JP2005286384A - Voltage controlled oscillator and its variable LC series resonator - Google Patents
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Abstract
【課題】電圧制御発振器やその同調回路を構成する可変LC直列共振器において、使用周波数が上昇した場合であっても所望の同調感度を有すること。
【解決手段】可変容量ダイオード11と、同調周波数近傍で容量性の特性を示す先端開放スタブ(容量性スタブ)15と、共振周波数近傍で開放となり、かつ、前記可変容量素子の障壁電位を与えるための基準電圧印加回路とを備える。また、容量性スタブ15の一端が前記可変容量素子のインダクタンスが接続される端子と反対側の端子に接続される。
【選択図】 図1−1
A variable LC series resonator constituting a voltage-controlled oscillator and its tuning circuit has a desired tuning sensitivity even when the operating frequency is increased.
A variable capacitance diode, an open-ended stub (capacitive stub) having a capacitive characteristic near a tuning frequency, an open state near a resonance frequency, and a barrier potential of the variable capacitance element are provided. And a reference voltage applying circuit. One end of the capacitive stub 15 is connected to a terminal on the opposite side to the terminal to which the inductance of the variable capacitance element is connected.
[Selection] Figure 1-1
Description
本発明は、電圧制御発振器およびその可変LC直接共振器に関するものであり、特に、発振周波数の高周波数化に対応可能な電圧制御発振器およびその可変LC直列共振器に関するものである。 The present invention relates to a voltage-controlled oscillator and its variable LC direct resonator, and more particularly to a voltage-controlled oscillator that can cope with a higher oscillation frequency and its variable LC series resonator.
従来技術にかかる電圧制御発振器は、同調回路部および発振器回路部などから構成されるのが一般的であり、発振器回路部内のアクティブ素子に同調回路部内の共振器が接続される構成により、ループ利得を作り出すとともに、ループの位相を同相で重ね合わせることにより発振動作を行わせ、また、同調回路部内の可変LC直列共振器の共振周波数を変化させることで所定の発振周波数の出力を得るようにしていた(例えば、非特許文献1)。 A voltage-controlled oscillator according to the prior art is generally composed of a tuning circuit section and an oscillator circuit section. A loop gain is obtained by connecting a resonator in the tuning circuit section to an active element in the oscillator circuit section. The oscillation operation is performed by superimposing the loop phases in the same phase, and the output of the predetermined oscillation frequency is obtained by changing the resonance frequency of the variable LC series resonator in the tuning circuit section. (For example, Non-Patent Document 1).
また、可変LC直列共振器を構成するための容量性素子としては、アノード側がスルーホールなどを介して極力間近な距離で接地された可変容量ダイオードなどが一般的であった。 Further, as a capacitive element for configuring a variable LC series resonator, a variable capacitance diode whose anode side is grounded as close as possible through a through hole or the like is generally used.
一方、発振器の出力信号周波数を変化させるためには、可変LC直列共振器の共振周波数を変化させる必要があるが、非特許文献1では、カソード−アノード間の電位差をカソード側から与える印加電圧によって可変容量ダイオードの障壁容量を変化させ、その結果として可変LC直列共振器の共振周波数を変化させるようにしていた。
On the other hand, in order to change the output signal frequency of the oscillator, it is necessary to change the resonance frequency of the variable LC series resonator. However, in
また、非特許文献1の他にも電圧制御発振器の同調回路に関連する従来技術として、以下に示す特許文献1、2なども存在する。
In addition to
しかしながら、上記に示した従来技術では、使用周波数が高くなるとスルーホールまでの距離、ダイオードチップのリード長、チップ実装時のワイヤ長などに起因する寄生インダクンス成分や付加インダクタンス成分の影響が増大して同調変化の最大感度が得られる共振点が短絡側から開放側へと移動してしまい、可変容量ダイオードの持つ容量変化比から期待できる所望の同調感度が得られないという問題点があった。 However, in the conventional technology described above, when the frequency used is increased, the influence of the parasitic inductance component and the additional inductance component due to the distance to the through hole, the lead length of the diode chip, the wire length at the time of chip mounting, etc. increases. The resonance point at which the maximum sensitivity of tuning change is obtained moves from the short-circuit side to the open side, and there is a problem that desired tuning sensitivity that can be expected from the capacitance change ratio of the variable capacitance diode cannot be obtained.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、発振周波数の上昇に伴って寄生インダクタンス成分や付加インダクタンス成分の影響が増大する場合であっても、その影響を低減し、所望の同調感度を有する電圧制御発振器およびその可変LC直列共振器を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and even when the influence of the parasitic inductance component and the additional inductance component increases as the oscillation frequency increases, the influence is reduced, and a desired tuning sensitivity is obtained. An object of the present invention is to obtain a voltage controlled oscillator having the same and a variable LC series resonator thereof.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明における可変LC直列共振器は、可変容量素子とインダクタにより構成される可変LC直列共振器において、共振周波数近傍で容量性となる容量性スタブと、共振周波数近傍で開放となり、かつ、前記可変容量素子の障壁電位を与えるための基準電圧印加回路とを備え、前記容量性スタブの一端が前記可変容量素子のインダクタが接続される端子と反対側の端子に接続されたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the variable LC series resonator according to the present invention is a capacitive that is capacitive in the vicinity of the resonance frequency in the variable LC series resonator composed of a variable capacitance element and an inductor. A stub and a reference voltage application circuit that is open near a resonance frequency and that provides a barrier potential of the variable capacitance element, and one end of the capacitive stub is connected to a terminal to which the inductor of the variable capacitance element is connected It is connected to the terminal on the opposite side.
