JP2021101500A - 発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相ノイズ特性が良好な発振装置を提供する。【解決手段】発振器２及び該発振器２の出力が入力されるモノリシック水晶フィルタ３を備え、モノリシック水晶フィルタ３は、ポール数が３以上の奇数であり、モノリシック水晶フィルタ３の終端インピーダンスを整合する整合回路を備えておらず、３ポール以上の奇数のモノリシック水晶フィルタが有する急峻な減衰特性をそのまま利用して、位相ノイズを効果的に低減する。【選択図】図１

Description

本発明は、発振器とモノリシック水晶フィルタとを備えた発振装置に関する。

近年、ＭＥＭＳ(Micro Electro-Mechanical Systems:微小電気機械システム)技術を用いたＭＥＭＳデバイスの開発が広く行われている。ＭＥＭＳ技術とは、シリコンなどの半導体製造プロセス等における技術を応用して種々の機械要素の小型化を実現する技術であり、マイクロマシンと呼ばれる場合もある。

このようなＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳデバイスとして、ＭＥＭＳ振動子を備えたＭＥＭＳ発振器がある。

このＭＥＭＳ発振器を用いた発振装置では、出力周波数を調整するために、ＭＥＭＳ発振器の後段に、該ＭＥＭＳ発振器の出力が基準信号として入力されるＰＬＬ回路が備えられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１１０５１１号公報

ＭＥＭＳ発振器を用いた発振装置は、上記のように、ＰＬＬ回路を備えているので、回路部品やループ特性に起因した位相ノイズが発生する。

移動体通信機器などの電子機器に幅広く用いられている発振装置では、位相ノイズ特性の要求も厳しくなっており、特に、１ｋＨｚ以上のオフセット周波数において良好な位相ノイズ特性が求められている。

本発明は、上記のような点に鑑みて為されたものであって、位相ノイズ特性が良好な発振装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。

すなわち、本発明の発振装置は、発振器及び該発振器の出力が入力されるモノリシック水晶フィルタを備え、前記モノリシック水晶フィルタは、ポール数が３以上の奇数であり、前記モノリシック水晶フィルタの終端インピーダンスを整合する整合回路を備えていない。

本発明の発振装置によれば、発振器の出力が入力されるモノリシック水晶フィルタによって、ノイズ成分を除去して位相ノイズ特性を高めることができる。

特に、モノリシック水晶フィルタは、ポール数が３ポール以上の奇数であって、終端インピーダンスを整合する整合回路を備えていないので、３ポール以上の奇数のモノリシック水晶フィルタが有する急峻な減衰特性が、前記整合回路によって、なだらかになることがなく、急峻な減衰特性をそのまま利用して、位相ノイズを効果的に低減することができる。

前記モノリシック水晶フィルタを、３ポールのモノリシック水晶フィルタとし、前記モノリシック水晶フィルタの中心周波数が、斜対称モードの周波数Ｆ２である構成としてもよい。

上記構成によれば、３ポールのモノリシック水晶フィルタの斜対称モードの周波数Ｆ２付近の急峻な減衰特性を利用して位相ノイズを効果的に低減することができる。

前記モノリシック水晶フィルタは、第１対称モードの周波数Ｆ１と前記斜対称モードの周波数Ｆ２との周波数間隔、及び、前記斜対称モードの周波数Ｆ２と第２対称モードの周波数Ｆ３との周波数間隔が、３０ｋＨｚ以上である構成としてもよい。

上記構成によれば、第１対称モードの周波数Ｆ１と斜対称モードの周波数Ｆ２との周波数間隔、及び、斜対称モードの周波数Ｆ２と第２対称モードの周波数Ｆ３との周波数間隔が、３０ｋＨｚ以上であるので、第１対称モードの周波数Ｆ１又は第２対称モードの周波数Ｆ３が、斜対称モードの周波数Ｆ２に近接して周波数間隔が狭くなることによって、斜対称モードの周波数Ｆ２付近の減衰特性がなだらかになるのを回避して急峻な減衰特性を維持することができる。

