JP2015171080A - 電圧制御型発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化に対して安定して動作する。
【解決手段】電圧制御型発振器１は、所定の共振周波数で共振するＳＡＷ共振子２と、ＳＡＷ共振子２に接続され、所定の共振周波数で発振する発振信号を出力する発振回路３と、外部から入力される制御電圧に基づいて所定の共振周波数を変化させる可変容量素子４と、可変容量素子４とＳＡＷ共振子２との間に、ＳＡＷ共振子２と直列に設けられたインダクタ７と、ＳＡＷ共振子２と並列に設けられたインダクタ８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧制御型発振器に関する。

従来、可変容量素子を備え、当該可変容量素子に対して制御電圧を印加することで発振周波数を制御する電圧制御型発振器が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような電圧制御型発振器では、高周波を出力させるために、振動子としてＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振子を用いる場合がある。

図７は、従来の電圧制御型発振器の回路構成図の一例である。図７に示すように、従来の電圧制御型発振器１００は、ＳＡＷ共振子１０２と、ＳＡＷ共振子１０２の共振周波数に応じた発振周波数の発振信号を出力する発振回路１０３と、制御電圧Ｖｃに応じて容量を変化させることにより発振周波数を変化させる可変容量素子１０４と、抵抗１０５と、キャパシタ１０６と、インダクタ１０７とを備える。

特開平１１−１５４８２４号公報

ところで、ＳＡＷ共振子は、温度に応じて特性が変化することから、電圧制御型発振器の発振信号の周波数も、温度に応じて変動する。図８は、従来の電圧制御型発振器１００の周波数温度特性を示す図である。図９は、従来の電圧制御型発振器１００の発振周波数の可変範囲を示す図である。図１０は、従来の電圧制御型発振器１００の電圧感度の変化を示す図である。ここで、図８〜図１０における実線は、従来の電圧制御型発振器１００の周囲温度が−４０度のときの値を示し、破線は周囲温度が２５度のときの値を示し、一点鎖線は周囲温度が８５度のときの値を示している。

図８に示されるように、制御電圧を０Ｖから５Ｖまで変化させた場合の発振周波数の変化の特性は、温度によって異なることが確認できる。特に、温度２５度における特性と温度８５度における特性とを比較すると、特性曲線の傾きが大きく異なっている。図９は、図８における制御電圧Ｖｃを印加しない場合（Ｖｃ＝０Ｖ）の発振周波数を基準とした、制御電圧Ｖｃを印加した場合の発振周波数の変化量を示している。図９に示すように、従来の電圧制御型発振器１００は、−４０度における発振周波数の可変範囲が約３００ｐｐｍであるのに対して、８５度における発振周波数の可変範囲が約５００ｐｐｍであり、温度によって可変範囲が大きく異なっていることが確認できる。また、図１０に示されるように、温度によって電圧感度が変化していることが確認できる。

図１１は、従来の電圧制御型発振器１００の制御電圧Ｖｃの入力端子においてレジスタンスを測定したときの変化量を示す図であり、図１２は、従来の電圧制御型発振器１００の制御電圧Ｖｃの入力端子においてリアクタンスを測定したときの変化量を示す図である。図１１及び図１２における実線は常温時における変化量を示し、破線は高温時における変化量を示している。図１１及び図１２に示されるように、従来の電圧制御型発振器１００におけるレジスタンス及びリアクタンスは、高温時において常温時よりも高くなる傾向にある。

このように、従来の電圧制御型発振器では、温度に応じてインピーダンス特性が変化したり、電圧感度が変化したりすることで、温度により発振周波数が変動するとともに、発振周波数の可変範囲が変動する。このため、周波数の可変範囲を、必要とされる周波数の可変範囲に比べて大きく設定する必要があるという問題がある。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、温度変化に対して安定して動作することができる電圧制御型発振器を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る電圧制御型発振器は、所定の共振周波数で共振するＳＡＷ共振子と、前記ＳＡＷ共振子に接続され、前記共振周波数に応じた発振周波数で発振する発振信号を出力する発振回路と、外部から入力される制御電圧に基づいて前記発振周波数を変化させる可変容量素子と、前記可変容量素子と前記ＳＡＷ共振子との間に、前記ＳＡＷ共振子と直列に設けられた第１インダクタと、前記ＳＡＷ共振子と並列に設けられた第２インダクタとを備えることを特徴とする。

また、前記電圧制御型発振器は、前記第２インダクタと並列に設けられたダンピング抵抗をさらに備えていてもよい。
また、前記電圧制御型発振器は、前記第２インダクタと直列に設けられた容量素子をさらに備えていてもよい。

