JP2009290379A

JP2009290379A - 発振器

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Publication number: JP2009290379A
Application number: JP2008138764A
Authority: JP
Inventors: Tomohisa Oya; 具央大家
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: JP5311545B2

Abstract

【課題】本発明は、出力要求信号が与えられたタイミングから、発振周波数が安定状態に遷移するまでに要する時間を短縮しながら、消費電流を低減することができる発振器を提供することを目的とする。
【解決手段】第１のインバータＩＮＶ１００の電源端子に接続され、出力要求信号が与えられたタイミングで、第１のインバータＩＮＶ１００に供給する電流を増加させ、出力停止信号が与えられたタイミングで、第１のインバータＩＮＶ１００に供給する電流を減少させる可変電流源ＶＩと、温度補償部３００に接続され、出力要求信号が与えられたタイミングで、オン状態に切り換え、出力停止信号が与えられたタイミングで、オフ状態に切り換える第２のスイッチＳＷ２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、発振器に関する。

従来、発振器としては、種々のものが開発されており、例えば温度補償水晶発振器がある。この温度補償水晶発振器は、圧電素子として水晶振動子を使用する水晶発振回路と、当該水晶発振回路の周波数温度特性を補償するための温度補償回路とを有し、例えば携帯電話機に搭載され使用される。

ここで図４に、かかる温度補償水晶発振器の一例として発振器１０の構成を示す。この発振器１０を形成する水晶発振回路２０は、圧電素子として水晶振動子Ｘ１０を有し、所望の発振周波数を有する出力信号を生成する。

水晶振動子Ｘ１０の一端は、帰還抵抗としての抵抗Ｒ１０の一端に接続されると共に、インバータＩＮＶ１０の入力端子に接続されている。また、水晶振動子Ｘ１０の一端と、グランドＧＮＤとの間には、可変コンデンサＣ１０が接続されている。

一方、水晶振動子Ｘ１０の他端は、抵抗Ｒ１０の他端に接続されると共に、インバータＩＮＶ１０の出力端子に接続されている。また、水晶振動子Ｘ１０の他端と、グランドＧＮＤとの間には、可変コンデンサＣ２０が接続されている。

インバータＩＮＶ１０の出力端子には、バッファとしてのインバータＩＮＶ２０の入力端子が接続され、当該インバータＩＮＶ２０の出力端子から、所望の発振周波数を有する出力信号Ｆｏｕｔが出力される。

温度補償回路３０は、温度の変化にかかわらず、一定の発振周波数を有する出力信号Ｆｏｕｔを発振器１０から出力させるため、水晶発振回路２０の周波数温度特性を補償するための回路である。

具体的には、温度補償回路３０は、水晶発振回路２０の周囲の温度を測定するための温度センサを有し、当該温度センサによって得られた温度に基づいて、所望の補償電圧を生成する。

そして温度補償回路３０は、この補償電圧を可変コンデンサＣ１０及びＣ２０に印加し、これら可変コンデンサＣ１０及びＣ２０の容量を変化させることにより、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数を調整して温度補償を行う。

また、発振器１０は、当該発振器１０が搭載される携帯電話機内の他の信号処理回路から、制御電圧入力端子Ｖｃを介して入力される制御電圧を、可変コンデンサＣ１０及びＣ２０に印加することにより、可変コンデンサＣ１０及びＣ２０の容量を変化させ、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数を調整する。

これにより、水晶振動子Ｘ１０の特性の経年変化や、温度補償回路３０による温度補償のずれなどを調整し、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数を微調整する。

このようにして、温度補償回路３０から供給される補償電圧と、制御電圧入力端子Ｖｃから入力される制御電圧とを加算した電圧が、可変コンデンサＣ１０及びＣ２０に印加される。

一方、電源電圧Ｖｄｄは、参照電圧生成回路５０に供給され、参照電圧生成回路５０は、この電源電圧Ｖｄｄを基に参照電圧を生成し、当該生成した参照電圧を、インバータＩＮＶ１０及びＩＮＶ２０の電源端子並びに温度補償回路３０に印加する。

