JP2010136128A - 発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数を高くしても分布定数線路の線路長を長くできてＱ値を向上できるとともに、製造誤差を小さく抑えることができる発振器を提供する。
【解決手段】１波長の線路長であって、両端をグランドに接地した分布定数線路１６を有し、この分布定数線路１６の一端から１／４波長の位置に設けた第１の中間タップに発振トランジスタ２７のべースを接続するようにした。これにより、分布定数線路１６の線路長が従来の１／４波長の線路長の分布定数線路より長くなり、その分Ｑ値の向上が図れるとともに、製造誤差を小さく抑えることが可能となる。分布定数線路１６の長さを１／２波長としても従来の１／４波長の長さの分布定数線路に比べて２倍長くできる。このようにしてもＱ値の向上が図れ、また製造誤差を小さく抑えることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロストリップラインやトリプレート型ストリップライン等の分布定数線路を共振素子として用いた発振器に関する。

従来、発振器の小型化を目的として、１／４波長のストリップラインが共振素子として用いられている（例えば、特許文献１参照）。図８は、特許文献１に開示された発振器１００の回路図である。同図において、発振用のトランジスタＱ１のベースに１／４波長の分布定数線路６０を接続し、コレクタに自己発振周波数が発振周波数より低いコンデンサＣ５からなるインダクタンス素子を接続し、コンデンサＣ５にはバラクタダイオードＶＤ２を接続する。分布定数線路６０はマイクロストリップラインであり、その一端が開放されている。この発振回路１００は、トランジスタＱ１のコレクタに接続されたコンデンサＣ５とバラクタダイオードＶＤ２がともにインダクタンス素子として働くため、コルピッツ型発振器として動作する。
特開２０００−１５１２７５号公報

しかしながら、１／４波長タイプのストリップラインを用いる場合、発振周波数が高くなるのにしたがって線路長が短くなるので、２ＧＨｚ〜４ＧＨｚといった高周波数になるとストリップラインの物理長が極端に短くなる。このため、ストリップラインの抵抗成分の影響が相対的に大きくなり、Ｑ値（共振ピークの鋭さを表わす値）が低下し、Ｃ／Ｎ（位相雑音）が低下する問題が生じる。

また、分布定数線路の線路長が短くなることによって、製造誤差によるパターン寸法のばらつきの影響を受け易くなり、発振周波数のばらつきの要因となる問題もある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、発振周波数を高くしても分布定数線路に十分な線路長を確保でき、Ｑ値の低下を抑えることができるとともに、発振周波数のばらつきの少ない発振器を提供することを目的とする。

本発明の発振器は、発振トランジスタと、前記発振トランジスタのベース−エミッタ間に接続される第１のコンデンサと、前記発振トランジスタのエミッタ−コレクタ間に接続される第２のコンデンサと、前記発振トランジスタのベースに接続される分布定数線路と、を備え、前記分布定数線路は、ｎ／２（ｎは正の整数）波長の長さであって、両端が接地され、前記分布定数線路の一端から（２ｍ−１）／４（ｍは正の整数）波長の位置に第１の接続部が設けられ、該第１の接続部が前記発振トランジスタのべースに接続されたことを特徴とする。

この構成によれば、分布定数線路の線路長をｎ／２（ｎは正の整数）波長とし、その両端を接地するとともに、その一端から（２ｍ−１）／４（ｍは正の整数）波長の位置に発振トランジスタのベースを接続するようにしたので、分布定数線路の線路長を従来の１／４波長の線路長の分布定数線路より長くできる分、Ｑ値の向上が図れるとともに、製造誤差を小さく抑えることが可能となる。

上記発振器において、前記分布定数線路は、ｎ＝２、ｍ＝１とすることができる。これにより、分布定数線路の線路長が１波長となるので、従来の１／４波長の長さの分布定数線路より４倍長くできる分、Ｑ値の向上が更に図れ、また製造誤差を更に小さく抑えることが可能となる。

本発明は、上記発振器において、前記分布定数線路に対して並列に接続された可変容量素子と、前記分布定数線路の一端から１／４波長の位置に設けられた第２の接続部と、を備え、前記第２の接続部に第３のコンデンサを介して前記可変容量素子の一端が接続されたことを特徴とする。

