JP2011101343A - 電圧制御発振器 - Google Patents

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Abstract

【課題】コルピッツ回路を用いた電圧制御発振器において、帰還部の2つのコンデンサ間とトランジスタのエミッタとを接続する導電線路におけるインダクタンス成分の影響による出力周波数の可変幅(調整幅)の劣化(低下)を抑えることのできる電圧制御発振器を提供すること。
【解決手段】コルピッツ回路を用いたVCOにおいて、帰還部2のコンデンサ22、23について、トランジスタ21のベースから伸びる端子部8(T1)及び前記トランジスタ21のエミッタから伸びる端子部8(T2)が夫々装着されるベース基板5上のベース用端子(接続部7)とエミッタ用端子とを直結するように第1の帰還容量素子(コンデンサ)22を配置すると共に、上記エミッタ用端子とアース用端子(接地電極51)とを直結するように第2の帰還容量素子(コンデンサ)23を配置する。
【選択図】図2

Description

本発明は、コルピッツ回路を用いた電圧制御発振器(VCO:Voltage Control Oscillator)に関する。
電圧制御発振器{VCO(Voltage Control Oscillator)}は、例えば図20に示すように、制御電圧に応じて静電容量が変化するバリキャップダイオードVD及びインダクタンス素子を含む共振部11と、増幅部であるトランジスタ21と、2つのコンデンサC1、C2からなる帰還部2と、を備えたコルピッツ回路を用いた構成が知られている。この例では、共振部11により共振した周波数信号がトランジスタ21により増幅されて、帰還部2を介して直列共振回路に帰還することにより、発振ループが構成されている。尚、図20中31は、周波数信号を増幅して外部に出力するバッファアンプである。また、16、T3及びLは、夫々入力端子、出力端子部及びインダクタンス素子である。
このVCOは、模式的に図21に示すと、例えばアルミナ(Al2O3)を主成分とするLTCC(Low Temperature Co−fired Ceramics)などのセラミックスからなるベース基板5上に配置されている。そして、上記のコンデンサCや回路部3に対応する電子部品がベース基板5上に搭載され、例えば導電線路6などを介してこれらの電子部品が電気的に接続されることになる。ところで、既述のように発振周波数(出力周波数)の調整は、バリキャップダイオードVDへの印加電圧を変えて容量値を調整することにより行われるが、周波数が高くなるにつれて帰還容量素子であるコンデンサC1、C2の接続点とトランジスタ21のエミッタとの間の導電線路6のインダクタンス値が大きくなる。そして、このインダクタンス値がバリキャップダイオードVDの容量値変化分を相殺するように作用するので、結果として発振周波数の調整幅が設計値よりも小さくなる。このため、例えば10GHzのVCOを設計しようとすると、発振周波数の調整幅を広く確保できないという課題がある。特許文献1〜3には、電圧制御発振器が記載されているが、コルピッツ回路を用いたVCOにおける上記の課題については検討されていない。
特開平10−209714 特開平10−215119 特開2005−072154
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的はコルピッツ回路を用いた電圧制御発振器において、出力周波数の可変幅(調整幅)の劣化(低下)を抑えることのできる電圧制御発振器を提供することにある。
本発明の電圧制御発振器は、
外部から入力される周波数制御用の制御電圧に応じて静電容量が変化する可変容量素子及びインダクタンス素子を含み、前記静電容量に応じて直列共振周波数が調整される共振部と、
この共振部にベースが接続された増幅用のトランジスタと、
前記トランジスタのベースとアースとの間に接続されると共に互いに直列に接続され、その間が前記トランジスタのエミッタに接続された第1の帰還容量素子及び及び第2の帰還容量素子と、を備え、
前記第1の帰還容量素子は、前記トランジスタのベースから伸びるピン及び前記トランジスタのエミッタから伸びるピンが夫々装着される基板上のベース用端子とエミッタ用の端子とを直結するように配置されていることを特徴とする。
