负性电容电路、谐振电路及振荡电路的制作方法

负性电容电路、谐振电路及振荡电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种负性电容电路、谐振电路以及振荡电路。谐振电路包括：第一振子；第二振子，与所述第一振子串联连接；倒相放大器及电容元件，与所述第一振子并联，而倒相放大器及电容元件为相互串联连接；以及负性电容电路，设置在所述第一振子和所述第二振子之间的节点与地面之间。
【专利说明】负性电容电路、谐振电路及振荡电路
[0001]本申请案主张并享有2013年3月12日在日本专利局申请的日本专利申请案第2013-049254号与第2013-049253号的优先权，以及2014年2月17日在日本专利局申请的日本专利申请案第2014-027158号与第2014-027159号的优先权，且通过引用将这些申请案的全文结合到本文中。

【技术领域】
[0002]本发明涉及一种负性电容电路、谐振电路及振荡电路。

【背景技术】
[0003]以往，已知有一种反谐振电路，该反谐振电路通过使用谐振频率不同的多个晶体振子(crystal resonator),而可在比利用单一的晶体振子能够调整的频率范围大的频率范围内调整振荡频率(例如，参照日本专利特开2007-295256号公报(以下称为专利文献I))。
[0004]图17表示以往的反谐振电路400的构成例。在图17中，反谐振电路400连接于交流信号源430的输出电阻440与负载电阻450。
[0005]反谐振电路400包括晶体振子411及晶体振子421，所述晶体振子411及晶体振子421连接于输出电阻440与负载电阻450之间的不同路径。在连接着晶体振子411的第一路径上串联设置着衰减器412、电感器(inductor)413及电容器(capacitor)414。晶体振子411连接于电感器413与电容器414的连接点及地面(ground)。同样地，在连接着晶体振子421的第二路径上串联设置着衰减器422、电感器423及电容器424。晶体振子421连接于电感器423与电容器424的连接点及地面。
[0006]晶体振子411及晶体振子421分别具有不同的谐振频率，经由电容器414及电容器424而相互连接。由此，反谐振电路400是:在晶体振子411的谐振频率与晶体振子421的谐振频率之间的频率下进行谐振。通过使衰减器412及衰减器422的衰减率变化，而使反谐振电路400的反谐振频率产生变化。
[0007]另外，晶体振子、微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems, MEMS)振子等具有高Q的谐振器的谐振频率，是以fL= (1/2 Ji) V KcaClVL1C1CJ表示。此处，C1为振子的等效电路的动态电容(mot1nal capacitance), Clj为负载电容，L1为振子的串联电感(inductance)。
[0008]在使用C1相对较小的MEMS振子的振荡电路中，通过调整施加到振子的偏压电压(bias voltage)而调整频率。然而，在将C1相对于”在集成电路或个别零件中可实现的数PF等级(order)的电容值”非常小的振子用于振荡电路的情况下，基于Q >> C1的关系，谐振频率可近似于4=(1/2 π) V (Izl1C1)15由此，谐振频率基于振子所具有的L1及C1而决定。因此，在将所述振子用于振荡电路的情况下，振子的谐振频率的温度特性直接反映在振荡频率的温度特性中。
[0009]尤其是MEMS振子的谐振频率的温度特性为-30ppm/°C左右，频率变化相对于温度变化的范围相对较大。因此，在使用MEMS振子的振荡电路中，仅通过调整偏压电压难以抵消温度变化而获得稳定的振荡频率。
[0010]在图17所示的反谐振电路400中，可使反共振频率在比调整单一 MEMS振子的偏压电压时大的频率范围内变化。然而，在反谐振电路400中，为了使反谐振频率下的Q值成为可用于振荡电路的程度的大的值，必须将电感器413及电感器423的电感值设为足够大的值。具体来说，在专利文献I中，例示有27 μ H作为电感器413及电感器423的电感值。
[0011]然而，电感器的电感值随着温度变化而大幅度地变化。另外，也难以根据振子的差异来调整电感值。因此，在使用电感器的谐振电路中，无法获得稳定的振荡频率的振荡信号。进而，具有μΗ等级的电感值的电感器难以内置在集成电路中。因此，使用以往的反谐振电路400，无法以低成本(cost)批量生产可获得稳定的振荡频率的振荡信号的振荡电路。
[0012]另一方面，如日本专利特开2002-124713号公报及日本专利特开平8-204451号公报所示，在使用运算放大器(operat1nal amplifier)作为主动元件而构成负性电容电路的情况下，存在如下问题:由于运算放大器的动作频带不够宽，因此可连接负性电容电路而使用的振荡电路的振荡频率被限制在数MHz左右。
[0013]另外，如日本专利特开昭60-157317号公报、国际公开第00/04647号公报、及美国专利第7609111号说明书所示,在组合多个晶体管(transistor)而构成负性电容电路的情况下，存在容易产生无用振荡的问题。尤其是在使用发射极跟随器电路(emitter-followercircuit)构成负性电容电路的情况下，存在如下情况:由发射极跟随器电路周边的寄生电容器(parasitic capacitor)及寄生电感器(parasitic inductor)形成科尔皮兹(Colpitts)电感电容(inductance capacitance,LC)振荡电路,而产生连接的振子的谐振频率以外的频率(例如GHz带)下的无用振荡。另外，在以往的负性电容电路中，也存在如下情况:因存在高频率下的反向增益(return gain) Sll,而导致在连接着其他电路的情况下产生无用振荡。
