JP6601710B2

JP6601710B2 - 発振装置

Info

Publication number: JP6601710B2
Application number: JP2015069198A
Authority: JP
Inventors: 大輔坂田
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2019-11-06
Anticipated expiration: 2035-03-30
Also published as: JP2016189564A

Description

本発明は、水晶振動子などの電気機械振動子を用いた発振回路から得られた発振信号を、デジタル回路の基準クロック信号等として使用可能な矩形波信号に変換する発振装置に関する。

デジタル回路の安定動作の観点から、動作の基準となる電気信号（基準クロック信号）を作成するクロック用発振装置には、位相雑音の少ない高品質な基準クロック信号を出力することが望まれる。基準クロック信号を生成するために、ＬＣによる正帰還発振回路であるコルピッツ型発振回路が用いられているが、より位相雑音特性に優れるとして知られるクラップ型発振回路を用いているものもある。

図６は直流バイアス回路を省略したＬＣ回路によるクラップ型発振回路である。図６に示すように、発振回路用増幅器１であるトランジスタのベース−エミッタ間に帰還容量９が接続されると共に、トランジスタのコレクタ−エミッタ間に別の帰還容量１０が接続されている。また、トランジスタのベース−コレクタ間には、共振用のクラップ容量８とインダクタ１４の直列回路が接続されている。この種の発振回路では、トランジスタの帰還電圧は２つの帰還容量９，１０による分圧器から決まるが、図６に示すクラップ型発振回路では、発振周波数はクラップ容量８と帰還容量９，１０とインダクタ１４で決まるため、クラップ容量を可変容量に置き換え、発振周波数の調整が可能な電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）の用途でよく使用されている。また、クラップ容量８とインダクタ１４の位置を入れ替えてもクラップ型発振回路としての動作は変わらない。

図７は電気機械振動子の一つである水晶振動子の等価回路図である。水晶振動子には直列共振周波数ｆ１と並列共振周波数ｆ２という位相がゼロになる２つの周波数がある。ｆ１は等価直列インダクタ１５と等価直列容量１６で決まる共振周波数で、ｆ２は等価直列インダクタ１５と等価直列容量１６と並列容量１８で決まる共振周波数であり、ｆ１＜ｆ＜ｆ２という狭い周波数範囲で安定した発振周波数ｆを得ることができる。この周波数範囲では、水晶振動子はインダクタとして働くため、図６のインダクタ１４を水晶振動子に置き換えると、安定した発振周波数が得られるクラップ型発振回路となる。

従来のデジタル回路用のクロック用発振装置では、図８に示すようにクラップ型発振回路４で構成し、発振回路用増幅器１の入力端子から発振信号を取り出し、後段の負荷によって発振信号が減衰するのを防ぐためのバッファ回路７を経由して、矩形波変換部３に伝送して基準クロック信号用の矩形波を生成している。図８に示すように発振回路用増幅器１の入力端子から発振信号を取り出している発振回路の構成として特許文献１がある。

一方、デジタル回路用の基準クロック信号の重要な特性である位相雑音特性を向上させるための手段としては、発振回路の出力信号振幅（Ｓ）を大きくしてＳ／Ｎ比を改善するという方法が一般的である。また、特許文献２に開示されているように、発振回路のＱを高くする方法や、特許文献３や特許文献４に開示されているように発振用増幅素子と接続されていない側の端子から発振回路の出力信号を取り出す、といった方法がある。

