JPWO2012017572A1 - 発振器 - Google Patents
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Abstract
Description
1.MEMS発振器の構成
図1は、実施の形態1にかかるMEMS発振器のブロック図である。MEMS発振器100は、原発振信号を出力する発振部1と、原発振信号を受けて所望の周波数を有する出力信号を出力する補正部2と、を有する。
2.1発振部の動作
図2は、MEMS共振器13の入出力電極間の電気通過特性(単体通過特性)を示すグラフである。同図において横軸は周波数を示し、縦軸は減衰量(MEMS共振器ゲイン)を示す。MEMS共振器13は、適切なレベルの入力を受けた場合には、共振周波数fについて左右対称な通過特性401を示す。しかし、MEMS共振器13は、過大なレベルの入力を受けた場合には、通過特性402のように歪んだ通過特性を示す。そのような過大なレベルの入力をMEMS共振器13が受けると、MEMS共振器13の共振周波数は変化するとともに、不安定化する。併せて、Q値も劣化し、場合によっては、MEMS共振器13を構成する振動子がギャップを隔てて隣接する励振電極と接触し、MEMS共振器13は破壊される。そこで、MEMS共振器13に対し過大なレベルの信号が入力されないように、自動利得制御器11は、増幅器12の出力がMEMS共振器13にとって適切なレベルになるように増幅器12のゲインを制御し、増幅器12の出力を所定のレベルに保つ。なお、MEMS共振器13への入力として適切なレベルは、MEMS共振器13の共振モードや、MEMS共振器13を構成する振動子と励振電極とのギャップ間隔や、振動子および/または励振電極に印加されるバイアス電圧などから決定され、一般的にはおおよそ数十から数百ミリボルト程度である。
図4は、補正部2の周波数シンセサイザ21の詳細を示すブロック図である。周波数シンセサイザ21は、PLL周波数シンセサイザである。周波数シンセサイザ21では、先ずその位相比較器211が、発振部1から入力される原発振信号と、VCO(Voltage Controlled Oscillator)213からプログラマブル分周器214を介して帰還される帰還信号(PLL帰還信号)の位相差を検出し、検出した位相差を誤差信号としてループフィルタ212へ出力する。ループフィルタ212は、誤差信号に含まれる不要な短周期(高周波数)の変動成分を除去し、補正信号としてVCO213へ出力する。VCO213は、入力される補正信号のレベル(電圧)にしたがって出力信号の周波数を制御し、補正信号のレベルに対応した周波数の出力信号を出力する。
プログラマブル分周器214は、外部からの制御にしたがいその分周比を可変的に設定可能な分周器である。補正部2においては、プログラマブル分周器214の分周比は、分周比制御部22が出力する分周被制御信号にしたがって設定される。以下、分周比制御部22が、MEMS共振器13の発振部帰還信号を受けて、当該発振部帰還信号のレベル(電圧)の大きさからMEMS共振器13のゲインを取得し、MEMS共振器13のゲインに基づいてプログラマブル分周器214の分周比を制御する動作について説明する。
このようにして、本実施の形態のMEMS発振器100は、温度変動等に起因して変動する原発振信号の周波数を、MEMS共振器13のゲインと共振周波数との対応関係に基づいて補正し、予め設定された周波数を有する出力信号を出力することができる。本実施の形態のMEMS発振器100は、MEMS共振器13自身が発する信号を用いてリアルタイムにMEMS共振器13のゲインを取得し、原発振信号の周波数の補正を行うことが可能になっている。つまり、MEMS共振器13のゲイン(発振部帰還信号のレベル)は、MEMS共振器13の動作温度に関する情報として用いることができる。そこで、MEMS発振器100においては、MEMS共振器13のゲインから動作温度を求め、共振周波数の温度特性からそのときのMEMS共振器13の共振周波数を求め、周波数シンセサイザ21の動作を制御し、所望の周波数を有する出力信号を出力する。
図14は、実施の形態2にかかるMEMS発振器のブロック図である。実施の形態1のMEMS発振器100と同等の構成要素については同様の参照数字を付し、その説明を適宜省略する。
図17は、MEMS発振器100および200に適用可能な、補正部2の第1の変形例を示す図である。本変形例においては、PLL周波数シンセサイザ21の前段に、原発振信号の周波数を1/Rに分周する分周器31が配置される。このように、分周器31を用いて原発振信号の周波数を分周してからPLL周波数シンセサイザ21へ入力することにより、原発振信号の周波数と出力信号の周波数とが同程度のオーダである場合でも、原発振信号の周波数の補正を精緻に行うことが可能になる。また、同図において破線で示すように、分周器31を第2のプログラマブル分周器で構成し、分周比制御部22が分周器31の分周比を制御するように構成してもよい。この場合、補正部2は、分周比制御部22の制御の下、原発振信号の周波数を任意の実数倍の周波数に精緻に補正することが可能である。
