(57)【要約】本発明の課題は、低位相雑音で安定した動作を得ることである。また他の課題は、起動時間の遅延を生じさせない発振出力を得ることである。  本発明によれば、帰還回路（５）によって、水晶振動子（１０）の発振出力を帰還した信号を、負荷容量選択部（３）の負荷容量を選択する制御信号に重畳させて、制御信号がもつ電圧雑音により受けるＭＯＳトランジスタ（５０）への影響を受けにくくして、位相雑音の低減化を図り、また、起動時においてある一定時間、負荷容量選択部（３）に入力される制御信号を制限して、短時間で起動することができる水晶発振回路を実現できる。
2004079895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子を発振させる発振部と、
容量値の選択により発振周波数を可変する負荷容量選択部と、
前記負荷容量選択部へ供給する第１の制御信号により前記負荷容量選択部の容量値を調整する第１の調整部とを有し、
前記負荷容量選択部が、単位周期の積分値がゼロとなる第２の制御信号を出力する第２の調整部に接続される水晶発振回路。
【請求項２】
請求の範囲第１項記載の水晶発振回路であって、
前記第２の調整部は、前記発振周波数と同じ周波数の信号を生成する水晶発振回路。
【請求項３】
請求の範囲第１項又は第２項記載の水晶発振回路であって、
前記発振部の出力を前記第２の制御信号として前記負荷容量選択部に帰還する帰還部を備える水晶発振回路。
【請求項４】
請求の範囲第１項〜第３項のいずれか一項記載の水晶発振回路であって、
前記負荷容量選択部は、互いに並列接続された動作電圧が異なる複数のトランジスタと、各トランジスタに直列接続された容量と、を含む水晶発振回路。
【請求項５】
請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか一項記載の水晶発振回路であって、
前記負荷容量選択部へ供給する前記第１及び前記第２の制御信号を電源投入後の一定時間制限する制限部を備える水晶発振回路。
【請求項６】
請求の範囲第４項又は第５項記載の水晶発振回路であって、
前記トランジスタは、ＭＯＳトランジスタである水晶発振回路。
【請求項７】
請求の範囲第４項又は第５項記載の水晶発振回路であって、
前記トランジスタは、バイポーラトランジスタである水晶発振回路。
【請求項８】
請求の範囲第１項ないし第７項のいずれか一項記載の水晶発振回路であって、
前記発振部は、バイポーラトランジスタと抵抗とを含む水晶発振回路。
【請求項９】
請求の範囲第１項記載の水晶発振回路が、前記水晶振動子を備えたことを特徴とする水晶発振回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、比較的大きな発振出力を得ることができ、短時間で起動し、かつ低位相雑音を実現する水晶を用いた発振器である水晶発振回路に関するものである。
【背景技術】  近年、水晶発振回路は電子機器内の基準となる周波数として多用され、また伝送データレートも高くなってきている。このような電子機器では、低消費電力を目的として間欠動作と低電圧動作が行われ、かつ基準周波数の低位相雑音化も求められている。このため、これらの基準となる周波数を得るために使用する水晶発振回路に対して、短時間で起動を行うことができ、低位相雑音であり、かつ一定の発振出力を得られる水晶発振回路が望まれていることから、発振回路は回路技術として極めて有用でもある。
このような水晶発振回路としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。以下に従来の水晶発振回路について説明する。図９は、従来の水晶発振回路の一例を示す回路図である。図９において、２は発振回路部、３は負荷容量選択部、１０は水晶振動子である。この従来の水晶発振回路は、電源端子１１により発振回路部２の電源を供給し、水晶振動子１０と発振回路部２と負荷容量選択部３にて発振ループを形成し、周波数調整回路６と感度調整回路７と周波数設定回路８により負荷容量選択部３の制御を行い発振周波数の変化の割合である感度（以下、周波数感度と称する）を調整する構成となっている。
以上のように構成された水晶発振回路について、以下その動作について説明する。電源電圧を電源端子１１より印加すると、発振回路部２と負荷容量選択部３と水晶振動子１０に供給され、また負荷容量選択部３の制御端子に電位が印加されることにより水晶振動子１０から見た負荷容量が決定され、（数１），（数２）にて周波数が決定される。
2004079895.tif 000003
（数１），（数２）のＬ１，Ｃ１，Ｃ０は水晶振動子の等価回路定数、ＣＬは水晶振動子から見た負荷容量、Ｃ０１，Ｃ０２は負荷容量選択部にて選択された容量値を示している。
また、この際に周波数調整回路６と感度調整回路７と周波数設定回路８によって制御された電圧信号により、負荷容量選択部３のＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御して発振周波数を可変にしているため、ＭＯＳトランジスタ部のＭＯＳトランジスタ４７〜４９，４７’〜４９’がオフ状態であるときに、負荷容量選択部３のスイッチ部におけるコンデンサ２０，２１，２０’，２１’と直列接続されたスイッチ３５，３６，３５’，３６’がオフ状態のとき、負荷容量が接続されてない状態と等価になり、または、全負荷容量としてスイッチ部のスイッチ３５，３６，３５’，３６’の状態にもよるがスイッチと直列接続された容量だけとなる。
