電壓控制振蕩器的製作方法

2023-06-01 14:39:46 3

專利名稱：電壓控制振蕩器的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用電感元件和可變電容元件構成諧振部的技術、及使用該諧振部的 電壓控制振蕩器(VCO =Voltage Control Oscillator)。
背景技術：
電壓控制振蕩器(VCO (Voltage Control Oscillator))例如，如圖13所示，具備 諧振部，其包括靜電容量按照控制電壓進行變化的變容二極體(varicap diode)VD和電感 元件11 ；作為放大部的電晶體21 ；和包括兩個電容器C1、C2的反饋部2。在該例子中，通過 諧振部諧振的頻率信號由電晶體21放大，經反饋部2反饋給串聯諧振電路，由此構成振蕩 環路。另外，圖13中，31表示將頻率信號放大並向外部輸出的緩衝放大器。另外，16、T3和 L分別表示輸入端子、輸出端子部及電感元件。在此雖然省略圖示，但該VCO配置在例如由 以氧化鋁(Al2O3)為主要成分的LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics 低溫共燒陶 瓷)等陶瓷形成的基底基板上。
在此，當想提高VCO的振蕩頻率例如在數GHz或數十GHz的高頻帶域使用時，引起 如下的問題。即，在高頻帶域，有可能成為基板的尺寸比在上述的VCO處理(輸出)的電信 號的波長長的分布常數電路，在此情況下，在該基板上流過振幅反轉的信號，這些信號彼此 相互幹涉，有可能不能輸出電信號，或必須將包含VCO的基板的尺寸小型化，直到實用上的 製作困難的尺寸。
例如VCO配置在由以氧化鋁(Al2O3)為主成分的LTCC等陶瓷形成的未圖示的基底 基板上。該LTCC由於其相對介電常數ε例如為9 10左右，在基板上傳輸的外觀上的電 信號的波長比實際的波長短。因此，為了抑制電信號的幹涉，優選使基板的尺寸為電信號的 波長的例如1/10左右，但是在現實中，在那樣大小的基板上形成電路或安裝電子零件是很 困難的。
此外，對於搭載在輸出頻率極高的電信號例如GHz帶(微波)的電信號的無線通 信設備上的VCO而言，也可考慮(a)使VCO的輸出信號為數倍，其中，該VCO輸出比該頻帶 低的頻率的信號，(b)將GaAs (砷化鎵化合物)等用作基底基板，或(c)使用空腔諧振器。 但是，在(a)的情況下，由於使用成倍(遁倍)電路，相位噪聲會增大。另外，在(b)的情況 下，成本變高，在(c)的情況下，尺寸變大，小型化困難。
專利文獻1中對上述VCO等器件進行了記載，但對於上述的問題沒有研究。另外， 專利文獻2中已知使用作為壓電基板的石英(晶體)產生彈性波，用作振蕩頻率例如為數 MHz帶的振蕩器的技術，但不能解決上述的課題。
專利文獻1 日本特開平10-209714
專利文獻2 日本特開2007-201772發明內容
本發明是鑑於上述的問題而完成的，其目的在於提供一種電壓控制振蕩器，該電壓控制振蕩器可作為集總常數電路(lumped constant circuit)進行處理(對待)，小型且 能夠獲得高頻帶(域)的振蕩頻率。
本發明的電壓控制振蕩器的特徵在於，包括
諧振部，其包括靜電容量根據從外部輸入的頻率控制用(用於控制頻率)的控制 電壓進行變化的可變電容元件和電感元件，根據所述靜電容量調節(調整)串聯諧振頻 率；
放大部，其用於將來自該諧振部的頻率信號放大；和
反饋部，其包括反饋用(用於進行反饋)的電容元件，使在所述放大部被放大後的 頻率信號反饋至所述諧振部，與所述放大部及諧振部一起構成振蕩環路，
所述諧振部和反饋部設置在石英基板(晶體基板)上。
所述電壓控制振蕩器也可以具備下面的特徵。
(a)所述諧振部的電感元件為形成於所述石英基板上的導電通路(也稱為導電線 路或導電路)。
(b)所述諧振部的可變電容元件包括彼此隔開間隔地交叉的成對的梳齒形的導電 通路。
