JP2004242241A

JP2004242241A - 水晶発振回路

Info

Publication number: JP2004242241A
Application number: JP2003032149A
Authority: JP
Inventors: Hisato Takeuchi; 久人竹内
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】水晶発振回路において電圧／周波数起動特性に優れ、かつ位相ノイズ特性の優れた高安定な水晶発振回路システムを提供する。
【解決手段】電源投入時は奇数個（３段以上）のインバータで構成された発振回路で起動させて発振のためのトリガーを与え、発振が安定した後にインバータ１段で発振回路を構成する。３段のインバータ回路から１段のインバータにタイマー機能を用いて切り替えを行う。これによって、起動特性の良い、高安定、低電流、ローノイズな発振器を構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧可変容量素子を用いた電圧制御型発振器を利用分野とし、特に高精度に、電圧振幅起動特性、周波数起動特性を要求される分野のＶＣＸＯ、ＴＣＸＯ、ＶＣ−ＴＣＸＯに関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話等に使用される温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）はＩＣ化による小型化の流れがあり、発振回路は以下の４種類が主な回路方式であった。
１、バイポーラトランジスタを使用したコルピッツ型の発振回路（図２）、
２、バイポーラトランジスタのコレクタ−ベース間に帰還抵抗を入れたＢＩＰインバータ型発振回路（図３）、
３、ＭＯＳトランジスタのドレイン−ゲート間に帰還抵抗を入れたＭＯＳインバータ型発振回路（図４）、
４、ＰｃｈＭＯＳ・ＮｃｈＭＯＳを組み合わせたインバータに入力−出力間に帰還抵抗を入れたＣＭＯＳインバータ型発振回路（図５）。
【０００３】
近年、携帯電話の電池寿命を長くする為にＴＣＸＯの間欠動作が要求され始め、そうした場合の起動特性が非常に重要視され始めている。
【０００４】
また、近年のＴＣＸＯの小型化により当然、水晶振動子の小型化も進んでいる。水晶振動子が小型になると等価直列インピーダンスＣ１の定数が小さくなり、水晶発振器としての起動特性が遅くなる方向になっている。
【０００５】
これらを対策する為に発振インバータを３段にして出力が安定したレベルを検知し、その後、１段インバータに切り替える装置を備えたものがある（例えば特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６２−１０９４０６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
水晶発振回路の起動特性は発振回路の負性抵抗に大きく依存している。負性抵抗を大きくするのはインバータ回路を奇数段接続にすれば従来のものより３倍以上の負性抵抗を得る事が出来、起動特性を向上させる事が可能である。しかしながら、インバータ回路を奇数段接続するのは以下の４つの課題が有る。
１、負性抵抗を大きくしすぎると水晶振動子の３逓倍、５逓倍などの高次の周波数で発振してしまう危険性がある。
２、インバータ回路を奇数段使用するので電流が増大する。従来は１段であったが３段にした場合、最適化を図るにしても２倍程度の電流増加になる。
３、インバータ回路を奇数段経由するので位相ノイズ特性が悪化する。３段を経由する事になるとインバータ３段分のノイズが発振出力のＣ／Ｎ（位相ノイズ）に重畳されてあらわれる。
４、３段インバータ発振を安定させてから、１段に切り替えては水晶から見た寄生容量が大きく変化するため、周波数が安定するまでに更に時間がかかってしまう。
【０００８】
３段以上の奇数インバータ発振回路は非常に負性抵抗が大きい為、発振のトリガーとして使用するのみとし、非常に短い時間での切り替えを必要とし切り替え後、１段インバータで安定発振させる必要がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の発振回路システムは、水晶発振器の周波数起動特性と電圧起動特性を従来のものより改善するために電源投入時は奇数個（３段以上）のインバータで構成された発振回路で起動させ発振のトリガーを与える。微小振動が発生したところで従来のインバータ１段で発振回路を構成し、高調波での発振防止、電流削減、位相ノイズの悪化防止を行う。また、３段以上のインバータ回路から１段インバータに切り替えする場合はタイマー機能を事前に構成しておき、このタイマー時間でスイッチを切り替える。これを実現する事により、起動特性の良い高安定、低電流、ローノイズな発振器を構成することができる。
