(57)【要約】【課題】  ３つ以上のキャパシタンス値が得られると共に、装置の小型化と信号損失の低減が可能な可変容量装置を提供する。【解決手段】  可変容量素子２の駆動容量Ｃ1は、駆動電圧制御回路３１から出力される駆動電圧Ｖdに応じて変化する。駆動電圧制御回路３１は、駆動容量Ｃ1の検出値と目標値とを比較する比較器３２と、比較器３２の比較結果に応じた駆動電圧Ｖdを発生させる駆動電圧発生回路３４とを備える。駆動電圧発生回路３４の電流出力型レベル変換回路３５は、比較器３２の比較結果に応じて平滑化容量４５にソース電流ｉ10またはシンク電流ｉ20を流し、駆動電圧Ｖdを昇圧または降圧する。また、電流出力型レベル変換回路３５は、過渡状態から定常状態に移行するときに、ソース電流ｉ10またはシンク電流ｉ20の電流値を徐々に小さくする。【選択図】        図１
2013004842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電圧に応じて静電容量が変化する可変容量素子と、該可変容量素子の静電容量を検出する容量検出回路と、該容量検出回路による静電容量の検出値が所望の目標値に近付くように前記駆動電圧を制御する駆動電圧制御回路とを備えた可変容量装置において、
前記駆動電圧制御回路は、前記静電容量の検出値と目標値とを比較する比較器と、該比較器の比較結果に応じてソース電流またはシンク電流を流す電流出力型レベル変換回路と、該電流出力型レベル変換回路がソース電流を流したときに前記駆動電圧を昇圧しシンク電流を流したときに前記駆動電圧を降圧する平滑化容量からなる電流電圧変換回路とを備え、
前記電流出力型レベル変換回路は、過渡状態から定常状態に移行するときに、ソース電流およびシンク電流の電流値を徐々に小さくする構成としたことを特徴とする可変容量装置。
【請求項２】
前記駆動電圧制御回路は、前記比較器の比較結果の切り換わりをカウントするカウンタ回路を備え、
該カウンタ回路は、リセット信号によってカウント数がリセットされると、前記駆動電圧制御回路の電流値を過渡状態の大きさに設定し、比較結果の切り換わりをカウントする度に前記駆動電圧制御回路の電流値を小さくして、最終的に前記駆動電圧制御回路の電流値を過渡状態の大きさよりも小さい定常状態の大きさに収束させる構成としてなる請求項１に記載の可変容量装置。
【請求項３】
前記電流出力型レベル変換回路は、前記カウンタ回路によって電流値が設定される可変電流源と、該可変電流源に流れる電流をコピーするカレントミラー回路と、前記比較器の比較結果に応じてソース電流回路とシンク電流回路とのうちいずれか一方を動作させ該カレントミラー回路を流れる電流に応じたソース電流またはシンク電流を流す電流出力回路とを備える構成としてなる請求項２に記載の可変容量装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動電圧に応じて静電容量が変化する可変容量素子を備えた可変容量装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高周波通信用のマッチング回路に可変容量素子を用いる場合、マッチング可能な範囲を広くしたり、マッチングのための容量設定分解能を向上させるために、できる限り多くのキャパシタンス値を得られた方がよい。ここで、３つ以上のキャパシタンス値を得るには、２値の可変容量素子を複数個並列に接続するか、１個の可変容量素子で３つ以上のキャパシタンス値を得る構造にする必要がある。例えば特許文献１には、２値のキャパシタンス値を切り換える可変容量素子を開示されている。このような可変容量素子は、駆動電圧の印加により、対向電極同士を、誘電体層を介して接触または離間させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−７０９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１による可変容量素子を用いて多数のキャパシタンス値を得るためには、多数個の可変容量素子を形成すると共に、これらを接続する接続パターンを形成しなければならず、装置全体が大型化する傾向がある。また、接続パターンによる信号損失も無視できない値になるという問題がある。
【０００５】
本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、３つ以上のキャパシタンス値が得られると共に、装置の小型化と信号損失の低減が可能な可変容量装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、駆動電圧に応じて静電容量が変化する可変容量素子と、該可変容量素子の静電容量を検出する容量検出回路と、該容量検出回路による静電容量の検出値が所望の目標値に近付くように前記駆動電圧を制御する駆動電圧制御回路とを備えた可変容量装置において、前記駆動電圧制御回路は、前記静電容量の検出値と目標値とを比較する比較器と、該比較器の比較結果に応じてソース電流またはシンク電流を流す電流出力型レベル変換回路と、該電流出力型レベル変換回路がソース電流を流したときに前記駆動電圧を昇圧しシンク電流を流したときに前記駆動電圧を降圧する平滑化容量からなる電流電圧変換回路とを備え、前記電流出力型レベル変換回路は、過渡状態から定常状態に移行するときに、ソース電流およびシンク電流の電流値を徐々に小さくする構成としたことを特徴としている。
