JP2006165720A - 発振回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明の課題は、広い温度範囲においても安定した発振動作が可能な発振回路を提供することである。
【解決手段】 本発明の発振回路１は、入出力端子間に帰還回路７を接続した第１インバータ（ＩＮＶ１）と、帰還回路７内に設けた固有振動子(固有振動子)ＸＬと、第１インバータ（ＩＮＶ１）に電圧を印加する電源回路５とを備え、電源回路５から出力される電圧が温度変化に応じて変化するようにして、広い温度範囲において安定した発振動作を行なうようにしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶振動子などの固有振動子を使用した発振回路に関し、特に使用環境温度範囲を広くとっても安定した発振を行うことができる発振回路に関する。
特許文献１には時計や携帯電話などに用いられる水晶発振回路の技術が開示されている。携帯機器の場合、さまざまな環境で使用されるため、特に広範囲な温度環境下での安定した動作が求められる。図３に従来一般的に用いられている水晶発振回路の例を示す。図３に示すように発振回路は、インバータ(INV1)、抵抗(R1)、水晶振動子(XL)、２つのコンデンサ(C1、C2)、及び定電圧回路で構成しており、インバータ(INV1)の電源電圧(Vo)をほぼ一定に保つ必要があるため、インバータ(INV1)の電源は定電圧回路の出力(Vo)から供給するようにしている。
特開２００３−２８３２４９号公報
しかしながら、インバータ(INV1)の電源を定電圧電源から一定電圧(Vo)を供給した場合、インバータ(INV1)の回路を構成しているＭＯＳＦＥＴの伝達コンダクタンス(gm)は温度依存性をもってしまい、周囲温度が大きく変化すると、伝達コンダクタンス(gm)も変化する。伝達コンダクタンス(gm)が低下すると、ループゲインが１以下となって発振条件を満足しなくなり、逆に伝達コンダクタンス(gm)が大きくなると、異常発振を生じてしまうという問題がある。
本発明は、広い温度範囲においても安定した発振動作が可能な発振回路を提供することである。
前記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、入出力端子間に帰還回路を接続した第１インバータと、帰還回路内に設けた固有振動子と、第１インバータに電圧を印加する電源回路とを備え、電源回路から出力される電圧が温度変化に応じて変化することを特徴とする。
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、電源回路は定電圧源と、定電流源と、第２インバータとを備え、第２インバータは出力端子と入力端子とを短絡してあり、定電流源の電流は第２インバータの電源端子に供給されており、定電圧源の出力電圧は第２インバータの電源電圧と同じ電圧にしていることを特徴とする。
請求項３に記載された発明は、請求項２に記載の発明において、第２インバータはＮｃｈＭＯＳＦＥＴとＰｃｈＭＯＳＦＥＴとからなり、第２インバータは第１インバータと回路構成、電気特性及び温度特性を同じにしてあることを特徴とする。
本発明によれば、固有振動子を備えた発振回路において、電源回路から出力される電圧が温度変化に応じて変化するようにしたので、伝達コンダクタンスに温度依存性がなくなり、広い温度範囲で安定した発振動作が可能となる。
以下に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明に係る発振回路を示す電気回路図、図２は図１に係るインバータを示す回路図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る発振回路１は発振回路部３と発振回路部３に電力を供給する電源回路５とを備えている。発振回路部３は入出力端子間に帰還回路７を接続した第１インバータ(INV1)と、抵抗(R1)と、水晶振動子(固有振動子XL)、２つのコンデンサ(C1、C2)で構成されている。
抵抗(R1)は第１インバータ(INV1)の入出力間に接続されており、第１インバータ(INV1)をアナログ増幅回路として動作させている。水晶振動子(XL)も第１インバータ(INV1)の入出力間に接続されており、第１インバータ(INV1)を水晶振動子(XL)の固有振動数で発振させている。また、コンデンサ(C1)は第１インバータ(INV1)の入力端子と負側の電源(Vss)に接続しており、コンデンサ(C2)は第１インバータ(INV1)の出力端子と負側の電源(Vss)に接続されている。
第１インバータ(INV1)の電源回路５は、電流源(I1)と、４つのＭＯＳＦＥＴ(M1〜M4)と、ＣＭＯＳ構成の第２インバータ(INV2)および差動増幅回路(AMP1)で構成されている。なお、第２インバータ(INV2)は発振回路部３で使用されているインバータ(INV1)と全く同じ物を使用している。インバータ(INV2)の回路構成は図２に示す。
