WO2012017572A1 - 発振器 - Google Patents

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WO2012017572A1
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frequency
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amplifier
mems
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岳彦 山川
邦彦 中村
慶治 大西
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Panasonic Corp
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    • H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/16—Indirect frequency synthesis, i.e. generating a desired one of a number of predetermined frequencies using a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/18—Indirect frequency synthesis, i.e. generating a desired one of a number of predetermined frequencies using a frequency- or phase-locked loop using a frequency divider or counter in the loop

Definitions

  • the technical field relates to oscillators, and in particular, to oscillators using MEMS resonators.
  • an oscillator is used for timing (synchronizing) the operation of a circuit in an electronic device or the like.
  • An oscillator that accurately outputs an electrical signal serving as a reference for operation is an indispensable device for electronic equipment.
  • a crystal oscillator using a crystal resonator is an example of such an oscillator, but the crystal oscillator is difficult to miniaturize, unsuitable for integration, has a large number of prototypes, and has a poor yield.
  • We have problems such as time required for delivery. Therefore, in recent years, an oscillator using a micro electro-mechanical system (MEMS) produced by a semiconductor process from silicon or the like has attracted attention as a device replacing a crystal oscillator.
  • MEMS micro electro-mechanical system
  • a micro electro mechanical oscillator (hereinafter referred to as “MEMS oscillator”) includes a feedback oscillation circuit including an amplifier circuit and a MEMS resonator.
  • the MEMS resonator has a characteristic that the electric passing characteristic between the input and output electrodes is remarkably improved only for an electric signal having a frequency in the vicinity of a specific frequency, that is, a resonance frequency of the MEMS vibrator (natural frequency of the vibrator).
  • a resonance frequency of the MEMS vibrator naturally frequency of the vibrator.
  • the MEMS oscillator outputs an electrical signal output from the amplifier circuit as an oscillation signal in the oscillation state. Therefore, the frequency of the oscillation signal output from the MEMS oscillator is determined based on the resonance frequency of the MEMS vibrator.
  • the MEMS resonator is generally formed of silicon or the like, and has a temperature characteristic of about ⁇ 20 [ppm / ° C.] at the resonance frequency due to the temperature characteristic of silicon. For example, if the operating temperature changes by 100 ° C. from ⁇ 20 to + 80 ° C., the resonance frequency changes by about 2000 [ppm]. Therefore, when the operating temperature of the MEMS resonator changes, the frequency of the oscillation signal also changes.
  • a temperature sensor is arranged in the vicinity of the MEMS resonator, and based on the temperature measured by the temperature sensor, the frequency variation of the oscillation signal due to the temperature dependence of the resonance frequency of the MEMS resonator is compensated. It outputs an electric signal with a constant frequency regardless of the temperature.
  • FIG. 21 is a block diagram of a conventional MEMS oscillator.
  • the conventional MEMS oscillator 300 includes an oscillation unit 301 that outputs an original oscillation signal, and a correction unit 302 that corrects the frequency of the original oscillation signal and outputs an output signal having a desired frequency (see Patent Document 1). .
  • the feedback type oscillation circuit is configured by the amplifier 312 and the MEMS resonator 313, and an output from the amplifier 312 is extracted as an original oscillation signal and input to the correction unit 302.
  • the correction unit 302 keeps the frequency of the output signal constant by compensating for the variation in the frequency of the original oscillation signal.
  • the correction unit 302 includes a PLL (Phase-Locked Loop) circuit 321, a frequency division ratio control unit 322 that controls a frequency division ratio of a frequency divider (not shown) provided in the feedback of the PLL circuit 321, and a temperature sensor 1101. Is provided.
  • PLL Phase-Locked Loop
  • the frequency division ratio control unit 322 is based on the input from the temperature sensor 1101, and the frequency division ratio of a frequency divider (not shown) provided in the feedback of the PLL 321 so that the frequency of the output signal output from the PLL 321 becomes a desired value. Adjust. More specifically, the frequency division ratio control unit 322 uses the temperature characteristics of the resonance frequency of the known MEMS resonator 313, the input from the temperature sensor 1101, and the frequency of the preset output signal as feedback of the PLL 321. A frequency dividing ratio of the arranged frequency divider (not shown) is determined.
  • FIG. 22 is a side sectional view of the MEMS resonator 300 described above.
  • the MEMS resonator 313 is packaged so that the periphery of the vibrator is kept in vacuum so that air or the like does not affect the mechanical vibration of the vibrator.
  • the MEMS resonator 313 having such a structure is formed as a second chip 1302 that is different from the first chip 1301 in which the amplification unit 312 and the correction unit 302 are formed.
  • the temperature sensor 1101 is formed in the vicinity of the MEMS resonator 313 in the first chip 1301.
  • the first chip 1301 and the second chip 1302 are connected to the pad 804 connected to the wiring 803 extending from the exterior surface of the second chip 1302 to the surface layer of the circuit, and to the first chip 1301.
  • the pads 805 are connected by connecting them with metal wires 806 and mounted in a vertical stack.
  • the periphery of the vibrator of the MEMS resonator 313 is in a vacuum state. Therefore, the thermal conductivity between the vibrator and the outside thereof is low. However, there is a difference between the time variation of the temperature measured by the temperature sensor 1101 of the first chip 1301 and the time variation of the actual temperature of the vibrator of the MEMS resonator 313.
  • FIG. 23 is a diagram schematically showing an example of the time change of the temperature measured by the temperature sensor 1101 and the actual temperature of the vibrator in the MEMS resonator 313.
  • the actual temperature 902 of the vibrator fluctuates so as to follow the temperature 901 with a slight delay from the temperature 901.
  • the temperature 901 measured by the temperature sensor 1101 coincides with the actual temperature 902 of the vibrator only at a very limited time such as the period D903 and times T904, T905, and T906. It does not match.
  • the temperature dependence of the resonance frequency of the MEMS resonator 313 is correctly compensated in real time based on the actual temperature of the vibrator, and a frequency that exactly matches the desired frequency is obtained. It is difficult to always output the output signal that it has.
  • the correction unit includes a frequency synthesizer including a programmable frequency divider that can variably control the frequency division ratio, and a frequency division ratio control unit that controls the frequency division ratio of the programmable frequency divider.
  • the frequency division ratio control unit controls the frequency division ratio of the programmable frequency divider based on the information signal, and the frequency synthesizer inputs the original oscillation signal, generates a signal of a predetermined set frequency from the original oscillation signal, and outputs it It may be output as a signal.
  • the information signal may be a feedback signal from the MEMS resonator to the amplifier.
  • the information signal may be a control signal for controlling the gain of the amplifier output from the automatic gain controller.
  • the automatic gain controller compares the peak hold circuit that receives the original oscillation signal and detects the peak voltage of the original oscillation signal with the predetermined reference voltage and compares the peak voltage. And an automatic gain controller that outputs a signal indicating the result of comparison as a control signal to control the gain of the amplifier.