[0014]因此，存在以下需要:谋求一种不易受到所述缺点影响的负性电容电路、谐振电路及振荡电路。


【发明内容】

[0015]本发明的谐振电路包括:第一振子；第二振子，与所述第一振子串联连接；倒相放大器(inverting amplifier)及电容元件，与所述第一振子并联,倒相放大器及电容元件为相互串联连接；以及负性电容电路，设置在所述第一振子和所述第二振子之间的节点(node)与地面之间。
[0016]本发明的一种振荡电路，包括:所述的谐振电路；以及反馈部，将所述第二振子输出的信号反馈给所述第一振子。
[0017]本发明的一种负性电容电路，使用于谐振电路，所述负性电容电路包括:发射极跟随器电路；基极接地电路，连接于具有电容成分的负载；第一电容器，连接在:所述发射极跟随器电路的输出端子、与所述基极接地电路的输入端子之间；以及衰减器，连接在:所述基极接地电路的输出端子、与所述发射极跟随器电路的输入端子之间。
[0018]本发明的一种振荡电路，包括:所述的负性电容电路；以及振子，连接于所述负性电容电路，且接收从所述基极接地电路的输出端子输出的电流。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]通过参照附图并结合以下详细说明，将更容易明白本发明的所述及其他特征及特性，其中:
[0020]图1是表示第一实施方式的振荡器的构成例的电路图。
[0021]图2是表示使用第一实施方式的谐振电路的等效电路的模拟电路(simulationcircuit)的电路图。
[0022]图3A是表示第一实施方式的谐振电路的增益的频率特性的一例的曲线图。
[0023]图3B是表示第一实施方式的谐振电路的相位的频率特性的一例的曲线图。
[0024]图3C是表示比较例的谐振电路的增益的频率特性的曲线图。
[0025]图4是表示第二实施方式的谐振电路的构成例的电路图。
[0026]图5是表示第三实施方式的谐振电路的构成例的电路图。
[0027]图6A是表示第三实施方式的谐振电路的增益的频率特性的一例的曲线图。
[0028]图6B是表示第三实施方式的谐振电路的相位的频率特性的一例的曲线图。
[0029]图7是表示第四实施方式的振荡器的构成例的电路图。
[0030]图8A是表示第五实施方式的振荡电路的构成例的电路图。
[0031]图8B是表示负性电容电路的等效电路。
[0032]图9是表示从外部接(interface)观测负性电容电路时的、等效电阻电容(resistance capacitance, RC)并联电路的频率特性的一例的曲线图。
[0033]图10是表示振子的阻抗(impedance)特性的一例的曲线图。
[0034]图11是表示从外部接口观测负性电容电路时的反射特性的一例的曲线图。
[0035]图12是表示比较例的振荡电路的构成例的电路图。
[0036]图13是表示从外部接口观测比较例的负性电容电路时的、等效RC并联电路的频率特性的一例的曲线图。
[0037]图14是表示将比较例的负性电容电路连接于振子时的阻抗特性的一例的曲线图。
[0038]图15是表示从外部接口观测比较例的负性电容电路时的反射特性的一例的曲线图。
[0039]图16是表示第六实施方式的负性电容电路的构成例的电路图。
[0040]图17是表示以往的振荡电路的构成例的电路图。
[0041]附图标记:
[0042]1:谐振电路
[0043]Ia:发射极跟随器电路
[0044]2、7a:放大电路
[0045]2a:基极接地电路
[0046]3a:第一电容器
[0047]4a、8a、12a、24a:电阻
[0048]5a:外部接口
[0049]6a:振子
[0050]9a:第二电容器
[0051]10:第一振子电路
[0052]10a、15、20a、22:负性电容电路
[0053]11:第一振子
[0054]lla、21a:晶体管
[0055]12:第二振子
[0056]13,23:倒相放大器
[0057]14、24:电容元件
[0058]16、430:交流信号源
[0059]17:负载电阻
[0060]18:第一可变电阻
[0061]19:第二可变电阻
[0062]20:可变电容元件
[0063]21:第三振子
[0064]22a:电压源
[0065]23a:电流源
[0066]100、200:振荡器
[0067]100a、200a:振荡电路
[0068]111、121:等效并联电容
[0069]112、122:等效串联电各
[0070]113、123:等效串联电感器
[0071]114、124:等效串联电阻
[0072]400:反谐振电路
[0073]411、421:晶体振子
[0074]412,422:衰减器
[0075]413、423:电感器
[0076]414、似4:电容器
[0077]440:输出电阻
[0078]450:负载电阻

【具体实施方式】
[0079]〈第一实施方式〉[振荡器100的构成]
[0080]图1表不第一实施方式的振荡器100的构成例。振荡器100包括:谐振电路I与放大电路2。放大电路2作为将第二振子12输出的信号反馈给第一振子11的反馈部(returnunit)，而发挥功能。通过使谐振电路I与放大电路2形成回路(loop)，振荡器100可产生谐振电路I的谐振频率的振荡信号。
