JPH10506765A - 第２世代低ノイズマイクロ波電圧制御発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 低ノイズの線形増幅器およびその増幅器からなるマイクロ波電圧制御発振器であり、ＶＣＯ内の各増幅器は、比率トランジスタを用いて入力の広範囲に渡って線形出力を生成する。この増幅器からの出力は、主出力電流と同相および１８０°逆相電流成分とに分けられる。対数同調制御は、同相成分および１８０°逆相電流成分を逆比率で結合し、一定の直流帰還電流を得る。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称 第２世代低ノイズマイクロ波電圧制御発振器発明の属する技術分野 本発明は可変遅延を有する線形増幅器、およびそのような線形増幅器から構成 される低ノイズ・高周波電圧制御発振器に関するものである。従来の技術 セルラ無線電話配信システムの出現と情報時代の発展に伴い、ＶＨＦ及びＵＨ Ｆパーソナル通信システムの重要性は増加しつつある。ここで明らかなことは、 クロック再生とアナログＵＨＦ信号処理に対する、低コストの総合的な解決策が 必要なことである。そのような通信システムを構成する主要な構成要素の一つと して、低ノイズ（ジッタ）で、ＵＨＦの周波数で作動する必要のある電圧制御発 振器（ＶＣＯ）がある。現在、コスト軽減のために、そのようなＵＨＦ発振器に 対する総合的な解決策が求められるようになってきている。 それぞれ１９９２年１２月１５日、１９９３年２月９日に登録となった、本願 出願人による米国特許第５，１７２，０７６号および第５，１８５，５８１号は 、差動増幅器から構成される小信号電圧制御発振器を開示している。このような ＶＣＯは１ＧＨｚで動作可能であり、ピーク間で最大約０．１５Ｖまでの電圧を 発生でき、代表的な値として約５ｐｓ ｒｍｓ、すなわち０．００５単位間隔（ ＵＩ）のノイズジッタを供給する。ＵＩは、発振周期で割った実効値のジッタで ある。多くの場合、約０．０１ＵＩのジッタで十分であるが、将来のアナログ／ ディジタル変換技術には、１ＧＨｚで０．００１ＵＩあるいはそれ以下のジッタ が求められる。このことは、上記の特許で達成されるものより１４ｄＢの改善が 必要であることを示している。本発明はこのような条件を満たすＶＣＯに関する ものである。発明の概要 本発明の目的は、マイクロ波の周波数で低ノイズの線形増幅器を提供すること である。 また、本発明の目的は、一組の相互接続された線形増幅器からなる低ノイズの 電圧制御発振器を提供することである。 本発明のさらなる目的は、高信号レベルで高い線形特性を有する電圧制御発振 器を提供することである。 本願の第１の発明によれば、本発明は可変遅延手段を有する線形増幅器を提供 することである。この増幅器は、第１、第２、および第３のバイポーラ差動対と 、この第１、第２、および第３の差動対にそれぞれ接続された第１、第２、およ び第３の定電流源とを備える。前記差動対で差動電流出力が生成される。また、 入力エミッタフォロワおよび関連する電流ミラーの形式をとる比率トランジスタ で利得線形オフセット電圧を得る。 線形位相スプリッタは、前記差動電流出力を受信し、主電流出力および同相、 １８０°逆相電流成分を供給する。対数同調制御は、一定の直流帰還電流を供給 するために、前記同相成分および１８０°逆相電流成分を逆比率で結合させる。 好適な実施の形態では、帰還電流は、タップを有する負荷抵抗において主電流 と加算される。 本願の他の発明によれば、１対の線形増幅器が相互に接続されることによって 、第１の増幅器の正出力および負出力が、第２の増幅器の正入力および負入力に それぞれ接続され、また、第２の増幅器の負出力が第１の増幅器の正入力に接続 され、第２の増幅器の正出力が第１の増幅器の負入力に接続される。各増幅器の 出 力間には、９０°の位相推移が存在する。図面の簡単な説明 図１は、従来の線形増幅器を示す回路図である。 図２は、従来の２段リングオシレータの同調方法を示すブロック図である。 