JP2013150244A - 温度補償型の発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度による共振周波数変動が大きい振動子を使用したときであっても、良好な位相雑音特性と温度特性とを両立させた発振器を構成できるようにする。
【解決手段】振動子２１，２２がそれぞれ接続した発振用の増幅回路１３，１４と、増幅回路１３，１４からの出力を混合するミキサ回路１５とを有する発振器において、増幅回路１３，１４の少なくとも一方の出力信号に対して周波数変換を行ってミキサ回路１５に供給する周波数変換回路２３，２４を設ける。基準温度における振動子２１，２２の共振周波数をそれぞれＦ₁，Ｆ₂とし、振動子２１，２２の共振周波数の温度による変化率として表される温度係数をそれぞれＡ₁，Ａ₂として、Ｆ₂／Ｆ₁≠｜Ａ₁／Ａ₂｜の関係が成立し、かつ、ミキサ回路１５からの出力が温度補償された出力周波数となるように、各周波数変換回路２３，２４での周波数逓倍度ｎ₁，ｎ₂を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、周囲温度に依存せずに高い周波数精度で発振信号を出力する発振器に関し、特に、振動子としてＭＥＭＳ（Microelectromechanical Systems；微小電気機械システム）振動子などの温度に対する共振周波数の変化が比較的大きい振動子を備える温度補償型の発振器に関する。

高い周波数安定度が要求される用途において、これまでは水晶発振器が一般的に用いられてきたが、近年、ＭＥＭＳ振動子を備えるＭＥＭＳ発振器を使用することが検討されるようになってきた。ＭＥＭＳ振動子とは、半導体装置製造技術の微細化に伴って開発されてきたものであり、例えば、非特許文献１に記載されるように、シリコンなどの半導体、あるいはＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの圧電体を例えば数μｍ〜数十μｍのサイズで微細かつ高精度に加工し、これにさらに電極などを配置して、振動子として構成したものである。例えば、シリコン半導体からなるＭＥＭＳ振動子は、半導体装置製造技術を使用し、直径数十μｍの円板をその直径方向に延びる２本の梁で保持した形状にシリコン層を加工した共振子と、その共振子に対して極めて近接して設けられた４個の電極とからなるものである。２本の梁は、円板に形成された共振子本体に対する可動部として機能し、共振子本体の輪郭系振動を阻害することなく共振子本体を支持する。電極は、共振子本体の外周を４等分する位置の各々において、共振子の外周面に対して例えば１００ｎｍのギャップを介して配置されており、各電極と共振子本体との間には静電容量が形成されることになる。このようなＭＥＭＳ振動子では、電極を介して共振子を静電駆動すれば共振子がその固有の機械的共振周波数で振動し、振動によって共振子と電極との間隔が微小に変化して静電容量が共振周波数で周期的に変化し、これに伴って電極電位も共振周波数で振動する。したがって、このようなＭＥＭＳ振動子を発振回路に組み込むことによって、ＭＥＭＳ振動子の共振周波数に一致する信号を出力する発振器、すなわちＭＥＭＳ発振器が得られることになる。

ＭＥＭＳ発振器は、半導体装置製造技術だけを用いて製造できるので小型化が容易であって低コストでの製造が可能であり、堅牢性に優れ、また、接着剤を用いて共振子を容器に固着させる必要もないので長期安定度に優れることになる。しかしながらＭＥＭＳ振動子では、温度によるその共振周波数の変化率として表される周波数温度特性において、二次以上の高次の温度係数は無視できるものの、一次の温度係数の絶対値が例えば水晶振動子などと比べて極端に大きい。そのため温度補償がなされていないＭＥＭＳ発振器においては、周囲温度の変化に応じ出力周波数が大きく変化する、という問題が生じる。また、ＭＥＭＳ振動子としてシリコンなどの非圧電性材料を用いた場合、振動子の等価回路における直列等価容量が極端に小さいため、振動子に接続される負荷容量の値を変化させても出力周波数はほとんど変化せず、したがって、負荷容量値を周囲温度に応じて変化させることによって周波数温度特性を補償するという手法を採用することができない。ＭＥＭＳ振動子とその周囲の電極との間に印加するバイアス電圧を変化させることによって、ＭＥＭＳ振動子の共振周波数が変化することが知られているが（特許文献１、非特許文献１）、バイアス電圧の変化による共振周波数変化は、周囲温度による共振周波数の変化を補償できるほどには大きくない。なお、ＭＥＭＳ振動子として圧電材料を用いた場合、例えば、ＦＢＡＲ（薄膜バルク弾性波共振器：Film Bulk Acoustic Resonator）として構成されたＭＥＭＳ振動子を使用する場合には、振動子に接続された負荷容量値を変化させることによって、ある程度の出力周波数の変化を行わせることが可能である（特許文献２）。以下の説明において、共振周波数の温度係数とは、基準温度での共振周波数からの変化率として共振周波数の周波数温度特性を表した場合における、一次の温度係数のことを指す。