これにより、インバータＩＮＶ１０及びＩＮＶ２０並びに温度補償回路３０は、いずれも動作状態になることにより、インバータＩＮＶ２０は、所望の発振周波数を有する出力信号Ｆｏｕｔを出力する。

ここで図５に、電源電圧Ｖｄｄが発振器１０に供給された後における、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数が変化する様子を示す。

この図５に示すように、発振器１０から出力される出力信号Ｆｏｕｔは、電源電圧Ｖｄｄが発振器１０に供給されたタイミングｔ１０では、一定の電圧値であるが、時間が経過することに応じて振幅が徐々に大きくなり、所定の時間が経過すると、振幅が一定になって、発振周波数が安定状態に遷移する。その後、発振器１０は、発振周波数が安定状態に遷移された出力信号Ｆｏｕｔを出力し続ける。

かかる発振器１０の場合、電源電圧Ｖｄｄが常に参照電圧生成回路５０に供給されているため、消費電流が大きくなる。

ところで、一般に、発振器１０が搭載される携帯電話機は、一定の時間間隔毎に基地局と通信するようになされており、間欠的に動作する。従って、携帯電話機が間欠的に動作することに対応して、発振器１０の動作状態を切り換えるようにすれば消費電流を低減することができる。

具体的には、消費電流を低減する方法として、携帯電話機が基地局と通信している場合には、発振器１０に電源電圧Ｖｄｄを供給することにより、発振器１０をオン状態にし、携帯電話機が基地局と通信していない場合には、発振器１０に電源電圧Ｖｄｄを供給することを停止することにより、発振器１０をオフ状態にする方法がある。

ここで図６に、携帯電話機が基地局と通信している場合には、発振器１０をオン状態にし、携帯電話機が基地局と通信していない場合には、発振器１０をオフ状態にする場合において、発振器１０内を流れる電流Ｉｄｄが変化する様子を示す。

この場合、発振器１０がオフ状態にあるときには、電流Ｉｄｄはほぼ“０”であり、発振器１０がオン状態に切り換えられたタイミングｔ４０で、所定の値を有する電流Ｉｄｄが流れる。このオン状態において、発振器１０がオフ状態に切り換えられたタイミングｔ５０で、電流Ｉｄｄはほぼ“０”になる。これ以降、上述の動作を交互に繰り返す。

以下、温度補償水晶発振器に関する文献名を記載する。
特開２００３−１６３５４２号公報

ところで、図５に示すように、かかる発振器１０の場合、電源電圧Ｖｄｄが発振器１０に供給され、当該発振器１０がオン状態に切り換えられたタイミングｔ１０から、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数が安定状態に遷移するタイミングｔ２０まで、一定の時間を要するという問題があった。

本発明は、所望の発振周波数を有する出力信号を出力することを要求する出力要求信号が与えられたタイミングから、当該出力信号の発振周波数が安定状態に遷移するまでに要する時間を短縮しながら、消費電流を低減することができる発振器を提供することを目的とする。

本発明の一態様による発振器は、圧電素子と、少なくとも一端が前記圧電素子の一端に接続された抵抗と、少なくとも入力端子が前記圧電素子の一端に接続された第１のインバータと、前記圧電素子とグランドとの間に接続された可変容量素子と、前記第１のインバータの出力端子に接続された第２のインバータと、前記第１のインバータの電源端子に接続され、所望の発振周波数を有する出力信号を出力することを要求する出力要求信号が与えられたタイミングで、前記第１のインバータに供給する電流を増加させ、前記出力信号を出力することを停止する出力停止信号が与えられたタイミングで、前記第１のインバータに供給する電流を減少させる可変電流源と、前記第２のインバータの電源端子に接続され、前記出力要求信号が与えられたタイミングで、オン状態に切り換えることにより、所定の電圧を前記第２のインバータの電源端子に印加し、前記出力停止信号が与えられたタイミングで、オフ状態に切り換えることにより、前記所定の電圧を前記第２のインバータの電源端子に印加することを制限する第１のスイッチとを備える。

