JPWO2003010881A1 - 発振器 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、受信機等に用いられる発振器に関する。
背景技術
スーパーヘテロダイン方式を採用した一般の受信機は、アンテナを介して受信した変調波信号を高周波増幅した後に周波数混合回路を用いて周波数変換を行っており、所定の周波数を有する中間周波信号に変換した後に復調処理を行っている。
特に、最近では、受信機の構成部品をCMOSプロセスあるいはMOSプロセスで半導体基板上に一体形成する技術の研究が進んでいる。CMOSプロセスあるいはMOSプロセスを用いて1チップ上に各種の回路を形成することにより、装置全体の小型化やコスト低減等が可能になるため、1チップ上に形成される範囲が今後拡大すると考えられる。
ところで、発振器の出力を周波数成分に着目すると、図10に示すように、周波数f0の理想的な出力スペクトルに対してその両側にノイズサイドバンドが現れる。このノイズサイドバンドは、理想的な発振器スペクトル成分に低周波ノイズである1/fノイズが重畳したものであり、主に位相ノイズと周波数ノイズからなっている。特に、バイポーラトランジスタに比べてMOS型のFETは1/fノイズ成分が多いため、発振器出力に現れるノイズサイドバンドも多くなる。したがって、このような発振器を局部発振器として用いると、周波数変換後の中間周波信号にも多くのノイズ成分が重畳することになり、SN比の悪化による受信品質の劣化を招くことになる。
発明の開示
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、CMOSプロセスあるいはMOSプロセスを用いて形成した場合のノイズ成分を低減することができる発振器を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の発振器は、トランジスタを含む構成部品がCMOSプロセスあるいはMOSプロセスを用いて半導体基板上に一体形成されており、このトランジスタをpチャネル型のFETを用いて形成している。発振器に含まれるトランジスタを移動度の小さなpチャネル型のFETとすることにより、トランジスタにおいて発生する1/fノイズ自体を少なくすることができるため、発振器出力に重畳するノイズサイドバンドを低減することができる。
また、上述した半導体基板にはNウェルが形成されており、このNウェル上に構成部品が形成されていることが望ましい。pチャネル型のFETを含む周波数混合回路の全部品をNウェル上に形成することにより、Nウェルとその下の半導体基板との間にpn接合面が形成されるため、この接合面を介してノイズ電流が流れることを防止することが可能になり、発振器において発生したノイズが半導体基板を通して他の部品に回り込むことを防止することができる。
また、上述した半導体基板上であって、構成部品の周囲にガードリングが形成されていることが望ましい。これにより、発振器において発生したノイズが半導体基板を通して他の部品に回り込むことをさらに有効に防止することができる。
また、上述した構成部品の周囲に、半導体基板表面からNウェルよりも深い位置までガードリングが形成されていることが望ましい。ガードリングをNウェルよりも深い位置まで形成することにより、このガードリングを越えてNウェル上に形成された部品と外部の部品との間で回り込む低周波領域のノイズを除去することができる。
また、一方端が交流的に接地された共振回路と、この一方端に直流バイアス電圧を与える直流バイアス回路とを備えることが望ましい。共振回路の一方端を接地すると、他方端側の電位が負になったときに、半導体基板側に電流が流れてしまって出力電圧が取り出せなくなることを防止することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を適用した一実施形態の局部発振器について詳細に説明する。
図1は、本実施形態の局部発振器を含むFM受信機の構成を示す図である。図1に示すFM受信機は、1チップ部品10として形成された高周波増幅回路11、混合回路12、局部発振器13、中間周波フィルタ14、16、中間周波増幅回路15、リミット回路17、FM検波回路18、ステレオ復調回路19を含んで構成されている。