前記第2の帰還容量素子は、前記エミッタ用の端子及び基板上のアース用の端子とを直結するように配置されていることが好ましい。
前記共振部は前記可変容量素子以外の容量素子を含み、この容量素子は、誘電体からなる基板上に互いに間隔をおいて交差する一対の櫛歯電極により構成されていることが好ましい。
前記直列共振周波数は、5GHz以上であることが好ましい。
本発明は、コルピッツ回路を用いた電圧制御発振器において、増幅用のトランジスタのベースとアースとの間に、互いに直列に接続された第1の帰還容量素子及び第2の帰還容量素子を配置し、これら第1の帰還容量素子及び第2の帰還容量素子の間を前記トランジスタのエミッタに接続している。そして、前記トランジスタのベースから伸びるピン及び前記トランジスタのエミッタから伸びるピンが夫々装着される基板上のベース用端子とエミッタ用端子とを直結するように、第1の帰還容量素子を配置している。そのため、第1の帰還容量素子とトランジスタのエミッタとを接続する導電線路におけるインダクタンス成分を小さく抑えることができるので、この導電線路のインダクタンス成分の影響による出力周波数の可変幅(調整幅)の劣化(低下)を抑えることができる。
本発明の電気回路の実施の形態の一例のVCOを示す回路図である。 上記のVCOの外観を示す斜視図である。 上記のVCOを示す平面図である。 上記のVCOを示す側面図である。 上記のVCOを示す拡大平面図である。 上記のコンデンサを拡大して示す平面図である。 上記のVCOにおけるコンデンサ及びトランジスタを模式的に示す模式図である。 上記のVCOの他の例を示す平面図である。 上記の他の例のVCOを示す側面図である。 上記のVCOの他の例を示す側面図である。 上記のVCOの他の例を示す側面図である。 本発明の実施例においてシミュレーションを行った電気回路を示す概略図である。 上記の実施例において得られる特性図である。 上記の実施例においてシミュレーションを行った電気回路を示す概略図である。 上記の実施例において得られる特性図である。 上記のVCOの他の例を示す斜視図である。 前記他の例においてコンデンサがパターニングされた基板を示す平面図である。 前記他の例のVCOを示す縦断面図である。 前記他の例におけるIC回路部を示す平面図である。 従来のVCOの構成を示す電気回路図である。 上記の従来のVCOの外観を示す概略図である。
本発明のコルピッツ回路を用いた電圧制御発振器(VCO:Voltage Control Oscillator)の実施の形態について、構造を説明する前に回路構成について図1を参照しながら述べておく。図1中、1は共振部であり、この共振部1は、導電線路からなるインダクタンス素子11と容量素子であるコンデンサ12との直列共振用の直列回路を備えている。インダクタンス素子11には、第1のバリキャップダイオード13、第2のバリキャップダイオード14及び容量素子であるコンデンサ15からなる直列回路が並列に接続されていて、並列共振用の並列回路を構成している。即ちこの共振部1は、前記直列回路の直列共振周波数(共振点)と前記並列回路の並列共振周波数(反共振点)とを有しており、共振点の周波数により発振周波数が決まる。この例では、共振点が反共振点よりも大きくなるように各回路要素の定数が設定されており、このように反共振点を持たせることにより共振点付近の周波数特性が急峻になる。
また図1中、16は制御電圧用の入力端子であり、この入力端子16に供給される制御電圧により第1のバリキャップダイオード13及び第2のバリキャップダイオード14の容量値が調整され、これにより前記並列回路の反共振点が移動し、その結果共振点も移動して発振周波数が調整される。第1のバリキャップダイオード13に加えて第2のバリキャップダイオード14を用いた理由は、周波数の調整幅を大きくとるためである。17は電圧安定化用のコンデンサ、18、19はバイアス用のインダクタである。
また共振部1の後段側には、帰還部2が設けられており、この帰還部2は、前記コンデンサ12にベースが接続された増幅部をなすNPN型トランジスタ21及び、コンデンサ12とトランジスタ21のベースとの接続点と、アースとの間に接続された、夫々帰還容量素子をなす第1のコンデンサ22及び第2のコンデンサ23の直列回路を備えている。トランジスタ21のエミッタはコンデンサ22、23間の接続点に接続され、またインダクタンス24及び抵抗25を介して接地されている。トランジスタ21は点線で示すICチップであるIC回路部(LSI)3内に設けられており、当該ICチップの端子部(ピン)8を介してトランジスタ21のベース及びエミッタが夫々コンデンサ22の両端に接続されることになる。以後の説明では、トランジスタ21のベース及びエミッタに夫々対応する端子部8にT1、T2の符号を割り当てる。
