JP6123982B2 - 発振回路、電子機器、及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、発振回路、電子機器、及び移動体等に関する。

発振回路の周波数を可変にするために、発振回路内に配置した可変容量素子に電圧を印加して、容量を変化させる方法が知られている。電圧で周波数を制御する発振器は一般にＶＣＸＯ（Voltage Controlled X’tal Oscillator、電圧制御水晶発振器）と呼ばれている。この原理を使って温度に対して周波数偏差を抑えた発振器にＴＣＸＯ（Temperature Compensated X’tal Oscillator）がある。

ディスクリートタイプの発振器では、容量変化の大きい可変容量素子を選定して回路を構成できるが、発振回路を集積回路化する際には使用できる可変容量素子の特性は限られる。つまり、集積回路化すると、ディスクリートタイプの可変容量素子に比べて容量変化が小さな可変容量素子になるのが一般的である。大きな容量変化を得るためには専用のプロセスが必要であるためである。

近年、水晶発振器も小型化が求められ、発振回路の集積回路化が進んでいる。しかし、集積回路を用いる場合、使用できる可変容量素子の可変量が限られるため、必要な周波数可変幅や直線性（リニアリティ）が得られないという問題があった。

特許文献１の発明は、２つの可変容量素子に印加する１つの制御電圧を、２つのレベルシフト回路によって途中で分けて、電位差を与えた上で可変容量素子に印加する。このとき、制御電圧の中心電圧よりも低い領域で一方の可変容量素子のＣ−Ｖ特性が直線となるように、かつ、制御電圧の中心電圧よりも高い領域で他方の可変容量素子のＣ−Ｖ特性が直線となるようにする。そのため、直線性を確保しながら従来よりも広い範囲で制御電圧を変動させることができ、必要な周波数可変幅を得ることができる。

特開２００７−１９５６５号広報

しかし、特許文献１の発明は、制御電圧毎に複数のレベルシフト回路を必要とする。例えば、ＴＣＸＯでは補償精度を高めるために複数種類の制御電圧が使用される。このとき、その種類の数を乗じた数だけレベルシフト回路が必要になる。従って、ＴＣＸＯに特許文献１で開示された手法を適用した場合、回路規模及び消費電力が大きくなる可能性がある。

本発明は、以上の事を鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、制御電圧変化に対する可変容量素子の容量変化の直線性を確保しながら容量の可変幅を広げることができるため、制御電圧変化に対する周波数変化の直線性を確保して周波数可変幅を広げることができ、かつ回路規模及び消費電力の増加を抑えることができる、発振回路、電子機器、及び移動体等を提供することができる。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態
様又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例に係る発振回路は、発振素子と接続されて、前記発振素子を発振させて発振信号を出力する発振回路であって、増幅素子と、前記増幅素子の出力から入力に至る発振ループに接続される、基準電圧と可変される制御電圧との電位差で容量値が制御される少なくとも２つの可変容量素子を備えた可変容量素子の組と、を含み、前記可変容量素子の組の各々の前記可変容量素子は、一方の端子に共通の前記制御電圧が印加され、他方の端子に各々の前記可変容量素子で電圧が異なる前記基準電圧が印加される。

本適用例に係る発振回路によれば、接続された発振素子からの信号を増幅する増幅素子と、増幅素子の出力から入力に至る発振ループに接続されており、基準電圧と可変される制御電圧との電位差により容量値が制御される少なくとも２つの可変容量素子を備えた可変容量素子の組と、を含む。なお、可変容量素子の組は、可変容量素子のグループ、可変容量素子群、のように表現してもよい。

増幅素子としては、バイポーラトランジスター、電界効果トランジスター（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）、金属酸化膜型電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ：Metal
Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を用いることができる。発振素子としては、例えば、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振子、ＡＴカット水晶振動子、ＳＣカット水晶振動子、音叉型水晶振動子、その他の圧電振動子やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動子などを用いることができる。可変容量素子の組は、増幅素子の出力から入力に至る発振ループに接続されており、容量が変化することで発振信号の周波数が変化する。

このとき、各々の可変容量素子は第１の配線及び第２の配線を有する。そして、第１の配線に共通の電圧である制御電圧が印加され、第２の配線に互いに電圧が異なる基準電圧が印加される。例えば、各々の可変容量素子は、一端に制御電圧が印加され、他端に基準電圧が印加される。

各々の可変容量素子の電位差（第１の配線に印加された制御電圧と第２の配線に印加された基準電圧の差）は互いに異なっているので、可変容量素子の組の容量変化の直線性を確保しながら容量の可変幅を広げることができる。そのため、制御電圧変化に対する周波数変化の直線性を確保して周波数可変幅を広げることができる。このとき、レベルシフト回路は不要であるため回路規模及び消費電力の増加を抑えることができる。

［適用例２］
上記適用例に係る発振回路は、前記基準電圧を調整できる機能を有してもよい。

本適用例に係る発振回路によれば、基準電圧を調整できる機能を有してもよい。基準電圧を調整できる機能は、例えば可変抵抗を含む抵抗分割回路等で実現でき、複数の異なる基準電圧ごとに個別に調整する方法や、複数の基準電圧の全体を同一電圧だけオフセットする方法等がある。このとき、可変容量素子の組の可変感度がフラット（例えば、制御電圧に対して発振信号の周波数の変化に偏りがない状態）であるように、すなわち、よりよい直線性を示すように調整可能になる。

［適用例３］
上記適用例に係る発振回路において、前記可変容量素子は、ＭＯＳ型可変容量素子を含んでいてもよい。

本適用例に係る発振回路によれば、可変容量回路はＭＯＳ型可変容量素子を含んで構成される。ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型可変容量素子は、金属酸化膜半導体の構造を持った可変容量素子（以下、バラクターとする）である。このため、本適用例に係る発振回路を半導体集積回路として実現することができる。

