JP3654643B2 - 電圧制御発振器 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明はトランジスタとこのトランジスタに接続された周波数可変共振回路とを有する電圧制御発振器に関する。
【０００２】
多数のＲＦシステムおよびマイクロ波システムでは広い範囲の周波数にわたってチューニング可能な送受信機が要求される。回路コストおよび複雑性は単一の電圧制御発振器ＶＣＯまたは僅かな数のＶＣＯを使用するだけでかなり低減することができる。例えばマイクロ波センサに対して位相掃引形の広帯域連続周波数変調法が使用されており、ここでは単一の発振器を使用することが重要である。またＶＣＯは実際には全てのタイプのＲＦおよびマイクロ波システムに適用されており、殊に重要な広帯域の電圧制御発振器の適用は線形の周波数掃引を行うマイクロ波センサでの使用である。これは通常周波数変調連続波またはＦＭ‐ＣＷ変調と称される。変調を作用させるために掃引は位相連続的に行わなくてはならず、最大の効率でこのような掃引を行う手段として掃引駆動電圧をＶＣＯのチューニング端子に印加することが挙げられる。このようなセンサのレンジ分解能はＶＣＯの帯域幅に比例する。したがって多くのケースできわめて広い掃引周波数が要求される。
【０００３】
電位の潜在的なチューニングレンジは、特に上方の周波数と下方周波数との比が２：１（いわゆる“オクターブチューニング”）以上となる場合、実際にはほとんど達成されない。これはトランジスタのゲインが周波数の増大につれて低下することに起因している。したがって回路は共振器のチューニングレンジの上方部分を超えると発振を停止してしまう。
【０００４】
達成可能な周波数レンジはトランジスタのゲインの増大によって拡張することができる。これは例えばコレクタ電流を増大することにより行われる。ただしこの手法はしばしば低周波数で過剰ゲインを発生させ、これにより不安定性ないし寄生発振を引き起こす。この一般的な例として“副高調波ポンピング”が挙げられ、予測される共振周波数の１／２で大きな信号が形成される。
【０００５】
本発明の課題は簡単な回路構成で実現され広帯域のチューニングが可能な電圧制御発振器を提供することである。
【０００６】
この課題は、トランジスタと、周波数可変共振回路と、第１の誘導素子および第２の誘導素子を含む直列回路と、周波数依存性のフィードバック路を有しており、トランジスタは第１の端子、第２の端子および制御端子を有する制御路を備えており、共振回路はチューニング電圧に対する入力端子を有しており、かつトランジスタの制御路の第１の端子と基準電位用の端子との間に接続されており、直列回路の第１の誘導素子および第２の誘導素子はトランジスタの制御路の第２の端子と基準電位用の端子との間に接続されており、フィードバック路は第１の容量素子と第２の容量素子と抵抗とを有しており、第１の誘導素子および第２の誘導素子間の回路ノードと基準電位用の端子との間に接続されており、このフィードバック路の第１の容量素子および第２の容量素子間の回路ノードは第３の誘導素子を介して前記トランジスタの制御端子へ接続されており、フィードバック路の抵抗は第２の容量素子と基準電位用の端子との間に接続されていることを特徴とする電圧制御発振器により解決される。
【０００７】
発振器のフィードバック路はＡＣ信号に対する分圧器を有する。この分圧器はポテンショメータチェーン回路を形成しており、ＶＣＯの出力信号をトランジスタのベース端子へ供給する。フィードバック量は周波数に応じて変化する。フィードバック量は周波数と共に増大するので高周波数でゲインが増大する。利点として副高調波ポンピングが回避される。フィードバック量はフィードバック路の素子に対して適切な値を選定することにより調整可能である。これにより全体で発振器に対する広いチューニングレンジが得られる。
【０００８】
フィードバック路は直列接続された第１のキャパシタ、第２のキャパシタ、および抵抗を有する。キャパシタ間の回路ノードは発振器のトランジスタの制御入力側へ誘導素子を介して接続されている。トランジスタはＮＰＮバイポーラトランジスタ、ＰＮＰバイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタのいずれのタイプのものであってもよい。
【０００９】
共振素子はバイポーラトランジスタのエミッタまたは電界効果トランジスタのソースに接続されており、制御電圧を受け取るためのチューニング端子を有する。この電圧は共振回路の特性を変化させる。共振回路は２つのバラクタダイオードの直列接続部を有しており、これらのダイオードは並列接続された誘導素子を備えている。チューニング電圧はバラクタ間の接続ノードに印加される。
