JP2023073610A - 回路装置及び発振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】電圧容量特性の極性の異なる可変容量回路を用いて、種々の動作モードを実現可能にする回路装置等の提供。【解決手段】回路装置20は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路31と、容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路32とを含み、振動子10を発振させる発振回路30を含む。また回路装置20は、第1入力端子TI1に第1入力電圧VI1が入力され、第2入力端子TI2に第2入力電圧VI2が入力され、第1可変容量回路31が電気的に接続される第1出力端子TQ1に、第1入力電圧VI1と第2入力電圧VI2を含む複数の電圧の中から選択された第1出力電圧VQ1を出力し、第2可変容量回路32が電気的に接続される第2出力端子TQ2に、複数の電圧の中から選択された第2出力電圧VQ2を出力するスイッチ回路36を含む。【選択図】図1
Description
本発明は、回路装置及び発振器等に関する。
水晶振動子等の振動子を発振させる回路装置では、発振周波数を調整するための可変容量回路が設けられる。例えば特許文献1の発振回路では、制御電圧に応じて発振周波数を変化させる電圧制御発振器と、制御電圧を出力する増幅器との間に、制御電圧の極性を反転させる反転増幅器を設けている。
特許文献1の従来技術では、発振器内部の制御素子の極性を変更したり、非標準的な発振器を別途作成することなく、負帰還制御による動作を可能にしている。しかしながら、電圧容量特性の極性の異なる可変容量回路を用いて、種々の動作モードを実現可能にする回路装置や発振器については提案されていなかった。
本開示の一態様は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路と、前記容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路とを含み、振動子を発振させる発振回路と、第1入力端子に第1入力電圧が入力され、第2入力端子に第2入力電圧が入力され、第1可変容量回路が電気的に接続される第1出力端子に、前記第1入力電圧と前記第2入力電圧を含む複数の電圧の中から選択された第1出力電圧を出力し、前記第2可変容量回路が電気的に接続される第2出力端子に、前記複数の電圧の中から選択された第2出力電圧を出力するスイッチ回路と、を含む回路装置に関係する。
また本開示の他の態様は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路と、前記容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路とを含み、振動子を発振させる発振回路と、前記発振回路の発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路と、を含み、第1モードにおいては、前記周波数制御電圧が前記容量制御電圧として前記第2可変容量回路に入力され、第2モードにおいては、前記周波数制御電圧が前記容量制御電圧として前記第1可変容量回路に入力される回路装置に関係する。
また本開示の他の態様は、振動子と、回路装置と、を含み、前記回路装置は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路と、前記容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路とを含み、前記振動子を発振させる発振回路と、第1入力端子に第1入力電圧が入力され、第2入力端子に第2入力電圧が入力され、第1可変容量回路が接続される第1出力端子に、前記第1入力電圧と前記第2入力電圧を含む複数の電圧の中から選択された第1出力電圧を出力し、前記第2可変容量回路が接続される第2出力端子に、前記複数の電圧の中から選択された第2出力電圧を出力するスイッチ回路と、を含む発振器に関係する。
また本開示の他の態様は、振動子と、回路装置と、を含み、前記回路装置は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路と、前記容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路とを含み、前記振動子を発振させる発振回路と、前記発振回路の発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路と、を含み、第1モードにおいては、前記周波数制御電圧が前記容量制御電圧として前記第2可変容量回路に入力され、第2モードにおいては、前記周波数制御電圧が前記容量制御電圧として前記第1可変容量回路に入力される発振器に関係する。
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲の記載内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが必須構成要件であるとは限らない。
1.回路装置
図1に本実施形態の回路装置20の構成例を示す。本実施形態の回路装置20は発振回路30とスイッチ回路36を含む。また本実施形態の発振器4は振動子10と回路装置20を含む。振動子10は回路装置20に電気的に接続されている。
図1に本実施形態の回路装置20の構成例を示す。本実施形態の回路装置20は発振回路30とスイッチ回路36を含む。また本実施形態の発振器4は振動子10と回路装置20を含む。振動子10は回路装置20に電気的に接続されている。
振動子10は、電気的な信号により機械的な振動を発生する素子である。振動子10は、例えば水晶振動片などの振動片により実現できる。例えば振動子10は、カット角がATカットやSCカットなどの厚みすべり振動する水晶振動片、音叉型水晶振動片、又は双音叉型水晶振動片などにより実現できる。例えば振動子10は、恒温槽を備えない温度補償型水晶発振器(TCXO)に内蔵されている振動子であってもよいし、恒温槽を備える恒温槽型水晶発振器(OCXO)に内蔵されている振動子であってもよい。或いは振動子10は、SPXO(Simple Packaged Crystal Oscillator)の発振器に内蔵される振動子であってもよい。なお本実施形態の振動子10は、例えば厚みすべり振動型、音叉型又は双音叉型以外の振動片や、水晶以外の材料で形成された圧電振動片などの種々の振動片により実現することも可能である。例えば振動子10として、SAW(Surface Acoustic Wave)共振子や、シリコン基板を用いて形成されたシリコン製振動子としてのMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)振動子等を採用することも可能である。
回路装置20は、IC(Integrated Circuit)と呼ばれる集積回路装置である。例えば回路装置20は、半導体プロセスにより製造されるICであり、半導体基板上に回路素子が形成された半導体チップである。図1では回路装置20は発振回路30とスイッチ回路366を含み、発振回路30は第1可変容量回路31、第2可変容量回路32を含む。
発振回路30は振動子10を発振させる回路である。例えば発振回路30は、振動子10を発振させることで発振信号を生成する。発振信号は発振クロック信号である。例えば発振回路30は、振動子10の一端及び他端に電気的に接続される発振用の駆動回路と、キャパシターや抵抗などの受動素子により実現できる。駆動回路は、例えばCMOSのインバーター回路やバイポーラートランジスターにより実現できる。駆動回路は、発振回路30のコア回路であり、駆動回路が、振動子10を電圧駆動又は電流駆動することで、振動子10を発振させる。発振回路30としては、例えばインバーター型、ピアース型、コルピッツ型、又はハートレー型などの種々のタイプの発振回路を用いることができる。なお本実施形態における接続は電気的な接続である。電気的な接続は、電気信号が伝達可能に接続されていることであり、電気信号による情報の伝達が可能となる接続である。電気的な接続は受動素子等を介した接続であってもよい。
また発振回路30は第1可変容量回路31と第2可変容量回路32を含む。第1可変容量回路31、第2可変容量回路32は、例えば振動子10の一端及び他端の少なくとも一方での容量を変化させる回路であり、第1可変容量回路31、第2可変容量回路32の容量の調整により、発振回路30の発振周波数を調整できるようになっている。第1可変容量回路31、第2可変容量回路32は、例えばバラクター等の可変容量素子により実現できる。例えば第1可変容量回路31、第2可変容量回路32の各々は、少なくとも1つの可変容量素子により構成される。
スイッチ回路36は、発振回路30の第1可変容量回路31、第2可変容量回路32に対して容量制御電圧を供給する回路である。スイッチ回路36は、第1入力電圧VI1、第2入力電圧VI2が入力され、第1出力電圧VQ1、第2出力電圧VQ2を出力する。第1出力電圧VQ1、第2出力電圧VQ2は、容量制御電圧として第1可変容量回路31、第2可変容量回路32に供給される。スイッチ回路36は例えば複数のスイッチ素子により構成される。また図1ではスイッチ回路36に対して、固定電圧である基準電圧VREFやグランド電圧GNDが供給されている。
そして本実施形態では発振回路30は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路31と、容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路32を含む。例えば第1可変容量回路31と第2可変容量回路32は、容量制御電圧に対する容量の変化特性の正負の極性が異なっている。容量の変化特性が正特性とは、例えば後述の図3で説明するように、容量制御電圧が上昇するにつれて容量が増加する変化特性である。容量の変化特性が負特性とは、例えば後述の図4で説明するように、容量制御電圧が増加するにつれて容量が減少する変化特性である。容量は容量値と言うこともできる。
そしてスイッチ回路36は、第1入力端子TI1に第1入力電圧VI1が入力され、第2入力端子TI2に第2入力電圧VI2が入力される。これらの第1入力電圧VI1、第2入力電圧VI2は、例えば回路装置20の所定回路から入力される電圧である。或いは、第1入力電圧VI1、第2入力電圧VI2は回路装置20の外部から入力される電圧であってもよい。またスイッチ回路36は、第1可変容量回路31が電気的に接続される第1出力端子TQ1に、第1入力電圧VI1と第2入力電圧VI2を含む複数の電圧の中から選択された第1出力電圧VQ1を出力する。またスイッチ回路36は、第2可変容量回路32が電気的に接続される第2出力端子TQ2に、第1入力電圧VI1と第2入力電圧VI2を含む複数の電圧の中から選択された第2出力電圧VQ2を出力する。
例えばスイッチ回路36は、第1入力電圧VI1と第2入力電圧VI2の中から選択された電圧を、第1出力電圧VQ1、第2出力電圧VQ2として出力する。この場合には、選択対象となる複数の電圧は第1入力電圧VI1と第2入力電圧VI2になる。或いはスイッチ回路36は、第1入力電圧VI1と第2入力電圧VI2と1又は複数の固定電圧の中から選択された電圧を、第1出力電圧VQ1、第2出力電圧VQ2として出力してもよい。この場合には、選択対象となる複数の電圧は第1入力電圧VI1と第2入力電圧VI2と固定電圧になる。固定電圧は例えば基準電圧VREF、グランド電圧GNDなどの電圧値が一定の電圧である。またスイッチ回路36は、第1入力電圧VI1と第2入力電圧VI2を含む複数の電圧の中から電圧を選択して、第1出力電圧VQ1や第2出力電圧VQ2として出力するための複数のスイッチ素子を含む。この場合の複数のスイッチ素子の各スイッチ素子のオン、オフ制御は、不図示の制御回路からのスイッチ制御信号に基づいて行われることになる。
