JP2009017257A - Inverter piezoelectric oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はインバータ圧電発振器に関し、特に圧電振動子の片端を接地することにより、圧電振動子の特性や発振回路の特性の測定を容易としたインバータ圧電発振器に関するものである。 The present invention relates to an inverter piezoelectric oscillator, and more particularly to an inverter piezoelectric oscillator that facilitates measurement of characteristics of a piezoelectric vibrator and an oscillation circuit by grounding one end of the piezoelectric vibrator.
安定した周波数信号を供給する圧電発振器は、通信機器、電子機器等にクロック源として広く用いられている。
図１１は、従来のインバータ圧電発振器の一例を示す回路構成図である。
インバータ圧電発振器１１は、インバータ（ＩＮＶ）２を備え、インバータ２の入出力間に圧電振動子Ｘ１と、動作電位設定用の高抵抗Ｒ１２とを接続している。また、インバータ２の入力側と接地（ＧＮＤ）間には、負荷容量の一部となるコンデンサＣＬ１１を接続し、インバータ２の出力側と接地間には、負荷容量の一部となるコンデンサＣＬ１２を接続している。また、インバータ２の出力側には、バッファ用のインバータ３を直列に接続し、インバータ３の出力をインバータ圧電発振器１１の出力（ＯＵＴ）としている。そして、インバータ２の電源端子と接地端子間、及びインバータ３の電源端子と接地端子間に所定の電圧を印加することによりインバータ圧電発振器は発振する。
インバータ圧電発振器１１は、インバータ２の出力段にインバータ３を直列に接続しており、インバータ２からなる発振回路を構成する発振ループが、インバータ圧電発振器１１の出力負荷と直接接続されないため、出力負荷の影響による周波数変動を低減することができる。
図１２は、図１１に示した従来のインバータ圧電発振器におけるインバータ２の機能ブロック図である。この図に示すように、インバータ圧電発振器に使用されているインバータは、ＣＭＯＳタイプのインバータＩＣであり、ＣＭＯＳインバータＩＣは、ＰｃｈＭＯＳＦＥＴとＮｃｈＭＯＳＦＥＴによりコンプリメンタリー構成されている。
A piezoelectric oscillator that supplies a stable frequency signal is widely used as a clock source in communication equipment, electronic equipment, and the like.
FIG. 11 is a circuit configuration diagram showing an example of a conventional inverter piezoelectric oscillator.
The inverter piezoelectric oscillator 11 includes an inverter (INV) 2, and a piezoelectric vibrator X 1 and a high resistance R 12 for setting an operating potential are connected between the input and output of the inverter 2. Further, a capacitor CL11 which is a part of the load capacity is connected between the input side of the inverter 2 and the ground (GND), and a capacitor CL12 which is a part of the load capacity is connected between the output side of the inverter 2 and the ground. Connected. Further, a buffer inverter 3 is connected in series to the output side of the inverter 2, and the output of the inverter 3 is used as the output (OUT) of the inverter piezoelectric oscillator 11. The inverter piezoelectric oscillator oscillates by applying a predetermined voltage between the power supply terminal and the ground terminal of the inverter 2 and between the power supply terminal and the ground terminal of the inverter 3.
The inverter piezoelectric oscillator 11 has the inverter 3 connected in series to the output stage of the inverter 2, and the oscillation loop constituting the oscillation circuit composed of the inverter 2 is not directly connected to the output load of the inverter piezoelectric oscillator 11. The frequency fluctuation due to the influence of can be reduced.
FIG. 12 is a functional block diagram of inverter 2 in the conventional inverter piezoelectric oscillator shown in FIG. As shown in this figure, the inverter used in the inverter piezoelectric oscillator is a CMOS type inverter IC, and the CMOS inverter IC is configured in a complementary manner by a Pch MOSFET and an Nch MOSFET.
次に、従来のインバータ圧電発振器の他の例として、特許文献１に開示されているインバータ圧電発振器について説明する。
図１３は、特許文献１に開示されている従来のインバータ圧電発振器の回路構成を示した図である。この図に示すインバータ圧電発振器２１は、インバータ２を備え、インバータ２の入出力間に高抵抗Ｒ２１を接続し、インバータ２の出力側にコンデンサＣ２１と、コンデンサＣ２２とインダクタンスＬ２１を並列接続した並列同調回路を直列接続して接地している。また、この直列接続の中間接続点に、コンデンサＣ２３とコンデンサＣ２４を直列接続してインバータ２の入力側に接続し、直列接続されたコンデンサＣ２３とコンデンサＣ２４の中間接続点と接地間に、圧電振動子Ｘ１と周波数調整用コンデンサＣ２７を接続している。また、この回路ではインバータ圧電発振器２１の出力信号を抵抗Ｒ２２とコンデンサＣ２５の直列回路を介して取り出す構成になっている。
なお、インバータ圧電発振器の基本的な動作については非特許文献１に記載されている。
FIG. 13 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional inverter piezoelectric oscillator disclosed in Patent Document 1. In FIG. An inverter piezoelectric oscillator 21 shown in this figure includes an inverter 2, a high resistance R 21 is connected between the input and output of the inverter 2, and a capacitor C 21, a capacitor C 22 and an inductance L 21 are connected in parallel on the output side of the inverter 2. The circuit is connected in series and grounded. In addition, a capacitor C23 and a capacitor C24 are connected in series to the intermediate connection point of the series connection and connected to the input side of the inverter 2, and piezoelectric vibration is generated between the intermediate connection point of the series connected capacitor C23 and the capacitor C24 and the ground. The child X1 and the frequency adjusting capacitor C27 are connected. In this circuit, the output signal of the inverter piezoelectric oscillator 21 is extracted via a series circuit of a resistor R22 and a capacitor C25.
