JP2005123426A - 電圧制御可変容量 - Google Patents

Abstract

【課題】回路構成を複雑にすることなく、広い制御電圧レンジで容量値を変化できると共に、容易に、精度良く容量値を制御できる電圧制御可変容量を提供する。また、線形性良く容量値を変化できる電圧制御可変容量を提供する。
【解決手段】固定容量Ｃｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ）とＮｃｈのＭＯＳトランジスタＭｋとが直列に接続されたバラクタＶＣｋを、複数並列に接続して構成されるものであり、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎは、しきい値電圧がそれぞれ異なるように、そのサイズが、ゲート幅Ｗが一定であり、ゲート長Ｌ１〜Ｌｎが段々と長くなる（Ｌ１＜Ｌ２＜…＜Ｌｎ）ように構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、制御電圧によって容量値が変化する電圧制御可変容量に関する。

通信端末等に用いられる信号処理回路においては、正確なクロック信号を生成するために、精度良く発振する発振器が望まれる。従来から、一般に使用される水晶発振器の発振精度を向上するため、制御電圧によって容量値が変化する電圧制御可変容量（電圧制御バラクタ）と、この電圧制御バラクタの容量値に応じた周波数で発振する水晶振動子とを備えるＶＣＸＯ（Voltage Controlled Crystal Oscillator：電圧制御水晶発振回路）が知られている。また、水晶振動子が持つ、温度による周波数変動を補償するため、温度補償回路で温度特性を補償した制御電圧を電圧制御バラクタに印加することによって、所望の周波数で水晶振動子を発振させるＴＣＸＯ（Temperature Compensated Crystal Oscillator：温度補償回路付き水晶発振器）が知られている。

上記発振器に用いられる電圧制御バラクタには、従来、図１２〜図１４に示すものがある。

図１２は、ダイオードを用いた電圧制御バラクタを示す。この電圧制御バラクタは、ＰＮ接合のダイオードのアノード側を接地し、カソード側の端子Ｚｃに制御電圧を与えることにより、ダイオードのＰＮ接合面に形成される空亡層の広がりを変化させ、端子Ｚｃから見た容量値を変化させるものである。同図に示す、ダイオードに逆バイアスを印加する構成の電圧制御バラクタは、ある程度の範囲で制御電圧を変化させて容量値を変化できるが、一般に、制御電圧の変化に対する容量値変化の感度は、あまり高くできない。

図１３は、固定容量とＭＯＳトランジスタとを用いた電圧制御バラクタである。この電圧制御バラクタは、固定容量の一端とＭＯＳトランジスタのドレインとを直列に接続し、ＭＯＳトランジスタのソースを接地して、ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を変化させることによりＭＯＳトランジスタのオン抵抗を変化させて、容量の他端Ｚｃから見た容量値を変化させるものである（例えば、特許文献１参照）。

図１５（Ａ）は、端子Ｚｃから見た図１３に示す電圧制御バラクタの制御電圧Ｖｃｏｎｔに対する容量値変化の特性（Ｃ−Ｖ特性）を示す図である。ゲートに印加する制御電圧Ｖｃｏｎｔを接地電位から徐々に上げていき、しきい値Ｖｔを超えると、ＭＯＳトランジスタはオンし始める。すなわち、制御電圧Ｖｃｏｎｔが増加するにつれて、ＭＯＳトランジスタのオン抵抗は下がっていく。したがって、電圧制御バラクタの容量値は、図１５（Ａ）に示すように、制御電圧レンジΔＶＣ内で、０（Ｆ）〜Ｃ（Ｆ）まで急激に変化する。同図に示すように、このＣ−Ｖ特性は線形性がよくない。

図１５（Ｂ）は、制御電圧Ｖｃｏｎｔに対する電圧制御バラクタの容量値の変化率（Ｃ―Ｖ感度）を示す図である。同図に示すように、Ｃ−Ｖ感度は、制御電圧レンジΔＶＣ内で、ほとんど一定になる範囲がない。つまり、この電圧制御バラクタの容量値変化特性が線形になっていないことがわかる。

図１５（Ｃ）は、この電圧制御バラクタを電圧制御水晶発振回路に用いた場合における制御電圧Ｖｃｏｎｔに対する発振周波数の特性（ｆ−Ｖ特性）を示す図である。同図に示すように、この電圧制御バラクタを用いて制御電圧Ｖｃｏｎｔを電圧レンジΔＶＣで変化させた場合、電圧制御バラクタの容量値は急激に変化し、さらにその変化特性は線形ではないため、電圧制御発振回路の発振周波数も線形に変化させることができない。

すなわち、この電圧制御バラクタは、制御電圧の変化に対する容量値変化の感度は高いが、狭い電圧レンジでしか制御電圧を変化できず、また、制御電圧の変化に対する容量値変化の線形性がよくないため、制御しにくい。このため、水晶発振器の周波数補償用として使用しにくい。

