JP2003198251A

JP2003198251A - 水晶発振器回路

Info

Publication number: JP2003198251A
Application number: JP2002368246A
Authority: JP
Inventors: Heiko Korner; ハイコ，コルナー
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2003-07-11
Also published as: EP1322033A3; EP1322033B1; US6812801B2; EP1322033A2; US20030117224A1; DE50203067D1; DE10162912A1; DE10162912B4

Abstract

(57)【要約】【課題】周波数を調節するために、共振回路に影響を
与え、スイッチの切り換えが可能なキャパシタ（５、
８）を備える水晶発振器を提供する。【解決手段】上記共振回路に影響を与えるキャパシタ
（５、８）に対して、正反対、かつ鏡像のように、補正
キャパシタ（１０）をそれぞれ１つ接続する。この補正
キャパシタ（１０）は、主に、力学的な動作点に影響を
与えるが、しかし共振周波数には実質的に影響を与えな
い。このため、共振周波数を調節するとき、動作点を転
移できないので、共振システムの安定と所望の動作点に
おける駆動とが保証される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水晶発振器回路に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水晶発振器は、ＬＣ発振器よりも周波数
の安定した振動が可能な電気システムである。その際、
機械的に振動するために電界によって刺激される（ange
regt）水晶振動子が用いられる。連結された電極を備え
た水晶振動子は、高Ｑ因子（Guete）共振回路と同様に
電気的に働く。

【０００３】基本振動発振器（基本波発振器、Grundwel
len-Oszillatoren）を代表するいわゆるピアス型発振器
は、２つのキャパシタを備えており、これらのキャパシ
タは、増幅器の影響を受ける（angeregt wird）直列共
振回路を形成している。その際、増幅器として、たとえ
ば相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）インバータが使
用される。このようなピアス型発振器は、例えば非特許
文献１に開示されている。ピアス型発振器では、２つの
キャパシタのうちの１つを調節できるようになってお
り、共振回路の共振周波数は、直列キャパシタの調節次
第で変化する。しかし、キャパシタを用いて周波数を調
節することは、例えば、別々のステップにおいて、キャ
パシタ部（Teilkapazitaeten）を接続するか、または、
キャパシタ部の接続を切断することによっても行われ
る。

【０００４】

【非特許文献１】Tietze、Schenk著、「半導体回路技術
（Halbleiter-Schaltungs-technik）」、（ドイツ）10
版、1993年、p466〜p469

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】地面にアース接続され
たキャパシタによって周波数調整を行う上記水晶発振器
の場合、動作点（Arbeitspunkt）の大きなずれが発生す
ることによって、振動可能なシステムの位相補助（Phas
enreserve）は十分に行われず、このシステムは不安定
になる。特に、振幅を制御する発振器の場合、このよう
な不安定性から不都合が生じる。

【０００６】本発明の目的は、安定化することによって
改善された水晶発振器回路を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を、以下を
備える水晶発振器回路によって達成する。すなわち、本
発明に係る水晶発振器回路は、第１・第２端子を備える
水晶振動子と、水晶振動子の一方の端子とをそれぞれつ
なぐ入力部および出力部を備える速応増幅器（Entdaemp
fungsverstaerkers）と、水晶振動子と速応増幅器の入
力部とをつなぐ動作点調整手段と、水晶振動子の第１端
子と基準接点とを連結する第１キャパシタ部と、水晶振
動子の第２端子と基準接点とを連結する第２キャパシタ
部と、上記２つのキャパシタ部の少なくとも１つは調節
可能であり、一方（の端子）で速応増幅器の入力部と接
続し、もう一方（の端子）で基準接点と接続し、かつ、
キャパシタ部に関して正反対で、かつ鏡像のように（ge
gengleiche）調節して制御する駆動を有している補正キ
ャパシタ（Kompensationskapazitaet）とを備える水晶
発振器回路である。