The basic operation of the inverter piezoelectric oscillator is described in Non-Patent Document 1.
しかしながら、図１１に示した従来のインバータ圧電発振器は、一般的に、圧電振動子をインバータの入出力間に接続しており、圧電振動子は、２つの端子が接地電位より浮いた状態にある。一般にインバータ圧電発振器は、例えば、障害が発生して発振動作不良となった際に、測定器などを用いて、圧電振動子の励振電流を変化させて発振周波数を測定したり、圧電振動子側から見た発振回路のインピーダンスを測定したりして、その障害の原因が圧電振動子にあるのか、或いは発振回路側にあるのかを調べる必要が生ずる。このような障害調査は、圧電振動子と発振回路との間を切り分けて行われるが、使用される測定器は、通常、測定端子の片側が接地端子となっており、そのまま従来のインバータ圧電発振器に接続することができない。圧電振動子単体の特性を測定する際は、圧電振動子の２つの端子をオープンとして、測定器を接続することも可能であるが、発振回路側の特性を測定する際は、測定器を接続するために発振回路側の片側を接地してしまうと発振回路は動作不能となり、所望の測定ができないという問題点があった。
また、図１３に示した従来のインバータ圧電発振器は、圧電振動子の片側を接地していることを特徴としているが、このような発振回路においては、発振回路の構成要素としてインダクタンスが必要となり、インバータ圧電発振器の小型化や、低コスト化に不向きであるという問題があった。
本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、圧電振動子の片端を接地すると共に、発振回路の構成要素として必要であったインダクタンスを不要とするインバータ圧電発振器を提供することを目的とする。
However, the conventional inverter piezoelectric oscillator shown in FIG. 11 generally has a piezoelectric vibrator connected between the input and output of the inverter, and the piezoelectric vibrator has two terminals floating above the ground potential. . In general, an inverter piezoelectric oscillator measures the oscillation frequency by changing the excitation current of the piezoelectric vibrator using a measuring instrument, etc., when a failure occurs and the oscillation operation becomes defective. It is necessary to measure the impedance of the oscillation circuit viewed from the above to determine whether the cause of the failure is in the piezoelectric vibrator or on the oscillation circuit side. Such trouble investigation is performed by separating the piezoelectric vibrator and the oscillation circuit, but the measuring instrument used usually has a grounding terminal on one side of the measuring terminal, and the conventional inverter piezoelectric oscillator is used as it is. Cannot connect to. When measuring the characteristics of a single piezoelectric vibrator, the two terminals of the piezoelectric vibrator can be opened and connected to a measuring instrument, but when measuring the characteristics on the oscillation circuit side, connect the measuring instrument. Therefore, if one side of the oscillation circuit side is grounded, the oscillation circuit becomes inoperable, and there is a problem that a desired measurement cannot be performed.
The conventional inverter piezoelectric oscillator shown in FIG. 13 is characterized in that one side of the piezoelectric vibrator is grounded. In such an oscillation circuit, an inductance is required as a component of the oscillation circuit. There is a problem that it is not suitable for downsizing and cost reduction of the inverter piezoelectric oscillator.
The present invention has been made in order to solve the above-described problems. An inverter piezoelectric oscillator that grounds one end of a piezoelectric vibrator and eliminates the inductance necessary as a component of an oscillation circuit is provided. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために本発明のインバータ圧電発振器は、第１のインバータと、該第１のインバータと直列に接続された第２のインバータと、前記第１のインバータの入力側と出力側との間に接続された第１の抵抗と、前記第１のインバータの入力側と接地間に接続された圧電振動子と、前記第１のインバータの入力側と前記第２のインバータの出力側との間に接続された第１のコンデンサと、を備えることを特徴とする。
このような本発明のインバータ圧電発振器によれば、圧電振動子の片端を接地するように構成したので、インバータ圧電発振器の障害調査時などに、圧電振動子と発振回路とを切り分けてそれぞれの特性を測定する際に、測定器の入力端子の片端を接地することができ、容易に障害調査を行うことが可能となる。また、発振回路の構成要素としてインダクタンスが不要であり、インバータ圧電発振器の小型化や低コスト化を図ることができる。
To achieve the above object, an inverter piezoelectric oscillator of the present invention includes a first inverter, a second inverter connected in series with the first inverter, an input side and an output side of the first inverter, A first resistor connected between the first inverter, a piezoelectric vibrator connected between the input side of the first inverter and the ground, an input side of the first inverter, and an output side of the second inverter; And a first capacitor connected between the first and second capacitors.