【０００７】
請求項２の発明では、前記駆動電圧制御回路は、前記比較器の比較結果の切り換わりをカウントするカウンタ回路を備え、該カウンタ回路は、リセット信号によってカウント数がリセットされると、前記駆動電圧制御回路の電流値を過渡状態の大きさに設定し、比較結果の切り換わりをカウントする度に前記駆動電圧制御回路の電流値を小さくして、最終的に前記駆動電圧制御回路の電流値を過渡状態の大きさよりも小さい定常状態の大きさに収束させる構成としている。
【０００８】
請求項３の発明では、前記電流出力型レベル変換回路は、前記カウンタ回路によって電流値が設定される可変電流源と、該可変電流源に流れる電流をコピーするカレントミラー回路と、前記比較器の比較結果に応じてソース電流回路とシンク電流回路とのうちいずれか一方を動作させ該カレントミラー回路を流れる電流に応じたソース電流またはシンク電流を流す電流出力回路とを備える構成としている。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明では、駆動電圧に応じて可変容量素子の静電容量を連続的に変化させることができ、３つ以上のキャパシタンス値を得ることができる。また、複数の可変容量素子を接続する必要がなく、信号損失を低減することができる。さらに、電流出力型レベル変換回路によってソース電流またはシンク電流を流し、ソース電流とシンク電流によって駆動電圧を変化させる構成としたから、一般的な駆動電圧の発生手段として、例えば電圧レベル変換回路と、抵抗および容量からなる低域通過フィルタ回路とによって駆動電圧を発生させた場合に比べて、低域通過フィルタ回路の抵抗が不要になり、装置全体を小型化することができる。
【００１０】
また、電流出力型レベル変換回路は、過渡状態から定常状態に移行するときに、ソース電流およびシンク電流の電流値を徐々に小さくする構成とした。このため、過渡状態ではソース電流およびシンク電流の電流値を大きくして、平滑化容量の充電量と放電量を増加させることができる。これにより、可変容量素子の静電容量を速やかに目標値に近付けることができ、静電容量が目標値に収束するまでの安定時間を短縮することができる。一方、過渡状態から定常状態に移行するときには、ソース電流およびシンク電流の電流値を徐々に小さくして、平滑化容量の充電量と放電量を減少させることができる。これにより、定常状態ではソース電流およびシンク電流の電流値を小さくして、目標値に対する静電容量の変動を小さくすることができ、容量精度を高めることができる。
【００１１】
請求項２の発明では、カウンタ回路は、リセット信号によってカウント数がリセットされると、電流出力型レベル変換回路の電流値を過渡状態の大きさに設定する。このため、カウント数がリセットされた直後は、ソース電流およびシンク電流の電流値を大きくして、静電容量の検出値を目標値に向けて速やかに変化させることができる。
【００１２】
また、カウンタ回路は、比較結果の切り換わりをカウントする度にソース電流およびシンク電流の電流値を徐々に小さくして、目標値に対する静電容量の変動幅を徐々に小さくすることができる。そして、最終的にソース電流およびシンク電流の電流値を過渡状態の大きさよりも小さい定常状態の大きさに収束させるから、定常状態ではソース電流およびシンク電流の電流値を小さくして、目標値に対する静電容量の変動を小さくすることができ、容量精度を高めることができる。
【００１３】
請求項３の発明では、電流出力型レベル変換回路は、可変電流源と、カレントミラー回路と、電流出力回路とを備える構成とした。このため、カウンタ回路によって可変電流源の電流値を設定すると共に、可変電流源に流れる電流をカレントミラー回路によってコピーすることができる。そして、電流出力回路は、比較器の比較結果に応じてソース電流回路とシンク電流回路とのうちいずれか一方を動作させるから、ソース電流回路の動作時にはカレントミラー回路を流れる電流に応じたソース電流を流すことができ、シンク電流回路が動作時にはカレントミラー回路を流れる電流に応じたシンク電流を流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態による可変容量装置を示す全体構成図である。
【図２】図１中の可変容量素子を示す平面図である。
【図３】可変容量素子を図２中の矢示III−III方向からみた断面図である。
【図４】図１中の駆動電圧発生回路を示す回路図である。
