KR100717493B1 - 개선된 열특성을 가지는 저주파 쿼츠 발진기 장치 - Google Patents

개선된 열특성을 가지는 저주파 쿼츠 발진기 장치 Download PDF

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에따 쏘시에떼 아노님 파브리끄 데보슈
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Abstract

본 발명은 쿼츠 공진자(1)와, 상기 쿼츠 공진자의 진동 관리용 전자 관리 회로를 포함하는 저주파 발진기 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 쿼츠 공진자는 비틀림 모드에 따라 진동하도록 배열되고, 그래서 쿼츠 결정의 결정학적 축 X에 대해 지정각(θ)으로 회전함에 의해 형성되는 단일 절단각을 가진다. 이 공진자는 제 1 주파수에서 한 개 이상의 불필요한 기본 변형 진동 모드와, 상기 제 1 주파수보다 큰 제 2 주파수에서 바람직한 기본 비틀림 진동 모드를 포함한다. 더욱이, 전자 관리 회로는 인버터 회로(2)로서, 상기 불필요한 기본 변형 진동 모드에 따라서가 아니라 공진자의 바람직한 기본 비틀림 진동 모드에 따라 상기 장치가 발진할 수 있도록 상기 인버터 회로(2)의 트랜스컨덕턴스값(gm)이 정해진다.
그러므로 본 발명에 따르는 발진기 장치는 변형 진동 공진자를 이용한 공지 발진기 장치에 대해 개선된 열특성을 보인다.

Description

개선된 열특성을 가지는 저주파 쿼츠 발진기 장치{LOW FREQUENCY QUARTZ OSCILLATOR DEVICE WITH IMPROVED THERMAL CHARACTERISTICS}
도 1은 본 발명의 범위 내에서 사용되는 비틀림 진동 쿼츠 공진자의 예 도면.
도 2는 도 1의 공진자의 특정 실시예 경우에, 공진자 아암 길이의 함수로 주진동 모드 중 세 개의 주파수 전개를 나타내는 도면.
도 3a는 본 발명의 범위 내에서 사용되는 인버터 발진기 회로의 도면.
도 3b는 CMOS 인버터를 포함하는 도 3a의 발진기 장치의 실시예 도면.
도 4는 쿼츠 공진자의 회로도.
도 5는 전자 관리 회로의 피드백 저항 RF값의 함수로 본 발명의 범위 내에서 사용되는 공진자의 세 개의 주진동 모드 각각에 대한 제한 발진 조건 gm,min가 gm, max를 도시하는 그래프.
(참조 번호 설명)
1 ... 비틀림형 공진자 1a, 1b ... 아암
2 ... 인버터(변환 증폭기) 2a, 2b ... 트랜지스터
10 ... 발진기 장치
본 발명은 저주파 쿼츠 발진기 장치에 관한 것이다.
다음의 내용에서, "쿼츠 발진기 장치"란 발진 수단과 관련된 쿼츠 공진자를 포함하는 발진기 장치나, 공진자의 진동을 유지하기 위한 전자 회로를 의미한다.
당 분야의 통상의 지식을 가진 자는 여러 종류의 쿼츠 발진기 장치를 알고 있다. 특히, 변형 진동 모드에 따라 진동하도록 배열되는 쿼츠 공진자를 이용한 발진기 장치를 잘 알고 있다. 이러한 공진자는 포물선형 열특성을 가지는 것이 일반적이고, 온도 변화에 상대적으로 민감하다.
이 결함을 극복하기 위하여, 당 분야의 통상의 지식을 가진 자는 온도 변화에 대한 이러한 발진기의 민감성이 추가 수단에 의해, 또는 온도 보상 회로에 의해 보상되거나 최소한 감소될 수 있다는 것을 알고 있다. 이 추가 수단이 이러한 발진기의 비용을 증가시킨다는 사실에 부가하여, 이 장치의 전력 소모 역시 크게 증가할 것이다. 더욱이, 이 추가 온도 보상 수단은 공진자의 로드 커패시터를 조절함으로서, 또는 발진 펄스를 추가하거나 제거함으로서 작동하는 것이 일반적이다. 이는 발진 신호의 주파수 스펙트럼 순도를 크게 저하시키는 효과를 보인다. 게다가, 상당히 큰 폭의 다수의 스펙트럼 라인의 모습이 관측되고, 이 라인의 위치는 온도에 따라 변한다.
적은 수의 스펙트럼 라인의 주파수 스펙트럼 뿐 아니라 온도 안정 주파수까 지 가지는 발진 신호를 가질 필요가 있을 경우에 이 발진기 장치는 사용할 수 없다. 이 성질을 가지는 신호는 동기화 작동을 위한 통신 등에 필요하다.
