CN102751947B - 振荡电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及振荡电路。该振荡电路包括：MEMS振子，其具有隔着空隙配置的第1电极以及第2电极；放大部，其包括增益部和增益限制部，该增益部具有第1输入端子以及第1输出端子，且增益比1大，该增益限制部具有第2输入端子以及第2输出端子，且增益比1小；和输出端子，其与上述第1输出端子连接，上述第1电极与上述第1输入端子连接，上述第1输出端子与上述第2输入端子连接，上述第2输出端子与上述第2电极。

Description

振荡电路
技术领域
本发明涉及振荡电路。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微电子机械系统)是微细构造体形成技术的一种，例如，指制造微米级的微细的电子机械系统的技术及其产品。人们正在开发利用MEMS技术制作的振动元件(MEMS振子)。另外，也正在开发使用MEMS振子的振荡电路。专利文献1中公开了一种使用了MEMS振子的振荡器。
专利文献1：日本特开2009-200888号公报
与晶体振子、陶瓷振子相比，MEMS振子在功率大的信号作为输入信号被输入的情况下，通过特性容易失真。若通过特性失真，则容易引起频率漂移(频率不稳定)的现象。
发明内容
本发明的一些方式的目的之一在于提供一种抑制了输出信号的频率漂移的振荡电路。
本发明的振荡电路包括：
MEMS振子，其具有隔开空隙配置的第1电极以及第2电极；
放大部，其包括增益部和增益限制部，该增益部具有第1输入端子以及第1输出端子，且增益比1大，该增益限制部具有第2输入端子以及第2输出端子，且增益比1小；和
输出端子，其与上述第1输出端子连接，
上述第1电极与上述第1输入端子连接，
上述第1输出端子与上述第2输入端子连接，
上述第2输出端子与上述第2电极连接。
所谓“连接”是指，电连接，不仅指直流式连接的情况，也包括交流式连接的情况。
根据本发明，向MEMS振子输入的信号是增益比1小的增益限制部的输出信号，因此通过特性不易失真。从而，能够实现抑制了输出信号的频率漂移的振荡电路。
另外，根据本发明，增益比1大的增益部的输出信号为振荡电路的输出信号，因此能够输出振幅大的信号。
在本发明所涉及的振荡电路中，包括：
电压施加部，其向上述第1电极与上述第2电极之间施加偏压；和
控制部，其对上述增益限制部以及上述电压施加部进行控制，
上述控制部能够将上述增益限制部中增益、与上述电压施加部施加的上述偏压建立关联地控制。
MEMS振子的通过特性的失真程度根据偏压的大小发生变化。根据本发明，控制部通过将增益限制部中的增益、与电压施加部施加的偏压建立关联地控制，从而能够实现进一步抑制了输出信号的频率漂移的振荡电路。
在本发明所涉及的振荡电路中，上述控制部能够按照上述电压施加部施加的上述偏压越大，上述增益限制部中的增益越小的方式进行控制。
MEMS振子具有偏压越大通过特性越容易失真的倾向。根据本发明，控制部通过按照电压施加部施加的偏压越大，增益限制部中的增益越小的方式进行控制，从而能够实现进一步抑制了输出信号的频率的漂移的振荡电路。
附图说明
图1是表示第1实施方式的振荡电路1的电路图。
图2是表示放大部20的一个例子的电路图。
图3是表示MEMS振子10的通过特性的示意图。
图4是表示第2实施方式的振荡电路2的电路图。
图5是表示电压施加部40的一个例子的电路图。
图6是表示增益限制部24的一个例子的电路图。
图7是表示MEMS振子10的通过特性的示意图。
图8是示意性地表示MEMS振子10的构成例的俯视图。
图9是示意性地表示MEMS振子10的构成例的剖视图。
符号说明