ＭＥＭＳ発振器において周囲温度によらずに一定の出力周波数を得る方法として、ＰＬＬ（位相ロックループ；phase-locked loop）回路からなる周波数シンセサイザ回路にＭＥＭＳ発振器からの出力を供給し、ＰＬＬ回路内の分周回路における分周比を周囲温度に応じて変化させる方法（ＰＬＬ分周比補償方式）がある（非特許文献１）。この方法は、周囲温度に応じて分周比を切り替えるので、出力周波数が非連続に変化し、位相雑音特性が悪く、出力信号における位相の連続性が保証されない、という問題点を有する。したがって、これまで例えば温度補償型水晶発振器が使用されていた用途には、ＰＬＬ分周比補償方式によって温度補償されたＭＥＭＳ発振器を適用することは難しい。

特許文献３には、それぞれが異なる特性を有する多数のＭＥＭＳ発振器を用意し、周囲温度に応じてこれらのＭＥＭＳ発振器の中からいくつかを選択し、選択したＭＥＭＳ発振器からの出力周波数を加算したり減算したりすることによって、温度補償がなされた出力周波数を得ることが示されている。

特許文献４には、周波数温度特性が異なり共振周波数が異なる２つのＭＥＭＳ振動子を用い、それぞれのＭＥＭＳ振動子を別個の発振回路で発振させ、それらの発振信号をミキサ回路で混合することによって、周囲温度が変化しても出力周波数が変化しないようにした構成が開示されている。シリコンを用いたＭＥＭＳ振動子では、その表面にシリコン酸化膜を形成することによって温度係数を変化させることができることが知られている。シリコン酸化膜はＭＥＭＳ振動子単体での温度補償を目的として設けられるものである。そこで、共振周波数が１５０ＭＨｚであって温度係数が−１０ｐｐｍ／℃である第１のＭＥＭＳ振動子と、共振周波数が５０ＭＨｚであって温度係数が−３０ｐｐｍ／℃である第２のＭＥＭＳ振動子とを考える。ｐｐｍ表示で表した温度係数は両方のＭＥＭＳ振動子で異なっているが、温度変化に伴う周波数変化の実際の値を比較すると、いずれのＭＥＭＳ振動子においても−１．５ＫＨｚ／℃となって一致する。そこで、第１のＭＥＭＳ振動子による発振信号と第２のＭＥＭＳ振動子による発振信号とをミキサ回路で混合して両者の差周波数成分（１００ＭＨｚ）を抽出することとすると、温度変化に伴う周波数変化の寄与分が相殺されて、周囲温度の変化によらずに１００ＭＨｚの信号が得られることとなる。

図５は、２つのＭＥＭＳ振動子を用いる従来の発振器の構成を示す回路図である。ＭＥＭＳ振動子１１，１２はそれぞれ発振用の増幅回路１３，１４に接続しており、増幅回路１３，１４は、それぞれ、ＭＥＭＳ振動子１１，１２の共振周波数と一致する発振信号を出力する。これら２つの発振信号はミキサ回路１５に供給されており、ミキサ回路１５の出力には、２つの発振信号を混合した結果得られる差周波数成分の信号を抽出するためのローパスフィルタ１６が設けられている。ローパスフィルタ１６からの出力が出力周波数Ｆ_outである。

