JP5204354B1 - 発振器 - Google Patents

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Abstract

ＭＥＭＳ共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路と、ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を制御する電圧制御部と、増幅器からの出力を受け、該出力のレベルに基づいて増幅器からの出力のレベルが所定レベルになるように増幅器のゲインを増減させる振幅制御信号を増幅器へ出力し増幅器のゲインを制御する自動利得制御部とを有し、ＭＥＭＳ共振器の動作温度に基づいて、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインが動作温度の高低に依らず所定値になるように、ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を電圧制御部により制御し、電圧制御部は、振幅制御信号をモニタリングすることにより、ＭＥＭＳ共振器の動作温度を導出する、ＭＥＭＳ発振器。

Description

技術分野は、発振器に関し、特に、微小電気機械共振器（ＭＥＭＳ共振器）を用いた発振器に関する。
従来、発振器は、電子機器等において、回路の動作のタイミングをとる（同期をとる）ために用いられる。この場合、発振器は、回路の動作の基準となる電気信号（基準クロック信号）を出力するデバイスとして用いられる。電子機器の安定動作の観点から、発振器には位相雑音の少ない高品質な基準クロック信号を出力することが望まれる。
また、通信機器においては、発振器は、信号伝送のための基準信号を生成するデバイスとして用いられる。近年における無線通信の高速化や全地球測位システム(Global Positioning System、ＧＰＳ)の高精度化に対する要望の高まりに伴い、発振器には、発振信号の位相安定性のさらなる向上（位相雑音のさらなる低減）が求められている。
水晶振動子を用いた発振器（水晶発振器）は、現行の発振器の一例である。だが、水晶発振器は、小型化が困難、集積化に不向き、試作工数が多い、歩留まりが良くない、納期に時間を要する、というように様々な課題を抱えている。
近年、水晶発振器が抱える様々な課題を克服できる発振器として、シリコン等から半導体プロセスにより作成される微小電気機械（ＭＥＭＳ：Micro Electro-Mechanical Systems）を共振器として用いた発振器（ＭＥＭＳ発振器）が注目されている。
図１７は、従来のＭＥＭＳ発振器の基本的な構成を示す図である。
従来のＭＥＭＳ発振器９９９は、共振回路であるＭＥＭＳ共振器１００１と、増幅回路であるドライバアンプ１００２と、を有し、閉ループ１００３により、ドライバアンプ１００２の出力（発振信号）が、ＭＥＭＳ共振器１００１を介して帰還され増幅される帰還型発振回路である。
ＭＥＭＳ共振器１００１は、入力電極１００１ａ、ＭＥＭＳ振動子１００１ｂ、出力電極１００１ｃを備え、入力電極１００１ａと振動子１００１ｂとの間、および、振動子１００１ｂと出力電極１００１ｃとの間は、所定間隔のギャップで隔てられる。また、ＭＥＭＳ振動子１００１ｂには、バイアス電圧（直流電圧、ＶＤＣ）が印加される。
入力電極１００１ａに発振信号（入力信号）１００４（ＡＣ電圧、ＶＡＣ）が入力されると、励振力がＭＥＭＳ振動子１００１ｂに作用する。また、発振信号１００４（ＶＡＣ）の周波数とＭＥＭＳ振動子１００１ｂの機械的共振周波数が一致すると、ＭＥＭＳ振動子１００１ｂは大きく振動し、帰還信号１００６（変位電流）が出力電極１００１ｃから出力される。
図１８は、ＭＥＭＳ共振器１００１に入力される発振信号１００４の信号レベル（ＶＡＣの振幅）の変化による共振特性の変化を示すグラフである。特性１０１１は、発振信号１００４の信号レベルが、所定の適正範囲に含まれる場合における、ＭＥＭＳ共振器１００１の共振特性である。このように、発振信号１００４の信号レベルが適正範囲に含まれる場合には、ＭＥＭＳ共振器１００１の共振特性は、共振周波数ｆｃを中央とした左右対称性を示す。ここで、発振信号１００４の信号レベルにかかる所定の適正範囲とは、ＭＥＭＳ振動子１００１ｂの振動運動に際し、それと入出力電極（１００１ａおよび１００１ｃ）との距離が近づきすぎて両者間に静電力が過度に作用し、入出力電極（１００１ａおよび１００１ｃ）がＭＥＭＳ振動子１００１ｂを引き込もうとする効果（キャパシティブ・バイファケーション、Capacitive Bifurcation）が顕著に現れない程度の発振信号１００４の信号レベルである。また、適正範囲の最大値は、ＭＥＭＳ共振器１００１のＱ値と、入力される発振信号１００４の信号レベル（電圧ＶＡＣの振幅）と、ＭＥＭＳ振動子１００１ｂに印加されるバイアス電圧（ＶＤＣ）の積に比例する値であり、予め求めることが可能である。ここで、Ｑ値とは、共振周波数を半値幅で除して得られる無次元数であり、共振の尖鋭度を表し、共振器の性能評価に用いられる指標である。
矢印１０１４に示すように、ＭＥＭＳ共振器１００１に入力される発振信号１００４の信号レベルが大きくなり適正範囲を越えると、ＭＥＭＳ共振器１００１の共振特性には、特性１０１２、１０１３のように歪みが現れて左右対称性が崩れるとともに、ピークゲインの減少、Ｑ値の劣化が発生する。また、さらに大きなレベルの発振信号１００４がＭＥＭＳ共振器１００１に入力されるとＭＥＭＳ共振器１００１が破壊される場合もある。つまり、ＭＥＭＳ共振器１００１は、入力される信号の電圧が過大に過ぎるとピークゲインおよびＱ値が劣化するとともに共振周波数の安定性も悪化するという特性を有する。そのため、ＭＥＭＳ共振器１００１に入力される発振信号１００４の信号レベルが適正範囲に収まるようにドライバアンプ１００２を制御することが望まれる。
図１９は、特許文献１に記載されたＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図である。
特許文献１のＭＥＭＳ発振器１０００は、ＭＥＭＳ共振器１００１と、ドライバアンプ１００２と、自動利得制御部（Auto Gain Control、ＡＧＣ）１００５と、を有する。ＭＥＭＳ発振器１０００は、ＭＥＭＳ発振器９９９と同様、閉ループ１００３を形成する。そして、ＡＧＣ１００５は、ドライバアンプ１００２の出力（発振信号１００４）の振幅をモニタリングしてドライバアンプ１００２のゲインを制御する。
ＭＥＭＳ発振器１０００においては、ＡＧＣ１００５が、発振信号１００４（ＡＣ電圧）のレベル（振幅）が適正範囲に含まれるように、ドライバアンプ１００２のゲインを制御する。そうすることによって、過大なレベルのＡＣ電圧１００４がＭＥＭＳ共振器１００１に入力されることを防止する。ここでの適正範囲とは、上述のようにＭＥＭＳ共振器１００１の共振特性を歪ませない程度のＡＣ電圧１００４のレベル範囲である。
このように、特許文献１では、ＭＥＭＳ共振器１００１に過大なレベルの交流電圧（発振信号１００４）が入力されることに起因してＭＥＭＳ共振器１００１の共振特性が劣化することを防止することにより、発振信号１００４に含まれる位相雑音の増大を防止する。
特開２００４−２０１３２０号公報
特許文献１においては、ＭＥＭＳ共振器１００１へ入力されるＡＣ電圧１００４のレベル（振幅）は、ＭＥＭＳ共振器１００１の動作温度によらず、一定に保たれる。また、ＭＥＭＳ共振器１００１の振動子に印加されるバイアス電圧（ＤＣ電圧）も、動作温度に依らずに一定である。つまり、特許文献１においては、ＭＥＭＳ共振器の共振特性の温度依存性について一切考慮されていない。
しかしながら、一般に、ＭＥＭＳ共振器の共振特性は、温度依存性を有し、動作温度の上昇（低下）に伴い、ピークゲイン（共振周波数におけるゲイン）およびＱ値は単調に減少（増加）する。
そのため、ＭＥＭＳ共振器１００１の動作温度が上昇するにつれ、ＭＥＭＳ共振器１００１のＱ値およびピークゲインは減少し、ドライバアンプ１００２への帰還信号１００６のレベルが低下する。その結果、高温域における動作にあっては、ドライバアンプ１００２への入力においてＳ／Ｎが悪化し、発振信号１００４の位相雑音が増大することになる。つまり、高温域における動作にあっては、ＭＥＭＳ発振器の位相安定性は、中温域における動作との比較において、劣化する。
