JP3949990B2 - 電圧制御発振器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧制御発振器に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、薄膜圧電共振子を使用した電圧制御発振器が注目されている。薄膜圧電共振子(FBAR:Film Bulk Acoustic Wave Resonator)は、基板上に形成された空洞上に、下部電極、圧電体膜及び上部電極を順次形成した素子である。
【0003】
このような薄膜圧電共振子は、空気層に接した下部電極及び上部電極と圧電体膜をあわせた厚さが発振波長の半波長になる条件の周波数で共振を生じる。1GHzから5GHzの周波数では、その厚さは0.5μmから3μm程度の厚さに対応する。このように特にGHz以上の高周波領域の共振に有利である。
【0004】
図27に、このような薄膜圧電共振子における共振周波数付近のインピーダンス変化を示す。
【0005】
図27に示すように、インピーダンスは***振周波数fAで極大値を、共振周波数fRで極小値を示す。
【0006】
また、図28に、薄膜圧電共振子における共振周波数付近の位相変化を示す。
【0007】
図28に示すように、***振周波数fA以上及び共振周波数fR以下の周波数においては、位相が90°遅れ、***振周波数fAと共振周波数fR間の周波数においては、位相が90°進む。
【0008】
このようなインピーダンス特性と位相特性を利用して共振回路を形成することが可能になる。
【0009】
***振周波数fA及び共振周波数fRは、圧電膜の実効的電気機械結合係数k2 effとの間に、次の関係がある。
【0010】
したがって、圧電体膜の電気機械結合係数k2 effにより共振周波数fRと***振周波数fAの差は決まる。
【0011】
このような薄膜圧電共振子を用いて、電圧制御発振器を形成する場合、通常薄膜圧電共振子と、電圧により容量値が変化するバラクタなどのバリキャップ素子を直列或いは並列に組み合わせて使用する。
【0012】
このように容量成分と薄膜圧電共振子を組み合わせた場合は、発振周波数は薄膜圧電共振子単体の共振周波数と***振周波数の間になる。この発振周波数範囲の範囲は、式(1)から分かるように実効的に電気機械結合係数k2 effにより制限される。
【0013】
また、バラクタのQ値は薄膜圧電共振子のQ値よりはるかに小さいので、電圧制御発振器のQ値が低下してしまい、位相雑音が大きくなるという問題がある。
【0014】
また、周波数可変幅を広げるために、コイルなどのリアクタ素子を直列或いは並列に組み合わせて使用することがある。しかしながらリアクタ素子のQ値は著しく低いので、電圧制御発振器のQ値がさらに低下してしまい、位相雑音がさらに大きくなるという問題がある。またリアクタ素子は経時変化が大きく、安定度に欠けるという問題もある。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、周波数安定度が高く、位相雑音に優れ、経時変化の少ない、広い周波数可変範囲を持つ、超小型の新規な電圧制御発振器を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を複数組み合わせて複数の薄膜圧電共振子とし、
前記複数の薄膜圧電共振子の一対の電極のうち一方に、それぞれ同一の制御電圧が印加され、
共振ループ内で直列に接続された複数の増幅器を有し、
前記複数の薄膜圧電共振子は互いに直列に、かつ前記増幅器とは並列に接続され、前記複数の薄膜圧電共振子における***振点付近の周波数で発振する如くし、
前記制御電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にすることを特徴とする電圧制御発振器を提供する。
【0017】
また、本発明は、分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を複数組み合わせて複数の薄膜圧電共振子とし、
前記複数の薄膜圧電共振子の一対の電極のうち一方に、それぞれ同一の制御電圧が印加され、
前記複数の薄膜圧電共振子は、電気的には絶縁されたそれぞれ独立の2個の発振ループを有し、
前記複数の薄膜圧電共振子の共振点付近の周波数で発振するようにし、
前記制御電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にすることを特徴とする電圧制御発振器を提供する。
【0018】
このとき、前記複数の薄膜圧電共振子は弾性的に結合していることが好ましい。
【0019】
また、本発明は、分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を複数組み合わせて複数の薄膜圧電共振子とし、
前記複数の薄膜圧電共振子は、膜厚方向に積層され、それぞれの強誘電体薄膜の間に、同一の制御電圧を印加する電極が共通電極として配置され、かつ前記複数の薄膜圧電共振子の電極及び強誘電体薄膜を含む厚さが、発振周波数の1/4波長に相当し、
前記制御電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にすることを特徴とする電圧制御発振器を提供する。
【0020】
また、本発明は、分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を複数組み合わせて複数の薄膜圧電共振子とし、
前記複数の薄膜圧電共振子の強誘電体薄膜は共通に用いられ、前記複数の薄膜圧電共振子は、面内に隣接して設置されており、
前記強誘電体薄膜に同一の制御電圧を印加する電極が配置され、
前記制御電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にすることを特徴とする電圧制御発振器を提供する。
【0021】
また、前記電圧制御発振器を単独で或いは組み合わせて複数用い、前記複数の電圧制御発振器からの出力周波数の差を出力する乗算器を具備することが好ましい。
【0022】
また、本発明は、分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を複数組み合わせて複数の薄膜圧電共振子とし、
前記複数の薄膜圧電共振子の一対の電極のうち一方に、それぞれ同一の制御電圧が印加され、
前記制御電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にする電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器に接続された複数のキャパシタを有し、
外部制御信号により前記複数のキャパシタのうち特定のキャパシタを選択して、このキャパシタを共振子として用いることを特徴とする電圧制御発振器を提供する。
