JPH11330366A - 電子発振器のための改善されたインダクタを生成する方法及び装置 - Google Patents

電子発振器のための改善されたインダクタを生成する方法及び装置

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JPH11330366A
JPH11330366A JP11046597A JP4659799A JPH11330366A JP H11330366 A JPH11330366 A JP H11330366A JP 11046597 A JP11046597 A JP 11046597A JP 4659799 A JP4659799 A JP 4659799A JP H11330366 A JPH11330366 A JP H11330366A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 集積回路チップ上で実現可能であり、電子発
振器と共に使用されるように適応化され得る、改善され
たインダクタを生成する方法及び装置を提供することで
ある。 【解決手段】 複合インダクタ４００が基板内に形成さ
れ、少なくとも、第１のコイル・インダクタンス及び第
１のコイル抵抗を有する第１のコイル４０２と、第２の
コイル・インダクタンス及び第２のコイル抵抗を有する
第２のコイル４０４とを有する。第１のコイル４０２及
び第２のコイル４０４は、第１のコイル４０２内の電流
が第２のコイル４０４内の電流と整合するとき、第１の
コイル・インダクタンスよりも大きな第１のコイルと関
連付する新たなインダクタンスが生成されるように、基
板内に形成される。本装置は、集積回路内で実現される
発振器を形成するために使用され、これは本装置を、基
板内に形成される少なくとも１つのコンデンサと電気的
に接続し、電子発振器を形成することにより達成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に、かなり低い
電圧レベルで動作可能で、集積回路チップ上で実現可能
な改善されたインダクタを生成する方法及び装置に関す
る。特に本発明は、かなり低い電圧レベルで動作可能
で、集積回路チップ上で実現可能であり、電子発振器と
共に使用されるように適応化され、電子発振器の改善さ
れたＱ値を提供する、改善されたインダクタを生成する
方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子発振器は、制御された周波数で周期
的に変化する出力を生成する素子または回路である。電
子発振器の出力は、電圧、電流または電磁波形のいずれ
かである。
【０００３】電子発振器は受動的または能動的である。
受動電子発振器は、受動電気部品から成る電子回路であ
る。能動電子発振器は、少なくとも１つの能動電気部品
と、任意の数の受動電気部品とから成る電子回路であ
る。受動電気部品は、電気エネルギを独立に生成不能な
部品であり、能動電気部品は、独立に電気エネルギを生
成可能な部品である。
【０００４】理想的には（すなわち数理的には）、電子
発振器は電気エネルギを正確に所定の制御周波数で生成
する。実際には（すなわち実際の物質界では）、電子発
振器は、所定の制御周波数付近に集中された電気エネル
ギを生成する。すなわち、（数理的に対して）実際の電
子発振器は、電気エネルギを正確に所定の制御周波数で
は生成せず、電気エネルギを、ある所定の制御周波数範
囲に渡る"周波数帯"内で生成する傾向がある。このこと
は受動電子発振器または能動電子発振器のいずれが考慮
されるかに関わらず当てはまる。
【０００５】一般に、受動電子発振器または能動電子発
振器が実際に構成される場合、その目的は、こうした実
際の電子発振器を、できる限りそれらの理想の数理的に
等価なものに近づけることである。すなわち、１）実際
の発振器が含む"周波数帯"を、できる限り狭くし、２）
その"周波数帯"の中心を、実際の電子発振器がエミュレ
ートしようとする理想の数理的電子発振器の、所定の制
御中心周波数に近づけるようにする。
【０００６】実際の受動電子発振器または能動電子発振
器を構成する目的が、実際の電子発振器の数理的等価物
を近似することである限り、こうした実際の電子発振器
の"品質"は、こうした実際の電子発振器が、その理想の
数理的等価物をどのくらい正確に近似するかにより評価
される。実際の電子発振器の"中心周波数"は、実際の電
子発振器の出力電力が最大になる周波数に定義される。
実際の電子発振器の使用可能な"帯域幅"は、定義され
た"中心周波数"を中心として広がり、出力電力が最大出
力電力の値（すなわち定義された"中心周波数"）の半分
まで低下した周波数範囲として定義される。実際の電子
発振器の"品質"は、"品質係数（Ｑ値）"すなわち、定義
された"帯域幅"に対する、定義された"中心周波数"の比
率に関して、定量的に記述される。記号的には、Ｑ値は
通常、Ｑ＝ω0／（ω2−ω1）として表現され、ここで
ω0は発振器の"中心周波数"を表し、（ω2−ω1）は発
振器の"帯域幅"を表す。
【０００７】実際の発振器設計において、その目的は、
実現可能なできるだけ高い"Ｑ"すなわちＱ値を有する発
振器を構成することである。なぜなら、Ｑ値が高いほ
ど、実際の発振器は、数理的な理想発振器をより正確に
近似するからである。前述の定義に従い、Ｑ値は、実際
の発振器の定義"中心周波数"と、定義"帯域幅"の両方を
要求する、数理的な公式である。実際上、実際の発振器
の"中心周波数"、定義"帯域幅"、従って更にＱ値は、ス
ペクトル・アナライザにより評価される。
【０００８】スペクトル・アナライザは、ある周波数範
囲に渡り分布する信号の電力を可視的に示す装置であ
る。通常のスペクトル・アナライザの可視表示部分に
は、信号内の電力のこうした分布がグラフにより表示さ
れる。グラフの水平軸は、周波数の単位を用いてマーク
され、グラフの垂直軸は、周波数の単位についての電力