逆に、ＭＥＭＳ共振器１００１の動作温度が低下すると、ＭＥＭＳ共振器１００１のＱ値が増大する。Ｑ値が増大すると、入力される信号のレベル（振幅）が同一であっても、ＭＥＭＳ共振器１００１の振動子の振動振幅が増大することになる。その結果、入力される発振信号１００４のレベル（振幅）が、中温域および高温域における動作にあって適正範囲（ＭＥＭＳ共振器１００１の共振特性に歪みが生じない程度のレベル（振幅））に含まれる程度のレベルであろうとも、低温域における動作にあっては、過大な入力となり、ひいては、ＭＥＭＳ共振器１００１の共振特性に歪みを発生させる原因となり得る。ＭＥＭＳ共振器１００１の共振特性に歪みが生じると、ＭＥＭＳ共振器１００１のピークゲインおよびＱ値はともに低下するとともに、共振周波数の安定性も悪化する。このため、低温域における動作にあっても、ＭＥＭＳ発振器の位相安定性は、中温域における動作との比較において、劣化してしまう。
このように、従来のＭＥＭＳ発振器では、その動作温度が変化した場合、発振信号の位相安定性が劣化（位相雑音が増大）するという課題がある。
上記を鑑み、ＭＥＭＳ共振器の動作温度が変動した場合においても、動作温度の変化に伴う位相安定性の劣化（位相雑音の増大）を従来よりも低減可能なＭＥＭＳ発振器を提供する。
本発明の一態様によれば、その一実施形態であるＭＥＭＳ発振器は、
ＭＥＭＳ共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路と、
ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を制御する電圧制御部と、
増幅器からの出力を受け、該出力のレベルに基づいて増幅器からの出力のレベルが所定レベルになるように増幅器のゲインを増減させる振幅制御信号を増幅器へ出力し増幅器のゲインを制御する自動利得制御部とを有し、
ＭＥＭＳ共振器の動作温度に基づいて、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインが動作温度の高低に依らず所定値になるように、ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を電圧制御部により制御し、
電圧制御部は、振幅制御信号をモニタリングすることにより、ＭＥＭＳ共振器の動作温度を導出する、ＭＥＭＳ発振器である。
本発明の一態様によれば、その別の一実施形態であるＭＥＭＳ発振器は、
ＭＥＭＳ共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路と、
ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を制御する電圧制御部と、
増幅器からの出力を受け、該出力のレベルに基づいて増幅器からの出力のレベルが所定レベルになるように増幅器のゲインを増減させる振幅制御信号を増幅器へ出力し増幅器のゲインを制御する自動利得制御部とを有し、
ＭＥＭＳ共振器の動作温度に基づいて、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインが動作温度の高低に依らず所定値になるように、ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を電圧制御部により制御し、
ＭＥＭＳ共振器の動作温度を計測し計測結果を出力する温度センサとを有し、
電圧制御部は、温度センサが出力する動作温度の計測結果を入力し、当該計測結果をＭＥＭＳ共振器の動作温度として用いる、ＭＥＭＳ発振器である。
本実施形態によるＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器の動作温度に依らずそのピークゲインが所定値になるようにＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を制御することにより、あらゆる動作温度において良好な位相雑音特性を有する発振信号を出力することが可能になっている。
発振信号の最大振幅（ＭＥＭＳ共振器に入力されるＡＣ電圧のレベル）およびＭＥＭＳ振動子に印加するバイアス電圧（ＤＣ電圧）を一定とした場合における、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインおよびＱ値の温度依存性を示すグラフ 低温域、中温域、および、高温域の各動作温度域における、従来型ＭＥＭＳ発振器の位相雑音特性を示すグラフ 実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図 自動利得制御部（ＡＧＣ）の構成を示す図 バイアス電圧（ＤＣ電圧）を変化させた場合における、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインおよび共振周波数の変化を示す図 実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器における、バイアス電圧（ＤＣ電圧）の制御の特性を示す図（バイアス電圧−動作温度の関係を示すグラフ） 実施の形態１のＭＥＭＳ共振器のピークゲイン−動作温度の関係を示すグラフ 低温域、中温域、および、高温域の各動作温度域における、実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器の位相雑音特性を示すグラフ 実施の形態２によるＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図 実施の形態２によるＭＥＭＳ発振器における、バイアス電圧（ＤＣ電圧）および発振信号の最大振幅（ＡＣ電圧のレベル）の制御の特性を示す図（バイアス電圧−動作温度、および、発振信号最大振幅−動作温度、の関係を示すグラフ） 実施の形態３のよるＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図 実施の形態４のよるＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図 実施の形態５のよるＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図 実施の形態６のよるＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図 実施の形態７のよるＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図 実施の形態８のよるＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図 従来のＭＥＭＳ発振器の基本的構成を示す図 ＭＥＭＳ共振器に入力される信号レベルの変化による共振特性の変化を示すグラフ 特許文献１のＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図
１．概要
１−１．ＭＥＭＳ発振器の位相安定性（位相雑音）の温度依存性について
最初に、ＭＥＭＳ共振器の共振特性の温度依存性、および、ＭＥＭＳ共振器の共振特性の変化に伴うＭＥＭＳ発振器の発振信号の位相安定性の変化について説明する。
図１は、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインおよびＱ値の変化を示すグラフである。本図は、特許文献１のようにして、発振信号（図１７等におけるＶＡＣ１００４）の振幅（ＭＥＭＳ共振器に入力されるＡＣ電圧のレベル）およびＭＥＭＳ振動子に印加するバイアス電圧（図１７におけるＤＣ電圧ＶＤＣ）を一定に保ち、動作温度のみを変化させた場合における、ピークゲインおよびＱ値の変化を示すグラフである。なお、プロット５１は、過大入力に起因してＭＥＭＳ共振器の共振特性に歪みが生じない場合のピークゲインであり、プロット５２は、同じくＭＥＭＳ共振器の共振特性に歪みが生じない場合のＱ値である。これに対し、プロット５３は、過大入力に起因してＭＥＭＳ共振器の共振特性に歪みが生じた場合のピークゲインＭＥＭＳ共振器のピークゲインを示し、プロット５４は、同じくＭＥＭＳ共振器の共振特性に歪みが生じた場合のＭＥＭＳ共振器のＱ値を示す。