図１４は、上記従来の技術を改良した電圧制御バラクタである。この電圧制御バラクタは、図１３に示したバラクタを複数組並列に接続し、各バラクタを構成するＭＯＳトランジスタ（Ｍ１〜Ｍｎ）のゲートに、値の異なる制御電圧Ｖｃｏｎｔ１〜Ｖｃｏｎｔｎ（Ｖｃｏｎｔ１＞Ｖｃｏｎｔ２＞…＞Ｖｃｏｎｔｎ）をそれぞれ与えることで、端子Ｚｃから見た容量値を変化させるものである。各制御電圧は、Ｖｃｏｎｔ１＝Ｖｃ、Ｖｃｏｎｔ２＝Ｖｃ−Ｖｏｆｆ１、Ｖｃｏｎｔ３＝Ｖｃ−Ｖｏｆｆ２、…というように、電圧Ｖｃに対してそれぞれ所定のずれを有するように生成され、各ＭＯＳトランジスタに印加される。したがって、電圧ＶｃをＧＮＤ電位から上げていくと、Ｖｃｏｎｔ１（＝Ｖｃ）が、ＭＯＳトランジスタがオンし始めるしきい値電圧ＶＴになると、ＭＯＳトランジスタＭ１を含むバラクタＶＣ１の容量値が変化し始める。さらに電圧Ｖｃを上げていきＶｃ＝ＶＴ＋Ｖｏｆｆ１（すなわち、Ｖｃｏｎｔ２＝Ｖｔ）になると、ＭＯＳトランジスタＭ２を含むバラクタＶＣ２の容量値が変化し始める。ここで、Ｖｏｆｆ１の値は、バラクタＶＣ１の容量値が変化し始めた後変化量が小さくなると、バラクタＶＣ２の容量値が変化し始めるように決定される。同様に、Ｖｏｆｆ２、Ｖｏｆｆ３、…の値も決定される。

この電圧制御バラクタでは、各バラクタに値の異なる制御電圧がそれぞれ印加され、電圧Ｖｃを増加させると、まずバラクタＶＣ１の容量値が変化し始め、所定の値（Ｖｏｆｆ１）ずれてバラクタＶＣ２の容量値が変化し始める。これにより、端子Ｚｃから見た容量値（電圧制御バラクタの全体的な容量値）を、広い制御電圧レンジで変化させることができる。また、この電圧制御バラクタでは、上述したように、各ＭＯＳトランジスタに対して、所定のパターンで制御電圧（Ｖｃｏｎｔ１〜Ｖｃｏｎｔｎ）を印加するため、端子Ｚｃから見た容量値を線形的に変化させることができる（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、固定容量とＭＯＳトランジスタとを複数組並列に接続した上記従来の電圧制御バラクタにあっては、それぞれ値の異なる制御電圧を各ＭＯＳトランジスタに印加するため、制御電圧を生成するための回路が複数必要となる。このため、回路構成が複雑になると共に、容量値を精度良く制御することが困難である。また、回路構成が複雑になるため、回路規模を縮小してチップ面積を縮小することが困難である。

特許第３２２２３６６号明細書 特開平１０−５１２３８号公報

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、回路構成を複雑にすることなく、広い制御電圧レンジで容量値を変化できると共に、容易に、精度良く容量値を制御できる電圧制御可変容量を提供することを目的としている。また、本発明は、線形性良く容量値を変化できる電圧制御可変容量を提供することを目的としている。

本発明の電圧制御可変容量は、制御電圧によって容量値が変化する電圧制御可変容量であって、固定容量とＭＯＳトランジスタとを有して構成される可変容量手段を複数備え、前記ＭＯＳトランジスタは、ゲート電圧を印加した場合にオンし始めるしきい値電圧が前記複数の可変容量手段間でそれぞれ異なり、前記複数の可変容量手段は、所定の制御電圧に対して、前記異なるしきい値電圧に基づく容量値をそれぞれ示し、前記複数の可変容量手段の容量値を合成した容量値になるものである。この構成により、複数の可変容量手段間でしきい値電圧がそれぞれ異なり各可変容量手段に対する制御電圧レンジがそれぞれ異なるため、広い制御電圧レンジで容量値を変化できる。また、複数の可変容量手段に対して同一の制御電圧を印加するため、回路構成を複雑にすることなく、容易に、精度良く容量値を制御できる。

また、本発明の電圧制御可変容量の前記可変容量手段は、前記固定容量と前記ＭＯＳトランジスタのソース−ドレインとを直列に接続して構成され、前記複数の可変容量手段を並列に接続したものである。この構成により、回路構成を複雑にすることなく、広い制御電圧レンジで容量値を変化できると共に、容易に、精度良く容量値を制御できる。

また、本発明の電圧制御可変容量の前記複数の可変容量手段それぞれのＭＯＳトランジスタは、制御電圧の増加に対して、それぞれ異なる電圧値でオンし始めるものである。この構成により、制御電圧を増加させると、複数の可変容量手段が段々とオンし始めるため、制御電圧の変化に対して線形性良く容量値を変化させることができる。

また、本発明の電圧制御可変容量の前記複数の可変容量手段それぞれのＭＯＳトランジスタは、制御電圧の増加に対して、１つずつオンし始め、かつ、前回オンしたＭＯＳトランジスタを含む可変容量手段の容量値の変化率が減少したときに、次の可変容量手段におけるＭＯＳトランジスタがオンし始めるものである。この構成により、制御電圧を増加させた場合、複数の可変容量手段の容量値を合成した容量値の変化の割合を一定にすることができるため、制御電圧の増加に対して線形性良く容量値を変化させることができる。

また、本発明の電圧制御可変容量の前記ＭＯＳトランジスタは、前記複数の可変容量手段間で、ゲート幅が同一で、ゲート長がそれぞれ異なるものである。この構成により、各ＭＯＳトランジスタは、ゲート長に応じて複数の可変容量手段間で異なるしきい値電圧を有することができる。

また、本発明の電圧制御可変容量の前記ＭＯＳトランジスタは、前記複数の可変容量手段間で、ゲート長が同一で、ゲート幅がそれぞれ異なるものである。この構成により、各ＭＯＳトランジスタは、ゲート幅に応じて複数の可変容量手段間で異なるしきい値電圧を有することができる。

