(57)【要約】      （修正有）【課題】所望の周波数以外での異常発振を防ぐと共に、位相雑音特性が良好な周波数信号を出力することができるコルピッツ発振回路を提供する。【解決手段】ＳＡＷ共振子１と伸張インダクタＬeとを備えた共振回路と、共振回路からの出力を増幅するトランジスタ２を備えた増幅回路とを有し、増幅回路において、トランジスタ２のベースと伸張インダクタＬeとの間に位相調整用インダクタＬBを備え、伸張インダクタＬeと位相調整用インダクタＬBとの間の点に、直列接続のコンデンサＣ１，Ｃ２の一端が接続され、他端が接地された構成としているので、トランジスタ２のベースに入力される信号の位相を調整して、ＳＡＷ共振子１と伸張インダクタＬeとの自己共振周波数による異常発振を抑制でき、また、ダンピング抵抗を不要としてＱ値の低下を防ぎ、良好な位相雑音特性を備えた所望の周波数信号を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振子を有する共振回路と、前記共振回路からの信号を増幅して出力するトランジスタを有する増幅回路とを備えたコルピッツ発振回路であって、
前記共振回路が、前記共振子の出力側に接続する伸張インダクタを備え、
前記増幅回路が、前記共振回路の出力端と前記トランジスタのベースとの間に、前記ベースに入力される信号の位相を調整する位相調整用インダクタを備えたことを特徴とするコルピッツ発振回路。
【請求項２】
伸張インダクタと位相調整用インダクタの値を調整することにより、信号の位相を調整することを特徴とする請求項１記載のコルピッツ発振回路。
【請求項３】
共振子が、弾性表面波共振子であることを特徴とする請求項１又は２記載のコルピッツ発振回路。
【請求項４】
増幅回路は、直列接続の第１及び第２のコンデンサを備え、
前記直列接続の一端が、位相調整用インダクタと伸張インダクタとの間の点に接続されると共に他端が接地されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のコルピッツ発振回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波共振子を用いた電圧制御型発振器に用いられるコルピッツ発振回路に係り、特に、所望の周波数以外での異常発振を防ぐと共に、位相雑音特性が良好な周波数信号を出力することができるコルピッツ発振回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
［先行技術の説明：図７］
弾性表面波（ＳＡＷ；Surface Acoustic Wave）共振子は、図７に示すように、圧電基板上に、すだれ状電極（ＩＤＴ；Interdigital Transducer）１１と、ＩＤＴ電極１１の両側に反射器１２が形成されており、ＩＤＴ電極１１に電圧を印加して表面波を生じさせるものである。
図７は、ＳＡＷ共振子の電極の構成を示す概略説明図である。
【０００３】
［従来のコルピッツ発振回路（１）：図８］
また、ＳＡＷ共振子を用いた電圧制御型発振器（ＶＣＳＯ；Voltage Controlled SAW Oscillator）では、例えばコルピッツ発振回路が使われている。
従来のコルピッツ発振回路について図８を用いて説明する。図８は、従来のコルピッツ発振回路（１）の概略回路図である。
図８に示すように、従来のコルピッツ発振回路（１）は、共振回路と増幅回路とから成る。
共振回路は、ＳＡＷ共振子１と、ＳＡＷ共振子１に直列に接続された伸張インダクタＬeとを備えている。ＳＡＷ共振子１の他端は接地されている。
増幅回路は、トランジスタ２と、帰還容量であるコンデンサＣ１及びコンデンサＣ２と、抵抗Ｒ１とを備えている。
【０００４】
そして、伸張インダクタＬeの一端がＳＡＷ共振子１に接続され、他端がトランジスタ２のベースに接続されている。
また、伸張インダクタＬeとトランジスタ２のベースとの間の点に、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との直列接続の一端が接続し、他端が接地されている。
