JPH027622A - 電圧制御発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、周波数決定要素と、位相回転回路網（ｐｈａ
ｓｅ　−ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ）とを有す
る発振器ループとを備えた電圧制御発振器であって、１
つ以上の要素の値は制御入力部に送られる制御信号に依
存し、そして位相回転とこれにより発振器周波数とを変
更することのできる電圧制御発振器に関する。このよう
な電圧制御発振器は実際上公知である。

従来の技術及び発明が解決しようとする問題点このよう
な発振器において、周波数は制御電圧又は制御電流によ
り制御可能であり、そしてこれらの発振器は、通常、電
圧制御発振器又はＶＣＯとして公知である。このような
発振器は、実際に、水晶又はＬＣ回路のような周波数決
定要素を備え、そして好ましくはできる限り周波数に独
立の伝達関数と、正しい発振作用を保証する１つ以上の
ループを有する増幅器から構成され、増幅器に位相回転
回路網がカスケードにて接続される。そのような位相回
転回路網は周波数に独立の伝達関数を有し、そして例え
ば、全通過又は通過帯域回路網とすることができ、その
可変要素は、例えば、電界効果要素、能動部品のトラン
スコンダクタンス、又は所謂キャパシタンス・ダイオー
ドのキャパシタンスによって形成される。

発振器の周波数制御能力は、例えば、周波数変調と周波
数復調への適用において必要とされ、そして周波数が非
常に安定でなければならない発振器において必要とされ
る。周波数決定要素、例えば水晶、の固有周波数は温度
に依存する。温度変化によって引き起こされる周波数変
動に対して補償を行うような温度センサーから導出され
た制御信号を有する公知の発振器の回路網において、上
記の位相回転の調整は温度補償発振器又はＴＣＯを産み
出す。

これらＶＣＯおよびＴＣＯの位相回転回路網における調
整可能要素の値は、一般に、特にモノリシック技術が使
用される場合、正確には知られていない。これは、制御
信号の不在において発振器のアイドリング（ｉｄｌｉｎ
ｇ）周波数を正確に確立しそして感度（制御信号と周波
数変化の間の関係）を確立することが大きな問題である
ことを意味する。

周波数決定要素のアイドリング周波数において発振器を
発振させるために、反転又は非反転伝達関数を有する発
振器における増幅器の設計に依存するが、位相回転回路
網における位相回転を正確にＯ又は±πの値に設定する
ことが必要である。

このため、これらの回路は、通常、アイドリング周波数
および感度の１つ以上の調整を必要とする。そのような
調整によって周波数が特定の温度におけるアイドリング
値に正確に設定され、そして感度が所望の値に設定され
るとしても、位相回転回路網の要素は成る温度依存性を
有するという事実のために、周波数決定要素によって十
分に決定されない周波数変動が温度により発生し、そし
て感度は温度により変化する。

周波数決定要素によって確立されずそしてこのため予測
が困難である周波数ドリフト、および感度が正確に既知
でないという事実は、周波数ドリフト又は発振器の制御
入力における線形で正確な周波数変調を補償するための
正しい電圧経路を決定することを困難にする。これは、
満足いく温度補償又は正確で線形の周波数変調を獲得す
るために、１つ以上の調整をさらに必要とする。そのよ
うな調整は時間を消費しかつ高価である。発振器周波数
の制御を可能にするために備えられる位相回転回路網は
また、発振器の位相雑音挙動を、回路網によって生成さ
れた雑音の結果として劣化させる。

本発明の目的は、上記の問題を除去することであり、そ
して、位相回転回路網における要素が精度と温度依存性
に関していかなる基準をも満たす必要がないにも拘わら
ず、アイドリング周波数と、このため周波数ドリフトと
そしてまた感度とが、周波数決定要素によって完全に確
立される電圧制御発振器を提供することである。また、
位相回転回路網によって導入された雑音を除去すること
が本発明の目的である。

