JP4621905B2 - N型負性抵抗素子を有する発振回路及びこの発振回路を備える回路 - Google Patents

N型負性抵抗素子を有する発振回路及びこの発振回路を備える回路 Download PDF

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Description

本発明は、超高周波で発振する発振回路、増幅回路、分周回路又は信号生成回路を構成する、N型負性抵抗素子を有する回路に関する。
負性抵抗素子の応用として、発振器は最も重要なものであり、従来から多くの報告がある(例えば、非特許文献1参照)。図1は、負性抵抗素子を有する回路の従来例を示す図である。この回路は、直流電源1と、それに並列に配置されたインダクタ2、キャパシタ3及びN型負性抵抗素子4と、負荷5とを具える。
共鳴トンネルダイオードやエサキダイオードのようなN型負性抵抗素子4は、図2に示すようなN型の負性抵抗を有する。なお、図2において、縦軸に電流をとり、横軸に電圧をとる。
図1において、N型負性抵抗素子4にバイアスをかけると、微小な揺らぎが増幅され、発振が始まる。このとき、負荷5によるエネルギーの消費をN型負性抵抗素子4が補い、振動が持続する。したがって、その振幅は、発振振幅で平均したN型負性抵抗素子4が上記負荷抵抗に一致するという条件から定まる。また、このときの発振周波数は、LC並列共振回路の共振周波数となる。
図1の回路は、構成が簡単であり、素子自体の高速性と相俟って非常に高周波の発振が可能となる。特に、N型負性抵抗素子4として共鳴トンネル素子を用いたときには非常に高周波の発振が可能なことが知られており、既に712GHzにおける発振も報告されている。かかる発振周波数は、固体素子による発振としては最大のものであり、共鳴トンネル素子の機能の一端を示している。さらに、最近では、この種の発振器を応用したダイナミック型の分周器や増幅器、カオス生成回路、信号生成回路等も提案されている。
N型負性抵抗素子を有する回路の従来例では、出力パワーが小さな値に制限されるという不都合がある。かかる不都合は、トランジスタを用いて負性抵抗を作る回路と異なり直流から負性抵抗が存在するということに起因する。ダイオードに直流バイアスを与えるためには必然的に寄生的なインダクタンスやキャパシタンス成分が生じるため、それが負性抵抗と結合し、低周波数のスプリアス発振が生じやすくなる。
このような発振を抑制するためには、負性コンダクタンスの絶対値を小さな値に(し又は負性抵抗の絶対値を大きな値に)する必要がある。このコンダクタンスは素子の面積に比例するので、コンダクタンスに関する条件により、使用できる素子の面積を必然的に小さな値に限定し、したがって、その出力パワーを制限することとなる。このような制限は、特に、負性コンダクタンスが大きい共鳴トンネルダイオードにおいて重大である。
出力パワーが制限される不都合を解消する方法として、損失線路を挿入する方法や、ショットキーダイオードを直列接続する方法が提案されているが、これらの方法には、損失により発振効率が低下するという不都合がある。損失により発振効率が低下することなく、出力パワーが制限される不都合を解消する方法として、二つの負性抵抗素子を直列接続し、外部からRF信号を供給して発振を行う方法も提案されている(例えば、非特許文献2,3参照)。
雨宮好文、「電子回路を学ぶ人のために」、オーム社、p132 藤井 哲、「直列接続型共鳴トンネルダイオード発振器の基礎特性」、信学技法、EMCJ98-52, MW98-91, pp.21-27, Oct.1998 Heribert Eisele, "Conventional and Novel Approaches to RF Power Generation with Two-Terminal Devices at Terahertz Frequencies", THENTH IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON TERAHERTZ ELECTRONICS, CAMBRIDGE, U.K, SEPT.9-10, 2002
しかしながら、二つの負性抵抗素子を直列接続し、外部からRF信号を供給して発振を行う方法では、RF信号を発生する信号源を外部に設ける必要がある。
本発明の目的は、発振効率が低下せず、かつ、外部に他の信号源を設けることなく大きな出力パワーを得ることができるN型負性抵抗素子を有する回路を提供することである。
