KR100424952B1

KR100424952B1 - Ｌｃ발진기

Info

Publication number: KR100424952B1
Application number: KR10-2001-7014538A
Authority: KR
Inventors: 아키라 오카모토; 타케시 이케다
Original assignee: 니이가타 세이미쯔 가부시키가이샤
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2004-03-31
Also published as: WO2000070740A1; KR20020003391A; DE69919756D1; DE69919756T2; EP1211799A1; HK1045912B; EP1211799A4; EP1211799B1; HK1045912A1

Abstract

기판상에 형성된 경우에도 발진동작을 행할 수 있는 LC발진기를 제공하는 것을 목적으로 한다. LC발진기는, 트랜지스터, 캐패시터 및 인덕터소자(30)를 포함하여 구성되어 있다. 인덕터소자(30)는 반도체기판(3)의 표면에 형성된 거의 동일한 형상을 가지는 와권(渦卷:소용돌이)형상의 두 개의 도체(1,2)를 가지고 있다. 상층의 도체(10)의 외주단(외연단)과 내주단(중심단)의 각각에는 인출선(6a,6b)이 접속되어 있으며, 상층의 도체(1)의 외주단과 하층의 도체(2)의 내주단이 접속선(6c)에 접속되어 있다. 상층의 도체(1)는 인덕터도체로 기능하며, 그 양단에 접속된 인출선(6a,6b)을 통하여, 반도체기판(3)상에 형성된 LC발진기의 다른 구성부품에 접속된다.

Description

ＬＣ발진기{LC Oscillator}

반도체기판 상에 박막성형기술을 이용하여 와권(渦卷:소용돌이)형상의 패턴을 형성하고, 이 패턴을 인덕터소자로 이용하는 반도체회로가 알려져 있다. 이러한 반도체기판 상에 형성된 인덕터소자에 전류가 흐르면 와권(渦卷)형상의 패턴에 수직방향으로 자속(磁束)이 발생하는데, 이 자속에 의해 반도체기판 표면에 와전류(渦電流)가 발생하여 유효자속을 제거하기 때문에 인덕터소자로서 유효하게 기능하지 않게 된다는 문제점이 있다. 특히, 인덕터소자에 흐르는 신호의 주파수가 높을수록 이러한 경향이 현저하여, 인덕터소자를 공진소자로서 포함하는 LC발진기를 반도체기판 상에 형성하는 것이 어렵다.

본 발명은 반도체기판 등의 각종 기판 상에 형성되는 LC발진기에 관한 것이다.

도 1은 일실시형태의 LC발진기의 구성을 나타내는 회로도이고,

도 2는 도 1에 나타낸 LC발진기에 포함되는 인덕터소자의 평면구조를 나타내는 도면이며,

도 3은 도 2에 나타낸 2개 도체의 접속상태를 나타내는 도이고,

도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선 확대단면도이며,

도 5는 LC발진기의 출력특성의 측정결과를 나타내는 도이고,

도 6은 LC발진기의 출력특성의 측정결과를 나타내는 도이며,

도 7은 LC발진기의 출력특성의 측정결과를 나타내는 도이고,

도 8은 LC발진기의 출력특성의 측정결과를 나타내는 도이며,

도 9는 LC발진기의 출력특성의 측정결과를 나타내는 도이고,

도 10은 LC발진기의 출력특성의 측정결과를 나타내는 도이며,

도 11은 인덕터소자에 포함되는 도체의 변형 예를 나타내는 도이다.

본 발명은 이러한 점에 착안하여 창안된 것이며, 그 목적은 기판 상에 형성한 경우에도 발진동작을 수행할 수 있는 LC발진기를 제공하는데 있다.

