JPH01212106A - 発振回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電源端子と、水晶共振子を具える共振回路と
、バイアス電流源に結合された差動増幅器とを有する帰
還増幅回路を具える発振回路に関するものである。この
種類の水晶発振回路は特に米国特許第４．５７４．２５
７号明細書に記載されており既知である。

（従来の技術） 電源電圧をスイッチ・オンした際の水晶発振器の始動動
作は、共振を達成せしめるのに充分な量のエネルギーが
いかにして水晶共振子に供給されるかに著しく依存する
。供給エネルギーの量は主として、特に発振回路に用い
る電源電圧に対する減結合キャパシタに依存する電源電
圧確立方法と、発振回路における直流バイアス回路の具
現方法と、水晶共振子に供給される雑音とによって決定
される。従って、水晶発振器の始動動作は実際に規定さ
れず、再現性がない。

このような規定されない、再現性のない始動特性は水晶
発振器を試験するのを困難とする。例えば集積回路の全
試験期間はこの集積回路の大きさに応じて約４〜５秒と
なる。しかし、これらの集積回路が水晶発振器を有する
場合には、この全試験期間が、発振器を共振させるのに
必要とする期間だけ延長される。この後者の期間は前述
したように規定されない、すなわち前もって知ることが
できない為、一般には約０．５秒程度の安全余裕度を持
たせた待ち時間が実際に用いられている。このことは、
水晶発振器を有する集積回路の全試験期間は水晶発振器
のない対応する回路の全試験期間よりも約１０％長くな
るということを意味する。

従って、水晶発振器を有する集積回路を製造するのに必
要とする全期間も長くなること明らかである。このよう
な集積回路の全製造期間を減少せしめることにより、実
際に製造費の低廉化が得られるばかりではなく、全生産
量を高めることができる。

１８Ｍ社の技術文献”ＩＢＭ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄ
ｉｓｃｌｏｓｕｒｅＢｕｌｌｅｔｉｎ”、　Ｖｏｌ、　
２１．　　Ｎｏ、　２．　Ｊｕｌｙ　１９７８の第４９
２〜４９３頁から既知のように、水晶発振回路の始動特
性は共振回路を段状（ステップ）励起、すなわち急激励
起させることにより改善せしめることができる。この文
献には、共振回路の一部を形成するコイルを流れる電流
を段状に遮断させることにより励起を実現する発振器が
開示されている。この電流の急激遮断によりコイルの両
端間の電圧を変化させ、発振回路を始動させる。

（発明が解決しようとする課題）　” しかし、上述した既知の励起方法は、共振回路がコイル
を有している水晶発振回路においてのみ有効となるもの
であり、「（産業上の利用分野）」の欄に記載した種類
の発振回路には適していない。

本発明の目的は、「（産業上の利用分野）」の欄に記載
した種類の発振回路の始動特性を改善することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、電源端子と、水晶共振子を具える共振回路と
、バイアス電流源に結合された差動増幅器とを有する帰
還増幅回路を具える発振回路において、電源端子におけ
る予め決定された電位により共振回路を段状に励起させ
るために、前記のバイアス電流源をレベル検出器により
段状にスイッチングしろるようにしたことを特徴とする
。

帰還増幅回路の電源電圧が予め決定された値に達し、こ
の帰還増幅回路が確実に発振しうるようになると直ちに
、レベル検出器が、バイアス電流源を、従って帰還増幅
回路の全体をスイッチ・オンせしめる段状信号を生ずる
。これにより水晶共振子にエネルギーを段状にすなわち
急激に供給し、この水晶共振子が規定通りに信頼的に共
振するようになる。

レベル検出器が帰還増幅回路のバイアス電流源をスイッ
チ・オンさせる電源電圧の値は帰還増幅回路の具現およ
び種類に依存し、前もって（例えば実験により）決定す
ることができること勿論である。

このように発振回路を規定通りに発振させるようにする
ことにより、水晶発振回路を有する集積回路を試験する
際に発振回路が確実に共振に達する瞬時を前もって正確
に定めることができる。従来の水晶発振回路を試験する
のに実際に用いられている待ち時間が、少なくとも本発
明によるレベル検出回路を用いた場合に水晶共振子が共
振に達するのに必要とする時間まで減少しうる。代表的
には、０．５秒の前述した待ち時間を本発明による回路
で数十ミリ秒まで減少せしめろる。従って、本発明によ
る１つ以上の水晶発振回路を有する集積回路の試験期間
を、既知の水晶発振器を有する対応する回路の試験期間
よりも短くすることができる。

