JP3450443B2 - 正弦波発振回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＣ共振を利用して所
定周波数の正弦波信号を得る正弦波発振回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、通信等各種分野において正弦
波が使われており、この正弦波を得る発振回路も種々の
ものが知られている。例えば、高周波の正弦波を得るこ
とができる代表的な回路として、コルピッツ型やハート
レー型等の各種ＬＣ発振回路が知られている。

【０００３】これらの各種ＬＣ発振回路は、いずれも原
理的にはトランジスタ等の増幅器とＬＣ回路を組み合わ
せて構成されており、所望の発振周波数の正弦波を得る
ために各素子定数を決定する必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の正弦
波発振回路は、ＬＣ回路を構成するインダクタとキャパ
シタとを個別に用意して組み合わせていたため、設計の
自由度が増す反面、設計者等が決定する素子定数が多く
て設計が複雑になる。特に、正弦波を使用する装置によ
っては、より少ない種類の部品を組み合わせるだけで簡
単に所望の発振周波数を有することができれば便利であ
る。

【０００５】また、ＬＣ回路を構成するインダクタはコ
アやボビンに巻線を施すものが多く、一般には集積化に
不向きである。ＬＣ回路を含む正弦波発振回路の全体を
ＩＣ化しようとした場合であっても、インダクタのみは
外付けしなければならないという不都合があり、回路全
体を半導体基板上に一体形成することができないという
問題があった。

【０００６】本発明は、このような点に鑑みて創作され
たものであり、その目的はより少ない種類の部品を組み
合わせて簡単に正弦波を発生させることができる正弦波
発振回路を提供することにある。

【０００７】また、本発明の他の目的は、ＬＣ回路を含
めて半導体基板上に一体形成可能な正弦波発振回路を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１の正弦波発振回路は、入力信号を増幅
するとともに位相反転を行う反転増幅器と、入力信号の
位相をほぼ１８０度ずらす移相器と、半導体基板上にほ
ぼ並行して形成された２本のインダクタ導体を有し、こ
れら２本のインダクタ導体による２本のインダクタとそ
れらの間のキャパシタとが分布定数的に形成されたＬＣ
素子と、を備え、前記反転増幅器の出力を前記ＬＣ素子
の２本のインダクタ導体のいずれか一方を介して入力側
に帰還させるとともに、前記反転増幅器の出力の位相を
前記移相器によってずらした後に前記２本のインダクタ
導体の他方の一方端近傍に入力することにより正弦波発
振を行うことを特徴とする。

【０００９】また、請求項２の正弦波発振回路は、請求
項１の正弦波発振回路において、前記反転増幅器あるい
は前記移相器の少なくとも一方をインバータ論理回路に
より構成することを特徴とする。

【００１０】請求項３の正弦波発振回路は、半導体基板
上にほぼ並行して形成された２本のインダクタ導体を有
し、これら２本のインダクタ導体による２本のインダク
タとそれらの間のキャパシタとが分布定数的に形成され
たＬＣ素子と、入力端および出力端のそれぞれが、前記
ＬＣ素子の一方のインダクタ導体の一方端近傍および他
方端近傍に接続された第１のインバータ論理回路と、入
力端が前記第１のインバータ論理回路の出力端に接続さ
れているとともに、出力端が前記ＬＣ素子の他方のイン
ダクタ導体の一方端近傍に接続された第２のインバータ
論理回路と、を備え、前記第２のインバータ論理回路か
ら正弦波信号を得ることを特徴とする。

【００１１】請求項４の正弦波発振回路は、請求項１〜
３のいずれかの正弦波発振回路において、前記ＬＣ素子
は、同一平面内でほぼ同心状で隣接して配置されてお
り、前記２本のインダクタ導体として機能する渦巻き形
状の２つの電極と、前記半導体基板の表面近傍であって
前記２つの電極に沿った位置に形成され、これら２つの
電極のいずれか一方にｐ領域が、他方にｎ領域が電気的
に接続されており、逆バイアス電圧を印加することによ
り前記キャパシタとして動作する渦巻き形状のｐｎ接合
層と、を備えることを特徴とする。

【００１２】請求項５の正弦波発振回路は、請求項１〜
３のいずれかの正弦波発振回路において、前記ＬＣ素子
は、同一平面内でほぼ平行に隣接して配置されており、
前記２本のインダクタ導体として機能する蛇行形状の２
つの電極と、前記半導体基板の表面近傍であって前記２
つの電極に沿った位置に形成され、これら２つの電極の
いずれか一方にｐ領域が、他方にｎ領域が電気的に接続
されており、逆バイアス電圧を印加することにより前記
キャパシタとして動作する蛇行形状のｐｎ接合層と、を
備えることを特徴とする。

【００１３】請求項６の正弦波発振回路は、請求項４ま
たは５の正弦波発振回路において、渦巻き形状あるいは
蛇行形状を有する前記２つの電極のいずれか一方の長さ
を他方に比べて短く形成することを特徴とする。

【００１４】請求項７の正弦波発振回路は、請求項４〜
６のいずれかの正弦波発振回路において、前記移相器が
接続された側の前記インダクタ導体に相当する前記２つ
の電極の一方を複数に分割し、あるいはこの電極ととも
に対応する前記ｐｎ接合層を複数に分割し、分割された
前記電極の各分割片の一方端近傍を前記移相器に接続す
ることを特徴とする。

【００１５】請求項８の正弦波発振回路は、請求項４〜
７のいずれかの正弦波発振回路において、前記ｐｎ接合
層に印加する逆バイアス電圧を変更することにより、前
記ＬＣ素子内に分布定数的に形成されるキャパシタの容
量値を変えることを特徴とする。

【００１６】

【作用】請求項１の発明による正弦波発振回路は、反転
増幅器の出力を半導体基板上に形成されたＬＣ素子の一
方のインダクタ導体を介して入力側に帰還させるととも
に、反転増幅器の出力を移相器を介した後にＬＣ素子の
他方のインダクタ導体の一方端近傍に入力するように構
成されている。この反転増幅器の入出力間にＬＣ素子の
一方のインダクタ導体が挿入されているため、ほぼイン
バータ論理回路のしきい値近傍で入出力信号の電圧レベ
ルの平衡が保たれている。このような状態で、反転増幅
器の出力の位相をほぼ１８０度ずらした信号をＬＣ素子
のキャパシタを介して入力することにより、ＬＣ素子に
おける共振が生じて正弦波発振が行われる。