1、2振荡电路，10MEMS振子，11第1电极，12第2电极，20放大部，22增益部，24增益限制部，30输出端子，40电压施加部，41第1电压端子，42第2电压端子，50控制部，61、62电容器，71、72电容器，122支承部，124梁部，221第1输入端子，222第1输出端子，224、226倒相电路，241第2输入端子，242第2输出端子，402基准电压源，404运算放大器，1010基板，1012支承基板，1014第1基底层，1016第2基底层，GND接地电位，Ic1，Ic2恒流源，R1、R2、R3、R10、R200、R201、R202、R20n、R300、R301、R302、R30n  电阻，R20、R30可变电阻，S1、S2、S11、S12、S13、S1n控制信号，TN1、TN2、TN3、TN11、TN12、TN13、TN1n、TN21、TN22、TN23、TN2n、TN31、TN32、TN33、TN34NMOS晶体管，TP1、TP2、TP3、TP31、TP32、TP33PMOS晶体管，Vdd  电源电位。
具体实施方式
以下，使用附图，对本发明的优选实施方式详细地进行说明。其中，以下说明的实施方式并没有不当地限定权利要求书所记载的本发明的内容。另外，以下所说明的构成的全部并非是本发明的必须构成要件。
1.第1实施方式的振荡电路
图1是表示第1实施方式的振荡电路1的电路图。
第1实施方式的振荡电路1包括：MEMS振子10，其具有隔着空隙配置的第1电极11以及第2电极12；放大部20，其包括增益部22和增益限制部24，该增益部22具有第1输入端子221以及第1输出端子222，且增益比1大，该增益限制部24具有第2输入端子241以及第2输出端子242，且增益比1小；输出端子30，其与第1输出端子222连接，第1电极11与第1输入端子221连接，第1输出端子222与第2输入端子241连接，第2输出端子242与第2电极12连接。
在第1实施方式中，MEMS振子10是具有隔着空隙配置的第1电极11以及第2电极12的静电型的MEMS振子。关于MEMS振子10的构成例，将在“3.MEMS振子的构成例”项中详述。
放大部20利用比1大的增益对信号进行放大，以满足所希望的振荡条件。放大部20可以组合多个倒相电路(反转电路)、放大电路而构成。在图1所示的例子中，放大部20被构成为，以串联的方式连接增益比1大的增益部22、和增益比1小的增益限制部24。
在图1所示的例子中，MEMS振子10的第1电极11与增益部22的第1输入端子221连接，增益部22的第1输出端子222与增益限制部24的第2输入端子241连接，增益限制部24的第2输出端子242与MEMS振子10的第2电极12连接。另外，输出端子30与增益部22的第1输出端子222和增益限制部24的第2输入端子241连接。
图2是表示放大部20的一个例子的电路图。
在图2所示的例子中，增益部22由倒相电路224与倒相电路226串联连接而构成，该倒相电路224被构成为，在从电源电位Vdd至接地电位GND之间，PMOS晶体管TP1与NMOS晶体管TN1串联连接，且PMOS晶体管TP1与NMOS晶体管TN1的栅极相互连接；该倒相电路226被构成为，在从电源电位Vdd至接地电位GND值之间，PMOS晶体管TP2与NMOS晶体管TN2串联连接，且PMOS晶体管TP2与NMOS晶体管TN2的栅极相互连接。
在图2所示的例子中，增益限制部24由倒相电路构成，该倒相电路被构成为，在从电源电位Vdd至接地电位GND之间，恒流源Ic1、PMOS晶体管TP3、NMOS晶体管TN3、恒流源Ic2依次串联连接，且PMOS晶体管TP3与NMOS晶体管TN3的栅极相互连接。通过适当地设定恒流源Ic1以及恒流源Ic2的电流值，能够将增益限制部24的增益设定为比1小。
第1实施方式所涉及的振荡电路1可以构成为包括针对放大部20的反馈电阻。在图2所示的例子中，倒相电路224的输入端子与输出端子经由电阻R1而连接，倒相电路226的输入端子与输出端子经由电阻R2而连接，增益限制部24的第2输入端子241与第2输出端子242经由电阻R3而连接。
