JPH06140838A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 単一の回路構成で広い周波数範囲において回
路定数を最適化した発振回路を構成できる水晶発振器。 ［構成］ 水晶共振子１１を周波数決定要素とする発振
回路１３と、水晶共振子１１の共振特性に対応して最適
化すべき発振回路１３の定数に応じて設けた複数の回路
素子を有する素子ブロック１４と、素子ブロック１４の
回路素子を選択的に発振回路に接続するアナログスイッ
チ１５と、アナログスイッチ１５のオン・オフ状態を記
憶内容に応じて制御するデジタルメモリ１６と、外部か
ら与えられるデータを上記デジタルメモリ１６へ伝送し
て記憶させるデータ伝送回路１７を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単一の回路構成で広い
周波数範囲の発振回路に対応することができる水晶発振
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、時間、周波数等の基準として圧電
体の圧電現象を利用した圧電共振子が多用されている。
このような圧電共振子に用いる圧電体としては種々の物
質が知られている。特に圧電体として水晶を用いた水晶
共振子は、水晶の化学的、物理的に極めて優れた特性に
加えて製造技術の進歩により安価で良好な共振特性を得
られるために種々の電子機器に広く使用されている。さ
らに近時、このような水晶共振子を用いる電子機器では
小形、軽量かつ高信頼性を要求されるために水晶共振子
と発振回路とを一体に組み立てた水晶発振器も大量に製
造され使用されている。このような水晶発振器では水晶
共振子と発振回路とを一体に組み立て、化学的、物理的
に極力安定な状態で気密に封止するようにしているので
長期間、高い周波数精度を維持することができる。図３
は最も簡単な回路構成の水晶発振器の一例を示す回路図
で、いわゆる変形コルピッツ型の発振回路である。すな
わち発振用のトランジスタ１のベースと基準電位との間
に水晶共振子２と周波数調整用の第１のコンデンサ３の
直列回路を介挿する。そしてトランジスタ１のベースと
エミッタとの間に第２のコンデンサ４を接続し、エミッ
タと基準電位との間に第３のコンデンサ５とエミッタ抵
抗６の並列回路を介挿し、エミッタから第４のコンデン
サ７を介して発振出力を取り出す。そしてトランジスタ
１のベースと電源Ｖｃｃおよび基準電位との間にそれぞ
れバイアス抵抗８、９を介挿してバイアス電流を与え
る。またトランジスタ１のコレクタと電源Ｖｃｃとの間
に負荷抵抗１０を介挿している。しかして、このような
回路構成の水晶発振器をさらに小型化し、信頼性を向上
し、組立コスト等の低減を図るために発振回路全体を集
積回路化したものもある。このように発振回路を集積回
路化すれば個々の回路部品で構成する場合に比して著し
く形状を小型化することができ信頼性も向上し組立コス
ト等の低減を図ることができる。