  • the correction unit may further include a second frequency divider that inputs the original oscillation signal, divides the original oscillation signal, and outputs the divided signal to the frequency synthesizer.
  • the second frequency divider may be a second programmable frequency divider.
  • the frequency division ratio control unit may control the frequency division ratio of the second programmable frequency divider based on the information signal.
  • the correction unit may further include a multiplier that inputs the original oscillation signal, multiplies the original oscillation signal, and outputs the multiplied signal to the frequency synthesizer.
  • the multiplier may be a programmable multiplier.
  • the frequency division ratio control unit may control the multiplication ratio of the programmable multiplier based on the information signal.
  • the MEMS oscillator according to the present embodiment can stably output an electric signal having a desired frequency even when the temperature of the MEMS resonator fluctuates.
  • Block diagram of the MEMS oscillator of the first embodiment Diagram of frequency characteristics of output of MEMS resonator Automatic gain controller block diagram
  • Block diagram of division ratio control unit Block diagram of another example of division ratio control unit Diagram of temperature characteristics of output of MEMS resonator Diagram of frequency characteristics of output of MEMS resonator Figure of temperature characteristics of output voltage of MEMS resonator Block diagram of the MEMS oscillator of the second embodiment
  • the figure which shows the relationship between the output of a MEMS resonator, and the output of an amplifier The figure which shows the relationship between the output of a MEMS resonator, and the output of an amplifier
  • the MEMS oscillator includes a feedback oscillation circuit including a MEMS resonator, an amplifier, and an automatic gain controller that controls the gain of the amplifier so as to keep the output from the amplifier constant.
  • the correction unit of the MEMS oscillator includes a PLL frequency synthesizer that inputs an original oscillation signal and outputs an output signal, and a frequency division ratio of a programmable frequency divider arranged in the feedback of the PLL frequency synthesizer.
  • a frequency division ratio control unit that controls based on the gain.
  • the correction unit controls the frequency division ratio of the programmable frequency divider based on the magnitude of the gain of the MEMS resonator, and maintains the frequency of the output signal from the frequency synthesizer at a desired frequency.
  • the frequency division ratio control unit receives a signal fed back from the MEMS resonator to the amplifier, and acquires the gain of the MEMS resonator from the level of the signal.
  • the frequency division ratio control unit receives a control signal (amplitude limiting signal) that is output from the automatic gain controller and controls the gain of the amplifier so as to keep the output level from the amplifier constant.
  • the gain of the MEMS resonator is obtained from the amplitude control signal.
  • the MEMS oscillator corrects the fluctuation of the frequency of the original oscillation signal due to the temperature dependence of the resonance frequency of the MEMS resonator, and outputs an output signal having a constant desired frequency. Is possible.
  • FIG. 1 is a block diagram of a MEMS oscillator according to the first embodiment.
  • the MEMS oscillator 100 includes an oscillation unit 1 that outputs an original oscillation signal and a correction unit 2 that receives the original oscillation signal and outputs an output signal having a desired frequency.
  • the oscillation unit 1 includes an automatic gain controller 11, an amplifier 12 that amplifies an input signal (oscillation unit feedback signal) to a certain level (voltage) under the control of the automatic gain controller 11, and an amplifier 12 And an MEMS resonator 13 that returns an oscillation unit feedback signal to the amplifier 12.
  • the automatic gain controller 11 inputs the output from the amplifier 12 and controls the gain of the amplifier 12 so as to keep the output level of the amplifier 12 constant.
  • the control signal used for the control is referred to as an amplitude limit signal.
  • the amplifier 12 receives the feedback signal from the MEMS resonator 13 and amplifies and outputs the feedback signal under gain control by the amplitude limiting signal input from the automatic gain controller 11.
  • An output (original oscillation signal) from the amplifier 12 is sent to the automatic gain controller 11, the correction unit 2, and the MEMS resonator 13.
  • the MEMS resonator 13 receives an output from the amplifier 12 and outputs a feedback signal.
  • the feedback signal from the MEMS resonator 13 to the amplifier 12 is particularly referred to as an oscillation unit feedback signal. To do.
  • FIG. 2 is a graph showing the electrical passage characteristics (single passage characteristics) between the input and output electrodes of the MEMS resonator 13.
  • the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents attenuation (MEMS resonator gain).
  • MEMS resonator gain When the MEMS resonator 13 receives an input of an appropriate level, the MEMS resonator 13 exhibits a pass characteristic 401 that is symmetrical with respect to the resonance frequency f. However, when the MEMS resonator 13 receives an excessive level of input, the MEMS resonator 13 exhibits a distorted pass characteristic like the pass characteristic 402.
  • the automatic gain controller 11 controls the gain of the amplifier 12 so that the output of the amplifier 12 becomes an appropriate level for the MEMS resonator 13 so that an excessive level signal is not input to the MEMS resonator 13.
  • the output of the amplifier 12 is kept at a predetermined level.
  • An appropriate level as an input to the MEMS resonator 13 is the resonance mode of the MEMS resonator 13, the gap interval between the vibrator and the excitation electrode constituting the MEMS resonator 13, the vibrator and / or the excitation electrode. It is determined from an applied bias voltage or the like, and is generally about several tens to several hundred millivolts.
  • FIG. 3 is a block diagram showing details of the automatic gain controller 11.
  • An automatic gain controller (AGC) 11 receives an output from the amplifier 12, that is, an original oscillation signal, and a peak hold circuit 111 detects the maximum level (peak voltage) of the original oscillation signal.
  • the automatic gain controller 11 receives a reference voltage from a reference voltage source (not shown) via a reference voltage input terminal 112. The peak voltage and the reference voltage are input to the comparator 113.
  • the comparator 113 compares both voltages, and when the peak voltage is lower than the reference voltage, the amplitude limit signal “Low” is output. When the voltage is higher than the reference voltage, the amplitude limit signal “High” is output.
  • the amplitude limiting signal output from the automatic gain controller 11 is input to, for example, the gate of a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor arranged in parallel with the output terminal of the amplifier 12.
  • MOS Metal Oxide Semiconductor
  • the parallel resistance decreases, and the gain of the amplifier 12 increases.
  • the amplitude limit signal “High” is input to the gate, the parallel resistance increases.
  • the gain of the amplifier 12 is reduced.
  • the automatic gain controller 11 controls the output level from the amplifier 12 in real time based on the reference voltage. By doing so, the level of the output from the amplifier 12 (input to the MEMS resonator 13) is always kept at an appropriate level, and normal operation of the MEMS resonator 13 is ensured.
  • the circuit comprised from the peak hold circuit 111 and the comparator 113 was mentioned as a structural example of the automatic gain controller 11, this is an example and the structure of the automatic gain controller 11 is not restricted to this. Absent. Any circuit that can control the gain of the amplifier 12 so that the output level (voltage) from the amplifier 12 is constant can be used as the automatic gain controller 11.
  • a circuit that controls the amplifier 12 by specifically specifying the gain value of the amplifier 12 as the amplitude limiting signal may be used.
