JP2002057526A - 電圧制御水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 集積化された電圧制御水晶発振器において、
可変容量素子の容量値の可変幅に対する発振周波数の可
変幅を改善することができる発振回路の回路定数の条件
を提示すること。 【解決手段】 （１）水晶共振子、増幅器、負荷容量を
備え、該負荷容量は半導体基板上に集積化された電圧制
御可変容量素子および直流カット用容量素子を含む水晶
発振器において、前記直流カット用容量素子の容量値Ｃ
cutの、前記電圧制御可変容量素子の最大容量値Ｃv に
対する比Ｃcut/Ｃvの値を、０．５以上且つ１０よりも
小さくしたこと。（２）また前記比の値を、０．５以上
４以下の範囲としたこと。（３）更に前記比の値を、
０．７以上１．８以下の範囲としたこと。（４）更に電
圧制御可変容量素子の最大容量値Ｃvmaxを１５ｐＦ以上
且つ５０ｐＦ以下の範囲としたこと。（５）更に電圧制
御可変容量素子を、増幅器の入力側及び出力側の両側に
設けること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発振周波数を調節す
るために、電圧によって容量値を制御できる可変容量素
子を備えた水晶発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】水晶振動子の発振周波数は非常に安定し
ており、水晶振動子の温度特性も優れており、また水晶
振動子の製造も比較的容易であるため、水晶振動子を用
いた水晶発振回路は高い実用性を備えている。そこで近
年、水晶振動子と発振回路を一体化し、所定の電源電圧
を与えるだけで所望の周波数を有するクロックを得るこ
とができる水晶発振器が、広く用いられている。

【０００３】電気通信等の分野において、複数の信号同
士の同期を取ったり、通信搬送波にシステムクロックを
同期させたりする場合には、水晶発振器の周波数をある
範囲で可変することが求められる。水晶発振器の発振周
波数を可変するために、水晶振動子の負荷容量として、
可変容量素子を用いることが一般に行われている。可変
容量素子としては、その容量が、印加した直流電圧に従
って変化するバリキャップ等が利用される。また、この
ような機能を備えた水晶発振器を、特に電圧制御水晶発
振器と呼んでいる。

【０００４】図１（ａ）は、従来の電圧制御水晶発振回
路の構成の一例を示しており、図１（ｂ）は水晶振動子
の２端子等価回路を示している。図１（ａ）において、
１は水晶振動子、２は反転増幅器、３は発振回路の入力
端子、４は発振回路の出力端子、５はバッファ増幅器、
６及び７は制御電圧印加端子、Ｒは抵抗、Ｃｖ は可変
容量素子、Ｃｃｕｔ は直流カット用容量素子、Ｃｐ
１、Ｃｐ２は考えられる寄生容量をそれぞれ示してい
る。なおこの回路が実際に動作するためには、発振回路
の入力端子３に適切なバイアス電圧が印可されているこ
とが必要であるが、本図においては、このバイアス電圧
を印加する手段が、反転増幅器２に含まれているものと
する。また図１（ｂ）においてＣ０ 、Ｌ１ 、Ｃ１及
びＲ１ は水晶振動子の等価回路定数であり、Ｃ０ は
等価並列容量、Ｌ１ は等価直列インダクタンス、Ｃ１
は等価直列容量、Ｒ１ は等価直列抵抗をそれぞれ示
している。

