JP3593963B2 - 電圧制御発振器、電圧制御発振器用icチップ、抵抗調整装置及び抵抗調整方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば無線通信機や映像機器,測定器等に用いられる電圧制御発振器に関し、特に周波数可変特性に精度が必要な電圧制御発振器、電圧制御発振器用ICチップ、抵抗調整装置および抵抗調整方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
まず、図19に従来の一般的な電圧制御発振器の構成を示している。
電圧制御圧電発振器200は、周波数制御端子VCに接続される入力抵抗Riと、圧電振動子Xと、可変容量ダイオードCvと、発振振幅調整抵抗Rsと、発振回路100と、を備えて構成されている。
【0003】
このように構成される電圧制御圧電発振器200は、周波数制御端子VCに制御電圧Vcを印加することにより、可変容量ダイオードCvの容量を変化させ、圧電振動子Xとの共振から発生する発振周波数fを調整するものである。そして、この電圧制御圧電発振器200は、図20(a)の点線で示す周波数可変特性のように、制御電圧Vcの電圧値を所定範囲(基準制御電圧Vc0に対してVc−〜Vc+の範囲)で変化させることにより、出力端子OUTから出力される発振信号Sの発振周波数fを所定範囲(基準制御電圧Vc0に対応した基準周波数f0に対して−100〜+100[ppm]の範囲)内で直線的に変化させるものである。なお、図20(a)では、横軸が制御電圧Vc、縦軸が発振周波数fの周波数偏差Δf(周波数偏差Δf=(f−f0)/f0)を示している。ここで、f0は基準発振周波数のことである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧電振動子Xは、図21に示すような等価回路に置き換えることができる。圧電振動子Xは、同一周波数であっても、例えば圧電振動子Xを水晶片で形成した場合には、矩形型、ディスク型等の形状の相違、サイズの違い等によって等価回路定数が異なる場合がある。
例えば、等価回路の抵抗R1の抵抗値が通常の圧電振動子Xの抵抗値よりも小さいと、可変容量ダイオードCv、圧電振動子X、発振振幅調整抵抗Rs、発振用容量C1、C2からなる発振ループのインピーダンスが低くなり、発振信号の発振振幅が高くなる。このような場合、制御電圧Vcを低電位に設定すると、周波数可変特性が直線でないので、所望の周波数が得られない場合があった。
【0005】
即ち、図20(a)の実線で示すように、周波数制御端子VCに印加される制御電圧Vcを高電位(Vc+)から低電位(Vc−)に変化させた場合、低電位近傍で周波数可変特性の直線性が崩れることになる。
この原因は、図20(b)に示すように、制御電圧Vcが低電位に近づくと可変容量ダイオードCvの容量が大きくなり(インピーダンスとしては小さくなり)、発振振幅のマイナス側がダイオードの持つ順方向電圧(約−0.7V)でクリッピングされてしまうためである、と考えられる。
この図20(b)は、横軸に時間、縦軸に発振ループに発生する発振振幅の電位を示したものである。
【0006】
このように、発振振幅のマイナス側が順方向電圧でクリッピングされた場合、周波数制御端子VCに印加される制御電圧Vcよりも可変容量ダイオードCvに印加される制御電圧Vcは平均化した電位分だけ高くなり(図20(b)の矢印b参照)、ここに可変容量ダイオードCvに印加される制御電圧Vcと実際の可変容量ダイオードCvの電位とに差が発生する。これが原因となって制御電圧VcがVc−(GND)に近づくにつれて周波数可変特性の直線性が崩れることになる。
【0007】
また、電圧制御圧電発振器200において、圧電振動子Xおよび可変容量ダイオードCvを除く構成部品がICチップとして構成された場合には、発振振幅調整抵抗Rsは固定値となっていた。このため、ICチップは、発振周波数fの異なった圧電振動子X毎に異なった抵抗値の発振振幅調整抵抗Rsを作り込んだICチップを複数個用意しなくてはならず、コスト高となっていた。
【0008】
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであり、周波数可変特性の直線性を良好にして制御電圧に対する周波数の可変範囲を広げることのできる電圧制御発振器、電圧制御発振器用ICチップ、抵抗調整装置及び抵抗調整方法を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項1記載の発明は、圧電振動子と、該圧電振動子の入力側に直列に接続された可変容量ダイオードと、該可変容量ダイオードに接続された発振回路と、前記圧電振動子、可変容量ダイオードおよび発振回路によって構成される発振ループの途中に設けられ、選択的に挿入される発振振幅調整用抵抗を複数個備えた抵抗回路と、を備え、前記発振振幅調整用抵抗の抵抗値を、前記発振ループに発生する発振振幅が前記可変容量ダイオードの順方向電圧よりも低くなるような値にすることにより、周波数可変特性の直線性を良好にすることを特徴としている。
【0010】
請求項2に記載の発明は、圧電振動子と、該圧電振動子の入力側に直列に接続された可変容量ダイオードと、該可変容量ダイオードに接続された発振回路と、前記圧電振動子、可変容量ダイオードおよび発振回路によって構成される発振ループのうち、前記圧電振動子の後段に設けられ、選択的に挿入されて発振振幅を調整する発振振幅調整用抵抗を複数個備えた抵抗回路と、を備え、前記発振振幅調整用抵抗の抵抗値を、前記発振ループに発生する発振振幅が前記可変容量ダイオードの順方向電圧よりも低くなるような値にすることにより、周波数可変特性の直線性を良好にすることを特徴としている。
【0011】
請求項3記載の発明は、請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器において、前記抵抗回路は、抵抗接続制御信号に基づいて前記発振振幅調整用抵抗の接続/非接続を行うスイッチを備えたことを特徴としている。
【0012】
請求項4記載の発明は、請求項3記載の電圧制御発振器において、前記スイッチは、半導体スイッチによって構成したことを特徴としている。
【0013】
請求項5記載の発明は、請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器において、前記抵抗回路は、複数の発振振幅調整用抵抗の一端がそれぞれ前記発振ループに接続され、他端がボンディングパッドとしたことを特徴としている。