【図５】設定開始時の駆動容量のキャパシタンス値が目標値に比べて小さい場合について、駆動容量、駆動電圧、比較結果信号、電流制御信号の時間変化を示す特性線図である。
【図６】設定開始時の駆動容量のキャパシタンス値が目標値に比べて大きい場合について、駆動容量、駆動電圧、比較結果信号、電流制御信号の時間変化を示す特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態による可変容量装置について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１６】
図１は実施の形態による可変容量装置１を示している。この可変容量装置１は、可変容量素子２、容量検出回路２１および駆動電圧制御回路３１を備える。
【００１７】
まず、図２および図３を用いて、可変容量素子２について説明する。
【００１８】
可変容量素子２は、静電力による駆動するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）によって構成される。この可変容量素子２は、基板３、下駆動電極４Ａ，４Ｂ，５、誘電体膜６、梁部７、パッド電極８，９Ａ，９Ｂ，１０Ａ，１０Ｂ、および抵抗パターン１０Ｃ，１０Ｄを備える。
【００１９】
基板３は例えば矩形ガラス基板からなる。梁部７は、平面視して矩形平板状で、側面視してＬ字状に形成される。この梁部７は、図２中の右側の端部が基板３に接合される支持部となって、要部を基板３から離間した状態で支持する片持梁構造（バネ構造）の可動構造部である。また、梁部７は、導電性基板として例えば抵抗率０．０１Ωｃｍ以下の低抵抗Ｓｉ基板（シリコン基板）からなり、ドーパントとして例えばＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｂ（ホウ素）等を用いている。
【００２０】
下駆動電極４Ａ，４Ｂは、それぞれＬ字状で基板３の上面に形成され、梁部７の軸方向（図２中の左，右方向）に沿って長尺な線路状の端部を有する。下駆動電極５は、コ字状で基板３の上面に形成し、梁部７の軸方向に沿って長尺な線路状の両端部で下駆動電極４Ａ，４Ｂの両脇を挟み込むように配置する。誘電体膜６は、例えば矩形状で厚み２００ｎｍ程度の五酸化タンタルによって形成され、下駆動電極４Ａ，４Ｂの端部と下駆動電極５の両端部とを覆うように基板３に積層される。下駆動電極４Ａは、ＲＦ信号（高周波信号）の入力端子（または出力端子）にパッド電極９Ａを介して接続され、下駆動電極４Ｂは、ＲＦ信号の出力端子（または入力端子）にパッド電極９Ｂを介して接続される。下駆動電極５は、パッド電極１０Ａおよび抵抗パターン１０Ｃを介して駆動電圧ＶdとなるＤＣ電圧（直流電圧）の入力端に接続される。梁部７は、パッド電極８，１０Ｂ、および抵抗パターン１０Ｄを介してグランドに接続される。抵抗パターン１０Ｃ，１０Ｄは、例えば厚み５ｎｍ程度の酸化チタン薄膜を用いて形成され、２００ｋΩ程度の抵抗を有する。
【００２１】
下駆動電極５の両端部は、梁部７に誘電体膜６を介して対向して配置され、これらの下駆動電極５および梁部７は駆動容量部１１を構成する。駆動容量部１１は、駆動電圧制御回路３１から駆動電圧Ｖdが印加されると、下駆動電極５の両端部と梁部７との間に駆動容量Ｃ1（静電容量）を生じる。駆動容量Ｃ1は、静電引力によって梁部７を変形させ、梁部７を先端から誘電体膜６に接触させる。駆動電圧Ｖdが高電圧であるほど、梁部７と誘電体膜６との接触面積は大きくなる。
【００２２】
下駆動電極４Ａ，４Ｂは、梁部７に誘電体膜６を介して対向して配置され、これらの下駆動電極４Ａ，４Ｂおよび梁部７は可変容量部１２を構成する。可変容量部１２は、例えば数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの無線周波数を扱う回路の中で使用され、梁部７と誘電体膜６との接触面積に応じて変化する可変容量Ｃ2（静電容量）を生じる。可変容量部１２からは、梁部７を介して駆動電圧制御回路３１やグランドに高周波信号が漏洩する虞れがあるため、ここでは漏洩高周波信号を遮断する目的で抵抗パターン１０Ｃ，１０Ｄを形成している。
【００２３】
図２に示す駆動容量部１１の構造は、下駆動電極５と梁部７からなる電極対の間に信号（電圧）が直接印加される構造である（以下、この構造をＭＩＭ構造という）。また、可変容量部１２の構造は、下駆動電極４Ａと梁部７、下駆動電極４Ｂと梁部７からなる２組の電極対を直列に接続して、信号（電圧）が直接印加される構造である（以下、この構造をＭＩＭＩＭ構造という）。ＭＩＭＩＭ構造は、ＭＩＭ構造に比べて面積当りの静電引力が約１／４と小さく、セルフアクチュエーションによる梁部７の変形を抑制するのに有利である。一方、ＭＩＭ構造は、ＭＩＭＩＭ構造に比べて面積当りの静電引力が大きく、電極面積の低減に有利である。従って、大きな静電引力が必要となる駆動容量部１１にはＭＩＭ構造を採用し、静電引力を抑制する必要がある可変容量部１２にはＭＩＭＩＭ構造を採用するのが好ましい。
