(57)【要約】【課題】十分に高い周波数帯域において、広帯域にわたって柔軟に発振周波数を調整すること。【解決手段】信号線１３１は、電源から直流電圧Ｖｄｃが印加されると、電源に接続された始端を節とし、終端を腹とする４分の３波長の定在波を発生させる。ストリップ１３２−１〜１３２−ｎは、それぞれスイッチ１３３−１〜１３３−ｎを介してグランド層に接続されている。スイッチ１３３−１〜１３３−ｎは、切替制御部１４０による制御に従って、それぞれストリップ１３２−１〜１３２−ｎとグランド層との接続及び非接続を切り替える。スイッチ１３３−１〜１３３−ｎの接続及び非接続を切り替えることにより、擬似的に信号線１３１とグランド層の間の距離が調節され、伝送線路部１３０における実効誘電率が変化して、定在波の周波数を調整することができる。【選択図】図１−１
2011004093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源電圧の印加に伴って進行波を伝搬し、電源電圧が印加される電圧印加部から少なくとも一方の端部までの長さが伝搬される進行波の４分の１波長の奇数倍に等しい信号線と、
前記信号線によって伝搬される進行波に伴って前記信号線に発生する定在波を維持する維持部と、
前記維持部によって維持される定在波を用いて発振周波数の信号を出力する出力部と、
前記信号線の近傍において前記信号線に対向する対向部を備えるとともに前記対向部の電位がグランド電位に変化する電位変化部材と、
前記電位変化部材が備える前記対向部の電位を変化させることにより、前記出力部から出力される信号の発振周波数を調整する制御部と
を有することを特徴とする発振器。
【請求項２】
前記電位変化部材は、
前記信号線に対向して配置される導体からなり、
前記制御部は、
前記導体と電位がグランド電位に保たれたグランドとの接続及び非接続を切り替える切替部と、
前記切替部における接続及び非接続の切り替えを制御する切替制御部とを含む
ことを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項３】
前記電位変化部材は、
制御電圧が印加される第１の端子と、電位がグランド電位に保たれたグランドに接続された第２の端子と、前記対向部を備える第３の端子とを有する半導体であって、前記第１の端子に印加される制御電圧に応じて前記第２の端子及び前記第３の端子の間の導通及び非導通を切り替える半導体からなり、
前記制御部は、
前記第１の端子に印加する制御電圧を調節して、前記第２の端子及び前記第３の端子の間の導通及び非導通の切り替えを制御することを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項４】
前記制御部は、
前記出力部によって出力される信号の発振周波数を高くする場合に、前記電位変化部材が備える前記対向部の電位をグランド電位に変化させることを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項５】
前記信号線の前記端部に接続され、印加される制御電圧に応じて容量が可変の可変容量素子をさらに有することを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項６】
複数の前記電位変化部材を有し、
前記制御部は、
前記出力部によって出力される信号の発振周波数を高くする場合に、前記対向部の電位がグランド電位となる電位変化部材の数を増加させる一方、前記出力部によって出力される信号の発振周波数を低くする場合に、前記対向部の電位がグランド電位となる電位変化部材の数を減少させることを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項７】
２本の前記信号線を有し、
前記維持部は、
２本の前記信号線を互いに接続し、２本の前記信号線それぞれにおいて発生する定在波の振幅を対応させることを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項８】
前記信号線の近傍に配置され、前記信号線と同じ長さを有するとともに両端間の距離が前記信号線の長さの２分の１になるように湾曲した補助信号線をさらに有することを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項９】
電源電圧の印加に伴って進行波を伝搬し、電源電圧が印加される電圧印加部から少なくとも一方の端部までの長さが伝搬される進行波の４分の１波長の奇数倍に等しい信号線と、
前記信号線における進行波の伝搬速度に対応する実効誘電率を変更する変更部と、
前記変更部によって実効誘電率が変更された後、前記信号線によって伝搬される進行波を用いて発振周波数の信号を出力する出力部と
を有することを特徴とする発振器。
【請求項１０】
入力電圧に応じた発振周波数の信号を出力する発振器と、
前記発振器によって出力される信号の発振周波数と所定の基準周波数とを比較し、発振周波数と基準周波数との差分に対応する入力電圧を前記発振器へ入力する比較器とを有し、
前記発振器は、
電源電圧の印加に伴って進行波を伝搬し、電源電圧が印加される電圧印加部から少なくとも一方の端部までの長さが伝搬される進行波の４分の１波長の奇数倍に等しい信号線と、
前記信号線の近傍において前記信号線に対向する対向部を備えるとともに前記対向部の電位がグランド電位に変化する電位変化部材と、
前記比較器から入力される入力電圧に応じて前記電位変化部材が備える前記対向部の電位を変化させる制御部と、
前記制御部の制御によって前記対向部の電位が変化した後、前記信号線によって伝搬される進行波を用いて発振周波数の信号を出力する出力部とを含む
ことを特徴とする位相同期回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振器及び位相同期回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば光通信システムなどの通信システムにおいては、共振回路を内在する発振器によって発振周波数を調整する技術が知られている。この技術では、例えばコンデンサやダイオードなどの可変容量素子を共振回路内に設け、この可変容量素子の容量を制御する。これにより、共振回路の共振周波数が調整され、結果的に発振器から出力されるクロック信号の周波数（発振周波数）が変化する。このような発振器を用いることで、例えば２０ＧＨｚ以上の高周波数のクロック信号を出力することができ、昨今の通信速度の高速化や装置の高性能化に対応することが可能となる。
【０００３】
また、より高い発振周波数が必要となる場合には、例えばマイクロストリップラインなどの伝送路に発生する定在波を用いた発振器が利用される。このような発振器においては、定在波の電気長を基準として発振器内の伝送路の長さが決定されている。すなわち、発振器内の伝送路の長さが、例えば発振周波数の電気長の４分の３倍など定在波が発生する長さとなっており、伝送路に電圧が印加されると、伝送路上に定在波が発生する。具体的には、伝送路の終端に向かって伝搬される進行波と伝送路の終端で反射する反射波とが合成され定在波が形成される。その結果、発振器からは、伝送路に発生する定在波の周波数に対応するクロック信号が出力されることになる。このような定在波を用いた発振器の場合には、伝送路の終端に可変容量素子が接続されており、可変容量素子の容量が制御されることにより、発振器の発振周波数が調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１１８５５０号公報
【特許文献２】特開２００５−２１７７５２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Jri Lee et al., "A 75-GHz PLL in 90-nm CMOS Technology", ISSCC 2007/SESSION 23/BROADBAND RF AND RADAR/23.8, pp.432-433
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、上述した発振器の発振周波数は、可変容量素子の容量と負の相関関係を有する。具体的には、可変容量素子の容量を小さくすると、発振器の発振周波数が高くなり、可変容量素子の容量を大きくすると、発振器の発振周波数が低くなる。ただし、１つの可変容量素子の容量の可変範囲は限られているため、発振器の発振周波数を広帯域にわたって柔軟に調整するためには、複数の可変容量素子を設けて容量の可変範囲を大きくすることが考えられる。
【０００７】
しかしながら、複数の可変容量素子を設ける場合には、可変容量素子の数が増えるにつれて回路全体の寄生容量が増大する。結果として、それぞれの可変容量素子の容量を最小にするように制御しても、複数の可変容量素子による寄生容量のみで回路全体の容量が大きくなり、十分に高い発振周波数が得られないことがある。
【０００８】
また、定在波を用いた発振器に関しては、発振周波数が比較的高周波となるが、発振に利用可能な定在波を発生させるためには、可変容量素子の容量の可変範囲が制限される。すなわち、定在波を用いた発振器では、可変容量素子の容量を制御することにより伝送路の終端における進行波の位相が変化するが、伝送路の終端付近を腹とする定在波が発生しなければ、発振周波数を得ることができない。このため、定在波を用いた発振器では、伝送路の終端付近における位相を自在に調節する訳にはいかず、可変容量素子の容量を大幅に変化させることはできない。このような位相による制限条件から、定在波を用いた発振器においては、発振周波数を広帯域にわたって柔軟に調整することが困難である。
【０００９】
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、十分に高い周波数帯域において、広帯域にわたって柔軟に発振周波数を調整することができる発振器及び位相同期回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願の開示する発振器は、一つの態様において、電源電圧が印加されることにより進行波を伝搬し、電源電圧が印加される電圧印加部から少なくとも一方の端部までの長さが伝搬される進行波の４分の１波長の奇数倍に等しい信号線と、前記信号線によって伝搬される進行波に伴って前記信号線に発生する定在波を維持する維持部と、前記維持部によって維持される定在波を用いて発振周波数の信号を出力する出力部と、前記信号線の近傍において前記信号線に対向する対向部を備えるとともに前記対向部の電位がグランド電位に変化する電位変化部材と、前記電位変化部材が備える前記対向部の電位を変化させることにより、前記出力部から出力される信号の発振周波数を調整する制御部とを有する。
【００１１】
また、本願の開示する位相同期回路は、一つの態様において、入力電圧に応じた発振周波数の信号を出力する発振器と、前記発振器によって出力される信号の発振周波数と所定の基準周波数とを比較し、発振周波数と基準周波数との差分に対応する入力電圧を前記発振器へ入力する比較器とを有し、前記発振器は、電源電圧が印加されることにより進行波を伝搬し、電源電圧が印加される電圧印加部から少なくとも一方の端部までの長さが伝搬される進行波の４分の１波長の奇数倍に等しい信号線と、前記信号線の近傍において前記信号線に対向する対向部を備えるとともに前記対向部の電位がグランド電位に変化する電位変化部材と、前記比較器から入力される入力電圧に応じて前記電位変化部材が備える前記対向部の電位を変化させる制御部と、前記制御部の制御によって前記対向部の電位が変化した後に、前記信号線によって伝搬される進行波を用いて発振周波数の信号を出力する出力部とを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本願の開示する発振器及び位相同期回路の一つの態様によれば、十分に高い周波数帯域において、広帯域にわたって柔軟に発振周波数を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１−１】図１−１は、実施の形態１に係る発振器の構成を示す図である。
