JP2011217349A

JP2011217349A - 水晶発振回路

Info

Publication number: JP2011217349A
Application number: JP2010269425A
Authority: JP
Inventors: Kei Nagatomo; 圭長友; Hisato Takeuchi; 久人竹内; Nagahisa Shibuya; 修寿渋谷
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2011-10-27
Also published as: US20110227655A1; US8228131B2

Abstract

【課題】水晶振動子を用いた水晶発振回路において、電源起動時における出力周波数変動をより安定化可能にする。
【解決手段】水晶振動子１５を用いた水晶発振回路は、水晶振動子１５と発振ループを形成する可変容量素子１０と、可変容量素子１０に制御信号を与え、水晶振動子１５の温度特性を補償する温度補償回路３とを備えている。さらに、第２の可変容量素子群２２ａ，２２ｂと、所定の時定数で変化する時定数信号を第２の可変容量素子群２２ａ，２２ｂに制御信号として与える時定数回路２５とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶振動子を用いた水晶発振回路に関するものであり、特に、発振周波数の安定化制御に関する。

水晶振動子を用いた水晶発振回路は、電子機器内の基準となる周波数を生成する発振回路として多用されている。

近年、電子機器内の伝送データレートが高くなっており、このような電子機器では、低消費電力を目的として間欠動作が行われている。また、電子機器では、機器の小型化・軽量化が求められ、さらに高信頼性・高精度を有することが望まれている。このような背景から、水晶発振回路に対して、短時間で起動を行い、低消費電力で安定した発振周波数を出力すること、特に周囲温度の変化に対して、発振周波数が高安定であることが要求されている。

図６は従来の水晶発振回路の構成の一例を示す図である。図６の構成では、水晶振動子６５と発振回路部５１内のＭＯＳ容量６０および固定容量６２とによって、発振ループが形成されている。６４はインバータ、６６は抵抗である。電源電圧６７が印加されると、ＲＥＧ電圧回路５２が所定の電源電圧を発振回路部５１に供給し、これにより水晶振動子６５に衝撃が与えられ、発振動作が開始する。出力回路７４から発振信号が出力される。電圧制御回路７３は抵抗６９を介してＭＯＳ可変容量６０のドレインに制御電圧を印加し、ＭＯＳ容量値を変化させる。これによって発振回路部５１の負荷容量ＣＬが変化し、水晶発振回路の出力周波数は所望の周波数ｆ０に調整される。

また水晶振動子は一般に、３次関数に近似される温度特性を示す。このため水晶発振回路には、水晶振動子の温度特性の補償を行う機能を付加することが好ましい。例えば、周波数調整素子である可変容量素子に水晶振動子の温度特性を補償するための温度特性を持つ制御電圧Ｖｃを印加して、発振周波数の温度特性を安定させる、という手法がある。ただし、理想的な制御電圧Ｖｃを発生させることは技術的に難しいため、一般には、擬似的な３次関数の温度特性を持つ制御電圧を様々な方法で発生させ、発振周波数の温度補償を行っている。図６の構成では、温度補償回路５３が水晶振動子の温度特性の補償のための制御電圧を抵抗６８を介してＭＯＳ可変容量６０のゲートに印加している。

次に、水晶発振回路のモジュール構造にについて説明する。水晶振動子とＩＣチップは、セラミック材料によりモジュールにパッケージングされる。水晶振動子とＩＣチップとの電気的接続は、モジュールの内部で、金配線パターン、金バンプを介してなされる。また、水晶振動子とＩＣチップとの熱的接続は、セラミック材料、金配線パターン、金バンプを介してなされる。

近年の水晶発振回路は、周波数起動特性や周波数安定度に関する要求が高い。高付加価値を有する水晶発振回路を提供するためには、これらの特性を改善していくことが必須である。

特許第４１６７２５５号

図６のような水晶発振回路では、電源を起動することで発振回路が消費する電力により発振回路が時系列で発熱し、発振回路の発熱により発振回路および温度補償回路の動作温度が時系列で変化すると共に、発振回路で発生した熱を受ける水晶振動子の動作温度が時系列で変化する。このため、発振回路の発熱に起因して、電源起動から水晶発振回路のモジュール温度が定常状態となるまでの間に出力周波数変動がある。したがって、図７に示すように、安定した周波数起動特性が得られなかった。

また、従来の温度補償は、水晶発振回路のモジュール温度が定常状態であるときになされていたに過ぎず、電源起動から水晶発振回路のモジュール温度が定常状態となるまでの期間においては、温度補償はされていなかった。

さらに、ＩＣ内の素子レイアウトや配線レイアウトにより発生する寄生素子に起因して、電源起動から周波数が安定するまでの期間、出力周波数に変動が生じていた。この出力周波数変動は、レイアウトや回路の工夫によりある程度は改善されるが、近年更なる高精度が要求される水晶発振回路において、十分な改善ができなくなってきている。