【００２４】
なお、駆動容量部１１および可変容量部１２は、それぞれＭＩＭ構造、ＭＩＭＩＭ構造のいずれの構造を採用してもよい。また、駆動容量部１１の駆動容量Ｃ1と可変容量部１２の可変容量Ｃ2は一緒に変化する。このため、駆動容量Ｃ1のキャパシタンス値は可変容量Ｃ2のキャパシタンス値と対応した値になる。
【００２５】
次に、図１を用いて、容量検出回路２１について説明する。
【００２６】
容量検出回路２１は、容量検出用交流信号源２２、増幅回路２３、および整流回路２４を備える。容量検出用交流信号源２２は、交流源となり、例えば約１０ＭＨｚの容量検出用のＡＣ信号（交流信号）を直流遮断用の容量Ｃ3（約１００ｐＦ）に出力する。容量Ｃ3の出力端は、交流遮断用の抵抗Ｒ1を介して直流源となる駆動電圧発生回路３４に接続される。このため、抵抗Ｒ1と容量Ｃ3との接続点で、駆動電圧発生回路３４からのＤＣ信号（駆動電圧Ｖd）に容量検出用のＡＣ信号が重畳される。この重畳信号は、直流バイパス用の抵抗Ｒ2、および参照容量Ｃ4からなる並列回路に入力される。この並列回路の出力端には可変容量素子２の駆動容量Ｃ1が接続され、抵抗Ｒ2、参照容量Ｃ4、および駆動容量Ｃ1からなる容量回路を構成している。
【００２７】
重畳信号のうちのＤＣ成分となる駆動電圧Ｖdは、直流バイパス用の抵抗Ｒ2を介して駆動容量Ｃ1に印加され、静電引力により可変容量素子２における梁部７を変形させる。重畳信号のうちのＡＣ成分は、参照容量Ｃ4と駆動容量Ｃ1で電圧分配され、両者の容量比に応じた振幅として参照容量Ｃ4と駆動容量Ｃ1との接続点から直流遮断用の容量Ｃ5に出力される。
【００２８】
直流遮断用の容量Ｃ5の出力端には増幅回路２３が接続され、増幅回路２３は容量回路における電圧分配点からのＡＣ出力の電圧レベルを増幅して増幅電圧Ｖampを出力する。増幅回路２３の入力部には入力インピーダンスが非常に高いボルテージホロワ（図示せず）を設けていて、容量回路のＡＣ出力を参照容量Ｃ4と駆動容量Ｃ1とで単純に電圧分配した電圧レベルにしている。増幅回路２３で増幅された増幅電圧Ｖampは、整流回路２４で整流される。増幅回路２３の増幅率や、参照容量Ｃ4、容量検出用交流信号源２２の電圧レベルを既知とすれば、整流回路２４の出力する直流電圧は、駆動容量Ｃ1の容量を一意に反映した電圧レベルとなり、駆動容量Ｃ1が大きいほど電圧レベルが低くなる。このため、整流回路２４の出力する直流電圧は、駆動容量Ｃ1を検出した検出信号Ｓcとなり、検出信号Ｓcの電圧レベルは、駆動容量Ｃ1の検出値に対応する。
【００２９】
次に、図１を用いて、駆動電圧制御回路３１について説明する。
【００３０】
駆動電圧制御回路３１は、比較器３２、サンプルホールド回路３３、および駆動電圧発生回路３４を備える。
【００３１】
比較器３２には、駆動容量Ｃ1の目標値を指示するための目標信号Ｓrが外部入力電圧として入力されると共に、整流回路２４からの検出信号Ｓcが入力される。この比較器３２は、目標信号Ｓrの電圧レベルと検出信号Ｓcの電圧レベルとを比較して、これらの比較結果に応じた比較結果信号Ｓeを出力する。このため、比較結果信号Ｓeは、駆動容量Ｃ1の検出値と目標値との比較結果に応じて、ＬｏｗレベルまたはＨｉｇｈレベルに切り換わる。例えば検出信号Ｓcが目標信号Ｓrよりも小さな電圧レベルである場合、即ち、駆動容量Ｃ1が目標値よりも大きな場合には、比較結果信号ＳeはＨｉｇｈレベルとなる。逆に、検出信号Ｓcが目標信号Ｓrよりも大きな電圧レベルである場合、即ち、駆動容量Ｃ1が目標値よりも小さな場合、比較結果信号ＳeはＬｏｗレベルとなる。比較器３２の出力端は、比較結果信号Ｓeを一定時間保持するサンプルホールド回路３３を介して駆動電圧発生回路３４に入力される。
【００３２】
駆動電圧発生回路３４は、比較器３２の比較結果信号Ｓeに応じて駆動電圧Ｖdを増加または減少させる。比較器３２の比較結果信号ＳeがＨｉｇｈレベルであれば、駆動電圧Ｖdを低下させて駆動容量Ｃ1を減少させる方向に調整する。逆に、比較器３２の比較結果信号ＳeがＬｏｗレベルであれば、駆動電圧Ｖdを上昇させて駆動容量Ｃ1を増加させる方向に調整する。
【００３３】
次に、図４を用いて、駆動電圧発生回路３４について説明する。
【００３４】
駆動電圧制御回路３４は、電流出力型レベル変換回路３５、および電流電圧変換回路４４を備える。
【００３５】
電流出力型レベル変換回路３５は、カウンタ回路３６、可変電流源３７、カレントミラー回路３８、および電流出力回路３９を備える。カウンタ回路３６は、比較器３２の比較結果の切り換わりをカウントし、カウント数に応じた電流制御信号Ｘ0〜Ｘ5を出力する。ここで、駆動容量Ｃ1が目標値に向けて変化している過渡状態では、電流制御信号Ｘ0〜Ｘ4はいずれかがＨｉｇｈレベルとなり、電流制御信号Ｘ5はＬｏｗレベルとなる。一方、駆動容量Ｃ1が目標値付近で安定した定常状態では、電流制御信号Ｘ0〜Ｘ4はＬｏｗレベルとなり、電流制御信号Ｘ5はＨｉｇｈレベルとなる。また、カウンタ回路３６は、リセット信号ＲＳの入力端を備え、リセット信号ＲＳが入力されたときにカウント数をリセットする。
