JP3052890B2 - 電圧制御発振器 - Google Patents

電圧制御発振器

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JP3052890B2
JP3052890B2 JP9133638A JP13363897A JP3052890B2 JP 3052890 B2 JP3052890 B2 JP 3052890B2 JP 9133638 A JP9133638 A JP 9133638A JP 13363897 A JP13363897 A JP 13363897A JP 3052890 B2 JP3052890 B2 JP 3052890B2
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L5/00Automatic control of voltage, current, or power

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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、制御回路の入力電
圧により発振部の出力周波数を可変できる電圧制御発振
器に関する。
【0002】
【従来の技術】まず、電圧制御発振器の先行技術を図2
に基づいて以下に説明する。ここで例示する電圧制御発
振器1は、制御回路2と発振回路3とを具備しており、
この発振回路3は、複数の差動増幅器をリング状に順番
に接続した構造からなる。より詳細には、前記発振回路
3は、各々が差動増幅器である三個の発振部4〜6から
なり、これらの発振部4〜6は、五個のトランジスタ1
1〜15からなる。
【0003】つまり、被制御負荷トランジスタである第
一のトランジスタ11に第二のトランジスタ12が直列
に接続されて第一の直列回路16が形成されており、被
制御負荷トランジスタである第一のトランジスタ13に
第二のトランジスタ14が直列に接続されて第二の直列
回路17が形成されており、これらの直列回路16,1
7が並列に接続されている。
【0004】このように並列に接続された二つの前記直
列回路16,17の両端の一方に電流源として電流制御
トランジスタ15が接続されており、このように形成さ
れた前記発振部4〜6の両端に直流の電源22,23が
接続されている。なお、第一の前記トランジスタ11,
13はpチャネル型のMOSFETからなり、第二の前
記トランジスタ12,14および前記電流制御トランジ
スタ15はnチャネル型のMOSFETからなる。
【0005】上述のような構造の三個の前記発振部4〜
6は、リング状に順番に接続されている。つまり、第一
の前記発振部4の第一の前記直列回路16の二個の前記
トランジスタ11,12の接続中点18は、第二の前記
発振部5の第一の前記直列回路16の第二のトランジス
タ12のゲート電極に接続されており、第一の前記発振
部4の第二の前記直列回路17の二個の前記トランジス
タ13,14の接続中点19は、第二の前記発振部5の
第二の前記直列回路17の第二のトランジスタ14のゲ
ート電極に接続されている。
【0006】第二の前記発振部5と第三の前記発振部6
も同様に接続されており、第三の前記発振部6と第一の
前記発振部4も同様に接続されている。ただし、この第
三の発振部6と第一の発振部4との接続では、第一の前
記直列回路16の接続中点18が第二の前記直列回路1
7の第二のトランジスタ14に接続されており、第二の
前記直列回路17の接続中点19が第一の前記直列回路
16の第二のトランジスタ12に接続されている。
【0007】上述のように接続された第一第二の前記発
振部4,5間の配線から発振出力部20,21が引き出
されており、この発振出力部20,21に、二つの発振
信号から一つの矩形パルスを生成する出力回路(図示せ
ず)が接続されている。
【0008】上述のような構造の前記発振回路3に接続
された前記制御回路2は、複数のトランジスタ31〜3
8からなり、制御電圧の入力端子39が形成されてお
り、前記発振部4〜6の各々の前記直列回路16,17
の被制御負荷トランジスタである第一の前記トランジス
タ11,13と前記電流制御トランジスタ15とのゲー
ト電極に接続されている。
【0009】なお、前記制御回路2のトランジスタ3