【図１−２】図１−２は、実施の形態１に係る増幅部の構成例を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る伝送線路部の構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】図３は、信号線近傍の電界強度の具体例を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係る伝送線路部の構成を模式的に示す平面図である。
【図５】図５は、実施の形態１に係る伝送線路部の構成を模式的に示す側面図である。
【図６】図６は、実施の形態１に係るスイッチの構成例を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態１に係るスイッチ切替動作の具体例を示す図である。
【図８】図８は、実効誘電率及びインピーダンスの変化の具体例を示す図である。
【図９】図９は、周波数の制御幅の具体例を示す図である。
【図１０】図１０は、ストリップの他の配置例を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態２に係る伝送線路部の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１２】図１２は、実施の形態２に係る伝送線路部の構成を模式的に示す平面図である。
【図１３】図１３は、実施の形態２に係る伝送線路部の構成を模式的に示す側面図である。
【図１４】図１４は、実施の形態２に係る半導体ストリップの構成例を示す図である。
【図１５】図１５は、実施の形態３に係る発振器の構成を示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態３に係るクランプ部の構成例を示す図である。
【図１７】図１７は、接続中のスイッチ数と周波数の関係の具体例を示す図である。
【図１８】図１８は、実施の形態３に係る発振器の変形例を示す図である。
【図１９】図１９は、実施の形態３に係る伝送線路部の変形例を示す斜視図である。
【図２０】図２０は、実施の形態３に係る発振器の変形例を示す図である。
【図２１】図２１は、実施の形態４に係る発振器の構成を示す図である。
【図２２】図２２は、実施の形態４に係る伝送線路部の構成を示す図である。
【図２３】図２３は、ＰＬＬ回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本願の開示する発振器及び位相同期回路の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
（実施の形態１）
［発振器の構成］
図１−１は、実施の形態１に係る発振器の構成を示す図である。図１−１に示す発振器は、電圧制御部１１０、可変容量素子１２０、伝送線路部１３０、切替制御部１４０、バッファ部１５０、出力端子１５５及び発振誘起部１７０を有する。
【００１６】
電圧制御部１１０は、可変容量素子１２０へ印加される電圧を制御し、グランドに対する可変容量素子１２０の容量を変化させる。
【００１７】
可変容量素子１２０は、電圧制御部１１０から印加される制御電圧に応じて容量が変化する素子である。可変容量素子１２０としては、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）が用いられ、ＭＯＳＦＥＴの基板が接地されるとともにソース及びドレインが電圧制御部１１０に接続され、ゲートが伝送線路部１３０内の信号線１３１の一端に接続される。伝送線路部１３０において発生する定在波の周波数は、可変容量素子１２０の容量の変化に伴って変化する。すなわち、可変容量素子１２０の容量を変化させることにより、信号線１３１の一端における位相シフト量が変化し、定在波の周波数が変化する。具体的には、可変容量素子１２０の容量を大きくすれば、定在波の周波数が低くなり、可変容量素子１２０の容量を小さくすれば、定在波の周波数が高くなる。
【００１８】
本実施の形態においては、１つのＭＯＳＦＥＴのみが可変容量素子１２０として設けられており、回路に発生する寄生容量が最小限に抑制されている。したがって、回路の寄生容量によって定在波の周波数が低下することを防止することができる。また、１つのＭＯＳＦＥＴでは容量の可変範囲が小さいが、本実施の形態においては、可変容量素子１２０の容量が変化しなくても発振周波数を柔軟に調整することができる。このため、本実施の形態においては、発振周波数の微調整ができる程度に可変容量素子１２０の容量が変化すれば十分であり、可変範囲を大きくする必要はない。
【００１９】
伝送線路部１３０は、電源に接続された信号線１３１と接地されたグランド層とを備え、信号線１３１とグランド層の間に、例えばＳｉＯ2及びシリコンの混合媒質を含む誘電体層が挟まれた構成となっている。そして、伝送線路部１３０は、信号線１３１に直流電圧Ｖｄｃが印加されると進行波を伝搬し、定在波を発生させる。このとき、伝送線路部１３０は、誘電体層の見かけ上の誘電率を増減させ、定在波の周波数を広帯域にわたって変化させる。具体的には、定在波の周波数ｆは、光速ｃ、信号線１３１の長さＬ、信号線１３１の一端における位相シフト量△Φ及び伝送線路部１３０における見かけ上の誘電率Ｅｒを用いて、以下の式（１）によって表される。
【数１】
2011004093.tif 000003
【００２０】
上式（１）において、Ｅｒは、伝送線路部１３０における見かけ上の誘電率であり、伝送線路部１３０によって伝搬される進行波の速度に対応する実効誘電率である。すなわち、誘電体層に含まれる物質は変化しないため、物質に固有の誘電率から定まる誘電体層の比誘電率は変化しないが、進行波の伝搬速度に対応する実効誘電率Ｅｒは変化させることができ、実効誘電率Ｅｒの変化に伴って、定在波の周波数ｆも変化する。そして、上述したように、本実施の形態においては、可変容量素子１２０の容量の可変範囲が小さいため、信号線１３１の一端における位相シフト量△Φを大きく変化させることはできないが、主に伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒを変化させることにより、定在波の周波数ｆを調整する。具体的には、伝送線路部１３０は、信号線１３１、ストリップ１３２−１〜１３２−ｎ（ｎは１以上の整数）、スイッチ１３３−１〜１３３−ｎ及び増幅部１３６を有する。
【００２１】
信号線１３１は、一端が直流電圧Ｖｄｃを供給する電源に接続され、他端が可変容量素子１２０及びバッファ部１５０に接続された伝送路である。なお、以下においては、電源に接続された信号線１３１の一端を「始端」といい、可変容量素子１２０及びバッファ部１５０に接続された信号線１３１の一端を「終端」という。信号線１３１の始端から終端までの長さは、発振に使用される進行波の波長の４分の３の長さである。このため、信号線１３１は、電源から直流電圧Ｖｄｃが印加されると、直流電圧Ｖｄｃが印加された始端を節とし、終端を腹とする４分の３波長の定在波を発生させる。このとき、信号線１３１が発生させる定在波の周波数ｆは、式（１）に示したように、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒの平方根に反比例する。したがって、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒを大きくすれば、定在波の周波数ｆが低くなり、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒを小さくすれば、定在波の周波数ｆが高くなる。
【００２２】
また、信号線１３１とグランド層の間には、例えばＳｉＯ2及びシリコンの混合媒質を含む誘電体層が形成されており、誘電体層内にストリップ１３２−１〜１３２−ｎ及びスイッチ１３３−１〜１３３−ｎが設置されている。そして、混合媒質、ストリップ１３２−１〜１３２−ｎ及びスイッチ１３３−１〜１３３−ｎが全体として誘電体層を形成し、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒを変化させる。このような伝送線路部１３０の具体的構成は、後に詳述する。
【００２３】
ストリップ１３２−１〜１３２−ｎは、例えば金属などの導体からなる細長い板状部材であり、信号線１３１に接触しないように、信号線１３１に沿って並べて配置される。また、ストリップ１３２−１〜１３２−ｎは、それぞれスイッチ１３３−１〜１３３−ｎを介してグランド層に接続されている。したがって、スイッチ１３３−１〜１３３−ｎがストリップ１３２−１〜１３２−ｎとグランド層とを接続すると、信号線１３１の近傍に配置されたストリップ１３２−１〜１３２−ｎの電位がグランド電位に変化する。
【００２４】
スイッチ１３３−１〜１３３−ｎは、切替制御部１４０による制御に従って、それぞれストリップ１３２−１〜１３２−ｎとグランド層との接続及び非接続を切り替える。スイッチ１３３−１〜１３３−ｎとしては、例えばＭＯＳＦＥＴが用いられる。スイッチ１３３−１〜１３３−ｎがストリップ１３２−１〜１３２−ｎとグランド層とを接続すると、擬似的に信号線１３１がグランド層に近づいたこととなる。すなわち、スイッチ１３３−１〜１３３−ｎの接続及び非接続を切り替えることにより、擬似的に信号線１３１とグランド層の間の距離が調節され、信号線１３１とグランド層の間の誘電体層を形成する物質が変化しなくても、進行波の伝搬速度に対応する実効誘電率Ｅｒを変化させることができる。
【００２５】
具体的には、接続中のスイッチ１３３−１〜１３３−ｎの数が多くなると、信号線１３１とグランド層が近づいたとみなすことができ、進行波の伝搬速度が遅くなることから、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒが大きくなると言える。また、接続中のスイッチ１３３−１〜１３３−ｎの数が少なくなると、信号線１３１とグランド層が遠ざかったとみなすことができ、進行波の伝搬速度が速くなることから、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒが小さくなると言える。また、式（１）に示したように、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒが変化すれば、定在波の周波数ｆも変化する。つまり、スイッチ１３３−１〜１３３−ｎの接続及び非接続を切り替えることにより、実効誘電率Ｅｒを変化させ、信号線１３１に発生する定在波の周波数ｆを調整することができる。
【００２６】
増幅部１３６は、信号線１３１に発生する定在波を維持する。すなわち、増幅部１３６は、信号線１３１に発生する定在波を増幅して減衰を防止し、信号線１３１における発振を維持する。具体的には、増幅部１３６は、信号線１３１の始端から４分の１波長の位置と、信号線１３１の終端から所定距離△Ｌの位置とに接続され、２つの接続位置における定在波の振幅を互いに反転した同じ大きさにする。本来、増幅部１３６は、例えば定在波の腹が形成される、信号線１３１の始端から４分の１波長の位置と信号線１３１の終端の位置とにおける振幅を対応させる。しかし、増幅部１３６の接続位置における振幅が増幅部１３６へ到達するまでには遅延が生じるため、本実施の形態においては、増幅部１３６の接続位置を信号線１３１の終端から所定距離△Ｌだけずらして遅延を補償している。これにより、信号線１３１の始端から４分の１波長の位置と信号線１３１の終端の位置とにおける定在波の振幅が常に反転した同じ大きさとなる。
【００２７】
なお、増幅部１３６の接続位置は、図１−１に示したものに限定されず、接続位置における定在波の振幅が増幅部１３６へ到達するまでの遅延が考慮された接続位置であれば任意で良い。また、例えば信号線１３１の始端から４分の１波長の部分と信号線１３１の終端とが互いに近づくように信号線１３１を湾曲させ、近づいた２点を増幅部１３６の接続位置とすることにより、定在波の振幅が増幅部１３６へ到達するまでの遅延を無視できる程度にまで小さくすることなども可能である。
【００２８】
増幅部１３６の具体的な構成例としては、例えば図１−２に示すような種類のものがある。すなわち、２つのインバータを組み合わせたインバータ型、入力電圧の位相を調整する位相調整型、２つのＮＭＯＳ（Negative-channel Metal Oxide Semiconductor）インバータを組み合わせたＮＭＯＳ型及び２つのＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）インバータを組み合わせたＣＭＯＳ型などの増幅部１３６がある。そして、図１−２に示す増幅部１３６は、いずれも接続位置における信号線１３１の電圧Ｖ１、Ｖ２を入力とするとともに、互いの電圧Ｖ１、Ｖ２を逆位相として発振を維持する。