【００３６】
可変電流源３７は、カウンタ回路３６からの電流制御信号Ｘ0〜Ｘ5に応じて電流値Ｉa〜Ｉfのいずれかが設定され、電流値Ｉa〜Ｉfに応じた電流ｉを流す。ここで、電流値Ｉa〜Ｉfは、以下の数１に示すように、電流値Ｉaから電流値Ｉfに向かうに従って順次小さい値に設定されている。
【００３７】
【数１】
2013004842.tif 000003
【００３８】
電流値Ｉa〜Ｉeは過渡状態で流す電流ｉの大きさであり、電流値Ｉfは定常状態で流す電流ｉの大きさである。このため、過渡状態に応じて電流制御信号Ｘ0〜Ｘ4のいずれかがＨｉｇｈレベルとなるときに、電流値Ｉa〜Ｉeが設定される。一方、定常状態に応じて電流制御信号Ｘ5がＨｉｇｈレベルとなるときに、電流値Ｉfが設定される。定常状態の電流値Ｉfは、過渡状態のいずれの電流値Ｉa〜Ｉeよりも小さい（Ｉf＜Ｉa〜Ｉe）。
【００３９】
カレントミラー回路３８は、３個のＭＯＳスイッチＭＰ1〜ＭＰ3を用いて構成され、可変電流源３７に流れる電流ｉをコピーする。ＭＯＳスイッチＭＰ1〜ＭＰ3は、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴからなり、ソース同士が互いに接続されると共に、ゲート同士が互いに接続される。また、ＭＯＳスイッチＭＰ1のドレインは、可変電流源３７に接続されると共に、ＭＯＳスイッチＭＰ1〜ＭＰ3のゲートに接続される。これにより、ＭＯＳスイッチＭＰ1に可変電流源３７の電流ｉが流れたときには、ＭＯＳスイッチＭＰ2，ＭＰ3のドレイン−ソース間にも、可変電流源３７の電流ｉと同じ大きさの電流ｉ1，ｉ2が流れる。
【００４０】
電流出力回路３９は、選択回路４０、ソース電流回路４２、およびシンク電流回路４３を備える。選択回路４０は、比較結果信号Ｓeに応じてソース電流回路４２とシンク電流回路４３のうちいずれか一方を選択的に動作させる。具体的には、選択回路４０は、いずれか一方が選択的に動作する２個のＭＯＳスイッチＭＮ1，ＭＮ2と、ＮＯＴ回路４１とによって構成される。
【００４１】
ＭＯＳスイッチＭＮ1，ＭＮ2は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴからなり、ＭＯＳスイッチＭＰ2，ＭＰ3にそれぞれ直列接続される。具体的には、ＭＯＳスイッチＭＮ1のドレインは、ＭＯＳスイッチＭＰ2のドレインに接続される。このため、ＭＯＳスイッチＭＮ1のドレイン−ソース間には、ＭＯＳスイッチＭＰ2と同じ電流ｉ1が流れる。また、ＭＯＳスイッチＭＮ2のドレインはＭＯＳスイッチＭＰ3のドレインに接続される。このため、ＭＯＳスイッチＭＮ2のドレイン−ソース間には、ＭＯＳスイッチＭＰ3と同じ電流ｉ2が流れる。
【００４２】
ＭＯＳスイッチＭＮ1のゲートには、ＮＯＴ回路４１を介して比較結果信号Ｓeが入力される。このため、ＭＯＳスイッチＭＮ1は、比較結果信号ＳeがＨｉｇｈレベルのときにＯＦＦとなり、比較結果信号ＳeがＬｏｗレベルのときにＯＮとなる。一方、ＭＯＳスイッチＭＮ2のゲートには、比較結果信号Ｓeが直接入力される。このため、ＭＯＳスイッチＭＮ1は、比較結果信号ＳeがＨｉｇｈレベルのときにＯＮとなり、比較結果信号ＳeがＬｏｗレベルのときにＯＦＦとなる。この結果、２個のＭＯＳスイッチＭＮ1，ＭＮ2は、互いに逆の動作状態となり、インバータ動作する。
【００４３】
ソース電流回路４２は、第１のカレントミラー回路４２Ａと、第２のカレントミラー回路４２Ｂとを備える。第１のカレントミラー回路４２Ａは、２個のＭＯＳスイッチＭＮ3，ＭＮ4によって構成される。ＭＯＳスイッチＭＮ3，ＭＮ4は、それぞれｎチャネルＭＯＳＦＥＴからなり、ソースがいずれもグランドに接続されると共に、ゲート同士が互いに接続される。また、ＭＯＳスイッチＭＮ3のドレインは、ＭＯＳスイッチＭＮ1のソースに接続されると共に、ＭＯＳスイッチＭＮ3，ＭＮ4のゲートに接続される。これにより、ＭＯＳスイッチＭＮ1がＯＮとなり、ＭＯＳスイッチＭＰ2の電流ｉ1が流れたときには、ＭＯＳスイッチＭＮ3，ＭＮ4のドレイン−ソース間にも、ＭＯＳスイッチＭＰ2の電流ｉ1と同じ大きさの電流が流れる。
【００４４】
第２のカレントミラー回路４２Ｂは、２個のＭＯＳスイッチＭＰ4，ＭＰ5によって構成される。ＭＯＳスイッチＭＰ4，ＭＰ5は、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴからなり、ソースがいずれも高電圧源（図示せず）に接続されると共に、ゲート同士が互いに接続される。このとき、ＭＯＳスイッチＭＰ4，ＭＰ5のソースには、駆動電圧Ｖdの最大値よりも高い電圧Ｖhが印加される。また、ＭＯＳスイッチＭＰ4のドレインは、ＭＯＳスイッチＭＮ4のドレインに接続されると共に、ＭＯＳスイッチＭＰ4，ＭＰ5のゲートに接続される。これにより、ＭＯＳスイッチＭＮ4に流れた電流は、ＭＯＳスイッチＭＰ4を通じてＭＯＳスイッチＭＰ5にコピーされる。
