专利名称：压控振荡器、以及使用其的锁相环电路和无线通信设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于无线通信设备的本振信号(Local oscillator signals)的生成等的压控振荡器、以及使用其的锁相环(以下称PLL)电路和 无线通信设备。
背景技术：
压控振荡器作为一种生成无线通信设备的本振信号的手段，得到了广 泛的应用。在该压控振荡器被制造成高频IC的场合，为了消除半导体制造 工艺中所产生的构成元件的偏差，需要扩大振荡频率的范围。另外，近年 来为了对应使用不同频带的通信系统，需要能够在较广的频率范围调整压 控振荡器的振荡频率。
图13是表示扩大了振荡频率的范围的现有技术(例如，专利文献l) 的压控振荡器ld的结构例的图。在图13中，现有技术的压控振荡器ld 包括由电感器3构成的电感电路、由可变电容元件4构成的第1可变电 容电路、由可变电容元件5构成的第2可变电容电路、由可变电容元件6 构成的第3可变电容电路、由晶体管9构成的负电阻电路、偏置电路16、 及开关54和55。电感电路、第1 第3可变电容电路及负电阻电路相互并 联连接而构成振荡电路。
该现有技术的压控振荡器ld，在并联设置的2个可变电容元件5和6 之中，至少一方的电容值控制端子的连接对象由开关54或55进行切换。 由此，根据切换到的连接对象而覆盖不同的振荡频率范围，从而得到将频 率灵敏度抑制得较低的多个种类的振荡频率特性，其中，频率灵敏度表示振 荡频率相对于频率控制电位的变化率。
然而，上迷现有技术的压控振荡器ld，为了覆盖较广的振荡频率范围 而将开关54及55进行切换来控制的对象全都是可变电容元件5及6。因 此，存在以下问题。第1，在将可变电容元件作为固定电容来使用的情况下，即便是使施加
到可变电容元件5及6的电压成为OV或Vdd,也会因共振侧的振荡振幅 而使可变电容元件的两端电位差到达电容产生变化的区域。因此，若电源 电压、控制电位中加进了噪音，则会出现相位噪音特性恶化这样的问题。 因而，最好是尽可能地减少作为固定电容来使用的可变电容元件的数目。
第2，如图14所示那样，使用了金属氧化物半导体(以下称MOS)晶体 管的可变电容元件(图中的虛线)与电容开关电路(图中的实线)相比， 电容的变化比较小。因此，全部使用了可变电容元件的压控振荡器与包含 有电容开关电路的压控振荡器相比，存在频率可变范围变窄这样的问题。 因而，较为理想的是有效地使用电容开关电路。
专利文献1日本特开2007 — 104152号公报
发明内容
故而，本发明的目的在于，提供一种既能抑制相位噪音特性的恶化， 又能在保持较低的频率灵敏度的情况下，在较广的范围对振荡频率进行可 变控制的压控振荡器、以及使用了该压控振荡器的PLL电路和无线通信设 备。
本发明针对压控振荡器、以及使用了该压控振荡器的PLL电路和无线 通信设备。为了达到上迷目的，本发明的压控振荡器包括具有电感器的 电感电路、分别具有可变电容元件的多个可变电容电路、至少1个电容开 关电路、负电阻电路、以及对多个可变电容电路和至少1个电容开关电路 施加控制电位及控制信号的频率灵敏度控制单元。该电感电路、多个可变 电容电路、至少1个电容开关电路及负电阻电路并耳关连接。频率灵敏度控 制单元，将用于对振荡频率进行反馈控制的控制电位固定地施加到多个可 变电容电路中的至少1个，并基于对至少1个电容开关电路所施加的至少1 个控制信号，来切换控制电位及控制信号中的任1个，以施加到多个可变 电容电路中的其他的至少l个。
较佳的是，在该结构中，频率灵敏度控制单元，在至少1个电容开关 电路全都被施加不能使开关接通的低电平的控制信号的情况下，对多个可 变电容电路中的其他的至少1个施加控制信号。另外，较佳的是，频率灵敏度控制单元，在至少1个电容开关电路全都被施加能使开关接通的高电 平的控制信号的情况下，对所有多个可变电容电路施加控制电位。其中， 对多个可变电容电路中的其他至少1个所施加的控制信号，是低电平和高
