專利名稱：電壓控制振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在各種電子電路裝置如無線電接收機、電視接收機、磁帶錄像機或車載通信設(shè)備中用于各種目的的電壓控制振蕩器，特別是涉及一種采用簡單的電路結(jié)構(gòu)獲得高性能電壓控制振蕩器的技術(shù)。


圖1表示一種現(xiàn)有的電壓控制振蕩器。
如圖1所示，由一差動的晶體管對Q1和Q2以及分別同這兩晶體管的集電極相連的集電極電阻R0和R0構(gòu)成一個差動放大器。由線圈L0、電容器C0和可變電容量的二極管(也稱為變?nèi)荻O管)VC1、VC2所構(gòu)成的LC諧振電路被連接在差動放大器的差動輸出端之間。另外，LC諧振電路中所包含的線圈L1和L2被用于抑制輸入信號(控制電壓)中的AC(交流)成份，并且具有與線圈L0相比足夠大的電感值，電容器C1和C2被用于抑制輸入信號中的DC(直流)成份并具有與電容器C0和Cv相比足夠大的電容值。在圖1中，Cv代表可變電容二極管CV1和VC2二者的電容值，并且隨其上跨接的外加控制電壓(輸入信號)而變化。
還有，差動晶體管對Q1和Q2的每個差動輸出被一個由晶體管Q3和發(fā)射極電阻R3組成的射極跟隨器以及一個由晶體管Q4和發(fā)射極電阻R4組成的射極跟隨器進行緩沖，并且被分別反饋給差動晶體管對Q1和Q2的兩個基極。該反饋在一特定頻率下變?yōu)檎答?，使得圖1所示的整個電路在上述LC諧振電路的諧振頻率下振蕩。該電路的諧振頻率f0由表1的式(1)給出，并根據(jù)隨控制電壓而變化的兩個可變電容二極管VC1和VC2的電容值Vc而變化。
但是，在現(xiàn)有的電壓控制振蕩器中，由于變?nèi)荻O管VC1和VC2被用于構(gòu)成諧振電路，就增加了要被外接到半導(dǎo)體IC(集成電路)上的部件數(shù)量，從而導(dǎo)致部件的成本提高和IC基片面積的增加。
而且，外接在該IC上的部件的安裝布置和IC的布線圖型導(dǎo)致了從上述振蕩器產(chǎn)生不必要的電磁波輻射，并且引起該振蕩器失去其振蕩穩(wěn)定性，由此，在設(shè)計IC基片上的困難變得非常大。
進而，由于諸如相對于控制電壓的頻率變化中的線性的特性是取決于所使用的變?nèi)荻O管VC1和VC2的電容可變特性，所以在單個的變?nèi)荻O管VC1和VC2上的特性偏差和溫度偏移大大影響了該振蕩器的性能。因而，當(dāng)對于上述這種振蕩器，需要高性能特性時，就限制了振蕩器中可被使用的部件，并且需要選擇分立部件，從而導(dǎo)致了部件成本的進一步提高。
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種高性能電壓控制振蕩器，它不使用可變電容二極管并且具有在半導(dǎo)體IC形成中容易制造的電路結(jié)構(gòu)。
上述目的可以由這樣的電壓控制振蕩器來實現(xiàn)，該電壓控制振蕩器包括a)差動放大器；b)LC諧振電路，具有一個線圈和一個電容器并跨接在所述差動放大器的各差動輸出端上；c)移相電路，用于通過一個緩沖器接收所述差動放大器的差動輸出并且在正反饋模式下把其輸出提供給該差動放大器；以及
d)電流控制電路，用于根據(jù)從在該電壓控制振蕩器之外的一個電路所施加到其上的控制電壓來可變地控制所述移相電路的工作電流。
上述目的也可以由一個FM(調(diào)頻)檢測器實現(xiàn)，該FM檢測器包括a)一個鑒相器，給其輸入一經(jīng)過調(diào)制的波；b)一個環(huán)路濾波器，把鑒相器的輸出限制在一個要通過的頻帶上；c)一個電壓控制振蕩器，包括差動放大器；LC諧振電路，它具有一個線圈和一個電容器并跨接在所述差動放大器的各差動輸出端上；移相電路，用于經(jīng)由一個緩沖器接收所述差動放大器的差動輸出并在正反饋模式下把其輸出提供給差動放大器；和電流控制電路，用于根據(jù)從所述環(huán)路濾波器所施加到其上的控制電壓來可變地控制所述移相電路的工作電流，所述電流控制電路的輸出被提供給所述鑒相器。
