JPH10190417A

JPH10190417A - スタータブル・オシレータ

Info

Publication number: JPH10190417A
Application number: JP8347511A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Yamanaka; 勉彦山中
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1996-12-26
Filing date: 1996-12-26
Publication date: 1998-07-21

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の論理回路よりもはるかに速いトンネル・
ダイオードを使用して高い周波数で発振することも可能
であり、かつ発振周波数の安定度と精度を飛躍的に向上
し得るスタータブル・オシレータを実現する。【解決手段】トンネル・ダイオードの一端に制御入力端
子と、第1の伝送線路の一端およびコンデンサの一端を
接続し、前記トンネル・ダイオードおよび第1の伝送線
路のそれぞれの他端に互いに異なる電圧の定電圧源を接
続し、前記コンデンサの他端に、他端が開放された第2
の伝送線路を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、論理信号を受けて
発振を開始する発信器いわゆるスタータブル・オシレー
タに関し、特に発振周波数の安定度および精度の改良に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のスタータブル・オシレータの代表
的な構成の一例を図５に示す。図において、Ｖ0は発振
開始指令信号で、論理演算ＮＡＮＤを行う論理回路ＮＡ
の一方の入力端に入力される。Ｌは論理回路ＮＡの出力
端に接続されたディレー・ラインで、その終端は抵抗Ｒ
が接続されると共に論理回路ＮＡの入力端に接続されて
いる。なお、抵抗Ｒの他端には特定の電圧が印加されて
いる。

【０００３】このような構成において、図６（ａ）に示
すような発振開始指令信号Ｖ0を論理回路ＮＡに与える
と、論理回路ＮＡの出力Ｖ1（図６の（ｂ））が立ち下
がる。出力信号はディレー・ラインＬにより所定の時間
だけ遅れて入力に帰還される。これにより、出力は反転
する。

【０００４】以後同様の動作を繰り返し、ディレー・ラ
インＬによる遅れ時間間隔で論理回路ＮＡの出力は反転
を繰り返す。このような構成により、発振開始指令信号
Ｖ0を受けた後、所定の周波数で発振する発振信号を論
理回路ＮＡの出力端より得ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
スタータブル・オシレータにおいては次のような欠点が
ある。半導体（トランジスタ）からなる論理回路ＮＡの
遅れ時間や、論理回路ＮＡの２つの入力のハイ（ＨＩＧ
Ｈ）レベル，ロー（ＬＯＷ）レベルを判別するスレッシ
ョルド・レベル（図６（ｃ）のＶr）が温度変動するこ
とにより、発振周波数が変動する。また発振しはじめて
から２〜３周期経過した後でないと発振周波数は正確に
一定とならないという欠点があった。

【０００６】上記スレッショルド・レベルの変動による
周波数変動は、論理回路ＮＡの立ち上がり時間および立
ち下がり時間が極めて速い場合には影響がなく問題はな
いが、実際には２００〜５００ｐＳとそれほど速くない
ため、問題となる。

【０００７】現在一般に使用されている論理回路は、１
００ＭＨｚ以上の論理信号を計数する能力を持ってい
る。ところが、スタータブル・オシレータの発振周波数
は通常１０ＭＨｚであり、その発振周期の中には論理回
路ＮＡの遅れ時間を含んでいるため、発振周波数を上げ
れば上げる程発振周波数の変動が大きくなるという欠点
を持っていた。

【０００８】また、上記論理回路ＮＡの立ち上がり、立
ち下がり時間が長いことも上記変動を助長しており、か
つジッタを大きくもしている。

【０００９】本発明の目的は、このような点に鑑み、従
来の論理回路よりもはるかに速いトンネル・ダイオード
を使用して高い周波数で発振することも可能であり、か
つ発振周波数の安定度と精度を飛躍的に向上し得るスタ
ータブル・オシレータを実現しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明では、トンネル・ダイオードの一端に制
御入力端子と、第1の伝送線路の一端およびコンデンサ
の一端を接続し、前記トンネル・ダイオードおよび第1
の伝送線路のそれぞれの他端に互いに異なる電圧の定電
圧源を接続し、前記コンデンサの他端に、他端が開放さ
れた第2の伝送線路を接続してなることを特徴とする。

【００１１】

【作用】このような構成において、発振周期は伝送線路
Ｌ1の往復時間によって決まる。また、使用したトンネ
ル・ダイオードの遷移時間（立ち上がり時間）が極めて
速いため、ジッタのない発振出力信号を得ることができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図１は本発明に係るスタータブル・オシレー
タの一実施例を示す構成図である。図において、Ｄ1は
ダイオード、Ｄtはトンネル・ダイオード、Ｃ1はコンデ
ンサ、Ｌ0，Ｌ1は伝送線路（Ｌ0を第1の伝送線路、Ｌ1
を第2の伝送線路という）である。