本発明の水晶発振回路によれば、処理速度を速くするこ
とができる、すなわら周期を短くすることができるとい
う利点に加えて、増幅回路を段状励起させる為に、この
増幅回路のループ利得を、水晶共振子の製造者が水晶共
振子の共振を得るのに通常推奨しているループ利得値よ
りも低くすることができるという利点が得られる。ルー
プ利得が低くなると、発振回路の雑音特性が改善される
。

本発明による水晶発振回路の実施例では、前記のレベル
検出器が、第１ふよび第２トランジスタを有するエミッ
タ結合トランジスタ対を具えてお。

す、前記の第１トランジスタのベースはしきい値回路に
結合され、前記の第２トランジスタのベースは前記の電
源端子に結合され、この第２トランジスタのコレクタは
第１電流ミラーの入力端に結合され、この第１電流ミラ
ーの第１出力端は前記の第２トランジスタのベースに結
合され、この第１電流ミラーの第２出力端は前記のバイ
アス電流源に結合するようにする。

このように形成したレベル検出器は電源電圧上の妨害信
号に感応しない、比較器とトリガ回路との組合せ回路で
あり、従って帰還増幅回路の不所望な励起を阻止する。

（実施例） 以下図面につき本発明を説明する。

本発明の原理を示す第１図の水晶発振回路は帰還増幅回
路１を具え、この増幅回路の出力端子２には、水晶共振
子３とキャパシタ４との直列回路を有する共振回路の一
端が接続、され、この共振回路の他端は接地されている
。この共振回路は接地する代わりに出力端子２と発振回
路の正或いは負の電源端子との間に接続することもでき
る。　゛必要に応じキャパシタ４０代わりに短絡回路を
用いることができる。また図示の共振回路の代わりに前
記の米国特許第４．５７４．２５７号明細書に開示され
ている共振回路を用いることもできる。発振回路の出力
信号は端子５に得られる。増幅回路１は、電源電圧ＶＢ
の点が接続されている電源端子２０から供給され、この
増幅回路は差動増幅器２１と、この差動増幅器に直流電
流を供給するスイッチング自在のバイアス電流源２２と
を有している。

この増幅回路１には、比較器７の出力信号によりトリガ
されるトリガ回路６を有するレベル検出器も結合されて
いる。電源電圧ＶＢの点は比較器７の一方の入力端子に
接続され、この比較器の他方の入力端子にはしきい値電
圧Ｖ、が存在する。

比較器７の入力端子８には全電源電圧ＶＢの代わりにこ
の電源電圧の一部を例えば分圧回路（図示せず）により
印加することができる。

比較器７の入力端子８における電圧がその入力端子９に
おけるしきい値電圧を越えると直ちにトリガ回路６にト
リガ信号が供給され、このトリガ回路が増幅回路１に段
状励起信号を供給する。この段状励起信号の結果として
水晶共振子３を共振させるエネルギー量が急激にこの水
晶共振子に供給される。

比較器７０入力端９におけるしきい値電圧ｖｄの選択は
、増幅回路１が共振信号を発生せしめうる設定に達する
電源電圧Ｖ、の値により決定される。またＶ、の値は増
幅回路の種類およびその各種の直流バイアス回路の具現
に依存すること勿論である。

第２図は、特に集゛積回路に用いるのに適した本発明に
よるレベル検出器を有する発振回路の好適具体例を示す
基本回路図である。

このレベル検出器は、トランジスタＴ１およヒＴ２を以
て構成したエミッタ結合トランジスタ対より成る比較器
／トリガ回路の結合回路を有する。トランジスタＴ１の
ベースはトランジスタち４４およびＴ５より成る３半導
体接合のしきい値回路を経て共通負電源端子に接続され
ているとともに抵抗Ｒ１を経て共通正電源端子に接続さ
れている。トランジスタＴ２のベースには抵抗分圧器Ｒ
２，Ｒ３により予め決定された電源電圧の一部が存在す
る。トランジスタＴ、のコレクタは正電源端子に接続さ
れ、トランジスタＴ２のコレクタはトランジスタＴｅ、
　ＴＹおよびＴ８より成り第２図に示すように配置され
た既知の電流ミラー回路の入力端に接続されている。ト
ランジスタＴ７のコレクタより成るこの電流ミラー回路
の出力端はトランジスタＴ２のベースに接続されている
。トランジスタＴ１およびＴ２のエミ・ツタは相互接続
されて電流源（電流基準素子）１０を経て負電源端子に
接続されている。

