JP2010109828A - 発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、簡易な構成で、温度変化や経年変化によって、出力信号の発振周波数が変化することを抑制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】 圧電素子Ｘ１００と、圧電素子Ｘ１００とグランドとの間に接続された可変容量素子Ｃ１００及びＣ２００とを有し、所望の発振周波数を有する出力信号を生成する発振部２００と、発振部２００から出力された出力信号の発振周波数を電圧に変換することにより、電圧信号を生成する周波数電圧変換部５００と、所望の発振周波数に対応する基準電圧データを記憶する記憶部３００と、周波数電圧変換部５００から出力された電圧信号を、記憶部３００から与えられた基準電圧データと比較することにより、電圧信号と基準電圧データとの差分を算出し、これを補償電圧として可変容量素子Ｃ１００及びＣ２００に印加する比較部７００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、例えば圧電素子として水晶振動子を使用する水晶発振器がある。かかる水晶発振器は、例えば携帯電話機に搭載され、携帯電話機は、水晶発振器から出力される出力信号をクロック信号として使用する。

ここで図２に、かかる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Ｆｏｕｔ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。

ところで、かかる発振器１０の場合、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を当該発振器１０から出力させる方法として、種々の方法が開発されており、例えば発振器１０の周波数温度特性を補償する方法がある。

この発振器１０の周波数温度特性を補償する方法としては、水晶振動子Ｘ１０の周波数温度特性と逆特性の周波数温度特性（すなわち、水晶振動子Ｘ１０の周波数温度特性に対して、位相が１８０度ずれた周波数温度特性）を有する補償電圧を生成し、これを可変コンデンサＣ１０及びＣ２０に印加することにより、温度補償を行う方法がある。

また、発振器１０を恒温槽に収容することにより、外部の温度変化にかかわらず、一定の発振周波数を有する出力信号Ｆｏｕｔを出力する方法もある。

以下、温度補償型発振器に関する文献名を記載する。
特開２００６−６７０７９号公報 特開平１０−３０３６４５号公報

ところで、発振器１０の周波数温度特性を補償する方法では、水晶振動子Ｘ１０の周波数温度特性のばらつきによって、水晶振動子Ｘ１０の周波数温度特性と、補償電圧の周波数温度特性との間にずれ（すなわちフィッティング・エラー）が生じ、温度補償の精度が低下するという問題があった。

また、水晶振動子Ｘ１０の特性の経年変化は、水晶振動子Ｘ１０の製造方法や部材に依存するため、水晶振動子Ｘ１０の特性の経年変化による、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数の変化を調整することが困難であるという問題があった。

また、発振器１０を恒温槽に収容する方法では、部品点数が増加し、発振器１０が大型化するという問題があった。

本発明は、簡易な構成で、温度変化や経年変化によって、出力信号の発振周波数が変化することを抑制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、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を有し、所望の発振周波数を有する出力信号を生成する発振部と、前記発振部から出力された前記出力信号の発振周波数を電圧に変換することにより、電圧信号を生成する周波数電圧変換部と、前記所望の発振周波数に対応する基準電圧データを記憶する記憶部と、前記周波数電圧変換部から出力された前記電圧信号を、前記記憶部から与えられた前記基準電圧データと比較することにより、前記電圧信号と前記基準電圧データとの差分を算出し、これを補償電圧として前記可変容量素子に印加する比較部とを備える。

また、本発明の一態様による発振器は、前記記憶部は、前記発振部固有の周波数特性を補正するための補正データをさらに記憶し、前記記憶部から与えられた前記補正データに基づいてゲインを調整することにより、前記比較部から出力された前記補償電圧を調整した上で前記可変容量素子に印加するゲイン調整部をさらに備える。

また、本発明の一態様による発振器は、前記周波数電圧変換部の出力側に接続され、前記発振器を製造する際には、前記周波数電圧変換部と前記記憶部との間を導通状態にし、前記発振器を使用する際には、前記周波数電圧変換部と前記比較部との間を導通状態にするスイッチをさらに備える。