このような回路では、外部から制御電圧が入力端子16に入力されると、共振部1及び帰還部2からなる発振ループにより前記共振点の周波数例えば10GHzで発振する。
IC回路部3内には、例えばトランジスタ21のコレクタに互に並列に接続された2つのバッファアンプ31、32が設けられている。一方のバッファアンプ31からは発振出力(発振周波数の信号)が端子部T3を介して取り出され、また他方のバッファアンプ32からは発振出力が分周回路33及び端子部T4を介して取り出される。
尚、共振部1は、バリキャップダイオードとインダクタンス素子11とを直列に接続してこの直列回路の直列共振周波数により発振周波数が決まる回路構成であっても良く、この場合はバリキャップダイオードが特許請求の範囲の容量素子を兼用することになる。
次に、このVCOの具体的な概観や上記の共振部1及び回路部3のレイアウトについて、図2〜図6を参照して説明する。VCOは、例えばATカット板の水晶からなるベース基板5上に形成されており、このベース基板5上に共振部1のダイオード13、14、IC回路部3及び周辺部品などを構成する電子部品と、共振部1のインダクタンス素子11、コンデンサ12、15及び帰還部2のコンデンサ22、23などに対応する電気配線とが配置されている。このベース基板(水晶)5の特性は、誘電率εが3.8程度、電気エネルギーの損失(誘電正接:tanδ)が0.00008程度となっている。従って、このベース基板5のQ値は、12500(=1/0.00008)程度となっている。
上記の電子部品や電気配線は、ベース基板5上に引き回された導電線路6を介して電気的に接続されて既述の図1に示す回路を構成している。即ち、図2及び図5に示すように、電子部品の端子部(例えばピン)8がベース基板5の例えば半田ボールなどからなる接続部7に接続され且つ固定され、これにより電子部品の端子部8が接続部7を介してベース基板5側の導電線路6に電気的に接続されることになる。図2では、IC回路部3の3個の端子部8が夫々接続される接続部7を代表して記載してある。また、図5はベース基板5の一部の領域を切り欠いて拡大して描画しており、IC回路部3がベース基板5に装着されている状態を模式的に表すためにIC回路部3の輪郭を点線で示し、IC回路部3の端子部8を白丸で記載している。更に、上記の図2、図4では導電線路6、共振部1及び帰還部2の描画を省略しており、また図5では一部の導電線路6のみを描画している。
このベース基板5上には、図5に示すように、上記の導電線路6と、この導電線路6から離間して配置された接地電極51と、からなる、例えばCr(クロム)とCu(銅)とが下側からこの順番で積層された金属膜がコプレナ線路として形成されている。ベース基板5の接地電極51は、ベース基板5の表面全体に形成した薄膜のエッチングにより、導電線路6の配置領域などの部分を除去して形成されたものである。接地電極51に相当する部分はハッチングを記載し、また導電線路6は前記ハッチングよりも線間隔の狭いハッチングを記載してある。そして、図1の回路図に記載しているように、コンデンサ12とコンデンサ15との間の接続点と、アースとの間にはインダクタンス素子11が設けられているが、このインダクタンス素子11に相当する部分についてもハッチングを付している。この例ではインダクタンス素子11は、水晶基板(ベース基板5)の表面に形成された金属膜からなる導電線路により構成されている。また、回路部3の複数の端子部8のうち既述のトランジスタ21のベース、エミッタ及びコレクタが夫々装着されるベース基板5上の接続部7(114、115、116)について、夫々B、E及びCの記載をしている。図1及び図3中20は、トランジスタ21へバイアス電圧を供給するための、図示しないコンデンサ及び抵抗を組み合わせたバイアス回路素子部であり、このバイアス回路素子部20の一部は接地されている。