の単位を用いてマークされる。このグラフを用いること
により、実際の発振器の出力の電力が、周波数範囲に渡
りプロットされる。通常、実際の発振器の電力対周波数
のプロットは、"ベル形"曲線として現れ、ベル形曲線の
頂点が、上で定義された"中心周波数"に対応し、"帯域
幅"は、曲線下の領域により表される、発振器出力内の
総電力の半分（１／２）が含まれる周波数範囲から成
る。
【０００９】実際の発振器が優れているほど、こうした
発振器の"ベル形"曲線は、スペクトル・アナライザ上で
より狭く現れる。このことは、高いＱ値が一般に、より
小さく定義された"帯域幅"を意味することから真実であ
り、これは発振器により生成される大半の電気エネルギ
が、所定の制御周波数付近に集中することを示す。スペ
クトル・アナライザにおいて、こうした高いＱ値が狭
い"ベル形"曲線に変換される。なぜなら、Ｑ値が高いほ
ど、"帯域幅"（発振器の出力内に含まれる総電力の半分
（１／２）を含む周波数帯）が狭くなるからである。
【００１０】実際上、発振器の"帯域幅"を広げる最も主
要な要因の１つは、発振器の時間域"ジッタ"であること
が判っている。前述の数理的な理想発振器は、ある所定
の制御周波数の出力波形を生成する。波形の周波数は、
１を出力波形の連続する波の山の間の経過時間で除算す
ることにより定義される。数理的な理想発振器では、出
力波形内の任意の２つの連続する波の山の間の時間が、
常に同一である。残念ながら、これは実際の発振器には
当てはまらない。
【００１１】実際の発振器では、出力波形内の任意の２
つの連続する波の山の間の時間が変化する。電子発振器
の状況において、発振器の連続出力波形の周期に関す
る、この突然の変化を生じる現象を説明するために使用
される用語が、時間域"ジッタ"である。
【００１２】"ジッタ"は、こうした出力がスペクトル・
アナライザ上に現れるときの、実際の発振器の"ベル形"
曲線の"広がり"の原因である。すなわち、周期のこうし
た変化の各々は、異なる周波数の波形を生成するので、
発振器のパワー出力は、こうした出力がスペクトル・ア
ナライザを介して観測されるときに存在する、周波数範
囲に及ぶ広がりとして現れる。発振器により生成される
異なる周波数が多くなるほど（すなわち、時間域"ジッ
タ"が高いほど）、発振器の出力が広がる周波数範囲が
大きくなり、結果的に"帯域幅"が広くなり、発振器のＱ
値が低くなる。従って、発振器設計の観点から、設計制
限内で可能な最良のＱ値を提供するために、こうした時
間域"ジッタ"を可能な限り低く維持することが重要であ
る。
【００１３】前述の説明からわかるように、"Ｑ値"及び
時間域"ジッタ"は、実際の発振器の精度を示す、代替的
な、逆の意味での表現手段である。すなわち、高いＱ値
は低い時間域"ジッタ"を意味し、またその逆のことも言
える。
【００１４】実際の発振器で要求される精度は、発振器
が使用されるアプリケーションにより指定される。かな
り高精度を有する発振器を要求するアプリケーションの
１つのタイプは、データ処理システムにおいて、クロッ
クとして使用される電子発振器の適応化である。
【００１５】データ処理システムのクロックは、データ
処理システム内のデータ・プロセッサの動作のタイミン
グ、同期及び調整、または割込みの生成など、様々な目
的のために使用される、正確に間隔をあけた周期的信号
を生成する素子である。定義上、電子発振器は正確に間
隔をあけた周期的信号を生成するので、それらをデータ
処理システムにおいて、クロックとして使用するように
適応化することは一般的である。
【００１６】受動電子発振器及び能動電子発振器の両方
が、データ処理システム内のクロックとして使用され
る。２００ＭＨｚ以下のクロック・スピードを要求する
データ処理システムでは、能動発振器を用いて、クロッ
ク信号を提供するのが一般的である。通常、こうした能
動発振器は、"リング発振器"として知られる形態を取
る。異なる形態の"リング発振器"が存在するが、こうし
た発振器の基本形態は、−１８０゜の利得または総位相
遅延を有する差動タイプのインバータの形態である。前
述したように、こうした能動発振器は、２００ＭＨｚ以
下のクロック・スピードに対しては良好に機能する傾向
があるが、２００ＭＨｚを超えるクロック・スピードを
要求するデータ処理システムでは、一般に、こうした能
動発振器が、容認できない高いレベルの時間域"ジッ
タ"、従ってそれに対応して低いＱ値を有するという点
で、このような要求クロック・スピードを提供するには
不正確である。
【００１７】こうした容認できない高いレベルの時間
域"ジッタ"、及びそれに対応する低いＱ値は、こうした
能動発振器を構成するために使用される部品に固有であ
る。現状では、主雑音源の少なくとも１つが、インバー
タ・トランジスタを構成するために使用される材料に固
有の物理特性に当たる、インバータ・トランジスタ内の
熱雑音から生じるという点で根絶され得ない。更に、第
２の主雑音源（能動インバータに供給される電源電圧の
変化から生じる時間域"ジッタ"）が、電源電圧の注意深
い制御により低減され得るが、根絶され得ず、実際に高
い周波数（例えば６００ＭＨｚ乃至８００ＭＨｚの範囲
から、１ＧＨｚの範囲を超える周波数）において重大な
雑音源となる。これらの２つの主雑音源に加え、例えば
発振器がデジタル・チップ上で動作しているときの発振
器内の基板結合や、基板を介する追加のバックグラウン
ド結合（"グラウンド・バウンス（ground bounce）"）
など、こうした能動発振器を構成するために使用される
部品に固有の、追加の雑音源が存在する。そして、これ
らの雑音源は、こうした能動発振器を構成するために使
用される部品に固有であるため、根絶され得ない。
【００１８】集積回路設計は電圧が一層低くなる傾向が
あり、例えば集積回路設計は現在、１．８Ｖから１．５
Ｖに移行しつつある。この傾向は、前述の重大な雑音要
因を一層重大にする。こうした雑音要因を相殺しようと
