(57)【要約】 【課題】  高速起動回路を備えた水晶発振回路をＩＣ化する際の小型化する手段を得る。【解決手段】  圧電振動子と、増幅回路と、高速起動回路とを備えた圧電発振器であって、高速起動回路は第１のＰＮＰ型Ｔｒ（トランジスタ）と、第２のＮＰＮ型Ｔｒと、第３のＰＮＰ型Ｔｒとを備え、第１のＴｒのエミッタと電源との間に第１の抵抗を接続すると共にコレクタを接地し、第２のＴｒのコレクタを電源に接続すると共にベースとエミッタとを接続し、エミッタ−接地間に容量を接続し、第２のＴｒのエミッタと第１のＴｒのベースを接続し、第２のＴｒのエミッタと第３のＴｒのベースとを接続し、第３のＴｒのコレクタを圧電振動子の一端子に接続して構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子と、該圧電振動子を励振させるための発振回路と、高速起動回路とを備えた圧電発振器であって、前記高速起動回路は第１のトランジスタのエミッタと電源との間に第１の抵抗を接続すると共にコレクタを接地し、第２のトランジスタのコレクタを電源に接続すると共にベースとエミッタとを接続し、エミッタ−接地間に容量を接続し、第２のトランジスタのエミッタと第１のトランジスタのベースとを接続し、第１のトランジスタのエミッタと第３のトランジスタのベースとを接続し、第３のトランジスタのエミッタを電源に接続したものであって、第３のトランジスタのコレクタを前記圧電振動子の一端子に接続して構成したことを特徴とする圧電発振器。
【請求項２】
前記高速起動回路の容量を０．５ｐＦから１０ｐＦの範囲に設定したことを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
【請求項３】
前記発振回路としてピアース型発振回路を用いると共に、発振回路を構成するトランジスタのベースと圧電振動子の一方の端子を接続したとき圧電振動子の他方の端子に前記高速起動回路の第３のトランジスタのコレクタを接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電発振器に関し、特に電源を入れてから圧電発振器が定常状態に到るまでの起動時間を短くした圧電発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電発振器は周波数安定度、小型軽量、低価格等の利点を有することにより、通信機器や電子機器の多くの分野で用いられ、中でも圧電振動子の周波数温度特性を補償した温度補償型圧電発振器（ＴＣＸＯ）は、携帯電話等に広く用いられている。圧電発振器の回路は、周知のようにピアース型発振器、コルピッツ型発振器が多く用いられているが、基本的回路としては図５（ａ）の交流回路に示すように同じであり、交流接地点がピアース型発振器の場合はエミッタ接地、コルピッツ型発振器の場合はコレクタ接地の違いである。図５（ｂ）、（ｃ）は直流バイアス回路を付加したピアース型発振器、コルピッツ型発振器の回路構成である。ストレイ容量の発振回路への影響は、コルピッツ型発振回路への影響の方がピアース型発振回路よりも大きい。
【０００３】
携帯電話は長時間の使用に耐えられるように基準発信源である水晶発振器を間欠動作させることにより、電力の消費を抑えている。このように間欠的に動作させる水晶発振器では、電源を入れてから回路の発振が定常状態に到るまでの時間、所謂起動時間が短時間であることが要求されている。起動特性を改善した水晶発振器が特開平８−５１０１７号公報に開示されている。図６は、特開平８−５１０１７号公報に示された水晶発振器の構成を示す回路図である。水晶発振器１０は一般的なコルピッツ型水晶発振器であって、トランジスタＴｒ１０のエミッタに抵抗Ｒ１０の一方の端子を接続すると共に抵抗Ｒ１０の他端を接地し、トランジスタＴｒ１０のベースに容量Ｃ１０の一端を接続し、容量Ｃ１０の他端に容量Ｃ１１の一方の端子を接続し、容量Ｃ１１の他端を接地する。