図３は、同調回路を含む本発明の概念を示す図である。 図４は、本発明に係る線形増幅器の詳細回路図である。 図５は、変形した同調回路を有する図４の増幅器を示す図である。 図６Ａは、電圧制御発振器を形成する２つの線形増幅器の接続を示す図である 。 図６Ｂは、図６Ａの電流制御発振器において用いられるシンボルを示す図であ る。 図７は、ミラーフィードバック、遅延および同調を有するジャイレータのモデ ルを示す図である。 図８Ａは、本発明で用いられる図７の同調構成を示すブロック図である。 図８Ｂは、電流ベクトル加算の概略図である。 図９は、対数同調範囲を示すグラフである。 図１０は、基本的な自動利得制御を示す回路図である。 図１１,図１２は、多共振器の設計を示す図である。発明の詳細な説明 本願出願人による米国特許第５，１８５，５８１号（ここで参照することによ って、その開示内容を含む）に係る増幅器は、低ノイズＶＣＯとして、正帰還を 有するジャイレータの原理に基づいて動作し、その主な極は右側のｓ面上に位置 する。同調は増幅器の利得を変化させることによって得られ、増幅器利得を変化 させることによってミラーフィードバック容量も変化し、従って、ジャイレータ 共振周波数が制御される。共振器のＱ係数は、回路における損失、そして増幅器 の非線形特性および増幅器に組み込まれた遅延に依存する。共振器のＱ係数を最 大にする方法を示す式は、本願出願人による現在審査中の米国特許出願番号０８ ／０７０，８２８に開示されており、ここでは参照することによって、その開示 内容を含むものとする。以下の式は、２つの直交小信号単一利得状態を示す。 ω_o＝ｇ_m／（Ｃ＋ＧＤ）・・・・・・（１） Ｄ＝Ｇ／（ω_o ²Ｃ）・・・・・・・・（２） この式（１）において、共振角周波数ω_oは、増幅器変換コンダクタンスｇ_m、 ジャイレータ容量Ｃ、および、ジャイレータ損失アドミタンスＧと増幅器組み込 み遅延との積で表わされ無視できる第２項によって表わされる。式（２）は、共 振器のＱ係数を制御する直交条件を示しており、この条件が満たされるとＱが無 限になる。実際には、発振を確実にするため、遅延Ｄを単一利得値より少し大き くしなければならない。 ロビンズによる式（Ｗ．Ｐ．ロビンズ，「信号源における位相ノイズ」の５２ ページ、ペレグリムス Ltd、１９８４年）は、発振器のノイズ特性に直接関連 する発振器の実効Ｑ係数であるＱ’は、式（３）に示すように、負荷Ｐにおける 発振器電力、増幅器ノイズ係数Ｎおよび共振器Ｑ係数に左右されることを教示し ている。 Ｑ’＝２ＱＰ／πＮｋＴＢ・・・・・（３） ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｂは共振器の３ｄＢ帯域幅を指 す。式（３）は、式（４）のように表すこともできる。 Ｑ’＝４Ｑ²Ｐ／ＮｋＴω_o・・・・・（４） この式（４）から、与えられた共振角振動数ω_oに対してノイズ性能は、共振 器Ｑ係数の２乗と負荷の電力Ｐに比例することが明らかである。本発明の目的は 、大信号Ｑ係数と電力Ｐの両方を最大にするため、大信号に対して、式（１）， 式（２）で設定される理想小信号条件を近似することにある。これは、上記の米 国 特許第５，１７２，０７６号および米国特許第５，１８５，５８１号に係る増幅 器を、より大きな信号処理能力および改善された線形特性を持った増幅器に置き 換えなければならないことを意味している。同時に、ある場合には周波数が変え られるように、この増幅器は同調可能でなければならない。 マイクロ波周波数で線形増幅器を得るために使用される本質的な原理は、現在 審査中の本願出願人の米国特許出願番号０８／２５７，９７５に述べられており 、図１にその一形態が示されている。このような増幅器は、約１０ＧＨｚのｆ_T を有した代表的なバイポーラ処理において、２ＧＨｚの３ｄＢ帯域幅を有する２ ７ｄＢの利得を持つことが可能である。また、この増幅器はピーク間電圧１４０ ｍＶの入力信号を、全高調波ひずみ１％以下で増幅することができる。