JP2003101408A - 発振器 - Google Patents
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- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Abstract
ズが少なく、基板上の専有面積が小さい発振器を提供
し、また回路設計者がクロック信号発生部の設計に要す
る手間を大幅に削減し、製品の品質、納期、コストの改
善を図ること。 【解決手段】 電圧依存性の圧電発振回路、あるいは電
圧依存性の発振回路を含むPLL発振回路とスペクトラ
ム拡散信号生成回路とが同一パッケージに封入されてい
ること。あるいは更に、拡散信号の動作・振幅・周波数
の制御手段、PLL回路中のプログラマブルデバイダー
の分周比設定手段、およびそれらの手段の動作を外部か
ら設定するためのICパッドおよび外部端子を備えたこ
と。
Description
タその他の電子機器に動作制御信号を供給するための発
振器に関する。更に詳しくはスペクトラム拡散を行うた
めの手段を一体化した発振器に関する。
るための発振器は年々高周波化が進み、圧電振動子の固
有振動数をそのままクロック信号に使用したり、PLL
回路を導入して高周波化する場合が増えている。一方で
は高周波化の進行と共に発振回路からの放射ノイズによ
る、コンピュータ本体や、周辺回路や、更には外部機器
への誤動作等悪影響の事例も発生している。このような
の事態への対策として、回路設計者は、圧電振動子発振
器の他にPLL回路やスペクトラム拡散を行うための回
路を別途用意して組み合わせねばならなかった。
示したものである。この従来例ではPLL回路としてT
exasInstruments社製のICであるTL
C2932を用いている。1101は水晶振動子を用い
た発振回路、1102はデバイダー、1103は位相比
較器、1104はループフィルタであって積分作用を持
ち、通常抵抗とコンデンサで構成される。1105は加
算器で、2つの信号を加算する。1106はVCO(V
oltage Controlled Oscilat
or)である。位相比較器1103とVCO1106と
は既存IC1107であるTLC2932を構成する。
1108は出力バッファ、1109はPLL回路のフィ
ードバック経路にあるデバイダー、1110はスペクト
ラム拡散制御回路である。1120はCPUで、PLL
回路から出力され出力バッファ1108を経由したクロ
ック信号により動作する。
1101の出力信号はデバイダー1102により分周さ
れ、位相比較器1103の2つの入力部の一方に入力さ
れる。他方の入力部にはVCO1106の出力信号をデ
バイダー1109によって分周した信号が入力される。
位相比較器1103は2つの入力信号の位相差を比較し
て位相のずれに応じた電圧信号を発生し、その電圧信号
はループフィルタ1104により平滑されて加算器11
05に加えられる。
回路1110の生成した電圧信号も入力され、加算器1
105は2つの入力電圧信号を加算合成してその出力を
VCO1106のコントロール端子に制御信号として入
力する。VCO1106はその制御信号の電圧値に対応
する周波数の信号を出力する。圧電発振器1101の出
力周波数はデバイダー1102の分周比だけ低減され、
更にPLL回路によりデバイダー1109の分周比だけ
逓倍された高周波となり、この高周波信号は出力バッフ
ァ1108を介してクロック信号としてCPU1120
に供給される。
電磁雑音(本例の場合はクロック信号自体が他の回路に
対して雑音となり得る)のエネルギのスペクトルが狭い
帯域に集中しないようにクロック信号に積極的にパルス
幅を若干変調させるような低周波のジッタを与え、放射
電磁雑音のエネルギをある周波数の帯域幅に分散させる
ことによってそのピーク値を抑圧する技術である。スペ
クトラム拡散制御回路1110はその周波数変調用の電
圧信号を作成する。その波形は例えば小振幅のほぼ三角
波であって、これが加算器1105によってループフィ