問題点を解決するための手段 上記の目的は、本発明により、入力部に発振器信号が供
給される位相回転回路網と、２つの入力部に該位相回転
回路網の入力信号と出力信号が供給される位相検出器と
、位相検出器の出力信号を増幅しそして出力信号を発振
器ループの位相回転回路網の制御入力部に供給する増幅
器とを少なくとも具備し、そして位相検出器は正確に既
知のかつ温度に依存しない入出力関係を有する、位相制
御ループによって、発明の詳細な説明の当初に述べた形
式の電圧制御発振器において達成される。

本発明によるこの実施態様において、アイドリング周波
数−一そしてこのため周波数ドリフトもまたｍ−が、例
えば水晶のような周波数決定要素によって完全に決定さ
れるという事実とは別に、位相検出器が既知のかつ温度
に依存しない入出力関係を有するという条件により、位
相回転回路網における不正確で温度依存性を有する要素
にも拘わらず、感度がまた同時に正確に規定される。そ
のような位相検出器は実際上公知である。このｊ；め、
本発明による電圧制御発振器はまた、モノリシック集積
化のために優れている。さらに、位相回転回路網によっ
て生成される雑音は、位相制御ループを経た調整作用に
よって除去される。その結果、発振器の位相雑音挙動は
公知のｖＣＯよりもかなり良好である。この実施態様は
また、２つの信号を直角位相において正確に生成する機
会を提供する。

本発明は、正確なかつ温度に依存しない位相検出器によ
って、該位相回転回路網の入力信号及び出力信号、又は
伝達関数が発振器ループにおける位相回転回路網の伝達
関数に正確に関連する第２の位相回転回路網の入力信号
及び出力信号を位相検出器に送ることにより、そして、
高利得増幅器を経て位相検出器の出力において得られた
制御信号を用いて発振器における位相回転を位相検出器
によって決定された値に調整することにより、発振器ル
ープにおける位相回転回路網の不正確でかつ温度に依存
する位相回転を、正確に既知の値に直接的又は間接的に
調整することができるという思想に基づく。こうして、
発振器のアイドリング周波数の調整は自動的に行われ、
そして発振器の周波数は位相回転が変化してもあまり変
化しないために、調整作用は収束し、その結果、発振器
周波数は、その変化にも拘わらず、制御ループにおいて
基準値として役立つことができる。

本発明を、図面に示された多数の実施態様を参照して、
非常に詳細に説明する。

第１図において、参照番号１は、周波数決定要素３を備
えた増幅器を示し、そして位相回転回路網２が発振器に
おいてカスケード接続にて備えられる。周波数決定要素
は、例えば、水晶又は代替的にＬＣ回路とすることがで
きる。発振器の周波数を変化させることができる制御信
号Ｅｓ　　（電圧又は電流）は、位相回転回路網の制御
入力部に供給される。

本発明の基本原理を第２図に示す。第１図に示されたＶ
ＣＯの位相回転回路網２の入力信号及び出力信号は位相
検出器４の入力部に送られる。２つの信号の位相は検出
器にて比較される。位相検出器の出力信号は、フィルタ
ー５における低域フィルタリングの後、高利得増幅器６
を経て位相回転回路網２の制御入力部に供給される。外
部源から入る制御信号Ｅｓは、適切な加算器回路７を経
て増幅器の入力部に加えることができる。制御信号がゼ
ロ（アイドリング状況）に等しく、位相検出器の設計に
依存するが、０又は±πの位相回転を有するならば、温
度と位相検出器の位相感度に無関係に、ゼロに等しい出
力信号が獲得される。位相検出器信号の相当な増幅の結
果として、位相検出器４がゼロに等しい出力信号を生成
するような値を位相回転が獲得するように、制御信号が
位相回転回路網２の制御入力に自動的に送られる。回路
網２における比較的大きな位相回転の結果、発振器の周
波数はほんの僅かに変化するために、制御プロセスは、
周波数決定要素の固有周波数に対して位相回転が事実上
０又は±πに等しいように収束し、発振器周波数はもは
や位相回転回路網における要素の不正確さ及び温度感度
に依存せずそして周波数決定要素の特性にのみ依存する
という利点を有する。制御信号を増幅器のための加算器
回路７に送ると、位相回転回路網において、制御信号と
大きさが等しく符号が反対である位相検出器の出力信号
に対応する位相シフトの生成が自動的に行われる。なぜ
なら、増幅器の入力電圧と入力電流は、利得が高いなら
ば、ゼロに等しくとどまらなければならないからである
。増幅器の入力において全信号はゼロに調整されるため
に、位相回転回路網の入力信号及び出力信号の間の位相
差は、ループ利得と低域フィルターの帯域幅によって決
定される位相制御ループの帯域幅内で変化することがで
きない。これは、位相回転回路網によって生成した雑音
が周波数安定性に影響しないことを意味する。制御信号
によって位相回転回路網に導入された位相シフトは、発
振器周波数における変化につながる。