逆にＭＯＳトランジスタがオン状態のときは、そのオン抵抗が十分に小さいとみなすことのできる場合に、スイッチ３５，３６，３５’，３６’と直列接続されたコンデンサ２０，２１，２０’，２１’とＭＯＳトランジスタのオン状態のコンデンサのみの負荷容量となる。このために、コンデンサと直列に接続されたＭＯＳトランジスタ４７〜４９，４７’〜４９’のゲートに印加される制御電圧と、スイッチ３５〜３９，３５’〜３９’の制御により周波数感度を自由に設定することが行われている。
（特許文献１）特開平９−１０２７１４号公報
しかしながら、図９に示す発振回路では、周波数調整回路と感度調整回路と周波数設定回路によって制御された電圧信号を負荷容量選択部の各ＭＯＳトランジスタのゲートに印加するため、制御された電圧信号がもつ電圧雑音による影響を受けて、ＭＯＳトランジスタのオン抵抗が変化する。これにより負荷容量選択部の容量値が変化することになり周波数が変化してジッタが大きくなって、結果的に位相雑音が大きくなるという従来からの未解決課題を有していた。
さらに、温度特性に応じて負荷容量を切り替えるために負荷容量を可変にして、発振周波数を変化させるように構成した場合には、所定の容量値を有する負荷容量を切り替えるために、切り替え時の位相が不連続に変化することになり、位相雑音が著しく悪化するという課題も有していた。
また、起動時間の短縮には、起動時の振幅と通常状態での振幅の比、負性抵抗Ｒの値、負荷容量および増幅率に依存している。このため、従来例の図９に示す発振回路では、周波数の感度調整用スイッチを設けることにより、スイッチを設けない発振回路に比べると、水晶振動子から見た負荷容量が接続されることにより、負性抵抗Ｒと起動時において発振回路に入力される振幅に差が生じ、結果的に起動時間が遅延するという課題も有していた。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決することに指向するものであり、低位相雑音で安定した動作を得ることができる水晶発振回路を提供することを目的とする。また本発明は、起動時間の遅延を生じさせない発振出力を得ることができる水晶発振回路を提供することを目的とする。
【発明の開示】
本発明の水晶発振回路は、水晶振動子を発振させる発振部と、容量値の選択により発振周波数を可変する負荷容量選択部と、前記負荷容量選択部へ供給する第１の制御信号により前記負荷容量選択部の容量値を調整する第１の調整部とを有し、前記負荷容量選択部が、単位周期の積分値がゼロとなる第２の制御信号を出力する第２の調整部に接続される。上記構成によれば、第１の制御信号による負荷容量選択部の容量値の調整に加えて、単位周期の積分値がゼロとなる第２の制御信号による容量値の調整が可能となるため、制御信号電圧の電圧雑音に起因する位相雑音を低減でき、容量値の切替時において電圧変化に対して発振周波数を緩やかに変化させることができる。
また、本発明の水晶発振回路は、前記第２の調整部が、前記発振周波数と同じ周波数の信号を生成する。
また、本発明の水晶発振回路は、前記発振部の出力を前記第２の制御信号として前記負荷容量選択部に帰還する帰還部を備える。上記構成によれば、内部で生成された信号を周期信号として利用できるため、回路規模を低減できる。
また、本発明の水晶発振回路は、前記負荷容量選択部が、互いに並列接続された動作電圧が異なる複数のトランジスタと、各トランジスタに直列接続された容量と、を含む。上記構成によれば、各トランジスタの動作電圧が異なるため入力電圧可変範囲を広くすることができ、発振周波数をさらに緩やかに変化させることができる。
また、本発明の水晶発振回路は、前記負荷容量選択部へ供給する前記第１及び前記第２の制御信号を電源投入後の一定時間制限する制限部を備える。上記構成によれば、電源電圧投入後の一定時間前記負荷容量選択部への前記制御信号の入力を制限することにより、電源電圧投入直後には負荷容量選択部へ電圧が印加されず、水晶発振子から見た容量が小さくなるため、短時間で起動できる。
また、本発明の水晶発振回路は、前記トランジスタが、ＭＯＳトランジスタである。また、本発明の水晶発振回路は、前記トランジスタが、バイポーラトランジスタである。また、本発明の水晶発振回路は、前記発振部が、バイポーラトランジスタと抵抗とを含む。さらに、本発明の水晶発振回路は、前記水晶振動子を備えたことを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】  図１（ａ）は本発明の実施の形態における実施例１の水晶発振回路を示すブロック図、図１（ｂ）は回路図であり、
図２（ａ）は本発明の実施の形態における実施例２の水晶発振回路を示すブロック図、（ｂ）は回路図であり、
図３は実施例１及び２の水晶発振回路の出力周波数変化を示す図であり、
図４（ａ）は本発明の実施の形態における実施例３の水晶発振回路を示すブロック図、（ｂ）は回路図であり、
図５は負荷容量選択部内の互いに直列接続されるＭＯＳトランジスタ及びコンデンサからなる負荷容量の組が２段並列接続される場合の水晶発振回路の出力周波数変化を示す図であり、
図６（ａ）は本発明の実施の形態における実施例４の水晶発振回路を示すブロック図、（ｂ）は回路図であり、
図７は可変電圧源を用いた本発明の実施例の水晶発振回路（負荷容量が一段の場合）を示す回路図であり、
図８は可変電圧源を用いた本発明の実施例の水晶発振回路（負荷容量が多段の場合）を示す回路図であり、
図９は従来の水晶発振回路を示す回路図である。