［適用例４］
上記適用例に係る発振回路において、前記可変容量素子の組を複数有し、前記可変容量素子の組同士の間で前記制御電圧の種類が異なっていてもよい。

本適用例に係る発振回路によれば、前記第１の配線に印加される前記制御電圧は、複数の前記可変容量素子の組同士の間で異なっている。また、前記第２の配線に印加される前記基準電圧は、各々の前記可変容量素子の組における各々の前記可変容量素子の間で異なっている。

例えばＴＣＸＯでは補償精度を高めるために複数種類の制御電圧（具体例として、外部制御用、温度補償用、周波数オフセット用の３種類の制御電圧）が使用されるところ、特許文献１の発明のようにレベルシフト回路を必要とせず、回路規模及び消費電力が大きくなることを回避できる。

［適用例５］
上記適用例に係る発振回路において、複数有した前記可変容量素子の組のうち少なくとも１つの前記可変容量素子の組は電圧変化に対する容量変化が他の前記可変容量素子の組と比較して最も小さい最小感度可変容量素子の組としてもよい。

本適用例に係る発振回路によれば、１つの可変容量素子の組を用途に応じて区別して扱うことができる。例えば、特定の用途に限っては他の用途よりも可変容量素子の電圧変化に対する容量変化の感度が低くてよい場合がある。この場合、複数の可変容量素子の組のうち１つの可変容量素子の組である最小感度可変容量素子の組を定めて、最小感度可変容量素子の組の容量感度を他の種類の可変容量素子対よりも小さくする。

［適用例６］
上記適用例に係る発振回路において、前記制御電圧は、３種類の一群の電圧からなり、前記最小感度可変容量素子の組の前記制御電圧は、他の前記可変容量素子の組の前記基準電圧の中間の電圧を用いてもよい。

本適用例に係る発振回路によれば、最小感度可変容量素子の組の制御電圧を他の２種類の可変容量素子の組の基準電圧の中間の電圧を用いることで、最小感度可変容量素子の組の容量感度を他の種類の可変容量素子の組よりも小さくできる。このとき、別途電圧を生成する回路を要することがないため、回路規模の増加及び消費電力の増加を抑えることができる。更に、これらの制御電圧と基準電圧が同じ電圧生成回路から供給されることで、最小可変容量素子の組において大きなノイズが生じることを回避することができる。

［適用例７］
本適用例に係る電子機器は、前記適用例に係る発振回路を含む。

［適用例８］
本適用例に係る移動体は、前記適用例に係る発振回路を含む。

これらの適用例に係る電子機器、移動体によれば、可変容量素子の容量変化の直線性を維持しながら可変幅を広げることができ、かつ回路規模及び消費電力の増加を抑えること
ができる発振回路を含む。そのため、必要な周波数可変幅を得ることができ、使用者にとって使い勝手の良い電子機器、移動体を実現できる。

第１実施形態の発振回路の構成例を示す図。 ＭＯＳ型可変容量素子の制御電圧に対する容量変化を示す図。 制御電圧に対する複数のＭＯＳ型可変容量素子の合成容量変化を示す図（共通の基準電圧と共通の制御電圧を印加した場合）。 制御電圧に対する複数のＭＯＳ型可変容量素子の合成容量変化を示す図（異なる基準電圧と共通の制御電圧を印加した場合）。 第１比較例の発振回路の詳細な構成例を示す図。 第１実施形態の発振回路の変形例の詳細な構成例を示す図。 第１実施形態の発振回路の別の変形例を示す図。 第１実施形態の発振回路の別の変形例を示す図。 第１実施形態の発振回路の可変容量素子の組の可変容量素子数を増やした変形例を示す図。 第１実施形態の発振回路の可変容量素子の組の可変容量素子数を増やした別の変形例を示す図。 第２実施形態の発振回路の構成例を示す図。 第２比較例の発振回路の詳細な構成例を示す図。 第２比較例の発振回路のノイズについて説明する図。 第２実施形態の発振回路の変形例の詳細な構成例を示す図。 第２実施形態の発振回路の変形例のノイズについて説明する図。 応用例の電子機器の機能ブロック図。 応用例の電子機器の外観の一例を示す図。 応用例の移動体の一例を示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．第１実施形態
１．１．発振回路の概要
図１は、第１実施形態の発振回路１２の構成例を示す図である。本実施形態の発振回路１２は、ＴＣＸＯ（Temperature Compensated X’tal Oscillator、温度補償水晶発振器）の一部を構成する。なお、本実施形態の発振回路１２は、以下に説明する要素の一部を省略又は変更してもよいし、他の要素を追加した構成であってもよい。

本実施形態の発振回路１２は、帰還抵抗２８、インバーター２５を含み、水晶振動子２６と接続されている。インバーター２５は、入力された信号を増幅する性質を有し、本発明の増幅素子に対応する。また、水晶振動子２６は、本発明の発振素子に対応する。図１に示すように、発振回路１２が水晶振動子２６と接続されて、インバーター２５の出力から入力に至る発振ループが形成されている。発振回路１２は、水晶振動子２６で生成された信号をインバーター２５で増幅して、例えば外部の回路で使用されるクロックパルスとして発振信号１２４を出力する。

発振回路１２は、水晶振動子２６と接続されて発振器である振動デバイス１０を形成する。すなわち、振動デバイス１０から水晶振動子２６を除いた部分が発振回路１２に該当する。そこで、以下では特に断ることなく、振動デバイス１０についての説明をもって、
発振回路１２の説明とすることがある。

そして、本実施形態の発振回路１２は、発振ループ内にＤＣカット容量４３、４４を設けているが、一方又は両方を省略することも可能である。

本実施形態の発振回路１２は、発振信号１２４の周波数を調整するために、その容量を変化させることができる可変容量素子の組２１を発振ループ内に含む。可変容量素子の組２１は、２つ以上の可変容量素子で構成されていても良い。また、後述するように、可変容量素子の組は複数あってもよい。可変容量素子の組はＭＯＳ型可変容量素子を含んで構成されていてもよい。ＭＯＳ型可変容量素子は例えばバラクターであり、端子に加えられる電位差によって容量が変化する。