【００４５】
さらに、ＭＯＳスイッチＭＰ5のドレインは、電流電圧変換回路４４の平滑化容量４５に接続される。これにより、ソース電流回路４２は、ＭＯＳスイッチＭＮ1がＯＮになったときに、ＭＯＳスイッチＭＰ2の電流ｉ1を第１，第２のカレントミラー回路４２Ａ，４２Ｂによってコピーし、電流ｉ1と同じ大きさのソース電流ｉ10を平滑化容量４５に向けて流入させる。
【００４６】
シンク電流回路４３は、２個のＭＯＳスイッチＭＮ5，ＭＮ6からなり、ソース電流回路４２の第１のカレントミラー回路４２Ａとほぼ同様に構成される。このため、ＭＯＳスイッチＭＮ5，ＭＮ6は、それぞれｎチャネルＭＯＳＦＥＴからなり、ソースがいずれもグランドに接続されると共に、ゲート同士が互いに接続される。また、ＭＯＳスイッチＭＮ5のドレインは、ＭＯＳスイッチＭＮ2のソースに接続されると共に、ＭＯＳスイッチＭＮ5，ＭＮ6のゲートに接続される。これにより、ＭＯＳスイッチＭＮ2がＯＮとなり、ＭＯＳスイッチＭＰ3の電流ｉ2が流れたときには、ＭＯＳスイッチＭＮ5，ＭＮ6のドレイン−ソース間にも、ＭＯＳスイッチＭＰ3の電流ｉ2と同じ大きさの電流が流れる。
【００４７】
さらに、ＭＯＳスイッチＭＮ6のドレインは、電流電圧変換回路４４の平滑化容量４５に接続される。これにより、ソース電流回路４２は、ＭＯＳスイッチＭＮ2がＯＮになったときに、ＭＯＳスイッチＭＰ3の電流ｉ2をＭＯＳスイッチＭＮ5，ＭＮ6によってコピーし、電流ｉ2と同じ大きさのシンク電流ｉ20を平滑化容量４５から流出させる。
【００４８】
電流電圧変換回路４４は、平滑化容量４５を備える。平滑化容量４５は、一端が電流出力回路３９の出力端に接続され、他端がグランドに接続される。平滑化容量４５の一端は、抵抗Ｒ1，Ｒ2を介して駆動容量Ｃ1に接続される。これにより、平滑化容量４５は、駆動容量Ｃ1に向けて駆動電圧Ｖdを出力する。また、平滑化容量４５は、ソース電流ｉ10によって充電され、シンク電流ｉ20によって放電される。このため、電流出力型レベル変換回路３５がソース電流ｉ10を流したときには駆動電圧Ｖdは昇圧し、シンク電流ｉ20を流したときには駆動電圧Ｖdは降圧する。
【００４９】
本発明の実施の形態による可変容量装置１は以上のような構成を有するものであり、次に駆動容量Ｃ1の設定動作について説明する。
【００５０】
図５は、設定開始時の駆動容量Ｃ1のキャパシタンス値が目標値に比べて小さい場合を示している。カウンタ回路３６にリセット信号ＲＳが入力された時点ｔ0から最初の比較結果の切り換わりが生じる時点ｔ1までの動作は次のようになる。
【００５１】
駆動容量Ｃ1の設定が開始されると、カウンタ回路３６にリセット信号ＲＳが入力され、カウンタ回路３６は、電流制御信号Ｘ0をＨｉｇｈレベルとし、電流制御信号Ｘ1〜Ｘ5をＬｏｗレベルにする。これにより、可変電流源３７は、過渡状態で最大の電流値Ｉaとなった電流ｉを流す。
【００５２】
また、設定開始時では駆動容量Ｃ1のキャパシタンス値が目標値に比べて小さいから、比較器３２はＬｏｗレベルの比較結果信号Ｓeを出力する。このため、選択回路４０によってソース電流回路４２が選択され、電流値Ｉaに応じたソース電流ｉ10が流れる。これにより、平滑化容量４５は充電される。過渡状態の電流値Ｉaは定常状態の電流値Ｉfに比べて大きいから、定常状態よりも大きなソース電流ｉ10が流れて、駆動容量Ｃ1は目標値に向けて速やかに変化する。
【００５３】
ここで、駆動電圧Ｖdが駆動容量Ｃ1の目標値に対応した目標電圧値に達しても、可変容量素子２の動作遅延や容量検出回路２１の信号応答遅延によって駆動容量Ｃ1は目標値に到達しない。このため、駆動電圧Ｖdは、目標電圧値を超えて増加し、オーバーシュート電圧が生じる。そして、駆動容量Ｃ1が目標値を超えて、容量検出回路２１による検出信号Ｓcの検出値が目標信号Ｓrの目標値よりも大きくなると、比較器３２による比較結果信号ＳeがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り換わり、次フェーズに移行する。
【００５４】
最初の比較結果の切り換わりが生じた時点ｔ1から２回目の比較結果の切り換わりが生じる時点ｔ2までの動作は次のようになる。
【００５５】
比較結果信号ＳeがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り換わると、カウンタ回路３６のカウント数が１つ増加する。このとき、カウンタ回路３６は、Ｈｉｇｈレベルとなった電流制御信号Ｘ1を出力し、電流制御信号Ｘ0，Ｘ2〜Ｘ5をＬｏｗレベルにする。このため、カウンタ回路３６によって、電流値Ｉaよりも小さい電流値Ｉbに切り換わり、可変電流源３７は、電流値Ｉbとなった電流ｉを流す。
