JP2014007678A - 発振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】発振子同士を干渉させることなく、広帯域の基本波発振を可能とする発振器を提供する。
【解決手段】圧電素子X1の一端を、複数の発振回路が有する各増幅器の入力端にそれぞれ接続し、圧電素子X1の他端を、複数の伸長用コイルLs1,Ls2をそれぞれ介して出力ノードN1に共通して接続する。そして、選択信号SEL1,SEL2によって、選択用トランジスタSM1,SM2及びスイッチSW1,SW2を制御することで、複数の発振回路の何れか1つを選択し駆動させる。
【選択図】 図1
【解決手段】圧電素子X1の一端を、複数の発振回路が有する各増幅器の入力端にそれぞれ接続し、圧電素子X1の他端を、複数の伸長用コイルLs1,Ls2をそれぞれ介して出力ノードN1に共通して接続する。そして、選択信号SEL1,SEL2によって、選択用トランジスタSM1,SM2及びスイッチSW1,SW2を制御することで、複数の発振回路の何れか1つを選択し駆動させる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、圧電素子を使用した発振器に関し、特に複数の基本波発振を行う発振器に関するものである。
発振器を複数システムに適応させるための解決法として、発振器の広帯域化がある。これは、システムの要求にあわせて柔軟に対応するために、必須な技術である。
従来、オーバートーン発振を利用したデュアルモード水晶発振回路(NDK)が知られている(例えば、特許文献1参照)。この技術は、安定な3次と5次のオーバートーン発振を実現できる技術である。しかしながら、このように1つの圧電素子でオーバートーンを取り出す方法では、周波数間隔を自由に選択できない。すなわち、自由に周波数を選択するには、必要な分だけ発振器を持つ必要がある。
従来、オーバートーン発振を利用したデュアルモード水晶発振回路(NDK)が知られている(例えば、特許文献1参照)。この技術は、安定な3次と5次のオーバートーン発振を実現できる技術である。しかしながら、このように1つの圧電素子でオーバートーンを取り出す方法では、周波数間隔を自由に選択できない。すなわち、自由に周波数を選択するには、必要な分だけ発振器を持つ必要がある。
ところが、複数の発振器を持つ場合、複数の発振回路と複数の圧電素子とが必要となる。そのため、複数の発振回路と複数の圧電素子との接続端子を持つことでチップ面積の増加を招き、さらに複数の圧電素子を配置する必要があるため、実装面積の増加を招く。
図8は、複数(N個)の発振器を持つ場合の例である。この図8に示す例では、各発振器の出力が結合容量Cc1〜CcNを介して1つに束ねられており、N個の発振回路のうち1つがオンすることで所望の発振出力を取り出すことができる。しかしながら、このようにN個の発振器を束ねた場合、発振器1個の場合と比較して回路規模はN倍になる。
図8は、複数(N個)の発振器を持つ場合の例である。この図8に示す例では、各発振器の出力が結合容量Cc1〜CcNを介して1つに束ねられており、N個の発振回路のうち1つがオンすることで所望の発振出力を取り出すことができる。しかしながら、このようにN個の発振器を束ねた場合、発振器1個の場合と比較して回路規模はN倍になる。
また、発振帯域拡大のための伸長コイルが挿入された発振器を複数持つ場合には、図9に示すように、出力の本数(ここではN本)分の伸長コイルと電極の数が増えるため、上述した図8の例よりもさらに回路規模の増大を招く。
そこで、回路規模を増大させることなく、複数の発振周波数を自由に選択することができる発振器として、複数の発振回路の出力を1つのノードに束ね、その束ねたノードと各発振回路の入力とに圧電素子を接続する構成とし、選択回路で複数の圧電素子のうち何れか1つを選択して駆動するものがある(例えば、特許文献2参照)。
そこで、回路規模を増大させることなく、複数の発振周波数を自由に選択することができる発振器として、複数の発振回路の出力を1つのノードに束ね、その束ねたノードと各発振回路の入力とに圧電素子を接続する構成とし、選択回路で複数の圧電素子のうち何れか1つを選択して駆動するものがある(例えば、特許文献2参照)。
その概念図を図10に示す。ここでは、制御信号1〜制御信号Nによって、N個の圧電発振回路のうち何れか1つだけが動作するように制御している。これにより、複数の発振回路の出力同士がぶつかることを避け、1つだけ選択的に発振させることを可能にしている。換言すると、図10に示す回路は、複数(N個)のインバータをもつため複数(N個)の入力を持つが、出力は全て束ねて1つで実現できる多入力1出力の回路である。
また、伸長コイルが挿入された発振器の場合でも、出力が1つであることから、図11に示すように、1つの伸長コイルで複数の発振器を構成することができ、回路規模の増大を抑えることができる。
しかしながら、上記特許文献2に記載の技術にあっては、図10及び図11に示すように、回路を共通化することで電極を削減し、回路規模の増大を抑制することができるが、各発振子の発振帯域が接近しすぎると、発振子間で干渉が起こり発振帯域の制御が困難になる場合がある。