ルタ1104の比較的変化の少ない出力電圧に加算され
てVCO1106を制御するので、その出力周波数は時
間と共に常に僅かに変化する。
を更に説明する。図10は下半分が発振器およびその周
辺回路から放射される電磁雑音のエネルギの周波数に関
する分布図、上半分が電磁雑音の周波数の時間的変化を
示している。点線で描いた波形1001は拡散制御を行
わない場合で、発振器の発振周波数F0 の極く近傍に放
射エネルギが集中しており、そのピーク値は高い。発振
器の出力周波数(周期)を曲線1004(太い実線)ま
たは1005(細い実線)のように時間的に変化させる
と放射エネルギの周波数分布は曲線1002(太い実
線)または1003(細い実線)のように広がり、周波
数(周期)の変化幅を大きくするほどピーク値を低くす
ることができる。
る通り、放射ノイズを低減した高周波のクロック信号を
得るためには、圧電振動子、圧電発振回路、既存のIC
回路に加えて、PLL回路、スペクトラム拡散制御回路
が別途必要となり、クロック生成のための回路がプリン
ト基板を専有する割合が多くなると共に、回路設計や基
板設計を複雑化せざるを得ない。また基板専有率の増加
や複雑化に伴ってクロック信号用の配線パターンを基板
上に引き回すこととなり、期待したほどに放射ノイズが
低減できないどころか、引き回し方が不適切であるとパ
ターン自体がアンテナとなって逆に放射ノイズを増大さ
せる危険性さえあり、これらの問題点の解決が緊急の課
題となってきた。
的高周波でかつスペクトラム拡散制御機能を有し、実際
に放射ノイズが少なく、基板上の専有面積が十分に小さ
い発振器を提供することである。また更なる目的は、回
路設計者がクロック信号発生部の設計に要する手間を大
幅に削減し、製品の品質、納期、コストの改善を図るこ
とである。
本発明の発振器は次の特徴を備える。 (1)圧電振動子と該圧電振動子に接続されて発振しか
つ出力周波数が制御信号に依存して変化する特性を有す
る発振回路と、スペクトラム拡散を行うための拡散信号
を生成し、該拡散信号を前記制御信号とする拡散信号生
成回路とが同一パッケージに封入されていること。
あるいは次の特徴を備える。 (2)圧電振動子と該圧電振動子に接続されて発振する
発振回路と、該発振回路の発振信号を基準信号として動
作し該基準信号を任意の比率で分周あるいは逓倍した信
号を出力するPLL回路と、スペクトラム拡散を行うた
めの拡散信号を生成する拡散信号生成回路と、前記拡散
信号と前記PLL回路内のループ信号とを加算するため
の加算器とが同一パッケージに封入されていること。
とも一つを備えることがある。 (3)上記(1)あるいは(2)の特徴に加え、前記発
振器は更に前記拡散信号の作用を無効にする無効手段を
備えたこと。
手段は前記拡散信号の通過を制御するゲート手段である
こと。
手段は前記拡散信号生成回路の動作を停止させるために
該拡散信号生成回路への電源供給を停止する電源スイッ
チ手段であること。
加え、前記拡散信号生成回路は前記拡散信号の振幅を可
変にする振幅調整回路を備えたこと。
加え、前記拡散信号生成回路は前記拡散信号の周波数を
可変にする周波数調整回路を備えたこと。
L回路は、そのループ中に分周比が設定可能なプログラ
マブルデバイダーを有すると共に、前記分周比を設定す
ることができる分周比設定回路を備えたこと。
比設定回路は、外部から印加される分周比設定電圧のレ
ベルを検出する電圧検出回路と、該電圧検出回路で検出
した電圧レベルに基づき所定の分周比設定信号を選択し
出力する分周比選択回路とを備えていること。
圧検出回路は、前記分周比設定電圧と第1電源電位とを
比較して第1比較信号を出力する第1比較手段と、前記
分周比設定電圧と第2電源電位とを比較して第2比較信
号を出力する第2比較手段とから構成されており、前記
分周比選択回路は前記第1比較信号および第2比較信号
に基づいて前記分周比設定電圧レベルを判定し、該判定
結果に対応した前記分周比設定信号を出力すること。
に加え、前記分周比設定電圧は、前記第1電源電位、前
記第2電源電位、または前記第1電源電位と前記第2電