6,38は、前記発振回路3への制御信号を各々出力す
る駆動トランジスタであり、そのゲート電極とドレイン
電極とは各々接続されている。また、前記トランジスタ
32,33,35,38はpチャネル型のMOSFET
からなり、前記トランジスタ31,34,36,37は
nチャネル型のMOSFETからなる。
【0010】上述のような構造の電圧制御発振器1で
は、差動増幅器からなる複数の発振部4〜6がリング状
に順番に接続されているので、発振出力部20,21か
ら発振信号を出力することができ、その周波数を制御回
路2に入力する電圧で変化させることができる。
【0011】つまり、制御回路2は入力端子39に入力
される電圧が変化すると発振部4〜6のトランジスタ1
1,13,15のゲート電極に印加する電圧を変化させ
るので、これらのトランジスタ11,13,15が通電
する電流量が変化して発振出力部20,21に出力され
る発振信号の周波数が変化する。発振回路3は、上述の
ように発振部4〜6の被制御負荷トランジスタである第
一のトランジスタ11,13および電流制御トランジス
タ15のゲート電極に印加する電圧を変化させることで
電流量を変化させて発振周波数を変化させる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上述のような電圧制御
発振器1は、入力電圧により発振信号の周波数を制御す
ることができる。
【0013】しかし、上述のような電圧制御発振器1
は、発振回路3のトランジスタ11〜15などが飽和領
域で動作するため、例えば、これらと制御回路2の出力
段の駆動トランジスタ38等に、設計値に対してトラン
ジスタサイズやスレッシホールド電圧等のばらつきがあ
ると、発振部4〜6の動作点の変動により発振信号の出
力が停止することがある。
【0014】例えば、上述のような電圧制御発振器1に
おいて、発振回路3に直接に接続される制御回路2の駆
動トランジスタ38のゲートサイズを各種に変化させて
発振動作をシミュレーションしたところ、図3に示すよ
うに、ゲートサイズを10パーセントまで増加させると
発振信号が経時的に減衰して発振動作が停止することが
確認された。このため、実際の電圧制御発振器1でも、
製造ばらつきなどのために一部のトランジスタのゲート
サイズやスレッシホールド電圧等が変動すると、発振動
作が安定せず停止することが予想される。
【0015】本発明は上述のような課題に鑑みてなされ
たものであり、設計値に対して多少の製造ばらつきが発
生しても発振動作が安定に持続する電圧制御発振器を提
供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明の電圧制御発振器
は、複数の差動増幅器がリング状に接続されている発振
回路と、該発振回路の発振周波数を入力信号の電圧に対
応して制御する制御回路とを具備し、該制御回路の出力
段に設けられている駆動トランジスタの少なくとも一方
の電極が複数の前記差動増幅器の被制御負荷トランジス
タのゲート電極の各々に接続されている電圧制御発振器
において、前記発振回路から出力される発振信号の直流
成分の電圧により複数の前記差動増幅器の電流を制御す
る帰還回路を具備している。
【0017】従って、発振信号が変動して直流成分の電
圧が増減すると、帰還回路は前記差動増幅器の電流を制
御するので、発振信号の出力レベルが安定する。
【0018】本発明の電圧制御発振器は、第一および第
二のトランジスタが直列に各々接続された二つの直列回
路が並列に接続され、並列に接続された二つの前記直列
回路の両端の一方に電流源として電流制御トランジスタ
が接続された発振部の両端に電源が接続され、前記直列
回路の接続中点と第二の前記トランジスタのゲート電極
とが複数の前記発振部でリング状に順番に接続されて発
振回路が形成され、少なくとも一個の前記発振部の一対
の前記接続中点に接続されて発振信号を出力する一対の
発振出力部が形成され、入力される電圧に対応して複数
の前記発振部の各々の第一の前記トランジスタのゲート
電極と前記電流制御トランジスタのゲート電極とに電圧
を可変自在に印加する制御回路を具備し、該制御回路に
入力する電圧により前記発振出力部から出力される発振
信号の周波数を変化させる電圧制御発振器において、前
記電流制御トランジスタと並列に第二の電流制御トラン
ジスタを接続し、前記発振出力部から出力される発振信
