JP2010200289A

JP2010200289A - 基準周波数制御回路

Info

Publication number: JP2010200289A
Application number: JP2009166391A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Terada; 聡寺田; Masahiro Kofuchi; 雅宏小渕; Tadahiro Makabe; 忠裕真壁
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; System Solutions Co Ltd
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2010-09-09
Also published as: US7911285B2; US20100214035A1

Abstract

【課題】基準周波数を生成する発振回路の発振周波数の変化を抑制可能な基準周波数制御回路を提供する。
【解決手段】入力信号のレベルに応じた周波数で発振する発振回路からの発振信号が入力され、前記発振信号の周波数に応じた出力電圧を出力する周波数電圧変換回路と、前記出力電圧が所定レベルとなるよう前記入力信号のレベルを制御する制御回路と、を備えることを特徴とする基準周波数制御回路。
【選択図】図１

Description

本発明は、基準周波数制御回路に関する。

一般的な電子機器においては、電子機器内の基準となる高精度の周波数を生成するために、例えば水晶発振回路が設けられている。図２に例示する水晶発振回路１００は、水晶振動子２００、コンデンサ２０１，２０２からなる共振回路３００に、インバータ２０３、抵抗２０４からなる増幅回路３０１を、抵抗２０５を介して接続することにより所定の周波数で発振する回路である（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。なお、抵抗２０５は、水晶発振回路１００における異常な発振を防止するための抵抗である。

特開２００４−１４０８１７号公報特開２００６−２８７７６５号公報

共振回路３００のＱ値は一般に大きいため、水晶発振回路１００は、高精度の発振周波数を生成することが可能である。しかしながら、水晶発振回路１００が設置された周辺の温度が変化すると、例えば、水晶振動子２００の特性が変化するため、共振回路３００の共振周波数が変化する。一般的に水晶発振回路１００の発振周波数は、共振周波数と同じであるため、結果的に水晶発振回路１００の発振周波数も温度に応じて変化することとなる。また、温度が一定の場合であっても、例えば、コンデンサ２０１，２０２の製造バラツキの影響により、共振周波数も同様にばらつくこととなる。したがって、異なる水晶発振回路１００の間では発振周波数は変化する。なお、前述の温度変化に対しては、例えば、ＴＣＸＯ（ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＣｒｙｓｔａｌＯｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ：温度補償型水晶発振器）を用いることにより発振周波数の変化を抑制可能であるが、製造バラツキに対しては発振周波数の変化を抑制できない。さらに、ＴＣＸＯは一般に高価である。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、基準周波数を生成する発振回路の発振周波数の変化を抑制可能な基準周波数制御回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の基準周波数制御回路は、入力信号のレベルに応じた周波数で発振する発振回路からの発振信号が入力され、前記発振信号の周波数に応じた出力電圧を出力する周波数電圧変換回路と、前記出力電圧が所定レベルとなるよう前記入力信号のレベルを制御する制御回路と、を備えることとする。

基準周波数を生成する発振回路の発振周波数の変化を抑制可能な基準周波数制御回路を提供することができる。

本発明の一実施形態である基準周波数生成回路の構成を示す図である。従来の水晶発振回路の構成を示す図である。

本明細書および添付図面の記載の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

図１は、本発明の一実施形態である基準周波数生成回路１０の構成を示す図である。

基準周波数生成回路１０は、温度変化や、基準周波数生成回路１０を構成する素子の製造バラツキによらず所定周波数の発振信号Ｖｏｓｃを生成する回路であり、水晶発振回路２０及び基準周波数制御回路２１を含んで構成される。

水晶発振回路２０は、基準周波数制御回路２１から出力される制御電圧Ｖｃｏｎｔ（入力信号）のレベルに応じた周波数の発振信号Ｖｏｓｃ（発振信号）を出力する回路であり、共振回路３０、増幅回路３１、抵抗３２を含んで構成される。

共振回路３０は、制御電圧Ｖｃｏｎｔに応じた周波数で共振する回路であり、水晶振動子４０、コンデンサ４１，４２、バラクタ４３を含んで構成される。

水晶振動子４０は、水晶の圧電効果を利用した振動子であり、端子間の周波数が高くなるにつれて端子間のインピーダンスが容量性から誘導性まで変化する。本実施形態では水晶振動子４０を、端子間に等価的に、インダクタンスＬ、抵抗Ｒｓ、容量Ｃｓの夫々が直列に接続され、容量Ｃｐが並列に接続された回路であることとする。水晶振動子４０の一端であるノードＡには、コンデンサ４１及びバラクタ４３が接続され、水晶振動子４０の他端であるノードＢにはコンデンサ４２が接続されている。また、バラクタ４３のアノードとコンデンサ４２の一端はグランドに接続されていることから、水晶振動子４０、コンデンサ４１，４２、バラクタ４３は、夫々が直列に接続されたループを形成することとなる。したがって、コンデンサ４１，４２の夫々の容量を容量Ｃ１，Ｃ２、バラクタ４３（可変容量回路）の容量を容量Ｃ３とすると、コンデンサ４１，４２、バラクタ４３の合成容量Ｃｔは、Ｃｔ＝１／（１／Ｃ１＋１／Ｃ２＋１／Ｃ３）となる。ここで、キルヒホッフの法則に基づき前述のループのインピーダンスを計算し、ループのインピーダンスがゼロとなる共振周波数を求めるべく抵抗Ｒｓを無視すると、共振周波数ｆｏは、式（１）の様になる（例えば、特開２００４−１３０８１７号公報参照）。つまり、共振回路３０は、式（１）で示された周波数で共振することとなる。

