(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータと、このインバータの入出力間に接続する第１の帰還回路と、前記インバータの入出力間に接続し、水晶振動子を含む第２の帰還回路とを備えた水晶発振器であって、
前記第１の帰還回路は、前記インバータの入出力間に、少なくとも１つの帰還量調整回路、を有し、
前記帰還量調整回路は、
前記インバータの入力側に接続される第１の抵抗と、
前記インバータの出力側に接続される第２の抵抗と、
前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との間に設けてオンオフ制御される第１のＭＯＳトランジスタと、
を有することを特徴とする水晶発振器。
【請求項２】
前記第１のＭＯＳトランジスタは、オンオフ制御により帰還量を調整することを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器。
【請求項３】
前記インバータの相互コンダクタンスを調整する相互コンダクタンス調整手段を、さらに備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水晶発振器。
【請求項４】
前記相互コンダクタンス調整手段は、第２のＭＯＳトランジスタを含む定電流源からなり、前記第２のＭＯＳトランジスタのゲート電圧の調整により前記定電流源の電流を調整できるようになっていることを特徴とする請求項３に記載の水晶発振器。
【請求項５】
前記第１のＭＯＳトランジスタをオンオフ制御する制御手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれか１項に記載の水晶発振器。
【請求項６】
前記第２のＭＯＳトランジスタの印加電圧を制御する制御手段を備えていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の水晶発振器。
【請求項７】
前記制御手段は不揮発性メモリを含み、前記不揮発性メモリに予め記憶されているデータに基づいて制御を行うようになっていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振回路に水晶振動子を使用し、安定した特定の周波数の振動が得られる水晶発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の水晶発振器としては、例えば図５に示すようなものが知られている。
この水晶発振器は、図５に示すように、インバータ１と、このインバータ１の入出力間に接続された帰還抵抗Ｒ１と、そのインバータ１の出力信号を入力側に帰還する帰還回路２とを備えている。
【０００３】
帰還回路２は、インバータ１の入出力間に接続される水晶振動子３と、水晶振動子３の一端とアースとの間に接続されるコンデンサＣ１と、水晶振動子３の他端とアースとの間に接続されるコンデンサＣ２とから構成されている。
このような水晶発振器では、帰還抵抗Ｒ１やインバータ１の相互コンダクタンスｇｍの最適値は、水晶振動子３の発振周波数、発振モード（基本波発振または第３高調波発振）、またはコンデンサＣ１、Ｃ２に依存して変わる。このため、従来は、使用する水晶振動子に対して最適な帰還抵抗Ｒ１や相互コンダクタンスｇｍを持つ集積回路（チップ）を選んで水晶発振器を作っていた。
【０００４】
換言すると、従来は、例えば基本波発振または第３高調波発振など発振モードの異なる水晶振動子ごとにその水晶振動子に対応する集積回路を作成する必要があった。このため、従来は、例えば発振モードの異なる水晶振動子の場合に、１つの集積回路を水晶振動子に合わせて汎用的に使用できず、その解決が望まれていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、帰還抵抗の値をＭＯＳトランジスタで切換可能とし、水晶振動子に対して最適な帰還抵抗の抵抗値を選択したり、または帰還抵抗を切り換えて発振周波数を可変にする水晶発振器が知られている。