本発明による、N型負性抵抗素子を有する発振回路は、
正の電圧が印加される第1端子と、第2端子とを有する第1のN型負性抵抗素子と、
前記第1のN型負性抵抗素子の第2端子に接続した第1端子と、前記正の電圧と同じ大きさの負の電圧が印加され又は接地された第2端子とを有する第2のN型負性抵抗素子と、
記第1のN型負性抵抗素子の第2端子と前記第2のN型負性抵抗素子の第1素子との接続部接続し共振回路を具えることを特徴とする。
本発明によれば、第1のN型負性抵抗素子の第2端子を、第2のN型負性抵抗素子の第1端子に接続し、すなわち、第1及び第2のN型負性抵抗素子を直列接続し、第1のN型負性抵抗素子の第2端子と第2のN型負性抵抗素子の第1素子との接続部に共振回路を接続することによって、スプリアス発振が抑制される。その結果、共鳴トンネルダイオードのような第1及び第2のN型負性抵抗素子の面積を大きくすることができるので、発振効率が低下せず、かつ、外部に他の信号源を設けることなく大きな出力パワーを得ることができるようになる。
前記共振回路を、例えば、インダクタとキャパシタからなる並列共振回路又は伝送線路によって構成することができる。また、前記第1のN型負性抵抗素子の第2端子と前記第2のN型負性抵抗素子の第1素子との接続部を、低周波的にグランドとショートすることによって、接続部が直流的に接地され、これにより、低周波のスプリアス発振が生じにくくなる。このようなグランドとのショートを、共振回路などによって行う。さらに、前記回路部は負荷を更に有してもよい。前記回路部が整合回路を更に有することによって、第1及び第2のN型負性抵抗素子の面積に応じた最大の出力パワーを得ることができる。
前記回路部が電圧制御型容量素子を更に有することによって、印加電圧に応じて容量を変えることができるので、発振周波数を任意の値に選択することができる。その結果、大きな出力パワーを得るのが容易になる。
前記回路部が、正の電圧が印加される第1端子と、第2端子とを有する第3のN型負性抵抗素子と、前記第3のN型負性抵抗素子の第2端子に接続した第1端子と、前記正の電圧と同じ大きさの負の電圧が印加され又は接地された第2端子とを有する第4のN型負性抵抗素子と、前記第3のN型負性抵抗素子の第2端子と前記第4のN型負性抵抗素子の第1素子との接続部に接続した共振回路と、前記第1のN型負性抵抗素子の第2端子と前記第2のN型負性抵抗素子の第1素子との接続部と、前記第3のN型負性抵抗素子の第2端子と前記第4のN型負性抵抗素子の第1素子との接続部とを接続する接続手段とを更に有し、前記第3及び第4のN型負性抵抗素子の面積を、前記第1及び第2のN型負性抵抗素子の面積よりも小さくすることによって、外部のバイアス回路による低周波発振を防止することができ、特別なトリガを与えなくても発振が生じるため、特別なトリガなしで大きな出力パワーを得ることができる。
前記回路部が入力端子を更に有することによって、大きな出力パワーのアクティブバンドパスフィルタ、狭帯域増幅器又はダイナミック型分周器を構成することもできる。また、前記回路部が、周期的に所定の初期条件にリセットする制御手段を更に有することによって、種々の信号パターンを大きな出力パワーで得ることができる。さらに、前記回路部が、出力をデジタル化する識別器を更に有することによって、デジタル信号を大きな出力パワーで得ることができる。
本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図3は、本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第1の実施の形態を示す図である。この回路は、発振回路として機能し、N型負性抵抗素子11,12と、インダクタ13と、キャパシタ14とを具える。N型負性抵抗素子11,12として、共鳴トンネルダイオード、エサキダイオード等を使用する。
N型負性抵抗素子11の第1端子には正の電圧+Vbが印加され、その第2端子は、N型負性抵抗素子12の第1端子に接続される。N型負性抵抗素子12の第2端子には負の電圧−Vbが印加される。正の電圧+Vbの大きさは、負の電圧−Vbの大きさに等しい。インダクタ13の一端はキャパシタ14の一端に接続され、インダクタ13の他端及びキャパシタ14の他端はそれぞれ接地される。インダクタ13及びキャパシタ14の接続点は、N型負性抵抗素子11及びN型負性抵抗素子12の接続点に接続される。インダクタ13及びキャパシタ14はLC共振回路を構成する。また、N型負性抵抗素子11の第2端子とN型負性抵抗素子12の第1端子との接続点は、インダクタ13及びキャパシタ14によって構成されたLC共振回路によって低周波的にグランドとショートしている。これによって、接続部が直流的に接地され、低周波のスプリアス発振が生じにくくなる。