ここで、制御電圧Ｖｃｏｎｔが変化した場合における共振周波数ｆｏについて説明する。本実施形態におけるバラクタ４３は、アノードを基準としてカソードに印加されるバイアス電圧が高くなると容量Ｃ３が減少し、前述のバイアス電圧が低くなると容量Ｃ３が増加することとする。したがって、容量Ｃ１，Ｃ２が一定の場合、カソードに印加される制御電圧Ｖｃｏｎｔのレベルが高くなると、合成容量Ｃｔは減少する。また、制御電圧Ｖｃｏｎｔのレベルが低くなると、合成容量Ｃｔは増加する。また、式（１）より、バラクタ４３に印加される制御電圧Ｖｃｏｎｔの電圧レベルが高くなると、共振周波数ｆｏは上昇し、制御電圧Ｖｃｏｎｔの電圧レベルが低くなると、共振周波数ｆｏは低下することとなる。

増幅回路３１は、水晶振動子４０を発振させるための回路であり、インバータ５０、抵抗５１を含んで構成される。抵抗５１は、インバータ５０の出力を入力に接続する帰還抵抗であるため、インバータ５０及び抵抗５１は、インバータ５０に入力される信号を反転増幅する反転増幅回路として動作する。したがって、増幅回路３１においては、入力された信号の位相が１８０°反転され出力されることとなる。また、増幅回路３１における出力抵抗（不図示）及び抵抗３２とコンデンサ４２との影響により、ノードＢにおける信号の位相は、増幅回路３１の出力信号の位相に対して遅れることとなる。例えば、増幅回路３１の出力信号の周波数が高くなると、ノードＢにおける信号の位相は、増幅回路３１の出力信号の位相に対して９０°遅れることとなる。また、共振回路３０が共振周波数ｆｏで動作する場合、共振回路３０における容量性及び誘導性のインピーダンスはキャンセルされるため、共振回路３０のインピーダンスは、水晶振動子４０の端子間に等価的に接続された抵抗Ｒｓとなる。したがって、抵抗Ｒｓとコンデンサ４１及びバラクタ４３との影響によりノードＡにおける信号の位相は、ノードＢにおける信号の位相に対して９０°遅れることとなる。本実施形態では、増幅回路３１の出力信号の周波数が共振周波数ｆｏとなると、ノードＢにおける信号の位相が増幅回路３１の出力信号の位相に対して９０°遅れるよう、水晶発振回路２０を設計している。そのため、共振周波数ｆｏにおいて、増幅回路３１の出力信号は３６０°遅れて増幅回路３１に入力されることとなるため、結果的に水晶発振回路２０は、共振周波数ｆｏで発振することとなる。なお、本実施形態において、増幅回路３１の利得は、水晶発振回路２０が安定して発振できるよう十分大きく設計されていることとする。また、以下、本実施形態では、インバータ５０の出力信号を水晶発振回路２０の出力である発振信号Ｖｏｓｃとする。また、発振信号Ｖｏｓｃの周波数である発振周波数ｆｏｓｃは共振周波数ｆｏとなる。なお、抵抗３２は、水晶発振回路２０において異常な発振を防止するための抵抗である。

基準周波数制御回路２１は、例えば、温度変化や、水晶発振回路２０を構成する素子の製造バラツキによらず、水晶発振回路２０の発振周波数ｆｏｓｃを一定にするため、水晶発振回路２０を制御する回路であり、周波数電圧変換回路６０、基準電圧回路６１、オペアンプ６２（制御回路）を含んで構成される。

周波数電圧変換回路６０は、入力される発振信号Ｖｏｓｃの発振周波数ｆｏｓｃに応じた出力電圧Ｖｏを出力する回路であり、例えば、特開平２−２３０８１３号公報の図１に記載された周波数電圧変換回路で構成可能である。なお、本実施形態の周波数電圧変換回路６０は、発振周波数ｆｏｓｃが上昇すると出力電圧Ｖｏも上昇し、発振周波数ｆｏｓｃが低下すると出力電圧Ｖｏも低下することとする。

基準電圧回路６１は、温度に対して一定の電圧である基準電圧Ｖｒｅｆを出力する回路であり、例えば、特開２００４−３５０２９０号公報の図４に記載されたバンドギャップ基準電圧発生回路により構成可能である。