この水晶発振器は、例えば図６に示すように構成され、インバータ１の入出力間に帰還回路５が接続されている。この帰還回路５は、図６に示すように、各ＮＭＯＳトランジスタＱ１〜Ｑ３と、対応する各帰還抵抗Ｒ２〜Ｒ４とをそれぞれ直列に接続し、その直列接続した各回路を並列に接続させ、この並列回路がインバータ１の入出力間に接続されている。
【０００６】
図６に示す水晶発振器では、水晶振動子３が発振状態にある場合に、ノードＮ１とノードＮ２との電圧は位相が１８０度異なる逆相で動作し、ノードＮ１とノードＮ２ではその電圧が大きく変動する。
ＭＯＳトランジスタＱ１〜Ｑ３を制御する各ゲート電圧は、所定のＭＯＳトランジスタＱ１〜Ｑ３が選択されている間は一定であるので、その選択されているＭＯＳトランジスタＱ１〜Ｑ３のソース電圧（ノードＮ１の電圧）が上記のように大きく変動すると、そのＭＯＳトランジスタＱ１〜Ｑ３のオン抵抗（導通抵抗）も大きく変動してしまう。
【０００７】
このような不都合を回避するためには、各ＭＯＳトランジスタＱ１〜Ｑ３を、図７に示すようにＮＭＯＳトランジスタとＰＭＯＳトランジスタとを並列にしたトランスファゲート６に代える必要がある。
しかし、このように、各ＭＯＳトランジスタＱ１〜Ｑ３をトランスファゲート６に代えると、レイアウトの面積が増大する上に、寄生容量も増大するという不都合が発生する。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、帰還抵抗の選択にかかるＭＯＳトランジスタのオン抵抗の変動を発振時に低減できるようにし、発振動作の安定を確保しつつ、寄生容量の減少およびレイアウト面積の減少が図れるようにした水晶発振器を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記の点に鑑み、インバータの帰還量および相互コンダクタンスを使用する水晶振動子に合わせて調整できるようにし、１つの回路により各種の水晶振動子に合わせて汎用的に使用できる水晶発振器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するために、請求項１〜請求項７に記載の各発明は以下のように構成した。
すなわち、請求項１に記載の発明は、インバータと、このインバータの入出力間に接続する第１の帰還回路と、前記インバータの入出力間に接続し、水晶振動子を含む第２の帰還回路とを備えた水晶発振器であって、前記第１の帰還回路は、前記インバータの入出力間に、少なくとも１つの帰還量調整回路、を有し、前記帰還量調整回路は、前記インバータの入力側に接続される第１の抵抗と、前記インバータの出力側に接続される第２の抵抗と、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との間に設けてオンオフ制御される第１のＭＯＳトランジスタと、を有することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水晶発振器において、前記第１のＭＯＳトランジスタは、オンオフ制御により帰還量を調整することを特徴とする。
【００１０】
このような構成からなる請求項１、２に記載の発明では、発振条件を調整するために第１の帰還回路は、少なくとも１つの帰還量調整回路を有し、帰還量調整回路は、インバータの入力側に接続される第１の抵抗と、インバータの出力側に接続される第２の抵抗と、第１の抵抗と第２の抵抗との間に設けてオンオフ制御されるＭＯＳトランジスタと、を有するようにしたので、発振時にＭＯＳトランジスタのオン抵抗の変動を小さくでき、発振動作が安定する。
【００１１】