また、本発明の一態様による発振器における前記可変電流源は、前記出力停止信号が与えられたタイミングで、前記第１のインバータに供給する電流を、前記第１のインバータから出力される出力信号の発振周波数が安定状態を維持する程度の電流に減少させる。

また、本発明の一態様による発振器は、前記可変容量素子の容量を変化させるための補償電圧を生成し、前記補償電圧を前記可変容量素子に印加する温度補償部と、前記温度補償部に接続され、前記出力要求信号が与えられたタイミングで、オン状態に切り換えることにより、前記所定の電圧を前記温度補償部に印加し、前記出力停止信号が与えられたタイミングで、オフ状態に切り換えることにより、前記所定の電圧を前記温度補償部に印加することを制限する第２のスイッチとをさらに備える。

本発明の発振器によれば、所望の発振周波数を有する出力信号を出力することを要求する出力要求信号が与えられたタイミングから、当該出力信号の発振周波数が安定状態に遷移するまでに要する時間を短縮しながら、消費電流を低減することができる。

また、本発明の発振器によれば、出力停止信号が与えられたタイミングで、第１のインバータに供給する電流を、当該第１のインバータから出力される出力信号の発振周波数が安定状態を維持する程度の電流に減少させることにより、さらに消費電流を低減することができる。

また、本発明の発振器によれば、出力停止信号が与えられたタイミングで、第２のスイッチをオフ状態に切り換え、所定の電圧を温度補償部に印加することを制限することにより、消費電流を低減することができる。

図１に、本発明の実施の形態による発振器１００の構成を示す。この発振器１００は、例えば携帯電話機などの電子機器に搭載され、当該携帯電話機において要求される発振周波数を有する出力信号Ｆｏｕｔを生成し出力する。かかる携帯電話機は、発振器１００から出力される出力信号Ｆｏｕｔを基準信号として使用することにより、内蔵する各種回路の動作を制御する。

発振器１００を形成する水晶発振回路２００は、圧電素子として水晶振動子Ｘ１００を有し、所望の発振周波数を有する出力信号を生成する。なお、本実施の形態の場合、圧電素子として水晶振動子Ｘ１００を使用したが、例えば圧電セラミックなど、他の種々の圧電素子を使用することができる。

水晶振動子Ｘ１００の一端は、帰還抵抗としての抵抗Ｒ１００の一端に接続されると共に、第１のインバータに対応するインバータＩＮＶ１００の入力端子に接続されている。また、水晶振動子Ｘ１００の一端と、グランドＧＮＤとの間には、可変コンデンサＣ１００が接続されている。

一方、水晶振動子Ｘ１００の他端は、抵抗Ｒ１００の他端に接続されると共に、インバータＩＮＶ１００の出力端子に接続されている。また、水晶振動子Ｘ１００の他端と、グランドＧＮＤとの間には、可変コンデンサＣ２００が接続されている。

可変コンデンサＣ１００及びＣ２００は、印加される電圧に応じて、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数を調整するための可変容量素子として動作する。なお、この場合、可変コンデンサＣ１００及びＣ２００ではなく、可変容量ダイオードを使用しても良い。

インバータＩＮＶ１００の出力端子には、第２のインバータに対応する、バッファとしてのインバータＩＮＶ２００の入力端子が接続され、当該インバータＩＮＶ２００の出力端子から、所望の発振周波数を有する出力信号Ｆｏｕｔが出力される。

温度補償回路３００は、温度補償部に対応し、温度の変化にかかわらず、一定の発振周波数を有する出力信号Ｆｏｕｔを発振器１００から出力させるため、水晶発振回路２００の周波数温度特性を補償するための回路である。

具体的には、温度補償回路３００は、水晶発振回路２００の周囲の温度を測定するための温度センサを有し、当該温度センサによって得られた温度に基づいて、所望の補償電圧を生成する。