【０００５】
抵抗Ｒ１は、一端がトランジスタ２のエミッタに接続すると共にコンデンサＣ１とＣ２の間の点に接続し、他端が接地されている。
また、トランジスタ２のコレクタ側から出力が取り出される構成となっている。
尚、図８及び他の概略回路図においては、電源電圧とバイアス電圧は省略されている。
【０００６】
ところで、ＳＡＷ共振子では、圧電基板材料として、水晶等の容量比の大きい材質を用いた場合、十分大きいＱ値を確保できれば問題ないが、十分なＱ値が確保できない場合には、特性が容量性に偏って発振不能となってしまう。
発振不能となるのを防ぐために、従来のコルピッツ発振回路（１）では、共振回路において、ＳＡＷ共振子の外部に伸張インダクタＬeを付加しているものである。
【０００７】
［ＳＡＷ共振子の反射（Ｓ11）特性：図９］
ＳＡＷ共振子の反射特性について図９を用いて説明する。図９は、ＳＡＷ共振子の反射特性の一例を示す特性図であり、（ａ）は伸張インダクタを付加しない場合、（ｂ）は伸張インダクタを付加した場合の特性例を示す。
図９では、水晶基板上の２GHz帯１ポートＳＡＷ共振子の反射（Ｓ11）特性例を示している。容量比は約１０００、Ｑ値は約４０００である。
【０００８】
図９（ａ）に示すように、伸張インダクタを付加しない場合、ＳＡＷ共振子の特性はスミスチャート上で特性が容量性に偏っており、これでは発振不能となる。
一方、図９（ｂ）に示すように、伸張インダクタを付加した場合の特性は誘導性を有しており、発振可能となっている。
【０００９】
［ＳＡＷ共振子のアドミッタンス特性：図１０］
次に、ＳＡＷ共振子のアドミッタンス特性について図１０を用いて説明する。図１０は、ＳＡＷ共振子のアドミッタンス特性を示す特性図であり、（ａ）は伸張インダクタを付加しない場合、（ｂ）は伸張インダクタを付加した場合の特性例を示す。図１０では、図９と同じ１ポートＳＡＷ共振子を用いている。
図１０（ａ）に示すように、伸張インダクタを付加しない場合には、２GHz付近のＳＡＷの共振周波数のみにピークがあるが、図１０（ｂ）に示すように、伸張インダクタを付加した場合には、ＳＡＷの共振周波数に加えて別のピークが存在している。
これは、伸張インダクタとＳＡＷ共振子の容量成分との自己共振によるものである。
【００１０】
この自己共振周波数がＳＡＷ共振周波数の近傍にあり、発振条件を満たしてしまうと、ＳＡＷ共振周波数ではなく自己共振周波数で発振してしまうことがある。
ＳＡＷ共振子と伸張インダクタの組み合わせによっては、自己共振が所望の発振の妨げとなり、所望の周波数信号が得られない。
【００１１】
［従来のコルピッツ発振回路（２）：図１１］
自己共振による異常発振を抑える構成として、別のコルピッツ発振回路がある。
従来の別のコルピッツ発振回路（従来のコルピッツ発振回路（２））の構成について図１１を用いて説明する。図１１は、従来のコルピッツ発振回路（２）の概略回路図である。
図１１に示すように、従来のコルピッツ発振回路（２）は、図８に示した構成に加えて、共振回路において、伸張インダクタＬeに並列にダンピング抵抗Ｒdを設けた構成である。
【００１２】
従来のコルピッツ発振回路（２）では、ダンピング抵抗Ｒdを設けることにより、共振回路のＱ値をあえて低下させ、自己共振による発振を抑制するものである。
しかしながら、そのためにＳＡＷによる共振のＱ値も同時に悪化させてしまうことになる。
発振周波数における位相雑音特性は、共振回路のＱ値の影響を強く受けるため、Ｑ値が悪化すると位相雑音特性も悪化してしまい、最悪の場合、発振そのものが不可能になってしまうこともある。
【００１３】
［関連技術］
尚、ＳＡＷ共振子を用いた電圧制御発振器に関する技術としては、実開昭６３−１１７１０７号公報「電圧制御発振器」（株式会社東芝、特許文献１）がある。