オペアンプ６２（誤差増幅回路）は、非反転入力端子に入力される基準電圧Ｖｒｅｆと、反転入力端子に入力される出力電圧Ｖｏとの差に応じて、出力される制御電圧Ｖｃｏｎｔのレベルを変化させる回路である。

ここで、出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｖｒｅｆより低い場合における基準周波数生成回路１０の動作について説明する。出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｖｒｅｆより低いため、オペアンプ６２は制御電圧Ｖｃｏｎｔを上昇させる。その結果、水晶発振回路２０から出力される発振信号Ｖｏｓｃの発振周波数ｆｏｓｃは上昇し、周波数電圧変換回路６０から出力される出力電圧Ｖｏも上昇する。一方、出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｖｒｅｆより高い場合、オペアンプ６２は制御電圧Ｖｃｏｎｔを低下させる。その結果、水晶発振回路２０から出力される発振信号Ｖｏｓｃの発振周波数ｆｏｓｃは低下し、周波数電圧変換回路６０から出力される出力電圧Ｖｏも低下する。したがって、基準周波数制御回路２１は、出力電圧Ｖｏが所定レベルの基準電圧Ｖｒｅｆと一致するように水晶発振回路２０を制御することとなる。上記の様に、本実施形態においては、出力電圧Ｖｏのレベルが所定レベルの基準電圧Ｖｒｅｆとなることから、結果的に発振周波数ｆｏｓｃも基準電圧Ｖｒｅｆに基づいて決定されることとなる。

以上に説明した構成からなる本実施形態の基準周波数生成回路１０では、周波数電圧変換回路６０が実際の発振周波数ｆｏｓｃに応じた出力電圧Ｖｏを出力し、オペアンプ６２が出力電圧Ｖｏを基準電圧Ｖｒｅｆに一致するよう水晶発振回路２０を制御する。したがって、水晶発振回路２０は、基準電圧Ｖｒｅｆのレベルに基づいて決定される基準周波数ｆｒｅｆで発振することとなる。本実施形態における基準電圧Ｖｒｅｆは、前述の様に温度変化に対して一定となるような電圧であるため、結果的に基準周波数ｆｒｅｆも温度変化に対して一定となる。このため、例えば温度補償されていない水晶振動子を用いた場合であっても、温度変化に対して一定の基準周波数を生成することが可能となる。また、例えば、コンデンサ４１，４２の容量Ｃ１，Ｃ２の値が製造バラツキによりばらついた場合であっても、基準周波数ｆｒｅｆは基準電圧Ｖｒｅｆのレベルに基づいて決定されるため、基準周波数ｆｒｅｆの変化を抑制可能である。

また、本実施形態においては、例えば、温度変化や製造バラツキにより、水晶振動子４０やコンデンサ４１，４２の特性が変化した場合であっても、実際の発振周波数が基準周波数ｆｒｅｆとなるようオペアンプ６２がバラクタ４３の容量を変化させることにより、基準周波数ｆｒｅｆの変化を抑制可能である。

また、オペアンプ６２は、出力電圧Ｖｏと基準電圧Ｖｒｅｆとの差に応じた制御電圧Ｖｃｏｎｔをバラクタ４３に出力することにより、バラクタ４３の容量値を変化させる。バラクタ４３の容量値に応じて変化する発振周波数ｆｏｓｃは、出力電圧Ｖｏとしてオペアンプ６２に帰還される。したがって、例えば、温度変化や、水晶発振回路２０における素子の製造バラツキがある場合でも、オペアンプ６２がバラクタ４３の容量値を変更することにより、水晶発振回路２０は、基準電圧Ｖｅｒｆに基づく基準周波数ｆｒｅｆを出力可能である。

なお、上記実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

本実施形態では、水晶振動子４０を用いることとしたが、水晶振動子４０の代わりに、例えば、セラミック振動子を用いても良い。

１０基準周波数生成回路
２０水晶発振回路
２１基準周波数制御回路
３０共振回路
３１増幅回路
３２、５１抵抗
４０水晶振動子
４１、４２コンデンサ
４３バラクタ
５０インバータ
６０周波数電圧変換回路
６１基準電圧回路
６２オペアンプ

Claims

入力信号のレベルに応じた周波数で発振する発振回路からの発振信号が入力され、前記発振信号の周波数に応じた出力電圧を出力する周波数電圧変換回路と、
前記出力電圧が所定レベルとなるよう前記入力信号のレベルを制御する制御回路と、
を備えることを特徴とする基準周波数制御回路。
前記発振回路は、
前記入力信号のレベルに応じた容量値となる可変容量回路を含み、前記容量値に応じた周波数の前記発振信号を出力すること、
を特徴とする請求項１に記載の基準周波数制御回路。
前記制御回路は、
前記出力電圧と前記所定レベルの基準電圧との誤差に応じたレベルの誤差電圧を、前記入力信号として前記可変容量回路に出力する誤差増幅回路を含み、
前記誤差増幅回路は、
前記出力電圧が前記所定レベルとなるよう前記誤差電圧のレベルを変化させること、
を特徴とする請求項２に記載の基準周波数制御回路。