【００２９】
切替制御部１４０は、スイッチ１３３−１〜１３３−ｎそれぞれの接続及び非接続の切り替えを制御する。具体的には、切替制御部１４０は、発振器の発振周波数を高くする場合には、接続中のスイッチ１３３−１〜１３３−ｎの数を減少させる。また、切替制御部１４０は、発振器の発振周波数を低くする場合には、接続中のスイッチ１３３−１〜１３３−ｎの数を増加させる。
【００３０】
バッファ部１５０は、緩衝用の回路を有しており、可変容量素子１２０及び伝送線路部１３０などの回路に対する出力端子１５５側からの影響を排除し、可変容量素子１２０及び伝送線路部１３０などを備える回路を安定的に動作させる。具体的には、バッファ部１５０は、例えばＭＯＳＦＥＴを備えており、このＭＯＳＦＥＴのゲートは伝送線路部１３０の終端に接続され、ソースは抵抗素子を介して電源電圧Ｖｄｄを供給する電源に接続され、ドレインはグランドに接続されている。このため、伝送線路部１３０に周波数ｆの定在波が発生すると、周波数ｆに対応する周期でソース−ドレイン間が導通状態となり、バッファ部１５０は、周波数ｆのクロック信号を出力端子１５５へ出力する。
【００３１】
発振誘起部１７０は、例えば発振器の起動時に、伝送線路部１３０へ放電して信号線１３１における進行波を誘発する。具体的には、発振誘起部１７０は、電源電圧Ｖｄｄと信号線１３１の終端との間にスイッチ１７１を有する。スイッチ１７１は、発振器の起動時に、一時的に電源電圧Ｖｄｄと信号線１３１の終端とを接続し、信号線１３１における進行波を誘発する。スイッチ１７１が閉じて電源電圧Ｖｄｄと信号線１３１の終端とを接続する時間は、可変容量素子１２０の容量などに応じて決定される。
【００３２】
［伝送線路部の構成］
図２は、本実施の形態に係る伝送線路部１３０の構成を示す斜視図である。図２に示すように、伝送線路部１３０は、信号線１３１とグランド層１３５の間に誘電体層１３４が挟まれて構成され、誘電体層１３４の中にストリップ１３２−１〜１３２−ｎ及び図示を省略したスイッチ１３３−１〜１３３−ｎが設けられている。誘電体層１３４は、大部分が例えばＳｉＯ2及びシリコンの混合媒質から形成され、混合媒質の中にストリップ１３２−１〜１３２−ｎ及びスイッチ１３３−１〜１３３−ｎが固定された構成となっている。誘電体層１３４は、全体として１つの誘電体として機能する。また、グランド層１３５は、接地されており、電位が常にグランド電位に保たれている。
【００３３】
ストリップ１３２−１〜１３２−ｎは、信号線１３１の近傍に信号線１３１に沿って等間隔に配置されている。なお、図２においては、信号線１３１の紙面左下の一端が直流電圧Ｖｄｃを印加する電源に接続される始端であるものとし、信号線１３１の紙面右上に示す一端がバッファ部１５０に接続される終端であるものとする。すなわち、信号線１３１の進行波伝搬方向は、ストリップ１３２−１からストリップ１３２−ｎへ向かう方向であるものとする。また、それぞれのストリップ１３２−１〜１３２−ｎは、それぞれ接続部１３２ａを介してスイッチ１３３−１〜１３３−ｎに接続されている。
【００３４】
このような構成の伝送線路部１３０において、信号線１３１に直流電圧Ｖｄｃが印加されて、例えば波長λが２ｍｍかつ周波数ｆが５２ＧＨｚの進行波が伝搬される場合、信号線１３１近傍の電解強度の分布は、例えば図３に示すようなものになる。すなわち、電界強度は、信号線１３１を中心として４分の３波長分の波形状に分布する。この波形は、ストリップ１３２−１側の端部から０波長及び２分の１波長の位置を節とし、信号線１３１のストリップ１３２−１側の端部から４分の１波長及び４分の３波長の位置を腹とする定在波の形状である。定在波の腹部分においては、電界強度が１５０ｋＶ／ｍ（キロボルト／メートル）以上になっている。このように、信号線１３１の長さを波長λの４分の３の長さとすることにより、信号線１３１には定在波が発生することがわかる。
【００３５】
そして、信号線１３１の終端は、定在波の腹となって発振しているため、発振器は、定在波を利用して発振周波数のクロック信号を出力することができる。また、式（１）に示したように、定在波の周波数ｆは、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒに依存しているため、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒを変化させることにより、定在波の周波数ｆを調整することができる。この結果、可変容量素子１２０の容量を変化させなくても、発振器の発振周波数を変化させることができる。
【００３６】
次に、伝送線路部１３０の構成について、図４及び図５を参照しながら、さらに具体的に説明する。なお、図４及び図５においては、ストリップ１３２−１〜１３２−ｎ及びスイッチ１３３−１〜１３３−ｎのそれぞれを、単にストリップ１３２及びスイッチ１３３と示している。
【００３７】
図４は、本実施の形態に係る伝送線路部１３０の構成を模式的に示す平面図である。図４に示すように、伝送線路部１３０は、長さＬｅｎが１．５ｍｍかつ幅ｗが０．０７ｍｍの信号線１３１と、横幅Ｌｓが０．０７５ｍｍかつ縦幅ｗｓが０．１２ｍｍの複数のストリップ１３２とを有する。各ストリップ１３２は、信号線１３１に対向し、互いに０．１２ｍｍの間隔ｓｓを空けて、等間隔に並べられている。また、各ストリップ１３２には、スイッチ１３３に接続する接続部１３２ａが設けられている。なお、図４に示す構成は、本実施の形態に係る伝送線路部１３０の具体的構成例に過ぎず、信号線１３１及びストリップ１３２の寸法は、図中の寸法に限定されるものではない。
【００３８】
各ストリップ１３２は、信号線１３１に対向して配置されているため、各ストリップ１３２の電位がグランド電位となることにより、信号線１３１とグランド層との距離を擬似的に近づけることができる。そして、信号線１３１がグランド層に近づけば、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒが大きくなったとみなすことができる。結果として、式（１）の右辺の分母が大きくなり、信号線１３１に発生する定在波の周波数ｆが小さくなる。したがって、グランド電位となるストリップ１３２の数を増減させることにより、定在波の周波数ｆを調節し、発振器の発振周波数を調整することができる。
【００３９】
図５は、本実施の形態に係る伝送線路部１３０の構成を模式的に示す側面図である。図５に示すように、伝送線路部１３０は、層構造を有しており、紙面向かって上方から信号線１３１、ＳｉＯ2層１３４ａ、シリコン層１３４ｂ及びグランド層１３５が形成されている。ＳｉＯ2層１３４ａ及びシリコン層１３４ｂは、誘電体層１３４を形成している。
【００４０】
信号線１３１は、伝送線路部１３０の表面に形成されており、グランド層１３５から信号線１３１までの距離ｈは、０．２５ｍｍである。ＳｉＯ2層１３４ａは、内部にストリップ１３２が固定されたＳｉＯ2からなる絶縁層であり、グランド層１３５からストリップ１３２までの距離ｈｓは、０．１ｍｍである。したがって、ストリップ１３２から信号線１３１までの距離ｈｖは、０．１５ｍｍとなる。なお、ＳｉＯ2層１３４ａは、スイッチ１３３を形成するＭＯＳＦＥＴのゲート１３３ａも備えている。そして、ゲート１３３ａは、切替制御部１４０に接続されている。
【００４１】
シリコン層１３４ｂは、スイッチ１３３を形成するＭＯＳＦＥＴのソース１３３ｂ及びドレイン１３３ｃを内包する半導体層である。図５では図示を省略したが、スイッチ１３３のソース１３３ｂは、グランド層１３５に接続されている。また、スイッチ１３３のドレイン１３３ｃは、ストリップ１３２に接続されている。伝送線路部１３０の構成を図５に示すような層構造にする場合には、標準的なＣＭＯＳプロセスで伝送線路部１３０を成形することができ、発振器を容易に製造することができる。
【００４２】
ＳｉＯ2層１３４ａを構成するＳｉＯ2及びシリコン層１３４ｂを構成するシリコンは、それぞれ不変の比誘電率を有する物質である。そこで、ＳｉＯ2の比誘電率をεｒ（SiO2）、シリコンの比誘電率をεｒ（Si）とし、図５に示すように、ＳｉＯ2層１３４ａの高さをｈ（SiO2）、シリコン層１３４ｂの高さをｈ（Si）とすると、誘電体層１３４の比誘電率εｒは、以下の式（２）で表される。
【数２】
2011004093.tif 000004
【００４３】
そして、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒは、スイッチ１３３の総数ｎ、接続中のスイッチ１３３の数ｋ、誘電体層１３４の比誘電率εｒ、信号線１３１とグランド層１３５の間の距離ｈ及び信号線１３１とストリップ１３２の間の距離ｈｖを用いて、以下の式（３）で表される。ただし、Ａ、Ｂは、誘電体層１３４の比誘電率εｒに応じて定まる定数である。
【数３】
2011004093.tif 000005
【００４４】
式（３）からわかるように、信号線１３１の幅ｗと変数ｚの比が１以下の場合も１より大きい場合も、変数ｚが大きくなると、実効誘電率Ｅｒが小さくなる。そして、変数ｚは、接続中のスイッチ１３３の数に応じた信号線１３１とグランド層１３５の間の実効的な距離を示しており、接続中のスイッチ１３３が少ないほど変数ｚが大きくなる。したがって、式（３）から、接続中のスイッチ１３３の数を減らすと実効誘電率Ｅｒが小さくなることを確認することができる。そして、実効誘電率Ｅｒが小さくなれば、伝送線路部１３０に発生する定在波の周波数ｆが大きくなる。
【００４５】
このように、本実施の形態に係る伝送線路部１３０は、スイッチ１３３の接続及び非接続を切り替えて、接続中のスイッチ１３３の数を増減させることにより、実効誘電率Ｅｒを変化させ、定在波の周波数ｆを調整することができる。この結果、可変容量素子１２０の可変範囲が小さくても、バッファ部１５０から出力端子１５５へ出力される発振周波数を広帯域にわたって柔軟に調整することができる。
【００４６】
［スイッチの構成］
図６は、本実施の形態に係るスイッチ１３３の構成例を示す図である。図６に示すスイッチ１３３は、ゲート１３３ａ、ソース１３３ｂ、ドレイン１３３ｃ及びビア１３３ｄを有する。上述したように、ゲート１３３ａは、切替制御部１４０に接続されており、切替制御部１４０からゲート電圧が印加されると、ソース１３３ｂとドレイン１３３ｃの間を導通状態とする。すなわち、ゲート１３３ａは、ゲート電圧が印加されるとスイッチ１３３を接続状態にし、ドレイン１３３ｃの電位をソース１３３ｂの電位と一致させる。また、ゲート１３３ａは、切替制御部１４０からゲート電圧が印加されない間は、スイッチ１３３を非接続状態にし、ドレイン１３３ｃの電位をソース１３３ｂの電位と一致させることがない。
【００４７】
ソース１３３ｂは、グランド層１３５に接続されており、スイッチ１３３が接続状態の場合に、グランド電位をドレイン１３３ｃへ伝達する。ドレイン１３３ｃは、ビア１３３ｄを介してストリップ１３２に接続されており、スイッチ１３３が接続状態の場合に、電位がグランド電位となる。ビア１３３ｄは、ドレイン１３３ｃとストリップ１３２の接続部１３２ａとを接続しており、スイッチ１３３が接続状態の場合に、ストリップ１３２の電位をドレイン１３３ｃのグランド電位に一致させる。
【００４８】
このように構成されたスイッチ１３３において、切替制御部１４０からゲート１３３ａにゲート電圧が印加されると、ソース１３３ｂとドレイン１３３ｃの間が導通状態となり、ドレイン１３３ｃに接続されたストリップ１３２の電位がグランド電位となる。すなわち、切替制御部１４０による制御により、スイッチ１３３が接続状態となると、グランド層１３５、ソース１３３ｂ、ドレイン１３３ｃ、ビア１３３ｄ及びストリップ１３２の電位がいずれもグランド電位となり、擬似的に信号線１３１とグランド層１３５との距離が近づく。これにより、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒが変化し、伝送線路部１３０に発生する定在波の周波数ｆが調整される。
【００４９】
［発振器の動作］