特許文献１には、可変容量ダイオードのカソードに、伸長コイルを介してＳＡＷ共振器（ＳＡＷＲ）が接続された構成として、容量変化率の低下を生ぜず、制御感度の向上を図ることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】実開昭６３−１１７１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述したように、従来のコルピッツ発振回路では、発振を確実に起動するために伸張インダクタを付加し、更に自己共振による発振を抑えるためにダンピング抵抗を設けた場合、共振回路のＱ値が低下し、出力周波数の位相雑音特性が悪化してしまうという問題点があった。
【００１６】
尚、特許文献１には、伸張インダクタに加えて、トランジスタのベースの直前に位相を調整するための位相調整用インダクタを設けることは記載されていない。
【００１７】
本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、ＳＡＷと伸張インダクタの自己共振による異常発振を抑制しつつ、位相雑音特性が良好な出力周波数を得ることができるコルピッツ発振回路を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、共振子を有する共振回路と、共振回路からの信号を増幅して出力するトランジスタを有する増幅回路とを備えたコルピッツ発振回路であって、共振回路が、共振子の出力側に接続する伸張インダクタを備え、増幅回路が、共振回路の出力端とトランジスタのベースとの間に、ベースに入力される信号の位相を調整する位相調整用インダクタを備えたことを特徴としている。
【００１９】
また、本発明は、上記コルピッツ発振回路において、伸張インダクタと位相調整用インダクタの値を調整することにより、信号の位相を調整することを特徴としている。
【００２０】
また、本発明は、上記コルピッツ発振回路において、共振子が、弾性表面波共振子であることを特徴としている。
【００２１】
また、本発明は、上記コルピッツ発振回路において、増幅回路は、直列接続の第１及び第２のコンデンサを備え、直列接続の一端が、位相調整用インダクタと伸張インダクタとの間の点に接続されると共に他端が接地されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、共振子を有する共振回路と、共振回路からの信号を増幅して出力するトランジスタを有する増幅回路とを備えたコルピッツ発振回路であって、共振回路が、共振子の出力側に接続する伸張インダクタを備え、増幅回路が、共振回路の出力端とトランジスタのベースとの間に、ベースに入力される信号の位相を調整する位相調整用インダクタを備えたコルピッツ発振回路としているので、共振子と伸張インダクタとの自己共振周波数による異常発振を抑制しつつ、位相雑音特性が良好な出力周波数信号を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係るコルピッツ発振回路の概略回路図である。
【図２】本回路の発振特性を示す特性図である。
【図３】従来のコルピッツ発振回路（１）の発振特性を示す特性図である。
【図４】従来のコルピッツ発振回路（２）の発振特性を示す特性図である。
【図５】本発振回路、従来の発振回路（１）、従来の発振回路（２）の発振周波数スペクトルを示す特性図である。
【図６】本発振回路と従来の発振回路（２）の位相雑音特性を示す特性図である。
【図７】ＳＡＷ共振子の電極の構成を示す概略説明図である。
【図８】従来のコルピッツ発振回路（１）の概略回路図である。
【図９】ＳＡＷ共振子の反射特性の一例を示す特性図であり、（ａ）は伸張インダクタを付加しない場合、（ｂ）は伸張インダクタを付加した場合の特性例を示す。
【図１０】ＳＡＷ共振子のアドミッタンス特性を示す特性図であり、（ａ）は伸張インダクタを付加しない場合、（ｂ）は伸張インダクタを付加した場合の特性例を示す。
