(57)【要約】  発振器は、トランジスタと、トランジスタの出力とトランジスタの制御電極との間に結合されている共振回路と、トランジスタのｄｃバイアス回路とを有する。ｄｃバイアス回路は、第１電圧生成回路と、差動増幅器とを備えている。差動増幅器は、固定基準電圧に結合されている第１入力と、電圧生成回路に結合されている第２入力と、トランジスタの制御電極に結合されている出力とを含む。電圧生成回路は、差動増幅器の第２入力に、トランジスタの出力電極を通過する電流に関係する電圧を生成する。【選択図】      図１
2012510205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振器であって、
トランジスタと、
前記トランジスタの出力電極と前記トランジスタの制御電極との間に結合されている共振回路と、
前記トランジスタのｄｃバイアス回路と、
を備えており、
前記バイアス回路が、
電圧生成回路と、
差動増幅器であって、
固定基準電圧に結合されている第１入力、
前記電圧生成回路に結合されている第２入力、及び
前記トランジスタの制御電極に結合されている出力を有し、
前記電圧生成回路が、前記トランジスタの出力電極を通過する電流に関する電圧を、前記差動増幅器の第２入力に生成する、差動増幅器と、
を備えている、発振器。
【請求項２】
請求項１記載の発振器であって、
前記電圧生成回路の１つの端子に結合されている第１電位と、前記電圧生成回路の第２端子に結合されている第２電位とを有する電圧源を含み、前記電圧生成回路の１つの端子が前記差動増幅器の第２入力に結合されている、発振器。
【請求項３】
請求項２記載の発振器において、前記電圧生成回路が、前記第１電位と前記差動増幅器の第２入力との間に結合されている第１抵抗器と、前記トランジスタの他の１つの電極と前記第２電位との間にある第２抵抗器とを含む、発振器。
【請求項４】
請求項３記載の発振器であって、前記差動増幅器の第２入力と前記トランジスタの出力電極との間に結合されているインダクタを含む、発振器。
【請求項５】
請求項４記載の発振器であって、前記差動増幅器の第１入力と前記差動増幅器の出力との間に結合されているキャパシタを含む、発振器。
【請求項６】
請求項３記載の発振器であって、前記増幅器の出力と前記トランジスタの制御電極との間に結合されている第３抵抗器を含む、発振器。
【請求項７】
請求項３記載の発振器であって、前記第３抵抗器に１つのノードにおいて接続されている第３抵抗器および第４抵抗器を含み、前記ノードが、前記第２電位にキャパシタを介して結合されており、前記第３抵抗器が、前記差動増幅器の出力と前記ノードとの間に結合されており、前記第４抵抗器が、前記ノードと前記トランジスタの制御電極との間に結合されている、発振器。
【請求項８】
請求項３記載の発振器において、前記固定電圧が、前記第１電位および第２電位の間に結合されている抵抗分圧器によって生成される電圧である、発振器。
【請求項９】
請求項８記載の発振器であって、前記差動増幅器の第２入力と前記トランジスタの出力電極との間に結合されているインダクタを含む、発振器。
【請求項１０】
請求項９記載の発振器であって、前記差動増幅器の第１入力と前記差動増幅器の出力との間に結合されているキャパシタを含む、発振器。
【請求項１１】
請求項８記載の発振器であって、前記増幅器の出力と前記トランジスタの制御電極との間に結合されている第３抵抗器を含む、発振器。
【請求項１２】
請求項８記載の発振器であって、前記第３抵抗器に１つのノードにおいて接続されている第３抵抗器および第４抵抗器を含み、前記ノードが、前記第２電位にキャパシタを介して結合されており、前記第３抵抗器が、前記差動増幅器の出力と前記ノードとの間に結合されており、前記第４抵抗器が前記ノードと前記トランジスタの制御電極との間に結合されている、発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲＦ発振器に関し、更に特定すれば、低レベルの位相ノイズを有するＲＦ発振器に関するものである。
【従来技術】
【０００２】
当技術分野では知られているように、低ノイズ発振器には、ナビゲーション、レーダ、および通信システムというような、広範囲にわたる用途がある。当技術分野では知られているように、トランジスタ発振器を用いると、このトランジスタからのフリッカ・ノイズのために、発振器の位相ノイズが著しく劣化するおそれがある。低ノイズ発振器を生産するために用いられる１つの技法は、低位相ノイズを有するデバイスに合わせて、発振器トランジスタを選別することである。これは、時間および費用がかかり、しかも歩留まりが予測不能になることもあり得る。フリッカ・ノイズが１ｋＨｚよりも遙かに低いＲＦトランジスタを得ることが望ましいが、一般には非現実的と考えられている。更に特定すれば、ＲＦ発振器の位相ノイズは、多くのシステムの性能を妨げる主要な要因である。