WO2003010881A1 - Oscillateur - Google Patents

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Hiroshi Miyagi
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Niigata Seimitsu Co., Ltd.
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    • H03B5/124—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance active element in amplifier being semiconductor device comprising means for varying the frequency of the generator the means comprising a voltage dependent capacitance
    • H03B5/1243—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance active element in amplifier being semiconductor device comprising means for varying the frequency of the generator the means comprising a voltage dependent capacitance the means comprising voltage variable capacitance diodes

Definitions

  • the present invention relates to an oscillator used for a receiver or the like.
  • General receivers that adopt the superheterodyne method perform high-frequency amplification on a modulated wave signal received via an antenna, and then perform frequency conversion using a frequency mixing circuit to convert the signal into an intermediate frequency signal having a predetermined frequency. After that, demodulation processing is performed.
  • Noise side bands appear on both sides of the ideal output spectrum of.
  • This noise side band is obtained by superposing l / f noise, which is a low frequency noise, on the ideal oscillator spectrum component, and mainly consists of phase noise and frequency noise.
  • the MOS type FET has more 1 / f noise components, so the noise side band appearing in the oscillator output also increases. Therefore, if such an oscillator is used as a local oscillator, many noise components will also be superimposed on the intermediate frequency signal after frequency conversion, and the reception quality will be degraded due to the deterioration of the SN ratio. Disclosure of the invention
  • the present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to provide a CMO
  • An object of the present invention is to provide an oscillator that can reduce a noise component when formed using the S process or the MOS process.
  • a component including a transistor is integrally formed on a semiconductor substrate using a CMOS process or a MOS process, and the transistor is formed using a p-channel FET. If the transistor included in the c-oscillator is formed as a p-channel FET with low mobility, the If noise itself generated in the transistor can be reduced, and the noise size superimposed on the oscillator output the c can be reduced Dobando, the semiconductor substrates described above are N Ueru is formed, it is desirable that the component is formed on the N Ueru.
  • a pn junction is formed between the N-well and the semiconductor substrate below the N-well. This makes it possible to prevent a noise current from flowing through the semiconductor device, thereby preventing the noise generated in the oscillator from flowing to other components through the semiconductor substrate.
  • a guard ring is formed on the semiconductor substrate and around the component. Thereby, it is possible to more effectively prevent noise generated in the oscillator from sneaking into other components through the semiconductor substrate. Further, it is desirable that a guard ring is formed around the above-mentioned components from the surface of the semiconductor substrate to a position deeper than the N-well. By forming the guard ring to a position deeper than the N-well, it is possible to eliminate noise in the low-frequency region that goes around between the parts formed on the N-well beyond this guard ring and external parts. .
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an FM receiver including a local oscillator according to an embodiment
  • Figure 2 is a diagram showing the noise characteristics of FEs manufactured using the CMOS process or the MOS process.
  • Figure 3 is a circuit diagram showing the specific configuration of the local oscillator
  • FIG. 4 is a diagram showing an output waveform of the local oscillator of the local oscillator shown in FIG. 3,
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a local oscillator having no DC bias circuit
  • FIG. 6 is a diagram showing an output waveform of the local oscillator shown in FIG. 5,
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modification of the local oscillator.
  • FIG. 8 is a plan view of the structure shown in FIG. 7,
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a modification of the guard ring
  • FIG. 10 is a diagram showing the output spectrum of the oscillator. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an FM receiver including a local oscillator according to the present embodiment.
  • the FM receiver shown in Fig. 1 consists of a high-frequency amplifier circuit 11, a mixing circuit 12, a local oscillator 13, an intermediate frequency filter 14, 16, an intermediate frequency amplifier circuit 15, and a limit circuit formed as a one-chip component 10. 17, FM detection circuit 18, and stereo demodulation circuit 19.
  • the local oscillator signal output from the local oscillator 13 is mixed to convert the high frequency signal into the intermediate frequency signal.
  • the intermediate frequency filters 14, 16 are provided before and after the intermediate frequency amplifying circuit 15, and extract only predetermined band components from the input intermediate frequency signal.
  • the intermediate frequency amplifying circuit 15 amplifies a part of the intermediate frequency signal passing through the intermediate frequency filters 14 and 16.
  • the limit circuit 17 amplifies the input intermediate frequency signal with a high gain.
  • the FM detection circuit 18 performs an FM detection process on the constant amplitude signal output from the limit circuit 17.
  • the stereo demodulation circuit 19 performs stereo demodulation processing on the composite signal after FM detection output from the FM detection circuit 18 to generate an L signal and an R signal.
