JP2006054749A - 発振回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】 小型化かつ位相雑音を低減することができる発振回路を提供することを課題とする。
【解決手段】 差動対を構成する第1及び第2のトランジスタ(101,102)と、第1及び第2のトランジスタの第1の端子側に接続される出力合成回路(103)と、第1及び第2のトランジスタの第2の端子側に接続される電流源(106)とを有する発振回路が提供される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、発振回路に関し、特に差動対トランジスタを有する発振回路に関する。
近年、インターネットの急速な普及により高速で大容量のデータを送受信できる通信システムの需要が高まり、ビットレートは益々増加していく傾向にある。最近では、160G[bps]という声も聞かれる。また高速の無線通信の要求も同時に高まっている。このようなシステムを実現するにあたり送信側および受信側に配置される発振器は欠くことのできない重要な回路となっている。
LC発振器はLCから構成される共振器で発生する損失をトランジスタで負性抵抗を生成して発振を持続させる回路で古くから用いられていた。近年では、プッシュプッシュ型と呼ばれる倍波を利用した発振器の構成も登場し、トランジスタの最大発振周波数より高い周波数での発振も可能となった。
下記の特許文献1には、低消費電力発振器であってカスコードに接続されたトランジスタ対を含む共振回路を備えた送信システムが記載されている。また、下記の特許文献2には、差動増幅器を利用した電圧制御回路が記載されている。
特開2000−307423号公報 特開2003−168924号公報
本発明の目的は、小型の発振回路を提供することである。
本発明の他の目的は、位相雑音を低減することができる発振回路を提供することである。
本発明の一観点によれば、差動対を構成する第1及び第2のトランジスタと、第1及び第2のトランジスタの第1の端子側に接続される出力合成回路と、第1及び第2のトランジスタの第2の端子側に接続される電流源とを有する発振回路が提供される。
電流源を接続することにより、小型かつ位相雑音を低減することができる発振回路を提供することができる。すなわち、2個のトランジスタのそれぞれにバイアス回路を設ける必要がないので、小型化することができる。また、伝送線路の長さを調整するのではなく、出力合成回路及び電流源により位相を調整するので、伝送線路長が長くなり回路面積が大きくなることを防止し、小型化することができる。また、出力合成回路の他に電流源を設けることにより、位相雑音を低減することができる。
図6(A)は、プッシュプッシュ型発振回路の構成を示す回路図である。電界効果トランジスタ(FET)601及び602は、相互にゲート端子(以下、ゲートという)が伝送線路TL2を介してグランドに接続される。トランジスタ601及び602のソース端子(以下、ソースという)は、それぞれ伝送線路TL1を介してグランドに接続される。直流電源604は、伝送線路603を介してトランジスタ601のドレイン端子(以下、ドレインという)に接続される。直流電源606は、伝送線路605を介してトランジスタ602のドレインに接続される。ウィルキンソンカプラ(Wilkinson coupler)607は、抵抗回路を含み、伝送線路TLを介してトランジスタ601及び602のドレインに接続され、出力端子OUTから発振信号を出力する。
トランジスタ601及び602は、それぞれが1個の発振器を構成する。伝送線路603及び605は、それらの発振器の発振基本周波数の波長λの1/4の長さを有する。発振条件を満たすための調整を行うことにより、トランジスタ601及び602はそれぞれ発振する。トランジスタ601及び602のゲートに接続される伝送線路TL2の長さを調整することにより、トランジスタ601及び602の発振信号の位相を反転させる(180度ずらす)ことができる。ウィルキンソンカプラ607は、これら2つの発振信号を合成し、出力端子OUTから発振信号を出力する。この合成により、2つの発振信号の基本周波数成分は打ち消し合い、2倍波成分の発振信号が合成されて出力される。