本発明による電圧制御発振器において使用される位相検
出器は、正確に決定されそして温度に依存しない位相感
度を有する。これは、制御信号と導入された位相シフト
との間の関係がまた、同時に正確に確立されそして温度
に依存しなくなるという利点を有する。位相検出器に対
して、入出力関係がすでに温度自体に依存しない形式の
ものを選択することが可能であるが、温度に依存しない
特性はまた、加算器回路を経て温度補正信号を送り込む
ことによって獲得することができることは言うまでもな
い。両方の場合に、伝達関数は温度独立と呼ばれる。

発振器１の周波数１動と位相回転回路網２における位相
シフトとの間の関係は、周波数決定要素３の特性によっ
て完全に決定される。このｔ；め、この実施態様におい
て、周波数変動と制御電圧との間の関係は、上記要素の
特性によって完全に決定される。位相回転回路網の要素
の不正確さと温度感度の影響は、事実上完全に除去され
る。

第３図に示された別の実施態様において、発振器ループ
における位相回転回路網は、カスケードにて接続されそ
してそれぞれ位相回転ψ１、ψ２を生成する２つの位相
回転副回路網８．９を具備する。制御ループは、今、２
つの副回路網に別個に加えられ、副回路網は、第２図に
おけると同一構造、即ち、それぞれ、位相検出器４．ｌ
、４．２、低域フィルター５．１．５．２、加算器７．
■１７．２、及び増幅器６．［，６，２を有する。この
ようにして、これらの位相回転の１つに対してゼロに等
しい出力電圧又は出力電流を生成する形式を、位相検出
器に対して選択することにより、両方の副回路網にお（
プるアイドリング状況において、０又は±π／２の位相
回転を達成することができる。０又は±Ｔｆこ等しい位
相回転が、このようにして副回路網のカスケード接続に
て生成される。周波数の制御は、第２図と同一方法によ
り実施される。しかし、制御電圧Ｅｓを、一方のループ
又は両方のループに供給することができる。

アイドリング状況における副回路網８と９の位相回転は
また、関連する制御ループにおいて使用される位相検出
器に依存するが、０又は±π／′２以外の値に調整する
ことができることは言うまでもない。

また、３つ以上の上記の位相回転副回路網を発振器ルー
プに備えることができ、関連する制御ループが各副回路
網に加えられることも言うまでもない。しかし、０又は
±πに等しい位相回転は、常に、位相回転副回路網のカ
スケード接続（こて生成されなければならず、その幾ら
かは制御ループにおける位相検出器の適切な選択によっ
て達成することができる。制御電圧を、今、１つ以上の
ループに供給することができる。

第４図に示された別の実施態様において、位相回転回路
網はまた、カスケードに接続された２つの副回路網８．
９を具備するが、アイドリング状況において、第３図と
同一形式の位相検出器を使用して、第１の副回路網にお
ける位相回転をＯ又は±π／２の値に調整する唯一の制
御ループが使用される。第２の副回路網９は、第１の副
回路網８と同−電圧又は電流によっで制御される。副回
路網９に対する制御信号はまた、副回路網８に対する制
御信号から変換回路を経て導出させることができる。