なお、図中の符号、１は定電圧源、２は発振回路部、３は負荷容量選択部、４は増幅回路、５は帰還回路、６は周波数調整回路、７は感度調整回路、８は周波数設定回路、９は起動時間調整回路、１０は水晶振動子、１１は電源端子、１２は定電圧回路、１４は出力端子、１５は外部印加用端子、１７，１８は水晶接続端子、２０〜２８，３０，３１，２０’〜２４’はコンデンサ、３５〜３９，３５’〜３９’はスイッチ、４１〜４３は抵抗、４４〜４６はインバータ、４７〜５２，４７’〜４９’はＭＯＳトランジスタ、６１は可変電圧源である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態における実施例１の水晶発振回路を示すブロック図、図１（ｂ）は回路図である。図１（ｂ）に示すように、電源端子１１に印加された電圧により定電圧源１から発振手段の発振回路部２と増幅回路４に定電圧が印加される。この発振回路部２においては、定電圧源１とインバータ４５が接続され、さらにインバータ４５には、その入出力端に抵抗４１が帰還接続され、増幅回路４と接続されている。また、インバータ４５の出力端には抵抗４２の一端が接続され、この抵抗４２の他端に、水晶振動子１０および水晶振動子１０の負荷容量となる負荷容量選択部３のコンデンサ２６が接続されている。
さらに、コンデンサ２６には、ＭＯＳトランジスタ５０が直列に接続され、水晶振動子１０から見た一端の負荷容量となっている。水晶振動子１０の他端には、負荷容量となる負荷容量選択部３のコンデンサ２５が接続されており、インバータ４５の入力端とも接続されている。また、増幅回路４におけるインバータ４４の出力端と帰還回路５のコンデンサ２７の一端とが接続され、コンデンサ２７の他端とコンデンサ２８および負荷容量選択部３のＭＯＳトランジスタ５０のゲートに接続されて水晶発振回路が構成されている。
以上のように構成された本実施例１の水晶発振回路の動作について説明する。いま、電源電圧を電源端子１１に与えると定電圧回路１２よりＲＥＧ電圧が出力される。水晶振動子が励起し始めた後は、外部より負荷容量選択用に印加された電圧と帰還回路５からの帰還信号により負荷容量選択部３において選択され適切な容量により安定した発振周波数が供給されることになる。
このときの起動としては、まず電源投入直後での水晶振動子１０に加わる過渡的な電圧と発振回路の負性抵抗の大きさにより時間が決定される。過渡的な電圧は、ＲＥＧ電圧を水晶振動子１０の絶対抵抗と負荷容量選択部３で選択された容量値とで割った励振電流により決定され、起動時間は（数３）として与えられる。
2004079895.tif 000004
（数３）のＬ１、Ｒ１は水晶振動子の等価回路定数、ｋは定常状態の振幅と起動時の振幅比、Ｒは発振回路部の負性抵抗を示している。
（数３）からも明確であるが起動時間は、起動時の振幅と通常状態での振幅比と負性抵抗Ｒに依存している。また、負性抵抗Ｒは、主にトランジスタの動作状態（小信号時）により決定されており、発振回路部２と負荷容量選択部３においての負性抵抗Ｒは（数４）として与えられる。
2004079895.tif 000005
（数４）のｇｍは増幅率、Ｃ０１，Ｃ０２は水晶振動子から見た負荷容量、ωは周波数角速度を示している。
（数４）からも明白であるが負性抵抗Ｒは、負荷容量と増幅率に依存性をもっているため、前記（数３），（数４）より起動時間短縮には、起動時の水晶振動子１０に係る振幅、通常状態と起動時の振幅比、負性抵抗Ｒ、負荷容量および増幅率で決定されている。
また、本実施例１の水晶発振回路では、帰還回路５によって、水晶振動子１０により発振した出力を帰還してＭＯＳトランジスタ５０のゲートに印加することによって、負荷容量選択部３の制御を行い発振周波数の周波数感度を調整する周波数調整回路６より入力される負荷容量選択の制御信号に、発振出力を重畳させて、負荷容量選択の制御信号がもつ電圧雑音によって受けるＭＯＳトランジスタ５０への影響を受けにくくすることにより、位相雑音の低減化を図ることができる。
図２（ａ）は本実施の形態における実施例２の水晶発振回路を示すブロック図、図２（ｂ）は回路図である。図２（ｂ）に示すように、前述の図１（ｂ）の水晶発振回路における帰還回路５に代えて、抵抗４３を介してＭＯＳトランジスタ５０のゲートに接続する外部印加用端子１５を設けて接続した構成以外は、同様の構成であり、実質的に同等の機能を有するものには同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
本実施例２においても、実施例１と同様に、ＭＯＳトランジスタ５０のゲートに印加される負荷容量選択部３の負荷容量選択の制御信号に、外部電圧印加用端子から入力される、単位周期の積分値がゼロとなる信号を同期するように重畳させて、制御信号がもつ電圧雑音により受けるＭＯＳトランジスタ５０への影響を受けにくくすることにより、位相雑音の低減化を図ることができる。
図３は、実施例１及び２の水晶発振回路の出力周波数変化を示す図であり、横軸は周波数調整回路６から入力される電圧を示し、縦軸は水晶発振回路の出力周波数を示す。点線で示すように、従来の発振回路では、ＭＯＳ５０の動作電圧である電圧１の前後において、狭い電圧レンジ（入力ＤレンジＡ）で出力周波数が急激に変化する。このため、従来の発振回路では、出力周波数を調整するために、入力電圧を細かく設定するか、もしくは、入力Ｄレンジ以上の２段階の電圧切替で電圧を調整する必要がある。一方、実線で示すように、実施例１及び２の発振回路では、電圧１の前後において、広い電圧レンジ（入力ＤレンジＢ）で出力周波数が緩やかに変化する。このため、実施例１及び２の発振回路では、出力周波数を調整するために、入力電圧の細かい設定が不要となり、制御が容易になる。