【図１１】従来のコルピッツ発振回路（２）の概略回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係るコルピッツ発振回路は、ＳＡＷ共振子と伸張インダクタを備えた共振回路と、共振回路からの信号を増幅して外部に出力するトランジスタを備えた増幅回路とを有し、増幅回路において、トランジスタのベースと伸張インダクタと間に、位相を調整する位相調整用のインダクタＬBを設けた構成であり、所望の周波数以外での自己共振による異常発振を抑えると共に、位相雑音特性が良好な出力を得ることができるものである。
【００２５】
［実施の形態に係るコルピッツ発振回路：図１］
本発明の実施の形態に係るコルピッツ発振回路の構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るコルピッツ発振回路の概略回路図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係るコルピッツ発振回路（本発振回路）は、ＶＣＳＯ用の発振回路であって、基本的な構成は図１１に示した従来のコルピッツ発振回路（１）とほぼ同様であり、ＳＡＷ共振子１及び伸張インダクタＬeを備えた共振回路と、共振回路からの信号を増幅して外部に出力するトランジスタ２を備えた増幅回路とから成る。
伸張インダクタＬeにより、発振の起動を確実にすることができるものである。
【００２６】
また、増幅回路は、トランジスタ２のベースに直列接続のコンデンサＣ１，Ｃ２の一端が接続され、他端が接地されている。トランジスタ２のエミッタには抵抗Ｒ１の一端が接続され、他端が接地されている。
トランジスタ２のコレクタ側に出力端子が設けられているが、ここでは図示を省略する。
【００２７】
そして、本発振回路の特徴として、増幅回路において、トランジスタ２のベースと帰還容量Ｃ１，Ｃ２との間に、ベースに入力される信号の位相を調整する位相調整用インダクタＬBが設けられている。
位相調整用インダクタＬBは、トランジスタ２のベースに入力される信号の位相を調整することにより、自己共振による異常発振を防ぐものであり、これにより、ダンピング抵抗を挿入せずに済み、Ｑ値の低下を防ぐことができるものである。
【００２８】
位相調整用インダクタＬBのインダクタンスの値は、回路を構成する各部の特性に応じて、最適な出力が得られるよう適切な値が選択される。
これにより、本発振回路では、Ｑ値を低下させず、位相雑音特性が良好な出力信号が得られるものである。
また、位相調整用インダクタＬBだけでなく、伸張インダクタＬeのインダクタンスの値も合わせて適宜調整（選択）することで、所望の周波数において、より良好な特性の出力とすることができるものである。
【００２９】
［発振回路の発振可能条件］
ここで、発振回路における発振可能条件について説明する。
ＳＡＷと伸張インダクタＬeとから成る共振回路のインピーダンスをＺR、増幅回路のインピーダンスをＺAとする。
インピーダンスは複素数で表され、実部（Re）は抵抗成分を表し、虚部（Im）はリアクタンス成分を表す。
【００３０】
回路の発振可能条件は、
Re（ＺR）＜−Re（ＺA）      （式１）    であり、
発振周波数となり得るのは、
Im（ＺR）＝−Im（ＺA）      （式２）    を満たす周波数である。
【００３１】
［本発振回路の発振特性：図２］
本発振回路の発振特性について図２を用いて説明する。図２は、本回路の発振特性を示す特性図であり、（ａ）は、Re（ＺR）と−Re（ＺA）の関係、（ｂ）は、Im（ＺR）と−Im（ＺA）の関係を示している。
図２では、ＳＡＷ共振子１の共振周波数を約１．９８GHz、伸張インダクタＬeを５nH、位相調整用インダクタＬBを２．０nHとした場合のシミュレーション結果を示している。
【００３２】
まず、図２（ｂ）に示すように、本発振回路では、２．０GHz付近のＳＡＷ共振周波数以外にも、２．７GHz付近に、上述した（式２）の条件（Im（ＺR）＝−Im（ＺA））を満たす周波数がある。
【００３３】
