(57)【要約】【課題】  ＭＥＭＳ共振器を用いた発振器において、ＴＩＡの雑音の影響を低減し、発振器出力の位相雑音特性を改善することができる発振器を提供する。【解決手段】  ＭＥＭＳ共振器７と、ＴＩＡ５と、バッファアンプ９とを備えた発振器において、ＭＥＭＳ共振器７の出力をＴＩＡ５に入力する配線１５に、電磁誘導により結合して、当該配線１５を流れる電流を電圧に変換してバッファアンプ９に出力する電流／電圧変換器を備え、発振器出力を電流／電圧変換器から取り出すようにした発振器であり、また、当該電流／電圧変換器を、配線１５を非接触に取り囲むように形成され、一端が接地され他端がバッファアンプ９に接続する発振出力コイル１１とした発振器である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された共振器と、発振用の増幅素子と、発振器出力を取り出すバッファアンプとを備えた発振器であって、
前記共振器の出力を前記増幅素子に入力する入力配線に、電磁誘導によって結合し、前記入力配線を流れる電流を電圧に変換して前記バッファアンプに出力する電流／電圧変換手段を備えたことを特徴とする発振器。
【請求項２】
電流／電圧変換手段が、入力配線の周囲に、前記入力配線を非接触に囲むように形成され、一端が接地され他端が前記バッファアンプに接続されたコイルであることを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項３】
電流／電圧変換手段が、入力配線と略平行に隣接して配置され、一端が接地され他端が前記バッファアンプに接続されたマイクロストリップラインであることを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項４】
電流／電圧変換手段が、入力配線上に設けられた第１のコイルと、前記第１のコイルに対向して設けられ、一端が接地され他端が前記バッファアンプに接続された第２のコイルとで構成されるトランスであることを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項５】
第１のコイルと第２のコイルとが、前記基板に対して水平方向に並列して配置されていることを特徴とする請求項４記載の発振器。
【請求項６】
第１のコイルと第２のコイルとが、絶縁層を介して前記基板に対して垂直方向に重なって配置されていることを特徴とする請求項４記載の発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振器に係り、特に位相雑音特性を改善することができる発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
［先行技術の説明］
従来の発振器としては、等価直列抵抗が比較的大きい（例えば、５００Ω以上）共振器を利用したものがあった。特に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）発振器には、発振用増幅素子として、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ：Transimpedance Amplifier）を用いたものがある。
【０００３】
従来の発振器について図７を用いて説明する。図７は、従来のＭＥＭＳ共振器を用いた発振器の例を示す回路図である。
図７に示すように、従来の発振器は、ＭＥＭＳ共振器７と、ＴＩＡ５と、バッファアンプ９とを備えている。
ＴＩＡ５は、発振用増幅素子であり、オペアンプ６と、負帰還抵抗８とから構成されている。また、共振器７には、共振器用バイアス１０が印加されている。そして、ＴＩＡ５の出力をバッファアンプ９を介して発振出力として取り出すようになっている。
発振出力をＴＩＡ出力から取り出すのは、ＴＩＡが、電流入力／電圧出力の素子であり、電圧で発振振幅を取り出す方が容易だからである。
【０００４】
［ＭＥＭＳ共振器の構成：図８］
次に、従来のＭＥＭＳ共振器の構成について図８を用いて説明する。図８は、従来のディスク型ＭＥＭＳ共振器の断面説明図である。