号の直流成分の電圧に対応した電圧を前記第二の電流制
御トランジスタのゲート電極に印加する帰還回路を具備
している。
【0019】従って、発振信号が減衰して直流成分の電
圧が低下すると、帰還回路は電流制御トランジスタのゲ
ート電極に印加する電圧を低下させるので、電流制御ト
ランジスタからなる電流源に通電される電流が低下して
発振信号の出力レベルが増大する。また、発振信号が過
剰となり直流成分の電圧が増加すると、帰還回路は電流
制御トランジスタのゲート電極に印加する電圧を増加さ
せるので、電流制御トランジスタからなる電流源に通電
される電流が増加して発振信号の出力レベルが低減され
る。
【0020】上述のような電圧制御発振器における他の
発明としては、複数の発振部に複数の帰還回路が個々に
接続されている。または、複数の発振部に一個の帰還回
路が共通に接続されている。複数の発振部に複数の帰還
回路が個々に接続された構造では、複数の発振部の発振
動作が個々に制御されるので、複数の発振部に相対誤差
が存在しても発振動作が安定に実行される。また、複数
の発振部に一個の帰還回路が共通に接続された構造で
は、複数の発振部の発振動作が一個の帰還回路で制御さ
れるので、発振動作が簡単な構造で安定する。
【0021】上述のような電圧制御発振器における他の
発明としては、少なくとも第一のトランジスタがpチャ
ネル型のMOSFETからなり、第二のトランジスタが
nチャネル型のMOSFETからなる。従って、発振部
の回路が最小規模で実現される。
【0022】上述のような電圧制御発振器における他の
発明としては、制御回路と発振回路との少なくとも一方
のトランジスタが設計値に対するばらつきを有する。従
って、複数の発振部間に発振トリガとなる電流差を発生
させることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態を図1を参
照して以下に説明する。なお、図1は本実施の形態の電
圧制御発振器を示す回路図である。また、本実施の形態
に関し、前述した従来例と同一の部分は、同一の名称お
よび符号を利用して詳細な説明は省略する。
【0024】本実施の形態の電圧制御発振器41は、発
振回路3の三個の発振部4〜6の各々に三個の帰還回路
42〜44が個々に接続されており、これらの帰還回路
42〜44は、制御部45と電源部46とを各々具備し
ている。この電源部46は、四個のトランジスタ51〜
54からなり、電源22,23に接続されている。前記
制御部45は、三個のトランジスタ55〜57からな
り、発振部4〜6に個々に接続されている。なお、前記
トランジスタ51,53はpチャネル型のMOSFET
からなり、前記トランジスタ52,54〜57はnチャ
ネル型のMOSFETからなる。
【0025】より詳細には、前記帰還回路42〜44の
トランジスタ56,57は並列に接続されており、その
両端に前記電源部46が接続されている。前記トランジ
スタ56,57のゲート電極には発振部4〜6の発振出
力部20,21が個々に接続されており、前記制御部4
5の一端が発振部4〜6の電流源である電流制御トラン
ジスタ58のゲート電極に接続されている。
【0026】なお、この電流制御トランジスタ58は、
第一第二の電流制御トランジスタを並列に接続して一体
化した構造として形成されており、これら第一第二の電
流制御トランジスタはnチャネル型のMOSFETから
なる。前記第一の電流制御トランジスタのゲート電極に
は制御回路2の駆動トランジスタ36のドレイン電極と
ゲート電極とが接続されており、前記第二の電流制御ト
ランジスタには前記帰還回路42の制御出力が接続され
ている。
【0027】上述のような構成において、本実施の形態
の電圧制御発振器41も、発振出力部20,21から発
振信号を出力することができ、その周波数を制御回路2
に入力する電圧で変化させることができる。そして、こ
の制御回路2の駆動トランジスタ38と発振部4〜6の
被制御負荷トランジスタである第一のトランジスタ1
1,13等とが、製造上の原因で設計値に対してばらつ
きを有する場合でも、帰還回路42が発振回路3から出
力される発振信号の直流成分の電圧に対応して発振部4
〜6をフィードバック制御して動作点を安定させるの
で、発振停止のない安定した発振信号を出力することが
できる。なお、製造上の原因で起こり得るトランジスタ