[0081][谐振电路I的构成]
[0082]谐振电路I包括:第一振子电路10、第二振子12及负性电容电路15。第一振子电路10包括:第一振子11、倒相放大器13及电容元件14。第一振子11及第二振子12例如为AT切割(At-cut)晶体振子、SC切割晶体振子及MEMS振子。第一振子11与第二振子12为串联连接。
[0083]本实施方式中的第一振子11的谐振频率fA约为51.9MHz,反谐振频率Fa1约为52.0MHz。第二振子12的谐振频率fr2约为52.1MHz，反谐振频率fa2约为52.2MHz。即，第一振子11及第二振子12的谐振频率与反谐振频率的关系为< fa! < fr2 < fa2。
[0084]倒相放大器13及电容元件14是与第一振子11并联，且倒相放大器13及电容元件14为相互串联连接。即，倒相放大器13的输入端子是连接于第一振子11的一端，而倒相放大器13的输出端子是连接于电容元件14的一端。电容元件14的另一端是连接于第一振子11与第二振子12之间的节点。倒相放大器13的增益优选为I。
[0085]负性电容电路15是设置在第一振子11和第二振子12之间的节点与地面之间。负性电容电路15是:具有当施加正电压时释放电荷的性质的电路。例如，负性电容电路15是由组合像运算放大器或多个晶体管一样的主动元件、与像电容器及电阻一样的被动元件而构成的公知的电路所构成。
[0086]图2表示使用第一实施方式的谐振电路I的等效电路的模拟电路。图2中，谐振电路I连接于交流信号源16与负载电阻17。交流信号源16及负载电阻17是为了模拟将谐振电路I用于图1所示的振荡器100时的动作而设置的。
[0087]在第一振子11中，等效并联电容111与相互串联连接着的等效串联电容112、等效串联电感器113及等效串联电阻114并联连接。在第二振子12中，等效并联电容121与相互串联连接着的等效串联电容122、等效串联电感器123及等效串联电阻124并联连接。
[0088]电容元件14的电容与第一振子11的等效并联电容111的电容相等。交流信号源16输出的信号被输入至等效并联电容111并且被输入至倒相放大器13。经由倒相放大器13输入至电容元件14的信号是:与输入至等效并联电容111的信号为反相。因此，通过等效并联电容111的信号由通过电容值与等效并联电容111相等的电容元件14的信号抵消。
[0089]负性电容电路15的电容值的符号例如与电容元件14、等效并联电容111及等效并联电容121的电容值相反，且负性电容电路15的电容值与将电容元件14、等效并联电容111及等效并联电容121的电容值加以合计所得的值相等。通过在第一振子11与第二振子12之间具有负性电容电路15，而抵消等效并联电容111、电容元件14及等效并联电容121的影响。由此，谐振电路I不易受到第一振子11的反谐振频率的影响，且易于在第一振子11的谐振频率与第二振子12的谐振频率之间进行振荡。这样一来，不管从连接负性电容电路15的节点、即第一振子电路10与第二振子12的连接点观察第一振子电路10还是观察第二振子12，都看不到第一振子电路10的电容元件14、等效并联电容111、以及第二振子12的等效并联电容121。由此，可在第一振子11的谐振频率与第二振子12的谐振频率的中间，成立谐振频率。
[0090]此外，如果负性电容电路15的电容值小于将电容元件14、等效并联电容111及等效并联电容121的电容值加以合计所得的值，那么谐振电路I的谐振频率会接近于第一振子11的谐振频率。另外，如果负性电容电路15的电容值大于将电容元件14、等效并联电容111及等效并联电容121的电容值加以合计所得的值，那么谐振电路I的谐振频率会接近于第二振子12的谐振频率。因此，通过使负性电容电路15的电容值变化，可使谐振电路I的谐振频率产生变化。例如，如果对负性电容电路15使用像变容二极管(varicap d1de) 一样的可变电容元件，那么可通过使施加到该可变电容元件的电压变化，而使谐振电路I的谐振频率产生变化。
[0091]图3A表示第一实施方式的谐振电路I的增益的频率特性的一例。图3A中的虚线为第一振子电路10的增益的频率特性。另外，图3A中的单点链线为第二振子12的增益的频率特性。另外，图3A中的实线为谐振电路I的增益的频率特性。图3B表示第一实施方式的谐振电路I的相位的频率特性的一例。图3B中的虚线为第一振子电路10的相位。另外，图3B中的单点链线为第二振子12的相位。图3B中的实线为谐振电路I的相位。
[0092]如图3A所示，在第一振子电路10的增益的频率特性中，在作为第一振子11的谐振频率的51.9MHz附近具有增益大的波峰(peak)。在第二振子12的增益的频率特性中，在作为第二振子12的谐振频率的52.1MHz附近具有增益大的波峰。另外，在谐振电路I的增益的频率特性中，在第一振子11的谐振频率与第二振子12的谐振频率之间的52.0MHz附近具有增益大的波峰。这样一来，可知在谐振电路I中，第一振子11的谐振频率与第二振子12的谐振频率之间的频率成为谐振频率。另外，如图3B所示，第一振子11、第二振子12及谐振电路I在与各自的增益的波峰对应的频率下，相位产生180度变化。
