(57)【要約】【課題】  モノリシック集積回路に適し、温度変化にかかわらず、且つ広い周波数可変範囲を有する電圧制御発振器を提供する。【解決手段】  トランジスタ(10)と、該トランジスタ(10)のベース(11)に電位を与える制御可能な第１の電源(14)と、前記トランジスタ(10)のコレクタ(12)に電位を供給する第２の電源(15)とを具備し、前記トランジスタ(10)のベース(11)は、前記第１の電源(14)と抵抗(8)を介して接続されるとともに、第１の伝送線路(2)を介して第１のキャパシタ(3)に接続され、該第１のキャパシタ(3)は接地され、前記トランジスタ(10)のエミッタ(13)は、第２の伝送線路(4)と第２のキャパシタ(5)に接続され、該第２の伝送線路(4)と第２のキャパシタ(5)は接地され、前記トランジスタ(10)のコレクタ(12)から発振出力をとり出す出力端子(1)がもうけられ、前記トランジスタ(10)のベース(11)とコレクタ(12)の間に第１のキャパシタ(30)が接続される。【選択図】    図３
2004297840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタと、該トランジスタのベースに電位を与える制御可能な第１の電源と、前記トランジスタのコレクタに電位を供給する第２の電源とを具備し、
前記トランジスタのベースは、前記第１の電源と抵抗を介して接続されるとともに、第１の伝送線路を介して第１のキャパシタに接続され、該第１のキャパシタは接地され、
前記トランジスタのエミッタは、第２の伝送線路と第２のキャパシタに接続され、該第２の伝送線路と第２のキャパシタは接地され、
前記トランジスタのコレクタから発振出力をとり出す出力端子がもうけられ、
前記トランジスタのベース・エミッタ間電圧を制御することによりベース電流を制御して、発振周波数を変化させる電圧制御発振器において、
前記トランジスタのベースとコレクタの間に第１のキャパシタが接続されることを特徴とする電圧制御発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波〜ミリ波帯の無線装置に用いられる局部発振器および周波数シンセサイザに関するものである。適用例として、ETC（Electircal Toll Collecting)、ワイヤレスLAN、FWA(Fixed Wireless Access)用無線端末／装置等があり、発振器は必須の高周波回路である。
【背景技術】
【０００２】
局部発振器はマイクロ波／ミリ波無線装置において必須の要素回路の１つであり、無線装置の小型化・経済化および高機能化を目的としてモノリシックIC(モノリシックマイクロ波／ミリ波集積回路：MMIC)で構成する研究が進められている。位相同期ループ(PLL)局部発振器は基準信号に水晶発振器出力を使用するため、周波数安定度が高く、キャリア近傍の位相雑音を低減できる等の特徴を有し、局部発振器の有効な構成法として従来からよく用いられている。PLL局部発振器は基本的に電圧制御発振器、分周器および位相比較器より構成され、電圧制御発振器はPLL局部発振器の特性を左右するため、高い周波数安定度、高い出力レベル、広い周波数可変範囲および低い位相雑音特性が望まれる。特に、近年、様々な周波数帯、変調方式やデータフォーマットに対してソフトの変更によって柔軟に対応するソフトウェアradio(例えば、Digital cellular phoneにおける日本でのPDC(Personal Digital Cellular)、ヨーロッパでのGSM(Global System for Mobile communications)、アメリカでのIS-95をソフトウェアで切り替えて１台の無線機端末を共有する)の研究が進められており、様々な周波数帯に対応できる広い周波数可変範囲を有する発振器が不可欠となっている。
【０００３】
図４は第１の従来の電圧制御発振器である。110は発振素子のFET(Field Effect Transistor)であり、該FET110のゲート端子111はインダクタ121を介して接地されているとともにインダクタ120を通じて電圧制御可変容量素子としてのバラクタダイオード150の端子151に接続される。バラクタダイオード150の端子152は抵抗140を介して制御電圧入力端子114に接続されるとともにキャパシタ130を通じて接地される。また、ソース端子113はインダクタ122とキャパシタ131と接続され、該インダクタ122は抵抗141を介して、上記キャパシタ131は直接接地され、ドレイン端子112はインダクタ123を介してドレイン電圧供給端子115に接続されるとともに、インダクタ124と出力容量素子133を通じて出力端子100に接続される。