このように、発熱による発振回路の出力周波数変動、伝熱による水晶振動子の出力周波数変動、温度補償の誤差による出力周波数変動、寄生素子に起因する出力周波数変動といった、様々の周波数変動が合成されるため、電源起動時における出力周波数の変動は非常に複雑である。また、出力周波数変動の原因の切り分けが難しく、それぞれの出力周波数変動を個別に低減することは、近年更なる高精度が要求される水晶発振回路において、極めて難しい。

前記の問題に鑑み、本発明は、水晶振動子を用いた水晶発振回路において、電源起動時における出力周波数変動をより安定化させることを可能にすることを目的とする。

本発明の一態様では、水晶発振回路として、水晶振動子と、前記水晶振動子と発振ループを形成するように接続されており、制御信号に応じて容量値が変化する第１の可変容量素子と、前記第１の可変容量素子に制御信号を与え、前記水晶振動子の温度特性を補償する温度補償回路と、前記水晶振動子と接続されており、制御信号に応じて容量値が変化する第２の可変容量素子群と、所定の時定数で変化する時定数信号を生成し、前記第２の可変容量素子群に制御信号として与える時定数回路とを備えたものである。

本態様によると、第２の可変容量素子群と、所定の時定数で変化する時定数信号を生成し、第２の可変容量素子群に制御信号として与える時定数回路とを設けたことによって、電源起動時における複雑な出力周波数変動を低減することができるので、電源の起動時から定常時までの出力周波数起動特性を安定化することが可能である。

本発明によると、水晶発振回路において、電源起動時から出力周波数が安定する定常発振時までに発生する出力周波数の変動を安定化させることができる。

第１の実施形態に係る水晶発振回路の構成を示す回路図である。時定数回路の構成の一例を示す図である。時定数回路の出力信号特性を示すグラフである。実施形態に係る水晶発振回路の出力周波数特性を示すグラフである。第２の実施形態に係る水晶発振回路の構成を示す回路図である。従来の水晶発振回路の構成を示す回路図である。従来の水晶発振回路の出力周波数特性を示すグラフである。時定数回路の構成の一例を示す図である。時定数回路の構成の一例を示す図である。時定数回路の構成の一例を示す図である。時定数回路の構成の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る水晶発振回路の構成を示す回路図である。図１に示す水晶発振回路は、水晶振動子１５と、発振回路部１と、補正回路部２１とを備えている。発振回路部１は、電源電圧１７を印加されたＲＥＧ電圧回路２によってＲＥＧ電圧が印加される。

発振回路部１において、インバータ１４の入力と出力が水晶振動子１５の両端に接続されている。インバータ１４の入力と出力との間に抵抗１６が接続されている。また、インバータ１４の入力はＭＯＳ可変容量１０のゲートに接続されており、インバータ１４の出力はＭＯＳ可変容量１０のドレインに接続されている。ＭＯＳ可変容量１０のソースは固定容量１２を介して接地されている。また、ＭＯＳ可変容量１０のゲートは抵抗１８を介して温度補償回路３と接続されており、ＭＯＳ可変容量１０のドレインは抵抗１９を介して電圧制御回路４３と接続されている。水晶振動子１５、第１の可変容量素子としてのＭＯＳ可変容量１０および固定容量１２によって発振ループが形成されており、出力回路４４から発振信号が出力される。

電源電圧１７が印加されると、ＲＥＧ電圧回路２から所定の電源電圧が発振回路部１に供給される。発振回路部１に電源電圧が印加されることによって水晶振動子１５に衝撃が与えられ、これにより水晶発振回路は発振動作を開始する。また、電圧制御回路４３からＭＯＳ可変容量１０のドレインに印加される制御電圧によって、ＭＯＳ可変容量１０の容量値、ひいては発振回路部１の負荷容量が調整される。すなわち、電圧制御回路４３によって発振周波数を調整することができる。さらに、温度補償回路３からＭＯＳ可変容量１０のゲートに印加される制御電圧によって、ＭＯＳ可変容量１０の容量値、ひいては発振回路部１の負荷容量が調整される。温度補償回路３は、水晶振動子１５の温度特性を補償するための温度特性を持つ制御電圧を出力する。すなわち、温度補償回路３によって、水晶振動子１５の温度特性が補償される。

また、補正回路部２１において、第２の可変容量素子としてのＭＯＳ可変容量２２ａ，２２ｂは、ドレインが発振回路部１のインバータ１４の出力に接続されており、ソースが固定容量２４ａ，２４ｂを介して接地されている。また、ＭＯＳ可変容量２２ａ，２２ｂのゲートは時定数回路２５と接続されており、ＭＯＳ可変容量２２ａ，２２ｂのドレインは抵抗２１ａ，２１ｂを介して電圧制御回路２３と接続されている。ＭＯＳ可変容量２２ａ，２２ｂのドレイン電圧を電圧制御回路２３によって制御することにより、その容量値を変化させることが可能である。