【００１７】このように請求項１の発明によれば、反転
増幅器と移相器およびＬＣ素子を接続して正弦波発振が
行われており、より少ない部品を組み合わせるだけで簡
単に正弦波を発生させることができる。

【００１８】また、上述したＬＣ素子は半導体基板上に
形成されているため、反転増幅器や移相器を含む全ての
部品を半導体基板上に形成することが可能であり、半導
体製造技術を利用した大量生産や回路の小型化が可能と
なる。特に、これら各部品は１つの半導体基板上に形成
することもでき、この場合は回路全体を半導体基板上に
一体形成することになるため、大量生産や回路の小型化
がさらに容易になる。

【００１９】また、請求項２の発明では、上述した反転
増幅器あるいは移相器の少なくとも一方をインバータ論
理回路により構成している。すなわち、インバータ論理
回路はしきい値近傍の電圧レベルを有する信号を入力し
た場合には、入力信号の論理を反転させて出力すると同
時に入力信号の電圧レベルを増幅する反転増幅器として
動作させることができるとともに、入力信号の位相を反
転、すなわち位相を１８０度ずらす移相器として動作さ
せることができる。したがって、このような構造が単純
なインバータ論理回路とＬＣ素子とを組み合わせるだけ
で、簡単に正弦波を発生させることができる。特に、上
述したインバータ論理回路は一般には半導体基板上に形
成されるものであり、ＬＣ素子とともに一体形成する場
合にさらに好都合となる。

【００２０】また、請求項３の発明は、さらに具体的な
構成を示したものであり、２つのインバータ論理回路と
ＬＣ素子とを接続することにより、ＬＣ素子によるＬＣ
共振を利用した正弦波発振を行っている。すなわち、第
１のインバータ論理回路の入出力間をＬＣ素子の一方の
インダクタ導体を介して接続することによりこの第１の
インダクタ論理回路をアナログ素子的に使用し、第２の
インバータ論理回路の出力をＬＣ素子の他方のインダク
タ導体を介してキャパシタに入力することによりＬＣ素
子によるＬＣ共振現象を生じさせている。このＬＣ素子
に共振現象が生じると、その出力である正弦波信号が第
１のインバータ論理回路に入力され増幅されて取り出さ
れる。このように、２つのインバータ論理回路とＬＣ素
子とにより回路が構成されるため、回路全体が簡略化さ
れているとともに、半導体基板を利用した一体形成が可
能となる。

【００２１】請求項４の発明は、上述した請求項１〜３
で用いたＬＣ素子の具体的構成を示した第１の例を示し
たものである。

【００２２】請求項４の発明によれば、半導体基板上で
あって同心状に隣接して配置された２つの電極と、これ
ら２つの電極に沿って形成された渦巻き形状のｐｎ接合
層とにより上述したＬＣ素子が形成されている。このｐ
ｎ接合層に逆バイアス電圧を印加することにより、渦巻
き形状のキャパシタが形成される。したがって、２つの
電極のそれぞれにより形成されるインダクタとこのキャ
パシタとが半導体基板上に分布定数的に形成されること
になる。特に、このＬＣ素子は、半導体製造技術を用い
て半導体基板に形成されるため、反転増幅器等のそれ以
外の部品とともに半導体基板上に一体形成する際に好都
合となる。

【００２３】また、請求項５の発明によれば、請求項４
の電極を渦巻き形状から蛇行形状に置き換えることによ
りＬＣ素子が形成されている。一般には、導体を渦巻き
形状に形成することによりインダクタとして機能させる
ことができるが、使用する周波数帯域によっては導体を
蛇行形状とした場合でもインダクタとして機能させるこ
とができる。すなわち、電極を蛇行形状に形成した場合
には、各凹凸部の１つ１つが約１／２ターンのコイルと
なってこれらが直列に接続されるため、電極全体が所定
のインダクタンスを有するインダクタとして機能する。
特に、使用する信号の周波数が高周波領域に達するよう
な場合には小さなインダクタンスで足りるため、蛇行形
状のインダクタで足りる場合がある。

【００２４】特に、電極を蛇行形状に形成した場合に
は、電極の一方端あるいは両端に配線を施す場合に、こ
の配線を電極の一部と交差させずに引き出せる利点があ
り、正弦波発振回路全体の製造工程の簡略化が可能とな
る。

【００２５】また、請求項６の発明によれば、２つの電
極のいずれか一方を短く形成することにより、インダク
タ導体が部分的に対向したＬＣ素子が形成されている。
一般に、正弦波発振回路全体の発振周波数は、分布定数
的に形成されたインダクタンスとキャパシタンスとによ
り決定されるため、一方の電極を短く形成することによ
りキャパシタンスを小さくすれば、それに伴って発振周
波数も変更されることになる。したがって、部分対向さ
せる電極の割合等を変えることにより発振周波数をある
範囲で調整することができ、正弦波発振回路の設計の自
由度が増すことにもなる。

【００２６】また、請求項７の発明によれば、２つの電
極のいずれか一方を複数に分割、あるいはこの電極の分
割とともに対応するｐｎ接合層を複数に分割することに
より、分割されたインダクタ導体による影響が少ないＬ
Ｃ素子が形成されている。すなわち、各分割電極片の自
己インダクタンスは小さくなるため、分割されない電極
が有するインダクタンスと分布定数的に形成されたキャ
パシタンスとによりＬＣ素子の特性がほぼ決定されるこ
とになる。したがって、電極の分割状態を変えることに
より発振周波数をある範囲で調整することができ、正弦
波発振回路の設計の自由度が増すことにもなる。

