(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子、増幅器及び負荷容量を有する電圧制御水晶発振器であって、前記負荷容量は、半導体基板上に集積化された電圧制御可変容量素子及び前記電圧制御可変容量素子に直列接続された直流カット用容量素子を含み、電圧制御可変容量素子の最大容量値Ｃｖｍａｘと前記直流カット用容量素子の容量値Ｃｃｕｔとの比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘは、０．５以上且つ１０より小さいことを特徴とする電圧制御水晶発振器。
【請求項２】
前記比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘは、０．５以上且つ４以下であることを特徴とする請求項１の電圧制御水晶発振器。
【請求項３】
前記比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘは、０．７以上且つ１．８以下であることを特徴とする請求項１の電圧制御水晶発振器。
【請求項４】
前記電圧制御可変容量素子の最大容量値Ｃｖｍａｘは、１５ｐＦ以上且つ５０ｐＦ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの電圧制御水晶発振器。
【請求項５】
前記電圧制御可変容量素子は、前記増幅器の入力側及び出力側の両側に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの電圧制御水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発振周波数を調節するために、電圧によって容量値を制御できる可変容量素子を備えた水晶発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水晶振動子の発振周波数は非常に安定しており、水晶振動子の温度特性も優れており、また水晶振動子の製造も比較的容易であるため、水晶振動子を用いた水晶発振回路は高い実用性を備えている。そこで近年、水晶振動子と発振回路を一体化し、所定の電源電圧を与えるだけで所望の周波数を有するクロックを得ることができる水晶発振器が、広く用いられている。
【０００３】
電気通信等の分野において、複数の信号同士の同期を取ったり、通信搬送波にシステムクロックを同期させたりする場合には、水晶発振器の周波数をある範囲で可変することが求められる。水晶発振器の発振周波数を可変するために、水晶振動子の負荷容量として、可変容量素子を用いることが一般に行われている。可変容量素子としては、その容量が、印加した直流電圧に従って変化するバリキャップ等が利用される。また、このような機能を備えた水晶発振器を、特に電圧制御水晶発振器と呼んでいる。
【０００４】
図１（ａ）は、従来の電圧制御水晶発振回路の構成の一例を示しており、図１（ｂ）は水晶振動子の２端子等価回路を示している。図１（ａ）において、１は水晶振動子、２は反転増幅器、３は発振回路の入力端子、４は発振回路の出力端子、５はバッファ増幅器、６及び７は制御電圧印加端子、Ｒは抵抗、Ｃｖ  は可変容量素子、Ｃｃｕｔ  は直流カット用容量素子、Ｃｐ１、Ｃｐ２は考えられる寄生容量をそれぞれ示している。なおこの回路が実際に動作するためには、発振回路の入力端子３に適切なバイアス電圧が印可されていることが必要であるが、本図においては、このバイアス電圧を印加する手段が、反転増幅器２に含まれているものとする。また図１（ｂ）においてＣ０  、Ｌ１  、Ｃ１及びＲ１  は水晶振動子の等価回路定数であり、Ｃ０  は等価並列容量、Ｌ１  は等価直列インダクタンス、Ｃ１  は等価直列容量、Ｒ１  は等価直列抵抗をそれぞれ示している。
【０００５】
図２は、図１（ａ）に示す電圧制御水晶発振回路をＩＣ化した場合における、集積化された負荷容量部分（片側）の断面図である。図２において、１０はシリコン基板、１１〜１４は基板上に集積化された可変容量素子であるバリキャップである。また、１１は低濃度拡散層であるｐ−ウエル、１２は高濃度拡散層であるｐ＋領域、１３は高濃度拡散層であるｎ＋領域、１４は空乏層である。ここで、高濃度拡散層１２は、アース電位となっている。また、１５は基板表面に形成されたフィールド酸化膜、１６〜１８はフィールド酸化膜１５の上に集積化され、２層のポリシリコン層を有する直流カット用容量素子である。ここで、１６、１７は電極膜であるポリシリコン膜、１８は絶縁層である。また、１９はメタル配線であり、直流カット用容量素子と可変容量素子とを直列に接続すると共に、抵抗Ｒ（図１（ａ））とも接続している。なお、制御電圧は、抵抗Ｒ（図１（ａ））及びメタル配線１９を介して、可変容量素子１１〜１４に印加される。この制御電圧の大きさにより空乏層１４の深さが変化し、可変容量素子の容量値（ｎ＋  領域とｐ−  領域間の容量）が変化させられる。