JP2011082706A - 電圧制御発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】集中定数回路として取り扱うことが可能な、小型で且つ高周波数帯域の発振周波数が得られる電圧制御発振器を提供する。
【解決手段】電圧制御発振器における共振部１は、外部から入力される周波数制御用の制御電圧に応じて静電容量が変化する可変容量素子１３、１４と、インダクタンス素子１１と、を含み、増幅部２１はこの共振部１からの周波数信号を増幅すると共に、帰還部２は帰還用の容量素子２２、２３を含み、前記増幅部２１で増幅された周波数信号を前記共振部１に帰還させ、前記増幅部２１及び共振部１と共に発振ループを構成する。そして前記共振部１及び帰還部２は、水晶基板５上に設けられている。
【選択図】図６

Description

本発明は、インダクタンス素子及び可変容量素子を用いて共振部を構成する技術、及びこの共振部を用いた電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に関する。

電圧制御発振器｛ＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）｝は、例えば図１３に示すように、制御電圧に応じて静電容量が変化するバリキャップダイオードＶＤ及びインダクタンス素子１１を含む共振部と、増幅部であるトランジスタ２１と、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２からなる帰還部２と、を備えている。この例では、共振部により共振した周波数信号がトランジスタ２１により増幅されて、帰還部２を介して直列共振回路に帰還することにより、発振ループが構成されている。なお、図１３中３１は、周波数信号を増幅して外部に出力するバッファアンプである。また、１６、Ｔ３及びＬは、夫々入力端子、出力端子部及びインダクタンス素子である。このＶＣＯは、図示を省略するが、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とするＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）などのセラミックスからなるベース基板上に配置されている。

ここで、ＶＣＯの発振周波数を高くして例えば数ＧＨｚあるいは数十ＧＨｚもの高周波数帯域で用いようとすると、次のような問題が起こる。即ち、高い周波数帯域では、基板の寸法が上記のＶＣＯにて処理（出力）される電気信号の波長よりも長くなる分布定数回路となる可能性があり、その場合には当該基板上において振幅の逆転した信号が流れてこれら信号同士が互いに干渉して、電気信号が出力されなくなってしまったり、実用上の製作が困難なサイズにまでＶＣＯを含む基板のサイズを小型化しなければならなかったりするおそれがある。

例えばＶＣＯは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とするＬＴＣＣなどのセラミックスからなる不図示のベース基板上に配置される。このＬＴＣＣは比誘電率εが例えば９〜１０程度であるため、基板上を伝搬する見かけ上の電気信号の波長が実際の波長よりも短くなってしまう。そのため、電気信号の干渉を抑えるためには、基板の寸法を電気信号の波長の例えば１／１０程度に小さくすることが好ましいが、現実的にはそのような大きさの基板上に電気回路を形成したり電子部品を実装したりするのは困難である。

更にまた、周波数の極めて高い電気信号例えばＧＨｚ帯（マイクロ波）の電気信号を出力する無線通信機器に搭載されるＶＣＯについては、ａ）この周波数帯域よりも低周波数の信号を出力するＶＣＯの出力信号を遁倍したり、ｂ）ＧａＡｓ（ガリウムヒ素化合物）などをベース基板として用いたり、ｃ）空洞共振器を用いたりすることも考えられる。しかしながら、ａ）の場合には遁倍回路を用いるため位相雑音が大きくなってしまう。また、ｂ）の場合にはコスト高となり、ｃ）の場合にはサイズが大きく小型化が困難となってしまう。

特許文献１には、上記のＶＣＯなどのデバイスについて記載されているが、既述の課題については検討されていない。また、特許文献２には、圧電基板である水晶を用いて弾性波を発生させ、発振周波数が例えば数ＭＨｚ帯の発振子として用いる技術が知られているが、上記の課題を解決することはできない。