する現方法には、２．４Ｖの特殊な電源電圧を発振器自
身に提供するものが含まれる。しかしながら、こうした
方法は、６００ＭＨｚ乃至８００ＭＨｚの範囲で失敗し
始める。
【００１９】前述の雑音源問題を有さない、他のタイプ
の能動発振器を開発する試みが成された。開発された１
つのこうしたタイプの発振器は、表面弾性波（ＳＡＷ：
surface acoustical wave）発振器である。ＳＡＷタイ
プ発振器は、非常に高いＱ値を有し、非常に正確となる
傾向がある。しかしながら、こうしたＳＡＷタイプ発振
器は、実際的な問題が無い訳ではない。例えば、１）Ｓ
ＡＷタイプ発振器は一般に、２チップ構成を要求し、こ
のことはデータ処理システムの状況においては、非常に
不都合である。２）一部の製造業者は現在、１．２ＧＨ
ｚまでのＳＡＷタイプ発振器を提供しているが、ＳＡＷ
タイプ発振器は、２００ＭＨｚ乃至８００ＭＨｚの範囲
内の周波数に最良に同調される。３）ＳＡＷタイプ発振
器は温度変化に非常に敏感である。４）こうしたＳＡＷ
タイプ発振器の周波数出力は、温度により変化する傾向
がある。５）ＳＡＷタイプ発振器は通常、可同調性を有
さず、このことはＳＡＷタイプ発振器が、１周波数専用
形式に帰することができないことを意味する。更に、Ｓ
ＡＷタイプ発振器はかなり高価となる傾向があり、特に
非常に高い周波数範囲においてそのようになる。
【００２０】以上のことを鑑み、かなり低い電圧レベル
で動作可能で、集積回路チップ上で実現可能であり、電
子発振器と共に使用されるように適応化され、かなり高
いＱ値、及びそれに対応して、低い時間域"ジッタ"を有
するこうした発振器を提供する、改善されたインダクタ
を生成する方法及び装置が待望される。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、かなり低い電圧レベルで動作可能で、集積回路チッ
プ上で実現可能であり、電子発振器と共に使用されるよ
うに適応化され得る、改善されたインダクタを生成する
方法及び装置を提供することである。
【００２２】本発明の別の目的は、かなり低い電圧レベ
ルで動作可能で、集積回路チップ上で実現可能であり、
電子発振器と共に使用されるように適応化され、電子発
振器の改善されたＱ値、及びそれに対応して低い時間
域"ジッタ"を提供する、改善されたインダクタを生成す
る方法及び装置を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】これらの目的が、電子発
振器と共に使用されるように適応化され得る、改善され
たインダクタを生成する方法及び装置を提供することに
より達成される。本方法は、少なくとも次のステップ、
すなわち、集積回路基板内に第１のコイルを形成するス
テップと、第１のコイルからの磁束が第２のコイルから
の磁束と結合するように、集積回路基板内に、第１のコ
イルに接近して第２のコイルを形成するステップと、第
１の電力源を第１のコイルに接続するステップと、第２
の電力源を第２のコイルに接続するステップと、第１及
び第２のコイル内の電流が整合するように、第１及び第
２の電力源を活動化するステップとを含む。本装置は少
なくとも、基板と、基板内に形成され、第１のコイル・
インダクタンス及び第１のコイル抵抗を有する第１のコ
イルと、第２のコイル・インダクタンス及び第２のコイ
ル抵抗を有する第２のコイルとを少なくとも有する、複
合インダクタとを含む。第１のコイル及び第２のコイル
は、第１のコイル内の電流が第２のコイル内の電流と整
合するとき、第１のコイル・インダクタンスよりも大き
な第１のコイルと関連付する新たなインダクタンスが生
成されるように、基板内に形成される。本装置は、集積
回路内で実現される発振器を形成するために使用され、
これは本装置を、基板内に形成される少なくとも１つの
コンデンサと電気的に接続し、電子発振器を形成するこ
とにより達成される。
【００２４】
【発明の実施の形態】従来の技術の欄で述べたように、
低電圧レベルで動作し、非常に高い周波数で同調出力を
生成し、かなり高いＱ値、及びそれに対応して低い時間
域"ジッタ"を有する、能動発振器を製造する試みが成さ
れた。同様に、"リング"・タイプ発振器及びＳＡＷタイ
プ発振器のいずれも、現在実際には、こうした低電圧レ
ベル、非常に高い周波数の同調出力、及びかなり高いＱ
値または低い時間域"ジッタ"を達成できないことについ
ても述べた。
【００２５】本発明の１実施例は、こうした低い電圧レ
ベル、非常に高い周波数の同調出力、及びかなり高いＱ
値または低い時間域"ジッタ"を達成する。しかしなが
ら、本実施例は、ＳＡＷタイプ発振器も"リング"・タイ
プ発振器も使用しない。代わりに本実施例は、ＬＣ（イ
ンダクタンス−キャパシタンス）共振器を使用する方法
及び装置である。
【００２６】本実施例は、集積回路内で生成され、タン
ク回路のように作用する発振器を生成する、インダクタ
ンス及びキャパシタンスを利用する。本実施例は、使用
可能な周波数に分割され得る高周波発振を生成する。本
実施例は、ＣＭＯＳ（相補金属酸化物半導体）集積回路
内で実現され得る。本実施例は、低い電圧で動作可能
で、極めて高い周波数範囲（２ＧＨｚ乃至４ＧＨｚに及
ぶ周波数を含む）を提供し、良好な可同調性、かなり低
い時間域"ジッタ"、及びかなり高いＱ値を有し、現在１
μｍ領域のＣＭＯＳ内で実現され得る発振器を提供す
る。
【００２７】図１を参照すると、同調発振器若しくは同
調ＬＣ発振器、または平衡２相同調ＬＣ発振器と呼ばれ
る、典型的なＬＣ発振器回路が示される。図１に示され
る回路を、集積回路チップ内で実現することが望まし
い。しかしながら、本発明では、こうしたことが実現可
能でない。なぜなら、大きなインダクタを集積回路チッ
プ上で実現しようとすると、大きなインダクタと直列
に、それと対応して大きな抵抗が現れるからである。従
って、図１に示されるＬＣ発振器回路を実際に実現しよ
うとすると、実際には所望のＬＣ発振器回路ではなく、
