JP2013110511A - High stability oscillator - Google Patents
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本発明は、高安定に基準周波数の信号を出力できる発振器に関する。 The present invention relates to an oscillator that can output a signal of a reference frequency with high stability.
水晶振動子と発振回路とを組み合わせた水晶発振器は、周波数や時間の基準源として広く用いられている。水晶発振器は、一般に、発振器内の増幅器の帰還ループ内に、共振回路としての水晶振動子を挿入した構成であるので、水晶振動子の固有振動の周波数に応じた出力信号を安定して出力し、特に、出力周波数における短期安定度において優れている。しかしながら、水晶発振器では、水晶振動子を構成する水晶片を接着剤を用いて容器に固着させるなどの構造となっており、この接着剤などに起因して、出力周波数の長期安定度(エージングに対する安定度)がややよくない、という問題点がある。 A crystal oscillator combining a crystal resonator and an oscillation circuit is widely used as a reference source for frequency and time. In general, a crystal oscillator has a structure in which a crystal resonator as a resonance circuit is inserted in a feedback loop of an amplifier in the oscillator, so that an output signal corresponding to the frequency of the natural vibration of the crystal resonator is stably output. In particular, the short-term stability at the output frequency is excellent. However, the crystal oscillator has a structure in which the crystal piece constituting the crystal unit is fixed to the container using an adhesive, and the long-term stability of the output frequency (against aging) due to the adhesive. There is a problem that stability is not good.
一方、基準周波数の信号を極めて高い精度で出力する発振器として、原子発振器(原子周波数標準器あるいは原子時計とも呼ばれる)が知られている。原子発振器は、セシウム(Cs)やルビジウム(Rb)などの原子の超微細準位間での遷移に伴うマイクロ波の共鳴吸収現象に基づいて高安定な周波数信号を発生するものである。図2は、従来の典型的な原子発振器の構成を示すブロック図である。 On the other hand, an atomic oscillator (also called an atomic frequency standard or an atomic clock) is known as an oscillator that outputs a signal of a reference frequency with extremely high accuracy. The atomic oscillator generates a highly stable frequency signal based on the resonance absorption phenomenon of microwaves accompanying transition between hyperfine levels of atoms such as cesium (Cs) and rubidium (Rb). FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a conventional typical atomic oscillator.
図2に示す原子発振器は、セシウムまたはルビジウム原子の超微細準位間の遷移に基づく共鳴吸収(すなわち原子共鳴)の周波数信号が基準信号として入力するPLL(位相ロックループ;phase-locked loop)回路を備えており、このPLL回路は、位相比較器12と、位相比較器12の出力に接続されたチャージポンプ13と、チャージポンプ13の出力に接続された低域通過フィルタ(LPF)14と、低域通過フィルタ14の出力電圧に応じて発振周波数が変化する電圧制御型水晶発振器(VCXO)15とを備えており、電圧制御型水晶発振器15の出力は、この原子発振器の出力として外部回路に供給されるとともに、分周器16を介して位相比較器12に帰還している。原子共鳴の周波数信号を生成する部分は、電圧制御型水晶発振器15の出力周波数に基づいてマイクロ波信号を生成するマイクロ波シンセサイザ21と、マイクロ波シンセサイザ21で生成したマイクロ波をセシウムやルビジウムなどの蒸気に照射して共鳴吸収に応じた信号を得るように構成した物理パッケージ22と、物理パッケージ22での共鳴吸収の周波数に基づいて生成された基準信号を位相比較器12に出力するマイクロコントローラ23と、を備えている。物理パッケージは、例えば、セシウム原子やルビジウム原子の蒸気が閉じ込めらるセルを備えている。マイクロコントローラ23は、例えば、物理パッケージ22からの信号に対してアナログ/デジタル変換を行ってデジタル信号処理を行い、デジタル信号処理の結果に対してデジタル/アナログ変換を行って基準信号をアナログ信号として位相比較器12に出力するように構成される。
The atomic oscillator shown in FIG. 2 is a PLL (phase-locked loop) circuit in which a frequency signal of resonance absorption (ie, atomic resonance) based on transition between hyperfine levels of cesium or rubidium atoms is input as a reference signal. The PLL circuit includes a
原子発振器は、長期にわたる周波数安定度に優れているが、共鳴吸収による吸収が最大となる周波数を探索する構成となるので、物理パッケージ22から出力される信号を単体として用いた場合には、短期安定度には優れていない。また、原子発振器は、PLL回路などの他に、マイクロ波シンセサイザや、セシウム原子やルビジウム原子の蒸気が閉じ込めらるセルを必要とし、発振器の構成要素が多岐にわたるため、小型化したり低コスト化することが難しい、という課題を有する。また、物理パッケージにおいて精密な温度制御を行う必要もある。
Although the atomic oscillator is excellent in frequency stability over a long period of time, it is configured to search for a frequency that maximizes absorption due to resonance absorption. Therefore, when the signal output from the