また、上記端子115はキャパシタ132を通じて接地され、上記インダクタ123、124、キャパシタ132、133より出力整合回路を形成している。上記端子115にドレイン電圧が印加されると、FET110のゲートは容量性の負性インピーダンスを呈するため、ゲート端子111に可変インダクタンスを接続することにより、電圧制御発振器が構成される。従来の技術において可変インダクタンスは上記バラクタダイオード150とインダクタ120によって実現されている。また、上記バラクタダイオード150はFETのドレインとソースを接続して、制御電圧に対するゲート・ソース間容量Cgsとゲート・ドレイン間容量Cgdの和を制御することにより電圧制御可変容量素子を構成できるため、半導体基板上に集積して形成することが可能であるとともに再現性よく経済的な回路が実現できる。
【０００４】
しかし、第１の従来の電圧制御発振器では可変リアクタンスを得るためにバラクタを使用しているが、半導体基板上に集積化したモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)で実現する場合、ゲート・ソース間容量Cgsは１：２程度しか変化できないため、周波数チューニング範囲の一層の拡大を図ることが困難である。
【０００５】
図５は米国特許5,973,575で開示された上記の問題点を解決する第２の従来の電圧制御発振器である。同図において210は発振素子であるトランジスタであり、該トランジスタ210のベース端子211は抵抗208を介して第１の制御端子となるベース電圧制御端子214に接続されると共に、伝送線路202を介してキャパシタ203に接続され、接地している。また、エミッタ端子213は伝送線路204とキャパシタ205に接続され、該キャパシタ205は接地され、上記線路204はキャパシタ207を介して接地されるとともに、インダクタ206を介して第２の制御端子となるエミッタ電圧制御端子216に接続される。ここで、上記トランジスタ210からみてベースとエミッタ間に正帰還回路が構成されている。また、上記トランジスタ210のコレクタ端子212は伝送線路220に接続され、上記伝送線路220はキャパシタ223を介して出力端子200に接続されるとともに、伝送線路221を介してキャパシタ222に接続され、接地している。ここで、コレクタ電圧供給端子215は上記伝送線路221とキャパシタ222の接続点に接続されている。上記コレクタ電圧供給端子215にコレクタ電圧が印加されると、トランジスタ210のベースは容量性の負性インピーダンスを呈するため、ベース端子211に伝送線路202を接続することにより、発振器が構成される。ここで、トランジスタ210のベース端子211から出力負荷側を見た入力インピーダンスは文献(K. Kamogawa, K. Nishikawa, C. Yamaguchi, M. Hirano, I. Toyoda, and T. Tokumitsu,“Wide-Tuning Range Si Bipolar VCO's Based on Three-Dimensional MMIC Technology,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.45, no.12, pp.2436-2443, December 1997)より次式で表される。
【０００６】
【数１】
2004297840.tif 000003
【０００７】
なお、gbeはベース・エミッタ間コンダクタンス(ベース・エミッタ間抵抗Rbeの逆数)、Cbcはべース・コレクタ間容量、Rbはべース抵抗、gmは相互コンダクタンスであり、ZL(=RL+jXL)はコレクタに接続される負荷インピーダンスである。上式から、トランジスタ210のベース・エミッタ間抵抗Rbeが変化すると、ベースは可変容量性の負性インピーダンスとなり、これより発振周波数が変化し、電圧制御発振器が構成される。トランジスタ210のベース・エミッタ間抵抗Rbeはべース端子211とエミッタ端子213間の電圧に依存したべース電流により制御できる。ベース電流を制御する方法としては、ベース電圧制御端子214とエミッタ電圧制御端子216から供給される電圧を同時に制御する場合と、どちらか一方を固定にし、他方を制御する方法がある。
【０００８】
