JP5189576B2 - 電圧制御発振器 - Google Patents

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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)関する。
電圧制御発振器{VCO(Voltage Control Oscillator)}は、例えば図19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を含む共振部11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11により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。尚、図19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(Al2O3)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。
ところで、VCOの発振周波数を高くして例えば数GHzあるいは数十GHzもの高周波数帯で用いようとすると、次のような問題が起こる。即ち、高周波数帯では、周波数特性においてピーク部分の帯域幅に含まれる絶対周波数が大きいことから、低周波数帯に比べて高いQ値を持たせることが必要になってくる。このように高いQ値を得るためには、共振部11におけるインダクタンス素子が低損失で且つ大きなインダクタンス値を有することが要求される。
ここで、インダクタンス素子としてベース基板上に形成したストリップラインを用いた場合には、LTCCの誘電正接(tanδ)が大きいので、誘電正接の逆数である共振部1のQ値について良好な特性が得られない。また、フッ素樹脂をベース基板として用いた場合には、フッ素樹脂の誘電正接が0.001程度であるため、Q値は1000程度しか得られない。そのため、良好な位相雑音特性が得られず、消費電力を小さく抑えることが困難である。更に、低損失の誘電体によりベース基板を構成する場合には、低損失で高いQ値が得られるが、大型となってしまう。
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)の場合には近傍の位相雑音が劣化することとなり、c)の場合には小型化が困難となる。
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
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は小型で且つ広い周波数の調整幅に亘って低位相雑音特性が得られる電圧制御発振器を提供することにある
本発明の電圧制御発振器は、
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及びインダクタンス素子並びに静電容量が固定された固定容量素子を含み、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して当該共振部に帰還させる帰還部と、を備え、
前記共振部のインダクタンス素子は、水晶基板上に形成された導電線路であり、
前記水晶基板は誘電体からなるベース基板上に設けられ、このベース基板上には、前記可変容量素子、帰還部及び周辺部品が設けられ
前記直列共振周波数は、5GHz以上であり、
前記固定容量素子は、前記インダクタンス素子が形成された前記水晶基板上に設けられ、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。
本発明によれば、誘電正接(tanδ=1/Q)が0.00008程度と小さい水晶基板の上に導電線路からなるインダクタンス素子と、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固定容量素子とを形成し、このインダクタンス素子と容量素子とにより共振部を構成しているため高いQ値が得られる。また水晶基板はフォトリソグラフィーにより微細な金属膜のパターンを形成できることから小型な共振部を作成できる。従ってこの共振部を用いて電圧制御発振器を構成することにより、小型化できかつ後述のデータからも裏づけされているように広い周波数帯の低位相雑音特性が得られる。

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に搭載される水晶基板を示す平面図である。 上記の水晶基板を示す側面図である。 上記の水晶基板を示す平面図である。 上記のVCOにて得られる特性を示す特性例図である。 上記のVCOにて得られる特性を示す特性例図である。 上記の水晶基板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。 上記のVCOの作成方法の一例を示すフロー図である。 上記のVCOの作成方法の一例を示す工程図である。 上記のVCOの作成方法の一例を示す工程図である。 上記のVCOの作成方法の一例を示す工程図である。 上記のフローにより作成されるVCOを示す概略図である。 上記のフローにより作成されるVCOを示す概略図である。 従来のVCOの構成を示す電気回路例図である。
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、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、帰還容量素子をなすコンデンサ22、23の直列回路を備えている。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。
このような回路では、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が設けられており、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。
尚、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良く、この場合はバリキャップダイオードが特許請求の範囲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、例えばアルミナ(Al2O3)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5上に形成されており、このベース基板5上に共振部1、帰還部2、回路部3及び周辺部品などを構成する電子部品が配置されている。このベース基板5上には、図5に示すように、接地電極51と、上記の電子部品をベース基板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。尚、図5は、ベース基板5上の一部の領域を切り欠いて拡大して描画しており、また接地電極51について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、夫々B、E及びCの記載をしている。