本発明によれば、例えば、可変容量素子のアノードに接続された容量性スタブのキャンセル容量が、伝送線路、ワイヤあるいはリードなどのインダクタンス成分をキャンセルするように作用するので、可変LC直列共振器の共振周波数変化、すなわち、可変LC直列共振器の同調感度を向上させることができる。 According to the present invention, for example, the canceling capacity of the capacitive stub connected to the anode of the variable capacitance element acts to cancel the inductance component such as the transmission line, the wire, or the lead. The resonance frequency change, that is, the tuning sensitivity of the variable LC series resonator can be improved.
本発明にかかる電圧制御発振器およびその可変LC直列共振器は、可変容量素子のアノードに接続された容量性スタブのキャンセル容量が、伝送線路、ワイヤあるいはリードなどのインダクタンス成分をキャンセルするように作用させているので、寄生/負荷インダクタンスの影響が顕著となる高周波領域においても感度の高い可変LC直接共振器が構成でき、その結果、発振周波数の高周波数化に対応することができるという効果を奏する。 The voltage controlled oscillator and its variable LC series resonator according to the present invention operate so that the canceling capacity of the capacitive stub connected to the anode of the variable capacitance element cancels the inductance component such as a transmission line, a wire, or a lead. Therefore, a variable LC direct resonator with high sensitivity can be configured even in a high-frequency region where the influence of parasitic / load inductance is significant, and as a result, an effect of being able to cope with a higher oscillation frequency is achieved.
以下に、本発明にかかる電圧制御発振器およびその可変LC直列共振器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of a voltage controlled oscillator and its variable LC series resonator according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
図1−1は、本発明の電圧制御発振器に備えられた可変LC直列共振器の構成を示す上面図であり、図1−2は、図1−1に示す可変LC直列共振器のX−X断面図である。以下、図1−1および図1−2を用いて、この実施の形態にかかる可変LC直列共振器の構成について説明する。 1-1 is a top view showing a configuration of a variable LC series resonator provided in the voltage controlled oscillator of the present invention, and FIG. 1-2 is an X-type of the variable LC series resonator shown in FIG. 1-1. It is X sectional drawing. Hereinafter, the configuration of the variable LC series resonator according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1-1 and 1-2.
図1−1および図1−2において、可変容量ダイオード11が、アルミナ基板などのMIC基板上に実装されている。また、可変容量ダイオード11のカソード端子であるカソード13には、直列共振を得るためのインダクタ19が接続されている。インダクタ19の途中には、λ/4高インピーダンス線路16bの一端が接続され、他端には、λ/4先端開放スタブ17bが接続されている。これらのλ/4高インピーダンス線路16bおよびλ/4先端開放スタブ17bは、カソード13に対する基準電位(カソード基準電位)を与えるためのRFチョーク回路として構成されるものである。さらに、λ/4高インピーダンス線路16bおよびλ/4先端開放スタブ17bの接続点と、カソード基準電位を与える電源(図示省略)との間には広帯域に損失を与えるための抵抗18bが挿入されている。このように、λ/4高インピーダンス線路16bと、λ/4先端開放スタブ17bと、抵抗18bとにより、カソード13に基準電圧を付与する基準電圧印加回路25aが構成される。なお、上記に示したλは所望周波数の基板内実効波長を示すものであり、λ/4高インピーダンス線路16aおよびλ/4先端開放スタブ17aは、文字どおり、この実効波長の略1/4の長さに設定される。
In FIGS. 1-1 and 1-2, the variable capacitance diode 11 is mounted on an MIC substrate such as an alumina substrate. An
一方、可変容量ダイオード11のカソード13の反対側の端子であるアノード12側では、ワイヤボンド14にて先端開放スタブ(容量性スタブ)15のMIC基板上のパターンにボンディングされている。ここで、アノード12側においても、カソード13側と同様に、アノード12に対する基準電位(アノード基準電位)を与えるためのλ/4高インピーダンス線路16aおよびλ/4先端開放スタブ17aからなるRFチョーク回路が構成されている。先端開放スタブ15のMIC基板上のパターンには、λ/4高インピーダンス線路16aの一端が接続されている。また、λ/4高インピーダンス線路16aとλ/4先端開放スタブ17aとの接続点と、アノード基準電位を与える電源(図示省略)との間には、広帯域に損失を与えるための抵抗18aが挿入されている。このように、カソード13側においても、λ/4高インピーダンス線路16aと、λ/4先端開放スタブ17aと、抵抗18aとにより、カソード13に基準電圧を付与する基準電圧印加回路25aが構成される。
On the other hand, on the
図2は、図1−1に示す可変LC直列共振器の等価回路を示す図である。同図に示すように、図1−1に示す可変LC直列共振器は、可変容量ダイオード11のキャパシタンス成分Cと、ワイヤボンド14や、リード線などのリード長によるインダクタンス成分Lとが直列に接続された構成として表すことができる。
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the variable LC series resonator shown in FIG. 1-1. As shown in the figure, in the variable LC series resonator shown in FIG. 1-1, the capacitance component C of the variable capacitance diode 11 and the inductance component L due to the lead length such as the
