TW201526525A - 振盪電路、振盪器、電子機器、移動體及振盪器之頻率調整方法 - Google Patents

振盪電路、振盪器、電子機器、移動體及振盪器之頻率調整方法 Download PDF

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Yuichi Toriumi
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Abstract

本發明提供一種可修正中心頻率並且輸出頻率可高速變化，且輸出頻率之可變範圍之擴展亦容易之振盪電路及振盪器等。振盪電路包含：電壓控制振盪電路，其包括可變電容電路，且使振動器3振盪而產生振盪信號，該可變電容電路包含基於控制電壓VC控制電容值之可變電容元件；及分數N-PLL電路，其被輸入電壓控制振盪電路所產生之振盪信號，且包含基於控制輸入資料(整數分頻比N及分數分頻比F/M)控制振盪頻率之電壓控制振盪器。

Description

振盪電路、振盪器、電子機器、移動體及振盪器之頻率調整方法
本發明係關於一種振盪電路、振盪器、電子機器、移動體及振盪器之頻率調整方法。
可自外部端子使輸出頻率於所需之範圍內變化之振盪器於光通信等領域需求逐漸提高。作為此種振盪器，已知有類比型電壓控制振盪器(例如電壓控制晶體振盪器(VCXO：Voltage Controlled Crystal Oscillator))或數位型振盪器等，該類比型電壓控制振盪器係藉由使振盪電路之負載電容之電容值根據施加至外部端子之控制電壓變化，而使輸出頻率變化，該數位型振盪器係於SPXO(Simple Packaged Crystal Oscillator，簡單封裝晶體振盪器)之後段連接分數(fractional)N-PLL(Phase Locked Loop，鎖相迴路)電路，且自外部端子改變分數N-PLL電路之設定，藉此使輸出頻率變化。
類比型振盪器係例如揭示於專利文獻1。於專利文獻1所記載之振盪器中，設置複數條電容值受到電壓控制之可變電容元件與電容器之串聯電路，並將該等串聯電路相互並聯地連接，用作晶體振動器之負載電容電路，藉此可變地控制輸出頻率。
又，數位型振盪器係例如揭示於專利文獻2。於專利文獻2所記 載之振盪器中，利用類比-數位轉換器(ADC)將控制電壓VC轉換為數位值，根據該數位值控制分數N-PLL電路之分頻比，藉此可變地控制輸出頻率。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2012-64915號公報
[專利文獻2]日本專利特表2006-526946號公報
然而，於專利文獻1所記載之振盪器中，存在如下等問題：於變更中心頻率(控制電壓為可變範圍之中心電壓時之輸出頻率)之情形時必須變更晶體振動器，無法對中心頻率進行如設定資料之變更般之電性修正，於輸出頻率之可變範圍產生限制。
又，於專利文獻2所記載之振盪器中，由於ADC之動作速度存在極限，故而難以使輸出頻率高速地變化(提高調變頻帶之上限)，且若使ADC高速動作，則擔心數位雜訊或消耗電流增加。
本發明係鑒於如上所述之問題而完成者，根據本發明之若干個態樣，能夠提供一種可電性修正中心頻率並且輸出頻率可高速變化，且輸出頻率之可變範圍之擴展亦容易之振盪電路及振盪器。又，根據本發明之若干個態樣，能夠提供一種使用該振盪電路或振盪器之可靠性較高之電子機器及移動體。
本發明係為了解決上述問題之至少一部分而完成者，可作為以下之態樣或應用例而實現。
[應用例1]
本應用例之振盪電路包含：電壓控制振盪電路，其包括可變電 容電路，且使振動器振盪而產生振盪信號，該可變電容電路包含基於輸入電壓控制電容值之可變電容元件；及PLL電路，其被輸入上述振盪信號，且包含基於控制輸入資料控制振盪頻率之振盪部。
電壓控制振盪電路亦可為例如皮爾斯(Pierce)振盪電路、反相器型振盪電路、考比次(Colpits)振盪電路、哈特立(Hartley)振盪電路等各種振盪電路之一部分。
