JP3319774B2 - バイアス補償を用いた広帯域発振器及びその動作方法 - Google Patents

バイアス補償を用いた広帯域発振器及びその動作方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、発振回路に関し、特
に、好適なバイアス条件を維持しながら広範囲の周波数
にわたって動作するように同調可能な発振回路に関す
る。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】広帯域
発振器は、多様な電子技術において周知であり、電子式
同調を行う手段を備えていることが多い。すなわち、こ
のような発振器は、電子的周波数制御信号を加えること
により、発振器の動作周波数を変えるように制御可能な
回路要素を備えていることが多い。
【0003】発振器の目的とする用途によって、発振器
の動作に関係する可能性のある多数の動作パラメータが
存在する。測定機器としての用途を目的とする発振器で
は、例えば「位相ノイズ」は、重大なパラメータとなる
ことが多い。他の重要なパラメータには、出力電力や圧
縮角が含まれることがある。これらのパラメータの多く
は、発振器が動作するバイアス条件(発振器トランジス
タのコレクタに印加される電圧等)により強く影響され
る。
【0004】一定周波数動作を目的とする発振器では、
特に重要なパラメータを最適化するようにバイアス条件
を選択することは比較的簡単である。しかし、広い周波
数帯域にわたって動作するように同調させることができ
る発振器では、重大な問題が明らかになっている。それ
は、どんなバイアス条件を選択すべきであるか、という
ことである。
【0005】普通の方法は、所望の周波数範囲にわたり
(最適ではなく)適切な発振器動作を可能にする一定
の、妥協的なバイアス条件を選定することである。しか
しながら、このような場合、発振器の最適性能は、それ
が存在するとしても、ある1つの周波数において達成さ
れるだけである。更に、一定のバイアス条件を使用する
と、可能な動作周波数の範囲が必然的に制限され、一定
の設計判定基準に合わないこともある。
【0006】その代りとなる方法が試みられ、周波数制
御信号が周波数の関数として変化するのと全く同一の様
式及び大きさで、最適バイアス電圧が周波数の関数とし
て変化するように発振回路が設計された。このような場
合、同一信号が周波数制御信号及びバイアス信号の双方
に使用される。しかし、このような1つの信号を二重に
使用することができる好適な状況は極めて稀であり、し
たがって、この方法の有用性は極めて限られている。
【0007】時々使用される他の方法として、同調電圧
が変化する際に発振回路の構成を電子的に変更する、と
いう方法がある。これは、所定の同調電圧しきい値を越
える場合に、一定の回路要素を回路内または回路外に切
換えるPINダイオードのような手段により達成され
る。しかし、この方法は、その複雑さ、及び付加回路要
素に関連する寄生の問題を欠点として持つものである。
【0008】発振器の最適バイアスを達成するという問
題は、最適バイアスポイントが温度変化と共に変化する
という事実により一層大きな問題となる。したがって、
固定バイアスを用いた発振器は、周囲温度が高過ぎまた
は低過ぎる場合には一定周波数で発振することができな
くなることがある。
【0009】温度変化による発振周波数の変化に対する
補償は既知であるが、温度変化による発振器最適バイア
スの変化を補償するものはこれまでなかった。
【0010】上述の「単一信号の二重使用」補償法を拡
張して温度補償をも包含させることが提案されるかもし
れないが、このような方法は利用できないであろう。こ
れは、温度の影響を考慮するように発振器のバイアスを
調節すると、発振周波数の不必要な変化が必然的に生じ
るからである。
【0011】したがって、本質的に、広帯域発振器は一
般に、周波数の関数としての発振器バイアスについての
折衷案、及び温度の関数としての発振器バイアスについ
ての折衷案からなる、複合折衷案を包含するものであ
る。その結果として得られる発振器は、そのほとんどの
動作条件下で不充分にしか働かないものとなる。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、上述の
従来の欠点は、発振器の周波数及び/または周囲温度
変化に応じて発振器のバイアスを調節する回路によって
対処され、同一信号をバイアス制御信号及び周波数制御
信号として使用するという手段を用いずに対処される。
こうすることにより、発振器の周波数範囲及び温度範囲