選択され た増幅利得によっては、この増幅器は、負荷に少なくともピーク間電圧１．５Ｖ を供給することができ、これは従来の増幅器で生成される信号よりも振幅が大き い。この増幅器において重要な特徴は、カレントミラーに印加されたバイアス電 圧によって動作する自動利得制御により、利得を変化させることが可能である点 にある。従って、発振器の線形領域で動作するように、発振器の振幅を制御する ことが可能であり、これにより共振器の大信号Ｑ係数を最大にできる。 上記の増幅器に必要なもう一つの条件は、ＶＣＯとして動作するよう、何らか の形で同調が可能でなければならないことである。わずかな程度（約１０％）の 制御を行うための方法の一つに、図１の増幅器中に２つの信号経路（その一つは 、より大きな組み込み遅延を有する）と、それら２つの経路間の信号を変化させ る同調手段を設ける方法がある。この方法は、異なった経路遅延を有する２つの 正弦波信号の組み合わせが歪みのない正弦波を残すので、有効となる。しかしな がら、実際の目的のため、正常な集積回路の製造ばらつきに対処するには、１０ ％の同調範囲は不十分であると考えられる。 ２段のリング発振器を同調するもう一つの方法は、ポットバッカー・アンド・ ラングマン著「８ＧＨｚシリコン・バイポーラのクロック回復およびデータ再生 ＩＣ」（技術論文ダイジェスト、１９９４年、ＩＥＥＥ国際半導体回路会議の１ １６ページ）に説明されている。この構成では、図２に示すように、エミッタフ ォロワＥＦおよび増幅器ＣＳ２、ＣＳ３における電流が、加算点Ｓ１で位相遅延 を得るよう調節されており、この遅延は増幅器ＣＳ１における遅延と一致する。 この加算点Ｓ１は、加算点Ｓ２において±９０°の信号ベクトルが増幅器ＣＳ１ の出力に加えられた量を変化させるのに用いられ、これにより、組み合わされた 信号位相が変化し、その変化に伴い周波数も変化する。この回路には、約±９０ °において信号位相器となるようにするため、増幅器ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３と エミッタ・フォロワのバイアスレベルを調整する必要があるという不利な点があ る。このようなバイアスレベル調整は、処理と温度に依存し、やっかいなもので ある。それに加え、この従来技術に係る増幅器は、高レベルの非線形特性を有し ている。 本発明は、本願出願人の上記米国特許、特に本願の図６Ａに示すように、ジャ イレータ共振器中の２つの増幅器によって自動的に設定される、ちょうど９０° の位相推移を利用して発振器周波数を制御する改善された方法を提供するもので ある。この構成により、増幅器の出力の同相成分と１８０°の逆相成分の双方が 自動的に、正確な±９０°の位相器として増幅器の入力に現れる。本発明によれ ば、入力において一定の直流電流の和を得るために、逆変量中のこれらの成分を 制御することにより同調が行われる。 図３は、ジャイレータの１つの増幅器に対する同調構成を概念的に示すもので ある。図３において、増幅器／電流源５０は、図１に示される線形増幅器を含ん でいる。この線形増幅器は３つの差動対を有しており、トランジスタ２０,２１ が第１の対を構成し、トランジスタ２２,２３が第２の対を、そして、トランジ スタ２４,２５が第３の対を構成している。トランジスタ２０，２１で構成され る対は、ノード２７に接続される電流源２６を備え、トランジスタ２２,２３で 構成される対は、ノード２９に接続される電流源２８を備えている。そして、ト ランジスタ２４,２５で構成される対は、ノード３２に接続される電流源３０を 備えている。比率エミッタフォロワ３４,３５および逆比率カレントミラー３６, ３７は、トラ ンジスタ２０,２２,２４に入力を供給し、比率エミッタフォロワ３８,３９、お よび逆比率カレントミラー４０,４１は、トランジスタ２１,２３,２５に入力を 供給する。増幅器の出力は、トランジスタ４２,４３から構成されるカスケード 出力段を介して出力される。この出力は、審査中の本出願人による米国特許出願 番号０８／２５７，９７５中で論じられているように、広範囲にわたって線形で ある。 