  • the above-described one-chip component 10 of the present embodiment is integrally formed on a semiconductor substrate by using a CM ⁇ S process or a MS ⁇ S process. In addition to the case where only the circuits constituting the one-chip component 10 shown in FIG. 1 are formed on this semiconductor substrate, various analog circuits and digital circuits may be formed.
  • CMOS process or MOS process Since it is easy to form various CMOS components by the CMOS process or the MOS process, for example, control of a frequency synthesizer or display device that varies the oscillation frequency of the local oscillator 13 to set the reception frequency It is desirable to form circuits and the like on the same semiconductor substrate.
  • FETs formed by the CMOS process or MOS process generally have a characteristic that 1 / f noise, which is low-frequency noise, is larger than that of bipolar transistors. Therefore, when the one-chip component 10 shown in FIG. 1 is formed on one chip using a CMOS process or a MOS process, the FET as an amplifying element included therein becomes a source of 1 / f noise.
  • the FET as an amplifying element included therein becomes a source of 1 / f noise.
  • the 1 / f noise component is superimposed on the oscillation output spectrum of the local oscillator 13 as a noise side band, if the frequency conversion is performed by the mixing circuit 12 using such an oscillation signal, If the noise component contained in the intermediate frequency signal increases, the reception quality deteriorates due to the deterioration of the SN ratio.
  • a p-channel FET is used as an amplifying element (transistor) included in the local oscillator 13 at least.
  • FIG. 2 is a diagram showing the noise characteristics of the FEs manufactured using the CMOS process or the MOS process.
  • the horizontal axis indicates frequency, and the vertical axis indicates noise level.
  • the characteristics indicated by the solid line indicate the noise characteristics of the p-channel FET, and the characteristics indicated by the dotted line indicate the noise characteristics of the n-channel FET.
  • 1 / f noise that appears in the low-frequency region is smaller in the p-channel type FET than in the n-channel type FET. This is considered to be because the mobility of the p-channel type FET is smaller.
  • the l / f noise itself generated by the FET included in the local oscillator 13 can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the noise side band included in the output spectrum of the local oscillator 13 to improve the SN ratio and the signal quality of the entire receiver.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing a specific configuration of the local oscillator 13.
  • the local oscillator 13 shown in FIG. 3 includes FETs 21 and 22, a coil 23, capacitors 24 and 25, resistors 26 and 27, and a variable capacitance diode 28.
  • the coil 23 and the variable capacitance diode 28 constitute a parallel resonance circuit.
  • the capacitor 24 is for grounding one end of the parallel resonance circuit in an AC manner.
  • the resistor 27 functions as a DC bias circuit for applying a DC bias voltage to one end of the parallel resonance circuit.
  • the capacitor 25 is for separating a DC component when applying a reverse bias voltage in order to change the capacitance value of the variable capacitance diode 28.
  • the two FETs 21 and 22 included in the above-described configuration use a p-channel type. Further, all components including the coil 23 are formed on the semiconductor substrate.
  • FIG. 4 is a diagram showing an output waveform of the local oscillator 13. Predetermined bias voltage V by resistor 27. The output waveform is the bias voltage V. It becomes a sine wave shape that goes up and down around.
  • FIG. 7 is a sectional view showing a modification of the local oscillator 13 of the above-described embodiment.
  • FIG. 8 is a plan view of the structure shown in FIG. In the structures shown in these figures, all the components of the local oscillator 13 are formed on the N-well 52. Since a PN junction surface is formed between the N-well 52 and the P-type semiconductor substrate 50, the potential of the N-well 52 is When the current is higher than the semiconductor substrate 50, the current flowing from the N-type well 52 to the semiconductor substrate 50 is cut off at the PN junction surface. For this reason, it is possible to prevent noise generated in the local oscillator 13 from passing through the semiconductor substrate 50 to other circuits.
  • a guard ring 54 is formed in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate 50 and in a peripheral region surrounding the N-well 52.
  • the guard ring 54 is obtained by forming a part of a P-type semiconductor substrate 50 in an N-type region. Since the PNP layer is formed by the guard ring 54 and the semiconductor substrate 50, it is possible to effectively prevent the noise generated in the local oscillator 13 from passing around the surface of the semiconductor substrate 50 to other circuits. be able to.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the present invention.
  • the local oscillator included in the FM receiver has been described.
  • the local oscillator included in various receivers and transmitters such as an AM receiver and a data terminal device or other electronic devices and other oscillators.
  • the present invention can be applied to an oscillator.
  • the oscillator having the configuration shown in FIG. 3 has been described.
  • the present invention can be applied to another oscillator in which one end of the resonance circuit is grounded.
  • the present invention may be applied to a Clapp oscillator or a Colpitts oscillator.
  • all the components of the local oscillator 13 are formed on the semiconductor substrate. However, only some components such as the coil 23 forming the resonance circuit may be externally provided.
  • the guard ring 54 is formed near the surface of the semiconductor substrate 50.
  • the guard ring 54 is formed from the surface of the semiconductor substrate 50.
  • a guard ring 54A formed to a position deeper than the N-well 52 may be used.
  • the transistor included in the oscillator is a p-channel type FET having a small mobility
  • the 1 f noise itself generated in the transistor can be reduced.
  • Noise sidebands superimposed on the output can be reduced.