根據本應用例之振盪電路，可藉由設置於電壓控制振盪電路之後段之PLL電路調整電壓控制振盪電路所輸出之振盪信號之頻率，故而可在不對晶體振動器實施物理加工之情況下修正中心頻率。
又，根據本應用例之振盪電路，由於電壓控制振盪電路之振盪頻率追隨輸入電壓之變化而變化，故而若例如於不改變PLL電路之設定之情況下使輸入電壓高速地變化，則可使輸出頻率高速地變化。或者，若經由數位介面變更(在不進行AD(Analog-Digital，類比-數位)轉換之情況下變更設定)PLL電路之設定，則可高速地切換PLL電路所輸出之振盪信號之頻率，故而可使輸出頻率高速地變化。
於上述應用例之振盪電路中，上述可變電容電路亦可包括開關電路，該開關電路排他地選擇上述輸入電壓與固定電壓並施加至上述可變電容元件。例如，若於上述可變電容電路設置複數個上述可變電容元件與複數條上述開關電路，則可根據開關電路針對每個可變電容元件所選擇之電壓，容易地變更可變電容電路之電容值(複數個可變電容元件之合成電容值)之可變幅度。藉此，可容易地變更振盪電路之輸出頻率之可變範圍(頻率可變感度)。又，與可變電容元件之數量無關，輸入電壓與固定電壓一致時之可變電容電路之合成電容值成為固定，而合成電容值之線性亦得以維持，故而藉由增加可變電容元件，可一面確保振盪電路之輸出頻率之變化之直線性一面擴大頻率可變幅度。
[應用例2]
於上述應用例之振盪電路中，上述PLL電路亦可為分數N-PLL電路。
根據本應用例之振盪電路，可藉由電壓控制振盪電路進行輸出頻率之粗調整，並且藉由可分數倍增之分數N-PLL電路進行輸出頻率之微調整。或者，亦可藉由分數N-PLL電路進行輸出頻率之粗調整，並且藉由電壓控制振盪電路進行輸出頻率之微調整。
進而，根據本應用例之振盪電路，若在不改變分數N-PLL電路之設定之情況下使輸入電壓變化而改變電壓控制振盪電路之振盪頻率，藉此使輸出頻率變化，則由於分數N-PLL電路之設定不變，故而可減少產生整數值邊界寄生之頻率之變動。
[應用例3]
於上述應用例之振盪電路中，上述振盪信號亦可為振幅小於供給至上述振盪電路之電源電壓的信號。
根據本應用例之振盪電路，藉由將電壓控制振盪電路輸出之振盪信號設為小振幅，從而電壓控制振盪電路與PLL電路之間之振盪信號之收發所需之能量變小，而可減少混入至PLL電路所包含之振盪部之雜訊量。因此，可減少PLL電路之振盪部所輸出之振盪信號之相位雜訊或跳動。
[應用例4]
於上述應用例之振盪電路中，上述電壓控制振盪電路與上述PLL電路所包含之上述振盪部亦可自互不相同之電源被供給電源電壓。
根據本應用例之振盪電路，藉由將電壓控制振盪電路之電源與PLL電路之振盪部之電源分離，而使於使輸入電壓變化時產生之電壓控制振盪電路之電源電壓之變動不與PLL電路之振盪部之電源電壓重疊，故而可減少雜訊向PLL電路之振盪部所輸出之振盪信號之重疊。 因此，可減少PLL電路之振盪部所輸出之振盪信號之相位雜訊或跳動。
[應用例5]
本應用例之振盪器包含上述任一振盪電路、及振動器。
根據本應用例之振盪器，由於包含上述任一振盪電路，故而可修正中心頻率並且輸出頻率可高速變化，且輸出頻率之可變範圍之擴展亦容易。
[應用例6]
本應用例之電子機器包含上述任一振盪電路。
[應用例7]
本應用例之移動體包含上述任一振盪電路。
根據該等應用例之電子機器及移動體，由於包含可修正中心頻率並且輸出頻率可高速變化、且輸出頻率之可變範圍之擴展亦容易之振盪電路，故而可實現較高之實用性。
[應用例8]
本應用例之振盪器之頻率調整方法係如下振盪器之頻率調整方法，該振盪器包括：振動器；電壓控制振盪電路，其包括可變電容電路，且使上述振動器振盪而產生振盪信號，該可變電容電路包含基於輸入電壓控制電容值之可變電容元件；及PLL電路，其被輸入上述振盪信號，且包含基於控制輸入資料控制振盪頻率之振盪部；該振盪器之頻率調整方法包括如下步驟：藉由改變上述PLL電路之設定而調整上述振盪信號之頻率；及藉由在不改變上述PLL電路之上述設定之情況下改變上述輸入電壓，而使上述可變電容元件之電容值變化，從而調整上述振盪信號之頻率。