つぎに、図2の可変LC直列共振器の動作について説明する。図3は、図2に示す可変LC直列共振器のインピーダンス変化を示す図である。可変LC直列共振器の可変容量ダイオードのアノードおよびカソードには、図示しない電源から、それぞれアノード電圧、カソード電圧が印加される。このとき、アノード-カソード間の電位差を変化させることにより、可変容量ダイオードの障壁容量が変化するので、可変LC直列共振器の共振周波数を可変することができる。図3において、図2のA点からアノード側を見たダイオードのインピーダンスは図3のスミスチャート上のA点で示すように容量性の性質を示す。この状態において、インダクタンス成分が直列接続された状態のインピーダンスは、図2のB点からアノード側を見たインピーダンスとなる。実際に、図2のB点から見たインピーダンスは、図3のB点で示すように純抵抗成分を持つ性質を示す。また、このB点は短絡点に近い領域(スミスチャート上の左側の領域)に存在するので、可変LC直列共振器としての共振周波数変化(B点の位相変化)は最大となり、高い同調感度を得ることができる。 Next, the operation of the variable LC series resonator shown in FIG. 2 will be described. FIG. 3 is a diagram showing a change in impedance of the variable LC series resonator shown in FIG. An anode voltage and a cathode voltage are respectively applied to the anode and cathode of the variable capacitance diode of the variable LC series resonator from a power source (not shown). At this time, since the barrier capacitance of the variable capacitance diode is changed by changing the potential difference between the anode and the cathode, the resonance frequency of the variable LC series resonator can be changed. In FIG. 3, the impedance of the diode when the anode side is viewed from the point A in FIG. 2 shows a capacitive property as indicated by the point A on the Smith chart in FIG. In this state, the impedance in the state where the inductance components are connected in series is the impedance when the anode side is viewed from the point B in FIG. Actually, the impedance seen from the point B in FIG. 2 shows a property having a pure resistance component as shown by the point B in FIG. In addition, since the point B exists in a region close to the short-circuit point (the left region on the Smith chart), the resonance frequency change (phase change at the point B) as the variable LC series resonator is maximized, and high tuning sensitivity is achieved. Can be obtained.
図4は、図1−1に示す可変LC直列共振器が搭載される電圧制御発振器の構成例を示すブロック図である。電圧制御発振器は、同調回路部20と、発振器回路部21とから構成されており、可変LC直列共振器24は発振周波数の制御回路として用いられている。同調回路部20は、副共振器22と、主共振器23とを、並列接続した構成となっており、動作周波数で開放端となるように設計される。副共振器22は、可変LC直列共振器24で構成した短絡点を、90°インバータ33を介して位相を反転し、開放端としている。また、同調回路部20は、可変LC直列共振器24の共振周波数変化に基づいて同調回路部自身が開放端となる同調周波数が変化し、発振器の発振周波数が制御される。一方、発振器回路部21は、動作周波数での適当な反射が反射スタブ61と、FETやHBTなどの半導体素子65の周辺回路(反射位相回路42、ゲート位相回路63、ソースインダクタ64など)により構成され、動作周波数において帰還増幅を行う。なお、90°インバータ33は適当な結合度で信号帯域の通過特性を有する帯域通過型フィルタとして機能し、かつ半導体素子61に印加するバイアス電圧と、可変容量ダイオード11に印加するカソード電圧をDC的に切り分けるギャップキャパシタとして機能している。上記とは別の構成として、例えば、信号帯域内で通過する直列のマイクロチップコンデンサと通常の伝送線路の組合せにより、同様の機能を持たせても良い。
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of a voltage controlled oscillator on which the variable LC series resonator shown in FIG. 1-1 is mounted. The voltage controlled oscillator includes a tuning circuit unit 20 and an oscillator circuit unit 21, and the variable LC series resonator 24 is used as an oscillation frequency control circuit. The tuning circuit unit 20 has a configuration in which a sub-resonator 22 and a main resonator 23 are connected in parallel, and is designed to be an open end at an operating frequency. The sub-resonator 22 uses the short-circuit point formed by the variable LC series resonator 24 as an open end by inverting the phase via the 90 ° inverter 33. Further, in the tuning circuit unit 20, the tuning frequency at which the tuning circuit unit itself becomes an open end changes based on the change in the resonance frequency of the variable LC series resonator 24, and the oscillation frequency of the oscillator is controlled. On the other hand, the oscillator circuit unit 21 is configured by a
これらの同調回路部20からの出力信号と、発振器回路部21の反射信号との位相が一致するように各回路を設計することで、所望の発振周波数での発振出力を得ることができる。なお、このときの発振周波数は、可変LC直列共振器24の共振周波数の変化により達成されるので、電圧制御発振器の周波数可変範囲(変調感度)は可変LC直列共振器の共振周波数変化量、すなわち、同調感度に依存する。したがって、発振周波数の高周波化には、可変LC直列共振器の高周波動作が重要な要素となり、たとえ、可変容量ダイオードの容量変化比が大であっても、チップ形態や実装制約により可変LC直列共振器として構成した場合の高周波特性によって発振周波数の上限が決定されてしまうことになる。 By designing each circuit so that the output signal from the tuning circuit unit 20 and the reflected signal from the oscillator circuit unit 21 are in phase, an oscillation output at a desired oscillation frequency can be obtained. Since the oscillation frequency at this time is achieved by the change in the resonance frequency of the variable LC series resonator 24, the frequency variable range (modulation sensitivity) of the voltage controlled oscillator is the amount of change in the resonance frequency of the variable LC series resonator, that is, Depends on the tuning sensitivity. Therefore, the high-frequency operation of the variable LC series resonator is an important factor for increasing the oscillation frequency. Even if the capacitance change ratio of the variable capacitance diode is large, the variable LC series resonance depends on the chip configuration and mounting restrictions. The upper limit of the oscillation frequency is determined by the high-frequency characteristics when configured as a detector.