図6(B)は、他のプッシュプッシュ型発振回路の構成を示す回路図である。電界効果トランジスタ611及び612は、相互にゲートが伝送線路TL2を介して接続される。トランジスタ611及び612のソースは、それぞれ伝送線路TL1を介してグランドに接続される。出力合成回路(Output combiner)613は、伝送線路TL3を介してトランジスタ611及び612のドレインに接続され、出力端子OUTから発振信号を出力する。直流電源615は、伝送線路614を介して出力端子OUTに接続される。バラクタダイオード616及び617は、カソードが相互に接続される。バラクタダイオード616のアノードはトランジスタ611のゲートに接続され、バラクタダイオード617のアノードはトランジスタ612のゲートに接続される。バラクタ制御端子Vtは、抵抗618を介してバラクタダイオード616及び617のカソード相互接続点に接続される。
図6(A)のウィルキンソンカプラ607を使用する場合は601及び602の出力インピーダンスは50Ωである必要があるので整合回路が必要になる。これに対して、図6(B)の出力合成回路613は、抵抗を介さずにトランジスタ611及び612のドレインを直接接続する。これにより、トランジスタ611及び612のゲートに接続される伝送線路TL2の長さを調整することなく、トランジスタ611及び612の発振信号の位相を反転させることができる。出力合成回路613が2つの発振信号を合成することにより、2つの発振信号の基本周波数成分は打ち消し合い、2倍波成分の発振信号が合成されて出力される。伝送線路614は、その2倍波周波数の波長λの1/4の長さを有する。また、バラクタ制御端子Vtの電圧を制御することにより、バラクタダイオード(可変容量)616及び617の容量を変化させ、出力端子OUTから出力される発振信号の周波数を制御することができる。
しかし、図6(A)の発振回路のように2個の発振器を組み合わせるとそれぞれにバイアス回路604及び606が必要となり占有面積が大きくなるばかりか、発振信号の位相を反転させて(180度ずらして)重ねる必要があり、そのためにトランジスタ601及び602のゲートに接続される伝送線路TL2の長さが長くなり非常に大きな面積を必要とする。さらに、発振出力が弱いという問題もある。この問題を改善するために、図6(B)の発振回路が考えられるが、位相雑音特性が充分でないという問題がある。位相雑音については合成される2倍波以外の基本波及び高調波成分を充分低減していないことが問題である。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態によるプッシュプッシュ型発振回路の構成例を示す回路図である。電界効果トランジスタ101及び102は、相互にゲートが伝送線路TL2を介して接続される。トランジスタ101及び102のソースは、それぞれ伝送線路TL1及び電流源106を介してグランド(基準電位)に接続され、仮想接地される。仮想接地は、高周波数的にグランドであることを意味する。出力合成回路(Output combiner)103、伝送線路TL3を介してトランジスタ101及び102のドレインに接続され、出力端子OUTから発振信号を出力する。直流電源105は、伝送線路104を介して出力端子OUTに接続される。
電流源106は、定電流源であり、トランジスタ101から引き込む電流とトランジスタ102から引き込む電流の合計を一定値にする。これにより、トランジスタ101及び102の発振信号の基本周波数成分は、相互に180度ずれた反転信号になる。これにより、それら2つの発振信号の基本周波数成分は、互いに打ち消し合う。また、図6(B)と同様に、出力合成回路103は、抵抗を介さずにトランジスタ101及び102のドレインを直接接続するので、トランジスタ101及び102のゲートに接続される伝送線路TL2の長さを調整することなく、トランジスタ101及び102の発振信号の位相を反転させることができる。出力合成回路103が2つの発振信号を合成することにより、2つの発振信号の基本周波数成分は打ち消し合い、2倍波成分の発振信号が合成されて出力される。伝送線路104は、その2倍波周波数の波長λの1/4の長さを有する。