本発明の発振器によれば、簡易な構成で、温度変化や経年変化によって、出力信号の発振周波数が変化することを抑制することができる。

また、本発明の発振器によれば、当該発振器の周波数特性のばらつきを抑制することができる。

また、本発明の発振器によれば、周波数電圧変換部の出力側にスイッチを設けるだけの簡易な構成で、発振器を製造する製造モード、又は発振器を使用する使用モードのいずれかの動作モードで発振器を動作させることができる。

また、本発明の発振器によれば、第２のインバータから出力される出力信号を用いて、発振周波数の調整を行う場合と比較して、より高速に発振周波数の調整を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

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をクロック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。

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、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。

このように、発振部に対応する水晶発振回路２００は、圧電素子と、当該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を有し、所望の発振周波数を有する出力信号を生成する。

インバータＩＮＶ１００の出力端子には、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。

ところで、本実施の形態の場合、発振器１００の動作モードとしては、発振器１００を製造する製造状態にある製造モードと、発振器１００を製造及び出荷した後、発振器１００を使用する使用状態にある使用モードとがある。

発振器１００を製造する際には、製造モードに対応するデータが、データ入出力端子ＤＩＯを介してメモリ３００に書き込まれ、記憶される。制御回路４００は、製造モードに対応するデータがメモリ３００に記憶されている場合には、スイッチＳＷ１００の接続状態をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路６００側に切り換える。

これと共に、外部から電圧入力端子（図示せず）を介して入力される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の発振周波数が所望の発振周波数になるように調整する。なお、所望の発振周波数とは、発振器１００が搭載される電子機器において要求される発振周波数をいう。

この状態において、周波数電圧変換部に対応する周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５００は、水晶発振回路２００から出力され、分周回路４５０によって分周された出力信号の発振周波数を電圧に変換することにより、電圧信号を生成し、これをゲイン調整回路５５０に出力する。

ゲイン調整回路５５０は、制御回路４００から与えられる当該発振器１００の電源電圧データに基づいてゲインを調整することにより、周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５００から出力された電圧信号を、電源電圧に応じた電圧信号に調整した上で、スイッチＳＷ１００を介してアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路６００に出力する。

アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路６００は、入力された電圧信号をデジタルデータに変換し、得られた電圧データを基準電圧データとしてメモリ３００に書き込み、記憶する。すなわち、記憶部に対応するメモリ３００は、所望の発振周波数に対応する基準電圧データを記憶する。

なお、発振器１００から出力される出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数を解析することにより、発振器１００の周波数特性のばらつきを抑制するための補正データを生成し、これをデータ入出力端子ＤＩＯを介してメモリ３００に書き込み、記憶する。すなわち、メモリ３００は、水晶発振回路２００固有の周波数特性を補正するための補正データをさらに記憶する。

このようにして、メモリ３００には、発振器１００が搭載される電子機器において要求される発振周波数に対応する基準電圧データと、発振器１００の周波数特性のばらつきを抑制するための補正データとが記憶される。

その後、発振器１００の製造工程が終了し、出荷しようとする際には、使用モードに対応するデータが、データ入出力端子ＤＩＯを介してメモリ３００に書き込まれ、記憶されると共に、製造モードに対応するデータがメモリ３００から消去される。制御回路４００は、使用モードに対応するデータをメモリ３００から読み出すと、スイッチＳＷ１００の接続状態をコンパレータ７００側に切り換える。

続いて、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、所望の発振周波数を有する出力信号Ｆｏｕｔを生成し、出力し続ける。すなわち、本実施の形態の場合、周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５００は、水晶発振回路２００から出力され、分周回路４５０によって分周された出力信号の発振周波数を電圧に変換することにより、電圧信号を生成し、これをゲイン調整回路５５０に出力する。

ゲイン調整回路５５０は、制御回路４００から与えられる当該発振器１００の電源電圧データに基づいてゲインを調整することにより、周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５００から出力された電圧信号を、電源電圧に応じた電圧信号に調整した上で、スイッチＳＷ１００を介してコンパレータ７００に出力する。

一方、制御回路４００は、発振器１００が搭載される電子機器において要求される発振周波数に対応する基準電圧データをメモリ３００から読み出し、これをデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換回路８００に出力する。デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換回路８００は、入力された基準電圧データをアナログ信号に変換し、得られた基準電圧データをコンパレータ７００に出力する。