图3是表示MEMS振子10的通过特性的示意图。横轴表示输入信号的频率，纵轴表示S参数[S21]中的通过特性。另外，将输入信号的功率为功率P1时的通过特性设为通过特性A1，将输入信号的功率为功率P2时的通过特性设为通过特性A2，将输入信号的功率为功率P3时的通过特性设为通过特性A3。其中，功率P1＜功率P2＜功率P3的大小关系成立。
如图3所示，在功率P1是在MEMS振子10能够进行线性动作的功率范围内的功率的情况下，通过特性A1在谐振频率(通过特性为最大的频率)附近，相对于频率的增减呈对称的形状。
然而，功率P2以及功率P3是超过MEMS振子10能够进行线性动作的功率范围的大功率的情况下，通过特性A2以及通过特性A3成为与通过特性A1不同的谐振频率。在图3所示的例子中，通过特性A2以及通过特性A3的谐振频率成为比通过特性A1小的频率。另外，通过特性A2以及通过特性A3在谐振频率附近，相对于频率的增减呈非对称的形状。
另外，功率P2以及功率P3是超过MEMS振子10能够进行线性动作的功率范围的大功率的情况下，MEMS振子10的损失变大。在图3所示的例子中，通过特性A2以及通过特性A3中的最大值比通过特性A1中的最大值小。
这样，若超过MEMS振子10能够进行线性动作的功率范围的大功率的信号被输入MEMS振子10，则通过特性容易失真。通过特性失真成为振荡电路的输出信号的频率漂移(频率不稳定)的原因。
根据第1实施方式所涉及的振荡电路1，由于向MEMS振子10输入的信号是增益比1小的增益限制部24的输出信号，所以通过特性不易失真。因此，能够实现抑制了输出信号的频率漂移的振荡电路。
另外，根据第1实施方式所涉及的振荡电路1，由于增益比1大的增益部22的输出信号成为振荡电路的输出信号，所以能够输出振幅大的信号。
第1实施方式的振荡电路1还可以包括向MEMS振子10的第1电极11与第2电极12之间施加偏压的电压施加部40。在图1所示的例子中，电压施加部40被构成为包括第1电压端子41和第2电压端子42。第1电压端子41与MEMS振子10的第1电极11连接，第2电压端子42与MEMS振子10的第2电极12连接。
在使用静电型的MEMS振子作为MEMS振子10的情况下，需要向构成MEMS振子的电极间赋予电位差(偏压)。在图1所示的例子中，电压施加部40使第1电压端子41与第2电压端子42之间产生电位差，从而能够向MEMS振子10的第1电极11与第2电极12之间施加偏压。
MEMS振子10的第1电极11可以经由电容器61与增益部22的第1输入端子221连接。另外，MEMS振子10的第2电极12可以经由电容器62与增益限制部24的第2输出端子242连接。由此，不会向增益部22的第1输入端子221与增益限制部24的第2输出端子242之间赋予不需要的电位差。
第1实施方式的振荡电路1可以被构成为，包括电容器71，其连接在MEMS振子10的第1电极11与接地电位GND之间；电容器72，其连接在MEMS振子10的第2电极12与接地电位GND之间。
根据这样的振荡电路1，能够形成由MEMS振子10、电容器71以及电容器72构成谐振电路的振荡电路。
2.第2实施方式所涉及的振荡电路
图4是表示第2实施方式的振荡电路2的电路图。以下，对与第1实施方式的振荡电路1不同的构成进行详述，对与第1实施方式的振荡电路1相同的构成标注相同的符号，并省略其说明。
第2实施方式的振荡电路2包括：电压施加部40，其向第1电极11与第2电极12之间施加偏压；控制部50，其对增益限制部24以及电压施加部40进行控制，控制部50将增益限制部24中的增益、与电压施加部40施加的偏压建立关联地控制。
在图4所示的例子中，控制部50通过向电压施加部40输出控制信号S1，从而对电压施加部40施加的偏压进行控制。另外，在图4所示的例子中，控制部50通过向增益限制部24输出控制信号S2，从而对增益限制部24中的增益进行控制。