原子発振器と比べた場合には劣るものの長期安定度に優れた発振器として、MEMS(Microelectromechanical Systems;微小電気機械システム)振動子を備えるMEMS発振器がある。MEMS振動子とは、近年の半導体装置製造技術の微細化に伴って開発されてきたものであり、例えば、非特許文献1に記載されるように、シリコンなどの半導体、あるいはAlN(窒化アルミニウム)などの圧電体を例えば数μm〜数十μmのサイズで微細かつ高精度に加工し、これにさらに電極などを配置して、振動子として構成したものである。例えば、シリコン半導体からなるMEMS振動子は、半導体装置製造技術を使用し、直径数十μmの円板をその直径方向に延びる2本の梁で保持した形状にシリコン層を加工した共振子と、その共振子に対して極めて近接して設けられた4個の電極とからなるものである。2本の梁は、円板に形成された共振子本体に対する可動部として機能し、共振子本体の輪郭系振動を阻害することなく共振子本体を支持する。電極は、共振子本体の外周を4等分する位置の各々において、共振子の外周面に対して例えば100nmのギャップを介して配置されており、各電極と共振子本体との間には静電容量が形成されることになる。このようなMEMS振動子では、電極を介して共振子を静電駆動すれば共振子がその機械的な固有周波数で振動し、振動によって共振子と電極との間隔が微小に変化して静電容量が固有周波数で周期的に変化し、これに伴って電極電位も固有周波数で振動する。したがって、このようなMEMS振動子を発振回路に組み込むことによって、MEMS振動子の固有周波数に一致する信号を出力する発振器、すなわちMEMS発振器が得られることになる。 As an oscillator that is inferior to an atomic oscillator but has excellent long-term stability, there is a MEMS oscillator including a MEMS (Microelectromechanical Systems) vibrator. The MEMS vibrator has been developed with the recent miniaturization of semiconductor device manufacturing technology. For example, as described in Non-Patent Document 1, a semiconductor such as silicon or AlN (aluminum nitride). For example, a piezoelectric body such as the above is processed in a fine and high precision with a size of several μm to several tens of μm, and an electrode or the like is further arranged thereon to constitute a vibrator. For example, a MEMS vibrator made of a silicon semiconductor uses a semiconductor device manufacturing technique, and a resonator obtained by processing a silicon layer into a shape in which a disk having a diameter of several tens of μm is held by two beams extending in the diameter direction; It consists of four electrodes provided in close proximity to the resonator. The two beams function as a movable portion for the resonator body formed on the disc, and support the resonator body without hindering the contour vibration of the resonator body. The electrodes are arranged with a gap of, for example, 100 nm with respect to the outer peripheral surface of the resonator at each of the positions that divide the outer periphery of the resonator main body into four equal parts. A capacitance is formed. In such a MEMS vibrator, if the resonator is electrostatically driven through the electrode, the resonator vibrates at its mechanical natural frequency, and the distance between the resonator and the electrode changes minutely due to the vibration. The capacitance periodically changes at the natural frequency, and accordingly, the electrode potential also vibrates at the natural frequency. Therefore, by incorporating such a MEMS vibrator into an oscillation circuit, an oscillator that outputs a signal that matches the natural frequency of the MEMS vibrator, that is, a MEMS oscillator can be obtained.
MEMS発振器は、半導体装置製造技術だけを用いて製造できるので小型化が容易であって低コストでの製造が可能であり、また、接着剤を用いて共振子を固着させる必要もないので長期安定度に優れることになる。しかしながら、MEMS発振器は、その周波数温度特性における一次の係数の絶対値が大きいこともあり、発振出力における短期安定度の点では水晶発振器には及ばない。 MEMS oscillators can be manufactured using only semiconductor device manufacturing technology, so it is easy to downsize and can be manufactured at low cost, and it is not necessary to fix the resonator using an adhesive. Will be excellent. However, the MEMS oscillator may have a large first-order coefficient absolute value in its frequency-temperature characteristics, which is inferior to a crystal oscillator in terms of short-term stability in oscillation output.
