(57)【要約】【課題】  簡易な回路によりＭＥＭＳ振動子の温度補償を行い、かつ出力するクロックにジッタを有さない緩やかな補償処理を行い、基準周波数の基準値に対する変動範囲を上記デジタル処理と同等とするＭＥＭＳ発振器を提供する。【解決手段】  本発明のＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ振動子と、温度を測定し、該温度に比例する検出電圧を出力する温度測定部と、ＭＥＭＳ振動子の共振周波数の温度変化に対し、該温度変化と逆の共振周波数の変化を与えるバイアス電圧を、前記検出電圧に対応して前記ＭＥＭＳ振動子に与えるバイアス電圧制御回路とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳ振動子と、
温度を測定し、該温度に比例する検出電圧を出力する温度測定部と、
ＭＥＭＳ振動子の共振周波数の温度変化に対し、該温度変化と逆の共振周波数の変化を与えるバイアス電圧を、前記検出電圧に対応して前記ＭＥＭＳ振動子に与えるバイアス電圧制御回路と
を有することを特徴とするＭＥＭＳ発振器。
【請求項２】
前記バイアス制御回路が、
前記バイアス電圧による前記共振周波数の変化の傾きを、前記共振周波数の温度変化の傾きと、極性が逆で傾きの変化率が同様となるよう、前記バイアス電圧の増幅率が設定された増幅回路から構成されていることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項３】
前記増幅回路において、前記制御電圧と比較するリファレンス電圧の電圧値を制御することにより、発振周波数を制御する中心となる基準周波数を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項４】
前記増幅回路が増幅率の調整部を有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＭＥＭＳ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体材料により構成したＭＥＭＳ（Micro Electromechanical Systems）振動子を共振器として用いたＭＥＭＳ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振器は、時計やパーソナルコンピュータなどで用いる基準周波数を生成するために多用されている。発振周波数のＱ値の高さや温度における安定性から、高精度な周波数精度が必要な発振器における発振子としては、一般的に水晶振動子が用いられている。
近年、用途によっては、小型化が容易で、かつ安価に形成できるため、上記水晶振動子に代え、シリコンなどの半導体材料にて形成したＭＥＭＳ振動子が用いられるようになってきている。
【０００３】
しかしながら、半導体を材料としたＭＥＭＳ振動子は、共振周波数の温度依存性が水晶振動子に比較して大きく、温度変化にも安定的な共振周波数を実現するため、必ず共振周波数に対する温度補償が必要となる。
例えば、Ｐ型のシリコンにて形成されたＭＥＭＳ振動子は、温度が高くなると共振周波数が低下することが知られている。
上記ＭＥＭＳ振動子において、振動子表面に温度補償用誘電体膜、例えばシリコン酸化膜を形成することにより、共振周波数の温度依存性が低くなり、温度変化に対して安定的な振動数の発振とすることができる（例えば、特許文献１参照）。
すなわち、シリコン材料で形成されたＭＥＭＳ振動子に対し、形成することにより共振周波数が、シリコン材料の逆の温度特性となる誘電体膜を用いることにより、共振周波数の温度特性が改善されることになる。
【０００４】
しかしながら、上述した温度補償用誘電体膜を用いた場合でも、−４０℃〜＋８０℃の温度範囲において、共振周波数の基準値に対し、２００ｐｐｍ程度の周波数の変動が生じてしまう。
時計やパーソナルコンピュータなどにおいて、基準周波数のクロックを発生する発振器としては、−４０℃〜＋８０℃の温度範囲において、共振周波数の基準値に対し、２０ｐｐｍ程度の範囲に収まるようにする必要がある。
