特許 7601198 電圧制御発振器およびバイアス生成回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】電圧制御発振器およびバイアス生成回路

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/18 20060101AFI20241210BHJP

【ＦＩ】

H03B5/18

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023500231

(86)(22)【出願日】2021-02-18

(86)【国際出願番号】 JP2021006159

(87)【国際公開番号】W WO2022176117

(87)【国際公開日】2022-08-25

【審査請求日】2023-06-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100121669

【弁理士】

【氏名又は名称】本山 泰

(72)【発明者】

【氏名】徐 照男

(72)【発明者】

【氏名】長谷 宗彦

(72)【発明者】

【氏名】野坂 秀之

【審査官】石田 昌敏

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００２／０１４９４３１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００９／００７２９１６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００５／００９３６３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２１／００５６７９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｂ ５／００－ ５／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の単位セルと第１のコンデンサと前記第１の単位セルに接続する伝送線路とが接続する第１の開ループと、第２の単位セルと第２のコンデンサと前記第２の単位セルに接続する伝送線路と前記第１の単位セルに接続する伝送線路が接続する第２の開ループとを備え、前記第１の開ループと前記第２の開ループとの少なくともいずれかにより発振する電圧制御発振器であって、
前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの間に、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルと並列に接続される補償用単位セルと、
前記補償用単位セルに接続する第３のコンデンサと
を備え、
前記第１の単位セルと、前記第２の単位セルと、前記補償用単位セルとが増幅器であり、
前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとに対称的な電圧が供給され、
前記補償用単位セルに固定バイアスが供給され、
前記補償用単位セルが、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる利得を補償することにより、前記発振が持続されることを特徴とする電圧制御発振器。

【請求項2】

第１の単位セルと、
前記第１の単位セルと並列に接続される第２の単位セルと、
前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの間に、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルと並列に接続される補償用単位セルと、
前記第１の単位セルと前記第２の単位セルと前記補償用単位セルの電源電圧用端子と、
出力端子と、
前記第１の単位セルの前記電源電圧用端子側に接続される第１のコンデンサと、
前記第２の単位セルの前記電源電圧用端子側に接続される第２のコンデンサと、
前記補償用単位セルの前記電源電圧用端子側に接続される第３のコンデンサと、
前記第１の単位セルと前記補償用単位セルとの間で、前記出力端子側と前記電源電圧用端子側それぞれに並列に接続される伝送線路と、
前記第２の単位セルと前記補償用単位セルとの間で、前記出力端子側と前記電源電圧用端子側それぞれに並列に接続される伝送線路と、
前記第２の単位セルの前記出力端子側と前記電源電圧用端子側それぞれに接続される伝送線路と、
前記電源電圧用端子に接続される入力終端抵抗とを備え、
前記第１の単位セルと、前記第２の単位セルと、前記補償用単位セルとが増幅器であり、
前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとに対称的な電圧が供給され、
前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる発振が生じ、
前記補償用単位セルに固定バイアスが供給され、
前記補償用単位セルが、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる利得を補償することにより、前記発振が持続されることを特徴とする電圧制御発振器。

【請求項3】

順に、出力端子と、
第１の伝送線路と、
第２の伝送線路と、
第３の伝送線路と、
第４の伝送線路と、
第５の伝送線路と、
第６の伝送線路と、
第７の伝送線路と、
第８の伝送線路と、
第９の伝送線路と、
入力終端抵抗と
を備え、
第１の単位セルと、
第２の単位セルと、
補償用単位セルと、
第１のコンデンサと
第２のコンデンサと、
第３のコンデンサと
を備え、
前記第３の伝送線路と前記第４の伝送線路との間と、前記第６の伝送線路と前記第７の伝送線路との間に、前記第１の単位セルと、前記第１のコンデンサとが直列に接続され、
前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路との間と、前記第８の伝送線路と前記第９の伝送線路との間に、前記第２の単位セルと、前記第２のコンデンサとが直列に接続され、
前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路との間と、前記第７の伝送線路と前記第８の伝送線路との間に、前記補償用単位セルと、前記第３のコンデンサとが直列に接続され、
前記第１の単位セルと、前記第２の単位セルと、前記補償用単位セルとが増幅器であり、
前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとに対称的な電圧が供給され、
前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる発振が生じ、
前記補償用単位セルに固定バイアスが供給され、
前記補償用単位セルが、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる利得を補償することにより、前記発振が持続されることを特徴とする電圧制御発振器。

