JP4165127B2 - 発振回路とこれを用いた電子機器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発振回路及びこれを用いた電子機器に関し、更に詳しくは、発振回路を構成する共振回路にNTC(Negative Temperature Coefficient)サーミスタを並列に接続し、高温域の温度特性を改善した発振回路及びこれを用いた電子機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話などの通信機器では、発振回路からのクロック信号に基づいて通信データの送受信が行われる。そして、通信ネットワークのブロードバンド化が進み、市場の要求も400MHzを超える高周波帯に移り、この高周波帯において高速でデータの送受信が行われるようになっている。近年の通信機器を始めとする電子機器においては、通信速度の高速化の要請から高周波発振回路に対して、▲1▼高周波帯域で安定して発振すること(周波数安定度が高いこと)、▲2▼通信機器の実用温度範囲において安定して発振すること(温度補償されていること)、▲3▼発振回路から出力されるクロック信号のジッタを低減することが望まれている。
【0003】
高周波で発振するデバイスとして、SAW(Surface Acoustic Wave)共振子が注目されている。SAW共振子は、弾性体の表面付近にエネルギーが集中して伝播する性質を利用した共振子である。そして、圧電基板上に、すだれ状の励振電極を配置し、この励振電極で励振された表面波を反射させて定在波を発生させ、共振子として機能させるものである。SAW共振子の共振周波数は数100MHz〜数GHzであり、高周波発振回路に用いられる。
【0004】
近年、要請されている高周波用発振回路として、従来、図10に示すようなSAW共振子Xを用いたコルピッツ型の電圧制御型SAW発振回路(Voltage Controlled SAW Oscillator:VCSO)1Cが使用されている。この電圧制御型SAW発振回路(VCSO)1Cは、トランジスタTrと、バリキャップダイオードCvとSAW共振子Xと伸長コイルLvとをそれぞれ直列に接続した直列回路と、3個のバイアス抵抗R1〜R3と、トランジスタTrのベースと接地間に接続したコンデンサC1,C2とから構成される。
【0005】
電圧制御型SAW発振回路(VCSO)1Cにおいて、通常、バリキャップダイオードCvが有するリアクタンスを可変させて発振ループの位相を可変し、所望の発振周波数が得られる。即ち、バリキャップダイオードCvに外部から制御電圧Vcを印加しこの制御電圧Vcを可変することにより、リアクタンスを変化させて種々の所望する発振周波数が得られる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来の発振回路は、以上のように構成され、▲1▼バリキャップダイオードCvの温度特性、特に、低い制御電圧(容量値大)において変動が大きいこと、▲2▼能動素子の温度−位相特性、▲3▼コイル,キャパシタ等受動部品の温度特性の影響により、図11及び図12に示すように発振周波数Fが大きく変動してしまうという課題があった。
【0007】
この課題について、さらに詳細に説明する。
【0008】
図11に示す発振周波数Fの温度特性において、特に、制御電圧Vcが0.1Vという低電圧の場合の高温域で、発振周波数Fに大きな変動が顕著に現れている。又、図12の制御電圧Vc−発振周波数Fの特性が示すように、特に、85℃という高温下の特性曲線において、制御電圧Vcが低電圧になるほど発振周波数Fに大きな変動が現れている。図11及び図12に示した高温域での発振周波数Fの変動が他の温度域より大きく変動するため、所定の温度範囲における制御電圧Vcの制御が複雑になるという課題があった。
【0009】
図13は、電圧制御型SAW発振回路(VCSO)1Cにおける、発振周波数の変化に対する周波数の可変感度を表わす図である。図13に示すように、SAW共振子Xの直列共振周波数Fr付近を境にして、発振周波数Fが高い領域、即ち、制御電圧Vcが大きいときは周波数変化の感度は小さい。一方、発振周波数Fが低い領域、即ち制御電圧Vcが小さいときは周波数変化の感度は増大するという特性を有する。