【００１３】トンネル・ダイオードＤtのカソードはコ
モンラインに接続され、またアノードは伝送線路Ｌ0
（抵抗をＺ0とする）を介して電圧値Ｖwの電圧を有する
電源Ｖwに接続されている。トンネル・ダイオードＤtの
アノードにはまた、ダイオードＤ1を介して発振開始指
令信号Ｖ0が加えられると共に、コンデンサＣ1が接続さ
れている。コンデンサＣ1の他端には伝送線路Ｌ1（抵抗
をＺ1とする）が接続されている。なお、伝送線路Ｌ1の
他端は開放されている。

【００１４】ここで、電圧Ｖwは、発振開始指令信号
（以下制御電圧と呼ぶ）Ｖ0のローレベル電圧Ｖlowとハ
イレベル電圧Ｖhighの中間の電圧とする。また、説明を
単純にするために、ダイオードＤ1は理想ダイオードと
し、極く小さい順方向電圧によっても順方向電流が流れ
るものとする。

【００１５】さらに、図２のトンネル・ダイオードＤt
の特性図に示すように、動作曲線Ｉd（Ｖf）のＶf＝Ｖw
の点をＷとし、Ｗ点はＩd（Ｖf）のカーブの頂点Ｐの手
前にあるものとする。

【００１６】Ｖfが徐々に大きくなっていったとき、制
御電圧Ｖ0がＶwを越えると、ダイオードＤ1に電流が流
れ始める。したがってトンネル・ダイオードＤtのアノ
ード電位は上昇し始めるが、その変化電圧が伝送線路Ｌ
0に入射し、その反射波が返って来るまでの間は変化電
圧に対して伝送線路Ｌ0は抵抗Ｚ0と等価である。

【００１７】そのため、動作点はＷからＰに移り、更に
Ｖ0がわずかに上昇するとトンネル・ダイオードＤtの動
作点は図中のＸに移る。このときのＷとＸとを結ぶ図中
の点線の傾斜の逆数は伝送線路の抵抗Ｚ0とＺ1の並列抵
抗である。

【００１８】このとき、Ｖ0のハイレベル電圧Ｖhighは
Ｐ点におけるＶfの値よりも少し高く選んであるので、
トンネル・ダイオードＤtの動作点がＸ点に移った後は
ダイオードＤ1のカソード電位はアノード電位Ｖhighよ
りも高くなってしまい、トンネル・ダイオードＤtはＯ
ＦＦとなる。

【００１９】ＶfがＶwからＶxに変化するとトンネル・
ダイオードＤtのアノードに接続されているコンデンサ
Ｃ1に時定数Ｃ1×Ｚ1で充電が行われる。その充電が終
了するのにつれてＶfがやゝ上昇し（図３（ａ）の矢印
Ａで示す部分）、動作点としては図２のＸ点よりもやゝ
上の点Ｘ’で安定する。

【００２０】ただし、この安定状態は、ＶfがＶwからＶ
xに変化した変化電圧（Ｖx−Ｖw＝ΔＶtとなる）がＬ0
に進入し、電源Ｖw（急激な変化に対しても十分ロー・
インピーダンスであることを前提とする）で×（−１）
の反射が行われ、いっときの安定状態Ｘ’で安定してい
たトンネル・ダイオードＤtに−ΔＶtの反射波（図３
（ａ）の点線）が返って来るまでの間である。

【００２１】また、伝送線路Ｌ1の往復時間は伝送線路
Ｌ0の往復時間よりも十分長いものとする。上記反射波
（−ΔＶt）がトンネル・ダイオードＤtに到達すると、
トンネル・ダイオードＤtはその反射波に対して電流を
供給するのでトンネル・ダイオードＤtの動作点はＸ’
からＱを越えＷ’側に移る。

【００２２】このときＶfは急に低下するのでコンデン
サＣ1に負の充電電流が時定数Ｃ1×Ｚ1の波形で流れ
る。コンデンサＣ1の上記正と負の充電電流によって伝
送線路Ｌ1の入力端の電圧Ｖ1は図３（ｂ）の実線のよう
になる。

【００２３】トンネル・ダイオードＤtは直流的には抵
抗ゼロで電源Ｖwに接続されているので、Ｗ’側に移っ
た後何回かの反射を繰り返してＶfはＶwとなる。このよ
うにして最初のパルス発生が終わる。

【００２４】以下は２番目のパルス発生に関する説明で
ある。図３は伝送線路Ｌ1の往復時間が伝送線路Ｌ0の往
復時間の３倍である場合の波形図である。図３（ｂ）の
実線の波形が伝送線路Ｌ1に入力されると、伝送線路Ｌ1
の他端は開放しているため×（＋１）の反射が行われ、
点線のような反射波が伝送線路Ｌ1の入力端に返って来
る。