【請求項4】

順に、出力端子と、
第４の伝送線路と、
第３の伝送線路と、
第２の伝送線路と、
第１の伝送線路と、
第５の伝送線路と、
第６の伝送線路と、
第７の伝送線路と、
第８の伝送線路と、
第９の伝送線路と、
入力終端抵抗と
を備え、
第１の単位セルと、
第２の単位セルと、
補償用単位セルと、
第１のコンデンサと
第２のコンデンサと、
第３のコンデンサと
を備え、
前記第３の伝送線路と前記第４の伝送線路との間と、前記第６の伝送線路と前記第７の伝送線路との間に、前記第１の単位セルと、前記第１のコンデンサとが直列に接続され、
前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路との間と、前記第８の伝送線路と前記第９の伝送線路との間に、前記第２の単位セルと、前記第２のコンデンサとが直列に接続され、
前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路との間と、前記第７の伝送線路と前記第８の伝送線路との間に、前記補償用単位セルと、前記第３のコンデンサとが直列に接続され、
前記第１の単位セルと、前記第２の単位セルと、前記補償用単位セルとが増幅器であり、
前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとに対称的な電圧が供給され、
前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる発振が生じ、
前記補償用単位セルに固定バイアスが供給され、
前記補償用単位セルが、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる利得を補償することにより、前記発振が持続されることを特徴とする電圧制御発振器。

【請求項5】

前記伝送線路の特性インピーダンスが、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルと前記補償用単位セルそれぞれの入出力寄生容量と、前記入力終端抵抗と整合されることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の電圧制御発振器。

【請求項6】

前記第１の単位セルと前記第２の単位セルと前記補償用単位セルそれぞれが、
第１のトランジスタと、
前記第１のトランジスタに直列に接続される第２のトランジスタとを備え、
前記第１のトランジスタのベースが抵抗を介してバイアス端子に接続されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電圧制御発振器。

【請求項7】

前記補償用単位セルのトランジスタのサイズが、前記第１の単位セルのトランジスタのサイズより大きいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電圧制御発振器。

【請求項8】

前記補償用単位セルのトランジスタのサイズが、前記第１の単位セルのトランジスタのサイズの２倍であることを特徴とする請求項７に記載の電圧制御発振器。

【請求項9】

前記第２の単位セルの出力端子および電源電圧端子側に、第２の補償用単位セルが配置されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の電圧制御発振器。

【請求項10】

請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の電圧制御発振器において、前記第１の単位セルに入力される電圧を前記第２の単位セルに出力するバイアス生成回路であって、
トランジスタと、
前記トランジスタのエミッタに接続されるエミッタ抵抗と、
前記トランジスタのコレクタに接続されるコレクタ抵抗と、
前記トランジスタのベースに接続される容量と、
前記トランジスタと前記エミッタ抵抗と並列に接続される、直列接続された２つの抵抗と
を備えるバイアス生成回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、広帯域で動作する電圧制御発振器およびバイアス生成回路に関する。

【背景技術】

【0002】

周波数の可変レンジが広い電圧制御発振器（Ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ、 以下、「ＶＣＯ」という。）は、光通信や無線通信、レーダ等の様々なアプリケーションで必要とされている。高い中心周波数および広い可変レンジを実現できるＶＣＯのアーキテクチャとして、図７に示すリバースゲインモードの分布型（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ）ＶＣＯが提案されている（非特許文献１）。