次いで、上記のように構成された伝送線路部１３０を有する発振器の動作について説明する。電源から直流電圧Ｖｄｃが信号線１３１の始端に印加されると、信号線１３１には、可変容量素子１２０の容量と伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒとに応じた周波数ｆの定在波が発生する。このとき、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒは、切替制御部１４０によってスイッチ１３３−１〜１３３−ｎの接続及び非接続が切り替えられることによって調節される。
【００５０】
具体的には、切替制御部１４０によって接続状態とされたスイッチ１３３−１〜１３３−ｎに対応するストリップ１３２−１〜１３２−ｎの電位がグランド電位となる。このため、接続中のスイッチ１３３−１〜１３３−ｎの数が増えると信号線１３１とグランド層１３５とが擬似的に近づく。この結果、直流電圧Ｖｄｃの印加により信号線１３１を伝搬される進行波の伝搬速度が低下し、実効誘電率Ｅｒが大きくなったとみなすことができ、定在波の周波数ｆが小さくなる。
【００５１】
反対に、接続中のスイッチ１３３−１〜１３３−ｎの数が減ると信号線１３１とグランド層１３５とが擬似的に遠ざかる。この結果、直流電圧Ｖｄｃの印加により信号線１３１を伝搬される進行波の伝搬速度が上昇し、実効誘電率Ｅｒが小さくなったとみなすことができ、定在波の周波数ｆが大きくなる。
【００５２】
また、可変容量素子１２０の容量は、電圧制御部１１０から可変容量素子１２０へ印加される制御電圧によって調整される。ただし、本実施の形態においては、可変容量素子１２０の容量の可変範囲は小さく、位相シフト量△Φを微小に変化させることにより、定在波の周波数ｆの微調整のみが行われる。このように可変容量素子１２０の容量の可変範囲が小さくても、本実施の形態においては、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒの可変範囲が大きいため、周波数ｆの制御範囲を大きくすることができる。
【００５３】
このように周波数ｆが調整された定在波は、信号線１３１のバッファ部１５０に接続された終端において腹を有しているため、バッファ部１５０によって、定在波の周波数ｆに対応するクロック信号が出力端子１５５へ出力される。
【００５４】
［スイッチの切替動作］
次に、本実施の形態に係るスイッチ１３３の切替動作の具体例について説明する。図７は、信号線１３１に対して９個のストリップ１３２−１〜１３２−９を配置する場合の、スイッチ１３３−１〜１３３−９の切替動作の具体例を示す図である。図７において、紙面向かって上部には、信号線１３１に発生する定在波の波形を示しており、紙面向かって下部には、周波数ｆの大小に応じて接続状態とすべきスイッチ１３３−１〜１３３−９を示している。すなわち、図７中○印で示すスイッチ１３３−１〜１３３−９を接続状態とすることにより、それぞれ対応するストリップ１３２−１〜１３２−９の電位がグランド電位となり、定在波の周波数ｆの大小が変化する。
【００５５】
具体的には、接続中のスイッチが少ないほど定在波の周波数ｆは大きく、接続中のスイッチが多いほど定在波の周波数ｆは小さくなる。そして、図７においては、接続中のスイッチが均等に配置されるように、スイッチ１３３−１〜１３３−９の接続及び非接続が切り替えられることが示されている。すなわち、例えば１個のスイッチのみを接続状態にする場合には、中央に配置されたストリップ１３２−５に対応するスイッチ１３３−５が接続状態とされ、残りの８個のスイッチが非接続状態とされる。
【００５６】
また、例えば２個のスイッチを接続状態にする場合には、スイッチ１３３−５に加えて、スイッチ１３３−７が接続状態とされ、残りの７個のスイッチが非接続状態とされる。
ここで、２個目のスイッチとしてスイッチ１３３−７が選択されるのは、ストリップ１３２−７が定在波の節１６３の近傍に配置されているからである。すなわち、定在波の腹に配置されたストリップ（例えばストリップ１３２−４、１３２−９など）の電位がグランド電位となる場合には、比較的大きな寄生容量が発生してエネルギーロスが発生する一方、定在波の節に配置されたストリップ（例えばストリップ１３２−１、１３２−７など）の電位がグランド電位となる場合には、寄生容量の発生を抑制することができる。このため、スイッチの接続に際して、接続状態となるスイッチの配置が均等とならない場合には、定在波の波形を考慮して接続状態とするスイッチが決定される。
【００５７】
さらに、例えば３個のスイッチを接続状態にする場合には、スイッチ１３３−５、１３３−７に加えて、スイッチ１３３−３が接続状態とされ、残りの６個のスイッチが非接続状態とされる。ストリップ１３２−３は、定在波の腹１６２に比較的近いが、２個のスイッチを接続状態とした段階で、既にスイッチ１３３−７が接続状態となっていることから、スイッチ１３３−７と対称的な位置に配置されたスイッチ１３３−３が接続状態とされる。
【００５８】
このように、接続中のスイッチが満遍なく均等に配置されるようにスイッチ１３３−１〜１３３−９を切り替えることにより、信号線１３１全体が平均的にグランド層１３５に近づくことになる。このため、確実に信号線１３１の実効誘電率Ｅｒを変化させ、信号線１３１に発生する定在波の周波数ｆを正確に調整することができる。
【００５９】
以下同様に、例えば４個のスイッチを接続状態にする場合には、定在波の節１６１に近いストリップ１３２−１に対応するスイッチ１３３−１が新たに接続状態にされる。そして、例えば５個のスイッチを接続状態にする場合には、既に接続中のスイッチ１３３−１と対称的な位置に配置されたスイッチ１３３−９が接続状態とされ、例えば６個のスイッチを接続状態にする場合には、定在波の節１６３に近いストリップ１３２−６に対応するスイッチ１３３−６が接続状態とされる。
【００６０】
なお、図７においては、接続中のスイッチ数が増える際、既に接続中のスイッチを継続的に接続状態とするものとしたが、接続中のスイッチ数が変化する場合に、どのスイッチを接続状態とするかは任意に決定することができる。すなわち、例えば接続中のスイッチ数を１個から２個に増やす場合、既に接続中のスイッチ１３３−５を非接続状態に切り替えた上で、改めて例えばスイッチ１３３−３、１３３−７を接続状態に切り替えるなどとしても良い。こうすることにより、接続中のスイッチの配置を常に均等にすることができる。また、接続中のスイッチの配置の均等性を考慮せず、定在波の節１６１、１６３に近いストリップに対応するスイッチから順に接続状態としていくなどの順序も考えられる。
【００６１】
このようにスイッチ１３３を切り替え、接続状態のスイッチ１３３の数を変化させることにより、図８に実線で示すように、信号線１３１のインピーダンスは、例えば５０Ωを中心として、分散△ｚの範囲で増減する。同様に、図８に破線で示すように、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒは、最小値Ｅｒ(low)から最大値Ｅｒ(high)まで変化する。したがって、例えば半数のスイッチ１３３を接続状態とした場合の実効誘電率Ｅｒ(o)に対応する周波数ｆoを中心周波数として設定すれば、接続中のスイッチ１３３の数の増減による実効誘電率Ｅｒの変化に合わせて定在波の周波数ｆを調整することができる。
【００６２】
さらに、本実施の形態においては、可変容量素子１２０の容量も可変であるため、電圧制御部１１０から可変容量素子１２０へ印加される制御電圧Ｖcontを変更することにより、接続中のスイッチ１３３の数を固定しても定在波の周波数ｆを微調整することができる。すなわち、例えば図９に示すように、制御電圧Ｖcontを大きくすれば、接続中のスイッチ１３３の数が変化しなくても、定在波の周波数ｆが高くなる。そして、図９に示す複数の曲線は、それぞれ接続中のスイッチ１３３の数が異なる場合の周波数ｆの変化を示しており、紙面向かって下方の曲線ほど接続中のスイッチ１３３が多い場合の周波数ｆの変化を示している。したがって、スイッチ１３３の切り替えと制御電圧Ｖcontの変更とにより、定在波の周波数ｆは、図９に示した広範な制御幅で調整されることになる。
【００６３】
以上のように、本実施の形態によれば、スイッチを介してグランド層に接続されたストリップを信号線の近傍に配置し、スイッチの接続及び非接続を切り替えることにより、信号線とグランド層とを擬似的に近づけたり遠ざけたりする。これにより、信号線を伝搬される進行波の伝搬速度に対応する実効誘電率が変化する。結果として、信号線に発生する定在波の周波数を変化させることができ、発振器の発振周波数を広帯域にわたって柔軟に調整することができる。また、発振周波数の調整に多数の容量素子を必要としないため、寄生容量の発生を抑制することができ、十分に高い周波数帯域の発振周波数のクロック信号を出力することができる。
【００６４】
なお、上記実施の形態１においては、複数のストリップ１３２を信号線１３１に沿って等間隔に配置するものとしたが、ストリップ１３２の配置はこれに限定されない。すなわち、例えば図１０に示すように、複数のストリップ１３２の間の間隔が不均一であっても良い。図１０は、信号線１３１に発生する定在波の腹よりも節の付近に多くのストリップ１３２が配置される構成を示している。すなわち、定在波の節に近い順に、ストリップ１３２の間の間隔ｓｓ１、ｓｓ２、ｓｓ３及びｓｓ４が以下の式（４）の関係を満たしている。
ｓｓ１＜ｓｓ２＜ｓｓ３＜ｓｓ４  ・・・（４）
【００６５】
こうすることにより、定在波の腹における寄生容量の発生と、これに伴うエネルギーロスとを低減することができ、効率的に定在波の周波数ｆを調整することができる。同様に考えて、信号線１３１のバッファ部１５０に接続する終端にも定在波の腹が形成されるため、信号線１３１の終端周辺にはストリップ１３２が配置されないようにしても良い。
【００６６】
（実施の形態２）
実施の形態２の特徴は、実施の形態１におけるストリップとスイッチの双方の機能を併せ持つ半導体ストリップを信号線の近傍に配置して信号線の実効誘電率を変化させ、発振周波数を柔軟に調整することである。
【００６７】
本実施の形態に係る発振器の全体の構成は、実施の形態１に係る発振器の構成（図１−１）と同様であるため、その説明を省略する。ただし、本実施の形態においては、伝送線路部１３０の構成が実施の形態１と異なっている。
【００６８】
［伝送線路部の構成］
図１１は、本実施の形態に係る伝送線路部１３０の構成を示す斜視図である。図１１において、図２と同じ部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。図１１に示すように、伝送線路部１３０は、信号線１３１とグランド層１３５の間に誘電体層１３４が挟まれて構成され、誘電体層１３４の中に半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎが設けられている。
【００６９】
半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎは、例えばＭＯＳＦＥＴなどの半導体からなり、信号線１３１に接触しないように、信号線１３１に沿って並べて配置される。具体的には、半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎのドレインが信号線１３１に対向し、半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎのゲートは切替制御部１４０に接続されている。また、図１１においては図示を省略したが、半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎのソースは、グランド層１３５に接続されている。したがって、半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎのゲートに切替制御部１４０からゲート電圧が印加されると、信号線１３１に対向するドレインの電位がグランド電位となる。このように、本実施の形態における半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎは、実施の形態１におけるストリップ１３２−１〜１３２−ｎとスイッチ１３３−１〜１３３−ｎとを一体にした部材であるとみなすことができる。
【００７０】
