LC リング型 VCO の実験による検討

平成 26 年度電子情報通信学会東京支部学生会研究発表会
講演番号： 37
LC リング型 VCO の実験による検討
The experimental study of the LC-Ring Voltage Controlled Oscillator
A-1
田村 貴志
松谷 康之
Takashi TAMURA
Yasuyuki MATUYA
青山学院大学理工学部
電気電子工学科
Science & Engineering,Aoyama Gakuin University Department of Electrical Engineering & Electronics
1.はじめに 電圧制御発振器(VCO: Voltage controlled
ら、コルピッツ発振回路の電源電圧依存性は 4MHz/V、
oscillator)は通信機器の主要回路である。近年の LSI の定
LC リング型 VCO は 8.5MHz/V、3 段インバータリング発振
電圧化のトレンドに沿って、VCO の低電圧化も盛んに検
回路は 9.5MHz/V であった。コルピッツ発振回路の電源電
討されている。本検討では低電圧化に適した VCO である
圧依存性は非常に小さいが、LC リング型 VCO はリング発
LC リング型 VCO[1]に対し、その動作を実験により検証す
振回路よりも小さいがコルピッツ発振回路より大きな値とな
る。
った。これは、電源電圧変動により(1)式の A、B の値が変
2.LC リング型 VCO 図 1 に 3 段インバータの LC リング型
わるためであると考えられる。
VCO の回路構成を示す。インバータ段で構成されたリング
5.まとめ LC リング型 VCO が VCO として動作することを
VCO 内に、インバータによるコルピッツ発振回路を組み込
実測により明確にした。発振周波数の電源電圧依存性を
んだ回路構成である。図 2 に図１回路の等価回路を示す。
低減することが今後の検討課題である。
ro はインバータの出力抵抗である。ro ′ はインバータ段の出
参考文献
力抵抗、CL はインバータ段の寄生容量である。図 1 のａ点
[1]枦、井岡、松谷「LC-リング型電圧制御発振器の一検討」
と b 点が差動で動作することを用い、ａ点と b 点に接続され
電気学会電子回路研究会、ECT-14-075、2014.10.9
る 2 つの L/2 のコイルに分割し、かつ D の部分のインバー
タを(1)式の伝達関数で置き換える。
A + jB
Finv =
(1)
√A2 + B 2
これにより図 3 のシグナルフローが得られる。このフローの
発振条件はオープンループの伝達関数の虚数部が 0 とな
図 1 3 段インバータの LC リング型 VCO
ることである。これから発振周波数を求めると(2)式となる。
−L
f=
B √ 2 B 2
+ L ( ) + 32ro 2 LC
A
A
8πro LC
(2)
図 2 LC リング型 VCO の等価回路
これから、Vin の制御によりFinv を変えることにより発振周波
数を変化させることができることがわかる。
3. LC リング型 VCO の発振特性 図 4 に図 1 に示すイン
バータ 3 段の LC リング型 VCO の発振周波数の Vin 依存
性を示す。回路は L=1.8μH、C=20pF（インバータ入出力
容量値）、インバータ 74HC04 を用いて構成した。このとき
のコルピッツ発振回路部分の発振周波数は 62MHz であり、
インバータ 3 段のリング VCO の発振周波数は Vin =2V で
61MHz であった。LC リング型 VCO の発振周波数は Vin を
1.6V から 2.2V まで変化させることにより、57.5MHz から
81MHz まで変化させることができる。本実験では Vin の制
御範囲は 0.6V 程度と狭いが、適度なg m を有する NMOS ト
ランジスタを用いれば制御範囲を広げることが可能であ
る。
4.発振周波数の電源電圧依存性 表 1 に提案する LC リ
ング型 VCO、3 段インバータリング発振回路、およびコルピ
ッツ発振回路の発振周波数の電源電圧依存性を示す。電
源電圧の変動範囲を 10% (5V±0.5V)とした。表 1 の結果か
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図 3 LC リング型 VCO のシグナルフロー
図 4 3 段インバータ LC リング型 VCO 入出力特性
表 1 各 VCO、発振器の電源電圧/出力特性
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