図２は時定数回路２５の構成の一例を示す。図２に示すように、定電流源３１から出力される定電流Ｉｉｎを容量素子３２に入力することによって、図３に示すような特性の出力信号（時定数信号）Ｖｏｕｔを出力する。図３に示す出力信号ＶｏｕｔをＭＯＳ可変容量２２ａ，２２ｂのゲートに印加することによって、補正回路部２１の出力信号を生成する。

図４は本実施形態に係る水晶発振回路の出力周波数特性を示す。

なお、時定数回路の構成としては様々なものが考えられる。例えば、ＰＮ接合７５の逆方向飽和電流と容量素子３２とを用いたもの（図８）、ＰＮ接合７６の順方向電流と容量素子３２とを用いたもの（図９）、ＭＯＳトランジスタ７７のドレイン−ソース電流と容量素子３２とを用いたもの（図１０）、抵抗素子７８と容量素子３２とを用いたもの（図１１）、などがある。

また、発振回路部１において、ＭＯＳ可変容量は、複数個設けてもかまわない。

（第２の実施形態）
図５は第２の実施形態に係る水晶発振回路の構成を示す回路図である。図５において、図１と共通の構成要素には図１と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。

補正回路部２１Ａにおいて、電圧制御回路２３と抵抗２１ａ，２１ｂとの間にスイッチ２８ａ，２８ｂが設けられており、このスイッチ２８ａ，２８ｂはメモリ部２６によってオンオフが制御される。また、メモリ部２７は時定数回路２５を制御するものであり、出力信号の時定数および信号変化量を調整することができる。

図５の構成によって、モジュール別の調整が可能になる。すなわち、メモリ部２６，２７によって、トランジスタ２２ａ，２２ｂが動作する／しないを選択することによって信号変化量を調整する。また、メモリ部２６，２７によって、時定数回路２５内部の容量素子３２の値を選択すること、もしくは、時定数回路２５内部の電流Ｉｉｎの飽和点を調整することによって、時定数を調整する。このようにして、メモリ部２６，２７によって、時定数回路２５の出力信号における時定数や信号変化量をモジュール別に調整することが可能である。このため、モジュールを構成するＩＣ、水晶振動子、パッケージのそれぞれのバラツキによる出力周波数変動のバラツキを、モジュール別に調整することが可能である。また、出力負荷、電源電圧レベルにより変化するモジュールの発熱量に応じ、周波数変動を調整することが可能である。

以上のように、上述の各実施形態によると、電源起動時から出力周波数が安定する定常発振時までに発生する出力周波数の変動を、安定化させることができる。

本発明は、電源起動時から出力周波数が安定する定常発振時までに発生する出力周波数の変動を安定化させることができる効果を有し、例えば、携帯電話用ＴＣＸＯ(Temperature Compensated Xtal Oscillator)モジュールの高性能化に有用である。

３温度補償回路
１０ＭＯＳ可変容量（第１の可変容量素子）
１５水晶振動子
２２ａ，２２ｂＭＯＳ可変容量（第２の可変容量素子）
２５時定数回路
２６，２７メモリ部

Claims

水晶振動子と、
前記水晶振動子と発振ループを形成するように接続されており、制御信号に応じて容量値が変化する第１の可変容量素子と、
前記第１の可変容量素子に制御信号を与え、前記水晶振動子の温度特性を補償する温度補償回路と、
前記水晶振動子と接続されており、制御信号に応じて容量値が変化する第２の可変容量素子群と、
所定の時定数で変化する時定数信号を生成し、前記第２の可変容量素子群に制御信号として与える時定数回路とを備えた
ことを特徴とする水晶発振回路。
請求項１記載の水晶発振回路において、
前記時定数回路は、ＰＮ接合の逆方向飽和電流と容量素子とを用いたものである
ことを特徴とする水晶発振回路。
請求項１記載の水晶発振回路において、
前記時定数回路は、ＰＮ接合の順方向電流と容量素子とを用いたものである
ことを特徴とする水晶発振回路。
請求項１記載の水晶発振回路において、
前記時定数回路は、ＭＯＳトランジスタのドレイン-ソース電流と容量素子とを用いたものである
ことを特徴とする水晶発振回路。
請求項１記載の水晶発振回路において、
前記時定数回路は、抵抗素子と容量素子とを用いたものである
ことを特徴とする水晶発振回路。
請求項１記載の水晶発振回路において、
前記時定数回路が出力する時定数信号の時定数を調整するメモリ部を備えた
ことを特徴とする水晶発振回路。
請求項１記載の水晶発振回路において、
前記時定数回路が出力する時定数信号の信号変化量を調整するメモリ部を備えた
ことを特徴とする水晶発振回路。