を共に拡大させることができ、同時に発振器の性能を向
上させることができる。
【0013】本発明の上述その他の特徴及び長所は、図
面を参照して進める以下の詳細な説明から一層容易に明
らかになるであろう。
【0014】
【実施例】図1の簡略ブロック図は、本発明の一実施例
による発振器システム10を示すものであり、発振器12、
周波数制御ライン14、周波数補償回路16、温度センサ/
補償回路18、併合(combiner)回路20、及びバイアスラ
イン22を包含する。
【0015】発振器12は、従来と同様の構成を有するも
のでよく、能動デバイス及び共振回路の双方を備えたも
のである。共振回路は、能動デバイスと協働して所望の
発振周波数で共振を生成する。広帯域発振器において
は、この共振回路は、周波数制御ライン14上の周波数制
御信号に応じて発振器12の共振周波数を変える周波数制
御要素を備えている。バイアスライン22上の信号は、発
振器の能動デバイスの静止動作パラメータ(装置がトラ
ンジスタの場合にはコレクタ電圧)を確定する。
【0016】周波数補償回路16は、バイアスライン22に
接続されており、周波数制御信号の変動に応じて能動デ
バイスに加えられるバイアス信号を変化させる手段を備
えるものである。
【0017】温度センサ/補償回路18もまた、バイアス
ライン22に接続されており、周囲温度の変動に応じてバ
イアス信号を変化させる手段を備えるものである。
【0018】上記補償回路16,18 の機能は、可能バイア
ス電圧の範囲を周波数の関数として、それぞれ、−20
℃、10℃、40℃、及び70℃の周囲温度について示
す図2ないし図5を吟味することにより更に明らかにな
るであろう。
【0019】図2を参照すると、その横軸に、周波数で
はなく、VCO(電圧制御発振器)同調電圧に対応する
スケールが設けられていることがまず注目される。しか
しこれは、各VCO同調電圧が発振器の動作周波数に一
義的に対応するので便宜上そうしただけであり実質的な
ものではない。電圧スケールを選択したのは、回路10の
動作を決定するのがVCO同調電圧信号の大きさであ
り、VCO同調電圧に対応する周波数ではないからであ
る。図示した実施例では、4ボルトのVCO同調電圧が
約500MHzの発振器周波数に対応し、22ボルトの
VCO同調電圧が約1.0GHzの発振器周波数に対応
する。従って、図示する発振器は、UHF周波数範囲
(一般には300MHz〜3GHzと考えられる)で動
作する。
【0020】図2は、VCO同調電圧の各値について、
その対応するバイアス電圧(上側及び下側の実線の曲線
24,26 により示されている)の範囲を示すものである。
上側の曲線26は、能動デバイスの出力が不安定になる前
の最大バイアス電圧を示す。下側の曲線24は、最大より
10dB低い出力信号電力(ここで発振器の動作がほぼ停
止する)を生じるコレクタ電圧を示す。「最適」動作点
は、これら2つの極限の間のどこかにある。
【0021】広帯域発振器に関する Leesonの法則 及び
Kurokowaの解析 を含む理論的演習により、この広帯域
発振器の最適バイアスポイントが、上側の曲線26のほん
のわずか下にあることがわかる。同様な結果は実験的に
も実証することができる。しかし、上側の曲線で表され
る不安定動作領域への遷移は突然に生じ、避けなければ
ならないものである。その結果、所望のバイアス曲線
(図2の破線の曲線28)は曲線26より約1ボルト下に選
定され、これにより、回路許容差の期待範囲にわたって
適切な安全マージンが得られる。
【0022】次いで、VCO同調電圧が変化するにつれ
て曲線28を近似するように発振器のバイアス電圧を変化
させることが問題となる。これは周波数補償回路16の機
能である。周波数補償回路16による所望バイアス曲線28
の近似は、図2に31と記した直線近似曲線である。
【0023】注記したとおり、発振器の最適バイアスポ
イントは温度によっても変化する。これを図3ないし図
5に示す。これらの図は、10℃、40℃、及び70℃の温度
での最適バイアス条件をそれぞれ示したものであること
を除けば図2と同じである。図2の直線近似曲線31は、
図示する周波数(すなわち、VCO同調電圧)範囲にわ
たって9.5ボルトから11.5ボルトまでの範囲にあ
るが、図3の対応する曲線は、10.5から12.5ボ
ルトまでの範囲にあり、直線近似曲線31と1ボルトの差
がある。この1V/30℃の同一オフセットは、図3と図
4との間(10℃から40℃)及び図4と図5との間(40℃
から70℃)でも真であることがわかる。このバイアス電
圧の漸進的オフセットを温度の関数として生成するの