【０００８】上記原理とピアス型発振器の一形態によれ
ば、第１・第２キャパシタ部を接続するか、または、第
１・第２キャパシタ部の接続を切断することによって、
発振器の共振周波数を調整する。その際、補正キャパシ
タを導入することによって、発振器回路の安定した反応
を維持できる。補正キャパシタは、動作点調整手段によ
って実際の共振回路から減結合されている。これによ
り、補正キャパシタの接続または接続の切断は、確か
に、速応増幅器の動作点に所望の影響を与えるが、水晶
発振器回路の実際の共振周波数には影響を与えない。

【０００９】また、補正キャパシタは、第１・第２キャ
パシタ部に対して正反対、かつ鏡像のように調整され
る。つまり、第１・第２キャパシタ部が接続される場
合、補正キャパシタの接続が切断される。またその逆も
いえる。したがって、設計が適切であれば、速応増幅器
の動作点は維持されたままである。それゆえに、補正キ
ャパシタは、主に速応増幅器の動的な（力学的な）（dy
namischen）動作点にのみ影響を与える。

【００１０】本発明の有効な一形態によれば、複数の第
１および複数の第２キャパシタ部を備えられている。こ
の場合、複数の第１キャパシタ部は、互いに並列に接続
されている。同様に、複数の第２キャパシタ部も、互い
に並列に接続されている。

【００１１】また、第１キャパシタ部と第２キャパシタ
部とをそれぞれ接続でき、かつ、接続を切断できるの
で、並列回路はそれぞれ、１つのスイッチおよび複数の
第１または第２キャパシタ部のうちの１つからなる１つ
の直列回路を含むことが好ましい。

【００１２】また、複数の第１および複数の第２キャパ
シタ部は、対をなして備えられていることが好ましい。
この場合、１つの第１キャパシタと１つの第２キャパシ
タ部とは、それぞれ同時に接続され、または同時に接続
を切断される。

【００１３】多数のキャパシタ部を用いることで、所望
の多くのステップにおいて水晶振動子が振動する周波数
を調整できる。

【００１４】この場合、１つの第１キャパシタ部と１つ
の第２キャパシタ部とからなるどの対にも、補正キャパ
シタを１つずつ割り当てできることが好ましい。その
際、補正キャパシタは、割り当てられた第１・第２キャ
パシタ部に対して、定められた容量比をそれぞれ１つ有
している。その際、本原理によれば、それぞれ一対の第
１・第２キャパシタ部と割り当てられた補正キャパシタ
とを、正反対、かつ鏡像（正反対に鏡像）のように、同
時に接続状態にする。つまり、第１・第２キャパシタ部
からなる一対を接続状態にする際、この対に割り当てら
れた、２つの部材に対して定められた容量比を有する補
正キャパシタの接続は切断される。設計が適切であれ
ば、提案された原理を用いて、第１に水晶発振器回路を
簡単に設計でき、第２に速応増幅器の動的な動作点を正
確に補正できる。

【００１５】割り当てられたキャパシタを正反対、かつ
鏡像のように接続するために、第１・第２キャパシタ部
にそれぞれ割り当てられたスイッチの制御端子に制御信
号を反転させないように（nicht-invertiert）入力する
（反転していない制御信号を入力する）駆動回路を備え
ていることが好ましい。一方、対をなす第１・第２キャ
パシタ部に割り当てられた補正キャパシタに連結してい
るスイッチは、制御端子に制御信号を反転させて入力さ
れる（反転された制御信号を入力される）。これによっ
て、本原理に基づいて、補正キャパシタを、第１・第２
キャパシタ部に対して正反対、かつ鏡像のように接続で
きる。

【００１６】第１・第２キャパシタ部の容量値は、それ
らに割り当てられている補正キャパシタ部の容量値より
もはるかに大きいことが好ましい。なお、共に対をなす
第１キャパシタ部と第２キャパシタ部との容量値は、同
じであることが好ましい。第１キャパシタ部の容量値と
割り当てられた補正キャパシタの容量値との商は、５よ
りも大きいことが好ましい。