ＭＥＭＳ共振器に対する入力レベルは、想定動作温度域においてそのＳ／Ｎ特性を稼ぐために、想定動作温度域（図１における中温域６０）における適正範囲の上限値をやや下回る程度に設定されることが多い。そのため、共振特性５５のように中温域６０においては、共振特性は比較的高いピークゲインを示しその左右対称性も良好に保たれる。だが、動作温度が低下すると、ＭＥＭＳ共振器のＱ値が上昇し、ＭＥＭＳ共振器の振動子の振動振幅が増大し、入力レベルに許容される適正範囲の上限値が低下する。その結果、低温域５９においては、入力レベルが適正範囲を越えてしまい、共振特性５７および５８のようにＭＥＭＳ共振器の共振特性に歪みが生じ、ピークゲイン５３およびＱ値５４も低下する。
反対に、動作温度が想定動作温度域（中温域６０）よりも上昇すると、高温域６１における共振特性５６のように、中温域６０との比較においてＭＥＭＳ共振器のＱ値５４が低下し、ＭＥＭＳ共振器のピークゲイン５３も低下する。そのため、ＭＥＭＳ共振器の出力レベルが低下し、増幅器におけるＳ／Ｎが劣化し、ＭＥＭＳ発振器の発振信号の位相雑音特性が劣化する。
このように、発振信号（図１７等におけるＶＡＣ１００４）の振幅（ＭＥＭＳ共振器に入力されるＡＣ電圧のレベル）およびＭＥＭＳ振動子に印加するバイアス電圧（図１７におけるＤＣ電圧ＶＤＣ）が一定に保たれる場合、低温域５９および高温域６１におけるＭＥＭＳ共振器の共振特性（ピークゲイン、共振周波数の安定性等）は、中温域６０との比較において劣化する。
そのため、ＭＥＭＳ共振器への入力としての発振信号（図１７等におけるＶＡＣ１００４）の振幅およびＭＥＭＳ振動子に印加するバイアス電圧（図１７におけるＤＣ電圧ＶＤＣ）が一定に保たれる場合、低温域５９および高温域６１におけるＭＥＭＳ発振器の発振信号の位相安定性（含まれる位相雑音の程度）は、中温域６０との比較において劣化する。
図２は、図１における低温域５９、中温域６０、および、高温域６１の各動作温度域における、ＭＥＭＳ発振器の位相雑音特性を示すグラフである。横軸は、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数からのオフセット周波数であり、縦軸は、位相雑音のエネルギのキャリアのエネルギに対する比である。
位相雑音特性６２は、図１における中温域６０におけるＭＥＭＳ発振器の位相雑音特性である。また、位相雑音特性６３は、図１における低温域５９におけるＭＥＭＳ発振器の位相雑音特性であり、位相雑音特性６４は、図１における高温域６１におけるＭＥＭＳ発振器の位相雑音特性である。
図２からわかるように、ＭＥＭＳ共振器への入力としての発振信号（図１７等におけるＶＡＣ１００４）の振幅およびＭＥＭＳ振動子に印加するバイアス電圧（図１７におけるＤＣ電圧ＶＤＣ）が一定に保たれる場合、ＭＥＭＳ発振器の位相雑音は、動作温度が想定動作温度域よりも高温になった場合および低温になった場合のいずれにおいても、共振周波数から遠ざかるにつれて位相雑音が低減される近周波数領域６５、および、位相雑音がオフセット周波数に依らず一定である遠周波数領域６６の両領域において、増大してしまう。
なお、近周波数領域６５の位相雑音は、増幅器（図１７等におけるドライバアンプ１００２）の１／ｆ雑音やＭＥＭＳ共振器のＱ値に大きく依存し、遠周波数領域６６の位相雑音は、増幅器の熱雑音に起因する。
１−２．実施の形態について
以上の問題点を鑑み、実施の形態によるＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器の動作温度に基づいて、ＭＥＭＳ振動子に印加するバイアス電圧（図１７におけるＤＣ電圧ＶＤＣ）を可変的に制御する。そうすることによって、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器においては、あらゆる動作温度において、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインを一定に保つことができる。これにより、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器は、高温域での動作におけるＭＥＭＳ共振器のピークゲインの減少を抑制し、Ｑ値の劣化および増幅器におけるＳ／Ｎの悪化を抑制する。また、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器は、低温域での動作において、ＭＥＭＳ共振器への過入力に起因したＭＥＭＳ共振器の共振特性の歪みを抑制し、共振特性の歪みの発生に起因して生じるピークゲインおよびＱ値の減少および共振周波数の不安定化を抑制する。本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインを一定に保つようにバイアス電圧を可変的に制御することで、低温域および高温域において、発振信号に含まれる位相雑音の程度を中温域における位相雑音と同程度にまで低減させることができる。
また、本実施の形態によるＭＥＭＳ共振器は、ＭＥＭＳ共振器の動作温度に基づいて、ＭＥＭＳ共振器への入力としての発振信号（図１７等におけるＶＡＣ１００４）の振幅を可変的に制御することも可能である。そうすることによって、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器においては、あらゆる動作温度において、ＭＥＭＳ共振器へ入力される発振信号の信号レベルをＭＥＭＳ共振器の共振特性が歪まない範囲に維持するとともに、ＭＥＭＳ共振器から増幅器へ帰還する信号のレベルを一定のレベルに保つことができる。これにより、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器は、低温域での動作において、ＭＥＭＳ共振器への過入力に起因したＭＥＭＳ共振器の共振特性の歪みを抑制し、共振特性の歪みの発生に起因して生じるピークゲインおよびＱ値の減少および共振周波数の不安定化を抑制する。本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器へ入力される発振信号の信号レベルをＭＥＭＳ共振器の共振特性が歪まない範囲に維持しつつＭＥＭＳ共振器から増幅器へ帰還する信号のレベルを一定のレベルに保つように発振信号の振幅を制御することで、低温域において、発振信号に含まれる位相雑音の程度を中温域における位相雑音と同程度にまで低減させることができる。
換言すれば、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路と、ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を制御する電圧制御部と、増幅器からの出力を受け、該出力のレベルに基づいて増幅器からの出力のレベルが所定レベルになるように増幅器のゲインを増減させる振幅制御信号を増幅器へ出力し増幅器のゲインを制御する自動利得制御部とを有し、ＭＥＭＳ共振器の動作温度に基づいて、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインが動作温度の高低に依らず所定値になるように、ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を電圧制御部により制御し、電圧制御部は、振幅制御信号をモニタリングすることにより、ＭＥＭＳ共振器の動作温度を導出する、ＭＥＭＳ発振器である。
また、本発明の別の一実施形態によるＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路と、ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を制御する電圧制御部と、増幅器からの出力を受け、該出力のレベルに基づいて増幅器からの出力のレベルが所定レベルになるように増幅器のゲインを増減させる振幅制御信号を増幅器へ出力し増幅器のゲインを制御する自動利得制御部とを有し、ＭＥＭＳ共振器の動作温度に基づいて、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインが動作温度の高低に依らず所定値になるように、ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を電圧制御部により制御し、ＭＥＭＳ共振器の動作温度を計測し計測結果を出力する温度センサとを有し、電圧制御部は、温度センサが出力する動作温度の計測結果を入力し、当該計測結果をＭＥＭＳ共振器の動作温度として用いる、ＭＥＭＳ発振器である。