そこで、本発明は、発振子同士を干渉させることなく、広帯域の基本波発振を可能とする発振器を提供することを課題としている。
そこで、本発明は、発振子同士を干渉させることなく、広帯域の基本波発振を可能とする発振器を提供することを課題としている。
上記課題を解決するために、本発明に係る発振器の第1の形態は、所定の周波数で励振される1つの圧電素子と、増幅器を有し前記圧電素子に電流を流して当該圧電素子を励振駆動する複数の発振回路と、前記複数の発振回路にそれぞれ対応する複数の伸長用コイルと、を備える発振器であって、前記複数の発振回路の出力が1つの出力ノードに束ねられ、前記圧電素子の一端が、前記複数の発振回路が有する前記増幅器の入力端にそれぞれ接続されると共に、前記圧電素子の他端が前記複数の伸長用コイルをそれぞれ介して前記出力ノードに共通して接続されており、前記複数の発振回路のうち何れか1つを選択的に駆動する選択回路を備えることを特徴としている。
このように、1つの圧電素子に、複数の発振回路とこれに対応する複数の伸長用コイルを接続する構成とし、選択回路で複数の発振回路のうち何れか1つを選択して駆動する。これにより、動作する発振回路を切り替え、発振帯域を切り替えることができるので、全体として広い帯域の基本波発振が可能となる。さらに、発振子を1つしか持たないため、発振子同士が干渉することが無い。そのため、発振帯域の制御が容易となる。また、回路規模の増大も抑えることができる。
さらに、第2の形態は、所定の周波数で励振される圧電素子と、増幅器を有し前記圧電素子に電流を流して当該圧電素子を励振駆動する発振回路と、前記発振回路に対応する伸長用コイルと、をそれぞれ含む複数の圧電発振回路を備える発振器であって、前記複数の発振回路の出力が1つの出力ノードに束ねられ、前記複数の圧電素子の一端が、それぞれ各圧電素子に対応する前記増幅器の入力端に接続されると共に、前記複数の圧電素子の他端が、それぞれ各圧電素子に対応する前記伸長用コイルを介して前記出力ノードに共通して接続されており、前記複数の発振回路のうち何れか1つを選択的に駆動する選択回路を備えることを特徴としている。
このように、圧電素子と発振回路と伸長用コイルとをそれぞれ含む複数の圧電発振回路を備え、選択回路で複数の発振回路のうち何れか1つを選択して駆動する。これにより、動作する発振回路を切り替え、発振周波数を切り替えることができるので、全体として広い帯域の基本波発振が可能となる。さらに、従来のように発振子同士が共通ノードで接続された構成ではないため、発振子間の干渉を防止することができる。そのため、発振帯域の制御が容易となる。また、複数の発振子をもつ構成であるため、発振帯域を広く取ることができ、必要な発振帯域の実現が容易となる。
さらに、第3の形態は、前記選択回路は、電流源と各増幅器との間にそれぞれ介装されたスイッチング素子により構成されており、各スイッチング素子を制御して、前記電流源から前記複数の増幅器のうち何れか1つに電流供給を行うことで、前記複数の発振回路のうち何れか1つを駆動することを特徴としている。
これにより、比較的簡易な回路構成で選択回路を実現することができる。
これにより、比較的簡易な回路構成で選択回路を実現することができる。
また、第4の形態は、前記圧電素子を除く回路部をワンチップICで構成したことを特徴としている。
これにより、圧電素子を除く回路部を完全なるIC化とすることができる。このように、伸長用コイルをICチップに内蔵するので、外付けする場合と比較して寄生の影響を受けないようにすることができ、特性を出し易くすることができる。
これにより、圧電素子を除く回路部を完全なるIC化とすることができる。このように、伸長用コイルをICチップに内蔵するので、外付けする場合と比較して寄生の影響を受けないようにすることができ、特性を出し易くすることができる。
さらにまた、第5の形態は、前記各増幅器の入出力端と接地との間に夫々配置された容量素子を備え、前記複数の容量素子の少なくとも1つが可変容量素子であることを特徴としている。
これにより、容量素子の容量値を調整することが可能となり、周波数出力を容易に目的とする周波数に調整することができる。
これにより、容量素子の容量値を調整することが可能となり、周波数出力を容易に目的とする周波数に調整することができる。
本発明によれば、発振子同士の干渉が起きるのを防止することができるので、発振帯域の制御を容易且つ適切に行うことができる。したがって、広い帯域の基本波発振が可能となり、複数の基本波発振を自由に選択することができる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る発振器を示す図である。
本実施形態における発振器は、IC内部に配置された2つの発振回路と、IC外部に配置された発振子(圧電素子)X1及び伸長用コイルLs1,Ls2とを備える。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る発振器を示す図である。
本実施形態における発振器は、IC内部に配置された2つの発振回路と、IC外部に配置された発振子(圧電素子)X1及び伸長用コイルLs1,Ls2とを備える。