  • FIG. 4 is a block diagram showing details of the frequency synthesizer 21 of the correction unit 2.
  • the frequency synthesizer 21 is a PLL frequency synthesizer.
  • the phase comparator 211 receives an original oscillation signal input from the oscillation unit 1 and a feedback signal (PLL feedback signal) fed back from the VCO (Voltage Controlled Oscillator) 213 via the programmable frequency divider 214. ) And the detected phase difference is output to the loop filter 212 as an error signal.
  • the loop filter 212 removes an unnecessary short period (high frequency) fluctuation component included in the error signal and outputs it to the VCO 213 as a correction signal.
  • the VCO 213 controls the frequency of the output signal according to the level (voltage) of the input correction signal, and outputs an output signal having a frequency corresponding to the level of the correction signal.
  • Programmable frequency divider 214 is a frequency divider that can variably set the frequency dividing ratio in accordance with external control.
  • the frequency division ratio of the programmable frequency divider 214 is set according to the frequency division controlled signal output from the frequency division ratio control unit 22.
  • the frequency division ratio control unit 22 receives the oscillation unit feedback signal of the MEMS resonator 13, acquires the gain of the MEMS resonator 13 from the level (voltage) of the oscillation unit feedback signal, and the MEMS resonator. The operation of controlling the frequency division ratio of the programmable frequency divider 214 based on the gain of 13 will be described.
  • FIG. 5 is a graph showing the temperature characteristics of the resonance frequency of the MEMS resonator 13.
  • the resonance frequency here corresponds to the peak frequency f in the pass characteristic 401 in FIG.
  • the resonance frequency of the MEMS resonator 13 has a temperature dependency of about ⁇ 20 [ppm / ° C.].
  • the resonance frequency of the MEMS resonator 13 monotonously decreases as the temperature rises. Note that the MEMS oscillators of the present embodiment and the following second embodiment are applicable even when the resonance frequency of the resonator increases monotonously with a temperature rise.
  • FIG. 6 is a graph showing the temperature characteristics of the attenuation amount (MEMS resonator gain) of the MEMS resonator 13. As shown in the figure, the attenuation amount of the MEMS resonator 13 also has a temperature characteristic 404 that monotonously decreases as the temperature rises.
  • FIG. 7 is a graph showing the correspondence between the resonance frequency and the gain of the MEMS resonator 13.
  • T TH.
  • the gain of the MEMS resonator 13 at that time is gTH.
  • the pass characteristics 401M and L where the temperatures TH, TM, and TL have a relationship of TH> TM> TL.
  • a curve 403 is obtained by connecting a resonance frequency (fTH, fTM, fTL) at each temperature and a gain of a resonance frequency at another temperature (not shown).
  • a curve 403 is a curve showing the correspondence between the resonance frequency and the gain of the MEMS resonator 13.
  • the output level from the amplifier 12 is always kept constant by the action of the automatic gain controller 11. Therefore, the level of the feedback signal from the MEMS resonator 13 corresponds to the gain of the MEMS resonator 13. Therefore, the level of the feedback signal from the MEMS resonator 13 shows a temperature characteristic like a curve 601 shown in FIG. For example, if the operating temperature is TL, the MEMS resonator 13 outputs a feedback signal including the frequency component of the frequency fTL having the level (voltage) VTL, and the level of the frequency component is the peak voltage of the feedback signal. Really match. The same applies to other temperatures.
  • the frequency division ratio control unit 22 receives the oscillation unit feedback signal (original oscillation frequency information signal) from the MEMS resonator 13 and detects the maximum level (peak voltage) of the oscillation unit feedback signal. Then, based on the peak voltage and the resonance frequency-gain correspondence shown in FIG. 7, the resonance frequency of the MEMS resonator 13 at that time is derived. That is, the oscillation unit feedback signal (original oscillation frequency information signal) is an information signal including information related to the gain of the MEMS resonator 13. The frequency division ratio control unit 22 derives a resonance frequency from the information signal.
  • the frequency division ratio to be set in the programmable frequency divider 214 is determined from the derived resonance frequency and the frequency of the preset output signal, and the frequency division ratio of the programmable frequency divider 214 is determined.
  • a frequency division ratio control signal for setting the frequency ratio is output to the programmable frequency division ratio 214.
  • FIG. 9 is a block diagram illustrating an example of the frequency division ratio control unit 22.
  • the signal generator 221 receives the original oscillation frequency information signal (oscillator feedback signal), detects the peak voltage, and stores a table indicating the correspondence between the peak voltage and the frequency division ratio of the programmable frequency divider 214.
  • the frequency division ratio to be set in the programmable frequency divider 214 is determined with reference to the table memory 222.
  • the frequency division ratio control unit 22 may include a peak hold circuit in order to detect the peak voltage of the original oscillation frequency information signal.
  • the MEMS oscillator 100 changes the frequency of the original oscillation signal that varies due to temperature variation or the like to the correspondence between the gain of the MEMS resonator 13 and the resonance frequency. Based on this, an output signal having a preset frequency can be output.
  • the MEMS oscillator 100 according to the present embodiment can acquire the gain of the MEMS resonator 13 in real time using a signal generated by the MEMS resonator 13 itself, and can correct the frequency of the original oscillation signal. That is, the gain of the MEMS resonator 13 (the level of the oscillation unit feedback signal) can be used as information regarding the operating temperature of the MEMS resonator 13.
  • the operation temperature is obtained from the gain of the MEMS resonator 13, the resonance frequency of the MEMS resonator 13 at that time is obtained from the temperature characteristics of the resonance frequency, the operation of the frequency synthesizer 21 is controlled, and a desired An output signal having a frequency is output.
  • the MEMS resonator 100 does not require a temperature sensor as in the conventional configuration. Therefore, a deviation from the set value of the frequency of the output signal due to a deviation between the measured temperature of the temperature sensor and the actual operating temperature of the vibrator does not occur in the MEMS oscillator 100. However, the MEMS oscillator 100 can always stably output a high-quality output signal.
  • the MEMS resonator 13 having the gain temperature characteristic 504 as shown in FIG. 11 can constitute the MEMS oscillator 100 of the present embodiment.
  • the correspondence relationship between the resonance frequency and the gain of the MEMS resonator 13 is a curve that monotonously decreases as the temperature rises, as a curve 503 shown in FIG. Therefore, the level of the oscillation unit feedback signal from the MEMS resonator 13 changes as shown by a curve 701 shown in FIG. 13 as the temperature changes.
  • the configuration of a PLL frequency synthesizer using an analog PLL circuit is shown as the frequency synthesizer 21.
  • the frequency synthesizer 21 is not limited to an analog PLL circuit, and is a digital PLL circuit or an all-digital one. You may comprise using a PLL circuit. Further, the frequency synthesizer 21 may have a circuit configuration other than the PLL circuit.
  • the programmable frequency divider 214 of the PLL frequency synthesizer 21 of the present embodiment may be configured using either an integer type frequency divider or a fractional type frequency divider.