図１において、可変容量素子の組の各々の可変容量素子（バラクター２１Ａ、バラクター２１Ｂ）の第１の配線１１２は、固定容量４１Ａ、４１Ｂを介して接地されているが、固定容量４１Ａと固定容量４１Ｂとを共用してもよい。

本実施形態の発振回路１２では、可変容量素子の組２１の各々の可変容量素子（バラクター２１Ａ、バラクター２１Ｂ）は一つのＭＯＳ型可変容量素子で構成されており、その容量は、制御電圧Ｖ_Ｃ及び基準電圧Ｖ_ｒ０、Ｖ_ｒ１によって変化する。バラクター２１Ａは、第１の配線１１２に入力抵抗５２を介して制御電圧Ｖ_Ｃが印加され、第２の配線１１０に入力抵抗５０を介して基準電圧Ｖ_ｒ０が印加される。バラクター２１Ｂは、第１の配線１１２に入力抵抗５２を介して制御電圧Ｖ_Ｃが印加され、第２の配線１１１に入力抵抗５１を介して基準電圧Ｖ_ｒ１が印加される。

ここで、第１の配線１１２は、バラクター２１Ａ、２１ＢであるＭＯＳ型可変容量素子の一方の端子（以下、第１の端子）に接続されている。一方、第２の配線１１０は、バラクター２１Ａの第１の端子とは異なる他方の端子（以下、第２の端子）に接続されている。また、第２の配線１１１は、バラクター２１Ｂの第１の端子とは異なる他方の端子（以下、第２の端子）に接続されている。

そして、バラクター２１Ａの容量は、基準電圧Ｖ_ｒ０と制御電圧Ｖ_Ｃとの電位差によって変化する。また、バラクター２１Ｂの容量は、基準電圧Ｖ_ｒ１と制御電圧Ｖ_Ｃとの電位差によって変化する。本実施形態の発振回路１２では、可変容量素子の組２１の合成容量の変化に応じて発振信号１２４の周波数が変化するので周波数調整ができる。

１．２．制御電圧と容量の関係
本実施形態の発振回路１２では、可変容量素子の組２１を構成する可変容量素子（バラクター２１Ａ、バラクター２１Ｂ）で制御電圧Ｖ_Ｃが共通に用いられる一方で、基準電圧Ｖ_ｒ０、Ｖ_ｒ１は互いに異なる電位を有する。後述するように可変容量素子の組を構成する可変容量素子は２つに限らず更に増やすことが可能であるが、その場合にも、制御電圧Ｖ_Ｃが共通に用いられる一方で、基準電圧は互いに異なる電位を有する。

すなわち、複数の可変容量素子の第２の配線（後述するように可変容量素子の組を構成するＭＯＳ型可変容量素子の第２の端子に対応）には、互いに異なる電圧が印加される。以下に、図２〜図４を参照して、制御電圧、基準電圧と容量の関係について説明する。

図２は、１つのＭＯＳ型可変容量素子の制御電圧に対する容量変化を示す図である。本実施形態の発振回路１２では、可変容量素子の組２１はＭＯＳ型可変容量素子を含んでいる。ここで、可変容量素子としてはＰＮ接合型もあるが、集積回路化、低電圧化を目的として、本実施形態のようにＭＯＳ型可変容量素子が多く使用される。

ＭＯＳ型可変容量素子は、ＰＮ接合型に比べて、狭い電圧範囲で急峻に容量が変化するのが特徴である。このため、容量の変化を示すカーブ（以下、容量特性）の直線領域は狭い。一般に、ＭＯＳ型可変容量素子を用いる発振回路において、電圧の変化の大きさが同じであれば、容量の変化も同じである必要がある。電圧の変化が同じであるのに容量の変化が異なる場合、発振回路は適切に周波数を調整することが困難になるからである。

従って、仮に発振回路が１つのＭＯＳ型可変容量素子だけを有するならば、周波数調整には直線性の良い電圧範囲、すなわち図２におけるＶ_ＬＲしか使えないことになる。このとき、電圧変化に対する容量変化が小さいため、周波数可変幅は小さくならざるを得ず、発振回路として必要な周波数可変幅を実現できないという問題がある。

ここで、ＭＯＳ型可変容量素子の一方の端子に印加する電圧（基準電圧側でも制御電圧側でもよいが、この例では基準電圧側とする）を変えることで、容量特性をシフトさせることができる。図２は、ＭＯＳ型可変容量素子の基準電圧側に印加する電圧を実線の場合と変えると、実線の容量特性が、点線で示される容量特性へとシフトする様子を示している。

以下では、このような性質を踏まえて、発振回路が複数のＭＯＳ型可変容量素子を有する場合に、直線性の良い電圧範囲を広げられることを説明する。図３は、発振回路が２つのＭＯＳ型可変容量素子を有している場合であって、それぞれの容量特性Ｃａ、Ｃｂと合成容量の変化を示すカーブ（以下、合成容量特性Ｃｍ）を示すものである。

このとき、２つのＭＯＳ型可変容量素子の一方の端子に同じ基準電圧を印加し、他方の端子に同じ制御電圧を印加して図３のように変化させても、合成容量特性Ｃｍ自体は増加するが、Ｃｍ変化が急峻になるため、直線性の良い電圧範囲（図３のＶ_ＬＲ）は１つのＭＯＳ型可変容量素子だけを有する場合（図２のＶ_ＬＲ参照）と変わらない。これは、電圧変化に対する容量変化が大きい、すなわち可変容量素子の感度が高い状態となり容量調整を難しくする。

