JP4788269B2 - 圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電発振器に関し、特に非動作状態から発振動作状態となるまでの起動時間を短縮した圧電発振器に関する。

携帯電話はバッテリーの消費を抑えて長時間の連続使用ができるように基準発信源として使用する水晶発振器を間欠動作させて低消費電力化を図っている。
このように間欠動作する水晶発振器にあっては駆動開始から所望の出力信号を発振するまでに要する起動時間が短時間であることが望まれており、ＷＯ０２／００７３０２号公報に示すような構成のものがある。
図１１は、先行文献に開示された水晶発振器の回路図を示すものである。
同図に示す水晶発振器１００は、コルピッツ型の水晶発振回路１０１と、高速起動用回路１０２とを備えたものである。
水晶発振回路１０１は、発振用トランジスタ１０３のベースに、一端が容量１０４を介して接地と接続した水晶振動子１０５の他方端を接続し、ベースと接地との間に容量１０６と容量１０７とから成る直列回路を挿入接続し、この直列回路の接続中点とトランジスタ１０３のエミッタとを接続すると供に、エミッタと接地との間にエミッタ抵抗１０８を接続した構成を有する。
そして更に、ベース接地増幅回路を構成するためのトランジスタ１０９とトランジスタ１０３とをカスコード接続し、トランジスタ１０９のベースと接地との間に容量１１０を挿入接続し、トランジスタ１０９のコレクタと電源電圧Ｖｃｃラインとの間にコレクタ抵抗１１１を挿入接続し、トランジスタ１０９のベースと電源電圧Ｖｃｃラインとの間に定電流回路１１２を挿入接続し、抵抗１１３と抵抗１１４とからなる回路網によってトランジスタ１０３とトランジスタ１０９にベースバイアスを適宜印加する構成を備えたものである。
高速起動用回路１０２は、ＰＮＰ型トランジスタ１１５のエミッタと電源電圧Ｖｃｃラインとを抵抗１１６を介して接続し、トランジスタ１１５のベースと電源電圧Ｖｃｃラインとを容量１１７を介して接続し、トランジスタ１１５のベースと接地とを容量１１８を介して接続し、トランジスタ１１５のコレクタと水晶振動子１０５の他方端とを抵抗１１９と抵抗１２０とから成る直列回路を介して接続した構成を有する。
そして、抵抗１１９と抵抗１２０とから成る直列回路の接続中点にトランジスタ１２１のベースを接続し、トランジスタ１２１のコレクタを抵抗１２２を介して電源電圧Ｖｃｃラインに接続しトランジスタ１１５とトランジスタ１２１とをダーリントン接続すると供に、トランジスタ１２１のエミッタを水晶振動子１０５の他方端に接続したものである。
このような構成の水晶発振器は、電源電圧Ｖｃｃの印加後に生じる容量１１７への電荷のチャージによってトランジスタ１１５がＯＮ動作することにより、トランジスタ１２１がＯＮ動作して水晶振動子１０５の他方端へ電源電圧Ｖｃｃを起動促進用電圧として印加するよう動作するものである。
そして、水晶発振器１００は、電源電圧Ｖｃｃを印加した直後から水晶振動子１０５が起動促進用電圧の印加を受けて強励振するので、出力信号のレベルが所望のレベルに達するまでの時間が短時間なものとなる。
この場合、水晶発振器１００が効率良く高速起動する為には水晶振動子１０５を強励振させるだけ十分に高い電位であって、急峻な立ち上がり特性を有する起動促進用電圧を水晶振動子１０５へ印加さえすれば良いと考えられていた。
その為、トランジスタ１１５がＯＮ動作するタイミングを電源電圧Ｖｃｃがピーク値に達するまでに要する時間のみを規定し、当該所定の時間が得られるよう容量１１７と容量１１８との容量比を調整した構成とすれば良いと考えられていた。