【0003】

基本構成は、分布型増幅回路（以下、「分布アンプ」という。）をベースとしており、例えば、複数の単位セル５１、５２と伝送線路５３＿１～５３＿７、入力終端抵抗５４から構成される。従来では、隣り合う一対（２個）の単位セル５１、５２を用いて、両者に与えるバイアス電圧を対称的に変化させることにより、信号が伝搬するループの時定数を変化させ、発振周波数を変化させることが可能である。

【0004】

ここで、「対称的に変化させる」とは、一方の単位セルに供給するバイアス電圧を増加させ、この増加させた電圧分、他方に供給するバイアス電圧を減少させることをいう。換言すれば、一方の単位セルに供給するバイアス電圧と他方に供給するバイアス電圧との和が一定になるように、両方の単位セルに供給するバイアス電圧を変化させることをいう。

【0005】

発振周波数は、以下の通り、決定される。図７に示すように、単位セル（１）５１が完全なＯＮ状態（利得特性が最も高い状態）となるようにバイアス端子５５＿１に高い電圧Ｖｂ１を与え、単位セル（２）５２が完全なＯＦＦ状態（利得特性が最も低い状態）となるようにバイアス端子５５＿２に低い電圧Ｖｂ２を与える。このとき、図中、点線矢印で示すように、短いループが形成され、ＶＣＯの発振周波数は最高発振周波数ｆｍａｘとなる（図中、５＿１）。

【0006】

一方、単位セル（１）５１が完全なＯＦＦ状態となるようにバイアス端子５５＿１に低い電圧Ｖｂ１を与え、単位セル（２）５２が完全なＯＮ状態となるようにバイアス端子５５＿２に高い電圧Ｖｂ２を与える。このとき、図中、点線矢印で示すように、長いループが形成され、ＶＣＯの出力は最低発振周波数ｆｍｉｎとなる（図中、５＿２）。

【0007】

この構成において、単位セル（１）５１と単位セル（２）５２の状態を、ＯＮとＯＦＦの中間となるようにバイアス端子５５＿１とバイアス端子５５＿２に対称的に電圧を与えることによって、ＶＣＯの発振周波数をｆｍｉｎからｆｍａｘの間で連続的に変化させることが可能である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0008】

【文献】Acampora, A., A. Collado, and A. Georgiadis. "Nonlinear analysis and optimization of a distributed voltage controlled oscillator for cognitive radio." 2010 IEEE International Microwave Workshop Series on RF Front-ends for Software Defined and Cognitive Radio Solutions (IMWS). IEEE, 2010.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、従来の構成においてバイアス端子５５＿１とバイアス端子５５＿２の電圧が共に中間電位の場合、発振が停止する可能性がある。

【0010】

図８は、従来の構成において、バイアス端子５５＿１とバイアス端子５５＿２の電圧を変化させた時の発振周波数および出力パワーのシミュレーション結果である。バイアス端子５５＿１の電圧Ｖｂ１が－２．９Ｖ～－２．８Ｖ、バイアス端子５５＿２の電圧Ｖｂ２が－２．８Ｖ～－２．９Ｖの領域で、発振が停止する。

【0011】

発振が止まる原因は、以下の通り、開ループ特性を用いて説明できる。一般的に、発振が持続する条件として、開ループの位相回転が３６０度となる周波数において、利得が０ｄＢ以上である必要がある。

【0012】

図９に、発振が持続する場合（バイアス端子５５＿１とバイアス端子５５＿２の電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２がそれぞれ－３．４Ｖと－２．３Ｖの場合、図中実線）と、発振が停止する場合（バイアス端子５５＿１とバイアス端子５５＿２の電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２がそれぞれ－２．９Ｖと－２．８Ｖの場合、図中破線）における開ループ特性を示す。開ループ特性において、バイアスを印加することにより利得と位相が変化して、発振状態になる。ここで、バイアスの変化により発振周波数が変化する。

【0013】

発振が持続する場合（Ｖｂ１＝－３．４Ｖ、Ｖｂ２＝－２．３Ｖ）、位相は、周波数の増加に伴い回転して、周波数が７０ＧＨｚ程度で３６０度になる。また、利得は、周波数の増加に伴い減少して、周波数が７０ＧＨｚ程度のときに４ｄＢ程度である。このように、 位相が３６０度となる周波数の利得が、０（零）ｄＢ以上である。