特開平１０−２０９７１４ 特開２００７−２０１７７２

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は集中定数回路として取り扱うことが可能な、小型で且つ高周波数帯域の発振周波数が得られる電圧制御発振器を提供することにある。

本発明に係る電圧制御発振器は、外部から入力される周波数制御用の制御電圧に応じて静電容量が変化する可変容量素子と、インダクタンス素子と、を含み、前記静電容量に応じて直列共振周波数が調整される共振部と、
この共振部からの周波数信号を増幅するための増幅部と、
帰還用の容量素子を含み、前記増幅部で増幅された周波数信号を前記共振部に帰還させ、前記増幅部及び共振部と共に発振ループを構成する帰還部と、
を備え、
前記共振部及び帰還部は、水晶基板上に設けられていることを特徴とする。

前記電圧制御発振器は、以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記共振部のインダクタンス素子は、前記水晶基板上に形成された導電路であること。
（ｂ）前記共振部の可変容量素子は、互に間隔をおいて交差する櫛歯状の導電路の対からなること。
（ｃ）前記帰還部は、帰還用の容量素子を含み、この帰還用の容量素子は、互に間隔をおいて交差する櫛歯状の導電路の対からなること。
（ｄ）前記水晶基板には更に周辺部品が設けられていること。
（ｅ）前記直列共振周波数は、５ＧＨｚ以上であること。

本発明によれば、比誘電率εが４．０程度と小さい水晶基板の上に共振部及び帰還部を設けて電圧制御発振器を構成するので、例えばセラミックスからなる基板よりも大型の基板上に電圧制御発振器を構成しても、当該発振器を集中定数回路として取り扱うことが可能となり、例えば数ＧＨｚあるいは数十ＧＨｚといった高周波数帯域の周波数信号を安定して発振させることが可能となる。

本発明の電気回路の実施の形態の一例のＶＣＯを示す回路図である。 上記のＶＣＯの外観を示す斜視図である。 上記のＶＣＯを示す平面図である。 上記のＶＣＯを示す側面図である。 上記のＶＣＯを示す拡大平面図である。 上記のＶＣＯの基板上回路部を示す平面図である。 上記の基板上回路部を示す側面図である。 上記の基板上回路部を示す拡大平面図である。 上記のＶＣＯにて得られる出力周波数特性を示す特性図である。 上記のＶＣＯにて得られる位相雑音特性を示す特性図である。 上記の基板上回路部の他の構成例を示す平面図である。 上記のＶＣＯの作成方法の一例を示すフロー図である。 従来のＶＣＯの構成を示す電気回路図である。

本発明の電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）の実施の形態について、構造を説明する前に回路構成について図１を参照しながら述べておく。図１中、１は共振部であり、この共振部１は、後述のように導電線路４８からなるインダクタンス素子１１と容量素子であるコンデンサ１２との直列共振用の直列回路を備えている。インダクタンス素子１１には、第１のバリキャップダイオード１３、第２のバリキャップダイオード１４及び容量素子であるコンデンサ１５からなる直列回路が並列に接続されていて、並列共振用の並列回路を構成している。即ちこの共振部１は、前記直列回路の直列共振周波数（共振点）と前記並列回路の並列共振周波数（反共振点）とを有しており、共振点の周波数により発振周波数が決まる。この例では、共振点が反共振点よりも大きくなるように各回路要素の定数が設定されており、このように反共振点を持たせることにより共振点付近の周波数特性が急峻になる。

また図１中、１６は制御電圧用の入力端子であり、この入力端子１６に供給される制御電圧により第１のバリキャップダイオード１３及び第２のバリキャップダイオード１４の容量値が調整され、これにより前記並列回路の反共振点が移動し、その結果共振点も移動して発振周波数が調整される。第１のバリキャップダイオード１３に加えて第２のバリキャップダイオード１４を用いた理由は、周波数の調整幅を大きくとるためである。１７は電圧安定化用のコンデンサ、１８、１９はバイアス用のインダクタである。