図中NM1,NM2はインバータとして機能するトランジスタであり、トランジスタNM1,NM2の各ゲートは、夫々圧電素子X1の一端と電極EL1を介して電気的に接続されている。
また、トランジスタNM1,NM2と電流源との間に介装されるSM1,SM2は、選択信号SEL1,SEL2を受けることでオン/オフ制御されるトランジスタであり、トランジスタSM1(又はSM2)がオンの場合は、インバータとして機能するトランジスタNM1(又はNM2)へ発振器電流Idcを流し込み、オフの場合はトランジスタNM1(又はNM2)へ流れ込む発振器電流Idcを遮断する。
また、トランジスタNM1,NM2と電流源との間に介装されるSM1,SM2は、選択信号SEL1,SEL2を受けることでオン/オフ制御されるトランジスタであり、トランジスタSM1(又はSM2)がオンの場合は、インバータとして機能するトランジスタNM1(又はNM2)へ発振器電流Idcを流し込み、オフの場合はトランジスタNM1(又はNM2)へ流れ込む発振器電流Idcを遮断する。
さらに、R1,R2は発振回路の動作点を決定する抵抗で、該抵抗に直列につながるSW1,SW2はトランジスタSM1,SM2と夫々連動してオン/オフするスイッチである。また、C1,C2は発振回路の入力側につく容量、Cxは発振回路の出力側につく容量である。
トランジスタNM1及びSM1、抵抗R1、スイッチSW1、容量C1で1つの発振回路(第1の発振回路)を構成し、トランジスタNM2及びSM2、抵抗R2、スイッチSW2、容量C2でもう1つの発振回路(第2の発振回路)を構成している。
トランジスタNM1及びSM1、抵抗R1、スイッチSW1、容量C1で1つの発振回路(第1の発振回路)を構成し、トランジスタNM2及びSM2、抵抗R2、スイッチSW2、容量C2でもう1つの発振回路(第2の発振回路)を構成している。
これら2つの発振回路の出力は、図示の通り出力ノードN1で1つに束ねられており、出力ノードN1と圧電素子X1の他端との間に伸長用コイルLs1が挿入されている。すなわち、圧電素子X1の他端が伸長用コイルLs1の一端に接続され、伸長用コイルLs1の他端が出力ノードN1と電極EL2を介して電気的に接続されている。
また、同様に、出力ノードN1と圧電素子X1の他端との間には、伸長用コイルLs2が挿入されている。すなわち、圧電素子X1の他端が伸長用コイルLs2の一端に接続され、伸長用コイルLs2の他端が出力ノードN1と電極EL3を介して電気的に接続されている。
また、同様に、出力ノードN1と圧電素子X1の他端との間には、伸長用コイルLs2が挿入されている。すなわち、圧電素子X1の他端が伸長用コイルLs2の一端に接続され、伸長用コイルLs2の他端が出力ノードN1と電極EL3を介して電気的に接続されている。
これら伸長用コイルLs1,Ls2は、周波数感度を向上させるために設けられるものである。以下、伸長用コイルの機能について説明する。
図2は、伸長用コイルLsの機能を説明するための等価回路である。等価容量をCtとすると、CL1,CL2,Lsの直列インピーダンスは以下のようになる。
1/(jω*Ct)=1/(jω*CL1)+1/(jω*CL2)+jω*Ls
1/Ct =(1/CL1+1/CL2)−ω2*Ls ………(1)
図2は、伸長用コイルLsの機能を説明するための等価回路である。等価容量をCtとすると、CL1,CL2,Lsの直列インピーダンスは以下のようになる。
1/(jω*Ct)=1/(jω*CL1)+1/(jω*CL2)+jω*Ls
1/Ct =(1/CL1+1/CL2)−ω2*Ls ………(1)
ここで、ωは角周波数である。また、1/CL=1/CL1+1/CL2とすると、上記(1)式より以下の式が導出される。
1/Ct=1/CL−ω2*Ls
=(1−ω2*Ls*CL )/CL
∴ Ct=CL/(1−ω2*Ls*CL) ………(2)
また、圧電素子の発振周波数fは、直列共振周波数fsを用いると、
f=fs*{1+C1/(2*(C0+Ct))}
=fs*(1+Δ) ………(3)
で表される。ここで、Δ=C1/(2*(C0+Ct))、fs=1/{2*π*√(L1*C1)}である。
1/Ct=1/CL−ω2*Ls
=(1−ω2*Ls*CL )/CL
∴ Ct=CL/(1−ω2*Ls*CL) ………(2)
また、圧電素子の発振周波数fは、直列共振周波数fsを用いると、
f=fs*{1+C1/(2*(C0+Ct))}
=fs*(1+Δ) ………(3)
で表される。ここで、Δ=C1/(2*(C0+Ct))、fs=1/{2*π*√(L1*C1)}である。
上記(3)式が周波数感度(可変範囲)のLs依存性を示している。
このとき、上記(2)式からも明らかなように、
ω2*Ls*CL>1
Ls>1/(ω2*CL) ………(4)
を満たす伸長用コイルではCtは負の容量として動作する。この領域では、上記(3)式が示すようにΔが大きくなるので、周波数可変範囲は大きくなる傾向になる。一方、Ctが正の領域ではΔは小さくなるので、周波数可変範囲は伸長用コイルがあっても小さくなる傾向になる。
このとき、上記(2)式からも明らかなように、
ω2*Ls*CL>1
Ls>1/(ω2*CL) ………(4)
