JP2007096947A - Piezoelectric oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電発振器に関し、特に非動作状態から発振動作状態となるまでの起動時間を短縮した圧電発振器に関する。 The present invention relates to a piezoelectric oscillator, and more particularly to a piezoelectric oscillator that shortens a startup time from a non-operation state to an oscillation operation state.
携帯電話はバッテリーの消費を抑えて長時間の連続使用ができるように基準発信源として使用する水晶発振器を間欠動作させて低消費電力化を図っている。
このように間欠動作する水晶発振器にあっては駆動開始から所望の出力信号を発振するまでに要する起動時間が短時間であることが望まれており、WO02/007302号公報に示すような構成のものがある。
図11は、先行文献に開示された水晶発振器の回路図を示すものである。
同図に示す水晶発振器100は、コルピッツ型の水晶発振回路101と、高速起動用回路102とを備えたものである。
水晶発振回路101は、発振用トランジスタ103のベースに、一端が容量104を介して接地と接続した水晶振動子105の他方端を接続し、ベースと接地との間に容量106と容量107とから成る直列回路を挿入接続し、この直列回路の接続中点とトランジスタ103のエミッタとを接続すると供に、エミッタと接地との間にエミッタ抵抗108を接続した構成を有する。
そして更に、ベース接地増幅回路を構成するためのトランジスタ109とトランジスタ103とをカスコード接続し、トランジスタ109のベースと接地との間に容量110を挿入接続し、トランジスタ109のコレクタと電源電圧Vccラインとの間にコレクタ抵抗111を挿入接続し、トランジスタ109のベースと電源電圧Vccラインとの間に定電流回路112を挿入接続し、抵抗113と抵抗114とからなる回路網によってトランジスタ103とトランジスタ109にベースバイアスを適宜印加する構成を備えたものである。
高速起動用回路102は、PNP型トランジスタ115のエミッタと電源電圧Vccラインとを抵抗116を介して接続し、トランジスタ115のベースと電源電圧Vccラインとを容量117を介して接続し、トランジスタ115のベースと接地とを容量118を介して接続し、トランジスタ115のコレクタと水晶振動子105の他方端とを抵抗119と抵抗120とから成る直列回路を介して接続した構成を有する。
そして、抵抗119と抵抗120とから成る直列回路の接続中点にトランジスタ121のベースを接続し、トランジスタ121のコレクタを抵抗122を介して電源電圧Vccラインに接続しトランジスタ115とトランジスタ121とをダーリントン接続すると供に、トランジスタ121のエミッタを水晶振動子105の他方端に接続したものである。
このような構成の水晶発振器は、電源電圧Vccの印加後に生じる容量117への電荷のチャージによってトランジスタ115がON動作することにより、トランジスタ121がON動作して水晶振動子105の他方端へ電源電圧Vccを起動促進用電圧として印加するよう動作するものである。
そして、水晶発振器100は、電源電圧Vccを印加した直後から水晶振動子105が起動促進用電圧の印加を受けて強励振するので、出力信号のレベルが所望のレベルに達するまでの時間が短時間なものとなる。
この場合、水晶発振器100が効率良く高速起動する為には水晶振動子105を強励振させるだけ十分に高い電位であって、急峻な立ち上がり特性を有する起動促進用電圧を水晶振動子105へ印加さえすれば良いと考えられていた。
その為、トランジスタ115がON動作するタイミングを電源電圧Vccがピーク値に達するまでに要する時間のみを規定し、当該所定の時間が得られるよう容量117と容量118との容量比を調整した構成とすれば良いと考えられていた。
Cellular phones are designed to reduce power consumption by intermittently operating a crystal oscillator that is used as a reference transmission source so that the battery can be used continuously for a long time.
In such a crystal oscillator that operates intermittently, it is desired that the startup time required from the start of driving to the oscillation of a desired output signal is short, and the configuration as shown in WO 02/007302 There is something.
FIG. 11 shows a circuit diagram of the crystal oscillator disclosed in the prior art.