位相回転副回路網９の設計は、その特性が位相回転回路
網８の特性に大部分同一である如くである。このため、
アイドリング状況における位相回転はまた、回路網９に
おいて０又は±ｒｅ　／　２に等しく、そして２つのカ
スケード接続回路網の位相回転は０又は±πである。

アイドリング状況における２つの副回路網８と９の位相
回転はまた、制御ループにおいて使用される位相検出器
に依存するが、０又は±π／２以外の値に調整できるこ
とは明らかである。このためには、面位相回転回路網８
と９における位相回転の間の結合は、アイドリング状況
においで０又は±πに等しい位相回転が回路網８と９の
カスケード接続にて生成される如くでなければならない
。

また、３つ以上の位相回転副回路網を発振器ルー・ブに
おいて備えることができ、位相回転副回路網の間の結合
は、アイドリング状況において、位相回転副回路網のカ
スケード接続における位相回転がＯ又は士πの値に調整
される如くでなければならないことは明らかである。

第５図は、第３図と第４図に示された実施態様の組み合
わせを表す可能な実施態様を示す。位相回転回路網８と
９の間の結合は、位相検出器４、ｌ４と１５の適切な選
択と共に、カスケードに結合された副回路網８．９、ｌ
Ｏと１１の位相回転が、アイドリング状況において０又
は±πの値に調整される如くでなければならないことは
明らかである。制御信号は、加算器７．１９．２０を経
て、それぞれ、増幅器６．１２と１７の１つ以上の入力
に加えることができる。

第６図に示されたさらに別の実施態様においては、第１
図に示されたような発振器ループは制御された第１の位
相回転回路網２を有するが、第２の位相回転回路網２１
−一発振器ループに組み込まれておらずそして９Ｘｌの
回路網２へ供給される発振器信号と同一の発振器信号が
送られるｍ−の位相回転をアイドリング状況において０
又は±πの値に調整する位相制御ループの使用がなされ
る。

面位相回転回路網２．２１は本質的に同一の挙動を有す
る。位相制御ループを経て第２の回路網に加えられる制
御信号はまた、多分適切な変換回路を経て第１の回路網
に加えられ、その結果、アイドリング状況において位相
回転は第１の回路網においてＯ又は±πに等しくなる。

この場合、制御信号を適切な加算器回路を経て増幅器６
の入力に加えることができる。

アイドリング状況において、回路網２１における位相回
転は、使用される位相検出器４に依存するが、０又は±
π以外の値に調整できることは言うまでもない。しかし
ながら、位相回転回路網の間の結合は、アイドリング状
況において、回路網２における位相回転が０又は±にの
値に調整される如くでなければならない。

また、第６図の電圧制御発振器は、第３図、第４図およ
び第５図に比較しうるレイアウトが獲得されるように、
補足できることは言うまでもない。

言い換えれば、＠６図において、幾つかの位相回転回路
網は、発振器ループにおいてカスケード接続にて備える
ことができ、及び／又は、幾つかの位相回転回路網は位
相制御ループにおいてカスケード接続にて備えることが
できる。

本発明による発振器は、該発振器の制御入力部の入力結
合において非線形回路網が備えられるならば、他の目的
に適合させることができる。例えば、該回路網の非線形
特性の適切な選択により、発振器の線形周波数変調が、
変調される信号を該非線形回路網に送ることにより、獲
得できる。この非線形特性の別の適切な形態において、
温度による発振器の周波数ドリフトの補償を、温度セン
サーからの信号をこの非線形回路網に供給することによ
り、達成することができる。