ところで、本発明のポイントは、アノード12側に所定の容量値を有する先端開放スタブ15と、先端開放スタブ15と並列に所望周波数付近では開放端となるように動作する基準電圧印加回路25と、を設けたところに特徴がある。これらの部分は、先端開放スタブ15および基準電圧印加回路25として図4に示している。基準電圧印加回路25は、所望周波数付近では開放端となるように動作する一方で、直流的には開放端となることはないので所定の電位を可変容量ダイオード11のアノードおよびカソードに印加することができる。
By the way, the point of the present invention is that the tip
つぎに、可変LC直列共振器に挿入された先端開放スタブ15の効果について説明するが、その説明の前に、従来の可変LC直列共振器の構成および動作について説明する。図5は、従来の可変LC直列共振器の構成を示す断面図であり、本発明の図1−2に対応するものである。また、図6は、図5に示す従来の可変LC直列共振器の等価回路を示す図である。
Next, the effect of the open-ended
図5において、従来の可変LC直列共振器においては、可変容量ダイオード100が、アルミナ基板などのMIC基板上に実装され、可変容量ダイオード100のカソード端子102には、直列共振を得るためのインダクタ105が接続され、必要なインダクタンスが得られる。反対側のアノード端子であるアノード101は、MIC基板上のスルーホール104が接続されているパターンへワイヤボンドに接続されることで直流的には接地されている。
In FIG. 5, in a conventional variable LC series resonator, a
図6に示す等価回路は、図2に示す理想的な等価回路と比べると、アノード101側のワイヤボンドの長さや、MIC基板上のスルーホール104の高さ(パターン寸法も含む)によりインダクタンス成分が付加される。この付加インダクタンス成分の影響により、実際のLC共振器のインピーダンスが理想的なLC共振点からずれてしまう。図7は、図5に示す従来の可変LC直列共振器のインピーダンス変化を示す図であり、理想的なLC共振点からのずれを示すものである。
The equivalent circuit shown in FIG. 6 is different from the ideal equivalent circuit shown in FIG. 2 in that the inductance component depends on the length of the wire bond on the anode 101 side and the height of the through
図7に示すB点は、図2のB点(すなわち、インダクタ105のインダクタンス成分を含む。)から見たインピーダンスであり、高い同調感度が得られる理想的な点である。ところが、前述の付加インダクタンス成分の影響により、図6のD点から見たインピーダンスは、図7のD点に示すように誘導性側の領域へ動いてしまう。所望周波数での共振点が開放側(スミスチャート上の右側の領域)に移るほど、可変容量幅(スミスチャート上の位相変化)が小さくなってしまい、可変LC直列共振器としての同調感度が低下してしまう。特に、このワイヤボンドやスルーホールなどによる付加インダクタンス成分の影響は設計周波数が高くなるほど無視できなくなり、その同調感度劣化は顕著となる。 The point B shown in FIG. 7 is the impedance viewed from the point B in FIG. 2 (that is, including the inductance component of the inductor 105), and is an ideal point where high tuning sensitivity can be obtained. However, due to the effect of the additional inductance component described above, the impedance viewed from point D in FIG. 6 moves to the inductive region as shown by point D in FIG. As the resonance point at the desired frequency moves to the open side (the area on the right side of the Smith chart), the variable capacitance width (phase change on the Smith chart) becomes smaller, and the tuning sensitivity as a variable LC series resonator decreases. Resulting in. In particular, the influence of the additional inductance component due to the wire bond or the through hole cannot be ignored as the design frequency increases, and the tuning sensitivity deterioration becomes significant.