このようにすれば、第1入力電圧VI1と第2入力電圧VI2を含む複数の電圧の中から選択された電圧を、第1出力電圧VQ1、第2出力電圧VQ2として、各々、第1可変容量回路31、第2可変容量回路32に出力できるようになる。そして第1出力電圧VQ1を容量制御電圧として、正特性の電圧容量特性の第1可変容量回路31に入力して、発振回路30の発振周波数を調整又は設定したり、第2出力電圧VQ2を容量制御電圧として、負特性の電圧容量特性の第2可変容量回路32に入力して、発振回路30の発振周波数を調整又は設定することが可能になる。例えば第1入力電圧VI1が第1出力電圧VQ1として正特性の第1可変容量回路31に入力され、第2入力電圧VI2が第2出力電圧VQ2として負特性の第2可変容量回路32に入力されるような動作モードを実現することが可能になる。或いは逆に、例えば第1入力電圧VI1が第2出力電圧VQ2として負特性の第2可変容量回路32に入力され、第2入力電圧VI2が第1出力電圧VQ1として正特性の第1可変容量回路31に入力されるような動作モードを実現することが可能になる。或いは、例えば、VREF又はGNDなどの固定電圧が、第1出力電圧VQ1として正特性の第1可変容量回路31に入力されるような動作モードや、VREF又はGNDなどの固定電圧が、第2出力電圧VQ2として負特性の第2可変容量回路32に入力されるような動作モードを実現することが可能になる。従って、電圧容量特性の極性の異なる第1可変容量回路31、第2可変容量回路32を用いて、種々の動作モードを実現可能にする回路装置20や発振器4の提供が可能になる。
図2に本実施形態の回路装置20、発振器4の詳細な構成例を示す。図2では、回路装置20は、発振回路30、スイッチ回路36、温度補償回路40、温度センサー48、周波数制御回路50、ロジック回路60、不揮発性メモリー70、出力回路80、電源回路90を含む。また発振器4は、振動子10と回路装置20を含む。振動子10は回路装置20に電気的に接続されている。例えば振動子10及び回路装置20を収納するパッケージの内部配線、ボンディグワイヤー又は金属バンプ等を用いて、振動子10と回路装置20は電気的に接続されている。なお回路装置20、発振器4は図2の構成には限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したり、一部の構成要素を他の構成要素に置き換えるなどの種々の変形実施が可能である。
また回路装置20はパッドPVDD、PGND、PX1、PX2、PVC、PCKを含む。パッドは、半導体チップである回路装置20の端子である。例えばパッド領域では、絶縁層であるパシベーション膜から金属層が露出しており、この露出した金属層により回路装置20の端子であるパッドが構成される。パッドPVDD、PGNDは、各々、電源パッド、グランドパッドである。外部の電源供給デバイスからの電源電圧VDDがパッドPVDDに供給される。パッドPGNDは、グランド電圧であるGNDが供給されるパッドである。GNDはVSSと呼ぶこともでき、グランド電圧は例えば接地電位である。本実施形態ではグランドを、適宜、GNDと記載する。例えばVDDは高電位側電源に対応し、GNDは低電位側電源に対応する。パッドPX1、PX2は、振動子10の接続用のパッドである。パッドPVCは、制御電圧VCの入力用のパッドであり、パッドPCKはクロック信号CKの出力用のパッドである。パッドPVDD、PGND、PVC、PCKは、各々、発振器4の外部接続用の外部端子である端子TVDD、TGND、TVC、TCKに電気的に接続される。例えばこれらの各パッドと各端子は、パッケージの内部配線、ボンディグワイヤー又は金属バンプ等を用いて電気的に接続される。
発振回路30は、パッドPX1、PX2を介して振動子10に電気的に接続される。パッドPX1、PX2は、振動子接続用のパッドである。発振回路30の発振用の駆動回路は、パッドPX1とパッドPX2の間に設けられる。発振回路30は第1可変容量回路31、第2可変容量回路32を含む。そして第1可変容量回路31、第2可変容量回路32がパッドPX1、PX2の少なくとも一方に電気的に接続されることで、発振回路30の負荷容量を可変に調整できるようになる。
温度補償回路40は、発振回路30の発振周波数の温度補償を行う回路である。例えば温度補償回路40は、温度センサー48の温度検出結果に基づいて、発振回路30の発振周波数を温度補償する温度補償電圧VCPを出力する。温度検出結果は、温度検出信号であり、例えば温度検出電圧である。温度補償は、例えば温度変動による発振周波数の変動を抑制して補償する処理である。即ち温度補償回路40は、温度変動があった場合にも発振周波数が一定になるように、発振回路30の発振周波数の温度補償を行う。
具体的には、温度補償回路40は、例えば多項式近似によるアナログ方式の温度補償を行う。例えば振動子10の周波数温度特性を補償する温度補償電圧VCPが多項式により近似される場合に、温度補償回路40は、当該多項式の係数情報に基づいてアナログ方式の温度補償を行う。アナログ方式の温度補償は、例えばアナログ信号である電流信号や電圧信号の加算処理等により実現される温度補償である。例えば、高次の多項式により温度補償電圧VCPが近似される場合、多項式の0次係数、1次係数、高次係数が、それぞれ0次補正データ、1次補正データ、高次補正データとして、例えば不揮発性メモリー70等により実現される記憶部に記憶される。高次係数は例えば1次より大きい高次の次数の係数であり、高次補正データは、高次係数に対応する補正データである。例えば3次多項式により温度補償電圧VCPが近似される場合には、多項式の0次係数、1次係数、2次係数、3次係数が、0次補正データ、1次補正データ、2次補正データ、3次補正データとして記憶部に記憶される。そして温度補償回路40は、0次補正データ~3次補正データに基づいて温度補償を行う。この場合に2次補正データや2次補正データに基づく温度補償については省略してもよい。また例えば5次多項式により温度補償電圧VCPが近似される場合には、多項式の0次係数、1次係数、2次係数、3次係数、4次係数、5次係数が、0次補正データ、1次補正データ、2次補正データ、3次補正データ、4次補正データ、5次補正データとして記憶部に記憶される。そして温度補償回路40は、0次補正データ~5次補正データに基づいて温度補償を行う。この場合に2次補正データ又は4次補正データや、2次補正データ又は4次補正データに基づく温度補償については省略してもよい。また多項式近似の次数は任意であり、例えば5次よりも大きい次数の多項式近似を行うようにしてもよい。また0次補正を温度センサー48が行うようにしてもよい。
温度センサー48は温度を検出するセンサーである。具体的には温度センサー48は、環境の温度に応じて変化する温度依存電圧を、温度検出電圧として出力する。例えば温度センサー48は、温度依存性を有する回路素子を利用して温度検出信号である温度検出電圧を生成する。具体的には温度センサー48は、例えばPN接合の順方向電圧が有する温度依存性を用いることで、温度に依存して電圧が変化する温度検出電圧を出力する。なお図2では温度センサー48が回路装置20に設けられているが、温度センサー48が回路装置20の外部に設けられ、外部から入力された温度検出電圧などの温度検出信号に基づいて温度補償回路40が温度補償を行うような変形実施も可能である。また温度センサー48としてデジタル方式の温度センサー回路を用いる変形実施も可能である。この場合には温度検出データをD/A変換して温度検出電圧を生成すればよい。
周波数制御回路50は、発振回路30の発振周波数を制御する回路である。具体的には周波数制御回路50は、発振周波数の周波数制御電圧VFCを出力する。例えば周波数制御回路50は、外部から入力される制御電圧に基づいて周波数制御電圧VFCを生成して出力する。或いは周波数制御回路50は、外部から入力される制御データをD/A変換することで得られた制御電圧に基づいて周波数制御電圧VFCを生成してもよい。このような周波数制御回路50を設けることで、発振回路30の発振周波数を所望の周波数に設定する制御を実現できるようになる。例えば温度補償回路40と周波数制御回路50を設けることで、発振周波数の温度補償を行いながら、発振周波数を、外部からの制御電圧や制御データに応じた所望の周波数に設定できるようになる。
具体的には、周波数制御回路50は、外部からの制御電圧VCが入力される。例えばマイクロコンピューターや各種ICにより実現される外部のシステムからの制御電圧VCが、端子TVC、パッドPVCを介して周波数制御回路50に入力される。一例としては、回路装置20の発振回路30が電圧制御発振器として機能して、外部のシステムによりPLLのフィードバックループが形成される。そして周波数制御回路50は、外部からの制御電圧VCに応じた周波数制御電圧VFCを出力する。例えば周波数制御回路50は、制御電圧VCをゲイン調整した周波数制御電圧VFCを出力する。なおデジタルの制御データを不図示のインターフェース回路を介して回路装置20に入力し、この制御データをD/A変換した制御電圧VCを周波数制御回路50に入力するようにしてもよい。
ロジック回路60は制御回路であり、種々の制御処理を行う。例えばロジック回路60は、回路装置20の全体の制御を行ったり、回路装置20の動作シーケンスの制御を行う。またロジック回路60は、発振回路30の制御のための各種の処理を行ったり、温度センサー48、出力回路80又は電源回路90の制御を行ったり、或いは不揮発性メモリー70の情報の読み出しや書き込みの制御を行う。ロジック回路60は、例えばゲートアレイ等の自動配置配線によるASIC(Application Specific Integrated Circuit)の回路により実現できる。
不揮発性メモリー70は、電源を供給しなくても情報の記憶を保持するメモリーである。例えば不揮発性メモリー70は、電源を供給しなくても情報を保持できると共に、情報の書き換えが可能なメモリーである。不揮発性メモリー70は、回路装置20の動作等に必要な種々の情報を記憶する。不揮発性メモリー70は、FAMOSメモリー(Floating gate Avalanche injection MOS memory)又はMONOSメモリー(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon memory)により実現されるEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)等により実現できる。そして不揮発性メモリー70は、温度補償回路40の温度補償に用いられる1次補正データや高次補正データなどの補正データを記憶する。
出力回路80は、発振回路30の発振信号に基づくクロック信号CKを出力する。例えば出力回路80は、発振回路30からの発振クロック信号である発振信号をバッファリングして、クロック信号CKとして、パッドPCKに出力する。そして、このクロック信号CKが発振器4のクロック出力の端子TCKを介して外部に出力される。例えば出力回路80は、シングルエンドのCMOSの信号形式でクロック信号CKを出力する。なお出力回路80が、CMOS以外の信号形式でクロック信号CKを出力するようにしてもよい。また発振回路30の後段に、発振信号の周波数を逓倍した周波数のクロック信号CKを生成するPLL回路等のクロック信号生成回路を設け、出力回路80が、このクロック信号生成回路により生成されたクロック信号CKをバッファリングして出力するようにしてもよい。
電源回路90は、パッドPVDDからの電源電圧VDDやパッドPGNDからグランド電圧GNDが供給されて、回路装置20の内部回路用の種々の電源電圧を内部回路に供給する。例えば電源回路90は、電源電圧VDDをレギュレートしたレギュレート電源電圧を、発振回路30等の回路装置20の各回路に供給する。
図3は、第1可変容量回路31の正特性の電圧容量特性の説明図であり、図4は、第2可変容量回路32の負特性の電圧容量特性の説明図である。電圧容量特性は容量制御電圧VCCに対する容量Cの特性である。なお図3、図4では電圧容量特性を模式的に表しており、実際には図3、図4に示すような1次の特性ではなく、変化範囲の中央付近において傾きが最大となる変曲点を有する特性になる。
図3に示すように第1可変容量回路31には、容量制御電圧VCCとしてスイッチ回路36からの第1出力電圧VQ1が入力される。そして第1可変容量回路31の正特性の電圧容量特性では、第1出力電圧VQ1が上昇すると、容量Cが増加し、これにより発振回路30の発振周波数fが低下するようになる。一方、図4に示すように第2可変容量回路32には、容量制御電圧VCCとしてスイッチ回路36からの第2出力電圧VQ2が入力される。そして第2可変容量回路32の負特性の電圧容量特性では、第2出力電圧VQ2が上昇すると、容量Cが減少し、これにより発振周波数fが上昇するようになる。
そして図2の本実施形態の回路装置20は、発振回路30の発振周波数を温度補償する温度補償電圧VCPを出力する温度補償回路40を含む。そしてスイッチ回路36に入力される第1入力電圧VI1は、温度補償回路40からの温度補償電圧VCPとなっている。このようにすればスイッチ回路36は、温度補償回路40からの温度補償電圧VCPが、第1入力電圧VI1として第1入力端子TI1に入力され、この温度補償電圧VCPを、第1出力電圧VQ1として正特性の第1可変容量回路31に出力したり、或いは第2出力電圧VQ2として負特性の第2可変容量回路32に出力できるようになる。従って、温度補償回路40からの温度補償電圧VCPにより、第1可変容量回路31を用いて正特性の電圧容量特性で発振周波数の温度補償を行ったり、或いは第2可変容量回路32を用いて負特性の電圧容量特性で発振周波数の温度補償を行うことなどが可能になる。