【0014】
請求項6記載の発明は、請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器において、前記可変容量ダイオードに接続され、複数の選択容量素子を有する容量回路と、前記複数の選択容量素子のうち、所望の前記容量素子を可変容量ダイオードに接続する容量接続回路と、を備えたことを特徴としている。
【0015】
請求項7記載の発明は、請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器において、前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴としている。
【0016】
請求項8記載の発明は、請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器において、前記圧電振動子及び前記可変容量ダイオードを除く構成部品がICチップとして構成されていることを特徴としている。
【0017】
請求項9記載の発明は、請求項8記載の電圧制御発振器において、前記ICチップ、前記圧電振動子及び前記可変容量ダイオードが一体としてモールド封止されていることを特徴としている。
【0018】
請求項10記載の発明は、請求項8記載の電圧制御発振器において、前記ICチップ、前記圧電振動子及び前記可変容量ダイオードが一のパッケージに収納されていることを特徴としている。
【0019】
請求項11記載の発明は、請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器において、前記圧電振動子を除く構成部品がICチップとして構成されていることを特徴としている。
【0020】
請求項12記載の発明は、請求項11記載の電圧制御発振器において、前記ICチップ及び前記圧電振動子が一体としてモールド封止されていることを特徴としている。
【0021】
請求項13記載の発明は、請求項11記載の電圧制御発振器において、前記I
Cチップ及び前記圧電振動子が一のパッケージに収納されていることを特徴としている。
【0022】
請求項14記載の発明は、圧電振動子と、該圧電振動子の入力側に直列に接続された可変容量ダイオードと、該可変容量ダイオードに接続された発振回路と、前記圧電振動子、可変容量ダイオードおよび発振回路によって構成される発振ループの途中に設けられ、選択的に挿入される発振振幅調整用抵抗を複数個備えた抵抗回路と、を備え、前記抵抗回路は、抵抗接続制御信号に基づいて前記発振振幅調整用抵抗の接続/非接続を行う、半導体スイッチによって構成されたスイッチを備え、さらに、抵抗接続制御データを記憶する抵抗情報メモリと、外部から印加される調整用抵抗制御信号に基づいて、前記抵抗情報メモリに予め前記抵抗接続制御データを記憶させると共に、前記調整用抵抗制御信号或いは前記抵抗接続制御データに基づいて前記スイッチを制御する抵抗接続制御信号を出力する制御回路と、を備えたことを特徴としている。
【0023】
請求項15記載の発明は、圧電振動子、該圧電振動子の入力側に直列に接続された可変容量ダイオード、及び該可変容量ダイオードに接続された発振回路、を具備した電圧制御発振器に用いられる、電圧制御発振器用ICチップにおいて、当該ICチップには、前記圧電振動子、可変容量ダイオードおよび発振回路によって構成される発振ループの途中に設けられ、選択的に挿入される発振振幅調整用抵抗を複数個備えた抵抗回路を備え、前記発振振幅調整用抵抗の抵抗値を、前記発振ループに発生する発振振幅が前記可変容量ダイオードの順方向電圧よりも低くなるような値にすることにより、周波数可変特性の直線性を良好にすることを特徴としている。
【0024】
請求項16記載の発明は、圧電振動子、該圧電振動子の入力側に直列に接続された可変容量ダイオード、及び該可変容量ダイオードに接続された発振回路、を具備した電圧制御発振器に用いられる、電圧制御発振器用ICチップにおいて、当該ICチップには、前記圧電振動子、可変容量ダイオードおよび発振回路によって構成される発振ループのうち、前記圧電振動子の後段に設けられ、選択的に挿入されて発振後の振幅を調整する発振振幅調整用抵抗を複数個備えた抵抗回路を備え、前記発振振幅調整用抵抗の抵抗値を、前記発振ループに発生する発振振幅が前記可変容量ダイオードの順方向電圧よりも低くなるような値にすることにより、周波数可変特性の直線性を良好にすることを特徴としている。
【0025】
請求項17記載の発明は、請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器に対し、所望の発振振幅調整用抵抗を選択する抵抗調整装置において、発振振幅調整用抵抗を順次選択した上で、制御電圧端子に所定の制御電圧を漸次印加した状態で発振信号の周波数を検出する周波数検出手段と、検出された発振振幅調整用抵抗毎の周波数に基づいて、所望の発振振幅調整用抵抗を確定する発振振幅調整用抵抗確定手段と、を備えたことを特徴としている。
【0026】
請求項18記載の発明は、請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器に対し、所望の発振振幅調整用抵抗を選択する抵抗調整装置において、発振振幅調整用抵抗を順次選択した上で、制御電圧端子に所定の制御電圧を漸次印加した状態で発振信号の周波数を検出する周波数検出手段と、検出された発振振幅調整用抵抗毎の周波数に基づいて、発振振幅調整用抵抗毎の周波数可変特性を生成する周波数可変特性生成手段と、生成された発振振幅調整用抵抗毎の周波数可変特性に基づいて、所望の発振振幅調整用抵抗を確定する発振振幅調整用抵抗確定手段と、を備えたことを特徴としている。
【0027】
請求項19記載の発明は、請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器に対し、所望の発振振幅調整用抵抗を選択する抵抗調整方法において、発振振幅調整用抵抗を順次選択した上で、制御電圧端子に所定の制御電圧を漸次印加した状態で発振信号の周波数を検出する周波数検出工程と、検出された発振振幅調整用抵抗毎の周波数に基づいて、所望の発振振幅調整用抵抗を確定する発振振幅調整用抵抗確定工程と、を備えたことを特徴としている。
【0028】