(c)所述反饋部包括用於進行反饋的電容元件，該用於進行反饋的電容元件包括 彼此隔開間隔地交叉的成對的梳齒形的導電通路。
(d)在所述石英基板上還設置有周邊部件。
(e)所述串聯諧振頻率為5GHz以上。
發明的效果
根據本發明，在相對介電常數ε小至4.0左右的石英基板上設置諧振部及反饋部 而構成電壓控制振蕩器，因此，例如即使在比由陶瓷形成的基板大型的基板上構成電壓控 制振蕩器，也能夠將該振蕩器作為集總常數電路來對待，能夠在例如數GHz或數十GHz這樣 的高頻帶域的頻率信號穩定地進行振蕩。


圖1是表示本發明的電路的實施方式之一例的VCO的電路圖。
圖2是表示上述的VCO的外觀的立體圖。
圖3是表示上述的VCO的平面圖(俯視圖)。
圖4是表示上述的VCO的側面圖(側視圖)。
圖5是表示上述的VCO的放大平面圖。
圖6是表示上述的VCO的基板上電路部的平面圖。
圖7是表示上述的基板上電路部的側面圖。
圖8是表示上述的基板上電路部的放大平面圖。
圖9是表示由上述的VCO得到的輸出頻率特性的特性圖。
圖10是表示由上述的VCO得到的相位噪聲特性的特性圖。
圖11是表示上述的基板上電路部的另一構成例的平面圖。
圖12是表示上述的VCO的製作方法之一例的流程圖。
圖13是表示現有VCO的結構的電路圖。
附圖標記的說明
1諧振部
2反饋部
3電路部
5石英基板
10基板上電路部
11電感元件
12電容器
13變容二極體
14變容二極體
15電容器具體實施方式
對於本發明的電壓控制振蕩器(VCO :Voltage Control Oscillator)的實施方式， 在說明結構前，先對於電路結構參照圖1進行敘述。圖1中，1表示諧振部，該諧振部1具 備如後所述由導電線路48構成的電感元件11和作為電容元件的電容器12的串聯諧振用 的串聯電路。在電感元件11上並聯連接有包括第一變容二極體13、第二變容二極體14和 作為電容元件的電容器15的串聯電路，構成並聯諧振用的並聯電路。即，該諧振部1具有 上述串聯電路的串聯諧振頻率(諧振點)和上述並聯電路的並聯諧振頻率(反諧振點)，由 諧振點的頻率決定振蕩頻率。該例中，以使得諧振點比反諧振點大的方式設定各電路元件 的常數，這樣，通過具有反諧振點，使得諧振點附近的頻率特性變得陡峭(急劇)。
另外，在圖1中，16表示控制電壓用的輸入端子，利用由該輸入端子16供給的控制 電壓調節(調整)第一變容二極體13和第二變容二極體14的電容值(容量值)，由此，上 述並聯電路的反諧振點移動，其結果是諧振點也移動，振蕩頻率得到調節。除了第一變容二 極管13之外還應用第二變容二極體14的理由是為了增大頻率的調節幅度(寬度)。17表 示穩壓用的電容器，18、19表示偏壓用的電感器(感應器)。
另外，在諧振部1的後級側，設置有反饋部2，該反饋部2具備基極與上述電容器 12連接成為放大部的NPN型電晶體21 ；和在電容器12和電晶體21的基極的連接點與地 (線)之間連接的、成為反饋用的電容元件的電容器22、23的串聯電路。電晶體21的發射 極與電容器22、23的連接點連接，並且經電感M和電阻25接地。電晶體21設置於用虛線 表示的IC電路部(LSI)3的晶片內，經該晶片的端子部(電極)T1、T2，電晶體21的基極及 發射極分別與電容器22的兩端連接。
在這種電路中，從外部向輸入端子16輸入控制電壓時，通過包括諧振部1及反饋 部2的振蕩環路，以上述諧振點的頻率例如IOGHz進行振蕩。
在IC電路部3內設置有例如與電晶體21的集電極互相併聯連接的兩個緩衝放大 器31、32，且一個緩衝放大器31經端子部Τ3取出振蕩輸出(振蕩頻率的信號)，並且從另 一個緩衝放大器32經分頻電路33及端子部Τ4取出振蕩輸出。
另外，諧振部1也可以是將變容二極體和電感元件11串聯連接，由該串聯電路的 串聯諧振頻率決定振蕩頻率的電路結構，在此情況下，變容二極體兼用作本發明的發明內容中的諧振部1的電容元件。