上記の共振部1のインダクタンス素子11、コンデンサ12、15及び帰還部2のコンデンサ22、23は、既述の図5に示すように、例えばフォトリソグラフィ法を利用してベース基板5上に形成されている。また、上記のコンデンサ12、15、22、23は、図5では簡略化して描画しているが、実際には図6に示すように、例えば互いに平行となるように形成された1対の共通電極部60と、これらの共通電極部60から櫛歯状に互いに交差するように伸び出す電極指(導電路)61群と、を備えた櫛歯電極により構成されており、夫々の共通電極部60が端子部8やインダクタンス素子11に接続されている。これらのコンデンサ22、23の容量値は、例えば各々0.1pFに設定されている。また、インダクタンス素子11は、接地電極51に一端側が接続されると共に、他端側がこの接地電極51から離間して伸びる導電線路であるストリップラインにより構成されている。図5に示すように、ベース基板5上には、トランジスタ21のコレクタに接続された接続部7(116)から伸びる導電線路6の端部に設けられた接続部7(111)と、第2のバリキャップダイオード14とコンデンサ15との間を接続する接続部7(112)と、コンデンサ12とトランジスタ21のベースに接続される接続部7(114)から当該コンデンサ12に向かって伸びる導電線路6とを接続する接続部7(113)と、が例えば金属膜やバンプなどからなる導体として各々配置されている。
上記のIC回路部3は、ベース基板5上のコンデンサ22、23間を接続する接続部7(115)とトランジスタ21の端子部8(T2)との間を接続する導電線路6の線路長ができるだけ短くなるように、即ち当該接続部7(115)の上方に端子部8(T2)が位置するように、コンデンサ22、23の直上に配置されている。そのため、図7に模式的に示すように、コンデンサ22、23とトランジスタ21の端子部8(T2)との間の夫々の離間距離W1、W2は、例えば80〜100μm以下となっている。即ち、第1のコンデンサ22は、トランジスタ21のベースから伸びる端子部8(T1)が装着されるベース基板5上の接続部7(114)と、トランジスタ21のエミッタから伸びる端子部8(T2)が装着されるベース基板5上の接続部7(115)と、を直結するように配置されている。また、第2のコンデンサ23は、ベース基板5上の前記エミッタ用端子(接続部7(115))及びアース用の端子(接地電極51)とを直結するように配置されている。従って、コンデンサ22、23間の接続部7(115)とトランジスタ21のエミッタとの間におけるインダクタンス成分が極力小さくなるように、IC回路部3の位置が設定されていることになる。図7において、端子部8(T2)の直径寸法は例えば120μm、端子部8(T1)と端子部8(T2)との間の離間寸法W3及び端子部8(T2)と接地電極51(図7では黒丸として模式的に示している)との間の離間寸法W4は、夫々例えば120μmである。
このVCOにおいて、入力端子16に制御用の電圧(制御電圧)を印加すると、既述のように、共振部1及び帰還部2からなる発振ループにより前記共振点の周波数例えば10GHzで発振が起こり、この発振周波数に対応する周波数信号及びこの周波数信号の分周出力が夫々端子部T3及び端子部T4から取り出される。そして、制御電圧に応じて、端子部T3、T4から取り出される出力周波数が各々調整されることになる。この時、既述のようにコンデンサ22、23間の接続部7(115)とトランジスタ21のエミッタとの間のインダクタンス成分が極力小さく抑えられているので、後述の実施例にて詳述するように、出力周波数の可変幅は、当該インダクタンス成分の影響による劣化(減少)が抑えられて、既述の図1の回路を設計した時の設定値に極めて近くなる。尚、共振時には、既述の共振部1は誘導性となる。
上述の実施の形態によれば、コルピッツ回路を用いたVCOにおいて、トランジスタ21のベースから伸びる端子部8(T1)及び前記トランジスタ21のエミッタから伸びる端子部8(T2)が夫々装着されるベース基板5上のベース用端子(接続部7(114))とエミッタ用端子(接続部7(115))とを直結するように第1の帰還容量素子(コンデンサ)22を配置すると共に、上記エミッタ用端子とアース用端子(接地電極51)とを直結するように第2の帰還容量素子(コンデンサ)23を配置している。そのため、帰還部2のコンデンサ22、23間とトランジスタ21のエミッタとの間を接続する導電線路6(接続部7、端子部8)のインダクタンス成分を小さく抑えることができるので、当該インダクタンス成分の影響による出力周波数の可変幅の低下を抑えることができる。