図４（ａ）は本実施の形態における実施例３の水晶発振回路を示すブロック図、図４（ｂ）は回路図である。図４（ｂ）に示すように、前述の図１（ｂ）の水晶発振回路における負荷容量選択部３内のコンデンサ２６とＭＯＳトランジスタ５０が直列接続された負荷容量に、さらにコンデンサ３０，３１とＭＯＳトランジスタ５１，５２とが複数接続された構成とした以外は同様の構成であり、本実施例３においても前述した実施例１と実質的に同等の機能を有するものには同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
本実施例３における図４（ｂ）に示す構成によれば、負荷容量選択部３内のＭＯＳトランジスタ５０と直列されているコンデンサ２６からなる負荷容量の組を、３段として並列接続しているが、複数の負荷容量をもつことによって、制御信号の電圧差により負荷容量を切り替える際に発生する不連続点を解消することができる。
図５は、負荷容量選択部内の互いに直列接続されるＭＯＳトランジスタ及びコンデンサからなる負荷容量の組が２段並列接続される場合の水晶発振回路の出力周波数変化を示す図であり、横軸は周波数調整回路６から入力される電圧を示し、縦軸は水晶発振回路の出力周波数を示す。なお、各ＭＯＳトランジスタの動作電圧はそれぞれ異なる。点線で示すように、従来の発振回路では、電圧１及び２それぞれの前後において、狭い電圧レンジで出力周波数が急激に変化する。このため、従来の発振回路では、出力周波数を調整するために、電圧１及び２を近づけて出力周波数変化がなるべく緩やかになるようし、かつ、入力電圧を細かく設定する必要がある。一方、実線で示すように、本実施例の発振回路では、電圧１及び２の前後において、広い電圧レンジで出力周波数が緩やかに変化する。このため、本実施例の発振回路では、各トランジスタの動作電圧が異なるため入力電圧可変範囲を広くすることができ、発振周波数をさらに緩やかに変化させることができる。したがって、本実施例の発振回路によれば、出力周波数を調整するために、入力電圧の細かい設定が不要となり、より制御が容易になる。
図６（ａ）は本実施の形態における実施例４の水晶発振回路を示すブロック図、図６（ｂ）は回路図である。図６（ｂ）に示すように、前述の図１（ｂ）の水晶発振回路にて、負荷容量選択部３のＭＯＳトランジスタ５０のゲートに、起動時において、ある一定期間をＧＮＤ、またはパルス印加する起動時間調整回路９を備えた構成以外は、同様の構成であり、実質的に同等の機能を有するものには同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
本実施例４では、起動時間調整回路９により起動後のある一定時間、負荷容量選択部３への制御信号の入力が制限されるため、定電圧源１の出力電圧でもあるＲＥＧ電圧に対し、水晶振動子１０に加わる過渡的な電圧としてはＲＥＧ電圧が加わることになる。このＲＥＧ電圧により水晶振動子１０の絶対抵抗で割った励振電流により水晶振動子１０が励起され振動し始める。水晶振動子１０が励起された後は、周波数調整回路６より印加される電圧の制御信号に帰還回路５から帰還された発振出力の信号を重畳させて、負荷容量選択部３により適切な負荷容量が選択され安定した発信周波数を得ることができる。本実施例４によれば、短時間にて発振を起動することができ、さらに起動された後は、安定した発振周波数を供給することができる。
以上のように電源電圧動作時の起動時間遅延の原因でもある負性抵抗Ｒ、負荷容量によって決定される衝撃不足を改善し、発振出力の帰還信号と負荷容量選択の制御信号を重畳して、負荷容量選択部３に入力する回路構成により、短時間に起動し低位相雑音が実現した水晶発振回路を得ることができる。
なお、以上、周波数調整回路６が、負荷容量選択部へ供給する制御信号により負荷容量選択部の容量値を調整する場合について説明したが、図７（負荷容量が一段の場合）及び図８（負荷容量が多段の場合）に示すように、周波数調整回路の代わりに可変電圧源を使用してもよい。
また、各実施例において、発振回路部２のインバータ、負荷容量選択部３のＭＯＳトランジスタを用いた回路例を説明したが、インバータ，ＭＯＳトランジスタに代えてバイポーラトランジスタを用いても同様の効果を得ることができる。
本出願は、２００３年３月６日出願の日本特許出願Ｎｏ．２００３−０５９５４６に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】  以上説明したように、本発明によれば、帰還回路により発振出力を帰還させた信号と発振周波数の周波数感度を調整する負荷容量選択の制御信号とを重畳することにより低位相雑音の出力を得ることができる。また、本発明によれば、起動時に制御信号の入力を制限して短時間で起動して、起動後に安定した発振出力を得る水晶発振回路を実現できるという効果を奏する。
【図１】
2004079895.tif 000006
【図２】
2004079895.tif 000007
【図３】
2004079895.tif 000008
【図４】
2004079895.tif 000009
【図５】
2004079895.tif 000010
【図６】
2004079895.tif 000011
【図７】
2004079895.tif 000012
【図８】
2004079895.tif 000013
【図９】
