【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的大きな発振出力を得ることができて、短時間で起動し、かつ低消費電力、低位相ノイズ化を図る水晶振動子を用いた水晶発振回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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ノイズ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として使用されている水晶発振回路に対して、短時間で起動を行い、低消費電力、低位相ノイズにより、一定の発振周波数を出力する発振回路が望まれているため、水晶発振回路は回路技術として極めて有用でもある。
【０００３】
従来のこの種の水晶発振回路は、図６に回路図の一例を示したように構成されている。図６において、１は定電圧源、２は発振回路部、３は負荷容量部、４は増幅回路部、２４は水晶振動子である。図６に示す水晶発振回路は、定電圧源１により発振回路部２と増幅回路部４の電源を供給し、水晶振動子２４と発振回路部２と負荷容量部３にて発振ループを形成し、増幅回路部４より出力する構成である。
【０００４】
以上のように構成された水晶発振回路について、その動作を説明する。定電圧源１の電源電圧端子１１から電源電圧を印加すると定電回路部１２より、ある一定の電源電圧が発振回路部２と負荷容量部３と水晶振動子２４に供給され、発振回路部２に電位が印加されることにより水晶振動子２４に衝撃が与えられ、これにより発振動作を行い始める。そして、この発振回路部２において発振された発振振幅を増幅回路部４で増幅を行い出力する。
【０００５】
この水晶発振回路の発振振幅起動時間は、水晶振動子２４に水晶発振回路の電源投入時に励起される電流の大きさと、水晶発振回路の負性抵抗の大きさにより決定されており、（数１）として与えられる。
【０００６】
【数１】
Ｔｓｔ＝２×Ｌ１／（Ｒ−Ｒ１）×ｌｎ（ｋ）
（数１）中のＬ１，Ｒ１は、水晶振動子の等価回路定数で、ｋは定常状態の振幅と起動時の振幅比、Ｒは、発振回路部２の負性抵抗値（以下、負性抵抗Ｒという）を示している。
【０００７】
この負牲抵抗Ｒは、主にトランジスタの動作状態（小信号時）により決定されている。発振回路部２と負荷容量部３においての負性抵抗Ｒは、（数２）として与えられる。
【０００８】
【数２】
Ｒ＝ΔＶＧ／ＲＯＮ
＝ＩＤ／（ＩＲ２３×ｇｍ×ＲＯＮ ）
（数２）中のＩＤはドレイン電流で、ＩＲ２３は図６の抵抗２３に流れる電流、ｇｍは増幅率、ＲＯＮは出力インピーダンスを示している。
【０００９】
（数２）からも明白であるが負性抵抗Ｒは、ＩＤ（ドレイン電流）とｇｍ（増幅率）に依存性を有してる。また、発振回路部２より出力される発振振幅を増幅回路部４で増幅する際、増幅回路部４に入力される発振振幅により消費電流、位相ノイズが決定されていた。
【００１０】
また、水晶振動子２４の発振周波数は、（数３）として与えられ、
【００１１】
【数３】
ｆ＝１／（２×π×ＳＱＲ（Ｌ１×Ｃ１））×ＳＱＲ（１＋Ｃ１／（Ｃ０＋ＣＬ））
ＣＬ（発振ループ内の容量値）により決定されているため水晶振動子の接続位置についても周波数変化の影響があった。
【００１２】
【特許文献１】
特開昭６２−３０４１０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の図６に示す水晶発振回路を用いた場合、電源電圧が印加され動作時の発振出力は、起動時間遅延の原因でもある負性抵抗Ｒ、負荷容量によりに依存するため、立ち上がり時間が低下する現象を有していた。また、起動後の出力振幅レベルにより消費電流増大、位相ノイズ増加を起こす原因をも有しているという問題があった。
【００１４】
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、起動時に起動時間の遅延を生じさせない発振振幅を出力し、また起動後は安定した低消費電流、低位相ノイズの水晶発振回路を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明に係る水晶発振回路は、水晶振動子を有する発振回路部と、発振回路部と発振ループを形成する負荷容量部と、発振回路部の発振振幅を増幅して出力する増幅回路部とから成る水晶発振回路において、負荷容量部の容量値を選択変更する変更手段を設けたことを特徴とする。
【００１６】
また、前記変更手段により、負荷容量部が有する第１の容量値と第２の容量値を、起動時の電源電圧印加後に、第１の容量値を選択した後、第２の容量値に変更する起動回路部を設けたことを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記起動回路部を、短絡または開放のいずれかを選択するスイッチング素子により構成し、起動時の電源電圧投入後に短絡し、その後、開放すること、または、起動時の電源電圧投入後に開放し、その後、短絡することを特徴とする。