【０００５】図２は、図１（ａ）に示す電圧制御水晶発
振回路をＩＣ化した場合における、集積化された負荷容
量部分（片側）の断面図である。図２において、１０は
シリコン基板、１１〜１４は基板上に集積化された可変
容量素子であるバリキャップである。また、１１は低濃
度拡散層であるｐ−ウエル、１２は高濃度拡散層である
ｐ＋領域、１３は高濃度拡散層であるｎ＋領域、１４は
空乏層である。ここで、高濃度拡散層１２は、アース電
位となっている。また、１５は基板表面に形成されたフ
ィールド酸化膜、１６〜１８はフィールド酸化膜１５の
上に集積化され、２層のポリシリコン層を有する直流カ
ット用容量素子である。ここで、１６、１７は電極膜で
あるポリシリコン膜、１８は絶縁層である。また、１９
はメタル配線であり、直流カット用容量素子と可変容量
素子とを直列に接続すると共に、抵抗Ｒ（図１（ａ））
とも接続している。なお、制御電圧は、抵抗Ｒ（図１
（ａ））及びメタル配線１９を介して、可変容量素子１
１〜１４に印加される。この制御電圧の大きさにより空
乏層１４の深さが変化し、可変容量素子の容量値（ｎ＋
領域とｐ− 領域間の容量）が変化させられる。な
お、直流カット容量素子の上側電極１７は、メタル配線
（不図示）によって、入力端子３（図１（ａ））又は出
力端子４（図１（ａ））と接続されている。また、破線
２０は、後述する逆接続の場合のメタル配線である。逆
接続の場合には、メタル配線１９に変わって、破線２０
のメタル配線がなされる。また、逆接続の場合には、メ
タル配線（不図示）によって、直流カット容量素子の下
側電極１６が、入力端子３（図１（ａ））又は出力端子
４（図１（ａ））と接続される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】電圧制御水晶発振器
は、出力信号の安定性を確保しながら、ユーザーの要求
する範囲で、周波数を可変させる必要がある。ユーザー
の要求する周波数可変幅は、用途によって異なる。した
がって、電圧制御水晶発振器が、幅広い用途で共通に使
われるためには、周波数可変幅は極力大きいほうが望ま
しい。

【０００７】周波数可変幅は、負荷容量の容量変化幅と
強い正の相関がある。したがって、負荷容量の容量変化
幅を極力大きくすることが、周波数可変幅を大きくする
ための最も大切な条件となる。そこで、直流カット用容
量素子と可変容量素子との関係に注目する。電圧制御水
晶発振器の負荷容量値は、直列接続されている直流カッ
ト用容量素子及び可変容量素子を合算した容量値とな
る。したがって、可変容量素子の容量の変化を、負荷容
量の変化として最大限に活用するためには、固定値であ
る直流カット用容量素子の容量値ができるだけ大きい方
が良い。

【０００８】水晶発振回路が集積化される以前では、負
荷容量となる電圧可変容量素子及び直流カット用コンデ
ンサは、ディスクリートな単体素子を用いていた。ま
た、それら各素子の値は、他の素子に関係なく自由に選
択することができた。したがって、上述の考えに基づい
て、直流カット用コンデンサの容量値Ｃｃｕｔは、可変
容量素子の最大容量値Ｃｖｍａｘに対して十分大きく、
通常１０倍以上の値が選択されていた。そして最近、水
晶発振回路の集積化が試みられるようになっても、上述
の考えが疑いを持たれずに踏襲されて、Ｃｃｕｔ／Ｃｖ
ｍａｘの値として、やはり１０倍以上が回路設計上採用
されて来た。しかし本発明者は、この従来の考え方に疑
いを抱き、水晶発振器の改良の余地を探索するに至っ
た。

【０００９】本発明の目的は、集積化された水晶発振回
路を用いて構成した水晶発振器において、可変容量素子
の容量値の可変幅に対する発振周波数の可変幅を、従来
よりも改善することができる発振回路の回路的な条件を
提示することである。より詳細には、本発明の目的は、
発振周波数の可変幅を大きくすることができるＣｃｕｔ
／Ｃｖｍａｘの値の範囲、更には発振周波数の可変幅を
大きくするための効果的な回路条件を提示することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の電圧制御水晶発振器は次の特徴を備える。 （１）水晶振動子、増幅器、負荷容量を有する電圧制御
水晶発振器であって、負荷容量は半導体基板上に集積化
された電圧制御可変容量素子及び電圧制御可変容量素子
に直列接続された直流カット用容量素子を含み、電圧制
御可変容量素子の最大容量値Ｃｖｍａｘと直流カット用
容量素子の容量値Ｃｃｕｔとの比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘ
の値が、０．５以上且つ１０より小さいこと。

