JPH10303643A - 電圧制御発振回路 - Google Patents

電圧制御発振回路

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Publication number
JPH10303643A
JPH10303643A JP10611397A JP10611397A JPH10303643A JP H10303643 A JPH10303643 A JP H10303643A JP 10611397 A JP10611397 A JP 10611397A JP 10611397 A JP10611397 A JP 10611397A JP H10303643 A JPH10303643 A JP H10303643A
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JP
Japan
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capacitor
voltage
circuit
vco
oscillation
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Application number
JP10611397A
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English (en)
Inventor
聡 ▲吉▼田
Satoshi Yoshida
Takashi Taya
隆士 太矢
良和 ▲吉▼田
Yoshikazu Yoshida
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回路構成が簡単で、かつ比較的簡単な製造工
程で集積回路化できるVCOを提供する。 【解決手段】 増幅部10の出力を帰還部20によって
入力側に帰還する。帰還部20のMOSキャパシタ23
のゲート電圧を、制御電圧Vcによって変えることによ
り、該帰還部20の容量値が変わり、発振出力信号Vo
の発振周波数が制御される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、移動体通信等に用
いられ、制御電圧によって発振周波数が変化する電圧制
御発振回路(以下、「VCO」という)に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来、この種のVCOに関する技術とし
ては、例えば、次のような文献に記載されるものがあっ
た。 文献:高松重治著「わかるPLLの応用テクニック」1
版(昭63−1−20)日本放送出版協会、P.50−
51 図2は、前記文献に記載された従来のVCOの回路図で
ある。このVCOは、コルピッツ発振回路を構成する増
幅部1と、帰還部である並列共振回路2とを備えてい
る。増幅部1は、NPN型のバイポーラトランジスタ1
a等で構成されている。帰還部である並列共振回路2
は、コイル2a、コンデンサ2b、及び可変容量ダイオ
ード2cによって構成されている。そして、制御電圧V
cによって可変容量ダイオード2cの容量値を制御する
ことにより、発振周波数を変化するようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
VCOでは、次のような課題があった。図2のVCOの
低消費電力化を図るために、該VCOを例えばCMOS
(相補型MOSトランジスタ)のLSI(大規模集積回
路)にて実現しようとする場合、可変容量ダイオード2
cはLSI内部にてPN接合を構成することで実現でき
るが、一般にPN接合部のキャリア濃度等、製造パラメ
ータを製造時に制御しなければならず、製造過程が複雑
化する等の課題があった。本発明は、前記従来技術が持
っていた課題を解決し、回路構成が簡単で、かつ比較的
簡単な製造工程で集積回路化できるVCOを提供するこ
とを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のうちの請求項1に係る発明では、VCOに
おいて、コイル及びコンデンサで構成された共振回路
に、容量可変手段としてMOSトランジスタによるMO
Sキャパシタを接続し、前記MOSキャパシタのゲート
電極の電圧を制御して発振周波数を可変する構成にして
