(57)【要約】 【課題】従来の発振回路では、電圧可変容量と電源電圧間に大きな容量の固定容量が必要になり小型化の妨げになっていた。また大きな寄生容量が電圧化変容量に並列に挿入される構成のため、大きな周波数可変幅を得ることが難しかった。【解決手段】帰還抵抗と反転増幅回路と水晶振動子を並列に接続し、反転増幅回路の入出力両側の接続点を直流カット容量と負荷容量を介して接地し、さらに前記直流カット容量と負荷容量の入出力両側の接続点を電圧可変容量を介して接続し、この電圧可変容量の両端に制御信号を印加して周波数調整を行う構成とする。【選択図】図１
2008252768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも水晶振動子と発振回路から構成される水晶発振器において、
前記発振回路は、前記水晶振動子と帰還抵抗と反転増幅回路を並列に接続し、前記反転増幅回路の入出力両側の接続点をそれぞれ、直流カット容量と負荷容量を介して接地し、
さらに前記反転増幅回路の入力側の前記直流カット容量と前記負荷容量の接続点と、出力側の前記直流カット容量と前記負荷容量の接続点を、電圧可変容量を介して接続してなり、
前記電圧可変容量の両端に制御信号を印加して周波数調整を行うことを特徴とする水晶発振器。
【請求項２】
少なくとも水晶振動子と発振回路から構成される水晶発振器において、
前記発振回路は、前記水晶振動子と帰還抵抗と反転増幅回路を並列に接続し、前期反転増幅回路の入出力両側の接続点をそれぞれ直流カット容量と負荷容量を介して接地し、
さらに前記反転増幅回路の入力側の前記直流カット容量と前記負荷容量の接続点と、出力側の前記直流カット容量と前記負荷容量の接続点を、直列接続した２つの電圧可変容量を介して接続してなり、
前記直列接続した２つの電圧可変容量の接続点および、前記反転増幅回路の入出力両側それぞれの前記直流カット容量と前記電圧可変容量との接続点の３箇所に制御信号を印加して周波数調整を行うことを特徴とする水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷容量の一部として電圧可変容量を備え、この電圧可変容量に制御信号を印加することによって周波数制御が可能な水晶発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子と発振回路を単一のパッケージに収めた水晶発振器はその高安定性やサイズの小ささにより広範な分野の電子機器の信号源として用いられている。
【０００３】
水晶発振器のうち、負荷容量の一部として電圧可変容量を備え、この電圧可変容量に加える制御電圧を変化させることで発振周波数を制御する機構を持つものがあり、制御の目的により電圧制御水晶発振器（以下ＶＣＸＯと略）や温度補償水晶発振器（以下ＴＣＸＯと略）と呼ばれる。
【０００４】
ＶＣＸＯは電圧可変容量に印加する制御電圧をユーザーが外部から印加するタイプの発振器であり、有線・無線通信におけるクロックリカバリー等の用途に多く用いられている。またＴＣＸＯは水晶振動子の周波数温度特性を補償する制御信号を電圧可変容量に与えることによって、広い温度範囲で出力信号の周波数を略一定に保つようにした発振器であり、携帯電話の信号源として多く用いられている。またこれら両方の特性を備えた発振器（ＶＣ−ＴＣＸＯ）も製品化されている。
【０００５】
水晶発振回路において負荷容量の容量値を変えることで発振周波数が変化することは良く知られているが、ＶＣＸＯやＴＣＸＯはこの負荷容量の一部に電圧可変容量を用い、この電圧可変容量に制御電圧を印加することで周波数の制御を行う。電圧可変容量としてはバリキャップダイオードやＭＯＳ可変容量等があり、いずれも素子両端の電圧差によって容量値が変化する特徴を持っている。
【０００６】
電圧可変容量の特性は半導体のプロセスによって決まるため、容量が大きく変化する電圧範囲がＴＣＸＯ内で使用する電圧範囲と一致しないケースがあり、その場合十分な容量可変幅が得られないという課題があった。
【０００７】
このような課題を解決するべく可変容量に印加する電圧範囲を自由に設定できるようにした水晶発振器が提案されている（特許文献１参照）。その基本構成を図５に示す。帰還抵抗５０３と反転増幅回路５０２と水晶振動子５０１とを並列に接続し、その入出力両側の接続点をそれぞれ直流カット容量５０４および５０５と電圧可変容量５１２および５１３を介して接続し、さらにその接続点を安定化容量５１４を介して接地した構成になっている。
【特許文献１】特開平１１−１７１１４号公報
【０００８】
図５の回路では、従来電圧可変容量の片側からのみ印加していた制御信号を、可変容量５１２および５１３の両側から印加できる構成としたことにより、電圧可変容量５１２および５１３に印加可能な電圧範囲が広がり、電圧可変容量の最適電圧に合せて、印加電圧範囲を選択することが可能になっている。