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Description

明 細 書 発振器 技術分野
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つ 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 C M O Sプロセスあるいは M〇 S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。 C M O Sプロセスあ るいは M O S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、 装置全体の小型化ゃ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 1 0に示すように、 周 波数 f 。 の理想的な出カ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ィ ズである l / 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 M O S型の F E T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ィズ成分が重畳することになり、 S N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、 C M O Sプロセスあるいは M O Sプロセスを用いて形成した場合のノィズ成分を低減す 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 C M O Sプロセスあるいは M O S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 F E Tを用いて形成している c 発振器に含まれるトランジス夕を移動度の小さな pチャネル型の F E Tとするこ とにより、 トランジスタにおいて発生する I 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ィズサイ ドバンドを低減することができる c また、 上述した半導体基板には Nゥエルが形成されており、 この Nゥエル上に 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 F E Tを含む周波数 混合回路の全部品を Nゥエル上に形成することにより、 Nゥヱルとその下の半導 体基板との間に p n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ゥエルよりも深い位 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ゥエル よりも深い位置まで形成することにより、 このガ一ドリングを越えて Nゥエル上 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。 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 F M受信機の構成を示す図、 図 2は、 CMO Sプロセスあるいは MO Sプロセスを用いて製造した FE丁の 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、 直流バイァ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。 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 1 1、 混合回路 12、 局部発振器 13、 中間周波フィル夕 14、 1 6、 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 1 1によって 増幅した後、 局部発振器 1 3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。 中間周波フィル夕 14、 1 6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 1 5は、 中間周波フ ィル夕 14、 1 6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 1 9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、 CM〇 Sプロセスあるいは M〇 S プ a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。 C MO Sプロセスあるいは MO Sプロセスによって各種の CMO S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 1 3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 CMO Sプロセスあるいは MOSプロセスで形成した FE T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 MO Sプロセスを用いて 1チヅプ上に形成すると、 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の発振出カ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 1 2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つて、 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 1 0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 FE Tを用いている。
図 2は、 CMO Sプロセスあるいは MO Sプロセスを用いて製造した F E丁の 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それ示 している。 また、 実線で示した特性が pチャネル型の F E Tのノイズ特性を、 点 線で示した特性が nチャネル型の F E Tのノィ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 F E Tの方が、 nチャネル型の F E T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 1 3に含まれる FETが発生する l/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 1 3の出カ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 S N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 1 3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 1 3は、 F E T 2 1、 2 2、 コイル 2 3、 コンデンサ 2 4、 2 5、 抵抗 2 6、 2 7、 可変容量ダイオード 2 8を含んで構成されている。 コイル 2 3と可変 容量ダイォ一ド 2 8によって並列共振回路が構成されている。 コンデンサ 2 4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 2 7は、 この並列共振回路の一方端に直流バイァス電圧を与えるための直流バイァ ス回路として機能する。 コンデンサ 2 5は、 可変容量ダイオード 2 8の容量値を 可変するために逆バイァ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 F E T 2 1、 2 2は pチャネル型が用いられ ている。 また、 コイル 2 3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 1 3の出力波形を示す図である。 抵抗 2 7によって所定の バイアス電圧 V。 が加わるため、 出力波形は、 このバイアス電圧 V。 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 0 V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ゥエル） 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 F E T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 F E Tを用いたために生じたこのような不都合に対して、 直流 バイァ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 1 3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 1 3の全部品が Nゥエル 5 2上に形成されている。 Nゥエル 5 2と P形の 半導体基板 5 0との間には P N接合面が形成されるため、 Nゥエル 5 2の電位の 方が半導体基板 5 0よりも高い場合には、 Nゥエル 5 2から半導体基板 5 0に向 けて流れる電流がこの P N接合面で遮断される。 このため、 局部発振器 1 3にお いて発生したノィズが半導体基板 5 0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 5 0の表面近傍であって、 Nゥエル 5 2 を囲む周辺領域に、 ガードリング 5 4が形成されている。 このガードリング 5 4 は、 P形の半導体基板 5 0の一部を N形領域に形成したものである。 ガードリン グ 5 4と半導体基板 5 0によって P N P層が形成されるため、 局部発振器 1 3に おいて発生したノイズが半導体基板 5 0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、 F M 受信機に含まれる局部発振器について説明したが、 A M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 1 3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 2 3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 5 4を半導体基板 5 0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 5 4の代わりに、 半導体基板 5 0の表面から Nゥエル 5 2よりも深い位置まで形成したガードリング 5 4 Aを 用いるようにしてもよい。 これにより、 Nゥエル 5 2上に形成された局部発振器 1 3で発生したノイズがガードリング 5 4 Aの下側 （半導体基板 5 0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 F E Tとすることにより、 トランジス夕において発生する 1ノ 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。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . トランジスタを含む構成部品が C M O Sプロセスあるいは M〇 S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 F E Tを用いて形成する発振器。
2 . 前記半導体基板には Nゥヱルが形成されており、 この Nゥヱル上に前記構 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。
3 . 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。
4 . 前記構成部品の周囲に、 前記半導体基板表面から前記 Nゥエルよりも深い 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。
5 . 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ァス電圧を与える直流バイァス回路と、
を有する請求の範囲第 1項記載の発振器。
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