JP6098348B2

JP6098348B2 - 差動出力型の発振器

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Publication number: JP6098348B2
Application number: JP2013102148A
Authority: JP
Inventors: 正一岸
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-05-14
Also published as: JP2014222834A; US20140340162A1; US9024695B2

Description

本発明は、差動出力型の発振器に関する。

従来、クロック又はデータ等の信号を送信するために差動出力型の発振器が用いられている。

回路の高速化又は低電圧化等に伴って、クロック又はデータ等の信号にノイズが加わることに起因する回路の誤動作が発生しやすくなっている。

そこで、送信されるクロック又はデータ等の信号に対するノイズ耐性を向上させるために、差動型の信号が用いられる。

差動型の信号は、差動出力型の発振器を用いて、極性が異なる同期した２つの信号として生成される。送信された差動型の信号は受信回路で受信され。受信回路は、極性が異なる同期した２つの信号の差に基づいて、差信号を生成する。

図１は、従来の差動出力型の発振器を示す図である。

発振器１１０は、厚み滑りモードで振動する水晶振動子１１１と、インバータ１１２と、出力電極１１４と、入力電極１１５と、差動出力型のバッファ１１８を備える。

出力電極１１４は、インバータ１１２の出力信号を水晶振動子１１１に印加する。入力電極１１５は、水晶振動子１１１が発電した電圧信号を入力してインバータ１１２に出力する。インバータ１１２は、水晶振動子１１１が発電した電圧信号を入力し、入力した電圧信号を反転増幅した信号を出力する。

発振器１１０は、水晶振動子１１１及びインバータ１１２により形成されるループ回路を有する。水晶振動子１１１は、インバータ１１２から反転増幅した信号の帰還を受けることにより、共振振動数で振動して発電する。共振振動数で発電する水晶振動子１１１からの電圧信号を入力するインバータ１１２は、反転増幅した信号を出力電極１１４及びバッファ１１８に出力する。

バッファ１１８は、インバータ１１２の出力信号を入力して増幅し、差動型の信号Ｃ１，Ｃ２を信号線１２１ａ、１２１ｂに出力する。

信号Ｃ１は、信号線１２１ａを伝搬し、マッチング回路１１９で終端されて受信回路１２０で受信される。信号Ｃ２は、信号線１２１ｂを伝搬し、マッチング回路１１９で終端されて受信回路１２０で受信される。

受信回路１２０は、差動型の信号Ｃ１，Ｃ２の差から信号Ｃを生成する。

ここで、信号線１２１ａ、１２１ｂを伝搬している信号Ｃ１、Ｃ２に対して、外部からノイズが加わったとする。信号Ｃ１に対してノイズＮ１が加わり、信号Ｃ２に対してノイズＮ２が加わる。信号Ｃ１及び信号Ｃ２に対して、同じノイズが同時に加わるので、ノイズＮ１及びノイズＮ２は、同期しており、同じ大きさ及び同じ極性を有する。

受信回路１２０では、信号Ｃ１，Ｃ２の差を取る時に、ノイズＮ１とノイズＮ２とが打ち消し合うので、ノイズの影響が除去された信号Ｃが生成される。

上述した説明は、差動型の信号Ｃ１，Ｃ２が信号線１２１ａ、１２１ｂを伝搬している時にノイズを受けた場合の例である。

特開２００７−３７０６１号公報

次に、発振器１１０の内部においてノイズを受けた場合の例を、図面を参照して、以下に説明する。

図２は、従来の差動出力型の発振器がノイズを受けた場合の例を示す図である。

インバータ１１２及び水晶振動子１１１を有するループ回路を流れる信号に外部からノイズが加わったとする。バッファ１１８は、インバータ１１２からノイズを有する出力信号を入力して、差動型の増幅された信号Ｃ１，Ｃ２を出力する。

信号Ｃ１はノイズＮ１有し、信号Ｃ２はノイズＮ２を有する。ノイズＮ１及びノイズＮ２は、同期しており、同じ大きさであるが、反対の極性を有する。

受信回路１２０において信号Ｃ１，Ｃ２の差を取ると、ノイズＮ１とノイズＮ２とは反対の極性を有するのでノイズは除去されない。そのため、生成される信号Ｃには、ノイズＮ１，Ｎ２が増幅されたノイズＮが残る。

