JP2001326531A - マイクロ波・ミリ波帯発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電界効果トランジスタ等の能動素子を用いた高
周波発振器回路は、能動素子の温度特性に起因して、発
振周波数の温度変化が大きいという問題があった。 【解決手段】能動素子のドレイン−ソース端子間にフィ
ードバック回路を挿入する。上記フィードバック回路
は、発振周波数の温度係数が負の場合はインダクタンス
素子と直流カット用の容量素子を直列接続させて構成
し、温度係数が正の場合は容量素子のみにより構成す
る。上記インダクタンスの大きさは、能動素子内のドレ
イン−ソース間容量と、動作周波数の近傍の周波数にお
いて共振関係を満足するように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は電界効果トランジ
スタを能動素子とし、マイクロ波帯およびミリ波帯で用
いるのに好適な発振器回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】電界効果トランジスタなどの３端子能動
素子を用いて発振器を構成するには、１つの端子、例え
ばソース電極に正帰還をかけるためのリアクタンス素子
を接続し、ゲート端子に共振器を接続して発振動作を持
続させ、ドレイン端子より整合回路を通して発振出力を
得る構成がとられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】発振器に用いる能動素
子の等価回路パラメータは、外部温度により変化し、そ
れに伴って発振周波数も変化するのが一般的である。発
振周波数が変化すると、発振器回路が組み込まれている
通信機器、レーダ機器などの装置が正常に動作しなくな
るという問題がある。

【０００４】また、発振周波数の変動を抑えるために
は、外部温度を検知し、発振周波数を制御するための手
段を機器内に設ける必要があり、装置の構成が複雑とな
り、製造コストが高くなるという問題があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、発振器を構成する電界効果トランジス
タなどの能動素子のドレイン−ソース端子間にフィード
バック回路を挿入し、能動素子のドレイン−ソース間容
量の実効的な値を適切な大きさとして、発振周波数の温
度係数をゼロに近づける。このとき、発振周波数の温度
係数が負の値を持つときには、上記フィードバック回路
はインダクタンス素子と容量素子とを直列接続した構成
を持ち、上記インダクタンスの大きさは、能動素子内の
ドレイン−ソース間容量と、動作周波数の近傍の周波数
において共振関係を満足するように設定する。

【０００６】また上記容量素子の大きさは、インダクタ
ンス素子との共振周波数が、発振器回路の動作周波数よ
りも十分に低い周波数となるように設定する。そして発
振周波数の温度係数が正の値を持つときには、上記フィ
ードバック回路は容量素子のみにより構成する。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例を示す発
振器回路の構成図である。能動素子として電界効果トラ
ンジスタ１を用い、ゲート電極に負性抵抗を発生させる
ためのリアクタンス素子３が接続され、ソース電極には
発振動作を持続させるための共振器２が接続されてい
る。そしてドレイン電極にはインピーダンス整合を実現
するための整合回路が接続され、発振信号が出力ポート
４に現れる構成となっている。

【０００８】例として上記発振器回路の発振周波数の温
度係数が負の値を持つ場合、能動素子のソース電極とド
レイン電極の間に、インダクタンス素子５と容量素子６
とを直列に接続したフィードバック回路が挿入されてい
る。挿入するフィードバック回路中のインダクタンス素
子５の大きさは、電界効果トランジスタ１のドレイン−
ソース間容量と、発振周波数の近傍の周波数において並
列共振を起こすような値に設定する。また、フィードバ
ック回路中の容量素子６の大きさは、インダクタンス素
子５と、発振周波数よりも十分に低い周波数において直
列共振を起こすような値に設定する。

【０００９】本発明のように、発振器を構成する電界効
果トランジスタのソース電極とドレイン電極の間にフィ
ードバック回路を挿入することにより、上記発振器の発
振周波数の温度係数をゼロに近づけることが可能とな
る。

【００１０】以下にその理由を説明する。図５に示した
のは、電界効果トランジスタの小信号等価回路である。
上記電界効果トランジスタのゲート幅が１００μmであ
り、ゲート−ソース間バイアス電圧が−０．５Ｖ、ドレ
イン−ソース間バイアス電圧が３．５Ｖであるとき、上
記等価回路を構成するパラメータの値は、例えば表１の
ような値を持っている。

【００１１】

【表１】

【００１２】表１に示した等価回路パラメータの中で、
ドレイン−ソース間容量（Ｃｄｓ）は３５ｆＦの値を持
つが、この電界効果トランジスタを発振器に用いた場
合、発振周波数の温度変化の大きさは、Ｃｄｓの値によ
り変化する。そのシミュレーション結果を図６に示す。

【００１３】シミュレーションを行った発振器回路は、
図１に示したような構成をとり、電界効果トランジスタ
のソース電極に共振器を、ゲート電極に負性抵抗を発生
させるためのリアクタンス素子を、ドレイン電極に整合
回路を介した出力ポートを、それぞれ接続している。