また図2の回路装置20は、発振回路30の発振周波数の周波数制御電圧VFCを出力する周波数制御回路50を含む。そして第2入力電圧VI2は、周波数制御回路50からの周波数制御電圧VFCとなっている。このようにすればスイッチ回路36は、周波数制御回路50からの周波数制御電圧VFCが、第2入力電圧VI2として第2入力端子TI2に入力され、この周波数制御電圧VFCを、第2出力電圧VQ2として負特性の第2可変容量回路32に出力したり、或いは第1出力電圧VQ1として正特性の第1可変容量回路31に出力できるようになる。このようにすれば、周波数制御回路50からの周波数制御電圧VFCにより、正特性の発振周波数の制御を行ったり、或いは負特性の発振周波数の制御を行ったりすることが可能になる。例えば外部からの制御電圧VCが上昇した場合に、発振周波数を上昇させる正特性の発振周波数の制御を実現したり、或いは外部からの制御電圧VCが上昇した場合に、発振周波数を低下させる負特性の発振周波数の制御を実現することが可能になる。この場合に周波数制御回路50に、例えば反転増幅の増幅回路である反転アンプを設けなくても済むため、回路の小規模や低消費電力化などを図れるようになる。
なお図2では、温度補償回路40と周波数制御回路50の両方を設ける場合について示しているが、温度補償回路40、周波数制御回路50の一方のみを設ける変形実施も可能である。例えば周波数制御回路50を設けずに、温度補償回路40だけを設ければ、制御電圧VCに基づく周波数制御機能は有しないが、温度補償機能を有する回路装置20や発振器4を実現できるようになる。或いは、温度補償回路40を設けずに、周波数制御回路50だけを設ければ、例えば後述の図8の構成のように、温度補償機能は有しないが、制御電圧VCに基づく周波数制御機能を有する回路装置20や発振器4を実現できるようになる。この場合には発振周波数の温度補償処理を、外部のシステムが行うようにしてもよいし、温度補償機能を有しないSPXO等の発振器4を実現するようにしてもよい。
またスイッチ回路36の選択対象電圧となる複数の電圧は固定電圧を含む。例えば図2では複数の電圧は、基準電圧VREFやグランド電圧GNDなどの固定電圧を含む。そしてスイッチ回路36は、この固定電圧を第1出力端子TQ1又は第2出力端子TQ2に出力する。固定電圧は第1出力端子TQ1又は第2出力端子TQ2に出力されればよく、第1出力端子TQ1及び第2出力端子TQ2の両方に固定電圧が出力されてもよい。このように、スイッチ回路36が第1出力端子TQ1又は第2出力端子TQ2に固定電圧を出力するようにすれば、第1可変容量回路31又は第2可変容量回路32の容量を固定の容量に設定できるようになる。
例えばスイッチ回路36の第1出力端子TQ1から固定電圧が出力されることで、この固定電圧が入力される第1可変容量回路31の容量が固定に設定される。従って、例えばスイッチ回路36の第2出力端子TQ2から周波数制御電圧VFCが出力される場合には、第1可変容量回路31の容量を固定に設定しながら、周波数制御電圧VFCに基づく第2可変容量回路32の容量制御による周波数制御を実現できるようになる。また例えばスイッチ回路36の第2出力端子TQ2から固定電圧が出力されることで、この固定電圧が入力される第2可変容量回路32の容量が固定に設定される。従って、例えばスイッチ回路36の第1出力端子TQ1から温度補償電圧VCPが出力される場合には、第2可変容量回路32の容量を固定に設定しながら、温度補償電圧VCPに基づく第1可変容量回路31の容量制御による温度補償を実現できるようになる。また例えばスイッチ回路36の第1出力端子TQ1及び第2出力端子TQ2の両方から固定電圧が出力されることで、この固定電圧が入力される第1可変容量回路31、第2可変容量回路32の両方の容量が固定に設定される。これにより例えばSPXO用の回路装置20を実現できるようになる。
またスイッチ回路36は、固定電圧として、高電位側の固定電圧又は低電位側の固定電圧を、第1出力端子TQ1又は第2出力端子TQ2に出力する。高電位側の固定電圧は、例えば図2では基準電圧VREFである。また低電位側の固定電圧は、例えば図2ではグランド電圧GNDである。但し本実施形態はこれには限定されず、高電位側の固定電圧は電源電圧であるVDDであってもよいし、低電位側の固定電圧は、VDD又はVREFよりも低い電圧であって、GNDよりも高い電圧であってもよい。このようにすれば、第1可変容量回路31、第2可変容量回路32の容量を、高い容量に固定したり、低い容量に固定することなどが可能になる。例えば高電位側の固定電圧が第1出力端子TQ1から出力されることで、正特性の第1可変容量回路31の容量を大きな容量に固定でき、低電位側の固定電圧が第1出力端子TQ1から出力されることで、正特性の第1可変容量回路31の容量を小さな容量に固定できる。また高電位側の固定電圧が第2出力端子TQ2から出力されることで、負特性の第2可変容量回路32の容量を小さな容量に固定でき、低電位側の固定電圧が第2出力端子TQ2から出力されることで、負特性の第2可変容量回路32の容量を大きな容量に固定できるようになる。
また図2の不揮発性メモリー70は、スイッチ回路36の電圧選択の設定情報を記憶する。電圧選択の設定情報は、スイッチ回路36が、第1入力電圧VI1、第2入力電圧VI2を含む複数の電圧の中から、いずれの電圧を第1出力電圧VQ1として出力し、第2出力電圧VQ2として出力するかを設定するための情報である。具体的にはロジック回路60は、不揮発性メモリー70から電圧選択の設定情報を読み出し、電圧選択の設定情報に基づいてスイッチ制御信号をスイッチ回路36に出力する。そして、ロジック回路60からのスイッチ制御信号に基づいて、スイッチ回路36が有する複数のスイッチ素子のオン、オフ制御が行われることで、スイッチ回路36は、第1入力電圧VI1、第2入力電圧VI2を含む複数の電圧の中から選択された第1出力電圧VQ1を第1出力端子TQ1から出力し、当該複数の電圧の中から選択された第2出力電圧VQ2を第2出力端子TQ2から出力する。このようにすれば、電源を供給しなくても情報を保持できる不揮発性メモリー70に記憶された電圧選択の設定情報に基づいて、スイッチ回路36により選択された電圧を、第1出力電圧VQ1として第1出力端子TQ1から出力したり、第2出力電圧VQ2として第2出力端子TQ2から出力できるようになる。なおスイッチ回路36の電圧選択の設定情報を、例えばヒューズ回路などを用いて記憶するようにしてもよい。或いは、メタル配線などのマスク変更などにより、スイッチ回路36の電圧選択を設定するようにしてもよい。
2.スイッチ回路
図5にスイッチ回路36の構成例を示す。図5に示すようにスイッチ回路36は、第1入力端子TI1に第1入力電圧VI1が入力され、第2入力端子TI2に第2入力電圧VI2が入力され、第1出力端子TQ1に第1出力電圧VQ1を出力し、第2出力端子TQ2に第2出力電圧VQ2を出力する。そして図5ではスイッチ回路36は、スイッチ素子SW1、SW1D、SW1U、SW12、SW2、SW2D、SW2U、SW21を含む。またスイッチ回路36は、第1出力端子TQ1、第2出力端子TQ2に対応して設けられる抵抗R1、R2を含む。
図5にスイッチ回路36の構成例を示す。図5に示すようにスイッチ回路36は、第1入力端子TI1に第1入力電圧VI1が入力され、第2入力端子TI2に第2入力電圧VI2が入力され、第1出力端子TQ1に第1出力電圧VQ1を出力し、第2出力端子TQ2に第2出力電圧VQ2を出力する。そして図5ではスイッチ回路36は、スイッチ素子SW1、SW1D、SW1U、SW12、SW2、SW2D、SW2U、SW21を含む。またスイッチ回路36は、第1出力端子TQ1、第2出力端子TQ2に対応して設けられる抵抗R1、R2を含む。
スイッチ素子SW1は、第1入力端子TI1に接続されるノードNS1とノードNS2との間に設けられる。プルダウン用のスイッチ素子SW1Dは、GNDの供給ノードとノードNS2との間に設けられる。プルアップ用のスイッチ素子SW1Uは、VREFの供給ノードとノードNS2との間に設けられる。スイッチ素子SW12は、ノードNS2と、第2入力端子TI2に接続されるノードNS3との間に設けられる。抵抗R1は、ノードNS2と第1出力端子TQ1との間に設けられる。
スイッチ素子SW2は、第2入力端子TI2に接続されるノードNS3とノードNS4との間に設けられる。プルダウン用のスイッチ素子SW2Dは、GNDの供給ノードとノードNS4との間に設けられる。プルアップ用のスイッチ素子SW2Uは、VREFの供給ノードとノードNS4との間に設けられる。スイッチ素子SW21は、ノードNS4とノードNS1との間に設けられる。抵抗R2は、ノードNS4と第2出力端子TQ2との間に設けられる。
図5のスイッチ回路36では、スイッチ素子SW1がオンになると、第1入力電圧VI1が第1出力電圧VQ1として出力されるようになる。またスイッチ素子SW2がオンになると、第2入力電圧VI2が第2出力電圧VQ2として出力されるようになる。一方、スイッチ素子SW12がオンになると、第2入力電圧VI2が第1出力電圧VQ1として出力されるようになる。またスイッチ素子SW21がオンになると、第1入力電圧VI1が第2出力電圧VQ2として出力されるようになる。またスイッチ素子SW1Dがオンになると、第1出力電圧VQ1がGNDの固定電圧に設定され、スイッチ素子SW1Uがオンになると、第1出力電圧VQ1がVREFの固定電圧に設定されるようになる。またスイッチ素子SW2Dがオンになると、第2出力電圧VQ2がGNDの固定電圧に設定される、スイッチ素子SW2Uがオンになると、第2出力電圧VQ2がVREFの固定電圧に設定されるようになる。ここでGNDは低電位側の固定電圧であり、VREFは高電位側の固定電圧である。
図6は、図5のスイッチ回路36による動作モードの設定についての説明図である。図6において、「1」は、SW1、SW1D、SW1U、SW12、SW2、SW2D、SW2U、SW21の各スイッチ素子がオンであることを示し、「0」は各スイッチ素子がオフであることを示している。また図5では、図2に示すように第1入力電圧VI1として温度補償電圧VCPが入力され、第2入力電圧VI2として周波数制御電圧VFCが入力されているものとする。
図6に示すようにスイッチ素子SW1、SW2がオンの場合には、第1出力電圧VQ1、第2出力電圧VQ2として、各々、温度補償電圧VCP、周波数制御電圧VFCが出力される。これにより第1可変容量回路31が温度補償用となり、第2可変容量回路32が周波数制御用となるVC-TCXOのモードに設定される。これにより、温度補償電圧VCPによる温度補償と、周波数制御電圧VFCによる周波数制御とが行われるVC-TCXOを実現できるようになる。
一方、スイッチ素子SW1がオンであり、スイッチ素子SW2D又はSW2Uがオンになると、第1出力電圧VQ1として温度補償電圧VCPが正特性の第1可変容量回路31に出力され、第2出力電圧VQ2として固定電圧であるGND又はVREFが第2可変容量回路32に出力されるTCXOのモードに設定される。負特性の第2可変容量回路32は、第2出力電圧VQ2としてGNDが入力されることで、高い負荷容量CLに固定され、第2出力電圧VQ2としてVREFが入力されることで、低い負荷容量CLに固定される。これにより、周波数制御電圧VFCによる周波数制御は行われないが、温度補償電圧VCPによる温度補償が行われるTCXOを実現できるようになる。
またスイッチ素子SW2がオンであり、スイッチ素子SW1D又はSW1Uがオンになると、第2出力電圧VQ2として周波数制御電圧VFCが負特性の第2可変容量回路32に出力され、第1出力電圧VQ1として固定電圧であるGND又はVREFが第1可変容量回路31に出力されるVCXOのモードに設定される。正特性の第1可変容量回路31は、第1出力電圧VQ1としてGNDが入力されることで、低い負荷容量CLに固定され、第1出力電圧VQ1としてVREFが入力されることで、高い負荷容量CLに固定される。これにより、温度補償電圧VCPによる温度補償は行われないが、周波数制御電圧VFCによる周波数制御が行われるVCXOを実現できるようになる。