また、本発明の電圧制御可変容量の前記ＭＯＳトランジスタは、前記複数の可変容量手段間で、ゲート幅とゲート長の比がそれぞれ異なるものである。この構成により、各ＭＯＳトランジスタは、ゲート幅とゲート長の比に応じて複数の可変容量手段間で異なるしきい値電圧を有することができる。

また、本発明の電圧制御可変容量の前記ＭＯＳトランジスタは、バックゲート電位が前記複数の可変容量手段間でそれぞれ異なるものである。この構成により、各ＭＯＳトランジスタは、バックゲート電位に応じて複数の可変容量手段間で異なるしきい値電圧を有することができる。

また、本発明の半導体集積回路は、本発明の電圧制御可変容量を含むものである。

また、本発明のＶＣＸＯモジュールは、本発明の電圧制御可変容量と、発振回路と、水晶振動子とを備えたものである。この構成により、所望の周波数信号を広い制御電圧レンジで、容易に、精度良く発振することができる。また、回路構成が複雑でないため、回路規模を縮小し、チップ面積を縮小できる。

また、本発明のＴＣＸＯモジュールは、本発明の電圧制御可変容量と、発振回路と、温度補償回路と、水晶振動子とを備えたものである。この構成により、温度補償された所望の周波数信号を広い制御電圧レンジで、容易に、精度良く発振することができる。また、回路構成が複雑でないため、回路規模を縮小し、チップ面積を縮小できる。

さらに、本発明の通信端末は、本発明の電圧制御可変容量を用いて構成した水晶発振モジュールを備えたものである。この構成により、高精度な周波数信号を発振するため安定性がよくなる。また、回路規模を縮小できるため小型化できる。

本発明によれば、回路構成を複雑にすることなく、広い制御電圧レンジで容量値を変化できると共に、容易に、精度良く容量値を制御できる電圧制御可変容量を提供できる。また、線形性良く容量値を変化できる電圧制御可変容量を提供できる。

（第１の実施形態）
第１及び第２の実施形態では、ＭＯＳトランジスタのゲート長が複数の可変容量手段の間でそれぞれ異なる値となるように構成することにより、しきい値電圧がそれぞれ異なるものとした場合について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図である。同図に示すように、本実施形態の電圧制御バラクタＶＣは、容量Ｃ／ｎの固定容量Ｃｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）とＮｃｈのＭＯＳトランジスタＭｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）とが直列に接続されたバラクタＶＣｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）を複数並列に接続して構成される。本実施形態の電圧制御バラクタは、一端に印加される制御電圧Ｖｃｏｎｔに応じて他端（端子Ｚｃ）から見た容量値（複数のバラクタＶＣ１〜ＶＣｎの合成容量値）を変化させる。端子Ｚｃから見たバラクタＶＣｋの容量値を決定付けるＭＯＳトランジスタのサイズは、図２に示すように、ゲート幅Ｗ及びゲート長Ｌで決定されるが、図１に示す電圧制御バラクタＶＣを構成するＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのサイズは、ゲート幅Ｗが一定であり、ゲート長Ｌ１〜Ｌｎがそれぞれ異なって（Ｌ１＜Ｌ２＜…＜Ｌｎ）いる。このため、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎは、ゲート電圧を印加した場合にオンし始めるしきい値電圧ＶｔｋがバラクタＶＣ１〜ＶＣｎ間でそれぞれ異なる（Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜…＜Ｖｔｎ）。バラクタＶＣ１〜ＶＣｎは、所定の制御電圧に対して、異なるしきい値電圧に基づく容量値をそれぞれ示すものである。

バラクタＶＣｋは、固定容量Ｃｋの一端が端子Ｚｃに接続され、他端がＭＯＳトランジスタＭｋのドレインに接続される。ＭＯＳトランジスタＭｋのソースは接地され、ゲートには制御電圧Ｖｃｏｎｔが印加される。なお、バックゲートは接地されている。バラクタＶＣ１〜ＶＣｎに含まれるＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎは、それぞれゲート長Ｌ１〜Ｌｎが段々と長くなる（Ｌ１＜Ｌ２＜…＜Ｌｎ）ように構成されているため、それぞれのしきい値電圧Ｖｔ１〜Ｖｔｎも段々と高く（Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜…＜Ｖｔｎ）なっている。

図３は、第１の実施形態の電圧制御バラクタの動作特性を説明するための図である。

図３（Ａ）は制御電圧Ｖｃｏｎｔに対する端子Ｚｃからみた電圧制御バラクタの容量値変化の特性（Ｃ−Ｖ特性）を示す図である。各ＭＯＳトランジスタのゲートに同一の制御電圧Ｖｃｏｎｔを印加し、接地（ＧＮＤ）電位から徐々に電圧を上げていくと、バラクタＶＣ１〜ＶＣｎのＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎは、制御電圧Ｖｃｏｎｔが各しきい値電圧Ｖｔ１〜Ｖｔｎになったときに順にオンし始める。すなわち、制御電圧Ｖｃｏｎｔが増加するにつれて、しきい値Ｖｔのずれ分だけシフトしながら、各ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎはそのオン抵抗を下げていき、バラクタＶＣ１〜ＶＣｎの容量値が、それぞれ、バラクタＶＣｋの制御電圧レンジΔＶＣｋ内で、０(Ｆ)〜Ｃ／ｎ(Ｆ)まで変化する。図３（Ａ）では、バラクタＶＣ１，ＶＣ２の制御電圧レンジΔＶＣ１，ΔＶＣ２を例として示す。同図に示すように、各バラクタ（ＶＣ１〜ＶＣｎ）に対する制御電圧レンジはそれぞれ異なる。