なお、上記各実施形態によるＭＥＭＳ発振器においては、例えば、ＭＥＭＳ共振器の動作温度に基づいて、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインが動作温度の高低に寄らず所定値になるように、ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を電圧制御部により制御するか、自動利得制御部により制御するかのいずれかにより制御してもよい。
なお、上記追加的特徴に加えて、または、代えて、上記各実施形態によるＭＥＭＳ発振器においては、例えば、電圧制御部は、ＭＥＭＳ共振器の動作温度が所定の温度よりも高い場合には、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインが動作温度の高低に依らず所定値になるようにＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を制御し、電圧制御部は、ＭＥＭＳ共振器の動作温度が所定の温度よりも低い場合には、動作温度の高低に依らずバイアス電圧が一定値になるようにバイアス電圧を制御しつつ、帰還される信号のレベルが動作温度の高低に依らず所定レベルになるように自動利得制御部を制御してもよい。
なお、上記追加的特徴の少なくとも１つに加えて、または、代えて、上記各実施形態によるＭＥＭＳ発振器においては、例えば、電圧制御部は、ＭＥＭＳ共振器の動作温度が所定の温度よりも高い場合には、帰還される信号のレベルを所定の温度の時の信号レベルと同じ値になるようにし、かつバイアス電圧を所定の温度の時のバイアス電圧より増加させる制御を行い、ＭＥＭＳ共振器の動作温度が所定の温度よりも低い場合には、バイアス電圧を所定の温度の時のバイアス電圧と同じ値になるようにし、かつ帰還される信号のレベルを所定の温度の時の信号レベルより下げる制御を行ってもよい。
なお、上記追加的特徴の少なくとも１つに加えて、または、代えて、上記各実施形態によるＭＥＭＳ発振器においては、例えば、さらに増幅器の出力を受け、出力信号を出力するＰＬＬ周波数シンセサイザ部と、ＰＬＬ周波数シンセサイザ部のフィードバックに配されたプログラマブル分周器の分周比をＭＥＭＳ共振器の動作温度およびＭＥＭＳ共振器の振動子に印加されるバイアス電圧に基づいて制御する分周比制御部と、を有し、分周比制御部は、出力信号が動作温度およびバイアス電圧の高低に依らず所定の周波数を有するように、プログラマブル分周器の分周比を制御してもよい。
２．実施の形態１
これより、実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器について説明する。
図３は、実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器１００の構成を示すブロック図である。ＭＥＭＳ発振器１００は、共振回路であるＭＥＭＳ共振器１と、増幅回路であるドライバアンプ２と、ドライバアンプ２の出力（発振信号４）の振幅をモニタリングしてドライバアンプ２のゲインを制御する自動利得制御部（ＡＧＣ）５と、ＡＧＣ５が出力する振幅制御信号に基づいてＭＥＭＳ共振器１の動作温度を導出し当該動作温度に基づいてＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加されるバイアス電圧（図１７における直流電圧ＶＤＣ）を制御するバイアス電圧制御部８と、を有する。ＭＥＭＳ共振器１およびドライバアンプ２で形成される閉ループ３は、帰還型発振回路を構成する。
ＡＧＣ５は、発振信号４の信号レベル（交流電圧における最大振幅）が予め設定された所定値になるように、ドライバアンプ２のゲインを制御する。図４は、ＡＧＣ５の回路構成例を示す図である。本例では、ＡＧＣ５は、ドライバアンプ２から出力された発振信号４を入力し、そのピークを保持するピークホールド部５ａと、ピークホールド部５ａが出力する包絡線信号７０（発振信号４のピーク値を示す信号）と設定電圧信号７１（上述の所定値を示す信号）とを比較するコンパレータ５ｂとを有する。コンパレータ５ｂは、包絡線信号７０が設定電圧信号７１よりも低ければロー（Ｌｏｗ）を振幅制御信号７として出力し、逆に包絡線信号７０が設定電圧信号７１よりも高ければハイ（Ｈｉｇｈ）を出力する。
ＡＧＣ５が出力した振幅制御信号７は、例えば、ドライバアンプ２の出力端子に並列配置されたＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のゲートに入力される。入力された振幅制御信号７がローであれば、並列抵抗が小さくなりドライバアンプ２のゲインがアップし、振幅制御信号７がハイであれば並列抵抗が大きくなりドライバアンプ２のゲインがダウンする。このようなＡＧＣ５の作用により、ドライバアンプ２が出力する発振信号４の信号レベル（交流電圧における最大振幅）は、予め設定された所定値に維持される。
ＭＥＭＳ共振器１のピークゲインは図１のように動作温度により変化するが、そのような状況下においても、ＡＧＣ５により発振信号４の振幅が一定になるように制御される。つまり、動作温度の変化によりＭＥＭＳ共振器１のピークゲインが変化すると、それに応じてドライバアンプ２のゲインは、それを補うように変化する。なお、図４に示した、ＡＧＣ５の構成例は一例に過ぎない。
バイアス電圧制御部８は、ＡＧＣ５が出力する振幅制御信号７をモニタリングする。バイアス電圧制御部８は、モニタリングした振幅制御信号７がローであれば、ＭＥＭＳ共振器１の動作温度が上昇してＭＥＭＳ共振器１のピークゲインが低下したと判断し、バイアス電圧を増大させるバイアス電圧制御信号９をＭＥＭＳ共振器１へ出力する。また、バイアス電圧制御部８は、モニタリングした振幅制御信号７がハイであれば、ＭＥＭＳ共振器１の動作温度が低下してＭＥＭＳ共振器１のピークゲインが過剰に高くなったと判断し、バイアス電圧を低下させるバイアス電圧制御信号９をＭＥＭＳ共振器１へ出力する。そうすることにより、バイアス電圧制御部８は、ＡＧＣ５が出力した振幅制御信号７に基づいてＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加されるバイアス電圧を可変的に制御することで、ＭＥＭＳ共振器１のピークゲインを一定に保つ。
図１に示すように、ＭＥＭＳ共振器１のピークゲインおよびＱ値は、動作温度により変化する。バイアス電圧制御部８は、ＭＥＭＳ共振器１のピークゲインおよびＱ値の変化、すなわち動作温度の変化、を、ＡＧＣ５が出力した振幅制御信号７をモニタリングすることで検知する。また、ＭＥＭＳ共振器１のピークゲインは、ＭＥＭＳ共振器１のＱ値と振動子に印加されるバイアス電圧との積に比例する。図５は、バイアス電圧（ＤＣ電圧）を増大させた場合のＭＥＭＳ共振器の共振特性の変化を示す図である。本図に示されるように、バイアス電圧（ＤＣ電圧）を増大させると、共振特性は、特性６７から特性６９に向かって変化する。そこで、バイアス電圧制御部８は、ＭＥＭＳ共振器１のＱ値の変化によるピークゲインの変化が相殺されるようにバイアス電圧を変化させ、ＭＥＭＳ共振器１のピークゲインを一定に保つ。
図６は、バイアス電圧制御部８により動作温度に応じて可変制御されるＭＥＭＳ共振器１の振動子のバイアス電圧（ＤＣ電圧）のプロットである。図７は、そのようにしてバイアス電圧が制御されるＭＥＭＳ共振器１のピークゲインの温度変化を示すプロットである。
バイアス電圧制御部８は、低温域５９での動作においては、動作温度の低下によるＭＥＭＳ共振器１のＱ値の増大をバイアス電圧の低減により相殺し、ピークゲインを一定に保つ（図７）。これにより、入力レベルに許容される適正範囲の上限値の低下が抑止される。よって、低温域５９での動作において、ＭＥＭＳ共振器１への過入力に起因したＭＥＭＳ共振器１の共振特性の歪みが抑制され、共振特性の歪みの発生に起因して生じるピークゲインおよびＱ値の減少および共振周波数の不安定化が抑制される。よって、低温域５９においても、発振信号４に含まれる位相雑音の程度を中温域６０における位相雑音と同程度にまで低減させることができる。
また、バイアス電圧制御部８は、高温域６１での動作においては、動作温度の上昇によるＭＥＭＳ共振器１のＱ値の低下をバイアス電圧の増大により相殺し、ピークゲインを一定に保つ（図７）。これにより、ＭＥＭＳ共振器１から出力されドライバアンプ２へ入力される帰還信号６のレベルの低下が抑制され、ドライバアンプ２におけるＳ／Ｎの劣化が抑制される。よって、高温域６１においても、発振信号４に含まれる位相雑音の程度を中温域６０における位相雑音と同程度にまで低減させることができる。