圖1是在上述現(xiàn)有技術(shù)中所描述的傳統(tǒng)電壓控制振蕩器的電路線路圖；圖2是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的電壓控制振蕩器的基本電路的電路框圖；圖3是圖2中用于提供電流Ie的控制電路的線路圖；圖4是圖3中用于提供電流Ic和Ib的帶有溫度特性消除電路的電流源的線路圖；圖5是圖2中所示的電壓控制振蕩器在衛(wèi)星廣播接收機的FM檢測器中應(yīng)用的實例的電路框圖；圖6是圖2所示的電壓控制振蕩器的另一個在電視接收機的選臺電路中應(yīng)用的實例的電路框圖。
下面參照附圖來對本發(fā)明進行進一步的說明。
圖1已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)中進行了描述。
圖2是本發(fā)明的一個優(yōu)選實例中的電壓控制振蕩器的基本電路的線路圖。
如圖2所示，由一(差動)晶體管(差動)對Q1和Q2以及相對應(yīng)的集電極電阻R0和R0構(gòu)成差動放大器。
由線圈L0和電容器C0構(gòu)成的LC諧振電路連接在差動放大器的各差動輸出端之間。應(yīng)注意，電容器C0是作成在半導(dǎo)體IC(集成電路)內(nèi)的，只有線圈L0是外接到IC上的一個部件。
而且，由差動的晶體管對Q1和Q2構(gòu)成的差動放大器的差動輸出電壓V0和V0分別被晶體管Q3和射極電阻R3構(gòu)成的一個射極跟隨器(晶體管放大器)和晶體管Q4和射極電阻R4構(gòu)成的另一個射極跟隨器進行緩沖。緩沖后的各輸出被分別加給另一對另一差動晶體管對Q5和Q6的基極。
由差動晶體管對Q5和Q6、如表1的(2)式所表示的根據(jù)控制射極電流Ie所決定的射極電阻re和跨接在差動晶體管對Q5和Q6的發(fā)射極上的電容器Ce(稱為發(fā)射極間電容器)構(gòu)成LPF(低通濾波器)，該LPF對差動晶體管對Q5和Q6中的左側(cè)的Q6的發(fā)射極電壓進行移相。下文中把以差動晶體管Q5和Q6為核心的LPF稱為移相電路。移相電路的每個輸出(電壓)V1′被反饋給差動晶體管對Q1和Q2的對應(yīng)基極上。差動晶體管對Q5和Q6的集電極電流也被反饋給LC諧振電路。在式(2)中，K代表玻爾茲曼(Boltsmann)常數(shù)，T代表絕對溫度，g代表一個載流子的電荷。
假如用gm表示此差動晶體管對Q1和Q2的輸入電導(dǎo)。從該差動晶體管對Q1和Q2的基極間的電位差V1到移相電路的輸出電壓V1′的傳遞函數(shù)T(jw)就被表示為表1中的式(3)。如果式(3)的傳遞函數(shù)的虛數(shù)部分為零，即式(3)中的分母的實數(shù)部分為零，則引起正反饋。表1的式(4)表示此時的諧振頻率ωo。假定如表1的式(5)所給出的移相電路的發(fā)射極間電容Ce是LC諧振電路的電容Co的兩倍。當(dāng)按照式(2)把發(fā)射極電流Ie代入移相電路的發(fā)射極電阻re時，則振蕩角頻率ωo由表2的式(6)給出，可以看出振蕩角頻率是隨發(fā)射極電流Ie而變化的。圖3中的發(fā)射極電流Ie的控制電路圖3表示出一個控制電路，能可變控制構(gòu)成圖2的移相電路的該差動晶體管對Q5和Q6的各個發(fā)射極電流Ie。