図１に示す線形増幅器および図３の枠５０内の線形増幅器は、図４の点線の枠 ５１により詳細に示されている。この線形増幅器からの出力は、比Ｍ＝５を有す るカスケードトランジスタから構成される位相スプリッタ５２へ供給される。同 図に示すように、２つの５ｘトランジスタ５６,５８の出力は差動出力である。 １ｘトランジスタ６０,６２からの出力は、図３に概念的に示されている調整制 御５４へ供給される。再び図３を参照すると、主な出力は増幅器／電流源５０の ＭＸ出力である。１ｘトランジスタの出力は、各々がエミッタ結合トランジスタ で構成される差動対に接続される。各差動対のベース電圧は、同調入力より供給 される。コレクタ出力は、負荷抵抗を介して取り出され、その出力は、図示のよ うに増幅器の入力に接続される。 図４は、増幅器の回路をより詳細に図示しており、特にそれぞれの増幅器の入 力を介して出力が得られている点について詳細に示している。図示されているよ うに、増幅器の過負荷を避けるため、負荷抵抗をタップ接続して減衰された入力 レベルを供給している。図４にはまた、ジャイレータミラー容量８３,８５が示 されている。図４では、位相スプリッタ５２中の１ｘトランジスタ６０,６２は 、同調制御５４内の１ｘトランジスタ７０,７２,７４,７６に入力される。これ ら１ｘトランジスタのベースには、正入力７８および負入力８０を介して、差動 制御信号が入力される。位相スプリッタトランジスタ６０,６２の出力は、差動 同調制御入力ライン７８,８０における電圧入力値に応じて、入力ノード８２,８ ４に入力される。ノード８２,８４における出力は、タップ接続された負荷抵抗 ８６,８８,９０,９２を介して現れ、そこでは、ノード８２,８４における出力は 、図６Ａと関連させて説明するジャイレータの他の増幅器の位相スプリッタ内に ある５ｘト ランジスタ５６,５８の出力と加算される。従って差動制御入力で、出力電流が タップ接続された負荷抵抗に向かい、これにより、次に入力電圧が線形増幅器に 入力される。 図５は、図４に示された回路の他の形態である。図５における同調制御は、図 ４に示すような差動電圧ではなく、トランジスタ７０,７２,７４,７６へ入力さ れる差動電流で行われる。 図４はまた、同調制御においてノイズの影響を軽減させる抵抗９５,９６,９７ ,９８を示している。図５は、同様の目的を有する抵抗９９,１００を備えている 。これら全ての抵抗は同じ値を有しているが、通常は、負荷抵抗（８６＋８８） および（９０＋９２）を越えない値である。 本発明の一実施の形態に係る電圧制御発振器は、図６Ａに示すように、ジャイ レータ共振器の形態をとる一対の線形増幅器で構成される。この図の中では、２ つの増幅器Ａ₁およびＡ₂は、Ａ₂の出力がＡ₁の入力に結合された状態で相互接続 されている。Ａ₁の正出力は、Ａ₂の負入力に接続されており、Ａ₁の負出力は、 Ａ₂の正入力に接続されている。 図６Ｂは、図６Ａのジャイレータ共振器のシンボル表記を示している。 本発明の同調構成は、図７に示されるジャイレータモデルを参照すると、より よく理解できる。ジャイレータは、ミラーフィードバック、遅延および同調を有 する。この同調は、電流フィードバックにより、ノード（１）からノード（２） へ、またはノード（２）からノード（１）へ行われる。正規化された周波数偏移 は、フィードバック比に関係する。図７において、電流フィードバック比ρは、 ρ＝ｆ／ｇであり、そして、 δω／ω＝ａｓｉｎρ／（ａｓｉｎρ＋π／２）・・・・（５） である。ここで、δω／ωは周波数偏移を示す。 図８Ａは、図６Ａに示されたＶＣＯに関連する同調構成を図示したものである 。図８Ａにおいて、ジャイレータポートは直交位相にある。あるポートから他の ポートへの電流フィードバックは、そのポートの変換コンダクタ出力に加算され 、新たに組み合わせた出力を生成する。その出力は、組み合わされた成分のベク トル和である。従って、図８Ａにおいて点線で示される可変電流フィードバック 経路３および６は、それぞれ出力１および４と加算される。