図８は、低温域５９、中温域６０、および、高温域６１の各動作温度域における、ＭＥＭＳ発振器１００の位相雑音特性を示すグラフである。位相雑音特性１６２は、低温域５９におけるＭＥＭＳ発振器１００の位相雑音特性である。また、位相雑音特性１６３は、中温域６０におけるＭＥＭＳ発振器１００の位相雑音特性であり、位相雑音特性１６４は、高温域６１におけるＭＥＭＳ発振器１００の位相雑音特性である。
近周波数領域３７においては、低温時特性１６２は、中温時特性１６３に対し若干良好な位相雑音特性を示す。近周波数領域３７において高温時特性１６４の位相雑音特性が若干劣化するのは、動作温度の上昇によるＭＥＭＳ共振器のＱ値の低下によるものである。
また、遠周波数領域３９においても、低温時特性１６２は、中温時特性１６３に対し若干良好な位相雑音特性を示す。遠周波数領域３９において高温時特性１６４の位相雑音特性が若干劣化するのは、ドライバアンプ１０２の入力端子でのＳ／Ｎを構成する雑音成分Ｎが、ボルツマン係数ｋと絶対温度Ｔに比例して増大することによる。ただしこの場合においても、位相雑音特性の劣化量も微小である。
なお、バイアス電圧制御部８は、ドライバアンプ２のゲイン、ＡＧＣ５による振幅制御にかかる上述の所定値、および、ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印可されるバイアス電圧等の初期値（例えば、起動時の値）や、ＭＥＭＳ共振器１のＱ値、ピークゲイン、共振周波数等と動作温度の関係にかかる情報等を保持することが可能である。バイアス電圧制御部８は、これらの情報を参照し、モニタリングした振幅制御信号７に基づいて、ＭＥＭＳ共振器１の動作温度を導出することができる。
以上のように、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器１００は、低温域および高温域において、発振信号４に含まれる位相雑音の程度を中温域（例えば、設計時に想定される動作温度の近傍）における位相雑音と同程度にまで低減させることができる。本実施の形態においては、低温域５９は、例えば、摂氏マイナス４０度以上摂氏２０度未満、中温域６０は、例えば、摂氏２０度以上摂氏３０度未満、高温域６１は、例えば、摂氏３０度以上摂氏１２５度未満である。これらの温度域の範囲は一例であって、各温度域は、ここに例示されたような各温度域の温度範囲に限定されず、適宜設定されてよい。
３．実施の形態２
これより、実施の形態２によるＭＥＭＳ発振器について説明する。
図９は、実施の形態２によるＭＥＭＳ発振器２００の構成を示すブロック図である。ＭＥＭＳ発振器２００は、実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器１００と同様に、ＭＥＭＳ共振器１と、ドライバアンプ２と、自動利得制御部（ＡＧＣ）５と、を有する。ＭＥＭＳ発振器２００は、ＭＥＭＳ発振器１００のバイアス電圧制御部８に代えて、ＡＧＣ５が出力する振幅制御信号に基づいてＭＥＭＳ共振器１の動作温度を導出し当該動作温度に基づいてＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加されるバイアス電圧（図１７における直流電圧ＶＤＣ）およびＡＧＣ５を制御する電圧制御部８ａを有する。
電圧制御部８ａは、実施の形態１のバイアス電圧制御部８と同様、ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加されるバイアス電圧をＡＧＣ５から出力される振幅制御信号７に基づいて可変的に制御する。また、電圧制御部８ａは、さらに発振信号４を入力し、ＡＧＣ５に設定される上述の所定値（発振信号４の目標電圧レベル）を振幅制御信号７および発振信号４の振幅に基づいて可変的に制御する。より具体的には、電圧制御部８ａは、設定電圧信号７１（図４）が示す値を発振信号４の振幅および振幅制御信号７に基づいて可変的に制御することにより、発振信号４の電圧レベル（最大振幅）を可変的に制御する。
図１０は、電圧制御部８ａにより動作温度に応じて可変制御されるＭＥＭＳ共振器１の振動子のバイアス電圧（ＤＣ電圧）７２ｄおよび発振信号４の電圧レベル７２ａのプロットである。
電圧制御部８ａは、低温域５９から中温域６０に含まれる切換温度７４までの動作においては、ＡＧＣ５を制御することでＭＥＭＳ共振器１へ入力される発振信号４の振幅を可変的に制御する（温度が低ければ低いほど、発振信号４の振幅が小さくなるように制御する）。このとき、バイアス電圧は、所定の温度のときのバイアス電圧と同じ値になるように制御される。そうすることにより、ＭＥＭＳ共振器１へ入力される発振信号４の信号レベルをＭＥＭＳ共振器１の共振特性が歪まない範囲に維持するとともに、ＭＥＭＳ共振器１からドライバアンプ２へ帰還する信号６のレベルを一定のレベルに保つ。よって、低温域５９から切換温度７４までの動作において、ＭＥＭＳ共振器１への過入力に起因したＭＥＭＳ共振器１の共振特性の歪みの発生は抑制され、よって、共振特性の歪みの発生に起因して生じるピークゲインおよびＱ値の減少および共振周波数の不安定化が抑制される。よって、低温域５９においても、発振信号４に含まれる位相雑音の程度を中温域６０における位相雑音と同程度にまで低減させることができる。
上述のとおり、ＭＥＭＳ共振器１の振動子の振動振幅は、ＭＥＭＳ共振器１のＱ値と、入力される発振信号４の振幅と、振動子に印加されるバイアス電圧との積に比例する。そこで、本実施の形態においては、低温動作時において、ＭＥＭＳ共振器１のＱ値の増大に応じ、入力される発振信号４の振幅を低減させ、振動子の振動振幅を一定に保つことにより、ＭＥＭＳ共振器１の共振特性に歪みが現れることを防止している。
また、電圧制御部８ａは、切換温度７４から高温域６１までの動作においては、実施の形態１と同様、動作温度の上昇によるＭＥＭＳ共振器１のＱ値の低下をバイアス電圧を増大させることにより相殺し、ピークゲインを一定に保つ（図７）。これにより、ＭＥＭＳ共振器１から出力されドライバアンプ２へ入力される帰還信号６のレベルの低下が抑制され、ドライバアンプ２におけるＳ／Ｎの劣化が抑制される。よって、切換温度７４以上の温度域においても、発振信号４に含まれる位相雑音の程度を中温域６０における位相雑音と同程度にまで低減させることができる。なお、図１０より明らかだが、所定の温度以上の温度域（例えば、切換温度７４以上の温度域）において、電圧制御部８ａは、発振信号４の振幅を一定に保つように、ＡＧＣ５を制御する。
以上、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器２００においては、動作温度が切換温度７４以上の高温になるとバイアス電圧を増大させ、動作温度が切換温度７４以下の低温になると発振信号４の振幅を低減させる。そうすることにより、ドライバアンプ２におけるＳ／Ｎを構成する信号成分Ｓ（帰還信号６）は、動作温度に依らず同程度に維持され、またＭＥＭＳ共振器１の振動子の振動振幅も動作温度に依らず同程度に維持される。
本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器２００においては、バイアス電圧の変化幅（低温域におけるバイアス電圧と高温域におけるバイアス電圧との差）を、ＭＥＭＳ共振器１００におけるそれとの比較において、小さくすることができる。
この点において、ＭＥＭＳ発振器２００は、低温域５９から高温域６１までの温度幅が大きい場合において特に有利である。低温域５９から高温域６１までの温度幅が大きくなるとＭＥＭＳ共振器１のＱ値の変化量も大きくなる。そのため、ＭＥＭＳ発振器１００のように、Ｑ値の変化をバイアス電圧の変化のみで相殺させようとすると、必然的に、バイアス電圧の変動幅も大きくなってしまう。そこで、ＭＥＭＳ発振器２００は、低温域５９から切換温度７４までの動作においてバイアス電圧を変化させずにその代わりに発振信号４の振幅を変化させる。そうすることで、ＭＥＭＳ発振器２００では、バイアス電圧の変動幅を小さくすることができる。なお、切換温度７４は、あらゆる動作温度においてバイアス電圧が、バイアス電圧に許容される最低電圧以上の電圧に保持されるように設定すればよい。
なお、バイアス電圧制御部８は、ドライバアンプ２のゲイン、ＡＧＣ５による振幅制御にかかる上述の所定値、および、ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印可されるバイアス電圧等の初期値（例えば、起動時の値）や、ＭＥＭＳ共振器１のＱ値、ピークゲイン、共振周波数等と動作温度の関係にかかる情報等を保持することが可能である。バイアス電圧制御部８は、これらの情報を参照し、モニタリングした振幅制御信号７および入力した発振信号４の振幅に基づいて、ＭＥＭＳ共振器１の動作温度を導出することができる。