  • FIG. 14 is a block diagram of the MEMS oscillator according to the second embodiment. Constituent elements equivalent to those of the MEMS oscillator 100 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
  • the MEMS oscillator 200 uses the amplitude limit signal output from the automatic gain controller 11 as the original oscillation frequency information signal.
  • the amplitude limit signal is a signal used to control the amplifier 12 to keep its gain constant.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the gain 404 of the MEMS resonator 13 and the gain 405 of the amplifier 12 along the operating temperature of the MEMS resonator 13.
  • the gain 405 of the amplifier 12 and the gain 404 of the MEMS resonator 13 have a one-to-one correspondence. That is, the amplitude limit signal (original oscillation frequency information signal) is an information signal including a signal having a corresponding relationship with the gain at the resonance frequency of the MEMS resonator 13. Therefore, it is possible to acquire the gain of the MEMS resonator 13 by monitoring an amplitude limit signal that is a signal for controlling the gain of the amplifier 12.
  • the frequency division ratio control unit 22 inputs the amplitude limit signal as an original oscillation frequency information signal, detects the gain of the MEMS resonator 13 based on the signal, and the resonance frequency of the MEMS resonator 13 as shown in FIG. Deriving the resonance frequency of the MEMS resonator 13 at that time from the gain correspondence. Then, the frequency division ratio control unit 22 determines the frequency division ratio to be set in the programmable frequency divider 214 as in the first embodiment.
  • the MEMS resonator 13 having the gain temperature characteristic 504 as shown in FIG. 16 can constitute the MEMS oscillator 200 of the present embodiment.
  • the correspondence relationship between the gain of the MEMS resonator 13 and the gain of the amplifier 12 is a curve that monotonously decreases as the temperature rises, as a curve 505 shown in FIG.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a first modification of the correction unit 2 that can be applied to the MEMS oscillators 100 and 200.
  • a frequency divider 31 that divides the frequency of the original oscillation signal by 1 / R is disposed in front of the PLL frequency synthesizer 21.
  • the frequency of the original oscillation signal and the frequency of the output signal are of the same order. Even in this case, the frequency of the original oscillation signal can be precisely corrected.
  • the frequency divider 31 is configured by a second programmable frequency divider
  • the frequency division ratio control unit 22 is configured to control the frequency division ratio of the frequency divider 31. Also good.
  • the correction unit 2 can precisely correct the frequency of the original oscillation signal to an arbitrary real number frequency under the control of the frequency division ratio control unit 22.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a second modification of the correction unit 2 that can be applied to the MEMS oscillators 100 and 200.
  • a multiplier 32 that multiplies the frequency of the original oscillation signal by R is disposed in front of the PLL frequency synthesizer 21.
  • the frequency of the output signal is sufficiently smaller than the frequency of the original oscillation signal.
  • the frequency of the original oscillation signal can be precisely corrected.
  • the multiplier 32 may be configured by a programmable multiplier, and the frequency division ratio control unit 22 may be configured to control the multiplication ratio of the multiplier 32. Also in this case, the correction unit 2 can precisely correct the frequency of the original oscillation signal to an arbitrary real number frequency under the control of the frequency division ratio control unit 22.
  • the correction unit 2 may further include a frequency divider or a multiplier in the subsequent stage of the PLL frequency synthesizer 21 (on the side where the output of the VCO 213 is input).
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a modification of the MEMS oscillator 100 according to the first embodiment.
  • the MEMS oscillator modification 1100 includes a temperature sensor 1101 in addition to the configuration of the MEMS oscillator 100.
  • the output of the temperature sensor 1101 is input to the frequency division ratio control unit 22.
  • the frequency division ratio control unit 22 may generate a frequency division ratio control signal using the output of the temperature sensor 1101 below the predetermined temperature T.
  • the MEMS oscillator 1100 can stably output a high-quality output signal even in a temperature region in which fluctuation due to a temperature change in the output level of the MEMS resonator 13 is relatively small.
  • the frequency division ratio control unit 22 may generate a frequency division ratio control signal using the output of the temperature sensor 1101.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a modification of the MEMS oscillator 200 according to the second embodiment.
  • the MEMS oscillator modification 1200 includes a temperature sensor 1101 in addition to the configuration of the MEMS oscillator 200.
  • the output of the temperature sensor 1101 is input to the frequency division ratio control unit 22.
  • the frequency division ratio control unit 22 may generate a frequency division ratio control signal using the output of the temperature sensor 1101. By doing so, the MEMS oscillator 1100 can stably output a high-quality output signal even in a temperature region in which fluctuation due to a temperature change of the amplifier 12 is relatively small.
  • the frequency division ratio control unit 22 may generate a frequency division ratio control signal using the output of the temperature sensor 1101.
  • the MEMS oscillator includes a feedback oscillation circuit including a MEMS resonator, an amplifier, and an automatic gain controller that controls the gain of the amplifier so as to keep the output from the amplifier constant.
  • the correction unit includes a frequency synthesizer and a frequency division ratio control unit that controls the frequency division ratio of the programmable frequency divider arranged in the feedback of the frequency synthesizer based on the gain of the MEMS resonator.
  • the frequency division ratio control unit determines the frequency division ratio of the programmable frequency divider based on the magnitude of the gain of the MEMS resonator.
  • the magnitude of the gain of the MEMS resonator has temperature dependence and changes monotonously as the temperature changes. Therefore, the resonance frequency of the MEMS resonator and the magnitude of the gain have a one-to-one correspondence relationship in which one can be uniquely determined from the other. Therefore, the resonance frequency at that time can be known from the magnitude of the gain of the MEMS resonator.
  • the frequency division ratio control unit controls the frequency division ratio of the programmable frequency divider based on the correspondence relationship in real time in response to the time variation of the gain of the MEMS resonator. By doing so, the time variation of the frequency of the original oscillation signal is accurately corrected in real time, and an output signal having a frequency that matches the desired frequency is always output from the MEMS oscillator.
  • the frequency division ratio control unit can receive a signal fed back from the MEMS resonator to the amplifier and acquire the gain of the MEMS resonator from the level of the signal. Because, in the oscillation unit, the output from the amplifier is always kept constant by the action of the automatic gain controller, so the level (voltage) of the feedback signal of the MEMS resonator corresponds well with the gain of the MEMS resonator. It is.
  • the frequency division ratio control unit monitors a control signal (amplitude limit signal) output from the automatic gain controller for controlling the gain of the amplifier so as to keep the output level from the amplifier constant. It is possible to obtain the gain of the MEMS resonator. This is because in the oscillating unit, the automatic gain controller outputs an amplitude control signal so as to keep the output from the amplifier at a constant level. Therefore, the level of the signal fed back from the MEMS resonator to the amplifier (that is, the gain of the MEMS resonator) can be known from the amplitude control signal.