しかし、２つのＭＯＳ型可変容量素子の一方の端子に異なる基準電圧を印加した場合、合成容量特性Ｃｍの直線性の良い電圧範囲（図４のＶ_ＬＲ）を広げることができる。このとき、制御電圧の中心電圧（Ｖｄｄ＝１．８Ｖの場合、例えば０．９Ｖ）よりも低い領域で容量特性Ｃａが直線となるように、かつ、制御電圧の中心電圧よりも高い領域で容量特性Ｃｂが直線となるように印加する基準電圧を調整する。

図４のような合成容量特性Ｃｍを示す２つのＭＯＳ型可変容量素子を含む発振回路は、直線性を確保しながら従来よりも広い範囲（図４のＶ_ＬＲの範囲）で制御電圧を変動させることができる。本実施形態の発振回路１２も、可変容量素子の組を構成する各々のＭＯＳ型可変容量素子の第２の端子に印加する基準電圧を変えることで、可変容量素子の組の合成容量特性を広い電圧範囲で直線性がよい状態にするとともに、電圧変化に対する容量変化が小さい、すなわち可変容量素子の感度が低い状態となり容量調整を容易にする。

１．３．第１比較例
本実施形態の発振回路１２の詳細な構成例を示す前に、対比のために第１比較例を説明する。図５は、第１比較例の発振回路の詳細な構成例を示す図である。第１比較例の発振回路は、合成容量特性Ｃｍについて直線性の良い電圧範囲を広げるために、特許文献１が開示する制御電圧Ｖ_Ｃ側にレベルシフト回路５８を設ける手法を用いる。なお、図５では、第１比較例の発振回路であって、図１の発振回路１２に対応する部分の一部のみを示している。また、図１と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略し、図５以降の図面
では発振信号１２４の図示を省略する。

第１比較例の発振回路も、本実施形態の発振回路１２と同じくＴＣＸＯの一部を構成するものとする。そして、図５のように、第１比較例の発振回路１２では、制御電圧Ｖ_Ｃは３種類の一群の電圧からなる。具体的には、外部制御用の制御電圧Ｖ_Ｃ１、温度補償用の制御電圧Ｖ_Ｃ２、周波数オフセット用の制御電圧Ｖ_Ｃ３である。なお、この例では３種類だが、２種類でもよいし、４種類以上であってもよい。

そして、第１比較例の発振回路における可変容量素子の組２１、２２、２３は、それぞれ制御電圧Ｖ_Ｃ１、Ｖ_Ｃ２、Ｖ_Ｃ３が印加される。また、可変容量素子の組２１、２２、２３は、それぞれバラクター２１Ａとバラクター２１Ｂ、バラクター２２Ａとバラクター２２Ｂ、バラクター２３Ａとバラクター２３Ｂ、で構成されている。３種類の可変容量素子の組の一方の可変容量素子は、ＭＯＳ型可変容量素子であるバラクター２１Ａ、２２Ａ、２３Ａである。図５のように、バラクター２１Ａ、２２Ａ、２３Ａの一方の端子（第１の端子に対応）は、レベルシフト回路５８、入力抵抗５２を介して、それぞれ制御電圧Ｖ_Ｃ１、Ｖ_Ｃ２、Ｖ_Ｃ３が印加される。

また、バラクター２１Ａ、２２Ａ、２３Ａの第１の端子は、それぞれ固定容量４１Ａ、４２Ａ、４３Ａを介して接地されている。固定容量４１Ａ、４２Ａ、４３Ａは、図１の固定容量４１Ａに対応する。

第１比較例の発振回路における可変容量素子の組の他方の可変容量素子も、一方の可変容量素子と同じ構成をとる。他方の可変容量素子のバラクター２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂは、それぞれ一方の可変容量素子のバラクター２１Ａ、２２Ａ、２３Ａに対応する。また、他方の可変容量素子の固定容量４１Ｂ、４２Ｂ、４３Ｂは、図１の固定容量４１Ｂに対応する。

第１比較例の発振回路では、バラクター２１Ａ、２２Ａ、２３Ａの他方の端子（第２の端子に対応）は可変容量素子の組２１の第２の配線１１０に接続されている。また、バラクター２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂの他方の端子（第２の端子に対応）は第２の配線１１１に接続されている。そして、入力抵抗５０を介して第２の配線１１０及び第２の配線１１１に基準電圧Ｖ_ｒ０が印加される。

そして、図２〜図４を参照した説明とは逆に、例えばバラクター２１Ａとバラクター２１Ｂの第１の端子に異なる制御電圧を印加することで、合成容量特性Ｃｍ（図４参照）の直線性の良い電圧範囲を広げる。バラクター２２Ａとバラクター２２Ｂについても第１の端子に異なる制御電圧を印加する。バラクター２３Ａとバラクター２３Ｂについても同様である。

例えば、制御電圧Ｖ_Ｃ１とバラクター２１Ａの間に設けられたレベルシフト回路５８と、制御電圧Ｖ_Ｃ１とバラクター２１Ｂの間に設けられたレベルシフト回路５８は、制御電圧にレベル差をつけることで、異なる電圧がバラクター２１Ａ、バラクター２１Ｂの第１の端子に印加されるように調整する。バラクター２２Ａとバラクター２２Ｂ、及びバラクター２３Ａとバラクター２３Ｂについても、それぞれのレベルシフト回路５８によって同様の調整が行われる。

このような手法により、第１比較例の発振回路は、直線性の良い電圧範囲を広げることができる。しかし、第１比較例の発振回路はレベルシフト回路５８が必要になる。特に、ＴＣＸＯでは補償精度を高めるために複数種類の制御電圧が使用されるため、制御電圧の種類の数に比例してレベルシフト回路５８が増加する（この例では６つ必要）。そのため
、回路規模及び消費電力が大きくなる可能性がある。