このベクトル加算は 、図８Ｂに簡潔に示されている。図８Ｂにおいて、ベクトル１と３が加算されて ベクトル２が生成され、ベクトル４と６が加算されてベクトル５が生成される。 図４,５において、位相スプリッタのカスケードミラー比Ｍは１：５である。 そこで、式（５）に代入すると、 δω／ω＝１４．７％および−１２．８％ が得られる。 図９で示されるように、広い周波数範囲において、同調範囲は対数特性を有す る。この同調範囲は、周囲温度と処理変数には影響されない。 厳格に制御されたバイポーラ処理の場合、処理を補うのに必要とされる制御量 は少なくなり、供給できるフィードバック電流量を減らすことによって、発振器 の電力／周波数利得が減少し、位相ノイズが改善される。 上記のように、本発明の目的は、本願出願人の米国特許出願番号０８／０７０ ，８２８による小信号条件、すなわち共振器Ｑ係数を最大にし、位相ノイズを最 小にするための式（１）および式（２）で表される条件を、大信号レベルで厳密 に 近似することにある。そのためには、増幅器が線形領域において、すなわち一定 の利得で動作する必要がある。本願出願人の米国特許第５，１７２，０７６号と 第５，１８５，５８１号に開示されている、ミラー容量を変更するために増幅利 得を変える同調方法と違って、本発明の発振器における同調メカニズムは、増幅 器の変換コンダクタンス（ｇ_m）を間接的に変更し、式（１）に従って共振器周 波数（ω_o）を変更することにより、その目的を達成することができる。これは 、増幅器遅延Ｄを直接調整して行う。このとき、増幅器の線形領域での動作によ って式（２）がほぼ実現されるように、自動利得制御がバイアス入力に適用され る。式（２）によれば、損失アドミタンスＧとミラー容量Ｃは一定に保たれてい るため、遅延Ｄの変化を補う変数はω_o ²である。式（１）において、ミラー容量 Ｃは一定であり、積ＧＤは値の小さい第２項である。そして、ω_oが式２をほぼ 満たすように、増幅器の変換コンダクタンスｇ_mを変化させる。従って、大信号 レベルではＱが最大となる。 図１０は、本発明のＶＣＯに対する基本的な自動利得制御（ＡＧＣ）回路を示 す。このＶＣＯからの出力は、容量１０２を介して、バイポーラトランジスタ１ ０４、抵抗１００,１０８で構成されるレベル検出器と容量的に結合される。ト ランジスタ１０４のベース１０５は、約０．７５Ｖ_beのレベルで、カットオフ以 下にバイアスされている。ＶＣＯからの出力が約０．２５Ｖ_be以上に増加すると 、トランジスタ１０４は、抵抗１１０,１１２を通じて導通を開始する。これに よってコンデンサ１１４は放電し、ライン１１６上のＶＣＯバイアス電圧を低下 させる。その結果、それぞれの出力が約０．５Ｖ_beｐｐの平衡状態になるまで、 ＶＣＯ出力電圧が低下する。 この基本設計は、様々な形で応用することができる。例えば、ＶＣＯ出力とＡ ＧＣ制御入力間の固定利得の差動増幅器を、コモンモードのフィードバックを除 去するのに用いることができる。また、供給電圧を調整することも可能である。 さらに、直列の３つのシリコンダイオードを用い、１／Ｔに比例させて、ＡＧＣ 供給電圧を調整することで、ＶＣＯの温度の安定性を５００ｐｐｍ／℃より良好 にすることができる。 本発明に係るＶＣＯの更なる特徴は、増幅器の利得のため、適当な入力信号レ ベルを低ひずみ増幅器に供給するよう、負荷抵抗がタップ接続されていることで ある。マルチ共振器による構成において、共振器のリングが発振のリングモード を確立し、そのマルチ共振器に対して、カスケードに動作する共振器を提供する ため、タップ率は要求に応じて変えることができる。図１１,１２は、マルチ共 振器の設計の一例を示す。リングによるカスケードフィルタリングは、発振器の Ｑを高める。シュミレーションをすることで、本発明に基づく単一の共振発振器 は、ピーク間電圧１．５Ｖの出力レベルで約１％の高調波ひずみを持つことが分 かった。この場合、支配的な歪みは第３高調波である。図１２に示すように、６ つの共振器をリング状に配置することによって、カスケード接続された共振器は 、更なる高調波の高周波フィルタリングを供給する。