また共振部１の後段側には、帰還部２が設けられており、この帰還部２は、前記コンデンサ１２にベースが接続された増幅部をなすＮＰＮ型トランジスタ２１及び、コンデンサ１２とトランジスタ２１のベースとの接続点と、アースとの間に接続された、帰還用の容量素子をなすコンデンサ２２、２３の直列回路とを備えている。トランジスタ２１のエミッタはコンデンサ２２、２３の接続点に接続され、またインダクタンス２４及び抵抗２５を介して接地されている。トランジスタ２１は点線で示すＩＣ回路部（ＬＳＩ）３のチップ内に設けられており、当該チップの端子部（電極）Ｔ１、Ｔ２を介してトランジスタ２１のベース及びエミッタが夫々コンデンサ２２の両端に接続されることになる。

本例に係る回路では、外部から制御電圧が入力端子１６に入力されると、共振部１及び帰還部２からなる発振ループにより前記共振点の周波数例えば１０ＧＨｚで発振する。
ＩＣ回路部３内には、例えばトランジスタ２１のコレクタに互に並列に接続された２つのバッファアンプ３１、３２が設けられ、一方のバッファアンプ３１からは発振出力（発振周波数の信号）が端子部Ｔ３を介して取り出され、また他方のバッファアンプ３２からは発振出力が分周回路３３及び端子部Ｔ４を介して取り出されるように構成されている。

なお、共振部１は、バリキャップダイオードとインダクタンス素子１１とを直列に接続してこの直列回路の直列共振周波数により発振周波数が決まる回路構成であってもよく、この場合はバリキャップダイオードが本発明の特許請求の範囲における共振部１の容量素子を兼用することになる。

次に、このＶＣＯの具体的な概観や上記の共振部１及び帰還部２、並びに回路部３のレイアウトについて、図２〜図５を参照して説明する。ＶＣＯは、例えばＡＴカットの水晶基板５上に形成されており、この水晶基板５上に共振部１及び帰還部２内のコンデンサ２２、２３を構成する後述の基板上回路１０、及びＩＣ回路部３並びに周辺部品などを構成する電子部品が配置されている。

この水晶基板５上には、図５に示すように、接地電極５１と、上記の電子部品を水晶基板５上に各々電気的に接続するための導電線路６と、からなる、例えばＣｒ（クロム）とＣｕ（銅）とが下側からこの順番で積層された金属膜が形成されてコプレナ線路をなしており、これら接地電極５１と導電線路６とが離間するように配置されている。なお、図５は、水晶基板５上の一部の領域を切り欠いて拡大して記載しており、また接地電極５１及び後述の基板上回路１０に相当する領域にはハッチングを付している。また、図５において、回路部３の複数の接続端子８のうち既述のトランジスタ２１のベース、エミッタ及びコレクタの接続端子８に夫々接続される導電線路６については、夫々Ｂ、Ｅ及びＣの符号を付してある。

上記の電子部品のうち、基板上回路１０を除く各種の電子部品は、図４に示すように、夫々例えば半田ボールなどの接続部７により、水晶基板５上に固定されて夫々の接続端子８と導電線路６とが電気的に接続されている。そして、図２などでは記載を省略しているが、水晶基板５上に引き回された上記の導電線路６により、これらの電子部品が接続されて既述の図１のようにＶＣＯを成す電気回路が構成されている。図３中２０は、トランジスタ２１のバイアス電圧の供給のためのバイアス回路であり、バイアス回路２０は接地されている。なお、図２では導電線路６の記載を省略しており、また図３〜図５では一部の導電線路６のみを記載してある。