【００２７】また、請求項８の発明によれば、ｐｎ接合
層に印加する逆バイアス電圧を変更することにより、分
布定数的に形成されるキャパシタの容量値が変更可能な
ＬＣ素子が形成されている。一般に、ｐｎ接合層は可変
の逆バイアス電圧を印加することによりバリキャップと
して動作する。したがって、印加する逆バイアス電圧を
可変に制御して渦巻き形状あるいは蛇行形状を有するｐ
ｎ接合層の全域をバリキャップとして動作させることに
より、ある範囲で周波数特性を変更可能なＬＣ素子とす
ることができ、電圧制御型の正弦波発振回路を容易に実
現することができる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明を適用した一実施例の正弦波発
振回路について、図面を参照しながら具体的に説明す
る。

【００２９】図１は、本発明を適用した一実施例の正弦
波発振回路１の詳細な構成を示す図である。

【００３０】同図に示すように、第１実施例の正弦波発
振回路１は、反転増幅器として機能するインバータ論理
回路１０と、インダクタ成分とキャパシタ成分とが分布
定数的に形成されたＬＣ素子１２と、移相器として機能
するインバータ論理回路１４とを含んで構成されてい
る。これらの各構成は共通の半導体基板上に一体成形さ
れている。

【００３１】インバータ論理回路１０は、入力信号の論
理を反転、すなわち位相を１８０度ずらして出力すると
ともに、増幅器として動作する。このインバータ論理回
路１０は、ＴＴＬロジック等任意のロジックを用いて実
現することができるが、入力インピーダンスが高くて回
路設計が容易なＣＭＯＳロジック、その中でも周波数が
高い正弦波を発振させる場合には高速タイプである７４
ＨＣシリーズ等のＣＭＯＳロジックが適している。

【００３２】また、インバータ論理回路１４も同様であ
り、入力信号の位相を１８０度ずらして出力する。

【００３３】ＬＣ素子１２は、半導体基板上にインダク
タ成分とキャパシタ成分とが分布定数的に形成されたも
のである。以下、このＬＣ素子１２の具体例を説明す
る。

【００３４】図２は、半導体基板上に渦巻き形状のスパ
イラル電極を形成することによりＬＣ素子を構成した場
合の平面図である。また、図３は図２に示したＡ−Ａ線
拡大断面図である。

【００３５】本実施例のＬＣ素子１２は、半導体基板で
あるｐ型シリコン基板（ｐ−Ｓｉ基板）３４の表面付近
に形成された渦巻き形状のｎ⁺ 領域３２と、さらにその
一部に形成された渦巻き形状のｐ⁺ 領域３０とを含んで
おり、これらのｎ⁺ 領域３２とｐ⁺ 領域３０とがｐｎ接
合層３６を形成している。また、上述したｐ−Ｓｉ基板
３４に比べて、ｎ⁺ 領域３２およびｐ⁺ 領域３０のそれ
ぞれは不純物濃度が高めに設定されており、このｐ−Ｓ
ｉ基板３４とｎ⁺ 領域３２との間に逆バイアス電圧を印
加することにより、このｐ−Ｓｉ基板３４が良好なアイ
ソレーション領域として機能するようになっている。実
際は、ｐ−Ｓｉ基板３４と後述するキャパシタ連結用電
極２８とを同電位とすることにより、ｐ−Ｓｉ基板３４
とｎ⁺ 領域３２との間に確実に逆バイアス電圧を印加す
ればよい。

【００３６】また、本実施例のＬＣ素子１２は、上述し
たｎ⁺ 領域３２の表面側であって、このｎ⁺ 領域３２に
沿った位置に渦巻き形状の第１のスパイラル電極２０が
形成されている。同様に、ｐ⁺ 領域３０の表面側であっ
て、ｐ⁺ 領域３０に沿った位置に第２のスパイラル電極
２２が形成されている。そして、第１のスパイラル電極
２０の両端には２つの入出力電極２４，２６が接続され
ている。第２のスパイラル電極２２の一方端（例えば外
周側）にはキャパシタ連結用電極２８が設けられてい
る。このように、第１および第２のスパイラル電極２
０，２２に対する入出力電極２４，２６あるいはキャパ
シタ連結用電極２８の取り付けは、図２に示すように薄
いｎ⁺ 領域３２あるいはｐ⁺ 領域３０を傷つけないよう
に能動領域の外側で行われる。

【００３７】このような構造を有する本実施例のＬＣ素
子１２は、渦巻き形状を有している第１および第２のス
パイラル電極２０，２２のそれぞれがインダクタ導体と
して機能することになる。また、第１および第２のスパ
イラル電極２０，２２のそれぞれに電気的に接続された
ｐｎ接合層３６が逆バイアスの状態で使用されると渦巻
き形状のキャパシタとして機能する。したがって、第１
および第２のスパイラル電極２０，２２により形成され
るインダクタとｐｎ接合層３６によって形成されるキャ
パシタとが分布定数的に存在するＬＣ素子１２が形成さ
れる。

【００３８】図４は、本実施例のＬＣ素子１２の等価回
路を示す図である。同図（Ａ）に示すように、第１のス
パイラル電極２０がインダクタンスＬ１を有するインダ
クタとして機能し、一方の入出力電極２４から入力され
た信号がこの第１のスパイラル電極２０を介して伝搬さ
れ他方の入出力電極２６から出力される。

【００３９】このような等価回路を有するＬＣ素子１２
において、入出力電極２４あるいは２６に印加される電
圧をキャパシタ連結用電極２８の電圧レベルよりも高く
設定した場合には、ｎ⁺ 領域３２とｐ⁺ 領域３０とから
なるｐｎ接合層３６に逆バイアス電圧がかかるため、こ
のｐｎ接合層３６がキャパシタンスＣを有するキャパシ
タとして機能する。また、このキャパシタは第１のスパ
イラル電極２０と第２のスパイラル電極２２の全長にわ
たって分布定数的に形成されている。

【００４０】図４（Ｂ）は、上述した逆バイアスを印加
するための構成である。具体的には、入出力電極２４と
キャパシタ連結用電極２８との間に所定の逆バイアス電
圧を印加するためのバイアス用電源３８を接続する。

【００４１】また、同図（Ｃ）に示すように、このバイ
アス用電源３８の代わりに、逆バイアスの電圧レベルを
任意に変更することができる可変バイアス用電源４４を
接続することにより、渦巻き形状に形成されたｐｎ接合
層３６のキャパシタンスＣを任意に変化させることもで
きる。