【0014】

一方、発振が停止する場合（Ｖｂ１＝－２．９Ｖ、Ｖｂ２＝－２．８Ｖ）、位相は、周波数の増加に伴い回転して、周波数が１００ＧＨｚ程度で３６０度になる。また、利得は、周波数の増加に伴い減少して、周波数が５５ＧＨｚ程度で０（零）ｄＢになり、周波数が１００ＧＨｚ程度のときに０（零）ｄＢ以下になる。

【0015】

このように、位相が３６０度となる周波数の利得が、発振が持続する場合には０ｄＢ以上であることに対して、発振が停止する場合には０ｄＢ以下である。

【0016】

したがって、バイアス電圧によって発振が停止するコンディションを有する発振器は、ｆｍｉｎからｆｍａｘまで周波数を連続的に変化させることができなくなるため、可変レンジ（周波数帯域）が狭くなるという課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上述したような課題を解決するために、本発明に係る電圧制御発振器は、第１の単位セルと第１のコンデンサと前記第１の単位セルに接続する伝送線路とが接続する第１の開ループと、第２の単位セルと第２のコンデンサと前記第２の単位セルに接続する伝送線路と前記第１の単位セルに接続する伝送線路が接続する第２の開ループとを備え、前記第１の開ループと前記第２の開ループとの少なくともいずれかにより発振する電圧制御発振器であって、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの間に、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルと並列に接続される補償用単位セルと、前記補償用単位セルに接続する第３のコンデンサとを備え、前記第１の単位セルと、前記第２の単位セルと、前記補償用単位セルとが増幅器であり、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとに対称的な電圧が供給され、前記補償用単位セルに固定バイアスが供給され、前記補償用単位セルが、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる利得を補償することにより、前記発振が持続されることを特徴とする。
また、本発明に係る電圧制御発振器は、第１の単位セルと、前記第１の単位セルと並列に接続される第２の単位セルと、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの間に、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルと並列に接続される補償用単位セルと、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルと前記補償用単位セルの電源電圧用端子と、出力端子と、前記第１の単位セルの前記電源電圧用端子側に接続される第１のコンデンサと、前記第２の単位セルの前記電源電圧用端子側に接続される第２のコンデンサと、前記補償用単位セルの前記電源電圧用端子側に接続される第３のコンデンサと、前記第１の単位セルと前記補償用単位セルとの間で、前記出力端子側と前記電源電圧用端子側それぞれに並列に接続される伝送線路と、前記第２の単位セルと前記補償用単位セルとの間で、前記出力端子側と前記電源電圧用端子側それぞれに並列に接続される伝送線路と、前記第２の単位セルの前記出力端子側と前記電源電圧用端子側それぞれに接続される伝送線路と、前記電源電圧用端子に接続される入力終端抵抗とを備え、前記第１の単位セルと、前記第２の単位セルと、前記補償用単位セルとが増幅器であり、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとに対称的な電圧が供給され、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる発振が生じ、前記補償用単位セルに固定バイアスが供給され、前記補償用単位セルが、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる利得を補償することにより、前記発振が持続されることを特徴とする。
また、本発明に係る電圧制御発振器は、順に、出力端子と、第１の伝送線路と、第２の伝送線路と、第３の伝送線路と、第４の伝送線路と、第５の伝送線路と、第６の伝送線路と、第７の伝送線路と、第８の伝送線路と、第９の伝送線路と、入力終端抵抗とを備え、第１の単位セルと、第２の単位セルと、補償用単位セルと、第１のコンデンサと第２のコンデンサと、第３のコンデンサとを備え、前記第３の伝送線路と前記第４の伝送線路との間と、前記第６の伝送線路と前記第７の伝送線路との間に、前記第１の単位セルと、前記第１のコンデンサとが直列に接続され、前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路との間と、前記第８の伝送線路と前記第９の伝送線路との間に、前記第２の単位セルと、前記第２のコンデンサとが直列に接続され、前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路との間と、前記第７の伝送線路と前記第８の伝送線路との間に、前記補償用単位セルと、前記第３のコンデンサとが直列に接続され、前記第１の単位セルと、前記第２の単位セルと、前記補償用単位セルとが増幅器であり、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとに対称的な電圧が供給され、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる発振が生じ、前記補償用単位セルに固定バイアスが供給され、前記補償用単位セルが、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる利得を補償することにより、前記発振が持続されることを特徴とする。
また、本発明に係る電圧制御発振器は、順に、出力端子と、第４の伝送線路と、第３の伝送線路と、第２の伝送線路と、第１の伝送線路と、第５の伝送線路と、第６の伝送線路と、第７の伝送線路と、第８の伝送線路と、第９の伝送線路と、入力終端抵抗とを備え、第１の単位セルと、第２の単位セルと、補償用単位セルと、第１のコンデンサと第２のコンデンサと、第３のコンデンサとを備え、前記第３の伝送線路と前記第４の伝送線路との間と、前記第６の伝送線路と前記第７の伝送線路との間に、前記第１の単位セルと、前記第１のコンデンサとが直列に接続され、前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路との間と、前記第８の伝送線路と前記第９の伝送線路との間に、前記第２の単位セルと、前記第２のコンデンサとが直列に接続され、前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路との間と、前記第７の伝送線路と前記第８の伝送線路との間に、前記補償用単位セルと、前記第３のコンデンサとが直列に接続され、前記第１の単位セルと、前記第２の単位セルと、前記補償用単位セルとが増幅器であり、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとに対称的な電圧が供給され、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる発振が生じ、前記補償用単位セルに固定バイアスが供給され、前記補償用単位セルが、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの少なくともいずれかによる利得を補償することにより、前記発振が持続されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、発振周波数帯域が広い電圧制御発振器およびバイアス生成回路を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1A】図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る電圧制御発振器の構成を示す回路図である。

