JPS61131603A - 高周波発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高周波発振器、％に発振素子としてガリウム
砒素（ＧＪＬＡＩ　）電界効果トランジスタ（ＦＥＴ　
）を用いた低ノイズのマイクロ波発振器に関する。

〔従来技術とその問題点〕

ＧａＡｓ・ＦＥＴは、バイポーラ・デ／４イスに比べ、
動作秦件による１４ラメータの変動が比較的少なく、イ
ンピーダンスが一般に高いので特にマイクロ波増幅器と
しての使用に適している。即ち、高帯域幅、低ノイズ、
高直線性が得られる。しかしながら、ＧａＡｓ　ｍ　Ｆ
ＩＣＴを発振器として用いる場合、特性ノイズ（ｃｈａ
ｒａｃｔ＠ｒｉｓｔｉｃ　ａｏｉｍ＠）が極めて高いと
いう問題がある。このノイズは明らかＫ　ＧａＡａ−Ｆ
ＥＴ内部の固有の・物理的現象に起因し、その振幅は周
波数に略反比例する。即ち、ノイズは略１／ｆに等しい
。ここにｆはノイズの試験周波数である。主Ｋ　ＦＥＴ
のｒ−）・ソース間で発生するこの特性ノイズは、全回
路で生じる通常の熱ノイズに重畳される。

上述した特性ノイズは、ＧａＡｓ　＊　ＦＥＴが線形マ
イクロ波増幅器として用いられる場合、ハイノ々スフィ
ルタにより容易に除去されるのであｔ＃）問題とならな
いが、発振器に用いられる場合は出カス（クトルを不純
にする。これは、発振器の増幅素子が通常、発振信号を
一定振幅に維持しようとする制限作用を有するためであ
る。この制限作用は必然的に増幅器ｔ６る程度非線形的
に動作させることになシ、発振信号がノイズ信号成分で
変調されてしまう。その結果、発振器の出力にはノイズ
側波帯が含まれる。ノイズ側波帯の振幅は、発振周波数
と試験周波数との周波数差に反比例して変わる。

従来、この問題を解決するために１例えば位相ロックル
ーｆあるいは高Ｑ回路を用いて発振信号のスペクトル的
な純度を向上させるようにしている。しかし、このよう
な回路による効果には限度があり、且つ発振器が極めて
複雑なものになる。

したがって、ＧａＡ１・ＦＥＴ発振器の特性ノイズの影
響をなくす簡単で効果的な回路構成の実現が望まれる。

〔目的〕 本発明の目的は、新規な低ノイズの高周波発振器を提供
することである。

本発明の他の目的は、増幅素子としてＧａＡｒＦＥＴを
用い低ノイズの高周波発振器を提供することである。

本発明の更に他の目的は、発振器の振幅制限作用が増幅
作用から分離された低ノイズの高周波発振器を提供する
ことである。

〔問題解決のための手段〕

本発明高周波発振器は第１図に示す如く増幅手段（至）
と、この増幅手段へ呻の入出力端間に配置さへ特定周波
数で最大振幅を有する帰還信号を発生する共振手段（ハ
）と、この帰還信号の振幅の最大値を予め定めた値に制
限する制限手Ｒ（至）と、この制限手８．■に入力され
る特定周波数より低い信号成分を減衰させるハイノ々ス
フイルタ手段（イ）とを具えたものである。

〔作用〕

ＧａＡ−・ＦＥＴ　ｔ−高周波発振器、特にマイクロ波
発振器に用いた場合の上述の問題を克服するため虱本発
明では１発振器の振幅制限作用を増幅作用と分離した発
振器回路構成を提供する。　ＧａＡｓ・’ＦＥＴ増幅器
は線形モードで作動する。発振器の帰還回路内に振幅制
限回路が設けられ、この振幅制限回路はハイノ々スフイ
ルタによって増幅器から分離される。ハイノ４スフイル
タは、高周波発振信号を増幅器の入力に帰還させるが、
ＦＥＴにより発生された低周波ノイズが振幅制限回路へ
達して発振信号を変調してしまうことは防止する。

ＧａＡｓ−ＦＥＴ増幅器にはＦ’ＥＴのドレインと電源
電圧間に接続された抵抗バイアス負荷が設けられる。

ドレインは、同調回路即ち共振器に容量的に結合され、
共振器はまたＦＥＴのｒ−）Ｋ容量的に結合されて、発
振周波数での正帰還が行なわれる。ｒ−トと基準電位（
接地）との間に、入力バイアスのため抵抗が接続される
。基準電位とＦＥＴのソースとの間にはコンデンサを介
してダイオードブリッジ制限回路が接続される。このブ
リッジを夫々抵抗を介して正及び負の基準電圧に接続す
ることＫより、信号振幅の正及び負の電流制限が行なえ
る。ソースはインダクタを介して基準電位にも接続され
る。ソース及び振幅制限回路間のコンデンサと、ソース
及び基準電位間のインダクタとは、特性ＦＥＴノイズを
遮断するハイ／ＩＦスフイルタとし゛て働く。