請求項20記載の発明は、請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器に対し、所望の発振振幅調整用抵抗を選択する抵抗調整方法において、発振振幅調整用抵抗を順次選択した上で、制御電圧端子に所定の制御電圧を漸次印加した状態で発振信号の周波数を検出する周波数検出工程と、検出された発振振幅調整用抵抗毎の周波数に基づいて、発振振幅調整用抵抗毎の周波数可変特性を生成する周波数可変特性生成工程と、生成された発振振幅調整用抵抗毎の周波数可変特性に基づいて、所望の発振振幅調整用抵抗を確定する発振振幅調整用抵抗確定工程と、を備えたことを特徴としている。
【0029】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
【0030】
[1] 第1実施形態
[1・1] 第1実施形態の大略構成
図1は、第1実施形態による電圧制御圧電発振器10の構成を示している。
電圧制御圧電発振器10は、出力端子OUTから出力される発振信号Sの発振周波数fを変化させるための制御電圧Vcを印加するための周波数制御端子VCと、一端が周波数制御端子VCに接続され、周波数制御端子VCにユーザが接続する発振周波数制御回路(図示せず)への影響を回避すると共に、発振周波数制御回路に接続するための入力抵抗Riと、一端がこの入力抵抗Riの他端に接続された圧電振動子Xと、入力抵抗Riと圧電振動子Xの接続点にカソード端子が接続された可変容量ダイオードCvと、一端が圧電振動子Xの他端に接続された発振振幅調整用の抵抗回路20と、この抵抗回路20抵抗Rsの後段に接続された発振回路100と、メモリ30と、制御回路40と、を備えて構成されている。
【0031】
また、電圧制御圧電発振器10は、図2に例示する如く、圧電振動子Xおよび可変容量ダイオードCvを除く構成部品をICチップ15として構成し、さらにICチップ15、圧電振動子X及び可変容量ダイオードCvをモールド封止した構成となっている。そして、外部に露出する端子は、周波数制御端子VC、制御回路用信号入力端子或いは抵抗接続制御信号入力端子CNT1〜CNTn、高電位側電源端子VCC、出力端子OUTおよびGND端子となっている。
【0032】
[1・2] 各部の構成
以下、各部の構成について詳述する。
[1・2・1] 発振回路100の構成
発振回路100は、一端が高電位側電源VCCに接続され、他端が発振振幅調整抵抗Rsの他端に接続された第1バイアス抵抗R1と、一端が発振振幅調整抵抗Rsと第1バイアス抵抗R1との接続点に接続され、他端が低電位側電源GNDに接続された第2バイアス抵抗R2と、ベース端子が発振振幅調整抵抗Rsと第1バイアス抵抗R1との接続点に接続され、コレクタ端子が高電位側電源VCCに接続されたNPNトランジスタQ1と、一端がNPNトランジスタQ1のエミッタ端子に接続され、他端が低電位側電源GNDに接続されたエミッタ抵抗Reと、ベース端子がNPNトランジスタQ1のエミッタ端子とエミッタ抵抗Reとの接続点に接続され、コレクタ端子が高電位側電源VCCに接続されたNPNトランジスタQ2と、一端がNPNトランジスタQ2のエミッタ端子に接続され、他端が低電位側電源GNDに接続されたエミッタ抵抗R0と、一端がNPNトランジスタQ1のベース端子と発振振幅調整抵抗Rsの接続点に接続され、他端がNPNトランジスタQ1のエミッタ端子とエミッタ抵抗Reの接続点に接続された第1発振用コンデンサC1と、一端がNPNトランジスタQ1のエミッタ端子とエミッタ抵抗Reの接続点に接続され、他端が低電位側電源GNDに接続された第2発振用コンデンサC2と、を備えて構成されている。
【0033】
[1・2・2] 抵抗回路20の構成
抵抗回路20は、発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnと、発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnにそれぞれ接続され、制御回路40から出力される抵抗接続制御信号SC1〜SCnに基づいて発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnの接続/非接続を行うスイッチSW1〜SWnと、を備えている。発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnの抵抗値は、互いに異なるようにしてもよいし、全て同一であってもよい。
【0034】
ここで、発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnの抵抗値を互いに異なるようにした場合には、例えば、発振振幅調整用抵抗Rs1=10Ω、Rs2=20Ω、Rs3=30Ω・・・といった具合に設定した場合には、スイッチを適宜オン状態にすることにより、10Ω、20Ω、30Ω・・・とすることができる。
【0035】
また、複数のスイッチをオン状態にすることにより、例えば、抵抗値10Ωと20Ωに対応したスイッチをオン状態にした場合には6.7Ω、抵抗値10Ωと30Ωに対応したスイッチをオン状態にした場合には7.5Ω、抵抗値10Ω、20Ωおよび30Ωに対応したスイッチをオン状態にした場合には5.4Ω・・・といった具合に、細かい抵抗値に設定することが可能となる。
一方、発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnの抵抗値を全て同一の例えば100Ωとした場合には、発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnに対応したスイッチSW1〜SWnのうち、オン状態にするスイッチの数を増やすことによって、抵抗回路20の抵抗値を、100Ω、50Ω、33Ω、25Ω、20Ω・・・とすることができる。
【0036】
この抵抗回路20は、圧電振動子Xと発振回路100との間に接続されることにより、圧電振動子X、可変容量ダイオードCvおよび発振回路100を合わせて発振ループを構成する。そして、抵抗回路20の抵抗値を調整することにより、発振振幅を制御するものである。
【0037】
スイッチSW1〜SWnは、電圧制御圧電発振器をIC化する場合、使用する半導体製造プロセスにより、例えば、以下のような構成が考えられる。
半導体製造プロセスとして、バイポーラプロセスを用いる場合には、スイッチSW1〜SWnは、図3(a)に示すように、バイポーラトランジスタ構成とする。