【００１８】
また、前記発振回路部を構成するインバータ素子の出力端子側と増幅回路部とを接続して、発振回路部の発振振幅を増幅回路部へ入力し、消費電流、位相ノイズを低減すること、または、前記発振回路部を構成するインバータ素子の入出力端子の各々と水晶振動子の各端子とを接続して、周波数変化の少ない発振振幅を得ること、さらに、前記発振回路部を構成するインバータ素子に代えてバイポーラトランジスタを用いたことを特徴とする。
【００１９】
前記構成によれば、電源電圧投入時による起動時において、起動時間の遅延の原因でもある負性抵抗Ｒ、負荷容量により励振電流の不足を改善する起動回路部を備えた構成により、比較的大きな発振振幅を得ることができ、また、接続点を変更することにより、短時間でも起動でき、消費電力，位相ノイズを低減することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
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。
【００２１】
図１は本発明の実施の形態１における水晶発振回路の構成を示す図である。ここで、前記従来例を示す図６において説明した構成部材に対応し同等の機能を有するものには同一の符号を付してこれを示し、以下の各図においても同様とする。
【００２２】
図１において、電源電圧端子１１に印加された電源電圧によって定電圧源１より発振回路部２と増幅回路部４に定電圧が印加される。図１の発振回路部２，増幅回路部４では、定電圧源１とインバータ２２，４２が接続される構成として表し、発振回路部２，増幅回路部４に電源電圧が供給されることを示している。
【００２３】
図１の抵抗２３は、インバータ２２の入出力端子間に帰還接続され、また水晶振動子２４の一端と、水晶振動子２４の負荷容量となるコンデンサ３４の一端、及び増幅回路部４が接続されている。コンデンサ３４の他端には、バリキャップ３２が直列に接続され、さらに抵抗３６が接続され、水晶振動子２４の一端から見た負荷容量となっている。
【００２４】
そして、水晶振動子２４の他端には、インバータ２２の出力端子と一端が接続されているコンデンサ３５の他端が接続されている。このコンデンサ３５の他端には、バリキャップ３３が直列に接続され、さらに抵抗３７が接続されている。
【００２５】
また、起動回路部５として、ある一定期間コンデンサ３４とコンデンサ３５を短絡させるスイッチ素子を接続する。抵抗３６，３７は、バリキャップ電圧印加用端子３１に接続されている。増幅回路部４におけるインバータ４２は出力端子４１と接続され水晶発振回路が構成される。
【００２６】
以上のように構成される本実施の形態１の水晶発振回路について、図１を参照しながら以下に、その動作を説明する。
【００２７】
まず、電源電圧を電源電圧端子１１に与えると定電圧源１の定電圧回路１２より電圧（ＶＲＥＧ）が出力される。この電圧（ＶＲＥＧ）に対して、水晶振動子２４に加わる過渡的な電圧として電圧（ＶＲＥＧ）が加わることになり、この電圧（ＶＲＥＧ）により水晶振動子の絶対抵抗で割った励振電流によって、水晶振動子２４が励起され振動し始める。従来の水晶発振回路においては、図６に示すように、コンデンサ３５とバリキャップ３３の容量分割された電圧が加わるため、励振電流が少なく水晶振動子を励起させるのに時間を要していた。
【００２８】
図１に示すように、本実施の形態１の水晶発振回路では、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、負荷容量により決定される衝撃（励振電流）不足を改善する起動回路部５（スイッチ素子）を設け、ある一定期間コンデンサ３４，３５を短絡する回路構成とすることにより、比較的大きな発振励起を得ることができる。この起動回路部５によって、接続点を変更することにより、短時間で起動することができる。
【００２９】
また、図２は本発明の実施の形態２における水晶発振回路を示し、前述の実施の形態１と同様な効果を得ることができるものである。本実施の形態２は図２に示すように、コンデンサ３４とバリキャップ３２との間に、また、コンデンサ３５とバリキャップ３３との間に起動回路部５（スイッチ素子）を挿入して、起動時にコンデンサ，バリキャップ間を解放する回路構成とし、起動時には寄生容量を用いて発振を励起し、短時間で起動することができる。
【００３０】
さらに、図３は本発明の実施の形態３における水晶発振回路を示し、前述の実施の形態１，２と同様な効果を得ることができるものである。本実施の形態３は図３に示すように、起動回路部５としてコンデンサ３４，３５と並列に、かつコンデンサ３４，３５とバリキャップ３２，３３の各間に直列に設けた構成とする。