2004079895.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月4日(2005.4.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的大きな発振出力を得ることができ、短時間で起動し、かつ低位相雑音を実現する水晶を用いた発振器である水晶発振回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、水晶発振回路は電子機器内の基準となる周波数として多用され、また伝送データレートも高くなってきている。このような電子機器では、低消費電力を目的として間欠動作と低電圧動作が行われ、かつ基準周波数の低位相雑音化も求められている。このため、これらの基準となる周波数を得るために使用する水晶発振回路に対して、短時間で起動を行うことができ、低位相雑音であり、かつ一定の発振出力を得られる水晶発振回路が望まれていることから、発振回路は回路技術として極めて有用でもある。
【０００３】
このような水晶発振回路としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。以下に従来の水晶発振回路について説明する。図９は、従来の水晶発振回路の一例を示す回路図である。図９において、２は発振回路部、３は負荷容量選択部、１０は水晶振動子である。この従来の水晶発振回路は、電源端子１１により発振回路部２の電源を供給し、水晶振動子１０と発振回路部２と負荷容量選択部３にて発振ループを形成し、周波数調整回路６と感度調整回路７と周波数設定回路８により負荷容量選択部３の制御を行い発振周波数の変化の割合である感度（以下、周波数感度と称する）を調整する構成となっている。
【０００４】
以上のように構成された水晶発振回路について、以下その動作について説明する。電源電圧を電源端子１１より印加すると、発振回路部２と負荷容量選択部３と水晶振動子１０に供給され、また負荷容量選択部３の制御端子に電位が印加されることにより水晶振動子１０から見た負荷容量が決定され、（数１），（数２）にて周波数が決定される。
（数１）
ｆ＝１／（２×π×（Ｌ１×Ｃ１）0.5）×（１＋Ｃ１／（Ｃ０＋ＣＬ））0.5
（数２）
ＣＬ＝Ｃ０１×Ｃ０２／（Ｃ１＋Ｃ２）
（数１），（数２）のＬ１，Ｃ１，Ｃ０は水晶振動子の等価回路定数、ＣＬは水晶振動子から見た負荷容量、Ｃ０１，Ｃ０２は負荷容量選択部にて選択された容量値を示している。
【０００５】
また、この際に周波数調整回路６と感度調整回路７と周波数設定回路８によって制御された電圧信号により、負荷容量選択部３のＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御して発振周波数を可変にしているため、ＭＯＳトランジスタ部のＭＯＳトランジスタ４７〜４９，４７'〜４９'がオフ状態であるときに、負荷容量選択部３のスイッチ部におけるコンデンサ２０，２１，２０'，２１'と直列接続されたスイッチ３５，３６，３５'，３６'がオフ状態のとき、負荷容量が接続されてない状態と等価になり、または、全負荷容量としてスイッチ部のスイッチ３５，３６，３５'，３６'の状態にもよるがスイッチと直列接続された容量だけとなる。
【０００６】
逆にＭＯＳトランジスタがオン状態のときは、そのオン抵抗が十分に小さいとみなすことのできる場合に、スイッチ３５，３６，３５'，３６'と直列接続されたコンデンサ２０，２１，２０'，２１'とＭＯＳトランジスタのオン状態のコンデンサのみの負荷容量となる。このために、コンデンサと直列に接続されたＭＯＳトランジスタ４７〜４９，４７'〜４９'のゲートに印加される制御電圧と、スイッチ３５〜３９，３５'〜３９'の制御により周波数感度を自由に設定することが行われている。
【特許文献１】特開平９−１０２７１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図９に示す発振回路では、周波数調整回路と感度調整回路と周波数設定回路によって制御された電圧信号を負荷容量選択部の各ＭＯＳトランジスタのゲートに印加するため、制御された電圧信号がもつ電圧雑音による影響を受けて、ＭＯＳトランジスタのオン抵抗が変化する。これにより負荷容量選択部の容量値が変化することになり周波数が変化してジッタが大きくなって、結果的に位相雑音が大きくなるという従来からの未解決課題を有していた。
【０００８】
さらに、温度特性に応じて負荷容量を切り替えるために負荷容量を可変にして、発振周波数を変化させるように構成した場合には、所定の容量値を有する負荷容量を切り替えるために、切り替え時の位相が不連続に変化することになり、位相雑音が著しく悪化するという課題も有していた。
【０００９】
また、起動時間の短縮には、起動時の振幅と通常状態での振幅の比、負性抵抗Ｒの値、負荷容量および増幅率に依存している。このため、従来例の図９に示す発振回路では、周波数の感度調整用スイッチを設けることにより、スイッチを設けない発振回路に比べると、水晶振動子から見た負荷容量が接続されることにより、負性抵抗Ｒと起動時において発振回路に入力される振幅に差が生じ、結果的に起動時間が遅延するという課題も有していた。