接著，對該VCO的具體的概觀及上述的諧振部1、反饋部2以及電路部3的布局， 參照圖2 圖5進行說明。VCO例如在AT切型的石英基板5上形成，在該石英基板5上配 置有構成諧振部1及反饋部2內的電容器22、23的後述的基板上電路部10、及IC電路部3 以及構成周邊部件等的電子部件。
在該石英基板5上，如圖5所示，形成有包括接地電極51和導電線路6的共面 (coplanar)線路，該共面線路例如通過將Cr (鉻)和Cu (銅)從下側起依此順序層疊金屬 膜而形成，其中，該導電線路6用於在石英基板5上將上述的電子部件分別電連接，接地電 極51和導電線路6以分開(保持有間隔)的方式配置。另外，在圖5中，將石英基板5上 的一部分區域切開進行放大表示，並且在與接地電極51及後述的基板上電路部10相當的 區域標註陰影線(剖面線)。另外，在圖5中，對與電路部3的多個連接端子8中已說明過 的電晶體21的基極、發射極及集電極的連接端子8分別連接的導電線路6，分別附加附圖標 記B、E及C。
上述的電子部件中，除基板上電路部10以外的各種電子部件，如圖4所示，分別利 用例如焊錫球等連接部7固定在石英基板5上，各個連接端子8和導電線路6進行電連接。 而且，圖2等中雖然省略了圖示，這些電子部件通過引繞配置在石英基板5上的上述導電線 路6被連接，如前文所述的圖1那樣構成成為VCO的電路。圖3中的20表示用於供給晶體 管21的偏置電壓的偏壓電路，偏壓電路20接地。另外，圖2中，省略了導電線路6的記載， 並且在圖3 圖5中只記載有局部的導電線路6。
上述的諧振部1的電感元件11、電容器12、15及反饋部2的電容器22、23，如圖2、 圖3以及圖6、圖7所示，在配置電路部3、變容二極體14等電子部件的石英基板5的例如 上表面側的規定區域內，通過光刻法等直接形成。下面，當將包括在該區域內形成的諧振部 1的電感元件11、電容器12、15及反饋部2的電容器22、23的電路部分稱為基板上電路部 10時，該基板上電路部10，例如，如圖4、圖5所示，也通過在石英基板5上形成的導電線路 6與電路部3等連接，構成VCO。
就該石英基板5而言，例如相對介電常數ε為3 5左右的範圍內的例如4. 0，電 能的損失(損耗因數(dissipation factor) :tan δ )為0.00008左右。從而，該石英基板 5 的 Q 值為 12500 ( = 1/0. 00008)左右。
圖6中簡化地進行了記載，構成基板上電路部10的電容器12、15、22、23實際上如 圖8所示，例如由梳齒形電極(或稱為梳齒電極)構成，該梳齒形電極包括以相互平行的 方式形成的一對共用電極部60 ；和從這些共用電極部60的各個呈梳齒狀地延伸並互相交 叉的電極指(導電通路)61組，各個共用電極部60與連接端子8或電感元件11連接。
另一方面，與上述的電容器12、15、22、23—起包括在基板上電路部10內的、諧振 部1的電感元件11，例如如圖6所示，作為導電線路即帶狀線構成。而且，如圖6所示，在上 述電感元件11，當令由兩個電容器12、15夾著的區域為電感元件11的一端側時，該電感元 件11的另一端側、以及與電容器23的發射極連接的共用電極部60的相反側的共用電極部 60，與形成於石英基板5表面的接地電極51連接。
在此，圖7表示沿圖6所示的A-A』線切斷石英基板5時的縱側面圖，圖8是將圖 6所示的基板上電路部10的局部放大表示的圖。
在該VCO中，當向輸入端子16施加控制用的電壓(控制電壓)時，如上所述，通過 包括諧振部1和反饋部2的振蕩環路以所述諧振點的頻率例如IOGHz發生振蕩，從端子部 T3及端子部T4取出與該振蕩頻率相對應的頻率信號及該頻率信號的分頻輸出。在此，在振 蕩時，諧振部1為電感性(inductive，感應性)。這時，如上所述，石英基板5的損耗因數極 小，因此獲得高的Q值，所以，與現有的例如由氟樹脂形成的基板⑴值=1000)相比較，在 寬廣的頻率的調節帶域，相位噪聲被抑制得非常低。即，獲得低的相位噪聲特性的頻率的可 變寬度較寬。