【００４２】一般に、ｐｎ接合層３６に印加される逆バ
イアス電圧の大小に応じてｐｎ接合面に生じる空乏層の
幅が変化するため、これに伴いキャパシタンスＣの値も
変動する。したがって、２つの入出力電極２４、２６を
介してｐｎ接合層３６に印加される逆バイアス電圧を変
えることにより、分布定数的に形成されるキャパシタン
スＣを任意に変化させ、ＬＣ素子１２全体としての周波
数特性を変更することができる。

【００４３】また、図５は図１に示した正弦波発振回路
１内において実際にＬＣ素子１２に逆バイアスを印加す
るための具体的構成を示す図であり、一例として逆バイ
アス電圧を任意に変更可能な可変バイアス用電源４４を
接続した場合が示されている。

【００４４】本実施例の正弦波発振回路１では、図５
（Ａ）に示すように可変バイアス用電源４４を用いると
ともにキャパシタ１６をインバータ論理回路１４の出力
側とＬＣ素子１２との間に挿入することにより、ＬＣ素
子１２に可変の逆バイアス電圧を印加することができ
る。ここで、キャパシタ１６は、インバータ論理回路１
４の出力側とＬＣ素子１２のキャパシタ連結用電極２８
とを交流的に接続するとともに直流的に分離するための
ものであり、所定の周波数領域において位相のずれを生
じないような大きなキャパシタンスを有する。

【００４５】また、この可変バイアス用電源４４は、実
際に回路の一部として組み込む場合には、同図（Ｂ）に
示すように可変抵抗５２と充分に大きな抵抗５４とを組
み合わせて構成することができる。すなわち、可変抵抗
５２により正あるいは負の所定の逆バイアス電圧（実際
には、可変抵抗５２により設定される電位とインバータ
論理回路１０の入出力端の電位との差が逆バイアスとな
る）を作りだし、この逆バイアス電圧を充分大きな抵抗
５４を介してＬＣ素子１２のキャパシタ用連結電極２８
に印加することにより、信号の交流成分に影響を与えな
い逆バイアス電圧の印加が可能となる。

【００４６】図６は、本実施例のＬＣ素子１２の製造工
程を示す図である。図２のＢ−Ｂ線断面の各製造工程毎
の状態が示されている。

【００４７】（１）エピタキシャル層の成長：まず最初
に、ｐ−Ｓｉ基板３４（ウエハ）表面の酸化膜を除去し
た後に、ｐ−Ｓｉ基板３４の表面全体にｎ⁺ 型エピタキ
シャル層３５を成長させる（同図（Ａ））。

【００４８】（２）アイソレーション領域の形成：次
に、図２に示したｎ⁺ 領域３２およびｐ⁺ 領域３０を除
く領域をアイソレーション領域とするために、ｐ型不純
物の拡散あるいはイオン注入を行う。

【００４９】具体的には、まずエピタキシャル層３５の
表面を熱酸化して酸化膜４０を形成する。そして、フォ
トリソグラフィによってｐ領域を形成すべき位置の酸化
膜４０を除去した後に、ｐ型不純物を熱拡散あるいはイ
オン注入により選択的に添加することにより、ｐ領域が
選択的に形成される。このようにして形成されたｐ領域
は、ｐ−Ｓｉ基板３４の一部となってアイソレーション
領域を形成する（同図（Ｂ））。

【００５０】このようにしてアイソレーション領域の形
成が行われた結果、残されたエピタキシャル層３５によ
って渦巻き形状のｎ⁺ 領域３２が形成される。

【００５１】（３）ｐｎ接合層の形成：次に、渦巻き形
状に形成されたｎ⁺ 領域３２の一部にｐ型不純物を熱拡
散あるいはイオン注入により導入することにより、渦巻
き形状のｐ⁺ 領域３０を形成する（同図（Ｄ））。

【００５２】具体的には、まずｎ⁺ 領域３２を含むｐ−
Ｓｉ基板３４の表面を熱酸化して酸化膜４２を形成す
る。そして、フォトリソグラフィによってｐ⁺ 領域３０
を形成すべき位置の酸化膜４２を除去した後に、ｐ型不
純物を熱拡散あるいはイオン注入により選択的に添加す
ることにより、ｐ⁺ 領域３０が選択的に形成される。

【００５３】このｐ⁺ 領域３０は、先に形成されたｎ⁺
領域３２中に形成する必要があるため、既に導入されて
いるｎ型不純物の量以上のｐ型不純物を添加することに
より、ｐ⁺ 領域３０が形成される。

【００５４】このようにして、ｎ⁺ 領域３２とｐ⁺ 領域
３０とからなる渦巻き形状のｐｎ接合層３６が形成され
る。

【００５５】（４）スパイラル電極の形成：次に、熱酸
化により表面に酸化膜４３を形成した後にフォトリソグ
ラフィによってｎ⁺ 領域３２とｐ⁺ 領域３０のそれぞれ
の表面に渦巻き形状の孔あけを行い、その後この渦巻き
形状に孔あけされた部分に、例えばアルミニウムを蒸着
することにより第１および第２のスパイラル電極２０，
２２を形成する（同図（Ｄ））。また、その後２つの入
出力電極２４，２６およびキャパシタ連結用電極２８の
それぞれをアルミニウムの蒸着により形成する。

【００５６】本実施例のＬＣ素子１２を製造する工程
は、基本的には通常のバイポーラトランジスタあるいは
ダイオードを製造する工程と類似しており、ｐｎ接合層
３６やその間のアイソレーション領域の形状等が異なる
ものである。したがって、一般のバイポーラトランジス
タを製造する工程においてフォトマスクの形状を変更す
ることにより対応することができ、製造が容易になると
ともに小型化にも適している。