いる。請求項2に係る発明では、VCOにおいて、コイ
ル及びコンデンサで構成された共振回路に、容量可変手
段としてMOSトランジスタによるMOSキャパシタを
接続し、前記MOSキャパシタのソース・ドレイン電極
の電圧を制御して発振周波数を可変する構成にしてい
る。請求項3に係る発明では、VCOにおいて、コイル
及びコンデンサで構成された共振回路に、容量可変手段
としてアナログ増幅回路を接続し、前記増幅回路のミラ
ー効果を用い前記共振回路の容量値を制御して発振周波
数を可変する構成にしている。請求項4に係る発明で
は、請求項3のアナログ増幅回路を、ソース接地増幅回
路または差動増幅回路等で構成している。請求項5に係
る発明では、請求項3または4の増幅回路から、発振出
力を取出す構成にしている。
【0005】請求項1及び2に係る発明によれば、以上
のようにVCOを構成したので、MOSキャパシタのゲ
ート電圧、あるいはソース・ドレイン電圧を制御するこ
とにより、発振周波数が変化する。請求項3及び4に係
る発明によれば、アナログ増幅回路のミラー効果を用い
て共振回路の容量値を制御することにより、発振周波数
が変化する。請求項5に係る発明によれば、増幅回路か
ら発振出力を取出すことにより、この発振出力を負荷へ
供給する際の出力バッファ回路等が不要になり、回路構
成が簡単になる。
【0006】
【発明の実施の形態】第1の実施形態 図1は、本発明の第1の実施形態を示すVCOの回路図
である。このVCOは、コルピッツ発振回路を構成する
増幅部10と、該増幅部10の出力を入力側に帰還する
帰還部20とを備え、例えばCMOS LSI等で構成
されている。増幅部10は、増幅用のNチャネル型MO
Sトランジスタ(以下、「NMOS」という)11を有
し、このNMOS11のドレイン電極(以下単に、「ド
レイン」という)が電源電圧VDDに接続され、このソ
ース電極(以下単に、「ソース」という)が抵抗12を
介して接地されている。NMOS11のドレインとゲー
ト電極(以下単に、「ゲート」という)の間に、直流バ
イアス用抵抗13が接続されると共に、該ゲートと接地
との間に、直流バイアス用抵抗14が接続されている。
NMOS11のゲートには、該NMOS11のドレイン
とゲートの直流電圧の分離のためのコンデンサ15を介
して、帰還部20が接続されている。
【0007】NMOS11のゲートとソースの間に、交
流帰還用コンデンサ16が接続され、さらにこのコンデ
ンサ16と接地との間に、出力高調波バイパス用コンデ
ンサ17が接続されている。NMOS11のドレイン
は、デカップリング用コンデンサ18を介して接地さ
れ、該NMOS11のソースから発振出力信号Voを出
力するようになっている。帰還部20は、コイル21、
コンデンサ22、及びNMOSからなるMOSキャパシ
タ23で構成される並列共振回路を有している。この並
列共振回路中のコイル21は、コンデンサ15と接地と
の間に接続され、該コンデンサ15とノードN1との間
に、コンデンサ22が接続されている。ノードN1に
は、MOSキャパシタ23を構成するNMOSのゲート
が接続され、該NMOSのソース及びドレインが接地さ
れている。ノードN1には、抵抗24を介して制御電圧
Vcが印加され、電圧V1が現れる。
【0008】図3(a)〜(c)は、図1のVCOの動
作波形図である。なお、図3中のVtは、MOSキャパ
シタ23を構成するNMOSの閾値電圧である。以下、
この図3を参照しつつ、図1のVCOの動作を説明す
る。電源電圧VDDを印加すると、増幅部10で増幅さ
れた出力が帰還部20によって入力側に帰還され、発振
動作が行われる。コイル21、コンデンサ22及びMO
Sキャパシタ23で構成される並列共振回路の発振周波
数は、これらのコイル21、コンデンサ22及びMOS
キャパシタ23の共振周波数によって決定される。コイ
ル21のリアクタンス値をL12、コンデンサ22の容
量値をC22、及びNMOSで構成されるMOSキャパ
シタ23の容量値をC23とすれば、VCOの発振周波
数は次式(1)にて与えられる。
【数1】 ここで、MOSキャパシタ23の容量値C23は、この
両端の電極に順方向に印加される電位差がMOSトラン
ジスタの閾値Vtを超えない範囲ではほぼ0である。M
OSキャパシタ23の両端の電極の順方向の電位差が閾
値Vtを超えると、容量値C23は、例えばゲート酸化