また、既述のように櫛歯電極によりコンデンサ12、15、22、23を構成することにより、フォトリソグラフィ法によって小型で薄膜のコンデンサを簡便に得ることができるので、既述のようにIC回路部3をベース基板5の直上に近接配置することができる。更に、ベース基板5を水晶により構成しているので、既述のように良好な電気的特性のVCOを得ることができる。
上記のコンデンサ12、15、22、23としては、櫛歯電極に代えて、例えば2本の電極ラインや2枚の電極膜を対向させて、これら電極ライン間や電極膜に電荷を蓄える構成としても良い。このような構成の一例について、コンデンサ22、23を例に図8及び図9を参照して説明すると、ベース基板5上にトランジスタ21の端子部T1、T3(T4)に夫々接続される第1電極膜71、71を配置し、例えば誘電体膜72を介してこれらの第1電極膜71、71に対向すると共に端子部T2に接続される第2電極膜73を配置している。このような構成においても、既述の例と同様にコンデンサ22、23間とトランジスタ21のエミッタとの間におけるインダクタンス成分を小さく抑えることができる。図9中100は、端子部T1、T3(T4)と第1電極膜71、71とを夫々接続するための導電体である。尚、図8では、端子部T4については記載を省略している。
また、上記のように2枚の電極膜71、73を対向させてコンデンサ22、23を構成するにあたり、図10に示すように、例えば複数枚のベース基板5を積層すると共にこれらのベース基板5間に電極膜71、73を介在させることにより、上記の電極膜71、73をいわばベース基板5に埋設するようにしても良い。
また、コンデンサ22、23として、図11に示すように、従来から用いられている例えばチップ型の電子部品90をベース基板5上に搭載しても良い。そして、この電子部品90の端子部8にIC回路部3の端子部8(T2)が既述のように近接して配置されるように、電子部品90が搭載される面とは反対側の面にIC回路部3を配置し、ベース基板5の内部領域を介してコンデンサ22、23とIC回路部3とを接続するようにしても良い。この場合には、ベース基板5は、例えば水晶からなる基板50を2枚積層して構成され、既述の導電線路6や接地電極51はこれら基板50、50間に介設されることになる。
また、上記の例では、バリキャップダイオード13、14を2つ配置したが、1つでも良いし、また既述の図20に示すようにこれらのバリキャップダイオード13、14のうちの一方にコンデンサ12の働きを受け持たせるようにしても良い。
次に、上記のVCOにおいて出力される出力周波数がコンデンサ22、23とトランジスタ21のエミッタとの間のインダクタンス成分によってどのように影響を受けるか確認するために行ったシミュレーションについて説明する。
先ず、図12に示すように、既述の図1の回路を簡略化して、コンデンサ22(C1)、23(C2)の容量値を変化させた時の出力周波数についてシミュレーションを行った。その結果、図13(a)〜(d)に示すように、コンデンサ22、23の容量値が1.5pFから0.1pFに向かって小さくなる程、出力周波数が高域側にシフトしていき、コンデンサ22、23の容量値が各々0.1pFの場合には発振周波数が10GHz程度まで高域化することが分かった。尚、図13(a)〜(d)の各々において、左側にスミスチャートを示しており、実線が点線で示した円よりも外側に伸びている領域において発振できる(出力できる)ことを表している。また、この図13中右側に示したグラフは上記のスミスチャートに各々対応した特性図であり、0dB以上の領域で発振することを示している。以下の図15においても同様である。
続いて、図14に示すように、コンデンサ22、23間とトランジスタ21のエミッタとの間にインダクタンス成分Lpが介在している場合について、同様にシミュレーションを行った。その結果、図15(a)〜(c)に示すように、インダクタンス成分Lpが大きくなる程、出力周波数の可変幅が小さくなっていくことが分かった。また、同図(d)に示すように、出力周波数を例えば10GHz程度まで高域化させるためにコンデンサ22、23の容量値を各々0.2pFまで小さくすると、同図(b)と比較して更に出力周波数の可変幅が狭まることが分かった。従って、インダクタンス成分Lpを小さく抑える程出力周波数の可変幅の劣化(低下)が抑えられ、その効果は出力周波数が高域側である程大きいことが分かった。