そして、容量Ｃ１０、Ｃ１１の接続中点とトランジスタＴｒ１０のエミッタとを直結する。さらに、電源（Ｖｃｃ）とトランジスタＴｒ１０のコレクタ間に抵抗Ｒ１１を接続し、電源Ｖｃｃと接地間に抵抗Ｒ１２、１３を直列接続した回路を接続し、抵抗Ｒ１２、１３の中点とトランジスタＴｒ１０のベースとを接続する。水晶振動子Ｘと容量Ｃ１２とを直列接続した回路の水晶振動子側を電源Ｖｃｃに接続し、容量Ｃ１２側をトランジスタＴｒ１０のベースに接続する。電源Ｖｃｃと接地間にはバイパス容量Ｃ１３を接続し、トランジスタＴｒ１０のコレクタに容量Ｃ１４の一端を接続し、他端より出力を取り出して水晶発振器１０を構成する。
【０００４】
図６の抵抗Ｒ１２、１３はトランジスタＴｒ１０のベースバイアス回路、容量Ｃ１２は水晶振動子Ｘの負荷容量、容量Ｃ１０、１１は発振回路の負性抵抗、回路電流、負荷容量の一部を担っている。図６に示す水晶発振器に電源電圧Ｖｃｃを印加した直後に、電源電圧Ｖｃｃと同等な電圧がパルス波状に水晶振動子Ｘに加わるので、水晶発振回路の起動時間が短縮されると記述されている。しかし、図６の構成の水晶発振器では電源Ｖｃｃラインが発振ループの一部として含まれるので、電源Ｖｃｃに含まれるノイズや、電源ラインを介して入り込むノイズが発振回路に影響を及ぼし、水晶発振器の位相雑音特性が劣化する虞がある。
【０００５】
図７、８は再公表特許ＷＯ０２／００７３０２号公報に開示された高速起動回路を備えた水晶発振器の回路構成を示す図である。図７に示す水晶発振器２０は、一点鎖線で囲んだ一般的なコルピッツ型水晶発振器２１と、破線で囲んだ高速起動回路２２とからなる。コルピッツ型水晶発振器２１は図６にて説明した回路と同等なので省略し、高速起動回路２２について説明する。高速起動回路２２の構成は、トランジスタＴｒ２２のコレクタを電源Ｖｃｃに接続すると共に、コレクタ−エミッタ間に容量２２を接続し、ベース−接地間にカソードをベース側にしてダイオードＤ１を接続して構成する。そして、トランジスタＴｒ２２のエミッタを、コルピッツ型水晶発振器２１の水晶振動子Ｘの一方の端子に接続する。
【０００６】
高速起動回路２２の動作について簡単に説明する。高速起動回路２２に電源電圧Ｖｃｃを印加すると、容量Ｃ２２に電荷の充電が開始されてチャージ電流が発生し、この電流がトランジスタ２２のベース電流となり、トランジスタ２２が導通状態となる。その結果、水晶振動子Ｘに電源電圧Ｖｃｃが印加されるのと、コルピッツ型水晶発振器２１が立ち上がるまえに、発振回路に電流が供給されるので、コルピッツ型水晶発振器２１の起動時間が短縮される。時間が経過し、容量Ｃ２２の充電が終わるとチャージ電流が流れなくなるので、トランジスタ２２のベース電流も止まり、トランジスタ２２は非導通の状態となる。その結果、水晶振動子Ｘと電源Ｖｃｃとは切り離され、コルピッツ型水晶発振器２１のみの発振となる。
【０００７】
図８に示す水晶発振器３０は、一点鎖線で囲んだ一般的なコルピッツ型水晶発振器３１と、破線で囲んだ高速起動回路３２とを備えている。コルピッツ型水晶発振器３１の説明は省略し、高速起動回路３２について説明する。高速起動回路３２の構成は、ＰＮＰ型トランジスタＴｒ３２のコレクタ−電源Ｖｃｃ間に抵抗Ｒ３２を接続すると共に、コレクタ−エミッタ間に容量３２を接続し、ベース−接地間に容量Ｃ３３を接続する。そして、トランジスタＴｒ３３のコレクタ−電源Ｖｃｃ間に抵抗Ｒ３３を接続すると共に、エミッタをコルピッツ型水晶発振器３１の水晶振動子Ｘの一方の端子に接続する。さらに、トランジスタＴｒ３２のエミッタとトランジスタＴｒ３３のベース間に抵抗Ｒ３４を接続し、トランジスタＴｒ３３のベース−エミッタ間に抵抗Ｒ３５を接続して高速起動回路３２を構成する。