A
In the
Further, the
The fast start-
The base of the
In the crystal oscillator having such a configuration, the
In the
In this case, in order to start the
Therefore, only the time required for the power supply voltage Vcc to reach the peak value is defined as the timing at which the
しかしながら、起動促進用電圧を水晶振動子に印加するタイミングを電源電圧Vccがピーク電圧に達した時となるよう設定した従来の水晶発振器は、水晶振動子105の周波数の違いによっては十分に高速起動しない場合があった。
解決しようとする課題は、非動作状態から発振動作状態となるまでの起動時間を短縮した圧電発振器を提供することである。 The problem to be solved is to provide a piezoelectric oscillator that shortens the startup time from the non-operating state to the oscillating operating state.
本発明は、高速起動用回路を備えた圧電発振器であり、圧電振動子の励振信号の1周期をλと表したときに、高速起動用回路から圧電振動子に供給する起動促進用電圧の供給タイミングを電源電圧印加時点から(2×λ×(2×n−1))/5〜(3×λ×(2×n−1))/5の範囲内(nは正の整数)としたことを特徴とする。 The present invention is a piezoelectric oscillator provided with a high-speed start-up circuit. When one period of the excitation signal of the piezoelectric vibrator is represented by λ, supply of a start-up promotion voltage supplied from the high-speed start-up circuit to the piezoelectric vibrator Timing is set within the range of (2 × λ × (2 × n−1)) / 5 to (3 × λ × (2 × n−1)) / 5 from the point of application of the power supply voltage (n is a positive integer) It is characterized by that.
本発明の圧電発振器は、高速起動用回路から圧電振動子又は発振ループ回路に供給する起動促進用電圧の印加タイミングを圧電振動子の励振信号の振幅レベルを基準にしたので、あらゆる圧電発振器に対して起動時間の短縮化を実現できるという利点がある。 The piezoelectric oscillator according to the present invention is based on the amplitude level of the excitation signal of the piezoelectric vibrator based on the application timing of the activation promoting voltage supplied from the high speed starting circuit to the piezoelectric vibrator or the oscillation loop circuit. This has the advantage that the startup time can be shortened.
図1は、本発明に基づく圧電発振器を説明する為の回路図である。
同図に示す圧電発振器1は、例えばコルピッツ型の水晶発振回路2と、高速起動用回路3とを備えたものである。
水晶発振回路2は、発振用トランジスタ4のベースに、一端が容量5を介して接地と接続した水晶振動子6の他方端を接続し、ベースと接地との間に容量7と容量8とから成る直列回路を挿入接続し、この直列回路の接続中点とトランジスタ4のエミッタとを接続すると供に、エミッタと接地との間にエミッタ抵抗9を接続した構成を有する。
そして更に、ベース接地増幅回路を構成するためのトランジスタ10とトランジスタ4とをカスコード接続し、トランジスタ10のベースと接地との間に容量11を挿入接続し、トランジスタ10のコレクタと電源電圧Vccとの間に抵抗12を挿入接続し、トランジスタ10のベースと電源電圧Vccラインとの間に定電流回路13を挿入接続し、抵抗14と抵抗15とから成る回路網によってトランジスタ4とトランジスタ10とにベースバイアスを適宜印加する構成を備えたものである。