このため、この請求項１、２に記載の発明では、発振動作の安定を確保しつつ、第１の帰還回路にかかる寄生容量の減少およびレイアウト面積の減少が図れる。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の水晶発振器において、前記インバータの相互コンダクタンスを調整する相互コンダクタンス調整手段を、さらに備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の水晶発振器において、前記相互コンダクタンス調整手段は、第２のＭＯＳトランジスタを含む定電流源からなり、前記第２のＭＯＳトランジスタのゲート電圧の調整により前記定電流源の電流を調整できるようになっていることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のうちのいずれか１の請求項に記載の水晶発振器において、前記第１のＭＯＳトランジスタをオンオフ制御する制御手段を備えていることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１又は請求項４に記載の水晶発振器において、前記第２のＭＯＳトランジスタの印加電圧を制御する制御手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項５又は請求項６に記載の水晶発振器において、前記制御手段は不揮発性メモリを含み、前記不揮発性メモリに予め記憶されているデータに基づいて制御を行うようになっていることを特徴とするものである。
このような構成からなる請求項３〜請求項７に記載の各発明では、発振条件を調整するために、第１の帰還回路が帰還量調整回路を有し、かつ相互コンダクタンス調整手段を備えるので、これらにより発振に最適な帰還量と相互コンダクタンスの双方を、使用する水晶振動子に合わせて調整できる。
【００１４】
このため、請求項３〜請求項７に記載の各発明では、１つの回路により各種の水晶振動子に合わせて汎用的に使用できる水晶発振器を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本発明の水晶発振器の第１実施形態について、図１の回路図を参照して説明する。
この第１実施形態の水晶発振器は、図１に示すように、インバータとして機能するＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１０と、定電流源１１と、ＭＯＳトランジスタＱ１０の入出力間に接続される第１の帰還回路１２と、ＭＯＳトランジスタＱ１０の入出力間に接続されて図５の帰還回路２の相当する第２の帰還回路１３とを、少なくとも備えている。
【００１６】
ＭＯＳトランジスタＱ１０は、そのドレインが定電流源１１を介して電源ＶＤＤに接続され、そのソースがアースされている。
第１の帰還回路１２は、ＭＯＳトランジスタＱ１０のゲートとドレインとの間に帰還抵抗Ｒ１０を接続するとともに、その帰還抵抗Ｒ１０に対して並列に帰還量調整回路１２１を接続している。帰還量調整回路１２１は、２つの帰還抵抗Ｒ１１、Ｒ１２を直列に接続するとともに、帰還抵抗Ｒ１１と帰還抵抗Ｒ１２との間にＭＯＳトランジスタＱ１１を介在している。そして、ＭＯＳトランジスタＱ１１をオン・オフ制御することにより、帰還量調整回路１２１を帰還抵抗Ｒ１０に対して並列に接続自在になっている。
【００１７】
ここで、帰還抵抗Ｒ１０の抵抗値は、例えば水晶振動子３の基本波発振を満足することを条件として決定される。また、帰還抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の各抵抗値は、ほぼ同一であり、かつ、ＭＯＳトランジスタＱ１１がオンのときに、例えば水晶振動子３の第３高調波発振を満足することを条件として決定される。
なお、その帰還量調整回路１２１は、帰還抵抗Ｒ１１と帰還抵抗Ｒ１２とからなる帰還抵抗を、帰還抵抗Ｒ１１と帰還抵抗Ｒ１２に分割し、帰還抵抗Ｒ１１と帰還抵抗Ｒ１２との間にＭＯＳトランジスタＱ１１を介在したものとみることもできる。
【００１８】
次に、このように構成される第１実施形態の水晶発振器の動作の一例について、図１〜図３を参照して説明する。
この第１実施形態の水晶発振器では、例えば、基本波を発振させる場合には、ＭＯＳトランジスタＱ１１はオフの状態とする。一方、例えば第３高調波を発振させる場合には、そのＭＯＳトランジスタＱ１１をオンの状態にする。
【００１９】