According to such an inverter piezoelectric oscillator of the present invention, since one end of the piezoelectric vibrator is configured to be grounded, the piezoelectric vibrator and the oscillation circuit are separated from each other when investigating the failure of the inverter piezoelectric oscillator. When measuring, one end of the input terminal of the measuring instrument can be grounded, and it becomes possible to investigate the fault easily. Further, an inductance is not necessary as a component of the oscillation circuit, and the inverter piezoelectric oscillator can be reduced in size and cost.
また、本発明のインバータ圧電発振器は、第１のインバータと、該第１のインバータと直列に接続された第２のインバータと、前記第１のインバータの入力側と出力側との間に接続された第１の抵抗と、一端が接地される圧電振動子と、前記圧電振動子と前記第１のインバータの入力側との間に接続されるスイッチと、前記第１のインバータの入力側と前記第２のインバータの出力側との間に接続された第１のコンデンサと、を備えたインバータ圧電発振回路を、複数備えたことを特徴とする。
このような本発明のインバータ圧電発振器によれば、複数の発振回路を備えて多チャンネル型のインバータ圧電発振器を構成する際に、複数の発振回路のそれぞれにスイッチを介して接続する複数の圧電振動子は、片端が接地されて共通化されており、多チャンネル型のインバータ圧電発振器の回路構成が簡易化され、インバータ型圧電振動子の小型化を図ることができる。
The inverter piezoelectric oscillator of the present invention is connected between a first inverter, a second inverter connected in series with the first inverter, and an input side and an output side of the first inverter. A first resistor, a piezoelectric vibrator having one end grounded, a switch connected between the piezoelectric vibrator and an input side of the first inverter, an input side of the first inverter, and the A plurality of inverter piezoelectric oscillation circuits each including a first capacitor connected between the output side of the second inverter are provided.
According to such an inverter piezoelectric oscillator of the present invention, when configuring a multi-channel type inverter piezoelectric oscillator with a plurality of oscillation circuits, a plurality of piezoelectric vibrations connected to each of the plurality of oscillation circuits via a switch. The child is shared by grounding one end, the circuit configuration of the multi-channel type inverter piezoelectric oscillator is simplified, and the inverter type piezoelectric vibrator can be miniaturized.
以下、図示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係るインバータ圧電発振器の第１の実施形態を示す回路構成図である。
この図に示すインバータ圧電発振器１は、インバータ（第１のインバータ）２とインバータ（第２のインバータ）３とを備え、インバータ２の入出力間に動作電位設定用の高抵抗（第１の抵抗）Ｒ７を接続すると共に、インバータ２の入力側と接地（ＧＮＤ）間に周波数調整用のコンデンサＣｘを介して圧電振動子Ｘ１を接続している。また、インバータ２の出力側には、抵抗Ｒ３を経由してインバータ３を直列に接続すると共に、インバータ２の入力側とインバータ３の出力側との間にコンデンサ（第１のコンデンサ）Ｃ６を接続している。また、インバータ２とインバータ３には、電源（Ｖｃｃ）より所定の電圧を印加すると共に、電源と接地間には、バイパス用のコンデンサＣ８を接続している。そして、インバータ３の出力側に直流カット用のコンデンサＣ９を接続して、コンデンサＣ９の他端をインバータ圧電発振器１の出力（ＯＵＴ）としている。
一方、インバータ２の内部の出力側には、破線で示すような出力容量Ｃ２が存在すると共に、インバータ３の内部の入力側には入力容量Ｃ４が存在し、インバータ３の内部の出力側には出力容量Ｃ５が存在している。
このように構成される本実施の形態のインバータ圧電発振器１は、圧電振動子Ｘ１の片側を接地した上で、従来必要であった発振回路内のインダクタンスを不要とした。これは、インバータ３の内部の入力容量Ｃ４をインバータにより反転させ、これを負性容量とすることでインダクタンスと同等に機能させたことによる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the illustrated embodiments.
FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing a first embodiment of an inverter piezoelectric oscillator according to the present invention.
An inverter piezoelectric oscillator 1 shown in this figure includes an inverter (first inverter) 2 and an inverter (second inverter) 3, and a high resistance (first resistance) for setting an operating potential between the input and output of the inverter 2. ) R7 is connected, and the piezoelectric vibrator X1 is connected between the input side of the inverter 2 and the ground (GND) via a capacitor Cx for frequency adjustment. Further, the inverter 3 is connected in series to the output side of the inverter 2 via a resistor R3, and a capacitor (first capacitor) C6 is connected between the input side of the inverter 2 and the output side of the inverter 3. is doing. A predetermined voltage is applied to the inverter 2 and the inverter 3 from a power source (Vcc), and a bypass capacitor C8 is connected between the power source and the ground. A DC cut capacitor C9 is connected to the output side of the inverter 3, and the other end of the capacitor C9 is used as an output (OUT) of the inverter piezoelectric oscillator 1.