【００５６】
また、比較器３２はＨｉｇｈレベルの比較結果信号Ｓeを出力する。このため、選択回路４０によってシンク電流回路４３が選択され、電流値Ｉbに応じたシンク電流ｉ20が流れる。これにより、平滑化容量４５は放電されて、駆動電圧Ｖdが目標電圧値を超えて減少し、アンダーシュート電圧が生じる。このとき、電流値Ｉbは電流値Ｉaよりも小さいから、時点ｔ2でのアンダーシュート電圧は、時点ｔ1でのオーバーシュート電圧よりも小さくなる。そして、駆動容量Ｃ1が目標値を超え、容量検出回路２１による検出信号Ｓcの検出値が目標信号Ｓrの目標値よりも小さくなると、比較器３２による比較結果信号ＳeがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り換わり、次フェーズに移行する。
【００５７】
２回目の比較結果の切り換わりが生じる時点ｔ2から５回目の比較結果の切り換わりが生じる時点ｔ5までの動作は次のようになる。
【００５８】
２回目の比較結果の切り換わりが生じる時点ｔ2では、カウンタ回路３６は、電流制御信号Ｘ2をＨｉｇｈレベルにし、電流制御信号Ｘ0，Ｘ1，Ｘ3〜Ｘ5をＬｏｗレベルにする。このため、カウンタ回路３６によって、電流値Ｉbよりも小さい電流値Ｉcに切り換わり、可変電流源３７は、電流値Ｉcとなった電流ｉを流す。このとき、比較器３２はＬｏｗレベルの比較結果信号Ｓeを出力するから、選択回路４０によってソース電流回路４２が選択され、電流値Ｉcに応じたソース電流ｉ10が流れる。これにより、駆動電圧Ｖdは、目標電圧値を超えて増加する。
【００５９】
３回目の比較結果の切り換わりが生じる時点ｔ3では、カウンタ回路３６は、電流制御信号Ｘ3をＨｉｇｈレベルにし、電流制御信号Ｘ0〜Ｘ2，Ｘ4，Ｘ5をＬｏｗレベルにする。このため、カウンタ回路３６によって、電流値Ｉcよりも小さい電流値Ｉdに切り換わり、可変電流源３７は、電流値Ｉdとなった電流ｉを流す。このとき、比較器３２はＨｉｇｈレベルの比較結果信号Ｓeを出力するから、選択回路４０によってシンク電流回路４３が選択され、電流値Ｉdに応じたシンク電流ｉ20が流れる。これにより、駆動電圧Ｖdは、目標電圧値を超えて減少する。
【００６０】
４回目の比較結果の切り換わりが生じる時点ｔ4では、カウンタ回路３６は、電流制御信号Ｘ4をＨｉｇｈレベルにし、電流制御信号Ｘ0〜Ｘ3，Ｘ5をＬｏｗレベルにする。このため、カウンタ回路３６によって、電流値Ｉdよりも小さい電流値Ｉeに切り換わり、可変電流源３７は、電流値Ｉeとなった電流ｉを流す。このとき、比較器３２はＬｏｗレベルの比較結果信号Ｓeを出力するから、選択回路４０によってソース電流回路４２が選択され、電流値Ｉeに応じたソース電流ｉ10が流れる。これにより、駆動電圧Ｖdは、目標電圧値を超えて増加する。
【００６１】
５回目の比較結果の切り換わりが生じる時点ｔ5では、カウンタ回路３６は、電流制御信号Ｘ5をＨｉｇｈレベルにし、電流制御信号Ｘ0〜Ｘ4をＬｏｗレベルにする。このため、カウンタ回路３６によって、電流値Ｉeよりも小さい電流値Ｉfに切り換わり、可変電流源３７は、電流値Ｉfとなった電流ｉを流す。このとき、比較器３２はＨｉｇｈレベルの比較結果信号Ｓeを出力するから、選択回路４０によってシンク電流回路４３が選択され、電流値Ｉfに応じたシンク電流ｉ20が流れる。これにより、駆動電圧Ｖdは、目標電圧値を超えて減少する。そして、時点ｔ2〜ｔ5に移行するに従って、オーバーシュート電圧やアンダーシュート電圧は徐々に小さくなる。
【００６２】
５回目の比較結果の切り換わりが生じる時点ｔ5以降の動作は次のようになる。
【００６３】
カウンタ回路３６は、Ｈｉｇｈレベルとなった電流制御信号Ｘ5を出力し、電流制御信号Ｘ0〜Ｘ4をＬｏｗレベルにする。このため、カウンタ回路３６によって、過渡状態の電流値Ｉa〜Ｉeよりも小さい定常状態の電流値Ｉfが設定されるから、可変電流源３７は、電流値Ｉfとなった電流ｉを流す。このとき、電流出力型レベル変換回路３５は、比較結果信号Ｓeに応じてソース電流回路４２とシンク電流回路４３のうちいずれか一方を選択的に動作させ、比較結果信号ＳeがＬｏｗレベルのときに電流値Ｉfとなったソース電流ｉ10を流し、比較結果信号ＳeがＨｉｇｈレベルのときに電流値Ｉfとなったシンク電流ｉ20を流す。定常状態の電流値Ｉfは過渡状態の電流値Ｉa〜Ｉeよりも小さいから、目標値に対する駆動電圧Ｖdの変動幅は小さくなり、高い容量精度を得ることができる。このように、電流出力型レベル変換回路３５は、駆動電圧Ｖdが目標電圧値に近付くように、フィードバック動作を行う。
【００６４】
図６は、設定開始時の駆動容量Ｃ1のキャパシタンス値が目標値に比べて大きい場合を示している。この場合でも、前述した設定開始時の駆動容量Ｃ1のキャパシタンス値が目標値に比べて小さい場合とほぼ同様に動作する。
