衰補償増幅器２は、それぞれ同じようにＬＣ共振器に並列に接続されている。ソース側では、各信号経路２，３，４における１つのトランジスタ対２１は、抵抗器として形成されている電流源３を介して、ＭＯＳ電界効果トランジスタのドレイン端子に接続されている。該ＭＯＳ電界効果トランジスタは、スイッチ４で操作され、ソース端子が他の供給電位端子８に接続されている。切り替えトランジスタ４のゲート端子は、駆動回路５に接続されている。

上記発振器の出力信号の振幅を調節するために、スイッチ４を適切に切り替えることによって、電流経路２，３および／または４と駆動回路５との選択的な接続又は切断を、それぞれ独立に行うことができる。その結果、発振器における全ての減衰補償の勾配を調整できる。この理由は、減衰補償増幅器２に与えられる供給電流の接続又は切断を行うことによって、全ての減衰補償の、チャンネル幅に対するチャンネル長の比率を調節することができるためである。これにより、増幅器の所望する最適な動作基点を維持することができる。

従って、簡単な回路構成（schaltungstechnischen）を用いて、製造誤差を補償し、発振器の出力信号の振幅相違を回避できるとともに、回路は、良好な位相ノイズ特性を有する。

図３は、図２に記載の回路の発展形として、電圧制御発振器として示したものである。そのため、共振器１は、制御電圧Ａを供給するための制御入力部を備えている。この制御電圧Ａは、可変容量１３に供給され、該可変容量１３は、図２に示すキャパシタ（Kondensator）１２と同じ方法で、負荷側に（lastseitig）接続されている(verschaltet)。容量１３の容量値は、従って、印加される制御電圧Ａに依存している。可変容量１３は、例えば、２つのバラクタダイオードによって形成されていてもよい。

さらに、図３に示す制御可能な発振器は、以下の点を発展させている。すなわち、共振器１の平衡（symmetrischen）出力端子を制御回路５に接続することにより、発振器出力信号Ｂが駆動回路５に帰還される点を発展させている。これにより、駆動回路５が、信号Ｂの実際の振幅と公称振幅との相違を見積もり、該相違の関数として、スイッチ４を駆動することによって、誤差に起因する出力信号Ｂの振幅の変化を自動的に等化（Abgleich）できる。公称振幅は、例えば、駆動回路５の記憶部に格納されていてもよい。既に図１、および、図２に基づいて説明したように、スイッチ４によって、発振器回路の減衰補償の勾配を調節できる。さらに、スイッチ４は、相互に別々に、オン又はオフされる。図３に示す他の回路ブロック（Shcaltungsbloecke）及び構成要素、さらに、これらの配置や機能は、図２に基づいて既述したものに相当する。従って、ここで再度繰り返して説明しない。

上記にて説明した、減衰補償増幅器２のトランジスタ２１の直流交差結合に代えて、例えば、容量性または変圧性といった他の結合とすることも、当然可能である。抵抗器の代わりに、電流源３を、より複雑な電流源によって構成してもよい。

ＬＣ共振器１は、上記の構造の代わりに、ＬＣバラクタにて、一般的に知られている他の構造を備えていてもよい。

本発明の第１実施例を示すブロック図である。 本発明の第２実施例の簡略回路図である。 本発明の第３実施形態の回路図である。

符号の説明

１ ＬＣ共振器
２ 減衰補償増幅器
３ 電流源
４ スイッチ
５ 駆動回路
６ 振幅検出器
７ 供給電位端子
８ 供給電位端子
１１ インダクタンス
１２ キャパシタ
１３ 可変容量
２１ トランジスタ
Ａ 制御電圧
Ｂ 発振器出力信号

Claims (8)

1. 共振回路（１）と、
   上記共振回路（１）の減衰を補償するために、共振回路（１）に対してそれぞれ切り替え可能に結合されている複数の減衰補償増幅器（２）と、
   各減衰補償増幅器（２）に対して設けられるとともに、共振回路（１）と供給電位端子（８）との間で、効率的に切り替え可能な電流経路（２，３，４）をそれぞれ形成するために、上記減衰補償増幅器（２）に結合するスイッチ（４）と、を備え、
   上記電流経路（２，３，４）は、それぞれ、減衰補償増幅器（２）に電流を供給するための電流源（３）を備えている、発振器回路。
2. 上記スイッチ（４）は、それぞれ、駆動回路（５）に接続される制御端子を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の補償された発振器回路。
3. 入力部側で上記共振回路（１）に接続され、出力側で上記駆動回路（５）に接続されている振幅値検出部（６）を備えた制御ループが形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の発振器回路。
4. 上記減衰補償増幅器（２）を有する電流経路（２，３，４）は、互いに並列となるように、共振回路（１）に接続されていることを特徴とする、請求項請求項１〜３のいずれか１項に記載の発振器回路。
5. 上記減衰補償増幅器（２）は、それぞれ、交差結合された２つのトランジスタ（２１）を備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発振器回路。
6. 上記減衰補償増幅器（２）のトランジスタ（２１）は、電界効果トランジスタであり、
   上記電界効果トランジスタは、チャンネル幅に対するチャンネル長の比率が同じとなるように対をなし、
   減衰補償増幅器（２）のチャンネル幅に対するチャンネル長の比率は、相互に関連付けられてバイナリーステップで累進することを特徴とする、請求項５に記載の発振器回路。
7. 上記スイッチ（４）は、デジタル駆動されるトランジスタスイッチであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発振器回路。
8. 上記共振回路（１）は、制御電圧（Ａ）により共振周波数を制御するための制御入力部を備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発振器回路。

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