JP4536100B2 - 発振器 - Google Patents

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Description

本発明は発振器に関し、特に発振部が絶縁層を有する実装部に実装された発振器に関する。
発振器、特に電圧制御発振器は、例えば、携帯電話端末、PHS(Personal handyphone system)端末、無線LAN(Local area netwark)、トランシーバ等の移動体通信端末等に用いられている。
図1は従来例に係る発振器の回路図である。発振器は発振部11を含み、発振部11は共振回路20、発振回路30およびバッファ回路40を含んでいる。発振回路30を構成するトランジスタQ1とバッファ回路40を構成するトランジスタQ2とはグランドと電源端子Tbとの間に縦続接続されている。
共振回路20は、可変容量ダイオードD1と、キャパシタC2、C3およびストリップライン等の線路S5からなる。制御端子Taに印加される制御電圧Vaは線路S4およびキャパシタC1により高周波成分が除去され、可変容量ダイオードD1に印加される。可変容量ダイオードD1の静電容量は制御電圧Vaにより変化し共振回路20の共振周波数が変化する。
発振回路30はバイポーラトランジスタQ1およびキャパシタC5、C6からなるコルピッツ発振回路の一種であるクラップ発振回路を構成している。トランジスタQ1のベースは結合キャパシタC4を介し共振回路20に接続されている。
バッファ回路40はバイポーラトランジスタQ2を有している。バイポーラトランジスタQ2のエミッタは発振回路30のトランジスタQ1のコレクタに接続され、トランジスタQ2のベースは結合キャパシタC8を介しトランジスタQ1のエミッタに接続されている。
線路S2は電源VbからトランジスタQ2のコレクタに電源供給する際、交流成分を除去するチョーク用インダクタとして機能する。抵抗R1からR4はトランジスタQ1、Q2に供給されるバイアスを設定するための抵抗である。キャパシタC7、C10およびC11は高周波成分をグランドに短絡するためのキャパシタである。
特開2005−160076号公報 特開2005−160077号公報
図1の従来例のように、バッファ回路40を有する発振器は、トランジスタQ2等を用いるため、部品点数が多く実装面積が大きくなる。また、コストが高くなってしまう。しかしながら、バッファ回路40を用いない発振器においては、発振が安定せず負荷変動、高調波レベルおよびC/N比(Carrier to noise ratio)が悪いという課題がある。
本発明は、上記課題に鑑み、小型で低コストであり、かつ負荷変動、高調波レベルおよびC/N比を改善することが可能な発振器を提供することを目的としている。
本発明の1つの態様によれば、第1発振周波数の第1発振信号を第1中間ノードを介し出力端子に出力する第1発振部と、絶縁層を有し、前記第1発振部を実装する実装部と、前記絶縁層に設けられ、一端が前記第1中間ノードに他端がグランドに接続されたストリップ線である第1線路と、前記絶縁層に設けられ、一端が前記第1中間ノードに他端が電源端子に接続されたストリップ線である第2線路と、前記絶縁層に設けられ、一端が前記第1中間ノードに他端が前記出力端子に接続されたストリップ線である第3線路と、を具備する発振器が提供される。本態様によれば、発振器を設計する段階でインダクタンスを第1線路から第3線路により微調整することができる。よって、負荷変動や高調波レベルを改善した発振器を設計することができる。また、第1線路から第2線路は高周波特性のQが高いため、高周波において安定した発振器が実現できる。さらに、部品数を削減し小型化、低コスト化が可能となる。
図面を参照に、本発明の実施例について説明する。
図2は実施例1に係る発振器の回路図である。図2を参照に、実施例1に係る発振器の発振部10は共振回路20と発振回路30とを含んでいる。実施例1に係る発振器は、図1の従来例と異なりバッファ回路を有していない。
共振回路20は、可変容量ダイオードD11と、キャパシタC21、C31および線路S51からなる。可変容量ダイオードD11は制御端子Taに接続された線路S41の一端とグランドとの間に接続され、可変容量ダイオードD11のカソードにはキャパシタC21の一端が接続される。キャパシタC21の他端とグランドとの間にはキャパシタC31と線路S51とが並列に接続される。制御端子Taに印加される制御電圧Vaが変化すると可変容量ダイオードD11の静電容量が変化し共振回路20の共振周波数が変化する。制御電圧Vaは線路S41およびキャパシタC11により高周波成分が除去され可変容量ダイオードD11のカソードに印加される。以上により、共振回路20は、制御電圧Vaにより周波数が第1発振周波数に制御された共振信号を生成する。