上記の共振部１のインダクタンス素子１１、コンデンサ１２、１５及び帰還部２のコンデンサ２２、２３は、図２、図３並びに図６、図７に示すように、回路部３やバリキャップダイオード１４などの電子部品が配置される水晶基板５の例えば上面側の所定の領域内に、フォトリソグラフィなどによって直接形成されている。以下、当該領域内に形成された共振部１のインダクタンス素子１１、コンデンサ１２、１５及び帰還部２のコンデンサ２２、２３からなる回路部分を基板上回路部１０と呼ぶと、当該基板上回路１０についても例えば図４、図５に示すように水晶基板５上に形成された導電線路６によって回路部３などと接続されてＶＣＯを構成している。

この水晶基板５は、例えば比誘電率εが３〜５程度の範囲内の例えば４．０、電気エネルギーの損失（誘電正接：ｔａｎδ）が０．００００８程度となっている。従って、この水晶基板５のＱ値は、１２５００（＝１／０．００００８）程度となる。

図６では簡略化して記載しているが、基板上回路１０を構成するコンデンサ１２、１５、２２、２３は、実際には図８に示すように、例えば互いに平行となるように形成された１対の共通電極部６０と、これらの各共通電極部６０から櫛歯状に伸びだして、互いに交差する電極指（導電路）６１群と、を備えた櫛歯電極により構成されており、夫々の共通電極部６０が接続端子８やインダクタンス素子１１に接続されている。

一方、上述のコンデンサ１２、１５、２２、２３と共に基板上回路１０内に含まれている、共振部１のインダクタンス素子１１は、例えば図６に示すように、導電線路であるストリップラインとして構成されている。そして図６に示すように、前記インダクタンス素子１１において、２つのコンデンサ１２、１５に挟まれた領域をインダクタンス素子１１の一端側とすると、当該インダクタンス素子１１の他端側、並びにコンデンサ２３のエミッタに接続された共通電極部６０とは反対側の共通電極部６０は、水晶基板５表面に形成された接地電極５１と接続されている。
ここで、図７は、図６に示したＡ−Ａ'線にて水晶基板５を切断した縦断側面図を示しており、図８は、図６に示した基板上回路部１０の一部を拡大して示した図である。

このＶＣＯにおいて、入力端子１６に制御用の電圧（制御電圧）を印加すると、既述のように、共振部１及び帰還部２からなる発振ループにより前記共振点の周波数例えば１０ＧＨｚで発振が起こり、この発振周波数に対応する周波数信号及びこの周波数信号の分周出力が夫々端子部Ｔ３及び端子部Ｔ４から取り出されることになる。ここで発振時には、共振部１は誘導性になっている。このとき、水晶基板５の静電正接が既述のように極めて小さく、そのため高いＱ値が得られているので、従来の例えばフッ素樹脂からなる基板（Ｑ値＝１０００）と比較して、広い周波数の調整帯域に亘って位相雑音が極めて低く抑えられることになる。即ち、低位相雑音特性が得られる周波数の可変幅が広いということになる。このＶＣＯについて行ったシミュレーション結果を図９及び図１０に示すと、制御電圧に応じてＧＨｚ帯の周波数帯域において出力周波数を調整でき、また従来の特性に比べて、広い帯域幅に亘って良好な位相雑音特性が得られることが分かる。なお、図１０は、発振周波数から１０ｋＨｚずれた位置における位相雑音を示している。この図１０に参考として、例えばＡｌ_２Ｏ_３（ＨＴＣＣ：High Temperature Co-fired Ceramic、ｔａｎδ＝０．００１、Ｑ値＝１００００）の特性を併記している。そして、この図１０は、無負荷（インダクタンス素子１１、コンデンサ１２、１５、２２、２３を水晶基板５に実装しない状態）の時の特性を計算した結果を示している。

また、共振部１のインダクタンス素子１１、コンデンサ１２、１５及び帰還部２のコンデンサ２２、２３を基板上回路部１０として比誘電率の小さな水晶基板５上に形成しているので、例えば当該基板上回路部１０が従来のＬＴＣＣ上に形成されている場合と比較して、基板上回路部１０から発振される周波数信号の見かけ上の波長を長くすることができる。