당분야의 통상의 지식을 가진 자는 정육면체형 열특성을 가지는 소위 AT 컷 쿼츠 공진자를 포함하는 공진자를 알고 있다. 그 주파수는 온도의 함수로서 매우 안정하다. 그러나, 본래 이 주파수는 수 MHz 대역정도로 매우 높다. 결과적으로, 저주파 발진 신호를 공급하도록 이러한 발진기 장치를 사용하기 위하여, 발진기는 주파수 분할기 회로와 맞춰질 필요가 있고, 이는 장치의 비용을 복잡하게 하고 증가시킨다. 더욱이, 주파수 분할기 회로에 의해 소모되는 전력은 입력부에서 수신하는 신호의 고주파로 인해 상대적으로 크다. 이는, 손목시계 전지와 같은 작은 치수의 자동 전원에 의해 전력이 공급되어야 할 때 중대한 결함이 있다는 것을 보여준다.
본 발명의 일반적인 목적은 앞서 언급한 결함을 극복하는 쿼츠 발진기 장치를 제시하는 것이다. 즉, 양호한 열 특성과 양호한 스펙트럼 순도를 가지는 발진 신호를 생성하면서 전력 소모가 적은 발진기 장치를 제공하는 것이다.
그러므로 본 발명은 청구범위 제 1 항에 나열되는 특징을 가지는 쿼츠 발진기에 관한 것이다.
그러므로 본 발명은 먼저, 비틀림 진동 모드에 따라 진동하도록 배열되는 공진자(비틀림형 쿼츠 공진자)를 이용함을 제안한다. 본 발명에 따라 이 공진자는 특히 1996년 10월 17-18일에 비인에서의 제 6차 European Chronometry Congress에서 Roger Bourquin 및 Philippe Truchot에 의해 제시된 논문, "Barreaux de quartz vibrant en mode de torsion, Application aux capteurs"에서 기술되는 형태의 공진자이다. 이는 본 발명에서 참고로 인용된다.
첨부된 도 1은 이러한 비틀림형 공진자(1)의 비제한적인 예를 도시한다. 이 공진자(1)는 지정 절단 각도를 따른 쿼츠 판의 기계 가공이나 화학적 에칭에 의해 얻어지는 조절 포크 형태를 가진다. 그래서, 공진자의 브랜치가 도 1에 도시되는 바와 같이 쿼츠 결정의 결정학적 평면 YZ에서 지정각 θ로 향한다.
이 종류의 공진자는 기존의 변형 진동 공진자에 비해 열특성이 더 양호한 장점이 있다. 특히, 비틀림 진동 공진자의 열특성은 아암의 폭에 대한 두께 비율(t/w)에 의해 , 그리고 절단 각도 θ에 의해 결정된다. 가령, 앞서 언급한 논문의 가르침에 따라 제작되는 비틀림 진동 조절 포크 공진자는 기존 변형 진동 조절 포크 공진자에 비해 3배의 열적 안정성을 가진다.
비틀림 모드에 따라 진동하도록 배열되는 또다른 형태의 공진자가 알려져 있다. 이 다른 형태의 비틀림 진동 공진자는 TT-절단 비틀림 쿼츠 공진자라고 알려져 있다. 이러한 공진자는 1991년 IEEE의 제 45차 Annual Symposium on Frequency Control(ASFC)에서, Hirofumi Kawashima 및 Mitsuhiro Nakazato에 의해 제시된 논문, "TT-Cut Torsional Quartz Crystal Resonator"에서 공개된 바 있다.
본 발명의 범위 내에서 사용되는 앞선 논문의 비틀림 진동 공진자와 달리, 이 공진자는 두 절단 각도에 의해 특성화되고, 보다 복잡한 전극 구조를 필요로 한다. 제작의 간단성과 비용 측면에서, Bouquin 및 Truchot의 논문에서 기술되는 비 틀림 진동 공진자가 보다 큰 장점을 가진다.
그러나, 첫 번째 논문에서 기술된 비틀림 진동 공진자의 결함이 다음과 같은 사실에 있다. 즉, 바람직한 기본 비틀림 진동 모드에 부가하여, 바람직하지 않은 변형 진동 모드가 상기 비틀림 진동 공진자에 포함된다. 후에 상세히 설명되겠지만, 이 종류의 공진자는 바람직한 비틀림 진동 모드의 주파수보다 낮은 주파수에서 기본 변형 진동 모드를 가진다. 결과적으로, 이 종류의 공진자가 기존 전자 관리 회로와 연관되어 작동할 때, 조립체는 실제로 이 기본 변형 모드에 따라 발진할 것이고 바람직한 기본 비틀림 모드에 따라 발진하지 않는다.