此外，在图4所示的例子中，虽然控制部50直接对增益限制部24以及电压施加部40进行控制，但控制部50也可以间接对增益限制部24以及电压施加部40中的至少一方进行控制。例如，控制部50可以经由电压施加部40对增益限制部24进行控制。
图5是表示电压施加部40的一个例子的电路图。在图5所示的例子中，使用n位控制信号作为控制信号S1，将与各位对应的信号作为S11、S12、S13、…、S1n。
图5所示的电压施加部40被构成为包括：基准电压源402；运算放大器404；电阻R10；可变电阻R20。另外，第1电压端子41与接地电位GND连接，第2电压端子42与运算放大器404的输出端子连接。
基准电压源402生成作为电压施加部40施加的偏压的基准的、基准电压Vref。运算放大器404的非反转输入端子与基准电压源402的输出端子连接。即、基准电压源402生成的基准电压Vref被输入运算放大器404的非反转输入端子。运算放大器404的反转输出端子经由电阻R10与运算放大器404的输出端子连接，并且，经由可变电阻R20与接地电位GND连接。
可变电阻R20被构成为包括从离运算放大器404的非反转输入端子较近的一侧开始依次串联连接的电阻R200、电阻R201、电阻R202、…、电阻R20n。另外，可变电阻R20被构成为还包括：使电阻R201至电阻R20n在接地电位GND处短路的NMOS晶体管TN11、使电阻R202至电阻R20n在接地电位GND处短路的NMOS晶体管TN12、使电阻R203(未图示)至电阻R20n在接地电位GND处短路的NMOS晶体管TN13、…、使电阻R20n-1(未图示)至电阻R20n在接地电位GND处短路的NMOS晶体管TN1n。
向NMOS晶体管TN11的栅极输入控制信号S11，向NMOS晶体管TN12的栅极输入控制信号S12，向NMOS晶体管TN13的栅极输入控制信号S13，…，向NMOS晶体管TN1n的栅极输入控制信号S1n。因此，利用控制信号S11～S1n，能够选择电阻R201R20n中的被短路的电阻，因此能够变更可变电阻R20的电阻值。
另外，运算放大器404的输出电压(电压施加部40施加的偏压)Vp利用以下的算式表示。
Vp＝(1+电阻R10的电阻值/可变电阻R20的电阻值)·Vref
因此，能够通过变更可变电阻R20的电阻值，来变更电压施加部40施加的偏压Vp。
图6是表示增益限制部24的一个例子的电路图。在图6所示的例子中，使用n位控制信号作为控制信号S2，将与各位对应的信号作为S21、S22、S23、…、S2n。
图6所示的增益限制部24被构成为，代替了图2所示的恒流源Ic1以及恒流源Ic2，而包括PMOS晶体管TP31～TP33、NMOS晶体管TN31～TN34、和可变电阻R30。
PMOS晶体管TP31的源极与电源电位Vdd连接，漏极与NMOS晶体管TN31的漏极连接，并且与PMOS晶体管TP31～TP33的栅极连接。TN31的源极经由可变电阻R30与接地电位GND连接。
PMOS晶体管TP32的源极与电源电位Vdd连接，漏极与NMOS晶体管TN32的漏极连接，并且与NMOS晶体管TN31～TN32的栅极连接。NMOS晶体管TN32的源极与NMOS晶体管TN33的漏极连接，并且与NMOS晶体管TN33～TN34的栅极连接。NMOS晶体管TN33的源极与接地电位GND连接。
PMOS晶体管TP33的源极与电源电位Vdd连接，漏极与PMOS晶体管TP3的源极连接。NMOS晶体管TN34的漏极与NMOS晶体管TN3连接，源极与接地电位GND连接。
即、成为流过PMOS晶体管TP31的电流被PMOS晶体管TP32～TP33反射的电流反射镜电路、成为流过NMOS晶体管TN32电流被NMOS晶体管TN31反射的电流反射镜电路、和流过NMOS晶体管TN33的电流被NMOS晶体管TN34反射的电流反射镜电路。