本発明によれば、温度変化に対して安定して動作することができるという効果を奏する。

本実施形態に係る電圧制御型発振器の回路構成図である。 本実施形態に係る電圧制御型発振器の周波数温度特性を示す図である。 本実施形態に係る電圧制御型発振器の発振周波数の可変範囲を示す図である。 本実施形態に係る電圧制御型発振器における電圧感度の変化を示す図である。 本実施形態に係る電圧制御型発振器におけるレジスタンスの変化を示す図である。 本実施形態に係る電圧制御型発振器におけるリアクタンスの変化を示す図である。 従来の電圧制御型発振器の回路構成図の一例である。 従来の電圧制御型発振器の周波数温度特性を示す図である。 従来の電圧制御型発振器の発振周波数の可変範囲を示す図である。 従来の電圧制御型発振器における電圧感度の変化を示す図である。 従来の電圧制御型発振器におけるレジスタンスの変化を示す図である。 従来の電圧制御型発振器におけるリアクタンスの変化を示す図である。

［電圧制御型発振器１の構成］
図１は、本実施形態に係る電圧制御型発振器１の回路構成図である。
電圧制御型発振器１は、ＳＡＷ共振子２と、発振回路３と、可変容量素子４と、抵抗５と、キャパシタ６と、第１インダクタとしてのインダクタ７と、第２インダクタとしてのインダクタ８と、キャパシタ９と、抵抗１０とを備える。

ＳＡＷ共振子２は、圧電基板上に配置したすだれ状電極と反射器とによって構成されており、所定の共振周波数で共振する。
発振回路３は、ＳＡＷ共振子２に接続され、コルピッツ発振回路を形成する。これにより、発振回路３は、所定の共振周波数に応じた発振周波数で発振する発振信号を出力する。発振回路３は、トランジスタ３１と、抵抗３２と、抵抗３３と、キャパシタ３４と、キャパシタ３５と、抵抗３６と、キャパシタ３７とを備える。

トランジスタ３１は、例えばＮＰＮ型トランジスタである。トランジスタ３１のベースは、ＳＡＷ共振子２、抵抗３２、抵抗３３及びキャパシタ３４に接続され、エミッタは、抵抗３６及びキャパシタ３７に接続され、コレクタは、電源Ｖｃｃに接続されている。

抵抗３２は、トランジスタ３１のベースと電源Ｖｃｃとの間に設けられている。抵抗３３は、トランジスタ３１のベースとグランドとの間に設けられている。抵抗３２及び抵抗３３は、トランジスタ３１のバイアス電圧を定めるために用いられる。

キャパシタ３４は、一端がトランジスタ３１のベースに接続されており、他端がキャパシタ３５と、トランジスタ３１のエミッタと抵抗３６との接続点とに接続されている。キャパシタ３５は、一端が、キャパシタ３４と、トランジスタ３１のエミッタと抵抗３６との接続点とに接続されており、他端がグランドに接続されている。キャパシタ３４及びキャパシタ３５は、出力信号を分圧する。

抵抗３６は、トランジスタ３１のエミッタとグランドとの間に設けられており、負荷抵抗として機能する。
キャパシタ３７は、トランジスタ３１のエミッタと抵抗３６との接続点と、出力端子との間に設けられており、出力信号の直流成分を除去する。

可変容量素子４は、例えば、バリキャップダイオードである。可変容量素子４は、抵抗５とキャパシタ６との接続点と、グランドとの間に設けられており、外部から入力される制御電圧Ｖｃに基づいて、発振回路３の発振周波数を変化させる。

抵抗５は、制御電圧Ｖｃの入力端子と、キャパシタ６との間に設けられている。
キャパシタ６は、抵抗５とインダクタ７との間に設けられている。
インダクタ７は、可変容量素子４とＳＡＷ共振子２との間に、ＳＡＷ共振子２と直列に設けられている。インダクタ７は、キャパシタ６を介して可変容量素子４と接続されている。インダクタ７は、発振周波数の可変範囲を広げるために用いられる。

インダクタ８とキャパシタ９とは、直列に接続され、ＳＡＷ共振子２と並列に設けられている。インダクタ８は、ＳＡＷ共振子２の等価キャパシタンス成分のインピーダンスの温度特性を打ち消すような温度特性を有し、ＳＡＷ共振子２の特性の温度による変動を抑制する。また、キャパシタ９は、ＳＡＷ共振子２の等価インダクタンス成分のインピーダンスの温度特性を打ち消すような温度特性を有し、ＳＡＷ共振子２の特性の温度による変動を抑制する。なお、インダクタ８が温度特性の安定化に与える影響は、キャパシタ９が温度特性の安定化に与える影響よりも大きく、電圧制御型発振器１は、キャパシタ９を備えなくてもよい。

抵抗１０は、インダクタ８と並列に設けられており、インダクタ８の温度特性の影響を受けにくくしつつ、インダクタ８によるリンギングを抑制するダンピング抵抗として機能する。ここで、抵抗１０は、インダクタ８の温度特性の影響を受けにくくしつつ、位相雑音が悪くなり過ぎない範囲の抵抗値を選択することが好ましい。なお、抵抗１０は、インダクタ８に並列に設けることとしたが、これに限らず、インダクタ８とキャパシタ９との直列回路に対して並列に設けるようにしてもよい。