【０００９】
ＴＣＸＯでは温度による周波数偏差補正制御信号の他に、常温周波数偏差補正が求められる場合があり、さらに前記したＶＣ−ＴＣＸＯでは外部入力周波数調整信号が求められる。このように複数の制御信号が必要な用途では、制御信号入力１，２，３に異なった制御信号を印加することができるので複数の制御信号を加算する回路を設けなくてもよいという利点もある。
【００１０】
ただし図５の回路では、理論上は制御信号入力１，２、３に別々の制御信号を印加することも可能であるが、実際は入力側と出力側の合成容量値に大きな差がついてしまうと発振が不安定になる等の弊害が生じるため、制御信号入力１と２には同一の制御信号を印加することが一般的である。例えば制御信号入力１および２に対して温度補正信号を入力し、制御信号入力３に対しては外部入力周波数調整信号と常温周波数偏差補正の合成信号を入力するといった使われ方が多くなされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし特許文献１の構成には以下のような欠点がある。まずひとつは電圧可変容量５１２および５１３とＧＮＤ間に大きな容量値の安定化容量５１４が必要になることである。発振起動時に、反転増幅回路５０２が十分な増幅率を発揮するためには発振ループは交流的に低インピーダンスで接地されている必要があり、そのために安定化容量５１４として大きな容量が必要になる。近年ＶＣＸＯやＴＣＸＯの回路は集積回路化され、パッケージサイズの小型化に貢献しているが、このような大きな容量を集積回路内に作りこまなければならないことは小型化に対して大きな負担となる。
【００１２】
またＶＣＸＯやＴＣＸＯではなるべく大きな周波数可変範囲を得るために、電圧可変容量が寄生容量の影響を受けにくい回路構成が望まれるが、図５の回路では反転増幅回路５０２の入出力容量や水晶振動子５０１接続端子容量等の大きな寄生容量が電圧化変容量５１２および５１３に並列に挿入されてしまう構成のため、負荷容量全体の容量可変幅が制限され、大きな周波数可変幅を得ることが難しいという課題もある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記問題を解決するため本発明の水晶発振器は、少なくとも水晶振動子と発振回路から構成され、前記発振回路は、前記水晶振動子と帰還抵抗と反転増幅回路を並列に接続し、前記反転増幅回路の入出力両側の接続点をそれぞれ、直流カット容量と負荷容量を介して接地し、さらに前記反転増幅回路の入力側の前記直流カット容量と前記負荷容量の接続点と、出力側の前記直流カット容量と前記負荷容量の接続点を、電圧可変容量を介して接続してなり、前記電圧可変容量の両端に制御信号を印加して周波数調整を行う構成としたことを特徴としている。
【００１４】
更に別の構成として、少なくとも水晶振動子と発振回路から構成され、前記発振回路は、前記水晶振動子と帰還抵抗と反転増幅回路を並列に接続し、前期反転増幅回路の入出力両側の接続点をそれぞれ直流カット容量と負荷容量を介して接地し、さらに前記反転増幅回路の入力側の前記直流カット容量と前記負荷容量の接続点と、出力側の前記直流カット容量と前記負荷容量の接続点を、直列接続した２つの電圧可変容量を介して接続してなり、前記直列接続した２つの電圧可変容量の接続点および、前記反転増幅回路の入出力両側それぞれの前記直流カット容量と前記電圧可変容量との接続点の３箇所に制御信号を印加して周波数調整を行う構成としたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の水晶発振器は、電圧可変容量が水晶振動子と並列に接続されるため、寄生容量が電圧可変容量に並列には挿入されず、電圧可変容量が寄生容量の影響を受けにくい構成になっている。このため従来品に比べ大きな周波数可変幅が得ることが可能である。
【００１６】
また大きな容量値が必要だった安定化容量が不要になるため、集積回路の面積を減らすことができ、従来品に比べより小型化した製品の提供が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００１８】
〔第１の実施形態：図１〕
図１は、本発明による水晶発振器の第１の実施形態の構成を示す回路図である。図１の回路は帰還抵抗１０３と反転増幅回路１０２と水晶振動子１０１を並列に接続し、反転増幅回路１０２の入出力両側の接続点をそれぞれ直流カット容量１０４および１０５と、負荷容量１０７および１０８を介して接地する。さらに入力側直流カット容量１０４と負荷容量１０７の接続点と、出力側直流カット容量１０５と負荷容量１０８の接続点を、電圧可変容量１０６を介して接続し、この電圧可変容量１０６の両端に制御信号を抵抗１０９および１１０を介して印加して周波数調整を行う構成である。発振の位相条件確保のために、反転増幅回路１０２出力と水晶振動子１０１間に制限抵抗を入れる場合もある。