ここで、基準温度Ｔ₀を例えば２５℃として、ＭＥＭＳ振動子１１，１２の基準温度における共振周波数をＦ₁，Ｆ₂（ＭＨｚ）とする。また、ＭＥＭＳ振動子１１，１２の温度係数をそれぞれＡ₁，Ａ₂（ｐｐｍ／℃）とする。周囲温度がＴであるときのＭＥＭＳ振動子１１の共振周波数ｆ₁(Ｔ)は、
ｆ₁(Ｔ)＝Ｆ₁＋Ａ₁（Ｔ−Ｔ₀）Ｆ₁×１０^-6 （ＭＨｚ）
である。同様に、同じ周囲温度ＴでのＭＥＭＳ振動子１２の共振周波数ｆ₂(Ｔ)は、
ｆ₂(Ｔ)＝Ｆ₂＋Ａ₂（Ｔ−Ｔ₀）Ｆ₂×１０^-6 （ＭＨｚ）
で表される。ここで、ｆ₁(Ｔ)≧ｆ₂(Ｔ)を仮定しても一般性は失われないから、両方の共振周波数の差周波数ｆ₁(Ｔ)−ｆ₂(Ｔ)は、
ｆ₁(Ｔ)−ｆ₂(Ｔ)＝Ｆ₁−Ｆ₂＋（Ａ₁Ｆ₁−Ａ₂Ｆ₂）（Ｔ−Ｔ₀）×１０^-6 （ＭＨｚ）
で表される。ここでＦ₁／Ｆ₂＝Ａ₂／Ａ₁が成立しているとすると、Ａ₁Ｆ₁＝Ａ₂Ｆ₂であるから、
ｆ₁(Ｔ)−ｆ₂(Ｔ)＝Ｆ₁−Ｆ₂ （ＭＨｚ）
となって、両方の共振周波数の差周波数は、周囲温度によらず、常にＦ₁−Ｆ₂で表されることになる。すなわち温度補償がなされた出力周波数Ｆ_outが得られたことになる。

しかしながら、ＭＥＭＳ振動子の表面にシリコン酸化膜などを精度よく形成することは難しく、温度係数を所望の値に制御することが難しい。また、ＭＥＭＳ振動子の表面に膜を厚く形成した場合には、ＭＥＭＳ振動子の共振のＱ値が低下するので、結果として発振信号における周波数を不安定にすることになる。結局、特許文献４に記載の方法では、周囲温度の変化によらずに一定した周波数を出力するようにＭＥＭＳ発振器を構成することは困難である。

特表平１１−５０８４１８号公報 特開２００６−３１８４７８号公報 特表２００７−５２４３０３号公報 特開２００９−６５６０１号公報

追田 武雄，「発振器で沸き立つ「ＭＥＭＳ ｖｓ．水晶」比較論を水晶発振器メーカーが語る」，日経マイクロデバイス，第268号，pp. 71-76（2007年10月号）

ＭＥＭＳ振動子などの温度変化に応じて共振周波数が大きく変化する振動子を用いた従来の発振器では、共振周波数の温度による変化を補償して周囲温度によらずに一定の周波数の出力を得ようとすると、良好な位相雑音特性が得られない、などの問題点が生じる。

本発明の目的は、温度による共振周波数変動が大きい振動子を使用しても、良好な位相雑音特性と温度特性とを両立させた発振器を提供することにある。

本発明の発振器は、第１の振動子と、第２の振動子と、第１の振動子と組み合わされて第１の発振信号を出力する発振用の第１の増幅回路と、第２の振動子と組み合わされて第２の発振信号を出力する発振用の第２の増幅回路と、第１の発振信号と第２の発振信号とを混合するミキサ回路と、ミキサ回路の出力から所定の周波数の成分を選択して出力する周波数選択回路と、第１の発振信号の周波数変換を行う第１の周波数変換回路と、を備え、第１の周波数変換回路で周波数変換されたのちの第１の発振信号がミキサ回路に供給され、基準温度における第１及び第２の振動子の共振周波数をそれぞれＦ₁及びＦ₂とし、第１及び第２の振動子の共振周波数の温度による変化率として表される温度係数をそれぞれＡ₁及びＡ₂として、Ｆ₂／Ｆ₁≠｜Ａ₁／Ａ₂｜の関係が成立し、周波数選択回路から温度補償がなされた周波数の信号が得られる発振器である。

本発明の発振器では、第２の発振信号の周波数変換を行う第２の周波数変換回路をさらに備え、第２の周波数変換回路で周波数変換されたのちの第２の発振信号がミキサ回路に供給されるようにしてもよい。