［電圧制御型発振器１の特性］
続いて、本実施形態に係る電圧制御型発振器１の特性について説明する。図２は、本実施形態に係る電圧制御型発振器１の周波数温度特性を示す図である。図３は、本実施形態に係る電圧制御型発振器１の発振周波数の可変範囲を示す図である。図４は、本実施形態に係る電圧制御型発振器１の電圧感度の変化を示す図である。ここで、図２〜図４における実線は電圧制御型発振器１の周囲温度が−４０度のときの値を示し、破線は周囲温度が２５度のときの値を示し、一点鎖線は周囲温度が８５度のときの値を示している。

なお、図２〜図４に示す特性は、キャパシタ６を４．３ｐＦ、インダクタ７を２０ｎＨ、インダクタ８を２４ｎＨ、キャパシタ９を１００ｐＦ、抵抗１０を８．２ｋΩとした状態で測定したものである。

図２に示されるように、制御電圧を０Ｖから５Ｖまで変化させた場合の発振周波数の変化の特性は、温度によって異なっているものの、図８に示す従来の電圧制御型発振器１００に比べて、温度による変動が小さいことが確認できる。特に、温度２５度における特性と温度８５度における特性とを比較すると、図８に示す従来の電圧制御型発振器１００においては特性曲線の傾きが大きく異なっていたのに対して、図２に示す特性曲線においては、ほぼ等しいことが確認できる。

図３では、図２における制御電圧Ｖｃを印加しない場合（Ｖｃ＝０Ｖ）の発振周波数を基準とした、制御電圧Ｖｃを印加した場合の発振周波数の変化量を示している。図３に示すように、電圧制御型発振器１では、温度の変化によらず、制御電圧を変化させることによる発振周波数の可変範囲がほぼ一定であることが確認できる。また、−４０度における発振周波数の可変範囲が約４５０ｐｐｍであるのに対して、８５度における発振周波数の可変範囲が約５２０ｐｐｍであり、電圧制御型発振器１における発振周波数の可変範囲は、従来の電圧制御型発振器の可変範囲に比べて大きくなることも確認できる。

また、図４に示すように、電圧制御型発振器１の電圧感度の温度による変化量は、図１０に示される従来の電圧制御型発振器に比べて小さくなることが確認できる。特に、制御電圧が０Ｖから３Ｖにおける電圧感度の温度による変化量は、各温度においてほぼ一定となり、従来の電圧制御型発振器の電圧感度の変化量と比べて大きく改善されていることが確認できる。

図５は、本実施形態に係る電圧制御型発振器１の制御電圧Ｖｃの入力端子においてレジスタンスを測定したときの変化量を示す図であり、図６は、本実施形態に係る電圧制御型発振器１の制御電圧Ｖｃの入力端子においてリアクタンスを測定したときの変化量を示す図である。図５及び図６における実線は常温時における変化量を示し、破線は高温時における変化量を示している。

図５に示すように、電圧制御型発振器１において、温度によるレジスタンスの変化量は、各周波数においてほぼ一定であり、従来の電圧制御型発振器のレジスタンスの変化量と比べて小さくなることが確認できる。また、電圧制御型発振器１における、温度によるリアクタンスの変化量は、図６に示すように、従来の電圧制御型発振器のリアクタンスの変化量と比べて小さくなることが確認できる。

［本実施形態の効果］
以上、本実施形態によれば、電圧制御型発振器１は、ＳＡＷ共振子２に対してインダクタ８を並列に設けることにより、ＳＡＷ共振子２に対してインダクタ８を並列に設けない場合に比べて、温度変化に対して安定して動作することができる。また、電圧制御型発振器１は、抵抗１０を、インダクタ８と並列に設けることにより、インダクタ８の温度特性の影響を受けにくくしつつ、インダクタ８によるリンギングを抑制することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１・・・電圧制御型発振器、２・・・ＳＡＷ共振子、３・・・発振回路、３１・・・トランジスタ、３２・・・抵抗、３３・・・抵抗、３４・・・キャパシタ、３５・・・キャパシタ、３６・・・抵抗、３７・・・キャパシタ、４・・・可変容量素子、５・・・抵抗、６・・・キャパシタ、７・・・インダクタ、８・・・インダクタ、９・・・キャパシタ、１０・・・抵抗、１００・・・従来の電圧制御型発振器、１０２・・・ＳＡＷ共振子、１０３・・・発振回路、１０４・・・可変容量素子、１０５・・・抵抗、１０６・・・キャパシタ、１０７・・・インダクタ

Claims (3)

1. 所定の共振周波数で共振するＳＡＷ共振子と、
   前記ＳＡＷ共振子に接続され、前記共振周波数に応じた発振周波数で発振する発振信号を出力する発振回路と、
   外部から入力される制御電圧に基づいて前記発振周波数を変化させる可変容量素子と、
   前記可変容量素子と前記ＳＡＷ共振子との間に、前記ＳＡＷ共振子と直列に設けられた第１インダクタと、
   前記ＳＡＷ共振子と並列に設けられた第２インダクタと、
   を備える電圧制御型発振器。
2. 前記第２インダクタと並列に設けられたダンピング抵抗をさらに備える、
   請求項１に記載の電圧制御型発振器。
3. 前記第２インダクタと直列に設けられた容量素子をさらに備える、
   請求項１又は２に記載の電圧制御型発振器。
   

Images