図２に示されるような、ＲＬＣ発振器回路が達成され
る。意図しない抵抗Ｒが、この抵抗が存在しなかったな
らば（すなわちＬＣ成分だけが存在したならば）達成さ
れたはずの、Ｑ値を低下させる効果を有する。本発明無
しでは、こうした受動ＬＣ発振器回路の実現を不可能に
するのは、本質的にこの意図しない抵抗Ｒである。
【００２８】前述のように、本発明の目的は、図２に示
されるような付随する抵抗無しに、集積回路チップ内
で、図１に示されるような典型的なＬＣ発振器回路の実
現を達成することである。図１に示されるＬＣ発振器回
路の実用的な近似が、抵抗Ｒをかなり低く維持しなが
ら、かなり高レベルのインダクタンスＬを達成する方法
を見い出すことにより、達成され得ることが判明した。
【００２９】本明細書の導入部分で述べたように、能動
発振器を構成する目的は、できる限り数理的な理想発振
器に近い近似を達成することである。数理的な理想発振
器は、それらの全てのエネルギを所定の制御周波数に集
中するので（すなわち時間域ジッタを有さない）、無限
のＱ値を有する。しかしながら、図２に示されるような
並列共振回路（または等価的にＲＬＣ発振器）では、こ
うした回路または発振器のＱ値に対する数式は、次式に
より近似される。
【数１】 Ｑ＝ω0*Ｌ／Ｒ （１）
【００３０】従って、式（１）は、数理的な理想発振器
をきっちり近似するためには、大きなインダクタンス
Ｌ、及び小さな抵抗Ｒを達成することが望ましいことを
明らかにする。本発明は、大きなＬまたは小さなＲを可
能にする。このことが達成された実施例について後述す
る。この実施例は、単一の上部金属平面内に、または２
つ以上の平面内に（すなわちチップが多層構造の場
合）、スパイラルのようなインダクタを生成するステッ
プを含み、後者の場合、同一のインダクタが並列に接続
される。
【００３１】図３を参照すると、集積回路基板材料３０
２（例えばＣＭＯＳ）内で実現されるスパイラル・イン
ダクタ３００の斜視図が示される。スパイラル・インダ
クタ３００は、表面線３０４及びバイア３０７により周
知のように活動化されるように示される。図３ではま
た、スパイラル・インダクタ３００を形成するコイル
が、外スパイラル・コイル３０３と、内スパイラル・コ
イル３０５とにグループ化されるように示される。
【００３２】次に、図４及び図５を参照すると、図４は
図３に示されるスパイラル・インダクタに関連付けられ
る回路図を示す。スパイラル・インダクタは、それが所
定の大きさ及び周波数の電流Ｉを生成する電流源３０９
により駆動されるとき、抵抗Ｒ１ ３０６及びインダク
タンスＬ１ ３０８を有するように示される。図５は、
Ｒ１ ３０６及びＬ１ ３０８が、概念的に、外スパイ
ラル・コイル３０３に関連付けられる抵抗Ｒo３１０及
びインダクタンスＬo３１２と、内スパイラル・コイル
３０５に関連付けられる抵抗Ｒi３１４及びインダクタ
ンスＬi３１６とに分離されるように示される（Ｒ１
３０６＝Ｒo３１０＋Ｒi３１４、Ｌ１ ３０８＝Ｌo３
１２＋Ｌi３１６）。
【００３３】図６乃至図９は、ＬＣ発振器のＱ値の改善
を生成するために使用される、新たなタイプのスパイラ
ル・インダクタを生成する本発明の１実施例を示す。図
６乃至図９の実施例は、高インダクタンス及び非常に低
い抵抗を有する、優れたスパイラル・インダクタの生成
を可能にすることにより、これを達成する。これを達成
する技術は、ここでは"レプリカ・シールディング"と呼
ばれる。この技術が図６及び図７に示される。
【００３４】図６を参照すると、本発明に従い変更され
た、スパイラル・インダクタの上から見た斜視図が示さ
れる。
【００３５】図６では、複合スパイラル・インダクタ４
００が集積回路基板材料３０２内で実現されるように示
される。複合スパイラル・インダクタ４００は、外スパ
イラル・コイル４０２と内スパイラル・コイル４０４と
から構成される。外スパイラル・コイル４０２及び内ス
パイラル・コイル４０４は、それらが図３に一続きのコ
イルとして表されるスパイラル・コイル・インダクタ３
００の、外スパイラル・コイル３０３及び内スパイラル
・コイル３０５をきっちり近似するように、同一平面内
に幾何学的に配列される。外スパイラル・コイル４０２
は、表面線４０６及びバイア４０８により活動化される
ように示される。更に、内スパイラル・コイル４０４
は、バイア４１０及びバイア４１２により活動化される
ように示される。
【００３６】図７は、図６に示される複合スパイラル・
インダクタ４００に関連付けられる回路図を示す。外ス
パイラル・コイル４０２は、所定の大きさ及び周波数で
動作する電流源により駆動されるとき、抵抗Ｒ２ ４１
４及びインダクタンスＬ２４１６を有するように示され
る。同様に、内スパイラル・コイル４０４は、所定の大
きさ及び周波数で動作する電流源により駆動されると
き、抵抗Ｒ３ ４２０及びインダクタンスＬ３ ４２２
を有するように示される。複合インダクタ４００の構造
が、高いＱ値を有する発振器を提供するために使用され
る、かなり高いインダクタンスＬ、及びかなり低い抵抗
Ｒを有するインダクタを生成するために使用され得るこ
とが判明した。
【００３７】図８は、外スパイラル・コイル４０２及び
内スパイラル・コイル４０４が活動化され、高いＱ値を
有する発振器を提供するために使用される、かなり高い
インダクタンスＬ及びかなり低い抵抗Ｒを有するインダ
クタを生成する様子を示す図である。図８には、外スパ
イラル・コイル４０２が、電流Ｉoを生成する電流源４
２８により駆動され、内スパイラル・コイル４０４が、
電流Ｉiを生成する電流ミラー４３０により駆動される
ように示される。
【００３８】電流ミラー４３０は、電流源４２８を模倣
した電源である（好適な実施例では、こうした模倣にお
ける重大な要素は、１）電流Ｉiの方向及び位相が、電
流Ｉoの方向及び位相を可能な限り模倣し、２）Ｉiの大
きさが、Ｉoの大きさ以上であるように保証することで
あることが判明した）。すなわち、好適な実施例では、