なお、直流カット容量素子の上側電極１７は、メタル配線（不図示）によって、入力端子３（図１（ａ））又は出力端子４（図１（ａ））と接続されている。また、破線２０は、後述する逆接続の場合のメタル配線である。逆接続の場合には、メタル配線１９に変わって、破線２０のメタル配線がなされる。また、逆接続の場合には、メタル配線（不図示）によって、直流カット容量素子の下側電極１６が、入力端子３（図１（ａ））又は出力端子４（図１（ａ））と接続される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電圧制御水晶発振器は、出力信号の安定性を確保しながら、ユーザーの要求する範囲で、周波数を可変させる必要がある。ユーザーの要求する周波数可変幅は、用途によって異なる。したがって、電圧制御水晶発振器が、幅広い用途で共通に使われるためには、周波数可変幅は極力大きいほうが望ましい。
【０００７】
周波数可変幅は、負荷容量の容量変化幅と強い正の相関がある。したがって、負荷容量の容量変化幅を極力大きくすることが、周波数可変幅を大きくするための最も大切な条件となる。そこで、直流カット用容量素子と可変容量素子との関係に注目する。電圧制御水晶発振器の負荷容量値は、直列接続されている直流カット用容量素子及び可変容量素子を合算した容量値となる。したがって、可変容量素子の容量の変化を、負荷容量の変化として最大限に活用するためには、固定値である直流カット用容量素子の容量値ができるだけ大きい方が良い。
【０００８】
水晶発振回路が集積化される以前では、負荷容量となる電圧可変容量素子及び直流カット用コンデンサは、ディスクリートな単体素子を用いていた。また、それら各素子の値は、他の素子に関係なく自由に選択することができた。したがって、上述の考えに基づいて、直流カット用コンデンサの容量値Ｃｃｕｔは、可変容量素子の最大容量値Ｃｖｍａｘに対して十分大きく、通常１０倍以上の値が選択されていた。そして最近、水晶発振回路の集積化が試みられるようになっても、上述の考えが疑いを持たれずに踏襲されて、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値として、やはり１０倍以上が回路設計上採用されて来た。しかし本発明者は、この従来の考え方に疑いを抱き、水晶発振器の改良の余地を探索するに至った。
【０００９】
本発明の目的は、集積化された水晶発振回路を用いて構成した水晶発振器において、可変容量素子の容量値の可変幅に対する発振周波数の可変幅を、従来よりも改善することができる発振回路の回路的な条件を提示することである。より詳細には、本発明の目的は、発振周波数の可変幅を大きくすることができるＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値の範囲、更には発振周波数の可変幅を大きくするための効果的な回路条件を提示することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の電圧制御水晶発振器は次の特徴を備える。
（１）水晶振動子、増幅器、負荷容量を有する電圧制御水晶発振器であって、負荷容量は半導体基板上に集積化された電圧制御可変容量素子及び電圧制御可変容量素子に直列接続された直流カット用容量素子を含み、電圧制御可変容量素子の最大容量値Ｃｖｍａｘと直流カット用容量素子の容量値Ｃｃｕｔとの比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値が、０．５以上且つ１０より小さいこと。
【００１１】
さらに、本発明の電圧制御水晶発振器は、以下の特徴を備えることが好ましい。
（２）比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値を、０．５以上且つ４以下の範囲としたこと。
（３）比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値を、０．７以上且つ１．８以下の範囲としたこと。
（４）電圧制御可変容量素子の最大容量値Ｃｖｍａｘを、１５ｐＦ以上且つ５０ｐＦ以下の範囲としたこと。
（５）電圧制御可変容量素子は、増幅器の入力側及び出力側の両側に設けられていること。
【００１２】
【発明の実施の形態】
集積化された直流カット用容量素子の電極膜（図２のポリシリコン膜１６）は、半導体基板に対して必ず寄生容量（浮遊容量）Ｃｐ２を持ち、その値は電極膜の占有面積にほぼ比例する。そこで、本発明者は、直流カット用容量素子の容量値が大きくなるように設計すると、大きな固定容量である寄生容量Ｃｐ２が可変容量素子Ｃｖ  に並列に形成されてしまい、却って可変容量素子の周波数変化効果を減殺するであろうと考えた。さらに、負荷容量が大きくなるほど、負荷容量の変化量に対する周波数の変化量（容量可変量の周波数への効き方）が小さくなる現象がある。したがって、集積化する場合には、直流カット用容量素子の大きさを従来例よりも小さくして、寄生容量の発生を抑えると、周波数変化効果が大となるという優れた効果が発揮されると推測できる。