例えば１０ＧＨｚの周波数信号の真空中の波長は約３ｃｍ程度であるが、誘電体中における周波数信号の波長は、前記真空中における波長を当該誘電体の比誘電率の１／２乗の値で除した値に等しいので、水晶基板５の比誘電率εが４．０の場合には、当該周波数信号の見かけ上の波長は１．５ｃｍ程度となる。従って、背景技術にて説明したように前記周波数信号の見かけ上の波長の１／１０程度、即ち約１．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度の領域内に当該基板上回路部１０を形成することにより、当該基板上回路部１０を集中定数回路として扱うことが可能となる。１．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度の領域であれば、フォトリソグラフィを利用して既述の櫛歯状の電極や導電線路からなるストリップラインを形成することは実現可能であり、歩留り低下などを抑えつつ水晶基板５上に基板上回路部１０が形成されたＶＣＯを量産することができる。

上述の実施の形態によれば、従来からインダクタンス素子１１及びコンデンサ１２の基板として用いられているフッ素樹脂やＬＴＣＣなどよりも良好な特性（比誘電率ε、ｔａｎδ）を持ち、しかもフォトリソグラフィ法により微細な金属膜のパターンを形成できる水晶基板５を用いているので、広い調整帯域に亘って低位相雑音特性を得ることができる。また当該水晶基板上に共振部１のインダクタンス素子１１、コンデンサ１２、１５及び帰還部２のコンデンサ２２、２３（基板上回路部１０）を形成することにより、当該基板上回路部１０を集中定数回路として扱い、例えば数ＧＨｚあるいは数十ＧＨｚといった高周波数帯域の周波数信号を安定して発振させることが可能となる。

またフォトリソグラフィ法によりインダクタンス素子１１、コンデンサ１２、１５、２２、２３を１チップ化できるので、小型で且つ物理的な衝撃に強い共振部１及びＶＣＯを安価に得ることができる。さらには、既述のようにフォトリソグラフィ法を用いて櫛歯電極によりコンデンサ１２、１５、２２、２３を構成することにより、電極指６１、６１同士の対向領域（電荷蓄積領域）を長く取ることができるので、小型で且つ低損失のコンデンサを簡便に得ることができる。更に、インダクタンス素子１１やコンデンサ１２、１５、２２、２３を水晶基板５上に直接形成できるので、例えばこれらのンダクタンス素子１１やコンデンサ１２、１５、２２、２３に対応する電子部品を搭載する場合に比べて電極（導電路）の引き回しを短くすることができ、そのため電気信号の損失を抑えることができる。
本発明のＶＣＯについて、実際に動作に必要な電力値を確認したところ、分周器を含めて電圧が３．５Ｖ、電流が７５ｍＡ程度となった。一方、従来のＧａＡｓをベース基板５として用いているＶＣＯの特性を同様に確認したところ、電圧が５Ｖ、電流が３００ｍＡ程度であった。従って、本発明のＶＣＯでは、従来のＶＣＯと比較して、消費電力を下げられることが分かった。

ここで、従来から水晶は弾性波を利用した圧電素子のデバイスとして用いられていたが、本発明は水晶の優れた物性（ｔａｎδ及び比誘電率ε）やフォトリソグラフィ法により表面に金属膜の微細なパターンを形成できるといった点に着目し、共振部１をなすインダクタンス素子１１やコンデンサ１２、１５及び帰還部２のコンデンサ２２、２３を水晶基板５上に形成したものである。また、本例では基板上回路部１０の形成された水晶基板５上に他の回路部３やバリキャップダイオード１４などを配置した構成例を示したが、これら他の回路３、１４は必ずしも水晶基板５上に配置しなくてもよい。例えば図６〜図８に示した基板上回路部１０に含まれる各素子（共振部１のインダクタンス素子１１、コンデンサ１２、１５及び帰還部２のコンデンサ２２、２３）を共通の水晶基板上に形成して、集中定数回路として取扱可能な水晶チップを別途製作し、他の回路部３やバリキャップダイオード１４などが配置された例えばフッ素樹脂やＬＴＣＣ製の基板上に当該水晶チップを配置してＶＣＯを構成した場合も、本発明の技術的範囲に含まれる。