を満たす伸長用コイルではCtは負の容量として動作する。この領域では、上記(3)式が示すようにΔが大きくなるので、周波数可変範囲は大きくなる傾向になる。一方、Ctが正の領域ではΔは小さくなるので、周波数可変範囲は伸長用コイルがあっても小さくなる傾向になる。
このように、伸長用コイルを挿入することで周波数の調整を行うことができる。
本実施形態では、異なるインダクタンス値を有する伸長用コイルLs1,Ls2を、出力ノードN1と圧電素子X1との間にそれぞれ挿入することで、周波数の調整を行うものとする。
図1に戻って、選択信号SEL1,SEL2は、2つの発振回路のうち何れか1つがオンするように制御される。例えば、SEL1=Hレベル、SEL2=Lレベルであるときには、トランジスタSM1及びスイッチSW1がオン、トランジスタSM2及びスイッチSW2がオフとなる。その結果、電流源IdcとNM1,C1,Cx,Ls1,X1を含む閉ループとで発振器を構成し、その出力が最終的な出力OUTとなる。
本実施形態では、異なるインダクタンス値を有する伸長用コイルLs1,Ls2を、出力ノードN1と圧電素子X1との間にそれぞれ挿入することで、周波数の調整を行うものとする。
図1に戻って、選択信号SEL1,SEL2は、2つの発振回路のうち何れか1つがオンするように制御される。例えば、SEL1=Hレベル、SEL2=Lレベルであるときには、トランジスタSM1及びスイッチSW1がオン、トランジスタSM2及びスイッチSW2がオフとなる。その結果、電流源IdcとNM1,C1,Cx,Ls1,X1を含む閉ループとで発振器を構成し、その出力が最終的な出力OUTとなる。
一方、SEL1=Lレベル、SEL2=Hレベルであるときには、トランジスタSM2及びスイッチSW2がオン、トランジスタSM1及びスイッチSW1がオフとなる。その結果、電流源IdcとNM2,C2,Cx,Ls2,X2を含む閉ループとで発振器を構成し、その出力が最終的な出力OUTとなる。
このように、選択信号SEL1,SEL2を切り替えることで、動作する発振回路を切り替えることができる。これにより、発振帯域を、第1の発振回路とこれに対応する伸長用コイルLs1とによって決定する発振帯域と、第2の発振回路とこれに対応する伸長用コイルLs2とによって決定する発振帯域とで切り替えることができる。言い換えると、選択信号SEL1,SEL2によって閉ループを切り替えることで、異なる2つの発振帯域で動作する発振器を構成することができる。
このように、選択信号SEL1,SEL2を切り替えることで、動作する発振回路を切り替えることができる。これにより、発振帯域を、第1の発振回路とこれに対応する伸長用コイルLs1とによって決定する発振帯域と、第2の発振回路とこれに対応する伸長用コイルLs2とによって決定する発振帯域とで切り替えることができる。言い換えると、選択信号SEL1,SEL2によって閉ループを切り替えることで、異なる2つの発振帯域で動作する発振器を構成することができる。
ここで、動作する帯域を連続帯域とするか離散帯域とするかは、用途に応じて決定するものとし、その切り替えは、伸長用コイルLs1及びLs2のインダクタンス値を調整すること等により容易に行うことができる。
なお、SEL1=Lレベル、SEL2=Lレベルの場合には、発振器を停止状態とし、SEL1=Hレベル、SEL2=Hレベルの場合には、発振器を禁止状態とするものとする。
なお、SEL1=Lレベル、SEL2=Lレベルの場合には、発振器を停止状態とし、SEL1=Hレベル、SEL2=Hレベルの場合には、発振器を禁止状態とするものとする。
このように、上記第1の実施形態では、2つの発振回路の出力を1つに束ね、1つの圧電素子の一端を各発振回路の入力に接続すると共に、当該圧電素子の他端を2つの発振回路に対応して設けられた2つの伸長用コイルにそれぞれ接続する。そして、選択回路で2つの発振回路のうち何れか一方を選択して駆動する。これにより、選択した発振回路とこれに対応する伸長用コイルとで決定する帯域で動作できるようになる。
すなわち、動作する発振回路を切り替えることで、発振帯域を切り替えることができる。したがって、発振器全体として広い帯域の基本波発振が可能となる。
また、1つの圧電素子を各発振回路で共通して用いるため、圧電素子を複数設ける必要がなくなり、その分の部品点数を削減することができる。そのため、回路規模の増大を抑制することができる。
また、1つの圧電素子を各発振回路で共通して用いるため、圧電素子を複数設ける必要がなくなり、その分の部品点数を削減することができる。そのため、回路規模の増大を抑制することができる。
さらに、圧電素子を1つしか使用しないため、圧電素子同士の干渉が起きることなく、広い帯域の基本波発振が可能となる。そして、圧電素子間の干渉が無いため、発振帯域の制御が容易となる。
また、集積した発振回路に圧電素子及び伸長用コイルを接続する構成とすることで、所望の特性の圧電素子や所望の数値の伸長用コイルを挿入することができ、自由に基本波発振を調整することができる。
また、集積した発振回路に圧電素子及び伸長用コイルを接続する構成とすることで、所望の特性の圧電素子や所望の数値の伸長用コイルを挿入することができ、自由に基本波発振を調整することができる。