従来のディスク型ＭＥＭＳ共振器としては、ディスク状の共振子（以下、ディスク２３）を２点で支持し、ディスク２３の周囲に４個の電極２４を配置したものがある。ディスク２３と電極２４との間には、ギャップ２５が設けられ、静電振動によりディスクが直径方向に伸び縮みする。
【０００５】
図８に示すように、従来のＭＥＭＳ共振器は、シリコン（Ｓｉ）２０上に酸化膜（ＳｉＯ2）２１が形成されたＳＯＩ基板上に、窒化ケイ素（シリコンナイトライド）膜２２が積層され、その上に多結晶シリコン（ポリシリコン）から成るディスク２３、電極２４及び配線２６が形成されたものである。ディスク２３及び電極２４の間には、酸化膜の犠牲層エッチングによってギャップ２５が形成されている。
【０００６】
［ＴＩＡの位相雑音］
ところで、従来の発振器では、ＴＩＡ出力から発振器出力を取り出していたため、ＴＩＡのレベルの高いフロア雑音が、発振器の位相雑音に加算され、発振器出力の位相雑音のノイズフロアを劣化させていた。
例えば、従来のＭＥＭＳ共振器を用いた発振器での位相雑音ノイズフロア（６０MHz、１００kHzオフセット）は、−１３０ｄＢｃ／Ｈｚ程度であり、同様の周波数のＴＣＸＯ（Temperature Compensated Crystal Oscillator：温度補償型水晶発振器）と比較して、約２０ｄＢ悪く、適用できるアプリケーションが限定され、大きな制約が発生してしまう。
【０００７】
［関連技術］
尚、共振器に関連する技術としては、特開２００５−１８４８５１号公報（出願人：三星電子株式会社、特許文献１）、特開２００６−３１１４２３号公報（出願人：富士通コンポーネント株式会社、特許文献２）、実開平０５−０６７０４２号公報（出願人：株式会社ジャルコ、特許文献３）がある。
特許文献１には、デュプレクサにおいて、送信端フィルタと受信端フィルタとの間のアイソレーション部に、コイル状のインダクタを設けることが記載されている。
特許文献２には、ＭＥＭＳ共振器において、コイル状の電極を設けることが記載されている。
特許文献３には、高周波回路において、配線をコイル状に巻いた構成が記載されている。
【０００８】
また、後述する非特許文献１には、ＭＥＭＳ共振器を用いた発振器の構成や、特性について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１８４８５１号公報
【特許文献２】特開２００６−３１１４２３号公報
【特許文献３】実開平０５−０６７０４２号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Yu-Wei Lin et al.: "60-MHz Wine-Glass Micromechanical-Disk Reference Oscillator", 2004 IEEE International Solid-State Circuit Conference, Session 17, MEMS AND SENSORS, 17.7
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来のＭＥＭＳ共振器を用いた発振器は、レベルの高いフロア雑音が含まれるＴＩＡ出力から発振出力を取り出していたため、発振器出力の位相雑音のノイズフロアが劣化してしまうという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、位相雑音特性を改善することができる発振器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】
【００１３】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、基板上に形成された共振器と、発振用の増幅素子と、発振器出力を取り出すバッファアンプとを備えた発振器であって、共振器の出力を増幅素子に入力する入力配線に、電磁誘導によって結合し、入力配線を流れる電流を電圧に変換してバッファアンプに出力する電流／電圧変換手段を備えたことを特徴としている。
【００１４】