が、温度センサ/補償回路18の機能である。
【0024】図2ないし図5を吟味することにより、固
定バイアス信号を使用する従来技術の欠点が容易にわか
る。単一のバイアス値では、図示する温度の範囲にわた
って4ボルトから24ボルトのすべての同調電圧に対し
てこの発振器を動作させることは出来ない。更に、1
0.5ボルトのバイアス信号では、この範囲の大部分に
わたり発振させることができるが、この値はより高い同
調電圧(別称は周波数)及びより高い温度において下側
の曲線24に近いため、これらの条件下では出力電力及び
位相ノイズが大きく劣化する。この劣化は、発振器のほ
とんどの用途において許容不可能なものである。
【0025】図6は、本発明の一実施例によるバイアス
電圧の温度補償を採用している発振器10’の詳細概要図
である。同図よりわかるように、発振器10’は、能動デ
バイスとしてバイポーラトランジスタ30を備えている。
トランジスタ30には、トランジスタのコレクタにバイア
ス電圧を供給するコレクタバイアス回路32が接続されて
いる。このバイアス電圧の特定の値は、温度センサ34及
び関連ドライバ回路36を備えている温度センサ/補償回
路18’によりセットされる。
【0026】温度センサ34は、ここでは、ナショナル・
セミコンダクタのLM335 のような温度検知ツェナーダ
イオードから構成されている。このツェナーダイオード
は、温度が1°K増すごとに10ミリボルト大きくなる
電圧降下を生じる。例えば、このツェナーダイオード
は、10℃で2.83ボルトの電圧降下を生じ、40℃
で3.13ボルトの電圧降下を生じる。
【0027】温度センサ34に関連するドライバ回路36は
第1及び第2のトランジスタ38,40を備えている。温度
センサ34の両端に生じる温度依存性の電圧降下は、第1
のトランジスタ38内を流れる電流を制御するのに使用さ
れ、その電流は、次いで第2のトランジスタ40のエミッ
タ電圧を確定する。この後者の電圧は、今度は、バイア
ス制御トランジスタ42を通る電流を制御し、これによ
り、発振器トランジスタ30のコレクタに印加されるバイ
アス電圧を確定する。これら3つのトランジスタ38,40,
42が一緒に、周囲温度が30℃上昇する毎に約1ボルト増
大するコレクタバイアス信号を生成する。
【0028】また図6には、ここでは関係ないが、発振
器の発振周波数を制御する共振器回路44が示されてい
る。この共振器は主として4個のバラクタダイオード46
及び印刷回路インダクタ48から構成されている。このバ
ラクタダイオードは、VCO同調入力50に印加されるD
C電圧と共に変化する分路キャパシタンスをインダクタ
の両端に与える。VCO同調入力50に印加される電圧を
変えることにより、印刷回路インダクタ48及びバラクタ
ダイオード46により形成されるLC回路の共振周波数が
変化する。図6には、発振器トランジスタ30のDCエミ
ッタバイアスをセットするエミッタバイアス回路52も示
されている。
【0029】図7は、本発明により温度及び周波数が共
に補償されるバイアス信号を採用する発振器10”を示す
ものである。
【0030】この発振器10”は、多くの点で図6の発振
器10’と類似するものである。例えば、発振器10”は、
発振器トランジスタ30’、温度センサ/補償回路18”
(温度センサ34’を含む)、共振器回路44’(バラクタダ
イオード46’及び印刷回路インダクタ48’を含む)、及
びエミッタバイアス回路52’を備えている。
【0031】コレクタバイアス回路32’は、温度補償信
号を周波数補償信号と併合させる回路のため、図7では
図6より幾分精巧である。コレクタバイアス回路32’は
また、単一トランジスタ構成に特有のベータ変動からト
ランジスタ54のベースに与えられるバイアス制御信号を
バッファするため、2つのトランジスタ54,56 を備えて
いる。
【0032】図6の場合のように、温度センサ/補償回
路18”はコレクタバイアス回路32’に温度補償信号を供
給する。この回路は、周囲温度が30℃上昇する毎にコレ
クタバイアス電圧が1ボルト増大するように構成されて
いる。
【0033】図7に使用されている周波数補償回路16’
は、トランジスタ54をバイアスしてVCO同調電圧の増
大にともなってコレクタバイアスを直線的に増大させる
回路網である。図2で示される発振器のように、周波数
補償回路16’はここでは、VCO同調電圧が4ボルトか
ら24ボルトに増大するにつれてコレクタバイアス電圧
を全体で2ボルトだけ直線的に増大させる。同様の2V
/20Vの比が図3〜図5で保持されている。