【００１３】
そこで、まず発振周波数の変化を表す数式を明確に把握した。次に、発振周波数の変化を表す数式に基づいて、発振回路の種々の回路定数を変化させながら、シミュレーションを行った。シミュレーションでは、発振周波数の可変幅を数値計算により求めた。以下にまず使用した数式を掲げる。なお、本発明の実施の形態において、集積化された直流カット用容量素子と電圧制御可変容量素子の構造は図２に示したものを用い、発振回路は図１に示したものを用いた。
【００１４】
電圧制御水晶発振器における発振周波数の変化は式（１）によって、また負荷容量の値は式（２）によって表される。
Δｆ／ｆＳ  ＝１＋Ｃ０  ／〔２γ（Ｃ０  ＋ＣＬ  ）〕
……………（１）
２ＣＬ  ＝Ｃｐ１  ＋Ｃｃｕｔ  ×（ＣＶ  ＋Ｃｐ２）／（Ｃｃｕｔ  ＋ＣＶ＋Ｃｐ２）……（２）
ただし  ｆＳ  は水晶振動子の直列共振周波数、ＣＬ  は負荷容量、Δｆ／ｆＳ
は周波数変化率を表す。
【００１５】
シミュレーションでは、標準的と考えられる回路定数を標準値として設定し、各定数の１つを標準値の前後に変化させて、式（２）及び式（１）に基づき負荷容量及び周波数変化率Δｆ／ｆｓ  を計算した。また、横軸にＣｃｕｔ  ／Ｃｖの比の値を１〜１２の範囲で示し、縦軸には周波数可変幅（Ｃｖｍａｘの場合のΔｆ／ｆｓと、Ｃminiの場合のΔｆ／ｆｓとの差）をｐｐｍ単位で表してグラフ化した。また他の変化させた回路定数はパラメータとした。
【００１６】
なお図１（ａ）の発振回路は入力側と出力側の双方にＣｖ  とＣｃｕｔ  を持っている。以下のシミュレーションでは、特に回路の非対称性を検討した図１１と図１２を除き、両側（入力側及び出力側）の負荷容量が同じ構造と特性を持ち、両側の可変容量はフルに変化させるものとした。なお、各定数が、Ｃｖｍａｘ＝３０ｐＦ、Ｃｖｍｉｎ＝３ｐＦ、Ｃｐ１＝３ｐＦ、Ｃｐ２＝Ｃｃｕｔ  の７％、Ｃ０  ＝３ｐＦ及びγ（Ｃ０/Ｃ１）＝２８０の場合を標準条件とした。
【００１７】
以下にシミュレーションの結果を図示する。なお個々の計算を記述することは省略する。各図の曲線のうちの少なくとも１本は、上記標準条件の曲線となっている。
【００１８】
図３は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、可変容量素子の最大容量値Ｃｖｍａｘをパラメータとして表したグラフである。図３では、可変容量素子の最大容量値Ｃｖｍａｘを５種類に変化させている。なお最小容量値Ｃｖｍｉｎは、それぞれのＣｖｍａｘの１０％に設定した。また各曲線のピークを点線で結んでその位置の変化も示している。以下の各図についても同じである。
【００１９】
図３に示すように、どの曲線においても、Ｃｖｍａｘが変化しても曲線の形は大きくは変化しない。また、どの曲線においても、従来用いられていたＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが１０以上では、周波数可変幅はごく小さな値である。そして、各曲線の周波数可変幅のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが０．８〜１．６の範囲であって、これは従来予想もしていなかったような小さな値の範囲である。
【００２０】
図４は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、図３と同様に可変容量素子の最大容量値Ｃｖｍａｘをパラメータとして表したグラフである。ただし、Ｃｖｍｉｎは３ｐＦの一定値としている。図４に示すように、どの曲線においても、Ｃｖｍａｘが変化しても曲線の形は大きくは変化しない。また、各曲線の周波数可変幅のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが０．７〜１．７の範囲で現れている。本図で特徴的なのは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値が増えるにつれＣｖｍａｘの値の大きいものと小さいものとの間で周波数可変幅の値に逆転が起ることである。このことは周波数可変幅に対して寄生容量Ｃｐ２の影響がいかに大きいかを物語る良い例である。
【００２１】
図５は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、可変容量素子の最小容量値Ｃｖｍｉｎをパラメータとして表したグラフである。ただし、Ｃｖｍａｘは、３０ｐＦの一定値とし、Ｃｖｍｉｎを２〜５ｐＦの範囲で変化させている。図５において、各曲線はよく揃った形をしており、横軸上のピーク位置の移動も少ない。また、各曲線の周波数可変幅のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが１．１〜１．４の範囲で現れている。