図１２は、本実施の形態に係る伝送線路部１３０の構成を模式的に示す平面図である。図１２に示すように、伝送線路部１３０は、信号線１３１及び半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎを有する。半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎは、それぞれゲート２０１ａ、ソース２０１ｂ及びドレイン２０１ｃを備えている。各半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎのドレイン２０１ｃは、信号線１３１に対向しており、ソース２０１ｂは、グランド層１３５に接続されている。そして、ゲート２０１ａは、切替制御部１４０に接続され、必要に応じてゲート電圧が印加されるようになっている。なお、図１２中Ｘの方向から見た半導体ストリップ２０１−１の構成については、後に図１４を参照して詳述する。
【００７１】
本実施の形態においては、各半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎのソース２０１ｂがグランド層１３５に接続されているため、ゲート２０１ａにゲート電圧が印加されてソース２０１ｂとドレイン２０１ｃが導通状態となることにより、ドレイン２０１ｃの電位がグランド電位となる。また、ドレイン２０１ｃは、信号線１３１に対向しているため、ドレイン２０１ｃの電位がグランド電位となることにより、信号線１３１とグランド層１３５との距離を擬似的に近づけることができる。そして、信号線１３１がグランド層１３５に近づけば、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒが大きくなったとみなすことができ、これに伴って、信号線１３１に発生する定在波の周波数ｆが小さくなる。したがって、ゲート電圧が印加されて導通状態となる半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎの数を増減させることにより、定在波の周波数ｆを調節し、発振器の発振周波数を調整することができる。
【００７２】
図１３は、本実施の形態に係る伝送線路部１３０の構成を模式的に示す側面図である。図１３において、図５と同じ部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。図１３に示すように、伝送線路部１３０は、図５と同様の層構造を有しており、ＳｉＯ2層１３４ａは、半導体ストリップ２０１のゲート２０１ａを備えている。このゲート２０１ａは、切替制御部１４０に接続されている。
【００７３】
シリコン層１３４ｂは、半導体ストリップ２０１のソース２０１ｂ及びドレイン２０１ｃを備えた半導体層である。図１３では省略したが、半導体ストリップ２０１のソース２０１ｂは、グランド層１３５に接続されている。また、ゲート２０１ａにゲート電圧が印加されることによりソース２０１ｂと導通状態となるドレイン２０１ｃは、信号線１３１に対向している。このように、信号線１３１の近傍に配置されるストリップを半導体ストリップ２０１とすることにより、信号線１３１の近傍に導体のストリップを配置しなくても実効誘電率Ｅｒを変化させることができ、信号線１３１の近傍に導体を配置することによる寄生容量の増大を防止することができる。
【００７４】
図１４は、図１２のＸの方向から見た半導体ストリップ２０１−１の構成例を示す図である。上述したように、ゲート２０１ａは、切替制御部１４０に接続されており、切替制御部１４０からゲート電圧が印加されると、ソース２０１ｂとドレイン２０１ｃの間を導通状態とする。すなわち、ゲート２０１ａは、ゲート電圧が印加されると、ドレイン２０１ｃの電位をソース２０１ｂの電位と一致させる。
【００７５】
ソース２０１ｂは、グランド層１３５に接続されており、ゲート２０１ａにゲート電圧が印加されると、グランド電位をドレイン２０１ｃへ伝達する。ドレイン２０１ｃは、ソース２０１ｂから離間する方向に長く延伸されており、延伸された部分が信号線１３１と対向している。そして、ドレイン２０１ｃは、ゲート２０１ａにゲート電圧が印加された場合に、電位がグランド電位となる。本実施の形態においては、ドレイン２０１ｃをソース２０１ｂよりも長く延伸された形状とすることにより、信号線１３１とドレイン２０１ｃを対向させつつ、ゲート２０１ａ及びソース２０１ｂを信号線１３１から離れた位置に設けることができる。これにより、信号線１３１及び半導体ストリップ２０１を備える伝送線路部１３０の製造を容易にすることができる。ただし、ドレイン２０１ｃが信号線１３１に対向していれば、必ずしもドレイン２０１ｃをソース２０１ｂと異なる形状にする必要はない。
【００７６】
このように構成された半導体ストリップ２０１において、切替制御部１４０からゲート２０１ａにゲート電圧が印加されると、ソース２０１ｂとドレイン２０１ｃの間が導通状態となり、ドレイン２０１ｃの電位がグランド電位となる。すなわち、切替制御部１４０による制御により、半導体ストリップ２０１が導通状態となると、グランド層１３５、ソース２０１ｂ及びドレイン２０１ｃの電位がいずれもグランド電位となり、擬似的に信号線１３１とグランド層１３５との距離が近づく。これにより、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒが変化し、伝送線路部１３０に発生する定在波の周波数ｆが調整される。
【００７７】
［発振器の動作］
次いで、上記のように構成された伝送線路部１３０を有する発振器の動作について説明する。電源から直流電圧Ｖｄｃが信号線１３１の始端に印加されると、信号線１３１には、可変容量素子１２０の容量と伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒとに応じた周波数ｆの定在波が発生する。このとき、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒは、切替制御部１４０によって半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎの導通及び非導通が切り替えられることによって調節される。
【００７８】
具体的には、切替制御部１４０によって導通状態とされた半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎのドレイン２０１ｃの電位がグランド電位となり、導通状態とされた半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎの数が増えると信号線１３１とグランド層１３５とが擬似的に近づく。この結果、直流電圧Ｖｄｃの印加により信号線１３１を伝搬される進行波の伝搬速度が低下し、実効誘電率Ｅｒが大きくなったとみなすことができ、定在波の周波数ｆが小さくなる。
【００７９】
反対に、導通状態とされた半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎの数が減ると信号線１３１とグランド層１３５とが擬似的に遠ざかる。この結果、直流電圧Ｖｄｃの印加により信号線１３１を伝搬される進行波の伝搬速度が上昇し、実効誘電率Ｅｒが小さくなったとみなすことができ、定在波の周波数ｆが大きくなる。
【００８０】
半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎの導通及び非導通の切り替えについては、実施の形態１のスイッチ１３３−１〜１３３−ｎの接続及び非接続の切り替えと同様の順序で行うことができる。すなわち、切替制御部１４０は、導通状態の半導体ストリップの配置が満遍なく均等となる順序で、半導体ストリップ２０１−１〜２０１−ｎのゲート２０１ａにゲート電圧を印加するとともに、定在波の節付近の半導体ストリップのゲート２０１ａに優先的にゲート電圧を印加する。
【００８１】
また、可変容量素子１２０の容量は、電圧制御部１１０から可変容量素子１２０へ印加される制御電圧によって調整される。ただし、本実施の形態においては、可変容量素子１２０の容量の可変範囲は小さく、位相シフト量△Φを微小に変化させることにより、定在波の周波数ｆの微調整のみが行われる。このように可変容量素子１２０の容量の可変範囲が小さくても、本実施の形態においては、伝送線路部１３０における実効誘電率Ｅｒの可変範囲が大きいため、周波数ｆの制御範囲を大きくすることができる。
【００８２】
このように周波数ｆが調整された定在波の波形は、信号線１３１のバッファ部１５０に接続された終端において腹となっているため、バッファ部１５０によって、定在波の周波数ｆに対応するクロック信号が出力端子１５５へ出力される。
【００８３】
以上のように、本実施の形態によれば、ソースがグランド層に接続された半導体ストリップをドレインが信号線に対向するように配置し、半導体ストリップの導通及び非導通を切り替えることにより、信号線とグランド層とを擬似的に近づけたり遠ざけたりする。これにより、信号線を伝搬される進行波の伝搬速度に対応する実効誘電率が変化する。結果として、信号線に発生する定在波の周波数を変化させることができ、発振器の発振周波数を広帯域にわたって柔軟に調整することができる。また、発振周波数の調整に多数の容量素子を必要としないため、寄生容量の発生を抑制することができ、十分に高い周波数帯域の発振周波数のクロック信号を出力することができる。さらに、信号線の近傍に配置されるストリップが導体ではなく半導体であるため、導体を配置することによる寄生容量の増大を防止することができる。
【００８４】
（実施の形態３）
実施の形態３の特徴は、クランプ回路で接続された２本の信号線を有する発振器において、それぞれの信号線の近傍にストリップを配置する構成とすることにより、十分に高い発振周波数を広帯域にわたって柔軟に調整することである。
【００８５】
［発振器の構成］
図１５は、本実施の形態に係る発振器の構成を示す図である。図１５に示す発振器は、電圧制御部３１０、可変容量素子３２０、伝送線路部３３０、３４０、クランプ部３５０、切替制御部３６０、バッファ部３７０、３８０及び出力端子３７５、３８５を有する。
【００８６】
電圧制御部３１０は、可変容量素子３２０へ印加される電圧を制御し、可変容量素子３２０の容量を変化させる。
【００８７】
可変容量素子３２０は、電圧制御部３１０から印加される制御電圧に応じて容量が変化する素子である。可変容量素子３２０としては、例えばコンデンサが用いられる。伝送線路部３３０、３４０の終端における定在波の位相は、可変容量素子３２０の容量に応じてシフトする。したがって、可変容量素子３２０の容量を増減させれば、伝送線路部３３０、３４０の信号線３３１、３４１の終端における位相シフト量が変化し、定在波の周波数が変化する。ただし、可変容量素子３２０の容量を大幅に増減させると、信号線３３１、３４１の終端における位相シフト量が過剰に大きくなり、信号線３３１、３４１の終端で発振しなくなる。したがって、可変容量素子３２０の容量は、大きく増減させることはできず、電圧制御部３１０による制御電圧の調節のみでは、定在波の周波数を柔軟に調整することはできない。
【００８８】
伝送線路部３３０、３４０は、それぞれ定電流源Ｉｓに接続された信号線３３１、３４１とグランド層とを備え、信号線３３１、３４１とグランド層との間に、例えばＳｉＯ2及びシリコンの混合媒質を含む誘電体層が挟まれた構成となっている。そして、伝送線路部３３０、３４０は、定電流源Ｉｓから電源電圧が印加されると進行波を伝搬し、定在波を発生させる。すなわち、伝送線路部３３０、３４０は、それぞれ実施の形態１に係る伝送線路部１３０とほぼ同様の構成となっている。
【００８９】
伝送線路部３３０、３４０は、互いに位相が反転した定在波を発生させる。また、伝送線路部３３０、３４０は、それぞれ実効誘電率を増減させ、定在波の周波数を広帯域にわたって変化させる。具体的には、定在波の周波数ｆは、光速ｃ、信号線３３１、３４１の長さＬ、信号線３３１、３４１の終端における位相シフト量△Φ及び実効誘電率Ｅｒを用いて、実施の形態１における式（１）によって表される。
【００９０】