しかしながら、起動促進用電圧を水晶振動子に印加するタイミングを電源電圧Ｖｃｃがピーク電圧に達した時となるよう設定した従来の水晶発振器は、水晶振動子１０５の周波数の違いによっては十分に高速起動しない場合があった。
ＷＯ０２／０７３０２号公報

解決しようとする課題は、非動作状態から発振動作状態となるまでの起動時間を短縮した圧電発振器を提供することである。

本願発明は、圧電振動子を有する圧電発振回路と、該圧電発振回路の発振ループ回路と電源電圧ラインとを接続する為のスイッチ回路と、該スイッチ回路のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する為のＯＮ/ＯＦＦ動作制御回路とを備え、前記スイッチ回路がＯＮ動作するに伴い、前記スイッチ回路を介して前記圧電振動子または前記発振ループ回路に電源電圧に基づく起動促進用電圧を印加するものであり、前記起動促進用電圧を印加する時が前記圧電振動子の励振信号の振幅レベルが極大値の時を基準にして該励振信号が±０.１λの範囲内の時であることを特徴とする。
更に本願発明は、上記特徴に加えて前記起動促進用電圧を印加する時が前記圧電振動子の励振信号の振幅レベルが極大値の時であることを特徴とする。
また本願発明は、圧電振動子を有する圧電発振回路と、該圧電発振回路の発振ループ回路と電源電圧ラインとを接続する為のスイッチ回路と、該スイッチ回路のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する為のＯＮ/ＯＦＦ動作制御回路とを備え、前記スイッチ回路がＯＮ動作するに伴い、前記スイッチ回路を介して前記圧電振動子または前記発振ループ回路に電源電圧に基づく起動促進用電圧を印加するものであり、前記起動促進用電圧を印加する時が前記電源電圧印加した時を起点にして前記圧電振動子の励振信号が（２×λ）／５〜（３×λ）／５の範囲に達した時であることを特徴とする。
本願発明は圧電振動子を有する圧電発振回路と、該圧電発振回路の発振ループ回路と電源電圧ラインとを接続する為のスイッチ回路と、該スイッチ回路のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する為のＯＮ/ＯＦＦ動作制御回路とを備え、前記スイッチ回路がＯＮ動作するに伴い、前記スイッチ回路を介して前記圧電振動子または前記発振ループ回路に電源電圧に基づく起動促進用電圧を印加するものであり、前記起動促進用電圧を印加する時が前記電源電圧印加した時を起点に前記圧電振動子の励振信号がλ／２に達した時であることを特徴とする。
上記特徴に加えて、本願発明は前記スイッチ回路が、トランジスタを有し、前記ＯＮ/ＯＦＦ動作制御回路が前記トランジスタのベースと前記電源電圧ラインとの間に接続された容量であり、前記スイッチ回路は、前記容量のチャージ電流によって前記トランジスタにベース電流が供給されＯＮ動作するものであり、前記ＯＮ動作するタイミングを前記容量の時定数によって設定したものであることを特徴とする。

本発明の圧電発振器は、高速起動用回路から圧電振動子又は発振ループ回路に供給する起動促進用電圧の印加タイミングを圧電振動子の励振信号の振幅レベルを基準にしたので、あらゆる圧電発振器に対して起動時間の短縮化を実現できるという利点がある。

