JP5102019B2 - エバネッセントモード形結合共振器を使用する広帯域電圧制御発振器 - Google Patents

Description

（関連出願との相互参照）
本願は、２００４年４月２１日に出願された米国仮特許出願第６０／５６４，１７３号の出願日の利益を請求する。その開示内容を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

電圧制御発振器（ＶＣＯ）は、ＤＣ電圧を無線周波数（ＲＦ）の電圧又は信号に変換するために使用できる構成要素である。一般に、ＶＯＣは、所定のチューニング電圧に対応する特定の周波数「ｆ」において発振信号を発生するように設計される。特に、発振信号の周波数は、共振器回路の中のチューニングダイオードのネットワークに加えられるチューニング電圧Ｖ_tuneの大きさに依存する。この周波数「ｆ」はｆ_minからｆ_maxまで変化することができ、これらの境界はＶＣＯのチューニング範囲又は帯域幅と呼ばれる。ＶＣＯのチューニング感度は、チューニング電圧に対する周波数の変化として定義され、小さいチューニング電圧の範囲の中で広い周波数範囲にわたってＶＣＯを調整することが望ましい。

携帯電話の人気により興味が新しくされ、無線のアーキテクチャにより多くの注目が生じた。この人気により、低雑音で広帯域の発振器の設計に新たな興味がさらに発生した。携帯電話の新しいファミリーとユニバーサル携帯電話システム（ＵＭＴＳ）を用いる基地局とにおける最近の爆発的な成長により、かなり広いチューニング範囲を有する超低雑音の発振器を開発する要求が駆り立てられた。無線通信が爆発的に成長したため、広帯域ソースに対する要求が、全体的に入れ子式に（telescopically）増加している。特に、現在の通信システムは一般にマルチバンド及びマルチモードであり、このため、１つの広帯域ＶＣＯによってＤＳＣ１８００、ＰＣＳ１９００及びＷＣＤＭＡ（広帯域符号分割多元接続）ネットワークに好ましいことに同時にアクセス可能な広帯域で低雑音のソースを要求している。

ＶＣＯからの出力信号の大きさはＶＣＯ回路の設計に依存し、動作周波数は入力信号を提供する共振器によってある程度決定される。クロック発生回路及びクロック復旧回路は一般に、位相ロックループ（ＰＬＬ）内でＶＣＯを使用して、外部の照会先又は到来するデータストリームのどちらかからクロックを発生する。ＶＣＯは、多くの場合、ＰＬＬの性能に不可欠である。今度は、発生されたクロック信号を多くの場合内在するサービス情報の送信又は再生のいずれかに使用して、その情報を意図した目的のために使用できるので、ＰＬＬは通信ネットワーク内では必須の構成要素であると一般に考えられている。ＰＬＬは通信装置が通信を比較的急速に送信する搬送周波数にロックオンできるようにするため、ＰＬＬは無線ネットワークでは特に重要である。

ＶＣＯの動的な動作範囲及び雑音性能は、ＰＬＬ自身の性能を限定する又はそれに影響を与える可能性がある。このことは次には、ＰＬＬが使用されている装置、例えばＲＦトランシーバや携帯電話やモデムカードなどの性能に影響する可能性がある。ＶＣＯの広帯域の調整能力（tunability）は、ＶＣＯの設計の中で一層基本的な交換条件の１つを示し、このため使用される技術とトポロジーとの両方に影響を与える。共振器の動的な時間平均品質係数（dynamic time average quality factor）（すなわち、Ｑ係数）及びチューニングダイオードの雑音寄与率（noise contribution）は、ＶＣＯの雑音性能に影響する。さらに、動的にロードされたＱは、一般にＶＣＯの動作周波数範囲に逆比例する。

ＶＣＯ技術における絶え間ない改良にもかかわらず、小さい位相雑音がボトルネックとして残り、ＲＦトランシーバ（送信機−受信機）の設計に対してチャレンジを投げかけている。このことは、一般に、ＶＣＯの設計に対してより多く要求されているパラメータ、すなわち小さい位相雑音、小さい電力消費量及び広い周波数チューニング範囲によると考えられている。

ＬＣ共振器ベースのＶＣＯでは、位相雑音及び電力消費量は一般に、共振器回路の時間平均ロードＱ係数（time average loaded Q-factor）及び一般にバラクタを使用するチューニングネットワークに関連した非直線性に主に依存する。周波数のチューニング範囲は、寄生容量が高い周波数においてバラクタの有効な調整能力を劣化及び制限するので、バラクタの利用可能な容量のチューニング比率及びチューニングネットワークに関連する寄生容量によって決定される。チューニングネットワークの損失抵抗（例えば、バラクタ及び抵抗）が品質係数を決定するため、抵抗の動作に対しては通常注意が払われる。接続された共振器回路をチューニングダイオードが調整することができる周波数範囲は、チューニングダイオードの有効な容量比率と回路の中に存在する並列及び直列の容量とに依存する。