源電位の間の電位のいずれかであること。
れかの特徴に加え、前記PLL回路はICチップで構成
されており、該ICチップは分周比設定電圧を印加する
ためのパッドを有すること。
PLL回路を封入するパッケージが前記パッドに接続さ
れた外部端子を有すること。 (14)上記(1)の特徴に加え、前記発振回路と前記
拡散信号生成回路とが1つのICチップに収納されてい
ること。 (15)上記(2)の特徴に加え、前記発振
回路と前記PLL回路と前記拡散信号生成回路とが1つ
のICチップに収納されていること。
である発振器の回路構成のブロック図である。水晶振動
子等の圧電振動子101を接続した発振回路102の出
力はプログラマブルデバイダーa103で所定の比率に
分周され、その出力S103は位相比較器104の一方
の入力に印加される。位相比較器104の他方の入力に
はVCO107の出力S107をプログラマブルデバイ
ダーb108で分周した出力S108が印加される。位
相比較器104は2つの入力の位相差に比例した信号を
出力し、それがループフィルタ105で平滑化され、そ
の出力S105が加算器106の一方の入力となる。
るスペクトラム拡散信号S114であり、これら2入力
の加算値がVCO107の周波数制御端子に入力され
る。VCO107の出力信号S107は出力バッファ1
10を経由してクロック信号等としてCPU等(図示せ
ず)に与えられる。なお細い実線で囲んだPLL回路1
09の基本的な動作は図9の従来例のPLL回路に準じ
るものであるが、図1の全回路が集積化され同一のパッ
ケージに封入されている点が従来例と異なる。
信号生成回路111の出力信号S111であるが、その
信号の周期は周期調整回路112によって変化させるこ
とができ、また信号の振幅は振幅調整回路113によっ
て変化させることができる。それらの制御はICパッド
115に与えられる外部信号S115(例えば所定の電
位源と結線して所定の電圧を与える等の手段を用いる)
によって制御する。また切替回路114はスペクトラム
拡散信号S114を加算器106に印加しあるいは遮断
する。この動作もICパッド115に与える外部信号S
115(各回路につき各パッドから1個ずつの信号が与
えられるように図示してあるが、実際には複数の信号が
与えられる場合もある)によって制御される。
よびプログラマブルデバイダーb108の分周比も外部
からの操作で変更できる構成である。すなわちICパッ
ド121に与える外部信号S121の組合わせにより選
択回路120が作成し出力する分周比設定信号S120
(複数の信号である場合が多いから太線で表示してあ
る)が各デバイダーの分周比制御端子に印加されること
によって制御を行う。本実施の形態では回路の集積化に
よって回路が小型化するとともに、配線の短縮等の効果
で外部に放射されるノイズは極度に抑えられる。また全
回路が制御部分も含めて十分に設計検討された上で集積
・パッケージされある程度標準化された回路として供給
されるから、回路設計者が個別の設計で悩む必要もなく
なり、クロックを供給する対象となる機器を含む全体の
製品の品質・納期・コストが改善されることになる。
振器の回路構成のブロック図である。本例は分周回路を
持たないので発振周波数に大きな自由度はないが、発明
の本質を抑え、しかも簡潔な構成を持つ。即ち第1の実
施の形態におけるPLL発振回路に代えてVCXO(電
圧制御水晶発振器)を用いる。VCXO201は、水晶
振動子の負荷容量の一方にバリキャップVCを含み、そ
の容量値を制御端子202に印加する電圧で変化させ、
発振周波数を調節する。故にこの制御端子202に第1
の実施の形態に用いたと同様なスペクトラム拡散信号S
114を印加する。この構成により、また更に全回路が
集積化されることにより、放射ノイズが十分低く抑えら
れるし、また回路も標準化され使用上有利となる。
の例について個別に検討する。図3は本発明の実施の形
態におけるスペクトラム拡散信号の周期調整を行う回路
の一例を示す。VCO301は図1の信号生成回路11
1の具体例であり、帰還抵抗付き増幅器で、図10の曲