また、電流源と増幅用のトランジスタとの間にそれぞれスイッチング素子(トランジスタ)介装し、各スイッチング素子を制御することで、電流源から複数の増幅器のうち何れか1つのみに電流供給を行うようにするので、比較的簡易な回路構成で、複数の発振回路から1つを選択する選択回路を実現することができる。
以上のように、回路規模や部品点数を増大させることなく、且つ発振子同士を干渉させることなく、広い帯域の基本波発振が可能となる。
なお、上記第1の実施形態においては、発振回路と、これに対応する伸長用コイルとをそれぞれ2つずつ設ける場合について説明したが、それぞれ3つ以上ずつあってもよい。
以上のように、回路規模や部品点数を増大させることなく、且つ発振子同士を干渉させることなく、広い帯域の基本波発振が可能となる。
なお、上記第1の実施形態においては、発振回路と、これに対応する伸長用コイルとをそれぞれ2つずつ設ける場合について説明したが、それぞれ3つ以上ずつあってもよい。
(第2の実施形態)
次に、本発明における第2の実施形態について説明する。
この第2の実施形態は、前述した第1の実施形態において、圧電素子を1つのみで発振器を構成しているのに対し、複数の圧電素子で発振器を構成するようにしたものである。
図3は、第2の実施形態に係る発振器を示す図である。
この第2の実施形態における発振器は、図3に示すように、IC内部に配置された発振回路とIC外部に配置された発振子(圧電素子)及び伸長用コイルとの組からなる圧電発振回路11,12を備える。ここで、上記発振回路の構成は、上述した第1の実施形態における発振回路と同一である。
次に、本発明における第2の実施形態について説明する。
この第2の実施形態は、前述した第1の実施形態において、圧電素子を1つのみで発振器を構成しているのに対し、複数の圧電素子で発振器を構成するようにしたものである。
図3は、第2の実施形態に係る発振器を示す図である。
この第2の実施形態における発振器は、図3に示すように、IC内部に配置された発振回路とIC外部に配置された発振子(圧電素子)及び伸長用コイルとの組からなる圧電発振回路11,12を備える。ここで、上記発振回路の構成は、上述した第1の実施形態における発振回路と同一である。
ここでは、トランジスタNM1,NM2の各ゲートが、夫々圧電素子X1,X2の一端と電極EL1,EL2を介して電気的に接続されている。圧電素子X1,X2は、それぞれ異なる特性を有するものとする。
また、圧電発振回路11,12の出力は、図示の通り出力ノードN1で1つに束ねられており、出力ノードN1と圧電素子X1の他端との間に伸長用コイルLs1が挿入されている。すなわち、圧電素子X1の他端が伸長用コイルLs1の一端に接続され、伸長用コイルLs1の他端が出力ノードN1と電極EL3を介して電気的に接続されている。
また、圧電発振回路11,12の出力は、図示の通り出力ノードN1で1つに束ねられており、出力ノードN1と圧電素子X1の他端との間に伸長用コイルLs1が挿入されている。すなわち、圧電素子X1の他端が伸長用コイルLs1の一端に接続され、伸長用コイルLs1の他端が出力ノードN1と電極EL3を介して電気的に接続されている。
そして、出力ノードN1と圧電素子X2の他端との間に伸長用コイルLs2が挿入されている。すなわち、圧電素子X2の他端が伸長用コイルLs2の一端に接続され、伸長用コイルLs2の他端が出力ノードN1と電極EL4を介して電気的に接続されている。
また、選択信号SELがHレベルであるときには、選択信号SEL1=Hレベル、選択信号SEL2=Lレベルとなり、選択信号SELがLレベルであるときには、選択信号SEL1=Lレベル、選択信号SEL2=Hレベルとなるようになっている。
また、選択信号SELがHレベルであるときには、選択信号SEL1=Hレベル、選択信号SEL2=Lレベルとなり、選択信号SELがLレベルであるときには、選択信号SEL1=Lレベル、選択信号SEL2=Hレベルとなるようになっている。
したがって、SEL=Hレベルであるときには、トランジスタSM1及びスイッチSW1がオン、トランジスタSM2及びスイッチSW2がオフとなる。その結果、電流源IdcとNM1,C1,Cx,Ls1,X1を含む閉ループとで発振器を構成し、その出力が最終的な出力OUTとなる。一方、SEL=Lレベルであるときには、トランジスタSM2及びスイッチSW2がオン、トランジスタSM1及びスイッチSW1がオフとなる。その結果、電流源IdcとNM2,C2,Cx,Ls2,X2を含む閉ループとで発振器を構成し、その出力が最終的な出力OUTとなる。
すなわち、選択信号SELを切り替えることによって、動作する発振回路(動作する圧電素子)を切り替え、異なる2つの周波数で発振する発振器としている。
このように、上記第2の実施形態では、圧電素子、発振回路、伸長用コイルをそれぞれ含む2つの圧電発振回路を備え、選択回路で2つの発振回路のうち何れか1つを選択して駆動する。これにより、選択した発振回路に対応する圧電素子の発振周波数で動作できるようになる。
このように、上記第2の実施形態では、圧電素子、発振回路、伸長用コイルをそれぞれ含む2つの圧電発振回路を備え、選択回路で2つの発振回路のうち何れか1つを選択して駆動する。これにより、選択した発振回路に対応する圧電素子の発振周波数で動作できるようになる。
すなわち、動作する発振回路を切り替えることで、発振周波数を切り替えることができる。したがって、発振器全体として広い帯域の基本波発振が可能となる。