特許２６５１９２０号公報特開２０００−３２３９２８号公報特開２００２−１００９２９号公報特開２００６−１４０７４９号公報

図８に示すように発振回路用増幅器１の入力端子から発振信号を取り出すと、増幅器が非線形に動作しているために取り出した信号には歪が多く含まれることになる。これにより基準クロック信号のＤｕｔｙずれが発生すること、また矩形波変換にともなう非線形動作で発振回路用増幅器１の１／ｆ雑音が発振周波数を対称軸として折り返されて発振信号に重畳されることにより基準クロック信号の位相雑音特性が悪化するという問題点があった。さらに、クラップ型発振回路４と矩形波変換部３の間にバッファ回路７を入れることにより、バッファ回路７の１／ｆ雑音が発振信号に重畳すると共に発振周波数を対称軸として折り返されて重畳されるため、基準クロック信号の位相雑音特性が悪化するという問題点があった。本発明は上記問題点を解消し、矩形波信号を出力する発振装置の位相雑音特性を改善することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、発振回路用増幅器と電気機械振動子から成る発振回路と、前記発振回路の出力信号を矩形波信号に変換して出力する矩形波変換部から構成される発振装置であって、前記発振回路はクラップ型発振回路で構成し、前記クラップ型発振回路は、一方の端子を接地された電気機械振動子と、前記電気機械振動子の他方の端子に直列に接続されたクラップ容量とを含み、前記電気機械振動子の他方の端子から発振信号を取り出して前記矩形波変換部に直接入力すると共に、前記矩形波変換部は１段の増幅器で矩形波変換することを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の発振装置において、クラップ容量は可変容量であることを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の発振装置において、矩形波変換部の増幅器をＣＭＯＳインバータ増幅器で構成したことを特徴とする。
請求項４にかかる発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発振装置において、矩形波変換部の後段に電力増幅部を設けたことを特徴とする。
請求項５にかかる発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のクロック用発振装置において、矩形波変換部で外部よりバイアス電圧を設定するよう構成したことを特徴とする。

本発明によれば、発振回路をクラップ型発振回路４で構成し、クラップ型発振回路４の電気機械振動子２とクラップ容量８との接続点から発振信号を取り出したことで発振信号の振幅が大きく取れると共に、発振回路用増幅器１と直接接続されずに比較的小さな容量で分離されているため、発振回路の出力波形の歪が小さく、発振を維持するための発振回路用増幅器１の雑音の影響、特に低周波域の雑音の影響も受けにくくなる。その結果、基準クロック信号として用いた場合、Ｄｕｔｙのずれや位相雑音特性を改善することができる。

また、クラップ容量８を可変容量とした場合、従来の回路構成では、可変容量の非線形性や内部抵抗による共振回路のＱの低下により位相雑音特性が悪化するが、本発明の構成とすることで、発振周波数の調整を容易に行うことができる電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）の位相雑音特性を改善することができる。

そして、取り出した振幅の大きな発振信号を、バッファ回路を経由せずに、１段の増幅器で矩形波に変換することにより、発振信号以外の雑音を極力重畳させずに矩形波に変換できるため、基準クロック信号のＤｕｔｙのずれや位相雑音特性を改善することができる。なお、矩形波に変換する増幅器は、大きな電圧利得を得ることができるＣＭＯＳインバータ増幅器とするのが最適である。

さらに、矩形波変換後に出力負荷のために電力増幅することで、位相雑音特性を悪化させずに必要な負荷能力を備えることができる。
なお、クラップ型発振回路４と矩形波変換部３を結合容量１１を介して接続し、矩形波変換部３の入力部でバイアス電圧を外部から設定することで、位相雑音特性を悪化させずに回路動作に適切な直流バイアス設定を適宜行うことができる。

本発明の第１の構成例の発振装置の説明図である。本発明の第１の構成例の発振装置の位相雑音特性を示すグラフである。ＣＭＯＳインバータ増幅器の説明図である。本発明の第２の構成例の発振装置の説明図である。本発明の第３の構成例の発振装置の説明図である。一般的なクラップ型発振回路図の説明図である。水晶振動子の等価回路図である。従来のクラップ型発振回路の説明図である。

本発明の発振装置は、発振回路をクラップ型発振回路で構成し、電気機械振動子と直列に接続されたクラップ容量との接続点から発振信号を取り出し、矩形波変換部に直接入力すると共に、この矩形波変換部は１段の増幅器で矩形波変換するように構成している。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は本発明の第１の構成例であり、クラップ型発振回路４と矩形波変換部３から成る発振装置の説明図である。発振回路から出力される発振信号を、電気機械振動子２とクラップ容量８との接続端子から取り出し、その発振信号を１段の増幅器で矩形波変換する構成となっている。クラップ型発振回路４は、発振回路用増幅器１と帰還容量９，１０とクラップ容量８と電気機械振動子２で構成されている。図１に示すように、発振回路用増幅器１の入力−出力間に帰還容量９が接続されると共に、発振回路用増幅器１の出力−接地間に別の帰還容量１０が接続されており、発振回路用増幅器１の帰還電圧は２つの帰還容量９，１０による分圧器から決まる。また、発振回路用増幅器１の入力−接地間には共振用のクラップ容量８とインダクタ１４の直列回路が接続されており、クラップ型発振回路４の発振周波数は、クラップ容量８と帰還容量９，１０とインダクタ１４で決まる。矩形波変換部３は、増幅器を複数段設けると増幅器の雑音が累積するため、１段で矩形波に変換できる電圧利得を備えたＣＭＯＳインバータ増幅器（図３）で構成されている。ＣＭＯＳインバータ増幅器とすることで大きな電圧利得を得ることができるが、バイポーラトランジスタから成る増幅器とすることも可能である。１段で矩形波に変換できる電圧利得は、クラップ発振回路４から取り出した発振信号の振幅にもよるが、発振周波数における小信号の電圧利得が２０ｄＢ以上であれば十分である。なお、図中では増幅器の直流バイアス等は省略して図示している。