【0034】周波数補償回路16’の入力58に入力される
信号は、実際には、共振器回路44’の入力50’に印加さ
れるVCO同調電圧ではないことが注目される。その代
わりに、VCOバイアス同調と記してある、この信号の
変種が使用される。この信号は、VCO同調電圧と同一
のDC値を有するが、受けている濾波はより少ない。V
CO同調電圧を濾波する(及びそのFM変調を可能とす
る)回路60を図8に示す。
【0035】このフィルタ回路60は、共振器の同調電圧
のノイズ要件が補償回路の同調電圧のノイズ要件よりは
るかにきびしいために採用されている。望ましくは、周
波数補償回路16’は、フィルタ回路60が共振器の同調電
圧に与えるのと同様の時定数特性をバイアス制御信号に
与えるので、両信号は同調変化に協同して応答する。
(更に簡単な装置では、バラクタダイオード46’のVC
O同調電圧入力50’に印加されるのと同一の周波数制御
信号をコレクタバイアス回路32’のVCOバイアス同調
電圧入力58に印加することもできる。)周波数補償信号
及び温度補償信号は、図7の加算ノード62で併合され
る。これにより、発振器のコレクタバイアス信号が温度
及び周波数の双方の関数になる。本発明の原理をその2
つの好適実施例を参照して説明し、図解してきたが、本
発明の構成及び細目をその原理から逸脱することなく修
正することができるということは明らかである。例え
ば、コレクタ電圧の制御によってバイアスがセットされ
るバイポーラトランジスタの発振器を参照して本発明を
説明してきたが、他の発振回路を他のバイアス制御信号
で使用することができるということが理解されよう。同
様に、可変周波数発振器を参照して本発明を説明してき
たが、温度補償を行うという点では、固定周波数発振器
を用いても同等に良好に実施することができるというこ
とが理解されるであろう。
【0036】本発明を直線補償モデルを使用する発振器
を参照して説明してきたが、用途が許せば、より高次の
補償モデルを採用することができるということが理解さ
れよう。同様に、本発明をUHF発振器を参照して説明
してきたが、本発明の原理はあらゆる高周波発振器に好
適に適用することができるものであるということが理解
されるであろう。(本発明は30MHzより高い周波数
で動作する発振器に特に好適であると考えられる。)最
後に、純然たるアナログ装置を参照して本発明を説明し
てきたが、同様のバイアス制御法をディジタル制御シス
テムを使用して実施することができるということが理解
されるであろう。
【0037】本発明の原理を適用可能な広く多種多様な
実施例を考慮すると、上述の詳細な実施例は単なる例示
に過ぎず、本発明の範囲を限定するものと取るべきでは
ないことは明らかである。特許請求の範囲における記述
及びその等価なものの範囲内及び思想中に含まれるあら
ゆる変形例を本発明として主張することを意図する。
【0038】
【発明の効果】本発明は上述のように構成したので、発
振器の周波数及び/または周囲温度の変化に応じて発振
器のバイアスを調節することが可能となり、これによ
り、同一信号をバイアス制御信号及び周波数制御信号と
して使用するという手段を用いる必要をなくし、発振器
の周波数範囲及び温度範囲を共に拡大させると同時に発
振器の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例としての発振器を示すブロック
図である。
【図2】−20℃の周囲温度についての同調電圧とバイ
アス電圧との間の関係を例示するグラフである。
【図3】10℃の周囲温度についての同調電圧とバイア
ス電圧との間の関係を例示するグラフである。
【図4】40℃の周囲温度についての同調電圧とバイア
ス電圧との間の関係を例示するグラフである。
【図5】70℃の周囲温度についての同調電圧とバイア
ス電圧との間の関係を例示するグラフである。
【図6】本発明の一実施例に従って温度補償されるバイ
アス信号を用いた発振器の概要を示す回路図である。
【図7】本発明のもう1つの実施例に従って温度補正及
び周波数補正の双方が行われるバイアス信号を用いた発
振器の概要を示す回路図である。
【図8】VCO同調信号、及び VCOバイアス同調信
号を図4の発振器に供給する調整回路の概要を示す回路
図である。
【符号の説明】