時間に基づく関連属性の１つに、短期安定性、即ち、アラン分散(Allan variance)がある。発振器における位相ノイズ発生の基本的なメカニズムは、周知であり、文献に記載されている。その一例は、D.B.Leesonによる”A simple model of feedback oscillator noise spectrum”（フィードバック発振器のノイズ・スペクトルの簡単なモデル）と題される論文(Proc. IEEE, vol. 54, pp.329-330, Feb, 1966) に記載されているモデルである。この発振器モデルは、一般に、「リーソンのモデル」(Leeson’s model)と呼ばれている。発振器の位相ノイズを低減するために、多くの技法が採用されているが、一般に、これらの技法は、１／ｆ位相ノイズが低いトランジスタまたはＱが高い共振器をフィードバック回路において使用することに関する。
【０００３】
位相ノイズは、そのスペクトル固有性(property)によって記述されることが多い。例えば、位相ノイズは、１／ｆｎ特性を有することができ、ここでｎは整数である。発振器回路では、ｎは一般に０から３の間で変化する。D.B. Leesonにおいて記載されているように、”A simple model of feedback oscillator noise spectrum”（フィードバック発振器のノイズ・スペクトルの簡単なモデル）と題される論文(Proc. IEEE, vol. 54, pp.329-330, Feb, 1966) において、デバイスを高Ｑ発振回路に埋め込んだとき、フリッカ・ノイズが１／ｆ３位相ノイズに変換されるように、共振器の帯域幅以内の電子ノイズを増大させる。この変換が仄めかすのは、共振器の帯域幅以内のノイズが著しく増大するということである。したがって、低位相ノイズを得るには、１／ｆ位相ノイズが低いトランジスタまたはＱが高い共振器のいずれかを得ることが必要となる。特に、ＲＦトランジスタの１／ｆ位相ノイズは、発振信号の中心共振周波数から少しずれた周波数における位相ノイズに関係するものである。例えば、１ＧＨｚ発振器における１／ｆ位相ノイズに関して言及すると、１／ｆ項は、１ＧＨｚ出力からずれたときに１／ｆスペクトル形状を有するノイズに該当する。トランジスタの１／ｆ位相ノイズは一般に材料および表面欠陥に起因すると考えられるが、正確なメカニズムはよく分かっていない。
【０００４】
１／ｆ位相ノイズの発生源をトランジスタの実際のフリッカ・ノイズと関連付けることができるが、変換の具体的なメカニズムもよく分かっていない。１／ｆ位相ノイズが非常に低いＲＦトランジスタを得ることは、ＲＦ性能とフリッカ・ノイズとの間の妥協のため、非常に難しい。
【０００５】
Guidelines for Designing BJT Amplifier with Low 1/f AM and PM noise（低１／ｆＡＭおよびＰＭノイズのＢＪＴ増幅器を設計するためのガイドライン）, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectronics and Frequency Control, Vol. 44, No.2, March 1977と題する論文において、Eva S. Ferre-Pikal, Fred L. Wallsによって分析が紹介されている。この論文では、増幅器の１／ｆ位相ノイズを低周波数電圧変動と関係付ける。フリッカ・ノイズを残余１／ｆ位相ノイズに変換する手段として、コレクタ-ベース容量の変調が提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Eva S. Ferre-Pikalによる”Reduction of Phase Noise in Linear HBT Amplifiers Using Low-Frequency Active Feedback（低周波アクティブ・フィードバックを用いた線形ＨＢＴ増幅器のにおける位相ノイズの低減）(IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. 51, No. 8, August 2004)と題する論文において、著者は、計測増幅器の使用によって、従来通りにバイアスされたＲＦトランジスタを安定化しようとした。計測増幅器は、従来のトポロジで構成されていた。トランジスタのバイアス点の安定性を付加する程、１／ｆ位相ノイズを抑制できるという証拠が得られた。しかしながら、このトポロジは、潜在的なノイズ源として、様々な余分な抵抗成分も混入させたため、ノイズ抑制に支障が生じた。これらのデバイスは、低位相ノイズ発振器には埋め込まれず、関係付けられることもなかった。
【０００７】