【0023】
また、本発明は、分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を有し、
前記一対の電極間の印加電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にする電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器を複数具備し、
外部制御信号により前記複数の電圧制御発振器のうち特定の電圧制御発振器を選択することを特徴とする電圧制御発振器を提供する。
【0024】
また、本発明は、分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を有し、
前記薄膜圧電共振子に接続され、前記薄膜圧電共振子の強誘電体薄膜材料と同じ材料の強誘電体薄膜を圧電アクチュエータとして用いるスイッチング素子を具備し、
前記一対の電極間の印加電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にすることを特徴とする電圧制御発振器を提供する。
【0025】
また、前記強誘電体薄膜が、単結晶上にエピタキシャル成長したペロブスカイト型結晶構造を持つことが好ましい。
【0026】
また、前記強誘電体薄膜が、チタン酸バリウム或いはチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とすることが好ましい。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、種々変形して用いることができる。
【0030】
本発明者らは、強誘電体を薄膜圧電共振子の圧電体として使用することについて、理論及び実験の幅広い面から繰返し検討を行った。その結果、強誘電体材料は本質的に電界を印加することで音速が大きく変化する性質を有しており、いくつかの条件を満たすことで、強誘電体に制御電圧を印加することで発振周波数を可変にすることが可能であることを見出した。
【0031】
具体的には、圧電体として使用する強誘電体材料は、分極方向が膜厚方向に揃った単結晶膜である必要がある。強誘電体膜の圧電性を充分に引き出し、かつ電圧印加により周波数可変にするためには、強誘電体膜の分極方向を膜厚方向に揃えることが必要である。そのためにはエピタキシャル成長により単結晶にすることが好ましい。
【0032】
さらに、強誘電体膜の厚さは10μm以下であることが必要である。望ましくは3μm以下である。周波数可変範囲を大きく取るためには、強誘電体に加わる電界が大きいことが必要であり、移動体通信機で利用可能な電圧が3V程度であることを考えると、膜厚は10μm以下である必要がある。
【0033】
この強誘電体膜を、一対の電極間に挟み、電極間に印加する電圧を変化することで、発振周波数を変調する電圧制御発振器を提供できる。
【0034】
このような電圧制御発振器は、強誘電体膜の共振周波数そのものを変化させるので電気機械結合係数によらず周波数可変幅を決定できる。また、集積化が難しくQ値の低いバラクタを必要としない回路構成が可能となる。
【0035】
また、制御電圧に対して電圧制御発振器の共振周波数変化率をある程度大きくすることができる。通常の携帯無線機器の動作電圧が3V程度以下であることを考慮すると、少なくとも0.01%/V以上の変化率、望ましくは0.02%/V以上の変化率を実現できる。
【0036】
この変化率を実現するためには、エピタキシャル成長させたチタン酸バリウムやPZTなどの強誘電体を用いることが好ましい。
【0037】
我々は、チタン酸バリウムの場合、約2GHzの発振周波数に対応する1μmの膜厚の強誘電体膜に3Vのバイアス電圧を印加することで、約0.5%の共振周波数の変化を実現することを見出した。
【0038】
したがって、チタン酸バリウムを圧電体として使用することで、非常にQ値の高い発振回路が構成できる。この時発振周波数の可変範囲は、(共振・***振周波数間でなく)共振周波数の可変幅で決定される為、回路定数や雑音に対し安定な(低雑音の)電圧制御発振器を構成することが可能となる。
【0039】
(実施形態1)
図1に、本発明の実施形態1に関わる電圧制御発振器の断面図を示す。
【0040】
この電圧制御発振器は、シリコン基板1上にエピタキシャル成長したチタン酸バリウム強誘電体膜7を圧電体4として用いている。この圧電体4を挟むように形成された一対の電極3、5としてイリジウム(Ir)電極を用いている。この強誘電体膜7と、これを挟む一対の電極3及び5で、薄膜圧電共振子が形成されている。
【0041】
この電圧制御発振器は、シリコン基板1上に、SrRuO3犠牲層8をエピタキシャル成長し、この上にイリジウム下部電極3、チタン酸バリウム強誘電体膜7及びイリジウム上部電極5をエピタキシャル成長する。その後共振部6となる部分の下の犠牲層8を除去し、空洞2を形成することによって作成できる。
【0042】
この電圧制御発振器において、一対の電極3、5間に交流電圧を印加すると圧電逆効果により交番応力が発生し、厚み縦モードの弾性振動の共振が励起されるようになっている。
【0043】
さらに一対の電極3、5間を制御電圧Vcに相当する直流バイアス電圧を印加すると、強誘電体内の音速が変化するため、共振周波数や***振周波数を可変とすることができる。
【0044】
図2に、この電圧制御発振器において、制御電圧に対する共振周波数及び***振周波数を測定した結果を示す。この場合、強誘電体膜7の膜厚を1100nm、下部電極3の膜厚を100nm、上部電極5の膜厚を150nmとした。
【0045】
図2から分かるように、制御電圧Vcとして、直流電圧を0.2V〜3.0Vに変化させると、共振周波数は1.995GHz〜2.0055GHzに変化し、***振周波数は2.85GHz〜2.0951GHzに変化する。すなわち、両周波数とも約0.20%/Vの変化率が観測された。また、Q値として900と非常に高い値が得られ、位相雑音の少ない発振が可能である。
【0046】
次に、図3に、電圧制御発振器を2個用いた平衡型電圧制御発振器の基本ブロック回路図を示す。
【0047】
図3に示すように、2個の反転型増幅器111及び112が直列に接続された発振ループ内に、直列に接続した一対の電圧制御発振器113及び114を並列に接続している。電圧制御発振器113は電極115及び116を持ち、電圧制御発振器114は電極117及び118を持つ。
【0048】
電極115及び117に制御電圧Vcontを印加することで、電圧制御発振器113及び114の***振周波数を変えることができ、発振回路の出力周波数を可変とすることができる。このとき電極116と118は逆位相の関係にある。
【0049】