半導体製造プロセスとして、CMOSプロセスを用いる場合には、スイッチSW1〜SWnは、図3(b)に示すように、MOSトランジスタ構成とする。
高周波対応のICの半導体製造プロセスとして盛んに使用されているバイポ―ラ&CMOS混在プロセス(Bi−CMOSプロセス)を用いる場合には、スイッチSW1〜SWnは、図3(a)に示したバイポーラトランジスタ構成及び図3(b)示したMOSトランジスタ構成のいずれをも採用することが可能である。
【0038】
ただし、低消費電流化の観点からはトランジスタをオンするために定常的に電流を流す必要のないMOSトランジスタ構成とする方が有利である。その理由は、MOSトランジスタは電圧制御素子であるので、MOSトランジスタがオンするのに十分なレベルの電圧をゲート端子に印加すれば良く、ゲート端子からソース端子側に定常的に流れる電流はないからである。これに対し、バイポーラトランジスタ構成とすると、選択状態におけるトランジスタのオン抵抗を下げるために、ベース端子−エミッタ端子間に十分な電流を流してやる必要があるからである。
【0039】
[1・2・3] メモリ30
メモリ30は、電気消去タイプのメモリであるEEPROM、紫外線消去タイプのメモリであるEPROM、ヒューズタイプであるヒューズタイプROMなどに代表される不揮発性の半導体メモリ等により構成することが可能である。さらにメモリ30内には、抵抗回路30の抵抗値を設定すべくスイッチSW1〜SWnのオン/オフ状態にする抵抗接続制御データDRが格納されている。
【0040】
この抵抗接続制御データDRは、制御回路40を介して工場出荷時にメモリ30に書き込まれ、電圧制御圧電発振器10の電源投入時に、制御回路40においてスイッチSW1〜SWnをオン状態またはオフ状態に設定する抵抗接続制御信号SC1〜SCnを生成するものである。
【0041】
[1・2・4] 制御回路40
制御回路40は、工場出荷の際に行う設定抵抗の調整動作時には、外部から制御回路用信号入力端子或いは抵抗接続制御信号入力端子CNT1〜CNTnを介して入力される調整用抵抗制御信号Rconに基づいて抵抗回路20のスイッチSW1〜SWnのオン/オフ制御を行い、調整終了後に抵抗確定信号Dconに基づいた抵抗接続制御データDRをメモリ30に格納すると共に、通常動作時には、メモリ30に格納された抵抗接続制御データDRに基づいて抵抗接続制御信号SC1〜SCnを生成し、この制御信号SC1〜SCnによってスイッチSW1〜SWnのオン/オフ制御を行うものである。
【0042】
[1・3] 抵抗回路20の動作
図4および図5に基づいて、抵抗回路20の動作について説明する。
図4は、周波数制御端子VCに印加される調整用電圧制御信号Vconjを高電位から低電位に変化させた場合の周波数可変特性を、設定抵抗Rsi(i:1〜n)毎に示したものである。図5は、発振ループにおける発振信号の振幅を示している。
発振ループの途中に接続された抵抗回路20は、選択される発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnの抵抗値に基づき発振ループのインピーダンスを可変にし、以て発振振幅を調整するものであり、以下、抵抗回路20の実質的な抵抗値をRsとする。
従来技術で述べた如く、制御電圧Vcが小さくなると、可変容量ダイオードCvの持つ順方向電圧(約−0.7V)よりも振幅が大きい場合には、その分がクリッピングされてしまい、印加される制御電圧Vcと実際の可変容量ダイオードCvの電位とに差が発生してしまう。
そこで、本実施形態では、抵抗回路20の抵抗値Rsを徐々に大きくすることにより、図5の矢印で示すように、発振ループに発生する発振振幅が徐々に小さくなる。このときの周波数可変特性の変化を図4に示している。
そして、抵抗回路20の抵抗値を、発振振幅が可変容量ダイオードCvの順方向電圧よりも低い値(例えば0.5V)となるように設定することにより、周波数可変特性が直線的に変化することになる。この結果、制御電圧Vcによる変化する周波数の範囲を広げることができる。
【0043】
[1・4] 発振振幅調整用抵抗の設定動作
次に、例えば工場出荷時に行われる調整動作について、図6ないし図9に基づいて説明する。
[1・4・1] 調整装置の構成
まず、図6に図示される調整装置50について説明する。
調整装置50は、図7に示すようにマイクロコンピュータによって構成され、CPU51と、RAM52と、ROM53と、調整設定スイッチ54と、調整用抵抗確定スイッチ55と、モニタ56に接続される画像制御部57と、コネクタ58に接続される入出力制御部59とを具備して構成されている。
ROM53は、図9に示すような抵抗設定処理プログラム、およびこのプログラムを実行するために用いられる各種パラメータが格納された読み出し専用のプログラムメモリである。CPU51はROM53から読み出した抵抗設定処理プログラムを実行することにより、入出力制御部59から出力される信号(調整用抵抗制御信号Rcon、調整用電圧制御信号Vcon等)を制御するものである。RAM52は、CPU51がプログラムを実行する際のワークエリア等として用いられる。
ROM53に格納される各種パラメータは、調整用抵抗制御信号Rcon、調整用電圧制御信号Vconであり、各信号の対応は図8のようになっている。
調整用抵抗制御信号Rconは、例えば、図8(a)のように対応し、調整用抵抗制御信号Rcon1が抵抗回路20のSW1をオン状態にして発振振幅調整用抵抗Rs1を発振ループに接続し、調整用抵抗制御信号Rcon2が抵抗回路20のSW2をオン状態にして発振振幅調整用抵抗Rs2を発振ループに接続し、・・・調整用抵抗制御信号Rconnが抵抗回路20のSWnをオン状態にして発振振幅調整用抵抗Rsnを発振ループに接続するものである。
調整用電圧制御信号Vconは、例えば、図8(b)のように対応し、調整用電圧制御信号Vcon1が制御電圧Vcを3[V]とし、調整用電圧制御信号Vcon2が制御電圧Vcを2.9[V]とし、・・・調整用電圧制御信号Vconmが制御電圧Vcを0[V]として周波数制御端子VCに出力するものである。
【0044】
調整設定スイッチ54および調整用抵抗確定スイッチ55は、この調整装置50による調整動作を開始させるためのスイッチであり、調整装置50の筐体(図示せず)に設けられている。