またスイッチ素子SW1D又はSW1Uがオンであり、且つ、スイッチ素子SW2D又はSW2Uがオンになると、第1出力電圧VQ1として固定電圧であるGND又はVREFが第1可変容量回路31に出力され、且つ、第2出力電圧VQ2としてGND又はVREFが第2可変容量回路32に出力されるSPXOのモードに設定される。正特性の第1可変容量回路31は、GND、VREFが入力されることで、各々、低い負荷容量CL、高い負荷容量CLに固定される。また負特性の第2可変容量回路32は、GND、VREFが入力されることで、各々、高い負荷容量CL、低い負荷容量CLに固定される。これにより、第1可変容量回路31及び第2可変容量回路32の両方の負荷容量CLが固定され、温度補償電圧VCPによる温度補償も、周波数制御電圧VFCによる周波数制御も行われないSPXOを実現できるようになる。
またスイッチ素子SW21がオンであり、スイッチ素子SW1D又はSW1Uがオンになると、第2出力電圧VQ2として温度補償電圧VCPが負特性の第2可変容量回路32に出力され、第1出力電圧VQ1としてGND又はVREFが第1可変容量回路31に出力される反転TCXOのモードに設定される。正特性の第1可変容量回路31は、GND、VREFが入力されることで、各々、低い負荷容量CL、高い負荷容量CLに固定される。このように、温度補償電圧VCPが負特性の第2可変容量回路32に出力されることで、通常のTCXOとは逆極性の特性で、温度補償電圧VCPによる温度補償を行えるようになり、反転温度補償が行われる反転TCXOを実現できるようになる。例えば振動子10の周波数温度特性が、後述する図17とは逆極性の特性である場合などに、この反転TCXOのモードは有用である。
またスイッチ素子SW12がオンであり、スイッチ素子SW2D又はSW2Uがオンになると、第1出力電圧VQ1として周波数制御電圧VFCが正特性の第1可変容量回路31に出力され、第2出力電圧VQ2としてGND又はVREFが第2可変容量回路32に出力される反転VCXOのモードに設定される。負特性の第2可変容量回路32は、GND、VREFが入力されることで、各々、高い負荷容量CL、低い負荷容量CLに固定される。これにより、通常のVCXOとは逆極性の特性で、周波数制御電圧VFCによる周波数制御を行えるようになり、反転周波数制御が行われる反転VCXOを実現できるようになる。この反転VCXOでは、外部からの制御電圧VC等の上昇により、周波数制御電圧VFCが上昇すると、周波数制御電圧VFCが入力される正特性の第1可変容量回路31の容量が増加して、発振周波数が低下し、周波数制御電圧VFCが低下すると、第1可変容量回路31の容量が低下して、発振周波数が上昇するようになる。従って、周波数制御電圧VFCが上昇すると発振周波数が低下し、周波数制御電圧VFCが低下すると発振周波数が上昇する反転VCXOを、例えば周波数制御回路50に反転アンプ等を設けなくても実現できるようになる。この結果、回路の小規模化や低消費電力化を図りながら反転VCXOを実現することが可能になる。
またスイッチ素子SW12がオンであり、スイッチ素子SW21がオンになると、第1出力電圧VQ1として周波数制御電圧VFCが正特性の第1可変容量回路31に出力され、第2出力電圧VQ2として温度補償電圧VCPが負特性の第2可変容量回路32に出力される反転VC-反転TCXOのモードに設定される。この反転VC-反転TCXOでは、制御電圧VCの上昇等により、周波数制御電圧VFCが上昇すると、周波数制御電圧VFCが入力される第1可変容量回路31の容量が増加して、発振周波数が低下し、制御電圧VCが低下すると、周波数制御電圧VFCが入力される第1可変容量回路31の容量が低下して、発振周波数が上昇するようになり、反転VCXOが実現される。更に、温度補償電圧VCPが負特性の第2可変容量回路32に出力されることで、通常のTCXOとは逆極性の特性で、温度補償電圧VCPによる温度補償を行えるようになり、反転温度補償が行われる反転TCXOが実現される。従って、反転VCXOであり且つ反転TCXOである反転VC-反転TCXOを実現できるようになる。
以上のように本実施形態の回路装置20は、温度センサー48の温度検出結果に基づいて、発振回路30の発振周波数を温度補償する温度補償電圧VCPを出力する温度補償回路40と、発振周波数の周波数制御電圧VFCを出力する周波数制御回路50を含む。そしてスイッチ回路36は、第1モードでは、第1出力端子TQ1に温度補償電圧VCPを出力し、第2出力端子TQ2に周波数制御電圧VFCを出力する。この第1モードは、例えば図6のVC-TCXOのモードに対応する。このように回路装置20の動作モードが第1モードに設定されることで、温度補償回路40からの温度補償電圧VCPが、正特性の第1可変容量回路31に供給され、周波数制御回路50からの周波数制御電圧VFCが、負特性の第2可変容量回路32に供給されるようになる。従って、温度補償電圧VCPによる温度補償が行われると共に、周波数制御電圧VFCが上昇すると、負特性の第2可変容量回路32の容量が減少することで、発振周波数が上昇し、周波数制御電圧VFCが低下すると、第2可変容量回路32の容量が増加することで、発振周波数が低下するようになる。従って、温度補償電圧VCPによる温度補償と、周波数制御電圧VFCによる周波数制御の両方が可能なVC-TCXO用の回路装置20等を提供できるようになる。
またスイッチ回路36は、第2モードでは、第1出力端子TQ1に温度補償電圧VCPを出力し、第2出力端子TQ2に第1固定電圧を出力する。この第2モードは、例えば図6のTCXOのモードに対応する。第1固定電圧は、例えばグランド電圧GNDなどの低電位側電圧又は基準電圧VREFなどの高電位側電圧である。このように回路装置20の動作モードが第2モードに設定されることで、温度補償回路40からの温度補償電圧VCPが、正特性の第1可変容量回路31に供給され、第1固定電圧が容量制御電圧として第2可変容量回路32に供給されるようになる。従って、温度補償電圧VCPに基づく第1可変容量回路31の容量変化による温度補償が行われると共に、第2可変容量回路32の容量が固定されるようになる。従って、周波数制御電圧VFCによる周波数制御は行われないが、温度補償電圧VCPによる温度補償が行われるTCXO用の回路装置20等を提供できるようになる。
またスイッチ回路36は、第3モードでは、第1出力端子TQ1に第2固定電圧を出力し、第2出力端子TQ2に周波数制御電圧VFCを出力する。この第3モードは、例えば図6のVCXOのモードに対応する。第2固定電圧は、例えばGNDなどの低電位側電圧又はVREFなどの高電位側電圧である。このように回路装置20の動作モードが第3モードに設定されることで、周波数制御回路50からの周波数制御電圧VFCが、負特性の第2可変容量回路32に供給され、第2固定電圧が容量制御電圧として第1可変容量回路31に供給されるようになる。従って、周波数制御電圧VFCに基づく第2可変容量回路32の容量変化による周波数制御が行われると共に、第1可変容量回路31の容量が固定されるようになる。従って、温度補償電圧VCPによる温度補償は行われないが、周波数制御電圧VFCによる周波数制御が行われるVCXO用の回路装置20等を提供できるようになる。
またスイッチ回路36は、第4モードでは、第1出力端子TQ1に第3固定電圧を出力し、第2出力端子TQ2に第4固定電圧を出力する。この第4モードは、例えば図6のSPXOのモードに対応する。第3固定電圧、第4固定電圧は、例えばGNDなどの低電位側電圧又はVREFなどの高電位側電圧である。このように回路装置20の動作モードが第4モードに設定されることで、第3固定電圧が容量制御電圧として第1可変容量回路31に供給され、第4固定電圧が容量制御電圧として第2可変容量回路32に供給されるようになる。従って、第1可変容量回路31の容量及び第2可変容量回路32の容量が固定されるようになり、温度補償も周波数制御電圧VFCに基づく周波数制御も行われないSPXO用の回路装置20等を提供できるようになる。
またスイッチ回路36は、第5モードでは、第1出力端子TQ1に周波数制御電圧VFCを出力し、第2出力端子TQ2に第5固定電圧又は温度補償電圧VCPを出力する。この第5モードは、例えば図6の反転VCXOのモードや反転VC-反転TCXOのモードに対応する。第5固定電圧は、例えばGNDなどの低電位側電圧又はVREFなどの高電位側電圧である。このように回路装置20の動作モードが第5モードに設定されることで、周波数制御回路50からの周波数制御電圧VFCが、正特性の第1可変容量回路31に供給され、第5固定電圧又は温度補償電圧VCPが、負特性の第2可変容量回路32に供給されるようになる。従って、周波数制御電圧VFCが上昇すると、正特性の第1可変容量回路31の容量が増加することで、発振周波数が低下し、周波数制御電圧VFCが低下すると、第1可変容量回路31の容量が減少することで、発振周波数が上昇するようになる。一方、第2可変容量回路32の方は、第5固定電圧が供給されることで容量が固定されたり、温度補償電圧VCPに基づく温度補償用の周波数調整が行われる。このようにすれば、周波数制御電圧VFCが上昇すると発振周波数が低下し、周波数制御電圧VFCが低下すると発振周波数が上昇する反転VCXOなどを、例えば反転アンプを設けなくても実現できるようになる。
なおスイッチ回路36の構成は図5の構成には限定されず、種々の変形実施が可能である。例えばスイッチ回路36は、第1出力電圧VQ1や第2出力電圧VQ2をVREFやGNDなどの固定電圧に設定できない回路であってよい。また例えばスイッチ回路36は図7のような構成であってもよい。図7では、第1入力端子TI1、第2入力端子TI2に加えて、更に第3入力端子TI3が設けられ、第1出力端子TQ1、第2出力端子TQ2に加えて、更に第3出力端子TQ3が設けられている。そして図7では、スイッチ回路36は、第1入力端子TI1に第1入力電圧VI1が入力され、第2入力端子TI2に第2入力電圧VI2が入力され、第3入力端子TI3に第3入力電圧VI3が入力される。そしてスイッチ回路36は、第1出力端子TQ1に、第1入力電圧VI1と第2入力電圧VI2と第3入力電圧VI3とを含む複数の電圧の中から選択された第1出力電圧VQ1を出力し、第2出力端子TQ2に、当該複数の電圧の中から選択された第2出力電圧VQ2を出力し、第3出力端子TQ3に、当該複数の電圧の中から選択された第3出力電圧VQ3を出力する。そしてスイッチ回路36は、このような第3入力電圧VI3の入力と第3出力電圧VQ3の出力を可能にするために、スイッチ素子SW3、SW3D、SW3U、SW31、SW32が更に設けられている。このようにスイッチ回路36の入力端子は3つ以上であってもよく、出力端子も3つ以上であってもよい。
また本実施形態の回路装置20は、上述の第1モード~第5モードの全ての動作モードを有する必要はなく、例えば第1モード~第5モードのうちの少なくとも2つの動作モードを有すればよい。例えば本実施形態の回路装置20では、温度補償回路40と周波数制御回路50の両方を設ける必要は必ずしもなく、例えば温度補償回路40と周波数制御回路50の一方の回路だけを設ける変形実施も可能である。
例えば図8に本実施形態の回路装置20、発振器4の詳細な他の構成例を示す。図8では、周波数制御回路50は設けられているが、温度補償回路40は設けられていない。そして発振回路30は、正特性の第1可変容量回路31と負特性の第2可変容量回路32を含み、第1モードにおいては、周波数制御電圧VFCが容量制御電圧として第2可変容量回路32に入力され、第2モードにおいては、周波数制御電圧VFCが容量制御電圧として第1可変容量回路31に入力される。
このようにすれば、回路装置20の動作モードを第1モードに設定すれば、周波数制御電圧VFCが上昇すると、この周波数制御電圧VFCが入力される負特性の第2可変容量回路32の容量が減少することで、発振周波数が上昇し、周波数制御電圧VFCが低下すると、第2可変容量回路32の容量が増加することで、発振周波数が低下するようになる。従って、回路装置20の動作モードを第1モードに設定することで、周波数制御電圧VFCが上昇すると発振周波数が上昇し、周波数制御電圧VFCが低下すると発振周波数が低下する通常のVCXOを実現できるようになる。
また回路装置20の動作モードを第2モードに設定すれば、周波数制御電圧VFCが上昇すると、この周波数制御電圧VFCが入力される正特性の第1可変容量回路31の容量が上昇することで、発振周波数が低下し、周波数制御電圧VFCが低下すると、第1可変容量回路31の容量が低下することで、発振周波数が上昇するようになる。従って、回路装置20の動作モードを第2モードに設定することで、周波数制御電圧VFCが上昇すると発振周波数が低下し、周波数制御電圧VFCが低下する発振周波数が上昇する反転VCXO等を、例えば周波数制御回路50に反転アンプ等を設けなくても実現できるようになる。なお図8では、例えば不図示のスイッチ回路36が、例えば第1モードでは、周波数制御回路50から入力された周波数制御電圧VFCを、第2出力端子TQ2を介して第2可変容量回路32に出力し、第2モードでは、周波数制御回路50から入力された周波数制御電圧VFCを、第1出力端子TQ1を介して第1可変容量回路31に出力すればよい。