発振回路30はバイポーラトランジスタQ11およびキャパシタC51、C61からなるコルピッツ発振回路の一種であるクラップ発振回路を構成している。トランジスタQ11のベースは結合キャパシタC41を介し共振回路20に接続されている。トランジスタQ11のベースとグランドとの間にキャパシタC51とC61とが直列接続されている。キャパシタC51とC61との間のノードはトランジスタQ11のエミッタに接続されている。以上により、発振回路30は、共振回路20の共振信号の周波数である第1発振周波数を有する第1発振信号を生成する。
発振回路30のトランジスタQ11のコレクタは第1中間ノードN1に接続されている。第1中間ノードN1とグランドとの間には第1線路S11とキャパシタC71(第1キャパシタ)とが直列に接続されている。第1線路S11とキャパシタC71とは発振回路30のコレクタから出力された発振信号のうち高周波成分を接地する。これにより、発振回路30から出力される第1発振周波数の第1発振信号がグランドに漏洩することを抑制することができる。
第1中間ノードN1と電源端子Tbとの間には第2線路S21が接続されている。第2線路S21は電源Vbのチョーク用インダクタとして機能し、電源Vbの直流成分がトランジスタQ11のコレクタに印加される。これにより、第1発振周波数の第1発振信号が電源に漏洩することを抑制することができる。
第1中間ノードN1と出力端子Toutとの間には第3線路S31、インダクタL11およびキャパシタC81(第2キャパシタ)が直列に接続される。インダクタL11とキャパシタC81との間の第2中間ノードN2とグランドとの間にキャパシタC91が接続されている。第3線路S31およびインダクタL11並びにキャパシタC81は第1発振信号のうち低周波成分を除去する。キャパシタC91は第1発振信号のうち高周波成分を除去する。これにより、第1発振周波数の第1発振信号が出力端子Toutから出力される。また、出力端子Toutから不要な周波数成分が発振回路30に入力することを抑制することができる。
抵抗R11からR31はトランジスタQ11のコレクタ、ベース、エミッタに所望の電圧を印加するために機能する。
図3は、実施例1に係る発振器の断面模式図である。実施例1に係る発振器は、セラミック等の絶縁層61から63からなる積層60、チップ部品56、積層60およびチップ部品56を覆うカバー部65を含んでいる。カバー部65は積層60に設けられたスルーホールに挿入され半田付けされている。チップ部品56としては、キャパシタC71、トランジスタQ11、インダクタL11等がある。
チップ部品56は配線基板70上に半田68を用い実装されている。配線基板70にはAu(金)やCu(銅)等の金属からなる配線72が形成されている。各絶縁層61から63には、絶縁層61から63を貫通するビアにAuやCu等の金属が埋め込まれた接続部51から55、および、AuやCu等の金属で形成された線路パターンである線路S11からS31が形成されている。
第1線路S11は一端が接続部53を介しキャパシタC71に接続されている。第1線路S11の他端は接続部51を介しトランジシタQ11のコレクタ端子50に接続されている。第2線路S21は一端が接続部55を介し電源端子Tbである絶縁層63に形成されたフットパッドに接続されている。第2線路S21の他端は接続部52および51を介しトランジシタQ11のコレクタ端子50に接続されている。第3線路S31は一端が接続部54を介しインダクタL11の一端に接続されている。インダクタL11の他端はキャパシタC81(不図示)および接続部(不図示)を介し出力端子Tout(不図示)に接続されている。第3線路S31の他端は接続部51を介しトランジシタQ11のコレクタ端子50に接続されている。接続部51、52が図2の第1中間ノードN1に相当する。
以上のように、実施例1に係る発振器は、第1発振周波数の第1発振信号を第1中間ノードN1を介し出力端子Toutに出力する発振部10を有している。また、絶縁層61から63を有し、発振部10を実装する積層60(実装部)を有している。そして、第1中間ノードN1とグランドとの間に結合された第1線路S11が絶縁層61に設けられており、第1中間ノードN1と電源端子Tbとの間に結合された第2線路S21が絶縁層62に設けられており、第1中間ノードN1と出力端子Toutとの間に結合された第3線路S31が絶縁層61に設けられている。
第1線路S11および第2線路S21が設けられていることにより、発振部10から出力される第1発振信号がグランドや電源に漏洩することを抑制することができる。これにより、C/N比が悪化することを抑制することができる。第3線路S31とインダクタL11とが設けられていることにより、出力端子Toutから入力される第1発振周波数より高周波な信号が発振部10に達するのを防ぐことができる。