図8は、フリップチップタイプの可変容量ダイオードの外形パターン(裏面パターン)を示す図である。同図に示す可変容量ダイオードは、上述のような実装による制約を改善するためのものであり、フリップチップタイプと呼ばれるワイヤボンディングを必要としない面実装タイプの可変容量ダイオードである。図9は、このフリップチップタイプの可変容量ダイオードの等価回路を示す図であり、図10は、図9に示される可変容量ダイオードのインピーダンス変化を示す図である。図9において、裏面パターンのリードや、半導体素子部をモールドしているチップ内部の寄生インダクタンス成分により、素子本来が持つ障壁容量(可変容量部)以外の付加インダクタンスが発生する。上記のように高周波では、図10に示されるように、リード分を含めた可変容量ダイオードのインピーダンスは誘導性を呈するようになる。したがって、可変LC直列共振器のインピーダンスは、さらにアノード電極やカソード電極を接続するためのワイヤボンドやリードなどのインダクタンス成分が付加されるので、図7に示したように、同調感度が劣化したスミスチャートの右側の領域に移動してしまうことになる。なお、この付加インダクタンス成分は、高周波帯では無視することができず、また、製造上において不可避的に発生するものなので、直列LC共振回路を構成するにあたって高周波化の限界(例えば、15GHz程度)と考えられていた。 FIG. 8 is a diagram showing an external pattern (back surface pattern) of a flip-chip type variable capacitance diode. The variable-capacitance diode shown in the figure is a surface-mount type variable-capacitance diode called flip-chip type that does not require wire bonding. FIG. 9 is a diagram showing an equivalent circuit of the flip-chip type variable capacitance diode, and FIG. 10 is a diagram showing a change in impedance of the variable capacitance diode shown in FIG. In FIG. 9, additional inductance other than the inherent barrier capacitance (variable capacitance portion) is generated by the lead of the back surface pattern and the parasitic inductance component inside the chip in which the semiconductor element portion is molded. As described above, at a high frequency, as shown in FIG. 10, the impedance of the variable capacitance diode including the lead is inductive. Therefore, since the impedance of the variable LC series resonator is further added with inductance components such as wire bonds and leads for connecting the anode electrode and the cathode electrode, as shown in FIG. It will move to the area on the right side of the chart. This additional inductance component cannot be ignored in the high frequency band, and is inevitably generated in manufacturing. Therefore, when constructing a series LC resonance circuit, the additional inductance component is limited to a high frequency (for example, about 15 GHz). It was thought.
一方、図11は、先端開放スタブが挿入された可変LC直列共振器の等価回路を示す図である。同図に示す可変LC直列共振器では、可変容量ダイオード50のアノード側にはワイヤボンド52で接続された先端開放スタブ53が付加されている。また、可変容量ダイオード50のカソード側には、例えば、伝送線路などによる位相ライン51が付加されている。なお、この位相ライン51は、図1−1に示した図ではインダクタ相当の線路パターンに相当するものであり、また、図4に示した図では可変LC直列共振器24を構成するためのインダクタンス、すなわち、線路41に相当するものである。
On the other hand, FIG. 11 is a diagram showing an equivalent circuit of a variable LC series resonator in which a tip open stub is inserted. In the variable LC series resonator shown in the figure, an
図12は、図11に示す可変LC直列共振器のインピーダンス変化を示すスミスチャートである。図12において、D点は図7のスミスチャート上のD点に相当し、所望周波数での同調感度が低下した領域にある。一方、先端開放スタブ53が挿入された可変LC直列共振器では、先端開放スタブ53がワイヤボンド52などの付加インダクタンス成分をキャンセルするためのキャパシタンス成分(キャンセル容量)を有しているので、図11のE点から見たインピーダンスZ1は、図12のE点で示されるように容量性側の領域まで移動する。一方、位相ライン51はインダクタンス成分を有しており、図11のF点から見たインピーダンスZ2は、図12のF点で示される短絡点に近い領域に移動させることができるので、可変LC直列共振器として同調感度を増大させることができる。
FIG. 12 is a Smith chart showing a change in impedance of the variable LC series resonator shown in FIG. In FIG. 12, point D corresponds to point D on the Smith chart of FIG. 7, and is in a region where the tuning sensitivity at the desired frequency is reduced. On the other hand, in the variable LC series resonator in which the tip
すなわち、先端開放スタブ53は、付加インダクタンスに直列に接続されるキャパシタとして付加インダクタンス成分をキャンセルする目的で挿入される。なお、先端開放スタブ53のキャンセル容量を決定するための詳細手順については、後述する。
That is, the
図13は、図8に示す可変容量ダイオードで構成された可変LC直列共振器の等価回路を示す図であり、図14は、同一の可変LC直列共振器における設計周波数での等価回路を示す図である。図13に示すように、可変容量ダイオードの等価回路は、可変容量ダイオード真性部の等価回路と、リード分のインダクタンスLtとの直列回路として表すことができる。また、可変容量ダイオード真性部の等価回路は、寄生インダクタンスLP、直列抵抗RS、障壁容量Cjの直列接続回路に寄生容量CPが並列に接続された直並列共振回路として表すことができる。可変LC直列共振器の等価回路は、この可変容量ダイオードの等価回路に位相ラインのインダクタンスLdと、ワイヤの付加インダクタンスLWと、先端開放スタブのキャンセル容量CSがそれぞれ直列に接続された回路として表すことができる。 FIG. 13 is a diagram showing an equivalent circuit of the variable LC series resonator composed of the variable capacitance diode shown in FIG. 8, and FIG. 14 is a diagram showing an equivalent circuit at the design frequency in the same variable LC series resonator. It is. As shown in FIG. 13, the equivalent circuit of the variable capacitance diode can be expressed as a series circuit of an equivalent circuit of the intrinsic portion of the variable capacitance diode and an inductance L t for the lead. The equivalent circuit of the variable capacitance diode intrinsic part can be expressed as a series-parallel resonant circuit in which a parasitic capacitance C P is connected in parallel to a series connection circuit of a parasitic inductance L P , a series resistance R S , and a barrier capacitance C j. . Equivalent circuit of a variable LC series resonator, and inductance L d of the phase line in the equivalent circuit of the variable capacitance diode, the addition of the wire inductance L W and a circuit cancels capacitance C S of the open stub is connected in series Can be expressed as
つぎに、ワイヤの付加インダクタンスLWおよびリード分のインダクタンスLtをキャンセルするための先端開放スタブのキャンセル容量CSについて算出する。 Next, the cancellation capacitance C S of the open-end stub for canceling the additional inductance L W of the wire and the inductance L t of the lead is calculated.