在圖3中，控制電壓Vc是在一差動晶體管對Q15和Q19的各基極之間以及另一差動晶體管對Q21和Q23的各基極之間的電位差(晶體管Q15的基極同晶體管Q21的基極相連，晶體管Q19的基極同晶體管Q23的基極相連)，從而產(chǎn)生了差動晶體管對Q15和Q19(Q21和Q23)的集電極電流差2Ix。如表2的式(7)所給出的該電流Ix是由控制電壓Vc被差動晶體管對Q15和Q19(Q21和Q23)的發(fā)射極之間所連接的發(fā)射極電阻Rc相除所得的值。由連接在兩個晶體管Q15和Q19(Q21和Q23)的發(fā)射極之間的恒流源提供該差動晶體管對Q15、Q19的發(fā)射極電流Ic和Ic。晶體管Q21的集電極電流(Ic+Ix)和晶體管Q23的集電極電流(Ic-Ix)分別作為基極接地晶體管Q22和Q24的發(fā)射極電流而流動。而且，晶體管Q15的集電極電流(Ic+Ix)作為一對平衡晶體管Q16和Q17的發(fā)射極電流流動，且晶體管Q19的集電極電流(Ic-Ix)作為另一對平衡晶體管Q18和Q20的發(fā)射極電流流動。在表2的式(8)中表示出了各個晶體管Q16、Q17、Q22和Q24的基極-發(fā)射極電壓VBR16、VBR17、VBR22和VBR24之間的關(guān)系。表2的式(9)中給出了各個基極-發(fā)射極電壓VBR16、VBR17、VBR22和VBR4。因此，如果解出(8)和(9)兩式，就能如表2的式(10)那樣給出各個晶體管Q16和Q17的集電極電流I16和I17。
同樣，表3的式(11)給出了晶體管Q18和Q20的每個集電極電流I18和I20。
表3的式(12)表示出2Ic減去和電流(I16+I20)而得到的電流I9的余數(shù)(差)。
同樣，表3的式(12)也給出了Ic減去和電流(I17+I18)而得到的電流12的余數(shù)。
電流I9通過電壓偏移晶體管Q13和Q14而流入晶體管Q9。電流I12通過電壓偏移晶體管Q13和Q14而流入晶體管Q12。
由于給每個晶體管Q7、Q8、Q9和Q12建立了與式(8)相同的關(guān)系，則表3的式(13)給出了晶體管Q7的集電極電流Ie。
由式(13)可看出，移相電路中的該差動晶體管對Q5和Q6的各個發(fā)射極電流Ie將根據(jù)控制電壓Vc而可變控制，如圖3所示。如上述那樣，當(dāng)改變每個發(fā)射極電流Ie時，圖2所示的振蕩器的振蕩角頻率ωo按式(6)變化。換句話說，根據(jù)控制電壓Vc來可變地控制電壓控制振蕩器的振蕩頻率。在圖3中，Vcc表示所加的偏置電壓源，V1、V2和V3分別表示所加電壓源。圖4的溫度特性消除(cancel)電路圖4表示在圖3的Ie控制電路中提供Ic、2Ic和2Ib的恒定電流的恒流源的電路結(jié)構(gòu)。
恒流源具有一些電路以消除圖2所示的振蕩器的溫度特性。
詳細地說，在圖4中，將一個具有KT/q的溫度特性的溫度特性消除(抵消)電路加到產(chǎn)生恒定電流2Ib的恒流供電電路中，并且將一具有1/R的溫度特性的溫度特性消除(抵消)電路加到產(chǎn)生恒定電流Ic和2Ic恒流供電電路中。
晶體管P1、P2和P3以及電阻R5、R6和R7構(gòu)成一個電流鏡象電路(current mirror circuit)，以使PNP晶體管P2和P3的集電極電流等于晶體管P1的集電極電流。晶體管Q25和Q26以及電阻Rb構(gòu)成所謂的帶頂基準電路(band cap reference circuit)。在晶體管Q25和Q26的發(fā)射極之間的發(fā)射極尺寸比(emitter size ratio)n決定了表3的式(14)所給出的具有KT/q溫度特性的電流Ib。該恒定電流Ib被折回(反射，mirrored)另一電流鏡象電路中。在由晶體管Q227、Q28和Q29及電阻R8、R9和R10所構(gòu)成的該另一個電流鏡象電路中，晶體管Q27的集電極電流(即，由晶體管P3獲得)和等于晶體管Q27的集電極電流的晶體管Q28的集電極電流相加，而得到作為圖3的恒流(供電)源2Ib的雙倍集電極電流2Ib。
而且，由晶體管Q30(包括基極電壓源V4)、Q31、Q32、Q33、Q34和Q35，晶體管Q36和電阻器R17所構(gòu)成的基準電壓發(fā)生器產(chǎn)生一個恒定電流以流入晶體管Q36。該電流Ic具有由表3的式(15)所表示的1/R的溫度特性。該電流Ic通過一個PNP電流鏡象電路(由晶體管P4、P5、P6和P7以及電阻R18、R19、R20和R21所構(gòu)成)并通過一個NPN電流鏡象電路(由晶體管Q37、Q38及電阻R22、R23構(gòu)成)受到一個鏡象作用(mirror effect)，而產(chǎn)生Ic和2Ic的恒定電流，恒定電流Ic和2Ic是圖3所示的Ic和2Ic的恒流(供電)源。