無線通信用の周波数がますますより高い周波数帯域に移るため、超低雑音、広帯域、熱的に安定で小形の信号源を比較的少ない費用で作り出すことは、能動素子と、チューニングダイオードの広帯域の調整能力とに対する周波数の制約のため、ますます取り組み甲斐のある仕事になっている。従来は、広いチューニング範囲及び良好な位相雑音性能は、広帯域の動作範囲にわたる共振器のループパラメータ及び動的なロードされたＱのために、相反する要求事項と一般に考えられていた。

広い周波数範囲にわたって連続的に調整されるバラクタ調整形発振器については、チューニングダイオードは一般に、チューニング電圧における小さな変化に応答して、静電容量の中で大きな変化を示す。しかしながら、このことは、通常、チューニングダイオード自身の静電容量が、チューニングダイオード自身を含む種々の発振器の回路素子によって内部的に発生される無作為の電子雑音信号により変調されることを可能にする。発振器のチューニング範囲は、一般に位相雑音に影響し、そしてＶＣＯの連続的なチューニング範囲とバラクタの静電容量の変調によって発生される位相雑音の量との間にトレードオフが一般に存在する。他方においては、完全な周波数範囲にわたって低雑音にするという性能に対する要求事項が一般的に増加している。

このように、主としてオクターブバンドのチューニング範囲以上の広いチューニング周波数の範囲にわたって位相雑音性能を向上させる方法及び回路に対する要求が存在する。

本発明の態様は、好ましくは、第１、第２及び第３の端子を有する能動素子と、この能動素子の第１及び第２の端子間にそれぞれ並列に接続された複数の共振器と、前記複数の共振器のいずれかに容量結合された少なくとも１つの付加的な共振器と、前記能動素子の前記第１及び第２の端子間に接続されたチューニング回路とを備える発振器であり、この少なくとも１つの付加的な共振器は、発振器の中に存在する選択された量の無線周波数のエネルギーを蓄積できるエバネッセントモード形バッファとして動作できる。

さらに、本発明のこの態様によれば、この能動素子は好ましくはトランジスタを含み、能動素子の第１の端子、第２の端子及び第３の端子がトランジスタのベース、コレクタ及びエミッタをそれぞれ備えている。

複数の共振器が、トランジスタのベースとコレクタとの間に容量的に接続されることが最も好ましい。さらに、複数の共振器の中の第１の共振器を複数の共振器の中の第２の共振器に誘導接続させることが望ましい。

さらに、本発明のこの態様によれば、発振器は、望ましいことに、発振器の出力周波数を調整するために複数の共振器の間に接続されたチューニング回路を備えて、このチューニング回路及び複数の共振器は、能動素子に関連する負抵抗がチューニング回路の調整に呼応して調整するように、第１及び第２の端子間に容量接続される。

さらになおかつ、チューニングダイオードは、周波数帯域にわたって発振器の動作周波数を調整するチューニングコンデンサとして動作できることが好ましい。

共振器は、マイクロストリップ線路形共振器として実行されることが望ましい。さらに、ストリップ線路、フィンライン（Fin line）又は他の等価の媒体を含む他の媒体の中の共振器は、共振器を実行する場合に使用される。さらになおかつ、共振器及び発振器は、集積回路として実現することができる。

さらになおかつ、共振器は、ロジャー（Roger）又はＦＲ４材料を用いて形成された集積回路の一部を含みうる。

さらに、本発明のこの態様によれば、ノイズフィルタが能動素子の第３端子に接続される。

別の態様では、本発明は、好ましくは、ベース、コレクタ及びエミッタの端子を有するトランジスタと、このトランジスタのベース及びコレクタの端子間に容量接続された複数の共振器と、エバネッセントモード形バッファとして動作して発振器の中に存在するエネルギーの一部を蓄積する複数の共振器の中の少なくとも１つ共振器と、トランジスタのベース及びコレクタの端子間に接続されて、トランジスタに関連する負抵抗を調整するように動作するチューニング回路とを備えた電圧制御発振器である。

さらに、本発明のこの態様によれば、電圧制御発振器は、能動素子のエミッタ端子に接続された動的に調整可能なノイズフィルタをさらに備えることが好ましい。この動的に調整可能なノイズフィルタが、種々のコンデンサを有する集中ＲＣフィルタ備えることが最も好ましい。