  • the MEMS oscillators according to the first and second embodiments described above sufficiently correct the fluctuation in the frequency of the original oscillation signal due to the temperature dependence of the resonance frequency of the MEMS resonator, and always output an output signal having a desired frequency stably. Is possible.
  • the output signal output from the MEMS oscillator according to the present embodiment has a stable frequency at all times, it is useful for applications such as a clock generator.

Landscapes

  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)

Abstract

ＭＥＭＳ共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路、および、増幅器からの出力を受けて該出力のレベルに基づいて増幅器からの出力のレベル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を備え、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、原発振信号を入力し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、補正部は、原発振信号とは別に、ＭＥＭＳ共振器のゲインに関する情報を含む情報信号を発振部から入力し、情報信号に基づいて原発振信号の周波数を補正して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。

Description

発振器
　技術分野は、発振器に関し、特に、ＭＥＭＳ共振器を用いた発振器に関する。
　従来、電子機器等において回路の動作のタイミングをとる（同期をとる）ために発振器が用いられる。動作の基準となる電気信号を正確に出力する発振器は電子機器にとって必要不可欠のデバイスである。水晶振動子を用いた水晶発振器は、そのような発振器の一例だが、水晶発振器は、小型化が困難であること、集積化に不向きであること、試作工数が多いこと、歩留まりが良くないこと、納期に時間を要すること、などの課題を抱えている。そこで近年、水晶発振器に代わるデバイスとして、シリコン等から半導体プロセスにより作成される微小電気機械（ＭＥＭＳ：Micro Electro-Mechanical Systems）を用いた発振器が注目されている。
　微小電気機械発振器（以下、「ＭＥＭＳ発振器」と称する。）は、増幅回路とＭＥＭＳ共振器からなる帰還型の発振回路を備える。ＭＥＭＳ共振器は、特定の周波数、すなわちＭＥＭＳ振動子の共振周波数（振動子の固有振動数）、の近傍の周波数を有する電気信号についてのみ入出力電極間の電気通過特性が著しく向上する、という特性を有する。ＭＥＭＳ発振器においては、ＭＥＭＳ振動子のこのような特性を利用して増幅回路からの出力に含まれる共振周波数の電気信号を増幅回路へ帰還させることにより発振状態を作り出す。そして、ＭＥＭＳ発振器は、発振状態において増幅回路から出力される電気信号を発振信号として出力する。したがって、ＭＥＭＳ発振器から出力される発振信号の周波数は、ＭＥＭＳ振動子の共振周波数に基づいて定まる。
　ＭＥＭＳ共振器の共振周波数には温度依存性があることが知られる。ＭＥＭＳ共振器は、一般的にはシリコンなどから形成され、シリコンの温度特性によりその共振周波数に－２０［ｐｐｍ／℃］程度の温度特性がある。例えば、動作温度が－２０～＋８０℃まで１００℃変化すれば、共振周波数は、２０００［ｐｐｍ］程度変化する。そのため、ＭＥＭＳ共振器の動作温度が変化することで、発振信号の周波数も変化する。そこで、従来のＭＥＭＳ発振器においては、ＭＥＭＳ共振器近傍に温度センサを配し、温度センサが計測する温度にもとづいてＭＥＭＳ共振器の共振周波数の温度依存性に起因する発振信号の周波数変動を補償し、温度に依らずに一定の周波数の電気信号を出力する。
　図２１は、従来のＭＥＭＳ発振器のブロック図である。従来のＭＥＭＳ発振器３００は、原発振信号を出力する発振部３０１と、原発振信号の周波数を補正して所望の周波数を有する出力信号を出力する補正部３０２とを有する（特許文献１参照。）。
　発振部３０１においては、増幅器３１２とＭＥＭＳ共振器３１３とで帰還型の発振回路が構成され、増幅器３１２からの出力が原発振信号として取り出されて補正部３０２へ入力される。
　温度変化等によりＭＥＭＳ共振器３１３の共振周波数が変動すると、原発振信号の周波数も変動する。ＭＥＭＳ発振器３００においては、補正部３０２が、原発振信号の周波数の変動を補償することにより、出力信号の周波数を一定に保つ。
　補正部３０２は、ＰＬＬ（Phase-Locked Loop）回路３２１と、ＰＬＬ回路３２１のフィードバックに設けた分周器（不図示）の分周比を制御する分周比制御部３２２と、温度センサ１１０１とを備える。
　分周比制御部３２２は、温度センサ１１０１からの入力にもとづき、ＰＬＬ３２１が出力する出力信号の周波数が所望の値になるようにＰＬＬ３２１のフィードバックに設けた分周器（不図示）の分周比を調整する。より詳細には、分周比制御部３２２は、既知のＭＥＭＳ共振器３１３の共振周波数の温度特性と、温度センサ１１０１からの入力と、予め設定される出力信号の周波数とから、ＰＬＬ３２１のフィードバックに配置された分周器（不図示）の分周比を決定する。
　図２２は、上述のＭＥＭＳ共振器３００の側部断面図である。同図に示すように、ＭＥＭＳ共振器３１３は、空気などが振動子の機械的振動へ影響を及ぼさないよう、振動子の周囲が真空に保たれるようにパッケージングされる。このような構造を有するＭＥＭＳ共振器３１３は、増幅部３１２および補正部３０２が形成される第１のチップ１３０１とは別の第２のチップ１３０２として形成される。温度センサ１１０１は、第１のチップ１３０１内のＭＥＭＳ共振器３１３近傍に形成される。
　そして、第１のチップ１３０１と第２のチップ１３０２とは、第２のチップ１３０２の外装表面から回路の表層まで延びた配線８０３に接続されたパッド８０４と、第１のチップ１３０１に接続されたパッド８０５とを金属ワイヤ８０６で繋ぐことで接続され、縦積みで実装される。
　上述のとおり、ＭＥＭＳ共振器３１３の振動子の周囲は真空状態にある。そのため、振動子と、その外部との間の熱伝導性は低い。しかるに、第１のチップ１３０１の温度センサ１１０１が計測する温度の時間変動と、ＭＥＭＳ共振器３１３の振動子の実際の温度の時間変動との間には差違が生じる。
　図２３は、温度センサ１１０１が計測した温度、および、ＭＥＭＳ共振器３１３内振動子の実際の温度、の時間変化の例を模式的に表した図である。温度センサ１１０１が計測した温度９０１が同図のように変動する場合には、振動子の実際の温度９０２は、温度９０１に少し遅れて温度９０１に追従するように変動する。そのため、温度センサ１１０１が計測した温度９０１は、期間Ｄ９０３や、時刻Ｔ９０４、Ｔ９０５、Ｔ９０６といった非常に限られた時刻においてのみ、振動子の実際の温度９０２と一致し、その他の時刻において、両者は一致しない。換言すれば、従来のＭＥＭＳ発振器３００の構成では、振動子の実際の温度に基づいてリアルタイムにＭＥＭＳ共振器３１３の共振周波数の温度依存性を正しく補償して所望の周波数と精確に一致した周波数を有する出力信号を常時出力することは困難である。
