JP6223138B2 - 高周波回路及び高周波発振器 - Google Patents

高周波回路及び高周波発振器 Download PDF

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Description

この発明は、能動回路で構成された高周波回路及びその高周波回路を用いた高周波発振器に関するものである。
従来より、高周波回路の一つとしてクロスカップル型の能動回路が知られている。
クロスカップル型能動回路は、クロスカップル型の差動発振器などに用いられている(例えば、特許文献1参照)。
従来のクロスカップル型能動回路は、同じ増幅特性を有する2つの電界効果トランジスタ(以下「FET」と記載)を有している。第1FETのドレイン端子に第2FETのゲート端子を接続し、第2FETのドレイン端子に第1FETのゲート端子を接続することで、クロスカップル型能動回路が構成されている。
また、第1FETのドレイン端子と第2FETのドレイン端子に、並列共振器の両端子がそれぞれ接続されている。クロスカップル型能動回路と並列共振器によって、クロスカップル型発振器が構成されている。
このように構成された従来のクロスカップル型発振器は、まず、第1FETのゲート端子に入力された電力が第1FETで増幅された後、第1FETのドレイン端子から出力される。第1FETのドレイン端子の出力電力は並列共振器でろ波され、並列共振周波数と同じ周波数の低損失の出力電力が第2FETのゲート端子へ入力される。
並列共振周波数と異なる周波数の出力電力は減衰される。
次いで、第2FETのゲート端子の入力電力は、第2FETで増幅された後、第2FETのドレイン端子から出力される。ドレイン端子の出力電力は並列共振器でろ波され、並列共振周波数と同じ周波数の低損失の出力電力が第1FETのゲート端子へ帰還する。ここでも、並列共振周波数と異なる周波数の出力電力は減衰される。
このとき、第1FET及び第2FETは、ゲート端子からドレイン端子を通過する出力電力の位相は逆相(位相差が180度)であり、第1FET及び第2FETのドレイン端子は位相差が180度の出力電力により動作する。また、第1FETのゲート端子に入力される電力と、第1FETのドレイン端子、第2FETのゲート端子、第2FETのドレイン端子を順次経由して第1FETのゲート端子に帰還する出力電力は同相となっており、回路は発振条件を満たす。
このように、第1FET及び第2FETによる増幅と並列共振器によるろ波とを繰り返すことで、雑音電力のうち並列共振周波数と同じ周波数の出力電力を時間とともに増幅して、発振する。
特開2007−336254号公報
従来のクロスカップル型能動回路は、図8に示す如く、第1FETのドレイン端子1と第2FETのゲート端子3間の伝送線路5と、第2FETのドレイン端子2と第1FETのゲート端子4間の伝送線路6とが立体的に交差している。このため、クロストークが生じたり、回路レイアウトの対称性が崩れて差動のミスマッチが生じるという課題があった。
さらに、従来のクロスカップル型発振器においては、位相偏差などによる発振器の特性が劣化するという課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、伝送線路の交差をなくすことにより、クロストークを抑制し、回路レイアウトの対称性の崩れによる差動のミスマッチの発生を阻止した高周波回路及び高周波発振器を提供することを目的とする。
この発明の高周波回路は、第1端子から入力した入力波が逆相で出力される第2端子と、入力波が同相で出力される第3端子と、第1端子と電気的に分離された第4端子とを具備し、第1端子及び第4端子を含む片側半分と第2端子及び第3端子を含む他の片側半分とが線対称に配置してなる相反回路で構成された180度ハイブリッド回路と、第1端子及び第4端子に接続した電力増幅用の第1トランジスタと、第2端子及び第3端子に接続した電力増幅用の第2トランジスタと、を具備するものである。
この発明の高周波回路及び高周波発振器によれば、伝送線路の交差をなくすことにより、クロストークを抑制し、回路レイアウトの対称性の崩れによる差動のミスマッチの発生を阻止することができる。
この発明の実施の形態1の高周波回路の構成図である。 この発明の実施の形態1の180度ハイブリッド回路の構成図である。 この発明の実施の形態1の180度ハイブリッド回路の動作を示す説明図である。 この発明の実施の形態1の他の180度ハイブリッド回路の構成図である。 この発明の実施の形態1の他の180度ハイブリッド回路の構成図である。 この発明の実施の形態1の他の高周波回路の構成図である。 この発明の実施の形態2の高周波発振器の構成図である。 従来の高周波回路の伝送線路の交差を示す説明図である。
実施の形態1.