【００１７】これによって、補正キャパシタの接続また
は接続の切断は、主に、速応増幅器の力学的な動作点に
影響を与えるが、水晶発振器自体の共振周波数には影響
を与えないことが、改良点として証明された。

【００１８】本発明の他の有効な実施形態によれば、速
応増幅器の入力部と基準接点とを固定させて（不変的
に）（fest）連結する最小キャパシタ（Mindestkapazit
aet）が備えられている。

【００１９】最小キャパシタは、好ましくは抵抗として
構成された動作点調整手段とともに、ローパス（フィル
ター）特性を有するＲＣ素子（RC-Glied）を形成する。
このようなローパスフィルターは、水晶発振器回路の安
定性を向上させるので有効である。

【００２０】また、上記水晶発振器回路は、相補型金属
酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）回路技術を用いた集積回路と
して設計されていることが好ましい。すなわち、上記水
晶発振器回路は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）
回路技術を用いた集積回路の形となっていることが好ま
しい。

【００２１】また、速応増幅器は、ＣＭＯＳインバータ
として設計されていることが好ましい。すなわち、速応
増幅器は、ＣＭＯＳインバータの形となっていることが
好ましい。

【００２２】なお、本発明に係る水晶発振器回路の他の
詳細および有効な実施形態に関しては、従属請求項に記
載している。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る水晶発振器回
路について、添付図面に基づいた複数の実施形態に沿っ
て説明する。なお、図１は、本原理にしたがった水晶発
振器回路の第１実施形態を示す簡略化された回路図であ
る。図２は、周波数に対して描かれた入力アドミッタン
スの実部に基づいて、本水晶発振器回路における動作点
転移のための補正（Kompensation）を示すＳパラメータ
グラフである。図３は、複数のステップにおいて別々に
調節可能な振動周波数を有する図１の水晶発振器回路の
発展した形態を示す図である。

【００２４】図１は、２つの端子を有する水晶振動子１
を備えた水晶発振器回路を示している。水晶振動子１の
第１端子は、抵抗２を介してインバータ３の入力部に連
結している。インバータ３の出力部は、水晶振動子１の
もう１つの端子と連結している。スイッチ４およびキャ
パシタ部５を備える直列回路は、一方の端子で水晶振動
子１と抵抗２との間と連結し、もう一方の端子で基準電
位（Bezugspotential（reference-ground potentia
l））に連結している基準接点６と連結している。スイ
ッチ７およびキャパシタ部５と同じ容量値であるキャパ
シタ部８を備える他の直列回路は、インバータ３の出力
部と基準接点６との間に連結されている。インバータ３
の入力部に（つまり抵抗２とインバータ３との間に、ス
イッチ９および補正キャパシタ１０を備える直列回路
は、基準接点６に接続されており、それゆえ、抵抗２と
インバータ３との間に接続されている。スイッチ９およ
び補正キャパシタ１０を備える直列回路に並列して、最
小キャパシタ１１が基準接点６に連結されている。この
最小キャパシタ１１は、抵抗２とともにローパス（フィ
ルター）として機能するＲＣ素子を形成する。

【００２５】第１キャパシタ部５と第２キャパシタ部８
とを効果的に接続したり接続を切断したりするスイッチ
４およびスイッチ７は、それらの制御端子が互いに連結
していることによって、同じ駆動信号によってその都度
同時に接続される。他方、補正キャパシタ１０に割り当
てられたスイッチ９は、反転させるように切り換えられ
る。そのために、スイッチ９の制御端子には、駆動信号
が入力されるインバータ１２が連結されている。このと
き、インバータ１２の入力部は、第１・第２キャパシタ
部５、８にそれぞれ割り当てられたスイッチ４、７の制
御端子と連結している。それゆえに、スイッチ４，７が
ＯＦＦ状態であるとき、スイッチ９はＯＮ状態になり、
またその逆もいえる。