この構成によれば、分布定数線路のグランドに対するインピーダンスの高い部分にバラクタダイオードを接続するので、Ｑ値の向上が図れる。

本発明は、上記発振器において、前記分布定数線路に対して並列に接続された可変容量素子と、前記分布定数線路の一端から３／４波長の位置に設けられた第２の接続部と、を備え、前記第２の接続部に第３のコンデンサを介して前記可変容量素子の一端が接続されたことを特徴とする。

この構成によれば、分布定数線路のグランドに対するインピーダンスの高い部分にバラクタダイオードを接続するので、Ｑ値の向上が図れる。

上記発振器において、前記分布定数線路は、ｎ＝１、ｍ＝１とすることができる。これにより、分布定数線路の長さが１／２波長となるので、従来の１／４波長の長さの分布定数線路に比べて２倍長くできる分、Ｑ値の向上が図れ、また製造誤差を小さく抑えることが可能となる。

本発明は、上記発振器において、前記分布定数線路の一端から１／４波長の位置に設けられた第２の接続部に第３のコンデンサを介してバラクタダイオードの一端が接続されたことを特徴とする。

この構成によれば、分布定数線路のグランドに対するインピーダンスの高い部分にバラクタダイオードを接続するので、Ｑ値の向上が図れる。

上記発振器において、前記分布定数線路を、マイクロストリップライン又はトリプレート型ストリップラインで構成することができる。

本発明によれば、発振周波数を高くしても分布定数線路の十分な線路長を確保でき、Ｑ値の低下を抑えることができるとともに、共振周波数のばらつきの少ない発振器を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る発振器を示す回路図である。本実施の形態の発振器１０は、制御電圧Ｖｃｔｌが入力される制御電圧入力端子１１に対してグラウンドとの間にコンデンサ１２が接続され、制御電圧入力端子１１とコンデンサ１２のホット側端子との接続点にインダクタ１３の一端が接続されている。インダクタ１３の他端とグラウンドとの間には可変容量素子としてのバラクタダイオード１４が接続されている。バラクタダイオード１４のカソードは直流カット用のコンデンサ１５を介して分布定数線路１６に接続されている。分布定数線路１６は、マイクロストリップライン又はトリプレート型ストリップラインで構成することができる。バラクタダイオード１４と分布定数線路１６とで並列共振回路を構成しており、共振周波数は制御電圧入力端子１１からインダクタ１３を介してバラクタダイオード１４のカソードに印加される制御電圧Ｖｃｔｌによって制御される。分布定数線路１６は、クラップ容量としてのコンデンサ１７を介して発振トランジスタ２７のベースに接続されている。また、発振トランジスタ２７のベースには、一端が接地された分圧抵抗１８の他端と一端が電源電圧入力端子２０に接続された分圧抵抗１９の他端との接続点に接続されている。電源電圧入力端子２０には電源電圧Ｖｃｃが印加されている。発振トランジスタ２７のコレクタはコンデンサ２１を介して高周波的に接地されている。発振トランジスタ２７のベース−エミッタ間には第１の帰還コンデンサ２２が設けられ、発振トランジスタ２７のコレクタ−エミッタ間には第２の帰還コンデンサ２３が設けられている。また、発振トランジスタ２７のエミッタはバイアス抵抗２４を介して接地されると共に、結合コンデンサ２５を介して出力端子２６に接続されている。

図７に分布定数線路１６の１／４波長の位置における具体的な接続構成を例示する。図７（ａ）に示す例では、ストリップラインからなる分布定数線路１６の一方の端部（高周波的には終端となる）から１／４波長の位置に、第１の中間タップ１６ａと第２の中間タップ１６ｂを形成している。第１の中間タップ１６ａにクラップ容量のコンデンサ１７を介して発振トランジスタ２７のベースを接続し、第２の中間タップ１６ｂにコンデンサ１５を介してバラクタダイオード１４のカソードを接続する。コンデンサ１５及び１７はチップコンデンサを用いることができる。

図７（ｂ）に示す例では、分布定数線路１６の一方の端部から１／４波長の位置に、第１のランド１６ｃと第２のランド１６ｄを形成している。第１のランド１６ｃにクラップ容量のコンデンサ１７を介して発振トランジスタ２７のベースを接続し、第２のランド１６ｄに直流カット用のコンデンサ１５を介してバラクタダイオード１４のカソードを接続する。

次に、分布定数線路１６の線路長及び共振モードについて詳しく説明する。
分布定数線路１６は、基本の発振周波数の１波長（λ）に相当する線路長を有しており、両端がグランドに接地された両端終端型の共振素子で構成される。