内スパイラル・コイル４０４が、外スパイラル・コイル
４０２を駆動する電流Ｉ oと少なくとも同じ大きさで、
同位相を有する、電流Ｉoと整合したミラー電流Ｉ iによ
り駆動される。
【００３９】説明の都合上、電流Ｉ、Ｉo及びＩiの大き
さ、位相及び方向が、全て等しくされると仮定する。外
スパイラル・コイル４０２及び内スパイラル・コイル４
０４に流れる電流の大きさ、方向及び位相を一致させる
考えは、ほぼ同じ電流Ｉが、図５の電流源３０９によ
り、一続きのスパイラル・コイル３００の対応する外ス
パイラル・コイル３０３及び内スパイラル・コイル３０
５に駆動されることに等価であることが理解される。こ
れは、磁束の観点からいえば、外スパイラル・コイル４
０２と内スパイラル・コイル４０４間の鎖交磁束が結合
し、外スパイラル・コイル３０３に関連付けられる外ス
パイラル・コイル・インダクタンスＬo３１２にほぼ等
しい、外スパイラル・コイル４０２の有効インダクタン
スと、内スパイラル・コイル３０５に関連付けられる内
スパイラル・コイル・インダクタンスＬi３１６にほぼ
等しい、内スパイラル・コイル４０４の有効インダクタ
ンスとを生成するという点で、重要なポイントである。
更に、外スパイラル・コイル３０３、内スパイラル・コ
イル３０５、外スパイラル・コイル４０２、及び内スパ
イラル・コイル４０４内のコイルの数が等しいと仮定す
ると、Ｌo３１２がほぼＬi３１６に等しく、従って、外
スパイラル・コイル４０２及び内スパイラル・コイル４
０４の対応するインダクタンスが、ほぼ等しいことがわ
かる。
【００４０】当業者であれば、一続きのスパイラル・イ
ンダクタ３００が電流Ｉにより駆動されるとき、一続き
のスパイラル・インダクタ３００の中心の磁場が非常に
高いことが理解できよう。なぜなら、あらゆるスパイラ
ルが磁場を中心領域に結合するからである。磁場が高い
とき、一続きのスパイラル・インダクタ３００の内側の
巻線内のローカル電流密度も、非常に高くなる。電流は
ワイヤ断面内において、中心の巻線に集中する傾向があ
る。この抵抗は、電流と磁場との相互作用から生じる。
中心から離れるほど、各ワイヤ内の電流密度はより一様
になる。従って、内スパイラル・コイル抵抗Ｒi３１４
は、一続きのスパイラル・インダクタ３００の外スパイ
ラル・コイル抵抗Ｒo３１０による抵抗寄与分に比較し
て、はるかに大きな抵抗寄与分を有する。
【００４１】複合スパイラル・インダクタ４００の電磁
環境が、電流源３０９により駆動される一続きのスパイ
ラル・インダクタ３００の電磁環境にほぼ近くなるよう
に、電流源４２８及び４３０が調整されたので、外スパ
イラル・コイル４０２の有効抵抗が、外スパイラル・コ
イル３０３に関連付けられる外スパイラル・コイル抵抗
Ｒo３１０にほぼ等しく、内スパイラル・コイル４０４
の有効抵抗が、内スパイラル・コイル３０５に関連付け
られる内スパイラル・コイル抵抗Ｒi３１４にほぼ等し
い。従って、内スパイラル・コイル抵抗Ｒi３１４が、
外スパイラル・コイル抵抗Ｒo３１０よりも、遥かに大
きくなる傾向がある。
【００４２】前述の有用性は、抵抗の付随する増加を伴
うことなく、外スパイラル・コイル４０２のインダクタ
ンスを増加させることである。当業者であれば、スパイ
ラル・インダクタに関して述べたこれらの抵抗性損失の
一部を、スパイラル間の間隔を増加することにより軽減
できることが理解できよう。しかしながら、この手法
は、高インダクタンスを得るために巻き数が増加する
と、コイル幅が広くなり、コイルを集積回路環境におい
て有効に使用できなくなる傾向がある。更に、当業者で
あれば、巻き数が増加すると、基板損失が増加すること
が理解できよう。なぜなら、基板損失は体積に関連する
からである。このことは、一続きのスパイラル・インダ
クタ３００のサイズに対して、上限を設定する傾向があ
る。従って、一続きのインダクタ３００のサイズに対し
て、実用的な上限及び下限が存在する。下限は主に、内
側のコイルに集中する電流により影響されることが判明
した。図８に示される構造は、一続きのインダクタの内
側の巻線に関連付けられる抵抗を生じることなく、同様
の巻き数の一続きのインダクタのインダクタンスに近い
インダクタを生成する方法を示すものである。
【００４３】後述のように、複合スパイラル・インダク
タ４００の構造は、本発明のこうした実施例を伴わない
場合よりも、高いＱ値を有する発振器を達成するために
使用され得る。このことが真実である理由が、式（１）
を参照することにより理解される。式（１）で示される
ように、発振器のＱ値は、Ｌ／Ｒ（インダクタンス対抵
抗）の比率に直接依存する。前述のように動作する一続
きのスパイラル・インダクタ３００では、この比率は次
のように書き表すことができる。
【数２】（Ｌ／Ｒ）一続キノインタ゛クタ＝（（Ｌ１ ３０８）
／（（Ｒ１ ３０６））
【００４４】或いは、外スパイラル・コイル３０３及び
内スパイラル・コイル３０５に関連付けられる値に関し
て、次のように表すことができる。
【数３】（Ｌ／Ｒ）一続キノインタ゛クタ＝（（ＬO３１２＋Ｌi
３１６）／（（Ｒo３１０＋Ｒi３１４））
【００４５】更に、前述の場合では、ＬO３１２がほぼ
Ｌi３１６に等しいので、（Ｌ／Ｒ）一続キノインタ゛クタは、
次のように書き表される。
【数４】（Ｌ／Ｒ）一続キノインタ゛クタ＝（（２ＬO３１２）
／（（Ｒo３１０＋Ｒi３１４））
【００４６】外コイル４０２を、図１０及び図１１に関
連して後述するように、発振器コイルとして使用するこ
とにより、こうした発振器のＬ／Ｒ比率が次のように書
き表される。
【数５】（Ｌ／Ｒ）外コイル・インタ゛クタ＝（（ＬO３１２）／
（（Ｒo３１０））
【００４７】或いは、等価的に次のように書き表すこと
もできる。
【数６】（Ｌ／Ｒ）外コイル・インタ゛クタ＝（（２ＬO３１２）
／（（Ｒo３１０＋Ｒo３１０））
【００４８】Ｒi３１４が常時Ｒo３１０よりも大きいこ
とは、既に述べた。従って、（Ｌ／Ｒ）一続キノインタ゛クタと