基準温度Ｔ₀での共振周波数がそれぞれＦ₁，Ｆ₂であり、温度係数がそれぞれＡ₁，Ａ₂である２つの振動子を用い、振動子ごとに発振用の増幅回路を設け、周波数変換回路を設けることなく各増幅回路からの発振信号の差周波数を出力周波数とする場合には、Ｆ₂／Ｆ₁＝Ａ₁／Ａ₂である場合に、周囲温度に依存しないで一定の出力周波数を得ることはできる。この関係は、振動子がＭＥＭＳ振動子の場合に限られるものではなく、温度係数Ａ₁，Ａ₂が同符号である場合（Ａ₁Ａ₂＞０の場合）に、一般的に成り立つものである。もし、２つの振動子の温度係数の符号が異なる場合（Ａ₁Ａ₂＜０の場合）であれば、共振周波数ｆ₁(Ｔ)及びｆ₂(Ｔ)の和周波数を考えると、Ｆ₁Ａ₁＋Ｆ₂Ａ₂＝０である場合に、すなわちＦ₁／Ｆ₂＝−（Ａ₂／Ａ₁）である場合に、ｆ₁(Ｔ)＋ｆ₂(Ｔ)＝Ｆ₁＋Ｆ₂（ＭＨｚ）となって、周囲温度によらずに和周波数は常にＦ₁＋Ｆ₂で表され、周囲温度に依存しないで一定の出力周波数が得られることになる。温度係数Ａ₁，Ａ₂が同符号と異符号の場合とをまとめると、Ｆ₁／Ｆ₂＞０であるから、｜・｜は絶対値を表す記号として、Ｆ₁／Ｆ₂＝｜Ａ₂／Ａ₁｜である場合に、ミキサ回路等を用いて共振周波数ｆ₁(Ｔ)及びｆ₂(Ｔ)の差周波数または和周波数を得ることにより、周囲温度によらず一定の出力周波数が得られることになる。しかしながら、振動子において特に温度係数を正確に制御することは難しいから、結局、Ｆ₁／Ｆ₂＝｜Ａ₂／Ａ₁｜を満たすように２つの振動子を形成して温度補償された出力周波数を得ることは困難である。

これに対して本発明の発振器では、２つの増幅回路の少なくとも一方の出力に周波数変換回路を設け、この周波数変換回路において発振信号の周波数を変換する。周波数変換回路として、ＰＬＬ回路を有する周波数シンセサイザ回路あるいは分数逓倍回路を用いるとすると、この周波数変換回路を通したとしても発振信号における温度係数は変化しない。例えば、第１の振動子の方の増幅回路の出力に周波数変換回路を設けてそこでのＰＬＬ回路の分周比をｎ₁とすると、基準温度での周波数で考えて、周波数変換回路は共振周波数Ｆ₁を周波数Ｆ₁’（＝ｎ₁Ｆ₁）に変換する（すなわち周波数をｎ₁倍に逓倍する）が、温度係数Ａ₁はそのままとなる。Ｆ₂／Ｆ₁≠｜Ａ₁／Ａ₂｜の場合であっても、周波数変換回路での逓倍度ｎ₁を適切に設定することによってＦ₂／Ｆ₁’＝｜Ａ₁／Ａ₂｜とすることができるから、周波数変換回路のからの発振信号（基準温度での周波数Ｆ₁’）ともう一方の振動子からの発振信号（基準温度での周波数Ｆ₂）との差周波数または和周波数は、周囲温度によらずに一定となる。すなわち、温度係数が所定値に正確に制御された振動子を用いなくても、温度補償型発振器が構成されたことになる。２つの発振用の増幅回路の出力のそれぞれに周波数変換回路を設けた場合も同様である。

本発明の発振器には周波数変換回路が設けられるが、この周波数変換回路における逓倍度は、各振動子に固有のパラメータ（基準温度における共振周波数と温度係数）に応じて決定されるものであって、周囲温度に応じて変化するものではない。したがって本発明の発振器では、出力周波数が非連続に変化することはなく、出力信号における位相の連続性が保証され、良好な位相雑音特性が得られることになる。

本発明において振動子としては、ＭＥＭＳ振動子を初めとして、水晶振動子などの各種の振動子を用いることができる。２つの振動子のうち、一方の振動子を基本振動モードで駆動し、他方をスプリアスモードで駆動するようにしてもよい。振動子としてＭＥＭＳ振動子を用いる場合には、例えば、シリコン材料を用いるものであっても圧電材料を用いるものであってもよい。