１．４．変形例
図６は、第１実施形態の変形例として発振回路１２の詳細な構成例を示す図である。本変形例は、複数の可変容量素子の組（例として第１比較例と同じく３組）を持つ構成例を示している。第１比較例の発振回路とは異なり、本変形例の発振回路１２はレベルシフト回路を含まない。なお、図５と同じように、図６でも図１の発振回路１２の一部のみを示している。また、図１〜図５と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。

本変形例の発振回路１２では、図２〜図４を用いて説明したように、２つのＭＯＳ型可変容量素子の第２の端子に異なる基準電圧を印加して、合成容量特性Ｃｍ（図４参照）の直線性の良い電圧範囲を広げる。このとき、２つのＭＯＳ型可変容量素子の第１の端子には共通する制御電圧が印加される。

図６のように、本変形例の発振回路１２における可変容量素子の組２１、２２、２３は、それぞれバラクター２１Ａと２１Ｂ、２２Ａと２２Ｂ、２３Ａと２３Ｂ、で構成されている。そして、バラクター２１Ａ、２２Ａ、２３Ａの一方の端子（第１の端子に対応）は、それぞれ第１の配線１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃに接続されている。第１の配線１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃには、それぞれ入力抵抗５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃを介して、それぞれ制御電圧Ｖ_Ｃ１、Ｖ_Ｃ２、Ｖ_Ｃ３が印加される。

本変形例の発振回路１２におけるバラクター２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂは、それぞれバラクター２１Ａ、２２Ａ、２３Ａに対応して可変容量素子の組を構成する。そして、バラクター２１Ａとバラクター２１Ｂの第１の端子には同じ制御電圧Ｖ_Ｃ１が印加される。同様に、バラクター２２Ａとバラクター２２Ｂの第１の端子には同じ制御電圧Ｖ_Ｃ２が印加され、バラクター２３Ａとバラクター２３Ｂの第１の端子には同じ制御電圧Ｖ_Ｃ３が印加される。

本変形例の発振回路１２でも、バラクター２１Ａ、２２Ａ、２３Ａの他方の端子（第２の端子に対応）は第２の配線１１０に接続されている。また、バラクター２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂの他方の端子（第２の端子に対応）は第２の配線１１１に接続されている。そして、第２の配線１１０には入力抵抗５０を介して基準電圧Ｖ_ｒ０が印加され、第２の配線１１１には入力抵抗５１を介して基準電圧Ｖ_ｒ１が印加される。

ここで、図６において基準電圧Ｖ_ｒ０、Ｖ_ｒ１は互いに異なる電圧であるから、バラクター２１Ａ、２２Ａ、２３Ａとバラクター２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂには異なる電圧が印加されることになり、合成容量特性Ｃｍ（図４参照）の直線性の良い電圧範囲を広げることができる。

例えば、制御電圧の中心電圧（Ｖｄｄ＝１．８Ｖの場合、例えば０．９Ｖ）よりも低い領域でバラクター２１Ａの容量特性が直線となるように、かつ、制御電圧の中心電圧よりも高い領域でバラクター２１Ｂの容量特性が直線となるように基準電圧Ｖ_ｒ０と基準電圧Ｖ_ｒ１とに電圧の差を設けて印加する。バラクター２２Ａとバラクター２２Ｂ、及びバラクター２３Ａとバラクター２３Ｂについても同様である。

このとき、本変形例の発振回路１２は、直線性の良い電圧範囲を広げることができる。そして、第１比較例の発振回路のようにレベルシフト回路５８を含まないため、回路規模及び消費電力が大きくなることもない。すなわち、第１実施形態の発振回路１２は、可変容量素子の容量変化の直線性を確保しながら容量の可変幅を広げることができ、かつ回路規模及び消費電力の増加を抑えることができる。

なお、本変形例の発振回路１２において、共通の制御電圧を印加する可変容量素子（図６の例では、バラクター２１Ａとバラクター２１Ｂ、バラクター２２Ａとバラクター２２Ｂ、バラクター２３Ａとバラクター２３Ｂ）の容量特性はそれぞれ異なっていてもよい。図６の例では、基準電圧Ｖ_ｒ０と基準電圧Ｖ_ｒ１とに適切な電圧の差を設けることで合成容量特性Ｃｍ（図４参照）の直線性の良い電圧範囲を広げることができれば、例えばバラクター２１Ａの容量特性と、バラクター２１Ｂの容量特性とが異なっていても構わない。

すなわち、本変形例の発振回路１２においては、異なる容量特性を有する可変容量素子を組み合わせて、合成容量特性の直線性の良い電圧範囲を広げることも可能であり、設計の自由度が高いとの利点を有する。

１．５．その他の変形例
第１実施形態の発振回路１２は、図１、図６の構成以外にも、以下に述べるような変形が可能である。その他の変形例の発振回路１２も、可変容量素子の直線性を確保しながら容量の可変幅を広げることができ、レベルシフト回路５８を含まないため、回路規模及び消費電力の増加を抑えることができる。なお、以下に参照する図７〜図１０において、図１と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。

図１、図６の発振回路１２の構成要素の共通化や個別化は適宜行うことができる。例えば、図１の入力抵抗５２はバラクター２１Ａ、２１Ｂの入力部分にそれぞれ個別に設けられていてもよい。このとき、バラクター２１Ａ、２１Ｂの入力負荷に応じた調整等も行うことができる。

図７に示す発振回路１２のように、固定容量４１Ａと固定容量４１Ｂとを共通化して、１つの固定容量４１Ａだけを備えていてもよい。このとき、固定容量４１Ｂが不要であるため回路規模を小さくできる。

図８に示す発振回路１２のように、増幅素子としてインバーター２５ではなく、定電流源と接続されたトランジスター４６を用いてもよい。

図９に示す発振回路１２のように、第１実施形態の発振回路１２に比べて、可変容量素子の組を構成する可変容量素子を数多く配置してもよい。図９の例では、水晶振動子２６の入力側、出力側のそれぞれに、ＤＣカット容量４７、４８を介してバラクター２１Ｃ、２１Ｄが接続されており、可変容量素子の組を構成する可変容量素子は４つとなっている。なお、バラクター２１Ｃ、２１Ｄの一方だけが接続されていてもよい。