以上のように、第２の従来の電圧制御発振器では、制御電圧によりベース電流を制御することにより大きな比で容量性リアクタンスを変えることができるため、バラクタを用いたものに比べて非常に広い周波数チューニングが可能となる。また、トランジスタ１つから電圧制御発振器が構成されているため、構成が簡易で経済的であるとともに、モノリシック化した場合、従来の２倍以上の歩留り向上が可能となる。また、電圧制御発振器の位相雑音は発振素子の１／ｆ雑音が発振素子や可変リアクタンス素子(従来ではバラクタダイオード等)の非線形性によるミキシング効果で発振周波数近傍にアップコンバージョンされることにより発生しているが、本回路は発振素子のトランジスタ内のバリスタ特性により可変インダクタンスを実現しており、従来のものに比べて発振素子以外の非線形要因を取り除くことができるため低位相雑音な発振器が実現できる。また、一般にトランジスタのベース電流はべース・エミッタ間電圧に対して指数関数的に増加するため発振周波数が急峻に変化するが、抵抗208を挿入することにより、抵抗208に流れる電流による電圧降下を利用してベース端子に印加する電圧を緩やかに変化させることが可能となるため、制御性に優れた電圧制御発振器を実現できる。
【０００９】
しかし、トランジスタのベース・コレクタ間容量は外部温度に対して変化するため、従来の電圧制御発振器では、温度変化に対する発振周波数の不安定性が問題となっていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決し、モノリシック集積回路に適し且つ温度変化にかかわらず広い周波数可変範囲を有する電圧制御発振器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】
【００１１】
前記目的を達成するための本発明の特徴は、トランジスタと、該トランジスタのベースに電位を与える制御可能な第１の電源と、前記トランジスタのコレクタに電位を供給する第２の電源とを具備し、前記トランジスタのベースは、前記第１の電源と抵抗を介して接続されるとともに、第１の伝送線路を介して第１のキャパシタに接続され、該第１のキャパシタは接地され、前記トランジスタのエミッタは、第２の伝送線路と第２のキャパシタに接続され、該第２の伝送線路と第２のキャパシタは接地され、前記トランジスタのコレクタから発振出力をとり出す出力端子がもうけられ、前記トランジスタのベース・エミッタ間電圧を制御することによりベース電流を制御して、発振周波数を変化させる電圧制御発信器において、前記トランジスタのベースとコレクタの間に第１のキャパシタが接続される電圧制御発振器にある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、トランジスタのベース・コレクタ間容量の外部温度による変化にかかわらず安定に動作する電圧制御発振器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明による参考例と実施例について説明する。
【００１４】
［第１の参考例］
図１は本発明の電圧制御発振器の第1の参考例である。
【００１５】
図１において10は発振素子であるトランジスタであり、該トランジスタ10のベース端子11は抵抗８を介して第１の制御端子となるベース電圧制御端子14に接続されると共に、伝送線路２を介してキャパシタ３に接続され、接地している。また、エミッタ端子13は伝送線路４とキャパシタ５に接続され、該キャパシタ５は接地され、上記線路４はキャパシタ７を介して接地されるとともに、インダクタ６を介して第２の制御端子となるエミッタ電圧制御端子16に接続される。ここで、上記トランジスタ10からみてベースとエミッタ間に正帰還回路が構成されている。また、上記トランジスタ10のコレクタ端子12は伝送線路20に接続され、上記伝送線路20はキャパシタ23を介して出力端子１に接続されるとともに、伝送線路21を介してキャパシタ22に接続され、接地している。ここで、コレクタ電圧供給端子15は上記伝送線路21とキャパシタ22の接続点に接続されている。また、上記トランジスタ10のベース端子11とコレクタ端子12の間はキャパシタ30を介して接続されている。上記コレクタ電圧供給端子15にコレクタ電圧が印加されると、トランジスタ10のベースは容量性の負性インピーダンスを呈するため、ベース端子11に伝送線路２を接続することにより、発振器が構成される。また、ベース電圧制御端子14とエミッタ電圧制御端子16から供給される電圧によりトランジスタ10に流れるベース電流が制御できる。トランジスタ10のベース・エミッタ間抵抗Rbeはべース電流に依存するバリスタとして機能し、正帰還回路内において等価的に可変容量として動作するため、ベースは可変容量性の負性インピーダンスとなり、これより発振周波数が変化し、電圧制御発振器が構成される。ベース電流を制御する方法としては、ベース電圧制御端子14とエミッタ電圧制御端子16から供給される電圧を同時に制御する場合と、どちらか一方を固定にし、他方を制御する方法がある。