【０００３】しかしながら、一般に発振回路では水晶共
振子の周波数およびオーバトーンの発振次数等に応じて
部品の定数を変更する必要がある。たとえば図３に示す
ような変形コルピッツ型の水晶発振回路で水晶共振子を
基本波で発振させる場合、図２において第２、第３の各
コンデンサ４、５の最適値の一例は水晶共振子の共振特
性、たとえば共振周波数に応じて下記の表のようにな
る。 しかして回路定数を発振周波数に応じて最適化しない場
合は、発振波形に歪を生じたり基本波のモードで発振さ
せるべきものがオーバトーンのモードで発振したり、極
端な場合は発振しなくなる等の問題を生じる。このた
め、たとえば図３に示すような回路構成の水晶発振器を
製造する場合には、水晶共振子の共振特性に応じて回路
定数を異ならせて最適な回路定数の部品を実装する必要
があり工程の管理は極めて面倒である。また図３に示す
ような回路構成の発振回路を半導体集積回路で構成した
場合は、それぞれ発振周波数に応じて回路定数を異なら
せた多数種の集積回路を用意する必要があり、合理的で
ない。また発振周波数に応じて回路定数を最適化するこ
とは図３に示すような発振回路だけでなく種々の回路構
成の発振回路において必要であり極めて面倒な問題とな
っていた。このために、定数の変更を要しない部分のみ
を半導体集積回路によって構成し、定数の変更を要する
部分は外付けの個別部品を実装するようにしたものもあ
る。しかしながらこのようなものでは個別部品を実装す
る工程を必要とするために発振回路を半導体集積回路に
よって構成することの利点を充分に享受することはでき
ない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、単一の回路構成で広い周波数範
囲において回路定数を最適化した発振回路を構成するこ
とができる水晶発振器を提供することを目的とするもの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、水晶共振子
と、発振回路と、水晶共振子の共振特性に対応して最適
化すべき発振回路の定数に応じて設けた複数の回路素子
を有する素子ブロックと、素子ブロックの回路素子を選
択的に発振回路に接続するアナログスイッチと、アナロ
グスイッチのオン・オフ状態を記憶内容に応じて制御す
るデジタルメモリと、外部から与えられるデータを上記
デジタルメモリへ伝送して記憶させるデータ伝送回路と
を具備することを特徴とする水晶発振器に関する。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の一実施例の水晶発振器を図１
に示すブロック図を参照して詳細に説明する。なお図１
では水晶発振器の部位を破線で囲んで示している。図中
１１は水晶共振子であって、水晶の結晶を結晶軸に対し
て所定の角度に切断して板状に成形し板面に電極を形成
した、たとえばＡＴカットの厚み滑り水晶共振子であ
る。そして図１において一点鎖線で囲んだ部分が半導体
集積回路１２である。この半導体集積回路１２には少な
くとも発振回路１３、選択的に使用される複数の回路素
子を有する素子ブロック１４およびこれらの素子ブロッ
ク１４と発振回路１３との間に介在して素子ブロック１
４の回路素子を選択的に発振回路に接続するアナログス
イッチ１５を設けている。なお図１の水晶発振器では複
数のコンデンサを並設した第１ないし第３の素子ブロッ
ク１４ａ、１４ｂ、１４ｃと、これを選択的に切り換え
る第１ないし第３のアナログスイッチ１５ａ、１５ｂ、
１５ｃを設けている。上記各アナログスイッチ１５ａ、
１５ｂ、１５ｃは同一の構成で、たとえばＦＥＴ（電界
効果型トランジスタ）のゲート電圧を制御することによ
ってドレインとソース間でオン・オフ動作を行う複数組
のスイッチからなる。そして、たとえば図１に示すよう
に各スイッチにそれぞれ素子ブロック１５のコンデンサ
を直列に接続して、これらのスイッチを選択的にオン・
オフさせることによって所望の値の静電容量を得るよう
にしている。この場合、常に１個のスイッチのみをオン
させるように制御してもよいし、同時に複数個のスイッ
チをオンさせるように制御してもよい。そして１６はデ
ジタルメモリで、たとえば電源断の状態でもデータを保
持でき、かつデータの書き換えを任意に行うことができ
る電気的に消去可能なＲＯＭ（ＥＥＰ−ＲＯＭ）であ
る。そしてこのデジタルメモリ１６に記憶したデータに
応じて上記アナログスイッチ１５のオン・オフ制御を行
うようにしている。たとえばデジタルメモリ１６の各ビ
ットを上記アナログスイッチ１５の各スイッチ素子にそ
れぞれ対応させ、対応するビットの１、０に応じてアナ
ログスイッチのオン、オフを制御するようにしている。
そして１７はデータ伝送回路で水晶発振器の外部のコン
ピュータ等からデータ端子ＤＴを介して送られたデータ
を上記デジタルメモリ１６の所定のアドレスへ記憶させ
るようにデータの書き込みおよび伝送を制御する。なお
このデータ伝送装置１７はデータの書き込みだけでな
く、逆に書き込まれたデータを読み出して外部のコンピ
ュータ等へ送り出す機能を有するものであってもよい。
なお上記デジタルメモリ１６およびデータ伝送回路１７
は図示しない回路によって電源端子Ｖｃｃから電源を供
給して動作させるようにしている。上記発振回路１３に
は発振用のトランジスタ１３ａを設け、この発振用のト
ランジスタ１３ａのベースと基準電位ＧＮＤとの間に水
晶共振子１２と第１のアナログスイッチ１５ａおよび第
１の素子ブロック１４ａを直列に介挿している。そして
トランジスタ１３ａのベースを、第２の素子ブロック１
４ｂおよび第２のアナログスイッチ１５ｂを介してエミ
ッタに接続している。またエミッタと基準電位との間に
エミッタ抵抗１８を介挿し、このエミッタ抵抗１８に並
列に第３のアナログスイッチ１５ｃと第３の素子ブロッ
ク１４ｃの直列回路を接続している。そしてトランジス
タ１３ａのエミッタからコンデンサ１９を介して出力端
子ＯＵＴへ発振出力を取り出すようにしている。そして
トランジスタ１３ａのベースと電源端子Ｖｃｃおよび基
準電位との間にそれぞれバイアス抵抗２０、２１を介挿
してバイアス電流を与える。またトランジスタ１３ａの
コレクタと電源端子Ｖｃｃとの間に負荷抵抗２２を介挿
している。