まず、可変LC直列共振器のインダクタンス側から可変容量ダイオード側を見たインピーダンスをZKとし、可変容量ダイオード真性部のインピーダンスをZa、可変容量ダイオード真性部以外のインピーダンスをZbとすれば、可変LC直列共振器のインダクタンス側から可変容量ダイオードを見たインピーダンスZKは、次式で表せる。 First, the impedance viewed variable capacitance diode side inductance side of the variable LC series resonator and Z K, the impedance of the variable capacitance diode intrinsic part Z a, the impedance of the non-variable capacitance diodes intrinsic part if Z b, The impedance Z K when the variable capacitance diode is viewed from the inductance side of the variable LC series resonator can be expressed by the following equation.
ZK=Za+Zb ・・・・・(1) Z K = Z a + Z b (1)
また、可変容量ダイオード真性部に付加されるインダクタンスをLaddとおけば、Laddは次式で表せる。 Also, it puts the inductance is added to the variable capacitance diode intrinsic part and L the add, L the add is expressed by the following equation.
Ladd=LW+Lt ・・・・・(2) L add = L W + L t (2)
式(2)に示される付加インダクタンスをキャンセルするためには、式(2)のLaddと先端開放スタブのキャンセル容量CSとから構成されるLC直列共振回路のインピーダンスの虚部が0となるような容量値を選べばよい。 In order to cancel the additional inductance shown in Expression (2), the imaginary part of the impedance of the LC series resonance circuit composed of L add in Expression (2) and the cancel capacitance C S of the open-ended stub becomes zero. Such a capacitance value may be selected.
一方、式(1)に示された可変容量ダイオード真性部以外のインピーダンスZbは、次式で表せる。 On the other hand, the impedance Z b other than the variable capacitance diode intrinsic unit shown in formula (1) can be expressed by the following equation.
Zb=j(ωLadd−1/ωC) ・・・・・(3)
ただし、ω=2πf0であり、f0は設計周波数である。
Z b = j (ωL add -1 / ωC) ····· (3)
However, ω = 2πf 0 and f 0 is a design frequency.
したがって、先端開放スタブのキャンセル容量CSは、式(3)においてZb=0となる条件から、次式のように表せる。
CS=1/(ω2Ladd) ・・・・(4)
Therefore, the canceling capacity C S of the tip open stub can be expressed as the following expression from the condition that Z b = 0 in the expression (3).
C S = 1 / (ω 2 L add ) (4)
式(4)が満たされる条件下では、設計周波数において可変容量ダイオード真性部を除いたインピーダンスZbが0となるため、付加インダクタンスLaddは等価的にキャンセルされ、可変容量ダイオード真性部のみで示される図14に示す等価回路となる。したがって、同図の等価回路に示されるように、素子本来が有する障壁容量Cjに近い可変容量ダイオード真性部と位相ラインのインダクタンスLdによる可変LC直列共振器が構成され、設計周波数において共振周波数変化が最大となる可変LC直列共振器を得ることができる。 Under conditions in which the formula (4) is satisfied, the impedance Z b excluding the variable capacitance diode intrinsic part in the design frequency is 0, the additional inductance L the add is equivalently canceled, indicated only by a variable capacitance diode intrinsic part The equivalent circuit shown in FIG. Therefore, as shown in the equivalent circuit of the figure, a variable LC series resonator having a variable capacitance diode intrinsic portion close to the barrier capacitance C j inherent to the element and an inductance L d of the phase line is configured, and the resonant frequency is set at the design frequency. A variable LC series resonator having the maximum change can be obtained.