そこで、本明細書では、信号のノイズ耐性を向上する差動出力型の発振器を提供することを目的とする。

本明細書に開示する差動出力型の発振器の一形態によれば、厚み滑りモードで振動する圧電体と、第１反転増幅器と、第２反転増幅器と、上記第１反転増幅器の出力信号を上記圧電体に印加する第１出力電極と、上記第２反転増幅器の出力信号を上記圧電体に印加する第２出力電極と、上記圧電体が発電した電圧信号を入力して上記第１反転増幅器に出力する第１入力電極と、上記圧電体の発電した電圧信号を入力して上記第２反転増幅器に出力する第２入力電極と、を備え、上記第１出力電極及び上記第２出力電極は、上記圧電体を逆相に変位させるように、上記圧電体に接続され、上記第１入力電極及び上記第２入力電極は、上記圧電体が発電する逆相の電圧信号を入力するように上記圧電体に接続される。

上述した本明細書に開示する差動出力型の発振器の一形態によれば、信号のノイズ耐性が向上する。

本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。

前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。

従来の差動出力型の発振器を示す図である。従来の差動出力型の発振器がノイズを受けた場合の例を示す図である。本明細書に開示する発振器の第１実施形態を示す図である。本明細書に開示する第１実施形の態発振器がノイズを受けた時の例を示す図である。本明細書に開示する発振器の第２実施形態を示す図である。本明細書に開示する第２実施形態の発振器がノイズを受けた時の例を示す図である。

以下、本明細書で開示する差動出力型の発振器の好ましい第１実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。

図３は、本明細書に開示する差動出力型の発振器の第１実施形態を示す図である。

本実施形態の発振器１０は、差動型の信号Ｃ１，Ｃ２を出力する。信号Ｃ１，Ｃ２は、同期しており、同じ大きさの振幅を有するが、反対の極性を有する。

発振器１０は、厚み滑りモードで振動する圧電体としての水晶振動子１１と、第１インバータ１２と、第２インバータ１３と、第１出力電極１４と、第１入力電極１５と、第２出力電極１６と、第２入力電極１７と、バッファ１８を備える。

水晶振動子１１は、板状にカットされており、逆相に振動する第１面１１ａ及び第２面１１ｂを有する。厚み滑りモードで振動する水晶振動子１１としては、例えば、ＡＴカット又はＢＴカットされた水晶を用いることができる。水晶振動子１１は、誘電体であり、電気的には絶縁体である。

水晶振動子１１は、第１面１１ａと第２面１１ｂに対して、反対の極性の電圧を印加することにより、第１面１１ａ及び第２面１１ｂは、互いに逆の向きに変位するように駆動される。また、第１面１１ａ及び第２面１１ｂが互いに逆の向きに変形させられることにより、第１面１１ａと第２面１１ｂとから、反対の極性の電圧を発電させることができる。

厚み滑りモードで振動する圧電体としては、水晶振動子以外にも、例えば、厚み滑りモードで振動するようにカットされたタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウム等を用いることができる。

第１出力電極１４は、水晶振動子１１の第１面１１ａ上に配置される。第１出力電極１４は、第１インバータ１２の第１出力信号Ｂ１を水晶振動子１１に印加する。第１インバータ１２と第１出力電極１４との間は、信号線によって接続される。

第１入力電極１５は、水晶振動子１１の第２面１１ｂ上に配置される。第１入力電極１５は、水晶振動子１１が発電した第１電圧信号Ａ１を入力して第１インバータ１２に出力する。第１インバータ１２と第１入力電極１５との間は、信号線によって接続される。

第１インバータ１２は、水晶振動子１１が発電した第１電圧信号Ａ１を入力して、入力した第１電圧信号Ａ１を反転増幅した第１出力信号Ｂ１を出力する。第１インバータ１２の第１出力信号Ｂ１は、第１出力電極１４及びバッファ１８の第１入力部に出力される。

水晶振動子１１と、第１インバータ１２と、第１出力電極１４と、第１入力電極１５とによって、信号がループする第１ループ回路Ｒ１が形成される。

第１ループ回路Ｒ１には、共振振動数を設定するために、図示しないキャパシタが配置される。また、第１ループ回路Ｒ１は、抵抗素子を有していても良い。

第２出力電極１６は、水晶振動子１１の第２面１１ｂ上に、第１入力電極１５とは離間して配置される。第２出力電極１６と、第１入力電極１５とは電気的に接続していない。第２出力電極１６は、第２インバータ１３の第２出力信号Ｂ２を水晶振動子１１に印加する。第２インバータ１３と第２出力電極１６との間は、信号線によって接続される。