电平这两种电位。并且，较佳的是，n个可变电容电路的可变电容元件中的 至少1个由反转型(Inversion)MOS或积累(Accumulation)型MOS构成。 发明效杲根据本发明，既能抑制相位噪音特性的恶^>,又能在4呆持 较低的频率灵敏度的情况下，在较广的范围对振荡频率进行可变控制。
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的压控振荡器101的结构例 的图。
图2A是说明现有技术的压控振荡器的频率特性的图。
图2B是说明现有技术的压控振荡器的频率炅敏度特性的图。
图3A是说明第一实施方式的压控振荡器101的频率特性的图。
图3B是说明第一实施方式的压控振荡器101的频率炅敏度特性的图。
图4是表示第一实施方式中的频率灵敏度控制单元180的详细结构的图。
图5是表示本发明的第二实施方式所涉及的压控振荡器102的结构例 的图。
图6A是说明第二实施方式的压控振荡器102的频率特性的图。
图6B是说明第二实施方式的压控振荡器102的频率灵敏度特性的图。
图7是表示第二实施方式中的频率灵敏度控制单元180的详细结构的图。
图8A是表示本发明的第三实施方式所涉及的压控振荡器103的结构 的图。
图8B是表示图8A的频率灵敏度控制单元180内部的详细连接的图。 图8C是表示图8A的频率灵敏度控制单元180内部的其他详细连接的图。
图9A是说明第三实施方式的压控振荡器103的频率特性的图。
图9B是说明第三实施方式的压控振荡器103的频率炅敏度特性的图。图10A呆说明能够用于本发明的压控振荡器的其他可变电容电路的图。
图10B是说明能够用于本发明的压控振荡器的其他可变电容电路的图。
图10C是说明能够用于本发明的压控振荡器的其他可变电容电路的图。
图10D是说明能够用于本发明的压控振荡器的其他可变电容电路的图。
图10E是说明能够用于本发明的压控振荡器的其他电容开关电路的图。
图11是表示使用了本发明的压控振荡器的PLL电路300的结构的图。 图12是表示使用了图11的PLL电路的无线通信设备的结构的图。 图13是表示现有技术的压控振荡器ld的结构的图。 图14是用于说明现有技术的压控振荡器ld所存在的问题的图。
附图标记J兌明
101 103、 303 压控振荡器 110 电感电路 111、 112 电感器
120、 130、 135 可变电容电路
121、 122、 131、 132、 136、 137 可变电容元件
140、 150 电容开关电路
141、 142、 151、 152 电容 143、 153、 161、 162 晶体管 160 负电阻电路
170 电流源
180频率灵敏度控制单元
300 PLL电路
301 相位比较器
302 环路滤波器304分频器
400无线通信设备
401天线
402功率放大器
403调制器
404开关
4054氐p喿音^:大器
406解调器
具体实施例方式
(第一实施方式)
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的压控振荡器101的结构例的 图。其中省略了偏置电路(Biasingcircuit)等。在图1中，第一实施方式的 压控振荡器101包括电感电路IIO、第1可变电容电路120、第2可变电容 电路130、第1电容开关电路140、第2电容开关电路150、负电阻电路160 、电流源170、及频率灵敏度控制单元180。电感电路IIO、第l可变电容电 路120、第2可变电容电路130、第1电容开关电路140、第2电容开关电路150 及负电阻电路160相互并联连接而构成振荡电路。
电感电路110由串联连接着的电感器111和112构成，电源电位Vdd被施 加到电感器111与电感器112之间的连接点。负电阻电路160由2个晶体管 161和162相互交叉耦合(Cross coupling)而构成。MOS晶体管或双极型晶 体管适合用作该晶体管161和162。
