JP2011004217A - 電圧制御発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】残留位相雑音特性を劣化させずに発振周波数の広帯域化を実現する電圧制御発振器を提供することを目的とする。
【解決手段】制御電圧印加端子Ｖｃ１からの制御電圧に応じて所望の周波数で発振する能動回路を備えた電圧制御発振器であって、前記能動回路は、トランスＴＳの一次側コイルＬ５に印加される前記制御電圧によってインダクタンス値が変化する二次側コイルＬ３を発振維持用のチョークコイルとして用いる。コイルＬ３のインダクタンス値が変化することで、コイルＬ３とコンデンサＣ５との共振周波数を変化させられる。その結果、制御電圧により、共振回路のバリキャップダイオードＤ１によるリアクタンス特性の変化だけでなく、能動回路のリアクタンス特性を変化させられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線機等に使用する電圧制御発振器に係り、特に、残留位相雑音特性を可能な限り劣化させずに広帯域化を実現する電圧制御発振器に関する。

従来の電圧制御発振器では、例えばコルピッツ形発振回路が知られており、特許文献１に示されるように、制御電圧によりバリキャップダイオードの容量を変化させることによって誘導性成分である共振回路の共振周波数を変化させ、発振周波数の広帯域化を図っている。以下、図３を参照して、従来の電圧制御発振器Ｙの構成を詳細に説明する。図３は、従来の電圧制御発振器Ｙの回路図である。

共振回路は、抵抗Ｒ１、コイルＬ１、バリキャップダイオードＤ１、コンデンサＣ１〜Ｃ３、コイルＬ２、コンデンサＣ４で構成され、能動回路は、トランジスタ（ＮチャンネルＪＦＥＴ）Ｔ、コンデンサＣ５〜Ｃ８、コイルＬ３，Ｌ４、抵抗Ｒ２で構成される。

バリキャップダイオードＤ１のカソードには、直列接続された抵抗Ｒ１、コイルＬ１を介して制御電圧印加端子Ｖｃ１が接続され、バリキャップダイオードＤ１のアノードは接地される。また、バリキャップダイオードＤ１のカソードは、コンデンサＣ１を介して接地されるとともに、コンデンサＣ２を介してコイルＬ２の一端に接続される。コンデンサＣ２とコイルＬ２との間にはコンデンサＣ３の一端が接続され、コンデンサＣ３の他端は接地される。コイルＬ２の他端は、コンデンサＣ４を介して接地されるとともに、能動回路であるトランジスタＴのドレインに接続される。

トランジスタＴのドレインには、上記した共振回路の他に、電源電圧Ｖｄｄに並列接続されたコンデンサＣ５とチョークコイルであるコイルＬ３とで構成される並列共振回路が接続されている。この並列共振回路のトランジスタＴ側の一端とトランジスタＴのソースとは、コンデンサＣ６を介して接続されている。

また、トランジスタＴのソースは、コンデンサＣ７を介して接地され、コイルＬ４及び抵抗Ｒ２を介して接地されるとともに、コンデンサＣ８を介して出力端子ＯＵＴＰＵＴに接続されており、トランジスタＴのゲートは接地される。

この電圧制御発振器Ｙでは、電圧制御発振器Ｙの発振周波数近傍で共振回路が誘導性となり、能動回路が容量性となり、共振回路と能動回路とでマッチングがとれると発振する。従来の電圧制御発振器Ｙにおける能動回路及び共振回路のリアクタンスの周波数特性を図４に示す。

図４に示すＡ１は、制御電圧印加端子Ｖｃ１から最低制御電圧Ｖ１をバリキャップダイオードＤ１に印加したときの共振回路のリアクタンス特性であり、Ａ２は、制御電圧印加端子Ｖｃ１から最高制御電圧Ｖ２をバリキャップダイオードＤ１に印加したときの共振回路のリアクタンス特性である。Ｂ１は、能動回路のリアクタンス特性である。

電圧制御発振器Ｙの発振可能範囲は、最低制御電圧Ｖ１を印加したときの周波数Ｆ１から最高制御電圧Ｖ２を印加したときの周波数Ｆ２までとなっている。図４に示す電圧制御発振器Ｙの発振周波数において、誘導性を示す共振回路のリアクタンス（Ｐ１又はＰ３）と容量性を示す能動回路のリアクタンス（Ｐ２又はＰ４）との絶対値はほぼ同一となっており、共振回路と能動回路との接続部分は複素共役の関係でマッチングがとれた状態となっている。

特開２００８−０４２７５８号公報

従来の電圧制御発振器Ｙにおいて、定数の最適化により広帯域化を実現しようとした場合、共振回路のリアクタンス特性Ａ２を高周波側にシフトすることが考えられる。しかし、リアクタンス特性Ａ２を高周波側にシフトし過ぎると電圧制御発振器ＹのＣ／Ｎ比が劣化してくるため、残留位相雑音特性が劣化し、位相偏移を低く抑えなければならない用途の広帯域化が困難となる。

また、無理に広帯域化を実現しようとすると、能動回路のインピーダンス特性における負性抵抗値が小さくなるとともに、共振回路のＱ値が急激に劣化する領域で発振停止する虞がある。