このようにして形成されたレベル検出器はシュミット形
の双安定トリガ回路の集積形態である。

トランジスタＴ２のベースにおける電圧がトランジスタ
Ｔ１のベースで３半導体接合により形成されるしきい値
よりも小さい限り、トランジスタＴ２のコレクタ導線に
電流が流れない。回路の電源電圧ＶＢの増大の結果とし
てトランジスタＴ２のベースにおける電圧がトランジス
タＴ１のベースにおけるしきい値電圧を越える限り、ト
ランジスタＴ１を流れる電流がトランジスタＴ２により
段状に引き継がれる。電流ミラーＴ６．　ＴＹ、　Ｔｓ
の出力端、すなわちトランジスタＴ７のコレクタはトラ
ンジスタＴ２のベースに結合されている為、妨害パルス
或いはその他の影響によりトランジスタＴ２のベースに
おける電圧がトランジスタＴ１のベースにおける電圧よ
りも低くなってもこのトランジスタＴ２はターン・オン
状態に維持される。

電流ミラーＴ６．　ＴＹ、　Ｔ８を流れる電流の為に、
図示のようにこの電流ミラーに結合されたトランジスタ
Ｔ、にも電流が流れる。トランジスタＴ、のコレクタ導
線中にはトランジスタＴ、０およびＴｌ＋　を有する他
の電流ミラーが設けられている。トランジスタＴ１ｏお
よびＴ１１　のベースは相互接続され且つトランジスタ
Ｔ９のコレクタに接続されている。トランジスタＴＩＯ
のエミッタは抵抗Ｒ４を経て負電源端子に接続され、ト
ランジスタＴ、Ｉ　のエミッタは抵抗Ｒ５を経てこの負
電源端子に接続されている。これら抵抗Ｒ１およびＲ５
の値はこの電流ミラーの入力電流および出力電流をそれ
ぞれ決定する。

トランジスタＴｌｌ　は、トランジスタＴ、３およびＴ
Ｉ４を有し反転対称電圧リミッタとして動作する差動増
幅器を経て帰還される増幅器として配置したトランジス
タＴ、２　と、エミッタホロワとして配置したトランジ
スタＴ＋５　とより構成された実際の共振回路の電源回
路中にスイッチング自在の電流源として設けられている
。

トランジスタＴＩ２のコレクタは抵抗Ｒ，［＋を経て正
電源端子に接続され、このトランジスタＴ１□のエミッ
タは電流源１３を経て負電源端子に接続されている。ト
ランジスタＴ、２は第１図による共振回路に対する端子
２を構成する。トランジスタＴ、３およびＴ１４のエミ
ッタは相互接続されているトランジスタＴｌｌ　のコレ
クタに接続されている。トランジスタＴＩ３のベースは
電流源１１を経て負電源端子に接続され且つ抵抗Ｒ６を
経て正電源端子に接続れている。またトランジスタＴＩ
３のコレクタは抵抗Ｒ１を経て正電源端子に結合されて
いる。トランジスタＴ、４のコレクタは２つの抵抗Ｒ８
およびＲ８の直列回路を経て正電源端子に接続され、こ
れら２つの抵抗の相互接続点はトランジスタＴ、５のベ
ースに接続され、このトランジスタＴ１５のコクレタは
正電源端子に接続され、エミッタは電流源１２を経て負
電源端子に接続されている。トランジスタＴＩ５のエミ
ッタはトランジスタＴ＋２のベースに接続され、トラン
ジスタＴＩ４のベースはトランジスタＴ１□のコ゛レク
タに接続されている。

共振中トランジスタＴ１２のコレクタには正弦波信号が
生じ、この信号の周波数は端子２に接続された共振回路
の共振周波数に相当する。このトランジスタＴ、２のコ
レクタにおける信号は差動トランジスタ対Ｔ１３＋　Ｔ
Ｉ４により対称的に制限され、反転され、抵抗Ｒ８およ
びＲ３より成る分圧器とトランジスタＴ１５　とを経て
トランジスタＴＩ２のベースに帰還される。増幅トラン
ジスタＴ、２のコレクターベース電圧は幾分負であり、
これによりこのトランジスタＴ１□のコレクタにおける
正弦波電圧の振幅を数百ミリボルトに制限する。しかし
、この電圧の値は、トランジスタＴ１３およびトランジ
スタＴ、４より成る差動トランジスタ対をスイッチとし
て作動させ、これらトランジスタのコレクタに共振周波
数に等しい周波数を有する方形波形状信号を生せしめる
のに充分な値である。エミッタホロワとして配置したト
ランジスタＴＩＳは増幅回路の制御範囲を高めるが、必
要に応じこのトランジスタの代りに抵抗Ｒ８およびＲ８
の相互接続点とトランジスタＴ１□のベースとの間の短
絡回路を用いることができ、この場合電流源１２は余分
なものとなる。