【００１０】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決することに指向するものであり、低位相雑音で安定した動作を得ることができる水晶発振回路を提供することを目的とする。また本発明は、起動時間の遅延を生じさせない発振出力を得ることができる水晶発振回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の水晶発振回路は、水晶振動子を発振させる発振部と、容量値の選択により発振周波数を可変する負荷容量選択部と、前記負荷容量選択部へ供給する第１の制御信号により前記負荷容量選択部の容量値を調整する第１の調整部とを有し、前記負荷容量選択部が、単位周期の積分値がゼロとなる第２の制御信号を出力する第２の調整部に接続される。上記構成によれば、第１の制御信号による負荷容量選択部の容量値の調整に加えて、単位周期の積分値がゼロとなる第２の制御信号による容量値の調整が可能となるため、制御信号電圧の電圧雑音に起因する位相雑音を低減でき、容量値の切替時において電圧変化に対して発振周波数を緩やかに変化させることができる。
【００１２】
また、本発明の水晶発振回路は、前記第２の調整部が、前記発振周波数と同じ周波数の信号を生成する。
また、本発明の水晶発振回路は、前記発振部の出力を前記第２の制御信号として前記負荷容量選択部に帰還する帰還部を備える。上記構成によれば、内部で生成された信号を周期信号として利用できるため、回路規模を低減できる。
【００１３】
また、本発明の水晶発振回路は、前記負荷容量選択部が、互いに並列接続された動作電圧が異なる複数のトランジスタと、各トランジスタに直列接続された容量と、を含む。上記構成によれば、各トランジスタの動作電圧が異なるため入力電圧可変範囲を広くすることができ、発振周波数をさらに緩やかに変化させることができる。
【００１４】
また、本発明の水晶発振回路は、前記負荷容量選択部へ供給する前記第１及び前記第２の制御信号を電源投入後の一定時間制限する制限部を備える。上記構成によれば、電源電圧投入後の一定時間前記負荷容量選択部への前記制御信号の入力を制限することにより、電源電圧投入直後には負荷容量選択部へ電圧が印加されず、水晶発振子から見た容量が小さくなるため、短時間で起動できる。
【００１５】
また、本発明の水晶発振回路は、前記トランジスタが、ＭＯＳトランジスタである。また、本発明の水晶発振回路は、前記トランジスタが、バイポーラトランジスタである。また、本発明の水晶発振回路は、前記発振部が、バイポーラトランジスタと抵抗とを含む。さらに、本発明の水晶発振回路は、前記水晶振動子を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、帰還回路により発振出力を帰還させた信号と発振周波数の周波数感度を調整する負荷容量選択の制御信号とを重畳することにより低位相雑音の出力を得ることができる。また、本発明によれば、起動時に制御信号の入力を制限して短時間で起動して、起動後に安定した発振出力を得る水晶発振回路を実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態における実施例１の水晶発振回路を示すブロック図、図１（ｂ）は回路図である。図１（ｂ）に示すように、電源端子１１に印加された電圧により定電圧源１から発振手段の発振回路部２と増幅回路４に定電圧が印加される。この発振回路部２においては、定電圧源１とインバータ４５が接続され、さらにインバータ４５には、その入出力端に抵抗４１が帰還接続され、増幅回路４と接続されている。また、インバータ４５の出力端には抵抗４２の一端が接続され、この抵抗４２の他端に、水晶振動子１０および水晶振動子１０の負荷容量となる負荷容量選択部３のコンデンサ２６が接続されている。
【００１８】
さらに、コンデンサ２６には、ＭＯＳトランジスタ５０が直列に接続され、水晶振動子１０から見た一端の負荷容量となっている。水晶振動子１０の他端には、負荷容量となる負荷容量選択部３のコンデンサ２５が接続されており、インバータ４５の入力端とも接続されている。また、増幅回路４におけるインバータ４４の出力端と帰還回路５のコンデンサ２７の一端とが接続され、コンデンサ２７の他端とコンデンサ２８および負荷容量選択部３のＭＯＳトランジスタ５０のゲートに接続されて水晶発振回路が構成されている。
【００１９】
以上のように構成された本実施例１の水晶発振回路の動作について説明する。いま、電源電圧を電源端子１１に与えると定電圧回路１２よりＲＥＧ電圧が出力される。水晶振動子が励起し始めた後は、外部より負荷容量選択用に印加された電圧と帰還回路５からの帰還信号により負荷容量選択部３において選択され適切な容量により安定した発振周波数が供給されることになる。
【００２０】
このときの起動としては、まず電源投入直後での水晶振動子１０に加わる過渡的な電圧と発振回路の負性抵抗の大きさにより時間が決定される。過渡的な電圧は、ＲＥＧ電圧を水晶振動子１０の絶対抵抗と負荷容量選択部３で選択された容量値とで割った励振電流により決定され、起動時間は（数３）として与えられる。
（数３）
Ｔｓｔ＝２×Ｌ１／（Ｒ−Ｒ１）×ｌｎ（ｋ）
（数３）のＬ１、Ｒ１は水晶振動子の等価回路定数、ｋは定常状態の振幅と起動時の振幅比、Ｒは発振回路部の負性抵抗を示している。
【００２１】
（数３）からも明確であるが起動時間は、起動時の振幅と通常状態での振幅比と負性抵抗Ｒに依存している。また、負性抵抗Ｒは、主にトランジスタの動作状態（小信号時）により決定されており、発振回路部２と負荷容量選択部３においての負性抵抗Ｒは（数４）として与えられる。
（数４）
Ｒ＝−ｇｍ／（Ｃ０１×Ｃ０２×ω2）
（数４）のｇｍは増幅率、Ｃ０１，Ｃ０２は水晶振動子から見た負荷容量、ωは周波数角速度を示している。
【００２２】
（数４）からも明白であるが負性抵抗Ｒは、負荷容量と増幅率に依存性をもっているため、前記（数３），（数４）より起動時間短縮には、起動時の水晶振動子１０に係る振幅、通常状態と起動時の振幅比、負性抵抗Ｒ、負荷容量および増幅率で決定されている。