本実施形態によれば、2つのトランジスタ101及び102とそのトータル電流を引き込む電流源106からなる差動対を用いることで、結合されたソース端子を仮想接地と見立てることが可能となる。ソース端子において1次の波(基本波)は互いに打ち消し合い、2次の波のみ合成され、2倍波を生成できる。電流源106を用いることで、図6(B)と比較して1次及び3次の波をソース端子で打ち消すことができるため、位相雑音を改善することができる。さらに、トランジスタ101及び102のドレイン側の出力合成回路103で出力合成を行うことで発振回路をコンパクトにできる。
以上のように、第1及び第2のトランジスタ101及び102は差動対を構成する。出力合成回路103は、第1及び第2のトランジスタ101及び102の第1の端子(ドレイン端子)側に接続される。電流源106は、第1及び第2のトランジスタ101及び102の第2の端子(ソース端子)側に接続される。
電流源106を接続することにより、小型かつ位相雑音を低減することができる発振回路を提供することができる。図6(A)の回路では、2個のトランジスタ601及び602のそれぞれにバイアス回路604及び606を設ける必要がある。それに対し、本実施形態では、2個のトランジスタ101及び102のそれぞれにバイアス回路を設ける必要がなく、1個のバイアス回路105でよいので、小型化することができる。また、図6(A)の回路では、トランジスタ601及び602のゲートに接続される伝送線路TL2の長さを調整することにより発振信号の位相を制御する必要がある。本実施形態では、伝送線路TL2の長さを調整するのではなく、出力合成回路103及び電流源106により位相を調整するので、伝送線路長が長くなり回路面積が大きくなることを防止し、小型化することができる。また、図6(B)の回路では、出力合成回路613のみで位相調整するので、2倍波以外の基本波及び高調波成分を充分低減できない。本実施形態では、出力合成回路103の他に電流源106を設けることにより、2倍波以外の基本波及び高調波成分を充分低減でき、位相雑音を低減することができる。このように、プッシュプッシュ型発振回路では、倍波を利用することにより、トランジスタ101及び102の最大発振周波数より高い周波数での発振が可能になる。
(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態によるプッシュプッシュ型発振回路の構成例を示す回路図である。本実施形態が第1の実施形態(図1)と異なる点を説明する。
バラクタダイオード201及び202は、カソードが相互に接続される。バラクタダイオード201のアノードはトランジスタ101のゲート(制御端子)に接続され、バラクタダイオード202のアノードはトランジスタ102のゲート(制御端子)に接続される。バラクタ制御端子Vtは、抵抗203を介してバラクタダイオード201及び202のカソード相互接続点に接続される。電流源106は、電界効果トランジスタで構成される。トランジスタ106は、ゲートが電流源制御端子Vcに接続され、ソースがグランドに接続され、ドレインがトランジスタ101及び102のソース相互接続点に接続される。
本実施形態は、第1の実施形態と同様に、2つのトランジスタ101及び102とそのトータル電流を引き込む電流源106からなる差動対を用いることでソースを仮想接地と見立てることが可能となり、左右のトランジスタ101及び102から互いに極性の異なる信号を非常にコンパクトな回路構成で取り出すことが可能となる。これにより、1次の波(基本波)は互いに打ち消し合い、2次の波のみ合成され、2倍波を生成できる。電流源106を用いることで、図6(B)の回路と比較して、1次及び3次の波をソース端子で打ち消すことができ、2倍波と基本波の比、及び2倍波と3倍波の比を向上させることができるため位相雑音を改善することができる(図3(A)及び(B)参照)。さらに、ドレイン側に出力合成回路103を用いることで、ゲートから信号を取り出す形式に比べ、ソースフォロワを介さず負荷を直接駆動でき、コンパクトにできると共に、発振出力も増加する。
本実施形態は、バラクタ制御端子Vtの電圧を制御することにより、バラクタダイオード201及び202の容量を変化させ、出力端子OUTから出力される発振信号の周波数を制御することができる。また、電流源制御端子Vcの電圧を調整することで、電流源106に流れる電流量を変化させることができるため、出力端子OUTからの発振出力を変化させることができる(図4参照)。
