JP5262901B2 - 発振器 - Google Patents
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Description
このような発振器として、例えば、図11に示す発振器が挙げられる。図11に示す発振器は、MEMS振動子と能動回路から構成された発振回路と、MEMS振動子にバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加回路と、発振器と外部回路との間の相互干渉を防ぐための緩衝回路とで構成されている。
また、振動子(MEMS素子)の適切なバイアス電圧は、振動子の形状、形態により決定されるが、その形状によっては前記発振器の能動回路の駆動電圧よりも高い電圧が必要となる場合がある。発振回路の能動回路の動作電圧は比較的低い値(例えば、3V)に設定される場合が多いが、前記バイアス電圧の適切値がこれを超える場合(例えば、5〜10V)は、昇圧回路の付加が必要となる。
図12に示す発振器は、基準電圧を供給する基準電圧供給回路と、基準電圧をより高い電圧に変換する昇圧回路と、昇圧された電圧を振動子に印加し、振動子の振動からクロックパルスを得て外部回路に出力する発振回路と発振器と外部回路との間の相互干渉を防ぐための緩衝回路で構成されている。
本発明の発振器は、固定電極と空隙を隔てて配置された可動電極とを有する振動子を用いた発振器であって、
基準電圧を供給する基準電圧供給回路と、
クロックパルスの入力によって作動する昇圧回路を備え、前記基準電圧を所定の大きさの電圧に変換して出力する電圧調整回路とを有し、
前記振動子は、前記電圧調整回路から出力された前記所定の大きさが電圧を前記固定電極と前記可動電極との間に印加されるように構成されており、
前記昇圧回路に入力される前記クロックパルスは、前記振動子を発信源として得られたものであることを特徴とする。
これにより、劣化が少なく目的とする周波数のクロックパルスを出力することのできる発振器を提供することができる。
これにより、劣化が少なく目的とする周波数のクロックパルスを出力することのできる発振器を提供することができる。
これにより、劣化が少なく目的とする周波数のクロックパルスを出力することのできる発振器を提供することができる。
本発明の発振器では、前記発振回路と前記昇圧回路との間に、前記クロックパルスが通過する緩衝回路を有することが好ましい。
これにより、昇圧回路の動作が発振回路のクロックパルスの生成に影響を与えることを防止することができる。
該分圧回路は、前記基準電圧をより低い電圧に変換して前記昇圧回路に出力し、
前記昇圧回路は、前記分圧回路から入力された電圧をより高い電圧に変換して前記所定の大きさの電圧として出力することが好ましい。
これにより、振動子に印加する電圧の大きさを調整することがより容易となる。
前記昇圧回路は、前記基準電圧をより高い電圧に変換して前記分圧回路に出力し、
前記分圧回路は、前記昇圧回路から入力された電圧をより低い電圧に変換して前記所定の大きさの電圧として出力することが好ましい。
これにより、振動子に印加する電圧の大きさを調整することがより容易となる。
本発明の発振器では、前記振動子を発信源とする前記クロックパルスを分周して前記昇圧回路に入力する分周回路を有することが好ましい。
これにより、振動子が発生させるクロックパルスの周波数が高く、昇圧回路の作動に適していないものであっても、分周して用いることにより昇圧回路が好適に作動する。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る発振器のブロック図、図2は、図1に示す発振器が備える発振回路の回路図、図3は、図2に示す発振回路が備える振動子の概略断面図、図4は、図3に示す振動子の共振周波数と振動子に印加されるバイアス電圧との関係を示すグラフ、図5は、図1に示す発振器が備える昇圧回路の回路図、図6は、図1に示す発振器が備える分圧回路の回路図、図7は、図1に示す発振器の作動時における昇圧回路の出力電圧および振動子の共振周波数の時間変化を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図1〜図7の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
このような発振器1においては、発振回路2において所定の周波数を有するクロックパルスが生成され、該クロックパルスは、発振器1から外部回路100へ出力される。また、発振器1は、通常、半導体基板上に設けられており、例えば、ICチップ中の電子回路として設けられている。
図2に示すように、発振回路2は、振動子21と、バイアス回路22と、第1の増幅回路23と、第2の増幅回路24とを有している。
