JP3980943B2

JP3980943B2 - Ｐｌｌ制御発振器

Info

Publication number: JP3980943B2
Application number: JP2002166365A
Authority: JP
Inventors: 明弘中村; 和男赤池; 公三小野; 敬章石井
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: JP2004015444A; US6870430B2; US20040155715A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信システムに使用されるＰＬＬ制御発振器を産業上の技術分野とし、例えば携帯電話に内蔵されるＰＬＬ制御発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）ＰＬＬ制御発振器は、基準信号源とＰＬＬ制御される電圧制御発振器とからなり、例えば基準信号源の分周周波数に同期（追従）して電圧制御発振器の発振周波数が変化することから、特にセルラー方式の通信システムに採用される。通常では、基準信号源としては温度補償水晶発振器が、電圧制御発振器にはＬＣ発振回路が採用される。
【０００３】
（従来技術の一例）第８図乃至第１０図は一従来例を説明する図で、第８図はＰＬＬ制御発振器の回路ブロック図で、第９図は温度補償水晶発振器１の構造断面図、第１０図は同回路ブロック図ある。
【０００４】
ＰＬＬ制御発振器は基準信号源としての温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）１と、ＰＬＬ制御による電圧制御発振器（ＶＣＯ）２とからなる。温度補償水晶発振器１は水晶振動子３と、発振回路４及び温度補償機構５を集積化したＩＣチップ６とからからなる。例えば、凹状容器７の底面にＩＣチップ６を、内壁の段部に水晶片３Ａ（水晶振動子３）の一端部を固着し、カバー８を接合して密閉封入してなる。そして、温度補償機構５への温度補償データの図示しない書込端子を側面に有する。図中の符号９は導電性接着剤である。
【０００５】
水晶振動子３は一般にＡＴカットからなり、周波数温度特性を常温２５℃近傍に変曲点を有する三次曲線とする。発振回路４は例えばインバータ増幅素子（反転増幅素子）を用いた一種のコルピッツ型とし、発振用コンデンサに電圧可変容量素子１０を適用してなる。温度補償機構５は周囲温度を検出する例えば抵抗を含む三次関数となる電圧発生回路を有し、温度補償電圧を発生する。そして、温度補償電圧を電圧可変容量素子１０に印加することによって、水晶振動子３の両端から見た直列等価容量（負荷容量）を変化させ、発振周波数を一定に維持する。
【０００６】
ＰＬＬ制御による電圧制御発振器２は、基本的に、第１と第２の分周器１１（ａｂ）と位相比較器１２とローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３と電圧制御発振器２とからなる。第１と第２の分周器１１（ａｂ）は基準信号源（温度補償水晶発振器１）からの基準周波数と電圧制御発振器２からの出力周波数を分周する。位相比較器１２は基準周波数と出力周波数との分周周波数の位相を比較する。ローパスフィルタ１３は基準周波数と出力周波数との分周周波数の位相差に基づいて制御電圧を発生し、電圧制御発振器２に印加する。
【０００７】
電圧制御発振器２は例えばコルピッツ型としたＬＣ発振回路４からなり、発振閉ループに電圧可変容量素子を挿入してなる。そして、電圧可変容量素子に印加される制御電圧に応答して出力周波数を可変する。これにより、出力周波数は基準周波数の分周周波数に追従する。なお、電圧制御発振器２の回路図は、前第１０図の水晶振動子３をＬＣ共振回路に置換したものと基本的に等価なので省略する（但し温度補償機構５は除く）。
【０００８】
このようなＰＬＬ制御発振器を用いた例えば携帯電話の送受信系は、概ね第１１図に示す回路ブロック図になる。すなわち、温度補償水晶発振器１（ＴＣＸＯ）を共通の基準信号源として、ＰＬＬ制御される送信用及び受信用の電圧制御発振器２（ａｂ）（ＴＸＶＣＯ、ＲＸＶＣＯ）を備える。そして、送信時には、ＴＸＶＣＯ２ａからの例えば900ＭHz帯とした出力周波数と音声等の情報を含む変調信号ｆａとをミキサー１４によって混合し、電力増幅器（ＰＡ）１５等を経てアンテナ１６から高周波を送信する。