On the other hand, an output capacitance C2 as indicated by a broken line exists on the output side inside the inverter 2, and an input capacitance C4 exists on the input side inside the inverter 3, while the output capacitance inside the inverter 3 exists on the output side inside the inverter 3. An output capacitance C5 exists.
The inverter piezoelectric oscillator 1 of the present embodiment configured as described above eliminates the inductance in the oscillation circuit that has been conventionally required after grounding one side of the piezoelectric vibrator X1. This is because the input capacitance C4 inside the inverter 3 is inverted by the inverter and is made a negative capacitance so that it functions in the same way as the inductance.
図２は、インバータ圧電発振器の各構成要素の特性を測定する際の測定方法を示す図である。
図２に示すように、本実施の形態のインバータ圧電発振器によれば、圧電振動子Ｘ１と、周波数調整用のコンデンサＣｘとの間を切り分け、測定器４の片側を接地しておいて、測定器４を接点ａに接続して圧電振動子の特性を測定し、次に、測定器４を接点ｂに接続して発振回路側の特性を測定することが可能となる。
FIG. 2 is a diagram illustrating a measurement method when measuring the characteristics of each component of the inverter piezoelectric oscillator.
As shown in FIG. 2, according to the inverter piezoelectric oscillator of the present embodiment, the piezoelectric vibrator X1 is separated from the frequency adjusting capacitor Cx, and one side of the measuring instrument 4 is grounded, and the measurement is performed. It is possible to connect the measuring device 4 to the contact a to measure the characteristics of the piezoelectric vibrator, and then connect the measuring device 4 to the contact b to measure the characteristics on the oscillation circuit side.
次に、インバータ圧電発振器１の機能ブロック図を用いて、発振動作について説明する。
図３は、第１の実施形態に係るインバータ圧電発振器の機能ブロック図である。
ここで、ｚ１は圧電振動子Ｘ１と周波数調整用のコンデンサＣｘの直列回路のインピーダンス、ｚ２はインバータ２の内部の出力容量Ｃ２のインピーダンス、ｚ３は抵抗Ｒ３のインピーダンス、ｚ４はインバータ３の内部の入力容量Ｃ４のインピーダンスである。
そして、ｚ５はインバータ３の内部の出力容量Ｃ５のインピーダンス、ｚ６はコンデンサＣ６のインピーダンスであり、ｚ７は抵抗Ｒ７のインピーダンスである。
そして、インピーダンスｚ１に流れる電流をｉ１、インピーダンスｚ２に流れる電流をｉ２、インピーダンスｚ３とｚ４に流れる電流をｉ３、インピーダンスｚ５に流れる電流をｉ５、インピーダンスｚ６に流れる電流をｉ６、インピーダンスｚ７に流れる電流をｉ７、インバータ２の定電流源をｇｍｚ１ｉ１（ｇｍは相互コンダクタンス）、インバータ３の定電流源をｇｍｚ４ｉ３とする。
Next, the oscillation operation will be described using a functional block diagram of the inverter piezoelectric oscillator 1.
FIG. 3 is a functional block diagram of the inverter piezoelectric oscillator according to the first embodiment.
Here, z1 is the impedance of the series circuit of the piezoelectric vibrator X1 and the frequency adjusting capacitor Cx, z2 is the impedance of the output capacitor C2 inside the inverter 2, z3 is the impedance of the resistor R3, and z4 is the input inside the inverter 3. This is the impedance of the capacitor C4.
Z5 is the impedance of the output capacitor C5 inside the inverter 3, z6 is the impedance of the capacitor C6, and z7 is the impedance of the resistor R7.
The current flowing through impedance z1 is i1, the current flowing through impedance z2 is i2, the current flowing through impedances z3 and z4 is i3, the current flowing through impedance z5 is i5, the current flowing through impedance z6 is i6, and the current flowing through impedance z7 is current. i7, the constant current source of the inverter 2 is gmz1i1 (gm is mutual conductance), and the constant current source of the inverter 3 is gmz4i3.
次に、図３を用いて発振回路の合成等価回路抵抗と合成等価回路キャパシタンスを求める。
先ず、図３に示した機能ブロック図にキルヒホッフの法則を適応して（１）式を得る。
次に、（１）式を展開すると（２）式と（３）式が得られる。
また、ｚ１〜ｚ７の各インピーダンスは、（４）式のように表すことができる。
Next, the combined equivalent circuit resistance and the combined equivalent circuit capacitance of the oscillation circuit are obtained using FIG.
First, the Kirchhoff's law is applied to the functional block diagram shown in FIG. 3 to obtain equation (1).
Next, when the expression (1) is expanded, the expressions (2) and (3) are obtained.
Moreover, each impedance of z1-z7 can be represented like (4) Formula.
次に、（４）式を（３）式に代入して（５）式を得る。
但し、ｒａ、ｘａ、ｒｂ、ｘｂは、（６）式に示す。
なお、（５）式中のＲｃｉとＣｃｉは、それぞれ等価回路抵抗と等価回路キャパシタンスを示し、圧電振動子Ｘ１の端子間並列容量Ｃ０を発振回路側に含めない場合の関係式である。
Next, equation (4) is substituted into equation (3) to obtain equation (5).