本実施の形態では、分布定数線路１６は全体で１波長（λ）の線路長を有するが、分布定数線路１６の全長を１つの共振素子として使用するのではなく、一方の端部（高周波的な終端）から１／４波長の位置までの領域を共振現象に実質的に寄与する共振素子として使用している。そのため、バラクタダイオード１４のカソードを分布定数線路１６の終端から１／４波長の位置に接続し、かつクラップ容量のコンデンサ１７の分布定数線路１６側の一端を、分布定数線路１６の上記終端から１／４波長の位置に接続している。

本実施の形態の発振器１０は、クラップ容量を有するクラップ型電圧制御発振器であり、発振周波数ｆは次式により求めることができる。
ｆ＝１／｛２π［Ｌ／（１／Ｃ１＋１／Ｃ２＋１／Ｃ３）］^１／２｝
但し、Ｌは分布定数線路１６のインダクタ値、Ｃ１はコンデンサ２２の静電容量、Ｃ２はコンデンサ２３の静電容量、Ｃ３はコンデンサ１７の静電容量である。

図２は、本実施の形態の発振器１０の発振側の基本的な交流等価回路を示す図である。同図に示すように、発振トランジスタ２７のベースとエミッタとの間に帰還コンデンサ２２が接続され、エミッタとコレクタとの間に帰還コンデンサ２３が接続される。また、発振トランジスタ２７のベースに分布定数線路１６が接続される。

図３及び図４に両端終端型の分布定数線路１６の主な共振モードを示す図である。図３に示すように、分布定数線路１６の中央位置が最大振幅となる１／２波長共振モード、図４に示すように、分布定数線路１６の終端部から１／４波長、３／４波長の位置が最大振幅となる１／４波長共振モード、３／４波長共振モードとが発生する。現実には、さらに高次の共振モードが発生する。したがって、両端終端型の分布定数線路１６の場合、いずれか一方の終端から１／４波長又は３／４波長の位置に発振トランジスタ２７のベースを接続することで、１／４波長共振モードまたは３／４波長共振モードを用いた共振回路を構成できる。

図１に示すように、分布定数線路１６の一方の終端から１／４波長の位置に、バラクタダイオード１４のカソード及び発振トランジスタ２７のベースが接続された発振器１０では、分布定数線路１６の終端から１／４波長までのストリップラインとバラクタダイオード１４とで共振回路を構成し、制御電圧Ｖｃｔｌによって制御された共振信号が発振トランジスタ２７のベースに供給される。

このように、全体の長さが１波長のストリップラインからなる分布定数線路１６を用いているが、１／４波長共振モードの最大振幅が現れる終端から１／４波長の位置を接続部としているので、１／４波長共振モードを用いた共振回路を構成することができ、全長が１／４波長のストリップラインを用いた場合と同じ共振周波数を得るこができる。これにより、分布定数線路１６は全体として１波長の長さを確保できるので、全長が１／４波長のストリップラインに比べて、Ｑ値の低下を抑えることができる。また、分布定数線路１６は全体として１波長の長さとなるので、全長が１／４波長のストリップラインに比べて、製造誤差も小さくすることができる。

上記実施の形態では、全体の長さが１波長のストリップラインからなる分布定数線路１６を用い、終端から１／４波長の位置に接続部を設けているが、３／４波長共振モードを利用することもできる。この場合は、３／４波長共振モードの最大振幅が現れる終端から３／４波長の位置に接続部を設け、３／４波長共振モードを用いた共振回路を構成する。これにより、分布定数線路１６は全体として１波長の長さを確保できるので、全長が１／４波長のストリップラインに比べて、Ｑ値の低下を抑えることができる。

また、分布定数線路１６において発振トランジスタ２７に接続される第１の中間タップ（又はランド）とバラクタダイオード１４に接続される第２の中間タップ（又はランド）とは必ずしも同一位置に設ける必要はない。

図６に示すように、発振トランジスタ２７に接続される第１の中間タップ（又はランド）を一方の終端から１／４波長の位置に設け、バラクタダイオード１４に接続される第２の中間タップ（又はランド）を一方の終端から３／４波長の位置に設けても、上記実施の形態と同様に動作する。

図５にはｎ＝１、ｍ＝１となる分布定数線路１６を用いた発振器の回路図が示されている。すなわち、図５に示す分布定数線路１６は、全体が１／２波長の長さを有し、分布定数線路１６の終端から１／４波長の位置付近にタップ、ランドその他の接続部を設けている。