膜の誘電率とゲート面積にて決定される固定値となる。
【0009】ノードN1の電圧V1は、直流的には制御
電圧Vcによって与えられる電位にバイアスされるの
で、該制御電圧Vcの電位を中心に振幅する。そのた
め、VCOの発振周波数は、ノードN1の電圧V1によ
って次式(1)、(2)のように表せる。
【数2】 (1)、(2)式に基づいたノードN1の発振波形の例
が、図3(a)に示されている。ノードN1での交流振
幅は一定なので、電圧V1は制御電圧Vcの電位によっ
てその直流レベルを制御できる。例えば、制御電圧Vc
の電位を図3(a)の状態から上昇させたとすると、発
振現象にMOSキャパシタ23の寄与する状態が長くな
り、図3(b)に示すように発振周波数は遅くなる。制
御電圧Vcの電位を図3(a)の状態から低下させる
と、発振現象にMOSキャパシタ23の寄与する状態が
短くなり、図3(c)に示すように発振周波数は早くな
る。従って、制御電圧Vcによって発振出力信号Voの
発振周波数が制御される。以上のように、この第1の実
施形態では、次のような効果がある。低消費電力化を図
るために、例えば図1のVCOをCMOS LSIで構
成する場合、従来のように該CMOS LSIにPN接
合による可変容量ダイオードを構成することなく、通常
のNMOSによるMOSキャパシタ23を用いてVCO
を構成している。そのため、回路構成が簡単であり、か
つ製造工程が複雑化することがない。
【0010】第2の実施形態 図4は、本発明の第2の実施形態を示すVCOの回路図
であり、第1の実施形態を示す図1中の要素と共通の要
素には共通の符号が付されている。このVCOでは、図
1の帰還部20に代えて、構成の異なる帰還部20Aが
設けられている点のみが図1のVCOと異なっている。
帰還部20Aは、並列共振回路で構成され、コンデンサ
15に接続されたノードN2と接地との間に、コイル2
1が接続されている。接地とノードN2の間には、デカ
ップリング用コンデンサ24とMOSキャパシタ25と
が直列に接続されている。MOSキャパシタ25は、P
チャネル型MOSトランジスタ(以下、「PMOS」と
いう)で構成され、このゲートがノードN2に接続され
ると共に、ソース及びドレインがコンデンサ24に接続
されている。PMOSのソース及びドレインに制御電圧
Vcが印加され、ノードN2に電圧V2が現れるように
なっている。
【0011】図5(a)〜(c)は、図4のVCOの動
作波形図である。なお、図5中のVtは、MOSキャパ
シタ25を構成するPMOSの閾値電圧である。以下、
この図5を参照しつつ、図4のVCOの動作を説明す
る。コイル21及びMOSキャパシタ25によって構成
される並列共振回路の発振周波数は、これらのコイル2
1及びMOSキャパシタ25の共振周波数によって決定
される。PMOSによって構成されるMOSキャパシタ
25の容量値をC25、コイル21のインダクタンス値
をL21とすれば、VCOの発振周波数は次式(3)に
て与えられる。
【数3】 ここで、MOSキャパシタ25の容量値C25は、この
両端の電極に順方向に印加される電位差が該PMOSの
閾値Vtを超えない範囲ではほぼ0である。MOSキャ
パシタ25の両端の電極の順方向の電位差が閾値Vtを
超えると、容量値C25は、例えばゲート酸化膜の誘電
率とゲート面積にて決定される固定値となる。
【0012】ノードN2の電圧V2は、コイル21を介
して接地されているため、アース電位を中心に発振周波
数にて発振する。そのため、ノードN2における寄生容
量をC2とすると、VCOの発振周波数は次式(4)、
(5)のように表せる。
【数4】 この(4)、(5)式に基づいた発振波形が、図5
(a)に示されている。ノードN2での交流振幅が一定
なので、この電圧V2は制御電圧Vcの電位によって該
直流レベルを制御できる。例えば、制御電圧Vcの電位
を図5(a)の状態から上昇させたとすると、発振現象
にMOSキャパシタ25の寄与する状態が長くなり、図
5(b)に示すように発振周波数は遅くなる。制御電圧
Vcの電位を図5(a)の状態から低下させると、発振
現象にMOSキャパシタ25の寄与する状態が短くな
り、図5(c)に示すように発振周波数が早くなる。従
って、制御電圧Vcによって発振出力信号Voの発振周
波数が制御される。以上のように、この第2の実施形態
では、第1の実施形態と同様に、例えば、従来のように