However, ra, xa, rb, and xb are shown in Equation (6).
In the equation (5), Rci and Cci represent an equivalent circuit resistance and an equivalent circuit capacitance, respectively, and are relational expressions when the inter-terminal parallel capacitance C0 of the piezoelectric vibrator X1 is not included on the oscillation circuit side.
次に、圧電振動子Ｘ１のモーションアーム（インダクタンスＬ１、キャパシタンスＣ１、抵抗Ｒ１）を振動母体とし、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０を発振回路側に含め、圧電振動子Ｘ１側から発振回路側を見た合成等価回路抵抗をＲｃｃｉ、合成等価回路キャパシタンスをＣｃｃｉとすると、（７）式が得られる。
なお、図４に、等価回路抵抗Ｒｃｉ及び等価回路キャパシタンスＣｃｉと、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉの関係を示す。
Next, the motion arm (inductance L1, capacitance C1, resistance R1) of the piezoelectric vibrator X1 is used as a vibration matrix, the inter-terminal parallel capacitance C0 of the piezoelectric vibrator X1 is included on the oscillation circuit side, and the oscillation circuit is started from the piezoelectric vibrator X1 side. Assuming that the combined equivalent circuit resistance viewed from the side is Rcci and the combined equivalent circuit capacitance is Ccci, equation (7) is obtained.
FIG. 4 shows the relationship between the equivalent circuit resistance Rci and equivalent circuit capacitance Cci, and the combined equivalent circuit resistance Rcci and combined equivalent circuit capacitance Ccci.
次に、得られた関係式を用いて、第１の実施形態に係るインバータ圧電発振器の発振特性に関するシミュレーションを行い、図５、図６、及び図７にその結果を示す。
図５は、第１の実施形態に係るインバータ圧電発振器において、抵抗Ｒ７をパラメータとした際の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉの周波数特性を示すグラフ図である。
図５において、コンデンサＣ２、Ｃ４、Ｃ５はいずれも０．１ｐＦとし、Ｃ６は１０ｐＦ、Ｒ３は０Ω、インバータの相互コンダクタンスｇｍは０．０２ｍＡ／Ｖ、圧電振動子Ｘ１の端子間並列容量Ｃ０は２ｐＦとする。
図５に示すように、第１の実施形態におけるインバータ圧電発振器１は、周波数ＦｒｅｑがＦｒｅｑ≒１０ＭＨｚ以上となると抵抗Ｒ７の値に関係なく合成等価回路抵抗ＲｃｃｉがＲｃｃｉ≒０Ωを示しており、発振回路は発振を停止するので、インバータ圧電発振器が機能する周波数Ｆｒｅｑの範囲は、おおよそ１０ＭＨｚ以下となる。そして、周波数ＦｒｅｑがＦｒｅｑ≒１０ＭＨｚ以下において、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、抵抗Ｒ７の値が小さいほど大きな負性抵抗を示している。また、合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉは、抵抗Ｒ７の値による差はほとんどなく、周波数ＦｒｅｑがＦｒｅｑ≒１０ＭＨｚ以下となると急激に増加している。
Next, using the obtained relational expression, a simulation is performed on the oscillation characteristics of the inverter piezoelectric oscillator according to the first embodiment, and the results are shown in FIGS. 5, 6, and 7.
FIG. 5 is a graph showing frequency characteristics of the combined equivalent circuit resistance Rcci and the combined equivalent circuit capacitance Ccci when the resistor R7 is used as a parameter in the inverter piezoelectric oscillator according to the first embodiment.
In FIG. 5, capacitors C2, C4, and C5 are all 0.1 pF, C6 is 10 pF, R3 is 0Ω, the mutual conductance gm of the inverter is 0.02 mA / V, and the inter-terminal parallel capacitance C0 of the piezoelectric vibrator X1 is 2 pF. And
As shown in FIG. 5, the inverter piezoelectric oscillator 1 according to the first embodiment shows that the combined equivalent circuit resistance Rcci is Rcci≈0Ω regardless of the value of the resistance R7 when the frequency Freq is equal to or higher than Freq≈10 MHz. Since the circuit stops oscillating, the range of the frequency Freq at which the inverter piezoelectric oscillator functions is approximately 10 MHz or less. When the frequency Freq is less than Freq≈10 MHz, the combined equivalent circuit resistance Rcci shows a larger negative resistance as the value of the resistance R7 is smaller. Further, the combined equivalent circuit capacitance Ccci hardly varies depending on the value of the resistor R7, and increases rapidly when the frequency Freq is equal to or lower than Freq≈10 MHz.