【０００７】このような構成であれば、電源端子Ｖｃｃ
に所定電圧の電源を供給してデータ端子ＤＴを介してデ
ータを送り込みデジタルメモリ１６に記憶させる。この
データの内容は水晶共振子１１の特性、たとえば共振周
波数に応じて最適化されたものとしなければならない。
しかしてデジタルメモリ１６の記憶内容に応じて第１な
いし第３のアナログスイッチ１５ａないし１５ｃを選択
的にオン・オフ制御して素子ブロック１５ａないし１５
ｃのコンデンサを選択的に発振回路に接続する。しかし
て水晶発振器の出力端子ＯＵＴに発振出力を得ることが
できる。なおこの発振周波数の微調整は、第１ないし第
３の素子ブロック１５ａないし１５ｃ、特に第１の素子
ブロック１５ａによって構成される静電容量を微細に増
減することによって可能である。このようにすれば発振
回路の回路定数を水晶共振子の共振特性に応じて最適な
値とすることができ良好な発振特性を得ることができ
る。そして単一の回路構成であっても部分的に回路定数
を変更することによって水晶共振子の広範な特性、たと
えば広い周波数範囲に対応することができる。したがっ
て単一の回路構成の半導体集積回路をもって多品種の水
晶発振回路に対応できるので、たとえば一時に大量の半
導体集積回路を製造することによって単価を著しく低減
でき、品質も安定し、部品の在庫の管理も極めて容易に
なる。したがって水晶発振器の組み立て工程では、水晶
共振子の共振特性に係わらず発振可能な段階まで組み立
てて差し支えない。そして調整の工程で回路定数を最適
化するようにデジタルメモリ１６にデータを送り込んで
記憶させ、回路定数を設定すればよい。したがって製造
工程も著しく簡素化することができ生産性も向上するこ
とができる。なお本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、たとえば上記実施例では変形コルピッツ型の
水晶発振器について説明したが、水晶共振子の特性に応
じて回路定数を変更する必要のある水晶発振器に広く適
用できることは勿論である。したがって、たとえば図２
に示すようなインバータを用いた水晶発振器にも適用す
ることができる。図２において２１はインバータで半導
体集積回路の基本回路ブロックとして周知の回路構成の
ものである。そして２２は水晶共振子で上記インバータ
２１の入・出力間に接続している。そしてインバータ２
１の入・出力間に第４のアナログスイッチ２３ａと複数
の抵抗からなる第４の素子ブロック２４ａの直列回路を
介挿している。またインバータ２１の入力を第５のアナ
ログスイッチ２３ｂと複数のコンデンサからなる第５の
素子ブロック２４ｂの直列回路を介して基準電位に接続
している。さらにインバータ２１の出力を第６のアナロ
グスイッチ２３ｃと複数のコンデンサからなる第６の素
子ブロック２４ｃを介して基準電位に接続している。そ
して上記各アナログスイッチ２３ａ、２３ｂ、２３ｃの
オン・オフ状態をデジタルメモリ２５の記憶内容に応じ
て制御し、このデジタルメモリ２５の記憶内容は、外部
からデータ伝送回路２６を介して与えるようにしてい
る。しかして、このようにインバータ２１を用いた発振
回路の場合も、入・出力間に介挿する帰還抵抗、入力お
よび出力と基準電位の間に介挿するコンデンサの値は水
晶共振子２２の共振特性、とくに共振周波数に応じて最
適値が異なる。したがって外部からデータ伝送回路２６
を介してデジタルメモリ２５に最適な回路定数に対応す
るデータを記憶させ、この記憶内容に応じてアナログス
イッチを選択的にオン・オフ制御することによって、最
適化した回路定数の発振回路を構成することができる。
しかして、複数個の素子を素子ブロックとして用意し、
これらをアナログスイッチで切り替えて選択的に使用す
ることによって単一の回路構成で種々の共振特性の水晶
共振子を用いた発振回路に対応することができ、次１に
示す実施例と同様の効果を奏することができる。

【０００８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば単
一の回路構成の半導体集積回路によって種々の共振特性
の水晶共振子に対して回路定数を最適化した発振回路を
構成することができ、コストも安価で安定な品質を得ら
れ部材の管理も容易で、しかも製造工程も簡素化するこ
とができる水晶発振器を提供することができる。

【０００９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水晶発振器の一例を示す回路図であ
る。

【図２】本発明の他の実施例の水晶発振器を示す回路図
である。

【図３】従来の水晶発振器の一例を示す回路図である。

【符号の説明】

１１ 水晶共振子 １２ 半導体集積回路 １３ 発振回路 １４ 素子ブロック １５ アナログスイッチ １６ デジタルメモリ １７ データ伝送回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 誠 埼玉県狭山市上広瀬1275番地の２ 日本電 波工業株式会社狭山事業所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水晶共振子と、 この水晶共振子の共振周波数を周波数決定要素とする発
   振回路と、 上記水晶共振子の共振特性に対応して最適化すべき発振
   回路の定数に応じて設けた複数の回路素子を有する素子
   ブロックと、 この素子ブロックの回路素子を選択的に発振回路に接続
   するアナログスイッチと、 上記アナログスイッチのオン・オフ状態を記憶内容に応
   じて制御するデジタルメモリと、 外部から与えられるデータを上記デジタルメモリへ伝送
   して記憶させるデータ伝送回路と、 を具備することを特徴とする水晶発振器。