そこで、ＭＯＳトランジスタＱ１１がオンで、発振が定常時には、図１のノードＮ３〜Ｎ５の各電圧は、図２に示すような波形になる。図２からわかるように、ノードＮ３の電圧とノードＮ５の電圧とでは、位相が１８０度ずれて逆相の状態になる。そして、ノードＮ４の電圧は、図２に示すようにノードＮ３またはノードＮ５の各電圧の最大値よりも低く、かつ、その発振周波数の１周期中におけ電圧変動も比較的小さい。
【００２０】
ところで、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタのオン抵抗は、図３に示すようにソース電圧の大きさにより変動し、そのソース電圧が高くなると大きくなる。また、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタのオン抵抗は、図３の場合とは逆にそのソース電圧が高くなると小さくなる。このような特性のため、ＭＯＳトランジスタをノードＮ３またはノードＮ５の位置に配置した場合には、ＭＯＳトランジスタのソース電圧がノードＮ３、Ｎ５の電圧に応じて発振時に変動するので、発振周波数の１周期の間にそのオン抵抗の変動が大きく、発振が不安定になる。そこで、そのオン抵抗の変動を防止するために、ＮＭＯＳトランジスタとＰＭＯＳトランジスタとを組み合わせたトランスファゲートを使用する必要が生ずる。
【００２１】
しかし、この第１実施形態では、ノードＮ４の電圧が、図２に示すようにノードＮ３またはノードＮ５の各電圧の最大値よりも低く、かつその時間的な変動も比較的小さい点に着目し、帰還抵抗Ｒ１１と帰還抵抗Ｒ１２との間にＭＯＳトランジスタＱ１１を設けるようにした。このため、ＭＯＳトランジスタＱ１１のソース電圧の変動を図２に示すように小さくでき、そのオン抵抗の時間的な変動を小さくできる。
【００２２】
この結果、この第１実施形態では、帰還量調整回路１２１のスイッチをＭＯＳトランジスタＱ１１のみで構成することが可能となり、そのスイッチをトランスファゲートで構成する場合に比べて寄生容量、およびレイアウト面積をそれぞれ減少できる。
次に、本発明の第２実施形態の水晶発振器について、図４を参照しながら説明する。
【００２３】
この第２実施形態の水晶発振器は、図１に示す第１の帰還回路１２の帰還量調整機能の拡大を図るとともに、ＭＯＳトランジスタＱ１０の相互コンダクタンスの調整機能を付加し、これらにより水晶振動子の発振に最適な帰還量と相互コンダクタンスの双方を調整できるようにしたものである。
このため、第２実施形態の水晶発振器では、図１の第１の帰還回路１２を図４に示すような帰還量調整回路１２１Ａに代えるとともに、ＭＯＳトランジスタＱ１０の相互コンダクタンスを調整するために定電流源１１にＭＯＳトランジスタＱ２１を含ませ、そのＭＯＳトランジスタＱ２１のゲートにバイアス電圧発生回路２１の電圧を印加するようにした。
【００２４】
さらに、この第２実施形態の水晶発振器では、図４に示すように、帰還量調整回路１２１Ａのスイッチング用のＭＯＳトランジスタＱ１１−１〜Ｑ１１−Ｎの各ゲートと、バイアス電圧発生回路２１の各発生電圧値とを、ＲＯＭのような不揮発性メモリ２２からの出力データにより制御できるようにした。
第１の帰還回路１２Ａの帰還量調整回路１２１Ａは、図１の第１の帰還回路１２の帰還量調整回路１２１を、図４に示すようにＮ組に拡大したものである。
【００２５】
従って、帰還量調整回路１２１Ａは、図４に示すように、帰還抵抗Ｒ１１−１、Ｒ１２−１の組を直列接続するというように、帰還抵抗Ｒ１１−Ｎ、Ｒ１２−Ｎの組まで直列接続する。さらに、これらの帰還抵抗Ｒ１１−１〜１１−Ｎと、これに対応する帰還抵抗Ｒ１２−１〜Ｒ１２−Ｎとの間に、ＭＯＳトランジスタＱ１１−１〜Ｑ１１−Ｎをそれぞれ介在するようにした。
【００２６】
なお、以上述べた以外の部分の構成は、図１の第１実施形態の構成と同様であるので、同一の構成要素には同一符号を付してその説明は省略する。
次に、このような構成からなる第２実施形態の水晶発振器の動作の一例について、図４を参照して説明する。