前記発振器が、ＭＥＭＳ振動子、発振回路及び該発振回路の出力が入力されるＰＬＬ回路を含むＭＥＭＳ発振器であるのが好ましい。

上記構成によれば、ＰＬＬ回路を含むために、位相ノイズ特性が悪化するＭＥＭＳ発振器の出力の位相ノイズを、モノリシック水晶フィルタによって低減することができる。

前記発振器は、前記発振回路及び前記ＰＬＬ回路を含む集積回路素子を備える構成としてもよい。

上記構成によれば、発振回路及びＰＬＬ回路を集積回路素子に内蔵させて発振器を小型化することができる。

前記発振回路を、温度補償型の発振回路としてもよい。

上記構成によれば、温度による発振周波数のずれを補償して、高い周波数精度を得ることができる。

本発明によれば、発振器の出力が入力されるモノリシック水晶フィルタによって、不要なノイズ成分を除去して良好な位相ノイズ特性を得ることができる。

特に、モノリシック水晶フィルタは、ポール数が３ポール以上の奇数であって、終端インピーダンスの整合を行わないので、３ポール以上の奇数のモノリシック水晶フィルタが有する急峻な減衰特性をそのまま利用して、位相ノイズを効果的に低減することができる。

図１は本発明の一実施形態に係る発振装置の概略構成図である。 図２は図１の発振装置の概略断面図である。 図３は図２のモノリシック水晶フィルタのベースの平面図である。 図４は図３のベースの裏面図である。 図５は図２のモノリシック水晶フィルタの水晶振動板の平面図である。 図６は図５の水晶振動板の裏面を示す上方から見た透過図である。 図７は図１のモノリシック水晶フィルタの特性図である。 図８は図１の発振装置及び比較例１，２の発振装置の位相ノイズ特性を示す図である。 図９は本発明の他の実施形態の発振装置の概略断面図である。 図１０は本発明の更に他の実施形態の発振装置の概略断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る発振装置の構成を示すブロック図である。

この実施形態の発振装置１は、温度補償型のＭＥＭＳ発振器２と、このＭＥＭＳ発振器の出力のノイズを除去するモノリシック水晶フィルタ（ＭＣＦ）３とを備えている。

温度補償型のＭＥＭＳ発振器２は、ＭＥＭＳ振動子４と、集積回路素子としてのＩＣチップ５とを備えている。このＩＣチップ５は、ＭＥＭＳ振動子４と共に発振回路を構成すると共に、温度補償回路等を含む温度補償型の発振回路６と、この発振回路６の出力が基準信号として入力されるＰＬＬ回路７とを内蔵している。

ＭＥＭＳ発振器２では、その出力周波数を調整するために、発振回路６の後段に、ＰＬＬ回路７が備えられており、ＰＬＬ回路７の回路部品やループ特性に起因した位相ノイズが発生する。

この実施形態では、ＭＥＭＳ発振器２の位相ノイズを低減するために、ＭＥＭＳ発振器２の後段に、上記のようにモノリシック水晶フィルタ３を設けている。

更に、モノリシック水晶フィルタ３の入力端側及び出力端側に、一般的に設けられる終端インピーダンス整合用の整合回路を備えていない。

図２は、この実施形態の発振装置１の概略断面図である。

この実施形態の発振装置１では、プリント配線基板からなる部品搭載用の基板８の上面に、温度補償型のＭＥＭＳ発振器２と、モノリシック水晶フィルタ３と、各種の電子部品９とが、半田３２によって接合されて実装されている。部品搭載用の基板８には、カバー１０が装着され、この基板８とカバー１０とによって、ＭＥＭＳ発振器２、モノリシック水晶フィルタ３及び電子部品９を収容する収容空間を構成する筐体２６が構成されている。

このように基板８の両主面の一方の主面である上面に、温度補償型のＭＥＭＳ発振器２、モノリシック水晶フィルタ３及び電子部品９を搭載するので、基板８の各主面、例えば、上面に温度補償型のＭＥＭＳ発振器２を搭載し、下面にモノリシック水晶フィルタ３を搭載する構成に比べて、発振装置１の低背化（薄型化）を図ることができる。