また上記のコンデンサ１２、１５、２２、２３としては、櫛歯電極に代えて、例えば２本の電極ラインを対向させて、これらライン間に電荷を蓄える構成としてもよいし、あるいは積層セラミックコンデンサを用いてもよい。
また、水晶基板５上の導電線路４８のレイアウトとしては、例えば図１１に示すように、当該水晶基板５上においてインダクタンス素子１１を引き回すようにしてもよい。

また、水晶基板５上の導電線路６、コンデンサ１２、１５、２２、２３及びインダクタンス素子１１を構成する材質としては、アルミニウム以外にも、例えばＣｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｇ（銀）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｎ（インジウム）及びＳｎ（スズ）の少なくとも１種類を用いてもよい。
また、上記の例では、バリキャップダイオード１３、１４を２つ配置したが、１つでもよいし、また既述の図１３に示すようにこれらのバリキャップダイオード１３、１４のうちの一方にコンデンサ１２の働きを受け持たせるようにしてもよい。

続いて、上記のＶＣＯを製造する方法の一例について説明する。先ず、この製造方法の全体の概略について説明すると、図１２に示すように、例えば直径が１０ｃｍの水晶ウエハ４０上に、コンデンサ１２、１５、２２、２３として上記の櫛歯電極を既述の図６に示したレイアウトで多数形成し（ステップＳ１１）、続いて水晶ウエハ４０上に導電線路４８を配置してインダクタンス素子１１のパターンを形成して基板上回路部１０を形成すると共に接地電極５１を形成する（ステップＳ１２）。次いで、例えばダイシングなどにより水晶ウエハ４０を切断して既述の水晶基板５を個片化（チップ化）し（ステップＳ１３）、例えばウエハ状の水晶基板５上に印刷した半田（接続部７）を介して当該水晶基板５にＩＣ回路部３やバリキャップダイオード１４などの部品を搭載する（ステップＳ１４）。しかる後、水晶基板５上の各部品を覆うように、図示しないキャップを取り付け（ステップＳ１５）、こうしてＶＣＯが製造される。

１ 共振部
２ 帰還部
３ 回路部
５ 水晶基板
１０ 基板上回路部
１１ インダクタンス素子
１２ コンデンサ
１３ バリキャップダイオード
１４ バリキャップダイオード
１５ コンデンサ

Claims (6)

1. 外部から入力される周波数制御用の制御電圧に応じて静電容量が変化する可変容量素子と、インダクタンス素子と、を含み、前記静電容量に応じて直列共振周波数が調整される共振部と、
   この共振部からの周波数信号を増幅するための増幅部と、
   帰還用の容量素子を含み、前記増幅部で増幅された周波数信号を前記共振部に帰還させ、前記増幅部及び共振部と共に発振ループを構成する帰還部と、
   を備え、
   前記共振部及び帰還部は、水晶基板上に設けられていることを特徴とする電圧制御発振器。
2. 前記共振部のインダクタンス素子は、前記水晶基板上に形成された導電路であることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御発振器。
3. 前記共振部は前記可変容量素子以外の容量素子を含み、この容量素子は、互に間隔をおいて交差する櫛歯状の導電路の対からなることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧制御発振器。
4. 前記帰還部は、帰還用の容量素子を含み、
   この帰還用の容量素子は、互に間隔をおいて交差する櫛歯状の導電路の対からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の電圧制御発振器。
5. 前記水晶基板には更に周辺部品が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の電圧制御発振器。
6. 前記直列共振周波数は、５ＧＨｚ以上であることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一つに記載の電圧制御発振器。

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