さらに、本発明のこの態様によれば、複数の共振器がトランジスタのベース端子とコレクタ端子との間に動的に容量接続されて、チューニング回路が調整されるときに、ベース端子及びコレクタ端子における負抵抗が望ましいことにほぼ均一に維持される。

このトランジスタは、ＭＯＳＦＥＴ素子又はＧａＡｓＦＥＴ素子と同様にバイポーラトランジスタを含みうる。

さらに、本発明のこの態様によれば、望ましいことに、ショットキーダイオードをトランジスタのベースとコレクタとの間に接続できる。その上、この電圧制御発振器は、コレクタに接続されて、チューニング回路の調整に応答して動的に調整可能な阻止帯を有するチューニングフィルタをさらに備えることが望ましい。

別の態様では、本発明は電話を備えることができる。この電話は、電話によって通信された情報信号を送信又は再生するために使用されるクロック信号を発生する位相ロックループ（phase lock loop）を備えることが好ましく、この位相ロックループはクロック信号を発生する電圧制御発振器を備えている。この電圧制御発振器は、ベース、コレクタ及びエミッタの端子を有するトランジスタと、このトランジスタのベース及びコレクタの端子間に容量接続された複数の共振器と、エバネッセントモード形バッファとして動作して共振器の中に存在するエネルギーの一部を蓄積する複数の共振器の中の少なくとも１つ共振器と、トランジスタのベース及びコレクタの端子間に接続されて、電圧制御発振器のチューニング帯域にわたって負抵抗をほぼ均一に維持するように動作するチューニング回路とを備えることが好ましい。

本発明のさらに別の態様によれば、第１の端子、第２の端子及び第３の端子を有する装置と、その装置の第１及び第２の端子間に接続されたエバネッセントモード形結合共振器回路とを備える電圧制御発振器が提供される。この発振器はさらに望ましいことに、エバネッセントモード形結合共振器回路と装置の第１及び第２の端子間に接続された雑音フィードバック・ＤＣバイアス回路との間に組み込まれたチューニング回路を備える。本発明の態様によれば、装置の第２の端子にある信号の周波数は、チューニング回路を調整することによって変化される。

さらに、本発明のこの態様によれば、雑音フィルタリング回路を装置の第３の端子に接続することができる。この雑音フィルタリング回路が、ＲＣ集中フィルタを備えることが最も好ましい。

その上、発振器は、さらに望ましいことに、第３の端子とチューニング回路との間に接続されたトラッキングフィルタを備えることができる。

装置の第１及び第２の端子間に、エバネッセントモード形共振器回路を容量接続することはさらに好ましい。チューニング回路をエバネッセントモード形共振器回路に誘導接続することが最も好ましい。

本発明のさらに別の態様は、入力部と出力部とを含む能動回路素子を備える発振器である。この発振器は、好ましいことに、能動回路素子の出力部に生じる選択された量の位相雑音を能動回路素子の入力部にフィードバックする手段と、能動回路素子の入力部と出力部との間に接続された共振器回路とを備えることもできる。共振器回路は、好ましいことに、能動回路素子の出力部に現れる出力信号に関連した発振周波数を決定するように動作できる。さらに、発振器は望ましいことに、共振器回路の間に接続された回路を備えることもでき、このような回路は、出力信号に関連した所定の周期で、共振器回路に接続された余分なエネルギーを蓄積するように動作できることが好ましい。

さらに、本発明のこの態様によれば、発振器は、好ましいことに、共振器回路間に接続されたチューニング回路を備えることができる。このチューニング回路は、出力信号に関連した発振周波数を調整するように動作できることが最も好ましい。

さらになお、このチューニング回路は、望ましいことに、出力信号に関連した発振周波数を調整させる一方で、能動回路素子の入力部と出力部とに関連した負抵抗を均一に保つ。

さらに、本発明のこの態様によれば、発振器が能動回路素子の出力部に接続されたフィルタをさらに備えて、チューニング回路に関連した電圧が調整されるときに、このフィルタに関連した除去率が調整される。

さらに、本発明のこの態様によれば、共振器回路を、望ましいことに、能動回路素子の入力部と出力部との間に並列接続された一対の可変コンデンサを通して能動回路素子に接続することができる。

本発明の別の態様は、広帯域の周波数範囲にわたって負抵抗を均一に維持することを含む。さらに、Ｎ−プッシュ／プッシュ−プッシュ方式（N-push/push-push approach）で動作周波数を拡張するために、結合されたリング形態の中でこの構成をさらに拡張することができる。