【０００５】
このため、図６に示すように、周波数制御電圧をの温度による周波数変動を、デジタル信号処理により補償する構成が用いられる。
すなわち、基本的な構成としては、位相検出器１０１がＭＥＭＳ振動子１００生成する基準クロックと、発振器の出力する出力クロックとの位相差を求め、制御電圧生成回路１０２がこの位相差から出力クロックを制御する制御電圧を生成し、電圧制御発振器１０３がこの制御電圧を生成する構成を用いの周波数制御電圧をの温度による周波数変動を、デジタル信号処理により補償する構成が用いられる。
【０００６】
ここで、位相制御回路１０４は、電圧制御発振器１０３が発生する出力クロックを位相検出器１０１へフィードバックする際、温度により変化したＭＥＭＳ発振子１００の周波数を補正するように位相を制御して位相検出器１０１へ出力する。
記憶部１０５には、温度に対応した位相制御の数値が記憶されており、温度センサ１０６から入力される周囲温度に対応した数値が位相制御回路１０４へ出力される。
上記構成により、−４０℃〜＋８０℃の温度範囲において、共振周波数の基準値に対し、２０ｐｐｍ程度の範囲に収まるＭＥＭＳ発振器を構成することができる。
【特許文献１】特開２００４−３０３２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したデジタル処理を行う場合、高精度にて発振周波数の温度補償を行うことができるが、位相制御回路が小数点演算等を行うためや、記憶部１０５を設ける必要があるため、デジタル処理の回路規模が大きくなり、製造コストが増加するとともに、発振回路を小型化することができなくなる問題がある。
また、上記従来例は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）を用いているため、制御範囲内にてジッタを有する変動があり、ノイズを発生する欠点がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、簡易な回路によりＭＥＭＳ振動子の温度補償を行い、かつ出力するクロックにジッタを有さない緩やかな補償処理を行い、基準周波数の基準値に対する変動範囲を上記デジタル処理と同等とするＭＥＭＳ発振回路の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ振動子と、温度を測定し、該温度に比例する検出電圧を出力する温度測定部と、ＭＥＭＳ振動子の共振周波数の温度変化に対し、該温度変化と逆の共振周波数の変化を与えるバイアス電圧を、前記検出電圧に対応して前記ＭＥＭＳ振動子に与えるバイアス電圧制御回路とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明のＭＥＭＳ発振器は、前記バイアス制御回路が、前記バイアス電圧による前記共振周波数の変化の傾きを、前記共振周波数の温度変化の傾きと、極性が逆で傾きの変化率が同様となるよう、前記バイアス電圧の増幅率が設定された増幅回路から構成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明のＭＥＭＳ発振器は、前記増幅回路において、前記制御電圧と比較するリファレンス電圧の電圧値を制御することにより、発振周波数を制御する中心となる基準周波数を調整することを特徴とする。
【００１２】
本発明のＭＥＭＳ発振器は、前記増幅回路が増幅率の調整部を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、温度変化に対応した共振周波数の変化に対して、傾きの変化率が同様で逆の傾きに共振周波数が変化する、温度変化に対応したバイアス電圧をＭＥＭＳ振動子に与えるため、ＭＥＭＳ振動子の共振周波数の温度変化と、上記バイアス電圧による共振周波数の変化とで、共振周波数の温度変化を相殺してキャンセルすることが可能となり、仕様温度範囲内にてＭＥＭＳ振動子の共振周波数を、デジタル処理と同様の変化範囲に押さえることができる構成を、増幅回路を用いた簡易な構成にて実現することができ、従来例に比較して回路を小型化して生産コストを低減することができる。