10 発振器システム 12 発振器 14 周波数制御ライン 16,16' 周波数補償回路 18,18’,18” 温度センサ/補償回路 20 併合回路 22 バイアスライン 30,30’ 発振器トランジスタ 32 コレクタバイアス回路 34,34’ 温度センサ 36 関連ドライバ回路 38,40,42 トランジスタ 44,44’ 共振器回路 46,46’ バラクタダイオード 48,48’ 印刷回路インダクタ 50 VCO同調入力 52’ エミッタバイアス回路 54,56 トランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 399117121 395 Page Mill Road Palo Alto,Californ ia U.S.A. (56)参考文献 特開 平2−100502(JP,A) 特開 昭64−49406(JP,A) 特開 昭62−298203(JP,A) 特開 昭61−80905(JP,A) 特開 昭56−85928(JP,A) 特開 昭60−142624(JP,A) 特開 昭56−137737(JP,A) 実開 昭64−40911(JP,U) 実開 昭62−161411(JP,U) 実開 昭59−48109(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03L 1/02 H03J 3/04 H03L 5/00

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】能動デバイスを備えると共に電子的に同調
    可能で30MHzより高い周波数の発振器信号を生成す
    るよう動作可能な広帯域発振器の動作方法であって、こ
    の方法が、 前記能動デバイスにバイアス信号を加えることと、 発振器の動作のパラメータに関連するパラメータ信号を
    受信することと、 前記パラメータ信号に応じて前記能動デバイスに加えら
    れる前記バイアス信号を変化させることより成り、 前記バイアス信号が発振器の周波数以外の発振器信号の
    特性を改善すべく前記パラメータ信号に応じて自動的に
    調節される方法。
  2. 【請求項2】前記パラメータ信号の変化に伴って前記バ
    イアス信号を直線的に変化させることを含む請求項1の
    方法。
  3. 【請求項3】前記発振器の動作のパラメータが周囲温度
    である請求項1又は2の方法。
  4. 【請求項4】前記発振器の動作のパラメータが発振器の
    周波数である請求項1又は2の方法。
  5. 【請求項5】前記パラメータ信号に応じて能動デバイス
    のコレクタ電圧を変化させることを含む請求項1から4
    の何れかの方法。
  6. 【請求項6】能動デバイスと、 バイアス信号を加えるために前記能動デバイスと結合さ
    れたバイアス回路と、 前記能動デバイスと結合され、且つこれと協働して発振
    周波数で共振を生成し、周波数制御信号に応じて発振器
    の共振周波数を変化させる周波数制御要素を備える共振
    回路と、 所望の発振周波数に対応する周波数制御信号を受信し、
    前記周波数制御信号を周波数制御要素に加える入力と、
    及び前記バイアス回路に結合され、周波数制御信号の変
    動に応じて能動デバイスに加えられる前記バイアス信号
    を変化させる手段を備える補償回路とから成り、 前記バイアス信号と前記周波数制御信号が別個の信号で
    ある発振器。
  7. 【請求項7】能動デバイスがコレクタを備えるトランジ
    スタであり、補償回路が周波数制御信号の変動に応じて
    前記トランジスタのコレクタに印加される電圧を変化さ
    せる手段を備える請求項6の発振器。
  8. 【請求項8】バイアス回路に結合された温度補償回路を
    さらに含み、前記温度補償回路が、周囲温度の変動に応
    じて能動デバイスに加えられるバイアス信号を変化させ
    る温度反応回路要素を備える請求項6又は7の発振器。
  9. 【請求項9】発振器の周波数が30MHzより高い周波
    数で同調可能な請求項6から8の何れかの発振器。
  10. 【請求項10】能動デバイスと、 バイアス信号を加えるために前記能動デバイスと結合さ
    れたバイアス回路と、 周囲温度に関連する電気信号を供給する温度センサと、 前記温度センサと前記バイアス回路の両方に結合され、
    周囲温度の変動に応じて能動デバイスに印加されるバイ
    アス信号を温度に起因する周波数シフトを修正すること
    なしに調節し、周波数以外の発振器信号の特性を改善す
    る手段を備える補償回路から成る発振器。
  11. 【請求項11】30MHzより高い周波数で発振器を動
    作可能とする共振回路をさらに含む請求項10の発振
    器。
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