図3に示すように、振動子21は、基板211上に設けられており、基板211上に形成された固定電極212と、可動電極213とを有している。
可動板215は、弾性を有し、所定のばね定数を有しているため、上下方向に力が加えられることにより、上下方向に弾性振動することができる。
また、振動子21には、バイアス回路22を介して、電圧調整回路4において調整された所定の大きさの静的な(直流の)電圧がバイアス電圧として、印加されている。振動子21の可動板215の共振周波数(以下、単に「振動子21の共振周波数」ともいう。)は、固定電極212と可動電極213との間に印加されるバイアス電圧の大きさによって変化するため、バイアス電圧の大きさを適宜調整することにより、振動子21の共振周波数を所望の値に設定することができる。すなわち、振動子21は、微小であるため、設計された寸法からの誤差が生じやすく、共振周波数が、所望の値からずれやすいが、このようにバイアス電圧の大きさを設定することにより、共振周波数の所望の値からの誤差を修正することができる。
また、振動子21に印加されるバイアス電圧が大きすぎる場合、可動板215が固定電極212に吸引されて接触する(Pull−in)。このため、バイアス電圧は、このような現象が起きない範囲の大きさで調整される。
第2の増幅回路24は、第1の増幅回路23から入力された信号をさらに増幅する。そして、第2の増幅回路24によって増幅された信号(クロックパルスφ)は、電圧調整回路4および外部回路100に出力される。
電圧調整回路4は、昇圧回路41と、昇圧回路41の後段に設けられた分圧回路42とを有している。
電圧調整回路4は、昇圧回路41により基準電圧Vbをより高い電圧Voに変換するとともに、分圧回路42において昇圧回路41で昇圧された電圧Voをより低い電圧Vpに変換することにより、振動子21の共振周波数が所望の値となるような大きさの静的なバイアス電圧Vpを発生させ、これを発振回路2に供給する。
クロック発生回路411は、発振回路2で発生したクロックパルスφを用い、周波数および位相がクロックパルスφと同一の正相クロックパルスVφと、位相がクロックパルスVφと反転した以外は正相クロックパルスVφと同一の逆相クロックパルスV¬φとを発生させ、チャージポンプ回路412に入力する。正相クロックパルスVφ 、逆相クロックパルスV¬φは、いずれもLレベルのときに0ボルト、HレベルのときにVbボルトとなるように設定されている。
チャージポンプ回路412は、いわゆるDicksonチャージポンプ回路であり、正相クロックパルスVφおよび逆相クロックパルスV¬φを利用して、入力された基準電圧Vbをより大きい電圧Voを出力する。
分圧回路42は、上述したように、昇圧回路41で昇圧された電圧Voをより低い電圧Vpに変換して発振回路2に入力する。
スイッチSW1は、抵抗器R1と抵抗器R2との間に接続された線と、抵抗器R2と抵抗器R3との間に接続された線とを接続可能である。スイッチSW2は、抵抗器R2と抵抗器R3との間に接続された線と、抵抗器R4と抵抗器R4との間に接続された線とを接続可能である。
なお、スイッチSW1を接続することにより、抵抗器R2を短絡させることができ、スイッチSW2を接続することにより、抵抗器R3を短絡させることができ、これらにより、抵抗器R2〜R4のうち使用される抵抗器の総合の抵抗値を変化させることができるため、バイアス電圧Vpを適宜調整することができる。
緩衝回路5Bは、バッファアンプであり、発振回路2と外部回路100との間に設けられている。緩衝回路5Bでは、発振回路2から出力され、外部回路100に入力されるクロックパルスφが通過する。そして、外部回路100と発振回路2との相互の動作に影響を与えることを防止する。
また、図示していないが、基準電圧供給回路3、昇圧回路41および分圧回路42を各々接続する場合、相互に干渉が懸念される場合がある。この場合は各々の接続について、緩衝回路を介在させて接続してもよい。
以上のような構成を有する発振器1は、電圧調整回路4を有することにより、発振回路2に入力されるバイアス電圧を調整することできるため、振動子21に製造時における周波数特性のずれ(誤差)が生じている場合であっても、所望の共振周波数で発振することができる。特に、昇圧回路41が用いるクロックパルスとして、発振回路2が発するクロックパルスφを用いることにより、外部のクロックパルスを用いる場合と比較して、発振回路2で出力されるクロックパルスφが劣化すること(例えば、ノイズが入ること)が防止される。また、外部のクロックパルスを用いないことにより、発振器1の外部に発振回路を設ける必要がなくなり、半導体基板上の回路を簡素化することができる。
また、図7に示されるグラフには、上述したような発振器1の作動時における、昇圧回路41の出力電圧Vo、および振動子21の共振周波数frの時間変化を示した。