線1004、1005の周期に相当する周波数で発振す
る。この回路の入力容量は直流阻止容量C3と直列に接
続したバリキャップVC(これが図1の周期調整回路1
12に対応する)を持ち、その制御端子302に図1の
ICパッド115からの外部信号S115が印加され
る。この印加電圧を変化させることによりスペクトラム
拡散信号S111の発振周波数を変化させることができ
る。
トラム拡散信号の周期調整を行う回路の他の一例を示
す。全体は図示の通りやはりVCOであるが、その入力
容量はそれぞれスイッチング素子T4が直列にされた固
定容量C4が複数組ある。スイッチング素子T4に制御
入力S112(複数)を加えて選択的にONまたはOF
Fさせることにより入力容量値、結果的にVCOの発振
周波数を変化させ、スペクトラム拡散用信号の周期調整
を行うことができる。この制御入力はICパッド(図示
せず)に与える外部信号によって変化させ選択させるこ
とができる。
トラム拡散信号の振幅調整回路の一例の回路図である。
本例においては振幅調整回路113の主体は演算増幅器
であり、その1つの入力は図1の信号生成回路111の
出力信号S111である。増幅器の帰還抵抗R5はスイ
ッチング素子T5と直列にされたものを含む複数本が並
列になっており、そのスイッチング素子T5のあるもの
をICパッドから与えられる外部信号S115の電圧に
よって選択的にON/OFFすることにより、帰還抵抗
値を変え増幅率を変化させて出力信号S113の振幅を
変化させる。
トラム拡散信号の振幅調整回路の他の一例の回路図であ
る。本例における振幅調整回路113の主体は抵抗R6
1、R62、R63より成り入力信号S111を分圧す
る分圧回路であり、分圧点V61、V62に接続したス
イッチング素子T61、T62を適宜な外部信号S11
5によって制御し、分圧点を選択したり抵抗R62を短
絡して分圧比を変えたりし、その結果を出力容量C6を
経由して取り出し、信号S113の振幅を変化させる。
を選定するための選択回路(図1の120)の入力信号
作成部の一例の回路図である。図1においてはICパッ
ドは3個であったが、本例では1個のみのICパッド1
21によって3個の電位を作成し、パッド数を減らすこ
とができる構成である。ICパッド121の電位V12
1は抵抗R74とR75によってVDDと接地電位との
中間に吊られており、ICパッド121の電位はそれが
無接続(open)であればその中間電位に留まるが、
VDDかGNDのいずれかに接続すればその電位にな
る。
1、R72、R73によって3分割されており、パッド
電位V121と分圧点電位V71、パッド電位V121
と分圧点電位V72とはそれぞれ2個の比較器71、7
2の比較入力となっている。比較器71、72の出力は
いずれも、パッド電位V121が比較される分圧点電位
より高いときH、逆のときLとなるものとする。その結
果比較器71と72の出力は、パッド電位V121がV
DDのときHとH(これを状態1が指定されたとす
る)、パッド電位V121がopenのときLとH(状
態2)、パッド電位V121がGNDのときLとL(状
態3)となる。この結果により選択回路120は分周比
の3状態のいずれが指定されたかを知り、それに対応し
た分周比設定信号S120を分周回路に対して出力す
る。プログラマブルデバイダー103、108(図1)
は受けた分周比設定信号S120に応じた分周比がそれ
ぞれ設定される。(両デバイダーは同じ設定信号を受け
ても一般的に異なる分周比となし得ることは勿論であ
る。)
のパッケージの構造の一例を示し、(a)は内部平面
図、(b)は断面図である。なお内部平面図(a)はパ
ッケージ内部の最上部にある薄板状の水晶振動子87を
取り除いて、その下部構造を見せている。81はパッケ
ージであり、例えば型抜きしたセラミックス板を積層す
るなどして作成され、内部にはいくつかの内面電極82
があり、その一部は水晶振動子87(図1の圧電振動子
101に相当する)の電極に接続され(詳細は図示せ
ず)、残部はパッケージの4隅の外部表面に設けた側面