【００２３】
また、本実施例１の水晶発振回路では、帰還回路５によって、水晶振動子１０により発振した出力を帰還してＭＯＳトランジスタ５０のゲートに印加することによって、負荷容量選択部３の制御を行い発振周波数の周波数感度を調整する周波数調整回路６より入力される負荷容量選択の制御信号に、発振出力を重畳させて、負荷容量選択の制御信号がもつ電圧雑音によって受けるＭＯＳトランジスタ５０への影響を受けにくくすることにより、位相雑音の低減化を図ることができる。
【００２４】
図２（ａ）は本実施の形態における実施例２の水晶発振回路を示すブロック図、図２（ｂ）は回路図である。図２（ｂ）に示すように、前述の図１（ｂ）の水晶発振回路における帰還回路５に代えて、抵抗４３を介してＭＯＳトランジスタ５０のゲートに接続する外部印加用端子１５を設けて接続した構成以外は、同様の構成であり、実質的に同等の機能を有するものには同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２５】
本実施例２においても、実施例１と同様に、ＭＯＳトランジスタ５０のゲートに印加される負荷容量選択部３の負荷容量選択の制御信号に、外部電圧印加用端子から入力される、単位周期の積分値がゼロとなる信号を同期するように重畳させて、制御信号がもつ電圧雑音により受けるＭＯＳトランジスタ５０への影響を受けにくくすることにより、位相雑音の低減化を図ることができる。
【００２６】
図３は、実施例１及び２の水晶発振回路の出力周波数変化を示す図であり、横軸は周波数調整回路６から入力される電圧を示し、縦軸は水晶発振回路の出力周波数を示す。点線で示すように、従来の発振回路では、ＭＯＳ５０の動作電圧である電圧１の前後において、狭い電圧レンジ（入力ＤレンジＡ）で出力周波数が急激に変化する。このため、従来の発振回路では、出力周波数を調整するために、入力電圧を細かく設定するか、もしくは、入力Ｄレンジ以上の２段階の電圧切替で電圧を調整する必要がある。一方、実線で示すように、実施例１及び２の発振回路では、電圧１の前後において、広い電圧レンジ（入力ＤレンジＢ）で出力周波数が緩やかに変化する。このため、実施例１及び２の発振回路では、出力周波数を調整するために、入力電圧の細かい設定が不要となり、制御が容易になる。
【００２７】
図４（ａ）は本実施の形態における実施例３の水晶発振回路を示すブロック図、図４（ｂ）は回路図である。図４（ｂ）に示すように、前述の図１（ｂ）の水晶発振回路における負荷容量選択部３内のコンデンサ２６とＭＯＳトランジスタ５０が直列接続された負荷容量に、さらにコンデンサ３０，３１とＭＯＳトランジスタ５１，５２とが複数接続された構成とした以外は同様の構成であり、本実施例３においても前述した実施例１と実質的に同等の機能を有するものには同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２８】
本実施例３における図４（ｂ）に示す構成によれば、負荷容量選択部３内のＭＯＳトランジスタ５０と直列されているコンデンサ２６からなる負荷容量の組を、３段として並列接続しているが、複数の負荷容量をもつことによって、制御信号の電圧差により負荷容量を切り替える際に発生する不連続点を解消することができる。
【００２９】
図５は、負荷容量選択部内の互いに直列接続されるＭＯＳトランジスタ及びコンデンサからなる負荷容量の組が２段並列接続される場合の水晶発振回路の出力周波数変化を示す図であり、横軸は周波数調整回路６から入力される電圧を示し、縦軸は水晶発振回路の出力周波数を示す。なお、各ＭＯＳトランジスタの動作電圧はそれぞれ異なる。点線で示すように、従来の発振回路では、電圧１及び２それぞれの前後において、狭い電圧レンジで出力周波数が急激に変化する。このため、従来の発振回路では、出力周波数を調整するために、電圧１及び２を近づけて出力周波数変化がなるべく緩やかになるようし、かつ、入力電圧を細かく設定する必要がある。一方、実線で示すように、本実施例の発振回路では、電圧１及び２の前後において、広い電圧レンジで出力周波数が緩やかに変化する。このため、本実施例の発振回路では、各トランジスタの動作電圧が異なるため入力電圧可変範囲を広くすることができ、発振周波数をさらに緩やかに変化させることができる。したがって、本実施例の発振回路によれば、出力周波数を調整するために、入力電圧の細かい設定が不要となり、より制御が容易になる。
【００３０】
図６（ａ）は本実施の形態における実施例４の水晶発振回路を示すブロック図、図６（ｂ）は回路図である。図６（ｂ）に示すように、前述の図１（ｂ）の水晶発振回路にて、負荷容量選択部３のＭＯＳトランジスタ５０のゲートに、起動時において、ある一定期間をＧＮＤ、またはパルス印加する起動時間調整回路９を備えた構成以外は、同様の構成であり、実質的に同等の機能を有するものには同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００３１】
本実施例４では、起動時間調整回路９により起動後のある一定時間、負荷容量選択部３への制御信号の入力が制限されるため、定電圧源１の出力電圧でもあるＲＥＧ電圧に対し、水晶振動子１０に加わる過渡的な電圧としてはＲＥＧ電圧が加わることになる。このＲＥＧ電圧により水晶振動子１０の絶対抵抗で割った励振電流により水晶振動子１０が励起され振動し始める。水晶振動子１０が励起された後は、周波数調整回路６より印加される電圧の制御信号に帰還回路５から帰還された発振出力の信号を重畳させて、負荷容量選択部３により適切な負荷容量が選択され安定した発信周波数を得ることができる。本実施例４によれば、短時間にて発振を起動することができ、さらに起動された後は、安定した発振周波数を供給することができる。