第1可变电容电路120由串联连接着的可变电容元件121和122构成，用 于对振荡频率进行反馈控制的控制电位Vt被施加到可变电容元件121与可 变电容元件122之间的连接点A。第2可变电容电路130由串联连接着的可变 电容元件131和132构成，控制电位Vt或控制信号Fsell经由频率炅敏度控 制单元180被施加到可变电容元件131与可变电容元件132之间的连接点B。 可变电容元件121、 122、 131及132是利用了CMOS (互补金属氧化物半导 体)工艺中所使用的栅电容的可变电容元件。
第1电容开关电路140由MOS晶体管143、 MOS晶体管143的漏极及源极上分别连接的电容141及142构成，MOS晶体管143的栅极上被施加了控 制信号Fsel2。第2电容开关电路150由MOS晶体管153、 MOS晶体管153 的漏极及源极上分别连接的电容151及152构成，MOS晶体管153的栅极上 被施加了控制信号Fse13。第1及第2电容开关电路140及150构成频带切换 电路。
下面，进一步用图2A 图9B来说明如上所迷那样构成的第一实施方式 所涉及的压控振荡器101的具体动作的一例。
首先，考虑对第1可变电容电路120的连接点A和第2可变电容电路130 的连接点B的两方都固定地施加控制电位Vt的情况。此时，压控振荡器101 的频率可变范围，根据将施加到第l电容开关电路140的控制信号Fsel2的高 电平(逻辑值l) *低电平(逻辑值O)与施加到第2电容开关电路150的控制 信号Fsel3的高电平(逻辑值l) *低电平(逻辑值0)进行組合而得到的4个 频率范围a (逻辑值OO)、 b (逻辑值Ol)、 c (逻辑值IO)及d (逻辑值ll) 来决定(图2A)。适合用电源电压(=Vdd)和接地电压(=0V)来作为 该高电平和4氐电平。
然而，在此情况下，会出现压控振荡器101的频率灵敏度在低频范围灵 敏度变低，而在高频范围炅敏度变高这样的技术问题(图2B)。也就是说， 压控振荡器101的振荡频率(f)，可用电感电路110的电感值L、可变电容电 路120及130的可变电容值Cv、电容开关电路140及150的电容、负电阻电 路160等所产生的寄生电容(Parmsiticcapacity)的固定电容值Cc，由下 式来表示。
<formula>formula see original document page 9</formula>
在此，电感值L为一定值。此外，固定电容值Cc在4个频率范围a d中各自不同，在振荡频率最高的频率范围a为最小，在振荡频率最低的 频率范围d为最大。另外，若控制电位Vt为一定，则即使频率范围a d发生 变化，可变电容值Cv也全都为相同的值。因此，上式中，在振荡频率(f)最 低的频率范围d，可变电容值Cv与总电容值(Cc + Cv)之间的电容值比率Cv / (Cc + Cv)成为最小，而使频率灵敏度降低。另一方面，在振荡频率(f) 最高的频率范围a,电容值比率Cv/ (Cc + Cv)成为最大，而使频率灵敏度升高。
于是，本发明通过频率炅敏度控制单元180，在第1及第2电容开关电路 140及150所选择的频率范围较高时，将施加到第2可变电容电路130的连接 点B的控制电位Vt切换为控制信号Fsell，即，使第2可变电容电路130作为 固定电容电路来发挥作用，从而将第2可变电容电路130作为频带切换电路 来使用。
在控制信号Fsel2及Fsel3都成为低电平的高频范围a的情况下，频率灵 敏度控制单元180将控制信号Fsell施加到第2可变电容电路130的连接点B ，以进行高电平与低电平的切换。通过该控制，高频的可变范围a被分离为 以上方频率为基准的可变范围ah (逻辑值OOO)和以下方频率为基准的可变 范围al (逻辑值OOl)的两个部分(图3A)。由此，能够不使高频的可变范 围a变窄而抑制频率灵敏度(图3B)。用于实现该实施例的频率灵敏度控制 单元180的具体电路例如图4所示。其中，图3A及图4中标记的"*"表示 逻辑值可为1或0中任一。
(第二实施方式)
图5是表示本发明的第二实施方式所涉及的压控振荡器102的结构例的 图。其中省略了偏置电路等。在图5中，第二实施方式的压控振荡器102， 是在上迷第一实施方式的压控振荡器101中增加了第3可变电容电路135而