本発明の発振器において周波数変換回路の逓倍度は、基準温度での各振動子の共振周波数Ｆ₁，Ｆ₂と各振動子の温度係数Ａ₁，Ａ₂に応じて、差周波数または和周波数が周囲温度によらずに一定となるように定められる。その結果得られる出力周波数自体は、必ずしも所望の周波数と一致するとは限らない。そこで、ミキサ回路の出力から所定の周波数の成分すなわち差周波数または和周波数の成分を選択して出力する周波数選択回路の出力に、さらに周波数変換回路を接続して、最終的に所望の出力周波数が得られるようにすることが好ましい。

本発明は、共振周波数と温度係数が異なっている２つの振動子を用いて温度補償された出力周波数を得る場合に各振動子に固有のパラメータによって逓倍度が定まる周波数変換回路を用いることによって、各振動子における温度係数などの厳密な設定などを必要とせず、振動子の製造上の困難さを回避して、良好な位相雑音特性と温度特性とを両立させた発振器が得られる、という効果がある。

本発明の実施の一形態の温度補償型発振器の構成を示す回路図である。 本発明の別の実施形態の温度補償型発振器の構成を示す回路図である。 振動子に印加される静電駆動バイアス電圧を可変とした本発明に基づく温度補償型発振器の構成を示す回路図である。 振動子に対して可変容量素子を接続した本発明に基づく温度補償型発振器の構成を示す回路図である。 ２つのＭＥＭＳ振動子を用いる従来の発振器の構成を示す回路図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に示した温度補償型発振器は、本発明に基づく発振器の原理的な構成を示したものである。

２つの振動子２１，２２が設けられており、これらの振動子２１，２２の基準温度Ｔ₀（例えば２５℃）における共振周波数はそれぞれＦ₁，Ｆ₂（ＭＨｚ）であり、温度係数はそれぞれＡ₁，Ａ₂（ｐｐｍ／℃）であるとする。ここでは、Ｆ₁／Ｆ₂≠｜Ａ₂／Ａ₁｜であるとする。

振動子２１は、発振用の増幅回路１３の入力と出力との間に挿入されている。増幅回路１３は、振動子２１を共振素子として発振して発振信号を出力する。振動子２１の共振周波数には温度係数Ａ₁で表される温度依存性があることにより、この発振信号の周波数ｆ₁(Ｔ)も温度Ｔの関数であり、ｆ₁(Ｔ)＝Ｆ₁＋Ａ₁（Ｔ−Ｔ₀）Ｆ₁×１０^-6（ＭＨｚ）で表される。増幅回路１３からの発振信号は、分数分周型のＰＬＬ回路を有する周波数シンセサイザ回路から構成された周波数変換回路２３に供給される。ＰＬＬ回路での分周比をｎ₁とすると、周波数変換回路２３は、増幅回路１３から出力される発振信号の周波数ｆ₁(Ｔ)をｎ₁倍に逓倍して周波数ｆ₁'(Ｔ)の信号として出力する。周波数変換回路２３としては、分数逓倍回路を用いてもよい。同様に、振動子２２は、発振用の増幅回路１４の入力と出力との間に挿入されている。増幅回路１４は、振動子２２を共振素子として用いて発振し、周波数ｆ₂(Ｔ)で表される発振信号を出力する。ｆ₂(Ｔ)は温度の関数であって、ｆ₂(Ｔ)＝Ｆ₂＋Ａ₂（Ｔ−Ｔ₀）Ｆ₂×１０^-6（ＭＨｚ）で表される。増幅回路１４からの発振信号は、分周比がｎ₂である分数分周型のＰＬＬ回路を有する周波数シンセサイザ回路から、あるいは分数逓倍回路から構成された周波数変換回路２４に供給される。周波数変換回路２４は、増幅回路１４から出力される発振信号の周波数ｆ₂(Ｔ)をｎ₂倍に逓倍して周波数ｆ₂'(Ｔ)の信号として出力する。周波数逓倍度ｎ₁，ｎ₂は、一般に、正の有理数で表される。