第２入力電極１７は、水晶振動子１１の第１面１１ａ上に、第１出力電極１４とは離間して配置される。第２入力電極１７と、第１出力電極１４とは電気的に接続していない。第２入力電極１７は、水晶振動子１１が発電した第２電圧信号Ａ２を入力して第２インバータ１３に出力する。第２インバータ１３と第２入力電極１７との間は、信号線によって接続される。

第２インバータ１３は、水晶振動子１１が発電した第２電圧信号Ａ２を入力して、入力した第２電圧信号Ａ２を反転増幅した第２出力信号Ｂ２を出力する。第２インバータ１３の第２出力信号Ｂ２は、第２出力電極１６及びバッファ１８の第２の入力部に出力される。

水晶振動子１１と、第２インバータ１３と、第２出力電極１６と、第２入力電極１７とによって、信号がループする第２ループ回路Ｒ２が形成される。第２ループ回路Ｒ２は、第１ループ回路Ｒ１とは電気的に接続していないが、水晶振動子１１の振動により、音響的に結合している。

第２ループ回路Ｒ２には、共振振動数を設定するために、図示しないキャパシタが配置される。また、第２ループ回路Ｒ２は、抵抗素子を有していても良い。

第１ループ回路Ｒ１の共振振動数と、第２ループ回路Ｒ２の共振振動数とが、同じになるように図示しないキャパシタの静電容量が設定される。

発振器１０では、第１出力電極１４及び第２出力電極１６は、水晶振動子１１を厚み滑りモードで逆相に変位させるように、水晶振動子１１に接続される。また、第１入力電極１５及び第２入力電極１７は、水晶振動子１１が厚み滑りモードで振動して発電する逆相の電圧信号を入力するように水晶振動子１１に接続される。

次に、上述した発振器１０の動作を、以下に説明する。

まず、第１インバータ１２の第１出力信号Ｂ１が第１出力電極１４を介して、水晶振動子１１の第１面１１ａに印加される。水晶振動子１１は、厚み滑りモードで駆動されて、第１面１１ａ及び第２面１１ｂは、逆相で変位する。その結果、圧電効果によって、第１面１１ａと第２面１１ｂとから、反対の極性の電圧が発生する。

第２インバータ１３は、水晶振動子１１が発電した第２電圧信号Ａ２を第２入力電極１７を介して入力し、入力した第２電圧信号Ａ２を反転増幅した第２出力信号Ｂ２を出力する。そして、第２インバータ１３の第２出力信号Ｂ２は、第２出力電極１６を介して、水晶振動子１１の第２面１１ｂに印加されて、水晶振動子１１は厚み滑りモードで駆動されて、第１面１１ａと第２面１１ｂとから、反対の極性の電圧が発生する。

第１インバータ１２は、水晶振動子１１が発電した第１電圧信号Ａ１を第１入力電極１５を介して入力し、入力した第１電圧信号Ａ１を反転増幅した第１出力信号Ｂ１を出力する。

第１電圧信号Ａ１と第２電圧信号Ａ２とは、同期しており、振幅の大きさは同じであるが、極性が異なっている。また、第１出力信号Ｂ１と第２出力信号Ｂ２とは、同期しており、振幅の大きさは同じであるが、極性が異なっている。

このように、第１ループ回路Ｒ１では、第１インバータ１２が、水晶振動子１１が発電する第２電圧信号Ａ２とは逆相の第１電圧信号Ａ１を入力し、第２出力信号Ｂ２とは逆相に水晶振動子１１を変位させるように、第１出力信号Ｂ１を水晶振動子１１に出力する。

また、第２ループ回路Ｒ２では、第２インバータ１３が、水晶振動子１１が発電する第１電圧信号Ａ１とは逆相の第２電圧信号Ａ２を入力し、第１出力信号Ｂ１とは逆相に水晶振動子１１を変位させるように、第２出力信号Ｂ２を水晶振動子１１に出力する。

第１ループ回路Ｒ１及び第２ループ回路Ｒ２は、音響的に結合した形で、同じ共振振動数で逆相に共振し、同期した差動型の信号を生成する。

バッファ１８は、第１インバータ１２及び第２インバータ１３それぞれの出力信号を増幅して、同期した差動型の信号Ｃ１及び信号Ｃ２を出力する。

次に、発振器１０が、ノイズを受けた場合の例を、図４を参照して、以下に説明する。

図４は、本明細書に開示する発振器の第１実施形態がノイズを受けた時の例を示す図である。

第１ループ回路Ｒ１及び第２ループ回路Ｒ２を有する発振器１０を流れる信号に外部からノイズが加わったとする。

第１ループ回路Ｒ１及び第２ループ回路Ｒ２は、電気的に接続していないので、それぞれの回路を流れる信号には、同期した同相のノイズが加えられる。

そのため、バッファ１８から出力される信号Ｃ１及び信号Ｃ２には、同相のノイズが加えられる。信号Ｃ１はノイズＮ１を有し、信号Ｃ２はノイズＮ２を有する。ノイズＮ１及びノイズＮ２は、同期しており、同じ大きさ及び同じ極性を有する。