また、それぞれ独立した圧電発振回路を備えるので、発振子同士の発振帯域が接近している場合であっても、発振子同士で干渉することなく、広い帯域の基本波発振が可能となる。
また、それぞれ独立した圧電発振回路を備えるので、発振子同士の発振帯域が接近している場合であっても、発振子同士で干渉することなく、広い帯域の基本波発振が可能となる。
さらに、複数の発振子をもつ構成であるため、発振子を1つとする場合と比較して発振帯域を広く取ることができ、必要な発振帯域を容易に実現することができる。
また、複数の発振回路の出力を1つのノードに束ねる構成であるため、発振回路の出力側につく容量Cxを共通して使用することができ、その分の部品点数の削減と回路規模の削減とを図ることができる。
また、複数の発振回路の出力を1つのノードに束ねる構成であるため、発振回路の出力側につく容量Cxを共通して使用することができ、その分の部品点数の削減と回路規模の削減とを図ることができる。
なお、上記第2の実施形態においては、圧電素子X1,X2をそれぞれ異なる特性とする場合について説明したが、圧電素子X1,X2を同一特性とすることもできる。この場合、伸長用コイルLs1,Ls2のインダクタンス値を異なる数値とする。これにより、選択信号SELの切り替えによって、発振帯域を切り替えることができる。
また、上記第2の実施形態においては、圧電発振回路を2つとする場合について説明したが、3つ以上であってもよい。
また、上記第2の実施形態においては、圧電発振回路を2つとする場合について説明したが、3つ以上であってもよい。
(第3の実施形態)
次に、本発明における第3の実施形態について説明する。
この第3の実施形態は、前述した第1の実施形態において、伸長用コイルLs1,Ls2をICチップ内部に配置するようにしたものである。
図4は、第3の実施形態に係る発振器を示す図である。
この図4に示すように、第3の実施形態の発振器は、前述した図1の発振器において、伸長用コイルLs1及びLs2が、ICチップ内部に挿入されていることを除いては、図1の発振器と同様の構成を有する。
次に、本発明における第3の実施形態について説明する。
この第3の実施形態は、前述した第1の実施形態において、伸長用コイルLs1,Ls2をICチップ内部に配置するようにしたものである。
図4は、第3の実施形態に係る発振器を示す図である。
この図4に示すように、第3の実施形態の発振器は、前述した図1の発振器において、伸長用コイルLs1及びLs2が、ICチップ内部に挿入されていることを除いては、図1の発振器と同様の構成を有する。
発振周波数fが1GHzを超える高周波の場合、必要な伸長用コイルは1nH未満の大きさとなる。このような場合、ICチップ内部に取り込むことで所望の性能を達成できる。
例えば、発振周波数f=2GHz、CL=10pFとした場合、前記(4)式より、
Ls>0.63[nH]
を得る。この程度の数値ならば、伸長用コイルLsを十分ICチップに内蔵可能である。
例えば、発振周波数f=2GHz、CL=10pFとした場合、前記(4)式より、
Ls>0.63[nH]
を得る。この程度の数値ならば、伸長用コイルLsを十分ICチップに内蔵可能である。
このように、第3の実施形態では、圧電素子X1を除く回路部をワンチップICで構成する。伸長用コイルLs1,Ls2をICチップに内蔵することにより、伸長用コイルLs1,Ls2を外付けにした場合よりも寄生の影響を受けないようにすることができ、特性を出し易くすることができる。
(第4の実施形態)
次に、本発明における第4の実施形態について説明する。
この第4の実施形態は、前述した第2の実施形態において、伸長用コイルLs1,Ls2をICチップ内部に配置するようにしたものである。
図5は、第4の実施形態に係る発振器を示す図である。
この図5に示すように、第4の実施形態の発振器は、前述した図3の発振器において、伸長用コイルLs1及びLs2が、ICチップ内部に挿入されていることを除いては、図3の発振器と同様の構成を有する。
次に、本発明における第4の実施形態について説明する。
この第4の実施形態は、前述した第2の実施形態において、伸長用コイルLs1,Ls2をICチップ内部に配置するようにしたものである。
図5は、第4の実施形態に係る発振器を示す図である。
この図5に示すように、第4の実施形態の発振器は、前述した図3の発振器において、伸長用コイルLs1及びLs2が、ICチップ内部に挿入されていることを除いては、図3の発振器と同様の構成を有する。
このように、第4の実施形態では、圧電素子X1,X2を除く回路部をワンチップICで構成する。伸長用コイルLs1,Ls2をICチップに内蔵することにより、伸長用コイルLs1,Ls2を外付けにした場合よりも寄生の影響を受けないようにすることができ、特性を出し易くすることができる。
(第5の実施形態)
次に、本発明における第5の実施形態について説明する。
この第5の実施形態は、前述した第1の実施形態において、容量素子C1,C2,Cxを可変容量素子としたものである。
図6は、第5の実施形態に係る発振器を示す図である。