以上のように、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器２００は、低温域および高温域において、発振信号４に含まれる位相雑音の程度を中温域（例えば、設計時に想定される動作温度の近傍）における位相雑音と同程度にまで低減させることができる。
４．実施の形態３
これより、実施の形態３によるＭＥＭＳ発振器について説明する。
図１１に示される本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器３００は、ＭＥＭＳ発振器１００と同様、その動作温度に基づいて、ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加するバイアス電圧を可変的に制御する。そうすることによって、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器においては、あらゆる動作温度において、ＭＥＭＳ共振器のピークゲインを一定に保つことができる。
本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器３００においては、ＭＥＭＳ発振器１００と同等の構成に加え、ＭＥＭＳ共振器１の動作温度を計測する温度センサ１１を有する。温度センサ１１は、計測したＭＥＭＳ共振器１の動作温度を温度情報信号１２としてバイアス電圧制御部８ｓへ出力する。
バイアス電圧制御部８ｓは、ＡＧＣ５が出力する振幅制御信号７をモニタリングする代わりに、温度センサ１１から温度情報信号１２を入力する。バイアス電圧制御部８ｓは、当該温度情報信号１２に基づいて、ＭＥＭＳ発振器１００と同様にして、ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加されるバイアス電圧を可変的に制御する。
バイアス電圧制御部８ｓは、ＭＥＭＳ共振器１のＱ値、ピークゲイン、等と動作温度の関係に関する情報を保持し、当該情報および温度情報信号１２に基づいて、あらゆる動作温度においてＭＥＭＳ共振器１００のピークゲインが一定になるように（図７参照）、バイアス電圧を制御する（図６参照）。
以上のように、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器３００は、低温域および高温域において、発振信号４に含まれる位相雑音の程度を中温域（例えば、設計時に想定される動作温度の近傍）における位相雑音と同程度にまで低減させることができる。
５．実施の形態４
これより、実施の形態４によるＭＥＭＳ発振器について説明する。
図１２に示される本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器４００は、ＭＥＭＳ発振器２００と同様、その動作温度に基づいて、ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加するバイアス電圧およびＡＧＣ５を制御する。
本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器４００においては、ＭＥＭＳ発振器２００と同等の構成に加え、ＭＥＭＳ共振器１の動作温度を計測する温度センサ１１を有する。温度センサ１１は、計測したＭＥＭＳ共振器１の動作温度を温度情報信号１２として電圧制御部８ａｓへ出力する。
電圧制御部８ａｓは、ＡＧＣ５が出力する振幅制御信号７および発振信号４を入力する代わりに、温度センサ１１から温度情報信号１２を入力する。電圧制御部８ａｓは、当該温度情報信号１２に基づいて、ＭＥＭＳ発振器２００と同様、ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加されるバイアス電圧および発振信号４の電圧レベルを可変的に制御する。
電圧制御部８ａｓは、実施の形態２の電圧制御部８ａと同様、図１０に示されるように、動作温度に応じ、ＭＥＭＳ共振器１の振動子のバイアス電圧（ＤＣ電圧）７２ｄおよび発振信号４の電圧レベル７２ａを制御する。
以上のように、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器４００は、低温域および高温域において、発振信号４に含まれる位相雑音の程度を中温域（例えば、設計時に想定される動作温度の近傍）における位相雑音と同程度にまで低減させることができる。
６．実施の形態５
これより、実施の形態５によるＭＥＭＳ発振器について説明する。
ＭＥＭＳ共振器１の共振周波数ｆｃには温度依存性があることが知られる。ＭＥＭＳ共振器１は、一般的にはシリコンなどから形成され、シリコンの温度特性によりその共振周波数ｆｃに−２０［ｐｐｍ／℃］程度の温度特性がある。例えば、動作温度が−２０〜＋８０℃まで１００℃変化すれば、共振周波数ｆｃは、２０００［ｐｐｍ］程度変化する。そのため、ＭＥＭＳ共振器１の動作温度が変化することで、発振信号４の周波数も変化する。
また、また図５に示されるように、ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加するバイアス電圧（ＤＣ電圧）を変化させると、ＭＥＭＳ共振器１の共振周波数ｆｃも変化する。このときの共振周波数変化率Δｆ／ｆｃ（ｆｃ：共振周波数、Δｆ：共振周波数変化量）は、振動子に印加するバイアス電圧の２乗に比例することが知られている。
そこで、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器においては、動作温度の変化による発振信号４の周波数の変動、および、バイアス電圧の変化による発振信号４の周波数変動を補償する。そうすることにより、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器は、あらゆる動作温度において周波数変動が少ない安定した信号を出力することが可能になる。
図１のようにＭＥＭＳ共振器１は動作温度の上昇（低下）によりピークゲインが単調に減少（増大）するが、発振信号４の振幅はＡＧＣ５により出力電圧は一定に制御されているので、ＭＥＭＳ共振器１のピークゲインが温度変動により変化すると、それに応じてドライバアンプ２のゲインも変化する。すなわち振幅制御信号７は、ＭＥＭＳ共振器１の動作温度の情報を含んでいる。よって、振幅制御信号７に基づいて、プログラマブル分周器３０５の分周比を制御することにより、温度センサがない場合でも位相雑音の温度特性劣化を低減するだけでなく、出力信号の周波数をも高精度に制御することが可能である。
図１３は、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器５００の構成を示すブロック図である。
ＭＥＭＳ発振器５００は、発振信号４を出力する発振部１００（実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器１００とほぼ同様の構成）と、発振部１００が出力する発振信号４の周波数変動を補償する補償部３１８と、を有する。
補償部３１８は、発振信号４を入力する分周器３０１と、分周器３０１が出力する分周信号３１１を入力し出力信号（クロック信号）３１４を出力する周波数シンセサイザ（３０２、３０３、３０４、３０５）と、周波数シンセサイザのフィードバックに配置されたプログラマブル分周器３０５の分周比を、バイアス電圧制御部８が出力する周波数変動情報信号１３に基づいて制御する分周比制御部３０６と、を備える。
発振部１００のバイアス電圧制御部８は、実施の形態１と同様にＭＥＭＳ共振器１へバイアス電圧制御信号９を出力するとともに、現在ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加されているバイアス電圧の大きさを周波数変動情報信号１３として補償部３１８の分周比制御部３０６へ出力する。
分周比制御部３０６は、周波数変動情報信号１３に基づいて、先ず、ＭＥＭＳ共振器１の現在の動作温度を導出し（図６参照）、動作温度およびバイアス電圧に基づいて発振信号４の現在の周波数を算出し、当該周波数を有する発振信号４から所期の周波数を有するクロック信号３１４が得られるようにＰＬＬ周波数シンセサイザのプログラマブル分周器３０５の分周比を決定する。