既述の図11において、ベース基板5(基板50、50)を上下両側から挟むように、2つのコンデンサ22、23(90、90)及びIC回路部3を当該ベース基板5の上方側及び下方側に夫々配置したが、これらコンデンサ22、23については、既述の図5及び図6に示すように、水晶からなる基板上に配置した状態でIC回路部3に接続するようにしても良い。具体的には、図16に示すように、水晶からなる基板300上に櫛歯電極状のコンデンサ22、23をパターニングし、またこれらコンデンサ22、23間を接続する接続部7(115)、トランジスタ21のベースに接続される接続部7(114)及び接地電極51に接続される接続部7(117)を配置する。尚、図16において、コンデンサ22、23及びIC回路部3の内部のトランジスタ21については模式的に示している。後述の図17及び図19においても同様である。
そして、例えばLTCC(アルミナ、Al2O3)からなる共通基板200に、トランジスタ21の各端子部8(T1、T2、T3)と基板300上の各接続部7(114、115、117)とを夫々接続するためのホール状の貫通孔201を例えば3つ形成する。また、図18に示すように、これら貫通孔201の各々に例えば金属からなる導電体202を埋め込み、基板300の各接続部7が各々の導電体202に対して例えば上方側から接触するように、共通基板200の上面に対して当該基板300におけるコンデンサ22、23及び各接続部7のパターニングされた面を当接させる。IC回路部3についても、当該IC回路部3の各端子部8が共通基板200の各導電体202に下方側から接触するように、共通基板200の下面に対してIC回路部3における各端子部8が形成された面を当接させる。こうして既述の各例と同様に、コンデンサ22、23とIC回路部3とが近接配置される。
ここで、図17及び図19は、基板300におけるコンデンサ22、23と各接続部7とのパターニングされた面及びIC回路部3における各端子部8の形成された面を夫々示している。尚、図16〜図19においては、既述のインダクタンス素子11などの各電子部品を省略して示しており、このインダクタンス素子11については、既述のように基板300上に導電線路としてパターニングしても良いし、あるいは共通基板200上に電子部品として配置しても良い。また、図18では、貫通孔201内に埋め込まれる導電体202については模式的に示している。
1 共振部
2 帰還部
3 回路部
5 ベース基板
6 導電線路
7 接続部
8 端子部
21 トランジスタ
22、23 コンデンサ
T2 端子部

Claims (4)

  1. 外部から入力される周波数制御用の制御電圧に応じて静電容量が変化する可変容量素子及びインダクタンス素子を含み、前記静電容量に応じて直列共振周波数が調整される共振部と、
    この共振部にベースが接続された増幅用のトランジスタと、
    前記トランジスタのベースとアースとの間に接続されると共に互いに直列に接続され、その間が前記トランジスタのエミッタに接続された第1の帰還容量素子及び及び第2の帰還容量素子と、を備え、
    前記第1の帰還容量素子は、前記トランジスタのベースから伸びるピン及び前記トランジスタのエミッタから伸びるピンが夫々装着される基板上のベース用端子とエミッタ用端子とを直結するように配置されていることを特徴とする電圧制御発振器。
  2. 前記第2の帰還容量素子は、前記エミッタ用端子及び基板上のアース用の端子とを直結するように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電圧制御発振器。
  3. 前記共振部は前記可変容量素子以外の容量素子を含み、この容量素子は、誘電体からなる基板上に互いに間隔をおいて交差する一対の櫛歯電極により構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電圧制御発振器。
  4. 前記直列共振周波数は、5GHz以上であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一つに記載の電圧制御発振器。
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