図６は、第１の実施形態に係るインバータ圧電発振器において、周波数を固定した際の、等価回路抵抗Ｒｃｉ、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ、及び等価回路キャパシタンスＣｃｉ、合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉとインバータの相互コンダクタンスｇｍの関係を示すグラフ図である。図６において、コンデンサＣ２、Ｃ４、Ｃ５はいずれも０．１ｐＦとし、Ｃ６は１０ｐＦ、Ｒ３は０Ω、抵抗Ｒ７は１ＭΩ、圧電振動子Ｘ１の端子間並列容量Ｃ０は２ｐＦ、周波数Ｆｒｅｑは５ＭＨｚとする。
図６に示すように、等価回路抵抗Ｒｃｉは、ｇｍ≒０．０１ｍＡ／Ｖで負性抵抗の最大値となるＲｃｉ≒−４ｋΩを示し、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、ｇｍ≒０．０２ｍＡ／Ｖで負性抵抗の最大値となるＲｃｃｉ≒−０．５ｋΩを示し、インバータ圧電発振器は、周波数ＦｒｅｑがＦｒｅｑ≒５ＭＨｚ程度であれば、安定して発振することが分かる。また、等価回路キャパシタンスＣｃｉと合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉは、ｇｍ≒０．０５ｍＡ／Ｖ以上となると、両者の数値は差がなく増加するが、ｇｍ≒０．０５ｍＡ／Ｖ以下となると、等価回路キャパシタンスＣｃｉは、Ｃｃｉ≒０．１ｐＦに近づき、合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉは、Ｃｃｃｉ≒２ｐＦに近づく。
FIG. 6 shows an equivalent circuit resistance Rci, combined equivalent circuit resistance Rcci, equivalent circuit capacitance Cci, combined equivalent circuit capacitance Ccci, and mutual conductance of the inverter when the frequency is fixed in the inverter piezoelectric oscillator according to the first embodiment. It is a graph which shows the relationship of gm. In FIG. 6, the capacitors C2, C4, and C5 are all 0.1 pF, C6 is 10 pF, R3 is 0Ω, the resistor R7 is 1 MΩ, the inter-terminal parallel capacitance C0 of the piezoelectric vibrator X1 is 2 pF, and the frequency Freq is 5 MHz. .
As shown in FIG. 6, the equivalent circuit resistance Rci is Rci≈−4 kΩ, which is the maximum value of the negative resistance when gm≈0.01 mA / V, and the combined equivalent circuit resistance Rcci is gm≈0.02 mA / V. Rcci≈−0.5 kΩ, which is the maximum value of the negative resistance, shows that the inverter piezoelectric oscillator oscillates stably when the frequency Freq is about Freq≈5 MHz. Further, the equivalent circuit capacitance Cci and the composite equivalent circuit capacitance Ccci increase with no difference when gm≈0.05 mA / V or more, but when gm≈0.05 mA / V or less, the equivalent circuit capacitance Cci approaches Cci≈0.1 pF, and the combined equivalent circuit capacitance Ccci approaches Ccci≈2 pF.
図７は、第１の実施形態に係るインバータ圧電発振器において周波数を固定した際の等価回路抵抗Ｒｃｉ、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ、及び等価回路キャパシタンスＣｃｉ、合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉと抵抗Ｒ３の関係を示すグラフ図である。
図７において、コンデンサＣ２、Ｃ４、Ｃ５はいずれも０．１ｐＦとし、Ｃ６は１０ｐＦ、抵抗Ｒ７は１ＭΩ、インバータの相互コンダクタンスｇｍは０．０２ｍＡ／Ｖ、圧電振動子Ｘ１の端子間並列容量Ｃ０は２ｐＦ、周波数Ｆｒｅｑは５ＭＨｚとする。図７に示すように、等価回路抵抗Ｒｃｉと合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、抵抗Ｒ３が１０ｋΩ以下となると、Ｒｃｉ≒−２．１ｋΩ、Ｒｃｃｉ≒−０．５ｋΩを示し、それぞれ安定した負性抵抗値を示す。また、等価回路キャパシタンスＣｃｉと合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉは、抵抗Ｒ３が１００ｋΩ以下となると、Ｃｃｉ≒２ｐＦ、Ｃｃｃｉ≒４ｐＦに近づき、それぞれ安定した特性となる。即ち、抵抗Ｒ３がおおよそ１０ｋΩ以下であると、インバータ圧電発振器は、安定した発振特性が得られることが分かる。
FIG. 7 shows the relationship between the equivalent circuit resistance Rci, the combined equivalent circuit resistance Rcci, the equivalent circuit capacitance Cci, the combined equivalent circuit capacitance Ccci, and the resistance R3 when the frequency is fixed in the inverter piezoelectric oscillator according to the first embodiment. FIG.
In FIG. 7, capacitors C2, C4, and C5 are all 0.1 pF, C6 is 10 pF, resistor R7 is 1 MΩ, the mutual conductance gm of the inverter is 0.02 mA / V, and the inter-terminal parallel capacitance C0 of the piezoelectric vibrator X1 is The frequency is 2 pF and the frequency Freq is 5 MHz. As shown in FIG. 7, the equivalent circuit resistance Rci and the combined equivalent circuit resistance Rcci show Rci≈−2.1 kΩ and Rcci≈−0.5 kΩ when the resistance R3 is 10 kΩ or less, and stable negative resistance values, respectively. Indicates. Further, the equivalent circuit capacitance Cci and the combined equivalent circuit capacitance Ccci approach Cci≈2 pF and Ccci≈4 pF, respectively, and have stable characteristics when the resistance R3 is 100 kΩ or less. That is, it can be seen that when the resistance R3 is approximately 10 kΩ or less, the inverter piezoelectric oscillator can obtain stable oscillation characteristics.
