JP2006352270A

JP2006352270A - 発振器

Info

Publication number: JP2006352270A
Application number: JP2005172796A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyoshi Kegasa; 光容毛笠; Chitayoshi Manabe; 知多佳真鍋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2006-12-28
Also published as: KR20080011437A; US20080309422A1; EP1892826A1; WO2006134750A1; EP1892826A4

Abstract

【課題】発振動作を行う能動素子で生じたノイズを外部に逃がすことにより、ノイズや寄生発振を低減することができる発振器を提供する。
【解決手段】所定の周波数で発振動作を行うことにより発振周波数ｆの発振信号Ｓｏｕｔを出力するトランジスタＱ１と、発振周波数ｆにおけるインピーダンスよりも、発振周波数ｆより低い周波数においてインピーダンスが低下するインピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３と、コンデンサＣ６，Ｃ７，Ｃ８とを備え、トランジスタＱ１のコレクタ端子、ベース端子、及びエミッタ端子は、インピーダンス素子Ｚ１とコンデンサＣ６との直列回路、インピーダンス素子Ｚ２とコンデンサＣ７との直列回路、及びインピーダンス素子Ｚ３とコンデンサＣ８との直列回路をそれぞれ介してグラウンドに接続されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定の周波数で発振する発振器に関する。

図４は、背景技術に係る発振器の構成を示す回路図である（例えば、特許文献１参照。）。図４に示す発振器１０１は、例えば、主に無線機などに使用されている発振器で、共振器１０２、トランジスタ１０３、抵抗１０４，１０５，１０６、及びコンデンサ１０７，１０８，１０９，１１０，１１１を備えて構成されている。そして、トランジスタ１０３のコレクタは抵抗１０４を介して電源に接続されると共に、コンデンサ１０７を介してグラウンドに接続されて高周波的に接地されている。

トランジスタ１０３のベースは、抵抗１０５を介してトランジスタ１０３のコレクタに接続されている。また、トランジスタ１０３のエミッタは、抵抗１０６とコンデンサ１１０との並列回路を介してグラウンドに接続され、トランジスタ１０３のエミッタとベースとはコンデンサ１０９を介して接続されている。そして、トランジスタ１０３のベースは、コンデンサ１０８を介して共振器１０２に接続されている。

このような回路はコルピッツ型発振回路と言われており、共振器１０２の共振周波数で発振することによりトランジスタ１０３のエミッタに生じた周波数信号が、コンデンサ１１１を介して負荷１１２へ供給されるようになっている。

このように構成された発振器１０１において、例えばマイクロ波帯の周波数信号を生じるものでは、コンデンサ１０７，１０８，１０９，１１０，１１１は、０．１ｐＦ〜０．１μＦ程度の静電容量のものが用いられる。
特開２００２−３４４２４０号公報

ところで、トランジスタ等の能動素子では、ホワイトノイズと呼ばれる広い周波数範囲でほぼ一定の値のノイズの他に、１／ｆ雑音と呼ばれる低い周波数で支配的となる周波数に反比例して大きくなるノイズが存在する。低雑音のバイボーラートランジスタでは１／ｆ雑音は通常１０ｋＨｚ以下の低い周波数でホワイトノイズより大きく、支配的になることが知られている。

また、上述の発振器１０１では、コンデンサ１０７，１０８，１０９，１１０，１１１のインピーダンスは、発振器１０１の発振周波数では比較的小さくなるものの、１／ｆ雑音が支配的となるような低い周波数、例えば１０ｋＨｚ以下の周波数では、インピーダンスが極めて高くなってしまう。そのため、１／ｆ雑音が支配的となる低い周波数では、トランジスタ１０３の全ての信号端子が比較的高いインピーダンスに接続された状態となる。

このため、トランジスタ１０３の内部で発生した１／ｆ雑音はトランジスタ１０３の内部に閉じ込められ、トランジスタ１０３のコレクタ電流において、低い周波数でのノイズ成分を生じるという不都合があった。また、発振器１０１はトランジスタ１０３を非直線領域で使用しているため、直流付近の低い周波数でのノイズ成分は発振周波数の信号と混合され、発振周波数近傍の位相雑音に変化するという不都合があった。そして、低い周波数では安定な回路でも、発振器１０１がマイクロ波帯で発振している状態では、トランジスタ１０３の整流作用等によるバイアス条件の変化により、小さな振幅で低い周波数の寄生発振が発生する場合があるという不都合があった。