【図1B】図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る電圧制御発振器における単位セルの構成を示す回路図である。

【図2】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る電圧制御発振器の動作を説明するための図である。

【図3】図３は、本発明の第１の実施の形態に係る電圧制御発振器の動作を説明するための図である。

【図4】図４は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る電圧制御発振器の構成を示す回路図である。

【図5】図５は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る電圧制御発振器の構成を示す回路図である。

【図6】図６は、本発明の第２の実施の形態に係る電圧制御発振器におけるバイアス生成回路の構成を示す回路図である。

【図7】図７は、従来の電圧制御発振器の動作を説明するための図である。

【図8】図８は、従来の電圧制御発振器の動作を説明するための図である。

【図9】図９は、従来の電圧制御発振器の動作を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係る電圧制御発振器について図１Ａ～図３を参照して説明する。

【0021】

＜電圧制御発振器の構成＞
本実施の形態に係る電圧制御発振器１は、分布型電圧制御発振器（ＶＣＯ）であり、図１Ａに示すように、バイアス端子１４＿１を有する第１の単位セル１１と、バイアス端子１４＿２を有する第２の単位セル１２と、補償用単位セル１３と、伝送線路（ＴＬ１～ＴＬ９）１６＿１～１６＿９と、入力終端抵抗１７とを備える。

【0022】

ここで、第１の単位セル１１と第２の単位セル１２が、伝送線路を介して並列に接続され、補償用単位セル１３が、第１の単位セル１１と第２の単位セル１２との間に並列に接続される。第１の単位セル１１と第２の単位セル１２と補償用単位セル１３それぞれにＡＣカップリングコンデンサ１５＿１～１５＿３が接続される。

【0023】

また、バイアス端子１４＿１に電圧Ｖｂ１が印加され、バイアス端子１４＿２に電圧Ｖｂ２が印加される。また、補償用単位セル１３には、常時作動状態（ＯＮ）になるように電圧が供給される（固定バイアス状態）。