電圧制御バラクタはバラクタＶＣ１〜ＶＣｎを並列接続したものであるため、電圧制御バラクタ全体の容量値変化の特性は、バラクタＶＣ１〜ＶＣｎの容量値変化特性を足し合わせた（合成した）ものとなる。したがって、各ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのしきい値電圧Ｖｔ１〜Ｖｔｎが適切な値となる様に各ＭＯＳトランジスタのゲート長Ｌ１〜Ｌｎを変えることにより、端子Ｚｃから見た電圧制御バラクタ全体の容量値ＶＣは、図３(Ａ)に示すように、制御電圧Ｖｃｏｎｔとして広い制御電圧レンジ（ΔＶＣ）内で０(Ｆ)〜Ｃ(Ｆ)まで線形性よく、なめらかに変化することになる。

図３（Ｂ）は、制御電圧Ｖｃｏｎｔに対する電圧制御バラクタの容量値ＶＣの変化率（Ｃ―Ｖ感度）を示す図である。同図に示すように、各バラクタＶＣ１〜ＶＣｎのＣ―Ｖ感度が制御レンジΔＶＣ内でほぼ一定となるように、各ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのゲート長Ｌ１〜Ｌｎを設定してしきい値電圧Ｖｔ１〜Ｖｔｎを決定することにより、電圧制御バラクタの容量値ＶＣの変化特性を線形性良くすることができる。

次に、本実施形態の電圧制御バラクタを電圧制御水晶発振回路（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）に用いた場合について説明する。図４は、本実施形態の電圧制御バラクタを用いた電圧制御水晶発振回路の構成を示す図である。同図に示すように、この電圧制御水晶発振回路は、並列に接続された抵抗Ｒ、インバータＩＮＶ及び水晶Ｘｔａｌの両端がそれぞれ端子Ｚｃ１，Ｚｃ２に接続され、端子Ｚｃ１，Ｚｃ２にそれぞれ電圧制御バラクタＶＣａ，ＶＣｂの一端（接続端子）が接続され、電圧制御バラクタＶＣａ，ＶＣｂの他端（制御入力端子）に制御電圧Ｖｃｏｎｔが印加されるものである。電圧制御水晶発振回路は、電圧制御バラクタＶＣａ及びＶＣｂの容量値に応じて発振周波数が変化する。

図３（Ｃ）は、本実施形態の電圧制御バラクタを用いて、図４に示す電圧制御水晶発振回路を構成した場合における制御電圧Ｖｃｏｎｔに対する発振周波数の特性（ｆ−Ｖ特性）を示す図である。同図に示すように、本実施形態の電圧制御バラクタを用いて制御電圧Ｖｃｏｎｔを電圧レンジΔＶＣで変化させた場合、電圧制御バラクタの容量値ＶＣをほぼ線形に変化させることができるので、電圧制御発振回路の発振周波数も同じ電圧レンジ（ΔＶＣ）でほぼ線形に変化させることができる。したがって、本実施形態の電圧制御バラクタを電圧制御発振回路に用いれば、広い制御電圧レンジで水晶発振器の発振周波数を制御でき、容易に、精度良く発振周波数を制御できる。このため、本実施形態の電圧制御バラクタを用いた電圧制御発振回路は、周波数補償用としても使用しやすい。

以上説明したように、本実施形態の電圧制御バラクタでは、各バラクタ（ＶＣ１〜ＶＣｎ）に対する制御電圧レンジがそれぞれ異なり、これらの制御電圧レンジを合成した制御電圧レンジで制御電圧を変化できるため、容量値（バラクタＶＣ１〜ＶＣｎの合成容量値）を、広い制御電圧レンジで変化できる。したがって、制御電圧の変化に対する容量値変化の感度を低くできる、すなわち、容量値を緩やかに変化させることができるため、所望の容量値を得るための制御電圧を生成しやすい。また、複数のバラクタＶＣ１〜ＶＣｎに対して同一の制御電圧Ｖｃｏｎｔを印加するため、回路構成を複雑にすることなく、容易に、精度良く容量値を制御できる。さらに、本実施形態の電圧制御バラクタによれば、バラクタＶＣ１の容量値が変化し始めた後その変化量（変化率）が減少すると、バラクタＶＣ２の容量値が変化し始めるように、各ゲート長（Ｌ１〜Ｌｎ）を設定して各しきい値電圧を異なるものとするため、制御電圧の変化に対する容量値（バラクタＶＣ１〜ＶＣｎの合成容量値）の変化の割合（変化率）を一定にすることができ、制御電圧の変化に対して線形性良く容量値を変化させることができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図である。同図において、第１の実施形態で説明した図１と重複する部分には同一の符号を付す。

本実施形態の電圧制御バラクタは、バラクタＶＣｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）において、固定容量Ｃｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）とＭＯＳトランジスタＭｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）との位置関係が第１の実施形態の場合と逆である。すなわち、本実施形態では、バラクタＶＣｋは、固定容量Ｃｋの一端が接地され、他端がＭＯＳトランジスタＭｋのソースに接続される。ＭＯＳトランジスタＭｋのドレインは端子Ｚｃに接続され、ゲートには制御電圧Ｖｃｏｎｔが印加される。