以上のように本実施形態によれば、スイッチ回路36を設けることで、回路装置20を種々の動作モードで動作させることが可能になる。例えば共通の設計のプラットフォームの回路装置20により、VC-TCXO、TCXO、VCXO、SPXO、反転VCXO又は反転TCXOなどの種々の動作モードを実現することが可能になる。このようにすれば、これらの複数の動作モードの各モードに専用の回路装置20を別個に設計する必要が無くなる。そして例えば不揮発性メモリー70に対する電圧選択の設定情報の記憶処理や、ヒューズ回路によるヒューズ設定や、或いはメタル層などのマスク層の切り替えにより、同じ共通のプラットフォームの回路装置20を所望の動作モードで動作させることが可能になる。これにより、回路装置20や発振器4の開発期間の短縮化や開発コストの低コスト化などを実現しながら、種々の動作モードの回路装置20や発振器4を提供することが可能になる。
3.発振回路
次に発振回路30の詳細について説明する。図9に発振回路30の第1構成例を示す。なお以下では、回路装置20の動作モードが、図6のVC-TCXOのモードである第1モードに設定された場合を主に例にとり説明する。第1モードでは、図9に示すように、温度補償回路40からの温度補償電圧VCP、周波数制御回路50からの周波数制御電圧VFCが、各々、第1入力電圧VI1、第2入力電圧VI2としてスイッチ回路36に入力される。そしてスイッチ回路36は、温度補償電圧VCP、周波数制御電圧VFCを、各々、第1出力電圧VQ1、第2出力電圧VQ2として第1可変容量回路31、第2可変容量回路32に出力する。
次に発振回路30の詳細について説明する。図9に発振回路30の第1構成例を示す。なお以下では、回路装置20の動作モードが、図6のVC-TCXOのモードである第1モードに設定された場合を主に例にとり説明する。第1モードでは、図9に示すように、温度補償回路40からの温度補償電圧VCP、周波数制御回路50からの周波数制御電圧VFCが、各々、第1入力電圧VI1、第2入力電圧VI2としてスイッチ回路36に入力される。そしてスイッチ回路36は、温度補償電圧VCP、周波数制御電圧VFCを、各々、第1出力電圧VQ1、第2出力電圧VQ2として第1可変容量回路31、第2可変容量回路32に出力する。
図9の発振回路30は、駆動回路DVと、抵抗RAと、第1可変容量回路31と、第2可変容量回路32を含む。また発振回路30は、温度補償電圧VCPの供給ノードと低電位側電源ノードとの間に設けられたキャパシターCB5と、周波数制御電圧VFCの供給ノードと低電位側電源ノードとの間に設けられたキャパシターCB6を含むことができる。低電位側の電源ノードは例えばグランドノードである。駆動回路DVは、振動子10の一端が、その入力ノードであるノードN1にパッドPX1を介して接続され、振動子10の他端が、その出力ノードであるノードN2にパッドPX2を介して接続される。駆動回路DVの出力から入力への帰還素子となる抵抗RAは、一端がノードN1に接続され、他端がノードN2に接続される。図9では、第1可変容量回路31、第2可変容量回路32は、振動子10の一端がパッドPX1を介して接続されるノードN1と、振動子10の他端がパッドPX2を介して接続されるノードN2の両方に設けられている。但しノードN1、N2の一方のノードのみに第1可変容量回路31、第2可変容量回路32を設けてもよい。
図9では第1可変容量回路31はトランジスターTR1により構成され、第2可変容量回路32はトランジスターTR2により構成される。トランジスターTR1、TR2は、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型の可変容量素子であり、MOSのバラクターとも呼ばれる。図9では第1可変容量回路31、第2可変容量回路32は、各々、N型のトランジスターTR1、TR2により構成されている。MOS型の可変容量素子は、MOSのトランジスターのソースとドレインとが短絡され、短絡されたソース及びドレインとゲートとの間に生じる静電容量が、容量制御電圧により可変に制御される容量素子である。
なお、以下では第1可変容量回路31、第2可変容量回路32の各々が、MOS型の可変容量素子である1つのトランジスターにより構成される場合を主に例にとり説明するが、並列に設けられる2つ以上のトランジスターにより構成してもよい。また第1可変容量回路31、第2可変容量回路32を構成するトランジスターとして、P型のトランジスターを用いる変形実施も可能である。また以下では、ノードN1に設けられる第1可変容量回路31、第2可変容量回路32の構成を主に例にとり説明する。ノードN2に接続される第1可変容量回路31、第2可変容量回路32の構成は同様であるため、詳細な説明を省略する。
ノードN1側の第1可変容量回路31のトランジスターTR1は、ゲートに、温度補償回路40からの温度補償電圧VCPに供給され、ソース及びドレインが、ノードN1に接続される。これにより図3に示すような正特性の電圧容量特性の可変容量回路が実現され、温度補償電圧VCPが上昇するとノードN1の負荷容量が増加し、温度補償電圧VCPが低下するとノードN1の負荷容量が減少するようになる。従って、温度補償電圧VCPが上昇すると発振周波数が低下し、温度補償電圧VCPが低下すると発振周波数が上昇するようになる。この結果、後述の図17に示す振動子10の3次の周波数温度特性に対して、後述の図19に示す温度補償電圧VCPにより発振周波数の増減を相殺して、発振周波数を一定にする温度補償を実現できるようになる。
ノードN1側の第2可変容量回路32のトランジスターTR2は、ソース及びドレインに、周波数制御回路50からの周波数制御電圧VFCが供給され、ゲートが、ノードN1に接続される。これにより図4に示すような負特性の電圧容量特性の可変容量回路が実現され、周波数制御電圧VFCが上昇するとノードN1の負荷容量が減少し、周波数制御電圧VFCが低下するとノードN1の負荷容量が増加するようになる。従って、周波数制御電圧VFCが上昇すると発振周波数が上昇し、周波数制御電圧VFCが低下すると発振周波数が低下するようになる。従って、外部からの制御電圧VCに基づき発振回路30の発振周波数の制御が可能な電圧制御型の温度補償発振器であるVC-TCXOの実現が可能になる。
図10に発振回路30の第2構成例を示す。なお発振回路30は図9、図10の構成には限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したり、一部の構成要素を他の構成要素に置き換えるなどの種々の変形実施が可能である。
図10の第2構成例では、ノードN1側の第1可変容量回路31はトランジスターTR1により構成され、ノードN1側の第2可変容量回路32はトランジスターTR2により構成されている。そして第1可変容量回路31は、DCカット用のキャパシターCB1を介してノードN1に電気的に接続され、第2可変容量回路32は、DCカット用のキャパシターCB2を介してノードN1に電気的に接続されている。また図10では基準電圧VR1、VR2を生成する基準電圧生成回路34が設けられている。なおノードN2側の第1可変容量回路31、第2可変容量回路32はキャパシターCB3、CB4を介してノードN2に接続されているが、これらの可変容量回路はノードN1側の第1可変容量回路31、第2可変容量回路32と同様の構成であるため詳細な説明は省略する。
第1可変容量素子であるトランジスターTR1と、キャパシターCB1は、基準電圧VR1の供給ノードとノードN1との間に直列に設けられる。具体的には、一端がノードN1に接続されるキャパシターCB1の他端が、トランジスターTR1のゲートに接続され、トランジスターTR1のソース及びドレインに基準電圧VR1が供給される。そして温度補償回路40は、キャパシターCB1とトランジスターTR1の接続ノードに対して、スイッチ回路36を介して温度補償電圧VCPを供給している。
第2可変容量素子であるトランジスターTR2と、キャパシターCB2は、基準電圧VR2の供給ノードとノードN1との間に直列に設けられる。具体的には、一端がノードN1に接続されるキャパシターCB2の他端が、トランジスターTR2のソース及びドレインに接続され、トランジスターTR2のゲートに基準電圧VR2が供給される。また周波数制御回路50は、キャパシターCB2とトランジスターTR2の接続ノードに対して、スイッチ回路36を介して周波数制御電圧VFCを供給している。
なお図10では、第1可変容量回路31を、並列に設けられた複数のトランジスターTR1により構成し、第2可変容量回路32を、並列に設けられた複数のトランジスターTR2により構成してもよい。この場合には第1可変容量回路31を構成する複数のトランジスターTR1のソース及びドレインに対して、異なる電圧の複数の基準電圧VR1を供給すればよい。また第2可変容量回路32を構成する複数のトランジスターTR2のゲートに対して、異なる電圧の複数の基準電圧VR2を供給すればよい。このようにすれば、複数のトランジスターTR1の異なる電圧容量特性を重ね合わせることで、第1可変容量回路31のトータルの容量のリニアリティー特性を改善できる。また複数のトランジスターTR2の異なる電圧容量特性を重ね合わせることで、第2可変容量回路32のトータルの容量のリニアリティー特性を改善できる。
図11に示すように、第1可変容量回路31を構成するトランジスターTR1は、ゲートに温度補償電圧VCPが供給され、ソース及びドレインに基準電圧VR1が供給される。これにより図12に示すように、第1可変容量回路31の電圧容量特性は、ゲート・ドレイン間電圧であるVGD=VCP-VR1に対して正特性の電圧容量特性になる。従って、図13に示すように、第1可変容量回路31の電圧容量特性は、温度補償電圧VCPに対しても正特性の電圧容量特性になる。具体的には図13では、図12に対して、B1に示すように基準電圧VR1だけシフトした正特性の電圧容量特性となる。
なお図12、図13においてVthはトランジスターTR1のしきい値電圧である。前述したように電圧容量特性は、変化範囲の中央付近において傾きが最大になっており、図12ではVGD=Vthのときに電圧容量特性の傾きが最大になる。一方、図13では、VCP=Vth+VR1のときに電圧容量特性の傾きが最大になる。
また図14に示すように第2可変容量回路32を構成するトランジスターTR2は、ソース及びドレインに周波数制御電圧VFCが供給され、ゲートに基準電圧VR2が供給される。これにより図15に示すように、第2可変容量回路32の電圧容量特性は、ゲート・ドレイン間電圧であるVGD=VR2-VFCに対して正特性の電圧容量特性になる。図15においてVthはトランジスターTR2のしきい値電圧である。従って、図16に示すように、第2可変容量回路32の電圧容量特性は、周波数制御電圧VFCに対しては負特性の電圧容量特性になる。具体的には図16では、図15に対して、極性が反転すると共にB2に示すように基準電圧VR2だけシフトした負特性の電圧容量特性となる。
図17は振動子10の周波数温度特性である。具体的には例えばATカットの水晶の振動子10の周波数温度特性である。図17に示すように振動子10は、3次曲線で近似される周波数温度特性を有している。このような振動子10に対して、電圧容量特性が負特性である第2可変容量回路32を用いて容量を調整する場合には、温度補償回路40は、例えば図18に示すような温度特性の温度補償電圧VCPを出力する必要がある。このようにすれば、振動子10の発振周波数が高温範囲において図17のA1に示すように上昇した場合に、図18のA2に示すように温度補償回路40から出力される温度補償電圧VCPが低くなる。これにより、負特性の第2可変容量回路32の容量が大きくなり、振動子10の発振周波数の上昇が相殺されることで、発振周波数を一定に保つ温度補償を実現できる。
しかしながら、図18のA2に示す高温範囲において、温度補償電圧VCPを十分に低下させるためには、温度補償回路40の出力アンプの低電圧側の動作範囲を広げる必要がある。このため、温度補償回路40の出力アンプとして、後述の図21に示すA級動作の増幅回路では、低電圧側の動作範囲を広げるのが難しく、後述の図22に示すようなAB級動作の増幅回路を用いる必要があり、回路が複雑化し、回路規模が増加してしまう。