図4(a)〜4(c)は、N型負性抵抗素子11とN型負性抵抗素子12との間の接続点における電流−電圧特性を説明するための図であり、縦軸に電流をとるとともに、横軸に電圧をとる。電圧Vbの大きさがN型負性抵抗素子11,12のバレー電圧より少し小さい場合、図1の回路は、入力電圧が0の付近で負性抵抗を有する(図4(a)参照)。また、その負性抵抗の値それ自体も、直列接続されたN型負性抵抗素子11,12に印加される電圧によって制御することができる。
また、電圧Vbの大きさがN型負性抵抗素子11,12のバレー電圧付近である場合には、図4(b)に示すように、図1の回路の入力電圧が0の付近では、抵抗が無限大となり、入力電圧が更に大きくなると負の抵抗となるような電流−電圧特性を作ることができる。
さらに、電圧Vbの大きさがN型負性抵抗素子11,12のバレー電圧より十分大きい場合、図4(c)に示すように、図1の回路の入力電圧が0の付近では、正の抵抗値を有し、入力電圧が更に大きくなると負の抵抗となるような電流−電圧特性を作ることができる。
これらの状態では、系は直流的に安定である。すなわち、N型負性抵抗素子11の第1の端子及びN型負性抵抗素子12の第2の端子の外側にインダクタやキャパシタが存在したとしても、この回路はスプリアス発振を起こさない。したがって、N型負性抵抗素子11,12の面積を大きくすることができるので、発振効率が低下せず、かつ、外部に他の信号源を設けることなく大きな出力パワーを得ることができるようになる。
この場合、回路の入力電圧が0付近で正の抵抗を有する場合、振動を開始するために何らかの揺らぎを加える必要があるが、そのような揺らぎは、例えば、外部電圧にパルスを重畳することによって容易に得ることができる。
図5は、本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第2の実施の形態を示す図である。この回路は、N型負性抵抗素子21,22と、インダクタ23と、キャパシタ24と,負荷25とを具える。図5に示す回路は、負荷25の一端をN型負性抵抗素子11,12の接続点に接続するとともに負荷25の他端を接地した点を除いて、第1の実施の形態と同一構成を有する。負荷25としては、抵抗の他に一般のインピーダンスを用いることができる。
この場合、N型負性抵抗素子21,22の直列回路の電流−電圧特性は、第1の実施の形態における電流−電圧特性に負荷25の電流−電圧特性を加えたものとなる。本実施の形態でも、第1の実施の形態と同様に、回路の入力電圧が0付近で直流的に安定であり、その直流回路の外側では負性抵抗となるため、発振可能である。また、第1の実施の形態と同様な方法により、発振を開始するための揺らぎを与えることができる。
図6は、本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第3の実施の形態を示す図である。この回路は、N型負性抵抗素子31,32と、インダクタ33と、キャパシタ34と,負荷35と、整合回路36とを具える。図6に示す回路は、負荷25の一端とN型負性抵抗素子11,12の接続点との間に整合回路36を配置した点を除いて、第2の実施の形態と同一構成を有する。これによって、負荷25に対して最大の出力及び効率を得ることができ、かつ、N型負性抵抗素子31,32の面積に応じた最大の出力パワーを得ることができる。
図7は、本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第4の実施の形態を示す図である。この回路は、N型負性抵抗素子41,42と、伝送線路43と、負荷44と、整合回路45とを具える。この場合、共振回路を伝送線路43によって構成しているが、その動作原理は、第1〜3の実施の形態と同一である。