【００１６】
以上のように、本発明第１の参考例では、トランジスタのベース・コレクタ間容量Cbcと並列して、ベース端子とコレクタ端子間にキャパシタ30が挿入されているため、等価的に両者の和の容量CBCがべース・コレクタ間に接続されているようになる。従って、トランジスタ10のベース端子11から出力負荷側を見た入力インピーダンスは以下のように表される。
【００１７】
【数２】
2004297840.tif 000004
【００１８】
ここで、CBC＝Cbc＋Cc (Cc：キャパシタ30の容量値)である。キャパシタ30の容量値がトランジスタのべース・コレクタ間容量Cbcに比べて十分大きい場合、温度変化に伴ってベース・コレクタ間容量Cbcが変動しても、容量CBCはほとんど変化しないため、式(２)のリアクタンス成分は変化しない。従って、本発明第１の実施例では、温度変化に対する発振周波数の変動を抑圧することが可能となり、高い安定性を有する電圧制御発振器を実現することができる。また、トランジスタ10のべース・エミッタ間抵抗はキャパシタ30から影響を受けないため、第２の従来の電圧制御発振器と同様に非常に広い周波数チューニング範囲を実現することができる。また、トランジスタ１つから電圧制御発振器が構成されているため、構成が簡易で経済的である。また、電圧制御発振器の位相雑音は発振素子の１／ｆ雑音が発振素子や可変リアクタンス素子(従来ではバラクタダイオード等)の非線形性によるミキシング効果で発振周波数近傍にアップコンバージョンされることにより発生しているが、本発明の第１の参考例では発振素子以外にトランジスタを利用しないため、従来のものに比べて位相雑音特性の優れた電圧制御発振器が実現できる。さらに、１／ｆ雑音特性に優れるバイポーラトランジスタを用いた場合、一層の低位相雑音化が可能となる。また、一般にトランジスタのベース電流はべース・エミッタ間電圧に対して指数関数的に増加するため発振周波数が急峻に変化するが、抵抗８を挿入することにより、抵抗８に流れる電流による電圧降下を利用してベース端子に印加する電圧を緩やかに変化させることが可能となるため、制御性に優れた電圧制御発振器を実現できる。なお、本発明第１の参考例では、インダクタ６の代りに伝送線路を用いても同様の効果を得る。また、伝送線路２と伝送線路４の代りにインダクタを用いても同様である。
【００１９】
［第２の参考例］
図２は本発明の電圧制御発振器の第２の参考例である。図２において図１と同一のものについては同一の符号を付している。
【００２０】
図２において10は発振素子であるトランジスタであり、該トランジスタ10のベース端子11は抵抗８を介して第１の制御端子となるベース電圧制御端子14に接続されると共に、伝送線路２を介してキャパシタ３に接続され、接地している。また、エミッタ端子13は伝送線路４とキャパシタ５に接続され、該キャパシタ５は接地され、上記線路４はキャパシタ７を介して接地されるとともに、インダクタ６を介して第２の制御端子となるエミッタ電圧制御端子16に接続される。さらに、上記エミッタ端子13はキャパシタ９を通じて出力端子１に接続される。ここで、上記トランジスタ10からみてベースとエミッタ間に正帰還回路が構成されている。また、上記トランジスタ10のコレクタ端子12はインダクタ24を介してコレクタ電圧供給端子15に接続されるとともに、キャパシタ25と接続し、該キャパシタ25は接地される。また、上記トランジスタ10のベース端子11とコレクタ端子12の間はキャパシタ30を介して接続されている。上記コレクタ電圧供給端子15にコレクタ電圧が印加されると、トランジスタ10のベースは容量性の負性インピーダンスを呈するため、ベース端子11に伝送線路２を接続することにより、発振器が構成される。また、ベース電圧制御端子14とエミッタ電圧制御端子16から供給される電圧によりトランジスタ10に流れるベース電流が制御できる。トランジスタ10のベース・エミッタ間抵抗Rbeはべース電流に依存するバリスタとして機能し、正帰還回路内において等価的に可変容量として動作するため、ベースは可変容量性の負性インピーダンスとなり、これより発振周波数が変化し、電圧制御発振器が構成される。ベース電流を制御する方法としては、ベース電圧制御端子14とエミッタ電圧制御端子16から供給される電圧を同時に制御する場合と、どちらか一方を固定にし、他方を制御する方法がある。
【００２１】