なお、周波数変動情報信号１３に含まれる情報は、ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加されているバイアス電圧の大きさの情報に限定されない。例えば、バイアス電圧制御部８が、振幅制御信号７から現在のＭＥＭＳ共振器１の動作温度を導出し、当該動作温度を周波数変動情報信号１３として出力してもよい。その場合、分周比制御部３０６は、周波数変動情報信号１３に基づいて、先ず、現在ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加されているバイアス電圧の大きさを導出し（図６参照）、動作温度およびバイアス電圧に基づいて発振信号４の周波数を算出し、当該周波数を有する発振信号４から所期の周波数を有するクロック信号３１４が得られるようにＰＬＬ周波数シンセサイザのプログラマブル分周器３０５の分周比を決定する。
以下、補償部３１８の構成および動作について詳述する。
補償部３１８は、発振信号４を入力し１／Ｒ倍に分周した第１分周信号３１１を出力する分周器３０１と、第１分周信号３１１を入力し所期の周波数を有するクロック信号３１４を出力する周波数シンセサイザ（位相比較器３０２、ループフィルタ（ローパスフィルタ、ＬＰＦ）３０３、電圧制御発振器（ＶＣＯ）３０４、プログラマブル分周器３０５で構成されるＰＬＬ周波数シンセサイザ）と、周波数変動情報信号１３に基づいてプログラマブル分周器３０５の分周比を制御する分周比制御部３０６と、を備える。
位相比較器３０２は、第１分周信号３１１を入力し、当該第１分周信号と、第２分周信号３１６とを比較して両親号間の位相差を検出して誤差信号３１３としてループフィルタ３０３へ出力する。
ループフィルタ３０３は、誤差信号３１３を入力し、ＡＣ成分の少ないＤＣ信号である誤差信号３１３に変換し電圧制御発振器３０４へ出力する。
電圧制御発振器３０４は、誤差信号３１３に基づいて発振周波数を補正し、所期の周波数を有するクロック信号３１４を出力する。
プログラマブル分周器３１５は、クロック信号３１４を入力し、分周比制御部３０５が指示する分周比でクロック信号３１４を分周して第２分周信号３１６として位相比較器３０２へ出力する。
ここでは分周比制御部３０６は、ＭＥＭＳ共振器１の共振周波数ｆｃは、−２０ｐｐｍ／℃の温度特性を有し、かつ、共振周波数変化率Δｆ／ｆｃがバイアス電圧の２乗に比例するものとして、周波数変動情報信号１３に基づき、発振信号４の周波数を導出し、当該周波数に基づいてプログラマブル分周器３０５の分周比を決定する。
以上より、補償部３１８は、バイアス電圧制御部８によるバイアス電圧制御および動作温度の変化に起因して生じる発振信号４の周波数変動を補償し、所期の周波数を有するクロック信号３１４を高精度に出力することができる。
これにより、ＭＥＭＳ発振器５００は、発振信号４の位相雑音特性の劣化を低減するのみならず、あらゆる動作温度において、高精度に所期の周波数のクロック信号３１４を出力することができる。
なお、分周器３０１は、クロック信号３１４に求められる周波数と発振信号４の周波数との関係により逓倍器であってもよいし、削除されてもよい。
７．実施の形態６
これより、実施の形態６によるＭＥＭＳ発振器について説明する。
実施の形態６によるＭＥＭＳ発振器は、実施の形態５によるＭＥＭＳ発振器５００と同様に、発振信号４の周波数の変動を補償して所期の周波数を有するクロック信号３１４を高精度に出力することができる。そうすることにより、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器は、あらゆる動作温度において周波数変動が少ない安定した信号を出力することが可能になる。
図１４は、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器６００の構成を示すブロック図である。
ＭＥＭＳ発振器６００は、発振信号４を出力する発振部２００（実施の形態２によるＭＥＭＳ発振器２００とほぼ同様の構成）と、発振部２００が出力する発振信号４の周波数変動を補償する補償部３１８と、を有する。
補償部３１８の構成は、実施の形態５によるＭＥＭＳ発振器５００の補償部３１８とほぼ同様の構成でよいため、以下、相違点のみについて説明する。
補償部３１８の分周比制御部３０６は、電圧制御部８ａが出力する周波数変動情報信号１３に基づいて制御する。
ここで、周波数変動情報信号１３には、現在ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加されているバイアス電圧の大きさの情報に加え、発振信号４の振幅の大きさ情報が含まれる。
分周比制御部３０６は、周波数変動情報信号１３に示されたバイアス電圧の大きさおよび発振信号４の振幅の大きさの情報に基づいて、先ず、ＭＥＭＳ共振器１の現在の動作温度を導出し（図１０参照）、動作温度およびバイアス電圧に基づいて発振信号４の現在の周波数を算出し、当該周波数を有する発振信号４から所期の周波数を有するクロック信号３１４が得られるようにＰＬＬ周波数シンセサイザのプログラマブル分周器３０５の分周比を決定する。
なお、本実施の形態においても、分周比制御部３０６は、ＭＥＭＳ共振器１の共振周波数ｆｃは、−２０ｐｐｍ／℃の温度特性を有し、かつ、共振周波数変化率Δｆ／ｆｃがバイアス電圧の２乗に比例するものとして、周波数変動情報信号１３に基づき、発振信号４の周波数を導出し、当該周波数に基づいてプログラマブル分周器３０５の分周比を決定する。振動振幅４の振幅の大きさは、ＭＥＭＳ共振器１の共振周波数ｆｃに影響を与えるものではない。周波数変動情報信号１３に含まれる発振信号４の振幅の大きさの情報は、切換温度７４（図１０）以下の温度域におけるＭＥＭＳ共振器１の動作温度の導出に利用される。
以上より、ＭＥＭＳ発振器６００は、発振信号４の位相雑音特性の劣化を低減するのみならず、あらゆる動作温度において、高精度に所期の周波数のクロック信号３１４を出力することができる。
８．実施の形態７
これより、実施の形態７によるＭＥＭＳ発振器について説明する。
実施の形態７によるＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器１の動作温度を計測する温度センサを有し、当該温度センサが計測した動作温度に基づいて、ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印可されるバイアス電圧の大きさ、および、プログラマブル分周器３０５の分周比を制御することにより、あらゆる動作温度において位相雑音特性に優れ、かつ、周波数が安定した出力信号を出力することができる発振器である。
図１５は、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器７００の構成を示すブロック図である。
ＭＥＭＳ発振器７００は、発振信号４を出力する発振部３００（実施の形態３によるＭＥＭＳ発振器３００とほぼ同様の構成）と、ＭＥＭＳ共振器１の動作温度を計測して温度情報信号１２としてバイアス電圧制御部８ｓおよび分周比制御部３０６へ出力する温度センサ１１と、発振部３００が出力する発振信号４の周波数変動を補償する補償部３１８と、を有する。
発振部３００の動作は、実施の形態３によるＭＥＭＳ発振器３００と同様でよい。ここでは、その説明を省略する。
分周比制御部３０６は、温度情報信号１２に基づいて、先ず、現在ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加されているバイアス電圧の大きさを導出し（図６参照）、動作温度およびバイアス電圧に基づいて発振信号４の周波数を算出し、当該周波数を有する発振信号４から所期の周波数を有するクロック信号３１４が得られるようにＰＬＬ周波数シンセサイザのプログラマブル分周器３０５の分周比を決定する。
以上より、補償部３１８は、バイアス電圧制御部８ｓによるバイアス電圧制御および動作温度の変化に起因して生じる発振信号４の周波数変動を補償し、所期の周波数を有するクロック信号３１４を高精度に出力することができる。
これにより、ＭＥＭＳ発振器７００は、発振信号４の位相雑音特性の劣化を低減するのみならず、あらゆる動作温度において、高精度に所期の周波数のクロック信号３１４を出力することができる。
９．実施の形態８
これより、実施の形態８によるＭＥＭＳ発振器について説明する。