본 발명의 LC발진기는 2개의 도체를 절연층을 끼워 겹쳐서 형성하고, 각각의 한 쪽 단들을 접속함과 동시에, 상층 도체를 인덕터도체로 이용한 인덕터소자를 포함하여 구성되어 있다. 이러한 구조를 갖는 인덕터소자는 기판 상에 형성하여도 와전류 등에 의해 인덕턴스 성분이 소실되지 않고 소정의 인덕턴스를 갖는다는 것이 실험에 의해 확인되어 있으며, 이 인덕터소자를 LC발진기의 일부품으로 사용함으로써, LC발진기를 기판 상에 형성한 경우에도 발진동작을 수행할 수 있다.

상술한 기판으로서는 반도체기판을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 유효하게 기능하는 인덕터소자를 반도체기판 상에 형성할 수 있으면, 인덕터소자를 포함하는 LC발진기의 각 구성부품을 반도체기판 상에 형성할 수 있게 되므로, 외부 부착 부품을 사용하지 않고 LC발진기 전체를 반도체 기판 상에 일체로 형성하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상술한 2개의 도체는 거의 동일한 형상의 장척(長尺:긴 필름)형상으로 형성하는 것이 바람직하다. 동일한 형상으로 함으로서, 상층 도체가 기판표면과 직접 대향할 수 없기 때문에, 직접 대향시킨 경우 기판 상에 발생하는 와전류를 저감시킬 수 있다. 또한 2개의 도체 형상을 장척(長尺)형상으로 형성함으로써, 상층의 도체에 소정의 인덕턴스를 갖게 할 수가 있다. 특히, 도체를 한 바퀴 이상의 와권(渦卷:소용돌이)형상 또는 사행(蛇行:갈짓자)형상으로 형성한 경우에는 큰 인덕턴스를 얻을 수 있으므로, 비교적 낮은 발진주파수의 LC발진기에 사용하는 경우에 적합하다. 또한 도체를 한 바퀴 미만의 주회(周回:둘레를 도는)형상 혹은 거의 직선 형상으로 형성한 경우에는 와권(渦卷:소용돌이)형상 등으로 형성한 경우에 비해 인덕턴스를 작게 할 수 있으므로, 비교적 높은 주파수의 LC발진기에 사용하는 경우에 적합하다.

2개의 도체를 와권(渦卷)형상으로 형성한 경우에는 한 쪽의 도체의 내주단과 다른 쪽의 도체의 외주단을 접속하는 것이 바람직하다. 이와 같은 접속을 수행하는 것에 의해, 기판 상에 인덕터도체를 형성한 상태에서 더욱 큰 인덕턴스를 확보할 수 있다는 것이 실험에 의해 확인되었으며, 기판 상에서 유효하게 기능하는 인덕터소자를 실현할 수 있다.

또한 상술한 인덕터소자는 인덕턴스 성분과 함께 캐패시턴스 성분을 갖는 복합소자로의 사용에 적합하다. 이 인덕터소자는 서로 겹쳐서 합쳐진 2개의 도체를 가지고 있으며, 그 특성에는 캐패시턴스 성분도 포함되기 때문에, 인덕터와 캐패시터를 조합하여 이용하는 LC발진기의 일부품으로 사용함으로써 인덕터소자의 특성을 유효하게 이용할 수 있다.

이하, 본 발명을 적용한 일실시형태의 LC발진기에 대해 도면을 참조하면서 구체적으로 설명한다.

도 1은 일실시형태의 LC발진기의 구성을 나타내는 회로도이다. 도 1에 나타내는 LC발진기(10)는 트랜지스터(20)와, 이 트랜지스터(20)의 베이스ㆍ에미터 사이에 접속된 캐패시터(22)와, 에미터ㆍ콜렉터 사이에 접속된 캐패시터(24)와, 베이스 ㆍ콜렉터 사이에 직렬로 접속된 캐패시터(26) 및 인덕터소자(30)를 포함하여 구성되어 있다.

이 LC발진기에서는 2개의 캐패시터(22,24)의 캐패시턴스가 트랜지스터(20)의 단자간 용량의 수십 배가 되도록 설정되어 있고, 캐패시터(26)를 사이에 두고 인덕터소자(30)가 접속되어 있다.