比較部に対応するコンパレータ７００は、周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５００から出力された電圧信号を、メモリ３００から与えられた基準電圧データと比較することにより、これら電圧信号と基準電圧データとの差分を算出し、これを補償電圧としてゲイン調整回路９００に出力する。

その際、制御回路４００は、メモリ３００から補正データを読み出し、これをゲイン調整回路９００に与える。ゲイン調整回路９００は、制御回路４００から与えられた補正データに基づいてゲインを調整することにより、コンパレータ７００から出力された補償電圧を調整し、発振器１００の周波数特性のばらつきを抑制する。

ゲイン調整回路９００から出力される補償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の容量を変化させる。このように、ゲイン調整部に対応するゲイン調整回路９００は、メモリ３００から制御回路４００を介して与えられた補正データに基づいてゲインを調整することにより、コンパレータ７００から出力された補償電圧を調整した上で可変コンデンサＣ１００及びＣ２００に印加する。

これにより、発振器１００は、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数が、発振器１００が搭載される電子機器において要求される発振周波数になるように調整する。これ以降、発振器１００は、上述の動作を繰り返すことにより、出力信号Ｆｏｕｔの発振周波数を常に調整し続ける。

このように本実施の形態によれば、水晶発振回路２００から出力される出力信号の発振周波数を常に監視し、温度変化や経年変化によって、出力信号の発振周波数が変化しても、直ちに当該発振周波数を調整することにより、簡易な構成で、出力信号の発振周波数が変化することを抑制することができる。

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、上述の実施の形態においては、ゲイン調整回路９００から出力される補償電圧を可変コンデンサＣ１００及びＣ２００に印加する場合について述べたが、コンパレータ７００から出力される補償電圧を直接可変コンデンサＣ１００及びＣ２００に印加するようにしても良い。

また、周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５００及びアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路６００間と、周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５００及びコンパレータ７００間とに、それぞれスイッチを設けるようにしても良い。

その際、製造モードに対応するデータがメモリ３００に記憶された場合には、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路６００に接続されたスイッチをオン状態にすると共に、コンパレータ７００に接続されたスイッチをオフ状態にする。

続いて、使用モードに対応するデータがメモリ３００に記憶された場合には、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路６００に接続されたスイッチをオフ状態にすると共に、コンパレータ７００に接続されたスイッチをオン状態にする。

すなわち、要は、周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５００の出力側に接続され、発振器１００を製造する際には、周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５００とメモリ３００との間を導通状態にし、発振器１００を使用する際には、周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５００とコンパレータ７００との間を導通状態にするスイッチを設けるようにすれば良い。

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。 従来の発振器の構成を示す回路図である。

符号の説明

１０、１００ 発振器
２００ 水晶発振回路
３００ メモリ
４００ 制御回路
５００ 周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路
７００ コンパレータ
９００ ゲイン調整回路
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
ＳＷ１００ スイッチ

Claims (3)

1. 圧電素子と、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を有し、所望の発振周波数を有する出力信号を生成する発振部と、
   前記発振部から出力された前記出力信号の発振周波数を電圧に変換することにより、電圧信号を生成する周波数電圧変換部と、
   前記所望の発振周波数に対応する基準電圧データを記憶する記憶部と、
   前記周波数電圧変換部から出力された前記電圧信号を、前記記憶部から与えられた前記基準電圧データと比較することにより、前記電圧信号と前記基準電圧データとの差分を算出し、これを補償電圧として前記可変容量素子に印加する比較部と
   を備えることを特徴とする発振器。
2. 前記記憶部は、
   前記発振部固有の周波数特性を補正するための補正データをさらに記憶し、
   前記記憶部から与えられた前記補正データに基づいてゲインを調整することにより、前記比較部から出力された前記補償電圧を調整した上で前記可変容量素子に印加するゲイン調整部
   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。
3. 前記周波数電圧変換部の出力側に接続され、前記発振器を製造する際には、前記周波数電圧変換部と前記記憶部との間を導通状態にし、前記発振器を使用する際には、前記周波数電圧変換部と前記比較部との間を導通状態にするスイッチ
   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。
   

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