作業者が調整設定スイッチ54をオン状態にすることにより、イネーブル信号が電圧制御圧電発振器10の制御回路40に供給され、制御回路40を介してスイッチSW1〜SWnへの調整用抵抗制御信号Rconの供給を可能にすると共に、メモリ30に対して調整用抵抗制御信号Rconに対応した抵抗接続制御データDRの書き込みを可能にするものである。
調整用抵抗確定スイッチ55は、作業者がモニタ56上に映し出された各発振振幅調整用抵抗に基づいた周波数可変特性から所望の発振振幅調整用抵抗を決めて操作するスイッチであり、このスイッチ55が操作されることによって抵抗確定信号Dconが出力される。そして、CPU51がこの抵抗確定信号Dconを制御回路40に送信し、制御回路40は、確定された発振振幅調整用抵抗に対応した抵抗接続制御データDRを、制御回路40を介してメモリ30に書き込む。
【0045】
[1・4・2] 調整時の動作
次に、調整装置50を用いた調整動作について、図9のフローチャートを参照しつつ説明する。ここで、抵抗回路20を構成する発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnの抵抗値は、例えば10Ω、20Ω・・・100Ωと設定されているものとする。
【0046】
まず、作業者は、調整装置50のコネクタ58に電圧制御圧電発振器10を装着し、調整設定スイッチ54をオン状態にする。この際、CPU51は、ROM53に格納された抵抗設定処理プログラムおよび各種パラメータ(調整用抵抗制御信号Rcon、調整用電圧制御信号Vcon)がRAM52に読込まれる。
【0047】
CPU51は、抵抗設定処理プログラムに従って抵抗設定処理を開始する。
CPU51は、RAM52のメモリ領域に記憶された係数i,jを「i=1」、「j=1」として初期化する(ステップS1)。
次に、CPU51は、RAM52に記憶されたパラメータから調整用抵抗制御信号Rcon1を読出し、この制御信号Rcon1を入出力制御部59、コネクタ58を介して制御回路用信号入力端子或いは抵抗接続制御信号入力端子CNT1に印加する(ステップS2)。
電圧制御圧電発振器10の制御回路40は、この調整用抵抗制御信号Rcon1を受けて抵抗回路20のスイッチSW1をオン状態にして発振振幅調整用抵抗Rs1を発振ループに接続する。
【0048】
次に、CPU51は、RAM52に記憶されたパラメータから調整用電圧制御信号Vcon1(例えば、3[V])を読出し、この制御信号Vcon1に対応した電圧を入出力制御部59、コネクタ58を介して周波数制御端子VCに印加する(ステップS3)
電圧制御圧電発振器10では、発振振幅調整用抵抗Rs1が発振ループ内の発振振幅を調整した上で、印加された調整用電圧制御信号Vcon1によって可変容量ダイオードCvの容量が変化し、圧電振動子Xとの共振による発振周波数fを有する発振信号Sを出力する。
そこで、CPU51は、出力端子OUTからの発振周波数f1を読込み(ステップS4)、基準周波数f0に対する周波数偏差Δf1(周波数偏差Δf1=(f1−f0)/f0)算出する(ステップS5)。さらに、CPU51は、この周波数偏差Δf1をRAM52に記憶する(ステップS6)。
【0049】
CPU51は、係数jがmに達したか否かを判定する(ステップS7)。係数jがmに達していない場合(ステップS7;NO)、即ち、抵抗回路20が設定抵抗Rs1に設定された状態で、制御電圧Vcを3[V]から0まで0.1[V]に漸次減少させたときの周波数偏差Δfjの測定が完了していない場合であるから、ステップS8に移行する。
CPU51は、係数jをj=j+1として「1」ずつ歩進する(ステップS8)。そして、CPU51はステップS7で“YES”と判定されるまで、ステップS3からステップS8までの処理を繰り返し、この度にjに対応付けて周波数偏差ΔfjをRAM52に記憶する。
【0050】
一方、CPU51は、係数jがmに達した場合(ステップS7;YES)には、再び係数iがnに達したか否かの判定を行う(ステップS9)。係数iがnに達していない場合(ステップS9;NO)には、抵抗回路20の設定抵抗Rs1〜Rsn毎に、制御信号Vconjを3[V]から0まで0.1[V]に漸次減少させたときの周波数偏差Δfjの測定が終了していないから、ステップS10に移行する。
CPU51は、係数iをi=i+1として「1」ずつ歩進する(ステップS10)。そして、CPU51はステップS9で“YES”と判定されるまで、ステップS2からステップS9までの処理を繰り返し、ステップS6を通過する度に、発振振幅調整用抵抗Rsiに対応した周波数偏差ΔfjをRAM52に順次記憶する。
【0051】
また、CPU51は、係数iがnに達した場合(ステップS9;YES)には、発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnに基づいて調整用電圧制御信号Vconjに対応した周波数偏差Δfjの測定が完了したことになる。
【0052】
CPU51は、RAM52に記憶された周波数偏差Δfjを読出し、画像制御部57を介して各発振振幅調整用抵抗毎に周波数可変特性を、図4に示すようにモニタ56上に表示する(ステップS11)。
作業者は、この発振振幅調整用抵抗毎の周波数可変特性を見て、所望の抵抗値を選択すべく、調整用抵抗確定スイッチ55を操作する。これにより、CPU51は、調整用抵抗確定スイッチ55からの抵抗確定信号Dconを読込む(ステップS12)。
CPU51は、発振振幅調整用抵抗Rsiを発振ループに接続するため、この発振振幅調整用抵抗Riに対応したスイッチSWiをオン状態にする抵抗確定信号Dconを入出力制御部59およびコネクタ58を介して制御回路40に送信する(ステップS13)。
そして、制御回路40は、抵抗確定信号Dconを受けて、確定された発振振幅調整用抵抗Riを発振ループに接続させるための抵抗接続制御データDRをメモリ30に記憶する。
【0053】
このように、調整装置50を用いることにより、抵抗回路20の発振振幅調整用抵抗Rsiが容易に確定されることになる。
【0054】
[1・5] 具体例
次に、図10ないし図13に実際の実験の結果を示す。
図10ないし図13の(a)は、基準周波数f0および抵抗回路20の抵抗値Rsの条件に応じた周波数可変特性、図10ないし図13の(b)は、制御電圧Vcに応じたカソード側の電位(発振振幅)を示している。
この場合、抵抗回路20の発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnの抵抗値は、10Ω、20Ω・・・100Ωとなっているものとする。