の設計値に対するばらつきとしては、主にトランジスタ
のゲート長、ゲート幅、スレッシホールド電圧(VT)等
がある。
【0028】例えば、制御回路2の駆動トランジスタ3
8に、設計値に対するばらつきとして、ゲート長の増
加、ゲート幅の縮小、スレッシホールド電圧の上昇、等
の少なくとも一つが発生した場合、駆動トランジスタ3
8が出力する制御信号の電圧は低下する。これらの駆動
トランジスタ38のばらつきは、全て電流駆動能力の低
下、つまり、オン抵抗の増加として作用する。このと
き、発振部4〜6を形成する差動増幅器である発振部4
〜6の被制御負荷トランジスタである第一のトランジス
タ11,13のゲート電圧が低下し、これらのオン抵抗
が増加するために発振信号の直流成分の電圧は低下す
る。
【0029】このように発振部4〜6が発振出力部2
0,21に出力する発振信号が減衰して直流成分の電圧
が低下すると、帰還回路42の制御部45を形成するト
ランジスタ55,56のゲート電極に印加される電圧が
低下し、電流制御トランジスタ58の第二のゲート電極
に印加される帰還回路42からの制御信号の電圧が低下
する。このため、電流制御トランジスタ58からなる電
流源に通電される電流が低下し、結果的に発振信号の出
力レベルが増大することになる。
【0030】また、制御回路2の駆動トランジスタ38
に、設計値に対するばらつきとして、ゲート長の縮小、
ゲート幅の増加、スレッシホールド電圧の低下、等の少
なくとも一つが発生した場合、上記の場合とは反対に駆
動トランジスタ38が出力する制御信号の電圧は増加す
る。これらの駆動トランジスタ38のばらつきは、全て
電流駆動能力の増大、つまり、オン抵抗の低下として作
用する。このとき、発振部4〜6を形成する差動増幅器
である発振部4〜6の被制御負荷トランジスタである第
一のトランジスタ11,13のゲート電圧が上昇し、こ
れらのオン抵抗が減少するために発振信号の直流成分の
電圧は上昇する。
【0031】このように発振部4〜6が発振出力部2
0,21に出力する発振信号が減衰して直流成分の電圧
が低下すると、帰還回路42の制御部45を形成するト
ランジスタ55,56のゲート電極に印加される電圧が
低下し、電流制御トランジスタ58の第二のゲート電極
に印加される帰還回路42からの制御信号の電圧が低下
する。このため、電流制御トランジスタ58からなる電
流源に通電される電流が上昇し、結果的に発振信号の出
力レベルが低下することになる。
【0032】このため、本実施の形態の電圧制御発振器
41は、上述のように制御回路2の駆動トランジスタ3
8に製造上の原因で設計値に対してばらつきが発生した
場合でも、帰還回路42が発振信号に対応して発振部4
〜6をフィードバック制御するので発振信号を安定に出
力することができる。
【0033】さらに、本実施の形態の電圧制御発振器4
1では、発振部4の第一のトランジスタ11,13がp
チャネル型のMOSFETからなり、第二のトランジス
タ12,14がnチャネル型のMOSFETからなるの
で、発振部4の回路を最小規模で実現することができ、
発振回路3の設計を容易とすることができる。
【0034】また、本実施の形態の電圧制御発振器41
では、制御回路2と発振回路3との少なくとも一方のト
ランジスタ38,11〜14等が設計値に対するばらつ
きを有するので、複数の発振部16,17間に電流差を
発生させて発振トリガを生成することができる。
【0035】以上の説明では、制御回路2の駆動トラン
ジスタ38に設計ばらつきが発生した場合を例示した
が、発振部4〜6の被制御負荷トランジスタ11,13
に同様に設計ばらつきが発生した場合にも、帰還回路4
2が発振信号に対応して発振部4〜6をフィードバック
制御するので同様に発振信号を安定に出力することがで
きる。
【0036】さらに、本実施の形態の電圧制御発振器4
1は、複数の発振部4〜6に複数の帰還回路42〜44
が個々に接続されているので、複数の発振部4〜6の発
振動作を複数の帰還回路42〜44で個々に制御するこ
とができるので、例えば、複数の発振部4〜6に相対誤
差が存在するような場合でも発振動作を安定に実行させ
ることができる。
【0037】なお、本発明は上記形態に限定されるもの
ではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許