図５は、寄生発振が発生している発振器１０１の出力信号のスペクトラムを示す図である。図５において、横軸は周波数、縦軸は電力を示している。図５に示すスペクトラムは、発振周波数６．２４２ＧＨｚの発振器１０１が、３２ｋＨｚの周波数で寄生発振を起こしている状態を示しており、寄生発振を符号Ａで示している。

本発明は、このような問題に鑑みて為された発明であり、発振動作を行う能動素子で生じたノイズを外部に逃がすことにより、ノイズや寄生発振を低減することができる発振器を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る発振器は、所定の周波数で発振動作を行うことにより前記周波数の信号を出力する能動素子と、前記周波数より低い周波数において前記周波数におけるインピーダンスよりもインピーダンスが低下するインピーダンス素子と、コンデンサとを備え、前記能動素子が備える信号端子のうち少なくとも一つは、前記インピーダンス素子と前記コンデンサとの直列回路を介してグラウンドに接続されていることを特徴としている。

また、上述の発振器において、前記能動素子はトランジスタであり、前記トランジスタが備えるコレクタ端子は、前記信号端子として前記直列回路を介してグラウンドに接続されていることを特徴としている。

また、上述の発振器において、前記能動素子はトランジスタであり、前記トランジスタが備えるベース端子は、前記信号端子として前記直列回路を介してグラウンドに接続されていることを特徴としている。

また、上述の発振器において、前記能動素子はトランジスタであり、前記トランジスタが備えるエミッタ端子は、前記信号端子として前記直列回路を介してグラウンドに接続されていることを特徴としている。

また、上述の発振器において、前記エミッタ端子は、前記直列回路の代わりに前記インピーダンス素子を介してグラウンドに接続されていることを特徴としている。

このような構成の発振器は、能動素子が発振動作を行うことにより、所定の周波数の信号が出力される。また、能動素子が備える信号端子のうち少なくとも一つは、前記周波数より低い周波数において前記周波数におけるインピーダンスよりもインピーダンスが低下するインピーダンス素子と、コンデンサとの直列回路を介してグラウンドに接続されているので、能動素子で生じた低周波数の１／ｆ雑音をグラウンドに逃がすことができる結果、寄生発振を抑制し、１／ｆ雑音に基づく位相雑音を低減することが出来る。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る発振器の構成の一例を示す回路図である。図１に示す発振器１は、いわゆるコルピッツ型発振回路であり、共振器２、トランジスタＱ１（能動素子）、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８、及びインピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３を備えて構成されている。

トランジスタＱ１のコレクタは抵抗Ｒ１を介して電源に接続されると共に、コンデンサＣ１を介してグラウンドに接続されることにより高周波的に接地されている。トランジスタＱ１のベース端子は、抵抗Ｒ２を介してトランジスタＱ１のコレクタ端子に接続されている。また、トランジスタＱ１のエミッタ端子は、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３との並列回路を介してグラウンドに接続され、トランジスタＱ１のエミッタ端子とベース端子とはコンデンサＣ２を介して接続されている。そして、トランジスタＱ１のベース端子は、コンデンサＣ５を介して共振器２に接続されている。

さらに、トランジスタＱ１のコレクタ端子は、インピーダンス素子Ｚ１とコンデンサＣ６との直列回路を介してグラウンドに接続され、トランジスタＱ１のベース端子は、インピーダンス素子Ｚ２とコンデンサＣ７との直列回路を介してグラウンドに接続され、トランジスタＱ１のエミッタ端子は、インピーダンス素子Ｚ３とコンデンサＣ８との直列回路を介してグラウンドに接続されている。

そして、トランジスタＱ１は、共振器２の共振周波数ｆで発振し、トランジスタＱ１のエミッタ端子に生じた周波数信号がコンデンサＣ４を介して発振信号Ｓｏｕｔとして外部へ出力されるようになっている。この場合、発振器１の発振周波数もまたｆとなる。

共振器２としては、例えば水晶発振子やＬＣ共振回路、あるいはマイクロ波の共振に用いられる誘電体共振器を用いることができる。

コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５としては、例えば０．１ｐＦ〜０．１μＦ程度の静電容量のものが用いられる。また、コンデンサＣ６，Ｃ７，Ｃ８としては、大容量のコンデンサ、例えば１０μＦ以上の静電容量のものが用いられる。

インピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３は、発振周波数ｆより低い周波数において、発振周波数ｆにおけるインピーダンスよりもインピーダンスが低下するインピーダンス素子であり、発振周波数ｆにおいて周波数が高く、例えば１００Ω以上となり、１／ｆ雑音が支配的となるような低い周波数、例えば１０ｋＨｚ以下の周波数では、極めて低いインピーダンス、例えば５Ω以下となるようにされている。

あるいは、インピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３は、マイクロ波回路において標準インピーダンスとされている５０Ωを基準に、発振周波数ｆにおいて標準インピーダンスの２倍以上となり、１／ｆ雑音が支配的となる低い周波数において標準インピーダンスの１／１０以下となるようにしてもよい。

インピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３としては、例えば、チョークコイルや、コイルとコンデンサとの並列共振回路を用いることができる。あるいは、マイクロ波の周波数では、発振周波数ｆの信号における波長をλとするとλ／４の長さのマイクロストリップラインにより構成することが出来る。この場合、インピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３として共振のＱ値が３０以上のコイルとコンデンサとの並列共振回路や、λ／４の長さのマイクロストリップラインを用いた場合には、発振周波数ｆにおいてインピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３のインピーダンスを容易に５００Ω以上とすることができる。

これにより、インピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３は、発振周波数ｆでは極めて高いインピーダンス、例えば１００Ω以上となるので発振器１の発振条件には影響を与えることなく、発振器１は発振周波数ｆで発振する。

一方、インピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３は、１／ｆ雑音が支配的となる周波数、例えば１０ｋＨｚ以下の低い周波数では、極めて低いインピーダンス、例えば５Ω以下となる。また、インピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３と直列に接続されているコンデンサＣ６，Ｃ７，Ｃ８は、静電容量の大きなものが用いられているので、１／ｆ雑音が支配的となる低周波の領域でもインピーダンスが非常に小さくなる。例えば、コンデンサＣ６，Ｃ７，Ｃ８の静電容量が１０μＦの場合、１／ｆ雑音が支配的となる１０ｋＨｚにおけるインピーダンスは１．６Ωとなる。

これにより、トランジスタＱ１のコレクタ端子、ベース端子、及びエミッタ端子は、１／ｆ雑音が支配的となる低周波の領域において、低インピーダンスを介してグラウンドに接続される。そうすると、トランジスタＱ１の１／ｆ雑音は、各信号端子からグランドへ流出するため、トランジスタＱ１のコレクタ電流に含まれる１／ｆ雑音成分は大幅に低減される。そして、コレクタ電流に含まれる１／ｆ雑音が低減されると、位相雑音に変化する１／ｆ雑音が減少する結果、位相雑音も大幅に低減される。また、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの低い周波数での寄生発振も、エミッタ・ベース・コレクタの全ての端子が低いインピーダンスでグラウンドに接続されているため抑制される。

このように、発振動作を行うトランジスタＱ１で生じた１／ｆ雑音をグラウンドに逃がすことにより、ノイズや寄生発振を低減することができる。

図２は、図１に示す発振器１を用いて得られた発振信号Ｓｏｕｔのスペクトラムを示すグラフである。図２において、横軸は周波数、縦軸は電力を示している。図２に示すスペクトラムでは、図５に示す従来の発振器で得られたスペクトラムにおいて符号Ａで示す部分に生じていた３２ｋＨｚの寄生発振がなくなっていることが確認できた。また、図２に示すスペクトラムでは、発振周波数の両側の位相雑音が滑らかに低下していることが確認できた。

図３は、図１に示す発振器１において、発振周波数ｆを６．２４ＧＨｚとし、共振器２として誘電体共振器を用い、共振のＱ値を、Ｑ＝１０００とした場合において得られた発振信号Ｓｏｕｔの位相雑音を示したグラフである。図３において、横軸は発振周波数ｆからのオフセット周波数、縦軸は発振電力に対する１Ｈｚ当たりの雑音電力をｄＢで表した値である。

図３に示すように、図１に示す発振器１において、オフセット周波数１０ｋＨｚの場合、位相雑音は−１１９ｄＢｃ／Ｈｚ、オフセット周波数１００ｋＨｚの場合、位相雑音は−１４０ｄＢｃ／Ｈｚという極めて低い位相雑音特性が得られた。