可变电阻R30被构成为，包括从离NMOS晶体管TN31的源极较近一侧依次串联连接的电阻R300、电阻R301、电阻R302、…、电阻R30n。另外，可变电阻R30被构成为还包括：使电阻R301至电阻R30n在接地电位GND处短路的NMOS晶体管TN21；使电阻R302至电阻R30n在接地电位GND处短路的NMOS晶体管TN22；使电阻R303(未图示)至电阻R30n在接地电位GND处短路的NMOS晶体管TN23、…、使电阻R30n-1(未图示)至电阻R30n在接地电位GND处短路的NMOS晶体管TN2n。
向NMOS晶体管TN21的栅极输入控制信号S21，向NMOS晶体管TN22的栅极输入控制信号S22，向NMOS晶体管TN23的栅极输入控制信号S23，…，向NMOS晶体管TN2n的栅极输入控制信号S2n。因此，利用控制信号S21～S2n，能够选择电阻R301～R30n中的被短路的电阻，进而能够变更可变电阻R30的电阻值。
另外，可变电阻R30的电阻值越大，流过PMOS晶体管TN33的电流以及流过NMOS晶体管TN34的电流越小。因此，能够通过变更可变电阻R30的电阻值，来变更增益限制部24的增益。
图7是表示MEMS振子10的通过特性的示意图。横轴表示输入信号的频率、纵轴表示S参数[S21]中的通过特性。另外，将偏压为电压Vp1时的通过特性设为通过特性B1、将偏压为电压Vp2时的通过特性设为通过特性B2、将偏压为电压Vp3时的通过特性设为通过特性B3。另外，电压Vp1＜电压Vp2＜电压Vp3的大小关系成立。此外，向MEMS振子10输入的信号的功率是相同的。
如图7所示，由于偏压越大损失越小，所以通过特性的峰值变大。因此，向MEMS振子10输入的信号的功率变大。
如图7所示，在偏压为电压Vp1以及电压Vp2情况下，向MEMS振子10输入的信号的功率成为在MEMS振子10能够进行线性动作的功率范围内的功率，通过特性B1以及通过特性B2在谐振频率(通过特性为最大的频率)附近，相对于频率的增减呈对称的形状。
然而，在偏压为电压Vp3的情况下，向MEMS振子10输入的信号的功率超过MEMS振子10能够进行线性动作的功率范围，而成为大功率，因此通过特性B3在谐振频率附近相对于频率的增减呈非对称的形状。
由于损失的大小根据偏压的大小而发生变化，所以MEMS振子10的通过特性的失真程度发生变化。根据第2实施方式的振荡电路2，控制部50将增益限制部24中的增益、与电压施加部40施加的偏压建立关联地控制，从而能够实现进一步抑制了输出信号的频率漂移的振荡电路。
控制部50可以按照电压施加部40施加的偏压越大，增益限制部24中的增益越小的方式进行控制。
在图5以及图6所示的例子中，控制部50将电压施加部40的可变电阻R20的电阻值控制得越小，增益限制部24的可变电阻R30的电阻值则被控制得越大。
如图7所示，MEMS振子10具有偏压越大损失越大、通过特性越容易失真的倾向。控制部50通过按照电压施加部40施加的偏压越大，增益限制部24中的增益越小的方式进行控制，从而能够实现进一步抑制了输出信号的频率的漂移的振荡电路。
3.MEMS振子的构成例
图8是示意性地表示MEMS振子10的构成例的俯视图。图9是示意性地表示MEMS振子10的构成例的剖视图。此外，图9是图8的I-I线剖视图。
此外，本实施方式的记载中，将“上方”这样的语句例如使用为在“特定物体(以下，称为“A”)的“上方”形成其他特定物体(以下，称为“B”)”等的情况下，包括在A上直接形成B这样的情况、和在A上经由其他的物体形成B这样的情况，使用“上方“这样的语句。
如图8所示，MEMS振子10被构成为，包括设置在基板1010的上方的第1电极11以及第2电极12。如图9所示，第1电极11以及第2电极12隔着空隙配置。