４つのＭＯＳＦＥＴ(M1〜M4)は、ＮｃｈＭＯＳＦＥＴ(M1、M2)とＰｃｈＭＯＳＦＥＴ(M3、M4)とに分かれている。ＮｃｈＭＯＳＦＥＴ(M1、M2)はゲートを共通接続し、ソースを負側の電源(Vss)に接続しており、カレントミラー回路を構成している。さらに、ＭＯＳＦＥＴ(M1)のゲートはドレインに接続され、そのドレインと電源(Vdd)との間に電流源(I1)が接続されているので、ＭＯＳＦＥＴ(M2)のドレイン電流は電流源(I1)と比例した電流になる。
ＰｃｈＭＯＳＦＥＴ(M3、M4)もゲートを共通接続し、ソースは電源(Vdd)に接続されており、カレントミラー回路を構成している。ＭＯＳＦＥＴ(M3)のドレインとＭＯＳＦＥＴ(M2)のドレインは接続されているので、ＭＯＳＦＥＴ(M3)のドレイン電流は、ＭＯＳＦＥＴ(M2)のドレイン電流と等しい。また、ＭＯＳＦＥＴ(M3)のゲートとドレインが接続されているので、ＭＯＳＦＥＴ(M4)のドレイン電流(I4)も電流源(I1)に比例した電流となる。 ＭＯＳＦＥＴ(M4)のドレインは第２インバータ(INV2)の電源(Vin)に接続されている。 また第２インバータ(INV2)の入力端子と出力端子は短絡している。この状態において第２インバータ(INV2)の電源(Vin)にＭＯＳＦＥＴ(M4)のドレイン電流(I4)である定電流を印加すると、図２に示す第２インバータ(INV2)の回路を構成しているＰｃｈＭＯＳＦＥＴ(M21)とＮｃｈＭＯＳＦＥＴ(M22)は、飽和動作となる。
ＭＯＳＦＥＴの飽和領域における伝達コンダクタンス(gm)はドレイン電流（Id）の関数で表され、次式で示される。
（式１）
ｇｍ＝√（ｋ*Id）…（１）
尚、ｋはプロセスとトランジスタサイズにより決まる定数である。
ここで電流源(I1)を温度変化に対して電流値が変化しないような定電流としておけば、伝達コンダクタンス(gm)は温度変化に対して一定となる。
またＭＯＳＦＥＴの飽和領域における伝達コンダクタンス(gm)はＰｃｈＭＯＳＦＥＴ(M21)とＮｃｈＭＯＳＦＥＴ(M22)のゲート−ソース間電圧（Vg）と閾値電圧（Vt）の差で表わすこともでき、次式で示される。
（式２）
ｇｍ＝２ｋ（Vg-Vt）…（２）
尚、Vgはゲート・ソース間電圧、Vtは閾値電圧である。
第２インバータ(INV2)の電源電圧(Vin)は、ＰｃｈＭＯＳＦＥＴ(M21)とＮｃｈＭＯＳＦＥＴ(M22)のゲート・ソース間電圧（Vg）の和であるが、閾値電圧（Vt）は温度依存性があるので、（２）式より、伝達コンダクタンス(gm)が一定の条件では、ゲート・ソース間電圧（Vg）も温度依存性をもつことになる。従って、第２インバータ(INV2)の電源電圧(Vin)は温度変化に応じて変化するようになる。
第２インバータ(INV2)の電源電圧(Vin)は、演算増幅回路(AMP1)の非反転入力端子(+)に印加されている。演算増幅回路(AMP1)は出力端子と反転入力端子(-)が接続されてボルテージフォロア回路を構成している。よって、演算増幅回路(AMP1)の出力電圧(Vo)は第２インバータ(INV2)の電源電圧(Vin)と同じになる。この電圧が発振回路部３の第１インバータ(INV1)の電源電圧(Vo)となる。
すなわち、電源回路５に含まれている第２インバータ(INV2)の電源電圧(Vin)と、発振回路部３の第１インバータ(INV1)の電源電圧(Vo)は同じ電圧になっている。第２インバータ(INV2)の回路を構成しているＭＯＳＦＥＴ(M21、M22)の伝達コンダクタンス(gm)は温度変化に対して一定であり、発振回路部３のインバータ(INV1)は第２インバータ(INV２)と全く同じ回路構成で、かつ電気的特性と温度特性も同じにしてあるので、第１インバータ(INV1)の電源電圧(Vo)が第２インバータ(INV2)の電源電圧(Vin)と同じ場合は、第１インバータ(INV1)の回路を構成しているＰｃｈＭＯＳＦＥＴ(M21)とＮｃｈＭＯＳＦＥＴ(M22)の伝達コンダクタンス(gm)も、第２インバータ(INV2)と同じ状態となる。よって、使用環境における温度が大きく変化しても、発振回路部３の第１インバータ(INV1)の発振安定度は変化せず、安定な発振動作を維持することができる。
本発明に係る発振回路を示す電気回路図である。 図１に係るインバータを示す回路図である。 従来例に係る発振回路を示す電気回路図である。
符号の説明
１ 発振回路
５ 電源回路
７ 帰還回路
ＩＮＶ１ 第１インバータ
ＩＮＶ２ 第２インバータ
Ｉ１ 電流源
ＸＬ 水晶振動子(固有振動子)


Claims (3)

  1. 入出力端子間に帰還回路を接続した第１インバータと、帰還回路内に設けた固有振動子と、第１インバータに電圧を印加する電源回路とを備え、電源回路から出力される電圧が温度変化に応じて変化することを特徴とする発振回路。
  2. 電源回路は定電圧源と、定電流源と、第２インバータとを備え、第２インバータは出力端子と入力端子とを短絡してあり、定電流源の電流は第２インバータの電源端子に供給されており、定電圧源の出力電圧は第２インバータの電源電圧と同じ電圧にしていることを特徴とする請求項１に記載の発振回路。
  3. 第２インバータはＮｃｈＭＯＳＦＥＴとＰｃｈＭＯＳＦＥＴとからなり、第２インバータは第１インバータと回路構成、電気特性及び温度特性を同じにしてあることを特徴とする請求項２に記載の発振回路。


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