그러므로 본 발명은 앞서 언급한 비틀림 진동 공진자의 결함에 대한 해답을 제시한다. 즉, 바람직한 기본 비틀림 진동 모드에 따라 공진자가 진동하도록 공진자 진동에 대한 전자 관리 회로를 제공한다.
공진자의 특히 바람직한 실시예에 따라, 바람직한 기본 비틀림 진동 모드가 393,216 kHz에 가깝게 위치하도록, 즉 시계 장치용 쿼츠 공진자의 주파수인 32,768 kHz 주파수의 열두배가 되도록 공진자의 구조가 선택된다.
먼저, 본 발명에 따르는 발진기 장치의 공진자로 사용되는 비틀림 진동 쿼츠 공진자를 살펴보자. 앞서 언급한 Bourquin 및 Truchot 논문에서 보다 풍부한 정보를 발견할 수 있다.
도 1에서, 지정 절단각으로 쿼츠 판의 기계 가공이나 화학적 에칭에 의해 얻어지는 조절 포크 형태로 비틀림 진동 쿼츠 공진자가 제작되는 것이 바람직하다. 이 특정 실시예는 제한적인 예가 아니며, 다른 형태의 공진자도 얼마든지 고려될 수 있다. 그러므로 이 공진자는 단일 바 형태로 제작될 수도 있고, 중앙 부품 주위에서 서로 반대편 대칭으로 장착되는 두 개의 바 형태일 수도 있다.
도 1의 조절 포크 공진자(1)는 결정학적 평면 YZ 방향의 길이 L과 장방형 단면(두께 t, 폭 w)의 두 아암(1a, 1b)을 포함한다. 도 1은 공진자(1)와 연관된 좌표 지시자(x1, x2, x3)를 도시한다. 이때 길이 L은 축 x2를 따라 정의되고, 두께 t는 축 x3를 따라 정의된다. 특히, 공진자(1)과 연관된 좌표 지시자(x1, x2, x3)는 결정학적 축 X, Y, Z에 대한 방향을 가져서, 축 x1은 결정학적 축 X와 동일하고, 축 x2와 x3 각각은 결정학적 축 Y와 Z에 대해 지정각 θ를 각각 형성한다.
그러므로 본 발명의 범위 내에서 사용되는 공진자(1)는 쿼츠 결정의 결정학적 축 x에 대한 지정각 θ에서 회전에 의해 정의되는 단일 절단각을 가진다.
공진자의 정렬 각도(각도 θ)와 공진자 아암의 폭/두께 비나 단면비에 의해 공진자의 열적 특성이 결정된다는 사실을 Bourquin 및 Truchot의 논문으로부터 이해할 수 있을 것이다. 특히, 각도 θ와 단면비는 제 1차 열특성, 또는 선형 계수가 0이 되도록 선택된다. 실제로, 각도 θ가 32도이고 단면비가 0.6인 결과를 얻을 수 있다.
그러므로 출원인은, Bouquin 및 Truchot의 가르침에 따라 조절 포크 공진자를 제작함으로서 공진자의 열특성이 변형 진동 공진자에 대해 3배 개선됨을 관측할 수 있다. 앞으로 "기본 비틀림 모드"라고 표시되는 바람직한 기본 비틀림 진동 모드에 부가하여, 이 공진자는 바람직하지 않은 변형 진동 모드를 포함한다. 특히, 이 공진자는 차후에 "기본 변형 모드"라고 불리는 제 1 불필요 모드인 기본 변형 진동 모드를 포함한다. 이 모드는 바람직한 기본 비틀림 모드의 주파수보다 낮은 주파수에 위치한다. 이 공진자는 차후에 "제 1 변형 오버톤"으로 불리는 또다른 변형 진동 모드인 또다른 불필요 진동 모드를 또한 포함한다. 이 모드는 바람직한 기본 비틀림 모드의 주파수에 상대적으로 가까운 주파수에 위치한다.
바람직한 기본 비틀림 모드가 앞서 언급한 기본 변형 모드와 제 1 변형 오버톤 모드 사이에 위치하도록 공진자의 치수, 즉 공진자 아암의 치수 t, w, 그리고 L이 선택되는 것이 선호된다. 후에 보다 상세히 설명되겠지만, 이는 본 발명에 따르는 발진기 장치의 적절한 작동을 보장하기 위해 선호된다.