各周波数変換回路２３，２４からの信号が入力してそれらの信号の和周波数及び差周波数に相当する周波数の信号を生成するミキサ回路１５が設けられている。ミキサ回路１５から出力される信号の周波数をｆ_mixとおくと、ｆ_mix＝ｆ₁'(Ｔ)±ｆ₂'(Ｔ)で表される。複号（±）のうち、「＋」は和周波数に対応し、「−」は差周波数に対応する。ｆ₁'(Ｔ)＝ｎ₁ｆ₁(Ｔ)，ｆ₂'(Ｔ)＝ｎ₂ｆ₂(Ｔ)であるから、
ｆ_mix＝ｆ₁'(Ｔ)±ｆ₂'(Ｔ)
＝ｎ₁Ｆ₁±ｎ₂Ｆ₂＋（ｎ₁Ａ₁Ｆ₁±ｎ₂Ａ₂Ｆ₂）（Ｔ−Ｔ₀）×１０^-6 （ＭＨｚ）
となる。この式より、温度係数Ａ₁，Ａ₂の値が異符号であれば、ｎ₁／ｎ₂＝−（Ａ₂Ｆ₂／Ａ₁Ｆ₁）が成り立つように逓倍度ｎ₁，ｎ₂を選択によってｎ₁Ａ₁Ｆ₁＋ｎ₂Ａ₂Ｆ₂＝０とすることができ、このとき、和周波数は温度に関係なくｎ₁Ｆ₁＋ｎ₂Ｆ₂で表されることになる。すなわち、温度補償がなされた出力周波数として、ミキサ回路１５からの和周波数成分を使用できることになる。同様に、温度係数Ａ₁，Ａ₂の値が同符号であれば、ｎ₁／ｎ₂＝（Ａ₂Ｆ₂／Ａ₁Ｆ₁）が成り立つように逓倍度ｎ₁，ｎ₂を選択によってｎ₁Ａ₁Ｆ₁−ｎ₂Ａ₂Ｆ₂＝０とすることができ、このとき、差周波数は温度に関係なくｎ₁Ｆ₁−ｎ₂Ｆ₂で表される。すなわち、温度補償がなされた出力周波数として、ミキサ回路１５からの差周波数成分を使用できることになる。

２つの振動子２１，２２に関して実測されたＦ₁，Ｆ₂，Ａ₁，Ａ₂に基づいて上記のようにして周波数変換回路２３，２４の逓倍度ｎ₁，ｎ₂を定めることにより、ミキサ回路１５から出力される和周波数または差周波数の一方は、周囲温度が変化したとしても一定の周波数のままとなる。ミキサ回路１５の出力には、和周波数成分または差周波数成分のうち上述のようにして温度補償がなされている方を選択して出力周波数Ｆ_out1として出力するための周波数選択回路２５が設けられている。周波数選択回路２５は、例えば、ローパスフィルタ（差周波数成分を選択する場合）、ハイパスフィルタ（和周波数成分を選択する場合）あるいはバンドパスフィルタによって構成することができる。

振動子を作成する際に、その共振周波数はともかく、温度係数を正確に制御することは難しいから、図１に示した発振器では、振動子２１，２２に関して実測されたＦ₁，Ｆ₂，Ａ₁，Ａ₂に基づいて逓倍度ｎ₁，ｎ₂を定めて正確に温度補償がされた出力周波数Ｆ_out1を得た場合、ユーザが所望する周波数にこの出力周波数Ｆ_out1が一致しないことが考えらえる。そこで、出力周波数Ｆ_out1が所望の周波数に一致しない場合には、出力周波数Ｆ_out1をさらに周波数変換して最終的な出力周波数Ｆ_out2とする出力周波数変換回路２６を設ければよい。出力周波数変換回路２６は、例えば、分数分周型のＰＬＬ回路を有する周波数シンセサイザ回路によって、あるいは分数逓倍回路によって、構成することができる。