【００１４】Ｃｄｓが表１に示すように３５ｆＦの値を
持つとき、外部温度が２５℃から１１０℃の範囲で変化
すると、上記発振器回路の発振周波数は０．６％変化
し、その温度係数は負の値を持っていることがわかる。
そしてＣｄｓの値を３０ｆＦ、２５ｆＦ、２０ｆＦへと
減らしていくのに伴って、発振周波数の温度変動の様相
は図６に示す如き変化を見せ、発振周波数の温度係数は
負から正の値を持つように変化することがわかる。本シ
ミュレーションの結果によれば、Ｃｄｓが約２５ｆＦの
値を持つとき、発振周波数の温度変動は０．３％にまで
抑えられ、温度係数の値が略ゼロとなることがわかる。

【００１５】以上の結果より、発振器回路に用いられる
電界効果トランジスタの等価回路パラメータの中で、ド
レイン−ソース間容量の大きさを最適化することによ
り、上記発振器回路の発振周波数の温度による変動を小
さく抑えることが可能であると結論される。

【００１６】本発明のように、発振器回路に用いる電界
効果トランジスタのドレイン−ソース電極間にフィード
バック回路を挿入することにより、上述した電界効果ト
ランジスタのドレイン−ソース間容量Ｃｄｓの実効的な
大きさを適切な値とすることができ、その結果、発振周
波数の温度変動を小さく抑えることが可能となる。

【００１７】発振周波数の温度係数が負の値を持つ場
合、電界効果トランジスタのＣｄｓの値を小さくする必
要があり、上記電界効果トランジスタのドレイン電極と
ソース電極の間に挿入するフィードバック回路は、イン
ダクタンス素子と容量素子を直列接続した構成とする。

【００１８】上記フィードバック回路中のインダクタン
ス素子の大きさは、発振周波数の近傍の周波数におい
て、Ｃｄｓと並列共振条件を満たすような値に設定する
のであるから、上記インダクタンス素子とＣｄｓは、発
振周波数において並列共振を起こす直前の状態をとる。
この状態下では、電界効果トランジスタ内のＣｄｓが実
効的に有する容量の大きさは、本来持っている３５ｆＦ
に比べて小さくなる。

【００１９】また、上記フィードバック回路を構成する
容量素子の大きさは、上記フィードバック回路内のイン
ダクタンス素子と、発振周波数よりも十分に低い周波数
において共振条件を満たすような値に設定する。上記容
量素子は、電界効果トランジスタに印加する直流バイア
ス電流がフィードバック回路に流入することを防ぐ役割
を持っており、上記容量素子が発振周波数近傍において
いずれの素子とも動作周波数帯域内で共振条件を満足す
ることのないようにする必要がある。

【００２０】図７に示したのは、図１のような構成をと
る発振器回路の発振周波数の温度変動のシミュレーショ
ン結果である。ここで本発明の一つの例として行ったシ
ミュレーションは、室温における発信周波数が７６ＧＨ
ｚの発信器回路についてであり、電界効果トランジスタ
のドレイン電極とソース電極との間に挿入するフィード
バック回路を構成するインダクタンス素子と容量素子の
大きさは次のように求められる。

【００２１】まず、フィードバック回路中のインダクタ
ンス素子と、電界効果トランジスタの中のドレイン‐ソ
ース間容量Ｃｄｓとは、発振周波数よりもわずかに高い
周波数において共振条件を満たすように設定されるの
で、両者の共振周波数を例えば８０ＧＨｚと定める場
合、上記共振周波数ｆは、数１と表される。ここで、Ｌ
はフィードバック回路中のインダクタンス素子の大きさ
である。

【００２２】

【数１】

【００２３】数１にｆ＝８０ＧＨｚ、Ｃｄｓ＝３５ｆＦ
を代入すると、Ｌ＝１１３ｐＨと求められる。次にフィ
ードバック回路中の容量素子とインダクタンス素子と
は、発振周波数よりも十分に低い周波数において共振条
件を満たすように設定されるので、両者の共振周波数を
例えば３０ＧＨｚと定める場合、容量素子の大きさは約
２５０ｆＦと求められる。

【００２４】図７に示した従来例の曲線においては、−
１０℃から１１０℃の温度変化に対して発振周波数が
１．４％変化するのに対して、本発明の好適な実施例に
おいては、発振周波数の温度係数がゼロに近い値を持つ
ように変化し、その変動の幅は０．５％程度にまで抑制
されている。

【００２５】以上説明した本発明の実施例は、発振周波
数の温度係数が負の値を持つ場合についてであるが、逆
に温度係数が正の値を持つ発振器回路においては、電界
効果トランジスタ中のＣｄｓの値を大きくする必要があ
る。

【００２６】この場合、上記電界効果トランジスタのド
レイン−ソース間に挿入するフィードバック回路は、図
２に示すように、容量素子６のみにより構成される。上
記容量素子６は電界効果トランジスタのＣｄｓを大きく
する役割を持ち、その値を適切なものに選べば、発振器
の発振周波数の温度係数をゼロに近づけることが可能と
なる。