高速起動用回路3は、所謂スイッチ回路であり、トランジスタ16のコレクタと電源電圧Vccラインとの間に抵抗17を挿入接続し、トランジスタ16のベースと電源電圧Vccラインとの間に容量18を挿入接続すると供に、トランジスタ16のベースと接地との間にダイオード19を逆方向接続するよう挿入した構成を備えたものである。
そして、このような構成の圧電発振器1は、電源電圧Vccを印加すると、スイッチ回路のON/OFF動作制御回路(ON/OFF動作制御素子)として機能する容量18に電荷がチャージし始め、これに伴いトランジスタ16にベース電流が供給されるので、トランジスタ16から成るスイッチ回路がON動作して電源電圧Vccラインと水晶振動子6の他方端とが電気的に接続するよう機能するものである。
そして、図1に示す圧電発振器1の場合では、所望の時定数を有する容量C18を選択することにより、トランジスタ16がONするタイミングを電源電圧Vccを印加した時点から所定の時間だけ遅延させことが可能である。
そして、本発明の特徴は、水晶振動子6又は発振ループ回路への起動促進用電圧の印加タイミングを水晶振動子6の励振信号の振幅レベルがほぼピーク値となった時としたことである。
即ち、圧電発振器1に於ける水晶振動子6の励振信号の1周期をλとして表したとき、水晶振動子6の励振信号の振幅が極大値となる時から前後0.1λの範囲内、更に望ましくは振幅が極大値となった時、又は他の表現としては、電源電圧Vccを印加した時では水晶振動子6の励振信号のレベルは一般的に極小値であるから電源電圧Vccを印加した時点から周期が(2×λ×(2×n−1))/5)〜(3×λ×(2×n−1))/5の範囲内の時、更に望ましくは周期が(λ×(2×n−1))/2の時にトランジスタ16がON動作するに伴い電源電圧Vccを起動促進用電圧として水晶振動子6又は発振ループ回路に印加するものであり、これにより水晶振動子6の励振動作をスムーズに促進させることが可能である(nは正の整数)。
そして、圧電発振器1が最も早期に且つスムーズに高速起動できる為に、圧電発振器1は、電源電圧Vccを印加した時点から周期が(2×λ)/5〜(3×λ)/5の範囲内の時、更に望ましくはλ/2の時に起動促進用電圧を水晶振動子6又は発振ループ回路に印加するよう高速起動用回路3が機能するものである所が特徴である。
この時間の設定については所望の時定数を有する容量C18を選択することにより実現できるものである。
以下に、本発明に基づく圧電発振器1の起動特性が高速化するものであることをシミュレーション結果に基づいて説明する。
図2〜図5は、水晶振動子6への起動促進用電圧の印加タイミングと圧電発振器1の起動特性との関係を示したものであり、図2は、水晶振動子6の励振信号が電源電圧Vcc印加時点を基準に2λに達した時に、図3は、水晶振動子6の励振信号が電源電圧Vcc印加時点を基準に1λに達した時に、図4は、水晶振動子6の励振信号が電源電圧Vcc印加時点を基準に1.5λに達した時に、図5は、水晶振動子6の励振信号が電源電圧Vcc印加時点を基準に0.5λに達した時にそれぞれ高速起動用回路3が水晶振動子6に起動促進用電圧を印加した場合の起動特性をシミュレーションした結果である。
尚、起動促進用電圧とは、電源電圧Vccが印加と供に増加し、ピーク電圧値に達した時点の電圧のことである。
水晶振動子6の励振信号は、電源電圧Vccを印加した時点では極小値の振幅レベルからスタートするので電源電圧Vccを印加した時点を基準に水晶振動子6の励振信号が2λに達した時の振幅レベルは極小値である。
この時に起動促進用電圧Pを水晶振動子6に印加すると図2に示すように起動促進用電圧Pの印加直後から水晶振動子6は励振動作が停止状態若しくは十分な励振動作が起きない状態となることが理解できる。
更に、水晶振動子6の励振信号がλに達した時にも水晶振動子6の振幅レベルが極小値であり、この時に起動促進用電圧Pを水晶振動子6に印加すると図3に示すように起動促進用電圧Pの印加直後から水晶振動子6は励振動作が停止状態若しくは十分な励振動作が起きない状態となることが理解できる。
一方、水晶振動子6の励振信号が1.5λに達した時《(λ×(2×n−1))/2、n=2の時》には水晶振動子6の励振レベルが極大値であり、この時に起動促進用電圧Pを水晶振動子6に印加すると図4に示すように起動促進用電圧Pを印加後でも水晶振動子6は励振動作を持続すると供にその振幅レベルが高い状態となることが理解できる。
更に、水晶振動子6の励振信号が0.5λに達した時《(λ×(2×n−1))/2、n=1の時》にも水晶振動子6の励振レベルが極大値であり、この時に起動促進用電圧Pを水晶振動子6に印加すると図5に示すように図4にて示した場合と比較しても水晶振動子6は強励振した状態となる。
そして、水晶振動子6の励振信号が極大値となる条件は、0.5λより早い時期には存在しないので、この0.5λの時(第1次ピーク振幅レベルの時)に起動促進用電圧を印加したときが最も圧電発振器1を高速起動させることができる。
尚、回路の設定条件の誤差によっては必ずしも起動促進用電圧を0.5λの時点で印加することができない場合があるが、起動促進用電圧を理想の0.5λの時点で印加したときの水晶振動子6の振幅レベルを基準にした場合、これよりレベルの減衰が約30%以内までの起動特性であれば圧電発振器1の起動特性としては著しく悪いものではない。