つぎに、式(4)に示された容量値CSを実現するための先端開放スタブについて説明する。図15は、先端開放スタブの分布定数線路による等価回路を示す図である。先端開放スタブによるインピーダンスZは、同図の等価回路によって示される特性インピンダンスZ0の先端開放線路の開放端からの電気長βL(β=2π/λ、β:位相定数、L:線路の物理長)により規定されるリアクタンス値によって、その値が決定され、次式のように表すことができる。 Next, a tip open stub for realizing the capacitance value C S shown in Expression (4) will be described. FIG. 15 is a diagram illustrating an equivalent circuit using a distributed constant line having a tip open stub. The impedance Z due to the open-ended stub is the electrical length βL (β = 2π / λ, β: phase constant, L: physical line) from the open end of the open-ended line having the characteristic impedance Z 0 shown by the equivalent circuit in FIG. The value is determined by the reactance value defined by (length), and can be expressed as the following equation.
Z=−jZ0/tan(βL) ・・・・・(5) Z = −jZ 0 / tan (βL) (5)
ここで、式(5)に示されるインピーダンスZの特性を示した図が、図16−1および図16−2である。より詳細には、図16−1は、先端開放スタブの電気長の変化に対するインピーダンスの変化を示す図であり、図16−2は、先端開放スタブの電気長の変化に対する容量値の変化(f0=20GHz)を示す図である。 Here, FIGS. 16-1 and 16-2 show the characteristics of the impedance Z shown in the equation (5). More specifically, FIG. 16-1 is a diagram illustrating a change in impedance with respect to a change in the electrical length of the tip open stub, and FIG. 16-2 is a change in capacitance value (f 0 = 20 GHz) is a diagram showing a.
図16−1に示すように、先端開放スタブのインピーダンスZは、電気長βLが0°〜180°(線路長で見れば、0〜λ/2に相当)の周期で、−∞〜+∞の値をとり、また、先端開放スタブの容量値は、図16−1のインピーダンスに対応して、図16−2に示すような値をとる。 As shown in FIG. 16A, the impedance Z of the open-ended stub has an electric length βL of 0 ° to 180 ° (corresponding to 0 to λ / 2 in terms of line length), and −∞ to + ∞. Further, the capacitance value of the tip open stub takes a value as shown in FIG. 16-2 corresponding to the impedance of FIG.
したがって、付加インダクタンスLaddをキャンセルするための先端開放スタブの長さLは、式(4)に示すキャンセル容量をCSを用いて、式(5)の左辺のZを、Z=−j/(ωCS)とおくことにより、次式のように表すことができる。 Accordingly, the length L of the open stub for canceling the additional inductance L the add is a cancel capacitor shown in equation (4) using the C S, the left side of Z of the formula (5), Z = -j / By setting (ωC S ), it can be expressed as the following equation.
L=tan-1(ωCSZ0)/β=(λ/2π)・tan-1(ωCSZ0) ・・・(6) L = tan −1 (ωC S Z 0 ) / β = (λ / 2π) · tan −1 (ωC S Z 0 ) (6)
式(4)により先端開放スタブのキャンセル容量が求められると、先端開放スタブの幅Wは、MIC基板の誘電率、厚さおよび、特性インピーダンスZ0により決定される。また、先端開放スタブの長さLは、式(6)に基づいて、MIC基板の誘電率、厚さ、特性インピーダンスZ0と設計周波数f0により決定される。 When the cancellation capacity of the tip open stub is obtained by the equation (4), the width W of the tip open stub is determined by the dielectric constant, thickness, and characteristic impedance Z 0 of the MIC substrate. The length L of the open end stub is determined by the dielectric constant, thickness, characteristic impedance Z 0, and design frequency f 0 of the MIC substrate based on the equation (6).
なお、基準電圧印加回路の構成としては、図1−1に示した以外の構成も考えられる。例えば、図17−1は、図1−1に示した実施の形態とは異なる他の実施の形態にかかる可変LC直列共振器の構成を示す図であり、図17−2は、図17−1に示される可変LC直列共振器の等価回路を示す図である。図1−1に示す構成では、λ/4先端開放スタブと、λ/4高インピーダンス線路を用いてRFチョ−ク回路を構成しているが、これらのλ/4線路では回路的な占有面積が広くなるため、これらのλ/4線路の専有面積を削減したい場合も考えられる。このような場合には、図17−1に示すように、λ/4高インピーダンス線路の一端(電源に接続される側で、先端開放スタブが接続される反対側)にMMICではMIMキャパシタを、MICではマイクロチップコンデンサなどを接続してもよい。このような構成により、図17−2の等価回路に示されるように、先端開放スタブによるキャパシタ成分とMIMキャパシタによるキャパシタ成分とが並列に構成されるのでキャンセル容量が両者の和とし作用して、先端開放スタブの長さ(占有面積)を減少させることができる。また、λ/4高インピーダンス線路ではスパイラルインダクタなどを用いることで占有面積を減少させることができる。 Note that a configuration other than that shown in FIG. For example, FIG. 17A is a diagram illustrating a configuration of a variable LC series resonator according to another embodiment different from the embodiment illustrated in FIG. 1-1, and FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the variable LC series resonator shown in FIG. In the configuration shown in FIG. 1-1, an RF choke circuit is configured using a λ / 4 tip open stub and a λ / 4 high-impedance line. Therefore, it may be possible to reduce the area occupied by these λ / 4 lines. In such a case, as shown in FIG. 17A, the MMIC has an MIM capacitor at one end of the λ / 4 high impedance line (on the side connected to the power source and on the opposite side to which the open-end stub is connected). In the MIC, a microchip capacitor or the like may be connected. With such a configuration, as shown in the equivalent circuit of FIG. 17-2, the capacitor component due to the open-ended stub and the capacitor component due to the MIM capacitor are configured in parallel, so that the canceling capacitance acts as the sum of both, The length (occupied area) of the tip open stub can be reduced. In addition, the occupied area can be reduced by using a spiral inductor or the like in the λ / 4 high impedance line.