電極83(側面は一部のみ示す)および下面電極84と
接続している。図1又は図2に示した回路部分の全ては
1個のICチップ85に搭載されている。
央に設けた凹部の底にダイボンディングされ、ICチッ
プ85の表面周辺部に設けた接続パッドと内面電極82
とはボンディングワイヤ86によって結線されている。
ボンディングワイヤ86の一部が破線で表わされている
が、これはICチップ85の接続パッドを異なる内面電
極82に対して選択的に接続することにより、例えば図
7の説明で述べたような分周比の設定の選択や、図1の
スペクトラム拡散信号の条件設定を行いうる構成を示し
ている。(図示しないが、これらの設定は外部電極によ
って選択することも勿論可能である。)本例のようにス
ペクトラム拡散制御回路と(PLL)発振回路とが1個
のICチップに納められていることで、発振器の小型
化、放射ノイズ減少、使い勝手の向上等の本発明の効果
は最大限に発揮される。(水晶振動子も同じパッケージ
に含まれるので一層小型化効果は大きい。)
のパッケージの構造の他の一例を示し、(a)は内部平
面図、(b)は断面図である。前図と同様に内部平面図
(a)は水晶振動子97を取り除いて(但しその位置を
2点鎖線で示す)その下部構造を見せている。91はパ
ッケージ、92は内部電極、94は下面電極、96はボ
ンディングワイヤであり、これらは図8と類似の構成で
ある。
振器を構成する回路がICチップ95aとICチップ9
5bの2個に分割されていることである。例えばPLL
発振器をICチップ95aに、スペクトラム拡散制御回
路をICチップ95bに搭載するが、回路を複数のIC
チップにどのように振り分けるかは設計上の都合に応じ
て任意に行うことができる。本例のように内部回路が複
数チップであっても、全体が1個のパッケージ91に収
納されたことにより、発振器の小型化、放射ノイズ減
少、使い勝手の向上等において、従来例よりははるかに
優れることになり、図7のような1チップ1パッケージ
の構成に迫る高度な効果が得られる。発振器回路を3個
以上のICチップで構成してもよいことは勿論である。
が、回路的には既述の例の変形やその他の構成を用いた
り、既存の回路の応用によって同様の目的を達成できる
場合が多く、そのような場合も本発明の技術範囲の含ま
れることは勿論であり、本発明の適用範囲は広いもので
ある。
り、圧電発振回路あるいはPLL発振回路とスペクトラ
ム拡散制御回路とを同一パッケージに封入したことによ
り、基板上の専有面積が極めて小さく有利であり、配線
の引回しも短いため放射ノイズの発生が少なく、また回
路設計者側の負担が少なくてすみ、製品の品質、納期、
コストが総合的に改善された(クロック用の)発振器が
得られる効果がある。 (2)更に請求項1の構成においては、使用する圧電振
動子の周波数の選択およびPLL発振器の出力周波数の
設定に大幅な自由度が得られ、合理的なコストで必要な
発振器が製造できる効果を有する。
の構成により、スペクトラム拡散制御の有無、あるいは
その振幅や周波数を使用者が任意に選択して最適な制御
状態を実現できる効果がある。 (4)請求項8の構成により、上記(1)の発振器の分
周比設定の自由度が製造後の発振器においても確保さ
れ、使用上極めて有利となる効果がある。
成により、分周比が外部から印加される電圧レベルによ
って選択されるので、上記(4)の効果が更に容易に得
られる効果がある。 (6)請求項12の構成により、回路が集積化されて極
めて小型であるから、上記(1)の効果が最大限に得ら
れると共に、ICの製造後に分周比を設定できるため製
品の適応範囲が広く、上記(4)の効果が一層強力に発
揮できる。 (7)請求項13の構成により、回路のパッケージが完
成された後においても外部端子の操作によって上記
(6)の効果が得られるので、極めて使用し易い汎用の
製品が得られる効果がある。 (8)請求項14、15の構成により、発振器の小型
化、放射ノイズ減少、使い勝手の向上等の本発明の効果
は最大限に発揮される。
構成のブロック図である。
構成のブロック図である。