【０００８】
高速起動回路３２の動作について簡単に説明する。高速起動回路３２に電源電圧Ｖｃｃ（例えば、立ち上がり時間１００ｎｓ）を印加すると、容量Ｃ３２、Ｃ３３に充電電流が流れるので、トランジスタＴｒ３２のベースには容量３２、Ｃ３３の容量比とチャージ電流とによる過渡的なベースバイアス電圧が印加される。トランジスタＴｒ３２は抵抗Ｒ３２を介して電源Ｖｃｃに接続されているので、エミッタ−ベース間電圧Ｖｅｂが閾値電圧（例えば、０．７５Ｖ）以上に達するとトランジスタＴｒ３２は導通する。トランジスタＴｒ３２が導通すると、トランジスタＴｒ３２を介して電源ＶｃｃよりトランジスタＴｒ３３にベース電流が供給され、トランジスタ３３は導通状態となる。その結果、電源電圧ＶｃｃがトランジスタＴｒ３３を介して水晶振動子Ｘの一方の端子に印加されるのと、コルピッツ型水晶発振器３１が立ち上がるまえに、発振回路に電流が供給されるので、コルピッツ型水晶発振器３１の起動時間が短縮される。水晶振動子Ｘに印加される電圧の立ち上がり時間は、容量Ｃ３２、Ｃ３３の値を適切に設定することにより制御できると記されている。
【特許文献１】特開平８−５１０１７号公報
【特許文献２】再公表特許ＷＯ０２／００７３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、再公表特許ＷＯ０２／００７３０２号公報に開示された高速起動回路は、水晶発振器を高速起動させるという点では十分な効果をもたらすものの、最近の携帯電話用水晶発振器に要求される大きさを実現するには、発振回路、高速起動回路を形成するＩＣを更に小型化しなければならず、図７、８に示す容量Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ３３は２０ｐＦから３０ｐＦと大きな値となるので、これらの容量をＩＣの中に形成するとＩＣチップが大きくなり、水晶発振器の小型化が難しいという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る圧電発振器の請求項１の発明は、圧電振動子と、該圧電振動子を励振させるための発振回路と、高速起動回路とを備えた圧電発振器であって、前記高速起動回路は第１のトランジスタのエミッタと電源との間に第１の抵抗を接続すると共にコレクタを接地し、第２のトランジスタのコレクタを電源に接続すると共にベースとエミッタとを接続し、エミッタ−接地間に容量を接続し、第２のトランジスタのエミッタと第１のトランジスタのベースとを接続し、第１のトランジスタのエミッタと第３のトランジスタのベースとを接続し、第３のトランジスタのエミッタを電源に接続したものであって、第３のトランジスタのコレクタを前記圧電振動子の一端子に接続して構成した圧電発振器であることを特徴とする。
請求項２の発明は、前記高速起動回路の容量を０．５ｐＦから１０ｐＦの範囲に設定したことを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器である。
請求項３の発明は、前記発振回路としてピアース型発振回路を用いると共に、発振回路を構成するトランジスタのベースと圧電振動子の一方の端子を接続したとき圧電振動子の他方の端子に前記高速起動回路の第３のトランジスタのコレクタを接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電発振器である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の圧電発振器は、ピアース型あるいはコルピッツ型水晶発振器に高速起動回路を付加し、しかも高速起動回路に用いる容量値を小さく、例えば２ｐＦと抑えることができたので、水晶発振回路のＩＣを大幅に小型化でき、ひいては水晶発振器を小型化できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明に係る圧電発振器の実施の形態を示す図であって、本発明の水晶発振器１は一点鎖線で囲むピアース型水晶発振器２と、破線で囲む高速起動回路３とを備えている。