図１は、本発明の態様による電圧制御発振器（ＶＣＯ）１を例示するブロック図である。この電圧制御発振器１は、第１、第２及び第３の端子１４，１８及び２２を有する能動素子１０をそれぞれ備えている。能動素子１０は、第１、第２及び第３の端子１４，１８及び２２がそれぞれトランジスタ素子のベース、コレクタ及びエミッタ端子を含むトランジスタ素子を備えることができる。さらに具体的には、能動素子１０は、任意のＭＯＳ又はＧａＡｓ能動３端子素子を含むバイポーラ又はＦＥＴトランジスタを備えることができる。能動素子１０は、素子の少なくとも２つの端子間で１８０度の位相シフトを行うように動作できる任意の３端子素子を備えることもできる。

雑音フィードバック・ＤＣバイアス回路２７は、第１及び第２の端子、１４及び１８、の間に接続されている。この雑音フィードバック・ＤＣバイアス回路２７は、ＤＣ電圧を素子１０に与えると共に、選択された量の位相雑音を第２の端子１８から第１の端子１４へフィードバックする。一対の共振器３０、３４が、結合コンデンサ３８₁及び３８₂を介して第１及び第２の端子、１４及び１８、との間に容量結合される。共振器３０、３４は互いに誘導結合されて、共振器のネットワークを形成する。このネットワークは、別の共振器を含むように拡大することができる。別の共振器４３は、共振器３４に容量結合される。後でさらに詳細に説明するが、共振器４３はエバネッセントモード（ＥＭ）形バッファとして動作する。このバッファは、所定の信号周期で共振器ネットワークに接続された過剰な無線周波数（ＲＦ）のエネルギーの一部を蓄積して、素子１０の導通角を減少させて、これにより所定の時間周期に対する平均雑音性能を低下させることができる。

チューニング回路４６は、共振器３０、３４によって形成された共振器ネットワークの両端に接続される。チューニング回路４６は可変コンデンサとして動作し、これにより共振器４３のエバネッセント現象に基づいてロードされたＱ係数を向上させる。発振器１は、第２の端子１８に接続されたトラッキングフィルタ５０及び第３の端子２２に接続されたフィルタ５４も備えている。発振器１のＲＦ出力信号は、第２の端子１８において利用可能である。

動作に当たっては、発振器１は下記のように稼働する。ＤＣ電圧が、能動素子１０を適当にバイアスするように雑音フィードバック・ＤＣバイアス回路２７によって加えられる。第２の端子１８からの位相雑音の一部が、回路２７を介して能動素子１０にフィードバックされて、発振状態が引き起こされる。この結果、出力信号６０が素子１０の第２の端子１８に発生する。次に、チューニング回路４６がチューニング電圧を加えることによって、結合コンデンサ３８に関連した静電容量が電子的に調整される。チューニング電圧が調整されるときに、出力信号の周波数、すなわち発振周波数も調整され、本発明の態様に基づいて少なくともオクターブバンドに対して調整される。今度は、端子１４及び１８の負抵抗が発振周波数の変化に応答して調整して、チューニング帯域の全体にわたってほぼ均一に維持される。さらに、チューニング電圧が調整されるときに、ノイズフィルタ５４に関連する阻止帯が調整され、これにより動作周波数帯域にわたって位相雑音の内容がフィルタ処理される。さらに、トラッキングフィルタ５０に関連する阻止帯も、チューニング電圧の変化に応答して動的に調整される。

動的に調整された結合コンデンサ３８及び動的に調整されたノイズフィルタ５４により、動作周波数帯域にわたって駆動レベル、導通角及び位相雑音の内容が制御される。結合共振器は、動作周波数帯域にわたって結合共振器の動的に時間平均ロードされたＱ係数を向上させるエバネッセントモード用バッファを備えている。前述したように、エバネッセントモード用バッファは好ましいことに、所定の信号周期で共振器ネットワークに注入された過剰なＲＦエネルギーの一部を蓄積して、能動素子の導通角を減少させて、これにより所定の時間周期に対する平均雑音フローを低下させることができる。

結合共振器３０、３４及び他の回路素子に関連するパラメータは、選択された周波数の入力信号が結合共振器によって発生され、能動素子１０に適用されるように選択される。出力信号６０に関連する周波数帯域は、ユーザが結合共振器の長さ及び間隔を調整することによって規定することができる。さらに、図１は１つの能動素子すなわち発振器を示すが、同一出願人による米国特許出願第１０／９１２，２０２号及び１１／００７，８７９号の中において説明されるように、プッシュ−プッシュ方式又はＮ−プッシュ方式にまで拡張できる。それらの開示内容を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

図２は、本発明の態様による発振器２００の回路図を示す。原則的には、この発振器２００は、上記の図１の説明に基づいて動作する。図２では、Ｔで表記された各記号はＴ形コネクタであり、Ｗで表記された各記号は四方コネクタである。さらに、これらの記号は、別の図面で該当する場合は同じコネクタを示す。