如图9所示，基板1010能够具有支承基板1012、第1基底层1014、和第2基底层1016。
作为支承基板1012，例如可使用硅基板等的半导体基板。作为支承基板1012可以使用陶瓷基板、玻璃基板、蓝宝石基板、金刚石基板、合成树脂基板等各种基板。
第1基底层1014形成在支承基板1012的上方(更具体而言，为支承基板1012上)。作为第1基底层1014，可使用例如沟槽绝缘层、LOCOS(local oxidation of silicon：硅的局部氧化物)绝缘层、半埋入式LOCOS绝缘层。第1基底层1014能够将MEMS振子10、和形成在支承基板1012上的其他的元件(未图示)电隔离。
第2基底层1016形成在第1基底层1014上。作为第2基底层1016的材质例举了例如，氮化硅。
MEMS振子10的第1电极11形成在基板1010上。第1电极11的形状例如为层状或者薄薄膜状。
MEMS振子10的第2电极12与第1电极11空出间隔地形成。第2电极12具有：形成在基板10上的支承部122；被支承部122支承、且配置在第1电极11的上方的梁部124。支承部122例如，与第1电极11空出空间地对置配置。第2电极12形成为悬臂状。
若向第1电极11以及第2电极12之间施加电压，则梁部124能够通过第1电极11与第2电极12之间产生的静电力而振动。即、图8以及图9所示的MEMS振子10是静电型的MEMS振子。此外，MEMS振子10还可以具有覆盖构造体，该覆盖构造体将第1电极11以及第2电极12在减压状态下气密地密封。由此，能够使梁部124振动时的空气电阻减少。
作为第1电极11以及第2电极12的材质，例举了例如，通过掺杂规定的杂质而被赋予了导电性的多晶硅。
其中，作为MEMS振子10，并不局限于上述的构成，还可采用各种的公知的MEMS振子。
其中，上述的实施方式以及变形例是一个例子，并非限定于此。例如还能够适当地组合多个各实施方式以及各变形例。
本发明并不局限于上述的实施方式，还能够进行各种的变形。例如，本发明包括实际上与实施方式中说明的构成相同的构成(例如，功能、方法以及结果相同的构成、或者目的以及效果相同的构成)。另外，本发明包括将实施方式中说明的构成的非本质部分替换后的构成。另外，本发明包括与实施方式中说明的构成起到相同作用效果的构成、或者能够实现相同目的的构成。另外，本发明还包括在实施方式中说明的构成中附加了公知技术的构成。

Claims (1)

1.一种振荡电路，其特征在于，包括：
MEMS振子，其具有隔着空隙配置的第1电极以及第2电极；
放大部，其包括增益部和增益限制部，该增益部具有第1输入端子以及第1输出端子，且增益比1大，该增益限制部具有第2输入端子以及第2输出端子，且增益比1小，上述第1输入端子接收来自上述第1电极的信号，上述第2输入端子接收来自上述第1输出端子的信号；
输出端子，其与上述第1输出端子连接；
电压施加部，其向上述第1电极与上述第2电极之间施加偏压；和
控制部，其对上述增益限制部以及上述电压施加部进行控制，
上述第1电极与上述第1输入端子连接，
上述第1输出端子与上述第2输入端子连接，
上述第2输出端子与上述第2电极连接，
上述控制部按照上述电压施加部施加的上述偏压越大，上述增益限制部中的增益越小的方式进行控制，
上述第2电极与上述第1电极空出间隔地形成，
上述第2电极形成为悬臂状，并且具有：形成在基板上的支承部；和被上述支承部支承、且配置在上述第1电极的上方的梁部，上述支承部与上述第1电极空出空间地对置配置，
当向上述第1电极以及上述第2电极之间施加电压，则上述梁部能够通过上述第1电极与上述第2电极之间产生的静电力而振动，
上述MEMS振子具有覆盖构造体，该覆盖构造体将上述第1电极以及上述第2电极在减压状态下气密地密封。
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