この平衡型電圧制御発振器においては、電圧制御発振器113及び114のインピーダンスが極大となる***振周波数付近で発振回路のループゲインが最大になり、発振を生じる。
【0050】
次に、図4に、図3に示す反転増幅器111及び112をCMOSインバータで形成したときの等価回路120を示す。
【0051】
図4に示すように、P型MOSトランジスタ121とN型MOSトランジスタ122によりCMOSインバータが形成され、同様にP型MOSトランジスタ124とN型MOSトランジスタ123によりもう一つのCMOSインバータが形成されている。片方のCMOSインバータの出力が直流カット用のキャパシタ127を介して他方のCMOSインバータの入力に接続する。
【0052】
このCMOSインバータのループに、直列に接続された一対の電圧制御発振器125及び126が並列に接続されている。また出力Voutには、出力バッファアンプ128及び129が接続されている。
【0053】
このようなCMOSインバータを用いた平衡型電圧制御発振器では、2GHz帯で10MHz以下の周波数可変範囲の用途に好適な、非常にQ値の高いものである。
【0054】
この平衡型電圧制御発振器は、一対の電圧制御発振器を使用し、それぞれの共振子の逆相関係となる電極が平衡型発振ループに接続されており、平衡型電圧制御発振器に適した同一周波数でかつ逆相の2出力を出力することが可能になる。
【0055】
(実施形態2)
図5に、本発明の実施形態2に関わる平衡型電圧制御発振器の断面図を示す。
【0056】
先ず、平衡型電圧制御発振器に使用される一対の薄膜圧電共振子は、発振を揃えるために、互いに弾性的に結合していることが望ましい。弾性的に結合している薄膜圧電共振子としては、膜厚方向に積層された、いわゆる積層クリスタルフィルタと呼ばれる構造や、面内方向に結合した、いわゆるモノリシッククリスタルフィルタと呼ばれる構造などを利用することができる。ここでは積層クリスタルフィルタについて説明する。
【0057】
図5に示すように、この平衡型電圧制御発振器は、シリコン基板131上に、SrRuO3犠牲層8をエピタキシャル成長し、この上にイリジウム下部電極133、チタン酸バリウム強誘電体膜134、イリジウム中間電極135、チタン酸バリウム強誘電体膜136及びイリジウム上部電極137をエピタキシャル成長する。その後共振部138となる部分の下の犠牲層8を除去し、空洞132を形成することによって作成できる。
【0058】
この平衡型電圧制御発振器は、下部電極133、強誘電体膜134及び中間電極135からなる第1の薄膜圧電共振子と、中間電極135、強誘電体膜136及び上部電極137からなる第2の薄膜圧電共振子が積層されており、複数の薄膜圧電共振子が非常に強く弾性的に連結されている。
【0059】
下部電極133から共通の中間電極135までの厚さが発振周波数の1/4波長に相当し、同様に中間電極135から上部電極137までの厚さが発振周波数の1/4波長に相当している。したがって下部電極133から上部電極間137での厚さが発振周波数の半波長になり共振を生じる。すなわち発振周波数の2倍の基本共振周波数を持つ2個の薄膜圧電共振子を用いている。
【0060】
図5に示すように、厚さ方向の位相分布は上部電極137と下部電極133が逆位相となる。この一対の薄膜圧電共振子を、例えば図4に示した電圧制御発振回路のノードN1及びN2の間に組み込むことで、好適な平衡型電圧制御発振器を形成することができる。
【0061】
平衡型電圧制御発振器に使用される一対の電圧制御発振器は、Q値の高い発振を実現するためにできるだけ共振特性の揃った薄膜圧電共振子が要求されるが、現実的には成膜条件等の微妙なずれにより共振周波数などに若干の違いが生じ、この違いが発振特性を悪化させる。
【0062】
そこで一対の薄膜圧電共振子を弾性的に結合して実質的に同一の共振子として共振させるため、非常に純度の高い共振特性が得られ、平衡型電圧制御発振器においては、2出力の特性を完全にバランスさせることが可能になる。
【0063】
(実施形態3)
図6及び図7に、本発明の実施形態3に関わる平衡型電圧制御発振器の断面図を示す。
【0064】
ここでは面内方向に弾性的に結合した、モノリシッククリスタルフィルタ構造について説明する。モノリシッククリスタルフィルタを使用しても、実施形態2と同様の平衡型電圧制御発振器用の1対の薄膜圧電共振子を形成することが可能である。
【0065】
圧電膜面内に隣接して設置された薄膜圧電共振子同士の連結モードは種々知られており、バルク縦振動においては、隣接した共振子が逆位相となる反対称モード(斜対称モードないしはAモード)と、同位相となる対称モード(Sモード)がある。どちらのモードが優勢になるかは、電極間隔や電極寸法、圧電体の弾性マトリックス、周囲の拘束条件などによる。
【0066】
この平衡型電圧制御発振器は、同一の強誘電体膜を使用し、弾性的に結合するように面内に隣接して設置されている。
【0067】
これにより、完全に弾性的に結合して同一周波数で振動し、かつ逆位相の出力を構成することが可能になる。
【0068】
図6は、対称モードを使用した場合のモノリシッククリスタルフィルタ構造配置の断面模式図である。
【0069】
図6に示すように、シリコン基板141の上に作成した空洞142の上に、下部電極A144、下部電極B145、強誘電体膜143、上部電極A146及び上部電極B147が形成されている。これらが薄膜圧電共振子となる。
【0070】
下部電極A144、強誘電体膜143及び上部電極A146からなる第1の薄膜圧電共振子と、下部電極B145、強誘電体膜143、上部電極B147からなる第2の薄膜圧電共振子が隣接して設置されている。
【0071】
また、図6に示すように、面内の位相分布は、2個の薄膜圧電共振子が同位相となるように、薄膜圧電共振子が強く弾性的に連結されている。
【0072】
したがって、逆位相となる上部電極A146及び下部電極B145を、図4に示したN1及びN2のノードにそれぞれ接続し、上部電極B147と下部電極A144に制御電圧を印加することで、好適な平衡型電圧制御発振器を形成することができる。
【0073】
図7は、反対称モードを使用した場合のモノリシッククリスタルフィルタ構造配置の断面模式図である。
【0074】
図7に示すように、シリコン基板151の上に作成した空洞152の上に、下部電極153、強誘電体膜154、上部電極A155及び上部電極B156が形成されている。これらによって薄膜圧電共振子が形成されている。
【0075】
下部電極153、強誘電体膜154及び上部電極A155からなる第1の薄膜圧電共振子と、下部電極153、強誘電体膜154及び上部電極B156からなる第2の薄膜圧電共振子が隣接して設置されている。
【0076】