【００２２】
図６は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、寄生容量Ｃｐ１をパラメータとして表したグラフである。ただし、寄生容量Ｃｐ１は２〜５ｐＦの間で変化させている。寄生容量Ｃｐ１は、増幅器のゲート容量、水晶振動子の接続パッドや配線の浮遊容量等を合算したものであり、Ｃｃｕｔ  とＣｖ  の直列容量をバイパスするので、周波数可変幅を減殺するように働く。また、各曲線の周波数可変幅のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが１．１〜１．４の範囲で現れている。
【００２３】
図７は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、寄生容量Ｃｐ２をパラメータとして表したグラフである。ただし、寄生容量Ｃｐ２は、直流カット用容量Ｃｃｕｔ  の５％〜９％の範囲で変化させている。寄生容量Ｃｐ２は、図２に示す如く、Ｃｃｕｔの電極とシリコン基板１０との間の容量が主体である。したがって、ＩＣの断面構造が同じならＣｃｕｔの電極面積に比例する。また、Ｃｐ２はＣｖを直接バイパスするので曲線の形への影響が大きい。各曲線の周波数可変幅のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが１．０〜１．３の範囲で現れている。Ｃｐ２の影響は、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値の大きいところ（即ちＣｃｕｔが大きい場合）ほど大きく現れる。即ち、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値の大きいところでは、周波数可変幅の絶対値の減殺効果が特に大きく、従来例の範囲（Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値が１０以上）では実は極めて大きな負の影響があったことがわかる。
【００２４】
図８は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、γをパラメータとして表したグラフである。γは、水晶振動子の等価直列容量Ｃ１に対する並列容量Ｃ０の比である。各曲線の形は、他の図における曲線の形と良く似ている。また、各曲線の周波数可変幅のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが１．１７で、γに対して（本例ではＣ０が一定なので、実はＣ１の変化に対して）不変である。
【００２５】
図９は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、並列容量Ｃ０をパラメータとして表したグラフである。各曲線の形は、他の図における曲線の形と良く似ている。各曲線の形状もピーク位置も他の図とよく似ている。各曲線の周波数可変幅のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘが０．９〜１．３の範囲で現れている。
【００２６】
図１０は、周波数可変幅（ｐｐｍ）とＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘとの関係を、Ｃｐ３をパラメータとして表したグラフである。ただし、Ｃｐ３は、１ｐＦの場合と、０ｐＦの場合の２通りのみを示している。Ｃｐ３は、図１（ａ）のＣｐ２と同じ位置に並列に追加される固定的な（即ちＣｃｕｔ  に比例しない）寄生容量であると定義され、主体はＣｃｕｔ−Ｃｖ−Ｒ間の配線に生ずる僅かな浮遊容量である。Ｃｐ３を考えた場合には、周波数可変幅は無論低減するが、その低減幅はわずかであり曲線の形には大きな影響を与えない。
【００２７】
図１１は、発振回路の入力側及び出力側に設けた可変容量素子の最大容量値を異ならせた場合を、標準条件（両側の可変容量素子のＣｖｍａｘを両方とも３０ｐＦとした場合）と比較したグラフである。そのとき、一方のＣｖｍａｘ＝４０ｐＦ、他方のＣｖｍａｘ＝２０ｐＦとした。結果的に、入出力側が非対称であると、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘ＝２．７付近を境にして、曲線の上下が入れ替わるが、曲線の形状の差はほとんど認められない。
【００２８】