상술한 구성을 갖는 본 실시예의 LC발진기(10)는 콜피츠(colpitts)회로를 개량한 클랩(clap)회로이다. LC발진기(10)에서 발진주파수를 결정하는 공진회로의 캐패시터는 캐패시터(22,24,26)의 직렬접속과 등가로 이루어지기 때문에, 캐패시터(26)에 상당하는 캐패시터를 가지지 않는 콜피츠회로에 비해 캐패시터(22,24)의 캐패시턴스를 크게 할 수 있다. 이에 따라, 트랜지스터(20)의 단자간 용량이 변화한 경우에 있어서도, 공진회로의 공진주파수에 커다란 영향을주지 않고, 발진주파수의 안정도를 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 실시형태의 LC발진기(10)에 포함되는 인덕터소자(30)의 평면구조를 나타내는 도면이다. 인덕터소자(30)는 반도체기판(3)의 표면에 형성된 와권(渦卷)형상의 2개의 도체(1,2)를 갖고 있다.

이들 2개의 도체(1,2)는 거의 동일 형상을 가지고 있으며, 도 2에 나타낸 바와 같이, 반도체기판(3)의 표면 측에서 보았을 때, 상층이 되는 한 쪽 도체(1)와 하층이 되는 다른 쪽의 도체(2)가 거의 겹쳐지듯이 형성되어 있다. 각 도체(1,2)는 알루미늄이나 금 등의 금속박막 혹은 폴리실리콘 등의 반도체재료에 의해 형성되어 있다.

도 3은 상술한 2개의 도체(1,2)의 접속상태를 나타내는 도이다. 도 3에 나타나듯이 상층의 도체(1)의 외주단(외측 가장자리끝)과 내주단(중심끝)의 각각에는 인출선(6a,6b)이 접속되어 있으며, 상층 도체(1)의 내주단과 하층 도체(2)의 외주단이 접속선(6c)에 의해 접속되어 있다.

상층의 도체(1)는 인덕터소자로서 기능하고, 그 양단에 접속된 인출선(6a,6b)을 통하여 반도체기판(3) 상에 형성된 LC발진기(10)의 다른 구성부품에 접속된다.

도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선 확대단면도이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 반도체기판(3)의 표면에 절연층(4)이 형성되어 있고, 그 상면 일부에 와권(渦卷)형상의 도체(2)가 형성되어 있다. 또한 절연층(4)과 도체(2)의 상면에 절연층(5)이 형성되어 있고, 그 상면에는 도체(1)가 형성되어 있다.

본 실시형태의 LC발진기(10)에 포함되는 인덕터소자(30)는 상술한 구조를 갖고 있고, 상층 도체(1)의 양단의 각각에 접속된 2개의 인출선(6a,6b) 사이에 소정의 인덕턴스가 나타나기 때문에 이 상층 도체(1)를 인덕터도체로서 사용할 수 있다. 또한 이 상층 도체(1)의 하측에, 이 도체(1)와 거의 동일한 형상을 갖는 도체(2)를 형성하고, 서로의 한 쪽단들을 접속선(6c)으로 접속함으로써, 상층 도체(1)를 인덕터도체로서 사용했을 때에 반도체기판(3) 표면의 와전류의 발생을 억제할 수 있고, 상층 도체(1)를 인덕터도체로써 유효하게 기능시킬 수 있다. 따라서, 인덕터소자(30)를 포함하는 LC발진기(10) 전체를 반도체기판(3) 상에 일체로 형성하여 집적화하는 것이 가능하게 된다.

다음, 상술한 본 실시형태의 인덕터소자(30)의 특성을 유추하기 위해 비교실험을 행한 결과에 대해 설명한다.