【０００９】
また、受信時には、アンテナ１６から低雑音増幅器（ＬＮＡ）１７を経ての高周波とＲＸＶＣＯ２ｂからの出力周波数をミキサー１４ｂによって混合し、復調信号を得て元情報に戻す。このようなものでは、例えば第１２図に示したように、セット基板１７上に変調信号や復調信号を形成する高機能ＩＣ１８と、温度補償水晶発振器１、送受信用の電圧制御発振器２を構成するディスクリート部品１９が搭載される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成のＰＬＬ制御発振器では、温度補償水晶発振器１と電圧制御発振器２とが別体で構成されるため、製造面においてコストが高い（生産性が悪い）。また、電圧制御発振器２はチップ素子としたコンデンサやインダクタ、増幅素子及び電圧可変容量素子等のディスクリート部品１９で構成されるため、部品点数が多く小型化を阻害する。さらには、部品点数が多くなるほど、これらを接続する回路パターンも複雑化して、例えば回路パターン間での電磁気的な結合を生じて障害を生じる等の問題があった。
【００１１】
（発明の目的）本発明は小型化を促進して生産性を良好にし、電気的性能を向上したＰＬＬ制御発振器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、水晶振動子と発振回路と温度補償回路とからなる温度補償水晶発振器と、前記温度補償水晶発振器を基準信号源としてＰＬＬ制御されたＬＣ発振回路を備えたＰＬＬ制御発振器において、前記温度補償水晶発振器の水晶振動子を除く発振回路と、前記温度補償発振器の温度補償回路と、前記ＰＬＬ制御されたＬＣ発振回路とを１チップＩＣに集積化して、前記１ＩＣチップと前記水晶振動子とを一体化してなり、前記水晶振動子は両主面に対向する溝を有して厚みの小さい中央部の振動領域と厚みの大きい外周部の保持領域とからなる水晶片と、前記水晶片の両主面に直接接合される一方と他方のカバーとからり、前記一方のカバーの前記水晶片と対面する一主面には前記ＬＣ発振回路のＬを形成するプリントによるインダクタが形成され、前記１チップＩＣは前記一方のカバーの他主面に予め接合されて前記ＬＣ発振器の発振周波数が前記インダクタによって調整された後、前記一方のカバーと前記他方のカバーとを前記水晶片の両主面に直接接合された構成とする。
【００１３】
【第１実施例、請求項１に対応】
第１図は本発明の一実施例を説明するＰＬＬ制御発振器の概ねの分解組立図、第２図は同断面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
ＰＬＬ制御発振器は、前述したように、基本的に基準信号源としての温度補償水晶発振器１と、ＰＬＬ制御によるＬＣ発振回路４を用いた電圧制御発振器２とからなる（前第８図参照）。ここでも、ＰＬＬ制御発振器は温度補償水晶発振器１を共通の基準信号源として、送受信用の電圧制御発振器２（ａｂ）を備える（前第１１図参照）。そして、この実施例では、温度補償水晶発振器１の水晶振動子３と送受信用の電圧制御発振器２（ａｂ）のインダクタ（Ｌ）を除き、１チップＩＣ（発振用１チップＩＣとする）２０に集積化される。
【００１４】
すなわち、温度補償水晶発振器１の発振回路４（水晶振動子３を除く）及び温度補償器機構５と、ＰＬＬ制御の各回路を含む送受信用の電圧制御発振器２のＬＣ発振回路４（Ｌを除く）とが発振用１チップＩＣ２０に集積化される。ここでは、ＰＬＬ制御の各回路も発振用１チップＩＣ２０に集積化するが、前述した高機能ＩＣ１８内に設けてもよく、要は電圧制御発振器２がＰＬＬ制御されればよい。
【００１５】
ここでの水晶振動子３は、振動子用水晶板２１の両主面に対向する溝を設けて、厚みの小さい中央部の振動領域と厚みの大きい外周部の保持領域からなる所謂逆メサ構造とする。振動子用水晶板２１の溝底面には励振電極２２が形成され、引出電極２３を経て例えば両端部の保持領域に接合端子２６を形成する。接合端子２６は例えばスルーホール２７によって互いに他主面側に折り返して形成される。
【００１６】