本実施形態の電圧制御バラクタの動作及び効果は、第１の実施形態の電圧制御バラクタと同様である。

（第３の実施形態）
第３及び第４の実施形態では、ＭＯＳトランジスタのゲート幅が複数の可変容量手段の間でそれぞれ異なる値となるように構成した場合について説明する。

図６は、本発明の第３の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図である。同図において、第１の実施形態で説明した図１と重複する部分には同一の符号を付す。第１の実施形態では、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのゲート長をそれぞれ異なる値となるように構成することによってしきい値電圧をそれぞれ異なるものとしたが、本実施形態では、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのゲート幅をそれぞれ異なる値（Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３＞…＞Ｗｎ）となるように構成することによってしきい値電圧Ｖｔｋをそれぞれ異なるもの（Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜…＜Ｖｔｎ）とする。

本実施形態の電圧制御バラクタＶＣを構成するＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのサイズは、ゲート長Ｌが一定であり、ゲート幅Ｗ１〜Ｗｎがそれぞれ異なって（Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３＞…＞Ｗｎ）いる。このため、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎは、ゲート電圧を印加した場合にオンし始めるしきい値電圧ＶｔｋがバラクタＶＣ１〜ＶＣｎ間でそれぞれ異なる（Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜…＜Ｖｔｎ）。

図６に示すように、本実施形態の電圧制御バラクタＶＣは、容量Ｃ／ｎの固定容量Ｃｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）とＮｃｈのＭＯＳトランジスタＭｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）とが直列に接続されたバラクタＶＣｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）を複数並列に接続して構成される。本実施形態の電圧制御バラクタは、一端に印加される制御電圧Ｖｃｏｎｔに応じて他端（端子Ｚｃ）から見た容量値を変化させる。この電圧制御バラクタを構成するＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのサイズは、ゲート長Ｌが一定であり、ゲート幅Ｗ１〜Ｗｎがそれぞれ異なって（Ｗ１＞Ｗ２＞…＞Ｗｎ）いる。このため、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎは、ゲート電圧を印加した場合にオンし始めるしきい値電圧がバラクタＶＣ１〜ＶＣｎ間でそれぞれ異なる（Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜…＜Ｖｔｎ）。

バラクタＶＣｋは、固定容量Ｃｋの一端が端子Ｚｃに接続され、他端がＭＯＳトランジスタＭｋのドレインに接続される。ＭＯＳトランジスタＭｋのソースは接地され、ゲートには制御電圧Ｖｃｏｎｔが印加される。なお、バックゲートは接地されている。バラクタＶＣ１〜ＶＣｎに含まれるＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎは、それぞれゲート幅Ｗ１〜Ｗｎが段々と短くなる（Ｗ１＞Ｗ２＞…＞Ｗｎ）ように構成されているため、それぞれのしきい値電圧Ｖｔ１〜Ｖｔｎは段々と高く（Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜…＜Ｖｔｎ）なっている。

本実施形態の電圧制御バラクタの動作及び効果は、第１及び第２の実施形態の電圧制御バラクタと同様である。すなわち、本実施形態の電圧制御バラクタでは、各バラクタ（ＶＣ１〜ＶＣｎ）に対する制御電圧レンジがそれぞれ異なり、これらの制御電圧レンジを合成した制御電圧レンジで制御電圧を変化できるため、容量値（バラクタＶＣ１〜ＶＣｎの合成容量値）を、広い制御電圧レンジで変化できる。したがって、制御電圧の変化に対する容量値変化の感度を低くできる、すなわち、容量値を緩やかに変化させることができるため、所望の容量値を得るための制御電圧を生成しやすい。また、複数のバラクタＶＣ１〜ＶＣｎに対して同一の制御電圧Ｖｃｏｎｔを印加するため、回路構成を複雑にすることなく、容易に、精度良く容量値を制御できる。さらに、本実施形態の電圧制御バラクタによれば、バラクタＶＣ１の容量値が変化し始めた後その変化量が減少すると、バラクタＶＣ２の容量値が変化し始めるように、各ゲート幅（Ｗ１〜Ｗｎ）を設定して各しきい値電圧を異なるものとするため、制御電圧の変化に対する容量値（バラクタＶＣ１〜ＶＣｎの合成容量値）の変化の割合を一定にすることができ、制御電圧の変化に対して線形性良く容量値を変化させることができる。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図である。同図において、第３の実施形態で説明した図６と重複する部分には同一の符号を付す。

本実施形態の電圧制御バラクタは、バラクタＶＣｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）において、固定容量Ｃｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）とＭＯＳトランジスタＭｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）との位置関係が第３の実施形態の場合と逆である。すなわち、本実施形態では、バラクタＶＣｋは、固定容量Ｃｋの一端が接地され、他端がＭＯＳトランジスタＭｋのソースに接続される。ＭＯＳトランジスタＭｋのドレインは端子Ｚｃに接続され、ゲートには制御電圧Ｖｃｏｎｔが印加される。

本実施形態の電圧制御バラクタの動作及び効果は、第３の実施形態の電圧制御バラクタと同様である。

（第５の実施形態）
第５及び第６の実施形態では、ＭＯＳトランジスタのゲート幅とゲート長の比が複数の可変容量手段の間でそれぞれ異なる値となるように構成した場合について説明する。

図８は、本発明の第５の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図である。同図において、第１の実施形態で説明した図１と重複する部分には同一の符号を付す。第１の実施形態では、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのゲート長をそれぞれ異なる値となるように構成することによってしきい値電圧をそれぞれ異なるものとしたが、本実施形態では、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのゲート幅とゲート長の比をそれぞれ異なる値（Ｗ１/Ｌ１＞Ｗ２/Ｌ２＞Ｗ３/Ｌ３＞…＞Ｗｎ/Ｌｎ）となるように構成することによってしきい値電圧Ｖｔｋをそれぞれ異なるもの（Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜…＜Ｖｔｎ）とする。