【0010】
即ち、図13に示す電圧制御型SAW発振回路(VCSO)1Cの周波数可変範囲内において周波数可変感度が異なるために、図12に示すように制御電圧Vc−発振周波数Fの特性が高温になるほど、低電圧の制御電圧Vcで発振周波数Fが大きく変動しまうことになる。特に、図10に示す伸長コイルLvを使用して制御電圧Vcの可変範囲を拡大した場合に、例えば、制御電圧Vcが最小となる場合及び最大となる場合のそれぞれの発振周波数間における周波数可変感度の差が大きくなり、上記した問題(課題)が顕著となる。
【0011】
又、光ネットワーク通信機器において、電圧制御型SAW発振回路(VCSO)1Cは、外部から入力されるクロック信号に対して周波数を同期させるPLL回路の一部を形成し基準クロック源として用いられる。従って、上記したように、電圧制御型SAW発振回路(VCSO)1Cの制御電圧Vc−発振周波数Fの特性において、高温になるほど低電圧の制御電圧Vcで発振周波数Fが大きく変動すると、上記PLL回路を設計する上で、全温度範囲で適切なループ帯域に設計できないという課題があった。
【0012】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、制御電圧Vc−発振周波数Fの特性の周波数変動、特に高温域の低電圧の制御電圧Vcにおける周波数変動を改善した発振回路を得ることにある。そして、電圧制御型でSAW共振子を使用した発振回路を用いたPLL回路において、全温度域で適切なループ帯域の設計が容易にできる発振回路を得ることにある。
【0013】
又、本発明の目的は、高温域における低電圧の制御電圧Vcによる周波数変動を改善した発振回路を用いた電子機器、例えば、光ネットワーク通信機器を得ることにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発振回路は、所定の周波数で共振するSAW共振子と外部からの制御電圧に基づいて前記所定の周波数を制御する可変容量素子との直列回路と、容量素子とインダクタンス素子から成る並列共振回路と、前記直列回路および前記並列共振回路が接続されたトランジスタと、を備えたコルピッツ型の発振回路であって、前記並列共振回路は電源と前記トランジスタのコレクタとの間に接続され、前記並列共振回路と並列に負の温度特性を有するNTCサーミスタを接続することを特徴とする。
請求項2に記載の発振回路は、所定の周波数で共振するSAW共振子と外部からの制御電圧に基づいて前記所定の周波数を制御する可変容量素子との直列回路と、容量素子とインダクタンス素子から成る並列共振回路と、前記直列回路および前記並列共振回路が接続されたトランジスタと、接地と前記トランジスタのエミッタとの間に接続された抵抗と、を備えたコルピッツ型の発振回路であって、前記並列共振回路は前記抵抗と前記エミッタとの間に接続され、前記並列共振回路と並列に負の温度特性を有するNTCサーミスタを接続することを特徴とする。
【0015】
上記構成によれば、SAW共振子と可変容量素子、例えばバリキャップダイオードとの直列回路並びに容量素子とインダクタンス素子から成る共振回路とをそれぞれトランジスタに接続してコルピッツ型発振回路を構成する。
そして、NTCサーミスタを並列に接続させた共振回路を用いることにより、広い温度範囲での発振回路の制御電圧−発振周波数特性、特に高温域におけるその特性が大幅に改善される。併せて、発振周波数の温度による変化を軽減できるので、周囲の環境温度が高温になったとしても、周波数の安定した発振回路が得られるという効果を有する。
【0018】
請求項3に記載の電子機器は、請求項1乃至請求項2のいずれかに記載の発振回路を備えたことを特徴とする。
【0019】
本発明に係る温度補償された発振回路を使用することにより、周囲温度に影響されない、特に、高温域において、電子機器、例えば、光ネットワークを介して高速で安定したデータの送受信を行う機能を備える光インターフェースモジュールを提供することができるという効果を有する。
【0020】
【発明の実施の形態】
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。
【0021】