【００１０】
本発明の電圧制御発振器の利点として、広い範囲の周波数にわたって副高調波ポンピングなくチューニングが可能となることが挙げられる。唯一の電圧制御発振器のみで線形の周波数掃引を行うマイクロ波センサのチューニングレンジをカバーすることができる。この回路は比較的僅かな素子しか使用せず、比較的単純な形態となる。
【００１１】
次に本発明を有利な実施例に則して説明する。広帯域の電圧制御発振器ＶＣＯの回路図が図１に示されている。図１にはＡＣコンポーネントしか示されていない。ＤＣバイアスを行うコンポーネントは簡単化のために省略してあるので簡単化のために省略してある。共振回路へのＤＣバイアスを行うコンポーネントは当業者には周知である。ＤＣバイアスを行うコンフィグレーションは使用可能な給電電力に依存する。
【００１２】
図１に示された回路はＮＰＮバイポーラトランジスタＴ１を有しており、このトランジスタは素子を所定のゲインで増幅する。他のタイプのトランジスタ、例えばＰＮＰバイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタも使用可能である。コレクタエミッタ区間またはドレイン‐ソース区間はトランジスタの制御路である。トランジスタのベース端子またはゲート端子は制御端子である。発振器の共振器は並列の共振回路によって構成されており、インダクタンスＬ１および２つのバラクタダイオードＤ１、Ｄ２によって形成される。これらのダイオードはカソード側で直列接続されており、かつ共通の回路ノードＮ１に接続されている。インダクタンスＬ１はダイオードＤ１、Ｄ２の直列接続部に対して並列に接続されている。共振回路の一方の端部はトランジスタＴ１のエミッタ端子に接続されている。共振回路の他方の端子は基準電位用の端子ＧＮＤに接続されている。基準電位はグラウンドである。周波数チューニングはチューニング電圧をダイオードＤ１、Ｄ２間の共通の回路ノードＮ１に接続された入力端子Ｔに適切な抵抗を介してバイアスすることにより行われる。この抵抗によってチューニング電圧と共振回路との間でＲＦ分離が達成される。チューニング電圧に依存してバラクタダイオードの容量も変化し、これにより周波数可変共振回路の共振特性も変化する。
【００１３】
直列接続された２つのインダクタンスＬ３、Ｌ４は発振器のＲＦ負荷を形成する。インダクタンスＬ３、Ｌ４の直列接続部はトランジスタＴ１のコレクタとグラウンド端子との間に接続される。発振器回路の出力側はトランジスタＴ１のコレクタにブロッキングキャパシタＣ３を介して接続されている。周波数依存性のフィードバック回路がこの発振器に適用される。周波数依存性のフィードバック回路は２つのキャパシタＣ１、Ｃ２および抵抗Ｒ１の直列接続部を有する。キャパシタＣ１はインダクタンスＬ３、Ｌ４間の回路ノードＮ２に接続されている。抵抗Ｒ１の一方の端子はキャパシタＣ２に接続されており、抵抗Ｒ１の他方の端子はグラウンド端子に接続されている。キャパシタＣ１、Ｃ２間の共通の回路ノードＮ３はトランジスタＴ１のベース端子にインダクタンスＬ２を介して接続されている。
【００１４】
インダクタンスＬ２はトランジスタのベース端子を誘導的にキャパシタＣ２および抵抗Ｒ１を介してグラウンドへ結合している。インダクタンスＬ２およびトランジスタＴ１の等価回路は効率的な負性抵抗を形成し、この抵抗は共振器Ｌ１、Ｄ１、Ｄ２に並列接続されている。負性抵抗の値が少なくとも共振器での抵抗損失に等しくなるようにインダクタンスＬ２の値が選定されている場合に、発振が開始される。
【００１５】
Ｃ１、Ｃ２、Ｒ１を有するフィードバック路はポテンショメータチェーン回路を形成しており、この回路は発振器の出力信号をトランジスタＴ１のベース端子へインダクタンスＬ２を介して供給する。このポテンショメータはインダクタンスＬ４によって駆動される。インダクタンスＬ４はフィードバック路と出力端子Ｏに接続された出力負荷との間を分離している。フィードバック路のパラメータＣ１、Ｒ１、Ｃ２を適切に選定することにより、フィードバック量を周波数と共に増大するように適切に調整することができる。結果として増大されたゲインはトランジスタＴ１のベース端子へ高周波数で供給され、これにより副高調波ポンピングの危険が回避される。例えば電圧減衰の規模はポテンショメータチェーン回路によって定められ、１以下の比較的低い周波数ではＣ１／（Ｃ１＋Ｃ２）であり、比較的高い周波数では１である。
【００１６】
チューニング帯域幅はバラクタダイオードのチューニング容量レンジによって定められる。市販で入手可能なハイパーアブラプトダイオード：hyper abrupt diode は共振回路のチューニングが比２：１のチューニングレンジの上方の周波数および下方の周波数で可能となるだけの充分な容量レンジを有している。こうしたチューニングをオクターブチューニングと称する。