【００１９】
実際のＶＣＸＯやＴＣＸＯは、図１中の水晶振動子１０１と、図１の回路を含む集積回路を、セラミック等のパッケージに封止して構成する。
【００２０】
従来技術の課題として、電圧可変容量とＧＮＤ間に大きな安定化容量が必要になり、小型化を難しくしているということがあるが、本発明の水晶発振器では安定化容量自体が必要ないためこのような問題は生じない。負荷容量１０７および１０８は安定化容量のようにインピーダンスを低く保つことが目的の容量ではないため安定化容量のように大きな容量値は必要にならない。
【００２１】
また従来技術では、反転増幅回路の入出力容量や水晶振動子接続端子容量等の大きな寄生容量が電圧可変容量に並列に挿入される構成のため、大きな周波数可変幅を得ることが難しいという課題もあったが、本発明の水晶発振器では電圧可変容量１０６が水晶振動子１０１と並列に接続される構成のため、前記寄生容量が電圧可変容量１０６に並列には挿入されず、電圧可変容量１０６の容量可変幅が制限されにくい構成となっている。
【００２２】
そして本発明では従来技術と同様、制御電圧を電圧可変容量１０６の両側から印加できる構成のため可変容量１０６両端に印加する制御電圧をフレキシブルに選択することが可能である。例えば電圧可変容量の容量変化特性が図３に示すように、端子間電圧がゼロボルトの点を挟んでマイナスからプラスに渡って広がるものであった場合、片側からしか電圧を印加できない構成では可変容量の容量可変幅のおよそ半分程度しか使用できないが、本発明であれば制御信号１、２の電圧範囲を適当な値に設定してやることにより容量が可変する全領域を使うことが可能である。
【００２３】
常温における電圧可変容量の容量値は変化範囲の中心付近にあることが望ましいので、制御信号１，２の電圧差がその近辺になるように制御信号の電圧を調整してやればよい。
【００２４】
ＶＣＸＯの場合、制御信号は外部入力電圧のみなので、この外部入力電圧を制御信号１，２のどちらかに入力し、他方は固定電圧とする。集積回路にメモリーを内蔵し、このメモリーに書き込まれた値によって固定電圧の値を調整可能な構成とすれば、発振器完成後にメモリーの値を変化させて最も周波数可変幅が広くなる固定電圧値を選ぶことができる。あるいは初期周波数精度が厳しい用途では、上記メモリーによる固定電圧可変構成を初期周波数偏差補正として使用しても良い。
【００２５】
また外部入力電圧を制御信号１，２のどちらに印加するかによって電圧対周波数の制御方向が逆転するが、これを内蔵メモリーに書き込まれた値によって切り替えられるようにしておけば、制御電圧増で周波数増、および制御電圧増で周波数減のどちらのタイプのＶＣＸＯとしても使用することが可能である。
【００２６】
ＴＣＸＯの場合、制御信号１、２のいずれか一方には別回路（図示せず）で生成された温度による周波数偏差を補正するための制御信号が入力される。ＴＣＸＯ用として一般的に用いられるＡＴカットの水晶振動子の温度特性は温度に対して３次項と１次項が存在するので、例えば制御信号入力１に３次項補正信号を、制御信号入力２に１次項補正信号を入力する構成にしても良い。
【００２７】
またＴＣＸＯやＶＣ−ＴＣＸＯでは、温度周波数偏差補正信号の他に、常温周波数偏差補正や外部入力周波数調整等の制御信号が要求される場合があるので、これらのいずれかの信号、あるいはこれらを合成した信号をいずれかの制御信号入力に印加しても良い
【００２８】
電圧可変容量の例としてＮ型のＭＯＳ可変容量の構成を図４に示す。この可変容量は半導体Ｐ型基板４０１中に設けたＮウェル領域４０２中にN型リッチ層４０３を環状に作成して、その上部表面に絶縁膜４０５と電極４０６を設けたものである。2つの電圧印加端子１および２はいずれも、半導体P型基板４０１の電位からは独立しているため、可変容量の両側から電圧を印加することが可能である。
【００２９】
またＰ型のＭＯＳ可変容量の場合は、通常の構成では片側の電位が必ず基板電位となってしまうため片側からしか制御電圧を印加することができないが、Ｎウェル領域中にさらにＰウェル領域を作りそこにＭＯＳ可変容量を構成する、いわゆるトリプルウェル構造のものであれば両側から制御電圧印加可能な可変容量が得られる。
【００３０】
また他の電圧可変容量であるバリキャップダイオードの場合ではアノード側が常にＰ型半導体となるが、上記と同様にトリプルウェル構造を採用することで両側から電圧印加可能な可変容量が得られる。