図3(A)は図2の本実施形態による発振回路の発振出力の高調波分布を示し、図3(B)は図6(B)の発振回路の発振出力の高調波分布を示す。縦軸は出力端子OUTからの出力[dBm]を示し、横軸は高調波次数(harmindex)を示す。横軸の高調波次数は、「1.0」が基本波を示し、「2.0」が2倍波を示し、「3.0」が3倍波を示す。
図3(A)の本実施形態の発振回路特性は、図3(B)の発振回路特性に比べ、基本波及び3倍波の発振出力が小さくなっている。この発振回路では、2倍波の発振信号が必要であり、それ以外の基本波及び高調波の位相雑音は不要である。本実施形態では、電流源106を設けることにより、2倍波以外の基本波及び高調波成分を充分低減でき、位相雑音を低減することができる。
図4は、電流源制御端子Vcによる発振出力制御を示すグラフである。横軸は図2の電流源制御端子Vcの電圧[V]を示し、縦軸は出力端子OUTからの出力[dBm]を示す。電流源制御端子Vcの電圧を調整することで、出力端子OUTからの発振出力を変化させることができる。
(第3の実施形態)
図5は、本発明の第3の実施形態によるカスコード型プッシュプッシュ型発振回路の構成例を示す回路図である。本実施形態が第2の実施形態(図2)と異なる点を説明する。
電界効果トランジスタ501は、ゲートが抵抗504を介して高調波制御端子Vhに接続され、ソースがトランジスタ101のドレインに接続され、ドレインが伝送線路TL3を介して出力合成回路103に接続される。電界効果トランジスタ502は、ゲートが抵抗506を介して高調波制御端子Vhに接続され、ソースがトランジスタ102のドレインに接続され、ドレインが伝送線路TL3を介して出力合成回路103に接続される。容量503は、トランジスタ501のゲート及びグランド間に接続される。容量505は、トランジスタ502のゲート及びグランド間に接続される。出力端子A1は、伝送線路TLを介してトランジスタ101及び501の相互接続点に接続される。出力端子A2は、伝送線路TLを介してトランジスタ102及び502の相互接続点に接続される。
本実施形態では、トランジスタ101及び102にそれぞれトランジスタ501及び502がカスコード接続される。これにより、本実施形態は、第1及び第2の実施形態に比べ、高周波での発振を容易にするばかりでなく、出力負荷の発振用トランジスタに与える影響を低減できる。
さらに、ゲート接地トランジスタ501及び502のゲート端子Vhの電圧を制御することにより、高調波出力成分を制御することが可能となる。具体的には、出力波形の形状を変化させることができる。なお、抵抗504,506及び容量503,505は削除してもよい。すなわち、トランジスタ501及び502のゲートを直接高調波制御端子Vhに接続してもよい。
また、出力端子A1及びA2から同時に位相反転した基本周波数の波を取り出すことができる。これにより、出力端子A1及びA2からは基本波を出力させ、出力端子OUTからは2倍波を出力させることができる。第1及び第2の実施形態では、2倍波のみが出力されるので、他の周波数の信号を得るには分周器や逓倍器が必要になる。本実施形態では、基本波及び2倍波を得ることができるので、分周器や逓倍器が不要になり、発振回路をコンパクトにすることができる。
なお、第1〜第3の実施形態では、電界効果トランジスタを用いる場合を例に説明したが、電界効果トランジスタの代わりにバイポーラトランジスタを用いてもよい。その場合、電界効果トランジスタのゲート、ソース及びドレインは、それぞれバイポーラトランジスタのベース、エミッタ及びコレクタに相当する。
上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
本発明の実施形態は、例えば以下のように種々の適用が可能である。
(付記1)
差動対を構成する第1及び第2のトランジスタと、
前記第1及び第2のトランジスタの第1の端子側に接続される出力合成回路と、
前記第1及び第2のトランジスタの第2の端子側に接続される電流源と
を有する発振回路。
(付記2)