図９の発振回路１２は、更にバラクター２１Ｃ、２１Ｄによる調整も可能であるため、必要な周波数可変幅を得ることが容易になる。なお、基準電圧Ｖ_ｒ２、Ｖ_ｒ３は前記の基準電圧Ｖ_ｒ０、Ｖ_ｒ１に対応し、入力抵抗５４、５５は前記の入力抵抗５０、５１に対応するので、ここでは説明を省略する。

図１０は、図９の発振回路１２においてバラクター２１Ｄを省略し、更に基準電圧Ｖ_ｒ０、入力抵抗５０、ＤＣカット容量４３を取り除いたものであり、可変容量素子の組を構成する可変容量素子は３つとなっている。このとき、水晶振動子２６の入力側の２つのバラクター２１Ａ、２１Ｃのうち、バラクター２１Ｃは基準電圧としてインバーター２５の自己バイアス電位を利用している。

なお、これらの第１実施形態の変形例は、以下に述べる第２実施形態の発振回路１２の変形例ともなり得る。

２．第２実施形態
２．１．発振回路の概要
図１１は、第２実施形態の発振回路１２の構成例を示す図である。本実施形態の発振回路１２は、第１実施形態とは異なり、基準電圧Ｖ_ｒ０、Ｖ_ｒ１、制御電圧Ｖ_Ｃを生成する電圧生成部６０を含んでいる。なお、図１〜図１０と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。

本実施形態の発振回路１２において、電圧生成部６０は基準電圧Ｖ_ｒ０、Ｖ_ｒ１を容易に調整できる。そのため、バラクター２１Ａ、２１Ｂの可変感度がフラット（制御電圧に対して発振信号の周波数の変化に偏りがない状態）であるように、すなわち、よりよい直線性を示すような微調整が可能になる。

２．２．第２比較例
本実施形態の発振回路１２の詳細な構成例を示す前に、対比のために第２比較例を説明する。第２比較例の発振回路も、本実施形態の発振回路１２と同じくＴＣＸＯの一部を構成するものとする。図１２は、第２比較例の発振回路の詳細な構成例を示す図である。なお、図１２では、第２比較例の発振回路であって、図１１の発振回路１２に対応する部分の一部のみを示している。なお、図１〜図１１と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。

第２比較例の電圧生成部６０は、基準電圧Ｖ_ｒ０、Ｖ_ｒ１を生成する抵抗分割回路６２を含む。第２比較例の電圧生成部６０は、制御信号１６４に基づいて制御電圧Ｖ_Ｃ１を生成するＡＦＣ電圧制御回路６４を含む。また、第２比較例の電圧生成部６０は、温度センサー６８からの温度データ１６８に基づいて、温度補償用の制御電圧を生成する温度補償電圧生成回路６６を含む。そして、第２比較例の電圧生成部６０は、制御信号１７２に基づいて周波数オフセット用の制御電圧を生成する周波数調整電圧生成回路７２を含む。なお、ＡＦＣ電圧制御回路６４、温度補償電圧生成回路６６、周波数調整電圧生成回路７２も抵抗分割回路で生成する制御電圧を調整してもよい。

ここで、周波数調整電圧生成回路７２が生成する周波数オフセット用の制御電圧で調整すべき周波数変化幅は小さい。一方で、温度補償電圧生成回路６６が生成する温度補償用の制御電圧で調整すべき周波数変化幅は大きい。ここで、周波数オフセット用の制御電圧と温度補償用の制御電圧を印加するバラクターを個別に設ける場合、前者には電圧に対する容量変化の感度の低い（例えば１５ｐｐｍ／Ｖ程度）バラクターが必要であり、後者には感度の高い（例えば５０ｐｐｍ／Ｖ程度）バラクターが必要である。

第２比較例の発振回路では、感度の高いバラクター２２Ａ、２２Ｂにこれらの制御電圧をまとめて印加する。そのため、第２比較例の電圧生成部６０は、周波数オフセット用の制御電圧と温度補償用の制御電圧とを合成する加算回路７４を有しており、１つの制御電圧を生成する。

しかし、第２比較例の発振回路は、感度の高いバラクター２２Ａ、２２Ｂに電圧変動である大きなノイズが入力されることがある。ノイズが入力されるとバラクター２２Ａ、２２Ｂに容量変動を発生させ、発振回路の位相雑音特性の劣化を引き起こすため、ノイズはないことが望ましい。図１３は、第２比較例の発振回路のノイズについて説明する図である。なお、図１２と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。

図１３において、ノイズＮｘ、Ｎａ、Ｎｂはそれぞれ、バラクター２１Ｂ、２２Ｂの一方の端子（第１の端子に対応）、バラクター２２Ａの他方の端子（第２の端子に対応）、
バラクター２２Ｂの他方の端子（第２の端子に対応）にのるノイズを表す。

ここで、ノイズＮａ、Ｎｂは共に、抵抗分割回路６２から伝わる同相かつ同振幅のノイズである。一方、ノイズＮｘは、抵抗分割回路６２から独立した回路（例えば加算回路７４）から伝わるノイズであって、ノイズＮａ、Ｎｂとは異なる位相、異なる振幅を有する。そのため、感度の高いバラクター２２Ａ、２２Ｂの両端子に、異なる位相、異なる振幅のノイズがのり、発振信号の位相雑音が増大するという問題が生じる。

２．３．変形例
図１４は、第２実施形態の変形例の発振回路１２の詳細な構成例を示す図である。第２比較例の発振回路とは異なり、本変形例の発振回路１２は、抵抗分割回路６２で生成される周波数オフセット用の制御電圧を印加する専用のバラクター２３Ａ、２３Ｂを含む。なお、図１２〜図１３と同じように、図１４でも図１１の発振回路１２の一部のみを示している。また、図１〜図１３と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。