根據本應用例之振盪器之頻率調整方法，藉由利用PLL電路調整電壓控制振盪電路所輸出之振盪信號之頻率，可修正中心頻率。進 而，藉由在不改變PLL電路之設定之情況下使輸入電壓高速地變化，可使輸出頻率高速地變化。
又，根據本應用例之振盪器之頻率調整方法，在不改變PLL電路之設定之情況下使輸入電壓變化而改變電壓控制振盪電路之振盪頻率，藉此使輸出頻率變化，故而即便使用例如分數N-PLL電路作為PLL電路，亦可減少產生整數值邊界寄生之頻率之變動。
[應用例9]
於上述應用例之振盪器之頻率調整方法中，上述PLL電路之上述設定亦可為整數分頻比及分數分頻比之設定。
1‧‧‧振盪器
2‧‧‧振盪電路
3‧‧‧振動器
10‧‧‧電壓控制振盪電路
11‧‧‧反相器電路
12‧‧‧可變電容電路
13‧‧‧可變電容電路
14‧‧‧反饋電阻
20‧‧‧分數N-PLL電路
21‧‧‧相位比較器
22‧‧‧電荷泵
23‧‧‧低通濾波器
24‧‧‧電壓控制振盪器
25‧‧‧三角積分調變器
26‧‧‧加法器
27‧‧‧整數分頻器
30‧‧‧輸出電路
40‧‧‧調節器
50‧‧‧調節器
60‧‧‧頻率設定暫存器
70‧‧‧串列I/F電路
80‧‧‧非揮發記憶體
300‧‧‧電子機器
310‧‧‧振盪器
312‧‧‧振盪電路
313‧‧‧振動器
320‧‧‧CPU
330‧‧‧操作部
340‧‧‧ROM
350‧‧‧RAM
360‧‧‧通信部
370‧‧‧顯示部
400‧‧‧移動體
410‧‧‧振盪器
420、430、440‧‧‧控制器
450‧‧‧電池
460‧‧‧備份用電池
C0‧‧‧電容值
CAP‧‧‧電容選擇資料
CAP(0)~CAP(14)‧‧‧位元
CK1‧‧‧振盪信號
CK2‧‧‧振盪信號
CKN‧‧‧反相信號
CKP‧‧‧非反相信號
CP0~CP14‧‧‧固定電容
CT‧‧‧控制部
F/M‧‧‧分數分頻比
F0‧‧‧頻率
GND‧‧‧接地端子
N‧‧‧整數分頻比
OUT_N、OUT_P‧‧‧差動輸出端子
RS0~RS14‧‧‧電阻
SCL、SDA‧‧‧外部介面用之端子
SW0~SW14‧‧‧開關
T1‧‧‧端子
T2‧‧‧端子
V0‧‧‧固定電壓
VC‧‧‧控制電壓
VC‧‧‧頻率控制用之端子
Vcc‧‧‧電源端子
Vcc‧‧‧電源電壓
VCmax‧‧‧控制電壓VC之最大值
VCmin‧‧‧控制電壓VC之最小值
VCP0~VCP14‧‧‧變容二極體
Vreg1‧‧‧固定電壓
Vreg2‧‧‧固定電壓
XI、XO‧‧‧與振動器3之連接端子
圖1係本實施形態之振盪器之構成圖。
圖2係表示電壓控制振盪電路之構成例之圖。
圖3係表示可變電容電路之構成例之圖。
圖4(A)、(B)係說明控制電壓VC與可變電容電路之合成電容值之關係之圖。
圖5係表示分數N-PLL電路之構成例之圖。
圖6係振盪信號之波形圖。
圖7(A)、(B)係可藉由分數N-PLL電路修正中心頻率之情況之說明圖。
圖8(A)、(B)係可藉由分數N-PLL電路擴展頻率可變範圍之情況之說明圖。
圖9(A)、(B)係說明於先前之振盪器中使輸出頻率變化之情形時產生整數值邊界寄生之頻率變化之情況的圖。
圖10係表示在先前構成之振盪器中產生之整數值邊界寄生之一例的圖。
圖11(A)、(B)係說明於本實施形態之振盪器中使輸出頻率變化之 情形時產生整數值邊界寄生之頻率幾乎不變之情況的圖。
圖12係表示在本實施形態之振盪器中產生之整數值邊界寄生之一例的圖。
圖13係表示本實施形態之振盪器之頻率調整方法之流程圖之一例的圖。
圖14係本實施形態之電子機器之功能方塊圖。
圖15係表示本實施形態之電子機器之外觀之一例的圖。
圖16係表示本實施形態之移動體之一例的圖。
以下，使用圖式對本發明之較佳之實施形態進行詳細說明。再者，以下所說明之實施形態並非不合理地限定申請專利範圍所記載之本發明之內容者。又，以下所說明之所有構成未必均為本發明之必須構成要件。
1.振盪器
[振盪器之構成]