【００１１】さらに、本発明の電圧制御水晶発振器は、
以下の特徴を備えることが好ましい。 （２）比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値を、０．５以上且つ
４以下の範囲としたこと。 （３）比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値を、０．７以上且つ
１．８以下の範囲としたこと。 （４）電圧制御可変容量素子の最大容量値Ｃｖｍａｘ
を、１５ｐＦ以上且つ５０ｐＦ以下の範囲としたこと。 （５）電圧制御可変容量素子は、増幅器の入力側及び出
力側の両側に設けられていること。

【００１２】

【発明の実施の形態】集積化された直流カット用容量素
子の電極膜（図２のポリシリコン膜１６）は、半導体基
板に対して必ず寄生容量（浮遊容量）Ｃｐ２を持ち、そ
の値は電極膜の占有面積にほぼ比例する。そこで、本発
明者は、直流カット用容量素子の容量値が大きくなるよ
うに設計すると、大きな固定容量である寄生容量Ｃｐ２
が可変容量素子Ｃｖ に並列に形成されてしまい、却っ
て可変容量素子の周波数変化効果を減殺するであろうと
考えた。さらに、負荷容量が大きくなるほど、負荷容量
の変化量に対する周波数の変化量（容量可変量の周波数
への効き方）が小さくなる現象がある。したがって、集
積化する場合には、直流カット用容量素子の大きさを従
来例よりも小さくして、寄生容量の発生を抑えると、周
波数変化効果が大となるという優れた効果が発揮される
と推測できる。

【００１３】そこで、まず発振周波数の変化を表す数式
を明確に把握した。次に、発振周波数の変化を表す数式
に基づいて、発振回路の種々の回路定数を変化させなが
ら、シミュレーションを行った。シミュレーションで
は、発振周波数の可変幅を数値計算により求めた。以下
にまず使用した数式を掲げる。なお、本発明の実施の形
態において、集積化された直流カット用容量素子と電圧
制御可変容量素子の構造は図２に示したものを用い、発
振回路は図１に示したものを用いた。

【００１４】電圧制御水晶発振器における発振周波数の
変化は式（１）によって、また負荷容量の値は式（２）
によって表される。 Δｆ／ｆＳ ＝１＋Ｃ０ ／〔２γ（Ｃ０ ＋ＣＬ ）〕 ……………（１） ２ＣＬ ＝Ｃｐ１ ＋Ｃｃｕｔ ×（ＣＶ ＋Ｃｐ２）／（Ｃｃｕｔ ＋ＣＶ ＋Ｃｐ２）……（２） ただし ｆＳ は水晶振動子の直列共振周波数、ＣＬ
は負荷容量、Δｆ／ｆＳは周波数変化率を表す。

【００１５】シミュレーションでは、標準的と考えられ
る回路定数を標準値として設定し、各定数の１つを標準
値の前後に変化させて、式（２）及び式（１）に基づき
負荷容量及び周波数変化率Δｆ／ｆｓ を計算した。ま
た、横軸にＣｃｕｔ ／Ｃｖの比の値を１〜１２の範囲
で示し、縦軸には周波数可変幅（Ｃｖｍａｘの場合のΔ
ｆ／ｆｓと、Ｃminiの場合のΔｆ／ｆｓとの差）をｐｐ
ｍ単位で表してグラフ化した。また他の変化させた回路
定数はパラメータとした。

【００１６】なお図１（ａ）の発振回路は入力側と出力
側の双方にＣｖ とＣｃｕｔ を持っている。以下のシ
ミュレーションでは、特に回路の非対称性を検討した図
１１と図１２を除き、両側（入力側及び出力側）の負荷
容量が同じ構造と特性を持ち、両側の可変容量はフルに
変化させるものとした。なお、各定数が、Ｃｖｍａｘ＝
３０ｐＦ、Ｃｖｍｉｎ＝３ｐＦ、Ｃｐ１＝３ｐＦ、Ｃｐ
２＝Ｃｃｕｔ の７％、Ｃ０ ＝３ｐＦ及びγ（Ｃ０/
Ｃ１）＝２８０の場合を標準条件とした。

【００１７】以下にシミュレーションの結果を図示す
る。なお個々の計算を記述することは省略する。各図の
曲線のうちの少なくとも１本は、上記標準条件の曲線と
なっている。