以上説明したように、この実施の形態の可変LC直列共振器によれば、可変容量ダイオードのアノードに接続された容量性スタブのキャンセル容量が、伝送線路、ワイヤあるいはリードなどのインダクタンス成分をキャンセルするように作用するので、同調周波数の上昇に伴って寄生インダクタンス成分や付加インダクタンス成分の影響が増大する場合であっても、所望の同調感度を得ることができ、使用周波数の高周波数化に対応することができる。 As described above, according to the variable LC series resonator of this embodiment, the canceling capacity of the capacitive stub connected to the anode of the variable capacity diode cancels the inductance component such as the transmission line, the wire, or the lead. Therefore, even when the influence of the parasitic inductance component and the additional inductance component increases as the tuning frequency increases, a desired tuning sensitivity can be obtained and the use frequency can be increased. be able to.
また、この実施の形態の電圧制御発振器によれば、上述のように、使用周波数の高周波数化に対応可能な可変LC直列共振器を備えるようにしているので、高周波数変調を必要とするレーダ装置などに適用することができる。 Further, according to the voltage controlled oscillator of this embodiment, as described above, the variable LC series resonator that can cope with an increase in the operating frequency is provided, so that the radar that requires high frequency modulation is provided. It can be applied to devices.
以上のように、本発明にかかる電圧制御発振器および可変LC直列共振器は、高周波数変調を必要とするレーダ装置などに有用である。 As described above, the voltage controlled oscillator and the variable LC series resonator according to the present invention are useful for a radar apparatus that requires high frequency modulation.
11,50,100 可変容量ダイオード
12,101 アノード
13,102 カソード
14,52 ワイヤボンド
15,53 先端開放スタブ
15 容量性スタブ
16a,16b λ/4高インピーダンス線路
17a,17b λ/4先端開放スタブ
18a,18b 抵抗
19,105 インダクタ
20 同調回路部
21 発振器回路部
22 副共振器
23 主共振器
24 可変LC直列共振器
25,25a,25b 基準電圧印加回路
33 90°インバータ
41 線路
51 位相ライン
61 反射スタブ
62 反射位相回路
63 ゲート位相回路
64 ソースインダクタ
65 半導体素子
104 スルーホール
11, 50, 100
Claims (3)
共振周波数近傍で容量性となる容量性スタブと、
共振周波数近傍で開放となり、かつ、前記可変容量素子の障壁電位を与えるための基準電圧印加回路と、
を備え、
前記容量性スタブの一端が前記可変容量素子のインダクタが接続される端子と反対側の端子に接続されたことを特徴とする可変LC直列共振器。 In a variable LC series resonator composed of a variable capacitance element and an inductor,
A capacitive stub that becomes capacitive near the resonant frequency;
A reference voltage application circuit that is open near the resonance frequency and that provides a barrier potential of the variable capacitance element;
With
A variable LC series resonator, wherein one end of the capacitive stub is connected to a terminal opposite to a terminal to which an inductor of the variable capacitance element is connected.
λ/4先端開放スタブと、
抵抗素子と、
を備え、
前記λ/4高インピーダンス線路の他端は、前記λ/4先端開放スタブが並列接続され、かつ前記可変容量素子の容量値を可変制御するための制御用電源に前記抵抗素子を介してそれぞれ接続されることを特徴とする請求項1に記載の可変LC直列共振器。 The reference voltage application circuit includes a λ / 4 high impedance line connected to the variable LC series resonator,
λ / 4 tip open stub,
A resistance element;
With
The other end of the λ / 4 high impedance line is connected to the λ / 4 tip open stub in parallel, and connected to a control power source for variably controlling the capacitance value of the variable capacitance element via the resistance element. The variable LC series resonator according to claim 1, wherein:
前記可変LC直列共振器の共振周波数に基づいて同調周波数が決定される周波数可変機能を有する同調回路を構成し、所定の出力信号周波数を所定の範囲で変化させることを特徴とする電圧制御発振器。
A variable LC series resonator according to claim 1 or 2,
A voltage-controlled oscillator comprising a tuning circuit having a frequency variable function in which a tuning frequency is determined based on a resonance frequency of the variable LC series resonator, and changing a predetermined output signal frequency within a predetermined range.
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