連 載
個別部品で組み立てて動作原理から設計法までを理解する
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PLL
PLL 周波数シンセサイザの設計法徹底解説
周波数シンセサイザの設計法徹底解説

第第99回回 電圧制御発振器
電圧制御発振器 VCO
VCO の設計/製作の設計/製作 そのその 55
180
M〜220
MHz
VCOの設計/製作
180
180
M〜
220
MHz
VCOの設計/製作
180 M
M〜
〜220
220 MHzMHz VCOVCOの設計/製作の設計/製作

小宮浩
小宮
小宮 浩
浩

HiroshiComiyaHiroshiComiyaHiroshi
HiroshiComiya
ComiyaHiroshi
HiroshiComiyaComiya

今回は，180 M 〜 220 MHz VCO の具体的な設計と製作を行います．
この連載の最終目標は 180 M 〜 360 MHz を出力す

ゲインだけでなく位相特性も良好なアンプが必要る PLL 周波数シンセサイザです（図 9 − 1）．それに使われる VCO も当然 180 M 〜 360 MHz を出力できなけ

発振器全体のシミュレーションの前に，アンプ単体の位相特性を向上する方法があるか考えてみましょう．

ればいけませんが，その設計法はわかりやすく解説することができません．

連載第 7 回で詳しく説明したように，オープン・ルー
プ法での 200 MHz のコルピッツ型発振器は，図 9 − 2

そこで，これまで設計法の基礎を解説するために，帯域を狭めた 180 M 〜 220 MHz VCO について検討をに記すアンプとフィルタの従属接続に展開できます．

進めてきました．
連載第 7 回（2006 年 9 月号）は，VCO をオープン・ループ法によりアンプとフィルタに分離して，フィルタのおおまかな定数設計を行いました．
前回の連載第 8 回（2006 年 10 月号）は，そのフィルバラクタ

タに使う空芯ソレノイド・コイルの設計をして，コイソレノイド・コイル

2.2 H2.2μ

ルと可変容量ダイオード（バラクタ）のモデリングを行いました．
今回は，それらの等価回路を組み入れたシミュレーションを用いて，180 M 〜 220 MHz VCO の設計を完成させ，実際に製作してみます（写真 9 − 1）．

電圧制御発振器（VCO）

VT

位相比較器
（PC）

fout
fout はVCOの発振可能範囲に制限される

ループ・フィルタ

fR

出力信号

fD

2SC3356

分周器（1/N ）入力基準信号

図 9 − 1 PLL 周波数シンセサイザの基本構成
VCO は制御電圧 VT に応じて fout を作り出す

写真 9 − 1 製作した 180 M 〜 220 MHz VCO の外観

Keywords
VCO，オープン・ループ法，2SC3356，負帰還，KV1811E，減衰パッド，整合260

2006 年 11 月号

表 9 − 1 2SC3356 の IC ＝ 20 mA での S21 伝達特性

フィルタ

Lアンプ

C 3 RESR

周波数が高くなるほどゲインは低下し位相も小さくなる

PORT2160nH 4.5p 6Ω
PORT1TrRSC2C164p64p50Ω

ゲイン

周波数［MHz］

［倍］

［dB］

位相［゜］

50

31.483

30.0

150.7

RL100

24.50527.8

129.050Ω

200

15.262

23.7

109.1

400

8.281

18.4

92.0

600

5.643

15.0

82.7

800

4.288

12.6

75.7

1000

3.472

10.8

69.1

200MHzでの挿入損失： L I ＝6.2dB
位相シフト：PS ＝−156°

図 9 − 2 アンプ部単体で取り出して特性を検討できるように VCOをアンプとフィルタの直列接続で表現する
フィルタは連載第 7 回で設計/解析した

RF2SC3356■ fT の高いトランジスタを使いたいが異常発振しやすい

2SC3356

RE● フィルタでの位相回転を打ち消しかつ十分なゲインが欲しい
LC フィルタ部の C1 と C2 を増すと，挿入損失 LI は（a）シャント抵抗 RF による（b）シリーズ抵抗 RE による増えますが，QL を高くでき，位相シフト量は−180 °に近付きます．

二つの方法の一番大きな違いは入出力インピーダンス

図 9 − 3 異常発振を起こしにくくするために負帰還をかける

連載第 7 回の記事で設計した QL ≒ 17.1 の 200 MHz
フィルタ単体での特性は，挿入損失 LI ＝ 6.2 dB，位相シフト Ps ＝− 156 °でした．

その結果，低域での異常発振（スプリアス発振）を引

理想的なアンプの特性としては，挿入損失を補う十分なゲインと，位相を 0 °に戻すための＋ 156 °の位相き起こしやすくなります．
実際に，2SC3356（fT ≒ 7 GHz）を今回設計している特性が必要です．

200 MHz VCO にそのまま用いたところ，異常発振を● 実際のアンプの位相特性は十分とはいえない起こしてしまいました．
位相シフト量を少なくするには，fT の高いトランジアンプに用いるトランジスタの S21 伝達特性の位相特性を見ると，十分に低い周波数では＋ 180 °に近スタを用いなければいけませんが，その結果，異常発振を起こしてしまいます．

く，＋ 156 °の要求に対してそれほど問題ないのですが，周波数が高くなるにしたがって，その値が小さくなってしまいます．
今回の VCO に採用するトランジスタは 2SC3356 で，安価で入手も容易な高周波トランジスタです．
2SC3356 をコレクタ電流 IC ≒ 20 mA で用いたとき■ 負帰還で異常発振を防ぎ同時に位相特性も改善する
異常発振は，アンプに帰還（フィードバック）回路を設けて，負帰還増幅回路とすることで解決できます．
さらに，負帰還を使うことで，高域で位相が小さくの，メーカ公表の S21 伝達特性を表 9 − 1 に示します．
50 MHz での S 21 の位相は＋ 150.7 °ほどありますが，なる問題も改善されます．

200 MHz では＋ 109.1 °まで小さくなってしまいます．
さらに 1 GHz になると＋ 60.1 °まで減少します．

● 負帰還を使うとどんな効果が得られるか

第 7 回の図 7 − 6 から図 7 − 10 の説明も参照ください．

1 段トランジスタ・アンプでの負帰還の方法には，
図 9 − 3 に示す二つの方法があります．
一般には，アンプに負帰還を施すことの利点として，● ゲイン帯域幅積 f T の高いトランジスタなら位相回（1） ゲインが安定する

転は少ないが異常発振しやすい
この位相シフト量を減らすには，ゲイン帯域幅積 fT（2） 周波数特性が向上（帯域特性が平坦になる）（3） ひずみの低減の高いトランジスタを用いるのが有効ですが，通常 fTの高いトランジスタほど低域でのゲインも大きくなりなどが挙げられます．では，今回問題にしている，位相特性についてはどうでしょうか．RF シミュレータ

ます．

S − NAP LE（7）で解析してみましょう．

2006 年 11 月号

261