図２に示すように、発振器２００は、ベース２０８とコレクタ２１２との間に接続された雑音フィードバック・ＤＣバイアス回路２０４を有するバイポーラトランジスタＱ３を備えている。電源Ｖｃｃはバイアス電圧をコレクタ２１２に与えて、トランジスタＱ３を順方向にバイアスする。チューニング回路２１６も、一対の可変結合コンデンサ２２４₁及び２２４₂を介してトランジスタＱ３のベース２０８とコレクタ２１２との間に接続される。結合コンデンサ２２４は、図示の配列では、ダイオードＤ２、Ｄ３及びコンデンサＣ３、Ｃ２によって形成される。チューニング電圧Ｖ_tuneが、それぞれインダクタＬ４及びＬ５を介してチューニングネットワーク２１６とノイズフィルタ２３７とに加えられる。

結合共振器２３０₁、２３０₂、２３０₃及び２３０₄が、図示のように結合コンデンサ２２４を介してトランジスタＱ３に接続されている。エバネッセントモード用バッファが、結合共振器２３０₁、２３０₂、２３０₃及び２３０₄に容量接続された共振器２３０₅及び２３０₆によって形成される。出力信号（Ｏ／Ｐ）が、トラッキングフィルタ２４０を通って与えられる。前述したように、結合共振器を形成する共振器の数、長さ及び間隔と組み合わせた抵抗、コンデンサ、インダクタ、ダイオード及び他の個別素子に対して選択された値は、本明細書において説明され請求された発振器の発振周波数と動作帯域とを選択するために使用される。

図３は、本発明の別の態様による別の発振器３００の回路図を例証となるように示す。この発振器３００は発振器２００の変形体であり、図１に基づいて前述したように動作する。より詳細には、ノイズフィルタ３０７は、それが抵抗Ｒ₁とコンデンサＣ₁₄との間にダイオードを含まないという点で、発振器２００のノイズフィルタ２３７とは異なる。さらに、トラッキングフィルタ３１１は、インダクタ３１１₁及び３１１₂並びに抵抗３１１₇を含む。

図４は、本発明の別の態様による発振器４００の回路図である。特に、図３に示した雑音フィードバック・ＤＣバイアス回路は２つのＰＮＰトランジスタを備えているが、図４では１つのＰＮＰトランジスタが、雑音信号の相関に基づく雑音性能を向上させるために、直列の２つのダイオードによって置き換えられている。ショットキーダイオード４１０がトランジスタ４２０のベースとコレクタとの間に配置され、この結果雑音性能が４〜６ｄＢ向上される。出力部における動的なトラッキングフィルタは、広帯域の動作範囲にわたって３０ｄＢ以上も高周波拒絶反応を向上させる。トランジスタのベースとコレクタとの間に接続されたショットキーダイオードは、トランジスタが飽和領域近くで動作する場合に効果的である。この飽和領域は、特定の周波数において位相雑音を向上させるための最適な導通角に対応する。このため、本発明のさらに別の態様では、例えば図４に示すようにショットキーダイオードを組み込むことによって、狭帯域のＶＣＯに匹敵する位相雑音性能に対応する広帯域のＶＣＯトポロジーが提供される。

ここで図５を参照すると、本発明のさらに別の態様による発振器５００の概略図が示されている。図示のように、この発振器５００は、集積回路として実装されている。この集積回路は、ＦＲ４、ロジャー（Roger）又は他の適当な材料を用いて実現することができる。この発振器５００は、図４の回路図を実現したものである。図示のように、結合共振器は、一対のマイクロストリップ線路形共振器５３０，５３４によって形成される。ＥＭバッファは、結合共振器から間隔を空けて配置され、発振器が動作している間に作られる余分なＲＦエネルギーを蓄積するように動作する別のマイクロストリップ線路形共振器５４３によって形成される。共振器の曲率及び配置により、前述した説明に基づいて位相性能が改良される。

図６〜図９は、本発明の種々の態様に基づいて実行された発振器の位相雑音のプロットを例示する。特に、図６は、図２の回路図に基づいて実行されたＶＣＯの位相雑音のプロットを示す。図示のように、この発振器は、１０ｋＨｚで−１１６ｄＢｃ／Ｈｚ及び１００ｋＨｚで−１３７ｄＢｃ／Ｈｚの位相雑音のある信号の４００ＭＨｚから１．３ＧＨｚの範囲にわたって調整可能である。図７は、図３に基づいて実現された発振器を示す。この発振器は、１０ｋＨｚで−１１０ｄＢｃ／Ｈｚの位相雑音のある信号の４００ＭＨｚから１．３ＧＨｚの範囲にわたって調整可能である。