將對該VCO進行的模擬(運算)的結果示於圖9及圖10，可以知道能夠根 據控制電壓在GHz帶的頻帶對輸出頻率進行調節，與現有的特性相比，在寬的帶域寬度均 獲得良好的相位噪聲特性。另外，圖10表示從振蕩頻率偏離IOkHz的位置的相位噪聲。參 考該圖 10，一併記載例如 Al2O3 (HTCC :High Temperature Co-fired Ceramic (高溫共燒陶 瓷)、tanS =0.001、0值=10000)的特性。而且，該圖10表示對無負載(在石英基板5 上沒有安裝電感元件11、電容器12、15、22、23的狀態)時的特性進行計算而得的結果。
另外，由於在相對介電常數小的石英基板5上作為基板上電路部10形成有諧振部 1的電感元件11、電容器12、15及反饋部2的電容器22、23，所以，例如與在現有LTCC上形 成有該基板上電路部10的情況相比較，能夠使從基板上電路部10振蕩的頻率信號的外觀 上的波長變長。
例如IOGHz的頻率信號的真空中的波長約為3cm左右，而電介質中的頻率信號的 波長是，與上述真空中的波長除以該介質的相對介電常數的1/2次方的值而得的值相等， 因此，在石英基板5的相對介電常數ε為4.0的情況下，該頻率信號的外觀上的波長為 1.5cm左右。從而，如在背景技術中說明的那樣，通過在上述頻率信號的外觀上的波長的 1/10左右、即約1. 5mm 2. Omm左右的區域內形成該基板上電路部10，就能夠將該基板上 電路部10作為集總常數電路來對待。如果是1. 5mm 2. Omm左右的區域，就能夠利用光刻 法形成前文所述的包括梳齒形的電極、導電線路的帶狀線，能夠抑制成品率降低等，並且能 夠批量生產在石英基板5上形成有基板上電路部10的VC0。
根據上述的實施方式，由於使用了石英基板5，該石英基板5比目前用作電感元件 11及電容器12的基板的氟樹脂或LTCC等擁有良好的特性(相對介電常數ε、tan δ )、並 且通過光刻法能夠形成微細的金屬膜的圖案，所以，能夠遍及寬的調節帶域獲得低相位噪 聲特性。另外，通過在該石英基板上形成諧振部1的電感元件11、電容器12、15及反饋部2 的電容器22、23(基板上電路部10)，能夠將該基板上電路部10作為集總常數電路對待，能 夠使例如數GHz或數十GHz這樣高頻帶的頻率信號穩定地振蕩。
另外，由於能夠通過光刻法將電感元件11、電容器12、15、22、23形成為一個晶片， 所以，能夠廉價地獲得小型且良好地抗物理性衝擊的諧振部1和VC0。此外，如上所述，使用 光刻法利用梳齒形電極構成電容器12、15、22、23，由此能夠使電極指61、61彼此的相對區 域(電荷蓄積區域)長，因此能夠簡便地獲得小型且低損失的電容器。此外，因為能夠在石 英基板5上直接形成電感元件11及電容器12、15、22、23，所以，與例如搭載與這些電感元 件11及電容器12、15、22、23對應的電子部件的情況相比，能夠縮短電極(導電通路)的引 繞，因此能夠抑制電信號的損失。
對本發明的VCO確認實際動作需要的電力值，結果，包含分頻器，電壓為3. 5V，電 流為75mA左右。而同樣地確認現有的將GaAs用作基底基板5的VCO的特性，結果，電壓為5V，電流為300mA左右。從而可知，本發明的VCO與現有VCO相比較，降低了消耗電力(耗電量)。
在此，在現有技術中，石英用作利用彈性波的壓電元件的器件，而本發明著眼於石 英的優異的物性(tan δ及相對介電常數O及通過光刻法能夠在表面形成金屬膜的微細 的圖案這些方面，在石英基板5上形成有構成諧振部1的電感元件11及電容器12、15以及 反饋部2的電容器22、23。另外，本例中，表示了在形成有基板上電路部10的石英基板5上 配置了其它電路部3、變容二極體14等的構成例，但這些其它電路3、14也可以不配置在石 英基板5上。例如，在共用的石英基板上形成圖6 圖8所示的基板上電路部10所包含的 各元件(諧振部1的電感元件11、電容器12、15及反饋部2的電容器22、23)，另外製作可 作為集總常數電路對待的石英晶片，將該石英晶片配置在配置有其它電路部3、變容二極體 14等的例如氟樹脂或LTCC制的基板上，由此構成VC0，這種情況也包含在本發明的技術的 範圍內。