アンテナ20によって受信したFM変調波信号を高周波増幅回路11によって増幅した後、局部発振器13から出力される局部発振信号を混合することにより、高周波信号から中間周波信号への変換を行う。中間周波フィルタ14、16は、中間周波増幅回路15の前段および後段に設けられており、入力される中間周波信号から所定の帯域成分のみを抽出する。中間周波増幅回路15は、中間周波フィルタ14、16を通過する一部の中間周波信号を増幅する。
リミット回路17は、入力される中間周波信号を高利得で増幅する。FM検波回路18は、リミット回路17から出力される振幅一定の信号に対してFM検波処理を行う。ステレオ復調回路19は、FM検波回路18から出力されるFM検波後のコンポジット信号に対してステレオ復調処理を行って、L信号およびR信号を生成する。
上述した本実施形態の1チップ部品10は、CMOSプロセスあるいはMOSプロセスを用いて半導体基板上に一体形成されている。この半導体基板上には、図1に示した1チップ部品10を構成する各回路のみが形成されている場合の他に、各種のアナログ回路やデジタル回路が形成されている場合が考えられる。CMOSプロセスあるいはMOSプロセスによって各種のCMOS部品を形成することが容易であるため、例えば受信周波数を設定するために局部発振器13の発振周波数を可変する周波数シンセサイザや表示装置の制御回路等を同じ半導体基板上に形成することが望ましい。
ところで、一般にバイポーラトランジスタに比べてCMOSプロセスあるいはMOSプロセスで形成したFETは、低周波ノイズである1/fノイズが大きいという特徴がある。したがって、図1に示した1チップ部品10をCMOSプロセスあるいはMOSプロセスを用いて1チップ上に形成すると、その中に含まれる増幅素子としてのFETが1/fノイズの発生源になってしまう。しかも、局部発振器13の発振出力スペクトルにはこの1/fノイズ成分がノイズサイドバンドとなって重畳されるため、このような発振信号を用いて混合回路12による周波数変換を行うと、中間周波信号に含まれるノイズ成分が多くなって、SN比の悪化による受信品質の劣化を招くことになる。
このため、本実施形態のFM受信機を構成する1チップ部品10では、少なくとも局部発振器13に含まれる増幅素子(トランジスタ)としてpチャネル型のFETを用いている。
図2は、CMOSプロセスあるいはMOSプロセスを用いて製造したFETのノイズ特性を示す図である。横軸が周波数を、縦軸がノイズレベルをそれぞれ示している。また、実線で示した特性がpチャネル型のFETのノイズ特性を、点線で示した特性がnチャネル型のFETのノイズ特性をそれぞれ示している。図2に示すように、pチャネル型のFETの方が、nチャネル型のFETに比べて、低周波領域に現れる1/fノイズが小さい。これは、pチャネル型のFETの方が移動度が小さいからであると考えられる。
したがって、pチャネル型のFETを増幅素子として用いることにより、局部発振器13に含まれるFETが発生する1/fノイズ自体を少なくすることができるため、局部発振器13の出力スペクトルに含まれるノイズサイドバンドを低減して、受信機全体におけるSN比の向上および信号品質の改善を図ることが可能になる。
図3は、局部発振器13の具体的な構成を示す回路図である。図3に示す局部発振器13は、FET21、22、コイル23、コンデンサ24、25、抵抗26、27、可変容量ダイオード28を含んで構成されている。コイル23と可変容量ダイオード28によって並列共振回路が構成されている。コンデンサ24は、この並列共振回路の一方端を交流的に接地するためのものである。また、抵抗27は、この並列共振回路の一方端に直流バイアス電圧を与えるための直流バイアス回路として機能する。コンデンサ25は、可変容量ダイオード28の容量値を可変するために逆バイアス電圧を印加する際に直流分を分離するためのものである。上述した構成に含まれる2つのFET21、22はpチャネル型が用いられている。また、コイル23を含む全部品が半導体基板上に形成されている。
図4は、局部発振器13の出力波形を示す図である。抵抗27によって所定のバイアス電圧V0が加わるため、出力波形は、このバイアス電圧V0を中心に上下する正弦波形状となる。
これに対し、図5に示すように、コイルと可変容量ダイオードによって構成される並列共振回路の一方端を交流的および直流的に接地した場合には、図6に示すように、出力波形が0Vを中心に上下する正弦波形状になる。しかし、この場合には、出力電圧が負になるとソースから半導体基板(あるいはNウェル)に順方向の電流が流れてしまうため、出力波形が所定の負電位でクランプされて波形が歪んでしまう。従来の局部発振器ではnチャネル型のFETが使用される場合が多いため、このような不都合は生じないが、本実施形態ではノイズ低減のためにpチャネル型のFETを用いたために生じたこのような不都合に対して、直流バイアス回路を追加することにより対策している。