さらに、前記第1及び第2のトランジスタにそれぞれカスコード接続される第3及び第4のトランジスタを有し、
前記出力合成回路は前記第3及び第4のトランジスタの第1の端子側に接続され、
前記電流源は前記第1及び第2のトランジスタの第2の端子側に接続される付記1記載の発振回路。
(付記3)
さらに、前記第1及び第2のトランジスタの制御端子にそれぞれ接続される第1及び第2のバラクタと、
前記第1及び第2のバラクタを介して前記第1及び第2のトランジスタの制御端子に接続されるバラクタ制御端子と
を有する付記1記載の発振回路。
(付記4)
前記第1及び第2のトランジスタの制御端子が相互に接続される付記1記載の発振回路。
(付記5)
さらに、前記第1及び第2のトランジスタの制御端子の相互点に接続される高調波制御端子を有する付記4記載の発振回路。
(付記6)
さらに、前記第1及び第2のトランジスタの制御端子及び前記高調波制御端子間にそれぞれ接続される第1及び第2の抵抗と、
前記第1及び第2のトランジスタの制御端子及び基準電位間にそれぞれ接続される第1及び第2容量と
を有する付記5記載の発振回路。
(付記7)
さらに、前記出力合成回路の出力端子に接続される直流電源を有する付記1記載の発振回路。
(付記8)
前記第1及び第2のトランジスタは電界効果トランジスタであり、
前記出力合成回路は前記第1及び第2の電界効果トランジスタのドレイン端子側に接続され、
前記電流源は前記第1及び第2の電界効果トランジスタのソース端子側に接続される付記1記載の発振回路。
(付記9)
さらに、前記第1及び第2の電界効果トランジスタにそれぞれカスコード接続される第3及び第4の電界効果トランジスタを有し、
前記出力合成回路は前記第3及び第4の電界効果トランジスタのドレイン端子側に接続され、
前記電流源は前記第1及び第2の電界効果トランジスタのソース端子側に接続される付記8記載の発振回路。
(付記10)
さらに、前記第1及び第2の電界効果トランジスタのゲート端子にそれぞれ接続される第1及び第2のバラクタと、
前記第1及び第2のバラクタを介して前記第1及び第2の電界効果トランジスタのゲート端子に接続されるバラクタ制御端子と
を有する付記8記載の発振回路。
(付記11)
前記第1及び第2の電界効果トランジスタのゲート端子が相互に接続される付記8記載の発振回路。
(付記12)
さらに、前記第1及び第2の電界効果トランジスタのゲート端子の相互点に接続される高調波制御端子を有する付記11記載の発振回路。
(付記13)
さらに、前記第1及び第2の電界効果トランジスタのゲート端子及び前記高調波制御端子間にそれぞれ接続される第1及び第2の抵抗と、
前記第1及び第2の電界効果トランジスタのゲート端子及び基準電位間にそれぞれ接続される第1及び第2容量と
を有する付記12記載の発振回路。
(付記14)
さらに、前記出力合成回路の出力端子に接続される直流電源を有する付記8記載の発振回路。
(付記15)
前記第1及び第2のトランジスタはバイポーラトランジスタであり、
前記出力合成回路は前記第1及び第2のバイポーラトランジスタのコレクタ端子側に接続され、
前記電流源は前記第1及び第2のバイポーラトランジスタのエミッタ端子側に接続される付記1記載の発振回路。
(付記16)
さらに、前記第1及び第2のバイポーラトランジスタにそれぞれカスコード接続される第3及び第4のバイポーラトランジスタを有し、
前記出力合成回路は前記第3及び第4のバイポーラトランジスタのコレクタ端子側に接続され、
前記電流源は前記第1及び第2のバイポーラトランジスタのエミッタ端子側に接続される付記15記載の発振回路。
(付記17)
さらに、前記第1及び第2のバイポーラトランジスタのベース端子にそれぞれ接続される第1及び第2のバラクタと、
前記第1及び第2のバラクタを介して前記第1及び第2のバイポーラトランジスタのベース端子に接続されるバラクタ制御端子と
を有する付記15記載の発振回路。
(付記18)
前記第1及び第2のバイポーラトランジスタのベース端子が相互に接続される付記15記載の発振回路。
(付記19)
さらに、前記第1及び第2のバイポーラトランジスタのベース端子の相互点に接続される高調波制御端子を有する付記18記載の発振回路。
(付記20)