ピアース型型水晶発振器２の構成は、トランジスタＴｒ１のコレクタと電源Ｖｃｃとの間に定電流源を接続すると共にエミッタ−接地間に抵抗Ｒ１を接続し、ベース−コレクタ間に抵抗Ｒ２を接続する。そして、容量Ｃ１とＣ２の直列接続回路をベース−接地間に接続し、容量Ｃ１、Ｃ２の接続中点に水晶振動子Ｘの一方の端子を接続し、他方の端子と接地との間に、容量Ｃ３、Ｃ４を直列接続した回路を接続する。更に、容量Ｃ３、Ｃ４の接続中点とトランジスタＴｒ１のコレクタ間に容量Ｃ５を接続し、トランジスタＴｒ１のベースよりバッファーＡＭＰを介して出力端子ＯＵＴに接続し、ピアース型型水晶発振器２を構成する。
【００１３】
高速起動回路３の構成は、ＰＮＰ型トランジスタＴＲ２のエミッタと電源Ｖｃｃとの間に抵抗Ｒ３を接続し、コレクタを接地する。トランジスタＴＲ３のコレクタを電源Ｖｃｃに接続すると共にベースとエミッタとを接続し、エミッタに容量Ｃ６の一方の端子を接続し、他方の端子は接地する。そして、トランジスタＴＲ３のエミッタとトランジスタＴｒ２のベースを接続し、トランジスタＴｒ２のエミッタとＮＰＮ型トランジスタＴｒ４のベースとを接続し、トランジスタＴｒ４のエミッタを電源Vｃｃに接続した上でコレクタを水晶振動子Ｘの端子Ｔ１に接続して、高速起動回路３を構成する。
【００１４】
ピアース型水晶発振器２は、従来から一般的に用いられている発振回路であるので、その動作の説明は省略し、本発明の特徴である高速起動回路３の動作について説明する。高速起動回路３に電源電圧Ｖｃｃを印加すると、トランジスタＴｒ２を介してベース電流が流れ、この電流が容量Ｃ６に供給され充電が始まる。トランジスタＴｒ２のベース電流が流れてトランジスタＴｒ２がオンすると、電源Ｖｃｃより抵抗Ｒ３を介して電流が流れ、トランジスタＴｒ４もオンとなる。トランジスタＴｒ４がオンすると水晶振動子Ｘの端子Ｔ１に電源電圧Ｖｃｃとほぼ同等な電圧が瞬間的に印加されるのと、ピアース型水晶発振器２が立ち上がるまえに、発振回路に電流が供給されるので、ピアース型水晶発振器２の起動時間が短縮されることになる。時間が経過するにつれて容量Ｃ１が充電され、容量Ｃ１の電位が高くなるとトランジスタＴｒ２がオフになり、それにつれてトランジスタＴｒ４がオフとなり、水晶振動子Ｘへの水晶振動子Ｘの端子Ｔ１と電源電圧Ｖｃｃとは切り離され、ピアース型水晶発振器２のみで発振が継続する。
【００１５】
図２（ａ）は、横軸を時間Ｔｉｍｅ（μｓ）、縦軸を電圧（Ｖ）として、電源Ｖｃｃをオンした後の電源電圧Ｖｃｃの立ち上がり（約１００ｎｓ）と、水晶振動子Ｘの端子Ｔ１の電圧Ｖｘの時間経過を示す図である。この図より水晶振動子Ｘの端子電圧Ｖｘは約１００ｎｓでほぼ電源電圧Ｖｃｃに達することが分かる。瞬間的に立ち上がった端子電圧Ｖｘは短時間で定常電圧０．９Ｖに収斂する。一方、図２（ｂ）は高速起動回路を付加しないコルピッツ型回路の水晶振動子Ｘの一端Ｔ１の電圧Ｖｘであり、定常電圧０．９Ｖに達するまで緩やかに変化してゆく。
【００１６】
図３（ａ）は横軸を時間Ｔｉｍｅ（μｓ）、縦軸を水晶電流（μＡ）とした場合、図１に示す水晶発振器１（ピアース型水晶発振器２に本発明の高速起動回路３を付加した発振器）の水晶振動子Ｘを流れる水晶電流の時間経過を示す図である。図３（ｂ）は高速起動回路３を付加しないピアース型水晶発振器２のみの水晶電流の時間経過を示す図であり、定常電流値に達するには時間を要す。図３（ａ）から高速起動回路の付加により電極Ｖｃｃのオンと共に大きな水晶電流が流れることが確認できた。