位相ノイズが非常に低いＲＦ発振器を提供することが望まれている。加えて、温度およびプロセス変動に伴うＲＦ電力変動を最小化することも望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、発振器を提供する。この発振器は、トランジスタと、トランジスタの出力電極とトランジスタの制御電極との間に結合されている共振回路と、トランジスタのｄｃバイアス回路とを備えている。バイアス回路は、電圧生成回路と、差動増幅器とを備えている。差動増幅器は、固定基準電圧に結合されている第１入力と、電圧生成回路に結合されている第２入力と、トランジスタの制御電極に結合されている出力とを含む。電圧生成回路は、トランジスタの出力電極を通過する電流に関する電圧を、差動増幅器の第２入力に生成する。
【０００９】
一実施形態では、発振器は、電圧生成回路の１つの端子に結合されている第１電位と、電圧生成回路の第２端子に結合されている第２電位とを有する電圧源を含み、電圧生成回路の第３端子が差動増幅器の第２入力に結合されている。
【００１０】
一実施形態では、電圧生成回路が、第１電位と差動増幅器の第２入力との間に結合されている第１抵抗器と、トランジスタの他の１つの電極と第２電位との間にある第２抵抗器とを含む。
【００１１】
一実施形態では、発振器は、差動増幅器の第２入力とトランジスタの出力電極との間に結合されているインダクタを含む。
【００１２】
一実施形態では、発振器は、差動増幅器の第１入力と差動増幅器の出力との間に結合されているキャパシタを含む。
【００１３】
一実施形態では、発振器は、第３抵抗器に１つのノードにおいて接続されている第３抵抗器および第４抵抗器を含み、このノードが、第２電位にキャパシタを介して結合されており、第３抵抗器が、差動増幅器の出力とノードとの間に結合されており、第４抵抗器が、ノードとトランジスタの制御電極との間に結合されている。
【００１４】
一実施形態では、固定電圧が、第１および第２電位の間に結合されている抵抗分圧器によって生成される電圧である。
【００１５】
つまり、このような構成を用いて、バイアスおよび低周波変調を能動的に制御することによって、発振器のフリッカ・ノイズを低減する。本発明は、新規なトポロジを用いて、フリッカ・ノイズを低減し、位相ノイズを改善する。この技法は、広い部類(class)の発振器に適用することができる。
【００１６】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細は、本発明による発振器の唯一の添付図面および以下の説明に明記されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、その説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】唯一の図は、本発明によるＲＦ発振器の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
これより唯一の図を参照すると、発振器１０が示されている。この発振器は、トランジスタＱ１、トランジスタＱ１の出力電極、ここではコレクタ電極と、トランジスタＱ１の制御電極、ここではベース電極との間に結合されている共振回路１２、およびトランジスタＱ１のｄｃバイアス回路１４を含む。ｄｃバイアス回路１４は、電圧生成回路１６、および差動増幅器１８を含む。差動増幅器１８は、固定基準電圧に結合されている第１入力（反転（-）入力）、電圧生成回路１６に結合されている第２入力（非反転（＋）入力）、およびトランジスタＱ１の制御電極（ベース）に結合されている出力２０を有する。このような電圧生成回路は、差動増幅器１８の第２入力（非反転（＋））において、トランジスタＱ１の出力電極（コレクタ）を通過する電流Ｉｃに関係する電圧を生成する。電圧源Ｖ１は、電圧生成回路１４の１つの端子２２に結合されている１つの電位（＋）、および電圧生成回路１４の第２端子２４に結合されている第２電位（-）を有する。電圧生成回路１４の第３端子２６が、差動増幅器１８の第２入力（非反転（＋））に結合されている。電圧生成回路１４は、第１電位と差動増幅器の第２入力（非反転（＋））との間に結合されている第１抵抗器Ｒ４、およびトランジスタＱ１の更に別の電極（エミッタ）と第２電位（即ち、端子２４）との間に結合されている第２抵抗器Ｒ５を含む。インダクタＬ１が、差動増幅器１８の第２入力（非反転（＋））とトランジスタＱ１の出力電極（コレクタ）との間に結合されている。キャパシタＣ３が、差動増幅器１８の第１入力（反転（-））と差動増幅器１８の出力２０との間に結合されている。第３抵抗器Ｒ３および第４抵抗器Ｒ６が、一緒にノード３０に結合されている。このノード３０は、キャパシタＣ４を介して第２電位（即ち、端子２４）に結合されており、第３抵抗器Ｒ３は、差動増幅器１８の出力２０とノード３０との間に結合されており、第４抵抗器Ｒ６は、ノード３０とトランジスタＱ１の制御電極（ベース電極）との間に結合されている。固定電圧は、電源Ｖ１の第１および第２電位間に結合されている抵抗器Ｒ１およびＲ２によって構成された抵抗分圧器３４によって、ノード３２において生成された電圧である。