本実施形態の電圧制御バラクタＶＣを構成するＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのサイズは、ゲート幅とゲート長の比Ｗ１/Ｌ１〜Ｗｎ/Ｌｎがそれぞれ異なって（Ｗ１/Ｌ１＞Ｗ２/Ｌ２＞Ｗ３/Ｌ３＞…＞Ｗｎ/Ｌｎ）いる。このため、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎは、ゲート電圧を印加した場合にオンし始めるしきい値電圧ＶｔｋがバラクタＶＣ１〜ＶＣｎ間でそれぞれ異なる（Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜…＜Ｖｔｎ）。

図８に示すように、本実施形態の電圧制御バラクタＶＣは、容量Ｃ／ｎの固定容量Ｃｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）とＮｃｈのＭＯＳトランジスタＭｋとが直列に接続されたバラクタＶＣｋを複数並列に接続して構成される。本実施形態の電圧制御バラクタは、一端に印加される制御電圧Ｖｃｏｎｔに応じて他端（端子Ｚｃ）から見た容量値を変化させる。この電圧制御バラクタを構成するＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのサイズは、ゲート幅とゲート長の比Ｗ１/Ｌ１〜Ｗｎ/Ｌｎがそれぞれ異なって（Ｗ１/Ｌ１＞Ｗ２/Ｌ２＞Ｗ３/Ｌ３＞…＞Ｗｎ/Ｌｎ）いる。このため、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎは、ゲート電圧を印加した場合にオンし始めるしきい値電圧がバラクタＶＣ１〜ＶＣｎ間でそれぞれ異なる（Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜…＜Ｖｔｎ）。

バラクタＶＣｋは、固定容量Ｃｋの一端が端子Ｚｃに接続され、他端がＭＯＳトランジスタＭｋのドレインに接続される。ＭＯＳトランジスタＭｋのソースは接地され、ゲートには制御電圧Ｖｃｏｎｔが印加される。なお、バックゲートは接地されている。バラクタＶＣ１〜ＶＣｎに含まれるＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎは、それぞれゲート幅とゲート長の比Ｗ１/Ｌ１〜Ｗｎ/Ｌｎが段々と小さくなる（Ｗ１/Ｌ１＞Ｗ２/Ｌ２＞Ｗ３/Ｌ３＞…＞Ｗｎ/Ｌｎ）ように構成されているため、それぞれのしきい値電圧Ｖｔ１〜Ｖｔｎは段々と高く（Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜…＜Ｖｔｎ）なっている。

本実施形態の電圧制御バラクタの動作及び効果は、第１〜第４の実施形態の電圧制御バラクタと同様である。すなわち、本実施形態の電圧制御バラクタでは、各バラクタ（ＶＣ１〜ＶＣｎ）に対する制御電圧レンジがそれぞれ異なり、これらの制御電圧レンジを合成した制御電圧レンジで制御電圧を変化できるため、容量値（バラクタＶＣ１〜ＶＣｎの合成容量値）を、広い制御電圧レンジで変化できる。したがって、制御電圧の変化に対する容量値変化の感度を低くできる、すなわち、容量値を緩やかに変化させることができるため、所望の容量値を得るための制御電圧を生成しやすい。また、複数のバラクタＶＣ１〜ＶＣｎに対して同一の制御電圧Ｖｃｏｎｔを印加するため、回路構成を複雑にすることなく、容易に、精度良く容量値を制御できる。さらに、本実施形態の電圧制御バラクタによれば、バラクタＶＣ１の容量値が変化し始めた後その変化量が減少すると、バラクタＶＣ２の容量値が変化し始めるように、各ゲート幅とゲート長の比（Ｗ１/Ｌ１〜Ｗｎ/Ｌｎ）を設定して各しきい値電圧を異なるものとするため、制御電圧の変化に対する容量値（バラクタＶＣ１〜ＶＣｎの合成容量値）の変化の割合を一定にすることができ、制御電圧の変化に対して線形性良く容量値を変化させることができる。

（第６の実施形態）
図９は、本発明の第６の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図である。同図において、第５の実施形態で説明した図８と重複する部分には同一の符号を付す。

本実施形態の電圧制御バラクタは、バラクタＶＣｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）において、固定容量Ｃｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）とＭＯＳトランジスタＭｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）との位置関係が第５の実施形態の場合と逆である。すなわち、本実施形態では、バラクタＶＣｋは、固定容量Ｃｋの一端が接地され、他端がＭＯＳトランジスタＭｋのソースに接続される。ＭＯＳトランジスタＭｋのドレインは端子Ｚｃに接続され、ゲートには制御電圧Ｖｃｏｎｔが印加される。

本実施形態の電圧制御バラクタの動作及び効果は、第５の実施形態の電圧制御バラクタと同様である。

（第７の実施形態）
第７及び第８の実施形態では、ＭＯＳトランジスタのバックゲート電位が複数の可変容量手段の間でそれぞれ異なる値となるように構成した場合について説明する。

図１０は、本発明の第７の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図である。同図において、第１の実施形態で説明した図１と重複する部分には同一の符号を付す。第１の実施形態では、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのゲート長をそれぞれ異なる値となるように構成することによってしきい値電圧をそれぞれ異なるものとしたが、本実施形態では、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのバックゲート電圧ＶＦＢｋをそれぞれ異なる値（ＶＦＢ１＞ＶＦＢ２＞…＞ＶＦＢｎ）となるように構成することによってしきい値電圧Ｖｔｋをそれぞれ異なるもの（Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜…＜Ｖｔｎ）とする。