モノリシック水晶フィルタ３は、水晶振動板を収容した収容凹部を有すると共に、上部が開口したセラミック製のベース２０と、ベース２０の前記収容凹部を気密に封止する、例えば金属板からなるリッド２１とを備えている。

温度補償型のＭＥＭＳ発振器２は、上記のＭＥＭＳ振動子４を含むＭＥＭＳ素子１１と、温度補償型の発振回路６及びＰＬＬ回路７を内蔵した上記ＩＣチップ５と、これらを収容して気密に封止するパッケージ１２とを備えている。

パッケージ１２は、上部が開口した収容凹部１６を有し、ＭＥＭＳ素子１１及びＩＣチップ５を収容保持するベース１３と、ベース１３の上部開口を閉塞して、収容凹部１６を気密に封止するリッド１４とを備えている。リッド１４は、コバールなどからなる矩形環状のシールリング１５によって、ベース１３の開口の周縁部にシーム溶接などで接合される。この接合は、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行われ、パッケージ１２の内部の空間は、窒素ガス等の不活性ガスが封入され、あるいは、真空とされる。

ベース１３は、平面視略矩形であり、アルミナ等のセラミック材料からなり、セラミックグリーンシートを積層して上部が開口した凹状に一体焼成して構成されている。

ベース１３の収容凹部１６は、平面視略矩形であり、ベース１３の長辺方向（図２の左右方向）の両端の内周壁に、収容凹部１６の底面よりも高い段部１３ａが、それぞれ設けられている。各段部１３ａの上面には、ＩＣチップ５接続用の導体配線パターンからなる複数の接続電極（図示せず）がそれぞれ形成されている。

ＩＣチップ５は、その能動面（上面）とは反対側の非能動面（下面）が、ベース１３の収容凹部１６の底面に、接着剤によって接合されている。

ＩＣチップ５の能動面には、その周縁部に、ベース１３の上記接続電極にそれぞれ接続される複数の電極パッド（図示せず）が形成されている。また、ＩＣチップ５の能動面の中央側には、ＭＥＭＳ素子１１を搭載するための図示しない電極パッドが形成されている。

ＩＣチップ５の各電極パッドは、ベース１３の段部１３ａ上に形成された対応する接続電極にボンディングワイヤー１７によって電気的に接続されている。

ＭＥＭＳ素子１１は、上記のＭＥＭＳ技術を用いて製作された素子であり、ＭＥＭＳ振動子（Ｓｉ共振子）を含んでおり、可動部分が気密封止されている。この実施形態のＭＥＭＳ素子１１は、酸化膜上にシリコン単結晶層を形成した構造のシリコンウェーハであるＳＯＩ（Silicon on Insulator)ウェーハを用いて製作されたものである。

このＭＥＭＳ素子１１は、ＩＣチップ５の外形より小さく、その能動面がＩＣチップ５の能動面に対向するように、ＩＣチップ５に接合されている。すなわち、ＭＥＭＳ素子１１は、その能動面の電極パッドとＩＣチップ５の接続パッドとが、Ａｕバンプ等の金属バンプによってフリップチップ接続されている。

ベース１３の接続電極は、ベース１３の内部に形成された図示しない導体配線パターンによって、ベース１３の下面に形成された外部接続端子１８に接続されている。

部品搭載用の基板８には、ＭＥＭＳ発振器２、モノリシック水晶フィルタ３及び電子部品９を接続する導体配線パターンが形成されており、その下面には、当該発振装置１を実装するための実装端子１９が設けられている。

この実施形態のモノリシック水晶フィルタ３は、３ポールのモノリシック水晶フィルタである。

図３は、このモノリシック水晶フィルタ３の上記ベース２０の平面図であり、図４はその底面図である。

ベース２０は、水晶振動板を収容する平面視矩形の収容凹部を有しており、この収容凹部の底面、すなわち、ベース２０の内底面２２の４つの角部には、図３に示されるように、該ベース２０内に収容される水晶振動板を、電気機械的に搭載保持するための入力パッド２３と、出力パッド２４と、第１，第２アースパッド３５，３６とが形成されている。