构成的o
第3可变电容电路135由串联连接着的可变电容元件136及137构成，控 制电位Vt或控制信号Fsell经由频率灵敏度控制单元180被施加到可变电容 元件136与可变电容元件137之间的连接点C。该第二实施方式通过频率炅 敏度控制单元180，将控制电位Vt或控制信号Fsell施加到第3可变电容电路 135的连接点C,从而使第3可变电容电路135不仅作为可变电容电路，而且 还可以作为频带切换电路来使用。
在控制信号Fsel2及Fsel3都成为低电平的高频范围a的情况下，频率灵 敏度控制单元180将控制信号Fsell施加到第2可变电容电路130的连接点B ，以进行高电平与低电平的切换。此时，第3可变电容电路135的连接点C 被施加控制信号Fsell。另外，在控制信号Fsel2成为高电平且Fsel3成为低
10电平的高频范围b的情况下，频率灵敏度控制单元180将控制信号Fsell施加 到第3可变电容电路135的连接点C，以进行高电平与低电平的切换。此时 ，第2可变电容电路130的连接点B被施加控制电位Vt。通过该控制，频率 可变范围a被分离为以上方频率为基准的可变范围ah (逻辑值OOO)和以下 方频率为基准的可变范围al (逻辑值OOl)的两个部分，并且频率可变范围 b被分离为以上方频率为基准的可变范围bh (逻辑值OIO)和以下方频率为 基准的可变范围bl (逻辑值Oll)的两个部分(图6A)。由此，能够不使高 频的可变范围a及b变窄而抑制频率灵敏度(图6B)。用于实现该实施例的频 率灵敏度控制单元180的具体电路例如图7所示。其中，图6A及图7中标记 的"*"表示逻辑值可为1或0中任一。
(第三实施方式)
在此，图1和图5所示的压控振荡器101和102的结构只不过是一个例子 而已。本发明的压控振荡器只要是包括两个以上的可变电容电路和至少l个 电容开关电路的结构即可，例如，若采用图8A 图8C所示的结构，则还能 实现以下控制。
在使用l个压控振荡器来输出不同频率(高频带、低频带)的信号的场 合，通常是将从压控振荡器输出的高频带信号经由l / n分频器而变换成4氐 频带信号。此时，较佳的是使从l/n分频器输出的低频带信号的频率灵敏 度与从压控振荡器输出的高频带信号的频率灵敏度相一致。为此，对于低 频带信号，有必要在其从压控振荡器输出的时刻，便使频率炅敏度成为高 频带信号的n倍。
n^2时的具体的压控振荡器103的结构例如图8A所示，频率灵敏度控 制单元180内部的具体连接如图8B及图8C所示。如这些图所示那样，将7 个可变电容电路mosv0 mosv6与l个电容开关电路sw組合，便可将高频带 分为6个频率范围，将低频带分为3个频率范围，并使高频带的频率灵敏度 成为低频带的约1/2 (图9A及图9B)。
另外，本发明的压控振荡器的可变电容电路除了图l等所示的结构之外 ,还可以采用使用了反转(Inversion)型、积累(Accuumulation)型的MOS 晶体管、C耦合的结构(图10A 图10D)。此外，本发明的压控振荡器的电容开关电路也是除了图l等所示的结构之外，还可以采用图10E所示的结 构。
(使用了压控振荡器的结构例)
图ll是表示使用了本发明的第一 第三实施方式所涉及的压控振荡器 101 103的PLL电路300的结构例的图。在图11中，PLL电路300包括相位 比较器301、环路滤波器302、本发明的压控振荡器303、及分频器304。
相位比较器301，将所输入的参考信号与用分频器304将压控振荡器 303的输出信号分频后的信号进行比较。从相位比较器301输出的信号，经 由环路滤波器302，作为控制电位Vt输入到压控振荡器303。压控振荡器303 基于控制电位Vt来输出所期频率的信号。通过该结构，PLL电路300将所期 的频率固定(锁定)。其中，可用混频器来代替分频器304，也可以将分频 器304与混频器并用。