도 2는 조절 포크 공진자의 특정 실시예에 대한 아암 길이 L의 함수로 앞서 언급한 진동 모드 각각의 주파수 전개를 도시한다. 이때 아암의 치수 w = 220 마이크로미터, t = 136 마이크로미터이다. 이 도면에서, "a'로 표시되는 선은 기본 변형 모드의 주파수 전개이고, "b"로 표시되는 선은 기본 비틀림 모드의 주파수 전개이며, "c"로 표시되는 선은 제 1 변형 오버톤의 주파수 전개이다.
비제한적이면서도 특히 바람직한 예로서, 바람직한 기본 비틀림 모드가 393,216 kHz에 근접하게 위치하도록 도 1의 조절 포크 공진자의 형태가 선택된다. 이 위치는 시계 장치용 쿼츠 공진자의 전형적 주파수인 32,768 kHz의 12배이다. 도 2에서, 이 결과가 1.68mm의 아암 길이 L에 대해 얻어진다.
앞서 지적한 치수는 설명을 위해 주어진 것이지 한정하고자 주어진 것이 아니다.
그러므로, 예로서 여기 사용되는 특정 실시예에 따라, 조절 포크 공진자는 393,216 kHz에 위치하는 바람직한 기본 비틀림 모드를 포함한다. 도 2의 도해에 다라, 이 공진자는 불필요 기본 변형 모드와 불필요 제 1 변형 오버톤을 포함하며, 전자의 주파수는 74kHz 주변에 위치하고, 후자의 주파수는 435 kHz 주변에 위치한다.
현재의 관례에 따라, 발진기 장치가 공진자의 제 1 진동 모드에 따라 발진하도록, 즉 최저 주파수를 가지는 진동 모드에 따라 발진하도록 공진자 진동의 관리 회로가 설계되는 것이 일반적이다. 이는 변형 진동 공진자를 이용하는 발진기 장치의 경우가 일반적이다. 이에 관한 특정 경우에, 공진자는 제 1 진동 모드, 즉 불필요한 기본 변형 진동 모드를 가진다. 기존 관리 회로와 비틀림 진동 공진자의 조합은 바람직한 모드에 따라 발진기를 발진시키지 않게 한다. 상기 바람직한 모드란 393,216 kHz의 주파수를 가지는 기본 비틀림 모드이다. 하지만, 공진자의 제 1 진동 모드에 따라, 즉 74kHz 주변의 주파수를 가지는 불필요 기본 변형 모드에 따라서는 발진기 장치가 발진한다. 이 무제의 설명은 아래의 발명의 구성 및 작용 문단에서 상세히 설명된다.
도 3a는 발진기 장치(10)를 도시한다. 발진기 장치(10)는 트랜스컨덕턴스값 gm을 가지는 변환 증폭기(인버터)(2), 인버터(2)의 피드백 경로에 연결되는 공진자(1), 인버터(2)의 입력 A에 연결되는 제 1 로드 커패시터 C1, 그리고 인버터(2)의 출력 B에 연결되는 제 2 로드 커패시터 C2를 포함한다. 발진기 장치(10)는 입력 A와 출력 B 사이에 연결되는 피드백 저항 RF를 추가로 포함한다. 일반적으로 피드백 저항 RF의 값은 매우 높게 선택되고, 발진기 장치의 작동에 미치는 영향은 일반적으로 무시된다.
개선점을 통해, 도 3a의 발진기 장치는 인버터(2)의 출력 B와 로드 커패시터 C2 사이에 배열되는 추가 저항 R0를 추가로 포함할 수 있다. 이 저항은 발진기 장치의 안정성에 개선점을 보장하기 위해 제공된다.
도 3a의 발진기 장치의 가능한 실시예가 도 3b에 도시된다. 이 실시예에 따라 변환 증폭기(2)는 가령, 제 1 p형 트랜지스터(2a)와 제 2 n형 트랜지스터(2b)를 포함하는 CMOS 인버터이다. 상기 두 트랜지스터는 접지 전위 VSS와 전원 전위 VDD 사이에서 드레인으로 연결되고, 그 게이트 단자가 서로 연결된다. 이러한 경우에, 변환 증폭기(2)의 트랜스컨덕턴스 gm은 p형 트랜지스터(2a) 및 n형 트랜지스터(2b)의 트랜스컨덕턴스의 합과 같다.
도 3b의 발진기 장치와 유사한 장치의 작동 예는 1987년 3월의 IEEE Transactions on Circuits and Systems cas-34권 3호에 실린 Andreas Rusznyak의 논문 "Start-up time of CMOS Oscillators"에서 발견할 수 있다.