【００１８】図３は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕ
ｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、可変容量素子の最大容量値
Ｃｖｍａｘをパラメータとして表したグラフである。図
３では、可変容量素子の最大容量値Ｃｖｍａｘを５種類
に変化させている。なお最小容量値Ｃｖｍｉｎは、それ
ぞれのＣｖｍａｘの１０％に設定した。また各曲線のピ
ークを点線で結んでその位置の変化も示している。以下
の各図についても同じである。

【００１９】図３に示すように、どの曲線においても、
Ｃｖｍａｘが変化しても曲線の形は大きくは変化しな
い。また、どの曲線においても、従来用いられていたＣ
ｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが１０以上では、周波数可変幅はご
く小さな値である。そして、各曲線の周波数可変幅のピ
ークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが０．８〜１．６の範囲
であって、これは従来予想もしていなかったような小さ
な値の範囲である。

【００２０】図４は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕ
ｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、図３と同様に可変容量素子
の最大容量値Ｃｖｍａｘをパラメータとして表したグラ
フである。ただし、Ｃｖｍｉｎは３ｐＦの一定値として
いる。図４に示すように、どの曲線においても、Ｃｖｍ
ａｘが変化しても曲線の形は大きくは変化しない。ま
た、各曲線の周波数可変幅のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖ
ｍａｘが０．７〜１．７の範囲で現れている。本図で特
徴的なのは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値が増えるにつれ
Ｃｖｍａｘの値の大きいものと小さいものとの間で周波
数可変幅の値に逆転が起ることである。このことは周波
数可変幅に対して寄生容量Ｃｐ２の影響がいかに大きい
かを物語る良い例である。

【００２１】図５は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕ
ｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、可変容量素子の最小容量値
Ｃｖｍｉｎをパラメータとして表したグラフである。た
だし、Ｃｖｍａｘは、３０ｐＦの一定値とし、Ｃｖｍｉ
ｎを２〜５ｐＦの範囲で変化させている。図５におい
て、各曲線はよく揃った形をしており、横軸上のピーク
位置の移動も少ない。また、各曲線の周波数可変幅のピ
ークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが１．１〜１．４の範囲
で現れている。

【００２２】図６は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕ
ｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、寄生容量Ｃｐ１をパラメー
タとして表したグラフである。ただし、寄生容量Ｃｐ１
は２〜５ｐＦの間で変化させている。寄生容量Ｃｐ１
は、増幅器のゲート容量、水晶振動子の接続パッドや配
線の浮遊容量等を合算したものであり、Ｃｃｕｔ とＣ
ｖ の直列容量をバイパスするので、周波数可変幅を減
殺するように働く。また、各曲線の周波数可変幅のピー
クは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが１．１〜１．４の範囲で
現れている。

【００２３】図７は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕ
ｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、寄生容量Ｃｐ２をパラメー
タとして表したグラフである。ただし、寄生容量Ｃｐ２
は、直流カット用容量Ｃｃｕｔ の５％〜９％の範囲で
変化させている。寄生容量Ｃｐ２は、図２に示す如く、
Ｃｃｕｔの電極とシリコン基板１０との間の容量が主体
である。したがって、ＩＣの断面構造が同じならＣｃｕ
ｔの電極面積に比例する。また、Ｃｐ２はＣｖを直接バ
イパスするので曲線の形への影響が大きい。各曲線の周
波数可変幅のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが１．０
〜１．３の範囲で現れている。Ｃｐ２の影響は、Ｃｃｕ
ｔ／Ｃｖｍａｘの値の大きいところ（即ちＣｃｕｔが大
きい場合）ほど大きく現れる。即ち、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍ
ａｘの値の大きいところでは、周波数可変幅の絶対値の
減殺効果が特に大きく、従来例の範囲（Ｃｃｕｔ／Ｃｖ
ｍａｘの値が１０以上）では実は極めて大きな負の影響
があったことがわかる。

【００２４】図８は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕ
ｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、γをパラメータとして表し
たグラフである。γは、水晶振動子の等価直列容量Ｃ１
に対する並列容量Ｃ０の比である。各曲線の形は、他の
図における曲線の形と良く似ている。また、各曲線の周
波数可変幅のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが１．１
７で、γに対して（本例ではＣ０が一定なので、実はＣ
１の変化に対して）不変である。