図８は、図２の回路図に基づいて実現されたＶＣＯの位相雑音のプロットを示す。この発振器は、１０ｋＨｚで−１０８ｄＢｃ／Ｈｚの位相雑音のある信号の１ＧＨｚから３ＧＨｚの範囲にわたって調整可能である。図９は、図３に基づいて実現された発振器を示す。この発振器は、１０ｋＨｚで−１０５ｄＢｃ／Ｈｚの位相雑音のある信号の１．２ＧＨｚ２ら１．３ＧＨｚの範囲にわたって調整可能である。

図１から図５に示した上記の発振器は、共振周波数におけるグループ遅延（group delay）を改良することによって、急峻な位相特性（周波数に対する位相の変化率：ｄφ／ｄω；ここでｄφ及びｄωは位相及び周波数における変化として定義される）に対応する。このため、本発明の態様によれば、３端子負抵抗発生素子のベースとコレクタとの間に集中ＬＣ共振器が付いた広帯域の電圧制御発振器が、図１に基づいて、また図２〜図５に示すように実現される。

１つの態様では、本発明は、かなり広い範囲の周波数にわたって動作するように最適化することができ、同時にチューニング帯域にわたって位相雑音を比較的小さく保つことができ、超低雑音で、比較的低価格でありかつ電力効率が良い広帯域のＶＣＯを提供する。別の態様では、本発明は、チューニング素子としてバラクタダイオード又は他の半導体装置を用いて集積されたＥＭ（エバネッセントモード）結合共振器を採用する種類の電圧制御発振器において、チューニング帯域幅を増加させ、かつ位相雑音を改善するための方法である。周知のマイクロ波能動素子及び広帯域動作用の共振器に関する制約に鑑みて、本発明の別の態様では種々のトポロジーが提供される。このトポロジーは、集積されたチップの形状で実行するように適用できる小形の寸法で、オクターブバンド以上の調整能力に対応する。

本発明のさらに別の態様では、共振器の回路のトポロジー及び配置は、それがかなり広い周波数帯域にわたって均一な負抵抗に対応し、マイクロストリップ線路形共振器がＥＭ結合の共振器によって置き換えられることにより、共振器回路の中に比較的高い時間平均ロードされたＱを発生するような方法で選択されることが好ましい。ＥＭ結合共振器が、結合コンデンサを介して３端子能動素子のベースとコレクタとの間に接続され、負抵抗が周波数帯域にわたる発振器の周波数内の変化に応答して調整することが好ましい。このようにして、負抵抗発生ネットワークの位相シフトが、所定の動作周波数帯域にわたって共振に対する位相シフト基準に適合するように動的に調整される。

雑音性能は、ＥＭ結合共振器の間の間隔を適切に選択することによって、必要に応じて広帯域にわたって改善することができる。位相雑音を最適化することは、雑音フィードバック・ＤＣバイアス回路とエミッタのノイズフィルタを組み込むことによって実現される。そうすることによって、負抵抗、ループ利得及び位相シフトなどの制御パラメータを、動作周波数帯域にわたって位相雑音性能を向上させるように調整することができる。本発明のこの態様に基づいて、そのような位相雑音の改善は任意の３端子能動素子を用いて実現できる。

本発明の別の態様によれば、ＥＭ結合共振器は、好ましいことに、集積回路の形態を適用できるマルチオクターブバンド（multi-octave band）の電圧制御発振器を提供する。さらに、−４０℃から＋９０℃の動作温度範囲にわたる雑音性能は、オクターブバンドの動作の全体にわたって維持され、他のより高い周波数帯域に対しても配置構造は同じままである。

本発明の別の態様によれば、周波数帯域が４００〜１３００ＭＨｚ及び１０００〜３０００ＭＨｚの広帯域ＶＣＯの位相雑音を減少させる方法が提供される。さらに、周波数帯域の選択の自由度、小形な寸法、低価格であること、小さい電力消費量及び温度の変動に対して安定なことにより、このトポロジーは好ましいことに、無線電話、携帯情報端末、ラップトップコンピュータ又は他の任意の携帯機器に関連して説明された移動体通信用の用途に適合できる。

ＥＭ結合共振器は、結合コンデンサを通して３端子素子のベースとコレクタとの間に接続することができ、この結合コンデンサは、ＥＭ結合共振器と共に一体化されたチューニングネットワークにチューニング電圧を加えることによって電子的に調整される。このトポロジーの別の特徴及び利点は、結合共振器の長さ及び間隔を調整することによって実現できるユーザが定義可能な周波数帯域を提供することである。これら及び他の利点は、１つ以上の共振回路のブランチを用いることによって実現される。これらのブランチは、結合共振器回路の中に組み込まれたチューニングダイオードのネットワークを用いる２つ以上の結合共振器を含む。