特許文献1及び2には、MEMS発振器を利用して、UHF帯からGHz帯までの間にある所定の周波数帯内での応用を前提として、希望する周波数の信号を切り替え可能に発生できるようにした周波数シンセサイザが開示されている。特許文献1及び2に記載のものは、MEMS発振器からの信号を基準信号とするPLL回路を備えている。これらのシンセサイザでは、周波数可変範囲の大きな電圧制御型発振器(VCO)をPLL回路の出力発振器として用い、動作中に分周比を変更できる分周器を用いている。さらに、MEMS発振器の出力周波数が温度によって変化することを保証するために、温度センサを設け、温度センサでの測定値によっても分周器の分周比を変化させることも行われている。 In Patent Documents 1 and 2, a MEMS oscillator is used so that a signal of a desired frequency can be generated in a switchable manner on the premise of application within a predetermined frequency band between the UHF band and the GHz band. A frequency synthesizer is disclosed. Patent Documents 1 and 2 include a PLL circuit that uses a signal from a MEMS oscillator as a reference signal. In these synthesizers, a voltage controlled oscillator (VCO) having a large frequency variable range is used as an output oscillator of the PLL circuit, and a frequency divider capable of changing a frequency division ratio during operation is used. Furthermore, in order to ensure that the output frequency of the MEMS oscillator changes with temperature, a temperature sensor is provided, and the frequency division ratio of the frequency divider is also changed by the measurement value of the temperature sensor.
しかしながら、特許文献1及び2に記載のものでは、周波数可変範囲が大きな電圧制御型発振器を用いているので、出力周波数における短期安定度がよくない、という問題点がある。また、温度補償のために分周比を自動的に変化させる構成とした場合には、動作中に出力周波数が非連続に変化することとなり、安定して一定周波数の信号を供給することが要求される用途には適さないこととなる。 However, the devices described in Patent Documents 1 and 2 have a problem that short-term stability at the output frequency is not good because a voltage-controlled oscillator having a large frequency variable range is used. In addition, when the frequency division ratio is automatically changed for temperature compensation, the output frequency changes discontinuously during operation, and it is required to supply a signal with a constant frequency stably. It will not be suitable for the intended use.
以上説明したように、水晶発振器は、短期安定度に優れるものの長期安定度あるいはエージング特性の点で不十分である。これに対し、MEMS発振器を用いたシンセサイザでは、出力周波数の長期安定度には優れるものの短期安定度が不十分であり、出力周波数における非連続な変化も起こり得る、という問題点がある。原子発振器は、長期安定度では極めて優秀であるが、小型化や低コスト化が難しく、温度制御などにおいても高度のものを要求される、という問題点がある。 As described above, a crystal oscillator is excellent in short-term stability, but is insufficient in terms of long-term stability or aging characteristics. On the other hand, the synthesizer using the MEMS oscillator has a problem in that although the long-term stability of the output frequency is excellent, the short-term stability is insufficient and a discontinuous change in the output frequency may occur. Although an atomic oscillator is extremely excellent in long-term stability, there is a problem that it is difficult to reduce the size and cost and that a high degree of temperature control is required.
本発明の目的は、小型化が容易であり、低コストで製造可能であって、発振出力周波数における短期安定度と長期安定度とを両立させた高安定発振器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a highly stable oscillator that can be easily downsized, can be manufactured at low cost, and has both short-term stability and long-term stability at an oscillation output frequency.
本発明の高安定発振器は、出力発振器として電圧制御型水晶発振器を備えるPLL回路と、MEMS振動子を有するMEMS発振器と、を備え、MEMS発振器の出力が基準信号としてPLL回路の位相比較器に供給され、一定の周波数の信号を出力する。 A highly stable oscillator according to the present invention includes a PLL circuit having a voltage-controlled crystal oscillator as an output oscillator and a MEMS oscillator having a MEMS vibrator, and the output of the MEMS oscillator is supplied as a reference signal to a phase comparator of the PLL circuit. And output a signal having a constant frequency.
本発明において、MEMS振動子としては、例えば、シリコンを用いて構成されるもの、あるいは、AlNなどの圧電材料を用いて構成されるものを使用することができる。 In the present invention, as the MEMS vibrator, for example, one constituted using silicon or one constituted using a piezoelectric material such as AlN can be used.
本発明によれば、長期安定度に優れるMEMS発振器と短期安定度に優れる水晶発振器とを組み合わせることにより、短期安定度と長期安定度とを両立させ、かつ小型化と低コスト化が容易な高安定発振器が得られる。 According to the present invention, by combining a MEMS oscillator having excellent long-term stability and a crystal oscillator having excellent short-term stability, it is possible to achieve both short-term stability and long-term stability, and to easily achieve downsizing and cost reduction. A stable oscillator is obtained.