〔実施例〕

第３図に示すように、従来のマイクロ波発振器は、帰還
ループ（２）を有する増幅器αＱを用いている。

帰還ループ（６）は発振周波数での正帰還のための共振
器ａ４ｔ−含む、即ち、共振器Ｃ１４を介しての帰還り
発（共）振周波数で最大であシ且つ増幅器への入力信号
と同位相にある。このような構成の発振器では、発振信
号の振幅が増幅器自身によって制限される。なぜなら、
実際の回路で発振を開始、持続させる九めに増幅器及び
帰還回路の開ループ利得が、ｌより大きくしであるから
である。したがって、増幅器はめる程度、非線形的に動
作せざるを得ない。その結果、増幅器を通過するノイズ
の如き信号成分が発振信号を変調して、出力端αＱの信
号は望ましくない周波数成分（即ち、ノイズ側波帯）を
含むことになる。

第４ａ図において、試験周波数の関数としてのＧａＡｓ
・ＦＥＴによる特性ノイズの振幅が、バイポーラトラン
ジスタによる特性ノイズの振幅と対比されている。この
図によって判るとおＦ）　、　ＧａＡａ＊Ｆ”ＥＴによ
る特性ノイズの振幅は通常、バイポーラトランジスタよ
、９２０ｄＢ程度大きい。特性ノイズの振幅は試験周波
数に略反比例している。即ち、振幅は１オクターブ当９
約３ｄＢの割合で降下している。

発振出力のス（クトル的な純度が特性ノイズによって受
ける影響の間合が第４ｂ図から判る１１％性ノイズが存
在しないときも、出力信号のスペクトル純度は熱ノイズ
によって低下する。線αカで示される熱ノイズ側波帯の
振幅は１オクターブ当シ約６ｄＢの割合で降下し、この
ノイズ自身のレベル即ちノイズフロアは、約士ムの外側
では発振器出Ｑ 力レベルより大きくなる（ここに、ｆｏは発振周波数、
Ｑは発振器のクォリティファクタである。）。

ａ（２）は、バイポーラトランジスタの場合の熱ノイズ
及び特性ノイズレベルを合計したものを示す。

この線から判るとおシ、バイポーラトランジスタの場合
のノイズレベルは、Ｉ６とムとの間の成るＱ 周波数でｆｏに向かって１オクターブ当シ約９ｄＢで上
昇し始める。線（ロ）はＧａＡｇ・ＦＥＴの場合の熱ノ
イズ及び特性ノイズレベルの合計を示す。この場合、Ｇ
ａＡａ・ＦＥＴによるノイズはバイポーラによるノイズ
よｊｉ）　２０ｄＢ高いから、信号のスペクトル幅は士
ムＱ を超えてしまう。したがって、ＧａＡｓ・ＦＥＴの特性
ノイズが発振信号を変調するのを阻止する手段がなけれ
ば、発振周波数の両側の周波数成分の振幅及びスペクト
ル幅が増加する。

第１図社本発明による高周波発振器のブロック図である
。この発振器は常時線形モードで動作するようバイアス
された増幅器（至）を有する。この増幅器は、反転出力
端（ホ）及び非反転出力端（財）を含む出力ポートを有
する。この増幅器は、反転入力端（ハ）及び基準入力端
（ハ）を含む入力ポートも有する・。

反転出力−の振幅は反転入力（ハ）に対して反比例する
。実施例では、その特有のノイズ特性の故にＧａＡｓ−
ＦＥＴから成る増幅素子を用い九が１本発明の原理を逸
脱することなく他の増幅素子をも効果的に用いることが
でをる。発振を持続させるために、増幅器の発振周波数
での正帰還が、共振器に）によって行なわれる６通常、
発振周波数で帰還信号が増幅器の入力と同相になるよう
に、共振器は帰還信号の位相を１８００ずらす。即ち、
帰還ループが増幅器の入力端で開放され、発振周波数の
信号がこの入力端に入力されたとすれば、共振器勾の出
力は入力信号と同相になる。またこの共振器の働きＫよ
り、帰還信号は発振周波数で最大になる。

増幅器及び帰還ループ利得を略１に維持して一定の発振
出力振幅を得るために１発振器には振幅制限器□□□が
設けられる。振幅制限器に）は通過する信号の振幅にあ
る上限を設けるので、この回路は必然的に非線形である
。

振幅制限器（７）の非線形性によって発振信号が増幅デ
バイスの特性ノイズにより変調されるのを防止するため
１発振器にはハイ・母スフィルタ０■が設けられる。特
性ノイズは周波数の上昇と共に減少するため、実際に問
題になるのは比較的低周波のノイズのみである。ハイＩ
４スフイルタ（２）は増幅器（財）によって発生された
特性ノイズが制限器（至）に達するのを阻止し、これに
よ〕、制限器■が増幅器入力をノイズによって変調する
のを防止する。低周波ノイズが制限器−に達するのを阻
止するためにバイパスフィルタが設けられるならば、制
限器（至）は帰還ループ内の任意の位置に配置してもよ
い。

