JP4550726B2

JP4550726B2 - 電圧制御発振器

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Publication number: JP4550726B2
Application number: JP2005347456A
Authority: JP
Inventors: 隆之松塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2025-12-01
Also published as: US7397318B2; US20070126520A1; JP2007158481A

Description

本発明は、マイクロ波・ミリ波領域で動作する電圧制御発振器に関し、特に温度による発振周波数の変動を容易に補正することができ、かつ可変容量素子の両端に印加できる電圧範囲を高電圧側へシフトさせることができる電圧制御発振器に関するものである。

図４は従来の電圧制御発振器の一例を示す回路図である。この電圧制御発振器は、可変容量素子６へ印加する電圧により発振周波数を制御する電圧制御発振部２１と、可変容量素子６の一端に周波数制御バイアスを印加する周波数制御バイアス回路７とを備えている。

電圧制御発振部２１は、バイポーラトランジスタ１と、バイポーラトランジスタ１のコレクタに接続された出力整合回路２と、バイポーラトランジスタ１のエミッタに接続された直列帰還用インダクタ３と、バイポーラトランジスタ１のベースに一端が接続された発振開始の位相条件を満たす位相調整用線路４と、位相調整用線路４の他端と接地点の間に接続されたＬＣ直列共振回路を構成するインダクタ５及び可変容量素子６とを有する。また、周波数制御バイアス回路７は、抵抗フィード型のバイアス回路であり、周波数制御バイアス端子８を介して外部から供給された周波数制御バイアスを可変容量素子６の一端に印加する。

図５は従来の電圧制御発振器の発振周波数特性を示す模式図である。従来は、温度による発振周波数の変動を補正するために、温度に応じて可変容量素子６に印加する電圧を制御していた。例えば、常温では図５のＡ点に電圧を制御して電圧制御発振器を使用する場合、高温になるとＢ点、低温になるとＣ点に電圧を制御することにより、各温度で同一の発振周波数を得ることができる。

しかし、図４に示す電圧制御発振器では、周波数制御と温度補償を同一端子で行わなければならないため、温度に応じて複雑な周波数制御バイアスを印加する必要があるという問題があった。

この問題を解決するために考案された従来の電圧制御発振器を図６に示す（例えば、特許文献１参照）。この電圧制御発振器は、図４の電圧制御発振器の構成に加えて、可変容量素子６の他端に温度補償バイアスを印加する温度補償バイアス回路１０と、温度補償バイアスを発生させて温度補償バイアス回路１０に供給する温度補償バイアス発生回路２２とを更に備えている。また、電圧制御発振部２１は、可変容量素子６と接地点の間に接続された直流阻止用キャパシタ９を更に有する。

そして、温度補償バイアス発生回路２２は、抵抗フィード型のバイアス回路であり、Ｘ点を介して温度補償バイアス発生回路２２から供給された周波数制御バイアスを可変容量素子６の他端に印加する。そして、温度補償バイアス発生回路２２は、温度補償バイアス回路１０にコレクタが接続されたバイポーラトランジスタ１１と、バイポーラトランジスタ１１のコレクタに一端が接続された抵抗１２と、バイポーラトランジスタ１１のベースに一端が接続された抵抗１３と、抵抗１３の他端に接続されたベースバイアス印加用端子１４と、抵抗１２の他端に接続されたコレクタバイアス印加用端子１５と、バイポーラトランジスタ１１のエミッタに一端が接続され他端が接地された抵抗１６とを有する。

図４に示す電圧制御発振器では温度上昇に伴って発振周波数が低くなるが、図６に示す電圧制御発振器では、温度補償バイアス回路１０及び温度補償バイアス発生回路２２を設けたことにより、温度が上昇しても同一周波数の信号を出力することができる。これは、温度上昇に伴ってバイポーラトランジスタ１１のコレクタ電流が増大して抵抗１２での電圧降下量が大きくなりＸ点での電圧が低下するので、可変容量素子６の両端にかかる電圧は高くなり発振周波数が高くなって温度上昇による発振周波数の低下を補償するためである。従って、温度に応じて複雑な周波数制御バイアスを印加する必要がない。

特開昭６２−２１３０４号公報

しかし、図６に示す電圧制御発振器では、図７に示すように、温度上昇に伴ってＸ点の電圧は小さくなるが、図中Ｙで示した一定の値に収束する。そのため、本来温度補償に使用する電圧に加えて少なくともＹに相当する電圧が余分にオフセットされるので、可変容量素子６の両端に印加できる電圧範囲は低電圧側ヘシフトしてしまう。