【００２６】第１・第２キャパシタ部５、８は、基準接
点（基準電位端子）６またはアース端子にそれぞれ接続
しており、水晶発振器回路によって形成される共振回路
の周波数を調整する機能を有している。これによって、
通常、回路の動作点は、好ましくない転移を起す。特
に、本実施形態においてはＣＭＯＳインバータとして形
成されている速応増幅器３の回路の動作点は安定性を保
てず、不都合にも転移する。比較的小さな補正キャパシ
タ１０は、共振回路周波数を決定するキャパシタ部５、
８に対して正反対、かつ鏡像のように接続されるととも
に、補正キャパシタ１０は、共振回路を制御（決定）す
る。キャパシタ部５、８に対して、固定された容量値の
比キャパシタ部５（festes Verhaeltnis）を有する。す
なわち、比較的小さな補正キャパシタ１０は、共振回路
周波数を決定するキャパシタ部５、８に対して正反対、
かつ鏡像のように接続されるとともに、補正キャパシタ
１０は、その容量値に関して、共振回路を決定するキャ
パシタ部５、８に対して、固定された比（festes Verha
eltnis）を有すると換言できる。なお、前者のキャパシ
タ部５、８は、同じ容量値を有している。補正キャパシ
タ１０が、より小さな容量値を有しており、さらに、イ
ンバータ３の動作点を調整する機能を有する抵抗２を介
して減結合されることによって、補正キャパシタ１０
は、振動周波数にわずかな影響しか与えないが、動的な
動作点には大きな影響を与える。本実施形態では、振動
周波数を制御（決定）するキャパシタ部５、８の容量値
は、それぞれ３２ピコファラド（pF）である。また一
方、補正キャパシタ１０の容量値は３〜４pFであり、そ
れゆえ第１・第２キャパシタ部５、８の容量値よりも小
さい因子１０（den Faktor 10 kleiner ist als （less
by a factor of 10））である。

【００２７】したがって、キャパシタ部５、８に対して
正反対、かつ鏡像のように制御（駆動）される補正キャ
パシタ１０を用いて、発振器の安定性ならびにその制御
（駆動）領域を維持できる。このことは、例えば水晶発
振器回路に余分な（zusaetzlichen）振幅変調または周
波数変調が起こるときに有効である。

【００２８】図２は、浮動小数点を示すグラフに基づい
て、水晶発振器の（desselben）周波数に対して描かれ
た水晶発振器の入力アドミッタンスの実部を示す対数／
直線で表したグラフである。図２に示すように、容量値
が３２ピコファラドであるキャパシタ部５、８が接続さ
れているかどうかに関わらず、同じ動作点はそれぞれ水
晶の動作周波数を維持する。このことは、図１の回路図
に基づいて詳述したように、補正キャパシタ１０を正反
対、かつ鏡像のように接続したり接続しなかったりする
ことによって達成される。

【００２９】図３は、図１の水晶発振器回路の発展した
形態を示す図である。この形態では、水晶発振器の共振
周波数が、２つの別々の周波数の間で切り換えられるだ
けでなく、補正キャパシタ１０、１８、２５をそれぞれ
１つずつ割り当てられた複数の対をなすキャパシタ部
５、８；１４、１６；２１、２３を備えることによっ
て、多数の離散的な振動周波数を選択できる。

【００３０】図３に示す水晶発振器回路は、設計および
実施の手段（Funktionsweise）に関して、主に図１の水
晶発振器回路に相当し、図１に示す部材を全て含んでい
る。図１で既に説明した部材については、説明を省略す
る。