図１は、本発明に基づく圧電発振器を説明する為の回路図である。
同図に示す圧電発振器１は、例えばコルピッツ型の水晶発振回路２と、高速起動用回路３とを備えたものである。
水晶発振回路２は、発振用トランジスタ４のベースに、一端が容量５を介して接地と接続した水晶振動子６の他方端を接続し、ベースと接地との間に容量７と容量８とから成る直列回路を挿入接続し、この直列回路の接続中点とトランジスタ４のエミッタとを接続すると供に、エミッタと接地との間にエミッタ抵抗９を接続した構成を有する。
そして更に、ベース接地増幅回路を構成するためのトランジスタ１０とトランジスタ４とをカスコード接続し、トランジスタ１０のベースと接地との間に容量１１を挿入接続し、トランジスタ１０のコレクタと電源電圧Ｖｃｃとの間に抵抗１２を挿入接続し、トランジスタ１０のベースと電源電圧Ｖｃｃラインとの間に定電流回路１３を挿入接続し、抵抗１４と抵抗１５とから成る回路網によってトランジスタ４とトランジスタ１０とにベースバイアスを適宜印加する構成を備えたものである。
高速起動用回路３は、所謂スイッチ回路であり、トランジスタ１６のコレクタと電源電圧Ｖｃｃラインとの間に抵抗１７を挿入接続し、トランジスタ１６のベースと電源電圧Ｖｃｃラインとの間に容量１８を挿入接続すると供に、トランジスタ１６のベースと接地との間にダイオード１９を逆方向接続するよう挿入した構成を備えたものである。
そして、このような構成の圧電発振器１は、電源電圧Ｖｃｃを印加すると、スイッチ回路のＯＮ／ＯＦＦ動作制御回路（ＯＮ／ＯＦＦ動作制御素子）として機能する容量１８に電荷がチャージし始め、これに伴いトランジスタ１６にベース電流が供給されるので、トランジスタ１６から成るスイッチ回路がＯＮ動作して電源電圧Ｖｃｃラインと水晶振動子６の他方端とが電気的に接続するよう機能するものである。
そして、図１に示す圧電発振器１の場合では、所望の時定数を有する容量Ｃ１８を選択することにより、トランジスタ１６がＯＮするタイミングを電源電圧Ｖｃｃを印加した時点から所定の時間だけ遅延させことが可能である。
そして、本発明の特徴は、水晶振動子６又は発振ループ回路への起動促進用電圧の印加タイミングを水晶振動子６の励振信号の振幅レベルがほぼピーク値となった時としたことである。
即ち、圧電発振器１に於ける水晶振動子６の励振信号の１周期をλとして表したとき、水晶振動子６の励振信号の振幅が極大値となる時から前後０．１λの範囲内、更に望ましくは振幅が極大値となった時、又は他の表現としては、電源電圧Ｖｃｃを印加した時では水晶振動子６の励振信号のレベルは一般的に極小値であるから電源電圧Ｖｃｃを印加した時点から周期が（２×λ×（２×ｎ−1））／５）〜（３×λ×（２×ｎ−１））／５の範囲内の時、更に望ましくは周期が（λ×（２×ｎ−１））／２の時にトランジスタ１６がＯＮ動作するに伴い電源電圧Ｖｃｃを起動促進用電圧として水晶振動子６又は発振ループ回路に印加するものであり、これにより水晶振動子６の励振動作をスムーズに促進させることが可能である（ｎは正の整数）。
そして、圧電発振器１が最も早期に且つスムーズに高速起動できる為に、圧電発振器１は、電源電圧Ｖｃｃを印加した時点から周期が（２×λ）／５〜（３×λ）／５の範囲内の時、更に望ましくはλ／２の時に起動促進用電圧を水晶振動子６又は発振ループ回路に印加するよう高速起動用回路３が機能するものである所が特徴である。
この時間の設定については所望の時定数を有する容量Ｃ１８を選択することにより実現できるものである。
以下に、本発明に基づく圧電発振器１の起動特性が高速化するものであることをシミュレーション結果に基づいて説明する。