第２図の本発明の好適実施例において、増幅器は、Ｇａ
Ａｓ　−ＦＥＴ　（３４と、ｆ−）Ｇ及び基準電位間に
接続された入力バイアス抵抗器（ロ）と、ソースＳ及び
基準電位間に接続されたインダクタ（至）とを有する。

　ＦＥＴ（ロ）Ｋは、そのドレインＤ及び正の電源間に
バイアス負荷抵抗器（２）が接続されている。夫々、。

ＦＥＴ　（３４のダートは増幅器の反転入力端、基準電
位は増幅器の基準入力端、ＦＥＴ　０４のドレインは増
幅器の反転出力端、　ＦＥＴ（ロ）のソースは増幅器の
非反転出力端とみなせる。

この実施例の回路はマイクロ波周波数での用途を想定し
ているので、共振器■は典型的には、同調回路の容量性
及び誘導性特性を有するループデバイスで構成される。

共振器（６）は、　ＦＥＴの直流バイアスに干渉しない
ように、コンデンサ（６）によりＦＥＴのドレインに接
続され、コンデンサ（ト）によフＦＥＴのｙ−トに接続
される。

この場合、制限器は帰還回路の非反転ループ内に置かれ
る。この制限器は、ブリッジ構成の４個のダイオード°
囮を有する従来のものである。ツリツノの頂部−は抵抗
器Ｑを介して正の制限電圧＋ｖＬにつながれ、プリツノ
の底部−は抵抗器−を介して負の制限電圧−ｖＬにつな
がれる。したがって、ダイオード（財）は通常順方向に
バイアスされている。ブリッジの一方の側部−は基準電
位に接続され、他方の側部（至）はコンデンサーを介シ
テＦ′ＥＴのソース、即ち非反転出力に接続される。コ
ンデンサ０２は、ブリッジがＦＥＴの直流バイアスに干
渉するのを防止する。

抵抗器６２及び（至）の抵抗値は、順方向バイアスのダ
イオードのインピーダンス（例えば約５４０）に比べて
比較的高い（例えば１５Ｍ））　、　したがって、ブリ
ッジの側部−に入力される発振信号が正方向に上昇する
と、この信号は、ダイオード内の順方向バイアス電流を
超えるまで４個のダイオードすべてを通過して側部−に
逆する。順方向バイアス電流を超える時点で、ブリッジ
の側Ｗ５（至）及び底部−間のダイオードのみが有意な
電流を流し続けようとする。したがって、この信号は抵
抗器−の比較的高いインピーダンスの影響を受けて信号
電流が制限される。ダイオードの順方向バイアス電流を
超えるほど逆に信号が下降すると、その電流は同様に抵
抗器拗のインピーダンスによって制限される。

ＦＥＴの特性ノイズの殆んどは、そのソースで発生され
る。したがって、このノイズが非反転帰還ルーダを通っ
て入力に達するのを防止する必要がある。この目的は、
ソース及び基準電位間に接続されたコンデンサー及びイ
ンダクタ（至）によって連取される。コンデンサー及び
インダクタ（至）は直流バイアスを交流信号路から分離
するだけでなく、ソースで発生した低周波特性ノイズが
制限器に達して発振信号を変調するのを防止するバイパ
スフィルタとして働く。

以上、本発明の好適実施例について説明したが、本発明
の要旨を逸脱することなく種々の変形・変更が可能なこ
とは当業者には明らかであろう。

〔発明の効果〕

本発明によれば振幅制限器を用いて振幅制限作用を増幅
作用から分離し、かつバイパスフィルタで特性ノイズの
振幅制限器への入力を遮断したので、発振出力への特性
ノイズの影響を除去することができる。本発明は特にＧ
ａＡｓ・ＦＥＴを用いる発振器に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高周波発振器の一実施例のブロッ
ク図、第２図は、本発明による高周波発振器の好適実施
例の回路図、第３図は従来の高周波発振器のブロック図
、第４ａ図は試験周波数に対するバイポーラトランジス
タ及びＦＥＴの特性ノイズの振幅を示す説明図、第４ｂ
図は発振器の出力への特性ノイズの影響を説明する説明
図で、ある。 図中、（財）は共振手段、擲は制限手段、０３はバイパ
スフィルタ手段を示す。 ＦＩＧ、Ｉ ＦＩＧ、２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、増幅手段と、該増幅手段の入出力端間に配置され、
   特定周波数で最大振幅を有する帰還信号を発生する共振
   手段と、上記帰還信号の振幅の最大値を予め定めた値に
   制限する制限手段と、該制限手段に入力される上記特定
   周波数より低い信号成分を減衰させるハイパスフィルタ
   手段とを具えた高周波発振器。 ２、上記増幅手段はＧａＡｓ・ＦＥＴを有し、上記ハイ
   パスフィルタは上記ＦＥＴのソースに接続されたコンデ
   ンサを有し、上記制限手段は上記コンデンサに接続され
   たダイオードブリッジを有する特許請求の範囲第１項記
   載の高周波発振器。