以上の第２の参考例によれば、本発明の第１の参考例と同様の効果を得る。また、出力端子１の負荷(例えば50［Ω］)はエミッタ端子13にキャパシタ９を介して直接接続されているため、該出力端子１の負荷は負性抵抗を発生させるための負荷として回路設計に組み込むことができる。そのため、あらかじめ上記出力側の負荷を考慮して発振条件が決定できるため、上記出力端子１の負荷からの反射係数を改善でき、出力側のインピーダンス整合回路が不要となる。また、インピーダンス整合回路を削除できるため、回路の大幅な小型化が可能となる。エミッタ端子13とキャパシタ９の間にインダクタ、伝送線路やキャパシタ等で構成される無損失回路が挿入されている場合においても、同様の効果を有する。
【００２２】
［実施例］
図３は本発明の電圧制御発振器の実施例である。図３において図１と同一のものについては同一の符号を付している。
【００２３】
図３において10は発振素子であるトランジスタであり、該トランジスタ10のベース端子11は抵抗８を介して第１の制御端子となるベース電圧制御端子14に接続されると共に、伝送線路２を介してキャパシタ３に接続され、該キャパシタ３は接地される。また、エミッタ端子13は伝送線路４とキャパシタ５に接続され、該伝送線路４とキャパシタ５はともに接地され、上記トランジスタ10からみてベースとエミッタ間に正帰還回路が構成されている。さらに、上記トランジスタ10のコレクタ端子12は伝送線路20に接続され、上記伝送線路20はキャパシタ23を介して出力端子１に接続されるとともに、伝送線路21を介してキャパシタ22に接続され、接地している。ここで、コレクタ電圧供給端子15は上記伝送線路21とキャパシタ22の接続点に接続されている。また、上記トランジスタ10のべース端子11とコレクタ端子12の間はキャパシタ30を介して接続されている。上記コレクタ電圧供給端子15にコレクタ電圧が印加されると、トランジスタ10のベースは容量性の負性インピーダンスを呈するため、ベース端子11に伝送線路２を接続することにより、発振器が構成される。また、ベース電圧制御端子14から供給される電圧によりトランジスタ10に流れるべース電流が制御できる。トランジスタ10のベース・エミッタ間抵抗Rbeはべース電流に依存するバリスタとして機能し、正帰還回路内において等価的に可変容量として動作するため、ベースは可変容量性の負性インピーダンスとなり、これより発振周波数が変化し、電圧制御発振器が構成される。
【００２４】
以上の実施例によれば、本発明の第１の参考例と同様の効果を得るとともに、トランジスタ10のエミッタは伝送線路４により直流的に短絡され、エミッタの電位が一義的に０Ｖに設定できるため、エミッタ電圧制御端子を削除できる。従って、回路構成の簡易な電圧制御発振器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の参考例である電圧制御発振器の回路図である。
【図２】本発明の第２の参考例である電圧制御発振器の回路図である。
【図３】本発明の実施例である電圧制御発振器の回路図である。
【図４】第１の従来の電圧制御発振器の回路図である。
【図５】第２の従来の電圧制御発振器の回路図である。
【符号の説明】
【００２６】
１ 出力端子
２、４、20、21 伝送線路
３、５、７、９、23、25、30 キャパシタ
６、24 インダクタ
８ 抵抗
10 トランジスタ
11 ベース端子
12 コレクタ端子
13 エミッタ端子
14 ベース電圧制御端子
15 コレクタ電圧制御端子
16 エミッタ電圧制御端子
100 出力端子
110 FET
111 ゲート端子
112 ドレイン端子
113 ソース端子
114 制御電圧入力端子
115 ドレイン電圧供給端子
120、121、122、123、124 インダクタ
130、131、132、133 キャパシタ
140、141、208 抵抗
150 バラクタダイオード
151、152 端子
200 出力端子
202、204、220、221 伝送線路
203、205、207、209、223、225、230 キャパシタ
206、224 インダクタ
210 トランジスタ
211 ベース端子
212 コレクタ端子
213 エミッタ端子
214 ベース電圧制御端子
215 コレクタ電圧制御端子
216 コレクタ電圧制御端子
【図１】
2004297840.tif 000005
【図２】
2004297840.tif 000006
【図３】
2004297840.tif 000007
【図４】
2004297840.tif 000008
【図５】
2004297840.tif 000009