トランジスタＴ１４のコレクタにおける方形波電圧の振
幅は、この方形波電圧が分圧器り、　Ｒｓおよびトラン
ジスタＴＩＳを経て水晶共振子に印加された際に水晶共
振子における電流のピーク値が電流源１３により供給さ
れるトランジスタＬｚのバイアス電流を越えないように
設定する必要がある。水晶共振子の直列共振抵抗は５０
オ一ム程度である為、回路全体が低電力動作する場合（
例えば集積回路の場合には殆ど常にこのようにする必要
がある）には、電圧のピーク値を極めて小さく保つ必要
がある。

トランジスタＴＩ４のベースおよびコレクタ間に配置し
た帰還キャパシタＣは抵抗Ｒ３と相俟って増幅トランジ
スタＴ、□の容量性負荷を高める作用をし、従って共振
回路に導入されているキャパシタンスによるループ利得
の増大分が減少され、発振回路の安定性が改善される。

この共振回路の動作は、米国シラキ二−ズで１９８７年
６月３日〜５日に開催された“回路およびシステム”に
関する第３０回中西部シンポジウム（’ＦＯｔｈ　Ｍｉ
ｄｗｅｓｔ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ
ｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ”）の会報に詳細に説明さ
れている。

本発明による第２図に示す水晶発振器を用いて行った試
験によれば、水晶共振子の直列抵抗が不所望な程度に制
御レベルに依存した為にたとえ製造者が廃棄した水晶共
振子を用いたとしても、極めて安定で信頼性のある始動
特性を得ることができるということを確かめた。

本発明は図示の実施例に限定されず、例えば増幅回路が
電流源を経て給電され従って第２図に示すのと同様に電
流ミラーＴｌＧ＋　’Ｉ’１１によりスイッチ・オンさ
れるようになっている米国特許第４．５７４゜２５７号
による発振回路に対しても用いることができる。当業者
は本発明の範囲を逸脱することなく比較的容易に、図示
の双安定トリガ回路と比較回路との組合せ回路を種々の
既知のトリガ回路および比較回路と置き換えることがで
きる。また第２図にはバイポーラ型のみのトランジスタ
を示しであるが、本発明による発振回路はＣＭＯ３ある
いはＢＩＭＯ３のような他の半導体技術でも設計しうろ
こと勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による水晶発振回路の原理を示すブロ
ック線図、 第２図は、集積化半導体技術で用いる発振回路の実施例
を示す基本回路図である。 １・・・帰還増幅回路　　　３・・・水晶共振子４・・
・キャパシタ　　　　　６・・・トリガ回路７・・・比
較器　　　　　　１０〜１３・・・電流源２１・・・差
動増幅器　　　　２２・・・バイアス電流源特許出願人
　　エヌ・ベー・フィリップス・フルーイランペンファ
ブリケン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電源端子と、水晶共振子を具える共振回路と、バイ
   アス電流源に結合された差動増幅器とを有する帰還増幅
   回路を具える発振回路において、電源端子における予め
   決定された電位により共振回路を段状に励起させるため
   に、前記のバイアス電流源をレベル検出器により段状に
   スイッチングしうるようにしたことを特徴とする発振回
   路。 ２、電源端子と、水晶共振子を具える共振回路と、バイ
   アス電流源に結合された差動増幅器とを有する帰還増幅
   回路を具え、集積化された発振回路において、電源端子
   における予め決定された電位により共振回路を段状に励
   起させるために、前記のバイアス電流源をレベル検出器
   により段状にスイッチングしうるようにしたことを特徴
   とする発振回路。 ３、請求項１または２に記載の発振回路において、前記
   のレベル検出器が、第１および第２トランジスタを有す
   るエミッタ結合トランジスタ対を具えており、前記の第
   １トランジスタのベースはしきい値回路に結合され、前
   記の第２トランジスタのベースは前記の電源端子に結合
   され、この第２トランジスタのコレクタは第１電流ミラ
   ーの入力端に結合され、この第１電流ミラーの第１出力
   端は前記の第２トランジスタのベースに結合され、この
   第１電流ミラーの第２出力端は前記のバイアス電流源に
   結合されていることを特徴とする発振回路。 ４、請求項３に記載の発振回路において、前記のバイア
   ス電流源が第２電流ミラーの出力岐路であり、この第２
   電流ミラーの入力岐路は第１電流ミラーの第２出力端に
   結合されていることを特徴とする発振回路。