バッファ回路を有しない発振器において、発振が安定しない、つまり負荷変動や高調波レベルが安定しない1つの要因について説明する。バッファ回路を有さず、負荷変動や高調波レベルが小さい発振器を設計する際は、線路S11からS31に相当するインダクタンスをシミュレーションする。しかしながら、シミュレーション結果と実際の結果とは乖離することが多い。このため、バッファ回路を有さない発振器においては負荷変動や高調波レベルが安定しない。
実施例1によれば、線路S11からS31を絶縁層61,62に設けられた線路パターンで形成する。これにより、発振器を設計する段階でインダクタンスを線路S11からS31により微調整することができる。よって、負荷変動や高調波レベルを改善した発振器を設計することができる。また、線路S11からS31は高周波特性のQが高いため、高周波において安定した発振器が実現できる。さらに、バッファ回路を有していないため、部品数を削減し小型化、低コスト化が可能となる。
図4は実施例1の変形例1に係る断面模式図である。実施例1の図3に対し、絶縁層62と絶縁層63との間に絶縁層62aが設けられている。第3線路S31は絶縁層62aに設けられている。その他の構成は実施例1と同じであり説明を省略する。
実施例1の変形例1のように、線路S11からS31は、それぞれ異なる絶縁層に設けられていることが好ましい。これにより、線路S11からS31間の結合が小さくなる。よって、シミュレーション結果と実際の結果との乖離が縮小する。よって、線路S11からS31により微調整が容易となり負荷変動や高調波レベルをより改善した発振器を設定することができる。
また、絶縁層の数を減らすため、線路S11からS31は、同一の絶縁層に設けられていてもよい。
図5は実施例1の変形例2に係る発振器の回路図である。実施例1の図2に対し、電源端子Tbとグランドとの間に、高周波除去用のキャパシタC101が接続されている。その他の構成は実施例1と同じであり説明を省略する。
図6は比較例に係る発振器の回路図である。比較例に係る発振器は2バンド発振器であり、第1発振信号を出力する第1発振部10aと、第1発振信号とは異なる周波数の第2発振信号を出力する第2発振部10bと、を有している。第1発振部10aおよび第2発振部10bは、線路S51とグランドとの間に線路S61が接続されていること、キャパシタC11は共通であること以外は、実施例1の発振部10と同じ回路であり説明を省略する。
第1発振部10aのトランジスタQ11および第2発振部10bのトランジスタQ12のベースはそれぞれ抵抗R31およびR32を介しそれぞれトランジスタQ21およびQ22のコレクタに接続されている。トランジスタQ21およびQ22のエミッタは電源端子Tbに接続されるとともに、それぞれ抵抗R51およびR52を介しベースに接続されている。トランジスタQ21およびQ22のベースはそれぞれ抵抗R41およびR42を介しそれぞれスイッチ端子Tsw1およびTsw2に接続されている。スイッチ端子Tsw1およびTsw2に入力されるスイッチ信号Vsw1およびVsw2に応じ、それぞれ第1発振部10aおよび第2発振部10bに電源Vbが供給される。
第1発振部10aのトランジスタQ11および第2発振部10bのトランジスタQ12のコレクタは共通のノードN0に接続される。ノードN0と電源端子Tbとの間に線路S7が、ノードN0と出力端子Toutとの間にキャパシタC81が、ノードN0とグランドとの間にキャパシタC91が接続されている。
比較例においては、スイッチ信号Vsw1およびVsw2により選択された発振部10aおよび10bの発振信号が出力端子Toutから出力する。
図7は実施例2に係る発振器の回路図である。実施例2に係る発振器は比較例に係る発振器と同様に、第1発振部10aと第2発振部10bとを有している。比較例と同じように、第1発振部10aおよび第2発振部10bのトランジスタQ11およびQ12のベースと電源端子Tbとの間に、それぞれトランジスタQ21およびQ22が接続されている。第1発振部10aのトランジスタQ11のコレクタが接続される第1中間ノードN1には、実施例1と同じように線路S11からS31が接続されている。第2発振部10bのトランジスタQ12のコレクタは第3中間ノードN3に接続されている。第3中間ノードN3はインダクタL12および線路S32を介し第2中間ノードN2と接続されている。第3中間ノードN3とグランドとの間には、線路S12およびキャパシタC72とが直列に接続されている。