そして温度補償回路３００は、この補償電圧を可変コンデンサＣ１００及びＣ２００に印加し、これら可変コンデンサＣ１００及びＣ２００の容量を変化させることにより、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数を調整して温度補償を行う。

また、発振器１００は、当該発振器１００が搭載される携帯電話機内の他の信号処理回路から、制御電圧入力端子Ｖｃを介して入力される制御電圧を、可変コンデンサＣ１００及びＣ２００に印加することにより、可変コンデンサＣ１００及びＣ２００の容量を変化させ、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数を調整する。なお、この制御電圧は、常に、制御電圧入力端子Ｖｃから入力され、可変コンデンサＣ１００及びＣ２００に印加される。

これにより、水晶振動子Ｘ１００の特性の経年変化や、温度補償回路３００による温度補償のずれなどを調整し、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数を微調整する。

このようにして、温度補償回路３００から供給される補償電圧と、制御電圧入力端子Ｖｃから入力される制御電圧とを加算した電圧が、可変コンデンサＣ１００及びＣ２００に印加される。

なお、この場合、水晶振動子Ｘ１００の他端とグランドＧＮＤとの間に、さらに別の可変コンデンサを接続し、可変コンデンサＣ１００及びＣ２００には、温度補償回路３００から供給される補償電圧を印加し、新たに接続された可変コンデンサには、制御電圧入力端子Ｖｃから入力される制御電圧を印加するようにしても良い。

一方、電源電圧Ｖｄｄは、参照電圧生成回路５００に供給され、参照電圧生成回路５００は、この電源電圧Ｖｄｄを基に参照電圧を生成し、これを制御回路４００に出力する。制御回路４００は、外部（携帯電話機に搭載される他の信号処理回路）から供給される制御信号に基づいて、水晶発振回路２００、インバータＩＮＶ２００及び温度補償回路３００の動作状態を制御するための回路であり、スイッチＳＷ１０及びＳＷ２０、可変電流源ＶＩを有する。

具体的には、第１のスイッチに対応するスイッチＳＷ１０は、参照電圧生成回路５００と、インバータＩＮＶ２００の電源端子との間に接続され、第２のスイッチに対応するスイッチＳＷ２０は、参照電圧生成回路５００と、温度補償回路３００との間に接続され、可変電流源ＶＩは、参照電圧生成回路５００と、インバータＩＮＶ１００の電源端子との間に接続されている。

可変電流源ＶＩは、与えられた制御信号に基づいて、インバータＩＮＶ１００に供給する電流、すなわちインバータＩＮＶ１００を動作させる動作電流を変化させる。すなわち、可変電流源ＶＩは、制御信号として、所望の発振周波数を有する出力信号を出力することを要求する出力要求信号が与えられた場合には、インバータＩＮＶ１００を動作させる動作電流を増加させる。

これに対して、可変電流源ＶＩは、制御信号として、所望の発振周波数を有する出力信号を出力することを停止する出力停止信号が与えられた場合には、インバータＩＮＶ１００を動作させる動作電流を減少させる。これにより、水晶発振回路２００から出力される出力信号の発振周波数が安定状態を維持する程度の必要最低限の動作電流に減少させる。

スイッチＳＷ１０は、与えられた制御信号に基づいて、その接続状態を切り換える。すなわち、スイッチＳＷ１０は、制御信号として出力要求信号が与えられた場合には、オン状態になり、インバータＩＮＶ２００の電源端子に参照電圧を印加する。この場合、インバータＩＮＶ２００は、動作状態になって、所望の発振周波数を有する出力信号Ｆｏｕｔを出力する。

これに対して、スイッチＳＷ１０は、制御信号として出力停止信号が与えられた場合には、オフ状態になり、インバータＩＮＶ２００の電源端子に参照電圧を印加することを制限する。この場合、インバータＩＮＶ２００は、非動作状態になって、所望の発振周波数を有する出力信号Ｆｏｕｔを出力することを停止する。

同様に、スイッチＳＷ２０は、与えられた制御信号に基づいて、その接続状態を切り換える。すなわち、スイッチＳＷ２０は、制御信号として出力要求信号が与えられた場合には、オン状態になり、温度補償回路３００に参照電圧を印加する。この場合、温度補償回路３００は、動作状態になって温度補償を行う。