また、本発明は、上記発振器において、電流／電圧変換手段が、入力配線の周囲に、入力配線を非接触に囲むように形成され、一端が接地され他端がバッファアンプに接続されたコイルであることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明は、上記発振器において、電流／電圧変換手段が、入力配線と略平行に隣接して配置され、一端が接地され他端が前記バッファアンプに接続されたマイクロストリップラインであることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明は、上記発振器において、電流／電圧変換手段が、入力配線上に設けられた第１のコイルと、第１のコイルに対向して設けられ、一端が接地され他端がバッファアンプに接続された第２のコイルとで構成されるトランスであることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明は、上記発振器において、第１のコイルと第２のコイルとが、基板に対して水平方向に並列して配置されていることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明は、上記発振器において、第１のコイルと第２のコイルとが、絶縁層を介して基板に対して垂直方向に重なって配置されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、基板上に形成された共振器と、発振用の増幅素子と、発振器出力を取り出すバッファアンプとを備えた発振器であって、共振器の出力を増幅素子に入力する入力配線に、電磁誘導によって結合し、入力配線を流れる電流を電圧に変換してバッファアンプに出力する電流／電圧変換手段を備えた発振器としているので、発振用増幅素子の出力側からではなく、電流／電圧変換手段を介してバッファアンプから発振器出力を取り出すため、発振用増幅素子で発生する雑音が共振器で阻止されるので、雑音の影響を低減でき、発振器出力の位相雑音特性を向上させることができる効果がある。
【００２０】
また、本発明によれば、上記発振器において、電流／電圧変換手段が、入力配線の周囲に、入力配線を非接触に囲むように形成され、一端が接地され他端がバッファアンプに接続されたコイルである上記発振器としているので、発振用増幅素子の出力側からではなく、コイルを介してバッファアンプから発振器出力を取り出すため、発振用増幅素子で発生する雑音が共振器で阻止されるので、雑音の影響を低減でき、発振器出力の位相雑音特性を向上させることができる効果がある。
【００２１】
また、本発明によれば、電流／電圧変換手段が、入力配線と略平行に隣接して配置され、一端が接地され他端が前記バッファアンプに接続されたマイクロストリップラインである上記発振器としているので、発振周波数が高くなっても容量が発生しにくく、高周波に対応可能として、高周波の発振器出力の位相雑音特性向上させることができる効果がある。
【００２２】
また、本発明によれば、電流／電圧変換手段が、入力配線上に設けられた第１のコイルと、第１のコイルに対向して設けられ、一端が接地され他端がバッファアンプに接続された第２のコイルとで構成されるトランスである上記発振器としているので、コイルの製造工程における積層数を減らし、製造コストを低減することができる効果がある。
【００２３】
また、本発明によれば、第１のコイルと第２のコイルとが、基板に対して水平方向に並列して配置されている上記発振器としているので、コイルの製造工程における積層数を減らし、製造コストを低減することができる効果がある。
【００２４】
また、本発明によれば、第１のコイルと第２のコイルとが、絶縁層を介して基板に対して垂直方向に重なって配置されている上記発振器としているので、コイルの配置に必要な面積を低減し、発振器全体の小型化を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発振器の回路図である。
【図２】第１の発振器におけるＭＥＭＳ共振器の構成を示す模式説明図である。
【図３】第２のＭＥＭＳ共振器においてマイクロストリップラインを用いた構成を示す模式説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る発振器の回路図である。
【図５】第２の発振器におけるＭＥＭＳ共振器の構成を示す模式説明図である。
【図６】第２のＭＥＭＳ共振器の別のコイルの模式説明図である。