【００２５】すると、伝送線路Ｌ1はコンデンサＣ1を介
してトンネル・ダイオードＤtに電流を供給するので、
トンネル・ダイオードＤtは動作点ＷからＰを越えＸ側
に移る。これによりＶfの急激な上昇によって最初のパ
ルス発生時の動作と同様に変化電圧ΔＶtを伝送線路Ｌ0
に送り出すと同時に、コンデンサＣ1を介して図３
（ｂ）の点線とほぼ同波形の正のパルス電圧を伝送線路
Ｌ1に対して進行波として送り出す。

【００２６】同図（ｂ）の点線の負のパルス状の反射波
（矢印Ｂ）は、動作点をＸ’からＷ’側に移そうとする
伝送線路Ｌ0の反射波（−ΔＶt）の働きを助ける。その
ため、Ｖfは急激に下がり、同図点線の矢印Ｂとほぼ同
波形の負のパルス電圧を伝送線路Ｌ1に進行波として送
り出す。上記の正と負のパルス波が伝送線路Ｌ1から戻
って来たとき、図３（ａ）の波形を繰り返す。

【００２７】この発振周期は伝送線路Ｌ1の往復時間と
トンネル・ダイオードＤtの応答時間とによって決まる
が、トンネル・ダイオードＤtは極めて高速であり、中
でも共鳴トンネル・ダイオード（ＲＴＤ）の遷移時間
（立ち上がり時間）は２〜５ｐＳと極めて高速であるの
で、応答時間は全く問題にならないと言ってよい。

【００２８】つまり、伝送線路Ｌ1の伝送時間のみによ
って決まるスタータブル・オシレータを作ることができ
る。また、同様にトンネル・ダイオードＤtの遷移時間
が極めて速いため、ジッタはほとんどない。

【００２９】前述の説明において、「上記反射波（−Δ
Ｖt）がトンネル・ダイオードＤtに到達すると、トンネ
ル・ダイオードＤtはその反射波に対して電流を供給す
るのでトンネル・ダイオードＤtの動作点はＸ’からＱ
を越えＷ’側に移る。」と述べたが、主に伝送線路Ｌ0
の抵抗Ｚ0の値によっては、Ｗ’よりも低い点（０Ｖ近
傍）に行ったり、Ｗ点に近い点に行ったり、あるいは最
初の反射波ではＱを越えられなかったりする。

【００３０】また、ダイオードＤ1に関しては、「トン
ネル・ダイオードＤtの動作点がＸ点に移った後はダイ
オードＤ1のカソード電位はアノード電位Ｖhighよりも
高くなってしまい、トンネル・ダイオードＤtはＯＦＦ
となる。」と説明した。しかしながら、トンネル・ダイ
オードＤtがＸ’からＷ’側に移るときは、制御電圧Ｖ0
がハイレベルのままではトンネル・ダイオードＤtはＯ
Ｎになってしまい、トンネル・ダイオードＤtの動作点
に影響を与えてしまう。

【００３１】しかしながら、このような問題は、伝送線
路Ｌ0の反射波（−ΔＶt）が返って来る前にＶ0をロー
レベルにしてしまう等の対策により容易に解決すること
ができる。

【００３２】なお、本発明の以上の説明は、説明および
例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎな
い。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの
変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。

【００３３】例えば次のような変更・変形が可能であ
る。（１）図１におけるダイオードＤ1は、発振を始めると
きトンネル・ダイオードＤtの動作点がＰを越えるため
に電流を供給するためだけの働きであるので、適当な値
の抵抗や容量素子に置き換えることもできる。

【００３４】（２）同様に制御入力端に正のパルス電流
源を接続すれば、ダイオードＤ1あるいはそれに代わる
抵抗や容量素子は不要となる。（３）図１において、図４に示すように伝送線路Ｌ0と
トンネル・ダイオードＤtとの間に小さな抵抗値を有す
る固定抵抗ｒ0を挿入すると、動作がより安定する。

【００３５】（４）図４に示すような構成とする。すな
わち、伝送線路Ｌ1を境に左右同形となるような構成と
する。そしてこの場合、伝送線路Ｌ0とＬ2（Ｌ2を第3の
伝送線路と呼ぶ）のそれぞれの長さと特性インピーダン
スを同一値に選び、かつトンネル・ダイオードＤt2（
Ｄtと区別するために第2のトンネル・ダイオードとい
う）としてはその動作曲線がトンネル・ダイオードＤt
（Ｄt2と区別するために第1のトンネル・ダイオードと
いう）とほぼ同一であるものを使用し、また、ｒ2＝ｒ0
（ｒ0を第1の固定抵抗、ｒ2を第2の固定抵抗という），
Ｃ2＝Ｃ1（Ｃ1を第1のコンデンサ、Ｃ2を第2のコンデン
サという）とする。