一般に、可変容量素子としては逆方向にバイアスされたダイオードが用いられることが多いが、上記Ｙが大きくなるにつれてダイオードの両端にかかる電圧が順方向バイアスヘ近づいていく。このため、図８に示すようにダイオードの両端にかかる電圧がオン電圧と等しくなる点までしか使用できず、十分な温度補償をかけられない場合があった。また、ダイオードの両端にかかる電圧を順方向バイアスに近づけると、外部電源からの低周波雑音やダイオードで発生する低周波雑音が、ダイオードの非線形動作により発振周波数帯にアップコンバートされ、位相雑音の劣化を招く要因となっていた。

例えば車載レーダー用電圧制御発振器の場合、車載レーダーの信号周波数が７６〜７７ＧＨｚであるため、電圧制御発振器の出力周波数はその１／８以上であるのが一般的である。このような高周波で動作する電圧制御発振器では、組み立て精度が特性に及ぼす影響が大きいことから、生産性の観点からモノリシック（ＭＭＩＣ）化することが望ましい。しかし、半導体基板上では誘電体共振器のようなＱの高い共振器を作製できないため、ＭＭＩＣ化した発振器は誘電体共振器を用いた発振器よりも位相雑音が大きく、車載レーダーシステムが要求する位相雑音性能に対して十分なマージンを得ることが難しい。このため、上記の順方向バイアス近辺における位相雑音劣化が問題となっていた。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、温度による発振周波数の変動を容易に補正することができ、かつ可変容量素子の両端に印加できる電圧範囲を高電圧側へシフトさせることができる電圧制御発振器を得るものである。

本発明に係る電圧制御発振器は、可変容量素子へ印加する電圧により発振周波数を制御する電圧制御発振部と、可変容量素子の一端に周波数制御バイアスを印加する周波数制御バイアス回路と、可変容量素子の他端に温度補償バイアスを印加する温度補償バイアス回路と、温度補償バイアスを発生させて温度補償バイアス回路に供給する温度補償バイアス発生回路とを備え、温度補償バイアス発生回路は、温度補償バイアス回路にコレクタ又はドレインが接続されたトランジスタと、トランジスタのコレクタ又はドレインに一端が接続され他端が接地された第１抵抗と、トランジスタのベース又はゲートに一端が接続された第２抵抗と、第２抵抗の他端に接続されたベース又はゲートバイアス印加用端子と、トランジスタのエミッタ又はソースに一端が接続された第３抵抗と、第３抵抗の他端に接続されたエミッタ又はソースバイアス印加用端子とを有する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、温度による発振周波数の変動を容易に補正することができ、かつ可変容量素子の両端に印加できる電圧範囲を高電圧側へシフトさせることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電圧制御発振器を示す回路図である。この電圧制御発振器は、可変容量素子６へ印加する電圧により発振周波数を制御する電圧制御発振部２１と、可変容量素子６の一端に周波数制御バイアスを印加する周波数制御バイアス回路７と、可変容量素子６の他端に温度補償バイアスを印加する温度補償バイアス回路１０と、温度補償バイアスを発生させて温度補償バイアス回路１０に供給する温度補償バイアス発生回路２２とを備えている。

電圧制御発振部２１は、バイポーラトランジスタ１と、バイポーラトランジスタ１のコレクタに接続された出力整合回路２と、バイポーラトランジスタ１のエミッタに接続された直列帰還用インダクタ３と、バイポーラトランジスタ１のベースに一端が接続された発振開始の位相条件を満たす位相調整用線路４と、位相調整用線路４の他端と接地点の間に接続されたＬＣ直列共振回路を構成するインダクタ５及び可変容量素子６と、可変容量素子６と接地点の間に接続された直流阻止用キャパシタ９とを有する。ここで、可変容量素子６は、例えばｐｎ接合ダイオードやショットキー接合ダイオードをオフ状態で用いことにより実現される。

また、周波数制御バイアス回路７は、抵抗フィード型のバイアス回路であり、周波数制御バイアス端子８を介して外部から供給された周波数制御バイアスを可変容量素子６の一端に印加する。一方、温度補償バイアス発生回路２２は、抵抗フィード型のバイアス回路であり、Ｘ点を介して温度補償バイアス発生回路２２から供給された周波数制御バイアスを可変容量素子６の他端に印加する。