【図７】従来のＭＥＭＳ共振器を用いた発振器の例を示す回路図である。
【図８】従来のディスク型ＭＥＭＳ共振器の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る発振器は、ＭＥＭＳ共振器の出力をＴＩＡに入力する配線部に、当該配線部に電磁誘導で結合し、電流を電圧に変換する電流／電圧変換手段を備え、当該電流／電圧変換手段からバッファアンプを介して発振器出力を取り出すようにしているので、高いフロア雑音が含まれるＴＩＡの影響を低減し、発振器の位相雑音特性を向上させることができるものである。
【００２７】
また、本発明の実施の形態に係る発振器は、電流／電圧変換手段として、ＭＥＭＳ共振器の出力をＴＩＡに入力する配線に非接触に巻き付くよう、一端が接地され他端がバッファアンプに接続されたコイルを設け、当該コイルが電磁誘導によって配線と結合することにより、配線を流れる電流を電圧に変換してバッファアンプに供給し、当該コイルを介して発振器出力をバッファアンプから得るようにしており、ＴＩＡのフロア雑音の影響を低減し、発振器出力の位相雑音特性を向上させることができるものである。
【００２８】
また、本発明の実施の形態に係る発振器は、電流／電圧変換手段として、ＭＥＭＳ共振器とＴＩＡ入力とを接続する配線に隣接して、一端が接地され他端がバッファアンプに接続されたマイクロストリップラインを設け、当該マイクロストリップラインが配線と電磁誘導により結合することにより、マイクロストリップラインを介して発振器出力を得るようにしており、位相雑音特性を向上させ、高周波にも対応可能とすることができるものである。
【００２９】
また、本発明の実施の形態に係る発振器は、電流／電圧変換手段として、ＭＥＭＳ共振器とＴＩＡ入力とを接続する配線上に設けられた第１のコイルと、第１のコイルに対向し、一端が接地され、他端がバッファアンプに接続された第２のコイルを設けてトランスを構成し、第２のコイルを介して発振器出力をバッファアンプから得るようにしており、位相雑音を向上させることができるものである。
【００３０】
［第１の実施の形態：図１］
本発明の第１の実施の形態に係る発振器について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発振器の回路図である。
図１に示すように、第１の実施の形態に係る発振器（第１の発振器）は、ＴＩＡ５と、ＭＥＭＳ共振器７と、バッファアンプ９と、共振器用バイアス１０と、発振出力コイル１１とを備えている。また、ＴＩＡ５は、従来と同様に、オペアンプ６と、負帰還抵抗８とを備えている。
【００３１】
第１の発振器の特徴部分である発振出力コイル１１は、ＭＥＭＳ共振器７の出力をＴＩＡに入力する配線１５の周囲に非接触に巻き付くよう形成されており、一端が接地され、他端はバッファアンプ９に接続されている。尚、配線１５は、請求項における「入力配線」に相当している。
発振用出力コイル１１は、電磁誘導によって配線１５と結合して、配線１５に流れる電流を電圧に変換してバッファアンプ９に出力する電流／電圧変換手段である。
【００３２】
つまり、第１の発振器は、ＴＩＡ出力から発振器出力を取り出すのではなく、発振出力コイル１１から発振器出力を取り出すようにしているものである。
これにより、第１の発振器は、ＴＩＡのレベルの高いフロア雑音の影響を低減し、発振器出力の位相雑音特性を向上させることができるものである。
また、電磁誘導を利用することにより、発振ループへの負荷の影響を軽減でき、負荷変動を防ぐことができるものである。
【００３３】
［第１の発振器におけるＭＥＭＳ共振器の構成：図２］
次に、第１の発振器のＭＥＭＳ共振器の構成について図２を用いて説明する。図２は、第１の発振器におけるＭＥＭＳ共振器の構成を示す模式説明図である。
図２に示すように、第１の発振器のＭＥＭＳ共振器７（第１のＭＥＭＳ共振器）は、従来と同様のディスク型共振子の、ＴＩＡ入力側の配線１５の周囲に、配線１５に非接触に発振出力コイル１１を設けた構成である。
つまり、第１のＭＥＭＳ共振器７は、絶縁層の上に発振出力コイル１１の下側の部分が形成され、その上に絶縁層を介して配線１５が形成され、更にその上に絶縁層を介して発振出力コイル１１の上側の部分が形成され、配線１５を挟んでスルーホールにより発振出力コイル１１の上下が接続されてコイルを形成する多層構造となっている。