図8は、本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第5の実施の形態を示す図である。この回路は、N型負性抵抗素子51,52と、pn接合ダイオード53と、インダクタ54と、負荷55と、整合回路56とを具える。pn接合ダイオード53は、その両端に印加された電圧によって容量を変化できる特性を有する。したがって、図8に示す回路では、その容量に与えるバイアス電流によってその容量値を変えることができる。
図9は、本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第6の実施の形態を示す図である。この回路は、N型負性抵抗素子61,62と、インダクタ63と、キャパシタ64と、負荷65と、整合回路66の他に、N型負性抵抗素子67,68と、インダクタ69と、キャパシタ70,71とを具える。この場合、図3に示す回路と図6に示す回路とが縦続接続され、N型負性抵抗素子67,68の面積を、N型負性抵抗素子61,62の面積より小さくすることによって、外部バイアス回路(図示せず)による低周波発振を防止している。
したがって、N型負性抵抗素子67,68では、入力電圧が0付近でも負性抵抗を有するようにバイアスをかけることができ、特別なトリガを与えなくても発振が生じる。その結果、N型負性抵抗素子61,62の面積をN型負性抵抗素子67,68の面積に比べて大きくし、かつ、低周波発振が生じないように入力電圧の0付近に正の抵抗が生じるようにバイアスをかけたとしても、インダクタ63及びキャパシタ64で構成される発振回路は、N型負性抵抗素子67,68からの出力により発振する。すなわち、図9に示す構造を用いることによって、特別なトリガなしで大きな出力パワーを得ることができる。
図10は、本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第7の実施の形態を示す図である。この回路は、N型負性抵抗素子81,82と、インダクタ83と、キャパシタ84と、負荷85と、整合回路86,87と、入力端子88とを具える。このように入力端子88を設けることによって、図10に示す回路は、アクティブバンドパスフィルタ又は狭帯域増幅器として動作する。
図11は、本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第8の実施の形態を示す図である。この回路は、N型負性抵抗素子91,92と、インダクタ93と、キャパシタ94と、負荷95と、整合回路96と、入力端子97とを具える。
本実施の形態では、N型負性抵抗素子91,92のバイアス電圧をバレー電圧より大きくし、入力電圧の0付近に、十分広い正の抵抗領域を作り、自励発振を防止するとともに入力端子97に高周波信号を入力している。
この際、図11に示す回路は、強い非線形により周期倍分岐現象が生じ、入力周波数の整数分の1の周波数を有する信号が出力される。すなわち、図11に示す回路は、ダイナミック型分周器として動作する。また、図11に示す回路は、カオス信号の生成にも使用することができる。さらに、入力側に整合回路を設けてもよい。
図12は、本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第9の実施の形態を示す図である。この回路は、N型負性抵抗素子101,102と、インダクタ103と、キャパシタ104と、負荷105と、整合回路106と、パストランジスタ107と、入力端子108とを具える。
図12に示す回路は、周期的に系の状態をリセットする制御回路を組み込んだ点を除いて第8の実施の形態と同一構成を有する。本実施の形態では、制御回路として、カオス生成器の出力ノードにパストランジスタ107を通じて外部電源(図示せず)に接続したものを用いている。
従来、カオスはランダムで制御不可能な現象とみなされてきたが、その振る舞いは、方程式に従う決定論的系である。カオスが予測不可能な理由は、初期条件の微小な違いが時間とともに指数関数的に発散するためである。したがって、時間を制限することによりカオスの振る舞いを予測することが可能となる。
また、カオスは、無限の波形・信号パターンを含む信号源とみなすことができるので、これを制御することによって様々な信号を取り出すことができる。本実施の形態では、パストランジスタ107を通じて出力ノードに外部電源(図示せず)をつなぎ、それを周期的にオンすることによって、回路を所望の初期条件にリセットする。そのリセット間隔は、リセット時における初期条件に含まれる誤差によって決定される。すなわち、リセット間隔を、初期条件に含まれる誤差が出力に影響を及ぼさない程度に短い時間とする。