また、図7に示すように、面内の位相分布は、2個の薄膜圧電共振子が逆位相となるように、薄膜圧電共振子が強く弾性的に結合されている。
【0077】
したがって、逆位相関係にある上部電極A155及び上部電極B157を、図4に示したN1及びN2のノードにそれぞれ接続し、共通の下部電極153に制御電圧を印加することで、好適な平衡型電圧制御発振器を形成することができる。
【0078】
なお、電圧制御発振器の構造は、図5乃至図7に示した構造に限らない。弾性的に結合している少なくても1対の薄膜圧電共振子が設置されており、それぞれの薄膜圧電共振子の、逆位相となる電極が発振ループの相補的接続点N1及びN2に接続されているという条件を満たした上で、さまざまなバリーエーションが可能である。
【0079】
例えば、共振部の下に設置した空洞の代りに、ブラッグ反射層を設けた、いわゆるソリディリ・マウンティッド・リゾネイタなども可能である。
【0080】
(実施形態4)
図8は、本発明の第4の実施形態に関わる平衡型電圧制御発振器の回路図である。
【0081】
この平衡型電圧制御発振器は、反転型増幅器161と電圧制御発振器163からなる第1の発振ループと、反転型増幅器162と電圧制御発振器164からなる第2の発振ループが形成されており、電圧制御発振器163と電圧制御発振器164は弾性的に逆相関係で結合されている。
【0082】
また、電圧制御発振器の両端は、キャパシタ165、166、167及び168を介して接地されているが、これは受動素子全体として位相を反転させ、反転増幅器とあわせて、発振条件であるループ全体の位相回転角を2πとするためである。
【0083】
この基本ブロック160の回路構成においては、増幅器161及び162と電圧制御発振器163及び164が直列に接続されているため、電圧制御発振器161及び162のインピーダンスが極小となる共振周波数付近で発振回路のループゲインが最大になり、発振を生じる。
【0084】
次に、図9に、図8の基本ブロック160の反転増幅器161及び162をNPNバイポーラトランジスタで形成したときの等価回路170を示す。
【0085】
NPNバイポーラトランジスタ171と電圧制御発振器173からなる第1の発振ループと、NPNバイポーラトランジスタ172と電圧制御発振器174からなる第2の発振ループが形成されており、電圧制御発振器173と電圧制御発振器174は弾性的に逆相関係で結合されている。
【0086】
また、電圧制御発振器173及び174の一方の電極には抵抗を介して制御電圧Vcontが印加されており、それぞれの他方の電極は、お互いに逆相関係にある。
【0087】
このような電圧制御発振器及び発振回路を使用して、2GHz帯で10MHz以下の周波数可変範囲の用途に好適な、非常にQの高い平衡型電圧制御発振器を構成することができる。
【0088】
(実施形態5)
図10は、本発明の実施形態5に関わる平衡型電圧制御発振器の回路図である。
【0089】
この平衡型電圧制御発振器は、反転型増幅器181、182、183及び184と電圧制御発振器185及び186が全て直列に接続されて発振ループを形成している。電圧制御発振器185及び186は弾性的に逆相関係で結合されている。
【0090】
また、電圧制御発振器185及び186の両端は、キャパシタ187、189、188、190を介して接地されている。これは各電圧制御発振器として位相を反転させ、反転増幅器とあわせて、発振条件であるループ全体の位相回転角を2nπ(nは整数)とするためである。
【0091】
この基本ブロック180の回路においては、反転型増幅器181、182、183及び184と電圧制御発振器185及び186全てが直列に接続されているため、電圧制御発振器のインピーダンスが極小となる共振周波数付近で発振回路のループゲインが最大になり、発振を生じる。
【0092】
次に、図11に、図10に示す基本ブロック180の反転増幅器181、182、183及び184をCMOSインバータで形成したときの等価回路を示す。
【0093】
CMOSインバータ201、202、203及び204と電圧制御発振器205及び206がすべて直列に接続されて発振ループが構成されており、電圧制御発振器205及び206は弾性的に逆相関係で結合されている。
【0094】
また、電圧制御発振器205及び206の一方の電極には抵抗を介して制御電圧Vcontが印加されており、それぞれの他方の電極は、お互いに逆相関係にある。
【0095】
このような電圧制御発振器及び発振回路を使用して、2GHz帯で10MHz以下の周波数可変範囲の用途に好適な、非常にQの高い平衡型電圧制御発振器を構成することができる。
【0096】
この平衡型電圧制御発振器は、電気的には絶縁されたそれぞれ独立の2個の発振ループを形成しており、電圧制御発振器の共振点付近の周波数で共振することを特徴とする。
【0097】
このとき2個の発振ループを形成する一対の電圧制御発振器は逆位相で弾性的に結合されているため、同一周波数で逆位相の2出力を有する平衡型電圧制御発振器が実現できる。
【0098】
また、2個以上の増幅器と一対の電圧制御発振器が全て直列に接続されて1個の発振ループが形成されており、電圧制御発振器のインピーダンスが極小となる共振周波数付近で発振する。発振ループの中で逆位相となる2個のノードを出力点とすることで、同一周波数で逆位相の2出力を有する平衡型電圧制御発振器が実現できる。
【0099】
(実施形態6)
図12は、実施形態6に関わる電圧制御発振器のブロック図である。
【0100】
図12に示すように、この電圧制御発振器10は、入出力端子として、接地のためのグランド端子GND、電源電圧Vccが給電される電源端子Vcc、制御電圧Vcが供給される制御端子Vc及び発振信号を出力する出力端子Outを具備している。
【0101】
また、電圧制御発振器10は、電圧制御発振器12を備え制御電圧Vcに応じて可変する周波数を発振する第1の発振回路11と、電圧制御発振器15を備え固定周波数を発振する第2の発振回路14と、第1の発振回路の周波数と第2の発振回路の周波数の差を出力するための乗算器17と、第1の発振回路11と乗算器の間のアイソレーションを確保する出力バッファ13と、第2の発振回路14と乗算器の間のアイソレーションを確保する出力バッファ16とを具備している。
【0102】
ここで、発振回路11及び14には、実施形態2乃至実施形態5で説明した平衡型電圧制御発振回路を使用することができる。
【0103】
図13に、電圧制御発振器12において、制御電圧に対する発振周波数を測定した結果を示す。このとき強誘電体膜の膜厚を230nm、下部電極の膜厚を25nm、上部電極の膜厚を50nmとし、第1の発振回路の負荷容量を9pFとする。
【0104】
図13から分かるように、制御電圧Vcが0.2V〜3.0Vに対して、6.00±0.045GHzの共振周波数可変範囲が得られた。