次に、第１の実施形態に係るインバータ圧電発振器において周波数調整用のコンデンサＣｘを変化させた際の、インバータ圧電発振器の周波数可変特性について説明する。
図８は、第１の実施形態に係るインバータ圧電発振器において、周波数調整用のコンデンサＣｘを変化させた際の、インバータ圧電発振器の周波数可変特性を示すグラフ図である。
図８において、圧電振動子Ｘ１は、周波数が４．９１５ＭＨｚのＡｔ−Ｃｕｔ水晶振動子であり、基本波発振させたものである。また、抵抗Ｒ７は８２０ｋΩ、コンデンサＣ６は１０ｐＦ、インバータＩＣはＴＣ７ＳＵ０４Ｆ（Ｔｏｓｈｉｂａ製）、電源電圧Ｖｃｃは５Ｖｄｃ、消費電流Ｉｃｃはおおよそ１．７ｍＡである。
図８に示すように、圧電振動子Ｘ１に直列に挿入した周波数調整用のコンデンサＣｘをＣｘ＝４ｐＦ〜４２０ｐＦに変化させると、インバータ圧電発振器の出力周波数は、Δｆ／ｆ≒３００ｐｐｍの可変幅を得ることが分かる。従って、第１の実施形態のような発振回路を構成したインバータ圧電発振器であっても、所望の周波数範囲の周波数調整を行うことが可能である。
Next, frequency variable characteristics of the inverter piezoelectric oscillator when the frequency adjusting capacitor Cx is changed in the inverter piezoelectric oscillator according to the first embodiment will be described.
FIG. 8 is a graph showing frequency variable characteristics of the inverter piezoelectric oscillator when the frequency adjusting capacitor Cx is changed in the inverter piezoelectric oscillator according to the first embodiment.
In FIG. 8, a piezoelectric vibrator X1 is an At-Cut crystal vibrator having a frequency of 4.915 MHz and is oscillated at a fundamental wave. The resistor R7 is 820 kΩ, the capacitor C6 is 10 pF, the inverter IC is TC7SU04F (manufactured by Toshiba), the power supply voltage Vcc is 5 Vdc, and the consumption current Icc is approximately 1.7 mA.
As shown in FIG. 8, when the frequency adjusting capacitor Cx inserted in series in the piezoelectric vibrator X1 is changed to Cx = 4 pF to 420 pF, the output frequency of the inverter piezoelectric oscillator has a variable width of Δf / f≈300 ppm. I know you get. Therefore, even in the inverter piezoelectric oscillator having the oscillation circuit as in the first embodiment, it is possible to perform frequency adjustment in a desired frequency range.
次に、第１の実施形態のインバータ圧電発振器が出力する周波数信号の波形について説明する。
図９は、第１の実施形態に係るインバータ圧電発振器において、出力周波数信号の波形を示す図である。
図９に示すようにインバータ圧電発振器が出力する出力周波数信号は、オーバーシュート、及びアンダーシュートの少ない矩形波形であることが分かる。従って、第１の実施形態のような発振回路を構成したインバータ圧電発振器は、波形歪の少ない安定した出力周波数信号を出力することが確認された。
以上、第１の実施形態に係るインバータ圧電発振器の発振特性について説明したが、本発明のように、圧電振動子の片端を接地し、且つ、インダクタンスを含まない構成の発振回路であっても、従来のインバータ圧電発振器と同等以上の性能を得ることができ、インバータ圧電発振器の障害調査を容易とした上で、インバータ圧電発振器の小型化や低コスト化を図ることができる。
Next, the waveform of the frequency signal output from the inverter piezoelectric oscillator of the first embodiment will be described.
FIG. 9 is a diagram illustrating a waveform of an output frequency signal in the inverter piezoelectric oscillator according to the first embodiment.
As shown in FIG. 9, it can be seen that the output frequency signal output from the inverter piezoelectric oscillator has a rectangular waveform with little overshoot and undershoot. Therefore, it has been confirmed that the inverter piezoelectric oscillator constituting the oscillation circuit as in the first embodiment outputs a stable output frequency signal with little waveform distortion.
As described above, the oscillation characteristics of the inverter piezoelectric oscillator according to the first embodiment have been described. Even if the oscillation circuit has a configuration in which one end of the piezoelectric vibrator is grounded and does not include an inductance, as in the present invention, The performance equal to or better than that of the conventional inverter piezoelectric oscillator can be obtained, and the failure of the inverter piezoelectric oscillator can be easily investigated, and the inverter piezoelectric oscillator can be reduced in size and cost.