図18は、MEMS発振器100および200に適用可能な、補正部2の第2の変形例を示す図である。本変形例においては、PLL周波数シンセサイザ21の前段に、原発振信号の周波数をR倍する逓倍器32が配置される。このように、逓倍器32を用いて原発振信号の周波数を逓倍してからPLL周波数シンセサイザ21へ入力することにより、原発振信号の周波数の周波数に較べて出力信号の周波数が十分小さいような場合でも、原発振信号の周波数の補正を精緻に行うことが可能になる。また、変形例1と同様、破線で示すように、逓倍器32をプログラマブル逓倍器で構成し、分周比制御部22が逓倍器32の逓倍比を制御するように構成してもよい。この場合も、補正部2は、分周比制御部22の制御の下、原発振信号の周波数を任意の実数倍の周波数に精緻に補正することが可能である。
図19は、実施の形態1によるMEMS発振器100の変形例を示す図である。MEMS発振器変形例1100は、MEMS発振器100の構成に加え、温度センサ1101を有する。温度センサ1101の出力は、分周比制御部22へ入力される。
図20は、実施の形態2によるMEMS発振器200の変形例を示す図である。MEMS発振器変形例1200は、MEMS発振器200の構成に加え、温度センサ1101を有する。温度センサ1101の出力は、分周比制御部22へ入力される。
本実施の形態のMEMS発振器は、MEMS共振器と、増幅器と、増幅器からの出力を一定に保つように増幅器のゲインを制御する自動利得制御器と、で構成された帰還型発振回路を備えた発振部、および、発振部から出力される原発振信号から所望の周波数の出力信号を生成して出力する補正部、を有する。
2 補正部
11 自動利得制御器
12 増幅器
13 MEMS共振器
21 周波数シンセサイザ
22 分周比制御部
111 ピークホールド回路
112 基準電圧入力端子
113 コンパレータ
211 位相比較器
212 ループフィルタ
213 電圧制御発振器
214 プログラマブル分周器
221 信号生成部
222 テーブルメモリ
223 信号生成部
224 分周比演算部
Claims (9)
- MEMS共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路、および、前記増幅器からの出力を受けて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を一定に保つように前記増幅器のゲインを制御する自動利得制御器を備え、前記増幅器からの出力を原発振信号として出力する発振部と、
前記原発振信号を入力し前記原発振信号から所定の設定周波数の信号を生成し出力信号として出力する補正部と、を有し、
前記補正部は、前記原発振信号とは別に、前記MEMS共振器の共振周波数におけるゲインと対応関係を有する信号を含む情報信号を前記発振部から入力し、前記情報信号に基づいて前記原発振信号の周波数を補正して前記所定の設定周波数の信号を生成し出力信号として出力する、MEMS発振器。 - 前記補正部は、分周比を可変的に制御可能なプログラマブル分周器を備えた周波数シンセサイザと、前記プログラマブル分周器の分周比を制御する分周比制御部と、を備え、
前記分周比制御部は、前記情報信号に基づいて前記プログラマブル分周器の分周比を制御し、前記周波数シンセサイザは、前記原発振信号を入力し前記原発振信号から前記所定の設定周波数の信号を生成し出力信号として出力する、請求項1に記載のMEMS発振器。 - 前記情報信号は、前記MEMS共振器から前記増幅器への帰還信号である、請求項1に記載のMEMS発振器。
- 前記情報信号は、前記自動利得制御器が出力する前記増幅器のゲインを制御するための制御信号である、請求項1に記載のMEMS発振器。
- 前記自動利得制御器は、前記原発振信号を入力して前記原発振信号のピーク電圧を検出するピークホールド回路と、前記検出にかかるピーク電圧と所定の基準電圧とを比較し、該比較の結果を示す信号を出力するコンパレータと、を備え、
前記自動利得制御器は、前記制御信号として前記比較の結果を示す信号を出力して前記増幅器のゲインを制御する、請求項1に記載のMEMS発振器。 - 前記補正部は、さらに、前記原発振信号を入力し該原発振信号を分周して前記周波数シンセサイザへ出力する第2の分周器を備える、請求項2に記載のMEMS発振器。
- 前記第2の分周器は、第2のプログラマブル分周器であり、
前記分周比制御部は、前記情報信号に基づいて前記第2のプログラマブル分周器の分周比を制御する、請求項6に記載のMEMS発振器。 - 前記補正部は、さらに、前記原発振信号を入力し該原発振信号を逓倍して前記周波数シンセサイザへ出力する逓倍器を備える、請求項2に記載のMEMS発振器。
- 前記逓倍器は、プログラマブル逓倍器であり、
前記分周比制御部は、前記情報信号に基づいて前記プログラマブル逓倍器の逓倍比を制御する、請求項8に記載のMEMS発振器。
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