공진자(1)가 도 4에 도시되는 바와 같이 동등한 전기 회로로 나타날 수 있음을 상기 논문으로부터 알 수 있다. 이 도면에 따라, 공진자(1)는 대형 인덕터 LX, 소형 커패시터 CX, 그리고 직렬 저항 RX를 포함하는 직렬 브랜치와, 직렬 브랜치와 나란하게 연결되는 소위 정적 커패시터 CX0를 포함한다. 도 4의 회로는 공진자의 주어진 진동 모드에 가깝게 유효하고, 특정 직렬 브랜치 LX, CX, RX는 공진자의 각각의주어진 진동 모드에 상응한다.
인덕터 Lx와 커패시터 Cx는 공진자 진동 모드의 동적 양식을 나타내는 것으로 간주되고, 직렬 저항 Rx는 공진자 손실을 나타낸다. 정적 커패시터 Cxo의 값은 직렬 브랜치의 커패시터 Cx값보다 훨씬 크게 나타나는 것이 일반적이다. 그러므로, 장치의 발진 주파수는 다음과 같다.
ω ∼ 1/√(LxCx) .... (1)
그러므로, 발진기 장치의 발진이 주어진 진동 모드에 따라 실제 발생하기 위해 필요한 조건은 다음과 같이 정의될 수 있다.
첫 번째 조건에 따라, 발진기 장치의 트랜스컨덕턴스 gm은 방정식 (2)에서 정의되는 임계 트랜스컨덕턴스, 또는 최소 트랜스컨덕턴스 gm,min보다 커야한다.
Figure 112000026947349-pat00001
이때, ω는 관련 진동 모드에 대한 공명 주파수이고, Co는 공진자(1)와 병렬로 존재하는 커패시터의 값이며, 특히, 공진자의 정적 커패시터 Cxo의 값을 포함한다. 로드 커패시터 C1, C2 설계의 경우에, 변환 증폭기의 입력과 출력에서 이 로드 커패시터들과 병렬로 존재하는 와류(parasitic) 커패시터의 영향을 설명할 수 있을 것이다. 가령, 커패시터 Co의 값이 본 예에서 1pF로 추정되고 커패시터 C1, C2의 값이 12pF와 28pF를 각각 가지게 된다.
앞서 표현된 조건 (2)의 보충으로, 발진기 장치의 발진이 발생하도록 트랜스컨덕턴스 gm에 의해 제 2 조건이 충족되어야 한다. 변환 증폭기의 트랜스컨덕턴스 gm에 다음의 방정식 (3)에 따라 정의되는 최대 트랜스컨덕턴스 gm,max보다 작지 않을 경우 이 장치의 발진은 실제로 불가능하다.
Figure 112000026947349-pat00002
일반적으로, 최대 트랜스컨덕턴스 gm,max의 값이 임계 트랜스컨덕턴스 gm,min보다 크다.
장치의 발진에 대한 조건은 다음과 같이 요약된다.
gm,min < gm < gm,max (4)
앞서 표현된 조건 (4)이 여러 진동 모드에 대해 동시에 충족될 경우, 최저 임계 트랜스컨덕턴스 gm,min을 가지는 진동 모드에 따라서만 장치가 진동한다는 것을 알고 있다. 공진자의 바람직한 진동 모드, 즉 기본 비틀림 진동 모드는 불필요한 기본 벼형 진동 모드의 주파수(74kHz)보다 더 큰 주파수(393,216kHz)에 위치한다. 그러므로, 불필요한 기본 변형 모드의 임계 트랜스컨덕턴스 gm,min는 바람직한 기본 비틀림 모드의 임계 트랜스컨덕턴스 gm,min보다 적다. 결과적으로, 장치는 불필요한 기본 변형 모드에 따라서만 진동할 것이다.
이 문제에 해답을 제시하기 위해, 앞서의 방정식 (2)와 (3)의 피드백 저항 RF의 값에 관한 임계 트랜스컨덕턴스 gm,min과 최대 트랜스컨덕턴스 gm,max의 의존도가, 불필요한 변형 진동 모드에 따른 장치의 진동을 피하기 위해 개발된다.
공진자 및 로드 커패시터 C1, C2의 특성에 의해 결정되는 일정값에 신속하게 도달하기 위해 피드백 저항 RF가 증가할 때, 임계 트랜스컨덕턴스 gm,min이 감소한다는 것을 관측할 수 있다. 특히, 다음과 같은 피드백 저항 RF의 값에 대해,
Figure 112000026947349-pat00003
임계 트랜스컨덕턴스 gm,min의 표현 (2)은 다음의 간단한 표현 (6)으로 감소될 수 있다.