また本発明は、分布定数線路１６の線路長が１／４波長又は１／２波長に限定されない。本発明では、分布定数線路１６は、ｎ／２（ｎは正の整数）波長の長さであって、両端が接地され、分布定数線路１６の終端から（２ｍ−１）／４（ｍは正の整数）波長の位置付近にタップ、ランドその他の接続部を設け、発振トランジスタのベースを接続する構成であれば良い。

なお、分布定数線路１６の全長を１波長とした場合、分布定数線路１６における接続部の位置は、必ずしも１／４波長又は３／４波長と正確に一致する位置に設ける必要はなく、振幅が十分大きければ、若干位置がずれていても同様の効果を得ることができる。例えば、一端から１／４波長又は３／４波長の位置に対して、１／８波長以内の位置であれば、振幅は発振するのに十分な大きさを有している。したがって、分布定数線路１６の一端から１／８波長以上３／８波長以下又は５／８波長以上７／８波長以下の位置に接続部を設けることができる。

また、分布定数線路１６の全長を１／２波長とした場合は、一端から１／８波長以上３／８波長以下に接続部を設けることができる。

本発明は、テレビ受信機や無線通信機のチューナに適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る発振器を示す回路図である。 図１の発振器において、１波長の線路長の分布定数線路を用いたときの発振側の基本的な交流等価回路を示す図である。 図１の発振器の分布定数線路の共振モードである１／２波長共振を説明するための図である。 図１の発振器の分布定数線路の共振モードである１／４波長、３／４波長共振を説明するための図である。 図１の発振器において、１／２波長の線路長の分布定数線路を用いたときの発振側の基本的な交流等価回路を示す図である。 図１の発振器の変形例を示す回路図である。 分布定数線路の１／４波長の位置における具体的な接続構成を示す図である。 従来の発振器を示す回路図である。

符号の説明

１０…発振器
１１…制御電圧入力端子
１２…コンデンサ
１３…インダクタ
１４…バラクタダイオード
１５…直流カット用のコンデンサ
１６…分布定数線路
１６ａ…第１の中間タップ
１６ｂ…第２の中間タップ
１６ｃ…第１のランド
１６ｄ…第２のランド
１７…クラップ容量のコンデンサ
１８…分圧抵抗
１９…分圧抵抗
２０…電源電圧入力端子
２１…コンデンサ
２２…第１の帰還コンデンサ
２３…第２の帰還コンデンサ
２４…バイアス抵抗
２５…結合コンデンサ
２６…出力端子
２７…発振トランジスタ

Claims (8)

1. 発振トランジスタと、
   前記発振トランジスタのベース−エミッタ間に接続される第１のコンデンサと、
   前記発振トランジスタのエミッタ−コレクタ間に接続される第２のコンデンサと、
   前記発振トランジスタのベースに接続される分布定数線路と、を備え、
   前記分布定数線路は、ｎ／２（ｎは正の整数）波長の長さであって、両端が接地され、前記分布定数線路の一端から（２ｍ−１）／４（ｍは正の整数）波長の位置に第１の接続部が設けられ、該第１の接続部が前記発振トランジスタのべースに接続されたことを特徴とする発振器。
2. 前記分布定数線路は、ｎ＝２、ｍ＝１であることを特徴とする請求項１記載の発振器。
3. 前記分布定数線路に対して並列に接続された可変容量素子と、
   前記分布定数線路の一端から１／４波長の位置に設けられた第２の接続部と、を備え、
   前記第２の接続部に第３のコンデンサを介して前記可変容量素子の一端が接続されたことを特徴とする請求項２記載の発振器。
4. 前記分布定数線路に対して並列に接続された可変容量素子と、
   前記分布定数線路の一端から３／４波長の位置に設けられた第２の接続部と、を備え、
   前記第２の接続部に第３のコンデンサを介して前記可変容量素子の一端が接続されたことを特徴とする請求項２記載の発振器。
5. 前記分布定数線路は、ｎ＝１、ｍ＝１であることを特徴とする請求項１に記載の発振器。
6. 前記分布定数線路の一端から１／４波長の位置に設けられた第２の接続部に第３のコンデンサを介してバラクタダイオードの一端が接続されたことを特徴とする請求項５記載の発振器。
7. 前記分布定数線路が、マイクロストリップラインであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発振器。
8. 前記分布定数線路が、トリプレート型ストリップラインであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発振器。

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