CMOS LSI内にPN接合による可変容量ダイオー
ドを構成することなく、通常のPMOSによるMOSキ
ャパシタ25を用いてVCOを構成したので、第1の実
施形態と同様に、回路構成が簡単で、かつ製造工程が複
雑化することがないという効果が得られる。
【0013】第3の実施形態 図6は、本発明の第3の実施形態であって、図4のMO
Sキャパシタの他の回路への適用例を示すVCOの回路
図であり、図4中の要素と共通の要素には共通の符号が
付されている。このVCOでは、ノードN2−1とN2
−2の間に、逆並列のCMOSインバータ31,32か
らなる発振部が接続され、該インバータ31の出力端子
から発振出力信号Voが出力されるようになっている。
ノードN2−1とN2−2の間には、コイル21(例え
ば、インダクタンス値が5nH)が接続されている。ノ
ードN2−1は寄生容量C2−1を介して接地され、さ
らにノードN2−2も寄生容量C2−2を介して接地さ
れている。ノードN2−1には、PMOSからなるMO
Sキャパシタ25−1を介して制御電圧Vcが印加さ
れ、さらにノードN2−2にも、PMOSからなるMO
Sキャパシタ25−2を介して制御電圧Vcが印加され
るようになっている。このVCOでは、インバータ3
1,32で発振した発振出力が、コイル21、寄生容量
C2−1,C2−2及びMOSキャパシタ25−1,2
5−2で構成された帰還部により帰還される。そして、
制御電圧Vcにより、インバータ31の出力端子から出
力される発振出力信号Voの発振周波数が制御されるよ
うになっている。このようなVCOを、例えばCMOS
LSIで構成すれば、第2の実施形態と同様の効果が
得られる。
【0014】第4の実施形態 図7は、本発明の第4の実施形態を示すVCOの回路図
であり、第1の実施形態を示す図1中の要素と共通の要
素には共通の符号が付されている。このVCOは、第1
の実施形態と同様にコルピッツ発振回路で構成されてお
り、図1と同様の増幅部10と、図1と異なる構成の帰
還部40とを備え、例えばCMOS LSI等で構成さ
れている。帰還部40は、コイル41及びコンデンサ4
2,43からなる並列共振回路を有している。コイル4
1は、増幅部10のコンデンサ15と接地との間に接続
され、そのコンデンサ15とノードN3の間にコンデン
サ42が接続され、さらに該ノードN3にコンデンサ4
3が接続されている。ノードN3には、抵抗44を介し
て直流バイアス電圧VBSが印加されるようになってい
る。コンデンサ43の両端の電極間には、NMOS45
のドレイン及びゲートが接続され、このNMOS45の
ソースが接地されている。NMOS45のドレインに
は、PMOS46のドレインが接続され、このPMOS
46のソースが電源電圧VDDに接続されている。PM
OS46のゲートには、PMOS47のゲート及びドレ
インが接続され、このPMOS47のソースが電源電圧
VDDに接続されている。NMOS45は、PMOS4
6を負荷としたソース接地増幅回路であり、その負荷の
値はPMOS47を介して印加される制御電圧Vcの電
圧値によって決定されるようになっている。PMOS4
6と47は、カレントミラー回路を構成している。
【0015】次に、図7のVCOの動作を説明する。コ
イル41及びコンデンサ42,43で構成される並列共
振回路の発振周波数は、これらのコイル41及びコンデ
ンサ42,43の共振周波数によって決定される。コイ
ル41のインダクタンス値をL41、コンデンサ42,
43の容量値をC42,C43とすると、VCOの発振
周波数は次式(6)で与えられる。
【数5】 ここで、コンデンサ43は、ソース接地増幅回路を構成
するNMOS45のドレイン・ゲート間に接続されてい
るため、該増幅回路の入力容量の値を特性づけるミラー
効果の影響を受ける。そのため、ノードN3から見たコ
ンデンサ43の容量値C43は、ソース接地増幅回路の
電圧利得Gを乗算した値となる。この回路の発振周波数
は次式(7)となる。
【数6】 NMOS45で構成されるソース接地増幅回路の負荷は
電流負荷であり、PMOS46と47はカレントミラー
回路であるため、その負荷の値が制御電圧Vcの値によ
って調整される。つまり、ソース接地増幅回路の電圧利
得Gは、制御電圧Vcによって可変である。
【0016】例えば、制御電圧Vcの電位をある任意の
状態から上昇させたとすると、PMOS47のドレイン