また、バリキャップダイオードや共振回路全体を切り替える広帯域化の方式も考えられるが、回路の冗長性が非常に大きくなり、実装面積及び部品コストに無駄が生じる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、残留位相雑音特性を劣化させずに広帯域化を実現する電圧制御発振器を提供することを目的とする。

本発明の電圧制御発振器は、制御電圧に応じて所望の周波数で発振する能動回路を備えた電圧制御発振器であって、前記能動回路は、トランスの一次側コイルに印加される前記制御電圧によってインダクタンス値が変化する前記トランスの二次側コイルを発振維持用のチョークコイルとして用いることを特徴とする。

本発明によれば、能動回路のリアクタンス特性を変化させられるので、残留位相雑音特性を劣化させることなく、発振周波数の広帯域化ができる。

本発明の実施形態に係る電圧制御発振器Ｘの回路図である。 本発明の実施形態に係る電圧制御発振器Ｘのリアクタンス対周波数特性を示す図である。 従来の実施形態に係る電圧制御発振器Ｙの回路図である。 従来の実施形態に係る電圧制御発振器Ｙのリアクタンス対周波数特性を示す図である。

図３に示す従来の電圧制御発振器Ｙでは、コンデンサＣ５とチョークコイルであるコイルＬ３との共振周波数が大きな要素となり、能動回路のリアクタンス特性を左右する。本実施形態の電圧制御発振器は、能動回路のチョークコイルとしてトランスの二次側を用い、トランスの一次側コイルに印加した制御電圧（直流電圧）によりトランスの二次側コイルのインダクタンス値を制御することによって、能動回路のリアクタンス特性を周波数軸上でシフト可能とする。これにより、共振回路のリアクタンス特性の可変幅が狭い場合でも、残留位相雑音特性を劣化させずに発振周波数の広帯域化を実現するものである。以下、図を参照して、本実施形態の電圧制御発振器を詳細に説明する。なお、従来の電圧制御発振器Ｙと同様の構成には、同一の符号を付している。

図１に示す本実施形態の電圧制御発振器Ｘでは、従来の電圧制御発振器Ｙと同様に、抵抗Ｒ１、コイルＬ１、バリキャップダイオードＤ１、コンデンサＣ１〜Ｃ３、コイルＬ２、コンデンサＣ４で構成される共振回路からの出力信号が、能動回路であるトランジスタＴのゲート・ドレイン間に入力される。この共振回路は、制御電圧印加端子Ｖｃ１から印加される制御電圧に応じたバリキャップダイオードＤ１の容量変化により、共振周波数を変化させた出力信号を能動回路に出力できる。

電圧制御発振器Ｘの能動回路は、トランジスタＴ、コンデンサＣ５〜Ｃ８、コイルＬ４、抵抗Ｒ２、トランスＴＳ、抵抗Ｒ３、演算増幅器ＯＰで構成される。本実施形態の能動回路では、従来の制御電圧発振器Ｙにおける能動回路の発振維持用のチョークコイルであるコイルＬ３をトランスＴＳの二次側コイルとして使用している。能動回路の構成の内、トランジスタＴ、コンデンサＣ５〜Ｃ８、コイルＬ３，Ｌ４、抵抗Ｒ２は、従来の電圧制御発振器Ｙと同様であるので説明を省略する。

トランスＴＳの一次側には、制御電圧印加端子Ｖｃ１に応じた電圧を印加する。トランスＴＳの一次側に印加する電圧は、制御電圧印加端子Ｖｃ１と同一の電圧であってもよいし、比例した電圧であってもよく、トランスＴＳの二次側コイルＬ３のインダクタンス値を所望の値に変化させられる電圧であればよい。ただし、トランスＴＳの一次側のインピーダンスが、制御電圧の入力に影響を及ぼさないようにするため、演算増幅器ＯＰで構成される緩衝増幅器を介して、トランスＴＳの一次側と制御電圧印加端子Ｖｃ１とを接続している。

具体的には、トランスＴＳの一次側コイルＬ５の一端は接地され、他端は抵抗Ｒ３を介して演算増幅器ＯＰの出力端子に接続されている。演算増幅器ＯＰの非反転入力端子には制御電圧印印加端子Ｖｃ１が接続され、反転入力端子には演算増幅器ＯＰの出力端子が接続されている。

トランスＴＳの一次側コイルＬ５に印加された制御電圧により、トランスＴＳの二次側コイルＬ３のインダクタンス値が制御される。トランスＴＳの一次側に印加される制御電圧が変化すると、トランスＴＳの鉄芯に生じる磁束が変化するため、トランスＴＳの二次側コイルＬ３のインダクタンス値が変化するからである。コイルＬ３のインダクタンス値の変化により、コイルＬ３とコンデンサＣ５による共振周波数が変化するため、能動回路のリアクタンス特性が変化する。つまり、制御電圧印加端子Ｖｃ１からの制御電圧により、能動回路のリアクタンス特性を周波数軸上でシフトさせられる。