【００６５】
以上説明した通り、本実施の形態による可変容量装置１によれば、駆動電圧Ｖdに応じて駆動容量Ｃ1や可変容量Ｃ2のキャパシタンス値を連続的に変化させることができ、３つ以上のキャパシタンス値を得ることができる。また、ソース電流ｉ10とシンク電流ｉ20によって駆動電圧Ｖdを変化させる構成としたから、例えば抵抗と容量からなる低域通過フィルタ回路を用いて駆動電圧を発生させた場合に比べて、装置全体を小型化することができる。
【００６６】
具体的に説明すると、一般的に、集積回路において、受動素子である抵抗やコンデンサは大型化する傾向がある。本実施の形態による可変容量装置１では、このような受動素子である抵抗を省くことができ、装置全体を小型化することができる。
【００６７】
また、一般的に、過渡状態から定常状態に移行するまでの安定時間と、駆動容量Ｃ1の容量精度はトレードオフの関係にある。このため、低域通過フィルタ回路の抵抗値を小さく、またはキャパシタンス値を大きくして、安定時間を短縮すると、容量精度は低下する。逆に、低域通過フィルタ回路の抵抗値を大きく、またはキャパシタンス値を小さくして、容量精度を高めると、安定時間が長くなる。
【００６８】
これに対し、本実施の形態では、電流出力型レベル変換回路３５は、過渡状態から定常状態に移行するときに、ソース電流ｉ10およびシンク電流ｉ20の電流値を徐々に小さくする構成とした。このため、例えば設定開始時のように過渡状態の初期段階ではソース電流ｉ10およびシンク電流ｉ20の電流値Ｉaを大きくして、平滑化容量の充電量と放電量を増加させることができる。これにより、可変容量素子２の駆動容量Ｃ1を速やかに目標値に近付けることができ、駆動容量Ｃ1が目標値に収束するまでの安定時間を短縮することができる。一方、過渡状態から定常状態に移行するときには、電流値Ｉa〜Ｉfを順次切り換えるから、ソース電流ｉ10およびシンク電流ｉ20の電流値を徐々に小さくして、平滑化容量の充電量と放電量を減少させることができる。そして、定常状態ではソース電流ｉ10およびシンク電流ｉ20の電流値を最も小さい電流値Ｉfに設定するから、目標値に対する駆動容量Ｃ1の変動を小さくすることができ、容量精度を高めることができる。この結果、高い容量精度を実現しながら、目標値に収束するまでの安定時間を短縮することができる。
【００６９】
なお、前記実施の形態では、電流出力型レベル変換回路３５はＭＯＳＦＥＴを用いて構成したが、例えばバイポーラトランジスタジス等の他のスイッチ素子を用いて構成してもよい。
【００７０】
また、前記実施の形態では、可変容量素子２の駆動容量Ｃ1を検出して駆動容量Ｃ1を変化させる構成としたが、可変容量Ｃ2を検出して駆動容量Ｃ1を変化させる構成としてもよい。また、駆動容量Ｃ1と可変容量Ｃ2を共通化した単一の可変容量を設け、この可変容量を検出し、変化させる構成としてもよい。
【００７１】
また、前記実施の形態では、５回目の比較結果の切り換わりが生じる時点ｔ5で定常状態の電流値Ｉfに収束させる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば２回目〜４回目の比較結果の切り換わりが生じる時点ｔ2〜ｔ4で定常状態の電流値に収束させる構成としてもよく、６回目以降の任意のｎ回目の比較結果の切り換わりが生じる時点ｔnで定常状態の電流値に収束させる構成としてもよい。
【００７２】
また、前記実施の形態では、可変電流源３７の電流ｉを変化させることによってソース電流ｉ10およびシンク電流ｉ20を変化させる構成としたが、電流源の電流値を固定したまま、ソース電流ｉ10およびシンク電流ｉ20を変化させる構成としてもよい。この場合、例えばソース電流回路４２のカレントミラー回路４２Ｂを複数個並列に接続し、これら複数個のカレントミラー回路４２Ｂのうち動作する個数を増加または減少させることによって、ソース電流ｉ10を変化させる構成としてもよい。同様に、シンク電流回路４３をなすカレントミラー回路を複数個並列に接続し、これら複数個のカレントミラー回路のうち動作する個数を増加または減少させることによって、シンク電流ｉ20を変化させる構成としてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１  可変容量装置
２  可変容量素子
２１  容量検出回路
３１  駆動電圧制御回路
３２  比較器
３５  電流出力型レベル変換回路
３６  カウンタ回路
３７  可変電流源
３８  カレントミラー回路
３９  電流出力回路
４０  選択回路
４２  ソース電流回路
４３  シンク電流回路
４４  電流電圧変換回路
４５  平滑化容量
【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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