この図6に示すように、第5の実施形態の発振器は、前述した図1の発振器において、容量素子C1が可変容量素子C1´に置換され、容量素子C2が可変容量素子C2´に置換され、容量素子Cxが可変容量素子Cx´に置換されていることを除いては、図1の発振器と同様の構成を有する。
次に、本発明における第5の実施形態について説明する。
この第5の実施形態は、前述した第1の実施形態において、容量素子C1,C2,Cxを可変容量素子としたものである。
図6は、第5の実施形態に係る発振器を示す図である。
この図6に示すように、第5の実施形態の発振器は、前述した図1の発振器において、容量素子C1が可変容量素子C1´に置換され、容量素子C2が可変容量素子C2´に置換され、容量素子Cxが可変容量素子Cx´に置換されていることを除いては、図1の発振器と同様の構成を有する。
ここで、可変容量素子C1´,C2´,Cx´の容量値は、電圧レベルやデジタルコードによって変えることができるものとする。
このような構成により、前述した第1の実施形態と同様に、選択信号SEL1,SEL2で閉ループを切替えることで、動作する発振回路を切り替えることができる。さらに、発振回路を構成するC1´、C2´及びCx´は可変容量素子であるので、各容量素子の容量値を変更することで、前記(3)式で示される範囲で周波数を調整することができる。
このような構成により、前述した第1の実施形態と同様に、選択信号SEL1,SEL2で閉ループを切替えることで、動作する発振回路を切り替えることができる。さらに、発振回路を構成するC1´、C2´及びCx´は可変容量素子であるので、各容量素子の容量値を変更することで、前記(3)式で示される範囲で周波数を調整することができる。
このように、上記第5の実施形態では、各増幅器の入出力端と接地との間に夫々配置された容量素子を可変容量素子とするので、容易に目的とする周波数に調整することができる。また、ICチップ内部に上記可変容量素子を具備することで、発振周波数の調整を容易且つ適切に行うことができる。
なお、上記第5の実施形態においては、容量C1´、C2´、Cx´をすべて可変容量素子で構成する場合について説明したが、仕様によっては全部を可変容量素子で構成する必要はない。
なお、上記第5の実施形態においては、容量C1´、C2´、Cx´をすべて可変容量素子で構成する場合について説明したが、仕様によっては全部を可変容量素子で構成する必要はない。
(第6の実施形態)
次に、本発明における第6の実施形態について説明する。
この第6の実施形態は、前述した第2の実施形態において、容量素子C1,C2,Cxを可変容量素子としたものである。
図7は、第6の実施形態に係る発振器を示す図である。
この図7に示すように、第6の実施形態の発振器は、前述した図3の発振器において、容量素子C1が可変容量素子C1´に置換され、容量素子C2が可変容量素子C2´に置換され、容量素子Cxが可変容量素子Cx´に置換されていることを除いては、図3の発振器と同様の構成を有する。なお、圧電発振回路11,12は圧電発振回路21,22に置換している。
次に、本発明における第6の実施形態について説明する。
この第6の実施形態は、前述した第2の実施形態において、容量素子C1,C2,Cxを可変容量素子としたものである。
図7は、第6の実施形態に係る発振器を示す図である。
この図7に示すように、第6の実施形態の発振器は、前述した図3の発振器において、容量素子C1が可変容量素子C1´に置換され、容量素子C2が可変容量素子C2´に置換され、容量素子Cxが可変容量素子Cx´に置換されていることを除いては、図3の発振器と同様の構成を有する。なお、圧電発振回路11,12は圧電発振回路21,22に置換している。
ここで、可変容量素子C1´,C2´,Cx´の容量値は、電圧レベルやデジタルコードによって変えることができるものとする。
このような構成により、前述した第2の実施形態と同様に、選択信号SEL1,SEL2で閉ループを切替えることで、動作する発振回路を切り替えることができる。さらに、発振回路を構成するC1´、C2´及びCx´は可変容量素子であるので、各容量素子の容量値を変更することで、前記(3)式で示される範囲で周波数を調整することができる。
このような構成により、前述した第2の実施形態と同様に、選択信号SEL1,SEL2で閉ループを切替えることで、動作する発振回路を切り替えることができる。さらに、発振回路を構成するC1´、C2´及びCx´は可変容量素子であるので、各容量素子の容量値を変更することで、前記(3)式で示される範囲で周波数を調整することができる。
このように、上記第6の実施形態では、各増幅器の入出力端と接地との間に夫々配置された容量素子を可変容量素子とするので、容易に目的とする周波数に調整することができる。また、ICチップ内部に上記可変容量素子を具備することで、発振周波数の調整を容易且つ適切に行うことができる。
なお、上記第6の実施形態においては、容量C1´、C2´、Cx´をすべて可変容量素子で構成する場合について説明したが、仕様によっては全部を可変容量素子で構成する必要はない。
なお、上記第6の実施形態においては、容量C1´、C2´、Cx´をすべて可変容量素子で構成する場合について説明したが、仕様によっては全部を可変容量素子で構成する必要はない。
(応用例)