図1〜図3を参照して、実施の形態1の高周波回路について説明する。
図中、30aは所定の周波数の入力波の波長λの1/4長さの線路長を有する伝送線路である。伝送線路30aの先端部には、波長λの1/4長さの線路長を有する伝送線路30bの先端部が接続されている。伝送線路30bの他の先端部は、波長λの1/4長さの線路長を有する伝送線路30cの先端部に接続されている。伝送線路30cの他の先端部は、波長λの1/4長さの線路長を有する伝送線路30dの先端部に接続されている。伝送線路30dの他の先端部は、伝送線路30aの他の先端部に接続されている。このように接続された伝送線路30a〜30dによって、ブランチラインカプラ型の90度ハイブリッド回路30が構成されている。
90度ハイブリッド回路30の伝送線路30a,30dの接続部に、波長λの1/8長さの線路長を有する伝送線路31を介して第1端子21が接続されている。また、伝送線路30a,30bの接続部に、波長λの1/8長さの線路長を有する伝送線路32を介して第2端子22が接続されている。また、伝送線路30b,30cの接続部に、波長λの3/8長さの線路長を有する伝送線路33を介して第3端子23が接続されている。また、伝送線路30c,30dの接続部に、波長λの3/8長さの線路長を有する伝送線路34を介して第4端子24が接続されている。90度ハイブリッド回路30及び伝送線路31〜34によって、180度ハイブリッド回路20が構成されている。
図2に示す如く、180度ハイブリッド回路20の第1端子21に第1トランジスタ11のドレイン端子が接続され、第4端子24に第1トランジスタ11のゲート端子が接続されている。同様に、第2端子22に第2トランジスタ12のドレイン端子が接続され、第3端子23に第2トランジスタ12のゲート端子が接続されている。
180度ハイブリッド回路20、第1トランジスタ11及び第2トランジスタ12によって、高周波回路100が構成されている。
第1トランジスタ11及び第2トランジスタ12は、いずれも同じ増幅特性を有する電界効果トランジスタ(FET)で構成されている。また、いずれもゲート端子からドレイン端子を通過する位相は逆相(位相差が180度)となっている。
180度ハイブリッド回路20は、相反回路で構成されている。
図3(a)に示す如く、第1端子21から入力した所定の周波数の入力波は、第2端子22からは逆相(位相差が180度)で出力され、第3端子23からは同相(位相差が0度)で出力される。第1端子21と第4端子24とは電気的に分離されて(アイソレーションがとれて)おり、第4端子24からは入力波が出力しないようになっている。
同様に、図3(b)に示す如く、第2端子22から入力した所定の周波数の入力波は、第1端子21からは逆相(位相差が180度)で出力され、第4端子24からは同相(位相差が0度)で出力される。第2端子22と第3端子23とはアイソレーションがとれており、第3端子23からは入力波が出力しないようになっている。
同様に、図3(c)に示す如く、第3端子23から入力した所定の周波数の入力波は、第4端子24からは逆相(位相差が180度)で出力され、第1端子21からは同相(位相差が0度)で出力される。第3端子23と第2端子22とはアイソレーションがとれており、第2端子22からは入力波が出力しないようになっている。
同様に、図3(d)に示す如く、第4端子24から入力した所定の周波数の入力波は、第3端子23からは逆相(位相差が180度)で出力され、第2端子22からは同相(位相差が0度)で出力される。第4端子24と第1端子21とはアイソレーションがとれており、第1端子21からは入力波が出力しないようになっている。
このように構成された180度ハイブリッド回路20は、第1端子21及び第4端子24を含む片側半分の回路部分と第2端子22及び第3端子23を含む他の片側半分の回路部分は、対称軸A−A’によって左右対称に配置されている。