特表２００７－５１８３５１号公報 特開２００８－３１１８８４号公報
　上記従来技術における問題点を鑑み、ＭＥＭＳ共振器の温度が変動する場合においても安定して動作するＭＥＭＳ発振器を提供する。
　その一態様は、ＭＥＭＳ共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路、および、増幅器からの出力を受けて該出力のレベルに基づいて増幅器からの出力のレベル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を備え、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、原発振信号を入力し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、補正部は、原発振信号とは別に、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発振部から入力し、情報信号に基づいて原発振信号の周波数を補正して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発振器である。
　その一態様においては、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、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、分周比制御部は、情報信号に基づいてプログラマブル分周器の分周比を制御し、周波数シンセサイザは、原発振信号を入力し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してもよい。
　その一態様においては、情報信号は、ＭＥＭＳ共振器から増幅器への帰還信号でもよい。
　その一態様においては、情報信号は、自動利得制御器が出力する増幅器のゲインを制御するための制御信号でもよい。
　その一態様においては、自動利得制御器は、原発振信号を入力して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、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、自動利得制御器は、制御信号として比較の結果を示す信号を出力して増幅器のゲインを制御してもよい。
　その一態様においては、補正部は、さらに、原発振信号を入力し該原発振信号を分周して周波数シンセサイザへ出力する第２の分周器を備えてもよい。
　その一態様においては、第２の分周器は、第２のプログラマブル分周器でもよい。その場合、分周比制御部は、情報信号に基づいて第２のプログラマブル分周器の分周比を制御してもよい。
　その一態様においては、補正部は、さらに、原発振信号を入力し該原発振信号を逓倍して周波数シンセサイザへ出力する逓倍器を備えてもよい。
　その一態様においては、逓倍器は、プログラマブル逓倍器でもよい。その場合、分周比制御部は、情報信号に基づいてプログラマブル逓倍器の逓倍比を制御してもよい。
　本実施の形態のＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器の温度が変動する場合においても、所望の周波数を有する電気信号を安定的に出力することができる。
実施の形態１のＭＥＭＳ発振器のブロック図 ＭＥＭＳ共振器の出力の周波数特性の図 自動利得制御器のブロック図 周波数シンセサイザのブロック図 ＭＥＭＳ共振器の共振周波数の温度特性の図 ＭＥＭＳ共振器の出力の温度特性の図 ＭＥＭＳ共振器の出力の周波数特性の図 ＭＥＭＳ共振器の出力電圧の温度特性の図 分周比制御部のブロック図 分周比制御部の別例のブロック図 ＭＥＭＳ共振器の出力の温度特性の図 ＭＥＭＳ共振器の出力の周波数特性の図 ＭＥＭＳ共振器の出力電圧の温度特性の図 実施の形態２のＭＥＭＳ発振器のブロック図 ＭＥＭＳ共振器の出力と増幅器の出力の関係を示す図 ＭＥＭＳ共振器の出力と増幅器の出力の関係を示す図 補正部の変形例のブロック図 補正部の変形例のブロック図 実施の形態１のＭＥＭＳ発振器の変形例のブロック図 実施の形態２のＭＥＭＳ発振器の変形例のブロック図 従来のＭＥＭＳ発振器のブロック図 従来のＭＥＭＳ発振器の側部断面図 温度センサが計測する温度変動と振動子の実際の温度変動との関係を示す図
　以下、実施の形態について、詳細に説明する。
　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。
　本実施の形態のＭＥＭＳ発振器の補正部は、原発振信号を入力し出力信号を出力するＰＬＬ周波数シンセサイザと、ＰＬＬ周波数シンセサイザのフィードバックに配置されたプログラマブル分周器の分周比を、ＭＥＭＳ共振器のゲインに基づいて制御する分周比制御部と、を備える。後述するように、ＭＥＭＳ共振器のゲインの大きさは、共振周波数と同様の温度依存性を有し温度が変化することで単調に変化するため、当該ゲインの大きさからそのときのＭＥＭＳ共振器の共振周波数を知ることが可能である。そこで、補正部では、ＭＥＭＳ共振器のゲインの大きさに基づきプログラマブル分周器の分周比を制御し、周波数シンセサイザからの出力信号の周波数を所望の周波数に保つ。
　なお、分周比制御部は、ＭＥＭＳ共振器から増幅器へ帰還される信号を受けて、当該信号のレベルからＭＥＭＳ共振器のゲインを取得する。または、分周比制御部は、自動利得制御器から出力される、増幅器からの出力のレベルを一定に保つように増幅器のゲインを制御するための制御信号（振幅制限信号）を受けて、当該振幅制御信号からＭＥＭＳ共振器のゲインを取得する。
　このような構成により、本実施の形態のＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数の温度依存性に起因した原発振信号の周波数の変動をよく補正し、一定の所望の周波数の出力信号を出力することが可能である。
　（実施の形態１）
　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。
　発振部１は、自動利得制御器１１と、自動利得制御器１１の制御下で入力信号（発振部帰還信号）を一定のレベル（電圧）にまで増幅して出力する増幅器１２と、増幅器１２からの出力を受け発振部帰還信号を増幅器１２へ返すＭＥＭＳ共振器１３と、を含む。
　自動利得制御器１１は、増幅器１２からの出力を入力し、増幅器１２の出力のレベルを一定に保つように増幅器１２のゲインを制御する。ここで、当該制御に用いられる制御信号を振幅制限信号と称する。増幅器１２は、ＭＥＭＳ共振器１３からの帰還信号を受け、自動利得制御器１１から入力した振幅制限信号によるゲインコントロールの下で帰還信号を増幅し出力する。増幅器１２からの出力（原発振信号）は、自動利得制御器１１、補正部２、ＭＥＭＳ共振器１３へ送られる。ＭＥＭＳ共振器１３は、増幅器１２からの出力を受け、帰還信号を出力する。なお、後述する補正部２の周波数シンセサイザ２１の帰還回路を流れる帰還信号と混同されるおそれがある場合には、ＭＥＭＳ共振器１３から増幅器１２への帰還信号をとくに発振部帰還信号と称することとする。
　２．ＭＥＭＳ発振器の動作
　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３は、自動利得制御器１１の詳細を示すブロック図である。自動利得制御器（ＡＧＣ：Automatic Gain Controller）１１は、増幅器１２からの出力、すなわち原発振信号、を入力し、ピークホールド回路１１１で原発振信号の最大レベル（ピーク電圧）を検出する。また、自動利得制御器１１には、基準電圧源（図示せず）から基準電圧入力端子１１２を介して基準電圧が入力される。ピーク電圧および基準電圧は、コンパレータ１１３へ入力され、コンパレータ１１３は、両電圧を比較し、ピーク電圧が基準電圧よりも低い場合には、振幅制限信号「Ｌｏｗ」を出力し、逆にピーク電圧が基準電圧よりも高い場合には、振幅制限信号「Ｈｉｇｈ」を出力する。