【００１４】
また、本発明によれば、アナログ回路により温度変化に対応した上記バイアス電圧を生成しているため、デジタル制御のように温度補償処理毎のジッタを生成せず、クロックにジッタによるノイズ成分含まれることはなく、生成する基準クロックの信号純度を、従来のデジタル制御に比較して向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳ発振器を図面を参照して説明する。図１は同実施形態によるＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図である。
この図において、発振器１は、インバータ２，３，４、バッファ５、ＭＥＭＳ振動子６、温度センサ７及びバイアス電圧制御回路８を有している。
インバータ２．３及び４は、ＭＥＭＳ振動子６のセンシング側の端子から入力される出力電圧を増幅し、この出力電圧と逆の極性の電圧をＭＥＭＳ振動子６の駆動側の端子に出力させ、ＭＥＭＳ振動子６を共振器として駆動し、ＭＥＭＳ振動子６の共振周波数による励振状態を一定に保持する。
【００１６】
バッファ５は、励振状態にあるＭＥＭＳ振動子６により生成されるクロックを外部に出力する。
温度センサ７は、周囲温度に対応した、すなわち温度に比例した電圧値の検出電圧Ｖfをバイアス電圧制御回路８へ出力する。
バイアス電圧制御回路８は、温度変化に対応した共振周波数の変化に対し、傾きの角度（傾きの変化率）が同様であり、逆の傾きに共振周波数を変化させるように温度変化に対応して変化するバイアス電圧ＶBIASを、温度センサ７から入力する検出電圧Ｖfから生成してＭＥＭＳ振動子６に与える。
【００１７】
すなわち、図２に示すように、ＭＥＭＳ振動子６の共振周波数は、例えば、Ｐ型の不純物が拡散されたＰ型シリコンの場合（Ｎ型の不純物が拡散されたＮ型シリコンも同様）、温度が上昇するに従って低下する。
一方、ＭＥＭＳ振動子は、Ｐ型シリコンで形成されている場合、印加するバイアス電圧の電圧値が低下するに従い、共振周波数が増加することが知られている。
したがって、温度センサ７が出力する検出電圧に対応し、温度上昇に対してバイアス電圧ＶBIASを低下させることにより、温度上昇により低下したＭＥＭＳ振動子６の共振周波数を基準周波数まで引き上げることができ、予め設定されている基準周波数を中心とした制御範囲内に、温度による共振周波数の変動を押さえることができる。すなわち、本実施形態においては、温度変化に対応してバイアス電圧を変化させ、温度変化によるＭＥＭＳ振動子の共振周波数の変化をキャンセルし、共振周波数の温度変化を補償することができる。
【００１８】
ここで、バイアス電圧制御回路８は、Δｔ℃の温度変化において、ＭＥＭＳ振動子６の共振周波数の変化分Δｆ1（Δｔ）と、上記検出電圧電圧の差分Δｖから得られるバイアス電圧の変化分ΔＶBIAS（Δｖ）による共振周波数の変化分Δｆ2（ΔＶBIAS（Δｖ））との絶対値が等しくなるよう、また変化分Δｆ1及びΔｆ2の変化の極性が逆となるようにバイアス電圧ＶBIASを出力する。すなわち、図２に示すように、温度変化により、共振周波数が変化分Δｆ1増加する場合に、共振周波数の変化分Δｆ2がΔｆ1の絶対値と同様な値分減少するようにし、逆に、共振周波数が変化分Δｆ1減少する場合に、共振周波数の変化分Δｆ2がΔｆ1の絶対値と同様な値分増加するようにして、温度変化による共振周波数の変化をキャンセルする。
【００１９】
次に、図３を用いて、図１の温度センサ７及びバイアス電圧制御回路８の構成を説明する。図３は、温度センサ７及びバイアス電圧制御回路８の回路を示す概念図である。
温度センサ７は、定電流回路７１とダイオード７２とから構成されており、温度が上昇するとダイオード７２に流れる電流が増加し、検出電圧Ｖfが低下し、逆に、温度が低下するとダイオードに流れる電流が減少し、検出電圧Ｖfが増加する。