図１に示した発振器では、２つの周波数変換回路２３，２４を設けて周波数ｆ₁(Ｔ)及びｆ₂(Ｔ)の発振信号を周波数変換し、より高い周波数ｆ₁'(Ｔ)及びｆ₂'(Ｔ)としている。出力周波数Ｆ_out1として差周波数（ｆ₁'(Ｔ)−ｆ₂'(Ｔ)）を用いる場合には、和周波数の周波数（ｆ₁'(Ｔ)＋ｆ₂'(Ｔ)）が差周波数よりもかなり大きくなるため、周波数選択回路２５としてローパスフィルタなどを用いる場合にこのフィルタの設計が容易になってかつ小型化が可能であり、フィルタを例えば集積回路の中に組み込むことが可能となる。その結果、単一の半導体基板を用いて発振用の増幅回路１３，１４、周波数変換回路２３，２４、ミキサ回路１５、周波数選択回路２５及び出力周波数変換回路２６を単一のＩＣ（集積回路）チップあるいはＬＳＩ（大規模集積回路）チップとして構成することを容易に行えるようになる。振動子２１，２２としてＭＥＭＳ振動子を用いるのであれば、振動子２１，２２もＩＣチップ内あるいはＬＳＩチップ内に組み込むことが可能である。

なお、図１に示した例において、温度補償された出力周波数Ｆ_out1が得られる条件は、ｎ₁／ｎ₂＝Ａ₂Ｆ₂／Ａ₁Ｆ₁またはｎ₁／ｎ₂＝−（Ａ₂Ｆ₂／Ａ₁Ｆ₁）が成り立つことである。この２つの条件をまとめるとｎ₁／ｎ₂＝｜Ａ₂Ｆ₂／Ａ₁Ｆ₁｜と記載することができる。明らかに、ｎ₁またはｎ₂の一方を１としてもこの式を成立させることはできるから、周波数変換回路２３，２４のうちの一方を設けなくても温度補償された出力周波数Ｆ_out1が得られる。

図２は、本発明に基づく発振器の具体的な構成の一例を示している。図２に示したものは、図１に示した構成において２つの振動子としてＭＥＭＳ振動子１１，１２を用い、周波数変換回路２４の設置を省略したものである。したがって、ミキサ回路１５には、周波数変換回路２３から周波数ｆ₁'(Ｔ)の信号が供給され、増幅回路１４から周波数ｆ₂(Ｔ)の発振信号が供給されることになる。この場合、ＭＥＭＳ振動子１１，１２の温度係数Ａ₁，Ａ₂の値は同符号であるから、ミキサ回路１５の出力ｆ_mixから差周波数（ｆ₁'(Ｔ)−ｆ₂(Ｔ)）を選択すればよく、そのため、周波数選択回路としてローパスフィルタ１６が用いられている。

ＭＥＭＳ振動子において温度係数を変化させるためには、例えばＭＥＭＳ振動子がシリコン材料で構成されている場合であれば、振動子の表面に温度補償用材料としてシリコン酸化膜を設け、このシリコン酸化膜の厚さを制御する方法を用いることができる。ＭＥＭＳ振動子の共振周波数は振動子サイズに依存し、製造上の理由などにより振動子サイズを大きく変えることは難しいので、同一の振動モードを用いたままではＭＥＭＳ振動子の共振周波数を大きく変化させることはできない。そこで、２つのＭＥＭＳ振動子間で共振周波数を大きく異ならせるために、例えば、一方のＭＥＭＳ振動子を基本振動モードで駆動し、他方のＭＥＭＳ振動子をスプリアスモードで駆動するようにしてもよい。

図２に示した発振器では、Ｆ_out1は、
Ｆ_out1＝ｎ₁ｆ₁(Ｔ)−ｆ₂(Ｔ)
＝ｎ₁Ｆ₁−Ｆ₂＋（ｎ₁Ａ₁Ｆ₁−Ａ₂Ｆ₂）（Ｔ−Ｔ₀）×１０^-6 （ＭＨｚ）
で表される。ｎ₁＝Ａ₂Ｆ₂／Ａ₁Ｆ₁であれば、Ｆ_out1＝ｎ₁Ｆ₁−Ｆ₂で表され、温度補償がされた出力周波数Ｆ_out1が得られることになる。

図３は、図２に示した構成において、ＭＥＭＳ振動子１１，１２として、シリコン材料からなるＭＥＭＳ振動子３１，３２を用いた例を示している。シリコン材料からなるＭＥＭＳ振動子３１，３２では、振動子に印加される静電駆動用のバイアス電圧を変化させることにより、共振周波数をわずかに変化させることができる。そこで、出力周波数の微調整するために、また、振動子の周波数温度特性における２次以上の係数の寄与を補償するために、静電駆動可変バイアス回路３５を設け、２つのＭＥＭＳ振動子３１，３２にそれぞれ印加される静電駆動用バイアス電圧Ｖｐ₁，Ｖｐ₂の値を独立に制御するようにしている。