【0105】
また、電圧制御発振器15においては、強誘電体膜の膜厚を310nm、下部電極の膜厚を35nm、上部電極の膜厚を72nmとした結果、制御電圧を印加しないで第2の発振回路の発振周波数として4GHzが得られた。
【0106】
第1の発振回路及び第2の発振回路の出力を、それぞれ出力バッファを介して乗算器に入力し、両発振回路の出力の差を出力することにより、発振周波数に対して相対的に大きな可変周波数範囲を確保することができた。
【0107】
本実施形態では、2GHz±45MHzの出力周波数を得ることができた。W−CDMA用の電圧制御発振器に要求される特性を満たすことが可能であった。
【0108】
図14は、発振回路とミキサ回路を同一パッケージに実装したパッケージの断面図である。
【0109】
図14に示すように、絶縁性のSi基板の上に、電圧制御発振器と、発振回路に使用するキャパシタと、抵抗及びインダクタが形成され、出力バッファに使用するキャパシタと、抵抗と、インダクタなどの受動素子が全て形成された受動チップ上に、2個の発振回路と出力バッファ回路を搭載するRF−IC21とミキサ回路を搭載したRF−ICが封止樹脂24によってモールドされている。
【0110】
このように発振回路に使用するトランジスタや出力バッファに使用するトランジスタを主として搭載するRF−IC21、さらにミキサに使用するトランジスタを主として搭載するRF−IC22とをベアチップのままパンプを介して接続し、一体として封止してモジュール23としている。
【0111】
チップオンチップの形でモジュール化することにより、非常に小さく高密度に実装された電圧制御発振器を形成することが可能になった。
【0112】
このように平衡型電圧制御発振器を複数個備え、複数の電圧制御発振器からの出力周波数の差を出力するための乗算器を有し、複数の電圧制御発振器と乗算器が同一基板上に封止実装されている。
【0113】
(実施形態7)
図15に、本発明の実施形態7に関わる電圧制御発振器のブロック図を示す。
【0114】
この電圧制御発振器は、RF周波数とIF周波数の2周波を出力可能な、デュアルモードの電圧制御発振器に関するものである。
【0115】
図15に示すように、電圧制御発振器30は、入出力端子として接地のためのグランド端子GNDと、電源電圧Vccが給電される電源端子Vccと、第1の制御電圧Vc1が供給される制御端子Vc1と、第2の制御電圧Vc2が供給される制御端子Vc2と、第1の発振信号を出力する出力端子Out1及び第2の発振信号を出力する出力端子Out2を具備している。
【0116】
また、電圧制御発振器30は、電圧制御発振器34を備え制御電圧Vc1に応じて可変する周波数を発振する第1の発振回路31と、第1の発振回路31と乗算器の間のアイソレーションを確保する出力バッファ37と、電圧制御発振器35を備え制御電圧Vc2に応じて可変する周波数を発振する第2の発振回路32と、第2の発振回路32と乗算器の間のアイソレーションを確保する出力バッファ38と、電圧制御発振器36を備え固定周波数を発振する第3の発振回路33と、第3の発振回路33からの出力を2個の乗算器に振り分ける分配器40と、第3の発振回路33と分配器40の間のアイソレーションを確保する出力バッファ39と、第1の発振回路31の周波数と第3の発振回路33の周波数の差を出力するための乗算器41と、第2の発振回路32の周波数と第3の発振回路33の周波数の差を出力するための乗算器42とを具備している。
【0117】
ここで、第1、第2、第3の発振回路31、32、33には、実施形態2ないし実施形態5で説明した平衡型電圧制御発振器を使用することができる。
【0118】
第1の電圧制御発振器34において、強誘電体膜の膜厚を230nm、下部電極の膜厚を25nm、上部電極の膜厚を50nmとした場合、制御電圧Vcが0.2V〜3.0Vに対して、6.00±0.045GHzの共振周波数可変範囲が得られた。
【0119】
第2の電圧制御発振器35において、強誘電体膜の膜厚を255nm、下部電極の膜厚を25nm、上部電極の膜厚を50nmとした場合、ほぼ4.25GHzの共振周波数が得られた。
【0120】
第3の電圧制御発振器36において、強誘電体膜の膜厚を330nm、下部電極の膜厚を25nm、上部電極の膜厚を50nmとした場合、制御電圧印加なしで第3の発振回路33の発振周波数として4GHzが得られた。
【0121】
第1の発振回路31及び第3の発振回路33の出力をそれぞれ出力バッファや分配器を介して乗算器に入力し、両発振回路の出力の差を出力することにより、発振周波数に対して相対的に大きな可変周波数範囲を確保することができた。
【0122】
このように2GHz±45MHzの出力周波数を得ることができた。W−CDMA用の電圧制御発振器に要求される特性をほぼ満たすことが可能であった。
【0123】
また、第2の発振回路32及び第3の発振回路33の出力をそれぞれ出力バッファや分配器を介して乗算器に入力し、両発振回路の出力の差を出力することにより、ほぼ240MHzの発振周波数を得ることができた。もし単一の発振回路でこの周波数を発振させる場合には、電圧制御発振器の圧電体の膜厚を5000nm以上に厚くする必要があり、本実施形態では、2個の発振回路を用いることではるかに薄い強誘電体の膜厚で同じ周波数を得ることができるため、電圧制御発振器の作成時間を短時間で済ませることが可能になるとともに、技術的にもはるかに容易になる。
【0124】
また、2種類の周波数を同時に発振させても、インダクタとキャパシタを使用したときのように相互作用を生じることもなく、安定な発振が可能であった。
【0125】
(実施形態8)
図16に、本発明の実施形態8に関わる電圧制御発振器のブロック図を示す。
【0126】
図16において、電圧制御発振回路40は、入出力端子として接地のためのグランド端子GNDと、電源電圧Vccが給電される電源端子Vccと、制御電圧Vcが供給される制御端子Vcと、周波数切り替えのための制御信号が供給される制御端子Cont及び発振信号を出力する出力端子Outを具備している。
【0127】
また、電圧制御発振器40は、電圧制御発振器42と周波数切り替え用の容量調整回路43を備え制御電圧Vcontに応じて可変する周波数を発振する発振回路41と、発振回路41と出力端子Outの間のアイソレーションを確保する出力バッファ44とを具備している。
【0128】
ここで、発振回路における共振素子として電圧制御発振器42及び容量調整回路43から制御信号に応じて開閉されるスイッチS1〜Snにより選択されるキャパシタC1〜Cnが使用されている。
【0129】
電圧制御発振器42の電極間に制御電圧Vcに相当する直流バイアス電圧を印加する手段と、容量調整回路における容量値を選択する手段の2種類の手段を使用して発振周波数を制御することが可能である。