【００２５】図９は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕ
ｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、並列容量Ｃ０をパラメータ
として表したグラフである。各曲線の形は、他の図にお
ける曲線の形と良く似ている。各曲線の形状もピーク位
置も他の図とよく似ている。各曲線の周波数可変幅のピ
ークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが０．９〜１．３の範囲
で現れている。

【００２６】図１０は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃ
ｕｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、Ｃｐ３をパラメータとし
て表したグラフである。ただし、Ｃｐ３は、１ｐＦの場
合と、０ｐＦの場合の２通りのみを示している。Ｃｐ３
は、図１（ａ）のＣｐ２と同じ位置に並列に追加される
固定的な（即ちＣｃｕｔ に比例しない）寄生容量であ
ると定義され、主体はＣｃｕｔ−Ｃｖ−Ｒ間の配線に生
ずる僅かな浮遊容量である。Ｃｐ３を考えた場合には、
周波数可変幅は無論低減するが、その低減幅はわずかで
あり曲線の形には大きな影響を与えない。

【００２７】図１１は、発振回路の入力側及び出力側に
設けた可変容量素子の最大容量値を異ならせた場合を、
標準条件（両側の可変容量素子のＣｖｍａｘを両方とも
３０ｐＦとした場合）と比較したグラフである。そのと
き、一方のＣｖｍａｘ＝４０ｐＦ、他方のＣｖｍａｘ＝
２０ｐＦとした。結果的に、入出力側が非対称である
と、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘ＝２．７付近を境にして、曲
線の上下が入れ替わるが、曲線の形状の差はほとんど認
められない。

【００２８】図１２は、可変容量素子を発振回路の入力
側又は出力側の一方だけに設け、他方を固定容量素子と
した場合を、標準条件（両側に可変容量素子を設けた場
合）と比較したグラフである。一方の可変容量素子は標
準条件と同一、他方の固定容量素子は１０ｐＦとした。
片側のみに可変容量素子を設けた場合には、周波数可変
幅の絶対値は半減する。しかしながら、片側のみに可変
容量素子を設けた場合の曲線の形状、及び曲線のピーク
の位置は、両側に可変容量素子を設けたの場合と類似し
ている。ここでは、比較のために片側にのみ可変容量素
子を設けた場合についてシミュレーションを行った。し
かしながら、１チップに集積化して発振器を作成する場
合には、片側にのみ可変容量素子を設けても、部品点数
が削減されるわけではない。したがって、周波数可変幅
の狭い片側にのみ可変容量素子を設けた回路構成が用い
られることは、実際にはほとんどないと思われる。

【００２９】図１３は、逆接続の場合と、標準条件の場
合とを比較したグラフである。逆接続とは、メタル配線
１９（図２参照）の代わりに、メタル配線２０（図２に
破線で示す）で、ポリシリコン膜１７を接続した場合を
言う。また、他の回路素子は、標準値を用いている。さ
らに、本例におけるＣＬ は、（２）式に代わり、以下
の（３）式で表される。なお、標準条件（順接続）と
は、メタル配線１９で、ポリシリコン膜１６を接続した
場合を言う。図１３に示すように、両曲線はほとんど重
なってしまい（逆接続場合の曲線が、ほんの少しだけ下
側に位置している）実質的な差は無かった。このことは
有効なＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘ比が発振回路ＩＣの構造に
あまり影響されないことを示す事例となっている。 ２ＣＬ ＝（ＣＶ ×Ｃｏｕｔ ）／（ＣＶ ＋Ｃｏｕｔ ）＋Ｃｐ１＋Ｃｐ ２ ………（３）

【００３０】シミュレーションの結果をごく概観的に述
べる。 （１）各曲線の形状は、周波数変化幅について差異はあ
るが、互いに類似しており、特異な形状は現れない。 （２）Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値が、従来用いられてい
た１０以上よりもかなり小さい値の場合に（ただしＣｃ
ｕｔ／Ｃｖｍａｘの値がほぼ０．３より小さい場合を除
く）、周波数可変幅は従来よりも著しく改善される。 （３）各曲線の周波数可変幅のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃ
ｖｍａｘの値がほぼ０．７〜１．８の範囲に現れる。