同様に、高周波回路100の第1トランジスタ11を含む片側半分の回路部分と第2トランジスタ12を含む他の片側半分の回路部分は、対称軸A−A’によって左右対称に配置されている。
このように構成された高周波回路100の動作について説明する。
まず、第1トランジスタ11のゲート端子に入力された電力(基準位相0度とする)は、第1トランジスタ11で増幅された後、ドレイン端子から逆相(基準位相に対する位相差が180度)で出力される。第1トランジスタ11のドレイン端子の出力電力は、180度ハイブリッド回路20の第1端子21に入力され、第3端子23から同相(基準位相に対する位相差が180度)で出力される。
次いで、第3端子23の出力電力は、第2トランジスタ12のゲート端子に入力され、第2トランジスタ12によって増幅された後、ドレイン端子から逆相(基準位相に対する位相差が0度)で出力される。第2トランジスタ12のドレイン端子の出力電力は、180度ハイブリッド回路20の第2端子22に入力され、第4端子24から同相(基準位相に対する位相差が0度)で出力される。第4端子24の出力電力は、第1トランジスタ11のゲート端子に帰還する。
このとき、第1トランジスタ11のドレイン端子の出力電力は、180度ハイブリッド回路20の第2端子22からも逆相(基準位相に対する位相差が0度)で出力されるが、この電力は第2トランジスタ12のドレイン端子から出力される電力と同相(基準位相に対する位相差がいずれも0度)となるため、高周波回路100の動作は影響されない。また、第2トランジスタ12のドレイン端子の出力電力は、180度ハイブリッド回路20の第1端子21からも逆相(基準位相に対する位相差が180度)で出力されるが、この電力は第1トランジスタ11のドレイン端子から出力される電力と同相(基準位相に対する位相差がいずれも180度)となるため、高周波回路100の動作は影響されない。
以上のように、この高周波回路100は、電力増幅用の第1トランジスタ11及び第2トランジスタ12と、左右対称に構成した180度ハイブリッド回路20で構成されている。そのため、伝送線路30a〜30d及び伝送線路31〜34の交差を不要とすることで、クロストークを抑制し、回路レイアウトの対称性の崩れによる差動のミスマッチの発生を阻止することができる。
なお、図4に示す如く、第3端子23と伝送線路33との間にキャパシタ35を直列に接続し、第4端子24と伝送線路34の間にキャパシタ36を直列に接続したものとしても良い。
キャパシタ35,36は、所定の周波数の入力電力を通過させて、かつ低周波数帯の電力を遮断するように動作する。これにより、不要な低周波数帯の電力の帰還を抑制することができる。
また、図5に示す如く、第3端子23と伝送線路33との間に直列共振回路37を直列に接続し、第4端子24と伝送線路34の間に直列共振回路38を直列に接続したものとしても良い。
直列共振回路37,38は、キャパシタ、インダクタ、バラクタダイオード(可変容量素子)などで構成されており、所定の周波数で直列共振するようになっている。
これにより、所定の周波数と異なる周波数の電力の帰還を抑制することができる。
また、第1トランジスタ11及び第2トランジスタ12にバイアスを印加する直流電源は、任意の構成のものを用いて良い。テール電流源などの、第1トランジスタ11及び第2トランジスタ12に定電流を導通させる回路を用いても良い。
また、図6に示す如く、電力増幅用の第1トランジスタ11aを、コレクタ端子を第1端子21に接続してベース端子を第4端子24に接続したバイポーラトランジスタで構成するとともに、第2トランジスタ12aを、コレクタ端子を第2端子22に接続してベース端子を第3端子23に接続したバイポーラトランジスタで構成した高周波回路101としても良い。
実施の形態2.