【0130】
容量調整回路43に含まれるキャパシタC1〜Cnの容量としては、例えば倍数系列などを使用して少数のキャパシタで広い容量変化範囲をカバーできることが望ましい。
【0131】
図17に、電圧制御発振器42の制御電圧と共振周波数の関係を示す。このとき強誘電体膜の膜厚を110nm、下部電極の膜厚を15nm、上部電極の膜厚を20nmとし、また容量調整回路のC1〜C3をそれぞれ2pF、4pF、8pFとした。
【0132】
図17に示すように、容量調整回路のキャパシタをC1使用の場合、C2使用の場合、C3使用の場合、C1+C2+C3使用の場合を切り替え、制御電圧Vcを0.2V〜3.0Vに対して共振周波数を測定したところ、2.00±0.08GHzの共振周波数可変範囲が得られた。
【0133】
本実施形態では、電圧制御発振器の共振素子として複数のキャパシタを有し、外部制御信号により上記複数のキャパシタから特定のキャパシタを選択する手段を有している。強誘電体を使用した電圧制御発振器と、複数の固定容量を持つキャパシタから外部信号により選択したキャパシタを使用して共振回路を構成し、チャンネル選択に相当する周波数制御はキャパシタの選択により行い、周波数の微調整は電圧制御発振器に制御電圧を印加することにより、広い可変範囲の周波数を持ち、またバラクタを使用しないために非常に低い位相雑音を持つ電圧制御発振器を実現することができる。
【0134】
(実施形態9)
図18に、本発明の実施形態9に関わる電圧制御発振器のブロック図を示す。
【0135】
図18において、電圧制御発振回路50は、入出力端子として接地のためのグランド端子GNDと、電源電圧Vccが給電される電源端子Vccと、制御電圧Vcが供給される制御端子Vcと、周波数切り替えのための制御信号が供給される制御端子Cont及び発振信号を出力する出力端子Outを具備している。
【0136】
また、電圧制御発振器50は、複数の電圧制御発振器F1〜Fnを有する電圧制御発振器選択回路52と固定容量43を備え制御電圧Vcに応じて可変する周波数を発振する発振回路51と、発振回路51と出力端子の間のアイソレーションを確保する出力バッファ54とを具備している。
【0137】
ここで、発振回路における共振素子として固定容量53及び電圧制御発振器選択回路52から制御信号に応じて開閉されるスイッチS1〜Snにより選択される電圧制御発振器F1〜Fnが使用されている。電圧制御発振器選択回路により異なる中心共振周波数を有する電圧制御発振器を選択する手段と、電圧制御発振器の電極間に制御電圧Vcに相当する直流バイアス電圧を印加する手段との2種類の手段を使用して広い範囲の発振周波数を制御することが可能である。
【0138】
電圧制御発振器選択回路52に含まれる電圧制御発振器F1〜Fnの中心共振周波数としては、例えば等間隔にそろえることが望ましい。
【0139】
本実施形態においては、8個の電圧制御発振器F1〜F8を使用し、強誘電体膜の膜厚110nmと下部電極の膜厚15nmは共通とし、上部電極の膜厚を15nmから45nmの範囲で等間隔に変化させた。その結果、それぞれの電圧制御発振器の中心共振周波数は、8MHzの間隔で1.972GHz〜2.029GHzの範囲になり、さらに上下電極間に制御電圧を印加することでそれぞれの中心共振周波数が8.5MHz変化させることができたため、全体として1.968GHz〜2.033GHzの連続した共振周波数可変範囲が得られた。
【0140】
電圧制御発振器の共振素子として複数の電圧制御発振器を有し、外部制御信号により上記複数の電圧制御発振器から特定の電圧制御発振器を選択する手段を有している。複数の中心共振周波数の異なる強誘電体を使用した電圧制御発振器から外部信号により選択した電圧制御発振器と、固定容量を持つキャパシタを使用して共振回路を構成し、チャンネル選択に相当する周波数制御は電圧制御発振器の選択により行い、周波数の微調整は電圧制御発振器に制御電圧を印加することにより、広い可変範囲の周波数を持ち、またバラクタを使用しないために非常に低い位相雑音を持つ電圧制御発振器を実現することができる。
【0141】
(実施形態10)
図19に、本発明の実施形態10に関わる電圧制御発振回路のブロック図を示す。
【0142】
図19において、電圧制御発振回路60は、入出力端子として接地のためのグランド端子GNDと、電源電圧Vccが給電される電源端子Vccと、制御電圧Vcが供給される制御端子Vcと、周波数切り替えのための制御信号が供給される制御端子Cont及び発振信号を出力する出力端子Outを具備している。
【0143】
また、電圧制御発振器60は、電圧制御発振器62と周波数切り替え用の容量調整回路63を備え制御電圧Vcに応じて可変する周波数を発振する発振回路61と、発振回路61のリップル成分を除去するための帯域通過フィルタ65と、発振回路61と帯域通過フィルタ65の間のアイソレーションを確保する出力バッファ64とを具備している。
【0144】
ここで、実施形態6と同様に、発振回路における共振素子として電圧制御発振器62及び容量調整回路63から制御信号に応じて開閉されるスイッチS1〜Snにより選択されるキャパシタC1〜Cnが使用されている。電圧制御発振器の電極間に制御電圧Vcに相当する直流バイアス電圧を印加する手段と、容量調整回路における容量値を選択する手段の2種類の手段を使用して発振周波数を制御することが可能である。
【0145】
図20に、平衡型の帯域通過フィルタ65を示す。この平衡型の帯域通過フィルタ65は、2個の直列接続した電圧制御発振器66を2組と、2個の並列接続した電圧制御発振器67とを具備するフルラダー型である。
【0146】
図21に示すように、並列に接続した電圧制御発振器67と直列に接続した電圧制御発振器66は、中心周波数をわずかに変えている。ここでは直列に接続した電圧制御発振器66の共振周波数と、並列に接続した電圧制御発振器67の***振周波数が一致するようにしている。
【0147】
図22に、この平衡型の帯域フィルタ65は、通過特性を示す。このように帯域通過フィルタ65は、ある幅を持った周波数をフィルタする。
【0148】
本実施形態において、発振回路に使用した電圧制御発振器62と、帯域通過フィルタに使用した直列接続電圧制御発振器66と、並列接続電圧制御発振器67全てを同一の絶縁性シリコン基板上に、ほぼ同一のプロセスにより作成した。すなわち、強誘電体膜の膜厚を110nm、下部電極の膜厚を15nmと共通にし、上部電極の膜厚のみをそれぞれ20nm、23nm、17nmとし、中心共振周波数のチューニングを行った。
【0149】
図23に、他の平衡型帯域通過フィルタの回路を示す。
【0150】
この平衡型帯域通過フィルタは、2個の直列接続した電圧制御発振器81と2個の並列接続した電圧制御発振器82とを具備する格子型のフィルタ80である。