도 5는 인덕터 소자(30)에 포함되는 도체(1)와 동일한 형상의 1층의 전극을 갖는 인덕터소자를 사용하여 LC발진기(10)를 구성한 경우의 출력특성의 측정결과를 나타내는 도이다. 이 출력특성의 측정에 사용한 인덕터소자는 두께 0.13㎜, 비유전율(比誘電率) 3.17의 절연부재 표면에 패턴 폭이 1㎜, 주회(周回: 둘레를 도는)하는 패턴의 인접간격이 0.2㎜, 주회수가 5턴인 전극이 형성된 것이 사용되고 있다. 또한 도 5(후술할 도 6 및∼도 10도 동일함)의 종축은 대수표시한 출력진폭을 나타내고, 횡축은 대수표시한 출력신호의 주파수를 각각 나타내고 있다. 도 5에 나타내는 바와 같이 이러한 1층 전극으로 이루어진 인덕터소자(30)를 다른 도체기판이나 반도체기판으로부터 충분히 떨어뜨린 상태에서 LC발진기를 동작시킴으로써,119MHz의 발진주파수가 관찰되었다.

도 6은 도 5에 나타낸 출력특성의 측정에 사용한 인덕터소자를 사용하고, 여기에 도체기판인 동판을 서서히 접근시킨 경우의 LC발진기의 출력특성을 나타내는 도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 1층의 전극으로 이루어진 인덕터소자를 사용하여 발진시킨 상태에서, 이 인덕터소자에 동판을 서서히 접근시키면 발진주파수가 118MHz부터 139MHz, 168MHz, 198MHz로 커지고, 두께 3.17㎜의 절연부재를 끼워 전극과 동판을 밀착시키면 발진이 정지한다는 것이 관찰되었다.

이처럼, 단순히 1층의 전극을 와권(渦卷)형상으로 형성한 인덕터소자를 사용하여, 이것을 동판 상에 형성한 경우에는 LC발진기의 발진동작이 정지해 버린다. 이것은 1층의 전극으로 이루어지는 인덕터소자가 갖는 인덕턴스가 동판을 접근시키는 것에 의해 작아지기 때문이다. 동판을 접근시켰을 때, 인덕턴스가 작아지는 원인으로는 전극에 신호가 입력되었을 때 발생하는 자속에 의해 동판 표면에 와전류가 발생하여 이 자속을 제거한다는 것이 고려된다.

도 7은 도 2에 나타낸 인덕터소자(30)에 포함되는 2개의 도체(1,2)와 동일한 형상 및 배치의 2층의 전극을 갖는 인덕터소자를 사용하여 LC발진기를 구성한 경우의 출력특성의 측정결과를 나타내는 도이다. 또한 도 8은 인덕터소자(30)에 포함된 2개의 도체(1,2)와 동일한 형상 및 배치를 갖는 인덕터소자를 사용하여, 여기에 동판을 밀착시킨 경우의 LC발진기의 출력특성을 나타내는 도이다.

이들 측정에 사용한 인덕터소자는, 도 5 및 도 6에 측정결과를 나타낸 인덕터소자에 대해 도 2에 나타낸 도체(2)에 대응하는 전극을 추가한 구조를 갖고 있다. 그리고 이 인덕터소자에 동판을 밀착시키는 경우에는 충분히 얇은 절연부재를 사이에 두고 하층의 전극과 동판이 배치되어 있다.

와권(渦卷)형상을 갖는 2층의 전극을 대향 배치한 인덕터소자를 사용한 LC발진기는 이 인덕터소자를 다른 도전성 부재로부터 충분히 떨어뜨린 상태에서는 도 7에 나타내는 측정결과로 알 수 있는 바와 같이, 70MHz 근방의 발진주파수를 갖는다. 이 발진주파수가 도 5에 나타낸 1층의 전극으로 이루어진 인덕터소자를 사용한 경우의 발진주파수(119MHz)보다 낮게 되는 것은, 2층의 전극으로 이루어진 인덕터소자가 인덕턴스 성분과 캐패시턴스 성분을 갖는 복합소자로서 기능함으로서, 캐패시턴스 성분이 인덕터소자를 포함하는 공진회로의 공진주파수를 낮추기 때문이다.