異なる周波数決定要素、例えば水晶、力ｉ非線形動作の
これらの２つの場合に対して発振器において使用される
ならば、線形ＶＣＯの場合には位相と周波数との間の関
係、ＴＣＯの場合には温度と周波数との間の関係に対し
て、側々の調整が必要になる。これらの関係がもはや位
相回転回路網によ？て決定されず単に水晶の特性によっ
て決定されるという事実により、現在公知の回路におけ
るよりもずっと良好に、非線形性がどの形態を有するべ
きかを予測することができる。例えば、位相と周波数と
の間の関係はまた、直列共振周波数の領域において、φ
−−ａｒｃｔａｎ（ｖ　Ｑ　）によって近似される水晶
の位相特性により決定される。この場合Ｖ−共振周波数
に関する離調であり、モしてＱは水晶のＱである。線形
周波数変調を獲得するために必要な非線形性の形態はこ
うして知られる。

この非線形性を達成する回路網は、こうして、原理的に
はｍ−例えば、半導体部品において電流と電圧の間の公
知かつ正確な数学的関係を使用してｍ−水晶のＱの測定
に基づいて計算できる調整を単に必要とするような方法
で実現することができる。そのような調整は、１つ以上
の連続調整可能な要素、例えば、ポテンショメーターに
よって、又は直列及び／又は並列回路のような離散段階
にて設定される【つ以上の要素又は副回路網によって達
成することができる。

本発明による発振器の別の実施態様において、発振器の
増分感度の設定を自動的に行うことができる。この目的
のために、発振器において、それ自体公知な分岐回路を
使用することができ、この場合、発振器と共に一定の信
号の大きさが周波数決定要素のＱに関連する。周波数決
定要素、例えば水晶の係数Ｑは発振器において増幅検出
器を使用して測定される。次に、得られた測定値を、所
望の設定の達成のために、位相制御ループにおける前述
の非線形回路網の制御入力に供給することができる。

温度と周波数の間の関係は、水晶のカットの角度に依存
し、べき級数によって記述される。このカットの角度が
既知であるならば、上記の関係もまた既知である。こう
して、必要な係数は異なるカット角度に対して計算する
ことができ、そして例えば、簡単な設定によって、所望
の形態が獲得されるような方法で、半導体部品における
電流と電圧の間の公知かつ正確な数学的関係を使用して
、非線形回路網の非線形性を達成することができる。

この設定は、特定の製造工程の総ての水晶に対して同じ
ように行うことができ、そして前述のように、非線形回
路網において連続的に又は離散的に達成することができ
る。

本発明の主なる特徴及び態様は以下のとおりである。

ｌ１周波数決定要素と位相回転回路網を有する発振器ル
ープとを備え、１つ以上の要素の値は制御入力部に供給
される制御信号に依存しそして位相回転とこれにより発
振器周波数を変更しうる電圧制御発振器であって、 入力部に発振器信号が供給される位相回転網；２つの入
力部に該位相回転回路網の入力信号と出力信号が供給さ
れる位相検出器、 ここで、該位相検出器は、正確に既知でかつ温度に依存
しない入出力関係を有する；位相検出器の出力信号を増
幅し、そしてそれを発振器ループの位相回転回路網の制
御入力部に供給する増幅器； とを少なくとも具備する位相制御ループを特徴とする電
圧制御発振器。

２、位相制御ループの位相回転回路網は、発振器ループ
（第２図）の位相回転回路網によって形成されることを
特徴とする上記ｌに記載の電圧制御発振器。

３、少なくとも２つのカスケード接続の位相回転副回路
網を発振器ループに備え、その内の少なくとも１つは、
位相検出器と増幅器を有する位相制御ループ（第３図、
第４図、第５図）を備えることを特徴とする上記ｌに記
載の電圧制御発振器。

４、発振器ループにおける上記少なくとも２つのカスケ
ード接続位相回転回路網の両方に対する制御信号は、上
記増幅器の出力から取られることを特徴とする上記３に
記載の電圧制御発振器。