そして、振動子用水晶板２１の両主面には、これと同一材あるいは膨張係数の近いガラス等のカバー２５（ａｂ）を直接接合によって接続する。直接接合は例えばシロキサン結合（Ｓi−Ｏ−Ｓi）とする。一方のカバー２５ａの一方の両端側には接合端子２６が両主面に形成され、励振電極２２からの接合端子と接続する。両主面の接合端子２６はスルーホール２７によって接続する。また、一方のカバー２５ａの外表面には、２個のインダクタ２８（ａｂ）がプリントされる。そして、各インダクタ２８（ａｂ）の各一組の接合端子２６が他方の両端側に形成される。そして、両主面のカバー２５（ａｂ）の外表面には各接合端子２６を除いて、アース電位に接地する図示しないシールド電極が形成される。
【００１７】
発振用１チップＩＣ２０は、出力、電源、アース等のＩＣ端子２９を上面の外周に有し、水晶振動子３及びインダクタ２８（ａｂ）と接続するＩＣ端子２９を下面に有する。そして、一方のカバー２５ａに設けられた水晶振動子３及びインダクタ２８（ａｂ）の各接合端子２６同士をバンプ３０を用いた超音波熱圧着によって接続する。なお、発振用１チップＩＣ２０の上面には、温同補償機構に温度補償データを書き込む図示しない書込端子を有する。
【００１８】
このようなものでは、先ず、発振用１チップＩＣチップ２０と水晶振動子３のカバー２５（ａｂ）とを接合する。これにより、発振用１チップＩＣ２０内における送受信用の電圧制御発振器のインダクタ２８（ａｂ）が接続されてＬＣ発振回路を形成する。そして、電圧制御発振器２を動作させながら、例えばレーザによって線路幅を切断して線路長を変え、発振周波数（公称周波数）を調整する。
【００１９】
次に、発振用１チップＩＣ２０に接続した一方のカバー２５ａ直接接合によって振動子用水晶板２１の一主面に接合する。このとき、直接接合の圧力によって振動子用水晶板２１とカバー２５ａの接合端子２６が接触して、発振用１チップＩＣ２０内の発振回路４と水晶振動子３とが電気的に接続し、温度補償水晶発振器１を構成する。そして、温度補償水晶発振器１を動作させながら、振動子用水晶板２１の他主面側から例えばイオンビームを励振電極２２に照射して質量を減じて発振周波数を調整する。最後に、振動子用水晶板２１の他主面に他方のカバー２５ｂを直接接合によって接合する。
【００２０】
このような構成であれば、発振用１チップＩＣ２０内に、温度補償水晶発振器１の水晶振動子３及びＰＬＬ制御される送受信用の電圧制御発振器２のインダクタ２８（ａｂ）を除く、各発振回路を集積化する。そして、発振用１チップＩＣ２０とインダクタ２８（ａｂ）の形成された水晶振動子３とを積層して一体化する。したがって、部品点数を大幅に削減したＰＬＬ制御発振器を得られ、小型化を促進して製造コストを削減できる。また、部品点数が小さくなるので、これらが配置される回路パターンも単純化できて、電磁結合による影響を小さくして特性を良好に維持する。
【００２１】
ちなみに、このＰＬＬ制御発振器は、第３図（ａｂ）に示したように、例えば金属フレーム（外部端子）３１に接続した高機能ＩＣチップ１８と発振用１チップＩＣ２０とをワイヤボンディング３２によって接続して、一体的に樹脂モールド３３され、変調及び復調を含む送受信素子としてのマルチチップＩＣを形成する。したがって、従来（前第１１図）の実装に比較して実装スペースに大幅な余裕ができ、設計の自由度を増す。
【００２２】
【第２実施例、請求項１に対応】
第４図は本発明の第２実施例を説明するＰＬＬ制御発振器の組立て分解図である。なお、前実施例と同一部分の説明は省略又は簡略する。
前第１実施例では発振用ＩＣチップ２０は両主面にＩＣ端子２９を設けたが、第２実施例は一主面にのみＩＣ端子２９を有する場合の構成例である。すなわち、第２実施例では、発振用１チップＩＣの下面には、水晶振動子３及びインダクタ２８（ａｂ）と接続するＩＣ端子以外の電源、アース、出力等のＩＣ端子２９を外周に有する。そして、振動子用水晶板２１と直接接合する一方のカバー２５ａの外周両面に、水晶振動子３及びインダクタ２８（ａｂ）の接合端子２６とともに、温度補償機構５の電源、アース、出力等の接合端子２６を有する。両主面間はスルーホール２７によって接続する。
【００２３】
また、これらの電源、アース、出力等の接合端子２６は、振動子用水晶板２１及び他方のカバー２５ｂにも同様に形成される。そして、他方のカバー２５ｂの外表面に露出した接合端子２６は、前述したように高機能ＩＣチップ１８とワイヤーボンディング３２によって接続され、送受信系のマルチチップＩＣを形成する。
【００２４】
【第３実施例、請求項１に対応】
第５図は本発明の第３実施例を説明する図で、同図（ａ）はＰＬＬ制御発振器の平面図、同図（ｂ）は断面図である。前実施例と同一部分の説明は省略又は簡略する。
