電波時計受信用 LSI の開発

木下 雅貴（三洋電機株式会社）

あらまし 40kHz の長波標準電波の送信に先立って，受信用の LSI 開発を進めてきた．この度，60kHz の長波の送信が開始したことによって，電波時計の需要は拡大し，それに合わせて，LSI の利用も多くなってくることが考えられる．そこで，本
発表では電波時計受信システム及び LSI の基本動作等について述べる．

１．まえがき長波標準電波には 1Hz の AM 変調がかけられており，その AM 変調波を復調することによって，日本標準時の時刻情報，日付などの情報を得ることができる．1999 年の 40kHz の本放送が開始され，長波標準電波を利用した「電波時計」なる商品が市場を賑わすようになった．また，この度，60kHz の新しい局が設立され，本放送を開始した．このような長波は地表を伝播する性質と，電離層と地表を反射しながら伝播する性質をあわせ持つため，短波や VHF と違い，伝播距離は非常に長い．今回の 60kHz 局の設立で，今まで電波の弱かった沖縄地域や，南部の離島地域がフォローされ，日本国内は全て網羅されるようになった．
弊社では 1999 年より標準電波受信用の LSIを開発，生産しており，現在では時計メーカー各社に採用され，実績をあげている．本発
表では LSI の構成，動作などを中心に，以下のように展開する．
・ 長波標準電波の変調方式
・ タイムコード受信用 LSI LA1652 について・ 弊社 LSI における今後の展開〒370‑0596 群馬県邑楽郡大泉町坂田 1‑1‑1
三洋電機株式会社
セミコンダクターカンパニー

2．本論
2‑1．長波標準電波の変調方式
長波標準電波は図 1 に示すとおリ，1Hz のタイムコードを 40kHz もしくは 60kHz の搬送波(以下「搬送波」と記述)に 10:1 で AM 変調をかけたものである．また，1Hz のタイムコードは図 2 のように，3 種類の duty を持っていて，各々意味のある値を持つ．

タイムコード信号(1Hz)
無変調キャリア(40kHz)
標準電波

図 1.長波標準電波の変調方式(1)Duty = 20%(marker)
Duty = 50%(2進の“1”)
Duty = 80%(2進の“0”)

図 2.長波標準電波の変調方式(2)

このような長波標準電波を受信し，タイムコードを搬送波から AM 復調によって弁別する
1PON

ことによって，時刻情報を取得することができるわけだが，一般的な復調方式は，ダイオードと CR で決定する包絡線検波方式と，整流の後に積分をする方式とにわかれる．弊社で開発している LSI は後者の技術を用いている．

162‑2．タイムコード受信用 LSI LA1652
2‑2‑1．概要
この項では弊社で開発，生産しているタイ
ムコード受信用 LSI LA1652 について解説する．
最初に電波時計システムにおける LA1652 の位置付けを述べる．

1514REGULATOR

AGC

AGC-AMP

AMP

132

13

12FILTERHOLD

11109DECODERRECTIFIER

4Vcc

TCO

567840kHzBar Ant

図 4. LA1652 ブロック図

Bar Antenna

LA1652

Micro-controller

Display

図 3.電波時計受信システム

上図 3 のように，アンテナによって受信された長波標準電波は LA1652 によって AM 復調され，1Hz のタイムコードを出力する．そのタ
イムコードはマイコンで判読され，表示部の時刻を修正する．
次に，LA1652 のブロック構成を図 4 に示す．
1 ピン，2 ピンに接続されたアンテナで長波標準電波を受信する．増幅回路(AMP)を通り，4ピンから出力され，水晶フィルタを通った後，整流(REC)，積分(FILTER)の工程を経てタイムコード出力(以下 TCO と記述)となる．
また，この LSI は AGC(Auto Gain Control)機能を持ち，幅広い電圧ダイナミックレンジを持つ．
以上，LA1652 についての概要を説明した．
以降は内部回路などを交えながら，回路の詳細を説明していく．
2‑2‑2．AMP ブロック
LA1652 の核となる AMP ブロックについて説明する．AMP ブロックは 3 段からなり，水晶フィルタのロスを含めると，フルゲイン時で約 60dB の利得を持つ．AMP の基本回路を下図5 に示す．図中のアンテナはスミダ電機製のものを使用している．共振周波数は 40kHz で，共振抵抗値は約 500kΩである．また，この AMPは AGC 機能を持ち，図中の Iagc で制御をする．
負荷はアクティブ負荷を使用し，高い抵抗を付加できる様にしている．抵抗値は 300kΩである．フルゲイン時のエミッタコモン電流は4μA であるため，利得は約 33dB である．
また出力はエミッタフォロワ(0.5μA)で，出力インピーダンスは約 52kΩである．
1.2V