【００３４】
また、発振出力コイル１１は、発振器周波数が高くなると容量が発生してコイルとして機能しなくなる。そのため、周波数が高い場合には発振出力コイル１１の巻き数を減らして調整する。通常は、使用する発振器周波数に応じて最適な特性となる巻き数に設定する。
【００３５】
［第１の実施の形態の効果］
本発明の第１の実施の形態に係る発振器によれば、ＭＥＭＳ共振器７と、ＴＩＡ５と、バッファアンプ９とを備えた発振器において、ＭＥＭＳ共振器７とＴＩＡ入力側とを接続する配線１５の周囲に、当該配線１５を非接触に取り囲むように形成され、一端が接地され他端がバッファアンプ９に接続する発振出力コイル１１を備え、発振出力コイル１１が電磁誘導により配線１５に結合して、電流を電圧に変換してバッファアンプ９に供給するようにしているので、発振器出力をＴＩＡ出力側からではなく、発振出力コイル１１から取り出すことができ、ＴＩＡのフロア雑音の影響を低減し、発振器出力の位相雑音特性を向上させることができる効果がある。
【００３６】
［第２の実施の形態：図４］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る発振器について図４を用いて説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態に係る発振器の回路図である。
図４に示すように、第２の実施の形態に係る発振器（第２の発振器）は、基本的には第１の発振器と同様のＴＩＡ５と、ＭＥＭＳ共振器７と、バッファアンプ９とから構成され、第２の発振器の特徴部分として、ＭＥＭＳ共振器７の出力をＴＩＡ５に入力する入力配線上にコイル（ＴＩＡ入力側コイル）１２を形成しており、更に、ＴＩＡ入力側コイル１２に対向して、一端が接地され他端がバッファアンプ９に接続された発振出力側コイル１３を備えた構成である。
【００３７】
つまり、第２の発振器では、ＴＩＡ入力側コイル１２と発振出力側コイル１３とでトランスを構成して、ＴＩＡ入力側コイル１２に流れる電流を発振出力側コイル１３で巻き数の比に応じた電圧に変換してバッファアンプ９に出力するものである。ＴＩＡ入力側コイル１２と発振出力側コイル１３とで構成されるトランスが電流／電圧変換手段となる。ＴＩＡ入力側コイル１２は請求項に記載した第１のコイルに相当し、発振出力側コイル１３は第２のコイルに相当している。
【００３８】
これにより、第２の発振器では、発振器出力をＴＩＡ出力側ではなく、発振出力側コイル１３を介して取り出すことができ、ＴＩＡ５のフロア雑音の影響を低減して、発振器出力の位相雑音特性を向上させることができるものである。
【００３９】
［第２の発振器におけるＭＥＭＳ共振器の構成：図５］
次に、第２の発振器のＭＥＭＳ共振器の構成について図５を用いて説明する。図５は、第２の発振器におけるＭＥＭＳ共振器の構成を示す模式説明図である。
図５に示すように、第２の発振器のＭＥＭＳ共振器７（第２のＭＥＭＳ共振器）は、上述した第１の発振器と同様のディスク型共振子を備え、ディスク型共振子のＴＩＡ入力側の配線１５に直列にＴＩＡ入力側コイル１２が接続し、更にＴＩＡ入力側コイル１２に対向して発振出力側コイル１３を設けた構成である。
図５からもわかるように、ＴＩＡ入力側コイル１２及び発振出力側コイル１３は、中に配線を通した構成ではないため、積層数を減らすことができ、製造プロセスを削減しコストを低減することができるものである。
【００４０】
［第２のＭＥＭＳ共振器の別の構成：図６］
次に、第２のＭＥＭＳ共振器の別の構成について図６を用いて説明する。図６は、第２のＭＥＭＳ共振器の別のコイルの模式説明図である。
上述した第２のＭＥＭＳ共振器では、２つのコイルを水平方向に並べて配置して、トランスを形成したものであるが、別の構成では、２つのコイルを基板に垂直な方向に重ねて配置することでトランスを構成するものである。
【００４１】
図６では、ＴＩＡ入力側コイル１２又は発振出力側コイル１３として用いられるコイルの形状を示しており、金属配線を渦巻状に巻いてコイル状としたものである。短絡しないよう一部多層構造となっている。