上記の電子部品は、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、ベース基板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、ベース基板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ベース基板5を介して接続されて既述の図1のように電気回路が構成されている。図3中20は、発振段トランジスタ21の動作決定するための、図示しないコンデンサ及び抵抗を組み合わせたバイアス回路素子部であり、このバイアス回路素子部20の一部は接地されている。尚、図2、図4では導電線路6の描画を省略しており、また図3、図5では一部の導電線路6のみを描画している。
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6及び図7に示すように、例えば数mm角程度の寸法の水晶基板10上に形成されており、後述するように、フォトリソグラフィ法を利用して作成されている。そして、この水晶基板10において回路要素(コンデンサ12、15、22、23及びインダクタンス素子11)が形成された面をベース基板5側に向けて当接させることにより、既述のように接続部7を介して接続端子8と導電線路6とが接続されるように構成されている。この水晶基板10は、例えばATカット水晶板であり、比誘電率εが4.0程度、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10のQ値は、12500(=1/0.00008)程度となっている。また、上記のコンデンサ12、15、22、23は、図6では簡略化して描画しているが、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、これらの共通電極部60から櫛歯状に互いに交差するように伸び出す電極指(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。このインダクタンス素子11は、図6に示すように、導電線路であるストリップラインにより構成されている。尚、図7は、図6におけるA−A線にて水晶基板10を切断した図を示している。また、図8は、図6に示した水晶基板10の一部を拡大して描画した図である。
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。この時、水晶基板10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、従来のフッ素樹脂からなる基板(Q値=1000)と比較して、広い周波数帯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。尚、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。また、この図10に参考として、例えばAl(HTCC)(tanδ=0.001、Q値=10000)の特性を併記している。また、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をベース基板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。尚、共振時には、既述の共振部1は誘導性となる。
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(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を水晶基板10として用いているので、広い周波数帯に亘って低位相雑音特性を得ることができ、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。
また、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10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を水晶基板10上に形成したものである。
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良いし、あるいは積層セラミックコンデンサを用いても良い。積層セラミックコンデンサを用いる場合には、この積層セラミックコンデンサからなるチップを水晶基板10上に配置しても良いし、あるいはベース基板5上にチップを設けて、このチップと水晶基板10(接続端子8やインダクタンス素子11)とを導電線路6を介して接続しても良い。従って、上記の実施の形態の効果を得るためには、水晶基板10上には少なくとも共振部1のインダクタンス素子11が形成されていれば良い。
また、水晶基板10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10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良い。
上記の水晶基板10としては、既述の水晶以外にも、例えばLiTaO3(タンタル酸リチウム)、LiNbO3(ニオブ酸リチウム)、Si(シリコン)及びサファイアなどを用いても良い。これらの材質についても、tanδが小さいので、インダクタンス素子11の基板として用いるには有効である。また、水晶基板10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種類を用いても良い。
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つでも良いし、また既述の図19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良い。
また、上記の例ではVCOについて説明したが、インダクタンス素子及び容量素子からなる電気回路であるフィルタ回路についても、使用帯域がGHz帯の高周波帯になると、共振部1のQ値が小さい場合には良好なフィルタ特性が得られないという課題が存在する。従って、本発明は、インダクタンス素子を含む電子部品に有効である。