その結果、本発明の１つの態様では、３端子素子の第１の端子と第２の端子との間に接続されたエバネッセントモード形結合共振器を備える電圧制御発振器に関する回路を含む。この３端子素子は、チューニング電圧をエバネッセントモード形結合共振器を用いて一体化されたチューニングネットワークに加えることによって電子的に調整される。さらに別の態様では、位相雑音の動作を小さく保ったまま、広い周波数帯域にわたって発振器のチューニング範囲を調整する方法が、負抵抗が発振器の周波数の変化に応答して調整するように、エバネッセントモード形共振器を３端子能動素子のベースとコレクタとの間に容量接続する動作と、雑音フィードバック・ＤＣバイアス回路を３端子素子のエミッタに組み込む動作と、３端子素子のエミッタにおける雑音をフィルタ処理する動作とを含む。

上記のまた他の利点を実現できる本発明の態様によるマイクロストリップ線路形結合共振器は、エバネッセントモード形バッファとして特徴付けることができ、このバッファは広帯域にわたって動作するチューニングダイオードのネットワークを有する集積化された共振器の時間平均ロードされたＱを向上させる。

本発明のさらに別の態様によれば、集積化されたＥＭ結合共振器が従来のＬＣ又はマイクロストリップ線路形共振器回路に代わって採用され、位相シフトがベースとコレクタとの間のチューニングダイオードを変化させることによって調整されるように、発振器を構成することができる。

本発明のさらに別の態様によれば、共振器回路のロードされたＱを低下させずにオクターブバンド以上の調整能力に対応できる広帯域の調整能力が、チューニングネットワークを介して提供される。本発明の別の態様では、周波数を粗調整するための広い範囲及び周波数を微調整するための狭い範囲の両方に対して、電圧を調整することができる。

さらに別の態様では、本発明は好ましいことに、チップの形状を集積化できる費用効果が高く、電力効率が良く（５Ｖ、１５ｍＡ）、位相雑音が極めて低い（周波数帯域が４００〜１３００ＭＨｚでオフセットが１０ｋＨｚでは−１１６ｄＢｃ／Ｈｚ以上、１００ｋＨｚでは−１３７ｄＢｃ／Ｈｚ以上）電圧制御発振器を提供する。

さらに別の態様では、位相雑音の動作が極めて低いことが望ましい場所で、本発明に基づいて実現される発振器が一般的に採用される。特に、媒体が離散的であっても又は集積されていても、コルピッツ（Colpitts）級の共振発振器が一般に超低雑音の用途に使用されている。トポロジーは多数の形態を取ることができるが、コルピッツ発振器の明確な特徴は、動作中の利得モジュールの周りに正のフィードバックを行う容量性の電圧分割器である。コルピッツ発振器回路は、良好な位相雑音の性能を提供すると実験的に認識されている。コルピッツの雑音動作は、能動素子の不連続な伝導（discontinuous conduction）によると一般に考えられている。それは導通角によって制御され、発振器の位相が容易に混乱されない周期の一部の間に電流のみが共振器のネットワークに供給されるようにフィードバックネットワークを介して時間が決められる。それにもかかわらず、コルピッツの構成は一般に広帯域の調整能力には対応していない、また能動利得素子、例えばトランジスタのベースが相当広い帯域の動作に対して接地されている場合、それは一般に結果として周波数帯域（オクターブバンド以上）にわたって貧弱な位相雑音性能が生ずる。別の構成では、周波数帯域の全体にわたって発振器の安定基準に適合するように、共振器がトランジスタのコレクタとベースとの間に配置され、負抵抗及び回路の位相を動的に調整するために使用される。このトポロジーの欠点は、より高い周波数で低いインピーダンスが結果として生ずることである。さらに、エネルギー保存ネットワーク（共振器）と最終的に低周波の変調を生ずる電源との間の分離が貧弱なため、位相雑音が側波帯に加えて低い周波数をも劣化させる。これらの問題は、雑音フィードバック・バイアス回路のループに沿って位相を調整し、そして前に説明し添付の図面において示したように、トランジスタのエミッタにフィルタ処理回路を設けることによって、本発明のさらに別の態様に基づいて克服することができる。

本発明に基づいて実現される電圧制御発振器は、データ、電話、携帯電話又は一般的に言って通信ネットワーク上で通信するために使用される幾つの装置の中でも使用できる。そのような装置には、例えば、携帯電話、携帯情報端末、モデムカード、ラップトップコンピュータ、衛星電話又はＲＦトランシーバが含まれるが、それらに限定されることはない。一般的な話として、種々の図面の中で示し、また前述した発振器の回路は、クロック信号を発生するＰＬＬの中で使用することができる。このクロック信号は、ネットワーク上で送信又は受信された情報を送信又は再生するために使用できる。無線ネットワークに加えて、本発明の回路は、有線ネットワークや衛星ネットワークなどに使用できる。