此外，图12是表示使用了上述PLL电路300的无线通信设备400的结构 例的图。在图12中，无线通信设备400包括天线401、功率放大器402、调 制器403、开关404、低噪音放大器405、解调器406及PLL电路300。
在发送无线信号时，调制器403将从PLL电路300输出的所期的高频信 号用基带调制信号进行调制后输出。从调制器403输出的高频调制信号，由 功率放大器402放大，并经由开关404而从天线401发射出去。在接收无线 信号时，从天线401接收到的高频调制信号经由开关404被输入到低噪音放 大器405，经放大后被输入到解调器406。解调器406通过从PLL电路300 输出的高频信号，将所输入的高频调制信号解调为基带调制信号。另外， 也可以在发送側及接收側分别使用PLL电路300。此外，PLL电路300也可 以兼具调制器的功能。
如上所述，根据本发明的压控振荡器、以及使用了该压控振荡器的PLL 电路和无线通信设备，既能抑制相位噪音特性的恶化，又能在保持较低的 频率灵敏度的情况下，在较广的范围对振荡频率进行可变控制。
工业实用性
本发明的压拉振荡器，能够应用于无线通信设备的本振信号的生成等，特别是有效于既要抑制相位噪音特性的恶化，又要在 保持较低的频率灵敏度的情况下，在较广的范围对振荡频率进行 可变控制的场合等。
权利要求
1.一种压控振荡器，其特征在于，包括电感电路，具有电感器；多个可变电容电路，分别具有可变电容元件；至少1个电容开关电路；负电阻电路；以及频率灵敏度控制单元，对所述多个可变电容电路及所述至少1个电容开关电路施加控制电位及控制信号，所述电感电路、所述多个可变电容电路、所述至少1个电容开关电路及所述负电阻电路并联连接，所述频率灵敏度控制单元，将用于对振荡频率进行反馈控制的控制电位固定地施加到所述多个可变电容电路中的至少1个；并基于对所述至少1个电容开关电路所施加的至少1个控制信号，来切换所述控制电位及控制信号中的任1个，以施加到所述多个可变电容电路中的其他的至少1个。
2. 如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述频率灵敏度 控制单元，在所述至少1个电容开关电路全都被施加不能使开关接通的低 电平的控制信号的情况下，对所迷多个可变电容电路中的其他的至少l个 施加所述控制信号。
3. 如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述频率灵敏度 控制单元，在所述至少l个电容开关电路全都被施加能使开关接通的高电 平的控制信号的情况下，对所有所述多个可变电容电路施加所述控制电 位。
4. 如权利要求2所述的压控振荡器，其特征在于，对所述多个可变 电容电路中的其他的至少l个施加的所述控制信号，是低电平和高电平这 两种电4立。
5. 如权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述多个可变电 容电路的可变电容元件中的至少l个由反转型金属氧化物半导体或积累型 金属氧化物半导体构成。
6. —种具备权利要求1所述的压控振荡器的锁相环电路。
7. —种具备权利要求1所述的压控振荡器的无线通信设备。
全文摘要
包括第1可变电容电路120和第2可变电容电路130、以及第1电容开关电路140和第2电容开关电路150；第1可变电容电路120被固定地施加控制电位Vt，第1电容开关电路140被固定地施加控制信号Fsel2，第2电容开关电路150被固定地施加控制信号Fsel3；第2可变电容电路130，在控制信号Fsel2及Fsel3都为低电平的情况下被施加控制信号Fsel1，在此外的情况下被施加控制电位Vt；通过该控制，高频的可变范围被分离为以上方频率为基准的可变范围和以下方频率为基准的可变范围这两个部分，从而能够不使高频的可变范围变窄而抑制频率灵敏度。
文档编号H03B5/12GK101682293SQ200980000389
公开日2010年3月24日 申请日期2009年3月17日 优先权日2008年3月28日
发明者築泽贵行 申请人:松下电器产业株式会社