しかし、図２（ａ）に示すように、本発振回路においては、ＳＡＷの共振周波数付近では式１の条件（Re（ＺR）＜−Re（ＺA））を満たしているが、２．７GHz付近ではRe（ＺR）＞−Re（ＺA）となって、（式１）の条件を満たしていない。
そのため、２．７GHzでの発振は起こらない。
また、図２（ａ）からわかるように、本発振回路では、周波数変化に伴うインピーダンスの実部（Re（ＺR））の変化量は小さく、位相雑音特性が良好であることがわかる。
【００３４】
尚、伸張インダクタＬeと位相調整用インダクタＬBの値は、上記に限るものではない。
但し、伸張インダクタＬeの値が大きすぎれば自己共振周波数とＳＡＷ共振周波数とが近づきすぎて、自励発振を起こしやすくなり、小さすぎれば伸張不足で発振そのものが起こらなくなる。
発振可能条件を満たす場合には、伸張インダクタＬeの値は小さい方が位相雑音特性はよい。
また、位相調整用インダクタＬBとしては、１nH以下の小さいものを設けても、顕著な自励発振を防ぐ効果が得られない。
【００３５】
例えば、位相調整用インダクタの値を１．５nH〜２．５nHとし、伸張インダクタの値と位相調整用インダクタの値との和が７nH程度となるようにするのが望ましい。
但し、最適な値は、発振周波数や共振子のＣ0（並列容量）、発振回路のゲイン特性等によって変わるものであり、適用する発振回路の特性に応じて適宜選択することが望ましい。
【００３６】
［従来のコルピッツ発振回路（１）の発振特性：図３］
従来のコルピッツ発振回路（１）の発振特性について図３を用いて説明する。図３は、従来のコルピッツ発振回路（１）の発振特性を示す特性図であり、（ａ）は、Re（ＺR）と−Re（ＺA）の関係、（ｂ）は、Im（ＺR）と−Im（ＺA）の関係を示している。
従来のコルピッツ発振回路（１）（従来の発振回路（１））は、図８に示した回路であり、図１の本発振回路から位相調整用インダクタＬBを除いた構成である。
図３（ｂ）に示すように、従来の発振回路（１）では、２．０GHz付近のＳＡＷ共振周波数（１．９８GHz）以外に、２．３GHz付近に（式２）の条件を満たす点がある。
【００３７】
更に、図３（ａ）に示すように、従来の発振回路（１）では、ＳＡＷ共振周波数付近と、２．３GHz付近の周波数は、いずれもRe（ＺR）＜−Re（ＺA）となっており、（式１）の発振可能条件を満たしている。
従って、従来の発振回路（１）では、ＳＡＷ共振周波数と、２．３GHz付近のどちらの周波数でも発振する可能性がある。
【００３８】
［従来のコルピッツ発振回路（２）の発振特性：図４］
従来のコルピッツ発振回路（２）の発振特性について図４を用いて説明する。図４は、従来のコルピッツ発振回路（２）の発振特性を示す特性図であり、（ａ）は、Re（ＺR）と−Re（ＺA）の関係、（ｂ）は、Im（ＺR）と−Im（ＺA）の関係を示している。
従来のコルピッツ発振回路（２）（従来の発振回路（２））は、図１１に示した回路であり、伸張インダクタＬeとダンピング抵抗Ｒdとを備えたものである。
伸張インダクタＬeは５nH、ダンピング抵抗Ｒdは３７０Ω（オーム）としている。
【００３９】
図４（ｂ）から、従来の発振回路（２）では、２．０GHz付近のＳＡＷ共振周波数（１．９８GHz）以外に、２．５GHz付近に（式２）の条件を満たす点がある。
しかし、図４（ａ）に示すように、式（１）の条件を満たすのは、ＳＡＷ共振周波数のみであり、２．５GHzでの発振は起こらないことがわかる。
【００４０】
但し、図４（ａ）に示すように、従来の発振回路（２）では、周波数に伴ってインピーダンスの実部（Re（ＺR））が大きな傾きで増大している。これは、ダンピング抵抗ＲdによってＱ値が低下し、位相雑音特性が悪化していることを示すものである。
【００４１】
［発振周波数スペクトルの比較：図５］
次に、本発振回路、従来の発振回路（１）、従来の発振回路（２）の発振周波数スペクトルのシミュレーション結果を図５を用いて比較する。図５は、各発振回路の発振周波数スペクトルを示す特性図であり、（ａ）は本発振回路、（ｂ）は従来の発振回路（１）、（ｃ）は従来の発振回路（２）の特性を示す。