本願の発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、これらの実施形態は本発明の原理及び用途を単に例証するものであることは理解されよう。このため、これらの例証となる実施形態に対して多数の変形例を作ることができ、また添付した特許請求の範囲によって定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、別の装置を発明することができることは理解されよう。

本発明の態様に基づいて発振器を機能的に例示する図である。 本発明の態様による回路図である。 本発明の態様による回路図である。 本発明の態様による回路図である。 本発明の態様による集積回路の概略図である。 本発明の態様による発振器の位相プロットを例示する図である。 本発明の態様による発振器の位相プロットを例示する図である。 本発明の態様による発振器の位相プロットを例示する図である。 本発明の態様による発振器の位相プロットを例示する図である。

Claims (15)

1. 第１、第２及び第３の端子を有する能動素子と、
   前記能動素子の前記第１及び第２の端子間にそれぞれ並列に接続された複数の共振器と、前記複数の共振器のいずれかに容量結合された少なくとも１つの付加的な共振器と、
   前記能動素子の前記第１及び第２の端子間に接続されたチューニング回路と
   を含んでなり、
   前記付加的な共振器は、発振器の中に存在する前記複数の第１の共振器からの無線周波数エネルギーを蓄積できるものである発振器。
2. 前記能動素子がトランジスタを含み、前記能動素子の第１の端子と第２の端子と第３の端子とが、前記トランジスタのベースとコレクタとエミッタとにそれぞれ対応するものである請求項１に記載の発振器。
3. 前記複数の共振器が、前記トランジスタのベース及びコレクタ間に接続されている請求項２に記載の発振器。
4. 前記能動素子の前記第１の端子及び第２の端子間に接続されたフィードバック・バイアス回路をさらに含む請求項１に記載の発振器。
5. 前記複数の共振器が、マイクロストリップ線路と、ストリップ線路と、フィンラインの共振器とを含むグループから選択されるものである請求項１に記載の発振器。
6. 前記能動素子の前記第３の端子に接続されたノイズフィルタをさらに含むものである請求項１に記載の発振器。
7. ベース端子とコレクタ端子とエミッタ端子とを有するトランジスタと、
   前記トランジスタの前記ベース端子及びコレクタ端子間にそれぞれ並列に接続された複数の共振器と、前記複数の共振器のいずれかに容量結合された少なくとも１つの付加的な共振器と、
   前記トランジスタの前記ベース端子及びコレクタ端子間に接続されたチューニング回路と
   を含んでなり、
   前記付加的な共振器は、発振器の中に存在する前記複数の第１の共振器からの余分なエネルギーの一部を蓄積できるものである電圧制御発振器。
8. 前記エミッタ端子に接続された動的に調整可能なノイズフィルタをさらに含む請求項７に記載の電圧制御発振器。
9. 前記動的に調整可能なノイズフィルタが、可変コンデンサを有する集中ＲＣフィルタを含むものである請求項８に記載の電圧制御発振器。
10. 前記複数の共振器が、前記トランジスタの前記ベース端子及びコレクタ端子間に接続される請求項７に記載の電圧制御発振器。
11. 前記トランジスタが、能動３端子素子であるバイポーラトランジスタである請求項７に記載の電圧制御発振器。
12. 前記トランジスタの前記ベース端子及びコレクタ端子間に接続されたショットキーダイオードをさらに含む請求項７に記載の電圧制御発振器。
13. 前記トランジスタの前記ベース端子及びコレクタ端子間に接続された、フィードバック・バイアス回路をさらに含む請求項１１に記載の電圧制御発振器。
14. 前記チューニング回路の調整に応答して動的に調整可能な阻止帯を有する、前記コレクタ端子に接続されたチューニングフィルタをさらに含む請求項７に記載の電圧制御発振器。
15. クロック信号を発生する電圧制御発振器及び位相ロックループを含む電話であって、該電圧制御発振器が、
    ベース端子とコレクタ端子とエミッタ端子とを有するトランジスタと、
    前記トランジスタの前記ベース端子及びコレクタ端子間にそれぞれ並列に接続された複数の共振器と、前記複数の共振器のいずれかに容量結合された少なくとも１つの付加的な共振器と、
    前記トランジスタの前記ベース端子及びコレクタ端子間に接続されたチューニング回路と
    を含んでなり、
    前記付加的な共振器は、前記電圧制御発振器の中に存在する前記複数の第１の共振器からの無線周波数エネルギーを蓄積できるものである電話。

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