【0024】

また、各単位セルの電源電圧ＶＣＣ用の端子１８に入力終端抵抗１７が接続され、入力終端抵抗１７の一端から各単位セルの電源電圧ＶＣＣが供給される。

【0025】

また、出力端子１９より発振信号が出力される。

【0026】

第１の単位セル１１と第２の単位セル１２と補償用単位セル１３それぞれの回路構成には、例えば、図１Ｂに示すようにカスコード接続回路を用いる。カスコード接続回路では、２つのトランジスタ１１１、１１２が直列に接続され、一方のトランジスタ１１１のエミッタに電圧ＶＥＥが供給され、ベースがＶｉｃ端子に接続され、抵抗１１３を介してＶｂ１用バイアス端子１４＿１に接続される。他方のトランジスタ１１２では、ベースに電圧Ｖｃａｓが入力され、コレクタにＶｉｏ端子が接続される。このカスコード接続回路により、ミラー効果を軽減させ、開ループの利得特性を向上させることが可能である。

【0027】

第１の単位セル１１と第２の単位セル１２と補償用単位セル１３の回路構成は、これに限らず、１つのトランジスタを用いた増幅回路でもよい。

【0028】

また、各伝送線路（ＴＬ１～９）１６＿１～１６＿９の特性インピーダンスが、各単位セルの入出力寄生容量を含めて、入力終端抵抗１７と整合される。

【0029】

また、各単位セルの電圧ＶＣＣが入力終端抵抗１７の一端から供給される。

【0030】

電圧制御発振器１において、第１の単位セル１１と第２の単位セル１２とに供給するバイアスが対称的に変化させる。すなわち、一方の単位セル（例えば、第１の単位セル１１）に供給するバイアス電圧を増加させ、この増加させた電圧分、他方の単位セル（例えば、第２の単位セル１２）に供給するバイアス電圧を減少させる。このとき、第１の単位セル１１と第２の単位セル１２とに供給するバイアス電圧の和が一定になる。

【0031】

また、補償用単位セル１３は、常時ＯＮ状態となるようにバイアス電圧（固定バイアス）を印加されたトランジスタを備える。補償用単位セル１３によって利得特性を向上させ、単位セルの利得が共に減少する中間電位の場合でも、発振を持続させることが可能となる。

【0032】

本実施の形態に係る電圧制御発振器によれば、ｆｍｉｎからｆｍａｘまで連続的に周波数を変化させることが可能になり、可変レンジ（周波数帯域）を広げることが可能である。

【0033】

＜電圧制御発振器の動作＞
図２に、電圧制御発振器１における、発振周波数と出力パワーとの電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２依存性を示す。この電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２依存性は、シミュレーションにより得られる。従来の構成で発振が停止していたバイアス条件においても発振が持続し、ｆｍｉｎ～ｆｍａｘの間で発振周波数が連続的に変化する。

【0034】

図３に、電圧制御発振器（分布型ＶＣＯ）１の開ループ特性を示す。従来の構成では、発振が停止するバイアス条件（Ｖｂ１＝－２．９Ｖ、Ｖｂ２＝－２．８Ｖ、図中破線）において、位相回転が３６０度の周波数の利得が０ｄＢ以下であった。

【0035】

一方、電圧制御発振器１では、同様のバイアス条件下で、位相回転が３６０度のとき、利得は１ｄＢ程度であり０ｄＢ以上である。

【0036】

このように、電圧制御発振器１では、補償用単位セル１３により、第１の単位セル１１又は第２の単位セル１２による利得を補償して利得を０ｄＢ以上にすることができるので、発振を維持できる。この構成を用いることにより可変レンジ（周波数を変化できる範囲）を従来の７ＧＨｚから３８ＧＨｚに拡張することができる。