図２〜図５は、水晶振動子６への起動促進用電圧の印加タイミングと圧電発振器１の起動特性との関係を示したものであり、図２は、水晶振動子６の励振信号が電源電圧Ｖｃｃ印加時点を基準に２λに達した時に、図３は、水晶振動子６の励振信号が電源電圧Ｖｃｃ印加時点を基準に１λに達した時に、図４は、水晶振動子６の励振信号が電源電圧Ｖｃｃ印加時点を基準に１．５λに達した時に、図５は、水晶振動子６の励振信号が電源電圧Ｖｃｃ印加時点を基準に０．５λに達した時にそれぞれ高速起動用回路３が水晶振動子６に起動促進用電圧を印加した場合の起動特性をシミュレーションした結果である。
尚、起動促進用電圧とは、電源電圧Ｖｃｃが印加と供に増加し、ピーク電圧値に達した時点の電圧のことである。
水晶振動子６の励振信号は、電源電圧Ｖｃｃを印加した時点では極小値の振幅レベルからスタートするので電源電圧Ｖｃｃを印加した時点を基準に水晶振動子６の励振信号が２λに達した時の振幅レベルは極小値である。
この時に起動促進用電圧Ｐを水晶振動子６に印加すると図２に示すように起動促進用電圧Ｐの印加直後から水晶振動子６は励振動作が停止状態若しくは十分な励振動作が起きない状態となることが理解できる。
更に、水晶振動子６の励振信号がλに達した時にも水晶振動子６の振幅レベルが極小値であり、この時に起動促進用電圧Ｐを水晶振動子６に印加すると図３に示すように起動促進用電圧Ｐの印加直後から水晶振動子６は励振動作が停止状態若しくは十分な励振動作が起きない状態となることが理解できる。
一方、水晶振動子６の励振信号が１．５λに達した時《（λ×（２×ｎ−１））／２、ｎ＝２の時》には水晶振動子６の励振レベルが極大値であり、この時に起動促進用電圧Ｐを水晶振動子６に印加すると図４に示すように起動促進用電圧Ｐを印加後でも水晶振動子６は励振動作を持続すると供にその振幅レベルが高い状態となることが理解できる。
更に、水晶振動子６の励振信号が０．５λに達した時《（λ×（２×ｎ−１））／２、ｎ＝１の時》にも水晶振動子６の励振レベルが極大値であり、この時に起動促進用電圧Ｐを水晶振動子６に印加すると図５に示すように図４にて示した場合と比較しても水晶振動子６は強励振した状態となる。
そして、水晶振動子６の励振信号が極大値となる条件は、０．５λより早い時期には存在しないので、この０．５λの時（第１次ピーク振幅レベルの時）に起動促進用電圧を印加したときが最も圧電発振器１を高速起動させることができる。
尚、回路の設定条件の誤差によっては必ずしも起動促進用電圧を０．５λの時点で印加することができない場合があるが、起動促進用電圧を理想の０．５λの時点で印加したときの水晶振動子６の振幅レベルを基準にした場合、これよりレベルの減衰が約３０％以内までの起動特性であれば圧電発振器１の起動特性としては著しく悪いものではない。
そこで、上述した３０％減衰した励振レベルである起動特性が得られるような起動促進用電圧の印加タイミングについてシミュレーションした結果を図６に示す。
同図に示すように起動促進用電圧Ｐを水晶振動子６の励振信号が０．５λとなった時点で印加した場合の励振信号の振幅レベルに対して、３０％減衰した振幅レベルを得るには、約０．６λの時点で水晶振動子または発振ループ回路に起動促進用電圧を印加すれば良いことが分った。
尚、約０．４λの時点に於いても０．６λと振幅レベルが等しいので同等の起動特性が得られる。
従って、水晶振動子６の励振信号の極大値に起動促進用電圧を印加した場合と比較して殆ど遜色ない起動特性が得られる条件は、水晶振動子６の励振信号の極大値に対して±０．１λ、即ち、（２×λ×（２×ｎ−1））／５）〜（３×λ×（２×ｎ−１））／５の範囲内の時（但し、ｎ＝正の整数）であり、更に、最も優れた起動特性が得られるタイミング０．５λと比較して殆ど遜色ない起動特性が得られる条件は（２×λ）／５〜（３×λ）／５の範囲内である。