【００３６】図４の伝送線路Ｌ1の右端に到来した図３
（ｂ）のパルス電圧（ただし、図３（ｂ）の実線のパル
ス電圧よりも伝送線路Ｌ1の片道時間だけ遅れている）
によってトンネル・ダイオードＤt2の動作点は図２のＷ
点からＰ点を越えＸ点に移り、トンネル・ダイオードＤ
tと伝送線路Ｌ0の動作と全く同様に伝送線路Ｌ2の反射
波でトンネル・ダイオードＤt2はＸ’からＷ’に移る。

【００３７】そのトンネル・ダイオードＤt2のアノード
電圧はコンデンサＣ2で微分され、伝送線路Ｌ1の片道時
間後に図３（ｂ）の点線の波形とほとんど同一の波形が
伝送線路Ｌ1の左端に到達する。

【００３８】つまり、コンデンサＣ2を通してわずかな
電流をトンネル・ダイオードＤt2に供給すれば、そのア
ノード電圧は図３（ａ）のようになり（ただし、伝送線
路Ｌ1の片道時間だけ遅れている）、コンデンサＣ2によ
って微分されたパルス電圧も図１のように伝送線路Ｌ1
の右端が開放のときに反射電圧波形と同一になる。

【００３９】要するに、上記伝送線路Ｌ1の右端へ到来
したパルス電圧とほぼ同一波形の電圧を伝送線路Ｌ1の
左端に向けて反射するので、図４の点線（伝送線路Ｌ1
とコンデンサＣ2）を接続した回路は、図１の伝送線路
Ｌ1の右端を開放したのとほぼ等価であり、ほぼ同一の
動作となる。

【００４０】（５）トンネル・ダイオードＤtのカソー
ドは必ずしもコモンライン（アース）に接続する必要は
ない。例えば、カソードを−Ｖwの電源に接続し、伝送
線路Ｌ0の上端を接地してもよい。要するに、トンネル
・ダイオードＤtのカソードに接続する電圧源と伝送線
路Ｌ0の上端に接続する電圧源との電圧差がＶwになれば
よい。

【００４１】（６）発振指令の信号を受ける前にトンネ
ル・ダイオードＤtの動作点がＶxで待機するようにし
て、発振指令信号を負のパルスにすればトンネル・ダイ
オードＤtのアノード電圧はＶxからＶw側になり、伝送
線路Ｌ0の往復時間後にＶx側に戻って図３の波形とは相
反となる（その場合、当然ダイオードＤ1の接続はアノ
ードとカソードを逆に接続しなければならない）。

【００４２】（７）トンネル・ダイオードＤtにその一
種である共鳴トンネル・ダイオード（ＲＴＤ）を使う
と、その動作曲線はＶfが負の領域でも図２と同じ形の
（ただし、０点について点対称の）電流Ｉdであるの
で、アノードを負の領域で使うこともできる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ト
ンネル・ダイオードを使って高い周波数での発振を可能
とすると共に、発振周波数の安定度、精度を容易に向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスタータブル・オシレータの一実
施例を示す構成図

【図２】トンネル・ダイオードの動作曲線

【図３】各部の波形図

【図４】本発明の他の実施例図

【図５】従来のスタータブル・オシレータの一例を示す
図

【図６】図５における各部の波形図である。

【符号の説明】

Ｄ1 ダイオードＤt，Ｄt2 トンネル・ダイオードＬ0，Ｌ1，Ｌ2 伝送線路Ｃ1，Ｃ2 コンデンサｒ0，ｒ2 抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネル・ダイオードの一端に制御入力端
子と、第1の伝送線路の一端およびコンデンサの一端を
接続し、前記トンネル・ダイオードおよび第1の伝送線路のそれ
ぞれの他端に互いに異なる電圧の定電圧源を接続し、前記コンデンサの他端に、他端が開放された第2の伝送
線路を接続してなるスタータブル・オシレータ。
【請求項２】前記トンネル・ダイオードと第1の伝送線
路の間に固定抵抗を挿入したことを特徴とする請求項１
記載のスタータブル・オシレータ。
【請求項３】前記第2の伝送線路の開放端に第2のコンデ
ンサを接続し、第2のトンネル・ダイオードの一端に前記第2のコンデン
サの他端を接続すると同時に第2の固定抵抗を介して第3
の伝送線路を接続し、前記第2のトンネル・ダイオードおよび第３の伝送線路
のそれぞれの他端に互いに異なる電圧の定電圧源を接続
し、前記トンネル・ダイオードと第2のトンネル・ダイオー
ドの特性が同一であり、前記第1および第3の伝送線路の
長さと特性インピーダンスが同一であり、前記２つの固
定抵抗の抵抗値が等しくし、また前記２つのコンデンサ
の容量が等しくなるように構成してなる請求項２記載の
スタータブル・オシレータ。