入力パッド２３と出力パッド２４とは、一方の対向する各角部にそれぞれ引出され、第１アースパッド３５と第２アースパッド３６とは、他方の対向する各角部にそれぞれ引出されている。

ベース２０の外底面には、図４に示されるように、ベース２０内部に形成された図示しない導体配線（配線パターンやビア等）を介して、前記入力パッド２３、前記出力パッド２４、前記第１，第２アースパッド３５，３６にそれぞれ電気的に接続された第１〜第４外部接続端子３７〜４０が設けられている。入力パッド２３に接続された第１外部接続端子３７が入力端子、出力パッド２４に接続された第２接続端子３８が出力端子、第１，第２アースパッド３５，３６にそれぞれ接続された第３，第４接続端子３９，４０がＧＮＤ端子である。

図５は、ベース２０に収容される水晶振動板の平面図であり、図６はその裏面を示す上方から見た透視図である。

この実施形態の水晶振動板４１は、例えば、ＡＴカットの水晶基板４６を備えている。

水晶基板４６は、矩形平板状であり、その一方の主面である表面（リッド２１側の面）には、図５に示されるように、中央部に平面視矩形のアース電極である共通電極４２が形成されている。この矩形の共通電極４２には、各長辺の中央部から水晶基板４６の周縁に向かって引出され、水晶基板４６の各長辺に沿って対向し、各角部へそれぞれ延出する第１，第２引出し電極４２ａ，４２ｂが形成されている。

水晶基板４６の他方の主面である裏面（ベース２０側の面）には、図６に示されるように、中央の平面視矩形の共通電極４５の両側に、所定間隔を空けて、水晶基板４６の長辺方向（図６の左右方向）に沿って並ぶように平面視矩形の入力電極４３及び平面視矩形の出力電極４４が形成されている。

これら入力電極４３、出力電極４４及び共通電極４５は、前記共通電極４２に、表裏で対向するように形成されている。すなわち、共通電極４２に対して３つの分割電極４３，４５，４４が設けられている。

平面視矩形の入力電極４３には、その一方の短辺から水晶基板４６の対向する長辺の一方の長辺へ向かって引出されて、前記一方の長辺に沿って一方の角部へ延出する第３引出し電極４３ａが形成されている。

平面視矩形の共通電極４５には、その一方の短辺から水晶基板４６の対向する長辺の一方の長辺へ向かって引出されて、前記一方の長辺に沿って他方の角部へ延出する第４引出し電極４５ａが形成されている。この第４引出し段極４５ａは、図５に示される水晶基板４６の表面の共通電極４２の第１引出し電極４２ａに接続されている。

平面視矩形の出力電極４４には、その他方の短辺から水晶基板４６の対向する長辺の他方の長辺へ向かって引出されて、前記他方の長辺に沿って他方の角部へ延出する第５引出し電極４４ａが形成されている。

図３に示されるベース２０の内底面２２の入力パッド２３に、図６に示される水晶振動板４１の裏面の入力電極４３の第３引出し電極４３ａが、導電性接着剤によって電気的に接続される。

図３に示されるベース２０の内底面２２の出力パッド２４に、図６に示される水晶振動板４１の裏面の出力電極４４の第５引出し電極４４ａが、導電性接着剤によって電気的に接続される。

図３に示されるベース２０の内底面２２の第２アースパッド３６に、水晶振動板４１の表裏の共通電極４２，４５の第１，第４引出し電極４２ａ，４５ａが、導電性接着剤によって電気的に接続される。

図３に示されるベース２０の内底面２２の第１アースパッド３５に、図５に示される水晶振動板４１の表面の共通電極４２の第２引出し電極４２ｂが、導電性接着剤によって電気的に接続される。

上記のようにして水晶振動板４１が、ベース２０に収容搭載され、リッド２１によって気密に封止されて、モノリシック水晶フィルタ３が構成される。

図７は、この実施形態の３ポールのモノリシック水晶フィルタ３のフィルタ特性を示す図である。この図７において、縦軸は信号の減衰量、横軸は信号の周波数を示している。

図７に示されるように、３ポールのモノリシック水晶フィルタ３は、第１対称モードの周波数Ｆ１、斜対称モードの周波数Ｆ２、及び、第２対称モードの周波数Ｆ３において、それぞれピークとなる急峻な減衰特性を有している。