また、温度補償バイアス発生回路２２は、温度補償バイアス回路１０にコレクタが接続され、温度に応じた補償電圧を発生させるバイポーラトランジスタ１１と、バイポーラトランジスタ１１のコレクタに一端が接続され他端が接地され、温度によるバイポーラトランジスタ１１のコレクタ電流の温度変化を電圧に変換する抵抗１２（第１抵抗）と、バイポーラトランジスタ１１のベースに一端が接続され、バイポーラトランジスタ１１のコレクタ電流の温度変化を制御する抵抗１３（第２抵抗）と、抵抗１３の他端に接続され、バイポーラトランジスタ１１にベースバイアスを印加するベースバイアス印加用端子１４と、バイポーラトランジスタ１１のエミッタに一端が接続され、バイポーラトランジスタ１１のコレクタ電流の温度変化を制御する抵抗１６（第３抵抗）と、抵抗１６の他端に接続され、バイポーラトランジスタ１１のエミッタにバイアスを印加するエミッタバイアス印加用端子１７とを有する。

上記の構成を有する電圧制御発振器では、温度が上昇すると、バイポーラトランジスタ１１のコレクタ電流が増大することにより抵抗１２での電圧降下量が増大するため、図２に示すようにＸ点の電圧が低下する。これにより、可変容量素子６の両端にかかる電圧が大きくなるため、発振周波数が高域ヘシフトする。従って、外部から温度に応じた補償電圧を印加することなく、温度による発振周波数の変動を容易に補正することができる。

また、バイポーラトランジスタ１１のコレクタが接地され、エミッタバイアス印加用端子１７に負電圧を印加するため、図１中のＸ点における電圧も負電圧となる。Ｘ点の電圧は、各温度でのバイポーラトランジスタ１１のコレクタ電流に応じて変化するが、コレクタ電流が少なくなる低温において抵抗１２での電圧降下が小さくなることから、図２に示すような電圧特性になる。Ｘ点の電圧が負電圧であることから、可変容量素子の両端に印加できる電圧範囲を図６に示す従来技術よりも高電圧側へシフトすることができる。

ここで、本実施の形態では、温度変化を制御する電圧を発生させるデバイスとしてバイポーラトランジスタ１１を用いているが、この代わりにバイポーラトランジスタと同様の温度特性をもつＦＥＴを用いても構わない。この場合、ＦＥＴのドレインが温度補償バイアス回路に接続され、抵抗１２（第１抵抗）の一端はＦＥＴのドレインに接続され、抵抗１３（第２抵抗）の一端はＦＥＴのゲートに接続され、ベースバイアス印加用端子１４の替わりにゲートバイアス印加用端子が用いられ、このゲートバイアス印加用端子は抵抗１３の他端に接続され、抵抗１６（第３抵抗）の一端はＦＥＴのソースに接続され、エミッタバイアス印加用端子１７の替わりにソースバイアス印加用端子が用いられる。

また、抵抗１３と抵抗１６は共にバイポーラトランジスタ１１の温度特性を制御すために用いられるが、どちらか片方のみを用いても良い。

また、本実施の形態では、電圧制御発振器部の能動素子としてバイポーラトランジスタ１を用い、同トランジスタのベースに一つのＬＣ直列共振回路が接続された直列帰還型の電圧制御発振器を示しているが、本発明は能動素子の種類、共振回路の種類や数や接続位置には依らない。従って、例えば能動素子にＦＥＴを用いても構わないし、複数の共振回路がトランジスタのベース以外の端子に接続されていても構わない。そして、本発明は並列帰還型の電圧制御発振器にも適用することができる。

また、本実施の形態では、周波数制御バイアス回路７、１０として抵抗フィード型のバイアス回路を用いているが、本発明はバイアス回路の種類に依存しないため、例えば１／４波長ショートスタブ型等を用いても構わない。なお、説明を容易にするため、上記バイポーラトランジスタ１のバイアス回路は省略してある。

また、上記回路は、例えばＭＭＩＣのように半導体基板上に一体化形成しても良いし、セラミック基板等に伝送線路パターンを形成した後に各回路部品を実装して作製しても良い。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る電圧制御発振器を示す回路図である。この電圧制御発振器は、実施の形態１に係る電圧制御発振器とは温度補償バイアス発生回路２２の内部構成が異なる。

実施の形態２に係る温度補償バイアス発生回路２２は、温度補償バイアス印加回路にカソードが接続され、Ｙ点の電圧を自身のオン電圧分だけ降下させるダイオード１８と、ダイオード１８のアノードにコレクタが接続されたバイポーラトランジスタ１１と、バイポーラトランジスタ１１のコレクタに一端が接続された抵抗１２（第１抵抗）と、バイポーラトランジスタ１１のベースに一端が接続された抵抗１３（第２抵抗）と、抵抗１３の他端に接続されたベースバイアス印加用端子１４と、抵抗１２の他端に接続され、バイポーラトランジスタ１１にコレクタバイアスを印加するコレクタバイアス印加用端子１５と、バイポーラトランジスタ１１のエミッタに一端が接続され他端が接地された抵抗１６（第３抵抗）と、温度補償バイアス印加回路に一端が接続され他端が接地された抵抗１９（第４抵抗）とを有する。