【００３１】基準周波数の合わせ込み偏差及び温度によ
る周波数偏差等の一般的な条件を全て考慮に入れた場
合、水晶発振器の周波数安定度の業界標準は、±５０ｐ
ｐｍである。したがって、特別な場合を除いて、電圧可
変水晶発振器は、最低でも１００ｐｐｍ以上の周波数可
変幅を確保しなくてはならない。このことを念頭におい
てシミュレーション結果を考察すると、Ｃｃｕｔ／Ｃｖ
ｍａｘの値が０．２以上且つ１０より小さければ上記最
低条件を満たすことがわかる。

【００３２】ただしこの範囲であっても比の値が極端に
小さい部分は実際の製品には適さない。なぜならば実際
の製品における容量値には一定量のバラツキを見込む必
要があり、このバラツキに対して比の値が極端に小さい
部分の可変量の変化があまりに急峻だからである。この
ことを考慮に入れるとＣcut／Ｃvmaxの比の値は可変幅
の変化量があまり急峻でない０．５以上が適当である。

【００３３】上記した発振器自身の安定度を確保した上
で、どのくらいの周波数可変幅が必要かは各アプリケー
ションによって異なるが、周波数可変幅が±１００ｐｐ
ｍ以上であれば、現存するほとんどのアプリケーション
に適応が可能であると考えられる。したがって、±１０
０ｐｐｍ以上の周波数可変幅が、電圧制御発振器におけ
る一つの標準値となっている。各グラフにおいて、２０
０ｐｐｍ以上の周波数可変幅が確保できるＣｃｕｔ／Ｃ
ｖｍａｘの値は、０．４〜４．０の範囲であることが理
解できる。ただし下限値としては前述したのと同様の理
由で０．５以上が適当である。

【００３４】さらにＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値を、各グ
ラフにおける曲線のピーク値付近に設定した場合には２
５０ｐｐｍを超える周波数可変幅を得ることが可能であ
る。各グラフにおける曲線のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖ
ｍａｘの値が０．７〜１．８の範囲にすべて現れている
ことがわかる。またどのグラフにおいても上記比の範囲
内では２５０ｐｐｍ以上の周波数可変幅が確保できてお
り、広い周波数可変幅を得るための最適の条件であるこ
とが理解できる。

【００３５】従来、こうした広い周波数可変幅をもった
電圧制御水晶発振器は、ディスクリート部品によっての
み構成することができたため、外形が大きく、また特殊
な部品や回路構成を用いるため高価であった。しかなが
ら、本発明によれば、小型且つ低価格で、広い周波数可
変幅をもった電圧制御発振器を提供することが可能にな
る。

【００３６】今回のシュミレーションにおいては、各パ
ラメータの値は標準的に得られると思われる範囲のもの
を用いているため、実際に集積回路を設計・製造するに
あたってＣcut／Ｃvmaxの値として上述した範囲のもの
を選択することは、広い周波数可変幅を得るためにきわ
めて有効であるといえる。

【００３７】各パラメータに対し今回選択した範囲外の
数値を入力した場合には、周波数可変幅やＣcut／Ｃvma
xの比のピーク値が上述したものとは異なってくること
も考えられるが、今回のシュミレーションにおいて各図
における曲線の形が非常に似通っており、特異的なカー
ブが存在しないことを考えれば、そのような場合でも上
述したＣcut／Ｃvmaxの値の範囲を選択することが広い
周波数可変幅を確保するために有効であることは変わり
がない。

【００３８】また今回のシュミレーションにおいては、
説明が複雑になることを避けるため、すべて単一のパラ
メータの値だけを変化させている。複数のパラメータを
標準値から変化させた場合には、周波数可変幅やＣcut
／Ｃvmaxの比のピーク値が上述したものとは異なってく
ることも考えられるが、今回のシュミレーションにおい
て各図における曲線の形が非常に似通っており、特異的
なカーブが存在しないことを考えれば、そのような場合
でも上述したＣcut／Ｃvmaxの値の範囲を選択すること
が広い周波数可変幅を確保するために有効であることは
変わりがない。