[0093]在第二振子12及谐振电路I的增益的频率特性中，在作为第二振子12的反谐振频率的52.2MHz附近产生增益小的波峰。相对于此，如图3A的虚线所示，在第一振子电路10的增益的频率特性中未看到反谐振频率。这是因为以下原因:与第一振子11并联地连接着倒相放大器13及电容元件14，由此第一振子电路10的反谐振频率变得高于第二振子12的谐振频率fr2。
[0094]第一振子11的反谐振频率Fa1是以faff;^.(1/2 π )4{l+C/C。}表示。此处，C0为第一振子11的等效并联电容111的电容值，C1为第一振子11的等效串联电容112的电容值。由所述式子可知，有如下倾向:第一振子11的等效并联电容111的电容值越小，则反谐振频率fai变得越高。
[0095]在本实施方式中的第一振子电路10中，通过设置着倒相放大器13及电容元件14而抵消Ctl,因此第一振子电路10的反谐振频率fai与第二振子12的谐振频率fr2相比变大。其结果为，在谐振电路I中，在第一振子11的谐振频率与第二振子12的谐振频率fr2之间的所有频率范围内满足振荡条件。由此,谐振电路I可使共振频率在大的频率范围内变化。
[0096][比较例]
[0097]在图3C中表示从谐振电路I中删除倒相放大器13、电容元件14及负性电容电路15后的电路中的增益的频率特性作为比较例。图3C中的虚线为第一振子11的增益的频率特性。另外，图3C中的单点链线为第二振子12的增益的频率特性。另外，图3C中的实线表示串联连接着第一振子11及第二振子12的比较例的电路中的增益的频率特性。
[0098] 如图3C所示，在从谐振电路I删除倒相放大器13、电容元件14及负性电容电路15后的电路中，在第一振子11的谐振频率fri与第二振子12的谐振频率fr2之间具有第一振子11的反谐振频率falt)由此，如果想要使频率在第一振子11的谐振频率与第二振子12的谐振频率fr2之间变化,那么在第一振子11的谐振频率Tr1与第二振子12的谐振频率fr2之间的所有频率范围内不满足振荡条件，只在窄的频率范围内满足振荡条件。
[0099][第一实施方式中的效果]
[0100]如上所述，根据第一实施方式的谐振电路1，包括:第一振子11 ;第二振子12，与第一振子11串联连接；倒相放大器13及电容元件14，与第一振子11并联，倒相放大器13及电容元件14为相互串联连接；以及负性电容电路15，设置在第一振子11和第二振子12之间的节点与地面之间。由此，可将谐振频率设定为第一振子11的谐振频率与第二振子12的谐振频率fr2之间的频率。
[0101]<第二实施方式〉[与振子并联地设置可变电阻]
[0102]图4表示第二实施方式的谐振电路I的构成例。图4所示的谐振电路I还包括第一可变电阻18及第二可变电阻19，在此方面与图2所示的谐振电路I不同，在其他方面与图2所示的谐振电路I相同。
[0103]第一可变电阻18与第一振子11并联地设置。第二可变电阻19与第二振子12并联地设置。通过调整第一可变电阻18的电阻值，而调整在第一振子11中流通的电流。另夕卜，通过调整第二可变电阻19的电阻值，而调整在第二振子12中流通的电流。
[0104]例如，在第一可变电阻18的电阻值相对于等效串联电阻114相对较大，第二可变电阻19的电阻值相对于等效串联电阻124相对较小的情况下，从交流信号源16输出的电流通过第一振子电路10。而且，通过第一振子电路10的电流中占相对较大比例的电流通过第二可变电阻19。因此，在该情况下的谐振电路I中，几乎不受到第二振子12的影响，通过第一振子电路10的信号中偏离第二振子12的谐振频率的频率的信号也不会衰减。其结果为，谐振电路I的谐振频率成为:与第二振子12的谐振频率相比，接近于第一振子电路10的谐振频率的频率。
[0105]另一方面，在第一可变电阻18的电阻值相对于等效串联电阻114相对较小，第二可变电阻19的电阻值相对于等效串联电阻124相对较大的情况下，从交流信号源16输出的电流几乎不受到第一振子电路10的影响，而通过第一可变电阻18。而且，通过第一可变电阻18的电流中占相对较大比例的电流通过第二振子12。因此，在该情况下的谐振电路I中，几乎不受到第一振子电路10的影响，偏离第一振子电路10的谐振频率的频率的信号未衰减而被输入至第二振子12。其结果为，谐振电路I的谐振频率成为:与第一振子电路10的谐振频率相比，接近于第二振子12的谐振频率的频率。
[0106]通过使第一可变电阻18及第二可变电阻19的电阻值变化，从而，被输入至谐振电路I的信号的各自的频率成分中，在通过第一振子电路10及第二振子12期间衰减的量产生变化。而且，在通过第一振子电路10及第二振子12期间衰减的量最小的频率下，谐振电路I进行谐振。
[0107][第二实施方式中的效果]
[0108]如上所述，第二实施方式的谐振电路I还包括第一可变电阻18及第二可变电阻19。由此，谐振电路I可在第一振子11的谐振频率与第二振子12的谐振频率之间调整其谐振频率。S卩，在第二实施方式的谐振电路I中，可根据第一可变电阻18及第二可变电阻19的值，使由图3A的实线表示的谐振电路I的频率特性中的波峰频率在第一振子11的谐振频率与第二振子12的谐振频率fr2之间变化。
[0109]<第三实施方式〉[在第一振子11与第二振子12之间设置可变电容元件]
[0110]图5表示第三实施方式的谐振电路I的构成例。第三实施方式的谐振电路I还包括可变电容元件20，在此方面与图4所示的谐振电路I不同，在其他方面与图4所示的谐振电路I相同。图6A表示第三实施方式的谐振电路I的增益的频率特性的一例。图6B表示第三实施方式的谐振电路I的相位的频率特性的一例。