上述したように、本実施の形態においては、可変容量素子３２０の容量を大幅に増減させて信号線３３１、３４１の終端における位相シフト量△Φを大きくすることはできない。このため、伝送線路部３３０、３４０の実効誘電率Ｅｒを変化させることにより、定在波の周波数ｆを調整する。具体的には、伝送線路部３３０は、信号線３３１、ストリップ３３２−１〜３３２−ｎ及びスイッチ３３３−１〜３３３−ｎを有する。また、伝送線路部３４０は、信号線３４１、ストリップ３４２−１〜３４２−ｎ及びスイッチ３４３−１〜３４３−ｎを有する。
【００９１】
信号線３３１、３４１は、それぞれ始端が定電流源Ｉｓに接続され、終端が可変容量素子３２０及びバッファ部３７０、３８０に接続された伝送路である。信号線３３１、３４１の始端から終端までの長さは、発振に使用される進行波の波長の４分の３の長さである。このため、信号線３３１、３４１は、定電流源Ｉｓから電源電圧が印加されると、定電流源Ｉｓに接続された始端を節とし、終端を腹とする４分の３波長の定在波を発生させる。ただし、信号線３３１、３４１の終端における定在波の位相は、可変容量素子３２０の容量によって、位相シフト量△Φだけシフトしている。また、信号線３３１、３４１が発生させる定在波の周波数ｆは、式（１）に示したように、伝送線路部３３０、３４０における実効誘電率Ｅｒの平方根に反比例する。したがって、実効誘電率Ｅｒを大きくすれば、定在波の周波数ｆが低くなり、実効誘電率Ｅｒを小さくすれば、定在波の周波数ｆが高くなる。
【００９２】
ストリップ３３２−１〜３３２−ｎ、３４２−１〜３４２−ｎは、例えば金属などの導体からなる細長い板状部材であり、それぞれ信号線３３１、３４１に接触しないように、信号線３３１、３４１に沿って並べて配置される。また、ストリップ３３２−１〜３３２−ｎ、３４２−１〜３４２−ｎは、それぞれスイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎを介してグランド層に接続されている。したがって、スイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎがストリップ３３２−１〜３３２−ｎ、３４２−１〜３４２−ｎとグランド層とを接続すると、信号線３３１、３４１の近傍に配置されたストリップ３３２−１〜３３２−ｎ、３４２−１〜３４２−ｎの電位がグランド電位となる。
【００９３】
スイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎは、切替制御部３６０による制御に従って、それぞれストリップ３３２−１〜３３２−ｎ、３４２−１〜３４２−ｎとグランド層との接続及び非接続を切り替える。スイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎとしては、例えばＭＯＳＦＥＴが用いられる。スイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎがストリップ３３２−１〜３３２−ｎ、３４２−１〜３４２−ｎとグランド層とを接続すると、擬似的に信号線３３１、３４１がグランドに近づいたこととなる。すなわち、スイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎの接続及び非接続を切り替えることにより、擬似的に信号線３３１、３４１とグランド層の間の距離が調節され、それぞれ伝送線路部３３０、３４０における実効誘電率Ｅｒを変化させることができる。
【００９４】
具体的には、接続中のスイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎの数が多くなると、信号線３３１、３４１とグランド層が近づいたとみなすことができ、進行波の伝搬速度が遅くなることから、実効誘電率Ｅｒが大きくなると言える。また、接続中のスイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎの数が少なくなると、信号線３３１、３４１とグランド層が遠ざかったとみなすことができ、進行波の伝搬速度が速くなることから、実効誘電率Ｅｒが小さくなると言える。これに伴い、式（４）に示したように、実効誘電率Ｅｒの平方根に反比例して定在波の周波数が変化する。つまり、スイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎの接続及び非接続を切り替えることにより、定在波の周波数を調整することができる。
【００９５】
クランプ部３５０は、信号線３３１、３４１の始端から４分の１波長の位置に接続され、信号線３３１、３４１に発生する定在波の振幅を対応させる。すなわち、クランプ部３５０は、信号線３３１に発生する定在波の振幅と信号線３４１に発生する定在波の振幅とを互いに反転した同じ大きさの振幅にする。したがって、クランプ部３５０は、例えば信号線３３１のクランプ部３５０が接続された位置の振幅が正であれば、信号線３４１のクランプ部３５０が接続された位置の振幅を負にして、２つの振幅の大きさを同じにする。
【００９６】
切替制御部３６０は、スイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎそれぞれの接続及び非接続の切り替えを制御する。具体的には、切替制御部３６０は、互いに対応するスイッチ３３３−１〜３３３−ｎとスイッチ３４３−１〜３４３−ｎとを同時に接続状態から非接続状態に切り替えたり、非接続状態から接続状態に切り替えたりする。そして、切替制御部３６０は、発振器の発振周波数を高くする場合には、接続中のスイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎの数を減少させる。また、切替制御部３６０は、発振器の発振周波数を低くする場合には、接続中のスイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎの数を増加させる。
【００９７】
バッファ部３７０、３８０は、緩衝用の回路を有しており、可変容量素子３２０及び伝送線路部３３０、３４０などの回路に対する出力端子３７５、３８５側からの影響を排除し、可変容量素子３２０及び伝送線路部３３０、３４０などを備える回路を安定的に動作させる。すなわち、バッファ部３７０、３８０は、実施の形態１に係るバッファ部１５０と同様の構成を有しており、それぞれ定在波の周波数ｆに対応するクロック信号を出力端子３７５、３８５へ出力する。ただし、バッファ部３７０、３８０からの出力は、互いに反転している。
【００９８】
図１６は、本実施の形態に係るクランプ部３５０の構成例として、ＮＭＯＳ型及びＣＭＯＳ型の２つのクランプ部３５０の構成を示す図である。
【００９９】
ＮＭＯＳ型のクランプ部３５０は、ＮＭＯＳインバータを組み合わせて構成されている。具体的には、ＮＭＯＳ型のクランプ部３５０は、対称的に接続された２つのＭＯＳＦＥＴ３５１、３５２を備えている。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ３５１のゲートにはＭＯＳＦＥＴ３５２のソースが接続されており、ＭＯＳＦＥＴ３５２のゲートにはＭＯＳＦＥＴ３５１のソースが接続されている。また、２つのＭＯＳＦＥＴ３５１、３５２のドレインは、いずれも接地されている。
【０１００】
一方、ＣＭＯＳ型のクランプ部３５０は、ＣＭＯＳインバータを組み合わせて構成されている。具体的には、ＣＭＯＳ型のクランプ部３５０は、上述した２つのＭＯＳＦＥＴ３５１、３５２に加え、さらに２つのＭＯＳＦＥＴ３５３、３５４を備えている。ＭＯＳＦＥＴ３５３のゲートにはＭＯＳＦＥＴ３５４のソースが反転接続されており、ＭＯＳＦＥＴ３５４のゲートにはＭＯＳＦＥＴ３５３のソースが反転接続されている。また、２つのＭＯＳＦＥＴ３５３、３５４のドレインは、いずれも電源に接続されている。
【０１０１】
これらのＭＯＳＦＥＴ３５１〜３５４を用いてクランプ部３５０を構成することにより、クランプ部３５０へ入力される２つの電圧Ｖ１、Ｖ２が同一の電圧にクランプされる。したがって、信号線３３１、３４１にクランプ部３５０が接続されることにより、信号線３３１、３４１に発生する定在波の振幅を同じ大きさに揃えることができる。
【０１０２】
［発振器の動作］
次いで、上記のように構成された発振器の動作について説明する。定電流源Ｉｓからそれぞれ信号線３３１、３４１に電源電圧が印加されると、信号線３３１、３４１には、位相シフト量△Φと実効誘電率Ｅｒに応じた周波数ｆの定在波が発生する。このとき、位相シフト量△Φは、可変容量素子３２０の容量に応じて定まり、電圧制御部３１０によって制御されている。また、実効誘電率Ｅｒは、切替制御部３６０によってスイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎの接続及び非接続が切り替えられることによって調整される。
【０１０３】
具体的には、伝送線路部３３０において、切替制御部３６０によって接続状態とされたスイッチ３３３−１〜３３３−ｎに対応するストリップ３３２−１〜３３２−ｎの電位がグランド電位となる。このため、接続中のスイッチ３３３−１〜３３３−ｎの数が増えると信号線３３１とグランド層とが擬似的に近づく。この結果、電源電圧の印加により信号線３３１を伝搬される進行波の伝搬速度が低下し、実効誘電率Ｅｒが大きくなったとみなすことができる。そして、実効誘電率Ｅｒの増大に伴って、定在波の周波数ｆが小さくなる。
【０１０４】
一方、伝送線路部３４０においては、切替制御部３６０によって、接続中のスイッチ３３３−１〜３３３−ｎと対称的なスイッチ３４３−１〜３４３−ｎが接続状態とされ、対応するストリップ３４２−１〜３４２−ｎの電位がグランド電位となる。そして、接続中のスイッチ３４３−１〜３４３−ｎの数が増えると信号線３４１とグランド層とが擬似的に近づく。この結果、電圧の印加により信号線３４１を伝搬される進行波の伝搬速度が低下し、実効誘電率Ｅｒが大きくなったとみなすことができる。そして、実効誘電率Ｅｒの増大に伴って、定在波の周波数ｆが小さくなる。ただし、信号線３４１は、信号線３３１とクランプ部３５０を介して接続されているため、信号線３４１に発生する定在波は、信号線３３１に発生する定在波と比較すると、振幅の大きさは同一であるものの位相が反転している。
【０１０５】
また、反対に、接続中のスイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎの数が減ると信号線３３１、３４１とグランド層とが擬似的に遠ざかる。この結果、電源電圧の印加により信号線３３１、３４１を伝搬される進行波の伝搬速度が上昇し、実効誘電率Ｅｒが小さくなったとみなすことができる。そして、実効誘電率Ｅｒの減少に伴って、それぞれ信号線３３１、３４１に発生する定在波の周波数ｆが大きくなる。
【０１０６】
スイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎの接続及び非接続の切り替えについては、実施の形態１と同様の順序で行うことができる。すなわち、切替制御部３６０は、接続中のスイッチの配置が満遍なく均等となる順序で、スイッチ３３３−１〜３３３−ｎ、３４３−１〜３４３−ｎを切り替えるとともに、定在波の節付近のストリップに対応するスイッチを優先的に接続状態とする。
【０１０７】
また、可変容量素子３２０の容量は、電圧制御部３１０から可変容量素子３２０へ印加される制御電圧によって調整される。ただし、上述したように、本実施の形態においては、位相シフト量△Φを大きく増減させることはできないため、可変容量素子３２０の容量の可変範囲は小さい。このように可変容量素子３２０の容量の可変範囲が小さく、位相シフト量△Φを大きく増減させない場合でも、本実施の形態においては、実効誘電率Ｅｒの可変範囲が大きいため、周波数ｆの制御範囲を大きくすることができる。
【０１０８】
このように周波数ｆが調整された定在波の波形は、信号線３３１、３４１の終端において腹となっているため、それぞれバッファ部３７０、３８０によって、定在波の周波数ｆに対応するクロック信号が出力端子３７５、３８５へ出力される。
【０１０９】
［発振周波数の調整の具体例］
図１７は、本実施の形態に係る発振器の発振周波数の具体例を示す図である。ここでは、伝送線路部３３０、３４０がそれぞれ１１個のスイッチ３３３−１〜３３３−１１、３４３−１〜３４３−１１を備えているものとする。
【０１１０】
図１７に示すように、それぞれの伝送線路部３３０、３４０において、すべてのスイッチが非接続状態である場合には、信号線３３１、３４１を伝搬される進行波の遅延は８．９ｐｓ（ピコ秒）であり、スイッチが接続されていないため、実効誘電率Ｅｒは変化しない。したがって、周波数帯が２５ＧＨｚでも４０ＧＨｚでも定在波の周波数ｆが変化することはない。