【００３１】
図４は本発明の実施の形態４における水晶発振回路を示し、前述の実施の形態１と同様の効果と消費電力、位相ノイズを低減することのできるものである。図４に示すように、増幅回路部４のインバータ４２への入力を、発振回路部２のインバータ２２の入力端子側に比べて出力振幅の大きいインバータ２２の出力端子側と接続する回路構成により、起動後の出力振幅レベルを抑えて消費電力、また位相ノイズを低減することができる。
【００３２】
図５は本発明の実施の形態５における水晶発振回路を示し、前述の各実施の形態と同様な効果と周波数変化の少ない発振振幅を得ることのできるものである。図５に示すように、図１の実施の形態１の構成に比べて、水晶振動子２４の一端がインバータ２２の入力端子と、また水晶振動子２４の他端がインバータ２２の出力端子に接続する回路構成とし、水晶振動子２４の接続位置による周波数変化の影響を抑えたものである。
【００３３】
以上のように各実施の形態の水晶発振回路の構成により、起動時間の遅延原因でもある負性抵抗Ｒ、負荷容量によって決定の励振電流不足を改善し、比較的大きな発振励起を得るため接続点を変更して、短時間で起動でき、さらに消費電力，位相ノイズを低減することができる。
【００３４】
なお、前述の各実施の形態において、発振回路部２にインバータ２２を用いた例を示し説明したが、バイポーラトランジスタを用いた構成として同様の効果を得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電源投入により水晶振動子に衝撃（励振電流）を与える起動回路部を設けることにより、短時間で起動し比較的大きな発振出力を得ることができ、かつ低消費電力化が図れ、低位相ノイズを実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における水晶発振回路の構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態２における水晶発振回路の構成を示す図
【図３】本発明の実施の形態３における水晶発振回路の構成を示す図
【図４】本発明の実施の形態４における水晶発振回路の構成を示す図
【図５】本発明の実施の形態５における水晶発振回路の構成を示す図
【図６】従来の水晶発振回路の構成を示す図
【符号の説明】
１ 定電圧源
２ 発振回路部
３ 負荷容量部
４ 増幅回路部
５ 起動回路部
１１ 電源電圧端子
１２ 定電圧回路
２２，４２ インバータ
２３，３６，３７ 抵抗
２４ 水晶振動子
３２，３３ バリキャップ
３４，３５ コンデンサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a crystal oscillation circuit using a crystal resonator which can obtain a relatively large oscillation output, can be started in a short time, and has low power consumption and low phase noise.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a crystal oscillation circuit has been frequently used as a reference frequency in an electronic device, and a transmission data rate has been increasing. In such electronic devices, intermittent operation and low-voltage operation are performed for the purpose of low power consumption, and lower phase noise of a reference frequency is also required. Therefore, there is a demand for an oscillation circuit that starts up in a short time and outputs a constant oscillation frequency with low power consumption and low phase noise for the crystal oscillation circuit used as the reference frequency. Therefore, the crystal oscillation circuit is also extremely useful as a circuit technology.