上記のように、この実施形態では、モノリシック水晶フィルタ３の入出力端側には、一般的に設けられる終端インピーダンス整合用の整合回路が設けられていない。このため、整合回路によって、前記各周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３のピークがなだらかに広がることがなく、図７に示される急峻な減衰特性が維持されている。

このモノリシック水晶フィルタ３では、その中心周波数を、第１対称モードの周波数Ｆ１と第２対称モードの周波数Ｆ３との間の斜対称モードの周波数Ｆ２としている。

この実施形態のモノリシック水晶フィルタ３は、中心周波数が２１．４ＭＨｚであり、通過帯域幅が７２４Ｈｚである。

このように終端インピーダンスの整合を行うことなく、３ポールのモノリシック水晶フィルタ３の斜対称モードの周波数Ｆ２の急峻な減衰特性をそのまま利用するので、位相ノイズを効果的に低減することができる。

第１対称モードの周波数Ｆ１と斜対称モードの周波数Ｆ２との周波数間隔、または、斜対称モードの周波数Ｆ２と第２対称モードの周波数Ｆ３との周波数間隔が、狭くなると、斜対称モードの周波数Ｆ２付近の急峻な減衰特性がなだらかになっしまう。

このため、この実施形態では、第１対称モードの周波数Ｆ１と斜対称モードの周波数Ｆ２との周波数間隔、及び、斜対称モードの周波数Ｆ２と第２対称モードの周波数Ｆ３との周波数間隔を、３０ｋＨｚ以上とし、斜対称モードの周波数Ｆ２付近の急峻な減衰特性を維持するようにしている。この第１対称モードの周波数Ｆ１と斜対称モードの周波数Ｆ２との周波数間隔、及び、斜対称モードの周波数Ｆ２と第２対称モードの周波数Ｆ３との周波数間隔は、広い程、好ましいが、その上限は、例えば、３００ｋＨｚ以下、好ましくは、１ＭＨｚ以下である。

図８は、この実施形態の発振装置１及び比較例１，２の発振装置の位相ノイズ特性を示す図である。

図８において、縦軸が位相ノイズ（ｄＢｃ／Ｈｚ）、横軸がオフセット周波数（Ｈｚ）であり、実線Ｌ１が本実施形態の発振装置１の位相ノイズ特性を示し、破線Ｌ２が比較例１の位相ノイズ特性を、一点鎖線Ｌ３が比較例２の位相ノイズ特性をそれぞれ示している。

比較例１の発振装置は、モノリシック水晶フィルタ３を備えていない発振装置、すなわち、図１の温度補償型のＭＥＭＳ発振器２のみからなる発振装置である。

比較例２の発振装置は、３ポールのモノリシック水晶フィルタ３に代えて、４ポールのモノリシック水晶フィルタを用いると共に、そのモノリシック水晶フィルタの入出力端側に、終端インピーダンス整合用の整合回路を設けたものである。

実線Ｌ１で示される本実施形態の発振装置１では、破線Ｌ２で示される比較例１の発振装置、すなわち、モノリシック水晶フィルタ３を備えていない発振装置に比べて、１ｋＨｚ以上の広いオフセット周波数において、位相ノイズが大幅に低減されている。

更に、実線Ｌ１で示される実施形態の発振装置１では、一点鎖線Ｌ３で示される比較例２、すなわち、４ポールのモノリシック水晶フィルタを用いると共に、そのモノリシック水晶フィルタの入出力端側に、終端インピーダンス整合用の整合回路が設けた発振装置に比べて、オフセット周波数が１ｋＨｚ以上において、位相ノイズが顕著に低減されていることが分る。

このように本実施形態によれば、温度補償型のＭＥＭＳ発振器２の出力に含まれるノイズ成分を、終端インピーダンスを整合していない３ポールのモノリシック水晶フィルタ３によって除去して位相ノズ、特にオフセット周波数が１ｋＨｚ以上における位相ノイズを顕著に低減することができる。