図１２は、可変容量素子を発振回路の入力側又は出力側の一方だけに設け、他方を固定容量素子とした場合を、標準条件（両側に可変容量素子を設けた場合）と比較したグラフである。一方の可変容量素子は標準条件と同一、他方の固定容量素子は１０ｐＦとした。片側のみに可変容量素子を設けた場合には、周波数可変幅の絶対値は半減する。しかしながら、片側のみに可変容量素子を設けた場合の曲線の形状、及び曲線のピークの位置は、両側に可変容量素子を設けたの場合と類似している。ここでは、比較のために片側にのみ可変容量素子を設けた場合についてシミュレーションを行った。しかしながら、１チップに集積化して発振器を作成する場合には、片側にのみ可変容量素子を設けても、部品点数が削減されるわけではない。したがって、周波数可変幅の狭い片側にのみ可変容量素子を設けた回路構成が用いられることは、実際にはほとんどないと思われる。
【００２９】
図１３は、逆接続の場合と、標準条件の場合とを比較したグラフである。逆接続とは、メタル配線１９（図２参照）の代わりに、メタル配線２０（図２に破線で示す）で、ポリシリコン膜１７を接続した場合を言う。また、他の回路素子は、標準値を用いている。さらに、本例におけるＣＬ  は、（２）式に代わり、以下の（３）式で表される。なお、標準条件（順接続）とは、メタル配線１９で、ポリシリコン膜１６を接続した場合を言う。図１３に示すように、両曲線はほとんど重なってしまい（逆接続場合の曲線が、ほんの少しだけ下側に位置している）実質的な差は無かった。このことは有効なＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘ比が発振回路ＩＣの構造にあまり影響されないことを示す事例となっている。
２ＣＬ  ＝（ＣＶ  ×Ｃｏｕｔ  ）／（ＣＶ  ＋Ｃｏｕｔ  ）＋Ｃｐ１＋Ｃｐ２  ………（３）
【００３０】
シミュレーションの結果をごく概観的に述べる。
（１）各曲線の形状は、周波数変化幅について差異はあるが、互いに類似しており、特異な形状は現れない。
（２）Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値が、従来用いられていた１０以上よりもかなり小さい値の場合に（ただしＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値がほぼ０．３より小さい場合を除く）、周波数可変幅は従来よりも著しく改善される。
（３）各曲線の周波数可変幅のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値がほぼ０．７〜１．８の範囲に現れる。
【００３１】
基準周波数の合わせ込み偏差及び温度による周波数偏差等の一般的な条件を全て考慮に入れた場合、水晶発振器の周波数安定度の業界標準は、±５０ｐｐｍである。したがって、特別な場合を除いて、電圧可変水晶発振器は、最低でも１００ｐｐｍ以上の周波数可変幅を確保しなくてはならない。このことを念頭においてシミュレーション結果を考察すると、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値が０．２以上且つ１０より小さければ上記最低条件を満たすことがわかる。
【００３２】
ただしこの範囲であっても比の値が極端に小さい部分は実際の製品には適さない。なぜならば実際の製品における容量値には一定量のバラツキを見込む必要があり、このバラツキに対して比の値が極端に小さい部分の可変量の変化があまりに急峻だからである。このことを考慮に入れるとＣcut／Ｃvmaxの比の値は可変幅の変化量があまり急峻でない０．５以上が適当である。
【００３３】
上記した発振器自身の安定度を確保した上で、どのくらいの周波数可変幅が必要かは各アプリケーションによって異なるが、周波数可変幅が±１００ｐｐｍ以上であれば、現存するほとんどのアプリケーションに適応が可能であると考えられる。したがって、±１００ｐｐｍ以上の周波数可変幅が、電圧制御発振器における一つの標準値となっている。各グラフにおいて、２００ｐｐｍ以上の周波数可変幅が確保できるＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値は、０．４〜４．０の範囲であることが理解できる。ただし下限値としては前述したのと同様の理由で０．５以上が適当である。
【００３４】
さらにＣｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値を、各グラフにおける曲線のピーク値付近に設定した場合には２５０ｐｐｍを超える周波数可変幅を得ることが可能である。各グラフにおける曲線のピークは、Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値が０．７〜１．８の範囲にすべて現れていることがわかる。またどのグラフにおいても上記比の範囲内では２５０ｐｐｍ以上の周波数可変幅が確保できており、広い周波数可変幅を得るための最適の条件であることが理解できる。
【００３５】