VCCIagcto next stage

図 5. AMP ブロック回路図

このような形式の AMP が 3 段続くわけである
が，最終段の出力と，以下に続く整流器(REC)との間には水晶振動子を挿入する必要がある．
水晶振動子は搬送波周波数と同一のものを使用する．また，音叉形の水晶振動子は 2 次の温度特性を持つため，直列に抵抗を挿入して，2ある程度の Q ダンピングをおこなうことが必要である．これによって，温度の変化による共振特性の変動を緩和することができる．
2‑2‑3．REC ブロック
次に整流ブロックについて説明する．
LA1652 では AC グランドを中心に上部に折り返すような全波整流をおこなっている．回路
図を図 6 に示す．
VCC
Input

Outputはマイコンをドライブできない．デコーダー(DEC)ブロックは微振幅で出力される REC 出力を，VCC‑GND レベルに変換する役割を持つ．
回路を図 8 に示す．
REC からの微振幅はバッファ回路を経由して，R1‑C1，R2‑C2 の異なる時定数(R1=R2 ,C1<C2)を持った LPF を通る．その時定数の差を利用して RS‑FF をトリガするのだが，図中の上部のコンパレータは REC 出力立ち上がり時に，下部のコンパレータは立下り時にそれぞれ動作する．

from Rec+−S+−

R

11QTCO

R1R289C1C2

図 6. REC ブロック回路図
図 8. DEC ブロック回路図

2‑2‑4. LA1652 の外付けアプリケーション図LA1652 の外付け部品図を図 9 に示す．水晶振動子に直列に入る 100kΩは先述の Q ダンピングである．また，DEC ブロックの C1 は 9 ピンの 0.47μF，C2 は 8 ピンの 10000pF に相当する．12 ピンと 13 ピンの容量は LPF を形成し，REC 出力の 40kHz 成分をカットする．

Rec出力1510000pF
10000pF

141311109678LA1652

Decoder blockへ
12343.0V

AmpのAGCへ

120.47 F

HOLD

16470pF

TCO47000pFPON

上図で，入力抵抗値は 100KΩ，エミッタフォロワとコモンエミッタ電流には 2μA の電流を流している．また，整流回路の利得はエミッタフォロワの Zo，直流カットの C に対して，ダイオードの逆バイアス時のインピーダンスで決定され，約 30dB 程の利得を持つ．
REC の出力は FILTER ブロックで搬送波成分をカットし DEC ブロックへ行くものと，1Hz成分までカットし，AGC 電圧を生成して AMPブロックにフィードバックされるものとに分けられる(図 7)．

52pF

100kΩ

15pF

10000pF
40kHz

Bar Ant

図 7. REC 出力

図 9. 外付けアプリケーション図2‑2‑4. DEC ブロック
上述の REC ブロック出力は 20mV 程度〜数百mV 程度の振幅しか持たないため，そのままでまた，本 LSI はスタンバイ機能を持っており，15 ピンを GND レベルにすると通常動作，VCCと同電位にすることによって，スタンバイ状
3態となリ，消費電流を 0.1μA 以下に押さえることができる．
2‑2‑5. LA1652 の特性
最後に LA1652 の諸特性について述べる．
表 1.に示すとおリ，消費電流は約 50μA，最小の入力感度は 1μVrms となり，高感度かつ低消費電力化を達成している．

3．まとめ
長波標準電波の変調方式と，それを復調する受信用 LSI LA1652 の機能を説明した．
本稿では内部回路についても比較的詳細に説明をした．これにより LSI 内部のさらなる理解と，アプリケーションへの応用に役立てば幸いである．
以上

表 1. LA1652 特性条件動作電源電圧
消費電流
スタンバイ電流最小入力電圧Min
1.8

Vcc=3.0V 無入力
Vcc=3.0V,15pin電圧=3.0V
Vcc=3.0V,2pin入力

Typ
355
0.01
1Max
3.6700.12Unit
VµAµAµVrms

2‑3 弊社 LSI における今後の展開
これまでは量産中の LSI LA1652 について説明をしてきたが，本節では弊社における今後の LSI 展開について述べる．
図 10 に示すとおリ，現時点では 3 世代目のLA1652 が量産されている．今後は以下の 2 つの方向性を検討している．
・ Bip プ ロ セ ス を 使 用 し た ， 低 電 圧(VCC=1.5V)，低消費電流(ICC=25μA 目標)の LSI を開発，生産する．これにより，電波時計を電池一本で駆動できることと，電池寿命を大幅に伸ばすことが期待できる．
・ Bi‑CMOS プロセスを用い，PLL 及び VCO を内蔵したスーパーヘテロダインチューナ
LSI を開発，生産する．これにより，複数バンドを受信する際の，水晶フィルタの個数を減らせること，アンテナコイルの調整が楽になることなどの利点が期待できる．
Icc

参考文献
(1) 通信総合研究所日本標準時グループ(HP)
URL : http://jjy.crl.go.jp/

LA1650量産

500ALA1652量産
Bi-CMOS

量産

50A
量産

LA1651量産
Bip
1.5V tuner

25A

1999

2000

2001

2002.3Q

2003

図 10. 弊社 LSI における今後の展開

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