[0003]
This type of conventional crystal oscillation circuit is configured as shown in an example of a circuit diagram in FIG. In FIG. 6, 1 is a constant voltage source, 2 is an oscillation circuit section, 3 is a load capacitance section, 4 is an amplification circuit section, and 24 is a crystal oscillator. In the crystal oscillation circuit shown in FIG. 6, a constant voltage source 1 supplies power to the oscillation circuit section 2 and the amplification circuit section 4, and an oscillation loop is formed by the crystal oscillator 24, the oscillation circuit section 2, and the load capacitance section 3. , And output from the amplifier circuit section 4.
[0004]
The operation of the crystal oscillation circuit configured as described above will be described. When a power supply voltage is applied from a power supply voltage terminal 11 of the constant voltage source 1, a constant power supply voltage is supplied from the constant power circuit section 12 to the oscillation circuit section 2, the load capacitance section 3, and the crystal oscillator 24, When a potential is applied to the crystal oscillator 24, a shock is given to the crystal oscillator 24, and the oscillation starts. Then, the oscillation amplitude oscillated in the oscillation circuit unit 2 is amplified by the amplifier circuit unit 4 and output.
[0005]
The oscillation amplitude activation time of this crystal oscillation circuit is determined by the magnitude of the current excited when the crystal oscillator 24 is powered on and the magnitude of the negative resistance of the crystal oscillation circuit. ).
[0006]
(Equation 1)
Tst = 2 × L1 / (R−R1) × ln (k)
L1 and R1 in (Equation 1) are equivalent circuit constants of the crystal unit, k is a ratio of the amplitude in the steady state to the amplitude at startup, and R is the negative resistance value of the oscillation circuit unit 2 (hereinafter referred to as the negative resistance). Resistance R).
[0007]
The negative resistance R is mainly determined by the operation state (at the time of a small signal) of the transistor. The negative resistance R in the oscillation circuit unit 2 and the load capacitance unit 3 is given as (Equation 2).
[0008]
(Equation 2)
R = ΔVG / RON
= ID / (IR23 x gm x RON)
In Equation 2, ID is a drain current, IR23 is a current flowing through the resistor 23 in FIG. 6, gm is an amplification factor, and RON is an output impedance.
[0009]
As is apparent from (Equation 2), the negative resistance R has a dependency on ID (drain current) and gm (amplification factor). Further, when the oscillation amplitude output from the oscillation circuit unit 2 is amplified by the amplification circuit unit 4, the current consumption and the phase noise are determined by the oscillation amplitude input to the amplification circuit unit 4.
[0010]
Further, the oscillation frequency of the crystal unit 24 is given as (Equation 3).
[0011]
[Equation 3]
f = 1 / (2 × π × SQR (L1 × C1)) × SQR (1 + C1 / (C0 + CL))
Since it is determined by CL (capacitance value in the oscillation loop), the connection position of the crystal unit also has an effect of the frequency change.
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-62-30410
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case where the conventional crystal oscillation circuit shown in FIG. 6 is used, the oscillation output at the time of operation when the power supply voltage is applied depends on the negative resistance R and the load capacitance which are also causes of the start-up time delay. Had a phenomenon of decreasing. In addition, there is a problem in that current consumption increases and phase noise increases depending on the output amplitude level after startup.
[0014]
The present invention is directed to solving the above-described problems of the related art, and outputs an oscillation amplitude that does not cause a delay in a start-up time at the time of start-up, and a crystal with stable low current consumption and low phase noise after start-up. It is an object to provide an oscillation circuit.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, a crystal oscillation circuit according to the present invention amplifies an oscillation circuit section having a crystal oscillator, a load capacitance section forming an oscillation circuit and an oscillation loop, and an oscillation amplitude of the oscillation circuit section. In a crystal oscillation circuit comprising an amplifier circuit section for outputting the output signal, a change means for selectively changing the capacitance value of the load capacitor section is provided.