前第２実施例では、発振用１チップＩＣ２０の一主面に各ＩＣ端子２９を設けてスルーホール２７によって他方のカバー２５ｂの外表面に接合端子２６を導出したが、第３実施例では一方のカバー２５ａの外表面に導出する。
【００２５】
すなわち、第３実施例では、水晶振動子３の外形を発振用１チップＩＣ２０より大きくする。発振用１チップＩＣ２０は、水晶振動子３及びインダクタ２８（ａｂ）の各接合端子２６を一端側に、電源、出力、アース等の各端子を他端側に有する。そして、水晶振動子３の一方のカバー２５ａの外表面には、発振用１チップＩＣ２０に対応して各接合端子２６が形成される。そして、電源、出力、アース等の各接合端子２６に接続する導出接合端子３４がカバーの一端側にさらに形成される。
【００２６】
このような構成であれば、前述同様に高機能ＩＣチップ１８と導出接合端子３４とをワイヤボンディングによって接続でき、例えば樹脂モールドした送受信系のマルチＩＣチップを形成できる。
【００２７】
【第４実施例、参考】
第６図は本発明の第４実施例を説明するＰＬＬ制御発振器の断面図である。前実施例と同一部分の説明は省略又は簡略する。
前各実施例では高機能ＩＣチップ１８と接続して送受信系のマルチＩＣチップを形成することを前提としたＰＬＬ制御発振器を説明したが、第４実施例は独立した素子として機能するＰＬＬ制御発振器の例である。
【００２８】
すなわち、第４実施例では、積層セラミックからなる両主面に凹部及びその内壁に段部を有し、外表面に実装端子３５を有するＨ状とした容器本体３６を使用する。そして、容器本体３６の一方の凹部底面に、温度補償水晶発振器１の発振回路４、温度補償機構５及び送受信用の電圧制御発振器２のインダクタを除くＬＣ発振回路４を集積化した発振用１チップＩＣ２０を、凹部内壁の段部に水晶片３Ａの一端部両側を固着し、密閉封入する。
【００２９】
そして、容器本体３６の他方の凹部底面にプリントによるインダクタ２８（ａｂ）を形成し、アース電位に接地するシールド板３７を段部に接合する。なお、シールド板３７は電圧制御発振器２のインダクタによる周波数調整後に接合される。また、発振周波数が低い場合には、チップインダクタでも対応できる。
【００３０】
このような構成であっても、温度補償水晶発振器１及び送受信用の電圧制御発振器２を一体化したＰＬＬ制御発振器を得られ、大幅な小型化を達成できる。なお、前第１〜第３実施例においても、例えば直接接合による水晶振動子３と発振用１チッププＩＣ２０とを一体化したＰＬＬ制御発振器を樹脂モールド等によって独立した素子として形成できる。
【００３１】
【他の事項】
なお、上記実施例では、振動子用水晶板２１の引出電極２３及びカバーの接合端子２６とは直接接合による圧力によって電気的接続を得たが、例えば第７図に示したようにスルーホール２７を分割して端面電極を設け、直接接合後に図示しない半田等を塗布して、電気的接続をさらに確実にしてもよい。
【００３２】
また、電圧制御発振器２のインダクタ２８（ａｂ）は発振用１チップＩＣ外に形成したが、調整が不要等の場合は発振用１チップＩＣ２０内に集積化してもよい。そして、ＰＬＬ制御発振器は送受信用の電圧制御発振器を備えたが、送信あるいは受信のみに使用する場合は一方の電圧制御発振器のみを発振用１チップＩＣ２０内に集積化すればよい。さらに、インダクタ２８（ａｂ）は一方のカバー２５ａの表面（平坦面）に形成したが、例えばカバー２５ａの表面に凹部を設けて凹部底面に形成してギャップを確実にしてＱを高めるようにしてもよい。
【００３３】
また、直接接合はシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）としたが、接合強度がさらに高いＳｉ−Ｓｉ結合してもよい（参照：特開2000-269106号公報）。そして、電圧制御発振器２の周波数調整はプリントインダクタとしたが、プリントコンデンサであってもよく、要は周波数を可変するリアクタンスであればよい。
【００３４】
また、水晶振動子３は逆メサ型とした振動子用水晶板２１とカバー２５（ａｂ）の直接接合によって形成したが、例えば両主面に励振電極及び引出電極を有する図示しない水晶片を容器内に密閉封入した場合でも適用できる。
【００３５】