一方、振動子21の共振周波数frは、上述したようにバイアス電圧Vpによって変化する。発振器1の動作当初は、昇圧回路41からの出力電圧Voが低いため、バイアス電圧Vpが低くなっており、共振周波数frは高いものとなる。そして、昇圧回路41からの出力電圧Voが上昇するにつれて共振周波数frは低下し、出力電圧Voが一定となった時点で共振周波数frは一定となる。
次に、本発明の発振器の第2実施形態について説明する。
図8は、本発明の第2実施形態に係る発振器のブロック図である。
以下、第2実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
本実施形態において、電圧調整回路4Bは、昇圧回路41および分圧回路42を有するが、入力される基準電圧Vbの処理の順序が異なる。すなわち、基準電圧供給回路3からの基準電圧Vbは、分圧回路42へ入力される。そして、分圧回路42において、基準電圧Vbは、より小さい電圧Vo’に変換されて出力される。次に、分圧回路42において出力された電圧Vo’は、昇圧回路41に入力され、より高い電圧Vpとして出力される。
そして、昇圧回路41から出力された電圧Vpは、バイアス電圧Vpとして発振回路2に入力される。
以上のような第2実施形態によっても、第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
次に、本発明の発振器の第3実施形態について説明する。
図9は、本発明の第3実施形態に係る発振器のブロック図である。
以下、第3実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
分周回路6は、発振回路2から緩衝回路5Aを介して入力されたクロックパルスφをより低い周波数のクロックパルスφ’に変換して出力する。具体的には、分周回路において、クロックパルスφの周波数を利用して、クロックパルスφの周波数の整数分の1(1/n)の周波数のクロックパルスφ’を生成する。
以上のような第3実施形態によっても、第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
例えば、上述した実施形態では、振動子として可動電極が方持ち支持された振動子を用いたが、これに限定されず、例えば、可動電極が両持ち支持された振動子、櫛歯型静電アクチュエータ等の、静電引力によって駆動し、弾性振動可能な各種振動子を用いることができる。
Claims (6)
- 固定電極と空隙を隔てて配置された可動電極とを有する振動子を用いた発振器であって、
基準電圧を供給する基準電圧供給回路と、
クロックパルスの入力によって作動する昇圧回路を備え、前記基準電圧を所定の大きさの電圧に変換して出力する電圧調整回路とを有し、
前記振動子は、前記電圧調整回路から出力された前記所定の大きさが電圧を前記固定電極と前記可動電極との間に印加されるように構成されており、
前記昇圧回路に入力される前記クロックパルスは、前記振動子を発信源として得られたものであり、
前記電圧調整回路は、分圧回路を有し、
該分圧回路は、前記基準電圧をより低い電圧に変換して前記昇圧回路に出力し、
前記昇圧回路は、前記分圧回路から入力された電圧をより高い電圧に変換して前記所定の大きさの電圧として出力する
ことを特徴とする発振器。 - 固定電極と空隙を隔てて配置された可動電極とを有する振動子を用いた発振器であって、
基準電圧を供給する基準電圧供給回路と、
クロックパルスの入力によって作動する昇圧回路を備え、前記基準電圧を所定の大きさの電圧に変換して出力する電圧調整回路とを有し、
前記振動子は、前記電圧調整回路から出力された前記所定の大きさが電圧を前記固定電極と前記可動電極との間に印加されるように構成されており、
前記昇圧回路に入力される前記クロックパルスは、前記振動子を発信源として得られたものであり、
前記電圧調整回路は、分圧回路を有し、
前記昇圧回路は、前記基準電圧をより高い電圧に変換して前記分圧回路に出力し、
前記分圧回路は、前記昇圧回路から入力された電圧をより低い電圧に変換して前記所定の大きさの電圧として出力する
ことを特徴とする発振器。 - 前記電圧調整回路から出力される電圧の大きさを前記所定の大きさに調整することより、前記振動子の共振周波数を所定の数値範囲内に設定する請求項1または2に記載の発振器。
- 前記振動子の振動を基に前記クロックパルスを生成し、該クロックパルスを前記昇圧回路および外部に出力する発振回路を有する請求項1ないし3のいずれかに記載の発振器。
- 前記発振回路と前記昇圧回路との間に、前記クロックパルスが通過する緩衝回路を有する請求項3に記載の発振器。
- 前記振動子を発信源とする前記クロックパルスを分周して前記昇圧回路に入力する分周回路を有する請求項1ないし5のいずれかに記載の発振器。
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