(1) 第1の実施形態
(1−1) 第1の実施形態の構成
A.発振回路の構成
図1は、本発明の第1の実施形態による発振回路の構成を示す回路図である。図1に示す発振回路1Aと、図10に示す従来のコルピッツ型の発振回路1Cとの差異は、電源VccとトランジスタTrのコレクタとの間に共振回路2を接続して構成した点にある。尚、コルピッツ型発振回路である点は従来と同じである。そして、外部からの制御電圧Vcにより制御されるバリキャップダイオード(可変容量素子)CvとSAW共振子Xと伸長コイルLvとを直列に接続した回路がトランジスタTrのベースと接続される。又、トランジスタTrのベースとエミッタ間に第1のコンデンサ(容量素子)C1が、エミッタと接地間に第2のコンデンサ(容量素子)C2が接続される。さらに、バイアス抵抗として、電源VccとトランジシタTrのベース間に抵抗R1、ベースと接地間に抵抗R2、そして、エミッタと接地間に抵抗R3が接続される。
【0022】
B.共振回路の構成
上記した共振回路2の例として、この第1の実施形態ではタンク回路を実施例として示す。タンク回路2は、図1に示すように、コンデンサ(容量素子)C0とインダクタンス(インダクタンス素子)L0との並列共振回路から成り、さらに、NTCサーミスタRTを並列に接続した構成を採る。
【0023】
尚、この第1の実施形態に用いられる図1に示した発振回路1Aは、数100MHz以上の高周波領域、例えば、622.08MHzという周波数において使用される。
【0024】
(1−2) 第1の実施形態の原理
次に、図2乃至図7に基づいて、本発明による第1の実施形態の原理について説明する。
【0025】
NTCサーミスタRTは負の温度特性を有し、一般的に、図2に示すように、温度が高くなると抵抗値Rが小さくなるという特性を示すことが知られている。周囲の環境温度が上昇すると、図2に示すようにNTCサーミスタRTの抵抗値Rは指数関数的に減少する。
【0026】
図3は、タンク回路2のNTCサーミスタRTの抵抗値Rを変化させた場合の周波数−位相特性を示す図である。図3の矢印で示すように、周波数−位相特性は、NTCサーミスタRTの抵抗値Rが小さいほど、タンク回路2の共振周波数FA(例えば、前述の622.08MHz)を中心に左回りに回転させたような特性が得られる。即ち、抵抗値Rが小さいほど、周波数−位相特性は平坦な特性が得られ、周波数変化に対して位相量の変化が小さくなる。
【0027】
又、図4は、このタンク回路2の共振周波数FAより高い任意の周波数F1(図3参照)、例えば、625MHzという周波数における温度−位相変化量特性を示す図である。図4の縦軸は、共振周波数FAにおける位相を0として周波数F1の位相との差を、温度を変えたときの位相変化量として表わしたものである。図4に示す破線は、タンク回路2にサーミスタRTが接続されていない場合、又、実線はサーミスタRTを接続した場合の特性を示している。
【0028】
図4の破線が示すように、NTCサーミスタRTが接続されていない場合は、低温域においては位相変化量が小さいのに対し、高温域においては位相変化量が大きくなる。一方、図4の実線が示すように、NTCサーミスタRTを接続した場合は、高温において抵抗値Rが小さくなると位相変化量が小さくなり、低温、高温に関係なく位相変化量はほぼ一定となる、という特性を有する。言い換えると、高温域においてNTCサーミスタRTの抵抗値Rが小さくなることで、位相の変化量が大きくなることを防止することになる。
【0029】
図5は、発振回路1Aの正帰還発振ループにおける発振周波数F−周波数可変感度を示す図である。ここで、周波数可変感度とは、単位制御電圧Vc当たりの発振周波数の周波数偏差で表わしたものである。図5において、破線はNTCサーミスタRTの抵抗値Rが大きい場合を、そして、実線は抵抗値Rが小さいときの周波数可変感度特性を示す。即ち、環境温度が高くなってNTCサーミスタRTの抵抗値Rが小さくなるほど、発振周波数の高い領域においても、その周波数可変感度は向上し、低い領域とほぼ同じ感度を持たせることが出来る事を示している。
【0030】