【０１１１】
これに比べて、１１個中５個のスイッチが接続状態である場合には、信号線３３１、３４１を伝搬される進行波の伝搬速度が低下し、遅延が９．３ｐｓとなっている。これは、実効誘電率Ｅｒが７％大きくなったとみなすことができる。この結果、２５ＧＨｚの周波数帯では、周波数ｆが１．８ＧＨｚ小さくなり、４０ＧＨｚの周波数帯では、周波数ｆが２．８ＧＨｚ小さくなっている。
【０１１２】
さらに、すべてのスイッチが接続状態である場合には、進行波の遅延が９．６ｐｓとなり、実効誘電率Ｅｒが１４％大きくなったとみなすことができる。この結果、２５ＧＨｚの周波数帯では、周波数ｆが３．６ＧＨｚ小さくなり、４０ＧＨｚの周波数帯では、周波数ｆが５．７ＧＨｚ小さくなっている。
【０１１３】
したがって、例えば接続中のスイッチ数が５個のときの発振周波数を中心周波数としておけば、スイッチの接続及び非接続を切り替えることにより、２５ＧＨｚ帯では発振周波数を約１．８ＧＨｚ増減させることが可能であり、４０ＧＨｚ帯では発振周波数を約２．８ＧＨｚ増減させることが可能となる。つまり、十分に高い周波数帯域の発振周波数を広帯域にわたって柔軟に調整することができる。
【０１１４】
以上のように、本実施の形態によれば、２本の信号線を用いて高周波帯域の発振周波数のクロック信号を出力することが可能な発振器において、スイッチを介してグランド層に接続されたストリップをそれぞれの信号線の近傍に配置する。そして、スイッチの接続及び非接続を切り替えることにより、信号線とグランド層とを擬似的に近づけたり遠ざけたりする。これにより、信号線を伝搬される進行波の伝搬速度に対応する実効誘電率が変化し、結果として、信号線に発生する定在波の周波数を変化させることができ、高周波帯域の発振周波数を広帯域にわたって柔軟に調整することができる。
【０１１５】
なお、上記実施の形態３においては、同一の構成の２つの伝送線路部３３０、３４０を設けるものとしたが、これらの伝送線路部３３０、３４０に共通する部分を一体化して、発振器の小型化を図ることも可能である。具体的に、実施の形態３に係る発振器の変形例を図１８に示す。図１８において、図１５と同じ部分には同じ符号を付している。
【０１１６】
図１８に示す発振器においては、信号線３３１、３４１の双方に跨って対向するストリップ３９１−１〜３９１−ｎが設けられている。そして、ストリップ３９１−１〜３９１−ｎは、それぞれスイッチ３９２−１〜３９２−ｎを介してグランド層に接続されている。したがって、スイッチ３９２−１〜３９２−ｎがストリップ３９１−１〜３９１−ｎとグランド層とを接続すると、信号線３３１、３４１の近傍に配置されたストリップ３９１−１〜３９１−ｎの電位がグランド電位となる。
【０１１７】
スイッチ３９２−１〜３９２−ｎは、切替制御部３６０による制御に従って、それぞれストリップ３９１−１〜３９１−ｎとグランド層との接続及び非接続を切り替える。スイッチ３９２−１〜３９２−ｎとしては、例えばＭＯＳＦＥＴが用いられる。スイッチ３９２−１〜３９２−ｎがストリップ３９１−１〜３９１−ｎとグランド層とを接続すると、擬似的に信号線３３１、３４１がグランドに近づいたこととなる。すなわち、スイッチ３９２−１〜３９２−ｎの接続及び非接続を切り替えることにより、擬似的に信号線３３１、３４１とグランド層の間の距離が調節され、信号線３３１、３４１を含む伝送線路部における実効誘電率Ｅｒを変化させることができる。
【０１１８】
図１９は、図１８に示した発振器における伝送線路部の構成を示す斜視図である。図１９に示すように、伝送線路部は、信号線３３１、３４１とグランド層３９４の間に誘電体層３９３が挟まれて構成され、誘電体層３９３の中にストリップ３９１−１〜３９１−ｎ及び図示を省略したスイッチ３９２−１〜３９２−ｎが設けられている。誘電体層３９３は、大部分が例えばＳｉＯ2及びシリコンの混合媒質から形成され、混合媒質の中にストリップ３９１−１〜３９１−ｎ及びスイッチ３９２−１〜３９２−ｎが固定された構成となっている。誘電体層３９３は、全体として１つの誘電体として機能する。また、グランド層３９４は、接地されており、電位が常にグランド電位に保たれている。
【０１１９】
ストリップ３９１−１〜３９１−ｎは、それぞれ信号線３３１、３４１の双方に跨って対向し、等間隔に配置されている。なお、図１９においては、信号線３３１、３４１の紙面左下の一端が定電流原Ｉｓに接続される始端であるものとし、信号線３３１、３４１の紙面右上に示す一端がバッファ部３７０、３８０に接続される終端であるものとする。すなわち、信号線３３１、３４１の進行波伝搬方向は、ストリップ３９１−１からストリップ３９１−ｎへ向かう方向であるものとする。また、それぞれのストリップ３９１−１〜３９１−ｎは、それぞれ図示しないスイッチ３９２−１〜３９２−ｎに接続されている。
【０１２０】
このように、図１９に示す伝送線路部においては、信号線３３１、３４１それぞれに個別にストリップ及びスイッチが設けられるのではなく、共通のストリップ３９１−１〜３９１−ｎ及びスイッチ３９２−１〜３９２−ｎが設けられる。このため、伝送線路部を小型化することができ、発振器の小型化を図ることができる。
【０１２１】
さらに、例えば図２０に示すように、クランプ部３５０を信号線３３１ａ、３４１ａの終端よりもバッファ部３７０、３８０側に設けることも可能である。この場合、信号線３３１ａ、３４１ａの始端から終端までの長さを、発振に使用される進行波の波長の４分の１の長さとし、発振器の小型化を図ることができる。すなわち、図１８に示した信号線３３１、３４１の長さが進行波の波長の４分の３であるのに対し、図２０に示す信号線３３１ａ、３４１ａの長さを進行波の波長の４分の１とすることにより、発振器全体が小型化される。そして、信号線３３１ａ、３４１ａが短くなったことにより、クランプ部３５０は、信号線３３１ａ、３４１ａの延長線上の２点における振幅を対応させる。これにより、高周波帯域の発振周波数を広帯域にわたって柔軟に調整するとともに、さらに発振器の小型化を図ることができる。
【０１２２】
（実施の形態４）
実施の形態４の特徴は、両端が定在波の腹となる信号線と補助用のアーク形状の信号線とを有する発振器において、それぞれの信号線の近傍にストリップを配置する構成とすることにより、小型化された発振器の発振周波数を広帯域にわたって柔軟に調整することである。
【０１２３】
［発振器の構成］
図２１は、本実施の形態に係る発振器の構成を示す図である。図２１に示す発振器は、伝送線路部４１０、４２０、バッファ部４３０、４４０及び出力端子４３５、４４５を有する。
【０１２４】
伝送線路部４１０は、定電流源に接続された信号線４１１とグランド層とを備え、信号線４１１とグランド層との間に、例えばＳｉＯ2及びシリコンの混合媒質を含む誘電体層が挟まれた構成となっている。そして、伝送線路部４１０は、定電流源から電源電圧が印加されると進行波を伝搬し、波長の２分の１の定在波を発生させる。すなわち、伝送線路部４１０は、信号線４１１の両端が腹となる定在波を発生させる。具体的には、伝送線路部４１０は、信号線４１１及びストリップ４１２−１〜４１２−ｎを有する。
【０１２５】
信号線４１１は、両端がそれぞれバッファ部４３０、４４０に接続され、中心に定電流源が接続されている。信号線４１１の長さは、発振に使用される進行波の波長の２分の１の長さである。したがって、信号線４１１の定電流源との接続部分から両端までの長さは、それぞれ４分の１波長に等しい。このため、信号線４１１は、定電流源から電源電圧が印加されると、定電流源に接続された中心を節とし、両端を腹とする２分の１波長の定在波を発生させる。
【０１２６】
ストリップ４１２−１〜４１２−ｎは、それぞれ図示しないスイッチを介してグランド層に接続されており、信号線４１１に接触しないように、信号線４１１に沿って並べて配置される。したがって、図示しないスイッチがストリップ４１２−１〜４１２−ｎとグランド層とを接続すると、信号線４１１の近傍に配置されたストリップ４１２−１〜４１２−ｎの電位がグランド電位となる。
【０１２７】
このように、本実施の形態に係る伝送線路部４１０は、信号線４１１の中心に電源が接続されて電源電圧が印加され、信号線４１１の長さが２分の１波長である点を除けば、実施の形態１の伝送線路部１３０と同様の構成となっている。
【０１２８】
伝送線路部４２０は、伝送線路部４１０に発生する余分な周波数成分を除去するために設けられた補助用の伝送線路部である。具体的には、伝送線路部４２０は、信号線４２１及びストリップ４２２−１〜４２２−ｎを有する。
【０１２９】
信号線４２１は、アーク形状に湾曲しており、中心が接地されている。信号線４２１の長さは、信号線４１１と同様に進行波の波長の２分の１の長さである。また、信号線４１１の中心と信号線４２１の中心とを結ぶ中心線に対して、信号線４１１及び信号線４２１が線対称な形状となるように、信号線４２１が配置されている。すなわち、信号線４１１の中心と信号線４２１の中心とが対向している。
【０１３０】
ストリップ４２２−１〜４２２−ｎは、それぞれ図示しないスイッチを介してグランドに接続されており、信号線４２１に接触しないように、信号線４２１に沿って並べて配置される。したがって、図示しないスイッチがストリップ４２２−１〜４２２−ｎとグランドとを接続すると、信号線４２１の近傍に配置されたストリップ４２２−１〜４２２−ｎの電位がグランド電位となる。
【０１３１】
バッファ部４３０、４４０は、緩衝用の回路を有しており、伝送線路部４１０、４２０などの回路に対する出力端子４３５、４４５側からの影響を排除し、伝送線路部４１０、４２０などを備える回路を安定的に動作させる。すなわち、バッファ部４３０、４４０は、実施の形態１に係るバッファ部１５０と同様の構成を有しており、それぞれ定在波の周波数に対応するクロック信号を出力端子４３５、４４５へ出力する。ただし、バッファ部４３０、４４０からの出力は、互いに反転している。
【０１３２】
図２２は、本実施の形態に係る伝送線路部４２０の構成を示す図である。図２２に示すように、信号線４２１は、両端から中心までの長さが進行波の波長の４分の１であるとともに、両端間の距離が進行波の波長の４分の１となるように湾曲して成形されている。また、上述したように、信号線４１１の長さも進行波の波長の２分の１であるため、実施の形態１などの発振器と比較すると、信号線の長さが短い。結果として、伝送線路部４１０、４２０を小型化することができ、発振器の実装面積を小さくすることができる。
【０１３３】
［発振器の動作］
次いで、上記のように構成された発振器の動作について説明する。定電流源から信号線４１１の中心に電源電圧が印加されると、信号線４１１には、２分の１波長分の定在波が発生する。このとき、信号線４１１の近傍に信号線４２１が配置されているため、信号線４１１に発生する例えば２倍波や３倍波などの余分な周波数成分は除去される。また、伝送線路部４１０における実効誘電率は、ストリップ４１２−１〜４１２−ｎの電位を選択的にグランド電位にすることによって調整される。すなわち、ストリップ４１２−１〜４１２−ｎには、それぞれ図示しないスイッチが接続されており、スイッチが接続状態となると、対応するストリップ４１２−１〜４１２−ｎの電位がグランド電位となる。
【０１３４】
そして、接続中のスイッチの数が増えると信号線４１１とグランド層とが擬似的に近づき、実効誘電率が大きくなったとみなすことができる。この結果、信号線４１１に発生する定在波の周波数が小さくなる。反対に、接続中のスイッチの数が減ると信号線４１１とグランド層とが擬似的に遠ざかり、実効誘電率が小さくなったとみなすことができる。この結果、信号線４１１に発生する定在波の周波数が大きくなる。
【０１３５】
なお、スイッチを切り替えてストリップ４１２−１〜４１２−ｎの電位をグランド電位にする場合には、伝送線路部４２０においても図示しないスイッチが切り替えられ、対応するストリップ４２２−１〜４２２−ｎの電位もグランド電位にされる。
【０１３６】
このように周波数が調整された定在波の波形は、信号線４１１の両端において腹となっているため、バッファ部４３０、４４０によって、定在波の周波数のクロック信号が出力端子４３５、４４５へ出力される。
【０１３７】