上記第2、第4、第6の実施形態においては、発振器をセンサ発振器として適用することもできる。この場合、X1,X2は感度のそろった圧電素子であるものとする。感度とは、入力に対する出力の変化量を意味し、同じ共振周波数である必要はない。
例えば、圧電素子X1を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子X2を、窓あけするなどして外部環境に曝される実装にすることで、圧電素子X1を基準発振器として機能させ、圧電素子X2をセンサ発振器として機能させる。
この場合、選択信号SELを一定時間ごとに切り替えて動作させると、基準素子側での発振とセンサ素子側の発振とで切り替わる動作になる。基準発振器側は外部環境と遮断されているので安定な発振を続けるが、センサ発振器側は外部環境に影響を受ける発振周波数になる。この周波数応答は、圧電素子表面に物質が付着するとその質量に応じて共振周波数が変動するために生じている。
上記第2、第4、第6の実施形態においては、発振器をセンサ発振器として適用することもできる。この場合、X1,X2は感度のそろった圧電素子であるものとする。感度とは、入力に対する出力の変化量を意味し、同じ共振周波数である必要はない。
例えば、圧電素子X1を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子X2を、窓あけするなどして外部環境に曝される実装にすることで、圧電素子X1を基準発振器として機能させ、圧電素子X2をセンサ発振器として機能させる。
この場合、選択信号SELを一定時間ごとに切り替えて動作させると、基準素子側での発振とセンサ素子側の発振とで切り替わる動作になる。基準発振器側は外部環境と遮断されているので安定な発振を続けるが、センサ発振器側は外部環境に影響を受ける発振周波数になる。この周波数応答は、圧電素子表面に物質が付着するとその質量に応じて共振周波数が変動するために生じている。
この性質を利用することで、質量センサや応力センサなどの物理センサだけでなく、圧電素子に反応膜を形成することでガスセンサに代表される化学センサとしても使用することができる。このように、容易にセンサ回路を構築することができる。
11,12…圧電発振回路、21,22…圧電発振回路、C1,C2,Cx…容量素子、C1´,C2´,Cx´…可変容量素子、EL1〜EL4…電極、N1…出力ノード、NM1,NM2…増幅用トランジスタ、SM1,SM2…選択用トランジスタ、SW1,SW2…選択用スイッチ、X1,X2…圧電素子
Claims (5)
- 所定の周波数で励振される1つの圧電素子と、増幅器を有し前記圧電素子に電流を流して当該圧電素子を励振駆動する複数の発振回路と、前記複数の発振回路にそれぞれ対応する複数の伸長用コイルと、を備える発振器であって、
前記複数の発振回路の出力が1つの出力ノードに束ねられ、
前記圧電素子の一端が、前記複数の発振回路が有する前記増幅器の入力端にそれぞれ接続されると共に、前記圧電素子の他端が前記複数の伸長用コイルをそれぞれ介して前記出力ノードに共通して接続されており、
前記複数の発振回路のうち何れか1つを選択的に駆動する選択回路を備えることを特徴とする発振器。 - 所定の周波数で励振される圧電素子と、増幅器を有し前記圧電素子に電流を流して当該圧電素子を励振駆動する発振回路と、前記発振回路に対応する伸長用コイルと、をそれぞれ含む複数の圧電発振回路を備える発振器であって、
前記複数の発振回路の出力が1つの出力ノードに束ねられ、
前記複数の圧電素子の一端が、それぞれ各圧電素子に対応する前記増幅器の入力端に接続されると共に、前記複数の圧電素子の他端が、それぞれ各圧電素子に対応する前記伸長用コイルを介して前記出力ノードに共通して接続されており、
前記複数の発振回路のうち何れか1つを選択的に駆動する選択回路を備えることを特徴とする発振器。 - 前記選択回路は、電流源と各増幅器との間にそれぞれ介装されたスイッチング素子により構成されており、各スイッチング素子を制御して、前記電流源から前記複数の増幅器のうち何れか1つに電流供給を行うことで、前記複数の発振回路のうち何れか1つを駆動することを特徴とする請求項1又は2に記載の発振器。
- 前記圧電素子を除く回路部をワンチップICで構成したことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の発振器。
- 前記各増幅器の入出力端と接地との間に夫々配置された容量素子を備え、前記複数の容量素子の少なくとも1つが可変容量素子であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の発振器。
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WO2015133472A1 (ja) * | 2014-03-07 | 2015-09-11 | 日本電波工業株式会社 | 水晶発振器及び水晶発振器の製造方法 |
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-
2012
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