バイアス電圧制御回路８は、バッファ回路８１、抵抗８２及び８３、増幅回路８４、基準電圧生成回路８５から構成されている。
【００２０】
バッファ回路８１は、増幅器（オペアンプ）で構成したボルテージフォロア回路であり、温度センサ７から入力された検出電圧Ｖfを、増幅回路８４の＋側端子に対して、抵抗８３を介して出力する。
また、増幅回路８４（オペアンプ）の−側端子には、基準電圧生成回路８５から入力される基準電圧Ｖrefが入力されている。
ここで、バイアス電圧ＶBIASによるＭＥＭＳ振動子６の共振周波数の変化の傾きが、温度によるＭＥＭＳ振動子６の共振周波数の変化の傾きと逆の特性となるように、このバイアス電圧ＶBIASを生成するため、温度センサ７からの検出電圧Ｖrの温度による変化の傾きに合わせて、増幅器８４及び抵抗８２、８３により非反転増幅を行っている。
【００２１】
すなわち、温度が上昇することによる共振周波数の低下をキャンセルするため、温度上昇の温度変化に対応してバイアス電圧ＶBIASを低下させ、共振周波数が増加するように非反転増幅を行う。したがって、温度センサ７における温度が上昇すると検出電圧Ｖfが低下する負の傾きに対応し、バイアス電圧ＶBIASを温度変化に対して検出電圧Ｖfと同様の傾き（同様の極性）とする必要があるため、非反転増幅を行う必要がある。ここで、温度センサ７の特性が温度上昇に対応して検出電圧Ｖfが増加する場合、非反転増幅ではなく反転増幅を行う。
増幅回路８４は、バッファ回路８１の出力する電圧、すなわち検出電圧Ｖfと、基準電圧生成回路８５の出力する基準電圧Ｖrefとの差電圧に、（抵抗８２の抵抗値Ｒ２）／（抵抗８３の抵抗値Ｒ１）で決まる増幅率（ゲイン）を乗じた数値を、基準電圧Ｖrefに対して加算した電圧を、バイアス電圧ＶBIASとして出力端子から出力する。
ＶBIAS＝Ｖref＋（Ｖf−Ｖref）×（Ｒ２／Ｒ１）
【００２２】
ここで、上記基準電圧Ｖrefは、図４に示すように、上記増幅回路８４において、予め設定された目的の共振周波数とするバイアス電圧、すなわちＭＥＭＳ発振器が出力する目的の発振周波数とする電圧である。
したがって、増幅回路８４は、基準電圧Ｖrefを中心にして（増幅率を変化させた場合にＶBIASの交差する点Ｐの電圧）、検出電圧Ｖf×増幅率分が増減、すなわち、Ｖf＞Ｖrefの場合、基準電圧Ｖrefに対し、検出電圧Ｖfから基準電圧Ｖrefを減算した結果に増幅率を乗算した電圧を加算したバイアス電圧ＶBIASを出力し、Ｖref＝Ｖfの場合、バイアス電圧ＶBIASとして基準電圧Ｖrefを出力し、Ｖf＜Ｖrefの場合、基準電圧Ｖrefに対して、検出電圧Ｖfから基準電圧Ｖrefを減算した結果に増幅率を乗じた電圧を加算、すなわち基準電圧Ｖrefから検出電圧Ｖfを減算した結果を減算したバイアス電圧ＶBIASを出力する。
【００２３】
抵抗８２及び８３のいずれかが可変抵抗などで構成され、可変抵抗により抵抗（抵抗８２及び８３のいずれか、あるいは双方）の抵抗値を調整し、増幅率（Ｒ２／Ｒ１）を変化させることにより、バイアス電圧ＶBIASの温度による変化率、すなわち温度に対応したバイアス電圧ＶBIASの変化の傾きを、ＭＥＭＳ振動子の温度特性に対応させて任意に調整することができる。
また、基準電圧生成回路８５には、基準電圧Ｖrefの電圧値を調整する手段が付加されており、外部から基準電圧Ｖrefを調整することにより、任意に基準となる共振周波数を変化させ、ＭＥＭＳ振動子６の共振周波数に対応させて目的の共振周波数に設定することができる。
【００２４】
上述した構成において、本実施形態においては、ＭＥＭＳ振動子６に対して、共振周波数の温度変化による傾きと、共振周波数のバイアス電圧ＶBIASの変化による傾きとが傾きの極性（正あるいは負）が逆となるバイアス電圧ＶBIASとなるように、バイアス制御回路８を構成している。
これにより、ＭＥＭＳ発振器１を製造した後の調整において、出力されるクロックの周波数を、例えば異なる２点の温度において測定し、測定された周波数と目的とする基準周波数とのずれを検出する。
【００２５】