５、少なくとも２つの位相回転回路網を備え、その内の
少なくとも１つは発振器ループに配置され、そしてその
内の少なくとも１つは位相制御ループに配置され、そし
て発振器ループにおける練歩なくとも１つの位相回転回
路網の制御入力部と、位相制御ループにおける練歩なく
とも１つの位相回転回路網の制御入力部の両方に対する
制御信号は、位相制御ループ（第６図）における増幅器
の出力から取られることを特徴とする上記ｌに記載の電
圧制御発振器。

６、低域フィルターが、位相検出器の出力部と増幅器の
入力部との間の位相制御ループに備えられることを特徴
とする上記１〜５のいづれか１つに記載の電圧制御発振
器。

７、発振器ループの位相回転回路網と位相回転ループの
位相回転回路網とは、本質的に同一要素から作製される
ことを特徴とする上記５に記載の電圧制御発振器。

８、少なくとも１つの増幅器の入力結合は加算器回路を
含み、加算器回路の一方の入力部は増幅のために位相検
出器の信号によって供給され、そして他方の入力部は発
振器の制御入力部を形成し、そして外部源から入る制御
信号が発振器周波数を変化させるために加算器回路に対
して供給されることを特徴とする上記１〜７のいづれか
１つに記載の電圧制御発振器。

９、制御入力部に直列に非線形回路網が備えられ、非線
形回路網の入力部に対して変調信号が供給され、その結
果、発振器の線形周波数変調が得られることを特徴とす
る上記８に記載の電圧制御発振器。

ｌＯ０制御入力部に直列に非線形回路網が備えられ、非
線形回路網の入力部に温度センサーからの信号が供給さ
れ、その結果、発振器の周波数ドリフトに対する温度補
償が得られることを特徴とする上記８に記載の電圧制御
発振器。

１１、制御入力部に直列に非線形回路網が備えられ、そ
して周波数決定要素のＱの測定のために増幅検出器が備
えられ、該増幅検出器の出力測定値が、周波数決定要素
の非線形性の自動設定のために、非線形回路網の入力部
に供給されることを特徴とする上記８に記載の電圧制御
発振器。

１２、非線形回路網の非線形性が、１つ以上の連続調整
可能な要素及び／又は離散段階にて調整可能な１つ以上
の副回路網によって設定されることを特徴とする上記９
〜１１のいづれか１つに記載の電圧制御発振器。

【図面の簡単な説明】

第１図は、公知の電圧制御発振器の図。 第２図は、本発明による発振器の第１の実施態様の図。 第３図は、本発明による発振器の第２の実施態様の図。 第４図は、 様の図。 第５図は、 様の図。 第６図は、 様の図。 ｌ・・・増幅器、２．２１・ 網、３・・・周波数決定要素、 １４．１５・・・位相検出器、 ・・フィルター　６．６．１１ ・・高利得増幅器、７．７．１゜ ０・・・加算器回路、８．９、 位相回転副回路網、Ｅｓ　・・・ 本発明による発振器の第５の実施前 本発明による発振器の第３の実施前 本発明による発振器の第４の実施層 ・・位相回転回路 ４．４．１，４．２． ５．５．Ｌ　５．２・ ６．２．１２．１７・ ７．２．１９．２ １０．１１・・・ 制御信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 周波数決定要素と位相回転回路網を有する発振器ループ
   とを備え、１つ以上の要素の値は制御入力部に供給され
   る制御信号に依存しそして位相回転とこれにより発振器
   周波数を変更しうる電圧制御発振器であって、 入力部に発振器信号が供給される位相回転網；２つの入
   力部に該位相回転回路網の入力信号と出力信号が供給さ
   れる位相検出器、 ここで、該位相検出器は、正確に既知でかつ温度に依存
   しない入出力関係を有する； 位相検出器の出力信号を増幅し、そしてそれを発振器ル
   ープの位相回転回路網の制御入力部に供給する増幅器； とを少なくとも具備する位相制御ループを特徴とする電
   圧制御発振器。