これに対して、スイッチＳＷ２０は、制御信号として出力停止信号が与えられた場合には、オフ状態になり、温度補償回路３００に参照電圧を印加することを制限する。この場合、温度補償回路３００は、非動作状態になって温度補償は行わない。

ところで、一般に、携帯電話機は、一定の時間間隔毎に基地局と通信するようになされており、間欠的に動作する。これにより、携帯電話機が基地局と通信していない場合には、制御信号として出力停止信号が与えられ、可変電流源ＶＩは、インバータＩＮＶ１００を動作させる動作電流を、必要最低限の電流に減少させる共に、スイッチＳＷ１０及びＳＷ２０はオフ状態にされ、インバータＩＮＶ２００及び温度補償回路３００は非動作状態になる。以下、この状態を発振器１００における待機状態と呼ぶ。

この場合、水晶発振回路２００は、発振周波数が安定状態に維持された出力信号を生成するが、インバータＩＮＶ２００は非動作状態にあるため、発振器１００は、携帯電話機によって必要とされる所望の発振周波数を有する出力信号Ｆｏｕｔを出力することを停止する。

この待機状態において、携帯電話機が基地局と通信を開始しようとして、制御信号として出力要求信号が与えられると、可変電流源ＶＩは、インバータＩＮＶ１００を動作させる動作電流を増加させると共に、スイッチＳＷ１０及びＳＷ２０はオン状態にされ、インバータＩＮＶ２００及び温度補償回路３００は動作状態になる。以下、この状態を発振器１００における動作状態と呼ぶ。

これにより、発振器１００は、かかる出力要求信号が与えられたタイミングで、発振周波数が既に安定状態に維持された出力信号Ｆｏｕｔを直ちに外部に出力し、出力要求信号が与えられている間、当該出力信号Ｆｏｕｔを出力し続ける。

この動作状態において、携帯電話機が基地局との通信を終了し、制御信号として出力停止信号が与えられると、発振器１００は、再び待機状態に遷移する。この待機状態において、水晶発振回路２００は、所定のタイミングで出力要求信号が与えられることに備えて、発振周波数が安定状態に維持された出力信号を生成し続ける。

このように本実施の形態によれば、発振器１００が待機状態にある場合には、水晶発振回路２００から出力される出力信号の発振周波数が安定状態を維持する程度の必要最低限の動作電流で、水晶発振回路２００のみを選択的に動作させておき、出力要求信号が与えられたタイミングで、発振周波数が安定状態に維持されている出力信号Ｆｏｕｔを直ちに出力する。

これにより、出力要求信号が与えられたタイミングから、発振器１００から出力される出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数が安定状態に遷移するまでに要する時間を短縮しながら、消費電流を低減することができる。

ここで図２に、本実施の形態の発振器１００が待機状態から動作状態に遷移する場合において、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数が変化する様子を示す。

この図２に示すように、本実施の形態によれば、出力要求信号が与えられたタイミングｔ３０で、発振周波数が既に安定状態に維持されている出力信号Ｆｏｕｔを直ちに出力することができる。従って、出力要求信号が与えられたタイミングから、発振周波数が安定状態に遷移するタイミングまでに要する時間を短縮することができる。

また図３に、本実施の形態の発振器１００が待機状態又は動作状態を交互に繰り返す場合において、発振器１００内を流れる電流Ｉｄｄが変化する様子を示す。なお、図６に示した要素と同一のものには同一の符号を付して示す。

この図３に示すように、本実施の形態によれば、発振器１００が待機状態にあるときには、発振周波数が安定状態を維持する程度の必要最低限の電流Ｉｄｄが、流れるものの（時点０〜ｔ８０、ｔ５０〜ｔ９０）、発振器１０内を流れる電流Ｉｄｄが変化する様子を示した図６と比較して、出力要求信号が与えられたタイミングｔ４０から、発振周波数が安定状態に遷移するタイミングｔ８０までの間に流れる電流Ｉｄｄを大幅に低減することができ、その結果、全体として消費電流を低減することができる。