・ソース間電流が減少し、PMOS46のドレイン・ソ
ース間電流も減少する。そのため、ソース接地増幅回路
の負荷が等価的に小さくなり、電圧利得Gの値が減少す
る。この結果、発振出力信号Voの発振周波数が早くな
る。一方、制御電圧Vcの電位をある任意の状態から低
下させたとすると、PMOS47のドレイン・ソース間
電流は増加し、PMOS46のドレイン・ソース間電流
も増加する。そのため、ソース接地増幅回路の負荷が等
価的に大きくなり、電圧利得Gの値が増加する。この結
果、発振出力信号Voの発振周波数が早くなる。従っ
て、制御電圧Vcによって発振出力信号Voの発振周波
数が制御される。以上のように、本実施形態のVCO
を、例えばCMOS LSIで構成する場合、従来のよ
うにPN接合による可変容量ダイオードを構成すること
なく、NMOS45及びPMOS46で構成されるソー
ス接地増幅回路のミラー効果を用いて並列共振回路の容
量値を制御する構成としたので、第1の実施形態とほぼ
同様に、回路構成が簡単で、かつ製造工程が複雑化する
ことがないという効果が得られる。
【0017】第5の実施形態 図8は、本発明の第5の実施形態であって、図7の他の
回路への適用例を示すVCOの回路図であり、図7中の
要素と共通の要素には共通の符号が付されている。この
VCOは、逆並列のCMOSインバータ51,52によ
って発振部が構成されている。インバータ52の出力端
子側のノードN3−1と入力側のノードN3−2との間
には、コイル41(例えば、インダクタンス値が5n
H)が接続されている。ノードN3−1は寄生容量C3
−1を介して接地され、さらにノードN3−2も寄生容
量C3−2を介して接地されている。ノードN3−1に
は、コンデンサ43−1が接続され、このコンデンサ4
3−1の両端の電極間に、ソース接地増幅回路を構成す
るNMOS45−1のドレイン・ゲートが接続されてい
る。NMOS45−1のドレインには、負荷用のPMO
S46−1,47−1を介して制御電圧Vcが印加され
るようになっている。同様に、ノードN3−2には、コ
ンデンサ43−2が接続され、このコンデンサ43−2
の両端の電極間に、ソース接地増幅回路を構成するNM
OS45−2のドレイン・ゲートが接続されている。N
MOS45−2のドレインには、負荷用のPMOS46
−2,47−2を介して制御電圧Vcが印加されるよう
になっている。
【0018】このVCOでは、電源電圧VDDが印加さ
れると、インバータ51,52が発振する。コンデンサ
43−1,43−2は、ソース接地増幅回路を構成する
NMOS45−1,45−2のドレイン・ゲート間に接
続されているため、該増幅回路の入力容量の値を特徴づ
けるミラー効果の影響を受ける。そのため、第4の実施
形態と同様に、制御電圧Vcによってソース接地増幅回
路の電圧利得Gが変化し、インバータ51の出力端子か
ら出力される発振出力信号Voの発振周波数が制御され
る。従って、第4の実施形態とほぼ同様の効果が得られ
る。
【0019】なお、本発明は上記実施形態に限定され
ず、種々の変形が可能である。この変形例としては、例
えば、次の(a),(b)のようなものがある。 (a) 図1、図4及び図7のVCOは、コルピッツ発
振回路で構成したが、ハートレー発振回路等の他のコイ
ルとコンデンサにて構成された共振回路を用いた発振回
路に適用すれば、上記実施形態とほぼ同様の作用、効果
が得られる。 (b) 図7及び図8のVCOでは、NMOS45,4
5−1,45−2によるソース接地増幅回路を用いた
が、差動増幅回路等の他のアナログ増幅回路を用いてV
COを構成しても、上記実施形態とほぼ同様の作用、効
果が得られる。また、容量可変手段として用いたアナロ
グ増幅回路において、例えば、図7のNMOS45とP
MOS46の接続点から、発振出力信号Voを取出すよ
うにしてもよい。このようにすれば、通常、VCOに接
続する負荷の影響を少なくするため、入力インピーダン
スが高く、出力インピーダンスが低い出力バッファ回路
を入れることがあるが、このような出力バッファ回路を
省略できる。即ち、容量可変手段として用いたアナログ
増幅回路をVCOの出力バッファ回路として兼用するこ
とも可能となる。従って、回路構成をより簡単化でき
る。
【0020】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のう