【0055】
基準周波数f0が40MHzの場合を、図10および図11に示している。
図10に示すように、抵抗回路20の抵抗値Rsが0Ωの場合には、カソード側の電位が制御電圧Vcが約1.7Vのところで直線性が崩れ、これに伴って、周波数可変特性も制御電圧Vcが約1.7Vのところで直線性が崩れてしまっている。このため、制御電圧Vcによる周波数の変化は、+10〜60[ppm]の幅でしか変化させることができない。
そこで、抵抗回路20の抵抗値Rsを100Ωに設定すると、図11に示すように、カソード側の電位が直線的に変化し、これに伴って、周波数可変特性も直線的に変化する。これにより、制御電圧Vcによる周波数の変化を±70[ppm]の幅で変化させることが可能となる。
【0056】
基準周波数f0が80MHzの場合を、図12および図13に示している。
図12に示すように、抵抗回路20の抵抗値Rsが0Ωの場合には、カソード側の電位が制御電圧Vcが約0.5Vのところで直線性が崩れ、これに伴って、周波数可変特性も制御電圧Vcが約0.5Vのところで直線性が崩れてしまっている。このため、制御電圧Vcによる周波数の変化は、−40〜65[ppm]の幅でしか変化させることができない。
そこで、抵抗回路20の抵抗値Rsを30Ωに設定すると、図13に示すように、カソード側の電位が直線的に変化し、これに伴って、周波数可変特性も直線的に変化する。これにより、制御電圧Vcによる周波数の変化を±70[ppm]の幅で変化させることが可能となる。
【0057】
しかも、抵抗回路20は、抵抗回路20を構成する発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnの抵抗値を10Ω〜100Ωに設定し、この抵抗回路20をICチップ15に作り込んでおく。これにより、異なった発振周波数fを有する圧電振動子Xに対し、1個のICチップ15で対応することが可能となる。
【0058】
[1・6] 第1実施形態の効果
第1実施形態によれば、発振ループにはこの発振ループのインピーダンスを可変にする抵抗回路20を接続し、この抵抗回路20の発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnを適宜選択して発振振幅を可変容量ダイオードCvの順方向電圧よりも小さくして、発振振幅が順方向電圧でクリッピングされるのを防止する。これにより、制御電圧Vcを低電位にした場合であっても、可変容量ダイオードCvの容量変化を制御電圧Vcに対応させることができ、制御電圧Vcによる周波数可変特性の可変幅を広げることができる。
【0059】
また、電圧制御圧電発振器10は、メモリ30および制御回路40を備えているから、組み立て後に抵抗回路20の発振振幅調整用抵抗を確定することができ、周波数可変範囲の調整をユーザの要求に応じて可変することも可能となる。
【0060】
さらに、ICチップ15に複数の発振振幅調整用抵抗Rs1〜Rsnを備えた抵抗回路20を作り込んでいるため、1個のICチップ15によって種々の発振周波数fに対応させることが可能となり、大幅なコスト低減を図ることができる。
【0061】
[2] 第2実施形態
図14に第2実施形態の原理説明図を示す。なお、前述した第1実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
第2実施形態による電圧制御圧電発振器10Aの特徴は、抵抗回路20のスイッチSW1〜SWnを半導体素子ではなく、ICチップ15に露出したボンディングパッドと基板上のランドとをボンディングワイヤによって接続して発振振幅調整用抵抗を選択する構造(所謂、ボンディングオプション)とした点にある。
【0062】
この電圧制御圧電発振器10Aでは、圧電振動子X及び可変容量ダイオードCvを除く構成部品をICチップとして構成され、このICチップには発振振幅調整用抵抗を確定するためのボンディングオプション用のパッドが形成されている。
そして、この電圧制御圧電発振器10Aでは、ICチップ、圧電振動子X及び可変容量ダイオードCvをモールド封止して組み立てる前に、ボンディングワイヤによってパッドとランドとを接続して発振振幅調整用抵抗を確定する。
このように、電圧制御圧電発振器10Aにおいても、発振振幅調整用抵抗を適宜に確定することにより、制御電圧Vcによる周波数可変特性の直線領域を伸ばし、結果制御電圧Vcによる周波数の可変幅を広げることが可能となる。
しかも、電圧制御圧電発振器10A内には、メモリ30および制御回路40を実装していないため、ICチップの面積の縮小、部品削減を図ることができる。
【0063】
[3] 第3実施形態
図15に第3実施形態の原理説明図を示す。なお、前述した第1実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
第3実施形態による電圧制御圧電発振器10Bの特徴は、スイッチSW1〜SWnを駆動させるための制御電圧が印加される制御電圧入力端子CNT1´〜CNTn´をICの外側に露出させた点にある。
【0064】
この電圧制御圧電発振器10Bでは、制御電圧入力端子CNT1´〜CNTn´を介して外部から印加される制御電圧により、発振振幅調整用抵抗を確定する。
この電圧制御圧電発振器10Bにおいても、外部からの選択信号によって発振振幅調整用抵抗を適宜に確定することにより、制御電圧Vcによる周波数可変特性の可変幅を広げることが可能となる。
しかも、電圧制御圧電発振器10B内には、メモリ30および制御回路40を実装していないため、ICチップの面積の縮小、部品削減を図ることができる。
【0065】
[4] 変形例
[4・1] 変形例1
前記各実施形態では、Vc=Vc0における基準発振周波数f0と、圧電振動子、IC等のバラツキによって生じるVc=Vc0における実際の発振周波数f0´との発振周波数のズレを調整できないものとして説明したが、図16に示すように、可変容量ダイオードCvのアノード側に周波数調整回路21を接続するようにしてもよい。この周波数調整回路21は、固定容量素子として機能するベースコンデンサCgと、選択容量素子として機能するn個のコンデンサCa1〜Canと、これらのコンデンサCa1〜Canを並列接続するスイッチSW1´〜SWn´とを備えた構成としている。
この周波数調整回路21の静電容量を適宜に設定することにより、Vc=Vc0における実際の発振周波数f0´を基準発振周波数f0に調整可能となる。