従来、こうした広い周波数可変幅をもった電圧制御水晶発振器は、ディスクリート部品によってのみ構成することができたため、外形が大きく、また特殊な部品や回路構成を用いるため高価であった。しかながら、本発明によれば、小型且つ低価格で、広い周波数可変幅をもった電圧制御発振器を提供することが可能になる。
【００３６】
今回のシュミレーションにおいては、各パラメータの値は標準的に得られると思われる範囲のものを用いているため、実際に集積回路を設計・製造するにあたってＣcut／Ｃvmaxの値として上述した範囲のものを選択することは、広い周波数可変幅を得るためにきわめて有効であるといえる。
【００３７】
各パラメータに対し今回選択した範囲外の数値を入力した場合には、周波数可変幅やＣcut／Ｃvmaxの比のピーク値が上述したものとは異なってくることも考えられるが、今回のシュミレーションにおいて各図における曲線の形が非常に似通っており、特異的なカーブが存在しないことを考えれば、そのような場合でも上述したＣcut／Ｃvmaxの値の範囲を選択することが広い周波数可変幅を確保するために有効であることは変わりがない。
【００３８】
また今回のシュミレーションにおいては、説明が複雑になることを避けるため、すべて単一のパラメータの値だけを変化させている。複数のパラメータを標準値から変化させた場合には、周波数可変幅やＣcut／Ｃvmaxの比のピーク値が上述したものとは異なってくることも考えられるが、今回のシュミレーションにおいて各図における曲線の形が非常に似通っており、特異的なカーブが存在しないことを考えれば、そのような場合でも上述したＣcut／Ｃvmaxの値の範囲を選択することが広い周波数可変幅を確保するために有効であることは変わりがない。
【００３９】
図３のグラフのパラメータ（Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘを固定したときのＣｖｍａｘの値）は、可変容量素子と直流カット容量素子の面積だけで調節できるため、他のパラメータと異なり、任意の値を取ることが可能である。しかしながら、図３で示した範囲以外の値（図示せず）では、ピーク値においても大きな周波数可変幅を得ることができないため、Ｃｖｍａｘの値は、図３に示した１５ｐＦ〜５０ｐＦの範囲が望ましい。
【００４０】
なお図１（ａ）の回路を基本として、条件を様々に振った実際の集積回路（テストチップ）を作り、周波数可変幅を測定したところ、上記したシミュレーションと非常に良く一致する結果が得られた。
【００４１】
図２と異なった、可変容量素子の他の構造例を図１４に示す。なお、図１４では、可変容量素子部分のＩＣ構造の断面図を示している。図１４では、可変容量素子はバリキャップであるが、シリコン基板１０をｐ基板としたためウエルがなくなっている。
【００４２】
可変容量素子の更に他の構造例を図１５に示す。図１５において、可変容量素子は、バリキャップではなく、ＭＯＳ−Ｃと呼ばれる素子であって、ＭＯＳトランジスタのゲート容量を可変容量として利用したものである。図１５において、２１は酸化膜、２２は電極膜である。図１５は、ｎ基板を採用しているが、ｐ基板でも構成することができる。
【００４３】
なお、図１４及び図１５に示す例でも、直流カット用容量素子は必要であり、それには寄生容量が伴う。したがって、図１４及び図１５に示す例にも、本発明が適用可能であることは明確である。
【００４４】
以上本発明の実施の形態について述べたが、本発明における回路定数及び水晶振動子の等価回路定数の標準値は、例示したものに限定されるものではない。また、対象となる回路の構成や集積回路の構造も、必ずしも図１、図２に示したものに限定されるものではない。例えば、各種のカット、振動姿態、又は２端子以上の端子を有する水晶振動子があり、それらに対応した最適な発振回路が存在する。本発明は、負荷容量の電圧変化によって発振周波数を制御する構成の発振回路に対して基本的に適用可能である。さらに、水晶以外の圧電材よりなる振動子も、図１（ｂ）に示すような等価回路で表すことができるので、本発明の水晶振動子と置換することが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
（１）本発明の電圧制御水晶発振器では、集積化された直流カット用容量素子の容量値を従来よりも小さい値とすることにより、従来よりも広い周波数可変幅を得ることができた。したがって、本発明の電圧制御水晶発振器は、より多くのアプリケーションに対して使用することが可能となった。さらに、本発明の電圧制御水晶発振器は、直流カット用容量素子の集積回路上での占有面積を小さく抑えることができるので、水晶振動子を含む水晶発振器を製造する上及び組立調整する上で極めて大きい利点を有する。
【００４６】