信号の周期調整回路の一例の回路図である。
信号の周期調整回路の他の一例の回路図である。
信号の振幅調整回路の一例の回路図である。
信号の振幅調整回路の他の一例の回路図である。
号作成部の一例の回路図である。
ジの一例を示し、(a)は内部平面図、(b)は断面図
である。
ジの他の一例を示し、(a)は内部平面図、(b)は断
面図である。
である。
Claims (15)
- 【請求項1】 圧電振動子と、該圧電振動子に接続され
て発振しかつ出力周波数が制御信号に依存して変化する
特性を有する発振回路と、スペクトラム拡散を行うため
の拡散信号を生成し、該拡散信号を前記制御信号とする
拡散信号生成回路とが同一パッケージに封入されている
ことを特徴とする発振器。 - 【請求項2】 圧電振動子と、該圧電振動子に接続され
て発振する発振回路と、該発振回路の発振信号を基準信
号として動作し該基準信号を任意の比率で分周あるいは
逓倍した信号を出力するPLL回路と、スペクトラム拡
散を行うための拡散信号を生成する拡散信号生成回路
と、前記拡散信号と前記PLL回路内のループ信号とを
加算するための加算器とが同一パッケージに封入されて
いることを特徴とする発振器。 - 【請求項3】 前記発振器は更に前記拡散信号の作用を
無効にする無効手段を備えたことを特徴とする請求項1
あるいは2の発振器。 - 【請求項4】 前記無効手段は前記拡散信号の通過を制
御するゲート手段であることを特徴とする請求項3の発
振器。 - 【請求項5】 前記無効手段は前記拡散信号生成回路の
動作を停止させるために該拡散信号生成回路への電源供
給を停止する電源スイッチ手段であることを特徴とする
請求項3の発振器。 - 【請求項6】 前記拡散信号生成回路は前記拡散信号の
振幅を可変にする振幅調整回路を備えたことを特徴とす
る請求項1あるいは2の発振器。 - 【請求項7】 前記拡散信号生成回路は前記拡散信号の
周波数を可変にする周波数調整回路を備えたことを特徴
とする請求項1あるいは2の発振器。 - 【請求項8】 前記PLL回路は、そのループ中に分周
比が設定可能なプログラマブルデバイダーを有すると共
に、前記分周比を設定するための分周比設定信号を出力
する分周比設定信号出力回路を備えたことを特徴とする
請求項2の発振器。 - 【請求項9】 前記分周比設定信号出力回路は、外部か
ら印加される分周比設定電圧のレベルを検出する電圧検
出回路と、該電圧検出回路で検出した電圧レベルに基づ
き所定の分周比設定信号を選択して出力する分周比選択
回路とを備えていることを特徴とする請求項8の発振
器。 - 【請求項10】 前記電圧検出回路は、前記分周比設定
電圧と第1電源電位とを比較して第1比較信号を出力す
る第1比較手段と、前記分周比設定電圧と第2電源電位
とを比較して第2比較信号を出力する第2比較手段とか
ら構成されており、前記分周比選択回路は前記第1比較
信号および第2比較信号に基づいて前記分周比設定電圧
レベルを判定し、該判定結果に対応した前記分周比設定
信号を出力することを特徴とする請求項9の発振器。 - 【請求項11】 前記分周比設定電圧は、前記第1電源
電位、前記第2電源電位、または前記第1電源電位と前
記第2電源電位の間の電位のいずれかであることを特徴
とする請求項8あるいは9の発振器。 - 【請求項12】 前記PLL回路はICチップで構成さ
れており、該ICチップは分周比設定電圧を印加するた
めのパッドを有することを特徴とする請求項9ないし1
1のいずれかの発振器。 - 【請求項13】 前記PLL回路を封入するパッケージ
が前記パッドに接続された外部端子を有することを特徴
とする請求項12の発振器。 - 【請求項14】 前記発振回路と前記拡散信号生成回路
とが1つのICチップに収納されていることを特徴とす
る請求項1の発振器。 - 【請求項15】 前記発振回路と前記PLL回路と前記
拡散信号生成回路とが1つのICチップに収納されてい
ることを特徴とする請求項2の発振器。
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