容する。例えば、上記形態では複数の発振部4〜6の各
々に複数の帰還回路42〜44を個々に接続し、複数の
発振動作を個々に制御することを例示したが、製造条件
により複数の発振部の相対誤差が微少となるならば、複
数の発振部を一個の帰還回路に接続し、簡単な構造で発
振動作を安定させることも可能である。また、上述のよ
うに帰還回路42〜44を複数とする場合でも、その制
御部45のみ複数として電源部46は一個に共通化させ
ることが可能である。さらに、上記形態では制御回路2
と帰還回路42とに各々接続される第一第二の電流制御
トランジスタを並列に配置することを例示したが、この
ような第一第二の電流制御トランジスタを直列に配置す
ることも可能である。
【0038】
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、以下に記載するような効果を奏する。
【0039】請求項1記載の発明の電圧制御発振器は、
複数の差動増幅器がリング状に接続されている発振回路
と、該発振回路の発振周波数を入力信号の電圧に対応し
て制御する制御回路とを具備し、該制御回路の出力段に
設けられている駆動トランジスタの少なくとも一方の電
極が複数の前記差動増幅器の被制御負荷トランジスタの
ゲート電極の各々に接続されている電圧制御発振器にお
いて、前記発振回路から出力される発振信号の直流成分
の電圧により複数の前記差動増幅器の電流を制御する帰
還回路を具備していることにより、一般的にトランジス
タのゲートサイズやスレッシホールド電圧は設計値に対
して製造上の原因からばらつくが、発振回路の発振動作
を帰還回路により安定させることができるので、上述の
ような製造ばらつきが制御回路の駆動トランジスタなど
に発生した場合でも、結果的に発振信号を安定に出力さ
せることができる。
【0040】請求項2記載の発明の電圧制御発振器は、
第一および第二のトランジスタが直列に各々接続された
二つの直列回路が並列に接続され、並列に接続された二
つの前記直列回路の両端の一方に電流源として電流制御
トランジスタが接続された発振部の両端に電源が接続さ
れ、前記直列回路の接続中点と第二の前記トランジスタ
のゲート電極とが複数の前記発振部でリング状に順番に
接続されて発振回路が形成され、少なくとも一個の前記
発振部の一対の前記接続中点に接続されて発振信号を出
力する一対の発振出力部が形成され、入力される電圧に
対応して複数の前記発振部の各々の第一の前記トランジ
スタのゲート電極と前記電流制御トランジスタのゲート
電極とに電圧を可変自在に印加する制御回路を具備し、
該制御回路に入力する電圧により前記発振出力部から出
力される発振信号の周波数を変化させる電圧制御発振器
において、前記電流制御トランジスタと並列に第二の電
流制御トランジスタを接続し、前記発振出力部から出力
される発振信号の直流成分の電圧に対応した電圧を前記
第二の電流制御トランジスタのゲート電極に印加する帰
還回路を具備していることにより、一般的にトランジス
タのゲートサイズやスレッシホールド電圧は設計値に対
して製造上の原因からばらつくが、発振部の発振動作を
帰還回路により安定させることができるので、上述のよ
うな製造ばらつきが制御回路の駆動トランジスタなどに
発生した場合でも、発振信号を安定に出力させることが
できる。
【0041】請求項3記載の発明は、請求項2記載の電
圧制御発振器であって、複数の発振部に複数の帰還回路
が個々に接続されていることにより、複数の発振部の動
作を複数の帰還回路で個々に制御することができるの
で、複数の発振部に相対誤差が存在する場合でも、発振
信号を安定に出力させることができる。
【0042】請求項4記載の発明は、請求項2記載の電
圧制御発振器であって、複数の発振部に一個の帰還回路
が共通に接続されていることにより、複数の発振部の動
作を一個の帰還回路で制御することができるので、簡単
な構造で発振信号を安定に出力させることができる。
【0043】請求項5記載の発明は、請求項2ないし4
の何れか一記載の電圧制御発振器であって、少なくとも
第一のトランジスタがpチャネル型のMOSFETから
なり、第二のトランジスタがnチャネル型のMOSFE
Tからなることにより、発振部の回路を最小規模で実現
することができるので、発振回路の設計を容易とするこ
とができる。
【0044】請求項6記載の発明は、請求項1ないし5