図7を参照して、実施の形態2の高周波発振器について説明する。
図中、100は高周波回路である。高周波回路100は実施の形態1と同様の構成を有しており、同様の構成部材には同一の符号を付して説明を省略する。
第1トランジスタ11のドレイン端子に、バラクタダイオード(可変容量素子)41のカソードが接続されている。バラクタダイオード41のアノードにはバラクタダイオード42のアノードが接続されており、バラクタダイオード42のカソードは第2トランジスタ12のドレイン端子に接続されている。また、直列に接続したインダクタ51,52が、バラクタダイオード41,42に並列に接続されている。バラクタダイオード41,42及びインダクタ51,52によって、所定の周波数で並列共振する並列共振回路60が構成されている。
インダクタ51とインダクタ52の間に、第1トランジスタ11及び第2トランジスタ12を駆動する直流電圧源(Vcc)70が接続されている。バラクタダイオード41のアノードとバラクタダイオード42のアノードとの間に、両者の接合容量を制御する直流電圧源(Vcont)71が接続されている。
このように構成された高周波発振器200の動作について説明する。
まず、第1トランジスタ11のゲート端子に入力された電力(基準位相0度とする)は、第1トランジスタ11で増幅された後、ドレイン端子から逆相(基準位相に対する位相差が180度)で出力される。ドレイン端子の出力電力は、並列共振回路60でろ波され、並列共振周波数(所定の周波数)と同じ周波数の出力電力が低損失で180度ハイブリッド回路20の第1端子21に入力される。また、並列共振周波数と異なる周波数の出力電力は減衰される。第1端子21の入力電力は、第3端子23から同相(基準位相に対する位相差が180度)で出力される。
次いで、第3端子23の出力電力は、第2トランジスタ12のゲート端子に入力され、第2トランジスタ12によって増幅された後、ドレイン端子から逆相(基準位相に対する位相差が0度)で出力される。第2トランジスタ12のドレイン端子の出力電力は、並列共振回路60でろ波され、並列共振周波数と同じ周波数の出力電力が低損失で180度ハイブリッド回路20の第2端子22に入力される。また、並列共振周波数と異なる周波数の出力電力は減衰される。第2端子22の入力電力は、第4端子24から同相(基準位相に対する位相差が0度)で出力される。第4端子24の出力電力は、第1トランジスタ11のゲート端子に帰還する。
このとき、第1トランジスタ11のドレイン端子の出力電力は、180度ハイブリッド回路20の第2端子22からも逆相(基準位相に対する位相差が0度)で出力されるが、この電力は第2トランジスタ12のドレイン端子の出力電力と同相(基準位相に対する位相差がいずれも0度)となるため、高周波回路100の動作は影響されない。また、第2トランジスタ12のドレイン端子の出力電力は、180度ハイブリッド回路20の第1端子21からも逆相(基準位相に対する位相差が180度)で出力されるが、この電力は第1トランジスタ11のドレイン端子の出力電力と同相(基準位相に対する位相差がいずれも180度)となるため、高周波回路100の動作は影響されない。
すなわち、第1トランジスタ11のドレイン端子と第2トランジスタ12のドレイン端子は、位相差が180度の出力電力により動作している。また、第1トランジスタ11のゲート端子に入力される電力と、第1トランジスタ11のドレイン端子、180度ハイブリッド回路20、第2トランジスタ12のゲート端子、ドレイン端子を順次経由して第1トランジスタ11のゲート端子に帰還する電力とが同相となっており、回路は発振条件を満たす。
このように、第1トランジスタ11及び第2トランジスタ12による増幅と並列共振回路60によるろ波とを繰返すことで、雑音電力のうち並列共振回路60の並列共振周波数と同じ周波数の出力電力を時間とともに増幅して、発振する。
以上のように、この高周波回路100は、電力増幅用の第1トランジスタ11及び第2トランジスタ12と、左右対称に構成した180度ハイブリッド回路20で構成されている。そのため、伝送線路30a〜30d及び伝送線路31〜34の交差を不要とすることで、クロストークを抑制し、回路レイアウトの対称性の崩れによる差動のミスマッチの発生を阻止することができる。