スイッチ用トランジスタQ21およびQ22は比較例の図6と同じ構成である。電源端子Tbの電源電圧Vbを2.8Vとし、スイッチ信号Vsw1およびVsw2がともに2.8V(ハイレベル)の場合、トランジスタQ21およびQ22はオフする。このため、第1発振部10aおよび第2発振部10bのトランジスタQ11およびQ12のベースには電源電圧が供給されない。よって、発振器はスタンバイ状態となり発振停止状態となる。
スイッチ信号Vsw1が0V(ローレベル)、Vsw2が2.8V(ハイレベル)の場合、トランジスタQ21はオンし、トランジスタQ22はオフする。よって、第1発振部10aに電源電圧が供給され、第1発振部10aの第1発振信号が出力端子Toutから出力する。
スイッチ信号Vsw1が2.8V(ハイレベル)、Vsw2が0V(ローレベル)の場合、第2発振部10bの第2発振信号が出力端子Toutから出力する。このように、スイッチ信号Vsw1およびVsw2により、発振信号を出力する発振部を選択することができる。
実施例2においては、第1発振部10aに加え、第2発振周波数の第2発振信号を第2中間ノードN2を介し出力端子Toutに出力する第2発振部10bを有している。第2発振部10bは、第2中間ノードN2にインダクタL12および線路S32(第2インダクタンス素子)を介し接続している。つまり、第1発振部10aは第1発振信号を第1インダクタンス素子(線路S31およびインダクタL11)を介し出力端子Toutに出力し、第1中間ノードN1から電圧が供給される。一方、第2発振部10bは、第2発振信号を第2インダクタンス素子(線路S32およびインダクタL12)を介し出力端子Toutに出力し、第1インダクタンス素子および第2インダクタンス素子を介し電圧が供給される。
このように、第1発振部10aと電源端子Tbとの間には第2線路S21がチョーク用インダクタンス素子として接続されている。一方、第2発振部10bは電源端子Tbとの間に、第2線路S21に加え第1インダクタンス素子および第2インダクタンス素子が接続されている。これにより、第2発振部10bの電源端子との間のチョーク用インダクタンスを第1発振部10aに比べ大きくすることができる。
発振周波数の低い発振部には大きなチョーク用インダクタンスが求められる。よって、第2発振部10bの第2発振周波数が第1発振部10aの第1発振周波数より低い場合、第2発振部10bに接続されるチョーク用インダクタンスは第1発振部10aに接続されるチョーク用インダクタンスより大きいことが求められる。実施例2では、第2線路S21を第1発振部10aおよび第2発振部10bが電源端子Tbに接続する共通のチョーク用インダクタンスとして用いることにより、部品点数を削減し、発振器の小型化が可能となる。
また、第2インダクタンス素子は、第2発振部10bと電源端子Tbとの間のチョーク用インダクタンスの一部と、第2発振部10bと出力端子Toutとの間の高周波除去用インダクタンスとを兼ねている。これにより、部品点数を削減し、発振器の小型化が可能となる。
図8は実施例2の変形例1に係る発振器の回路図である。実施例2の図7に対し、第1発振部10aにおいて、抵抗R11、R12が線路S61を介し接地されている。第2発振部10bも同様である。他の構成は実施例1と同じである。
図9は実施例2の変形例2に係る発振器の回路図である。実施例2の変形例1の図8に対し、第2中間ノードN2とキャパシタC81との間にノイズ削減用の抵抗R41が設けられている。他の構成は実施例2の変形例1と同じである。
図10は実施例3に係る発振器の回路図である。実施例3に係る発振器は、実施例2の第1発振部10aおよび第2発振部10bに加え、第3発振周波数の第3発振信号を出力する第3発振部10cを有している。第2中間ノードN2と第2発振部10bとの間に第3中間ノードN3が設けられている。第3発振部10cは、第3中間ノードN3に第3インダクタンス素子(インダクタL13)を介し接続しており、第3中間ノードN3を介し出力端子Toutに出力する。つまり、第3発振部10cは、第3発振信号を第3インダクタンス素子(インダクタL13)および第2インダクタンス素子(インダクタL12)を介し出力端子Toutに出力し、第1インダクタンス素子(線路S31およびインダクタL11)、第2インダクタンス素子および第3インダクタンス素子を介し電圧が供給される。
このように、実施例3においては、第2線路S21、第1インダクタンス素子および第2インダクタンス素子を第2発振部10bと第3発振部10cとの共通のチョーク用インダクタンスとしている。よって、第3発振部10cのチョーク用インダクタンスの部品を削減することができる。
第3発振部10cの第3発振周波数が第2発振部10bの第2発振周波数より低い場合、第3発振部10cに接続されるチョーク用インダクタンスは第2発振部10bに接続されるチョーク用インダクタンスより大きいことが求められる。実施例3では、第3発振部10cに第2発振部10bに加え第3インダクタンス素子を付加しているため、第3発振部10cのチョーク用インダクタンスを第2発振部10bに比べ大きくすることができる。