一方、振動子10に対して、電圧容量特性が正特性である第1可変容量回路31を用いて容量を調整する場合には、温度補償回路40は、例えば図19に示すような温度特性の温度補償電圧VCPを出力すればよい。このようにすれば、振動子10の発振周波数が高温範囲において図17のA1に示すように上昇した場合に、図19のA3に示すように温度補償回路40から出力される温度補償電圧VCPが高くなる。これにより、正特性の第1可変容量回路31の容量が大きくなり、振動子10の発振周波数の上昇が相殺されることで、発振周波数を一定に保つ温度補償を実現できるようになる。
この場合に図19のA3に示す高温範囲において、温度補償回路40では、高い電圧の温度補償電圧VCPを出力するために、その出力アンプの高電圧側の動作範囲を広げる必要がある。この点、後述の図21に示すA級動作の増幅回路であっても、出力部を構成するP型の駆動トランジスターが十分なオン状態になることで、図19のA3に示すような高い電圧の温度補償電圧VCPも適正に出力することができる。従って、図22に示すようなAB級動作の増幅回路を、温度補償回路40の出力アンプとして用いなくても済むようになり、回路の小規模化や簡素化を実現することが可能になる。
このように本実施形態の温度補償回路40は、温度補償電圧VCPを出力するA級動作の増幅回路を含むことができる。A級動作の増幅回路は、例えば差動入力を有する差動部と、差動部に接続される出力部とを含み、出力部が、高電位側電源ノードと低電位側電源ノードの間に直列接続されるP型の駆動トランジスターと電流源用のトランジスターを有する増幅回路である。このようにすることで、広い温度範囲での発振周波数の適正な温度補償を、AB級動作の増幅回路と比べて回路規模が小さく簡素な構成のA級動作の増幅回路を含む温度補償回路40により実現できるようになり、適正な温度補償と回路の小規模化を両立して実現することが可能になる。
例えば振動子10は、図17に示すような3次曲線で近似される周波数温度特性を有する。例えば振動子10は、3次多項式等の多項式で近似される周波数温度特性を有している。そして振動子10は、図17のように温度補償されない状態において、A1に示す動作温度範囲の上限における発振周波数fhが、A4に示す発振周波数の極大値faよりも大きい振動子となっている。動作温度範囲は、発振器4や回路装置20において仕様特性を満たすことができる温度範囲である。
例えば図17に示す振動子10の3次の周波数温度特性において、A4に示すように温度Taで発振周波数が極大値faとなり、A5に示すように温度Tbにおいて発振周波数が極小値fbになっている。そして振動子10の3次の周波数温度特性は、温度Taと温度Tbの間の例えば25℃付近に変曲点を有している。このため、動作温度範囲の低温側の温度範囲に比べて高温側の温度範囲が広くなっている。例えば動作温度範囲が-40℃~125℃である場合には、高温側の温度範囲は25℃~125℃となり、低温側の温度範囲である-40℃~25℃よりも広くなる。動作温度範囲が-40℃~100℃である場合も同様である。そして図17のA1に示す発振周波数fhは、動作温度範囲の上限での発振周波数であり、例えば125℃~100℃での発振周波数である。このため図17では、動作温度範囲の上限における発振周波数fhが発振周波数の極大値faよりも大きいという関係が成り立つ。このように動作温度範囲の上限における発振周波数fhが発振周波数の極大値faよりも大きい振動子10では、高温側の温度範囲が低温側の温度範囲に比べて広くなる。
従って、温度補償電圧VCPが入力される可変容量回路として、負特性の第2可変容量回路32を用いると、図18のA2に示すように動作温度範囲の上限において温度補償電圧VCPを十分に低下させるために、温度補償回路40の出力アンプの低電圧側の動作範囲を広げる必要があり、AB級動作の増幅回路が必要になる。これに対して本実施形態では、温度補償電圧VCPが入力される可変容量回路として、正特性の第1可変容量回路31を用いている。従って、温度補償回路40の出力アンプとしてA級動作の増幅回路を用いても、図19のA3に示すように動作温度範囲の上限において温度補償電圧VCPを十分に上昇させることが可能になり、適正な温度補償と回路の小規模化を両立して実現することが可能になる。
4.温度補償回路
図20に温度補償回路40の構成例を示す。なお温度補償回路40は図20の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したり、一部の構成要素を他の構成要素に置き換えるなどの種々の変形実施が可能である。
図20に温度補償回路40の構成例を示す。なお温度補償回路40は図20の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したり、一部の構成要素を他の構成要素に置き換えるなどの種々の変形実施が可能である。
温度補償回路40は、温度を変数とする多項式近似によって温度補償電圧VCPを出力する回路である。この温度補償回路40は電流生成回路42と電流電圧変換回路46を含む。電流生成回路42は、温度センサー48の温度検出結果に基づいて関数電流を生成する。例えば電流生成回路42は、温度センサー48からの温度検出結果である温度検出電圧VTSに基づいて、図17に示すような振動子10の周波数温度特性を温度補償するための関数電流を生成する。そして電流電圧変換回路46は、電流生成回路42からの関数電流を電圧に変換して温度補償電圧VCPを出力する。具体的には電流電圧変換回路46は、A級動作の増幅回路AMにより温度補償電圧VCPを出力する。
電流生成回路42は、1次補正回路43と高次補正回路44を含む。1次補正回路43は、温度検出電圧VTSに基づいて、1次関数を近似する1次電流を出力する。例えば1次補正回路43は、多項式近似における多項式の1次係数に対応する1次補正データに基づいて1次関数電流を出力する。1次補正回路43は、例えば演算増幅器、第1可変抵抗回路、第2可変抵抗回路、第3可変抵抗回路を含む。演算増幅器、第1可変抵抗回路及び第2可変抵抗回路は、正転増幅回路を構成する。正転増幅回路は、例えば基準電圧VRCを基準に温度検出電圧VTSを増幅する。正転増幅回路は、第3可変抵抗回路を介して電流電圧変換回路46の入力ノードに1次電流を出力する。
高次補正回路44は、温度検出電圧VTSに基づいて、高次関数を近似する高次電流を、電流電圧変換回路46に出力する。例えば高次補正回路44は、多項式近似における多項式の高次係数に対応する高次補正データに基づいて高次電流を出力する。一例としては、高次補正回路44は、3次関数を近似する3次電流を出力する。この場合には高次補正回路44は、温度検出電圧VTSに基づいて差動動作を行う第1差動回路と、第1差動回路の出力電圧と温度検出電圧VTSに基づいて差動動作を行うことで3次電流を出力する第2差動回路を含む。なお図20では、温度センサー48が、多項式の0次係数に対応する0次補正データに基づいて、温度検出電圧VTSのオフセット補正を行っている。即ち温度センサー48は、0次補正データが示すオフセットの分だけ、温度検出電圧VTSのオフセットを調整する。温度検出電圧VTSのオフセット補正は、発振周波数の温度補償において0次補正に対応する。また高次補正回路44は、4次以上の補正を行う補正回路を更に含んでもよい。例えば高次補正回路44は、4次関数を近似する4次電流を出力する4次補正回路と、5次関数を近似する5次電流を出力する5次補正回路などを更に含んでもよい。
電流電圧変換回路46は、1次電流と高次電流を加算すると共に、その加算電流を電流電圧変換することで温度補償電圧VCPを出力する。これにより、多項式関数を近似する温度補償電圧VCPが生成される。
電流電圧変換回路46は、増幅回路AMと抵抗RCとキャパシターCCとを含む。増幅回路AMは演算増幅器により実現される。抵抗RC及びキャパシターCCは、増幅回路AMの出力端子と反転入力端子との間に並列接続される。増幅回路AMの非反転入力端子には基準電圧VRCが入力される。これにより電流電圧変換回路46は、例えばA級動作の増幅回路AMにより温度補償電圧VCPを出力する。
このような構成の温度補償回路40によれば、温度センサー48の温度検出結果に基づき電流生成回路42により生成された関数電流を、電流電圧変換回路46により電圧に変換して温度補償電圧VCPとして出力できるようになる。そして電流電圧変換回路46が、A級動作の増幅回路AMにより温度補償電圧を出力するため、広い温度範囲での発振周波数の適正な温度補償を行うための温度補償電圧VCPを、回路規模が小さく簡素な構成のA級動作の増幅回路AMにより出力できるようになる。
図21にA級動作の増幅回路AMの構成例を示す。増幅回路AMは差動部DPと出力部QPを含む。差動部DPは、カレントミラー回路を構成するトランジスターTD1、TD2と、差動対のトランジスターであるバイポーラートランジスターBP1、BP2と、電流源用のバイポーラートランジスターBP3を含む。トランジスターTD1、TD2はゲートが共通接続されるP型のトランジスターである。バイポーラートランジスターBP1のベースである反転入力端子には、電流生成回路43からの電圧VCP0が入力され、バイポーラートランジスターBP2のベースである非反転入力端子には、基準電圧VRCが入力される。出力部QPは、VDDノードとGNDノードの間に直列に設けられるP型の駆動トランジスターTD3と電流源用のバイポーラートランジスターBP4を含む。また増幅回路AMには位相補償用の抵抗RD及びキャパシターCDが設けられている。なおバイポーラートランジスターBP1~BP4に代えてMOSのトランジスターを用いるようにしてもよい。
一方、図22にAB級動作の増幅回路AMの構成例を示す。図21と異なるのは図22では出力部QPがVDDノードとGNDノードの間に直列に設けられるP型の駆動トランジスターTD4とN型の駆動トランジスターTD5を含む点である。また図22では、駆動トランジスターTD5のゲートを制御するためのスイッチ回路SWとバイポーラートランジスターBP5が設けられている。
本実施形態では、図17の振動子10の周波数温度特性を温度補償するために、第1モードにおいては、電圧容量特性が正特性の第1可変容量回路31を用いている。このため温度補償回路40は、図19に示すような温度特性の温度補償電圧VCPを出力することになる。この場合には図19のA3に示すように、動作温度範囲の上限において、温度補償回路40の増幅回路AMは十分に高い電圧を出力する必要がある。そして温度補償回路40の出力アンプとして図21に示すA級動作の増幅回路AMを用いた場合にも、出力部QPのP型の駆動トランジスターTD3が十分なオン状態になることで、図19のA3に示すような高い電圧も容易に出力することが可能になる。従って、図22に示すようなAB級動作の増幅回路AMを用いなくても済むようになるため、回路の簡素化や小規模化を図れるようになる。
5.周波数制御回路
次に周波数制御回路50の詳細に説明する。図23に周波数制御回路50の構成例を示す。なお周波数制御回路50は図23の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したり、一部の構成要素を他の構成要素に置き換えるなどの種々の変形実施が可能である。
次に周波数制御回路50の詳細に説明する。図23に周波数制御回路50の構成例を示す。なお周波数制御回路50は図23の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したり、一部の構成要素を他の構成要素に置き換えるなどの種々の変形実施が可能である。
本実施形態の周波数制御回路50は、外部から入力された制御電圧VCを少なくとも1つの可変抵抗により分圧することで生成した電圧を周波数制御電圧VFCとして出力する。例えば周波数制御回路50は、演算増幅器等により構成されるアンプを用いることなく、制御電圧VCを可変抵抗により分圧することで、周波数制御電圧VFCを生成する。例えば周波数制御回路50のゲイン調整にアンプを使用すると、回路規模が大きくなり、消費電力も増加すると共にトランジスターの増加に伴いノイズも増加する。この点、図23の周波数制御回路50は、制御電圧VCを可変抵抗により分圧することで生成した電圧を周波数制御電圧VFCとして出力している。このようにすれば、回路規模が大きく消費電力やノイズが多いアンプを用いなくても、周波数制御電圧VFCによる発振周波数の制御が可能になるため、回路装置20の小規模化や低消費電力化や低ノイズ化等を実現できるようになる。