[0111]可变电容元件20设置在第一振子11与第二振子12之间。可变电容元件20例如为通过变容二极管、或场效应晶体管(Field Effect Transistor, FET)与电阻的串联连接而构成的元件群。通过使可变电容元件20的电容值变化，可使谐振电路I的谐振频率产生变化。
[0112]图6A中的虚线是在使可变电容元件20的电容值充分变大的状态下，使第二可变电阻19短路的谐振电路I中的增益的频率特性。在该状态下，第一振子11的频率特性对谐振电路I的频率特性产生较强的影响，因此谐振电路I的谐振频率接近于第一振子11的谐振频率。在使第二可变电阻19短路的状态下，通过使可变电容元件20的电容值减少，从而谐振电路I的谐振频率变高，变为以实线表示的频率特性。
[0113]另外，使第二可变电阻19的电阻值与可变电容元件20的电容值充分变大，而将谐振电路I的谐振频率设为第一振子11的谐振频率与第二振子12的谐振频率的中央附近的频率。其后，使可变电容元件20的电容值减少。这样一来，第二振子12的频率特性对谐振电路I的频率特性产生较强的影响。其结果为，如图6A中的单点链线所示，谐振电路I的频率特性接近于第二振子12的频率特性。
[0114][第三实施方式中的效果]
[0115]如上所述，根据第三实施方式的谐振电路1，还包括可变电容元件20。由此，可使谐振电路I的谐振频率进一步自由地变化。
[0116]〈第四实施方式〉
[0117]图7表示第四实施方式的振荡器200的构成例。图7所示的振荡器200中的谐振电路I还包括:第三振子21、负性电容电路22、倒相放大器23及电容元件24，在此方面与图1所示的振荡器100中的谐振电路I不同，在其他方面与图1所示的振荡器100中的谐振电路I相同。
[0118]第三振子21的谐振频率高于第二振子12的谐振频率。负性电容电路22的电容值的符号与第二振子12的端子间电容、第三振子21的端子间电容及电容元件24相反，且负性电容电路22的电容值是与将这些第二振子12的端子间电容、第三振子21的端子间电容及电容元件24的电容值加以合计所得的值相等。倒相放大器23及电容元件24抵消第二振子12的端子间电容。
[0119]图7所示的谐振电路I包括:负性电容电路22、倒相放大器23及电容元件24。由此，第一振子11的反谐振频率与第二振子12的反谐振频率变得高于第三振子21的谐振频率。由此，振荡器200以第一振子11的谐振频率与第三振子21的谐振频率之间的频率进行振荡。通过使负性电容电路22的电容值变化，可使振荡器200的振荡频率在第一振子11的谐振频率与第三振子21的谐振频率之间产生变化。此外，与第二实施方式同样地，与第三振子21并联地设置可变电阻，且使可变电阻的电阻值变化，或与第三实施方式同样地，在第二振子12与第三振子21之间设置可变电容元件，且使可变电容元件的电容值变化。由此，也能使振荡器200的振荡频率产生变化。
[0120][第四实施方式中的效果]
[0121]如上所述，根据第四实施方式的振荡器200，还包括:第三振子21、负性电容电路22、倒相放大器23及电容元件24。由此，可使振荡频率在比所述实施方式更大的频率范围内变化。
[0122]以上使用实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围并不限定于所述实施方式所记载的范围。本领域技术人员清楚地明白，可在所述实施方式中添加多种变更或改良。根据权利要求书的记载明确可知，这种添加变更或改良后的实施方式也可包含在本发明的技术范围内。
[0123]例如，在第一实施方式中，与第一振子11并联，而串联连接着倒相放大器13与电容元件14 ;但是，也可以与第二振子12并联，而连接着与倒相放大器13及电容元件14同等的电路。另外，在第四实施方式中，对振荡器200包括三个振子的构成进行了说明，但振荡器200也可以包括更多的振子。
[0124]在本发明的谐振电路中，电容元件的电容例如是:与第一振子的等效并联电容相等。另外，负性电容电路也可以能够使电容值变化。
[0125]所述谐振电路也可以还包括:第一可变电阻，与第一振子并联地设置；及第二可变电阻，与第二振子并联地设置。另外，所述振荡电路也可以在第一振子与第二振子之间还包含可变电容元件。
[0126]在本发明的第二实施方式中，提供一种振荡电路，该振荡电路包括:第一振子；第二振子，与第一振子串联连接；倒相放大器及电容元件，与第一振子并联，倒相放大器及电容元件为相互串联连接；负性电容电路，设置在第一振子和第二振子之间的节点与地面之间；以及反馈部，将第二振子输出的信号反馈给第一振子。
[0127]根据本发明的振荡电路，发挥如下效果:可内置在集成电路中，且能够以与振子的谐振频率不同的频率进行谐振。
[0128]<第五实施方式〉[振荡电路IOOa的电路构成]
[0129]图8A表示第五实施方式的振荡电路IOOa的构成例。振荡电路IOOa包括:负性电容电路10a、以及连接于负性电容电路IOa的外部接口 5a的振子6a及放大电路7a。负性电容电路IOa抵消振子6a的等效并联电容。负性电容电路IOa包括:发射极跟随器电路la、基极(base)接地电路2a、第一电容器3a、电阻4a及外部接口 5a。
[0130]发射极跟随器电路Ia包含晶体管Ila及电阻12a。晶体管Ila例如为负极-正极-负极(negative-positive-negative,NPN)型晶体管。晶体管 Ila 的集极(collector)连接于电源。晶体管Ila的发射极(emitter)经由电阻12a而连接于地面。根据以上构成，晶体管Ila及电阻12a构成集极接地电路。晶体管Ila的发射极连接于第一电容器3a的第一端子，晶体管Ila的基极连接于电阻4a的第一端子。