さらに、第2インダクタンス素子は第2発振部10bと出力端子Toutとの間の高周波遮断用のインダクタンス素子を兼ねている。第2インダクタンス素子および第3インダクタンス素子は第3発振部10cと出力端子Toutとの間の高周波遮断用のインダクタンス素子を兼ねている。これにより、部品個数を削減しコストを削減することができる。
実施例2、3において、第1インダクタンス素子、第2インダクタンス素子、第3インダクタンス素子は、線路パターンやインダクタとすることができる。設計段階で微調整を行うためには、実施例1のように、実装部の絶縁層に設けられた線路パターンを少なくとも含むことが好ましい。
本発明のいくつかの実施例について説明したが、本実施例は、本発明の原理と精神から逸脱しない限り当業者が変更することもできる。本実施例は特許請求の範囲とその均等の範囲を確定するものではない。
図1は従来の発振器の回路図である。 図2は実施例1に係る発振器の回路図である。 図3は実施例1に係る発振器の断面模式図である。 図4は実施例1の変形例1に係る発振器の断面模式図である。 図5は実施例1の変形例2に係る発振器の回路図である。 図6は比較例に係る発振器に係る回路図である。 図7は実施例2に係る発振器の回路図である。 図8は実施例2の変形例1に係る発振器の回路図である。 図9は実施例2の変形例2に係る発振器の回路図である。 図10は実施例3に係る発振器の回路図である。

Claims (12)

  1. 第1発振周波数の第1発振信号を第1中間ノードを介し出力端子に出力する第1発振部と、
    絶縁層を有し、前記第1発振部を実装する実装部と、
    前記絶縁層に設けられ、一端が前記第1中間ノードに他端がグランドに接続されたストリップ線である第1線路と、
    前記絶縁層に設けられ、一端が前記第1中間ノードに他端が電源端子に接続されたストリップ線である第2線路と、
    前記絶縁層に設けられ、一端が前記第1中間ノードに他端が前記出力端子に接続されたストリップ線である第3線路と、を具備する発振器。
  2. 前記絶縁層は積層された複数の絶縁層であり、
    前記第1線路、前記第2線路および前記第3線路は、それぞれ異なる絶縁層に設けられている請求項1記載の発振器。
  3. 前記第1線路と前記グランドとの間に接続された第1キャパシタを具備し、
    前記第1線路の他端は前記第1キャパシタを介し前記グランドに接続されている請求項1記載の発振器。
  4. 前記第3線路と前記出力端子との間に接続された第2キャパシタを具備し、
    前記第3線路の他端は前記第2キャパシタを介し前記出力端子に接続されている請求項1記載の発振器。
  5. 前記第3線路と前記出力端子との間に接続されたインダクタを具備し、
    前記第3線路の他端は前記インダクタを介し前記出力端子に接続されている請求項1記載の発振器。
  6. 前記第1発振部は、
    制御電圧により周波数が制御された共振信号を生成する共振回路と、
    前記共振信号の周波数で前記第1発振信号を生成する発振回路と、を有する請求項1記載の発振器。
  7. 前記第1発振部はバッファ回路を有していない請求項1記載の発振器。
  8. 前記第3線路の他端と前記出力端子との間に設けられた第2中間ノードを介し、前記出力端子に第2発振周波数の第2発振信号を出力する第2発振部と、
    一端が前記第中間2ノードに他端が前記第2発振部に接続された第2インダクタンス素子と、を具備する請求項1記載の発振器。
  9. 前記第2発振周波数は前記第1発振周波数より低い請求項8記載の発振器。
  10. 前記第2インダクタンス素子の他端と前記第2発振部との間に設けられた第3中間ノードを介し、前記出力端子に第3発振周波数の第3発振信号を出力する第3発振部と、
    一端が前記第3中間ノードに他端が前記第3発振部に接続された第3インダクタ素子と、を具備する請求項8記載の発振器。
  11. 前記第3発振周波数は前記第2発振周波数より低い請求項10記載の発振器。
  12. 前記第3線路の他端と前記出力端子との間に接続された第2キャパシタと、
    前記第3線路の他端と前記第2キャパシタとの間のノードと、前記グランドと、の間に接続された第3キャパシタと、
    を具備し、
    前記第3線路の他端は前記第2キャパシタを介し前記出力端子に接続され、
    前記ノードは前記第3キャパシタを介し前記グランドに接続されている請求項3記載の発振器。
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