特に本実施形態では、図6の反転VCXOのモードなどの第5モードでは、スイッチ回路36は、第1出力端子TQ1に周波数制御電圧VFCを出力し、第2出力端子TQ2に固定電圧等を出力する。従って、第1出力電圧VQ1として周波数制御電圧VFCが正特性の第1可変容量回路31に出力されるようになる。これにより、通常のVCXOとは逆極性の特性で、周波数制御電圧VFCによる周波数制御を行えるようになり、反転周波数制御が行われる反転VCXOなどを実現できるようになる。この反転VCXOでは、周波数制御電圧VFCが上昇すると、周波数制御電圧VFCが入力される正特性の第1可変容量回路31の容量が増加して、発振周波数が低下し、周波数制御電圧VFCが低下すると、第1可変容量回路31の容量が低下して、発振周波数が上昇するようになる。従って、図23のように、反転アンプ等のアンプが設けられない構成の周波数制御回路50を用いた場合にも、周波数制御電圧VFCが上昇すると発振周波数が低下し、周波数制御電圧VFCが低下すると発振周波数が上昇する反転VCXOを実現できるようになる。
具体的には図23の周波数制御回路50は、第1可変抵抗RA1と第2可変抵抗RA2と第3可変抵抗RA3と第4可変抵抗RA4を含む。第1可変抵抗RA1は、制御電圧VCの入力ノードNA1と周波数制御電圧VFCの出力ノードNA2との間に設けられる。第2可変抵抗RA2は、周波数制御電圧VFCの出力ノードNA2に一端が接続される。第3可変抵抗RA3は、基準電圧VREGの入力ノードNA3と、第2可変抵抗RA2の他端が接続される接続ノードNA4との間に設けられる。第4可変抵抗RA4は、接続ノードNA4と低電位電源ノードNA5との間に設けられる。低電位電源ノードNA5は例えばGNDノードである。
図23の周波数制御回路50において第1可変抵抗RA1、第2可変抵抗RA2、第3可変抵抗RA3、第4可変抵抗RA4に流れる電流IA1、IA2、IA3、IA4は下式(1)、(2)、(3)のように求められる。
これにより、第3可変抵抗RA3、第4可変抵抗RA4の電圧分割ノードである接続ノードNA4での電圧VMは下式(4)、(5)のように求められる。
従って、周波数制御電圧VFCは下式(6)、(7)のように求めることができる。
そして、周波数制御回路50におけるゲインであるG=ΔVFC/ΔVCは下式(8)のように表される。
上式(8)に示されるように本実施形態の周波数制御回路50によれば、アンプを用いない小規模な回路構成で、制御電圧VCに対する周波数制御電圧VFCのゲインGを調整することが可能になる。例えば第1可変抵抗RA1~第4可変抵抗RA4の抵抗値を調整することで、周波数制御回路50でのゲインGを調整できるようになる。従って、回路規模が大きく消費電力やノイズの多いアンプを用いることなく、制御電圧VCに対する周波数制御電圧VFCのゲインGを任意の値に調整することが可能になる。
6.発振器
図24に本実施形態の発振器4の第1構造例を示す。発振器4は、振動子10と、回路装置20と、振動子10及び回路装置20を収容するパッケージ15を有する。パッケージ15は、例えばセラミック等により形成され、その内側に収容空間を有しており、この収容空間に振動子10及び回路装置20が収容されている。収容空間は気密封止されており、望ましくは真空に近い状態である減圧状態になっている。パッケージ15により、振動子10及び回路装置20を衝撃、埃、熱、湿気等から好適に保護することができる。
図24に本実施形態の発振器4の第1構造例を示す。発振器4は、振動子10と、回路装置20と、振動子10及び回路装置20を収容するパッケージ15を有する。パッケージ15は、例えばセラミック等により形成され、その内側に収容空間を有しており、この収容空間に振動子10及び回路装置20が収容されている。収容空間は気密封止されており、望ましくは真空に近い状態である減圧状態になっている。パッケージ15により、振動子10及び回路装置20を衝撃、埃、熱、湿気等から好適に保護することができる。
パッケージ15はベース16とリッド17を有する。具体的にはパッケージ15は、振動子10及び回路装置20を支持するベース16と、ベース16との間に収容空間を形成するようにベース16の上面に接合されたリッド17とにより構成されている。そして振動子10は、ベース16の内側に設けられた段差部に端子電極を介して支持されている。また回路装置20は、ベース16の内側底面に配置されている。具体的には回路装置20は、能動面がベース16の内側底面に向くように配置されている。能動面は回路装置20の回路素子が形成される面である。また回路装置20の端子にバンプBMPが形成されている。そして回路装置20は、導電性のバンプBMPを介してベース16の内側底面に支持される。導電性のバンプBMPは例えば金属バンプであり、このバンプBMPやパッケージ15の内部配線や端子電極などを介して、振動子10と回路装置20が電気的に接続される。また回路装置20は、バンプBMPやパッケージ15の内部配線を介して、発振器4の外部端子18、19に電気的に接続される。外部端子18、19は、パッケージ15の外側底面に形成されている。外部端子18、19は、外部配線を介して外部デバイスに接続される。外部配線は、例えば外部デバイスが実装される回路基板に形成される配線などである。これにより外部デバイスに対してクロック信号などを出力できるようになる。
なお図24では、回路装置20の能動面が下方に向くように回路装置20がフリップ実装されているが、本実施形態はこのような実装には限定されない。例えば回路装置20の能動面が上方に向くように回路装置20を実装してもよい。即ち能動面が振動子10に対向するように回路装置20を実装する。
図25に発振器4の第2構造例を示す。発振器4は、振動子10と、回路装置20と、振動子10及び回路装置20を収容するパッケージ15を有し、パッケージ15は、ベース16とリッド17を有する。ベース16は、中間基板である第1基板6と、第1基板6の上面側に積層された略矩形フレーム形状の第2基板7と、第1基板6の底面側に積層された略矩形フレーム形状の第3基板8を有する。そして、第2基板7の上面にはリッド17が接合され、第1基板6と第2基板7とリッド17とにより形成された収容空間S1に、振動子10が収容されている。例えば収容空間S1に振動子10が気密封止されており、望ましくは真空に近い状態である減圧状態になっている。これにより、振動子10を衝撃、埃、熱、湿気等から好適に保護することができる。また第1基板と第3基板8とにより形成された収容空間S2に、半導体チップである回路装置20が収容されている。また第3基板8の底面には、発振器4の外部接続用の電極端子である外部端子18、19が形成されている。
また収容空間S1においては、振動子10が、導電性の接続部CDC1、CDC2により、第1基板6の上面に形成された不図示の第1電極端子、第2電極端子に接続される。導電性の接続部CDC1、CDC2は、例えば金属バンプ等の導電性のバンプにより実現してもよいし、導電性の接着剤により実現してもよい。具体的には、例えば音叉型の振動子10の一端に形成された不図示の第1電極パッドが、導電性の接続部CDC1を介して、第1基板6の上面に形成された第1電極端子に接続される。そして第1電極端子は回路装置20のパッドPX1に電気的に接続される。また音叉型の振動子10の他端に形成された不図示の第2電極パッドが、導電性の接続部CDC2を介して、第1基板6の上面に形成された第2電極端子に接続される。そして第2電極端子は回路装置20のパッドPX2に電気的に接続される。これにより振動子10の一端及び他端を、導電性の接続部CDC1、CDC2を介して、回路装置20のパッドPX1、PX2に電気的に接続できるようになる。また半導体チップである回路装置20の複数のパッドには導電性のバンプBMPが形成され、これらの導電性のバンプBMPが、第1基板6の底面に形成された複数の電極端子に接続される。そして回路装置20のパッドに接続された電極端子は、内部配線等を介して発振器4の外部端子18、19に電気的に接続される。
なお発振器4は、ウェハレベルパッケージ(WLP)の発振器であってもよい。この場合には発振器4は、半導体基板と、半導体基板の第1面と第2面との間を貫通する貫通電極とを有するベースと、半導体基板の第1面に対して、金属バンプ等の導電性の接合部材を介して固定される振動子10と、半導体基板の第2面側に再配置配線層等の絶縁層を介して設けられる外部端子を含む。そして半導体基板の第1面又は第2面に、回路装置20となる集積回路が形成される。この場合には、振動子10及び集積回路が配置された複数のベースが形成された第1半導体ウェハーと、複数のリッドが形成された第2半導体ウェハーとを貼りつけることで、複数のベースと複数のリッドを接合し、その後にダイシングソー等によって発振器4の個片化を行う。このようにすれば、ウェハレベルパッケージの発振器4の実現が可能になり、高スループット、且つ、低コストでの発振器4の製造が可能になる。
以上に説明したように本実施形態の回路装置は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路と、容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路とを含み、振動子を発振させる発振回路を含む。また回路装置は、第1入力端子に第1入力電圧が入力され、第2入力端子に第2入力電圧が入力され、第1可変容量回路が電気的に接続される第1出力端子に、第1入力電圧と第2入力電圧を含む複数の電圧の中から選択された第1出力電圧を出力し、第2可変容量回路が電気的に接続される第2出力端子に、複数の電圧の中から選択された第2出力電圧を出力するスイッチ回路を含む。
本実施形態によれば、第1入力電圧と第2入力電圧を含む複数の電圧の中から選択された電圧を、第1出力電圧、第2出力電圧として、各々、第1可変容量回路、第2可変容量回路に出力できるようになる。そして第1出力電圧を容量制御電圧として、正特性の電圧容量特性の第1可変容量回路に入力して、発振回路の発振周波数を調整又は設定したり、第2出力電圧を容量制御電圧として、負特性の電圧容量特性の第2可変容量回路に入力して、発振回路の発振周波数を調整又は設定することが可能になる。これにより、電圧容量特性の極性の異なる第1可変容量回路、第2可変容量回路を用いて、種々の動作モードを実現可能にする回路装置等の提供が可能になる。
また本実施形態では、発振回路の発振周波数を温度補償する温度補償電圧を出力する温度補償回路を含み、第1入力電圧は温度補償電圧であってもよい。
このようにすればスイッチ回路は、温度補償回路からの温度補償電圧が、第1入力電圧として第1入力端子に入力され、この温度補償電圧を、第1出力電圧として正特性の第1可変容量回路に出力したり、或いは第2出力電圧として負特性の第2可変容量回路に出力できるようになる。
また本実施形態では、発振回路の発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路を含み、第2入力電圧は、周波数制御電圧であってもよい。
このようにすればスイッチ回路は、周波数制御回路からの周波数制御電圧が、第2入力電圧として第2入力端子に入力され、この周波数制御電圧を、第2出力電圧として負特性の第2可変容量回路に出力したり、或いは第1出力電圧として正特性の第1可変容量回路に出力できるようになる。
また本実施形態では、複数の電圧は固定電圧を含み、スイッチ回路は、固定電圧を第1出力端子又は第2出力端子に出力してもよい。
このようにスイッチ回路が第1出力端子又は第2出力端子に固定電圧を出力するようにすれば、第1可変容量回路又は第2可変容量回路の容量を固定の容量に設定できるようになる。
また本実施形態では、スイッチ回路は、固定電圧として、高電位側の固定電圧又は低電位側の固定電圧を、第1出力端子又は第2出力端子に出力してもよい。
このようにすれば、第1可変容量回路、第2可変容量回路の容量を、高い容量に固定したり、低い容量に固定することなどが可能になる。
また本実施形態では、温度センサーの温度検出結果に基づいて、発振回路の発振周波数を温度補償する温度補償電圧を出力する温度補償回路と、発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路とを含み、スイッチ回路は、第1モードでは、第1出力端子に温度補償電圧を出力し、第2出力端子に周波数制御電圧を出力してもよい。
このようにすれば、温度補償回路からの温度補償電圧が正特性の第1可変容量回路に供給され、周波数制御電圧からの周波数制御電圧が負特性の第2可変容量回路に供給されるようになり、温度補償電圧による温度補償と、周波数制御電圧による周波数制御の両方が可能な動作モードを実現できるようになる。
また本実施形態では、スイッチ回路は、第2モードでは、第1出力端子に温度補償電圧を出力し、第2出力端子に第1固定電圧を出力してもよい。