本発明の電圧制御水晶発振器では、（２）Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値を０．５〜４の範囲とすることにより、条件が悪い場合でも、２００ｐｐｍを超える周波数可変幅を得ることが可能になる。また、（３）Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘの値を０．７〜１．８の範囲とすることにより、周波数可変幅のピーク値又はピーク値に近い値が確実に得られ、設計上最大の周波数可変幅を得ることができる。さらに、（４）Ｃｖｍａｘを１５〜５０ｐＦの範囲とすることにより、大きな周波数可変幅を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態においても用いられる水晶発振回路の一例を示し、（ｂ）は水晶振動子の２端子等価回路を示している。
【図２】本発明の実施形態においても用いられる集積化した水晶発振回路における負荷容量部分の断面図の一例を示す。
【図３】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、可変容量素子の大きさをパラメータとし、可変容量の最大値Ｃｍａｘと最小値Ｃｍｉｎの比を一定としたものである。
【図４】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘ比に対する水晶発振回路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、可変容量素子の大きさをパラメータとし、可変容量の最小値Ｃｍｉｎを一定としたものである。
【図５】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、可変容量の最小値Ｃｍｉｎ  の大きさをパラメータとしたものである。
【図６】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、寄生容量Ｃｐ１の大きさをパラメータとしたものである。
【図７】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、寄生容量Ｃｐ２の大きさをパラメータとしたものである。
【図８】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、水晶振動子の等価直列容量に対する並列容量の比γの大きさをパラメータとしたものである。
【図９】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、水晶振動子の並列容量Ｃ０  の大きさをパラメータとしたものである。
【図１０】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、配線に起因する固定的な寄生容量Ｃｐ３の有無を比較したものである。
【図１１】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、発振回路の入出力側の可変容量の大きさが異なる場合を示したものである。
【図１２】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、可変容量素子を発振回路の入出力側の一方のみに設けた場合と双方に設けた場合とを比較したものである。
【図１３】比Ｃｃｕｔ／Ｃｖｍａｘに対する水晶発振回路の周波数可変幅の変化を表すグラフで、可変容量素子を直流カット用容量素子の異なる電極側に接続した場合を比較したものである。
【図１４】本発明の実施の形態の一例においても用い得る、集積化した水晶発振回路における負荷容量部分の他の例の断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態の一例においても用い得る、集積化した水晶発振回路における負荷容量部分の更に他の例の断面図である。
【符号の説明】
１  水晶振動子
２  増幅器
３  入力端子
４  出力端子
５  バッファ増幅器
６、７  制御電圧印加端子
Ｒ  入力抵抗
Ｃv   可変容量素子
Ｃcut   直流カット用容量素子
Ｃp1、Ｃp2  寄生容量
Ｃ0 、Ｌ1 、Ｃ1 、Ｒ1   水晶振動子の等価回路定数
Ｃ0   並列容量
Ｌ1   等価直列インダクタンス
Ｃ1   等価直列容量
Ｒ1   等価直列抵抗
１０  シリコン基板
１１、１２、１３、１４  可変容量素子
１１  ｐ- ウエル
１２  ｐ+ 領域
１３  ｎ+ 領域
１４  空乏層
１５  フィールド酸化膜
１６、１７、１８  直流カット用容量素子
１６、１７  ポリシリコン膜
１８  絶縁層
１９  メタル配線
２１  酸化膜
２２  電極膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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