또한 상술한 2층의 전극을 갖는 인덕터소자를 동판에 밀착시킨 상태에서는 도 8에 나타내는 것과 같이, 발진주파수(127MHz)가 어긋나지만, 동일한 발진현상이 확인되었다. 이것은 상술한 전극의 2중구조를 갖는 인덕터소자를 사용함으로써, 동판을 밀착시켜도 그 인덕턴스 성분이 소실되지 않고, 인덕터 도체로서의 기능을 유지하고 있다는 것을 나타내고 있다.

이처럼, 2층의 전극을 와권(渦卷)형상으로 형성한 인덕터소자는 그 한 쪽(인덕터 도체로서 사용하는 전극과 반대측)에 동판을 밀착시켜도 그 인덕턴스 성분이 소실되지 않고 인덕터도체로서 기능하고, 이것을 사용한 LC발진기의 발진동작이 유지된다. 따라서 기본적으로 동일한 구조를 갖는 본 실시형태의 인덕터소자(30)를 사용함으로써, 이 인덕터도체(30)를 비롯한 LC발진기(10)의 각 구성부품을 반도체기판(3) 상에 형성한 경우에 있어서도 LC발진기(10)에 발진동작을 행하게 할 수 있다.

그리고 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지의 범위 내에서 다양하게 변형실시가 가능한 것이다. 예를 들면 도 2 및 도 3에 나타낸 인덕터소자(30)는, 상층 도체(1)의 내주단과 하층 도체(2)의 외주단을 접속선(6c)을 사이에 두고 상호 접속하였으나, 반대로 상층 도체(1)의 외주단과 하층 도체(2)의 내주단을 서로 접속해도 좋다. 또한 인덕터소자의 인덕턴스가 어느 정도 작아지는 것을 허용하는 경우에는, 도체(1,2)의 각 외주단들 혹은 각 내주단들을 접속해도 좋다.

도 9는 도 2에 나타낸 인덕터소자(30)에 포함되는 2개의 도체(1,2)와 같은 형상 및 배치로 2층의 전극을 갖고, 이들 각 전극의 외주단들을 접속한 인덕터소자를 사용하여 LC발진기를 구성한 경우의 출력특성의 측정결과를 나타내는 도이다. 도 10은 도 9에 나타난 특성의 측정에 사용된 인덕터소자에 동판을 밀착시킨 경우의 LC발진기의 출력특성의 측정결과를 도시한 도면이다. 이들 도면에 나타난 바와 같이, 2개의 전극의 외주단들이 상호 접속된 인덕터소자를 사용한 LC발진기에서는 동판을 밀착시킴으로써 그 발진주파수가 117MHz에서 171MHz로 변화하지만 발진동작이 정지하는 일이 없이 유지된다.

또한 상술한 실시형태에서는 인덕터소자(30)에 포함되는 2개의 도체(1,2)를 와권(渦卷)형상으로 형성하였기 때문에, 큰 인덕턴스를 갖는 인덕터소자(30)를 실현할 수 있으나, 2개의 도체(1,2)를 사행형상으로 형성해도 좋다(도 11(A)). 또한고주파 발진기의 일부품으로 이 인덕터소자(30)를 사용하는 경우에는 작은 인덕턴스로 충분하기 때문에, 도체(1,2)의 턴 수를 줄여서 1턴 미만으로 형성하거나(도 11(B)), 거의 직선형상으로 형성하여도 좋다(도 11(C)).

또한, 상술한 실시형태에서는, 두 개의 도체(1,2)의 형상을 거의 동일하게 설정하였지만, 다른 형상으로 설정해도 좋다. 예를 들면, 하층 도체(2)의 턴수를 상층 도체(1)의 턴수보다 많게 설정해도 좋다. 이와 같이 상층 도체(1)의 하측에 하층 도체(2)의 전부 혹은 일부가 배치되면, 직접 상층 도체(1)가 반도체기판(3)과 대향하지 않기 때문에 상층 도체(1)에 의한 와전류의 발생을 유효하게 방지할 수 있다.