[0016]
Further, the changing means changes the first capacitance value and the second capacitance value of the load capacitance section to the second capacitance value after selecting the first capacitance value after applying the power supply voltage at the time of starting. And a starting circuit section for performing the operation.
[0017]
Further, the starting circuit unit is configured by a switching element for selecting either short circuit or open, short-circuited after turning on the power supply voltage at startup, and then opened, or opened after turning on the power supply voltage at startup. , And then short-circuited.
[0018]
Connecting the output terminal side of the inverter element constituting the oscillation circuit section and the amplification circuit section, inputting the oscillation amplitude of the oscillation circuit section to the amplification circuit section, and reducing current consumption and phase noise; or Connecting each input / output terminal of the inverter element constituting the oscillation circuit section and each terminal of the crystal oscillator to obtain an oscillation amplitude with a small frequency change, and further comprising an inverter element constituting the oscillation circuit section And a bipolar transistor.
[0019]
According to the above configuration, at the time of start-up at the time of turning on the power supply voltage, the configuration including the start-up circuit unit for improving the shortage of the excitation current due to the negative resistance R, which is also a cause of the delay of the start-up time, and the load capacity is relatively large. Oscillation amplitude can be obtained, and by changing the connection point, startup can be performed in a short time, and power consumption and phase noise can be reduced.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of the crystal oscillation circuit according to the first embodiment of the present invention. Here, components having the same functions and corresponding to the components described in FIG. 6 showing the conventional example are denoted by the same reference numerals, and the same is applied to the following drawings.
[0022]
In FIG. 1, a constant voltage is applied from a constant voltage source 1 to an oscillation circuit section 2 and an amplification circuit section 4 by a power supply voltage applied to a power supply voltage terminal 11. The oscillation circuit section 2 and the amplification circuit section 4 in FIG. 1 are represented as a configuration in which the constant voltage source 1 and the inverters 22 and 42 are connected, indicating that a power supply voltage is supplied to the oscillation circuit section 2 and the amplification circuit section 4. ing.
[0023]
The resistor 23 shown in FIG. 1 is connected in a feedback manner between the input and output terminals of the inverter 22, and one end of the crystal unit 24, one end of a capacitor 34 serving as a load capacitance of the crystal unit 24, and the amplifier circuit unit 4 are connected. ing. The other end of the capacitor 34 is connected in series with the varicap 32, and further connected to the resistor 36, and has a load capacity as viewed from one end of the crystal unit 24.
[0024]
The other end of the crystal resonator 24 is connected to the other end of the capacitor 35 whose one end is connected to the output terminal of the inverter 22. To the other end of the capacitor 35, a varicap 33 is connected in series, and further, a resistor 37 is connected.
[0025]
In addition, a switch element for short-circuiting the capacitor 34 and the capacitor 35 for a certain period of time is connected as the starting circuit unit 5. The resistors 36 and 37 are connected to the varicap voltage application terminal 31. The inverter 42 in the amplifier circuit section 4 is connected to the output terminal 41 to form a crystal oscillation circuit.
[0026]
The operation of the crystal oscillation circuit of the first embodiment configured as described above will be described below with reference to FIG.
[0027]
First, when a power supply voltage is applied to the power supply voltage terminal 11, a voltage (VREG) is output from the constant voltage circuit 12 of the constant voltage source 1. A voltage (VREG) is applied to the voltage (VREG) as a transient voltage applied to the crystal resonator 24, and the excitation current obtained by dividing the voltage (VREG) by the absolute resistance of the crystal resonator is used to generate the crystal. The vibrator 24 is excited and starts to vibrate. In a conventional crystal oscillation circuit, as shown in FIG. 6, since a voltage divided by the capacitor 35 and the varicap 33 is applied, the excitation current is small and it takes time to excite the crystal resonator.