従って、図6の制御電圧Vc−発振周波数Fの特性が示すように、高温になったとしても、NTCサーミスタRTの抵抗Rが小さくなって、周波数可変感度を維持することができる。これにより、制御電圧Vcに対する発振周波数Fの変化を他の温度域の場合とほぼ同じ特性にすることができる。
【0031】
同様に、図7の発振回路1Aにおける発振周波数Fの温度特性が示すように、広い温度範囲で発振周波数Fの温度による変化をほぼ同じ傾向の特性とすることができる。特に、図11に示した従来の温度特性と比較すると、低い制御電圧Vc(=0.1V)の高温域における温度特性が大幅に改善されていることが判る。
【0032】
(1−3) 第1の実施形態から得られる効果
以上、説明したように、この第1の実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【0033】
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る発振回路1Aによれば、NTCサーミスタRTを並列に接続させたタンク回路2を用いたことにより、広い温度範囲での電圧制御型SAW発振回路の制御電圧Vc−発振周波数Fの特性、特に高温域におけるその特性が大幅に改善される。そして、併せて、発振周波数Fの温度による変化を軽減できるので、周囲の環境温度が高温になったとしても、周波数の安定した発振回路1Aが得られるという効果を有する。
【0034】
尚、この発振回路1Aの正帰還発振ループの位相調整は、タンク回路2を構成するコンデンサC0のキャパシタの電極をレーザートリミング等によって容量値を調整することによって行うことも可能である。
【0035】
(2) 第2の実施形態
上述した本発明に係る実施形態の発振回路1Aを通信機器に適用させてもよい。
【0036】
図8は、通信機器の一例として、本発明に係る発振器を用いた光インターフェースモジュール80の概要構成図である。
【0037】
光インターフェースモジュール80は、光ネットワークを介してデータの送受信を行うために、光信号と電気信号の相互において信号変換を行う。例えば、10.3125Gbitの光信号と、3.125Gbitの電気信号(4系統)との信号変換を行う。電気/光変換部86は、P/S(パラレル/シリアル)変換部84から出力された電気信号を光信号に変換し、光ネットワーク側に出力する。光/電気変換部87は、光ネットワーク側から入力された光信号を電気信号に変換しS/P(シリアル/パラレル)変換部85に出力する。
【0038】
発振回路88、89は、図1に示す本発明に係る温度補償された発振回路1Aであり、周囲温度によらず一定周波数のクロック信号を出力する。そして、このクロック信号は、ビット符号変換部83を介して接続された3.215GbitのS/P変換部81およびP/S変換回路82、10.3125GbitのP/S変換部84およびS/P変換部85の各部で、データの多重化/分離化を行うための基準信号として用いられる。
【0039】
以上の構成のように、本発明に係る温度補償された発振回路を使用したことにより、周囲温度に影響されず、特に、高温域において、光ネットワークを介して高速で安定したデータの送受信を行う機能を備えた光インターフェースモジュールを提供することができる。
【0040】
(3)変形例
本願発明は、上述した実施形態に限らず種々の態様で実施することができる。例えば、以下のような変形実施が可能である。
【0041】
(第1変形例)
第1の実施形態において、タンク回路2は、図1に示すように電源VccとトランジスタTrのコレクタ間に接続した実施例を示したが、図9に示すように、トランジスタTrのエミッタと抵抗R3の間に接続しても良い。
【0042】
(第2変形例)
上述した各実施形態では、圧電振動子としてSAW共振子を用いた発振回路に本発明を適用する場合について述べたが、圧電振動子としてATカット型水晶振動子を用いた発振回路にも適用することができる。
【0043】
(第3変形例)
又、振動子やSAW共振子等の圧電共振子を構成する圧電材料については、水晶の他、ランガサイトや四ほう酸リチウム(Lithium Tetraborate)等の他の圧電材料を使用してもよい。
【0044】
【発明の効果】