【0151】
このようにして、ほぼ単一のプロセスにより、発振回路に使用する共振子と、発振回路のリップル成分を除去するための帯域通過フィルタを構成する電圧制御発振器を作成することが可能になり、高性能の電圧制御発振器を容易なプロセスで作成することが可能になった。
【0152】
本実施形態は、複数の電圧制御発振器を組み合わせて、帯域通過フィルタや低域通過フィルタを形成できることに着目し、同一基板上に電圧制御発振器用とフィルタを同時に作成したものである。通常電圧制御発振器の出力には高調波のリップル成分が乗っており、RF受信回路や送信回路に使用するには、低域通過フィルタなどを使用してリップル成分を除く必要がある。
【0153】
本実施形態では、電圧制御発振器と、フィルタを同一工程で形成することが可能になり、そのメリットは大きい。電圧制御発振器を使用して構成するフィルタとしては、梯子型フィルタや格子型フィルタなどが挙げられる。
【0154】
(実施形態11)
図24に、本発明の実施形態11に関わる電圧制御発振器78と圧電スイッチング素子79を同一基板71上にほぼ同一の材料とプロセスを使用して形成した電圧制御発振器の断面図を示す。
【0155】
電圧制御発振器78は、シリコン基板71上に空洞72を介して下部電極73、圧電膜74、上部電極75を順次形成して作成した。また、圧電スイッチング素子79は、同様にシリコン基板71上に空洞72を介して下部電極73、圧電膜74、上部電極75を順次形成して作成する所は共通であり、さらに対向電極76及びカンチレバー77を付加した構造である。
【0156】
本実施形態においては、下部電極73及び上部電極75として基板に対してエピタキシャル成長させた単結晶のPtを使用し、また強誘電体膜74としては基板に対してエピタキシャル成長させた単結晶のチタン酸バリウム強誘電体を使用し、電極・圧電体とも同一のプロセスで同時に作成した。
【0157】
このように同一基板上に電圧制御発振器と低オン抵抗の圧電スイッチング素子を同時に形成することで、既に示した図17や図19に示した電圧制御発振器とスイッチング素子を使用した電圧制御発振器を容易に構成することが可能となる。
【0158】
電圧制御発振器用の電圧制御発振器と非常に近い構造を持つ圧電アクチュエータにより、低いオン抵抗を持つRF用のスイッチが形成可能であることに注目し、同一基板上に電圧制御発振器用の電圧制御発振器とスイッチング素子用の圧電アクチュエータを同時に作成した。
【0159】
電圧制御発振器とスイッチング素子を組み合わせることで大きな周波数可変範囲を持つ電圧制御発振器を構成することができる。圧電アクチュエータを使用したスイッチング素子は、半導体を使用したスイッチング素子に比較して低いオン抵抗を持ち、Q値の高いスイッチング素子を含む発振回路を作成できるというメリットがある。
【0160】
共振回路用の電圧制御発振器と、スイッチング素子用の圧電アクチュエータが同一の工程で形成することが可能になり、そのメリットは大きい。
【0161】
(実施形態12)
図25に、本発明の実施形態12に関わる電圧制御発振器の回路図を示す。
【0162】
電圧制御発振器111は、図1で説明したものを用いることができる。
【0163】
この発振回路110は、制御電圧Vcと出力Outの間に、並列に電圧制御発振器111が接続されている。電圧制御発振器111の一方は接地されている。
【0164】
電圧制御発振器111の両電極間に、制御電圧Vcに相当する直流バイアス電圧を印加すると、強誘電体内の音速が変化するため、共振周波数や***振周波数を可変とすることができる。
【0165】
図26に、この電圧制御発振器において、制御電圧に対する共振及び***振周波数を測定した結果を示す。この場合、強誘電体膜の膜厚を1100nm、下部電極の膜厚を100nm、上部電極の膜厚を150nmとした。また、発振回路110の固定不可容量を9pFとした。
【0166】
図26から分かるように、制御電圧Vcを0.2V〜3.0Vに変化させると、共振周波数は1.995GHz〜2.0055GHzに変化する。約0.20%/Vの変化率が観測された。また、Q値として900と非常に高い値が得られ、位相雑音の少ない発振が可能である。
【0167】
2GHz帯で10MHz以下の周波数可変範囲の用途に良好な、非常に質の高い電圧制御発振器を提供できる。
【0168】
以上説明した実施形態において、電圧制御発振器の強誘電体膜として使用される単結晶強誘電体が、単結晶基板上にエピタキシャル成長により作成されたペロブスカイト系の強誘電体であり、ペロブスカイト系の強誘電体としてチタン酸バリウム、もしくはチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする強誘電体であることが好ましい。
【0169】
チタン酸バリウムやチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする強誘電体は、単結晶で作成された場合に非常に大きな電気機械結合係数を持ち、また音速の大きな電界依存性を有するからである。
【0170】
なお、上記実施形態は、単独で用いることも可能であるが、いくつかを組み合わせることでさらに大きな効果を発揮する。
【0171】
【発明の効果】
広い周波数可変範囲を持ち、周波数安定度が高く、位相雑音に優れ、経時変化の少ない、超小型で、同時に複数の周波数を発振可能な、電圧制御発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態1に関わる電圧制御発振器の断面図。
【図2】 本発明の実施形態1に関わる電圧制御発振器における制御電圧と共振周波数の関係を示すグラフ。
【図3】 本発明の実施形態1に関わる平衡型電圧制御発振器のブロック回路図。
【図4】 本発明の実施形態1に関わる平衡型電圧制御発振器の等価回路図。
【図5】 本発明の実施形態2に関わる平衡型電圧制御発振器の断面図。
【図6】 本発明の実施形態3に関わる平衡型電圧制御発振器の断面図。
【図7】 本発明の実施形態3に関わる平衡型電圧制御発振器の断面図。
【図8】 本発明の実施形態4に関わる平衡型電圧制御発振器のブロック回路図。
【図9】 本発明の実施形態4に関わる平衡型電圧制御発振器の等価回路図。
【図10】 本発明の実施形態5に関わる電圧制御発振器のブロック回路図。
【図11】 本発明の実施形態6に関わる電圧制御発振器の等価回路図。
【図12】 本発明の実施形態6に関わる電圧制御発振器のブロック回路図。
【図13】 本発明の実施形態6に関わる電圧制御発振器の制御電圧と発振周波数の関係を示すグラフ。
【図14】 本発明の実施形態6に関わる電圧制御発振器の実装形態を示す模式図。
【図15】 本発明の実施形態7に関わる電圧制御発振器のブロック回路図。