この際、外部電源の電圧Vctrl及びリセット電圧Vresetのタイミングにより、系の出力する信号パターンを選択することができる。カオスが様々な信号を含んでいるので、図12に示す回路は、様々な信号パターンを出力することができる。
図13は、本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第10の実施の形態を示す図である。この回路は、N型負性抵抗素子111,112と、インダクタ113と、キャパシタ114と、識別器115と、パストランジスタ116と、入力端子117とを具える。
本実施の形態は、出力側に識別器116を設け、出力をデジタル化したものである。これによって、図13に示す回路は、パルスパターン生成器として動作する。パルスパターンは、リセット回路(図示せず)に供給される電圧及びリセットのタイミングによって選択される。また、リセット回路を動作させない場合、図13に示す回路は、ランダムパルスを出力する。
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
例えば、共振回路として、第1〜10の実施の形態で説明した共振回路以外の共振回路を使用することができる。また、第1〜10の実施の形態において、直列接続された二つのN型負性抵抗素子の両端に正の電圧及び負の電圧を印加し、直列接続された二つのN型負性抵抗素子の接続点が直流的に0Vである場合について説明したが、直列接続された二つのN型負性抵抗素子の一端を接地するとともに、他端に正の電圧を印加して、接続点の直流電位を印加電圧の1/2となるようにしてもよい。さらに、第1〜10の実施の形態において、低周波的なグランドとのショートを共振回路で行う場合について説明したが、低周波的なグランドとのショートを他の手段(例えば、二つのN型負性抵抗素子の接続点にインダクタの第1端子を接続し、インダクタの第2端子にキャパシタの第1端子を接続し、かつ、キャパシタの第2端子を接地したもの)によって行うこともできる。
第5の実施の形態において、pn接合ダイオードの代わりに、ショットキーダイオードのような他の電圧制御型容量素子を用いることもできる。さらに、第6の実施の形態において、キャパシタを用いた接続を行っているが、抵抗やインダクタンスを用いた接続や直接接合を行うこともできる。
低電圧、低消費電力かつ高効率の超高周波発振回路、増幅回路、分周回路及び信号生成回路を用いた通信、レーダ、測定等への応用。
N型負性抵抗素子を有する回路の従来例を示す図である。 N型負性抵抗素子の電流−電圧特性を示す図である。 本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第1の実施の形態を示す図である。 図1の回路における第1のN型負性抵抗素子と第2のN型負性抵抗素子との間の接続点における電流−電圧特性を説明するための図である。 本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第2の実施の形態を示す図である。 本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第3の実施の形態を示す図である。 本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第4の実施の形態を示す図である。 本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第5の実施の形態を示す図である。 本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第6の実施の形態を示す図である。 本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第7の実施の形態を示す図である。 本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第8の実施の形態を示す図である。 本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第9の実施の形態を示す図である。 本発明による、N型負性抵抗素子を有する回路の第10の実施の形態を示す図である。
符号の説明
1 直流電源
2,13,23,33,54,63,69,83,93,103,113 インダクタ