次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示す本発明の実施の一形態の高安定発振器は、予め定められた単一の周波数の信号を出力するように構成されたものであって、MEMS発振器11と、MEMS発振器11の発振出力信号が基準信号として入力するPLL回路とを備えている。単一の周波数は、例えば、100MHz以下といった比較的低い周波数とされる。PLL回路は、MEMS発振器11からの基準信号が入力する位相比較器12と、位相比較器12の出力に接続されたチャージポンプ13と、チャージポンプ13の出力に接続された低域通過フィルタ(LPF)14と、低域通過フィルタ14の出力電圧に応じて発振周波数が変化する電圧制御型水晶発振器(VCXO)15とを備えている。電圧制御型水晶発振器15の出力は、この高安定発振器の出力として外部回路に供給されるとともに、分周器16を介して位相比較器12に帰還している。
The highly stable oscillator according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is configured to output a signal having a predetermined single frequency, and includes a
この高安定発振器では、出力周波数が予め定められた単一の周波数であるので、PLL回路の出力発振器として、短期安定度に優れた水晶発振器に基づく電圧制御型水晶発振器15が用いられている。電圧制御型水晶発振器15での周波数可変範囲は、予め定められた出力周波数の近傍の狭い範囲とされている。分周器16の分周比は、出力周波数とMEMS発振器11に応じて定められる値とされており、少なくともこの高安定発振器の動作中のおいては分周比は一定に保たれている。
In this highly stable oscillator, since the output frequency is a single frequency determined in advance, the voltage controlled
この高安定発振器では、長期安定度に優れるMEMS発振器11によって長期安定度を担保し、その一方で、電圧制御型水晶発振器15によって短期安定度を高めるようにしている。例えば、PLL回路の時定数を長く設定する(例えば、低域通過フィルタ13の遮断周波数を極めて低く設定する)ことによって、あるいは、PLL制御を間欠的に実行することにより、この高安定発振器における短期安定度と長期安定度とを両立させることができる。PLL制御を間欠的に実行するためには、間欠制御用に外部から供給されるクロック信号によって動作するサンプル/ホールド回路を例えば低域通過フィルタ14と電圧制御型水晶発振器15との間に挿入することが考えられる。なお、電圧制御型水晶発振器15の代わりに、水晶振動子を用いない形式の電圧制御型発振器(VCO)を用いた場合には、電圧制御型発振器の発振周波数における短期安定度がよくないので、MEMS発振器を組み合わせたとしても短期安定度と長期安定度とを両立させた発振器を得ることはできない。
In this highly stable oscillator, long-term stability is ensured by the
ここで、本実施形態の高安定発振器で用いられるMEMS発振器11について説明する。MEMS発振器11を構成するMEMS振動子としては、上述したように、シリコン半導体を用いたものと圧電体を用いたものとがある。一般に、シリコンを用いたMEMS振動子は、固有周波数を高くすると等価直列抵抗が大きくなり、発進させるのが困難になる。また、振動子が小さくなりすぎて製造に適さない、という特徴を有する。これに対して、圧電体を用いたMEMS振動子は等価直列抵抗は小さいものの、固有周波数を低くすると圧電膜が厚くなりすぎて製造に適しない、という特徴を有する。したがって、高安定発振器として比較的低い出力周波数を得ようとする場合には、MEMS発振器11のMEMS振動子としてシリコン半導体材料を用いたものを使用することが好ましく、比較的高い出力周波数を得ようとする場合には、圧電材料を用いたものを使用することが好ましい。圧電材料を使用したMEMS振動子としては、例えば、FBAR(薄膜バルク弾性波共振器:Film Bulk Acoustic Resonator)として構成されたものを用いることができる。
Here, the
11 MEMS発振器;12 位相比較器;13 チャージポンプ;14 ローパスフィルタ(LPF);15 電圧制御型水晶発振器(VCXO);16 分周器;21 マイクロ波シンセサイザ;22 物理パッケージ;23 マイクロコントローラ。 11 MEMS oscillator; 12 phase comparator; 13 charge pump; 14 low-pass filter (LPF); 15 voltage-controlled crystal oscillator (VCXO); 16 divider; 21 microwave synthesizer; 22 physical package;
Claims (3)
MEMS振動子を有するMEMS発振器と、
を備え、
前記MEMS発振器の出力が基準信号として前記PLL回路の位相比較器に供給され、一定の周波数の信号を出力する高安定発振器。 A PLL circuit including a voltage controlled crystal oscillator as an output oscillator;
A MEMS oscillator having a MEMS resonator;
With
A highly stable oscillator in which an output of the MEMS oscillator is supplied as a reference signal to a phase comparator of the PLL circuit and outputs a signal having a constant frequency.
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