　自動利得制御器１１が出力する振幅制限信号は、例えば、増幅器１２の出力端子と並列に配置されたＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタのゲートに入力される。該ゲートに振幅制限信号「Ｌｏｗ」が入力されると並列抵抗が小さくなり、増幅器１２のゲインはアップし、逆に該ゲートに振幅制限信号「Ｈｉｇｈ」が入力されると並列抵抗が大きくなり、増幅器１２のゲインはダウンする。このようにして、自動利得制御器１１は、基準電圧に基づき、増幅器１２からの出力のレベルをリアルタイムに制御する。そうすることで、増幅器１２からの出力（ＭＥＭＳ共振器１３への入力）のレベルは、常時適切なレベルに保たれ、もって、ＭＥＭＳ共振器１３の正常動作が確保される。
　なお、自動利得制御器１１の構成例として、ピークホールド回路１１１およびコンパレータ１１３から構成される回路を挙げたが、これは一例であり、自動利得制御器１１の構成は、これに限られるものではない。増幅器１２からの出力のレベル（電圧）が一定になるように増幅器１２のゲインを制御することができる回路であれば、自動利得制御器１１として利用することが可能である。例えば、振幅制限信号として具体的に増幅器１２のゲインの値を指定して増幅器１２を制御するような回路であってもよい。
　２．２補正部の動作（原発振信号の周波数補正）
　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。
　２．２．１．プログラマブル分周器の分周比の制御
　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。
　図５は、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数の温度特性を示すグラフである。ここでの共振周波数は、図２における通過特性４０１におけるピークの周波数ｆと対応する。同図に示されるように、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数は、－２０［ｐｐｍ／℃］程度の温度依存性を有する。図から明らかだが、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数は、温度上昇にともない単調に減少する。なお、本実施の形態および下記実施の形態２のＭＥＭＳ発振器は、共振器の共振周波数が温度上昇とともに単調に増大する場合であっても、適用可能である。
　図６は、ＭＥＭＳ共振器１３の減衰量（ＭＥＭＳ共振器ゲイン）の温度特性を示すグラフである。同図に示されるように、ＭＥＭＳ共振器１３の減衰量もまた、その温度が上昇するにしたがって単調に減少する温度特性４０４を有する。
　図５および図６から、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数とゲインとの対応関係が導出される。図７は、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数とゲインの対応関係を示すグラフである。同図において、通過特性４０１Ｈは、温度Ｔ＝ＴＨにおけるＭＥＭＳ共振器１３の通過特性である。例えば、ＭＥＭＳ共振器１３が共振周波数ｆＴＨを示すなら、そのときのＭＥＭＳ共振器１３のゲインはｇＴＨであることがわかる。通過特性４０１ＭおよびＬも同様であり、ここで温度ＴＨ、ＴＭ、ＴＬは、ＴＨ＞ＴＭ＞ＴＬの関係にある。各温度における共振周波数（ｆＴＨ、ｆＴＭ、ｆＴＬ）ならびに図示しない他の温度における共振周波数のゲインを繋ぐことにより曲線４０３が得られる。曲線４０３は、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数とゲインとの対応関係を示す曲線である。
　ところで、発振部１においては、その自動利得制御器１１の作用により、増幅器１２からの出力のレベルは常時一定に保たれる。よって、ＭＥＭＳ共振器１３からの帰還信号のレベルは、ＭＥＭＳ共振器１３のゲインと対応する。そのため、ＭＥＭＳ共振器１３からの帰還信号のレベルは、図８に示す曲線６０１のような温度特性を示す。例えば、ＭＥＭＳ共振器１３は、その動作温度がＴＬであれば、レベル（電圧）ＶＴＬを有する周波数ｆＴＬの周波数成分を含んだ帰還信号を出力し、当該周波数成分のレベルは帰還信号のピーク電圧と実質一致する。他の温度においても同様である。
　図１に示すように、分周比制御部２２は、ＭＥＭＳ共振器１３からの発振部帰還信号（原発振周波数情報信号）を入力し、当該発振部帰還信号の最大レベル（ピーク電圧）を検出し、当該ピーク電圧と、図７に示した共振周波数－ゲインの対応関係とに基づき、その時点におけるＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数を導出する。つまり、発振部帰還信号（原発振周波数情報信号）はＭＥＭＳ共振器１３のゲインに関する情報を含んだ情報信号である。分周比制御部２２は、当該情報信号から共振周波数を導出する。そして、導出した共振周波数と、予め設定される出力信号の周波数とから、プログラマブル分周器２１４に設定されるべき分周比を決定し、プログラマブル分周器２１４の分周比を当該決定した分周比にするための分周比制御信号をプログラマブル分周比２１４へ出力する。
　図９は、分周比制御部２２の例を示すブロック図である。信号生成部２２１は、原発振周波数情報信号（発振部帰還信号）を入力し、そのピーク電圧を検出し、ピーク電圧とプログラマブル分周器２１４の分周比との対応を示すテーブルが格納されたテーブルメモリ２２２を参照し、プログラマブル分周器２１４に設定されるべき分周比を決定する。なお、分周比制御部２２は、原発振周波数情報信号のピーク電圧を検出するためにピークホールド回路を備えてよい。
　図１０は、分周比制御部２２の別例を示すブロック図である。信号生成部２２１は、原発振周波数情報信号（発振部帰還信号）を入力し、そのピーク電圧を検出する。そして、分周比演算部２２４が、当該検出したピーク電圧を、図７に例示したＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数－ゲイン対応関係を近似した関数に入力し、そのときのＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数を算出し、予め設定された出力信号の周波数と算出したＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数とからプログラマブル分周器２１４に設定されるべき分周比を算出する。そして、信号生成部２２３は、算出した分周比を分周比制御信号としてプログラマブル分周器２１４へ出力する。
　３．実施の形態１まとめ
　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。
　そのため、ＭＥＭＳ共振器１００は、従来の構成のように、温度センサを要さない。よって、温度センサの計測温度と振動子の実際の動作温度とのずれに起因して出力信号の周波数の設定値からのずれは、ＭＥＭＳ発振器１００においては発生しない。しかるに、ＭＥＭＳ発振器１００は、高品質の出力信号を常時安定して出力することが可能である。
　なお、図１１に示すようなゲインの温度特性５０４を示すＭＥＭＳ共振器１３であっても、本実施の形態のＭＥＭＳ発振器１００を構成することが可能である。この場合、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数－ゲインの対応関係は、図１２に示す曲線５０３のように、温度上昇に伴って単調に減少する曲線となる。よって、ＭＥＭＳ共振器１３からの発振部帰還信号のレベルは、温度の変化に伴い図１３に示す曲線７０１のように変化する。
　なお、本実施の形態においては、周波数シンセサイザ２１として、アナログＰＬＬ回路を用いたＰＬＬ周波数シンセサイザの構成を示したが、周波数シンセサイザ２１は、アナログＰＬＬ回路に限らず、デジタルＰＬＬ回路、または、オールデジタルＰＬＬ回路を用いて構成してもよい。また、周波数シンセサイザ２１は、ＰＬＬ回路以外の回路構成でもよい。