信号Ｃ１及び信号Ｃ２を受信した受信回路（図示せず）では、信号Ｃ１，Ｃ２の差を取る時に、ノイズＮ１とノイズＮ２とが打ち消し合うので、ノイズの影響が除去された信号が生成される。

また、バッファ１８から出力された信号Ｃ１，Ｃ２が信号線（図示せず）を伝搬している時にノイズを受けた時にも、図１を用いて説明したのと同様にして、ノイズの影響が除去された信号が生成される。

上述した本実施形態の発振器１０によれば、電気的に接続されていない独立した２つの回路を用いて、同期した差動型の信号Ｃ１、Ｃ２が生成されるので、発振器１０がノイズを受けた時でも、信号Ｃ１、Ｃ２には同相のノイズＮ１，Ｎ２が加えられる。従って、受信回路において信号Ｃ１、Ｃ２の差を取る時に、ノイズＮ１とノイズＮ２とが打ち消し合うので、ノイズの影響が除去された信号を生成することができるため、信号のノイズ耐性が向上する。

次に、上述した差動型発振器の第２実施形態を、図５及び図６を参照しながら以下に説明する。第２実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。

図５は、本明細書に開示する発振器の第２実施形態を示す図である。

本実施形態の発振器１０では、水晶振動子２０は、第１水晶振動子２１及び第２水晶振動子２２を有する。

第１水晶振動子２１は、板状にカットされており、厚み滑りモードで逆相に振動する第１面２１ａ及び第２面２１ｂを有する。同様に、第２水晶振動子２２は、板状にカットされており、厚み滑りモードで逆相に振動する第１面２２ａ及び第２面２２ｂを有する。

第１水晶振動子２１及び第２水晶振動子２２は、同じ方位及び同じ厚みを有するようにカットされており、同じ固有振動数を有する。

第１水晶振動子２１の第２面２１ｂと第２水晶振動子２２の第１面２２ａとの間には、第１出力電極１４と第２入力電極１７とが離間して配置される。第１出力電極１４と第２入力電極１７とは、電気的に接続していない。

第１水晶振動子２１及び第２水晶振動子２２は、第１出力電極１４及び第２入力電極１７を介在させて接合される。電極と水晶振動子との接合法としては、例えば、陽極接合法を用いることができる。

第１水晶振動子２１の第１面２１ａ上には、第１入力電極１５が配置される。また、第２水晶振動子２２の第２面２２ｂ上には、第２出力電極１６が配置される。

第１水晶振動子２１と、第１インバータ１２と、第１出力電極１４と、第１入力電極１５とによって、信号がループする第１ループ回路Ｒ１が形成される。

また、第２水晶振動子２２と、第２インバータ１３と、第２出力電極１６と、第２入力電極１７とによって、信号がループする第２ループ回路Ｒ２が形成される。第２ループ回路Ｒ２は、第１ループ回路Ｒ１とは電気的に接続していない。

第１ループ回路Ｒ１及び第２ループ回路Ｒ２には、第１ループ回路Ｒ１の共振振動数と、第２ループ回路Ｒ２の共振振動数とが、同じになるように図示しないキャパシタが配置される。

次に、上述した発振器１０の動作を、以下に説明する。

まず、第１インバータ１２の第１出力信号Ｂ１が第１出力電極１４を介して、第１水晶振動子２１の第２面２１ｂに印加される。第１水晶振動子２１は、厚み滑りモードで駆動されて、第１面２１ａ及び第２面２１ｂは、逆相で変位する。その結果、圧電効果によって、第１面２１ａと第２面２１ｂとから、反対の極性の電圧が発生する。

第２インバータ１３は、第１水晶振動子２１が発電した第２電圧信号Ａ２を第２入力電極１７を介して入力し、入力した第２電圧信号Ａ２を反転増幅した第２出力信号Ｂ２を出力する。そして、第２インバータ１３の第２出力信号Ｂ２は、第２出力電極１６を介して、第２水晶振動子２２の第２面２２ｂに印加されて、第２水晶振動子２２は厚み滑りモードで駆動されて、第１面２２ａと第２面２２ｂとから、反対の極性の電圧が発生する。