図１のような構成とすることで、発振回路用増幅器１の入力端子から発振信号を取り出した従来のものと比べて位相雑音特性が改善する。図２は図１に示す発振装置の位相雑音特性を示すグラフであり、図８で説明した従来の発振装置に比べ、位相雑音特性が６〜７ｄＢ程度改善していることがわかる。

図４は本発明による第２の構成例の発振装置の説明図であり、発振信号を矩形波に変換した後に電力増幅部５を設けた構成となっている。このように構成することで、位相雑音特性を悪化させずに必要な負荷能力を備えることができる。

図５は、本発明による第３の構成例の発振装置の説明図であり、図１および図４の矩形波変換部３の入力バイアス電圧を外部から設定する場合の構成例である。クラップ型発振回路４と矩形波変換部３を結合容量１１を介して接続し、矩形波変換部３の入力部でバイアス電源１３と抵抗１２により外部からバイアス電圧を設定しており、回路動作に適切な直流バイアス設定を適宜行うことができる。このように構成することで、位相雑音特性を悪化させずに適切な直流バイアス設定を行うことができる。

また、図１、図４および図５の電気機械振動子２とクラップ容量８の位置を入れ替えても位相雑音特性を改善する効果が得られるため、電気機械振動子２とクラップ容量８の位置を入れ替えた構成としてもよい。またクラップ容量８を可変容量（バラクタ）に置き換えた電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）では、通常は可変容量（バラクタ）の非線形性や内部抵抗による共振回路のＱの低下により位相雑音特性が悪化するが、本発明の構成とすることで電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）の位相雑音特性を改善することができる。さらに、電気機械振動子２として、水晶振動子の他、圧電振動子、ＳＡＷデバイス、ＭＥＭＳ振動子も使用することができる。

１：発振回路用増幅器
２：電気機械振動子を含む共振回路
３：矩形波変換部
４：クラップ型発振回路
５：電力増幅部
６：ＣＭＯＳインバータ増幅器
７：バッファ回路
８：クラップ容量
９，１０：帰還容量
１１：結合容量
１２：抵抗
１３：バイアス電源
１４：インダクタ
１５：等価直列インダクタ
１６：等価直列容量
１７：等価直列抵抗
１８：並列容量

Claims

発振回路用増幅器と電気機械振動子から成る発振回路と、前記発振回路の出力信号を矩形波信号に変換して出力する矩形波変換部から構成される発振装置であって、
前記発振回路はクラップ型発振回路で構成し、
前記クラップ型発振回路は、一方の端子を接地された電気機械振動子と、前記電気機械振動子の他方の端子に直列に接続されたクラップ容量とを含み、
前記電気機械振動子の他方の端子から発振信号を取り出して前記矩形波変換部に直接入力すると共に、前記矩形波変換部は１段の増幅器で矩形波変換することを特徴とする発振装置。
請求項１に記載の発振装置において、
前記クラップ容量は、可変容量であることを特徴とする発振装置。
請求項１または請求項２のいずれかに記載の発振装置において、
矩形波変換部の増幅器をＣＭＯＳインバータ増幅器で構成したことを特徴とする発振装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発振装置において、
矩形波変換部の後段に電力増幅部を設けたことを特徴とする発振装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発振装置において、
矩形波変換部で外部よりバイアス電圧を設定するよう構成したことを特徴とする発振装置。