【００１９】
更に特定すると、トランジスタＱ１は発振トランジスタ(oscillator transistor)である。差動増幅器１８は、低フリッカ・ノイズ固有性を有するように選択される。抵抗器Ｒ７は、典型的な値が５０オームのＲＦ負荷抵抗器である。インダクタＬ１は、ＲＦ分離のために用いられ、分布定数型(distributed)伝送線の形態をなすこともできる。キャパシタＣ１は、発振周波数におけるリアクタンスが非常に低いバイパス・キャパシタである。二ポート・デバイスは共振フィードバック回路１２であり、集中定数型エレメントＬＣ、ＳＡＷのような音響共振器、あるいは伝送線または誘電体共振器のような分布定数型共振器(distributed resonator)とすることができる。二ポート・デバイスは、バラクタ・ダイオードのように、発振周波数を同調させる手段を含むことができる。
【００２０】
ここでは、差動増幅器１８は、発振トランジスタＱ１をバイアスさせ安定させるために用いられる。トランジスタＱ１は、バイポーラ・トランジスタとして示されているが、ＦＥＴでもよい。ＦＥＴの場合、制御電極はゲート電極となる。半導体材料は、シリコン、ＧａＡｓ、ＧａＮ、またはその他の半導体材料とするとよい。
【００２１】
バイアスは、低フリッカ・ノイズを有する差動増幅器を差動増幅器１８として用いることによって行われる。例えば、市販の差動増幅器では、典型的なフリッカ・ノイズ遮断(intercept)が１０Ｈｚ未満のものが入手可能である。Ｒ１およびＲ２の分圧器によって形成され、低フリッカ・ノイズを有する基準電圧が、反転入力として用いられ、ＲＦトランジスタのコレクタ電流に比例する電圧が非反転入力として用いられる。Ｒ４-Ｌ１ノードにおける電圧からのフィードバック経路が、低周波数におけるトランジスタＱ１の１８０度位相シフトのために、正の差動増幅入力に接続される(apply)。事実上、増幅器１９の正入力（非反転入力（＋））は、負のフィードバック経路となり、ノード３２における基準電圧が、オペアンプへの負入力として一般に使用されるものに印加される。差動増幅器１８からの出力２０は、ＲＦトランジスタＱ１への入力（ここでは、エミッタ）をバイアスするための電圧を供給するために用いられる。抵抗器Ｒ３、Ｒ６、およびキャパシタＣ４は、ＲＦ信号をバイアス機能から分離する機能を果たす。もう１つのキャパシタＣ３は、位相シフト素子として作用し、適切な位相マージンを確定して、非常に高い差動電圧利得によってノイズ・プロセスが再生されないことを確実にする。このバイアス構成によって、差動増幅器１８の非反転入力（＋）の電圧が本質的に反転入力（-）の電圧と等しくなることを確実にする。反転入力（-）におけるノイズは、ノイズが非常に低い、ノード３２における基準電圧から得られるので、非反転入力（＋）におけるノイズも同様に小さくなる。ここで、ＲＦトランジスタＱ１のコレクタ電流Ｉｃにおけるノイズは、いずれもバイアス回路１４によって検知され、ＲＦトランジスタＱ１のベースに存在する電圧が、このノイズを補償するように調節させられる。 本質的に、ＲＦトランジスタＱ１のコレクタに通常存在するノイズは、逆方向に前記トランジスタＱ１のベースに移される。しかしながら、トランジスタＱ１は、コレクタからベース電極までの電圧利得を有するので、電圧ノイズは、この電圧利得によって同様に低減される。コレクタ-ベース容量の変調に伴い、バイアス回路の帯域幅以内におけるノイズ・プロセスも同様に低減される。抵抗器Ｒ５は、発振回路を安定させるために、追加の負フィードバックを設ける。
【００２２】
バイアス回路はＤＣにまで広がるので、ＲＦトランジスタの温度変動やパラメータ変動に関して、発振周波数も安定する。この回路は、ディスクリート・デバイスで実現すること、または集積回路として実現することができる。
【００２３】
以上、本発明の多数の実施形態について説明した。しかしながら、本発明の主旨や範囲から逸脱することなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。例えば、本発明は、クリスタル発振器、ＳＡＷ発振器、ＬＣ発振器、およびマイクロ波共振発振器に適用され、ディスクリート・デバイスで実現すること、または集積回路デバイスとして実現することができる。加えて、マイクロ波周波数で用いるために、インダクタおよびキャパシタを、マイクロストリップ伝送線のような、同等の機能の分布定数型エレメントと置換することもできる。したがって、他の実施形態も以下の特許請求の範囲に該当するものとする。
【図１】
2012510205.tif 000003
【国際調査報告】
2012510205.tif 000004
2012510205.tif 000005