【００５７】なお、上述した本実施例のＬＣ素子１２の
製造工程においては、最初にエピタキシャル成長により
ｎ⁺ 領域を表面全体に形成した後にアイソレーションを
行う場合を例にとり説明したが、ｐ−Ｓｉ基板３４の表
面に酸化膜を形成した後にフォトリソグラフィにより渦
巻き形状のｎ⁺ 領域３２に対応する孔あけを行い、この
部分に熱拡散あるいはイオン注入によりｎ型不純物を導
入することによりｎ⁺領域３２を形成した後に、同様の
方法により直接的にｐ⁺ 領域３０を形成してもよい。ま
た、ｐｎ接合層を形成する方法については、一般的な半
導体製造技術を用いることができる。

【００５８】このように、本実施例のＬＣ素子１２は、
第１および第２のスパイラル電極２０，２２のそれぞれ
がインダクタを形成するとともに、これらの電極間に形
成された渦巻き形状のｐｎ接合層３６が逆バイアスで使
用されることによりキャパシタとして機能する。しか
も、第１および第２のスパイラル電極２０，２２の全長
にわたってｐｎ接合層３６が形成されているため、第１
および第２のスパイラル電極２０，２２に形成されるイ
ンダクタンスＬ１，Ｌ２とｐｎ接合層３６によって形成
されるキャパシタンスＣとが分布定数的に存在してい
る。

【００５９】本実施例の正弦波発振回路１は、このよう
な構造を有するＬＣ素子１２の第１のスパイラル電極２
０の一方端に設けられた入出力電極２４をインバータ論
理回路１０の入力側に接続するとともに、他方端に設け
られた入出力電極２６をインバータ論理回路１０の出力
側に接続している。したがって、インバータ論理回路１
０の入出力間にＬＣ素子１２の第１のスパイラル電極２
０が挿入されて、インバータ論理回路１０がほぼしきい
値近傍でアナログ素子的に動作する。

【００６０】また、上述したインバータ論理回路１０の
出力はインバータ論理回路１４を介してＬＣ素子１２の
第２のスパイラル電極２２の一方端に設けられたキャパ
シタ連結用電極２８に入力されている。

【００６１】したがって、インバータ論理回路１０から
出力された信号は、ＬＣ素子１２の第１のスパイラル電
極２０を介してその入力側に帰還されるとともに、イン
バータ論理回路１４を介して位相をほぼ１８０度ずらし
た後に第２のスパイラル電極２２に入力される。このた
め、例えばインバータ論理回路１０の出力に微小振幅が
現れると、この出力信号はＬＣ素子１２のインダクタ部
分およびキャパシタ部分に直接あるいは位相を変えて入
力され、ＬＣ素子１２のインダクタンスおよびキャパシ
タンスに基づいた特定周波数のみが選択され、再度イン
バータ論理回路１０で増幅されるためＬＣ共振が生じ、
特定周波数の正弦波発振となる。

【００６２】すなわち、本実施例の正弦波発振回路１で
は、インバータ論理回路１０のインダクタンスおよびキ
ャパシタンスによって決定される特定周波数の正弦波発
振が行われる。

【００６３】実際に、一般に出回っている分布定数型の
ＬＣ素子を用いて図１に示した正弦波発振回路１を構成
してインバータ論理回路１４の出力波形を観察したとこ
ろ、共振に基づく歪みが少ない正弦波信号が観察され
た。

【００６４】また、この実験回路において、インダクタ
論理回路１０，１４の動作電源電圧を変えても発振周波
数に変化はないことが確かめられており、この結果から
も図１に示した正弦波発振回路１はＬＣ素子のキャパシ
タ成分による充放電を利用して発振しているのではな
く、インダクタ成分とキャパシタ成分とによるＬＣ共振
によって発振していることが立証されている。

【００６５】なお、上述した実験回路に使用したＬＣ素
子は、両端近傍に入出力リードが取り付けられている帯
状導電体と、一端近傍にキャパシタ連結用リードが取り
付けられている帯状導電体とを誘電体シートを挟んで積
層した後に巻き回すことにより形成されたＬＣ素子（例
えば、特開平２−２６１１４号公報に開示された「３端
子型ノイズフィルタ」）を用いたものである。したがっ
て、実際に図２等に示した微細構造を半導体基板上に形
成したＬＣ素子を用いた場合には、上述した実験回路よ
りも発振周波数が高周波側にシフトすることが考えられ
るが、基本原理そのものに変わりはない。

【００６６】このように、本実施例の正弦波発振回路１
は、基本的には２つのインバータ論理回路１０，１４と
１つのＬＣ素子１２といった少ない種類の部品を組み合
わせるだけで、簡単に正弦波を発生させることができ
る。ＬＣ素子１２は、ＬＣ直列共振回路やＬＣ並列共振
回路等と異なり、１つの素子内にインダクタとキャパシ
タとが分布定数的に形成されたものであるため、発振回
路を構成する際にインダクタとキャパシタとを別々に用
意して接続する手間がなくなる。

【００６７】特に、本実施例の正弦波発振回路１は、イ
ンダクタ成分を有するＬＣ素子１２が半導体基板（ｐ−
Ｓｉ基板３４）上に形成されている点に大きな特徴があ
る。しかも、当然ながら図１に示したインバータ論理回
路１０，１４も同一の半導体基板上に形成することがで
きるため、正弦波発振回路１の全体を１つの半導体基板
上に一体形成することができ、回路全体の大量生産や小
型化が可能になる。また、この半導体基板上への回路の
一体形成は、現在の半導体製造技術を用い、フォトマス
クの形状の変更等を行うだけで容易に行うことができる
ので、大量生産や小型化に伴う大幅なコストダウンも可
能になる。

【００６８】また、図２および図３に構造を示したＬＣ
素子１２，１４は、ｐｎ接合層３６に印加する逆バイア
ス電圧の値を変更するだけで、分布定数的に形成される
キャパシタンスＣの値を変更することができ、その変更
の度合いに応じて共振特性（周波数特性）を変えること
ができる。このように、本実施例の正弦波発振回路１
は、ＬＣ素子１２のｐｎ接合層３６に印加する逆バイア
ス電圧を変えることにより、容易に電圧制御型の発振回
路とすることができる。しかも、このような電圧制御型
の発振回路とした場合であっても、周波数変更用の素子
を追加する必要もなく、正弦波発振回路１の構成部品を
最小限に押さえることができる。