そして、絶縁層を挟んで、２つのコイルが対向するように上下に重ねて配置することにより、トランスとして動作するものである。
尚、接続関係は図５に示したものと同じであり、ＴＩＡ入力側コイル１２として用いられるコイルは、共振器７の電極とＴＩＡ５の入力側配線に接続し、発振出力側コイル１３として用いられるコイルは、ＧＮＤ電極とバッファアンプ９に接続される。
【００４２】
このように、ＴＩＡ入力側コイル１２と発振出力側コイル１３とを、絶縁層を介して垂直方向に積層して形成することにより、チップ面積を小さくすることができ、発振器の小型化を図ることができるものである。
【００４３】
［マイクロストリップラインを用いた構成：図３］
第２のＭＥＭＳ共振器の変形として、マイクロストリップラインを用いた構成について図３を用いて説明する。図３は、第２のＭＥＭＳ共振器においてマイクロストリップラインを用いた構成を示す模式説明図である。
図３に示すように、第２のＭＥＭＳ共振器の変形では、電流／電圧変換手段として、コイルの代わりにマイクロストリップラインを用いて発振器出力を取り出す構成であり、ＭＥＭＳ共振器７とＴＩＡ入力側とを接続する配線１５に隣接して、略平行にマイクロストリップライン１６を設けたものである。
【００４４】
マイクロストリップライン１６は、発振出力側コイル１３と同様に、一端が接地され、他端がバッファアンプ９に接続されている。そして、隣接して配置された配線１５と電磁誘導によって結合して、配線１５を流れる電流を電圧に変換してバッファアンプ９に出力する。マイクロストリップライン１６の厚さ及び幅、配線１５との間隔は所望の特性が得られるよう適宜設計可能である。
マイクロストリップライン１６を用いることにより、発振器周波数が高くなっても容量の発生を少なくして特性の変動を抑制し、より高周波に適用することが可能となるものである。
【００４５】
［第２の実施の形態の効果］
本発明の第２の実施の形態に係る発振器によれば、ＭＥＭＳ共振器７と、ＴＩＡ５と、バッファアンプ９とを備えた発振器において、ＭＥＭＳ共振器７とＴＩＡ入力側とを接続する配線１５に直列にＴＩＡ入力側コイル１２を形成し、ＴＩＡ入力側コイル１２に対向し、一端が接地され他端がバッファアンプ９に接続された発振出力側コイル１３を備え、ＴＩＡ入力側コイル１２と発振出力側コイル１３とでトランスを形成し、電流を電圧に変換してバッファアンプ９に供給するようにしているので、発振器出力をＴＩＡ出力側からではなく、発振出力側コイル１３から取り出すことができ、ＴＩＡのフロア雑音の影響を低減して、発振器出力の位相雑音特性を向上させ、また、コイルの中に配線を形成しなくてすむので製造を容易にすることができる効果がある。
【００４６】
また、第２の発振器の別の構成によれば、トランスを構成するＴＩＡ入力側コイル１２及び発振出力側コイル１３とを渦巻状に形成し、絶縁層を挟んで基板に垂直方向に対抗するよう積層した構成としているので、コイル設置に要するスペースを小さくして、発振器全体の小型化を図ることができる効果がある。
【００４７】
また、第２の発振器において、発振出力側コイル１３の代わりに、ＴＩＡ入力側の配線１５に隣接して、一端が接地され、他端がバッファアンプ９に接続されたマイクロストリップライン１６を設け、マイクロストリップライン１６が電磁誘導によって配線１５と結合して電流を電圧に変換するので、発振器出力をマイクロストリップライン１６から取り出すことができ、発振器出力の位相雑音特性を向上させ、また、容量が発生しにくいため高周波に適用可能とする効果がある。
【符号の説明】
【００４８】
５…ＴＩＡ、  ６…オペアンプ、  ７…ＭＥＭＳ共振器、  ８…負帰還抵抗、  ９…バッファアンプ、  １０…共振器用バイアス、  １１…発振出力コイル、  １２…ＴＩＡ入力側コイル、  １３…発振出力側コイル、  １５…ＴＩＡ入力側配線、  １６…マイクロストリップライン、  ２０…シリコン基板、  ２１…酸化膜、  ２２…窒化ケイ素膜、  ２３…ディスク、  ２４…電極、  ２５…ギャップ、  ２６…配線
【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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