[0028]
As shown in FIG. 1, in the crystal oscillation circuit according to the first embodiment, the shortage of the shock (excitation current) determined by the negative resistance R and the load capacitance, which is the cause of the start-up time delay during the operation of the power supply voltage, is improved. A relatively large oscillation excitation can be obtained by providing a circuit configuration in which the starting circuit unit 5 (switch element) is provided and the capacitors 34 and 35 are short-circuited for a certain fixed period. By changing the connection point by the starting circuit section 5, the starting can be performed in a short time.
[0029]
FIG. 2 shows a crystal oscillation circuit according to the second embodiment of the present invention, and the same effects as in the first embodiment can be obtained. In the second embodiment, as shown in FIG. 2, the start-up circuit unit 5 (switch element) is inserted between the capacitor 34 and the varicap 32 and between the capacitor 35 and the varicap 33 to start up. Sometimes, a circuit configuration is provided in which the space between the capacitor and the varicap is released. At the time of startup, the oscillation is excited using the parasitic capacitance, and the startup can be performed in a short time.
[0030]
FIG. 3 shows a crystal oscillation circuit according to the third embodiment of the present invention, and the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained. As shown in FIG. 3, the third embodiment has a configuration in which the starting circuit unit 5 is provided in parallel with the capacitors 34 and 35 and in series between the capacitors 34 and 35 and the varicaps 32 and 33.
[0031]
FIG. 4 shows a crystal oscillation circuit according to a fourth embodiment of the present invention, which can reduce the same effects, power consumption, and phase noise as those in the first embodiment. As shown in FIG. 4, a circuit configuration in which the input to the inverter 42 of the amplification circuit unit 4 is connected to the output terminal side of the inverter 22 having a larger output amplitude than the input terminal side of the inverter 22 of the oscillation circuit unit 2, Power consumption and phase noise can be reduced by suppressing the output amplitude level after startup.
[0032]
FIG. 5 shows a crystal oscillation circuit according to a fifth embodiment of the present invention, which can obtain the same effects as those of the above embodiments and an oscillation amplitude with a small frequency change. As shown in FIG. 5, one end of the crystal oscillator 24 is connected to the input terminal of the inverter 22 and the other end of the crystal oscillator 24 is connected to the output terminal of the inverter 22 as compared with the configuration of the first embodiment shown in FIG. In this case, the influence of the frequency change due to the connection position of the crystal unit 24 is suppressed.
[0033]
As described above, the configuration of the crystal oscillation circuit according to each of the embodiments improves the shortage of the excitation current determined by the negative resistance R, which is a cause of the delay of the start-up time, and the load capacitance, and obtains a relatively large oscillation excitation. Can be started in a short time, and power consumption and phase noise can be further reduced.
[0034]
In each of the above-described embodiments, an example in which the inverter 22 is used in the oscillation circuit unit 2 has been described. However, a similar effect can be obtained by using a bipolar transistor.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to start up in a short period of time and obtain a relatively large oscillation output by providing a start-up circuit unit that applies an impact (excitation current) to the crystal unit when the power is turned on. In addition, low power consumption can be achieved and low phase noise can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a crystal oscillation circuit according to a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a crystal oscillation circuit according to a second embodiment of the present invention; FIG. FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a crystal oscillation circuit in Embodiment 3; FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a crystal oscillation circuit in Embodiment 4 of the present invention; FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a crystal oscillation circuit in Embodiment 5 of the present invention; FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional crystal oscillation circuit.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Constant voltage source 2 Oscillation circuit part 3 Load capacitance part 4 Amplification circuit part 5 Start-up circuit part 11 Power supply voltage terminal 12 Constant voltage circuit 22, 42 Inverters 23, 36, 37 Resistance 24 Crystal oscillators 32, 33 Varicaps 34, 35 Capacitor