水晶発振器の起動時間は初期水晶電流の大きさと、その励振電流を増幅させるための発振回路の負性抵抗の大きさとにより決まる。負性抵抗の大きさは発振回路の定数を設定すると一義的に決まるので、水晶振動子の初期電流を大きくすることにより発振回路は同じでも起動時間を短縮することができる。
【００１７】
水晶発振回路をＩＣ化する際に、小型化するに当たって特に困難なのは容量の小型化である。図４は、高速起動回路３の容量Ｃ６をパラメータとした場合、水晶振動子の端子Ｔ１にかかる電圧Ｖｘと、電源Ｖｃｃをオンしてからの経過時間との関係を示す図である。図４（ａ）は容量Ｃ６を２ｐＦ、６ｐＦ、１０ｐＦ、１４ｐＦ、１８ｐＦと変化させた場合、同図（ｂ）は０．５ｐＦ、１．０ｐＦ、１．５ｐＦ、２．０ｐＦと変化させた場合、同図（ｃ）は０．１ｐＦ、０．２ｐＦ、０．３ｐＦと変化させた場合の電圧Ｖｘと、経過時間との関係を示す図である。容量Ｃ６を０．５ｐＦと小さい容量に設定しても水晶振動子の端子Ｔ１には発振回路２を起動させるのに十分な電圧Ｖｘが発生することが判明した。なお、発振回路２が起動を始めれば電圧Ｖｘは付加しない方がよいので、容量Ｃ６の値としては１０ｐＦ以下が望ましい。
本発明の高速起動回路３では容量Ｃ６を０．５ｐＦまで小さくしても、起動時間を十分に短縮することができたので、ＩＣの小型化することが可能となった。
【００１８】
以上の説明では発振回路にピアース型発振回路を用いて本発明を説明したが、発振回路にコルピッツ型発振回路を用いて本発明の水晶発振器を構成しても同様な効果が得られることは説明するまでもない。また、高速起動回路の出力を水晶振動子Ｘの一方の端子Ｔ１に接続した場合を説明したが、端子Ｔ２に接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る水晶発振器の回路構成を示した図である。
【図２】（ａ）は電源電圧及び水晶振動子端電圧の立ち上がり特性を示す図、（ｂ）は高速起動回路が無い場合の電源電圧及び水晶振動子端電圧の立ち上がり特性を示す図である。
【図３】（ａ）は水晶振動子電流の立ち上がり特性を示す図、（ｂ）は高速起動回路が無い場合の水晶振動子電流の立ち上がり特性を示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は高速起動回路の容量Ｃ６をパラメータとした場合の電圧Ｖｘと時間との関係を示す図である。
【図５】（ａ）は水晶発振回路の基本構成を説明する回路図、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれピアース型水晶発振器及びコルピッツ型水晶発振器の構成を示す回路図である。
【図６】従来の起動時間を短縮した水晶発振器の回路構成を示す図である。
【図７】高速起動回路を付加した水晶発振器の回路構成を示す図である。
【図８】高速起動回路を付加した水晶発振器の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  水晶発振器
２  コルピッツ型水晶発振器
３  高速起動回路
Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４  トランジスタ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３  抵抗
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６  容量
Ｘ  水晶振動子
Ｖｃｃ  電源（電圧）
ＯＵＴ  出力
ＡＭＰ  バッファー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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