なお上述の実施の形態は一例であって、本発明を限定するものではない。例えば、水晶振動子Ｘ１００及び可変コンデンサＣ２００の接続点と、水晶振動子Ｘ１００の他端との間に、抵抗を接続しても良い。また、水晶振動子Ｘ１００の他端、可変コンデンサＣ２００の一端、抵抗Ｒ１００の他端、インバータＩＮＶ１００の出力端子を接続するための接続線のうち、当該接続線及び水晶振動子Ｘ１００の接続点と、当該接続線及び抵抗Ｒ１００の接続点との間に、抵抗を接続しても良い。

また上述の実施の形態においては、携帯電話機に発振器１００を搭載する場合について述べたが、例えばＧＰＳ機能を有するナビゲーション装置など、他の種々の電子機器に発振器１００を搭載するようにしても良い。

また、温度補償回路３００を設けることなく、制御電圧入力端子Ｖｃを介して入力される制御電圧のみを可変コンデンサＣ１００及びＣ２００に印加して、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数を調整するようにしても良い。

本発明の実施の形態による発振器の構成を示す回路図である。本実施の形態の場合において、出力信号の発振周波数が変化する様子を示すグラフである。本実施の形態の場合において、発振器内を流れる電流が変化する様子を示すタイミングチャートである。従来の発振器の構成を示す回路図である。電源電圧が発振器に供給された後における、出力信号の発振周波数が変化する様子を示すグラフである。発振器の動作状態を切り換える場合において、当該発振器内を流れる電流が変化する様子を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０、１００発振器
２０、２００水晶発振回路
３０、３００温度補償回路
４００制御回路
５０、５００参照電圧生成回路
Ｘ１０、Ｘ１００水晶振動子
Ｒ１０、Ｒ１００抵抗
Ｃ１０、Ｃ２０、Ｃ１００、Ｃ２００可変コンデンサ
ＩＮＶ１０、ＩＮＶ２０、ＩＮＶ１００、ＩＮＶ２００インバータ
ＳＷ１０、ＳＷ２０スイッチ
ＶＩ可変電流源

Claims

圧電素子と、
少なくとも一端が前記圧電素子の一端に接続された抵抗と、
少なくとも入力端子が前記圧電素子の一端に接続された第１のインバータと、
前記圧電素子とグランドとの間に接続された可変容量素子と、
前記第１のインバータの出力端子に接続された第２のインバータと、
前記第１のインバータの電源端子に接続され、所望の発振周波数を有する出力信号を出力することを要求する出力要求信号が与えられたタイミングで、前記第１のインバータに供給する電流を増加させ、前記出力信号を出力することを停止する出力停止信号が与えられたタイミングで、前記第１のインバータに供給する電流を減少させる可変電流源と、
前記第２のインバータの電源端子に接続され、前記出力要求信号が与えられたタイミングで、オン状態に切り換えることにより、所定の電圧を前記第２のインバータの電源端子に印加し、前記出力停止信号が与えられたタイミングで、オフ状態に切り換えることにより、前記所定の電圧を前記第２のインバータの電源端子に印加することを制限する第１のスイッチと
を備えることを特徴とする発振器。
前記可変電流源は、
前記出力停止信号が与えられたタイミングで、前記第１のインバータに供給する電流を、前記第１のインバータから出力される出力信号の発振周波数が安定状態を維持する程度の電流に減少させる
ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
前記可変容量素子の容量を変化させるための補償電圧を生成し、前記補償電圧を前記可変容量素子に印加する温度補償部と、
前記温度補償部に接続され、前記出力要求信号が与えられたタイミングで、オン状態に切り換えることにより、前記所定の電圧を前記温度補償部に印加し、前記出力停止信号が与えられたタイミングで、オフ状態に切り換えることにより、前記所定の電圧を前記温度補償部に印加することを制限する第２のスイッチと
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発振器。