ちの請求項1及び2に係る発明によれば、MOSキャパ
シタのゲート電極の電圧を制御、あるいはMOSキャパ
シタのソース・ドレイン電極の電圧を制御して発振周波
数を可変する構成にしたので、VCOの低消費電力化等
を図るために、該VCOをLSI等で集積化する場合、
従来のようにPN接合による可変容量ダイオードを構成
することなく、通常のMOSキャパシタを用いて構成で
きるため、回路構成が簡単であり、かつ製造工程が複雑
化することがない。請求項3及び4に係る発明によれ
ば、増幅回路のミラー効果を用い、共振回路の容量値を
制御して発振周波数を可変する構成にしたので、VCO
をLSI等で集積化する場合、請求項1及び2に係る発
明とほぼ同様に、回路構成が簡単であり、かつ製造工程
が複雑化することがない。請求項5に係る発明によれ
ば、増幅回路から発振出力を取出す構成にしたので、通
常、VCOに接続する負荷の影響を少なくするため、入
力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低い出
力バッファ回路を入れることがあるが、このような出力
バッファ回路を省略できる。即ち、容量可変手段として
用いた増幅回路をVCOの出力バッファ回路として兼用
することが可能となり、回路構成をより簡単化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示すVCOの回路図
である。
【図2】従来のVCOの回路図である。
【図3】図1の動作波形図である。
【図4】本発明の第2の実施形態を示すVCOの回路図
である。
【図5】図4の動作波形図である。
【図6】本発明の第3の実施形態を示すVCOの回路図
である。
【図7】本発明の第4の実施形態を示すVCOの回路図
である。
【図8】本発明の第5の実施形態を示すVCOの回路図
である。
【符号の説明】
10 増幅部 20,20A,40 帰還部 21,41 コイル 22,24,42,43 コンデンサ 23,25,25−1,25−2 MOSキャパシ
タ 31,32,51,52 インバータ 45,45−1,45−2 ソース接地増幅
回路用NMOS 46,46−1,46−2,47,47−1,47−2
負荷用PMOS Vc 制御電圧 Vo 発振出力信号

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 コイル及びコンデンサで構成された共振
    回路に、容量可変手段としてMOSトランジスタによる
    MOSキャパシタを接続し、前記MOSキャパシタのゲ
    ート電極の電圧を制御して発振周波数を可変する構成に
    したことを特徴とする電圧制御発振回路。
  2. 【請求項2】 コイル及びコンデンサで構成された共振
    回路に、容量可変手段としてMOSトランジスタによる
    MOSキャパシタを接続し、前記MOSキャパシタのソ
    ース・ドレイン電極の電圧を制御して発振周波数を可変
    する構成にしたことを特徴とする電圧制御発振回路。
  3. 【請求項3】 コイル及びコンデンサで構成された共振
    回路に、容量可変手段としてアナログ増幅回路を接続
    し、前記増幅回路のミラー効果を用い前記共振回路の容
    量値を制御して発振周波数を可変する構成にしたことを
    特徴とする電圧制御発振回路。
  4. 【請求項4】 前記アナログ増幅回路は、ソース接地増
    幅回路または差動増幅回路である請求項3記載の電圧制
    御発振回路。
  5. 【請求項5】 前記増幅回路から発振出力を取出す構成
    にしたことを特徴とする請求項3または4記載の電圧制
    御発振回路。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2005006539A1 (ja) * 2003-07-09 2005-01-20 Asahi Kasei Microsystems Co., Ltd. 可変容量素子及びこれを用いた発振回路
WO2005046046A1 (ja) * 2003-11-10 2005-05-19 Toyo Communication Equipment Co., Ltd. 水晶発振器

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