（Ｌ／Ｒ）外コイル・インタ゛クタの比較は、（Ｌ／Ｒ）外
コイル・インタ゛クタが常時、（Ｌ／Ｒ）一続キノインタ゛クタよりも大き
いことを明らかにする。それ故、Ｑ＝ω0*Ｌ／Ｒである
ので、誘導成分として、図８に関連して前述したように
動作する複合インダクタ４００の外コイル４０２を使用
する発振器のＱ値が、一続きのインダクタ３００を誘導
成分として使用する発振器のＱ値よりも、常に大きくな
る。
【００４９】図９を参照すると、図８に示される回路の
回路図が示される。外スパイラル・コイル４０２が、外
スパイラル・コイル抵抗Ｒo３１０にほぼ等しい有効抵
抗Ｒ４ ４３４、及び外スパイラル・コイル・インダク
タンスＬo３１２にほぼ等しいインダクタンスＬ４ ４
３６を有するように示される。また、内スパイラル・コ
イル４０４は、内スパイラル・コイル抵抗Ｒi３１４に
ほぼ等しい抵抗Ｒ５４３９、及び内スパイラル・コイル
・インダクタンスＬi３１６にほぼ等しいインダクタン
スＬ５ ４４１を有するように示される。
【００５０】図９と併せて、図８に示される構成は、一
続きのスパイラル・インダクタ３００のほとんどの抵抗
を、内スパイラル・コイル４０４の抵抗Ｒ５ ４３９に
集中し、外スパイラル・コイル４０２の抵抗Ｒ４ ４３
４を、かなり低く維持する。すなわち、図８に示される
構造では、電流ミラー４３０により駆動される内コイル
４０４から成る"レプリカ回路"の使用により、大半の損
失が内コイル４０４内で生成される。内コイル４０４は
発振器インダクタンスの一部ではない。
【００５１】図１０を参照すると、図６乃至図９で示さ
れた実施例が、改善されたＬＣ発振器を提供するために
使用される様子を示す、部分的に図式的な擬似回路図が
示される。図１０では、ＬＣ発振器５００が示される。
ＬＣ発振器５００は本質的に、図２に示される発振器で
あるが、図２の発振器の抵抗成分及び誘導成分が、図８
に示される実施例により置換される。
【００５２】図１０では、外コイル４０２及び内コイル
４０４が平面図で示される。発振器電流は電源Ｖdd５０
２から供給される。電源Ｖddは、外スパイラル・コイル
４０２に直接電流を供給するだけの前述の電流源４２８
の場合と類似に、電流を外スパイラル・コイル４０２に
供給する。電流ミラー源（図示せず）は、前述の電流源
４２８の場合と類似に、整合した電流を内スパイラル・
コイル４０４に供給する作用をする。電流ミラー源は、
各内スパイラル・コイル４０４の電流が、その対応する
外スパイラル・コイル４０２の電流に等しいかより大き
く、方向が同一であり、同位相であるように、内スパイ
ラル・コイル４０４を駆動するために使用される。ＬＣ
発振器５００の残りの部分は、図２に示されるものと同
様である。
【００５３】当業者であれば、内コイル４０４及び外コ
イル４０２の対に流れる電流に関して、内コイル４０４
の電流が、外コイル４０２の電流に等しいかより大き
く、同一方向であり、同位相であるように、ミラー電流
源を構成する多くの方法が存在することが理解できよ
う。１つのこうした方法は、直交発振器及び直交位相に
より制御される電流源を使用し、内コイル及び外コイル
対の各々に流れる電流の位相が一致するように電流を生
成する。これについては、１９９８年１月２６日付けの
係属中の米国特許出願第０１３２８０号、"Apparatus a
nd Method for Frequency Tuning a LC Oscillator In
a Integrated Circuit"で開示されている。
【００５４】図１１を参照すると、図１０の部分的に図
式的な回路図に等価な回路図が示される。結果の回路図
は本質的に、図２の回路図と同一であるが、図２に示さ
れる回路図のインダクタが、図９の外コイル４０２に対
して示される結果の等価回路により置換される。
【００５５】本発明は特定の実施例に関連して述べられ
てきたが、当業者であれば、本発明の趣旨及び範囲から
逸れることなく、その形態及び詳細において、前述の及
び他の変更が可能であることが理解できよう。
【００５６】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【００５７】（１）基板と、第１のコイル・インダクタ
ンス及び第１のコイル抵抗を有する第１のコイルと、第
２のコイル・インダクタンス及び第２のコイル抵抗を有
する第２のコイルとを少なくとも有し、前記第１のコイ
ル及び前記第２のコイルが、前記第１のコイル内の電流
が前記第２のコイル内の電流と整合するとき、前記第１
のコイル・インダクタンスよりも大きな前記第１のコイ
ルと関連付する新たなインダクタンスが生成されるよう
に、基板内に形成される、複合インダクタとを含む、集
積回路。 （２）前記複合インダクタが、前記第１のコイル内の電
流が前記第２のコイル内の電流と整合するとき、前記第
１のコイル抵抗以下の前記第１のコイルと関連付する新
たな抵抗を含む、前記（１）記載の集積回路。 （３）前記第１のコイルが、前記基板内に形成される外
スパイラル・コイルを含む、前記（１）記載の集積回
路。 （４）前記第２のコイルが、前記基板内に形成される内
スパイラル・コイルを含み、前記内スパイラル・コイル
が、前記外スパイラル・コイルと平行に、前記外スパイ
ラル・コイルに取り囲まれて形成され、前記外スパイラ
ル・コイルの磁束が前記内スパイラル・コイルの磁束に
結合される、前記（３）記載の集積回路。 （５）前記外スパイラル・コイルに電気的に接続され、
前記外スパイラル・コイル内に電流を生成する第１の電
力源と、前記内スパイラル・コイルに電気的に接続さ
れ、前記内スパイラル・コイル内に、前記第１の電力源
により前記外スパイラル・コイル内に生成される前記電
流と整合した電流を生成する第２の電力源とを含む、前
記（４）記載の集積回路。 （６）前記第１及び第２の電力源が導出される直交電流
生成電力源を含む、前 記（５）記載の集積回路。 （７）集積回路で実施される発振器であって、基板と、
第１のコイル・インダクタンス及び第１のコイル抵抗を