【００１７】
広帯域のＶＣＯを使用するシステムでは次のようなコンフリクトによる設計上の制約が存在する。
【００１８】
すなわち第１にチューニングダイオードの制限やトランジスタのゲイン、また回路損失などのために、達成可能なチューニング帯域幅が中心周波数の一部に制限される。効率的な実際の限界は一般にオクターブチューニングであるが、多くのＶＣＯ設計ではオクターブチューニングほど広いチューニングレンジを達成できない。したがって要求されるチューニング帯域幅が増大するのにしたがって、ＶＣＯの設定された中心周波数も増大させなければならない。
【００１９】
第２に能力上の理由やコンポーネントコスト、また使用可能性の点に関して、大抵の場合に信号形成およびおよび操作機能が便利な中間周波数で行われることが挙げられる。したがってＶＣＯ中心周波数が増大すると、システムの中間周波数も増大させなければならないかまたは付加的な中間周波数を導入しなければならなくなり、これによりシステム設計がより複雑かつ高価になる。
【００２０】
第３にＶＣＯ中心周波数が増大するにつれて、発振器の位相ノイズも増大することが挙げられる。これは回路損失の増大に起因しており、共振器の品質係数を低下させる。位相ノイズが増大するとセンサの能力も低下する。
【００２１】
本発明によるＶＣＯ回路は広いチューニング帯域幅を有しており、簡単な回路設計で実現できる。全体としてこれにより低コストで改善されたシステム能力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 広帯域の電圧制御発振器ＶＣＯの回路図である。

Claims (6)

1. トランジスタ（Ｔ１）と、周波数可変共振回路（Ｄ１、Ｄ２、Ｌ１）と、第１の誘導素子（Ｌ３）および第２の誘導素子（Ｌ４）を含む直列回路と、周波数依存性のフィードバック路（Ｃ１，Ｃ２，Ｒ１）を有しており、
   前記トランジスタは第１の端子、第２の端子および制御端子を有する制御路を備えており、
   前記共振回路はチューニング電圧に対する入力端子（Ｔ）を有しており、かつ前記トランジスタ（Ｔ１）の制御路の第１の端子と基準電位用の端子（ＧＮＤ）との間に接続されており、
   前記直列回路の第１の誘導素子（Ｌ３）および第２の誘導素子（Ｌ４）はトランジスタ（Ｔ１）の制御路の第２の端子と基準電位用の端子（ＧＮＤ）との間に接続されており、
   前記フィードバック路は第１の容量素子（Ｃ１）と第２の容量素子（Ｃ２）と抵抗（Ｒ１）とを有しており、前記第１の誘導素子（Ｌ３）および第２の誘導素子（Ｌ４）間の回路ノード（Ｎ２）と基準電位用（ＧＮＤ）の端子との間に接続されており、
   該フィードバック路の第１の容量素子（Ｃ１）および第２の容量素子（Ｃ２）間の回路ノード（Ｎ３）は第３の誘導素子（Ｌ２）を介して前記トランジスタ（Ｔ１）の制御端子へ接続されており、該フィードバック路の抵抗（Ｒ１）は第２の容量素子（Ｃ２）と基準電位用の端子との間に接続されている
   ことを特徴とする電圧制御発振器。
2. 出力端子（Ｏ）はブロックキングキャパシタ（Ｃ３）を介して前記トランジスタ（Ｔ１）の制御路の第２の端子に結合されている、請求項１記載の電圧制御発振器。
3. 前記共振回路は直列接続された第１の可変容量（Ｄ１）および第２の可変容量（Ｄ２）と誘導素子（Ｌ１）とを有しており、該誘導素子は前記可変容量（Ｄ１、Ｄ２）の直列接続部に対して並列に接続されており、前記共振回路の入力端子（Ｔ）は前記可変容量（Ｄ１、Ｄ２）間の回路ノード（Ｎ１）に結合されている、請求項１または２記載の電圧制御発振器。
4. 前記可変容量はバラクタダイオードであり、該ダイオードのカソードは前記共振回路の回路ノード（Ｎ１）へ共通に接続されている、請求項３記載の電圧制御発振器。
5. 前記トランジスタ（Ｔ１）はＮＰＮバイポーラトランジスタまたはＰＮＰバイポーラトランジスタであり、該トランジスタは前記共振回路（Ｄ１、Ｄ２、Ｌ１）に接続されたエミッタおよび前記第１の誘導素子（Ｌ４）に接続されたコレクタを有する、請求項１記載の電圧制御発振器。
6. 前記トランジスタ（Ｔ１）は電界効果トランジスタであり、該トランジスタは前記共振回路（Ｄ１、Ｄ２、Ｌ１）および前記第１の誘導素子（Ｌ４）に接続されたドレイン‐ソース区間を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の電圧制御発振器。

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