この第２実施形態では、不揮発性メモリ２２に、帰還量調整回路１２１Ａのスイッチング用のＭＯＳトランジスタＱ１１−１〜Ｑ１１−ｎの各ゲートを制御するデータと、バイアス電圧発生回路２１の発生電圧値と制御するデータとが、使用する水晶発振子３に対応づけてあらかじめ書き込まれている。そして、不揮発性メモリ２２は、外部からの制御データにより、使用する水晶振動子３に応じてその格納されている所定のデータが読み出されるようになっている。
【００２７】
例えば、水晶振動子３を基本波発振させる場合には、ＭＯＳトランジスタＱ１１−１〜Ｑ１１−Ｎをすべてオフの状態で使用すると共に、ＭＯＳトランジスタＱ２１のゲート電圧を任意の値にする。
一方、同じ水晶振動子３を３次オーバートーン発振（３次高調波発振）させる場合には、ＭＯＳトランジスタＱ１１−１〜Ｑ１１−Ｎのうちの１つをオン状態で使用すると共に、ＭＯＳトランジスタＱ２１のゲート電圧を所定値にする。
【００２８】
さらに、水晶振動子３が上記とは異なる発振周波数のものを使用する場合のように、各種の水晶振動子を使用する場合には、それに応じてＭＯＳトランジスタＱ１１−１〜Ｑ１１−Ｎのオンオフ制御や、ＭＯＳトランジスタＱ２１のゲート電圧の制御が行われる。
以上説明したように、この第２実施形態の水晶発振器によれば、発振条件を調整するために、第１の帰還回路１２Ａに帰還量調整機能を持たせるとともに、インバータであるＭＯＳトランジスタＱ１０のの相互コンダクタンスを調整できるようにした。このため、発振に最適な帰還量と相互コンダクタンスの双方を、使用する水晶振動子に合わせて調整できるので、１つの回路により各種の水晶振動子に合わせて汎用的に使用できる水晶発振器を得ることができる。
【００２９】
なお、第２実施形態では、帰還抵抗Ｒ１０に帰還量調整回路１２１Ａを並列に接続した場合について説明した。しかし、本発明では、帰還抵抗Ｒ１０を省略することが可能であり、この場合には帰還抵抗Ｒ１０の機能を帰還抵抗Ｒ１１−１、Ｒ１２−１に持たせるようにすれば良い。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１又は２にかかる発明によれば、帰還抵抗の選択にかかるＭＯＳトランジスタのオン抵抗の変動を発振時に低減できるようにしたので、発振動作の安定を確保しつつ、寄生容量の減少およびレイアウト面積の減少が図れる水晶発振器が提供できる。
【００３１】
また、請求項３〜請求項７にかかる各発明によれば、インバータの帰還量および相互コンダクタンスを、使用する水晶振動子に合わせて調整できるようにしたので、１つの回路により各種の水晶振動子に合わせて汎用的に使用できる水晶発振器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成例を示す回路図である。
【図２】その第１実施形態の主要部の電圧波形を示す図である。
【図３】ＮＭＯＳトランジスタのゲート電圧とオン抵抗の関係を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態の構成例を示す回路図である。
【図５】従来回路の構成を示す回路図である。
【図６】従来回路の他の構成を示す回路図である。
【図７】トランスファゲートの一例を示す回路図である。
【符号の説明】
Ｃ１、Ｃ２  コンデンサ
Ｒ１０、Ｒ１２、Ｒ１３    帰還抵抗
Ｒ１１−１〜Ｒ１１−Ｎ    帰還抵抗
Ｒ１２−１〜Ｒ１２−Ｎ    帰還抵抗
Ｑ１０  ＭＯＳトランジスタ（インバータ）
Ｑ１１、Ｑ１１−１〜Ｑ１１−Ｎ  ＭＯＳトランジスタ
Ｑ２１  ＭＯＳトランジスタ
３  水晶振動子
１１  定電流源
１２、１２Ａ  第１の帰還回路
１３  第２の帰還回路
２１  バイアス電圧発生回路
２２  不揮発性メモリ
１２１  帰還量調整回路
１２１Ａ  帰還量調整回路
【図１】
0004401523.tif 000002
【図２】
0004401523.tif 000003
【図３】
0004401523.tif 000004
【図４】
0004401523.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004401523.tif 000007
【図７】
0004401523.tif 000008