図7は、上述した実施形態の局部発振器13の変形例を示す断面図である。また、図8は図7に示した構造の平面図である。これらの図に示す構造では、局部発振器13の全部品がNウェル52上に形成されている。Nウェル52とP形の半導体基板50との間にはPN接合面が形成されるため、Nウェル52の電位の方が半導体基板50よりも高い場合には、Nウェル52から半導体基板50に向けて流れる電流がこのPN接合面で遮断される。このため、局部発振器13において発生したノイズが半導体基板50を通って他の回路に回り込むことを防止することができる。
また、図8に示すように、半導体基板50の表面近傍であって、Nウェル52を囲む周辺領域に、ガードリング54が形成されている。このガードリング54は、P形の半導体基板50の一部をN形領域に形成したものである。ガードリング54と半導体基板50によってPNP層が形成されるため、局部発振器13において発生したノイズが半導体基板50の表面近傍を通って他の回路に回り込むことを有効に防止することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、FM受信機に含まれる局部発振器について説明したが、AM受信機やデータ端末装置等の各種の受信機や送信機あるいは他の電子機器に含まれる局部発振器やその他の発振器についても、本発明を適用することができる。
また、上述した実施形態では、図3に示す構成を有する発振器について説明したが、共振回路の一方端側が接地されている他の発振器についても本発明を適用することができる。例えば、クラップ発振器やコルピッツ発振器に本発明を適用してもよい。
また、上述した実施形態では、局部発振器13の全部品を半導体基板上に形成したが、共振回路を構成するコイル23等の一部の部品のみを外付けするようにしてもよい。
また、図7に示した例では、ガードリング54を半導体基板50の表面近傍に形成したが、図9に示すように、このガードリング54の代わりに、半導体基板50の表面からNウェル52よりも深い位置まで形成したガードリング54Aを用いるようにしてもよい。これにより、Nウェル52上に形成された局部発振器13で発生したノイズがガードリング54Aの下側(半導体基板50の内部)を通って他の回路に回り込む場合に、より低周波成分の回り込みを防止することが可能になる。
産業上の利用可能性
上述したように、本発明によれば、発振器に含まれるトランジスタを移動度の小さなpチャネル型のFETとすることにより、トランジスタにおいて発生する1/fノイズ自体を少なくすることができるため、発振器出力に重畳するノイズサイドバンドを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は、一実施形態の局部発振器を含むFM受信機の構成を示す図、
図2は、CMOSプロセスあるいはMOSプロセスを用いて製造したFETのノイズ特性を示す図、
図3は、局部発振器の具体的な構成を示す回路図、
図4は、図3に示す局部発振器の局部発振器の出力波形を示す図、
図5は、直流バイアス回路を有しない局部発振器の構成を示す回路図、
図6は、図5に示す局部発振器の出力波形を示す図、
図7は、局部発振器の変形例を示す断面図、
図8は、図7に示した構造の平面図、
図9は、ガードリングの変形例を示す断面図、
図10は、発振器の出力スペクトルを示す図である。
Claims (5)
- トランジスタを含む構成部品がCMOSプロセスあるいはMOSプロセスを用いて半導体基板上に一体形成された発振器であって、
前記トランジスタをpチャネル型のFETを用いて形成する発振器。 - 前記半導体基板にはNウェルが形成されており、このNウェル上に前記構成部品が形成されている請求の範囲第1項記載の発振器。
- 前記半導体基板上であって、前記構成部品の周囲にガードリングが形成されている請求の範囲第1項記載の発振器。
- 前記構成部品の周囲に、前記半導体基板表面から前記Nウェルよりも深い位置までガードリングが形成されている請求の範囲第2項記載の発振器。
- 一方端が交流的に接地された共振回路と、
この一方端に直流バイアス電圧を与える直流バイアス回路と、
を有する請求の範囲第1項記載の発振器。
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