Figure 112000026947349-pat00004
그러므로, 고려되는 각각의 진동 모드에 대해 임계 트랜스컨덕턴스 gm,min의 값이 ω2Rx에 따라 좌우된다는 것을 관측할 수 있다. 그러므로, 이는 저항의 특성, 즉 고려되는 모드의 주파수이고, 임계 트랜스컨덕턴스 gm,min을 결정하는 직렬 저항의 값이다.
마찬가지로, 이 피드백 저항 RF의 값에 비례하는 값에 도달하도록 피드백 저 항 RF의 값이 감소할 때 최대 트랜스컨덕턴스 gm,max가 감소하는 것을 관측할 수 있다. 특히, 피드백 저항 RF의 값이 다음과 같을 경우에,
Figure 112000026947349-pat00005
최대 트랜스컨덕턴스 gm,max의 표현 (3)이 다음의 간단한 표현 (8)으로 감소될 수 있다.
Figure 112000026947349-pat00006
그러므로 이 경우에, 최대 트랜스컨덕턴스 값 gm,max가 각각의 진동 모드를 고려할 때 ω2RF의 인자만큼 좌우된다. 그러므로 모드 주파수가 고려되고, 피드백 저항 RF의 값이 최대 트랜스컨덕턴스 gm,max를 결정한다. 그러므로, 고려되는 진동 모드의 주파수를 낮출 경우, 최대 트랜스컨덕턴스 gm,max가 낮아진다.
설명을 위해, 본 발명의 범위 내에서 사용되는 앞서 언급한 공진자의 특정 실시예를 고려해보자. 즉, 상기 공진자는 74kHz 주변에 위치하는 기본 변형 모드, 393,216 kHz 주변에 위치하는 기본 비틀림 모드, 그리고 435 kHz 주변에 위치하는 제 1 변형 오버톤을 포함한다. 공진자의 특정 실시예에 따라, 직렬 저항 Rx의 값은 각각의 모드에 대해 대략 56, 8, 23 킬로오옴으로 각각 추정된다.
도 5는 피드백 저항 RF 값의 함수로 임계 트랜스컨덕턴스 gm,min과 최대 트랜 스컨덕턴스 gm,max의 전개 그래프를 도시한다. 그러므로 곡선 a1, b1, c1은 앞서 언급한 세 개의 모드 각각에 대한 임계 트랜스컨덕턴스 gm,min의 전개를 나타낸다. 마찬가지로 곡선 a2, b2, c2는 앞서 언급한 세 개의 진동 모드에 대한 최대 트랜스컨덕턴스 gm,max 전개를 나타낸다.
본 발명에 따라 바람직한 비틀림 모드에서 장치가 발진하는 것을 보장하기 위해, 다음의 조건이 충족되어야 한다.
기본 비틀림 모드에서 장치가 발진하는 것을 보장하기 위하여, 장치의 트랜스컨덕턴스 gm은 앞서 언급한 일반 조건 (4)을 먼저 충족시켜야 한다. 예를 들어 다음과 같다.
Figure 112000026947349-pat00007
더욱이, 불필요한 변형 모드에 따라 장치가 진동하는 것을 막기 위하여, 장치의 트랜스컨덕턴스 gm은 불필요한 기본 변형 모드의 최대 트랜스컨덕턴스 gm,max보다 반드시 커야만한다. 예를 들자면 다음과 같다.
Figure 112000026947349-pat00008
이 경우에, 바람직한 기본 비틀림 모드의 임계 트랜스컨덕턴스 gm,min이 제 1 변형 오버톤의 임계 트랜스컨덕턴스 gm,min보다 작다는 것을 보장하여야 한다. 그렇지 않을 경우, 장치는 제 1 변형 오버톤 모드에 따라 진동할 것이다. 예로 드는 특 별한 경우에, 이 조건은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112000026947349-pat00009
도 5는 앞서의 조건 (9)와 (10)을 만족시키는 모든 트랜스컨덕턴스값 gm을 A 영역에 도시한다. 조건 (11)은 공진자 특성의 적절한 선택에 의해 충족된다. 특히, 앞서 언급한 바와 같이, 바람직한 기본 비틀림 모드의 주파수가 불필요한 제 1 변형 오버톤의 주파수 아래에 있도록 공진자 설계가 이루어지는 것이 선호된다. 이 공진자 제작을 위해, 그리고 이 진동모드의 직렬 저항 Rx의 값이 방정식 (11)을 만족시킴을 보장하기 위해, 매우 특별하게 신경써야 할 것이다.