図４は、図２に示した構成において、ＭＥＭＳ振動子１１，１２として、圧電材料からなるＭＥＭＳ振動子３３，３４を用いた例を示している。圧電材料からなるＭＥＭＳ振動子３３，３４では、振動子に対して可変容量ダイオードなどの可変容量素子を負荷容量として接続し、この負荷容量の値を変化させることによって、共振周波数をわずかに変化させることができる。ＭＥＭＳ振動子３３，３４としても、負荷容量として可変容量素子が振動子に電気的に接続したものが用いられている。図４に示したものでは、出力周波数の微調整するために、また、振動子の周波数温度特性における２次以上の係数の寄与を補償するために、負荷容量可変用バイアス回路３６が設けられており、２つのＭＥＭＳ振動子３３，３４の可変容量素子にそれぞれ印加されるバイアス電圧Ｖｃ₁，Ｖｃ₂の値を独立に制御するようにしている。

図２〜図４に示した例では、振動子としてＭＥＭＳ振動子を用いているが、本発明の発振器において用いられる振動子はＭＥＭＳ振動子に限られるものではなく、他の種類の振動子を用いることができる。

１１，１２，３１〜３４ ＭＥＭＳ振動子
１３，１４ 増幅回路
１５ ミキサ回路
１６ ローパスフィルタ
２１，２２ 振動子
２３，２４ 周波数変換回路
２５ 周波数選択回路
２６ 出力周波数変換回路
３５ 静電駆動可変バイアス回路
３６ 負荷容量可変用バイアス回路

Claims (11)

1. 第１の振動子と、第２の振動子と、前記第１の振動子と組み合わされて第１の発振信号を出力する発振用の第１の増幅回路と、前記第２の振動子と組み合わされて第２の発振信号を出力する発振用の第２の増幅回路と、前記第１の発振信号と前記第２の発振信号とを混合するミキサ回路と、前記ミキサ回路の出力から所定の周波数の成分を選択して出力する周波数選択回路と、前記第１の発振信号の周波数変換を行う第１の周波数変換回路と、
   を備え、
   前記第１の周波数変換回路で周波数変換されたのちの前記第１の発振信号が前記ミキサ回路に供給され、基準温度における前記第１及び第２の振動子の共振周波数をそれぞれＦ１及びＦ２とし、前記第１及び第２の振動子の共振周波数の温度による変化率として表される温度係数をそれぞれＡ₁及びＡ₂として、Ｆ₂／Ｆ₁≠｜Ａ₁／Ａ₂｜の関係が成立し、前記周波数選択回路から温度補償がなされた周波数の信号が得られる、発振器。
2. 前記周波数選択回路から出力される信号を周波数変換して最終的な出力周波数の信号として出力する出力周波数変換回路を備える、請求項１に記載の発振器。
3. 前記第２の発振信号の周波数変換を行う第２の周波数変換回路をさらに備え、前記第２の周波数変換回路で周波数変換されたのちの前記第２の発振信号が前記ミキサ回路に供給される、請求項１または２に記載の発振器。
4. 前記第１及び第２の振動子はシリコンによってＭＥＭＳ振動子として構成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発振器。
5. 前記第１及び第２の振動子は圧電材料によってＭＥＭＳ振動子として構成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発振器。
6. 前記第１及び第２の振動子に対して印加される静電駆動用のバイアス電圧を発生する可変バイアス回路をさらに備える、請求項４に記載の発振器。
7. 前記第１及び第２の振動子に対してそれぞれ電気的に接続し印加されるバイアス電圧で容量値が変化する第１及び第２の可変容量素子と、前記バイアス電圧を発生する負荷容量可変用バイアス回路と、をさらに備える、請求項５に記載の発振器。
8. 前記周波数選択回路は、低域通過フィルタまたは帯域通過フィルタを有する、請求項４乃至７のいずれか１項に記載の発振器。
9. 前記第１及び第２の振動子の少なくとも一方に、振動子単体での温度補償用材料が付加されている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発振器。
10. 前記第１及び第２の振動子の一方を基本振動モードで駆動し、他方をスプリアスモードで駆動する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の発振器。
11. 前記各周波数変換回路は、ＰＬＬ回路を有する周波数シンセサイザ回路、あるいは分数逓倍回路によって構成される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発振器。

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