そこで、上述した30%減衰した励振レベルである起動特性が得られるような起動促進用電圧の印加タイミングについてシミュレーションした結果を図6に示す。
同図に示すように起動促進用電圧Pを水晶振動子6の励振信号が0.5λとなった時点で印加した場合の励振信号の振幅レベルに対して、30%減衰した振幅レベルを得るには、約0.6λの時点で水晶振動子または発振ループ回路に起動促進用電圧を印加すれば良いことが分った。
尚、約0.4λの時点に於いても0.6λと振幅レベルが等しいので同等の起動特性が得られる。
従って、水晶振動子6の励振信号の極大値に起動促進用電圧を印加した場合と比較して殆ど遜色ない起動特性が得られる条件は、水晶振動子6の励振信号の極大値に対して±0.1λ、即ち、(2×λ×(2×n−1))/5)〜(3×λ×(2×n−1))/5の範囲内の時(但し、n=正の整数)であり、更に、最も優れた起動特性が得られるタイミング0.5λと比較して殆ど遜色ない起動特性が得られる条件は(2×λ)/5〜(3×λ)/5の範囲内である。
以上、説明した通り、本発明の特徴は、電源電圧Vccのピークである起動促進用電圧を印加するタイミングを水晶振動子6の励振信号が振幅レベルの極大値に達した時にした所にあるから、圧電発振器を構成する際には、起動促進用電圧の立ち上がり時間や、スイッチ回路のON動作時間などを厳密に設定する必要があり、これを実現する為には、回路調整が高精度に行える圧電発振器であることが望ましい。
そこで、以下に回路調整を高精度に行える圧電発振器についてその構成等を説明する。
尚、水晶発振回路2の構成については図1に示すものと同じなので説明を省略する。
図7に示す圧電発振器1は、高速起動用回路3が、トランジスタ16のコレクタと電源Vccラインとの間に抵抗17を挿入接続し、トランジスタ16のベースにトランジスタ20のベースを接続し、トランジスタ20のコレクタと電源電圧Vccラインとの間に抵抗21を挿入接続し、更にトランジスタ20のベース・エミッタ間に抵抗22を挿入接続し、トランジスタ20のベースとトランジスタ23のエミッタとを抵抗24を介して接続し、トランジスタ23のベースを容量18とダイオード19の接続中点に接続した構成を有したものである。
このような構成の圧電発振器1の場合、起動促進用電圧を印加するタイミングの設定を調整するには、容量18と抵抗24の時定数を所望の値に設定すればよく、容量18のみで調整する場合と比較して調整部が2箇所であることから高い調整精度が得られるものである。
図8に示す圧電発振器1は、高速起動用回路3が、PNP型のトランジスタ16を備え、トランジスタ16のベースにトランジスタ25のコレクタを接続すると供に、トランジスタ16のベースと電源電圧Vccラインとの間に抵抗26を挿入接続し、トランジスタ25のエミッタと接地との間に抵抗27を挿入接続し、トランジスタ25のベースと電源電圧Vccラインとの間に容量18を挿入接続し、トランジスタ25のベースと接地との間にダイオード19を逆方向に接続した構成を有したものである。
このような構成の圧電発振器1の場合、起動促進用電圧を印加するタイミングの設定を調整するには、容量18と抵抗26と抵抗27の時定数を所望の値に設定すればよく、容量18のみで調整する場合等と比較して調整部が3箇所であることから高い調整精度が得られるものである。
図9に示す圧電発振器1は、高速起動用回路3が、トランジスタ28のエミッタと水晶振動子6の他方端とを抵抗29と抵抗30とから成る直列回路を介して接続し、当該直列回路の接続中点にトランジスタ16のベースを接続すると供にトランジスタ16のコレクタを抵抗17を介して電源電圧Vccラインに接続し、トランジスタ16のエミッタを水晶振動子6の他方端に接続し、トランジスタ18のベースと電源電圧Vccラインとの間に容量18を挿入接続すると供に、トランジスタ18のベースと接地との間にダイオード19を逆方向接続した構成を有したものである。
このような構成の圧電発振器1であっても、起動促進用電圧を印加するタイミングの設定を調整は容量18と抵抗17及び抵抗29の時定数を所望の値に設定することで可能であり、容量18のみで調整する場合等と比較して調整部が3箇所であることから高い調整制度が得られるものである。
更に、図10に示すように水晶発振回路2と高速起動用回路3とを別電源とした構成である。
このような構成の場合、高速起動用回路3の電源Vcc’そのものの投入タイミングを水晶発振回路2の電源電圧Vccの投入タイミングよりも遅延さることができるので、起動促進用電圧を印加するタイミングを設定する場合は、容量18と抵抗17及び抵抗29の時定数の調整に加え電源電圧Vcc’の投入タイミングを調整・設定すればよいので、より高い調整精度を求めることができる。
FIG. 1 is a circuit diagram for explaining a piezoelectric oscillator according to the present invention.