【００３９】図３のグラフのパラメータ（Ｃｃｕｔ／Ｃ
ｖｍａｘを固定したときのＣｖｍａｘの値）は、可変容
量素子と直流カット容量素子の面積だけで調節できるた
め、他のパラメータと異なり、任意の値を取ることが可
能である。しかしながら、図３で示した範囲以外の値
（図示せず）では、ピーク値においても大きな周波数可
変幅を得ることができないため、Ｃｖｍａｘの値は、図
３に示した１５ｐＦ〜５０ｐＦの範囲が望ましい。

【００４０】なお図１（ａ）の回路を基本として、条件
を様々に振った実際の集積回路（テストチップ）を作
り、周波数可変幅を測定したところ、上記したシミュレ
ーションと非常に良く一致する結果が得られた。

【００４１】図２と異なった、可変容量素子の他の構造
例を図１４に示す。なお、図１４では、可変容量素子部
分のＩＣ構造の断面図を示している。図１４では、可変
容量素子はバリキャップであるが、シリコン基板１０を
ｐ基板としたためウエルがなくなっている。

【００４２】可変容量素子の更に他の構造例を図１５に
示す。図１５において、可変容量素子は、バリキャップ
ではなく、ＭＯＳ−Ｃと呼ばれる素子であって、ＭＯＳ
トランジスタのゲート容量を可変容量として利用したも
のである。図１５において、２１は酸化膜、２２は電極
膜である。図１５は、ｎ基板を採用しているが、ｐ基板
でも構成することができる。

【００４３】なお、図１４及び図１５に示す例でも、直
流カット用容量素子は必要であり、それには寄生容量が
伴う。したがって、図１４及び図１５に示す例にも、本
発明が適用可能であることは明確である。

【００４４】以上本発明の実施の形態について述べた
が、本発明における回路定数及び水晶振動子の等価回路
定数の標準値は、例示したものに限定されるものではな
い。また、対象となる回路の構成や集積回路の構造も、
必ずしも図１、図２に示したものに限定されるものでは
ない。例えば、各種のカット、振動姿態、又は２端子以
上の端子を有する水晶振動子があり、それらに対応した
最適な発振回路が存在する。本発明は、負荷容量の電圧
変化によって発振周波数を制御する構成の発振回路に対
して基本的に適用可能である。さらに、水晶以外の圧電
材よりなる振動子も、図１（ｂ）に示すような等価回路
で表すことができるので、本発明の水晶振動子と置換す
ることが可能である。

【００４５】

【発明の効果】（１）本発明の電圧制御水晶発振器で
は、集積化された直流カット用容量素子の容量値を従来
よりも小さい値とすることにより、従来よりも広い周波
数可変幅を得ることができた。したがって、本発明の電
圧制御水晶発振器は、より多くのアプリケーションに対
して使用することが可能となった。さらに、本発明の電
圧制御水晶発振器は、直流カット用容量素子の集積回路
上での占有面積を小さく抑えることができるので、水晶
振動子を含む水晶発振器を製造する上及び組立調整する
上で極めて大きい利点を有する。

【００４６】本発明の電圧制御水晶発振器では、（２）
Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値を０．５〜４の範囲とするこ
とにより、条件が悪い場合でも、２００ｐｐｍを超える
周波数可変幅を得ることが可能になる。また、（３）Ｃ
ｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値を０．７〜１．８の範囲とする
ことにより、周波数可変幅のピーク値又はピーク値に近
い値が確実に得られ、設計上最大の周波数可変幅を得る
ことができる。さらに、（４）Ｃｖｍａｘを１５〜５０
ｐＦの範囲とすることにより、大きな周波数可変幅を確
保することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施形態においても用いられ
る水晶発振回路の一例を示し、（ｂ）は水晶振動子の２
端子等価回路を示している。

【図２】本発明の実施形態においても用いられる集積化
した水晶発振回路における負荷容量部分の断面図の一例
を示す。

【図３】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路
の周波数可変幅の変化を表すグラフで、可変容量素子の
大きさをパラメータとし、可変容量の最大値Ｃｍａｘと
最小値Ｃｍｉｎの比を一定としたものである。