【００３１】
以上はＰ型基板の半導体の場合について説明したが、Ｎ型基板の半導体の場合も極性を反転させて考えれば同様である。
【００３２】
なお上記説明は本発明を水晶振動子と組み合わせて使用する場合について記述したが、水晶振動子以外の圧電振動子と組み合わせて使用することももちろん可能である。
【００３３】
〔第２の実施形態：図２〕
図２は、本発明による温度補償型水晶発振器の第２の実施形態を示す回路図である。図２の説明にあたっては図１と共通する箇所も多いので、それらの箇所については説明を簡単にする。
【００３４】
図２に示す回路は、帰還抵抗２０３と反転増幅回路２０２と水晶振動子２０１を並列に接続し、反転増幅回路２０２の入出力両側の接続点をそれぞれ直流カット容量２０４および２０５と、負荷容量２０７および２０８を介して接地する。さらに入力側直流カット容量２０４と負荷容量２０７の接続点と、出力側直流カット容量２０５と負荷容量２０８の接続点を、直列接続した２つの電圧可変容量２１０および２１１を介して接続し、電圧可変容量２１０および２１１の接続点と、入力側直流カット容量２０４と電圧可変容量２１０の接続点、および出力側直流カット容量２０５と電圧可変容量２１１の接続点の３箇所に制御信号を印加して周波数調整を行うことを特徴としている。
【００３５】
第１の実施形態で述べたように図１の回路は従来例と比較して、電圧可変容量１０６の容量変化幅に対する寄生容量の影響が少ないため、大きな周波数可変幅を得ることができるが、従来は２つ使用していた電圧可変容量を１つしか使っていないため、可変幅の増加量としては大きな量をえることはできなかった。
【００３６】
図２の回路は、図１の回路の電圧可変容量１０６を、２つの電圧可変容量２１０および２１１を直列接続したものに置き換え、さらにこの２つの電圧可変容量２１０および２１１同士の接続点にも制御信号を印加できるようにした構成のため、図１の回路の長所をそっくり生かしたまま、周波数可変幅を飛躍的に増加させることを可能にしている。
【００３７】
また図２の回路では３つの異なった制御信号１，２，３を入力することが可能である。図５に示した従来の回路でも制御信号入力は３つあるが、入力側と出力側の負荷容量のバランスを取るため通常は２つの制御信号入力には同一の信号を印加することは前記した。本発明の構成では電圧可変容量２１０および２１１の容量値は入力側と出力側両方の負荷容量として共用されるため、従来例のように入力側と出力側の負荷容量バランスが悪くなるといった問題なしに３つの別々な制御信号を印加することが可能であり、複数の制御信号入力が必要なＶＣ−ＴＣＸＯ等で有効である。
【００３８】
ＶＣＸＯの場合には制御電圧入力３に固定電圧を入れ、制御電圧入力１および２に外部入力制御信号を入れる、もしくは制御電圧入力１および２に固定電圧を入れ、制御電圧入力３に外部入力制御信号を入れるといった使い方が考えられる。第１の実施形態で述べた内蔵メモリーを使っての周波数調整機構や制御方向選択機構を図２の回路に適用することももちろん可能である。
【００３９】
電圧可変容量の制御電圧範囲がゼロ点をまたがないで正負どちらか片側のみで動く場合には、制御電圧３の端子を接地して使用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の水晶発振器は従来品に比べ大きな周波数可変幅が得られるため、より高性能な発振器の提供が可能になり、また従来必要だった安定化容量が不要になるため、集積回路の面積を減らすことができ、従来品に比べより小型化した製品の提供が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の水晶発振器の基本構成図である。
【図２】本発明の水晶発振器の別の構成図である。
【図３】電圧可変容量の端子間電圧対容量特性の例である。
【図４】ＭＯＳ可変容量の構成例である。
【図５】従来の水晶発振器の基本構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０１、２０１、５０１：水晶振動子
１０２、２０２、５０２：反転増幅回路
１０３、２０３、５０３：帰還抵抗
１０４、１０５、２０４、２０５、５０４、５０５：直流カット容量
１０６、２１０、２１１、５１２、５１３：電圧可変容量
１０７、１０８、２０７、２０８：負荷容量
１０９、１１０：抵抗
４０１：半導体Ｐ型基板
４０２：Ｎウェル領域
４０３：Ｎ型リッチ層
４０５：絶縁膜
４０６：電極
５１４：安定化容量
【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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