　また、本実施の形態のＰＬＬ周波数シンセサイザ２１のプログラマブル分周器２１４は、整数型の分周器、または、分数型の分周器のいずれを用いて構成してもよい。
　（実施の形態２）
　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。
　実施の形態２にかかるＭＥＭＳ発振器２００は、原発振周波数情報信号として、自動利得制御器１１が出力する振幅制限信号を利用する。上述のように振幅制限信号は、増幅器１２を制御してそのゲインを一定に保つことに用いられる信号である。
　図１５は、ＭＥＭＳ共振器１３のゲイン４０４と増幅器１２のゲイン４０５の関係を、ＭＥＭＳ共振器１３の動作温度に沿って示すグラフである。このように、増幅器１２のゲイン４０５と、ＭＥＭＳ共振器１３のゲイン４０４とは、一対一の対応関係を有する。つまり、振幅制限信号（原発振周波数情報信号）はＭＥＭＳ共振器１３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んだ情報信号である。そのため、増幅器１２のゲインを制御するための信号である振幅制限信号をモニタリングすることにより、ＭＥＭＳ共振器１３のゲインを取得することが可能である。分周比制御部２２は、振幅制限信号を原発振周波数情報信号として入力し、当該信号に基づいてＭＥＭＳ共振器１３のゲインを検出し、図７に示したようなＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数－ゲインの対応関係からそのときのＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数を導出する。そして、分周比制御部２２は、実施の形態１と同様にして、プログラマブル分周器２１４に設定されるべき分周比を決定する。
　なお、図１６に示すようなゲインの温度特性５０４を示すＭＥＭＳ共振器１３であっても、本実施の形態のＭＥＭＳ発振器２００を構成することが可能である。この場合、ＭＥＭＳ共振器１３のゲインと増幅器１２のゲインの対応関係は、同図に示す曲線５０５のように、温度上昇に伴って単調に減少する曲線となる。
　（補正部の第１変形例）
　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。
　（補正部の第２変形例）
　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。
　なお、補正部２は、ＰＬＬ周波数シンセサイザ２１の後段（ＶＣＯ２１３の出力が入力される側）に、さらに、分周器あるいは逓倍器を備えてもよい。
　（実施の形態１のＭＥＭＳ発振器の変形例）
　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８に示すように、所定の温度Ｔ以下の温度領域６０２においては、温度変化によるＭＥＭＳ共振器１３の出力レベルの変化は、他の温度領域に較べて小さい。そこで、所定の温度Ｔ以下においては、分周比制御部２２は、温度センサ１１０１の出力を用いて分周比制御信号を生成してもよい。そうすることで、ＭＥＭＳ発振器１１００は、ＭＥＭＳ共振器１３の出力のレベルの温度変化による変動が比較的小さい温度領域においても、高品質な出力信号を安定的に出力することが可能である。
　なお、ＭＥＭＳ共振器１３の出力レベルが温度上昇に伴って単調増加する場合（図１３の特性７０１のような場合）、所定の温度Ｔ’以上の温度領域７０２においては、温度変化によるＭＥＭＳ共振器１３の出力レベルの変化は、他の温度領域に較べて小さい。そこで、所定の温度Ｔ’以上においては、分周比制御部２２は、温度センサ１１０１の出力を用いて分周比制御信号を生成してもよい。
　（実施の形態２のＭＥＭＳ発振器の変形例）
　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。
　図１５に示すように、所定の温度Ｔ’’以下の温度領域４０６においては、温度変化による増幅器１２のゲインの変化は、他の温度領域に較べて小さい。そこで、所定の温度Ｔ’’以下においては、分周比制御部２２は、温度センサ１１０１の出力を用いて分周比制御信号を生成してもよい。そうすることで、ＭＥＭＳ発振器１１００は、増幅器１２のゲインの温度変化による変動が比較的小さい温度領域においても、高品質な出力信号を安定的に出力することが可能である。
　なお、増幅器１２のゲインが温度上昇に伴って単調減少する場合（図１６の特性５０５のような場合）、所定の温度Ｔ’’’以上の温度領域５０６においては、温度変化による増幅器１２のゲインの変化は、他の温度領域に較べて小さい。そこで、所定の温度Ｔ’’’以上においては、分周比制御部２２は、温度センサ１１０１の出力を用いて分周比制御信号を生成してもよい。
　（まとめ）
　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。
　補正部は、周波数シンセサイザと、周波数シンセサイザのフィードバックに配置されたプログラマブル分周器の分周比を、ＭＥＭＳ共振器のゲインに基づいて制御する分周比制御部と、を備える。分周比制御部は、ＭＥＭＳ共振器のゲインの大きさに基づき、プログラマブル分周器の分周比を決定する。ＭＥＭＳ共振器のゲインの大きさは、その共振周波数と同様、温度依存性を有し、温度が変化することで単調に変化する。よって、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数とゲインの大きさとは、互いに一方から他方を一意に求めることができる、一対一の対応関係にある。そのため、ＭＥＭＳ共振器のゲインの大きさから、そのときの共振周波数を知ることができる。分周比制御部は、当該対応関係に基づいてプログラマブル分周器の分周比を、ＭＥＭＳ共振器のゲインの時間変動を受けてリアルタイムに制御する。そうすることで、原発振信号の周波数の時間変動はリアルタイムに正確に補正され、ＭＥＭＳ発振器からは、常時、所望の周波数と一致した周波数を有する出力信号が出力される。
　なお、分周比制御部は、ＭＥＭＳ共振器から増幅器へ帰還される信号を受けて、当該信号のレベルからＭＥＭＳ共振器のゲインを取得することが可能である。なぜなら、発振部においては、自動利得制御器の作用により増幅器からの出力は常時一定に保たれるため、ＭＥＭＳ共振器の帰還信号のレベル（電圧）は、ＭＥＭＳ共振器のゲインとよく対応するからである。
　また、分周比制御部は、自動利得制御器から出力される、増幅器からの出力のレベルを一定に保つように増幅器のゲインを制御するための制御信号（振幅制限信号）をモニタリングすることで、ＭＥＭＳ共振器のゲインを取得することが可能である。なぜなら、発振部においては、自動利得制御器は、増幅器からの出力を一定レベルに保つように振幅制御信号を出力している。よって、振幅制御信号から、ＭＥＭＳ共振器から増幅器へ帰還される信号のレベル（すなわち、ＭＥＭＳ共振器のゲイン）を知ることができるからである。
　上記実施の形態１および２のＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数の温度依存性に起因した、原発振信号の周波数の変動をよく補正し、所望の周波数の出力信号を常時安定して出力することが可能である。
　本実施の形態のＭＥＭＳ発振器が出力する出力信号は、常時安定した周波数を有するため、例えばクロックジェネレータ等の用途に有用である。
　　１　　発振部
　　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)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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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