また、ダイオード１８は自身のオン電圧分だけ電圧を降下させるので、図２に示すように、図６に示す従来技術よりもＸ点の電圧を低くすることができ、可変容量素子の両端に印加できる電圧範囲を図６に示す従来技術よりも高電圧側へシフトすることができる。

ここで、本実施の形態では、温度変化を制御する電圧を発生させるデバイスとしてバイポーラトランジスタ１１を用いているが、この代わりにバイポーラトランジスタと同様の温度特性をもつＦＥＴを用いても構わない。この場合、ＦＥＴのドレインがダイオード１８のアノードに接続され、抵抗１２（第１抵抗）の一端はＦＥＴのドレインに接続され、抵抗１３（第２抵抗）の一端はＦＥＴのゲートに接続され、ベースバイアス印加用端子１４の替わりにゲートバイアス印加用端子が用いられ、このゲートバイアス印加用端子は抵抗１３の他端に接続され、抵抗１６（第３抵抗）の一端はＦＥＴのソースに接続され、コレクタバイアス印加用端子１５の替わりにドレインバイアス印加用端子が用いられる。

本発明の実施の形態１に係る電圧制御発振器を示す回路図である。図１、３、６に示す回路のＸ点における電圧特性を示す模式図である。本発明の実施の形態２に係る電圧制御発振器を示す回路図である。従来の電圧制御発振器の一例を示す回路図である。従来の電圧制御発振器の発振周波数特性を示す模式図である。従来の電圧制御発振器の他の例を示す回路図である。図６に示す回路のＸ点における電圧特性を示す模式図である。図６に示す回路の可変容量素子の両端にかかる電圧特性を示す模式図である。

符号の説明

６可変容量素子
７周波数制御バイアス回路
８周波数制御バイアス端子
１０温度補償バイアス回路
１１バイポーラトランジスタ（トランジスタ）
１２抵抗（第１抵抗）
１３抵抗（第２抵抗）
１４ベースバイアス印加用端子（ベース又はゲートバイアス印加用端子）
１５コレクタバイアス印加用端子（コレクタ又はドレインバイアス印加用端子）
１６抵抗（第３抵抗）
１７エミッタバイアス印加用端子（エミッタ又はソースバイアス印加用端子）
１８ダイオード
１９抵抗（第４抵抗）
２１電圧制御発振部
２２温度補償バイアス発生回路

Claims

可変容量素子へ印加する電圧により発振周波数を制御する電圧制御発振部と、
前記可変容量素子の一端に周波数制御バイアスを印加する周波数制御バイアス回路と、
前記可変容量素子の他端に温度補償バイアスを印加する温度補償バイアス回路と、
前記温度補償バイアスを発生させて前記温度補償バイアス回路に供給する温度補償バイアス発生回路とを備え、
前記温度補償バイアス発生回路は、
前記温度補償バイアス回路にコレクタ又はドレインが接続されたトランジスタと、
前記トランジスタのコレクタ又はドレインに一端が接続され他端が接地された第１抵抗と、
前記トランジスタのベース又はゲートに一端が接続された第２抵抗と、
前記第２抵抗の他端に接続されたベース又はゲートバイアス印加用端子と、
前記トランジスタのエミッタ又はソースに一端が接続された第３抵抗と、
前記第３抵抗の他端に接続されたエミッタ又はソースバイアス印加用端子とを有することを特徴とする電圧制御発振器。
可変容量素子へ印加する電圧により発振周波数を制御する電圧制御発振部と、
前記可変容量素子の一端に周波数制御バイアスを印加する周波数制御バイアス回路と、
前記可変容量素子の他端に温度補償バイアスを印加する温度補償バイアス回路と、
前記温度補償バイアスを発生させて前記温度補償バイアス回路に供給する温度補償バイアス発生回路とを備え、
前記温度補償バイアス発生回路は、
前記温度補償バイアス回路にカソードが接続されたダイオードと、
前記ダイオードのアノードにコレクタ又はドレインが接続されたトランジスタと、
前記トランジスタのコレクタ又はドレインに一端が接続された第１抵抗と、
前記第１抵抗の他端に接続されたコレクタ又はドレインバイアス印加用端子と、
前記トランジスタのベース又はゲートに一端が接続された第２抵抗と、
前記第２抵抗の他端に接続されたベース又はゲートバイアス印加用端子と、
前記トランジスタのエミッタ又はソースに一端が接続され他端が接地された第３抵抗と、
前記温度補償バイアス回路に一端が接続され他端が接地された第４抵抗とを有することを特徴とした電圧制御発振器。