[0131]基极接地电路2a包含:晶体管21a、电压源22a、电流源23a及电阻24a。晶体管21a例如为NPN型晶体管。晶体管21a的集极连接于电流源23a。另外，晶体管21a的集极连接于电阻4a的第二端子及外部接口 5a。晶体管21a的发射极经由电阻24a而连接于地面，并且连接于第一电容器3a的第二端子。晶体管21a的基极连接于电压源22a的正极端子。
[0132]电压源22a是用来赋予晶体管21a的基极电位的电压源。电压源22a的正极端子连接于晶体管21a的基极，电压源22a的负极端子连接于地面。电压源22a输出的电压值设定为使基极接地电路2a的电路线性动作的值。
[0133]电流源23a例如是,包含经级联(cascade connect1n)的多个晶体管。虽然也可以由连接于电源的电阻构成电流源23a，但为了减小电流源23a中的电压下降，优选为由晶体管等主动元件构成电流源23a。
[0134]第一电容器3a设置在作为发射极跟随器电路Ia的输出端子的晶体管Ila的发射极、与作为基极接地电路2a的输入端子的晶体管21a的发射极之间。第一电容器3a将从晶体管Ila的发射极输出的电流的一部分输入至晶体管21a的发射极。第一电容器3a的电容例如与振子6a的等效并联电容相等。
[0135]电阻4a是设置在作为发射极跟随器电路Ia的输入端子的晶体管Ila的基极、与作为基极接地电路2a的输出端子的晶体管21a的集极之间的衰减器。电阻4a具有例如10 Ω以上的电阻值，不满足由发射极跟随器电路Ia周边的寄生电容器与寄生电感器所形成的科尔皮兹LC振荡电路的振幅条件。由此，电阻4a防止发射极跟随器电路Ia中的无用振荡。此外，电阻4a也可以为组合多个电阻而构成的电阻网络(resistor network)。
[0136]另外，通过调整电阻4a的电阻值，可调整从外部接口 5a观察负性电容电路1a时的等效并联电阻达到最大的频率。具体来说，通过增大电阻4a的电阻值，可减小等效并联电阻达到最大的频率。因此，例如，通过将可调整为与来自外部的控制信号对应的电阻值的数字电位计(digital potent1meter)用作电阻4a,可将振子6a的谐振频率下的负性电容电路1a的等效并联电阻调整为理想上无限大的大小。
[0137]电阻4a例如大于使发射极跟随器电路Ia的无用振荡产生的负性电阻值。电阻4a也可小于在振子6a的谐振频率下、等效并联电阻达到最大的电阻值。在振子6a的谐振频率下的负性电容电路1a的等效并联电阻接近于无限大的情况下，负性电容电路1a除了具有抵消振子6a的等效并联电容的功能以外，也不会对包含振子6a及放大电路7a的振荡电路的特性造成无用的影响，因此，这样为优选。
[0138]外部接口 5a是负性电容电路1a与振子6a及放大电路7a的连接点。外部接口5a例如为用来与振子6a及放大电路7a连接的导电性端子。此外，图8A中的负性电容电路1a连接于振子6a及放大电路7a，但外部接口 5a也可以连接于其他电路。另外，连接晶体管21a的集极与振子6a及放大电路7a的配线，也可以作为外部接口 5a而发挥功能。
[0139]振子6a连接于负性电容电路10a，接收从作为基极接地电路2a的输出端子的晶体管21a的集极输出的电流。振子6a例如为AT切割晶体振子、SC切割晶体振子及MEMS振子。放大电路7a是用来使振子6a振荡的放大电路。振子6a及放大电路7a例如构成科尔皮兹振荡电路、或哈脱莱(Hartley)振荡电路。
[0140][利用负性电容电路1a产生负性电容的原理]
[0141]以下，定性地说明利用负性电容电路1a产生负性电容的原理。当对外部接口 5a施加正交流电压V时，经由电阻4a对晶体管Ila的基极施加大致相同的交流电压V。由于晶体管Ila作为发射极跟随器进行动作，因此交流电压V直接被输出至晶体管Ila的发射极。另一方面，由于基极接地电路2a的发射极的阻抗可大致被视为0，因此在第一电容器3a中流通由第一电容器3a的电容值与交流电压V决定的电流。
[0142]当对晶体管21a的发射极输入电流时，从晶体管21a的集极输出大致相同大小的电流。即，通过对外部接口 5a施加正交流电压V，电流会流向外部接口 5a，因此负性电容电路1a以如对具有负电容的电容器施加了交流电压V般的方式进行动作。
[0143]在负性电容电路1a连接于振子6a的情况下，通过从晶体管21a的集极输出电流，而抵消振子6a的等效并联电容。其结果为，振荡电路10a可在与无振子6a的等效并联电容的状态等效的状态下进行振荡。
[0144]再者，基于图SB所示的负性电容电路1a的等效电路，如下述般，来说明:利用负性电容电路1a产生负性电容的原理。将晶体管的跨导(transconductance)设为gm;当正的交流电压V施加到外部接口 5a，那时流经该外部接口 5a的电流设为i，则从外部接口5a所见的阻抗表示为:
[0145]Zin=v/i=-2/gm-l/ j ω C
[0146]类似地，可知道:产生了符号与电容C为相反的负性电容。
[0147][负性电容电路1a的特性的模拟结果]
[0148]图9表示从外部接口 5a观测将电阻4a调整为IkQ的负性电容电路1a时的、等效RC并联电路的频率特性的一例。在图9中示有频率特性的负性电容电路10a，可抵消谐振频率为1MHz的振子6a的等效并联电容1.5pF。实线表示负性电容电路1a的等效并联电阻，虚线表示负性电容电路1a的等效并联电容。