3,14,24,34,64,70,71,84,94,104,114 キャパシタ
4,11,12,21,22,31,32,41,42,51,52,61,62,67,68,81,82,91,92,101,102,111,112 N型負性抵抗素子
5,25,35,44,55,65,85,95,105 負荷
36,45,56,66,86,87,96,106 整合回路
43 伝送線路
53 pn接合ダイオード
88,97,108,117 入力端子
107,116 パストランジスタ
115 識別器
+Vb 正の電圧
−Vb 負の電圧
Vctrl 外部電源の電圧
Vreset リセット電圧

Claims (10)

  1. 正の電圧が印加される第1端子と、第2端子とを有する第1のN型負性抵抗素子と、
    前記第1のN型負性抵抗素子の第2端子に接続した第1端子と、前記正の電圧と同じ大きさの負の電圧が印加され又は接地された第2端子とを有する第2のN型負性抵抗素子と、
    記第1のN型負性抵抗素子の第2端子と前記第2のN型負性抵抗素子の第1素子との接続部接続し共振回路を具えることを特徴とする、N型負性抵抗素子を有する発振回路。
  2. 前記共振回路を、インダクタとキャパシタからなる並列共振回路又は伝送線路によって構成したことを特徴とする、請求項1記載のN型負性抵抗素子を有する発振回路。
  3. 前記第1のN型負性抵抗素子の第2端子と前記第2のN型負性抵抗素子の第1素子との接続部を、低周波的にグランドとショートしたことを特徴とする、請求項1又は2記載のN型負性抵抗素子を有する発振回路。
  4. 前記接続部に負荷を更に接続したことを特徴とする、請求項1から3のうちのいずれか1項に記載のN型負性抵抗素子を有する発振回路。
  5. 前記接続部に整合回路を更に接続したことを特徴とする、請求項1から4のうちのいずれか1項に記載のN型負性抵抗素子を有する発振回路。
  6. 前記接続部にpn接合ダイオードを更に接続したことを特徴とする、請求項1から5のうちのいずれか1項に記載のN型負性抵抗素子を有する発振回路。
  7. 請求項1に記載の発振回路を第1発振回路及び第2発振回路として2つ備え、前記第1発振回路と前記第2発振回路を直列に交流結合した回路であって、
    前記第1発振回路は、
    正の電圧が印加される第1端子と、第2端子とを有する前記第1のN型負性抵抗素子と、
    前記第1のN型負性抵抗素子の第2端子に接続した第1端子と、前記正の電圧と同じ大きさの負の電圧が印加され又は接地された第2端子とを有する前記第2のN型負性抵抗素子と、
    前記第1のN型負性抵抗素子の第2端子と前記第2のN型負性抵抗素子の第1素子との接続部に接続した前記共振回路とを具え、
    前記第2発振回路は、
    正の電圧が印加される第1端子と、第2端子とを有する第3のN型負性抵抗素子と、
    前記第3のN型負性抵抗素子の第2端子に接続した第1端子と、前記正の電圧と同じ大きさの負の電圧が印加され又は接地された第2端子とを有する第4のN型負性抵抗素子と、
    前記第3のN型負性抵抗素子の第2端子と前記第4のN型負性抵抗素子の第1素子との接続部に接続した共振回路とを具え
    前記第1のN型負性抵抗素子の第2端子と前記第2のN型負性抵抗素子の第1素子との接続部と、前記第3のN型負性抵抗素子の第2端子と前記第4のN型負性抵抗素子の第1素子との接続部とを交流結合する接続手段とを更に有し、
    前記第3及び第4のN型負性抵抗素子の面積を、前記第1及び第2のN型負性抵抗素子の面積よりも小さくしたことを特徴とする回路。
  8. 請求項5に記載の発振回路と、前記整合回路の出力よりも高い周波数の信号を入力する入力端子とをることを特徴とする回路。
  9. 請求項1に記載の発振回路と、前記接続部に接続される、周期的に所定の初期条件にリセットする制御手段とを有することを特徴とする回路。
  10. 請求項1に記載の発振回路と、前記接続部に接続される、出力をデジタル化する識別器とを有することを特徴とする回路。
JP2004147736A 2004-05-18 2004-05-18 N型負性抵抗素子を有する発振回路及びこの発振回路を備える回路 Expired - Lifetime JP4621905B2 (ja)

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