【図16】 本発明の実施形態8に関わる電圧制御発振器のブロック回路図。
【図17】 本発明の実施形態8に関わる電圧制御発振器の制御電圧と発振周波数の関係を示すグラフ。
【図18】 本発明の実施形態9に関わる電圧制御発振器のブロック回路図。
【図19】 本発明の実施形態10に関わる電圧制御発振器のブロック回路図。
【図20】 本発明の実施形態10に関わる平衡型帯域通過フィルタの回路図。
【図21】 本発明の実施形態10に関わる帯域通過フィルタに使用している電圧制御発振器のインピーダンス特性を示すグラフ。
【図22】 本発明の実施形態10に関わる帯域通過フィルタの通過電力特性を示す図。
【図23】 本発明の実施形態10に関わる平衡型帯域通過フィルタの回路図。
【図24】 本発明の実施形態11に関わる電圧制御発振器における電圧制御発振器と圧電スイッチング素子の模式断面図。
【図25】 本発明の実施形態12に関わる電圧制御発振器の等価回路図。
【図26】 本発明の実施形態12に関わる電圧制御発振器の制御電圧と発振周波数の関係を示すグラフ。
【図27】 従来の薄膜圧電共振子のインピーダンス特性を示すグラフ。
【図28】 従来の薄膜圧電共振子の位相特性を示すグラフ。
【符号の説明】
1・・・基板
2・・・空洞
3・・・下部電極3
4・・・圧電体
5・・・上部電極
6・・・共振部
7・・・強誘電体膜
8・・・犠牲層
Claims (11)
- 分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を複数組み合わせて複数の薄膜圧電共振子とし、
前記複数の薄膜圧電共振子の一対の電極のうち一方に、それぞれ同一の制御電圧が印加され、
共振ループ内で直列に接続された複数の増幅器を有し、
前記複数の薄膜圧電共振子は互いに直列に、かつ前記増幅器とは並列に接続され、前記複数の薄膜圧電共振子における***振点付近の周波数で発振する如くし、
前記制御電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にすることを特徴とする電圧制御発振器。 - 分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を複数組み合わせて複数の薄膜圧電共振子とし、
前記複数の薄膜圧電共振子の一対の電極のうち一方に、それぞれ同一の制御電圧が印加され、
前記複数の薄膜圧電共振子は、電気的には絶縁されたそれぞれ独立の2個の発振ループを有し、
前記複数の薄膜圧電共振子の共振点付近の周波数で発振するようにし、
前記制御電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にすることを特徴とする電圧制御発振器。 - 前記複数の薄膜圧電共振子は弾性的に結合されていることを特徴とする請求項1又は2記載の電圧制御発振器。
- 分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を複数組み合わせて複数の薄膜圧電共振子とし、
前記複数の薄膜圧電共振子は、膜厚方向に積層され、それぞれの強誘電体薄膜の間に、同一の制御電圧を印加する電極が共通電極として配置され、かつ前記複数の薄膜圧電共振子の電極及び強誘電体薄膜を含む厚さが、発振周波数の1/4波長に相当し、
前記制御電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にすることを特徴とする電圧制御発振器。 - 分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を複数組み合わせて複数の薄膜圧電共振子とし、
前記複数の薄膜圧電共振子の強誘電体薄膜は共通に用いられ、前記複数の薄膜圧電共振子は、面内に隣接して設置されており、
前記強誘電体薄膜に同一の制御電圧を印加する電極が配置され、
前記制御電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にすることを特徴とする電圧制御発振器。 - 前記電圧制御発振器を単独で或いは組み合わせて複数用い、前記複数の電圧制御発振器からの出力周波数の差を出力する乗算器を具備することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の電圧制御発振器。
- 分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を複数組み合わせて複数の薄膜圧電共振子とし、
前記複数の薄膜圧電共振子の一対の電極のうち一方に、それぞれ同一の制御電圧が印加され、
前記制御電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にする電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器に接続された複数のキャパシタを有し、
外部制御信号により前記複数のキャパシタのうち特定のキャパシタを選択して、このキャパシタを共振子として用いることを特徴とする電圧制御発振器。 - 分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を有し、
前記一対の電極間の印加電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にする電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器を複数具備し、
外部制御信号により前記複数の電圧制御発振器のうち特定の電圧制御発振器を選択することを特徴とする電圧制御発振器。 - 分極方向が膜厚方向に揃った厚さ10μm以下の単結晶の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜を間に挟むように設けられた一対の電極とを有する薄膜圧電共振子を有し、
前記薄膜圧電共振子に接続され、前記薄膜圧電共振子の強誘電体薄膜材料と同じ材料の強誘電体薄膜を圧電アクチュエータとして用いるスイッチング素子を具備し、
前記一対の電極間の印加電圧に対して共振周波数変化率を0.01%/V以上の変化率にすることを特徴とする電圧制御発振器。 - 前記強誘電体薄膜が、単結晶上にエピタキシャル成長したペロブスカイト型結晶構造を持つことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項記載の電圧制御発振器。
- 前記強誘電体薄膜が、チタン酸バリウム或いはチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とすることを特徴とする請求項10記載の電圧制御発振器。
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