【００３１】図１の水晶発振器回路に示した部品に加え
て、図３の水晶発振器回路は、さらに、スイッチ１３、
２０および第１キャパシタ１４、２１を有する他の直列
回路を備えている。なお、この直列回路は、スイッチ４
および第１キャパシタ部５からなる直列回路に対して並
列に接続されている。これらに対して左右対称に、スイ
ッチ７および第２キャパシタ部８からなる直列回路に対
しても、さらに、スイッチ１５、２２、および、キャパ
シタ１６、２３のそれぞれからなる他の２つの直列回路
が接続されている。さらに、割り当てられたスイッチ９
と共に直列回路を形成する補正キャパシタ１０に対して
並列に、スイッチ１７、２４、および、他の補正キャパ
シタ１８、２５からなる他の直列回路が、それぞれ備え
られている。そして、上記直列回路は、スイッチ９およ
び補正キャパシタ１０からなる直列回路に対して並列に
接続されている。スイッチ９およびインバータ１２を用
いて補正キャパシタ１０を制御（駆動）することと同様
に、他の補正キャパシタ１８、２５に連結しているスイ
ッチ１７、２４をさらに制御（駆動）するために、イン
バータ１９、２６がそれぞれ備えられている。

【００３２】一対をなし、共同かつ同時に制御（駆動）
されるキャパシタ部５、８と同様に、キャパシタ１４、
１６および２１、２３も、それぞれ共同に制御（駆動）
される一対のキャパシタである。

【００３３】第１・第２キャパシタ部５，８；１４、１
６；２１、２３は、互いに対をなして二部形式に段階分
けされている（二元に分けられている）。割り当てられ
た補正キャパシタ１０、１８、２５も、互いに適切に二
部形式に段階分けされていることによって、割り当てら
れた補正キャパシタ１０、１８、２５に対する第１また
は第２キャパシタ部５、８；１４、１６；２１、２３の
容量比Ｖは、常に同じである。本事例では、この容量比
Ｖはおよそ１０である。

【００３４】駆動回路２７は、第１・第２キャパシタ部
５、８；１４、１６；２１、２３並びに補正キャパシタ
１０、１８、２５の接続と接続の切断とを（スイッチの
切り換えを）制御する。例えばスイッチ４、７を開ける
ことによって、対をなすキャパシタ部５、８の接続を切
断すると、スイッチ９が閉じることにより、これらのキ
ャパシタに割り当てられた補正キャパシタ１０が同時に
接続される。一対のキャパシタ１４、１６は、これらに
割り当てられた補正キャパシタ１８に対して正反対、か
つ鏡像のように適切に制御（駆動）され、最後に、一対
のキャパシタ２１、２３は、これらに割り当てられた補
正キャパシタ２５に対して正反対、かつ鏡像のように適
切に制御（駆動）されている。二部形式に段階分けされ
ており、互いに左右対称に備えられており、周波数を決
定（制御）するキャパシタ部５、８；１４、１６；２
１、２３は、複雑なことをしなくても、確実な方法で共
振回路周波数を別々に調節することができる。それぞれ
反転するように接続されている、それぞれ割り当てられ
た補正キャパシタ１０、１８、２５によって、水晶発振
器回路の動作点は、周波数を決定するキャパシタの選択
とは常に無関係となる。もちろん、この回路は、上述の
原理に基づいて、所望の多くの他の接続可能なキャパシ
タへと拡大できるものである。

【００３５】上記した二部形式に段階分けされることに
代わるものとして、例えば、キャパシタの寸法（サイ
ズ）を全て同じにすることもできる。

【００３６】それぞれ３つのキャパシタ枝線を用いて示
した実施形態は、並列に接続されて、互いに独立して接
続、および接続を切断することが可能である。この互い
に接続および接続の切断が独立して可能である３つの並
列に接続されたキャパシタ枝線を有する上記実施形態に
加えて、本原理にしたがって、任意の多くの他の接続可
能な枝線も備えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本原理にしたがった（本発明に係る）水晶発振
器回路の第１実施形態を示す簡略化された回路図であ
る。

【図２】周波数に対して描かれた入力アドミッタンスの
実部に基づいて、本水晶発振器回路における動作点転移
のための補正（Kompensation）を示すＳパラメータグラ
フである。