【図４】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘ比に対する水晶発振回
路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、可変容量素子
の大きさをパラメータとし、可変容量の最小値Ｃｍｉｎ
を一定としたものである。

【図５】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路
の周波数可変幅の変化を表すグラフで、可変容量の最小
値Ｃｍｉｎ の大きさをパラメータとしたものである。

【図６】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路
の周波数可変幅の変化を表すグラフで、寄生容量Ｃｐ１
の大きさをパラメータとしたものである。

【図７】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路
の周波数可変幅の変化を表すグラフで、寄生容量Ｃｐ２
の大きさをパラメータとしたものである。

【図８】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路
の周波数可変幅の変化を表すグラフで、水晶振動子の等
価直列容量に対する並列容量の比γの大きさをパラメー
タとしたものである。

【図９】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路
の周波数可変幅の変化を表すグラフで、水晶振動子の並
列容量Ｃ０ の大きさをパラメータとしたものである。

【図１０】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回
路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、配線に起因す
る固定的な寄生容量Ｃｐ３の有無を比較したものであ
る。

【図１１】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回
路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、発振回路の入
出力側の可変容量の大きさが異なる場合を示したもので
ある。

【図１２】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回
路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、可変容量素子
を発振回路の入出力側の一方のみに設けた場合と双方に
設けた場合とを比較したものである。

【図１３】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回
路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、可変容量素子
を直流カット用容量素子の異なる電極側に接続した場合
を比較したものである。

【図１４】本発明の実施の形態の一例においても用い得
る、集積化した水晶発振回路における負荷容量部分の他
の例の断面図である。

【図１５】本発明の実施の形態の一例においても用い得
る、集積化した水晶発振回路における負荷容量部分の更
に他の例の断面図である。

【符号の説明】

１ 水晶振動子 ２ 増幅器 ３ 入力端子 ４ 出力端子 ５ バッファ増幅器 ６、７ 制御電圧印加端子 Ｒ 入力抵抗 Ｃv 可変容量素子 Ｃcut 直流カット用容量素子 Ｃp1、Ｃp2 寄生容量 Ｃ0 、Ｌ1 、Ｃ1 、Ｒ1 水晶振動子の等価回路定数 Ｃ0 並列容量 Ｌ1 等価直列インダクタンス Ｃ1 等価直列容量 Ｒ1 等価直列抵抗 １０ シリコン基板 １１、１２、１３、１４ 可変容量素子 １１ ｐ- ウエル １２ ｐ+ 領域 １３ ｎ+ 領域 １４ 空乏層 １５ フィールド酸化膜 １６、１７、１８ 直流カット用容量素子 １６、１７ ポリシリコン膜 １８ 絶縁層 １９ メタル配線 ２１ 酸化膜 ２２ 電極膜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水晶振動子、増幅器及び負荷容量を有す
   る電圧制御水晶発振器であって、前記負荷容量は、半導
   体基板上に集積化された電圧制御可変容量素子及び前記
   電圧制御可変容量素子に直列接続された直流カット用容
   量素子を含み、電圧制御可変容量素子の最大容量値Ｃｖ
   ｍａｘと前記直流カット用容量素子の容量値Ｃｃｕｔと
   の比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘは、０．５以上且つ１０より
   小さいことを特徴とする電圧制御水晶発振器。
2. 【請求項２】 前記比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘは、０．５
   以上且つ４以下であることを特徴とする請求項１の電圧
   制御水晶発振器。
3. 【請求項３】 前記比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘは、０．７
   以上且つ１．８以下であることを特徴とする請求項１の
   電圧制御水晶発振器。
4. 【請求項４】 前記電圧制御可変容量素子の最大容量値
   Ｃｖｍａｘは、１５ｐＦ以上且つ５０ｐＦ以下であるこ
   とを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの電圧制御
   水晶発振器。
5. 【請求項５】 前記電圧制御可変容量素子は、前記増幅
   器の入力側及び出力側の両側に設けられていることを特
   徴とする請求項１ないし３のいずれかの電圧制御水晶発
   振器。