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(キャパシタ)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を配置してレゾネータ(インダクタンス素子11)の回路パターン及び接地電極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10を個片化(チップ化)し(ステップS13)、例えばウエハ状のベース基板5上に印刷した半田(接続部7)を介してこれらの水晶基板10やトランジスタ21などの部品を当該ベース基板5上に搭載する(ステップS14)。しかる後、ベース基板5を個片化した後、ベース基板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る(ステップS15)。こうして既述のVCOが形成される。
次に、上記のステップS11及びステップS12の共振部1の形成方法について、図13〜図18を参照して具体的に説明する。先ず、上記の水晶ウエハ40を洗浄した後、図14(a)に示すように、この水晶ウエハ40上に例えばアルミニウムなどの金属膜41と、ポジ型の第1レジスト膜42と、を下側からこの順番で積層し、露光処理及び現像処理により第1レジスト膜42に櫛歯電極(コンデンサ12、15、22、23)を形成するためのパターンを形成する。そして、例えばCl2ガスなどのエッチングガスを用いたドライエッチングにより、金属膜41をエッチングして第1レジスト膜42のパターンを転写した後、図17に示すように、第1レジスト膜42を剥離する(ステップS21)。尚、図示を省略するが、上記の第1レジスト膜42のパターンには、コンデンサ12、15、22、23のパターンと共に、水晶ウエハ40の位置決めを行うためのアライメントマーク、露光処理を行う時に用いられるオリフラマーク及び各水晶基板10を区画する後述のダイシングライン47が形成されており、水晶ウエハ40にはコンデンサ12、15、22、23と共にこれらのパターンを含む電極膜が配置されることになる。また、図14〜図16では、コンデンサ12、15、22、23を模式化して示している。
次いで、図14(b)に示すように、ネガ型の樹脂(ポリイミド)膜などを用いて、後述のシード層44のエッチングからコンデンサ12、15、22、23などの電極膜を保護するための保護膜43を水晶ウエハ40上に形成する。そして、上記のコンデンサ12、15、22、23などの電極膜の上方に保護膜43が残るように、図示しないマスクを介して露光処理を行う。尚、上記の露光処理は、コンデンサ12、15、22、23及び既述のアライメントマークやオリフラマーク毎に、個別に異なるマスクを用いて行われることになる。
続いて、図14(c)に示すように、露光処理を行って余分な保護膜43を除去する(ステップS22)。そして、例えば熱処理により保護膜43を硬化させた後、例えばO2ガスのプラズマにより水晶ウエハ40上のスカム(保護膜43の残渣)を除去する。次いで、図示を省略するが、レジスト膜の形成、露光処理及び現像処理を行うことにより、既述の各マーク上に樹脂膜を形成する。尚、上記の保護膜43は、詳細な説明を省略するが、シード層44のエッチングを行う時のエッチング液によりコンデンサ12、15、22、23などの電極膜が浸食されないように、所定の寸法に設定されている。
そして、例えば蒸着処理により、図15(a)に示すように、Cr(クロム)膜とCu(銅)膜とを下側からこの順番で積層してシード層44を形成すると共に、リフトオフ装置(例えばリフトオフ用の浴など)を用いて、既述のマーク上の樹脂膜と、この樹脂膜上のシード層44と、を剥離して当該マークを露出させる(ステップS23)。しかる後、上記のマークを用いて位置合わせを行いながら、図15(b)に示すように、シード層44上にネガ型の第2レジスト膜45を形成し、次いで導電線路48(インダクタンス素子11及び接地電極51)が形成される領域における第2レジスト膜45が除去されるように露光処理及び現像処理を行って凹部46を形成する(ステップS24)。尚、上記のシード層44を剥離して既述のマークを露出させるにあたり、マークとシード層44との間に樹脂膜を形成せずに、シード層44を形成した後、レジスト膜の塗布処理、露光処理、現像処理及びエッチング処理によりマークの上方におけるシード層44を剥離しても良い。
次いで、図15(c)に示すように、例えば電解メッキにより第2レジスト膜45の凹部46に接地電極51及びインダクタンス素子11に対応する導電線路48を埋め込み(ステップS25)、図15(d)に示すように、第2レジスト膜45を剥離する。そして、図16(a)に示すように、シード層44及び保護膜43を剥離する(ステップS26)。シード層44の剥離(エッチング)を行う時において、導電線路48の下方にはエッチング液が回り込みにくいことからシード層44が残るので、コンデンサ12(15、22、23)と導電線路48とがシード層44を介して電気的に接続されることになる。
こうして水晶ウエハ40上には、図18に示すように、コンデンサ12、15、22、23、インダクタンス素子11、接地電極51及び各水晶基板10を区画するダイシングライン47などが形成される。続いて、図16(b)、(c)に示すように、樹脂膜49の塗布処理、露光処理、現像処理及び熱処理(硬化処理)を行うことにより、上記の導電線路48の側方側及び上端面の周縁部を覆うように被膜49aを形成する(ステップS27)。その後、この導電線路48上に接続端子8を形成した後、既述のダイシング工程(ステップS13)を行って水晶基板10が個片化される。
1 共振部
2 帰還部
3 回路部
5 ベース基板
10 水晶基板
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 (1)

  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及びインダクタンス素子並びに静電容量が固定された固定容量素子を含み、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して当該共振部に帰還させる帰還部と、を備え、
    前記共振部のインダクタンス素子は、水晶基板上に形成された導電線路であり、
    前記水晶基板は誘電体からなるベース基板上に設けられ、このベース基板上には、前記可変容量素子、帰還部及び周辺部品が設けられ、
    前記直列共振周波数は、5GHz以上であり、
    前記固定容量素子は、前記インダクタンス素子が形成された前記水晶基板上に設けられ、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電圧制御発振器。
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