【００１０】
この構成により、携帯電話の省電力化により水晶発振器を間欠動作させる時に問題になっていた、水晶の起動特性を改善し、携帯電話本体の電池寿命を伸ばすことができる。
【００１１】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のインバータ型発振回路の実施形態を示す。
【００１３】
本発明の電圧制御型発振器の実施形態の回路構成で、図中、１は水晶振動子、２は帰還抵抗、３はＤＣカット容量、５は発振用インバータ、６は制御電圧印加用抵抗、４は可変容量素子、７は起動特性改善用インバータ、８はトランスファゲート（ＴＧ）、９はＴＧの駆動用インバータ、１１は起動特性改善用インバータの電源スイッチである。
【００１４】
その他に起動特性改善用インバータをＯＦＦさせるタイマー（ＴＧ８とＰｃｈＭＯＳ１１を制御する回路）を備え、このタイマーはＶＣＣの立ち上がりをトリガーとする。
【００１５】
発振回路の出力にはバッファ回路を備える。
【００１６】
動作は以下に説明する。定常発振時は１から６で構成される発振回路にて動作する。一般的なインバータ発振回路でバラクタにＶｃ端子より制御電圧を与えることにより周波数の変化を得ている。
【００１７】
起動特性を改善するために負性抵抗を大きくする必要がある。そのために発振用インバータを３段にして負性抵抗を大きくし起動特性の改善を図る。
【００１８】
ここで、高次のオーバートーン発振や環境の変化に対し周波数が変動する不安定な状態を回避するために、タイマー回路、トランスファゲート（ＴＧ）を構成し、起動時に３段インバータ型発振回路で動作させる。起動後は１段インバータ型発振回路に切り替えて発振動作を安定化させる。
【００１９】
タイマー回路は電源投入と同時にカウントを始め、微小振動の発生する数１００μＳ後にカウントアップしてＨＩＧＨからＬＯＷに切り替わる。
【００２０】
またＴＧ８はタイマー回路により制御されタイマーカウント時は開放状態にありカウントアップ時にショート状態となる。
【００２１】
また、ＰｃｈＭＯＳ１１はタイマーカウント時にＯＮ状態で起動改善用インバータに電力を供給し、カウントアップ後にＯＦＦ状態になり起動改善用インバータをＯＦＦさせる。
【００２２】
以上により、起動時は起動特性のよい１３段インバータ型発振回路で動作させ、定常時は１段インバータ型発振回路でより安定な発振を得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、一般的な１段インバータ型発振回路に、起動時のみ起動特性改善用のインバータと、起動改善用インバータの電源をＯＦＦさせるＰｃｈＭＯＳスイッチ、起動改善用インバータの入出力をショートさせるＴＧ、これらのスイッチを時間制御するタイマー回路を備え構成することにより、起動特性に優れ、且つ諸特性の安定した発振器を提供することができる。
【００２４】
さらに、携帯電話などで使用する場合、発振器を間欠動作で設計を行っても起動時間が速いためにＷＡＩＴＴＩＭＥをとる必要が無いため速いシステム起動ができ、電池寿命の延命にも貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインバータ切り替え型発振回路を示す図
【図２】従来型のコルピッツ型発振回路を示す図
【図３】従来型のバイポーラ型インバータ発振回路を示す図
【図４】従来型のＭＯＳ型インバータ発振回路を示す図
【図５】従来型の一段型インバータ発振回路を示す図
【符号の説明】
１水晶振動子
２帰還抵抗
３ＤＣカット容量
４バラクタダイオード
５発振用インバータ
６制御電圧印加用抵抗
７起動特性改善用インバータ
８トランスファゲート
９ＴＧ制御用インバータ
１１スイッチ用ＰｃｈＭＯＳ

Claims

水晶発振回路にインバータ回路方式を採用しそのインバータ回路のインバータ段数を奇数個備え、段数の切り替えが出来るスイッチを備え、スイッチする時間を設定できるタイマ回路を備えた発振器回路。