[0149]如图9的虚线所示，频率1MHz时的负性电容电路1a的等效并联电容的值大致为-1.5pF。由此可知，通过将负性电容电路1a连接于等效并联电容的值为1.5pF的振子6a，可抵消振子6a的等效并联电容。
[0150]另外，如图9的实线所示，振子6a的谐振频率、即1MHz时的等效并联电阻的大小是:显示了大于10kQ的正值。因此，通过使负性电容电路1a具有图9所示的特性，负性电容电路1a除了具有抵消振子6a的等效并联电容的功能以外，也不会对包含振子6a及放大电路7a的振荡电路的特性造成无用的影响。
[0151]图10表示振子6a的阻抗特性的一例。虚线表示谐振频率为1MHz的振子6a的单体的阻抗特性。实线表示在振子6a连接着具有图10所示的特性的负性电容电路1a时的阻抗特性。
[0152]如虚线所示，在振子6a的单体的阻抗特性中，因振子6a所具有的等效并联电容的影响而导致在谐振频率下阻抗变得极小，在高于谐振频率的反谐振频率下阻抗变得极大。振子6a的振荡频率的可变范围被限定为谐振频率与反谐振频率之间的频率。
[0153]相对于此，如实线所示，在振子6a连接着负性电容电路1a的情况下，振子6a的等效并联电容被抵消，因此不表现出反谐振频率。因此，可不限定于谐振频率与反谐振频率之间的频率，而使频率在与使振子6a以单体进行振荡的情况相比大的频率范围内变化。
[0154]图11表不从外部接口 5a观测负性电容电路1a时的反射特性的一例。横轴表不频率，纵轴表示反向增益。如图11所示，在超过1MHz的频率下，也几乎不产生负性电阻。因此，在将负性电容电路1a连接于振子6a及放大电路7a的情况下，难以产生无用的振汤。
[0155][比较例]
[0156]图12表示将负性电容电路20a连接于振子6a及放大电路7a而成的振荡电路200a的构成例作为比较例。负性电容电路20a是从图8A所示的负性电容电路1a删除电阻4a后的电路。
[0157]图13表示从外部接口 5a观测负性电容电路20a时的等效RC并联电路的频率特性的一例。实线表示等效并联电阻，虚线表示等效并联电容。在图13中，振子6a的谐振频率即1MHz时的负性电容电路的等效并联电容为-1.5pF，但等效并联电阻仅为20k Ω，因此不优选。
[0158]图14表示将负性电容电路20a连接于振子6a时的阻抗特性的一例。图14中的实线表示图10所示的将负性电容电路1a连接于振子6a时的阻抗特性，虚线表示将负性电容电路20a连接于振子6a时的阻抗特性。在将负性电容电路20a连接于振子6a的情况下，谐振频率以外的频率下的阻抗比将负性电容电路1a连接于振子6a时低。谐振频率以外的频率下的阻抗优选为高的阻抗，因此优选为包含电阻4a的负性电容电路10a。
[0159]图15表不从外部接口 5a观测负性电容电路20a时的反射特性的一例。横轴表不频率，纵轴表示反向增益。图15中的虚线表示图11所示的将负性电容电路1a连接于振子6a时的反射特性，实线表示将负性电容电路20a连接于振子6a时的反射特性。由图15明确可知，在将负性电容电路20a连接于振子6a的情况下，在大于10MHz的频率下，反向增益急剧增大。因此，在反向增益大的频率下产生无用振荡的可能性高。
[0160][第五实施方式中的效果]
[0161]如上所述，第五实施方式的负性电容电路1a包括:发射极跟随器电路Ia ;基极接地电路2a ;第一电容器3a，设置在发射极跟随器电路Ia的输出端子与基极接地电路2a的输入端子之间；以及电阻4a，设置在基极接地电路2a的输出端子与发射极跟随器电路Ia的输入端子之间。由此，负性电容电路1a发挥如下效果:可抵消所连接的振子6a的等效并联电容，并且可防止无用振荡。
[0162]〈第六实施方式〉
[0163]图16表示第六实施方式的负性电容电路1a的构成例。图16所示的负性电容电路1a包括设置在作为基极接地电路2a的输出端子的晶体管21a的集极与外部接口 5a之间的电阻8a、及并联连接于电阻8a的第二电容器9a，在此方面与图8A所示的负性电容电路1a不同，在其他方面与图8A所示的负性电容电路1a相同。
[0164]电阻8a具有数百Ω等级的电阻值，第二电容器9a为数pF?数1pF的等级。负性电容电路1a包括电阻8a及第二电容器9a。由此，比连接于负性电容电路1a的振子6a的谐振频率高的频率下的负性电容电路1a的负性电阻变小。由此，可有效地防止比振子6a的谐振频率高的频率下的无用振荡。
[0165]〈其他变形例〉
[0166]在所述实施方式中，发射极跟随器电路Ia及基极接地电路2a包含双极晶体管(bipolar transistor)。然而,也可以为发射极跟随器电路Ia包含场效应晶体管而作为源极跟随器(source follower)电路发挥功能，基极接地电路2a包含场效应晶体管而作为栅极(gate)接地电路发挥功能。
[0167]在发射极跟随器电路Ia及基极接地电路2a包含场效应晶体管的情况下，所述实施方式中的双极晶体管的集极由场效应晶体管的漏极(drain)代替，双极晶体管的发射极由场效应晶体管的源极(source)代替，双极晶体管的基极由场效应晶体管的栅极代替。
[0168]以上，使用实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围并不限定在所述实施方式所记载的范围。本领域技术人员清楚地明白，可在所述实施方式中添加多种变更或改良。例如，在所述实施方式中，对基极接地电路2a包含一个晶体管的例子进行了说明，但基极接地电路2a也可以包含多个晶体管。根据权利要求书的记载明确可知，这种添加变更或改良后的实施方式也可包含在本发明的技术范围内。