【0066】
[4・2] 変形例2
図17に、この変形例による電圧制御圧電発振器の構成図を示す。この電圧制御圧電発振器が、前記各実施形態と異なる点は、発振回路としてCMOS構成のインバータINVを有するCMOS発振回路を構成し、このCMOS発振回路に第1実施形態と同様の抵抗回路20を適用した点である。このように、CMOS発振回路に本発明を適用した場合でも、第1実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
さらに、変形例1の周波数調整回路21を接続することにより、基本周波数f0を調整可能とする。
【0067】
[4・3] 変形例3
前記第1実施形態の電圧制御圧電発振器10では、圧電振動子X及び可変容量ダイオードCvを除く構成部品をICチップ15として構成し、さらにICチップ51、圧電振動子X及び可変容量ダイオードCvをモールド封止した構成となっていたが、本発明はこれに限らず、図18に示すように、圧電振動子Xを除く構成部品(可変容量ダイオードCvを含む)をICチップ16として構成し、さらにICチップ16及び圧電振動子Xをモールド封止した構成であってもよい。
【0068】
[4・4] 変形例4
前記第1実施形態において、調整装置50で発振振幅調整用抵抗を確定する場合、作業者が周波数可変特性をモニタした上で、所望の発振振幅調整用抵抗を確定するようにしたが、本発明はこれに限らず、計測された周波数偏差Δfを微分して得られた微分値が閾値を越えるか否かで判定することにより、自動的に発振振幅調整用抵抗を確定するようにしてもよく、要は周波数可変特性の直線性を改善するように発振振幅調整用抵抗を確定する方法であればよい。
【0069】
[4・5] 変形例5
前記各実施例では、周波数可変特性の直線性を改善することにより、制御電圧Vcによる周波数の可変範囲を広げるようにしている。逆に、予め発振振幅調整用抵抗Rsと周波数可変特性との関係、特に非直線になってから周波数偏差Δfが一定になる位置を把握しておけば、例えば、制御電圧VcがVc1以上が周波数が可変する範囲となり、Vc1以下が周波数が変動しない範囲とすることも可能となる。
【0070】
【発明の効果】
本発明によれば、周波数可変特性の直線性を改善し、制御電圧による周波数の可変範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の電圧制御圧電発振器の原理説明図である。
【図2】同実施形態の電圧制御圧電発振器の斜視図である。
【図3】スイッチを半導体素子で構成した場合の図である。
【図4】同実施形態による周波数可変特性を示す図である。
【図5】同実施形態による発振振幅を示す図である。
【図6】同実施形態による電圧制御圧電発振器に調整装置を接続した構成図である。
【図7】調整装置の構成を示すブロック図である。
【図8】調整装置に内蔵された信号の対応を示す図である。
【図9】調整装置による抵抗設定処理を示す流れ図である。
【図10】第1実施形態の具体例(f0=40MHz、Rs=0Ω)による周波数可変特性とカソード側電位を示す図である。
【図11】第1実施形態の具体例(f0=40MHz、Rs=100Ω)による周波数可変特性とカソード側電位を示す図である。
【図12】第1実施形態の具体例(f0=80MHz、Rs=0Ω)による周波数可変特性とカソード側電位を示す図である。
【図13】第1実施形態の具体例(f0=80MHz、Rs=30Ω)による周波数可変特性とカソード側電位を示す図である。
【図14】第2実施形態の電圧制御圧電発振器の構成図である。
【図15】第3実施形態の電圧制御圧電発振器の構成図である。
【図16】第1変形例による電圧制御圧電発振器の構成図である。
【図17】第2変形例による電圧制御圧電発振器の構成図である。
【図18】第3変形例による電圧制御圧電発振器の斜視図である。
【図19】従来技術による電圧制御圧電発振器の構成図である。
【図20】従来技術による周波数可変特性および発振振幅を示す図である。
【図21】圧電振動子の等価回路を示す図である。
【符号の説明】
10、10A、10B…電圧制御圧電発振器
20、20A…抵抗回路
30…メモリ
40…制御回路
50…調整装置
100…発振回路
Cv…可変容量ダイオード
VC…制御電圧入力端子
X…圧電振動子
Claims (20)
- 圧電振動子と、該圧電振動子の入力側に直列に接続された可変容量ダイオードと、該可変容量ダイオードに接続された発振回路と、前記圧電振動子、可変容量ダイオードおよび発振回路によって構成される発振ループの途中に設けられ、選択的に挿入される発振振幅調整用抵抗を複数個備えた抵抗回路と、を備え、
前記発振振幅調整用抵抗の抵抗値を、前記発振ループに発生する発振振幅が前記可変容量ダイオードの順方向電圧よりも低くなるような値にすることにより、周波数可変特性の直線性を良好にすることを特徴とする電圧制御発振器。 - 圧電振動子と、該圧電振動子の入力側に直列に接続された可変容量ダイオードと、該可変容量ダイオードに接続された発振回路と、前記圧電振動子、可変容量ダイオードおよび発振回路によって構成される発振ループのうち、前記圧電振動子の後段に設けられ、選択的に挿入されて発振振幅を調整する発振振幅調整用抵抗を複数個備えた抵抗回路と、を備え、
前記発振振幅調整用抵抗の抵抗値を、前記発振ループに発生する発振振幅が前記可変容量ダイオードの順方向電圧よりも低くなるような値にすることにより、周波数可変特性の直線性を良好にすることを特徴とする電圧制御発振器。 - 請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器において、前記抵抗回路は、抵抗接続制御信号に基づいて前記発振振幅調整用抵抗の接続/非接続を行うスイッチを備えたことを特徴とする電圧制御発振器。
- 請求項3記載の電圧制御発振器において、前記スイッチは、半導体スイッチによって構成したことを特徴とする電圧制御発振器。
- 請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器において、前記抵抗回路は、複数の発振振幅調整用抵抗の一端がそれぞれ前記発振ループに接続され、他端がボンディングパッドとしたことを特徴とする電圧制御発振器。