【図３】複数のステップにおいて別々に調節可能な振動
周波数を有する図１の水晶発振器回路の発展した形態を
示す図である。

【符号の説明】

１水晶振動子２抵抗３速応増幅器４スイッチ５キャパシタ部６基準接点７スイッチ８キャパシタ部９スイッチ１０キャパシタ１１キャパシタ１２インバータ１３スイッチ１４キャパシタ１５スイッチ１６キャパシタ１７スイッチ１８キャパシタ１９インバータ２０スイッチ２１キャパシタ２２スイッチ２３キャパシタ２４スイッチ２５キャパシタ２６インバータ２７駆動回路Ｃ容量値Ｖ容量比Ｙ入力アドミッタンス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１・第２端子を備えている水晶振動子
（１）と、上記水晶振動子（１）の一方の端子とそれぞれ連結して
いる、入力部および出力部を備える速応増幅器（３）
と、上記水晶振動子（１）と上記速応増幅器（３）の入力部
とを連結している動作点調整手段（２）と、上記水晶振動子（１）の第１端子と基準接点（６）とを
連結している第１キャパシタ部（５）と、水晶振動子（１）の第２端子と基準接点（６）とを連結
している第２キャパシタ部（８）とを備えており、上記２つのキャパシタ部（５、８）の少なくとも１つが
調節できるように形成されており、さらに、一方で速応増幅器（３）の入力部と接続し、も
う一方で基準接点（６）と接続し、上記第１および第２
キャパシタ部（５、８）に対して相補的に調整される補
正キャパシタ（１０）を備えている水晶発振器回路。
【請求項２】それぞれ互いに並列に接続され、かつ、対
をなして互いに独立して接続可能であり、かつ接続を切
断することも可能である、複数の第１（５、１４、２
１）および複数の第２（８、１６、２３）キャパシタ部
が備えられ、上記各第１キャパシタ部（５、１４、２１）にはそれぞ
れ１つの補正キャパシタ（１０、１８、２５）が設けら
れていることを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器
回路。
【請求項３】上記第１キャパシタ部（５、１４、２１）
に割り当てられた補正キャパシタ（１０、１８、２５）
は、第１キャパシタ部（５、１４、２１）に対して、定
められた容量比（Ｖ）をそれぞれ有していることを特徴
とする請求項２に記載の水晶発振器回路。
【請求項４】上記補正キャパシタ（１０、１８、２５）
は、互いに独立して接続可能であり、かつ接続を切断す
ることも可能であるように形成されていることを特徴と
する請求項２または３に記載の水晶発振器回路。
【請求項５】上記第１・第２キャパシタ部（５、８；１
４、１６；２１、２３）並びに補正キャパシタ（１０、
１８、２５）は、それらを接続したり、それらの接続を
切断したりするために、スイッチ（４、７；１３、１
５；２０、２２；９、１７、２４）の１つとそれぞれ連
結しており、上記スイッチ（４、７；１３、１５；２
０、２２；９、１７、２４）は、制御端子をそれぞれ備
えており、さらに、駆動回路（２７）が備えられており、上記駆動
回路は、上記第１・第２キャパシタ部（５、８；１４、
１６；２１、２３）に割り当てられたスイッチ（４、
７；１３、１５；２０、２２）の制御端子に対して、反
転していない制御信号を入力し、補正キャパシタ（１
０、１８、２５）に割り当てられたスイッチ（９、１
７、２４）に対しては、反転した制御信号を入力するこ
とを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の水
晶発振器回路。
【請求項６】上記第１キャパシタ部の容量値と割り当て
られた補正キャパシタの容量値（Ｖ）との商は、５より
も大きいことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項
に記載の水晶発振器回路。
【請求項７】上記速応増幅器（３）の入力部を基準接点
（６）と固定させて連結する最小キャパシタ（１１）が
備えられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれ
か１項に記載の水晶発振器回路。
【請求項８】上記速応増幅器（３）はインバータとして
形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれ
か１項に記載の水晶発振器回路。
【請求項９】上記速応増幅器（３）はＣＭＯＳインバー
タとして形成されていることを特徴とする請求項８に記
載の水晶発振器回路。
【請求項１０】上記動作点調整手段（２）は抵抗として
形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれ
か１項に記載の水晶発振器回路。