【００６９】図７は、上述したＬＣ素子１２の変形例を
示す図である。図２および図３に構造を示したＬＣ素子
１２は、第１および第２のスパイラル電極２０，２２が
ほぼ全長にわたって平行に、すなわちほぼ同一の長さに
形成されたものであるが、図７に示したＬＣ素子１２ａ
は、図２および図３に示した第２のスパイラル電極２２
を所定のターン数（例えば約１ターン）短くするととも
に、これに対応するｐｎ接合層３６も所定のターン数分
短くした点に特徴がある。

【００７０】図７に示すように、第２のスパイラル電極
２２および対応するｐｎ接合層３６を部分的に省略した
場合であっても、短くなった第２のスパイラル電極２２
およびこれに隣接する第１のスパイラル電極２０により
形成されるインダクタと、短くなったｐｎ接合層３６に
より形成されるキャパシタとが分布定数的に形成される
ため、基本的には図２および図３に示したＬＣ素子１２
と同様の特性を有することになる。

【００７１】図８は、図７に示したＬＣ素子の等価回路
を示す図である。同図（Ａ）に示すように、第２のスパ
イラル電極２２のターン数が少なくなった分だけインダ
クタンスＬ３も小さくなり、これに対応して分布定数的
に形成されるキャパシタンスＣ１も小さくなる。

【００７２】また、同図（Ｂ），（Ｃ）には短くなった
ｐｎ接合層３６に固定あるいは可変の逆バイアス電圧を
印加するための構成が示されている。図４（Ｂ），
（Ｃ）と同様に、入出力電極２４とキャパシタ連結用電
極２８との間に固定あるいは可変の逆バイアス電圧を印
加するためのバイアス用電源３８あるいは可変バイアス
用電源４４を接続すればよい。

【００７３】このように、各ＬＣ素子１２ａの第１およ
び第２のスパイラル電極２０，２２を部分的に対向させ
るとともにそれらの電極間に形成されたｐｎ接合層３６
を短く形成した場合には、このｐｎ接合層３６により分
布定数的に形成されるキャパシタンスＣ１が図２および
図３に示したＬＣ素子の場合に比べて小さくなるため周
波数特性も変化する。換言すれば、この部分的に対向す
る第１および第２のスパイラル電極２０，２２の長さを
調整するとともに、その間に形成されるｐｎ接合層３６
を所定の長さとすることにより、所望の周波数特性が得
られることになり、本実施例の正弦波発振回路１等にお
ける発振周波数を任意に設定することができる。これに
より、正弦波発振回路の設計の自由度が増すことにもな
る。

【００７４】図９は、上述したＬＣ素子１２の他の変形
例を示す図である。同図に示すＬＣ素子１２ｂは、第２
のスパイラル電極２２側を複数に分割（例えば２分割）
するとともに、第１および第２のスパイラル電極２０，
２２間に形成されるｐｎ接合層３６も複数に分割した点
に特徴がある。すなわち、同図に示すＬＣ素子１２ｂ，
１４ｂは、第２のスパイラル電極２２が２つの分割電極
片２２−１，２２−２から構成されており、これら各分
割電極片２２−１，２２−２に接するｐ⁺ 領域３０も分
割されている。分割された各ｐ⁺ 領域３０のそれぞれと
ｎ⁺ 領域３２とにより２組のｐｎ接合層３６が形成され
ている。さらに、２つの分割電極片２２−１，２２−２
の各一方端（最外周側と最内周側）にはキャパシタ連結
用電極２８が設けられている。

【００７５】図１０は、図９に示したＬＣ素子の等価回
路を示す図である。同図（Ａ）に示すように、第１のス
パイラル電極２０の全体がインダクタンスＬ１を有する
インダクタとして機能するとともに、各分割電極片２２
−１，２２−２のそれぞれがインダクタンスＬ４，Ｌ５
を有するインダクタとして機能する。そして、第１のス
パイラル電極２０と各分割電極片２２−１，２２−２の
それぞれの間に形成されたｐｎ接合層３６がキャパシタ
ンスＣ２，Ｃ３を有するキャパシタとして機能し、しか
もこれらのキャパシタが分布定数的に形成される。

【００７６】また、図１０（Ｂ）および（Ｃ）には、分
割されたｐｎ接合層３６に固定あるいは可変の逆バイア
ス電圧を印加するための構成が示されている。図４
（Ｂ），（Ｃ）と同様に、入出力電極２４とキャパシタ
連結用電極２８との間に固定あるいは可変の逆バイアス
電圧を印加するためのバイアス用電源３８あるいは可変
バイアス用電源４４を接続すればよい。また、このよう
な電源を実際の回路内で実現する場合には、図５（Ｂ）
に示すような可変抵抗５２（バイアス電圧が固定の場合
はこれに代えて２つの抵抗からなる分圧回路）と充分大
きな抵抗５４を用いればよい。

【００７７】このように、ＬＣ素子１２ｂの第２のスパ
イラル電極２２およびこれに対応するｐｎ接合層３６を
分割した場合には、各分割電極片２２−１，２２−２の
自己インダクタンスＬ４，Ｌ５が小さくなる。したがっ
て、これらの自己インダクタンスによるＬＣ素子全体の
特性への影響は小さくなり、第１のスパイラル電極２０
が有するインダクタンスＬ１と分布定数的に形成される
キャパシタＣ２，Ｃ３とによってＬＣ素子１２の特性が
ほぼ決定されることになる。このため、図７に示したＬ
Ｃ素子１２ａと同様に、第２のスパイラル電極２２の分
割状態や、ほぼ特性を決定する第１のスパイラル電極２
０の形状等を検討することにより、所望の周波数特性を
有するＬＣ素子とすることができ、設計の自由度が増す
ことになる。

【００７８】図１１は、ＬＣ素子１２の他の例を示す図
である。同図に示すＬＣ素子１２ｃは、図２に示したＬ
Ｃ素子１２の第１および第２のスパイラル電極２０，２
２の形状を変更した点に特徴がある。具体的には、図１
１に示すＬＣ素子１２ｃは、図２において渦巻き形状を
有する第１および第２のスパイラル電極２０，２２に代
えて蛇行形状を有する第１および第２の電極１５０，１
５２を有しており、これら２つの電極１５０，１５２に
沿うように蛇行形状を有するｐｎ接合層１５４が形成さ
れている。