상대적으로 낮은 트랜스컨덕턴스값 gm을 보장하면서 조건 (9), (10)을 만족시키도록 피드백 저항 RF 값을 선택하는 것이 앞서로부터 이해될 것이다. 전력 소모 관점에서 이는 선호된다. 도 5에 도시되는 바의 경우에, 700-800 킬로오옴의 피드백 저항 RF가 선택되어, 불필요한 기본 변형 모드에 대한 최대 트랜스컨덕턴스를 수십 마이크로A/V로 감소시킬 것이다. 피드백 저항 RF의 동일한 값에 대해, 바람직한 기본 비틀림 모드에 대한 최대 트랜스컨덕턴스는 수 mA/V 수준이며, 그래서 장치의 트랜스컨덕턴스 gm에 대한 충분한 공차(tolerance)를 보장한다.
본 발명에 따라, 쿼츠 공진자의 기본 비틀림 모드에 따라 진동하도록 발진기 장치가 배열된다. 결과적으로, 변형 진동 쿼츠 공진자를 이용한 기본 발진기 장치에 비해 본 발명에 따르는 발진기 장치의 온도 특성이 개선된다.
장점을 가진 병형으로서, 발진기 장치에는 관리 회로의 출력 B에 연결되는 분할기 회로가 제공될 수 있다. 특히 393,216 kHz에서 발진 신호를 공급하도록 배열되는 발진기 장치에서, 이 신호는 32,768 kHz와 같은 주파수를 가지는 발진 신호를 도출하도록 12로 분할하는 디바이더 회로의 입력에 가해질 수 있다. 이 신호는 시계 장치에 특히 유용하다.
일반적으로, 바람직한 기본 비틀림 진동 모드는 32,768 kHz의 배수와 같은 주파수에 위치하도록 공진자가 제작될 것이다.
실제로, 본 발명에 따르는 발진기 장치는 가령, 세라믹, 금속, 또는 플라스틱 케이스를 포함하는 단일 소형 부품 형태로 제작되는 것이 바람직하다.
그러므로 본 발명은 앞서 언급한 비틀림 진동 공진자의 결함에 대한 해답을 제시한다. 즉, 바람직한 기본 비틀림 진동 모드에 따라 공진자가 진동하도록 공진자 진동에 대한 전자 관리 회로를 제공한다.
공진자의 특히 바람직한 실시예에 따라, 바람직한 기본 비틀림 진동 모드가 393,216 kHz에 가깝게 위치하도록, 즉 시계 장치용 쿼츠 공진자의 주파수인 32,768 kHz 주파수의 열두배가 되도록 공진자의 구조가 선택된다.

Claims (10)

  1. 쿼츠 공진자와, 상기 쿼츠 공진자의 진동 관리용 전자 관리 회로를 포함하는 저주파 발진기 장치로서,
    - 상기 쿼츠 공진자는 상기 쿼츠의 결정학적 축 X 에 대한 지정각(θ)에서 회전에 의해 정의되는 단일 절단 각도를 가지며, 그래서 상기 공진자가 제 1 주파수에서 한 개 이상의 기본 변형 진동 모드와, 상기 제 1 주파수보다 큰 제 2 주파수에서 기본 비틀림 진동 모드를 포함하고,
    - 공진자 진동을 관리용 상기 전자 관리 회로는 변환 증폭기 회로(2)로서, 상기 공진자의 상기 기본 변형 진동 모드에 따라서가 아니라 상기 기본 비틀림 진동 모드에 따라 상기 장치가 발진할 수 있도록 상기 변환 증폭기 회로(2)의 트랜스컨덕턴스 값(gm)이 정해지며,
    - 상기 변화 증폭기(2)는 제 1 로드 커패시터(C1)가 연결되는 입력(A)과 제 2 로드 커패시터(C2)가 연결되는 출력(B)을 포함하며, 상기 쿼츠 공진자(1)는 상기 변환 증폭기(2)의 피드백 경로에 연결되고, 이 전자 관리 회로는 상기 변환 증폭기(2)의 입력(A)과 출력(B) 사이에 연결되는 피드백 저항(RF)을 더 포함하고,
    - 상기 피드백 저항(RF)의 값이 공진자의 기본 변형 진동 모드에 대해 최대 트랜스컨덕턴스(gm,max)를 감소시키도록 정해지는 것을 특징으로 하는 저주파 발진기장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공진자는 상기 기본 비틀림 진동 모드의 주파수보다 높은 제 3의 주파수에서 제 1 변형 오버톤 모드라 불리는 또다른 변형 진동 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 저주파 발진기 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 변환 증폭기(2)는 CMOS 인버터로서, 전원 전위(VDD)와 접지 전위(VSS) 사이에 제 1 p형 트랜지스터(2a)와 제 2 n형 트랜지스터(2b)를 포함하며, 두 트랜지스터의 드레인이 서로 연결되어 인버터의 출력(B)을 형성하고, 두 트랜지스터의 게이트가 서로 연결되어 인버터의 입력(A)을 형성하는 것을 특징으로 하는 저주파 발진기 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 공진자는 조절 포크 형태를 가지며, 상기 기본 비틀림 진동 모드의 주파수가 32,768 kHz의 배수와 같도록 상기 공진자가 배열되는 것을 특징으로 하는 저주파 발진기 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 발진기 장치는 전자 관리 회로의 출력에 연결되는 분할기 회로를 추가로 포함하고, 상기 분할기 회로는 32,768 kHz 주파수에서 발진 신호를 도출하는 것을 특징으로 하는 저주파 발진기 장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 기본 비틀림 진동 모드의 주파수가 393,216 kHz와 같은 것을 특징으로 하는 저주파 발진기 장치.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 기본 비틀림 진동 모드의 주파수가 393,216 kHz와 같고, 상기 분할기 회로는 12로 분할되는 분할기 회로인 것을 특징으로 하는 저주파 발진기 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 공진자와 상기 전자 관리 회로가 한 케이스에 배열되는 것을 특징으로 하는 저주파 발진기 장치.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7071794B2 (en) * 2002-03-06 2006-07-04 Piedek Technical Laboratory Quartz crystal resonator, unit having resonator, oscillator having unit, electronic apparatus having oscillator, and method for manufacturing electronic apparatus