【0037】

本実施の形態に係る電圧制御発振器によれば、ｆｍｉｎからｆｍａｘまで連続的に周波数を変化させることが可能になり、可変レンジを広げることが可能である。

【0038】

また、ＶＣＣを入力終端抵抗から与えることにより、従来必要だったＶＣＣ供給用のインダクタを省くことが可能である。

【0039】

さらに、各伝送線路（ＴＬ１～９）の特性インピーダンスを、各伝送線路に接続される単位セルの入出力寄生容量を含めて、入力終端抵抗と整合させることにより、多重反射を防ぎ、発振の安定性を向上させることができる。

【0040】

本実施の形態に係る電圧制御発振器１では、第１の単位セル１１と、第２の単位セル１２と、補償用単位セル１３とは、トランジスタのサイズ（エミッタ長）は異なるが、回路構成は同じものを用いた。ここで、第１の単位セル１１と、第２の単位セル１２と、補償用単位セル１３に、異なる回路構成を用いてもよい。

【0041】

＜変形例１＞
本実施の形態の変形例１に係る電圧制御発振器では、補償用単位セル１３内で用いるトランジスタのサイズが、第１の単位セル１１および第２の単位セル１２内で用いるトランジスタのサイズ（エミッタ長）よりも大きい。この他の構成は、第１の実施の形態に係る電圧制御発振器の構成と同様である。

【0042】

補償用単位セル１３の利得が大きくなるので、第１の単位セル１１および第２の単位セル１２での発振が停止しても、補償用単位セル１３により発振を維持できる。

【0043】

本変形例に係る電圧制御発振器によれば、より発振を安定させることが可能である。

【0044】

ここで、補償用単位セル１３内で用いるトランジスタのサイズを増加すると、発振持続の安定性が向上するが、発振の中心周波数と可変レンジが減少する。

【0045】

そこで、補償用単位セル１３内で用いるトランジスタのサイズが、第１の単位セル１１および第２の単位セル１２内で用いるトランジスタのサイズ（エミッタ長）の２倍であることが望ましい。例えば、第１の単位セル１１および第２の単位セル１２それぞれでエミッタ長が４μｍのバイポーラトランジスタを用いる場合は、補償用単位セル１３でエミッタ長が８μｍのバイポーラトランジスタを用いる。

【0046】

本変形例に係る電圧制御発振器では、エミッタ長が８μｍのバイポーラトランジスタを有する補償用単位セル１３が、エミッタ長が４μｍのバイポーラトランジスタを有する単位セルの２個分の利得を有する。

【0047】

従来の構成では、エミッタ長が４μｍのバイポーラトランジスタを有する第１の単位セル１１又は第２の単位セル１２がＯＮのときに得られる利得で発振が維持されるが、第１の単位セル１１および第２の単位セル１２がＯＦＦになると発振が停止する。

【0048】

一方、本変形例に係る電圧制御発振器では、第１の単位セル１１および第２の単位セル１２がＯＦＦになったとしても、エミッタ長が８μｍのバイポーラトランジスタを有する補償用単位セル１３のみによって、第１の単位セル１１および第２の単位セル１２がＯＮのときと同等の利得を得られるので、発振を維持できる。

【0049】

その結果、本実施の形態の変形例１に係る電圧制御発振器では、高い中心周波数と広い可変レンジが維持されたまま、発振停止を防ぐことが可能である。

【0050】

＜変形例２＞
本実施の形態の変形例２に係る電圧制御発振器では、図４に示すように、変形例１の構成において第２の単位セル１２の出力端子および電源電圧ＶＣＣ端子側に、もう一つの常時ＯＮ状態の第２の補償用単位セル２３＿２を配置する。

【0051】

本変形例に係る電圧制御発振器２によれば、出力パワーを増加させることが可能である。

【0052】

第２の補償用単位セル２３＿２の構成は、第１の単位セル２１、第２の単位セル２２、補償用単位セル２３と同じ構成であればよい。

【0053】

＜変形例３＞
本実施の形態の変形例３に係る電圧制御発振器では、図５に示すように、フォワードゲインモードで構成することによって可変レンジをさらに拡張することが可能である。