通過把式(14)和(15)代入式(13)，就可得到表3的式(16)。
進而，表3的式(17)是把一個等式(由式(2)代入式(6)而獲得)代入式(16)的結(jié)果。
如式(17)所示那樣，控制電壓Vc的項是在根號包括的計算外邊，從而控制電壓Vc的變化相對振蕩頻率具有線性變化特性。因此，這樣的相對于控制電壓Vc頻率變化為線性的特性是優(yōu)越的。而且，由于式(17)中的電阻項是恒定比率而且如式(17)所示那樣溫度系數(shù)被抵消，這樣的作為振蕩頻率中的溫度漂移的溫度變化特性也是優(yōu)越的。這就是說，本發(fā)明的電壓控制振蕩器的振蕩頻率不受溫度漂移的影響。電壓控制振蕩器的應(yīng)用實例圖5示出了把本發(fā)明的電壓控制振蕩器用于安裝在衛(wèi)星廣播接收機中的FM(調(diào)頻)檢測器(調(diào)制器)(視頻檢測器)中的一個PLL(鎖相環(huán))振蕩器的一個例子。
在圖5中，鑒相器2用于對輸入調(diào)制波和電壓控制振蕩器1的輸出進行鑒相，環(huán)路濾波器3從鑒相器2的輸出信號中消除高頻成份，并把控制電壓反饋給電壓控制振蕩器1，以使環(huán)路濾波器3的輸出具有與輸出調(diào)制波相同的頻率。因此，控制電壓提供檢測器輸出。當(dāng)本發(fā)明的電壓控制振蕩器1用在圖5所示的衛(wèi)星廣播接收機的FM檢測器中時，相對于控制電壓的頻率變化特性直接提供抑制特性以防止檢測到的輸出波形中的失真和其中的差拍，因此，可以預(yù)料在FM檢測器中使用本發(fā)明的電壓控制振蕩器可給衛(wèi)星廣播接收機提供大大改善的性能。
應(yīng)注意，圖5中的(L)對應(yīng)于圖2所示的L0。
圖6表示把本發(fā)明的電壓控制振蕩器1用到電視接收機中的選臺本機振蕩器的另一個例子。
當(dāng)從例如一個微型計算機(未示出)給PLL合成器4發(fā)出一個選臺指令時，PLL合成器的控制電壓用于控制電壓控制振蕩器1的振蕩。電壓控制振蕩器1的振蕩輸出和RF(射頻)輸入被一個混頻器5進行混頻?；祛l器5的輸出通過一個IF(中頻)放大器5提供一個IF(中頻)輸出。當(dāng)本發(fā)明的電壓控制振蕩器被用于圖6所示的實例時，就能降低TV(電視)接收機的制造成本和減小IC基片面積。應(yīng)注意圖6所示的(L)對應(yīng)于圖2所示的L0。
電壓控制振蕩器被用于各種電子電路設(shè)備，例如，無線電接收機中的選臺本機振蕩器、車載通信設(shè)備中的調(diào)制-解調(diào)振蕩器、(磁帶)錄像機中的選臺本機振蕩器和RF調(diào)制器的振蕩器。本發(fā)明的電壓控制振蕩器當(dāng)然可以應(yīng)用在上述這類振蕩器中。
在本發(fā)明的電壓控制振蕩器中，由于電壓控制振蕩器可以不由變?nèi)荻O管這類可變電容元件來構(gòu)成，所以能實現(xiàn)部件數(shù)量的減少，也能實現(xiàn)部件成本(制造成本)的降低及IC基片面積的減小。
本發(fā)明的電壓控制振蕩器可獲得各種優(yōu)點。
表1fo=12π1Lo·Co′]]>其中Co′=Co+Cv2----(1)]]>re=KTq1le----(2)]]>T(jω)=jω·gm4CoCere12·Lo·Co·Ce·re-ω2(12Ce·re-12Co·Ro-14Co·re)+jω(14·Co·Ce·Ro·re+1Lo·Co-ω2)----(3)]]>ωo=1Lo·Co(1+Ce·reCo·Ro-Ce2·Co)---(4)]]>Ce＝2·Co …(5)表2ωo=1Lo·CoRo2·re=Ro·q2·kT·Lo·Co·le---(6)]]>Ix=VcRc----(7)]]>VBE16＋VBE24＝VBE17＋VBE22....