上述したように、本発明による発振回路は、NTCサーミスタを並列に接続させたタンク回路を用いたことにより、広い温度範囲での電圧制御型SAW発振回路の制御電圧−発振周波数特性、特に高温域におけるその特性が大幅に改善される。併せて、発振周波数の温度による変化を軽減できるので、周囲の環境温度が高温になったとしても、周波数の安定した発振回路が得られるという効果がある。
【0045】
又、本発明に係る温度補償された発振回路を使用することにより、周囲温度に影響されず、特に、高温域において、例えば、光ネットワークを介して高速で安定したデータの送受信を行う機能を備えた光インターフェースモジュールを提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による第1の実施形態に係る発振回路の構成を示す回路図である。
【図2】 本発明に用いられるNTCサーミスタが有する抵抗値の温度特性を表わす図である。
【図3】 NTCサーミスタを並列に接続したときのタンク回路の周波数−位相特性を示す図である。
【図4】 NTCサーミスタを並列に接続する場合とそうでない場合のタンク回路における位相変化量の温度特性を示す図である。
【図5】 本発明による第1の実施形態に係る電圧制御型SAW発振回路の正帰還発振ループにおける発振周波数−周波数可変感度特性を示す図である。
【図6】 本発明による第1の実施形態に係る電圧制御型SAW発振回路における発振周波数の制御電圧特性を示す図である。
【図7】 本発明による第1の実施形態に係る電圧制御型SAW発振回路において、制御電圧を可変したときの発振周波数の温度特性を示す図である。
【図8】 本発明による発振回路を用いた、10.3125ギガビットの光ネットワーク用光インタフェースモジュールの概略構成を示す図である。
【図9】 本発明による第1の実施形態に係る発振回路の第1の変形例を示す回路図である。
【図10】 従来におけるSAW共振子を使用したコルピッツ型発振回路の回路図である。
【図11】 従来の電圧制御型SAW発振回路において、制御電圧を可変して得られる発振周波数の温度特性を示す図である。
【図12】 従来の電圧制御型SAW発振回路における発振周波数の制御電圧特性を示す図である。
【図13】 従来の電圧制御型SAW発振回路の正帰還発振ループにおける発振周波数−周波数可変感度特性を示す図である。
【符号の説明】
1A,1B,1C・・・発振回路
2・・・共振回路(タンク回路)
RT・・・NTCサーミスタ
C0・・・コンデンサ
L0・・・インダクタンス
Tr・・・トランジスタ
R1,R2,R3,R4・・・バイアス抵抗
Rv・・・抵抗
Cv・・・バリキャップダイオード
X・・・SAW共振子
C1,C2・・・コンデンサ
Lv・・・伸長コイル
80・・・光インタフェースモジュール
81・・・S/P変換部
82・・・P/S変換部
83・・・ビット符号変換部
84・・・P/S変換部
85・・・S/P変換部
86・・・電気/光変換部
87・・・光/電気変換部
88,89・・・発振回路
Claims (3)
- 所定の周波数で共振するSAW共振子と外部からの制御電圧に基づいて前記所定の周波数を制御する可変容量素子との直列回路と、
容量素子とインダクタンス素子から成る並列共振回路と、
前記直列回路および前記並列共振回路が接続されたトランジスタと、
を備えたコルピッツ型の発振回路であって、
前記並列共振回路は電源と前記トランジスタのコレクタとの間に接続され、
前記並列共振回路と並列に負の温度特性を有するNTCサーミスタを接続することを特徴とする発振回路。 - 所定の周波数で共振するSAW共振子と外部からの制御電圧に基づいて前記所定の周波数を制御する可変容量素子との直列回路と、
容量素子とインダクタンス素子から成る並列共振回路と、
前記直列回路および前記並列共振回路が接続されたトランジスタと、
接地と前記トランジスタのエミッタとの間に接続された抵抗と、
を備えたコルピッツ型の発振回路であって、
前記並列共振回路は前記抵抗と前記エミッタとの間に接続され、
前記並列共振回路と並列に負の温度特性を有するNTCサーミスタを接続することを特徴とする発振回路。 - 請求項1又は請求項2のいずれかに記載の発振回路を備えたことを特徴とする電子機器。
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