同図に示すように、本実施形態の電圧制御バラクタＶＣは、容量Ｃ／ｎの固定容量Ｃｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）とＮｃｈのＭＯＳトランジスタＭｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）とが直列に接続されたバラクタＶＣｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）を複数並列に接続して構成されるものであり、一端に印加される制御電圧Ｖｃｏｎｔに応じて他端（端子Ｚｃ）から見た容量値を変化させる。この電圧制御バラクタを構成するＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのサイズは、ゲート幅Ｗ、ゲート長Ｌともに一定であるが、端子Ｚｃから見たバラクタＶＣｋの容量値を決定付ける各ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのバックゲート電圧（ＶＦＢｋ）がそれぞれ異なって（ＶＦＢ１＞ＶＦＢ２＞…＞ＶＦＢｎ）いる。このため、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎは、ゲート電圧を印加した場合にオンし始めるしきい値電圧がバラクタＶＣ１〜ＶＣｎ間でそれぞれ異なる。

バラクタＶＣｋは、固定容量Ｃｋの一端が端子Ｚｃに接続され、他端がＭＯＳトランジスタＭｋのドレインに接続される。ＭＯＳトランジスタＭｋのソースは接地され、ゲートには制御電圧Ｖｃｏｎｔが印加される。また、バックゲートには所定値の電圧ＶＦＢｋが印加されている。バラクタＶＣ１〜ＶＣｎに含まれるＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎは、それぞれバックゲート電圧ＶＦＢ１〜ＶＦＢｎが段々と低くなる（ＶＦＢ１＞ＶＦＢ２＞…＞ＶＦＢｎ）ように構成されているため、それぞれのしきい値電圧Ｖｔ１〜Ｖｔｎは段々と高く（Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜…＜Ｖｔｎ）なっている。

本実施形態の電圧制御バラクタの動作及び効果は、第１〜第６の実施形態の電圧制御バラクタと同様である。すなわち、本実施形態の電圧制御バラクタでは、各バラクタ（ＶＣ１〜ＶＣｎ）に対する制御電圧レンジがそれぞれ異なり、これらの制御電圧レンジを合成した制御電圧レンジで制御電圧を変化できるため、容量値（バラクタＶＣ１〜ＶＣｎの合成容量値）を、広い制御電圧レンジで変化できる。したがって、制御電圧の変化に対する容量値変化の感度を低くできる、すなわち、容量値を緩やかに変化させることができるため、所望の容量値を得るための制御電圧を生成しやすい。また、複数のバラクタＶＣ１〜ＶＣｎに対して同一の制御電圧Ｖｃｏｎｔを印加するため、回路構成を複雑にすることなく、容易に、精度良く容量値を制御できる。さらに、本実施形態の電圧制御バラクタによれば、バラクタＶＣ１の容量値が変化し始めた後その変化量が減少すると、バラクタＶＣ２の容量値が変化し始めるように、各バックゲート電圧（ＶＦＢ１〜ＶＦＢｎ）を設定して各しきい値電圧を異なるものとするため、制御電圧の変化に対する容量値（バラクタＶＣ１〜ＶＣｎの合成容量値）の変化の割合を一定にすることができ、制御電圧の変化に対して線形性良く容量値を変化させることができる。

（第８の実施形態）
図１１は、本発明の第８の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図である。同図において、第７の実施形態で説明した図１０と重複する部分には同一の符号を付す。

本実施形態の電圧制御バラクタは、バラクタＶＣｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）において、固定容量Ｃｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）とＭＯＳトランジスタＭｋ（但し、ｋ＝１,２,…,ｎ、ｎは２以上の整数）との位置関係が第７の実施形態の場合と逆である。すなわち、本実施形態では、バラクタＶＣｋは、固定容量Ｃｋの一端が接地され、他端がＭＯＳトランジスタＭｋのソースに接続される。ＭＯＳトランジスタＭｋのドレインは端子Ｚｃに接続され、ゲートには制御電圧Ｖｃｏｎｔが印加される。なお、バックゲートには所定値の電圧（ＶＦＢｋ）が印加されている。

本実施形態の電圧制御バラクタの動作及び効果は、第１〜第７の実施形態の電圧制御バラクタと同様である。

なお、以上説明した第１〜第８の実施形態の電圧制御バラクタは、各固定容量の容量を大きくすれば、制御電圧の変化に対する容量値変化の感度を高くできる。

また、以上説明した電圧制御バラクタは、固定容量及びＭＯＳトランジスタといった通常の半導体プロセスで作れる素子のみで構成されるため、ローコストで実現できる。

また、以上の説明では、ＮｃｈのＭＯＳトランジスタを用いたが、ＰｃｈのＭＯＳトランジスタであってもよい。ＰｃｈのＭＯＳトランジスタを用いる場合、ドレイン側を接地し、ソース側を固定容量と接続する。またこの場合、制御電圧の変化に対するＺｃ端子から見える容量値の変化は、Ｎｃｈの場合と極性が逆になる。

本発明の電圧制御可変容量は、回路構成を複雑にすることなく、広い制御電圧レンジで容量値を変化できると共に、容易に、精度良く容量値を制御できる効果及び線形性良く容量値を変化できる効果を有し、半導体集積回路、ＶＣＸＯモジュール、ＴＣＸＯモジュール及び電圧制御可変容量を使用する発振モジュールを備えた通信端末等に有用である。