また、第１インバータ１２は、第１水晶振動子２１が発電した第１電圧信号Ａ１を第１入力電極１５を介して入力し、入力した第１電圧信号Ａ１を反転増幅した第１出力信号Ｂ１を出力する。

このように、第１ループ回路Ｒ１では、第１インバータ１２が、第１水晶振動子２１が発電する第２電圧信号Ａ２とは逆相の第１電圧信号Ａ１を入力して、第２出力信号Ｂ２とは逆相に第１水晶振動子２１を変位させるように、第１出力信号Ｂ１を第１水晶振動子２１に出力する。

また、第２ループ回路Ｒ２では、第２インバータ１３が、第２水晶振動子２２が発電する第１電圧信号Ａ１とは逆相の第２電圧信号Ａ２を入力して、第１出力信号Ｂ１とは逆相に第２水晶振動子２２を変位させるように、第２出力信号Ｂ２を第２水晶振動子２２に出力する。

このようにして、第１ループ回路Ｒ１及び第２ループ回路Ｒ２は、音響的に結合した形で、同じ共振振動数で逆相に共振して、同期した差動型の信号を生成する。

次に、発振器１０が、ノイズを受けた場合の例を、図６を参照して、以下に説明する。

図６は、本明細書に開示する発振器の第２実施形態がノイズを受けた時の例を示す図である。

また、バッファ１８から出力された信号Ｃ１，Ｃ２が信号線を伝搬している時にノイズを受けた時にも、図１を用いて説明したのと同様にして、ノイズの影響が除去された信号が生成される。

上述した本実施形態の発振器１０によれば、第１実施形態と同様の効果が奏される。

本発明では、上述した実施形態の差動型発振器は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。

例えば、上述した各実施形態では、発振器は、バッファを有していたが、生成した差動型の信号を増幅しないで出力する時には、バッファを有していなくてもよい。

また、上述した各実施形態では、発振器は、反転増幅器としてインバータを有していた。反転増幅器は、圧電体が発電した電圧信号を入力し、入力した電圧信号を反転増幅する回路であれば、前記第１反転増幅器に出力する回路であれば、インバータ以外の回路であっても良い。

ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。

１０発振器
１１水晶振動子（圧電体）
１１ａ第１面
１１ｂ第２面
１２第１インバータ（反転増幅器）
１３第２インバータ（反転増幅器）
１４第１出力電極
１５第１入力電極
１６第２出力電極
１７第２入力電極
１８バッファ
Ｒ１第１ループ回路
Ｒ２第２ループ回路
２０水晶振動子
２１第１水晶振動子（第１圧電体）
２１ａ第１面
２１ｂ第２面
２２第２水晶振動子（第２圧電体）
２２ａ第１面
２２ｂ第２面
１１０発振器
１１１水晶振動子
１１２インバータ
１１４出力電極
１１５入力電極
１１８バッファ
１１９マッチング回路
１２０受信回路
１２１ａ信号線
１２１ｂ信号線

Claims

厚み滑りモードで振動する圧電体と、
第１反転増幅器と、
第２反転増幅器と、
前記第１反転増幅器の出力信号を前記圧電体に印加する第１出力電極と、
前記第２反転増幅器の出力信号を前記圧電体に印加する第２出力電極と、
前記圧電体が発電した電圧信号を入力して前記第１反転増幅器に出力する第１入力電極と、
前記圧電体の発電した電圧信号を入力して前記第２反転増幅器に印加する第２入力電極と、
を備え、
前記第１出力電極及び前記第２出力電極は、前記圧電体を逆相に変位させるように、前記圧電体に接続され、前記第１入力電極及び前記第２入力電極は、前記圧電体が発電する逆相の電圧信号を入力するように前記圧電体に接続されており、
前記圧電体は、第１圧電体及び第２圧電体を有し、
前記第１圧電体は、厚み滑りモードで逆相に振動する第１面及び第２面を有し、
前記第２圧電体は、厚み滑りモードで逆相に振動する第３面及び第４面を有し、
前記第２面と前記第３面との間には、前記第１出力電極と第２入力電極とが離間して配置され、前記第１圧電体及び前記第２圧電体は、前記第１出力電極及び第２入力電極を介在させて接合されており、
前記第１面には、前記第１入力電極が配置され、
前記第４面には、前記第２出力電極が配置される差動出力型の発振器。
前記第１圧電体及び前記第２圧電体は、同じ固有振動数を有する請求項１に記載の差動出力型の発振器。