本実施形態の電圧制御発振器Ｘにおける能動回路及び共振回路のリアクタンスの周波数特性を図２に示す。

図２において、Ａ１は、制御電圧印加端子Ｖｃ１から最低制御電圧Ｖ１をバリキャップダイオードＤ１に印加したときの共振回路のリアクタンス特性であり、Ａ２は、制御電圧印加端子Ｖｃ１から最高制御電圧Ｖ２をバリキャップダイオードＤ１に印加したときの共振回路のリアクタンス特性であって、図４に示す従来の電圧制御発振器Ｙの共振回路のリアクタンス特性と同一である。Ｂ３は、制御電圧印加端子Ｖｃ１から最低制御電圧Ｖ１をトランスＴＳの一次側に印加したときの能動回路のリアクタンス特性であり、Ｂ４は、制御電圧印加端子Ｖｃ１から最高制御電圧Ｖ２をトランスＴＳの一次側に印加したときの能動回路のリアクタンス特性である。

本実施形態では、能動回路のリアクタンス特性を周波数軸上でシフト可能であるため、能動回路のリアクタンス特性が固定の場合と比べて、誘導性を示す共振回路のリアクタンス（Ｐ５又はＰ７）と容量性を示す能動回路のリアクタンス（Ｐ６又はＰ８）との間でマッチングがとれる周波数帯域が広くなっている（Ｐ５，Ｐ６はリアクタンス値の絶対値がほぼ等しい点を示す。Ｐ７，Ｐ８についても同様）。そのため、電圧制御発振器Ｘの発振可能範囲は、最低制御電圧Ｖ１を印加したときの周波数Ｆ３から最高制御電圧Ｖ２を印加したときの周波数Ｆ４までとなり、従来技術に比べて広帯域化ができる。

また、高周波側への広帯域化を実現するにあたり、能動回路のリアクタンス特性を高周波側へシフトさせることで、高周波側でマッチングがとれる周波数帯域が広がるので、共振回路のリアクタンス特性を無理に高周波側へシフトさせる必要がなく、残留位相雑音特性を劣化させずに済む。そのため、共振回路のリアクタンス特性の可変幅が狭くても、能動回路のリアクタンス特性をシフトさせることにより、広帯域化を実現しながらも安定した発振を維持できる。

なお、本実施形態では、能動回路のリアクタンス特性を変化させるために、インダクタンス値が可変なコイルＬ３とキャパシタンス値が固定なコンデンサＣ５を接続し、コイルＬ３とコンデンサＣ５による共振周波数を変化させることによって実現させることを説明したが、バリキャップダイオード等によりコンデンサＣ５のキャパシタンス値を変えられる構成としてもよい。コイルＬ３のインダクタンス値とコンデンサＣ５のキャパシタンス値とをそれぞれ可変にすることで、より柔軟に能動回路のリアクタンス特性を調整できる。なお、コイルＬ３とコンデンサＣ５による共振周波数の調整が不要である場合はコンデンサＣ５を接続しなくてもよい。トランスの一次側に印加された制御電圧によって、トランスの二次側であるコイルＬ３のインダクタンス値が変化することで、能動回路のリアクタンス特性は変化するからである。

また、本実施形態では、トランスＴＳの一次側のインピーダンスが制御電圧の入力に影響を及ぼさないようにするため、トランスＴＳの一次側と制御電圧印加端子Ｖｃ１間に演算増幅器ＯＰを介在させたが、演算増幅器ＯＰに代えて例えばＭＯＳトランジスタを介在させてもよい。具体的には、ＭＯＳトランジスタのゲートを制御電圧印加端子Ｖｃ１に接続させ、ＭＯＳトランジスタのソースを電源電圧Ｖｄｄに接続させ、抵抗を介してＭＯＳトランジスタのドレインを接地させる。そして、トランスＴＳに接続されていない側の抵抗Ｒ３の一端をＭＯＳトランジスタのドレインと抵抗間の接続線に接続させればよい。

上記を概要すると、本発明は、制御電圧に応じて所望の周波数で発振する能動回路を備えた電圧制御発振器であって、前記能動回路は、トランスの一次側コイルに印加される前記制御電圧によってインダクタンス値が変化する前記トランスの二次側コイルを発振維持用のチョークコイルとして用いることを特徴とする。
また、前記二次側コイルにはコンデンサが接続されてもよい。
また、前記一次側コイルと前記制御電圧を印加する端子との間に演算増幅器が接続されてもよい。

本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々様々に変更が可能であることは言うまでもない。

Ｃ１〜Ｃ８・・・コンデンサ
Ｌ１〜Ｌ５・・・コイル
Ｄ１・・・バリキャップダイオード
Ｒ１〜Ｒ３・・・抵抗
Ｔ・・・（電界効果型）トランジスタ
ＴＳ・・・トランス
ＯＰ・・・演算増幅器
Ｘ，Ｙ・・・電圧制御発振器

Claims (1)

1. 制御電圧に応じて所望の周波数で発振する能動回路を備えた電圧制御発振器であって、
   前記能動回路は、トランスの一次側コイルに印加される前記制御電圧によってインダクタンス値が変化する前記トランスの二次側コイルを発振維持用のチョークコイルとして用いることを特徴とする電圧制御発振器。

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