另外，作為上述的電容器12、15、22、23，也可以代替梳齒形電極，例如使兩條電極 線相對，在這些線之間蓄積電荷，或者也可以使用層疊陶瓷電容器。
另外，作為石英基板5上的導電線路48的布局，例如如圖11所示，也可以在該石 英基板5上引繞電感元件11。
另外，作為構成石英基板5上的導電線路6、電容器12、15、22、23及電感元件11的 材質，除鋁以外，例如也可以使用Cu(銅)、Au(金)、Cr (鉻)、Ni (鎳)、Ti (鈦)、W(鎢)、 V(釩)、Ta(鉭)、Μο(鉬)、Ag(銀)、Pd(鈀)、Ιη(銦)及Sn(錫)的至少一種。
另外，在上述的例子中，配置了兩個變容二極體13、14，但也可以配置一個變容二 極管，如所述的圖13所示，也可以使這些變容二極體13、14中的一個作為電容器12發揮作 用。
接著，對製造上述的VCO的方法之一例進行說明。首先，對該製造方法的整體概 略進行說明，如圖12所示，例如在直徑IOcm的石英晶片40上按照已述的圖6所示的布局 (layout)，作為電容器12、15、22、23形成多個上述的梳齒形電極(步驟Sll)，接著，在石英 晶片40上配置導電線路48，形成電感元件11的圖案，形成基板上電路部10，並且形成接地 電極51 (步驟S12)。接著，例如通過切割等將石英晶片40切斷，使上述的石英基板5單片 化(晶片化)(步驟S13)，例如經印刷在晶片狀的石英基板5上的焊錫(連接部7)，將IC 電路部3、變容二極體14等部件搭載於該石英基板5上(步驟S14)。然後，以覆蓋石英基 板5上的各部件的方式安裝未圖示的蓋(步驟S15)，這樣製造VC0。
權利要求
1.一種電壓控制振蕩器，其特徵在於，包括諧振部，其包括靜電容量根據從外部輸入的頻率控制用的控制電壓發生變化的可變電 容元件和電感元件，並且其串聯諧振頻率根據所述靜電容量進行調節； 放大部，其用於將來自該諧振部的頻率信號放大；和反饋部，其包括反饋用的電容元件，將由所述放大部放大後的頻率信號反饋至所述諧 振部，並與所述放大部和諧振部一起構成振蕩環路， 所述諧振部和反饋部設置在石英基板上。
2.如權利要求1所述的電壓控制振蕩器，其特徵在於所述諧振部的電感元件是形成在所述石英基板上的導電通路。
3.如權利要求1所述的電壓控制振蕩器，其特徵在於所述諧振部包括所述可變電容元件和電容不因電壓而變化的電容元件，該電容元件包 括相互隔開間隔地交叉成對的梳齒形的導電通路。
4.如權利要求1所述的電壓控制振蕩器，其特徵在於 所述反饋部包括反饋用的電容元件，該反饋用的電容元件包括相互隔開間隔地交叉成對的梳齒形的導電通路。
5.如權利要求1所述的電壓控制振蕩器，其特徵在於 在所述石英基板上還設置有周邊部件。
6.如權利要求1所述的電壓控制振蕩器，其特徵在於 所述串聯諧振頻率為5GHz以上。
全文摘要
本發明提供一種電壓控制振蕩器，該電壓控制振蕩器可作為集總常數電路對待，小型且能夠獲得高頻帶域的振蕩頻率。電壓控制振蕩器中的諧振部(1)包括靜電容量根據從外部輸入的頻率控制用的控制電壓而變化的可變電容元件(13、14)和電感元件(11)，放大部(21)將來自該諧振部(1)的頻率信號放大，並且反饋部(2)包括反饋用的電容元件(22、23)，將由所述放大部(21)放大後的頻率信號反饋至所述諧振部(1)，與所述放大部(21)及諧振部(1)一起構成振蕩環路。而且，所述諧振部(1)及反饋部(2)設置在水晶基板(5)上。
文檔編號H03B5/32GK102035469SQ201010500788
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月30日 優先權日2009年10月5日
發明者川幡健兒, 恩塚辰典, 星上浩, 津田稔正, 藤山龍一 申請人:日本電波工業株式會社