本発明の第１の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図 ＭＯＳトランジスタの概略構成を示す図 第１の実施形態の電圧制御バラクタの動作特性を説明するための図 本実施形態の電圧制御バラクタを用いた電圧制御水晶発振回路の構成を示す図 本発明の第２の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図 本発明の第３の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図 本発明の第４の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図 本発明の第５の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図 本発明の第６の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図 本発明の第７の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図 本発明の第８の実施形態を説明するための電圧制御バラクタの構成を示す図 従来のダイオードを用いた電圧制御可変容量（電圧制御バラクタ）の構成を説明する図 従来の固定容量とＭＯＳトランジスタとを用いた電圧制御可変容量（電圧制御バラクタ）の構成を説明する図 図１３に示す電圧制御バラクタを複数組並列に接続した従来の電圧制御可変容量（電圧制御バラクタ）の構成を説明する図 図１３に示す従来の電圧制御バラクタの動作特性を説明するための図

符号の説明

ＶＣ，ＶＣａ，ＶＣｂ 電圧制御バラクタ
ＶＣ１〜ＶＣｎ バラクタ
Ｃ１〜Ｃｎ 固定容量
Ｃ／ｎ 固定容量の容量値
Ｍ１〜Ｍｎ ＭＯＳトランジスタ
Ｗ，Ｗ１〜Ｗｎ ＭＯＳトランジスタのゲート幅
Ｌ，Ｌ１〜Ｌｎ ＭＯＳトランジスタのゲート長
Ｗ１/Ｌ１〜Ｗｎ/Ｌｎ ＭＯＳトランジスタのゲート幅とゲート長の比
Ｖｔ１〜Ｖｔｎ ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧
ＶＦＢ１〜ＶＦＢｎ ＭＯＳトランジスタのバックゲート電圧
Ｚｃ，Ｚｃ１，Ｚｃ２ 端子
Ｖｃｏｎｔ，Ｖｃｏｎｔ１〜Ｖｃｏｎｔｎ 制御電圧
ｎ 半導体のｎ型層
ｐ 半導体のｐ型層
Ｅｐｉ（ｎ） 半導体のｎ型エピタキシャル層
Ｓｕｂ（ｐ） ｐ型の半導体基板
ＩＮＶ インバーター
Ｒ 抵抗
Ｘｔａｌ 水晶振動子
ΔＶＣ 電圧制御バラクタの容量可変な制御電圧レンジ
ΔＶＣ１ バラクタＶＣ１の容量可変な制御電圧レンジ

Claims (12)

1. 制御電圧によって容量値が変化する電圧制御可変容量であって、
   固定容量とＭＯＳトランジスタとを有して構成される可変容量手段を複数備え、
   前記ＭＯＳトランジスタは、ゲート電圧を印加した場合にオンし始めるしきい値電圧が前記複数の可変容量手段間でそれぞれ異なり、
   前記複数の可変容量手段は、所定の制御電圧に対して、前記異なるしきい値電圧に基づく容量値をそれぞれ示し、
   前記複数の可変容量手段の容量値を合成した容量値になる電圧制御可変容量。
2. 請求項１記載の電圧制御可変容量であって、
   前記可変容量手段は、前記固定容量と前記ＭＯＳトランジスタのソース−ドレインとを直列に接続して構成され、
   前記複数の可変容量手段を並列に接続した電圧制御可変容量。
3. 請求項１又は２記載の電圧制御可変容量であって、
   前記複数の可変容量手段それぞれのＭＯＳトランジスタは、制御電圧の増加に対して、それぞれ異なる電圧値でオンし始める電圧制御化可変容量。
4. 請求項１又は２記載の電圧制御可変容量であって、
   前記複数の可変容量手段それぞれのＭＯＳトランジスタは、制御電圧の増加に対して、１つずつオンし始め、かつ、前回オンしたＭＯＳトランジスタを含む可変容量手段の容量値の変化率が減少したときに、次の可変容量手段におけるＭＯＳトランジスタがオンし始める電圧制御可変容量。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項記載の電圧制御可変容量であって、
   前記ＭＯＳトランジスタは、前記複数の可変容量手段間で、ゲート幅が同一で、ゲート長がそれぞれ異なる電圧制御可変容量。
6. 請求項１ないし４のいずれか一項記載の電圧制御可変容量であって、
   前記ＭＯＳトランジスタは、前記複数の可変容量手段間で、ゲート長が同一で、ゲート幅がそれぞれ異なる電圧制御可変容量。
7. 請求項１ないし４のいずれか一項記載の電圧制御可変容量であって、
   前記ＭＯＳトランジスタは、前記複数の可変容量手段間で、ゲート幅とゲート長の比がそれぞれ異なる電圧制御可変容量。
8. 請求項１ないし４のいずれか一項記載の電圧制御可変容量であって、
   前記ＭＯＳトランジスタは、バックゲート電位が前記複数の可変容量手段間でそれぞれ異なる電圧制御可変容量。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項記載の電圧制御可変容量を含む半導体集積回路。
10. 請求項１ないし８のいずれか一項記載の電圧制御可変容量と、発振回路と、水晶振動子とを備えたＶＣＸＯモジュール。
11. 請求項１ないし８のいずれか一項記載の電圧制御可変容量と、発振回路と、温度補償回路と、水晶振動子とを備えたＴＣＸＯモジュール。
12. 請求項１ないし８のいずれか一項記載の電圧制御可変容量を用いて構成した水晶発振モジュールを備えた通信端末。

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