図１４のように、本変形例の発振回路１２は、一群のバラクター２１Ａ〜２１Ｃのうち周波数オフセット用の制御電圧を印加するバラクター２３Ａを最小感度可変容量素子とする。最小感度可変容量素子は、他のバラクター２１Ａ、２２Ａよりも容量感度の低いバラクターである。なお、一群のバラクター２１Ｂ〜２３Ｂについては、バラクター２３Ｂが最小感度可変容量素子である。

このため、周波数オフセット用の制御電圧についても独立して扱うことができる。このとき、第２比較例の発振回路とは異なり、加算回路７４が不要になり、第２比較例と比べて回路規模の削減や消費電力の低減が可能である。

そして、本変形例の発振回路１２は、第２比較例の感度の高いバラクターによって大きなノイズが生じるという問題を解決することができる。図１４のように、周波数オフセット用の制御電圧Ｖ_Ｃ３は、抵抗分割回路６２で生成される。また、周波数オフセット用の制御電圧Ｖ_Ｃ３は、基準電圧Ｖ_ｒ０、Ｖ_ｒ１の中間の電圧を用いることで、第２比較例のように周波数調整電圧生成回路７２を設ける必要がない。なお、中間の電圧は例えば（Ｖ_ｒ０＋Ｖ_ｒ１）／２が用いられてもよいし、Ｖ_ｒｅｇ／２等が用いられてもよい。

図１５は、本変形例の発振回路１２のノイズについて説明する図である。なお、図１４と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。

図１５において、ノイズＮａ、Ｎｂ、Ｎｃはそれぞれ、バラクター２３Ａの他方の端子（第２の端子に対応）、バラクター２３Ｂの他方の端子（第２の端子に対応）、バラクター２３Ａ、２３Ｂの一方の端子（第１の端子に対応）にのるノイズを表す。

ここで、ノイズＮａ、Ｎｂ及びＮｃは共に、抵抗分割回路６２から伝わる同相かつ同振幅のノイズである。そのため、バラクター２３Ａ、２３Ｂの両端子にノイズＮａ、Ｎｂ及びＮｃがのっても相殺されるため、しかもバラクター２３Ａ、２３Ｂの容量感度は低いため、第２比較例の大きなノイズが生じるという問題を解決することができる。

以上のように、本変形例の発振回路１２は、可変容量素子の直線性を確保しながら容量の可変幅を広げることができ、かつ、第２比較例のような周波数調整電圧生成回路７２、加算回路７４といった回路が不要であるため、回路規模及び消費電力の増加を抑えることができる。

３．応用例
３．１．電子機器
第１実施形態、第２実施形態及びこれらの変形例についての応用例である電子機器３００について、図１６〜図１７を用いて説明する。なお、図１〜図１５と同じ要素については同じ番号、符号を付しており説明を省略する。

図１６は、応用例の電子機器３００の機能ブロック図である。本応用例の電子機器３００は、水晶振動子２６と接続された発振回路１２、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３２０、操作部３３０、ＲＯＭ（Read Only Memory）３４０、ＲＡＭ（Random Access Memory）３５０、通信部３６０、表示部３７０、音出力部３８０を含んで構成されている。なお、本応用例の電子機器３００は、図１６の構成要素（各部）の一部を省略又は変更してもよいし、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

発振回路１２は、クロックパルスをＣＰＵ３２０だけでなく各部に供給する（図示は省略）。クロックパルスは、例えば水晶振動子２６と接続された発振回路１２からの発振信号であってもよい。なお、電子機器３００は、発振回路１２そのものではなく、発振回路１２を含む振動デバイス１０（必要な回路、部品とともにパッケージングされた発振器）を含んでもよい。

ＣＰＵ３２０は、ＲＯＭ３４０等に記憶されているプログラムに従い、発振回路１２が出力するクロックパルスを用いて各種の計算処理や制御処理を行う。具体的には、ＣＰＵ３２０は、操作部３３０からの操作信号に応じた各種の処理、外部とデータ通信を行うために通信部３６０を制御する処理、表示部３７０に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理、音出力部３８０に各種の音を出力させる処理等を行う。

操作部３３０は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をＣＰＵ３２０に出力する。

ＲＯＭ３４０は、ＣＰＵ３２０が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。

ＲＡＭ３５０は、ＣＰＵ３２０の作業領域として用いられ、ＲＯＭ３４０から読み出されたプログラムやデータ、操作部３３０から入力されたデータ、ＣＰＵ３２０が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。

通信部３６０は、ＣＰＵ３２０と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。

表示部３７０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される表示装置であり、ＣＰＵ３２０から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。

そして、音出力部３８０は、スピーカー等の音を出力する装置である。

前記の通り、発振回路１２は可変容量素子の直線性を確保しながら容量の可変幅を広げることができ、かつ回路規模及び消費電力の増加を抑えることができる。そのため、本応用例の電子機器３００は必要な周波数可変幅を持つクロックパルスを発振回路１２から得ることができる。また、小型で低消費電力な電子機器３００が実現可能である。

電子機器３００としては種々の電子機器が考えられる。例えば、パーソナルコンピューター（例えば、モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター、タブレット型パーソナルコンピューター）、携帯電話機などの移動体端末、デ
ィジタルスチールカメラ、インクジェット式吐出装置（例えば、インクジェットプリンター）、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器、テレビ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ゲーム用コントローラー、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライシミュレーター、ヘッドマウントディスプレイ、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、ＰＤＲ（歩行者位置方位計測）等が挙げられる。