さらに、前記第1及び第2のバイポーラトランジスタのベース端子及び前記高調波制御端子間にそれぞれ接続される第1及び第2の抵抗と、
前記第1及び第2のバイポーラトランジスタのベース端子及び基準電位間にそれぞれ接続される第1及び第2容量と
を有する付記19記載の発振回路。
(付記21)
さらに、前記出力合成回路の出力端子に接続される直流電源を有する付記15記載の発振回路。
本発明の第1の実施形態によるプッシュプッシュ型発振回路の構成例を示す回路図である。 本発明の第2の実施形態によるプッシュプッシュ型発振回路の構成例を示す回路図である。 図3(A)は図2の実施形態による発振回路の発振出力の高調波分布を示す図、図3(B)は図6(B)の発振回路の発振出力の高調波分布を示す図である。 電流源制御端子Vcによる発振出力制御を示すグラフである。 本発明の第3の実施形態によるカスコード型プッシュプッシュ型発振回路の構成例を示す回路図である。 図6(A)及び(B)はプッシュプッシュ型発振回路の構成を示す回路図である。
符号の説明
101,102 トランジスタ
103 出力合成回路
104 伝送線路
105 直流電源
106 電流源
TL1,TL2,TL3,TL 伝送線路

Claims (10)

  1. 差動対を構成する第1及び第2のトランジスタと、
    前記第1及び第2のトランジスタの第1の端子側に接続される出力合成回路と、
    前記第1及び第2のトランジスタの第2の端子側に接続される電流源と
    を有する発振回路。
  2. さらに、前記第1及び第2のトランジスタにそれぞれカスコード接続される第3及び第4のトランジスタを有し、
    前記出力合成回路は前記第3及び第4のトランジスタの第1の端子側に接続され、
    前記電流源は前記第1及び第2のトランジスタの第2の端子側に接続される請求項1記載の発振回路。
  3. さらに、前記第1及び第2のトランジスタの制御端子にそれぞれ接続される第1及び第2のバラクタと、
    前記第1及び第2のバラクタを介して前記第1及び第2のトランジスタの制御端子に接続されるバラクタ制御端子と
    を有する請求項1記載の発振回路。
  4. 前記第1及び第2のトランジスタの制御端子が相互に接続される請求項1記載の発振回路。
  5. さらに、前記第1及び第2のトランジスタの制御端子の相互点に接続される高調波制御端子を有する請求項4記載の発振回路。
  6. さらに、前記第1及び第2のトランジスタの制御端子及び前記高調波制御端子間にそれぞれ接続される第1及び第2の抵抗と、
    前記第1及び第2のトランジスタの制御端子及び基準電位間にそれぞれ接続される第1及び第2容量と
    を有する請求項5記載の発振回路。
  7. 前記第1及び第2のトランジスタは電界効果トランジスタであり、
    前記出力合成回路は前記第1及び第2の電界効果トランジスタのドレイン端子側に接続され、
    前記電流源は前記第1及び第2の電界効果トランジスタのソース端子側に接続される請求項1記載の発振回路。
  8. さらに、前記第1及び第2の電界効果トランジスタにそれぞれカスコード接続される第3及び第4の電界効果トランジスタを有し、
    前記出力合成回路は前記第3及び第4の電界効果トランジスタのドレイン端子側に接続され、
    前記電流源は前記第1及び第2の電界効果トランジスタのソース端子側に接続される請求項7記載の発振回路。
  9. 前記第1及び第2のトランジスタはバイポーラトランジスタであり、
    前記出力合成回路は前記第1及び第2のバイポーラトランジスタのコレクタ端子側に接続され、
    前記電流源は前記第1及び第2のバイポーラトランジスタのエミッタ端子側に接続される請求項1記載の発振回路。
  10. さらに、前記第1及び第2のバイポーラトランジスタにそれぞれカスコード接続される第3及び第4のバイポーラトランジスタを有し、
    前記出力合成回路は前記第3及び第4のバイポーラトランジスタのコレクタ端子側に接続され、
    前記電流源は前記第1及び第2のバイポーラトランジスタのエミッタ端子側に接続される請求項9記載の発振回路。
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