以上のように、本実施の形態によれば、波長の２分の１の長さの信号線を用いた小型な発振器において、スイッチを介してグランド層に接続されたストリップを信号線の近傍に配置する。そして、スイッチの接続及び非接続を切り替えることにより、信号線とグランド層とを擬似的に近づけたり遠ざけたりする。これにより、信号線を伝搬される進行波の伝搬速度に対応する実効誘電率が変化し、結果として、信号線に発生する定在波の周波数を変化させることができ、小型な発振器の発振周波数を広帯域にわたって柔軟に調整することができる。
【０１３８】
なお、上記実施の形態４においては、伝送線路部４１０、４２０を別々に設けるものとしたが、上記実施の形態３の変形例と同様に、伝送線路部４１０、４２０の共通する部分を一体化して、発振器の小型化を図ることも可能である。すなわち、伝送線路部４１０のストリップ４１２−１〜４１２−ｎと伝送線路部４２０のストリップ４２２−１〜４２２−ｎとを対応するもの同士一体化するとともに、一体化されたストリップそれぞれをスイッチを介してグランド層に接続するようにしても良い。
【０１３９】
また、上記実施の形態２〜４においては、複数のストリップ又は半導体ストリップの間の間隔について言及しなかったが、これらのストリップ又は半導体ストリップは、どのように配置されても良い。すなわち、実施の形態２〜４においても、実施の形態１と同様に、複数のストリップ又は半導体ストリップが等間隔に配置されても良い。また、定在波の節付近に、定在波の腹付近よりも多くのストリップ又は半導体ストリップが配置されるようにしても良い。
【０１４０】
また、上記実施の形態１〜３においては、信号線の長さを進行波の波長の４分の３の長さとし、上記実施の形態４においては、信号線の長さを進行波の波長の２分の１の長さとした。これらは、信号線の端部に定在波の腹が形成され、発振させるために設定された長さである。したがって、信号線の端部に定在波の腹が形成されれば、信号線の長さは上述したものに限定されない。具体的には、信号線の電源電圧が印加される位置から発振する端部までの長さが４分の１波長の奇数倍であれば、信号線の端部に定在波の腹が形成され、発振器は、発振周波数のクロック信号を出力することができる。
【０１４１】
上記各実施の形態１〜４の発振器は、例えば出力周波数を所定の基準周波数と一致させ、位相を同期するためのＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路などに用いることができる。図２３は、ＰＬＬ回路の構成を示すブロック図である。図２３に示すＰＬＬ回路は、位相比較器１０、ローパスフィルタ２０、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）３０及び分周器４０を有する。
【０１４２】
位相比較器１０は、基準周波数と分周器４０から出力される周波数とを比較し、位相差に対応する電圧信号をローパスフィルタ２０へ出力する。ローパスフィルタ２０は、電圧信号の交流成分を除去し、電圧信号の直流成分をＶＣＯ３０へ出力する。
【０１４３】
ＶＣＯ３０は、印加電圧に応じて発振周波数を調整する発振器を備えており、ローパスフィルタ２０から出力される電圧信号の直流成分に応じた出力周波数の信号を出力する。すなわち、ＶＣＯ３０は、上記各実施の形態１〜４の発振器を備えている。そして、ＶＣＯ３０は、ローパスフィルタ２０から出力される電圧信号の直流成分に応じて、スイッチの接続及び非接続を切り替えたり、半導体ストリップの導通及び非導通を切り替えたりすることにより、出力周波数を柔軟に調整する。これにより、ＶＣＯ３０からは、確実に電圧信号の直流成分に応じた出力周波数の信号が出力される。
【０１４４】
分周器４０は、ＶＣＯ３０の出力周波数を分周し、位相比較器１０へフィードバックする。
【０１４５】
このように、ＰＬＬ回路に上記実施の形態１〜４の発振器を用いることにより、ＶＣＯ３０において発振周波数を柔軟に調整することができるため、ＰＬＬ回路は、基準周波数と正確に一致する出力周波数の信号を出力することができる。
【０１４６】
以上の各実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
【０１４７】
（付記１）電源電圧の印加に伴って進行波を伝搬し、電源電圧が印加される電圧印加部から少なくとも一方の端部までの長さが伝搬される進行波の４分の１波長の奇数倍に等しい信号線と、
前記信号線によって伝搬される進行波に伴って前記信号線に発生する定在波を維持する維持部と、
前記維持部によって維持される定在波を用いて発振周波数の信号を出力する出力部と、
前記信号線の近傍において前記信号線に対向する対向部を備えるとともに前記対向部の電位がグランド電位に変化する電位変化部材と、
前記電位変化部材が備える前記対向部の電位を変化させることにより、前記出力部から出力される信号の発振周波数を調整する制御部と
を有することを特徴とする発振器。
【０１４８】
（付記２）前記電位変化部材は、
前記信号線に対向して配置される導体からなり、
前記制御部は、
前記導体と電位がグランド電位に保たれたグランドとの接続及び非接続を切り替える切替部と、
前記切替部における接続及び非接続の切り替えを制御する切替制御部とを含む
ことを特徴とする付記１記載の発振器。
【０１４９】
（付記３）前記電位変化部材は、
制御電圧が印加される第１の端子と、電位がグランド電位に保たれたグランドに接続される第２の端子と、前記対向部を備える第３の端子とを有する半導体であって、前記第１の端子に印加される制御電圧に応じて前記第２の端子及び前記第３の端子の間の導通及び非導通を切り替える半導体からなり、
前記制御部は、
前記第１の端子に印加する制御電圧を調節して、前記第２の端子及び前記第３の端子の間の導通及び非導通の切り替えを制御することを特徴とする付記１記載の発振器。
【０１５０】
（付記４）前記信号線は、
一端に前記電圧印加部が設けられ、前記一端から他端までの長さが伝搬される進行波の４分の１波長の奇数倍に等しいことを特徴とする付記１記載の発振器。
【０１５１】
（付記５）前記信号線は、
中心に前記電圧印加部が設けられ、前記中心から両端それぞれまでの長さが伝搬される進行波の４分の１波長の奇数倍に等しいことを特徴とする付記１記載の発振器。
【０１５２】
（付記６）前記制御部は、
前記出力部によって出力される信号の発振周波数を高くする場合に、前記電位変化部材が備える前記対向部の電位をグランド電位に変化させることを特徴とする付記１記載の発振器。
【０１５３】
（付記７）前記信号線の前記端部に接続され、印加される制御電圧に応じて容量が可変の可変容量素子をさらに有することを特徴とする付記１記載の発振器。
【０１５４】
（付記８）複数の前記電位変化部材を有し、
前記制御部は、
前記出力部によって出力される信号の発振周波数を高くする場合に、前記対向部の電位がグランド電位となる電位変化部材の数を増加させる一方、前記出力部によって出力される信号の発振周波数を低くする場合に、前記対向部の電位がグランド電位となる電位変化部材の数を減少させることを特徴とする付記１記載の発振器。
【０１５５】
（付記９）前記複数の電位変化部材は、
前記信号線に沿って互いに等間隔に配置されることを特徴とする付記８記載の発振器。
【０１５６】
（付記１０）前記複数の電位変化部材は、
前記信号線の前記電圧印加部付近において前記信号線の前記端部付近よりも密に配置されることを特徴とする付記８記載の発振器。
【０１５７】
（付記１１）前記制御部は、
前記対向部の電位がグランド電位となる電位変化部材の数を増加させる際、グランド電位となる電位変化部材の配置が均等となる順序で前記複数の電位変化部材の電位をグランド電位に変化させることを特徴とする付記８記載の発振器。
【０１５８】
（付記１２）前記制御部は、
前記対向部の電位がグランド電位となる電位変化部材の数を増加させる際、前記信号線の前記電圧印加部の位置又は前記電圧印加部から進行波の２分の１波長の整数倍離れた位置に近い電位変化部材から順に電位をグランド電位に変化させることを特徴とする付記８記載の発振器。
【０１５９】
（付記１３）２本の前記信号線を有し、
前記維持部は、
２本の前記信号線を互いに接続し、２本の前記信号線それぞれにおいて発生する定在波の振幅を対応させることを特徴とする付記１記載の発振器。
【０１６０】
（付記１４）前記信号線の近傍に配置され、前記信号線と同じ長さを有するとともに両端間の距離が前記信号線の長さの２分の１になるように湾曲した補助信号線をさらに有することを特徴とする付記１記載の発振器。
【０１６１】
（付記１５）電源電圧の印加に伴って進行波を伝搬し、電源電圧が印加される電圧印加部から少なくとも一方の端部までの長さが伝搬される進行波の４分の１波長の奇数倍に等しい信号線と、
前記信号線における進行波の伝搬速度に対応する実効誘電率を変更する変更部と、
前記変更部によって実効誘電率が変更された後、前記信号線によって伝搬される進行波を用いて発振周波数の信号を出力する出力部と
を有することを特徴とする発振器。
【０１６２】
（付記１６）入力電圧に応じた発振周波数の信号を出力する発振器と、
前記発振器によって出力される信号の発振周波数と所定の基準周波数とを比較し、発振周波数と基準周波数との差分に対応する入力電圧を前記発振器へ入力する比較器とを有し、
前記発振器は、
電源電圧の印加に伴って進行波を伝搬し、電源電圧が印加される電圧印加部から少なくとも一方の端部までの長さが伝搬される進行波の４分の１波長の奇数倍に等しい信号線と、
前記信号線の近傍において前記信号線に対向する対向部を備えるとともに前記対向部の電位がグランド電位に変化する電位変化部材と、
前記比較器から入力される入力電圧に応じて前記電位変化部材が備える前記対向部の電位を変化させる制御部と、
前記制御部の制御によって前記対向部の電位が変化した後、前記信号線によって伝搬される進行波を用いて発振周波数の信号を出力する出力部とを含む
ことを特徴とする位相同期回路。
【符号の説明】
【０１６３】
１０  位相比較器
２０  ローパスフィルタ
３０  ＶＣＯ
４０  分周器
１１０、３１０  電圧制御部
１２０、３２０  可変容量素子
１３０、３３０、３４０、４１０、４２０  伝送線路部
１３１、３３１、３４１、４１１、４２１  信号線
１３２、３３２、３４２、３９１、４１２、４２２  ストリップ
１３２ａ  接続部
１３３、３３３、３４３、３９２  スイッチ
１３３ａ  ゲート
１３３ｂ  ソース
１３３ｃ  ドレイン
１３３ｄ  ビア
１３４、３９３  誘電体層
１３４ａ  ＳｉＯ2層
１３４ｂ  シリコン層
１３５、３９４  グランド層
１３６  増幅部
１４０、３６０  切替制御部
１５０、３７０、３８０、４３０  バッファ部
１５５、３７５、３８５、４３５  出力端子
１７０  発振誘起部
２０１  半導体ストリップ
２０１ａ  ゲート
２０１ｂ  ソース
２０１ｃ  ドレイン
３５０  クランプ部
【図１−１】
2011004093.tif 000006
【図１−２】
2011004093.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011004093.tif 000011
【図６】
2011004093.tif 000012
【図７】
2011004093.tif 000013
【図８】
2011004093.tif 000014
【図９】
2011004093.tif 000015
【図１０】
2011004093.tif 000016
【図１１】
2011004093.tif 000017
【図１２】
2011004093.tif 000018
【図１３】
2011004093.tif 000019
【図１４】
2011004093.tif 000020
【図１５】
2011004093.tif 000021
【図１６】
2011004093.tif 000022
【図１７】
2011004093.tif 000023
【図１８】
2011004093.tif 000024
【図１９】
2011004093.tif 000025
【図２０】
2011004093.tif 000026
【図２１】
2011004093.tif 000027
【図２２】
2011004093.tif 000028
【図２３】
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