【００３２】
以上のように電源電圧動作時の起動時間遅延の原因でもある負性抵抗Ｒ、負荷容量によって決定される衝撃不足を改善し、発振出力の帰還信号と負荷容量選択の制御信号を重畳して、負荷容量選択部３に入力する回路構成により、短時間に起動し低位相雑音が実現した水晶発振回路を得ることができる。
【００３３】
なお、以上、周波数調整回路６が、負荷容量選択部へ供給する制御信号により負荷容量選択部の容量値を調整する場合について説明したが、図７（負荷容量が一段の場合）及び図８（負荷容量が多段の場合）に示すように、周波数調整回路の代わりに可変電圧源を使用してもよい。
【００３４】
また、各実施例において、発振回路部２のインバータ、負荷容量選択部３のＭＯＳトランジスタを用いた回路例を説明したが、インバータ，ＭＯＳトランジスタに代えてバイポーラトランジスタを用いても同様の効果を得ることができる。
【００３５】
本出願は、2003年3月6日出願の日本特許出願Ｎｏ．2003-059546に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上説明したように、本発明によれば、帰還回路により発振出力を帰還させた信号と発振周波数の周波数感度を調整する負荷容量選択の制御信号とを重畳することにより低位相雑音の出力を得ることができる。また、本発明によれば、起動時に制御信号の入力を制限して短時間で起動して、起動後に安定した発振出力を得る水晶発振回路を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態における実施例１の水晶発振回路を示すブロック図、図１（ｂ）は回路図
【図２】（ａ）は本発明の実施の形態における実施例２の水晶発振回路を示すブロック図、（ｂ）は回路図
【図３】実施例１及び２の水晶発振回路の出力周波数変化を示す図
【図４】（ａ）は本発明の実施の形態における実施例３の水晶発振回路を示すブロック図、（ｂ）は回路図
【図５】負荷容量選択部内の互いに直列接続されるＭＯＳトランジスタ及びコンデンサからなる負荷容量の組が２段並列接続される場合の水晶発振回路の出力周波数変化を示す図
【図６】（ａ）は本発明の実施の形態における実施例４の水晶発振回路を示すブロック図、（ｂ）は回路図
【図７】可変電圧源を用いた本発明の実施例の水晶発振回路（負荷容量が一段の場合）を示す回路図
【図８】可変電圧源を用いた本発明の実施例の水晶発振回路（負荷容量が多段の場合）を示す回路図
【図９】従来の水晶発振回路を示す回路図
【符号の説明】
【００３８】
１  定電圧源
２  発振回路部
３  負荷容量選択部
４  増幅回路
５  帰還回路
６  周波数調整回路
７  感度調整回路
８  周波数設定回路
９  起動時間調整回路
１０  水晶振動子
１１  電源端子
１２  定電圧回路
１４  出力端子
１５  外部印加用端子
１７，１８  水晶接続端子
２０〜２８，３０，３１，２０'〜２４'  コンデンサ
３５〜３９，３５'〜３９'  スイッチ
４１〜４３  抵抗
４４〜４６  インバータ
４７〜５２，４７'〜４９'  ＭＯＳトランジスタ
６１  可変電圧源
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子を発振させる発振部と、
容量値の選択により発振周波数を可変する負荷容量選択部と、
前記負荷容量選択部へ供給する第１の制御信号により前記負荷容量選択部の容量値を調整する第１の調整部とを有し、
前記負荷容量選択部が、単位周期の積分値がゼロとなる第２の制御信号を出力する第２の調整部に接続される水晶発振回路。
【請求項２】
請求項１記載の水晶発振回路であって、
前記第２の調整部は、前記発振周波数と同じ周波数の信号を生成する水晶発振回路。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水晶発振回路であって、
前記発振部の出力を前記第２の制御信号として前記負荷容量選択部に帰還する帰還部を備える水晶発振回路。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項記載の水晶発振回路であって、
前記負荷容量選択部は、互いに並列接続された動作電圧が異なる複数のトランジスタと、各トランジスタに直列接続された容量と、を含む水晶発振回路。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項記載の水晶発振回路であって、
前記負荷容量選択部へ供給する前記第１及び前記第２の制御信号を電源投入後の一定時間制限する制限部を備える水晶発振回路。
【請求項６】
請求項４又は５記載の水晶発振回路であって、
前記トランジスタは、ＭＯＳトランジスタである水晶発振回路。
【請求項７】
請求項４又は５記載の水晶発振回路であって、
前記トランジスタは、バイポーラトランジスタである水晶発振回路。
【請求項８】
請求項１項ないし７のいずれか一項記載の水晶発振回路であって、
前記発振部は、バイポーラトランジスタと抵抗とを含む水晶発振回路。
【請求項９】
請求項１記載の水晶発振回路が、前記水晶振動子を備えたことを特徴とする水晶発振回路。
【国際調査報告】
2004079895.tif 000015
2004079895.tif 000016
2004079895.tif 000017
2004079895.tif 000018