US7365478B2 (en) * 2003-12-17 2008-04-29 Piedek Technical Laboratory Piezoelectric crystal resonator, piezoelectric crystal unit having the crystal resonator and electronic apparatus having the crystal resonator
US6995622B2 (en) * 2004-01-09 2006-02-07 Robert Bosh Gmbh Frequency and/or phase compensated microelectromechanical oscillator
US7694734B2 (en) * 2005-10-31 2010-04-13 Baker Hughes Incorporated Method and apparatus for insulating a resonator downhole
FR2932333B1 (fr) * 2008-06-04 2010-08-13 Centre Nat Rech Scient Resonateur hbar a stabilite en temperature elevee
JP5936396B2 (ja) * 2012-03-16 2016-06-22 シチズンファインデバイス株式会社 水晶振動子
EP2757352B1 (fr) * 2013-01-17 2015-11-18 EM Microelectronic-Marin SA Système de contrôle et méthode de gestion de capteur
JP2016187153A (ja) * 2015-03-27 2016-10-27 セイコーエプソン株式会社 発振器、電子機器及び移動体

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4503353A (en) * 1982-07-14 1985-03-05 Centre Electronique Horloger S.A. Cut angles for tuning fork type quartz resonators
JPH04167806A (ja) * 1990-10-31 1992-06-15 Oki Micro Design Miyazaki:Kk 発振装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2042796B (en) 1978-12-01 1983-01-19 Suwa Seikosha Kk Piezoelectric vibrator
JPS5575318A (en) * 1978-12-04 1980-06-06 Seiko Epson Corp Tuning fork type oscillator
US4320320A (en) 1978-12-01 1982-03-16 Kabushiki Kaisha Suwa Seikosha Coupled mode tuning fork type quartz crystal vibrator
DE3168638D1 (en) * 1980-08-29 1985-03-14 Asulab Sa Quartz thermometer
US4498025A (en) 1980-12-12 1985-02-05 Seiko Instruments & Electronics Ltd. Tuning fork
JPS5853213A (ja) * 1981-09-25 1983-03-29 Seiko Instr & Electronics Ltd 音又型水晶振動子
JPS63219208A (ja) * 1987-03-06 1988-09-12 Mitsubishi Electric Corp 発振回路
JPH07162237A (ja) 1993-12-07 1995-06-23 Nec Corp 発振回路
JP3536665B2 (ja) * 1998-05-06 2004-06-14 セイコーエプソン株式会社 電圧制御圧電発振器調整システムおよび電圧制御圧電発振器調整方法
JP4401523B2 (ja) * 2000-03-09 2010-01-20 旭化成エレクトロニクス株式会社 水晶発振器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4503353A (en) * 1982-07-14 1985-03-05 Centre Electronique Horloger S.A. Cut angles for tuning fork type quartz resonators
JPH04167806A (ja) * 1990-10-31 1992-06-15 Oki Micro Design Miyazaki:Kk 発振装置

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Publication number Publication date
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