そして、抵抗８２及び８３の抵抗値を変化させて、増幅率を調整することにより、温度間の出力されるクロックの周波数の差分を最低値に制御する。
次に、出力されるクロックの周波数が温度間においての変動が基準値内に収まった後、その調整された周波数が目的とする基準周波数とずれている場合、基準電圧Ｖrefを変化させ、目的とする基準周波数となるように調整する。
【００２６】
また、同一製品において、複数のＭＥＭＳ振動子６の各温度における共振周波数を測定し、測定した各ＭＥＭＳ振動子６の共振周波数を温度毎に平均し、同一製品におけるＭＥＭＳ振動子６の温度に対する共振周波数の変化の特性の平均値を求めておく。
本実施形態は、目的とする基準周波数に対する微調整を行うことを主な目的とした構成となっているため、共振周波数の温度による変化率（温度変化に対する共振周波数の変化の傾き）の平均値に合わせ、予め基準周波数に対応する基準電圧Ｖrefを予め設定しておき、上述したように、製造後に基準電圧Ｖrefの制御を行い、基準周波数の調整を行う。
【００２７】
これと合わせて、入力される温度センサ７において、上記基準電圧Ｖrefとする温度において、検出電圧Ｖｆがこの基準電圧Ｖrefと同様の値となるように、例えば定電流源７１の電流量を調整しておく。
また、この検出電圧Ｖfの温度による変化の傾きが、ＭＥＭＳ振動子６の共振周波数の温度変化の傾きをキャンセルするように、バイアス電圧ＶBIASによる共振周波数の変化の傾きを、ＭＥＭＳ振動子６の共振周波数の温度変化の傾きに合わせるよう（それぞれの傾きは逆の極性）、抵抗８２及び抵抗８３の抵抗値を設定しておく。
また、本実施形態においては、ＭＥＭＳ振動子の表面に対し、従来例に記載した温度補償用誘電体膜を設けると、さらに温度に対する共振周波数の補償の制度を向上させることができる。
【００２８】
実際のＭＥＭＳ振動子６におけるバイアス電圧ＶBIASの調整による共振周波数の変化を図５に示す。図５（ａ）は、温度２０℃で、ＶBIASが１０Ｖの場合の１．６５３８ＭＨｚを基準として、温度を２０℃一定として電圧を１０Ｖ刻みに変化させた際の、各電圧に周波数と、基準周波数からの変化分と、基準周波数からの１Ｖ当たりの周波数変化割合（ｐｐｍ）を示した図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のバイアス電圧ＶBIASと周波数の変化分との対応を示すグラフである。
図５から判るように、本実施形態においては、基準周波数に対して２０ｐｐｍのずれをバイアス電圧ＶBIASの電圧を変化させることにより、調整することが可能なことが判る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態によるＭＥＭＳ発振器の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１のバイアス制御回路８におけるバイアス電圧ＶBIASの変化による共振周波数の温度補償を説明する温度とＭＥＭＳ振動子６の共振周波数との対応を示すグラフである。
【図３】図１のバイアス制御回路８の回路構成例を示す概念図である。
【図４】図３のバイアス回路８が出力する温度とバイアス電圧ＶBIASとの対応を示すグラフである。
【図５】実際のＭＥＭＳ振動子６におけるバイアス電圧ＶBIASの調整による共振周波数の変化を示す図である。
【図６】従来のデジタル制御のＭＥＭＳ発振器の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…ＭＥＭＳ発振器
２，３，４…インバータ
５…バッファ
６…ＭＥＭＳ振動子
７…温度センサ
８…バイアス制御回路
７１…定電流回路
７２…ダイオード
８１…バッファ回路
８２，８３…抵抗
８４…増幅回路
８５…基準電圧生成回路
【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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