상술한 실시형태에서는, 반도체기판(3) 상에 2개의 도체(1,2)를 형성하는 것으로 인덕터소자(30)를 형성하였으나, 금속 등의 도체기판 상에 2개의 도체(1,2)를 형성한 인덕터소자(30)를 실현할 수도 있다. 도 8 등에 나타낸 실험결과로부터 이 경우에도 인덕터소자(30)로서 유효하게 기능하고, LC발진기가 발진동작을 행하는 것이 확인되고 있다. 도체기판 상에 밀착시켜 인덕터소자(30)를 형성할 수 있으려면, 금속제의 쉴드케이스 등의 표면에 인덕터소자(30)를 배치하는 것도 가능하게 되며, 인덕터소자의 설치공간의 확보가 용이해진다.

또한 상술한 실시형태에서는, LC발진기로서 클랩(clap)회로를 사용한 경우를 적용하였으나, 인덕터와 캐패시터의 공진을 이용한 발진동작을 행하게 하는 다른 LC발진기, 예를 들면 콜피츠회로 등을 사용하여도 좋다. 이 경우에 있어서도 LC발진기에 포함되는 인덕터소자로서 도 2 등에 나타낸 구조를 갖는 인덕터소자를 사용함으로써, 반도체기판상 혹은 도체기판 상에서 발진동작을 행하는 LC발진기를 실현할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기판 상에 2개의 도체를 겹쳐 형성하고 각각의 한 쪽단들을 접속함으로써 상층 도체를 소정의 인덕턴스를 갖는 인덕터도체로서 사용할 수 있기 때문에, 이 인덕터소자를 LC발진기의 일부품으로 사용하는 것으로 LC발진기를 기판 상에 형성하는 경우에 있어서도 발진동작을 행하게 할 수 있다. 특히 본 발명에 의하면, 반도체 기판 상에서 유효하게 기능하는 인덕터소자를 실현할 수 있어, 종래 불가능하였던 인덕터를 포함하는 LC발진기 전체의 집적화가 가능하게 된다.

Claims

기판 상에 형성된 인덕터소자를 사용하는 LC발진기에 있어서,

상기 인덕터소자는 상호 절연된 상태에서 기판의 어느 한쪽면측에 겹쳐 형성된 2개의 도체를 가지며, 어느 한쪽 도체의 일단부와 다른 한쪽 도체의 타단부를 접속함과 동시에 상기 상층의 도체를 인덕터도체로 사용하는 것을 특징으로 하는 LC발진기.
제1항에 있어서,

상기 기판은 반도체기판이며, 구성부품을 상기 인덕터소자가 형성되어 있는 상기 기판 상에 형성하는 것을 특징으로 하는 LC발진기.
제1항에 있어서,

상기 2개의 도체는 거의 동일한 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 LC발진기.
제1항에 있어서,

상기 2개의 도체는 장척(長尺:긴 필름) 형상을 가지고 있고, 각각의 길이 방향의 한 쪽단들을 접속하는 것을 특징으로 하는 LC발진기.
제1항에 있어서,

상기 2개의 도체는 주회(周回: 둘레를 도는)수가 1회전 미만의 주회형상을 갖고 있으며, 각각의 한 쪽단들을 접속하는 것을 특징으로 하는 LC발진기.
제1항에 있어서,

상기 2개의 도체는 주회(周回)수가 1회전 이상의 와권(渦卷:소용돌이)형상을 갖고 있으며, 각각의 한 쪽단들을 접속하는 것을 특징으로 하는 LC발진기.
제1항에 있어서,

상기 2개의 도체는 거의 직선형상으로 형성되어 있으며, 각각의 한 쪽단들을 접속하는 것을 특징으로 하는 LC발진기.
제1항에 있어서,

상기 2개의 도체는 사행(蛇行:갈짓자) 형상으로 형성되어 있고, 각각의 한 쪽단들을 접속하는 것을 특징으로 하는 LC발진기.
삭제
제1항에 있어서,

상기 상층 도체의 인덕턴스 성분과 상기 2개의 도체 사이의 캐패시터성분을 갖는 것을 특징으로 하는 LC발진기.