その結果、高周波発振器200は、発振条件の位相関係を崩すことなく、位相偏差などによる発振器の特性の劣化を抑制することができる。また、180度ハイブリッド回路20の位相特性により、発振ループの周波数に対する位相の変化が大きくなり、発振器の位相雑音を低減することができる。
なお、第3端子23と伝送線路33との間にキャパシタを直列に接続し、第4端子24と伝送線路34の間にキャパシタを直列に接続したものとしても良い。
2つのキャパシタは、所定の周波数の入力電力を通過させて、かつ低周波数帯の電力を遮断するように動作する。これにより、不要な低周波数帯の電力の帰還を抑制することができる。
また、第3端子23と伝送線路33との間に直列共振回路を直列に接続し、第4端子24と伝送線路34の間に直列共振回路を直列に接続したものとしても良い。
直列共振回路は、キャパシタ、インダクタ、バラクタダイオード(可変容量素子)などで構成されており、所定の周波数で直列共振するようになっている。これにより、所定の周波数と異なる周波数の電力の帰還を抑制することができる。
また、直流電圧原70,71は、第1トランジスタ11、第2トランジスタ12及びバラクタダイオード41,42にバイアスを印加するものであれば良く、図7に示す構成に限定されない。テール電流源などの、第1トランジスタ11及び第2トランジスタ12に定電流を導通させる回路を用いても良い。
また、電力増幅用の第1トランジスタを、コレクタ端子を第1端子21に接続してベース端子を第4端子24に接続したバイポーラトランジスタで構成するとともに、第2トランジスタを、コレクタ端子を第2端子22に接続してベース端子を第3端子23に接続したバイポーラトランジスタで構成したものとしても良い。
また、電力増幅用の第1トランジスタや第2トランジスタの寄生容量などが周波数の設計に影響する場合は、発振周波数が所定の周波数となるように並列共振回路の共振周波数をずらした設計とするのは、従来の高周波発振器と同様である。
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
1,2 ドレイン端子、3,4 ゲート端子、5,6 伝送線路、11,11a 第1トランジスタ、12,12a 第2トランジスタ、20 180度ハイブリッド回路、21 第1端子、22 第2端子、23 第3端子、24 第4端子、30 90度ハイブリッド回路、30a,30b,30c,30d 伝送線路、31,32,33,34 伝送線路、35,36 キャパシタ、37,38 直列共振回路、41,42 バラクタダイオード、51,52 インダクタ、60 並列共振回路、70,71 直流電圧源、100,101 高周波回路、200 高周波発振器。

Claims (17)

  1. 第1端子から入力した入力波が逆相で出力される第2端子と、前記入力波が同相で出力される第3端子と、前記第1端子と電気的に分離された第4端子とを具備し、前記第1端子および前記第4端子を含む片側半分と前記第2端子および前記第3端子を含む他の片側半分とが線対称に配置してなる相反回路で構成された180度ハイブリッド回路と、
    前記第1端子および前記第4端子に接続した電力増幅用の第1トランジスタと、
    前記第2端子および前記第3端子に接続した電力増幅用の第2トランジスタと、
    を具備することを特徴とする高周波回路。
  2. 前記180度ハイブリッド回路は、
    前記入力波の周波数における波長の1/4長さの4本の伝送線路のそれぞれの先端部を接続してなるブランチラインカプラ型の90度ハイブリッド回路を具備し、
    前記90度ハイブリッド回路と前記第1端子とを前記波長の1/8長さの伝送線路を介して接続し、前記90度ハイブリッド回路と前記第2端子とを前記波長の1/8長さの伝送線路を介して接続し、前記90度ハイブリッド回路と前記第3端子とを前記波長の3/8長さの伝送線路を介して接続し、前記90度ハイブリッド回路と前記第4端子とを前記波長の3/8長さの伝送線路を介して接続してなる
    ことを特徴とする請求項1記載の高周波回路。
  3. 前記第3端子および前記第4端子に、キャパシタをそれぞれ直列に備えたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の高周波回路。