[0169]在本发明的第一实施方式中，提供一种负性电容电路，该负性电容电路包括:发射极跟随器电路；基极接地电路，连接于包含电容成分的负载；第一电容器，设置在发射极跟随器电路的输出端子与基极接地电路的输入端子之间；以及衰减器，设置在基极接地电路的输出端子与发射极跟随器电路的输入端子之间。所述负性电容电路也可以还包括:电阻，设置在基极接地电路的输出端子与连接于外部电路的外部接口之间；以及第二电容器，并联连接于该电阻。
[0170]在本发明的第二实施方式中，提供一种振荡电路，该振荡电路包括负性电容电路与振子，所述负性电容电路包含:发射极跟随器电路；基极接地电路；电容器，设置在发射极跟随器电路的输出端子与基极接地电路的输入端子之间；以及衰减器，设置在发射极跟随器电路的输入端子与基极接地电路的输出端子之间；所述振子连接于负性电容电路，且接收从基极接地电路的输出端子输出的电流。
[0171]所述负性电容电路的等效并联电阻的电阻值优选为在所述振子的谐振频率下具有正值。所述电容器的电容例如与所述振子的等效并联电容相等。
[0172]另外，所述衰减器的电阻值优选为大于使发射极跟随器电路的无用振荡产生的负性电阻值，且小于在振子的谐振频率下负性电容电路的等效并联电阻达到最大的电阻值。另外，所述负性电容电路也可以还包括:电阻，设置在基极接地电路的输出端子与所述振子之间；以及电容器，并联连接于电阻。
[0173]根据本发明的振荡电路，发挥如下效果:可内置在集成电路中，且可产生能够使振荡频率在大的频率范围内变化的振荡信号。
[0174]在所述说明书中已对本发明的原理、优选实施方式及操作模式进行了叙述。然而，所欲保护的本发明并非理解为限定于所公开的【具体实施方式】。另外，此处所叙述的实施方式是作为例示而并非限制性说明。可在不脱离本发明的精神的范围内以其他实施方式及其等效形式进行变更及替换。因此，显然所有这种变更、替换及等效形式均应包含在由权利要求书所界定的本发明的精神及范围内。
【权利要求】
1.一种谐振电路，其特征在于包括: 第一振子； 第二振子，与所述第一振子串联连接； 倒相放大器及电容元件，与所述第一振子并联连接，且所述倒相放大器及所述电容元件为相互串联连接；以及 负性电容电路，连接在:所述第一振子与所述第二振子之间的节点、与地面之间。
2.根据权利要求1所述的谐振电路，其特征在于: 所述电容元件的电容与所述第一振子的等效并联电容相等。
3.根据权利要求1所述的谐振电路，其特征在于: 所述负性电容电路能够使电容值变化。
4.根据权利要求1所述的谐振电路，其特征在于还包括: 第一可变电阻，与所述第一振子并联连接；以及 第二可变电阻，与所 述第二振子并联连接。
5.根据权利要求1所述的谐振电路，其特征在于还包括: 可变电容元件， 所述可变电容元件连接在所述第一振子与所述第二振子之间。
6.一种振荡电路，其特征在于包括: 权利要求1所述的谐振电路；以及 反馈部，将所述第二振子输出的信号反馈给所述第一振子。
7.根据权利要求1所述的谐振电路，其特征在于: 所述负性电容电路包括: 发射极跟随器电路； 基极接地电路，连接于具有电容成分的负载； 第一电容器，连接在:所述发射极跟随器电路的输出端子、与所述基极接地电路的输入端子之间；以及 衰减器，连接在:所述基极接地电路的输出端子、与所述发射极跟随器电路的输入端子之间。
8.根据权利要求7所述的谐振电路，其特征在于: 所述负性电容电路还包括: 电阻，连接在:所述基极接地电路的输出端子、与连接于外部电路的外部接口之间；以及 第二电容器，并联连接于所述电阻。
9.一种负性电容电路，使用于谐振电路，所述负性电容电路的特征在于包括: 发射极跟随器电路； 基极接地电路，连接于具有电容成分的负载； 第一电容器，连接在:所述发射极跟随器电路的输出端子、与所述基极接地电路的输入端子之间；以及 衰减器，连接在:所述基极接地电路的输出端子、与所述发射极跟随器电路的输入端子之间。
10.根据权利要求9所述的负性电容电路，其特征在于还包括: 电阻，连接在:所述基极接地电路的输出端子、与连接于外部电路的外部接口之间；以及 第二电容器，并联连接于所述电阻。
11.一种振荡电路，其特征在于包括: 权利要求9所述的负性电容电路；以及 振子，连接于所述负性电容电路，且接收从所述基极接地电路的输出端子输出的电流。
12.根据权利要求11所述的振荡电路，其特征在于: 所述负性电容电路的等效并联电阻的电阻值在所述振子的谐振频率下具有正值。
13.根据权利要求11所述的振荡电路，其特征在于: 所述第一电容器的电容与所述振子的等效并联电容相等。
14.根据权利要求11所述的振荡电路，其特征在于: 所述衰减器的电阻值 大于使所述发射极跟随器电路的无用振荡产生的负性电阻值，且小于在所述振子的谐振频率下、所述负性电容电路的等效并联电阻达到最大的电阻值。
15.根据权利要求11所述的振荡电路，其特征在于还包括: 电阻，连接在:所述基极接地电路的输出端子、与所述振子之间；以及 第二电容器，并联连接于所述电阻。
【文档编号】H03B5/32GK104052403SQ201410088353
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2013年3月12日
【发明者】石井武仁 申请人:日本电波工业株式会社