【００２７】また、以上説明した実施例は、電界効果ト
ランジスタのソース電極に共振器を、ゲート電極に負性
抵抗発生用のリアクタンス素子を接続し、ドレイン電極
から発振出力を得る構成を持つ発振器回路についてであ
るが、電界効果トランジスタのゲート電極に共振器を、
ソース電極にリアクタンス素子を接続した、図３および
図４に示す如き発振器回路においても本発明は容易に適
用できる。

【００２８】すなわち、図１または図２に示す発振器回
路と同様に、電界効果トランジスタのドレイン電極とソ
ース電極の間にフィードバック回路を挿入し、電界効果
トランジスタの実効的なＣｄｓを適切な値にすることに
より、発振周波数の温度係数をゼロに近づけることが可
能となる。

【００２９】上記温度係数が負の値を持つ場合は、フィ
ードバック回路は図３に示すようにインダクタンス素子
５と容量素子６とを直列接続させた構成をとり、上記イ
ンダクタンス素子の大きさを、電界効果トランジスタの
中のＣｄｓと、発振周波数よりもわずかに高い周波数に
おいて共振条件を満足するような値に設定することによ
り、上記発振器の発振周波数の温度係数をゼロに近づけ
ることが可能になる。

【００３０】また、発振周波数の温度係数が正の値を持
つ場合には、フィードバック回路は図４に示すように、
容量素子６のみにより構成すればよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、発振器回路を構成
する能動素子のドレイン電極とソース電極との間に、フ
ィードバック回路を挿入して、能動素子のＣｄｓの大き
さを適切な値にすることにより、発振周波数の環境温度
による変動の大きさを抑制することが可能となる。その
結果、発振器回路を通信機器やレーダ機器等に用いた場
合、それらの機器の動作温度範囲が広く取れる。

【００３２】また、従来発振周波数の温度変動を抑制す
るために用いた温度検出手段、および発振周波数の制御
手段を廃することができ、製造コストの大幅な削減が図
られるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の発振器回路を示す回路図。

【図２】本発明の一実施例の発振器回路を示す回路図。

【図３】本発明の一実施例の発振器回路を示す回路図。

【図４】本発明の一実施例の発振器回路を示す回路図。

【図５】電界効果トランジスタの小信号等価回路モデル
の一例を示す回路図。

【図６】従来の発振器回路におけるドレイン−ソース間
容量と発振周波数の温度変動を比較したグラフ。

【図７】図１の実施例と従来例における発振周波数の温
度変動の比較を示したグラフ。

【符号の説明】

１…電界効果トランジスタ、２…共振器、３…負性抵抗
発生用リアクタンス素子、４…出力ポート、５…インダ
クタンス素子、６…容量素子。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電界効果トランジスタと、上記トランジス
   タのゲート電極に接続された負性抵抗を発生させるため
   のリアクタンス素子と、上記トランジスタのソース電極
   に接続された共振器と、上記トランジスタのドレイン電
   極にインピーダンス整合手段を介して備えられた出力ポ
   ートから構成される高周波発振器回路であって、上記ト
   ランジスタのドレイン電極とソース電極の間に、インダ
   クタンス素子または容量素子により構成されるフィード
   バック回路を挿入したことを特徴とするマイクロ波・ミ
   リ波帯発振器。
2. 【請求項２】請求項１に記載のフィードバック回路を備
   える発振器であって、電界効果トランジスタのゲート電
   極に共振器を接続し、ソース電極に負性抵抗を発生させ
   るためのリアクタンス素子を接続し、ドレイン電極にイ
   ンピーダンス整合手段を介した出力ポートを備えたこと
   を特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の発振器に
   おいて、発振周波数の温度係数が負の値を持つ場合に
   は、ドレイン電極とソース電極の間に挿入するフィード
   バック回路は、インダクタンス素子と容量素子とを直列
   に接続した構成を持ち、上記インダクタンス素子と上記
   電界効果トランジスタのドレイン−ソース間容量は、発
   振周波数の近傍の周波数において並列共振条件を満足
   し、発振周波数近傍において上記発振器を構成する電界
   効果トランジスタのドレイン−ソース間容量の実効値を
   減少させ、上記発振器の発振周波数の温度係数をゼロに
   近づける役割を持ち、上記容量素子は、上記インダクタ
   ンス素子と、発振周波数よりも十分低い周波数において
   直列共振条件を満足し、上記発振器を構成する電界効果
   トランジスタに印加する直流バイアス電流が、上記フィ
   ードバック回路に流入することを防止する役割を持ち、
   上記発振器の発振周波数の温度変動を抑制させることを
   特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
4. 【請求項４】請求項１または請求項２に記載の発振器に
   おいて、発振周波数の温度係数が正の値を持つ場合に
   は、ドレイン電極とソース電極の間に挿入するフィード
   バック回路は容量素子により構成され、上記容量素子は
   上記発振器を構成する電界効果トランジスタのドレイン
   −ソース間容量の実効値を増加させ、上記発振器の発振
   周波数の温度係数をゼロに近づける役割を持ち、上記発
   振器の発振周波数の温度変動を抑制させることを特徴と
   するマイクロ波・ミリ波帯発振器。