【0054】

本変形例に係る電圧制御発振器３におけるフォワードゲインモードでは、分布アンプの出力を入力に接続し、分布アンプの終端抵抗が分布ＶＣＯの出力端子となる。

【0055】

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係る電圧制御発振器について図６を参照して説明する。本実施の形態に係る電圧制御発振器４（図１Ａと同様）は、第１の実施の形態と同様の構成を有する。また、電圧制御発振器４におけるバイアス生成回路４０は、バイアス電圧Ｖｂ１からバイアス電圧Ｖｂ２を生成する。

【0056】

本実施の形態に係る電圧制御発振器４におけるバイアス生成回路４０は、図６に示すように、トランジスタ４１のエミッタとコレクタそれぞれに抵抗（ＲＥＥ）４２、抵抗（ＲＣＣ）４３が接続され、ベースにコンデンサ４７が接続されＶｂ１が入力される。トランジスタ４１と抵抗（ＲＥＥ）４２に並列に、直列接続された２つの抵抗（Ｒ１）４５、抵抗（Ｒ２）４６が接続され、抵抗（Ｒ１）４５と抵抗（Ｒ２）４６との接点からＶｂ２が出力される。

【0057】

バイアス生成回路４０は、Ｖｂ１用バイアス端子４４＿１とＶｂ２用バイアス端子４４＿２に接続されて、電圧制御発振器４を構成する。

【0058】

電圧制御発振器４におけるバイアス生成回路４０は、電圧Ｖｂ１と対称的に変化する電圧Ｖｂ２を、電圧Ｖｂ１から自動生成する。電圧Ｖｂ１を増加させると、ＲＣＣに流れる電流が増加し、電圧Ｖｂ２が対称的に減少するように動作する。

【0059】

ここで、抵抗（ＲＥＥ）４２と抵抗（ＲＣＣ）４３の比を変更することで、電圧Ｖｂ１に対する電圧Ｖｂ２の変化の傾きを変更することができる。

【0060】

また、抵抗（Ｒ１）４５と抵抗（Ｒ２）４６の比を変更することで、電圧Ｖｂ２にオフセットを与えることが可能になる。

【0061】

本実施の形態に係る電圧制御発振器におけるバイアス生成回路によれば、電圧Ｖｂ１のみで分布ＶＣＯの発振周波数を制御することが可能になる。

【0062】

さらに、電圧Ｖｂ１をコントロール電圧とするＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）に、本実施の形態に係る電圧制御発振器４を組み込むことが可能になる。

【0063】

ＰＬＬは、本実施の形態に係る電圧制御発振器４と、位相比較器、ループフィルタ（又はローパスフィルタ）と、入力基準信号源から構成される。ＰＬＬは１つの制御端子により動作するので、本実施の形態のバイアス生成回路により制御端子を１つにできるので、ＰＬＬに組み込むことができる。

【0064】

本実施の形態では、バイアス生成回路４０に図６に示す構成を用いる例を示したが、これに限らず、バイアス生成回路は、電圧Ｖｂ１に対して対称的な電圧Ｖｂ２を生成する回路であればよい。

【0065】

本実施の形態では、バイアス生成回路４０を、第１の実施の形態に係る電圧制御発振器に適用する例を示したが、第１の実施の形態の変形例に係る電圧制御発振器に適用してもよい。

【0066】

本発明の実施の形態では、電圧制御発振器およびバイアス生成回路の構成などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。電圧制御発振器およびバイアス生成回路の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。

【産業上の利用可能性】

【0067】

本発明は、光通信、無線通信、レーダー・センシング等に用いる機器、デバイスの電子回路に適用することができる。

【符号の説明】

【0068】

１ 電圧制御発振器
１１、１２ 単位セル
１３ 補償用単位セル
１４＿１、１４＿２ バイアス端子
１５＿１～１５＿３ ＡＣカップリングコンデンサ
１６＿１～１６＿９ 伝送線路（ＴＬ１～ＴＬ９）
１７ 入力終端抵抗
１８ 電源電圧端子

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】