(8)VBE16=KTq1n(I16IS)]]>VBE17=KTq1N(I16IS)]]>VBE22=KTq1n(Ic+IxIs)]]>VBE24=KTq1n(Ic-IxIs)----(9)]]>I16=Ic2+Ix+Ix22·Ic]]>I17=Ic2-Ix22·Ic----(10)]]>表3I18=Ic2-Ix22·Ic]]>I20=Ic2-Ix+Ix22·Ic----(11)]]>I9=2Ic-(I16+I20)=Ic-Ix2Ic]]>I12=Ic-(I17+I18)=Ix2Ic----(12)]]>Ie=2·IbIx2Ic2=2·IbVc2Ic2Rc2---(13)]]>Ib=1n(n)RbKTq----(14)]]>Ic=V4R14+R15----(15)]]>Ie=21n(n)RbKTq(R14+R15)2Vc2Rc2·V42----(16)]]>ωo=1Lo·CoRoRb1n(n)(R14+R15)RcVcV4----(17)]]>
權(quán)利要求
1.一種電壓控制振蕩器，包括a)差動放大器；b)LC諧振電路，具有一個線圈和一個電容器并且跨接在所述差動放大器的差動輸出端上；c)移相電路，用于經(jīng)過一個緩沖器接收所述差動放大器的差動輸出并且在正反饋模式下把其輸出提供給該差動放大器；d)電流控制電路，用于根據(jù)從一個除電壓控制振蕩器之外的電路加到其上的控制電壓來可變地控制所述移相電路的工作電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓控制振蕩器，其中所述電流控制電路包括恒流源，所述恒流源包括溫度特性消除電路，用于在所述移相電路中消除所述工作電流的溫度特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓控制振蕩器，其中所述差動放大器、所述移相電路和所述電流控制電路作成在一個集成電路中，并且其中所述LC諧振電路的線圈被外接到所述集成電路上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓控制振蕩器，其中所述移相電路包括一對射極跟隨晶體管放大器，和一個連接在這對射極跟隨晶體管放大器的發(fā)射極之間的移相電容器，該對射極跟隨晶體管放大器的集電極電流被反饋給所述LC諧振電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓控制振蕩器，其中所述電流控制電路包括連接到構(gòu)成所述移相電路的一對射極跟隨晶體管放大器的相應(yīng)發(fā)射極上的各恒流源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓控制振蕩器，其中所述緩沖器包括一對射極跟隨晶體管放大器。
7.一種調(diào)頻檢測器，包括a)鑒相器，一調(diào)制波輸入給該鑒相器；b)環(huán)路濾波器，把所述鑒相器的輸出限制到要從中通過的頻帶上；c)電壓控制振蕩器，它具有差動放大器；LC諧振電路，具有一個線圈和一個電容器并且跨接在所述差動放大器的差動輸出端上；移相電路，用于經(jīng)過一個緩沖器接收所述差動放大器的差動輸出并且在正反饋模式下把其輸出提供給所述差動放大器；以及電流控制電路，用于根據(jù)從一個除電壓控制振蕩器之外的電路加到其上的控制電壓來可變地控制所述移相電路的工作電流，所述電流控制電路的輸出被提供給所述鑒相器。
全文摘要
一種電壓控制振蕩器，它不用可變電容(變?nèi)?二極管，而使用在半導(dǎo)體IC形成中容易制造的電路，包括具有一差動的晶體管對(Q
文檔編號H03B5/04GK1140928SQ9610800
公開日1997年1月22日 申請日期1996年5月2日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月2日
發(fā)明者小森健司, 平林敦志, 藤田幸祐, 木暮嘉人 申請人:索尼公司