有する第１のコイルと、第２のコイル・インダクタンス
及び第２のコイル抵抗を有する第２のコイルとを少なく
とも有し、前記第１のコイル及び前記第２のコイルが、
前記第１のコイル内の電流が前記第２のコイル内の電流
と整合するとき、前記第１のコイル・インダクタンスよ
りも大きな前記第１のコイルと関連付する新たなインダ
クタンスが生成されるように、基板内に形成される、複
合インダクタと、前記複合インダクタの前記第１のコイ
ルと電気的に接続され、電子発振器を形成する、前記基
板内に形成される少なくとも１つのコンデンサとを含
む、発振器。 （８）前記複合インダクタが、前記第１のコイル内の電
流が前記第２のコイル内の電流と整合するとき、前記第
１のコイル抵抗以下の前記第１のコイルと関連付する新
たな抵抗を含む、前記（７）記載の発振器。 （９）前記第１のコイルが、前記基板内に形成される外
スパイラル・コイルを含む、前記（７）記載の発振器。 （１０）前記第２のコイルが、前記基板内に形成される
内スパイラル・コイルを含み、前記内スパイラル・コイ
ルが、前記外スパイラル・コイルと平行に、前記外スパ
イラル・コイルに取り囲まれて形成され、前記外スパイ
ラル・コイルの磁束が前記内スパイラル・コイルの磁束
に結合される、前記（９）記載の発振器。 （１１）前記外スパイラル・コイルに電気的に接続さ
れ、前記外スパイラル・コイル内に電流を生成する第１
の電力源と、前記内スパイラル・コイルに電気的に接続
され、前記内スパイラル・コイル内に、前記第１の電力
源により前記外スパイラル・コイル内に生成される前記
電流と整合した電流を生成する第２の電力源とを含む、
前記（１０）記載の発振器。 （１２）前記第１及び第２の電力源が導出される直交電
流生成電力源を含む、前記（１１）記載の発振器。 （１３）集積回路基板内に、第１のコイル・インダクタ
ンス及び第１のコイル抵抗を有する第１のコイルと、第
２のコイル・インダクタンス及び第２のコイル抵抗を有
する第２のコイルとを形成する方法であって、前記第１
のコイル・インダクタンスよりも大きな前記第１のコイ
ルと関連付する新たなインダクタンスが生成され、前記
第１のコイル抵抗以下の前記第１のコイルと関連付する
新たな抵抗が生成されるものにおいて、前記集積回路基
板内に前記第１のコイルを形成するステップと、前記第
１のコイルからの磁束が前記第２のコイルからの磁束と
結合するように、前記集積回路基板内に、前記第１のコ
イルに接近して前記第２のコイルを形成するステップ
と、第１の電力源を前記第１のコイルに接続するステッ
プと、第２の電力源を前記第２のコイルに接続するステ
ップと、前記第１及び第２のコイル内の電流が整合する
ように、前記第１及び第２の電力源を活動化するステッ
プとを含む、方法。 （１４）前記第１のコイルを形成するステップが、外ス
パイラル・コイルを形成するステップを含む、前記（１
３）記載の方法。 （１５）前記第２のコイルを形成するステップが、前記
外スパイラル・コイルに平行で、前記外スパイラル・コ
イルに取り囲まれる内スパイラル・コイルを形成するス
テップを含む、前記（１４）記載の方法。 （１６）少なくとも１つのコンデンサを前記外スパイラ
ル・コイルに電気的に接続するステップと、前記外スパ
イラル・コイルに電気接続される前記少なくとも１つの
コンデンサに、電源を入力として接続し、発振器を形成
するステップとを含む、前記（１５）記載の方法。 （１７）前記接続するステップが、同調発振器を形成す
るステップを含む、前記（１６）記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的なＬＣ発振器回路を示す図である。
【図２】ＲＬＣ構造を示す図である。
【図３】集積回路基板材料３０２内で実現されるスパイ
ラル・インダクタ３００の斜視図である。
【図４】図３に示されるスパイラル・インダクタに関連
付けられる回路図である。
【図５】Ｒ１ ３０６及びＬ１ ３０８が概念的に、外
スパイラル・コイル３０３に関連付けられる抵抗Ｒo３
１０及びインダクタンスＬo３１２と、内スパイラル・
コイル３０５に関連付けられる抵抗Ｒi３１４及びイン
ダクタンスＬi３１６とに分離された様子を示す図であ
る（ここでＲ１ ３０６＝Ｒo３１０＋Ｒi３１４、Ｌ１
３０８＝Ｌo３１２＋Ｌi３１６）。
【図６】本発明に従い変更されたスパイラル・インダク
タの上からみた斜視図である。
【図７】図６に示されるスパイラル・インダクタ４００
に関連付けられる回路図である。
【図８】外スパイラル・コイル４０２及び内スパイラル
・コイル４０４が活動化され、高いＱ値を有する発振器
を提供するために使用される、かなり高いインダクタン
スＬ及びかなり低い抵抗Ｒを有するインダクタを生成す
る様子を示す図である。
【図９】図８に示される回路の回路図である。
【図１０】図６乃至図９で示された実施例が、改善され
たＬＣ発振器を提供するために使用される様子を示す、
部分的に図式的な擬似回路図である。
【図１１】図１０の部分的に図式的な回路図に等価な回
路図である。
【符号の説明】
３００ スパイラル・インダクタ ３０２ 集積回路基板材料 ３０３、４０２ 外スパイラル・コイル ３０４、４０６ 表面線 ３０５、４０４ 内スパイラル・コイル ３０７、４０８、４１０、４１２ バイア ３０９、４２８ 電流源 ４００ 複合スパイラル・インダクタ ４３０ 電流ミラー ５００ ＬＣ発振器

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板と、 第１のコイル・インダクタンス及び第１のコイル抵抗を
    有する第１のコイルと、第２のコイル・インダクタンス
    及び第２のコイル抵抗を有する第２のコイルとを少なく
    とも有し、前記第１のコイル及び前記第２のコイルが、
    前記第１のコイル内の電流が前記第２のコイル内の電流
    と整合するとき、前記第１のコイル・インダクタンスよ
    りも大きな前記第１のコイルと関連付する新たなインダ