また、本願発明者は、実験によって、市販されている一般的なマイクロ波発振器について、位相雑音を測定した。その結果によれば、米国Ｈｉｔｔｉｔｅ社製ＨＭＣ３５８ＭＳ８Ｇでは周波数オフセットが１００ｋＨｚの場合、位相雑音は−１０５ｄＢｃ／Ｈｚ、米国Ｚ−ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ社製Ｖ９６５ＭＥ０４では周波数オフセットが１００ｋＨｚの場合、位相雑音は−１１０ｄＢｃ／Ｈｚ、（株）ヨコオ・ウベギガデバイス社製ＧＤＶ３０７ＫＳでは周波数オフセットが１００ｋＨｚの場合、−１１０ｄＢｃ〜−１１９ｄＢｃ／Ｈｚという結果が得られた。これら市販のマイクロ波発振器と比較しても、図１に示す発振器１における位相雑音は低減されていることが確認できた。

このように、図１に示す発振器１では、１／ｆ雑音が支配的となる低周波数の領域において、発振周波数におけるインピーダンスよりもインピーダンスが低下するインピーダンス素子と、当該低周波数の領域において低インピーダンスであるコンデンサとの直列回路によって発振動作を行うトランジスタＱ１の信号端子がグラウンドに接続されているので、トランジスタＱ１で生じた１／ｆ雑音をグラウンドに逃がすことができ、寄生発振を抑制し、１／ｆ雑音に基づく位相雑音を低減することが出来る。

なお、トランジスタＱ１のコレクタ端子、ベース端子、及びエミッタ端子が、インピーダンス素子Ｚ１とコンデンサＣ６との直列回路、インピーダンス素子Ｚ２とコンデンサＣ７との直列回路、及びインピーダンス素子Ｚ３とコンデンサＣ８との直列回路を介してそれぞれグラウンドと接続される例を示したが、トランジスタＱ１のコレクタ端子、ベース端子、及びエミッタ端子のうち少なくとも一つが対応する直列回路を介してグラウンドに接続される構成であってもよい。

また、トランジスタＱ１のエミッタは、インピーダンス素子Ｚ３とコンデンサＣ８との直列回路を介してグラウンドに接続する例を示したが、コンデンサＣ８を用いず、インピーダンス素子Ｚ３のみを介してグラウンドに接続する構成としてもよい。

また、本発明をコルピッツ発振回路に適用した例を示したが、発振回路の方式には限定されず、他の方式の発振回路において発振を行う能動素子の信号端子のうち少なくとも一つがインピーダンス素子とコンデンサとの直列回路を介してグラウンドに接続される構成であってもよい。例えば、マイクロ波帯においてコンデンサの代わりにトランジスタ等の素子の寄生容量を用いて構成された負性抵抗入力発振回路等に適用することができる。

なお、上述の各図及び説明文は、本特許の一実施例の説明の為のものであり、本発明の請求範囲を限定するものではない。

本発明の一実施形態に係る発振器の構成の一例を示す回路図である。図１に示す発振器を用いて得られた発振信号のスペクトラムを示すグラフである。図１に示す発振器を用いて得られた発振信号の位相雑音を示すグラフである。背景技術に係る発振器の構成を示す回路図である。図４に示す発振器を用いて得られた発振信号のスペクトラムを示すグラフである。

符号の説明

１発振器
２共振器
Ｃ１〜Ｃ８コンデンサ
Ｑ１トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ３抵抗
Ｚ１〜Ｚ３インピーダンス素子

Claims

所定の周波数で発振動作を行うことにより前記周波数の信号を出力する能動素子と、
前記周波数より低い周波数において前記周波数におけるインピーダンスよりもインピーダンスが低下するインピーダンス素子と、
コンデンサとを備え、
前記能動素子が備える信号端子のうち少なくとも一つは、前記インピーダンス素子と前記コンデンサとの直列回路を介してグラウンドに接続されていること
を特徴とする発振器。
前記能動素子はトランジスタであり、前記トランジスタが備えるコレクタ端子は、前記信号端子として前記直列回路を介してグラウンドに接続されていること
を特徴とする請求項１記載の発振器。
前記能動素子はトランジスタであり、前記トランジスタが備えるベース端子は、前記信号端子として前記直列回路を介してグラウンドに接続されていること
を特徴とする請求項１記載の発振器。
前記能動素子はトランジスタであり、前記トランジスタが備えるエミッタ端子は、前記信号端子として前記直列回路を介してグラウンドに接続されていること
を特徴とする請求項１記載の発振器。
前記エミッタ端子は、前記直列回路の代わりに前記インピーダンス素子を介してグラウンドに接続されていること
を特徴とする請求項４記載の発振器。