つまり本発明は、高調波が 少なく、低ノイズの信号源をマイクロ波の周波数で供給する手段となる。 上述のように、リング状のマルチ共振器において、ピーク間電圧１．５Ｖの出 力レベルで、１％あるいはそれ以下の全高周波歪みレベルを得ることが可能であ る。このような歪みレベルは、この信号振幅における約１％の残留非線形による ものである。自動利得制御によって得られた安定動作の下では、発振の１サイク ルにおける利得の積分は、正確に１になる。このことは、単一およびマルチ共振 発振器においても同様である。マルチ共振器の場合、１サイクルにおけるリング 利得の積分は１となる。また、残留利得の非線形のため、小信号利得は１よりわ ずかに大きい。しかしながら、変換コンダクタンス率Ｒ＞１に対して、共振器ル ープ利得は、常にマルチ共振器のリング利得より小さい。従って、比率Ｒを調節 することが可能であり、１よりわずかに大きい小信号リング利得に対して、共振 器ループ利得は１に近くなる。よって、小信号レベルにおける個々の共振器のＱ 係数が最大になり、発振器のＱ係数が全体的に改善される。 正常な動作信号レベルで、ジャイレータの出力において生成された全高周波歪 みをＴＨＤとすると、Ｒに最適な値は（１＋ＴＨＤ）となる。 本発明の具体的な実施の形態を図示し説明したが、当業者には、これらの実施 の形態の変形や他の方法が可能であることは明らかである。しかしながら、その ような変形や他の方法は、本願の請求項で定義される発明の範囲内のものである ことが理解される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 可変遅延手段を有する線形増幅器において、 第１、第２、および第３のバイポーラ差動対と、 前記第１、第２、および第３の差動対にそれぞれ接続された第１、第２、およ び第３の定電流源と、 前記差動対で生成される差動電流出力と、 比率入力エミッタフォロワおよび関連する電流ミラーで供給される利得線形オ フセットと、 前記差動電流出力を受信し、主電流出力と、同相および１８０°逆相電流成分 とを供給する線形位相スプリッタと、 前記同相成分および１８０°逆相電流成分を逆比率で結合させ、直流帰還電流 を供給する対数同調制御とを備えることを特徴とする線形増幅器。 ２． 前記位相スプリッタは、カスケード接続された比率バイポーラトランジス タを備えることを特徴とする請求項１記載の線形増幅器。 ３． 前記帰還電流は、前記位相スプリッタ中のトランジスタの比率に依存する ことを特徴とする請求項２記載の線形増幅器。 ４． 前記対数同調制御は、差動入力制御電圧を有することを特徴とする請求項 ３記載の線形増幅器。 ５． 請求項４記載の線形増幅器対を備える電圧制御発振器において、 第１の増幅器の正出力が第２の増幅器の正入力に接続され、第１の増幅器の負 出力が第２の増幅器の負入力に接続され、第２の増幅器の正出力が第１の増幅器 の負入力に接続され、第２の増幅器の負出力が第１の増幅器の正入力に接続され ることを特徴とする電圧制御発振器。 ６． 前記第１の増幅器の結合された同相および１８０°逆相電流は、前記第１ の増幅器の入力負荷抵抗において、前記第２の増幅器の主電流出力と加算される ことを特徴とする請求項５記載の電圧制御発振器。 ７． 前記入力負荷抵抗はタップ付きであることを特徴とする請求項６記載の電 圧制御発振器。 ８． 抵抗のタップ率は、利得が得られるよう可変であることを特徴とする請求 項７記載の電圧制御発振器。 ９． 前記帰還電流は、発振器の同調範囲を制御することを特徴とする請求項８ 記載の電圧制御発振器。 １０．入力エミッタフォロワに関連する電流ミラーは、バイアス入力を有するこ とを特徴とする請求項９記載の電圧制御発振器。 １１．前記バイアス入力は、各増幅器の利得を制御することを特徴とする請求項 １０記載の電圧制御発振器。 １２．請求項１記載の線形増幅器を複数備え、前記増幅器はマルチ共振器の構成 によって接続されることを特徴とする電圧制御発振器。