- 請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器において、前記可変容量ダイオードに接続され、複数の選択容量素子を有する容量回路と、前記複数の選択容量素子のうち、所望の前記容量素子を可変容量ダイオードに接続する容量接続回路と、を備えたことを特徴とする電圧制御発振器。
- 請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器において、前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴とする電圧制御発振器。
- 請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器において、前記圧電振動子及び前記可変容量ダイオードを除く構成部品がICチップとして構成されていることを特徴とする電圧制御発振器。
- 請求項8記載の電圧制御発振器において、前記ICチップ、前記圧電振動子及び前記可変容量ダイオードが一体としてモールド封止されていることを特徴とする電圧制御発振器。
- 請求項8記載の電圧制御発振器において、前記ICチップ、前記圧電振動子及び前記可変容量ダイオードが一のパッケージに収納されていることを特徴とする電圧制御発振器。
- 請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器において、前記圧電振動子を除く構成部品がICチップとして構成されていることを特徴とする電圧制御発振器。
- 請求項11記載の電圧制御発振器において、前記ICチップ及び前記圧電振動子が一体としてモールド封止されていることを特徴とする電圧制御発振器。
- 請求項11記載の電圧制御発振器において、前記ICチップ及び前記圧電振動子が一のパッケージに収納されていることを特徴とする電圧制御発振器。
- 圧電振動子と、該圧電振動子の入力側に直列に接続された可変容量ダイオードと、該可変容量ダイオードに接続された発振回路と、前記圧電振動子、可変容量ダイオードおよび発振回路によって構成される発振ループの途中に設けられ、選択的に挿入される発振振幅調整用抵抗を複数個備えた抵抗回路と、を備え、
前記抵抗回路は、抵抗接続制御信号に基づいて前記発振振幅調整用抵抗の接続/非接続を行う、半導体スイッチによって構成されたスイッチを備え、
さらに、抵抗接続制御データを記憶する抵抗情報メモリと、外部から印加される調整用抵抗制御信号に基づいて、前記抵抗情報メモリに予め前記抵抗接続制御データを記憶させると共に、前記調整用抵抗制御信号或いは前記抵抗接続制御データに基づいて前記スイッチを制御する抵抗接続制御信号を出力する制御回路と、を備えたことを特徴とする電圧制御発振器。 - 圧電振動子、該圧電振動子の入力側に直列に接続された可変容量ダイオード、及び該可変容量ダイオードに接続された発振回路、を具備した電圧制御発振器に用いられる、電圧制御発振器用ICチップにおいて、当該ICチップには、前記圧電振動子、可変容量ダイオードおよび発振回路によって構成される発振ループの途中に設けられ、選択的に挿入される発振振幅調整用抵抗を複数個備えた抵抗回路を備え、
前記発振振幅調整用抵抗の抵抗値を、前記発振ループに発生する発振振幅が前記可変容量ダイオードの順方向電圧よりも低くなるような値にすることにより、周波数可変特性の直線性を良好にすることを特徴とする電圧制御発振器用ICチップ。 - 圧電振動子、該圧電振動子の入力側に直列に接続された可変容量ダイオード、及び該可変容量ダイオードに接続された発振回路、を具備した電圧制御発振器に用いられる、電圧制御発振器用ICチップにおいて、当該ICチップには、前記圧電振動子、可変容量ダイオードおよび発振回路によって構成される発振ループのうち、前記圧電振動子の後段に設けられ、選択的に挿入されて発振後の振幅を調整する発振振幅調整用抵抗を複数個備えた抵抗回路を備え、
前記発振振幅調整用抵抗の抵抗値を、前記発振ループに発生する発振振幅が前記可変容量ダイオードの順方向電圧よりも低くなるような値にすることにより、周波数可変特性の直線性を良好にすることを特徴とする電圧制御発振器用ICチップ。 - 請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器に対し、所望の発振振幅調整用抵抗を選択する抵抗調整装置において、発振振幅調整用抵抗を順次選択した上で、制御電圧端子に所定の制御電圧を漸次印加した状態で発振信号の周波数を検出する周波数検出手段と、検出された発振振幅調整用抵抗毎の周波数に基づいて、所望の発振振幅調整用抵抗を確定する発振振幅調整用抵抗確定手段と、を備えたことを特徴とする抵抗調整装置。
- 請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器に対し、所望の発振振幅調整用抵抗を選択する抵抗調整装置において、発振振幅調整用抵抗を順次選択した上で、制御電圧端子に所定の制御電圧を漸次印加した状態で発振信号の周波数を検出する周波数検出手段と、検出された発振振幅調整用抵抗毎の周波数に基づいて、発振振幅調整用抵抗毎の周波数可変特性を生成する周波数可変特性生成手段と、生成された発振振幅調整用抵抗毎の周波数可変特性に基づいて、所望の発振振幅調整用抵抗を確定する発振振幅調整用抵抗確定手段と、を備えたことを特徴とする抵抗調整装置。
- 請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器に対し、所望の発振振幅調整用抵抗を選択する抵抗調整方法において、発振振幅調整用抵抗を順次選択した上で、制御電圧端子に所定の制御電圧を漸次印加した状態で発振信号の周波数を検出する周波数検出工程と、検出された発振振幅調整用抵抗毎の周波数に基づいて、所望の発振振幅調整用抵抗を確定する発振振幅調整用抵抗確定工程と、を備えたことを特徴とする抵抗調整方法。
- 請求項1または2のいずれかに記載の電圧制御発振器に対し、所望の発振振幅調整用抵抗を選択する抵抗調整方法において、発振振幅調整用抵抗を順次選択した上で、制御電圧端子に所定の制御電圧を漸次印加した状態で発振信号の周波数を検出する周波数検出工程と、検出された発振振幅調整用抵抗毎の周波数に基づいて、発振振幅調整用抵抗毎の周波数可変特性を生成する周波数可変特性生成工程と、生成された発振振幅調整用抵抗毎の周波数可変特性に基づいて、所望の発振振幅調整用抵抗を確定する発振振幅調整用抵抗確定工程と、を備えたことを特徴とする抵抗調整方法。
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