以上、説明した通り、本発明の特徴は、電源電圧Ｖｃｃのピークである起動促進用電圧を印加するタイミングを水晶振動子６の励振信号が振幅レベルの極大値に達した時にした所にあるから、圧電発振器を構成する際には、起動促進用電圧の立ち上がり時間や、スイッチ回路のＯＮ動作時間などを厳密に設定する必要があり、これを実現する為には、回路調整が高精度に行える圧電発振器であることが望ましい。
そこで、以下に回路調整を高精度に行える圧電発振器についてその構成等を説明する。
尚、水晶発振回路２の構成については図１に示すものと同じなので説明を省略する。
図７に示す圧電発振器１は、高速起動用回路３が、トランジスタ１６のコレクタと電源Ｖｃｃラインとの間に抵抗１７を挿入接続し、トランジスタ１６のベースにトランジスタ２０のベースを接続し、トランジスタ２０のコレクタと電源電圧Ｖｃｃラインとの間に抵抗２１を挿入接続し、更にトランジスタ２０のベース・エミッタ間に抵抗２２を挿入接続し、トランジスタ２０のベースとトランジスタ２３のエミッタとを抵抗２４を介して接続し、トランジスタ２３のベースを容量１８とダイオード１９の接続中点に接続した構成を有したものである。
このような構成の圧電発振器１の場合、起動促進用電圧を印加するタイミングの設定を調整するには、容量１８と抵抗２４の時定数を所望の値に設定すればよく、容量１８のみで調整する場合と比較して調整部が２箇所であることから高い調整精度が得られるものである。
図８に示す圧電発振器１は、高速起動用回路３が、ＰＮＰ型のトランジスタ１６を備え、トランジスタ１６のベースにトランジスタ２５のコレクタを接続すると供に、トランジスタ１６のベースと電源電圧Ｖｃｃラインとの間に抵抗２６を挿入接続し、トランジスタ２５のエミッタと接地との間に抵抗２７を挿入接続し、トランジスタ２５のベースと電源電圧Ｖｃｃラインとの間に容量１８を挿入接続し、トランジスタ２５のベースと接地との間にダイオード１９を逆方向に接続した構成を有したものである。
このような構成の圧電発振器１の場合、起動促進用電圧を印加するタイミングの設定を調整するには、容量１８と抵抗２６と抵抗２７の時定数を所望の値に設定すればよく、容量１８のみで調整する場合等と比較して調整部が３箇所であることから高い調整精度が得られるものである。
図９に示す圧電発振器１は、高速起動用回路３が、トランジスタ２８のエミッタと水晶振動子６の他方端とを抵抗２９と抵抗３０とから成る直列回路を介して接続し、当該直列回路の接続中点にトランジスタ１６のベースを接続すると供にトランジスタ１６のコレクタを抵抗１７を介して電源電圧Ｖｃｃラインに接続し、トランジスタ１６のエミッタを水晶振動子６の他方端に接続し、トランジスタ１８のベースと電源電圧Ｖｃｃラインとの間に容量１８を挿入接続すると供に、トランジスタ１８のベースと接地との間にダイオード１９を逆方向接続した構成を有したものである。
このような構成の圧電発振器１であっても、起動促進用電圧を印加するタイミングの設定を調整は容量１８と抵抗１７及び抵抗２９の時定数を所望の値に設定することで可能であり、容量１８のみで調整する場合等と比較して調整部が３箇所であることから高い調整制度が得られるものである。
更に、図１０に示すように水晶発振回路２と高速起動用回路３とを別電源とした構成である。
このような構成の場合、高速起動用回路３の電源Ｖｃｃ’そのものの投入タイミングを水晶発振回路２の電源電圧Ｖｃｃの投入タイミングよりも遅延さることができるので、起動促進用電圧を印加するタイミングを設定する場合は、容量１８と抵抗１７及び抵抗２９の時定数の調整に加え電源電圧Ｖｃｃ’の投入タイミングを調整・設定すればよいので、より高い調整精度を求めることができる。