【００７９】図１２は、蛇行形状を有する第１および第
２の電極１５０，１５２によって形成されるインダクタ
の原理を示す図である。同図に示すように、凹凸状に屈
曲した蛇行形状を有する電極１５０あるいは１５２に一
方向の電流を流した場合には、隣接する凹凸部分で向き
が反対となるような磁束が交互に発生し、あたかも１／
２ターンのコイルが直列に接続された状態になる。した
がって、第１および第２の電極１５０，１５２のそれぞ
れは所定のインダクタンスを有するインダクタとして機
能し、等価回路については図４に示したものをそのまま
適用することができる。

【００８０】また、渦巻き形状の電極とした場合には電
極の両端部のいずれか一方が中心部に位置し、他方が周
辺部に位置するのに対し、蛇行形状の電極１５０，１５
２ではその両端が周辺部に位置することになるので、入
出力電極２４，２６およびキャパシタ連結用電極２８を
外部に引き出す際に好都合となる。

【００８１】また、このような構造を有するＬＣ素子１
２ｃにおいて、第２の電極１５２側を短く形成したり、
複数に分割するようにしてもよい。

【００８２】図１３は、図１１に示した第２の電極１５
２側の長さを約半分にしたＬＣ素子１２ｄを示してお
り、図７に対応している。また、図１４は、この第２の
電極１５２側を複数に分割（例えば２分割）したＬＣ素
子１２ｅを示しており、図９に対応している。

【００８３】このように、蛇行形状を有する第１および
第２の電極１５０，１５２を部分的に対向させた場合、
あるいは第２の電極１５２側を複数に分割した場合であ
っても、基本的な動作は図１１に示したＬＣ素子１２ｃ
と同じようにインダクタとキャパシタとが分布定数的に
形成されており、図１に示した正弦波発振回路１に適用
することができる。

【００８４】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が
可能である。

【００８５】例えば、上述した各ＬＣ素子は、インダク
タ導体として機能する電極やチャネルを渦巻き形状ある
いは蛇行形状に形成したが、この渦巻き形状には周回数
がほぼ１周あるいは１周未満のものも含まれ、蛇行形状
には波形や凹凸数が１あるいは２程度の非直線形状のも
のも含まれており、インダクタンスの大きさ等に応じ
て、使用するＬＣ素子の電極形状を適宜選択することが
できる。

【００８６】また、上述した実施例のＬＣ素子は、主に
ｐ−Ｓｉ基板を利用して形成したが、同様にｎ型半導体
基板（ｎ−Ｓｉ基板）を利用して形成するようにしても
よい。また、半導体基板はゲルマニウム等のシリコン以
外の材料、あるいは非晶質材料であるアモルファスシリ
コン等を用いるようにしてもよい。

【００８７】また、上述した実施例では、ｐｎ接合層３
６（ｐｎ接合層１５４も同様）をｐ−Ｓｉ基板３４より
も不純物濃度を高めたｐ⁺ 領域３０およびｎ⁺ 領域３２
により構成したが、これら各領域の不純物についてはｐ
ｎ接合層３６が形成されしかも分布定数的に形成された
キャパシタとして機能する範囲で任意に設定することが
できる。

【００８８】

【発明の効果】上述したように、請求項１の発明によれ
ば、反転増幅器と移相器およびＬＣ素子を接続して正弦
波発振が行われており、より少ない部品を組み合わせる
だけで簡単に正弦波を発生させることができる。また、
上述したＬＣ素子は半導体基板上に形成されているた
め、反転増幅器や移相器を含む全ての部品を半導体基板
上に形成することが可能であり、半導体製造技術を利用
した大量生産や回路の小型化が可能となる。特に、これ
ら各部品は１つの半導体基板上に形成することもでき、
この場合は回路全体を半導体基板上に一体形成すること
になるため、大量生産や回路の小型化がさらに容易にな
る。

【００８９】また、請求項２の発明によれば、上述した
反転増幅器あるいは移相器の少なくとも一方をインバー
タ論理回路により構成しており、このような構造が単純
なインバータ論理回路とＬＣ素子とを組み合わせるだけ
で、簡単に正弦波を発生させることができる。特に、上
述したインバータ論理回路は一般には半導体基板上に形
成されるものであり、ＬＣ素子とともに一体形成する場
合にさらに好都合となる。

【００９０】また、請求項３の発明によれば、２つのイ
ンバータ論理回路とＬＣ素子とにより回路が構成される
ため、回路全体が簡略化されているとともに、半導体基
板を利用した一体形成が可能となる。

【００９１】請求項４の発明によれば、半導体基板上で
あって同心状に隣接して配置された２つの電極と、これ
ら２つの電極に沿って形成された渦巻き形状のｐｎ接合
層とにより上述したＬＣ素子が形成されており、このＬ
Ｃ素子が半導体製造技術を用いて半導体基板に形成され
るため、反転増幅器等のそれ以外の部品とともに半導体
基板上に一体形成する際に好都合となる。

【００９２】また、請求項５の発明によれば、請求項４
のＬＣ素子の電極を渦巻き形状から蛇行形状に置き換え
ることによりＬＣ素子が形成されており、請求項４の発
明と同様にこのＬＣ素子が半導体製造技術を用いて半導
体基板に形成されるため、反転増幅器等のそれ以外の部
品とともに半導体基板上に一体形成する際に好都合とな
る。特に、電極を蛇行形状に形成した場合には、電極の
一方端あるいは両端に配線を施す場合に、この配線を電
極の一部と交差させずに引き出せる利点があり、正弦波
発振回路全体の製造工程の簡略化が可能となる。

【００９３】また、請求項６の発明によれば、２つの電
極のいずれか一方を短く形成することにより、インダク
タ導体が部分的に対向したＬＣ素子が形成されており、
部分対向させる電極の割合等を変えることにより発振周
波数をある範囲で調整することができ、正弦波発振回路
の設計の自由度が増す。