要するに、本発明では、従来では基準信号源としての温度補償水晶発振器１と電圧制御発振器２とが別体であったものを、電圧制御発振器２の一方のリアクタンス（Ｌ又はＣ）を除いてあるいは含めて発振用１チップＩＣ２内に集積化して水晶振動子３とともに一体化したことを趣旨とするもので、このような趣旨に基づくものは本発明の技術的範囲に基本的に包含される。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、水晶振動子と発振回路と温度補償回路とからなる温度補償水晶発振器と、前記温度補償水晶発振器を基準信号源としてＰＬＬ制御されたＬＣ発振回路を備えたＰＬＬ制御発振器において、前記温度補償水晶発振器の水晶振動子を除く発振回路と、前記温度補償発振器の温度補償回路と、前記ＰＬＬ制御されたＬＣ発振回路とを１チップＩＣに集積化して、前記１ＩＣチップと前記水晶振動子とを一体化してなり、前記水晶振動子は両主面に対向する溝を有して厚みの小さい中央部の振動領域と厚みの大きい外周部の保持領域とからなる水晶片と、前記水晶片の両主面に直接接合される一方と他方のカバーとからり、前記一方のカバーの前記水晶片と対面する一主面には前記ＬＣ発振回路のＬを形成するプリントによるインダクタが形成され、前記１チップＩＣは前記一方のカバーの他主面に予め接合されて前記ＬＣ発振器の発振周波数が前記インダクタによって調整された後、前記一方のカバーと前記他方のカバーとを前記水晶片の両主面に直接接合された構成とする。したがって、ＰＬＬ制御発振器の大幅な小型化を促進するとともに、パターン配線を単純化して電気的性能を高め、しかも生産性を良好とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を説明するＰＬＬ制御発振器の分解組立図である。
【図２】本発明の第１実施例を説明するＰＬＬ制御発振器の断面図である。
【図３】本発明の第１実施例を説明する図で、同図（ａ）はマルチチップＩＣの分解組立図、同図（ｂ）は断面図である。
【図４】本発明の第２実施例を説明するＰＬＬ制御発振器の分解組立図である。
【図５】本発明の第３実施例を説明する図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。
【図６】本発明の第４実施例を説明するＰＬＬ制御発振器の断面図である。
【図７】本発明の他の例を説明するＰＬＬ制御発振器の一部図である。
【図８】従来例を説明するＰＬＬ制御発振器の回路ブロック図である。
【図９】従来例を説明する温度補償水晶発振器の断面図である。
【図１０】従来例を説明する温度補償水晶発振器の回路ブロック図である。
【図１１】従来例を説明する送受信系のシステム図である。
【図１２】従来例を説明する送受信系のセット基板への配置図である。
【符号の説明】
１温度補償水晶発振器、２電圧制御発振器、３水晶振動子、４発振回路、５温度補償機構、６ＩＣチップ、７、３６容器本体、８カバー、９導電性接着剤、１０電圧可変容量素子、１１分周器、１２位相比較器、１３ローパスフィルタ、１４ミキサー、１５電力増幅器、１６アンテナ、１７低ノイズ増幅器、１８高機能ＩＣチップ、１９ディスクリート部品、２０発振用１チップＩＣ、２１振動子用水晶板、２２励振電極、２４引出電極、２６接合端子、２７スルーホール、２８インダクタ、２９ＩＣ端子、３０バンプ、３１外部端子、３２ワイヤ、３３樹脂モールド、３４導出接合端子、３５実装電極、３７シールド板．

Claims

水晶振動子と発振回路と温度補償回路とからなる温度補償水晶発振器と、前記温度補償水晶発振器を基準信号源としてＰＬＬ制御されたＬＣ発振回路を備えたＰＬＬ制御発振器において、
前記温度補償水晶発振器の水晶振動子を除く発振回路と、前記温度補償発振器の温度補償回路と、前記ＰＬＬ制御されたＬＣ発振回路とを１チップＩＣに集積化して、前記１ＩＣチップと前記水晶振動子とを一体化してなり、
前記水晶振動子は両主面に対向する溝を有して厚みの小さい中央部の振動領域と厚みの大きい外周部の保持領域とからなる水晶片と、前記水晶片の両主面に直接接合される一方と他方のカバーとからり、前記一方のカバーの前記水晶片と対面する一主面には前記ＬＣ発振回路のＬを形成するプリントによるインダクタが形成され、
前記１チップＩＣは前記一方のカバーの他主面に予め接合されて前記ＬＣ発振器の発振周波数が前記インダクタによって調整された後、前記一方のカバーと前記他方のカバーとを前記水晶片の両主面に直接接合されたことを特徴とするＰＬＬ制御発振器。