図１７は、電子機器３００の一例であるスマートフォンの外観の一例を示す図である。電子機器３００であるスマートフォンは、操作部３３０としてボタンを、表示部３７０としてＬＣＤを備えている。そして、電子機器３００であるスマートフォンは、発振回路１２を用いることで、小型であり消費電力を抑えることができる。

３．２．移動体
第１実施形態、第２実施形態及びこれらの変形例についての応用例である移動体４００について、図１８を用いて説明する。

図１８は、本実施形態の移動体の一例を示す図（上面図）である。図１８に示す移動体４００は、発振回路４１０、エンジンシステム、ブレーキシステム、キーレスエントリーシステム等の各種の制御を行うコントローラー４２０、４３０、４４０、バッテリー４５０、バックアップ用バッテリー４６０を含んで構成されている。なお、本実施形態の移動体は、図１８の構成要素（各部）の一部を省略又は変更してもよいし、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

発振回路４１０は、第１実施形態、第２実施形態又はこれらの変形例の発振回路１２が対応する。なお、発振回路４１０は、発振回路１２を含む発振器であってもよい。その他の構成要素の詳細な説明は省略するが、移動体の移動に必要な制御を行うため高い信頼性が要求される。例えば、バッテリー４５０の他に、バックアップ用バッテリー４６０を備えることで信頼性を高めている。

発振回路４１０が出力するクロックパルスについても、温度等の環境の変化によらずに所定の周波数であることが必要とされる。そのため、発振回路４１０は、例えば第２実施形態の発振回路１２（図１１参照）であってもよい。

このとき、発振回路４１０は、可変容量素子の容量変化の直線性を確保しながら容量の可変幅を広げることができ、かつ回路規模及び消費電力の増加を抑えることができる。そのため、本応用例の移動体４００のシステムは、温度等の環境の変化にも対応できる周波数可変幅を持つクロックパルスを発振回路４１０から得ることができる。このため、信頼性を確保でき、しかも大型化することや消費電力が増加することも回避できる。

このような移動体４００としては種々の移動体が考えられ、例えば、自動車（電気自動車も含む）、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。

４．その他
発振回路１２は例えば電子部品を用いて基板上に構成されてもよいが、ＩＣ（Integrated Circuit）化されて、半導体集積回路装置として提供されてもよい。発振回路１２が１
チップ化された電子部品となっているため使用者にとって使い勝手がよい。ここで、増幅素子に対応する部分（前記の実施形態では、帰還抵抗２８を備えたインバーター２５）を除いてＩＣ化されてもよい。このとき、発振素子（前記の実施形態では、水晶振動子２６）と接続するだけで振動デバイス１０（例えば、発振器）を構成でき、使用者にとって更に使い勝手がよい。また、発振回路１２と発振器とが、振動デバイス１０としてパッケージングされて１つの電子部品として提供されてもよい。

本発明は、前記の実施形態及び変形例で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態等で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態等で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態等で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０ 振動デバイス（発振器）、１２ 発振回路、２１〜２３ 可変容量素子の組、２１Ａ〜２４Ａ バラクター、２１Ｂ〜２４Ｂ バラクター、２５ インバーター、２６ 水晶振動子、２８ 帰還抵抗、４１Ａ〜４３Ａ 固定容量、４１Ｂ〜４３Ｂ 固定容量、４４，４５ ＤＣカット容量、４６ トランジスター、４７，４８ ＤＣカット容量、５０〜５２ 入力抵抗、５２Ａ〜５２Ｃ 入力抵抗、５４，５５ 入力抵抗、５８ レベルシフト回路、６０ 電圧生成部、６２ 抵抗分割回路、６４ ＡＦＣ電圧制御回路、６６ 温度補償電圧生成回路、６８ 温度センサー、７２ 周波数調整電圧生成回路、７４ 加算回路、１１０〜１１２ 配線、１１２Ａ〜１１２Ｃ 配線、１６４ 制御信号、１６８
温度データ、１７２ 制御信号、３００ 電子機器、３３０ 操作部、３４０ ＲＯＭ、３５０ ＲＡＭ、３６０ 通信部、３７０ 表示部、３８０ 音出力部、４００ 移動体、４１０ 発振回路、４２０〜４４０ コントローラー、４５０ バッテリー、４６０
バックアップ用バッテリー、Ｃａ 容量特性、Ｃｂ 容量特性、Ｃｍ 合成容量特性、Ｎａ〜Ｎｃ，Ｎｘ ノイズ、Ｖ_Ｃ，Ｖ_Ｃ１〜Ｖ_Ｃ３ 制御電圧、Ｖ_ｒ０〜Ｖ_ｒ３ 基準電圧

Claims (6)

1. 発振素子と接続されて、前記発振素子を発振させて発振信号を出力する発振回路であって、
   増幅素子と、
   前記増幅素子の出力から入力に至る発振ループに接続される、基準電圧と可変される制御電圧との電位差で容量値が制御される少なくとも２つの可変容量素子を備えた複数の可変容量素子の組と、を含み、
   前記複数の前記可変容量素子の組の各々の前記可変容量素子は、一方の端子に共通の前記制御電圧が印加され、他方の端子に各々の前記可変容量素子で電圧が異なる前記基準電圧が印加され、
   前記複数の前記可変容量素子の組同士の間で前記制御電圧の種類が異なっており、
   前記複数の前記可変容量素子の組のうち電圧変化に対する容量変化が他の前記可変容量素子の組と比較して最も小さい最小感度可変容量素子の組の前記制御電圧は、他の前記可変容量素子の組の前記基準電圧の中間の電圧を用いる発振回路。
2. 請求項１に記載の発振回路において、
   前記制御電圧は、３種類の一群の電圧からなる発振回路。
3. 請求項１又は２に記載の発振回路において、
   前記基準電圧を調整できる機能を有する発振回路。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発振回路において、
   前記可変容量素子は、ＭＯＳ型可変容量素子を含む発振回路。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発振回路を含む、電子機器。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発振回路を含む、移動体。

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