上記実施形態の発振装置１では、部品搭載用の基板８の両主面の一方の主面（図２では上面）に、温度補償型のＭＥＭＳ発振器２、モノリシック水晶フィルタ３及び電子部品９を搭載し、部品搭載用の基板８の他方の主面（図２では下面）に実装端子１９を設けたが、本発明の他の実施形態として、例えば、図９に示す発振装置１Ａのように、部品搭載用の基板８Ａの各主面に搭載するようにしてもよい。すなわち、部品搭載用の基板８Ａの一方の主面に、例えば、ＭＥＭＳ発振器２を搭載し、他方の主面にモノリシック水晶フィルタ３を搭載し、部品搭載用の基板８Ａを、リード端子２７を介してベース基板２８に支持すると共に、電気的に接続してもよい。この場合、当該発振装置１Ａを実装するための実装端子２９を有するベース基板２８とカバー３０とによって構成される筐体２６Ａ内に、ＭＥＭＳ発振器２、モノリシック水晶フィルタ３及び電子部品９を搭載した部品搭載用の基板８Ａを収容する。

この構成によれば、図２の構成に比べて、部品搭載用の基板８Ａの水平方向の面積を小さくして省スペースを図ることができる。

また、筐体２６，２６Ａの収容空間に、ＭＥＭＳ発振器２、モノリシック水晶フィルタ３及び電子部品９を収容するのではなく、例えば、図１０に示される発振装置１Ｂのように、ＭＥＭＳ発振器２、モノリシック水晶フィルタ３及び電子部品９の全体を樹脂３１によって封止してもよい。

上記実施形態の発振装置は、ＭＥＭＳ振動子を用いたＭＥＭＳ発振器であったが、本発明の他の実施形態として、ＭＥＭＳ振動子に代えて水晶振動子を用いた水晶発振器に適用してもよい。

上記実施形態では、モノリシック水晶フィルタ３は、３ポールであったが、３ポールに限らず、５ポールやそれ以上の奇数ポールのモノリシック水晶フィルタとしてもよい。

上記各実施形態では、温度補償型の発振器に適用して説明したが、本発明は、温度補償機能を有さない発振器に適用してもよい。

１，１Ａ，１Ｂ 発振装置
２ 温度補償型のＭＥＭＳ発振器
３ モノリシック水晶フィルタ
４ ＭＥＭＳ振動子
５ ＩＣチップ
６ 温度補償型の発振回路
７ ＰＬＬ回路
２０ ベース
２１ リッド
２３ 入力パッド
２４ 出力パッド
３５，３６ 第１，第２アースパッド
４１ 水晶振動板
４２，４５ 共通電極
４３ 入力電極
４４ 出力電極

Claims (6)

1. 発振器及び該発振器の出力が入力されるモノリシック水晶フィルタを備え、
   前記モノリシック水晶フィルタは、ポール数が３以上の奇数であり、
   前記モノリシック水晶フィルタの終端インピーダンスを整合する整合回路を備えていない、
   ことを特徴とする発振装置。
2. 前記モノリシック水晶フィルタが、３ポールのモノリシック水晶フィルタであり、
   前記モノリシック水晶フィルタの中心周波数が、斜対称モードの周波数Ｆ２である、
   請求項１に記載の発振装置。
3. 前記モノリシック水晶フィルタは、第１対称モードの周波数Ｆ１と前記斜対称モードの周波数Ｆ２との周波数間隔、及び、前記斜対称モードの周波数Ｆ２と第２対称モードの周波数Ｆ３との周波数間隔が、３０ｋＨｚ以上である、
   請求項２に記載の発振装置。
4. 前記発振器は、ＭＥＭＳ振動子、発振回路及び該発振回路の出力が入力されるＰＬＬ回路を含むＭＥＭＳ発振器である、
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発振装置。
5. 前記発振器は、前記発振回路及び前記ＰＬＬ回路を含む集積回路素子を備える、
   請求項４に記載の発振装置。
6. 前記発振回路が、温度補償型の発振回路である、
   請求項４または５に記載の発振装置。

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