の何れか一記載の電圧制御発振器であって、制御回路と
発振回路との少なくとも一方のトランジスタが設計値に
対するばらつきを有することにより、複数の発振部間に
電流差を発生させて発振トリガを生成することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態の電圧制御発振器を示す
回路図である。
【図2】一従来例の電圧制御発振器を示す回路図であ
る。
【図3】発振動作のシミュレーションの結果を示す特性
図である。
【符号の説明】
1 電圧制御発振器 2 制御回路 3 発振回路 4〜6 差動増幅器、発振部 11,13 被制御負荷トランジスタ、トランジスタ 12,14 トランジスタ 15 電流制御トランジスタ 16,17 直列回路 18,19 接続中点 20,21 発振出力部 22,23 電源 31〜35,37 トランジスタ 36,38 駆動トランジスタ 39 入力端子 41 電圧制御発振器 42〜44 帰還回路 45 制御部 46 電源部 51〜57 トランジスタ 58 電流源である電流制御トランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 3/354 H03K 3/023

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の差動増幅器がリング状に接続され
    ている発振回路と、該発振回路の発振周波数を入力信号
    の電圧に対応して制御する制御回路とを具備し、該制御
    回路の出力段に設けられている駆動トランジスタの少な
    くとも一方の電極が複数の前記差動増幅器の被制御負荷
    トランジスタのゲート電極の各々に接続されている電圧
    制御発振器において、 前記発振回路から出力される発振信号の直流成分の電圧
    により複数の前記差動増幅器の電流を制御する帰還回路
    を具備していることを特徴とする電圧制御発振器。
  2. 【請求項2】 第一および第二のトランジスタが直列に
    各々接続された二つの直列回路が並列に接続され、並列
    に接続された二つの前記直列回路の両端の一方に電流源
    として電流制御トランジスタが接続された発振部の両端
    に電源が接続され、前記直列回路の接続中点と第二の前
    記トランジスタのゲート電極とが複数の前記発振部でリ
    ング状に順番に接続されて発振回路が形成され、少なく
    とも一個の前記発振部の一対の前記接続中点に接続され
    て発振信号を出力する一対の発振出力部が形成され、入
    力される電圧に対応して複数の前記発振部の各々の第一
    の前記トランジスタのゲート電極と前記電流制御トラン
    ジスタのゲート電極とに電圧を可変自在に印加する制御
    回路を具備し、該制御回路に入力する電圧により前記発
    振出力部から出力される発振信号の周波数を変化させる
    電圧制御発振器において、 前記電流制御トランジスタと並列に第二の電流制御トラ
    ンジスタを接続し、 前記発振出力部から出力される発振信号の直流成分の電
    圧に対応した電圧を前記第二の電流制御トランジスタの
    ゲート電極に印加する帰還回路を具備していることを特
    徴とする電圧制御発振器。
  3. 【請求項3】 複数の発振部に複数の帰還回路が個々に
    接続されていることを特徴とする請求項2記載の電圧制
    御発振器。
  4. 【請求項4】 複数の発振部に一個の帰還回路が共通に
    接続されていることを特徴とする請求項2記載の電圧制
    御発振器。
  5. 【請求項5】 少なくとも第一のトランジスタがpチャ
    ネル型のMOSFET(Metal Oxide Semiconducto
    r Field Effect Transistor)からなり、第二のト
    ランジスタがnチャネル型のMOSFETからなること
    を特徴とする請求項2ないし4の何れか一記載の電圧制
    御発振器。
  6. 【請求項6】 制御回路と発振回路との少なくとも一方
    のトランジスタが設計値に対するばらつきを有すること
    を特徴とする請求項1ないし5の何れか一記載の電圧制
    御発振器。
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