このようにすれば、温度補償回路からの温度補償電圧が、正特性の第1可変容量回路に供給され、第1固定電圧が容量制御電圧として第2可変容量回路に供給されるようになり、温度補償電圧による温度補償が行われる動作モードを実現できるようになる。
また本実施形態では、スイッチ回路は、第3モードでは、第1出力端子に第2固定電圧を出力し、第2出力端子に周波数制御電圧を出力してもよい。
このようにすれば、周波数制御回路からの周波数制御電圧が、負特性の第2可変容量回路に供給され、第2固定電圧が容量制御電圧として第1可変容量回路に供給されるようになり、周波数制御電圧による周波数制御が行われる動作モードを実現できるようになる。
また本実施形態では、スイッチ回路は、第4モードでは、第1出力端子に第3固定電圧を出力し、第2出力端子に第4固定電圧を出力してもよい。
このようにすれば、第3固定電圧が容量制御電圧として第1可変容量回路に供給され、第4固定電圧が容量制御電圧として第2可変容量回路に供給されるようになり、温度補償電圧による温度補償も周波数制御電圧による周波数制御も行われない動作モードを実現できるようになる。
また本実施形態では、スイッチ回路は、第5モードでは、第1出力端子に周波数制御電圧を出力し、第2出力端子に第5固定電圧又は温度補償電圧を出力してもよい。
このようにすれば、周波数制御電圧からの周波数制御電圧が、正特性の第1可変容量回路に供給され、第5固定電圧又は温度補償電圧が、負特性の第2可変容量回路に供給されるようになり、周波数制御電圧が上昇すると発振周波数が低下し、周波数制御電圧が低下すると発振周波数が上昇するような動作モードを実現できるようになる。
また本実施形態では、スイッチ回路の電圧選択の設定情報を記憶する不揮発性メモリーを含んでもよい。
このようにすれば、電源を供給しなくても情報を保持できる不揮発性メモリーに記憶された電圧選択の設定情報に基づいて、スイッチ回路により選択された電圧を、第1出力電圧として第1出力端子から出力したり、第2出力電圧として第2出力端子から出力できるようになる。
また本実施形態の回路装置は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路と、容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路とを含み、振動子を発振させる発振回路と、発振回路の発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路と、を含む。そして本実施形態の回路装置では、第1モードにおいては、周波数制御電圧が容量制御電圧として第2可変容量回路に入力され、第2モードにおいては、周波数制御電圧が容量制御電圧として第1可変容量回路に入力される。
このようにすれば、回路装置が第1モードに設定されることで、周波数制御電圧が上昇すると発振周波数が上昇し、周波数制御電圧が低下すると発振周波数が低下する動作モードを実現できるようになる。また回路装置が第2モードに設定されることで、周波数制御電圧が上昇すると発振周波数が低下し、周波数制御電圧が低下する発振周波数が上昇する動作モードを実現できるようになる。
また本実施形態の発振器は、振動子と、回路装置と、を含む。そして回路装置は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路と、容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路とを含み、振動子を発振させる発振回路を含む。また回路装置は、第1入力端子に第1入力電圧が入力され、第2入力端子に第2入力電圧が入力され、第1可変容量回路が接続される第1出力端子に、第1入力電圧と第2入力電圧を含む複数の電圧の中から選択された第1出力電圧を出力し、第2可変容量回路が接続される第2出力端子に、複数の電圧の中から選択された第2出力電圧を出力するスイッチ回路と、を含む。
また本実施形態の発振器は、振動子と、回路装置と、含む。そして回路装置は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路と、容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路とを含み、振動子を発振させる発振回路と、発振回路の発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路と、を含む。そして本実施形態の発振器では、第1モードにおいては、周波数制御電圧が容量制御電圧として第2可変容量回路に入力され、第2モードにおいては、周波数制御電圧が容量制御電圧として第1可変容量回路に入力される。
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本開示の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本開示の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また本実施形態及び変形例の全ての組み合わせも、本開示の範囲に含まれる。また回路装置、発振器の構成・動作等も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
4…発振器、6…第1基板、7…第2基板、8…第3基板、10…振動子、15…パッケージ、16…ベース、17…リッド、18…外部端子、19…外部端子、20…回路装置、30…発振回路、31…第1可変容量回路、32…第2可変容量回路、34…基準電圧生成回路、36…スイッチ回路、40…温度補償回路、42…電流生成回路、43…1次補正回路、44…高次補正回路、46…電流電圧変換回路、48…温度センサー、50…周波数制御回路、60…ロジック回路、70…不揮発性メモリー、80…出力回路、90…電源回路、AM…増幅回路、BP1~BP5…バイポーラートランジスター、CB1~CB6、CC、CD…キャパシター、CK…クロック信号、DP…差動部、DV…駆動回路、IA1~IA4…電流、PCK、PGND、PVC、PVDD、PX1、PX2…パッド、QP…出力部、RA、RC、RD…抵抗、RA1~RA4…第1可変抵抗~第4可変抵抗、S1、S2…収容空間、TD1、TD2、TR1、TR2…トランジスター、TD3、TD4、TD5…駆動トランジスター、TVDD、TGND、TVC、TCK…端子、VC…制御電圧、VCC…容量制御電圧、VCP…温度補償電圧、VFC…周波数制御電圧、VTS…温度検出電圧、TI1…第1入力端子、TI2…第2入力端子、TI2…第3入力端子、TQ1…第1出力端子、TQ2…第2出力端子、TQ3…第3出力端子、VI1…第1入力電圧、VI2…第2入力電圧、VI3…第3入力電圧、VQ1…第1出力電圧、VQ2…第2出力電圧、VQ3…第3出力電圧、
Claims (14)
- 容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路と、前記容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路とを含み、振動子を発振させる発振回路と、
第1入力端子に第1入力電圧が入力され、第2入力端子に第2入力電圧が入力され、第1可変容量回路が電気的に接続される第1出力端子に、前記第1入力電圧と前記第2入力電圧を含む複数の電圧の中から選択された第1出力電圧を出力し、前記第2可変容量回路が電気的に接続される第2出力端子に、前記複数の電圧の中から選択された第2出力電圧を出力するスイッチ回路と、
を含むことを特徴とする回路装置。 - 請求項1に記載の回路装置において、
前記発振回路の発振周波数を温度補償する温度補償電圧を出力する温度補償回路を含み、
前記第1入力電圧は温度補償電圧であることを特徴とする回路装置。 - 請求項1又は2に記載の回路装置において、
前記発振回路の発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路を含み、
前記第2入力電圧は、前記周波数制御電圧であることを特徴とする回路装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の回路装置において、
前記複数の電圧は固定電圧を含み、
前記スイッチ回路は、
前記固定電圧を前記第1出力端子又は前記第2出力端子に出力することを特徴とする回路装置。 - 請求項4に記載の回路装置において、
前記スイッチ回路は、
前記固定電圧として、高電位側の固定電圧又は低電位側の固定電圧を、前記第1出力端子又は前記第2出力端子に出力することを特徴とする回路装置。 - 請求項1に記載の回路装置において、
温度センサーの温度検出結果に基づいて、前記発振回路の発振周波数を温度補償する温度補償電圧を出力する温度補償回路と、
前記発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路と、
を含み、
前記スイッチ回路は、
第1モードでは、前記第1出力端子に前記温度補償電圧を出力し、前記第2出力端子に前記周波数制御電圧を出力することを特徴とする回路装置。 - 請求項6に記載の回路装置において、
前記スイッチ回路は、
第2モードでは、前記第1出力端子に前記温度補償電圧を出力し、前記第2出力端子に第1固定電圧を出力することを特徴とする回路装置。 - 請求項6又は7に記載の回路装置において、
前記スイッチ回路は、
第3モードでは、前記第1出力端子に第2固定電圧を出力し、前記第2出力端子に前記周波数制御電圧を出力することを特徴とする回路装置。 - 請求項6乃至8のいずれか一項に記載の回路装置において、
前記スイッチ回路は、
第4モードでは、前記第1出力端子に第3固定電圧を出力し、前記第2出力端子に第4固定電圧を出力することを特徴とする回路装置。 - 請求項6乃至9のいずれか一項に記載の回路装置において、
前記スイッチ回路は、
第5モードでは、前記第1出力端子に前記周波数制御電圧を出力し、前記第2出力端子に第5固定電圧又は前記温度補償電圧を出力することを特徴とする回路装置。 - 請求項1乃至10のいずれか一項に記載の回路装置において、
前記スイッチ回路の電圧選択の設定情報を記憶する不揮発性メモリーを含むことを特徴とする回路装置。 - 容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路と、前記容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路とを含み、振動子を発振させる発振回路と、
前記発振回路の発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路と、
を含み、
第1モードにおいては、前記周波数制御電圧が前記容量制御電圧として前記第2可変容量回路に入力され、
第2モードにおいては、前記周波数制御電圧が前記容量制御電圧として前記第1可変容量回路に入力されることを特徴とする回路装置。 - 振動子と、
回路装置と、
を含み、
前記回路装置は、
容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路と、前記容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路とを含み、前記振動子を発振させる発振回路と、
第1入力端子に第1入力電圧が入力され、第2入力端子に第2入力電圧が入力され、第1可変容量回路が接続される第1出力端子に、前記第1入力電圧と前記第2入力電圧を含む複数の電圧の中から選択された第1出力電圧を出力し、前記第2可変容量回路が接続される第2出力端子に、前記複数の電圧の中から選択された第2出力電圧を出力するスイッチ回路と、
を含むことを特徴とする発振器。 - 振動子と、
回路装置と、
を含み、
前記回路装置は、
容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第1可変容量回路と、前記容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第2可変容量回路とを含み、前記振動子を発振させる発振回路と、
前記発振回路の発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路と、
を含み、
第1モードにおいては、前記周波数制御電圧が前記容量制御電圧として前記第2可変容量回路に入力され、
第2モードにおいては、前記周波数制御電圧が前記容量制御電圧として前記第1可変容量回路に入力されることを特徴とする発振器。
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