【００９４】また、請求項７の発明によれば、２つの電
極のいずれか一方を複数に分割、あるいはこの電極の分
割とともに対応するｐｎ接合層を複数に分割することに
より、分割されたインダクタ導体による影響が少ないＬ
Ｃ素子が形成されており、電極の分割状態を変えること
により発振周波数をある範囲で調整することができ、正
弦波発振回路の設計の自由度が増す。

【００９５】また、請求項８の発明によれば、ｐｎ接合
層に印加する逆バイアス電圧を変更することにより、分
布定数的に形成されるキャパシタの容量値が変更可能な
ＬＣ素子が形成されており、印加する逆バイアス電圧を
可変に制御して渦巻き形状あるいは蛇行形状を有するｐ
ｎ接合層の全域をバリキャップとして動作させることに
より、ある範囲で周波数特性を変更可能なＬＣ素子とす
ることができ、電圧制御型の正弦波発振回路を容易に実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した一実施例の正弦波発振回路の
構成を示す図である。

【図２】ＬＣ素子の一例を示す図である。

【図３】図２のＡ−Ａ線拡大断面図である。

【図４】図２に示したＬＣ素子の等価回路を示す図であ
る。

【図５】正弦波発振回路内においてＬＣ素子にバイアス
電圧を印加するための具体的構成を示す図である。

【図６】図２に示したＬＣ素子の製造工程を示す図であ
る。

【図７】図２に示したＬＣ素子の変形例を示す図であ
る。

【図８】図７に示したＬＣ素子の等価回路を示す図であ
る。

【図９】ＬＣ素子の他の変形例を示す図である。

【図１０】図９に示したＬＣ素子の等価回路を示す図で
ある。

【図１１】ＬＣ素子の他の変形例を示す図である。

【図１２】蛇行形状を有するインダクタ導体の動作を説
明するための図である。

【図１３】ＬＣ素子の他の変形例を示す図である。

【図１４】ＬＣ素子の他の変形例を示す図である。

【符号の説明】

１ 正弦波発振回路 １０，１４ インバータ論理回路 １２ ＬＣ素子 ２０ 第１のスパイラル電極 ２２ 第２のスパイラル電極 ２４，２６ 入出力電極 ２８ キャパシタ連結用電極 ３４ ｐ−Ｓｉ基板（ｐ型シリコン基板） ３６ ｐｎ接合層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−65920（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−38022（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−133107（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−251211（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−104674（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−77711（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−21533（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−852（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03B 5/00 - 5/28

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力信号を増幅するとともに位相反転を
   行う反転増幅器と、 入力信号の位相をほぼ１８０度ずらす移相器と、 半導体基板上にほぼ並行して形成された２本のインダク
   タ導体を有し、これら２本のインダクタ導体による２本
   のインダクタとそれらの間のキャパシタとが分布定数的
   に形成されたＬＣ素子と、 を備え、前記反転増幅器の出力を前記ＬＣ素子の２本の
   インダクタ導体のいずれか一方を介して入力側に帰還さ
   せるとともに、前記反転増幅器の出力の位相を前記移相
   器によってずらした後に前記２本のインダクタ導体の他
   方の一方端近傍に入力することにより正弦波発振を行う
   ことを特徴とする正弦波発振回路。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記反転増幅器あるいは前記移相器の少なくとも一方を
   インバータ論理回路により構成することを特徴とする正
   弦波発振回路。
3. 【請求項３】 半導体基板上にほぼ並行して形成された
   ２本のインダクタ導体を有し、これら２本のインダクタ
   導体による２本のインダクタとそれらの間のキャパシタ
   とが分布定数的に形成されたＬＣ素子と、 入力端および出力端のそれぞれが、前記ＬＣ素子の一方
   のインダクタ導体の一方端近傍および他方端近傍に接続
   された第１のインバータ論理回路と、 入力端が前記第１のインバータ論理回路の出力端に接続
   されているとともに、出力端が前記ＬＣ素子の他方のイ
   ンダクタ導体の一方端近傍に接続された第２のインバー
   タ論理回路と、 を備え、前記第２のインバータ論理回路から正弦波信号
   を得ることを特徴とする正弦波発振回路。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかにおいて、 前記ＬＣ素子は、 同一平面内でほぼ同心状で隣接して配置されており、前
   記２本のインダクタ導体として機能する渦巻き形状の２
   つの電極と、 前記半導体基板の表面近傍であって前記２つの電極に沿
   った位置に形成され、これら２つの電極のいずれか一方
   にｐ領域が、他方にｎ領域が電気的に接続されており、
   逆バイアス電圧を印加することにより前記キャパシタと
   して動作する渦巻き形状のｐｎ接合層と、 を備えることを特徴とする正弦波発振回路。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかにおいて、 前記ＬＣ素子は、 同一平面内でほぼ平行に隣接して配置されており、前記
   ２本のインダクタ導体として機能する蛇行形状の２つの
   電極と、 前記半導体基板の表面近傍であって前記２つの電極に沿
   った位置に形成され、これら２つの電極のいずれか一方
   にｐ領域が、他方にｎ領域が電気的に接続されており、
   逆バイアス電圧を印加することにより前記キャパシタと
   して動作する蛇行形状のｐｎ接合層と、 を備えることを特徴とする正弦波発振回路。
6. 【請求項６】 請求項４または５において、 渦巻き形状あるいは蛇行形状を有する前記２つの電極の
   いずれか一方の長さを他方に比べて短く形成することを
   特徴とする正弦波発振回路。
7. 【請求項７】 請求項４〜６のいずれかにおいて、 前記移相器が接続された側の前記インダクタ導体に相当
   する前記２つの電極の一方を複数に分割し、あるいはこ
   の電極とともに対応する前記ｐｎ接合層を複数に分割
   し、分割された前記電極の各分割片の一方端近傍を前記
   移相器に接続することを特徴とする正弦波発振回路。
8. 【請求項８】 請求項４〜７のいずれかにおいて、 前記ｐｎ接合層に印加する逆バイアス電圧を変更するこ
   とにより、前記ＬＣ素子内に分布定数的に形成されるキ
   ャパシタの容量値を変えることを特徴とする正弦波発振
   回路。