The
In the
Further, the
The fast start-
Then, when the power supply voltage Vcc is applied, the
In the case of the
A feature of the present invention is that the timing of applying the activation promoting voltage to the
That is, when one period of the excitation signal of the
Since the
This time setting can be realized by selecting a capacitor C18 having a desired time constant.
Hereinafter, it will be described based on simulation results that the startup characteristics of the
2 to 5 show the relationship between the application timing of the activation promoting voltage to the
The startup promoting voltage is a voltage at the time when the power supply voltage Vcc increases with application and reaches a peak voltage value.
The excitation signal of the
At this time, when the activation promoting voltage P is applied to the
Further, even when the excitation signal of the
On the other hand, when the excitation signal of the
Furthermore, when the excitation signal of the
Since there is no condition for the excitation signal of the
Note that, depending on the error in the circuit setting conditions, it may not always be possible to apply the startup promoting voltage at the time of 0.5λ, but the crystal when the startup promoting voltage is applied at the ideal time of 0.5λ. When the amplitude level of the
Therefore, FIG. 6 shows the result of a simulation of the application timing of the start-up promoting voltage that can obtain the start-up characteristic with the excitation level attenuated by 30%.
As shown in the figure, to obtain the amplitude level attenuated by 30% with respect to the amplitude level of the excitation signal when the activation promoting voltage P is applied when the excitation signal of the
Even at the time of about 0.4λ, since the amplitude level is equal to 0.6λ, the same starting characteristics can be obtained.
Therefore, the condition for obtaining a startup characteristic that is almost inferior to the case where the startup acceleration voltage is applied to the maximum value of the excitation signal of the
As described above, the feature of the present invention is that the timing for applying the activation promoting voltage, which is the peak of the power supply voltage Vcc, is set when the excitation signal of the
Therefore, the configuration and the like of a piezoelectric oscillator that can perform circuit adjustment with high accuracy will be described below.
The configuration of the
In the
In the case of the
The
In the case of the
In the
Even in the
Further, as shown in FIG. 10, the
In such a configuration, the timing of applying the power supply Vcc ′ itself of the fast start-up
1圧電発振器、2水晶発振回路、3高速起動用回路、4トランジスタ、5容量、6水晶振動子、7容量、8容量、9抵抗、10トランジスタ、11容量、12抵抗、13定電流回路、14抵抗、15抵抗、16トランジスタ、17抵抗、18容量、19ダイオード、20トランジスタ、21抵抗、22抵抗、23トランジスタ、24抵抗、25トランジスタ、26抵抗、27抵抗、28トランジスタ、29抵抗、30抵抗
1 piezoelectric oscillator, 2 crystal oscillation circuit, 3 high-speed startup circuit, 4 transistor, 5 capacitor, 6 crystal resonator, 7 capacitor, 8 capacitor, 9 resistor, 10 transistor, 11 capacitor, 12 resistor, 13 constant current circuit, 14 Resistor, 15 resistor, 16 transistor, 17 resistor, 18 capacitor, 19 diode, 20 transistor, 21 resistor, 22 resistor, 23 transistor, 24 resistor, 25 transistor, 26 resistor, 27 resistor, 28 transistor, 29 resistor, 30 resistor
Claims (5)
The switch circuit is a transistor, the control circuit is a capacitor connected between a base of the transistor and the power supply voltage line, and the switch circuit has a base current in the transistor by a charge current of the capacitor. 5. The piezoelectric oscillator according to claim 1, wherein the piezoelectric oscillator is supplied and is turned on, and the timing of turning on is set by a time constant of the capacitance.
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