次に、本発明の第２の実施形態に係るインバータ圧電発振器について説明する。
図１０は、第２の実施形態に係るインバータ圧電発振器を示す回路構成図である。
第２の実施形態のインバータ圧電発振器５は、第１の実施形態において説明した発振回路１を複数備え、それぞれの発振回路に周波数の異なる圧電振動子を、スイッチを介して接続したものであり、多チャンネル切替型のインバータ圧電発振器を構成している。
即ち、インバータ圧電発振器５は、第１の発振回路６、第２の発振回路７、第３の発振回路８、及び第ｎの発振回路ｎを備えており、第１の発振回路６には、第１のスイッチＳＷ１ａを介して第１の圧電振動子Ｘ１ａの一方の端子を接続する。第２の発振回路７には、第２のスイッチＳＷ１ｂを介して第２の圧電振動子Ｘ１ｂの一方の端子を接続し、第３の発振回路８には、第３のスイッチＳＷ１ｃを介して第３の圧電振動子Ｘ１ｃの一方の端子を接続する。そして、第ｎの発振回路ｎには、第ｎのスイッチＳＷ１ｎを介して第ｎの圧電振動子Ｘ１ｎの一方の端子を接続している。
Next, an inverter piezoelectric oscillator according to a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 10 is a circuit configuration diagram showing an inverter piezoelectric oscillator according to the second embodiment.
The inverter piezoelectric oscillator 5 of the second embodiment includes a plurality of the oscillation circuits 1 described in the first embodiment, and piezoelectric oscillators having different frequencies are connected to the respective oscillation circuits via switches. A multi-channel switching type inverter piezoelectric oscillator is configured.
That is, the inverter piezoelectric oscillator 5 includes a first oscillation circuit 6, a second oscillation circuit 7, a third oscillation circuit 8, and an n-th oscillation circuit n. One terminal of the first piezoelectric vibrator X1a is connected via the first switch SW1a. One terminal of the second piezoelectric vibrator X1b is connected to the second oscillation circuit 7 via the second switch SW1b, and the third oscillation circuit 8 is connected to the second oscillation circuit 7 via the third switch SW1c. One terminal of the three piezoelectric vibrators X1c is connected. Then, one terminal of the nth piezoelectric vibrator X1n is connected to the nth oscillation circuit n through the nth switch SW1n.
そして、第１〜第ｎの発振回路６〜ｎには、それぞれ上記図１に示したインバータ圧電発振器の圧電振動子を除く発振回路が構成されており、各圧電振動子の他端を共通化して接地している。そして、第１〜第ｎのスイッチＳＷ１ａ〜ＳＷ１ｎのいずれか１つを接続動作させることにより、所望の周波数信号を出力するインバータ圧電発振器を得る。
従って、第２の実施形態のように複数の発振回路とそれに接続する複数の圧電振動子をスイッチにより選択接続する際に、複数の圧電振動子の片端が接地されて共通化されているので、多チャンネル型のインバータ圧電発振器の回路構成が簡易化され、インバータ圧電発振器の小型化と低コスト化を図ることができる。
Each of the first to nth oscillation circuits 6 to n includes an oscillation circuit excluding the piezoelectric vibrator of the inverter piezoelectric oscillator shown in FIG. 1, and the other end of each piezoelectric vibrator is shared. Is grounded. An inverter piezoelectric oscillator that outputs a desired frequency signal is obtained by connecting one of the first to n-th switches SW1a to SW1n.
Therefore, when a plurality of oscillation circuits and a plurality of piezoelectric vibrators connected thereto are selectively connected by a switch as in the second embodiment, one end of the plurality of piezoelectric vibrators is grounded and shared, The circuit configuration of the multi-channel inverter piezoelectric oscillator is simplified, and the inverter piezoelectric oscillator can be reduced in size and cost.
１、５…インバータ圧電発振器、２、３…インバータ、４…測定器、６、７、８、ｎ…発振回路、Ｃ２、Ｃ５…出力容量、Ｃ４…入力容量、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ９、Ｃｘ…コンデンサ、Ｒ３、Ｒ７…抵抗、ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｎ…スイッチ、Ｘ１、Ｘ１ａ、Ｘ１ｂ、Ｘ１ｃ、Ｘ１ｎ…圧電振動子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 5 ... Inverter piezoelectric oscillator, 2, 3 ... Inverter, 4 ... Measuring instrument, 6, 7, 8, n ... Oscillation circuit, C2, C5 ... Output capacity, C4 ... Input capacity, C6, C8, C9, Cx ... Capacitor, R3, R7 ... resistor, SW1a, SW1b, SW1c, SW1n ... switch, X1, X1a, X1b, X1c, X1n ... piezoelectric vibrator
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|---|---|---|---|---|
| CN102064804A (en) * | 2010-11-16 | 2011-05-18 | 天津大学 | On-chip clock generator circuit |
| JP2015019241A (en) * | 2013-07-11 | 2015-01-29 | 新日本無線株式会社 | Oscillation circuit and method of adjusting the same |
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- 2007-07-05 JP JP2007177003A patent/JP2009017257A/en not_active Withdrawn
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