    クタンスが生成されるように、基板内に形成される、複
    合インダクタとを含む、集積回路。
  2. 【請求項２】前記複合インダクタが、前記第１のコイル
    内の電流が前記第２のコイル内の電流と整合するとき、
    前記第１のコイル抵抗以下の前記第１のコイルと関連付
    する新たな抵抗を含む、請求項１記載の集積回路。
  3. 【請求項３】前記第１のコイルが、前記基板内に形成さ
    れる外スパイラル・コイルを含む、請求項１記載の集積
    回路。
  4. 【請求項４】前記第２のコイルが、前記基板内に形成さ
    れる内スパイラル・コイルを含み、前記内スパイラル・
    コイルが、前記外スパイラル・コイルと平行に、前記外
    スパイラル・コイルに取り囲まれて形成され、前記外ス
    パイラル・コイルの磁束が前記内スパイラル・コイルの
    磁束に結合される、請求項３記載の集積回路。
  5. 【請求項５】前記外スパイラル・コイルに電気的に接続
    され、前記外スパイラル・コイル内に電流を生成する第
    １の電力源と、 前記内スパイラル・コイルに電気的に接続され、前記内
    スパイラル・コイル内に、前記第１の電力源により前記
    外スパイラル・コイル内に生成される前記電流と整合し
    た電流を生成する第２の電力源とを含む、請求項４記載
    の集積回路。
  6. 【請求項６】前記第１及び第２の電力源が導出される直
    交電流生成電力源を含む、請求項５記載の集積回路。
  7. 【請求項７】集積回路で実施される発振器であって、 基板と、 第１のコイル・インダクタンス及び第１のコイル抵抗を
    有する第１のコイルと、第２のコイル・インダクタンス
    及び第２のコイル抵抗を有する第２のコイルとを少なく
    とも有し、前記第１のコイル及び前記第２のコイルが、
    前記第１のコイル内の電流が前記第２のコイル内の電流
    と整合するとき、前記第１のコイル・インダクタンスよ
    りも大きな前記第１のコイルと関連付する新たなインダ
    クタンスが生成されるように、基板内に形成される、複
    合インダクタと、 前記複合インダクタの前記第１のコイルと電気的に接続
    され、電子発振器を形成する、前記基板内に形成される
    少なくとも１つのコンデンサとを含む、発振器。
  8. 【請求項８】前記複合インダクタが、前記第１のコイル
    内の電流が前記第２のコイル内の電流と整合するとき、
    前記第１のコイル抵抗以下の前記第１のコイルと関連付
    する新たな抵抗を含む、請求項７記載の発振器。
  9. 【請求項９】前記第１のコイルが、前記基板内に形成さ
    れる外スパイラル・コイルを含む、請求項７記載の発振
    器。
  10. 【請求項１０】前記第２のコイルが、前記基板内に形成
    される内スパイラル・コイルを含み、前記内スパイラル
    ・コイルが、前記外スパイラル・コイルと平行に、前記
    外スパイラル・コイルに取り囲まれて形成され、前記外
    スパイラル・コイルの磁束が前記内スパイラル・コイル
    の磁束に結合される、請求項９記載の発振器。
  11. 【請求項１１】前記外スパイラル・コイルに電気的に接
    続され、前記外スパイラル・コイル内に電流を生成する
    第１の電力源と、 前記内スパイラル・コイルに電気的に接続され、前記内
    スパイラル・コイル内に、前記第１の電力源により前記
    外スパイラル・コイル内に生成される前記電流と整合し
    た電流を生成する第２の電力源とを含む、請求項１０記
    載の発振器。
  12. 【請求項１２】前記第１及び第２の電力源が導出される
    直交電流生成電力源を含む、請求項１１記載の発振器。
  13. 【請求項１３】集積回路基板内に、第１のコイル・イン
    ダクタンス及び第１のコイル抵抗を有する第１のコイル
    と、第２のコイル・インダクタンス及び第２のコイル抵
    抗を有する第２のコイルとを形成する方法であって、前
    記第１のコイル・インダクタンスよりも大きな前記第１
    のコイルと関連付する新たなインダクタンスが生成さ
    れ、前記第１のコイル抵抗以下の前記第１のコイルと関
    連付する新たな抵抗が生成されるものにおいて、 前記集積回路基板内に前記第１のコイルを形成するステ
    ップと、 前記第１のコイルからの磁束が前記第２のコイルからの
    磁束と結合するように、前記集積回路基板内に、前記第
    １のコイルに接近して前記第２のコイルを形成するステ
    ップと、 第１の電力源を前記第１のコイルに接続するステップ
    と、 第２の電力源を前記第２のコイルに接続するステップ
    と、 前記第１及び第２のコイル内の電流が整合するように、
    前記第１及び第２の電力源を活動化するステップとを含
    む、方法。
  14. 【請求項１４】前記第１のコイルを形成するステップ
    が、外スパイラル・コイルを形成するステップを含む、
    請求項１３記載の方法。
  15. 【請求項１５】前記第２のコイルを形成するステップ
    が、前記外スパイラル・コイルに平行で、前記外スパイ
    ラル・コイルに取り囲まれる内スパイラル・コイルを形
    成するステップを含む、請求項１４記載の方法。
  16. 【請求項１６】少なくとも１つのコンデンサを前記外ス
    パイラル・コイルに電気的に接続するステップと、 前記外スパイラル・コイルに電気接続される前記少なく
    とも１つのコンデンサに、電源を入力として接続し、発
    振器を形成するステップとを含む、請求項１５記載の方
    法。
  17. 【請求項１７】前記接続するステップが、同調発振器を
    形成するステップを含む、請求項１６記載の方法。
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