実施の形態８によるＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器１の動作温度を計測する温度センサを有し、当該温度センサが計測した動作温度に基づいて、ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印可されるバイアス電圧の大きさ、発振信号４の振幅の大きさ、および、プログラマブル分周器３０５の分周比を制御することにより、あらゆる動作温度において位相雑音特性に優れ、かつ、周波数が安定した出力信号を出力することができる発振器である。
図１６は、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器８００の構成を示すブロック図である。
ＭＥＭＳ発振器８００は、発振信号４を出力する発振部４００（実施の形態４によるＭＥＭＳ発振器４００とほぼ同様の構成）と、ＭＥＭＳ共振器１の動作温度を計測して温度情報信号１２としてバイアス電圧制御部８ｓおよび分周比制御部３０６へ出力する温度センサ１１と、発振部４００が出力する発振信号４の周波数変動を補償する補償部３１８と、を有する。
発振部４００の動作は、実施の形態４によるＭＥＭＳ発振器４００と同様でよい。ここでは、その説明を省略する。
分周比制御部３０６は、温度情報信号１２に基づいて、先ず、現在ＭＥＭＳ共振器１の振動子に印加されているバイアス電圧の大きさを導出し（図１０参照）、動作温度およびバイアス電圧に基づいて発振信号４の周波数を算出し、当該周波数を有する発振信号４から所期の周波数を有するクロック信号３１４が得られるようにＰＬＬ周波数シンセサイザのプログラマブル分周器３０５の分周比を決定する。
以上より、補償部３１８は、バイアス電圧制御部８ｓによるバイアス電圧制御および動作温度の変化に起因して生じる発振信号４の周波数変動を補償し、所期の周波数を有するクロック信号３１４を高精度に出力することができる。
これにより、ＭＥＭＳ発振器７００は、発振信号４の位相雑音特性の劣化を低減するのみならず、あらゆる動作温度において、高精度に所期の周波数のクロック信号３１４を出力することができる。
本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器は、位相雑音特性に優れた発振器として有用である。
１ ・・・ ＭＥＭＳ共振器
２ ・・・ ドライバアンプ
５ ・・・ 自動利得制御部
５ａ・・・ ピークホールド部
５ｂ・・・ コンパレータ部
８ ・・・ バイアス電圧制御部
８ａ・・・ 電圧制御部
８ａｓ・・ 電圧制御部
８ｓ・・・ バイアス電圧制御部
１１ ・・・ 温度センサ
１００ ・・・ 実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器（実施の形態５の発振部）
２００ ・・・ 実施の形態２によるＭＥＭＳ発振器（実施の形態６の発振部）
３００ ・・・ 実施の形態３によるＭＥＭＳ発振器（実施の形態７の発振部）
３０１ ・・・ 第１分周器
３０２ ・・・ 位相比較器
３０３ ・・・ ループフィルタ
３０４ ・・・ 電圧制御発振器
３０５ ・・・ プログラマブル分周器（第２分周器）
３０６ ・・・ 分周比制御部
４００ ・・・ 実施の形態４のＭＥＭＳ発振器（実施の形態８の発振部）
５００ ・・・ 実施の形態５のＭＥＭＳ発振器
６００ ・・・ 実施の形態６のＭＥＭＳ発振器
７００ ・・・ 実施の形態７のＭＥＭＳ発振器
８００ ・・・ 実施の形態８のＭＥＭＳ発振器
９９９ ・・・ 従来のＭＥＭＳ発振器
１０００ ・・・ 特許文献１のＭＥＭＳ発振器
１００１ ・・・ ＭＥＭＳ共振器
１００１ａ・・・ 入力電極
１００１ｂ・・・ 振動子
１００１ｃ・・・ 出力電極
１００２ ・・・ ドライバアンプ
１００５ ・・・ 自動利得制御部

Claims (6)

  1. ＭＥＭＳ共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路と、
    前記ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を制御する電圧制御部と、
    前記増幅器からの出力を受け、該出力のレベルに基づいて前記増幅器からの出力のレベルが所定レベルになるように前記増幅器のゲインを増減させる振幅制御信号を前記増幅器へ出力し前記増幅器のゲインを制御する自動利得制御部とを有し、
    前記ＭＥＭＳ共振器の動作温度に基づいて、前記ＭＥＭＳ共振器のピークゲインが前記動作温度の高低に依らず所定値になるように、前記ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を前記電圧制御部により制御し、
    前記電圧制御部は、前記振幅制御信号をモニタリングすることにより、前記ＭＥＭＳ共振器の動作温度を導出する、ＭＥＭＳ発振器。
  2. ＭＥＭＳ共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路と、
    前記ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を制御する電圧制御部と、
    前記増幅器からの出力を受け、該出力のレベルに基づいて前記増幅器からの出力のレベルが所定レベルになるように前記増幅器のゲインを増減させる振幅制御信号を前記増幅器へ出力し前記増幅器のゲインを制御する自動利得制御部とを有し、
    前記ＭＥＭＳ共振器の動作温度に基づいて、前記ＭＥＭＳ共振器のピークゲインが前記動作温度の高低に依らず所定値になるように、前記ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を前記電圧制御部により制御し、
    前記ＭＥＭＳ共振器の動作温度を計測し計測結果を出力する温度センサとを有し、
    前記電圧制御部は、前記温度センサが出力する前記動作温度の計測結果を入力し、当該計測結果を前記ＭＥＭＳ共振器の動作温度として用いる、ＭＥＭＳ発振器。
  3. 前記ＭＥＭＳ共振器の動作温度に基づいて、前記ＭＥＭＳ共振器のピークゲインが前記動作温度の高低に寄らず所定値になるように、前記ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を前記電圧制御部により制御するか、前記自動利得制御部により制御するかのいずれかにより制御する、請求項１または２に記載のＭＥＭＳ発振器。
  4. 前記電圧制御部は、前記ＭＥＭＳ共振器の動作温度が所定の温度よりも高い場合には、前記ＭＥＭＳ共振器のピークゲインが前記動作温度の高低に依らず所定値になるように前記ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加するバイアス電圧を制御し、
    前記電圧制御部は、前記ＭＥＭＳ共振器の動作温度が前記所定の温度よりも低い場合には、前記動作温度の高低に依らず前記バイアス電圧が一定値になるように前記バイアス電圧を制御しつつ、前記帰還される信号のレベルが前記動作温度の高低に依らず前記所定レベルになるように前記自動利得制御部を制御する、請求項３に記載のＭＥＭＳ発振器。
  5. 前記電圧制御部は、
    前記ＭＥＭＳ共振器の動作温度が所定の温度よりも高い場合には、前記帰還される信号のレベルを前記所定の温度の時の信号レベルと同じ値になるようにし、かつ前記バイアス電圧を前記所定の温度の時のバイアス電圧より増加させる制御を行い、
    前記ＭＥＭＳ共振器の動作温度が所定の温度よりも低い場合には、前記バイアス電圧を前記所定の温度の時のバイアス電圧と同じ値になるようにし、かつ前記帰還される信号のレベルを前記所定の温度の時の信号レベルより下げる制御を行う、請求項４に記載のＭＥＭＳ発振器。
  6. さらに前記増幅器の出力を受け、出力信号を出力するＰＬＬ周波数シンセサイザ部と、
    前記ＰＬＬ周波数シンセサイザ部のフィードバックに配されたプログラマブル分周器の分周比を前記ＭＥＭＳ共振器の動作温度および前記ＭＥＭＳ共振器の振動子に印加されるバイアス電圧に基づいて制御する分周比制御部と、を有し、
    前記分周比制御部は、前記出力信号が前記動作温度および前記バイアス電圧の高低に依らず所定の周波数を有するように、前記プログラマブル分周器の分周比を制御する、請求項１〜５のいずれか１つに記載のＭＥＭＳ発振器。
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