本発明に基づく圧電発振器の一実施例を示す回路図である。 起動促進用電圧の印加タイミングと圧電発振器の起動特性の関係 起動促進用電圧の印加タイミングと圧電発振器の起動特性の関係 起動促進用電圧の印加タイミングと圧電発振器の起動特性の関係 起動促進用電圧の印加タイミングと圧電発振器の起動特性の関係 起動促進用電圧の印加タイミングのシミュレーション結果 本発明に基づく圧電発振器の他の実施例を示す回路図である。 本発明に基づく圧電発振器の他の実施例を示す回路図である。 本発明に基づく圧電発振器の他の実施例を示す回路図である。 本発明に基づく圧電発振器の他の実施例を示す回路図である。 従来の圧電発振器を説明する為の回路図である。

符号の説明

１圧電発振器、２水晶発振回路、３高速起動用回路、４トランジスタ、５容量、６水晶振動子、７容量、８容量、９抵抗、１０トランジスタ、１１容量、１２抵抗、１３定電流回路、１４抵抗、１５抵抗、１６トランジスタ、１７抵抗、１８容量、１９ダイオード、２０トランジスタ、２１抵抗、２２抵抗、２３トランジスタ、２４抵抗、２５トランジスタ、２６抵抗、２７抵抗、２８トランジスタ、２９抵抗、３０抵抗

Claims (5)

1. 圧電振動子を有する圧電発振回路と、該圧電発振回路の発振ループ回路と電源電圧ラインとを接続する為のスイッチ回路と、該スイッチ回路のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する為のＯＮ/ＯＦＦ動作制御回路とを備え、前記スイッチ回路がＯＮ動作するに伴い、前記スイッチ回路を介して前記圧電振動子または前記発振ループ回路に電源電圧に基づく起動促進用電圧を印加するものであり、前記起動促進用電圧を印加する時が前記圧電振動子の励振信号の振幅レベルが極大値の時を基準にして該励振信号が±０.１λの範囲内の時であることを特徴とする圧電発振器。
2. 前記起動促進用電圧を印加する時が前記圧電振動子の励振信号の振幅レベルが極大値の時であることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
3. 圧電振動子を有する圧電発振回路と、該圧電発振回路の発振ループ回路と電源電圧ラインとを接続する為のスイッチ回路と、該スイッチ回路のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する為のＯＮ/ＯＦＦ動作制御回路とを備え、前記スイッチ回路がＯＮ動作するに伴い、前記スイッチ回路を介して前記圧電振動子または前記発振ループ回路に電源電圧に基づく起動促進用電圧を印加するものであり、前記起動促進用電圧を印加する時が前記電源電圧印加した時を起点にして前記圧電振動子の励振信号が（２×λ）／５〜（３×λ）／５の範囲に達した時であることを特徴とする圧電発振器。
4. 圧電振動子を有する圧電発振回路と、該圧電発振回路の発振ループ回路と電源電圧ラインとを接続する為のスイッチ回路と、該スイッチ回路のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する為のＯＮ/ＯＦＦ動作制御回路とを備え、前記スイッチ回路がＯＮ動作するに伴い、前記スイッチ回路を介して前記圧電振動子または前記発振ループ回路に電源電圧に基づく起動促進用電圧を印加するものであり、前記起動促進用電圧を印加する時が前記電源電圧印加した時を起点に前記圧電振動子の励振信号がλ／２に達した時であることを特徴とする圧電発振器。
5. 前記スイッチ回路が、トランジスタを有し、前記ＯＮ/ＯＦＦ動作制御回路が前記トランジスタのベースと前記電源電圧ラインとの間に接続された容量であり、前記スイッチ回路は、前記容量のチャージ電流によって前記トランジスタにベース電流が供給されＯＮ動作するものであり、前記ＯＮ動作するタイミングを前記容量の時定数によって設定したものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の圧電発振器。

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