  4. 前記第3端子および前記第4端子に、前記入力波の周波数で直列共振する直列共振回路をそれぞれ直列に備えたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の高周波回路。
  5. 前記直列共振回路は、可変容量素子を具備することを特徴とする請求項4記載の高周波回路。
  6. 前記第1トランジスタのドレイン端子を前記第1端子に接続し、ゲート端子を前記第4端子に接続し、
    前記第2トランジスタのドレイン端子を前記第2端子に接続し、ゲート端子を前記第3端子に接続してなる
    ことを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載の高周波回路。
  7. 前記第1トランジスタのコレクタ端子を前記第1端子に接続し、ベース端子を前記第4端子に接続し、
    前記第2トランジスタのコレクタ端子を前記第2端子に接続し、ベース端子を前記第3端子に接続してなる
    ことを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載の高周波回路。
  8. 第1端子から入力した入力波が逆相で出力される第2端子と、前記入力波が同相で出力される第3端子と、前記第1端子と電気的に分離された第4端子とを具備し、前記第1端子および前記第4端子を含む片側半分と前記第2端子および前記第3端子を含む他の片側半分とが線対称に配置してなる相反回路で構成された180度ハイブリッド回路と、
    前記第1端子および前記第4端子に接続した電力増幅用の第1トランジスタと、
    前記第2端子および前記第3端子に接続した電力増幅用の第2トランジスタと、
    を具備することを特徴とする高周波発振器。
  9. 前記180度ハイブリッド回路は、
    前記入力波の周波数における波長の1/4長さの4本の伝送線路のそれぞれの先端部を接続してなるブランチラインカプラ型の90度ハイブリッド回路を具備し、
    前記90度ハイブリッド回路と前記第1端子とを前記波長の1/8長さの伝送線路を介して接続し、前記90度ハイブリッド回路と前記第2端子とを前記波長の1/8長さの伝送線路を介して接続し、前記90度ハイブリッド回路と前記第3端子とを前記波長の3/8長さの伝送線路を介して接続し、前記90度ハイブリッド回路と前記第4端子とを前記波長の3/8長さの伝送線路を介して接続してなる
    ことを特徴とする請求項8記載の高周波発振器。
  10. 前記第3端子および前記第4端子に、キャパシタをそれぞれ直列に備えたことを特徴とする請求項8または請求項9記載の高周波発振器。
  11. 前記第3端子および前記第4端子に、前記入力波の周波数で直列共振する直列共振回路をそれぞれ直列に備えたことを特徴とする請求項8または請求項9記載の高周波発振器。
  12. 前記直列共振回路は、可変容量素子を具備することを特徴とする請求項11記載の高周波発振器。
  13. 前記第1トランジスタのドレイン端子を前記第1端子に接続し、ゲート端子を前記第4端子に接続し、
    前記第2トランジスタのドレイン端子を前記第2端子に接続し、ゲート端子を前記第3端子に接続した
    ことを特徴とする請求項8から請求項12のうちのいずれか1項記載の高周波発振器。
  14. 前記第1トランジスタのコレクタ端子を前記第1端子に接続し、ベース端子を前記第4端子に接続し、
    前記第2トランジスタのコレクタ端子を前記第2端子に接続し、ベース端子を前記第3端子に接続した
    ことを特徴とする請求項8から請求項12のうちのいずれか1項記載の高周波発振器。
  15. 前記第1トランジスタのドレイン端子と前記第2トランジスタのドレイン端子との間に接続され、前記入力波の周波数で発振するように並列共振する並列共振回路を具備することを特徴とする請求項13記載の高周波発振器。
  16. 前記第1トランジスタのコレクタ端子と前記第2トランジスタのコレクタ端子との間に接続され、前記入力波の周波数で発振するように並列共振する並列共振回路を具備することを特徴とする請求項14記載の高周波発振器。
  17. 前記並列共振回路は、可変容量素子を具備することを特徴とする請求項15または請求項16記載の高周波発振器。
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