図５（ａ）に示すように、本発振回路では、主発振周波数がＳＡＷ共振周波数（２．０GHz付近）と一致しており、所望の周波数信号が得られる。
また、図５（ａ）に示すように、本発振回路では、主発振周波数の２次高調波である４．０GHz付近の発振出力が抑制されており、位相雑音特性が良好であることがわかる。
【００４２】
従来の発振回路（１）では、図３を用いて上述したように、２．０GHz付近と２．３GHz付近の両方に発振可能な点があるが、シミュレーション結果では、図５（ｂ）に示すように、発振周波数スペクトルの主発振は２．３GHz付近となっている。
これは、ＳＡＷ共振子と伸張インダクタＬeの容量成分による自己共振周波数に一致しており、従来の発振回路（１）では、意図する２．０GHz付近の周波数信号は得られない。
【００４３】
また、従来の発振回路（２）では、上述したように、発振条件を満たす点はＳＡＷ共振周波数のみであり、図５（ｃ）に示すように、主発振周波数は２．０GHz付近のＳＡＷ共振周波数と一致している。
しかしながら、従来の発振回路（２）では、２次高調波である４．０GHz付近の出力が（ａ）に示した本発振回路の特性と比べて大きくなっており、位相雑音特性が悪化している。
【００４４】
［位相雑音特性の比較：図６］
次に、本発振回路と従来の発振回路（２）の位相雑音特性について図６を用いて比較する。図６は、位相雑音特性を示す特性図であり、（ａ）は本発振回路、（ｂ）は従来の発振回路（２）の特性を示している。
図６（ａ）に示すように、本発振回路では、オフセット１kHzに対して位相雑音−１１１dBc/Hzを超えており、良好な特性が得られている。
【００４５】
一方、図６（ｂ）に示すように、従来の発振回路（２）では、オフセット１kHzに対して−１０８dBc/Hzにとどまっており、（ａ）に示した本発振回路よりも位相雑音特性はよくない。これは、ダンピング抵抗Ｒdにより、共振回路のＱ値そのものが低下していることを示すものである。
【００４６】
［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係るコルピッツ発振回路によれば、ＳＡＷ共振子１と伸張インダクタＬeとを備えた共振回路と、共振回路からの出力を増幅するトランジスタ２を備えた増幅回路とから成るコルピッツ発振回路であって、増幅回路において、共振回路の出力端に設けられた伸張インダクタＬeとトランジスタ２のベースとの間に位相調整用インダクタＬBを備え、伸張インダクタＬeと位相調整用インダクタＬBとの間の点に、直列接続のコンデンサＣ１，Ｃ２の一端が接続され、他端が接地された構成としているので、トランジスタ２のベースに入力される信号の位相を調整することで、ＳＡＷ共振子１と伸張インダクタＬeとの自己共振周波数による発振を抑制することができ、また、ダンピング抵抗Ｒdを不要としてＱ値の低下を防ぎ、良好な位相雑音特性を備えた所望の周波数信号を出力することができる効果がある。
【００４７】
また、本コルピッツ発振回路によれば、位相調整用インダクタＬBと伸張インダクタＬeの値を適宜調整することにより、簡易な構成で良好な特性の出力信号を得ることができる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、所望の周波数以外での異常発振を防ぐと共に、位相雑音特性が良好な周波数信号を出力することができるコルピッツ発振回路に適している。
【符号の説明】
【００４９】
１...ＳＡＷ共振子、  ２...トランジスタ、  １１...すだれ状電極（ＩＤＴ）、  １２...反射器、  Ｌe...伸張インダクタ、  ＬB...位相調整用インダクタ、  Ｃ１，Ｃ２...コンデンサ、  Ｒ１...抵抗、  Ｒd...ダンピング抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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