圖1係本實施形態之振盪器之構成圖。如圖1所示，本實施形態之振盪器1係包含振盪電路2與振動器3之振盪器，且振盪電路2與振動器3被收容於未圖示之封裝體。
於本實施形態中，振動器3係使用晶體作為基板材料之晶體振動器，例如，使用AT切割或SC切割之晶體振動器。振動器3亦可為SAW(Surface Acoustic Wave，表面聲波)共振子或MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微機電系統)振動器。又，作為振動器3之基板材料，除了晶體以外，可使用鉭酸鋰、鈮酸鋰等壓電單晶、或鋯酸鈦酸鉛等壓電陶瓷等壓電材料、或矽半導體材料等。作為振動器3之激振方法，既可使用藉由壓電效果之方法，亦可使用藉由庫侖力(Coulomb force)之靜電驅動。
振盪電路2設置有作為電源端子之Vcc端子、作為接地端子之GND端子、作為差動輸出端子之OUT_P端子及OUT_N端子、頻率控制用之VC端子、外部介面用之SDA端子及SCL端子、以及作為與振動器3之連接端子之XI端子及XO端子。Vcc端子、GND端子、OUT_P端子、OUT_N端子、SDA端子及SCL端子亦連接於振盪器1之外部端子(未圖示)。
於本實施形態中，振盪電路2構成為包含電壓控制振盪電路10、分數N-PLL電路20、輸出電路30、調節器40、調節器50、頻率設定暫存器60、串列介面(I/F)電路70及非揮發記憶體80。再者，本實施形態之振盪電路2亦可設為省略或變更該等要素之一部分、或追加其他要素而成之構成。
電壓控制振盪電路10係用以使振動器3振盪之電路，將振動器3之輸出信號放大並反饋至振動器3。電壓控制振盪電路10輸出基於振動器3之振盪之振盪信號CK1。該振盪信號CK1之頻率根據自VC端子輸入之控制電壓VC變化。於本實施形態中，在非揮發記憶體80中記憶有用以選擇電壓控制振盪電路10所包含之可變電容電路之電容值的電容選擇資料CAP，並經由頻率設定暫存器60進行設定。構成為可根據電容選擇資料CAP之設定值選擇電壓控制振盪電路10之振盪頻率之可變範圍。
分數N-PLL電路20根據作為自頻率設定暫存器60輸入之控制輸入資料之整數分頻比N及分數分頻比F/M，產生使振盪信號CK1之頻率(參考頻率)倍增所得之振盪信號CK2。此處，於振盪信號CK1之頻率f1與振盪信號CK2之頻率f2之間，下式(1)之關係成立。
輸出電路30將分數N-PLL電路20輸出之振盪信號CK2轉換為包含非反相信號CKP與反相信號CKN之差動信號。該非反相信號CKP係自輸出端子OUT_P輸出至外部，反相信號CKN係自輸出端子OUT_N輸出至外部。輸出電路30亦可為例如LVDS(Low Voltage Differential Signaling，低電壓微分發信)電路、PECL(Positive Emitter Coupled Logic，正射極耦合邏輯)電路、LVPECL(Low Voltage PECL，低電壓正射極耦合邏輯)電路等差動輸出電路。但是，輸出電路30亦可為單端(single ended)之輸出電路。
調節器40基於自Vcc端子供給之電源電壓Vcc，產生低於Vcc之固定電壓Vreg1。該固定電壓Vreg1作為電壓控制振盪電路10之電源電壓及分數N-PLL電路20之一部分電路之電源電壓被供給。
調節器50基於自Vcc端子供給之電源電壓Vcc，產生低於Vcc之固定電壓Vreg2。該固定電壓Vreg2作為分數N-PLL電路20之一部分電路之電源電壓被供給。
於本實施形態中，固定電壓Vreg1與固定電壓Vreg2係相同電壓，但於在將Vreg1作為電源電壓之電路與將Vreg2作為電源電壓之電路之介面部分不產生誤動作之限度內，Vreg1與Vreg2亦可不同。
於本實施形態中，串列介面電路70係I2C(Inter-Integrated Circuit，內置積分電路)標準之數位介面電路，自SDA端子輸入輸出串列資料信號，且自SCL輸入時脈信號。構成為可經由該SDA端子、SCL端子及串列介面電路70，自外部裝置對頻率設定暫存器60內之整數分頻比N之設定用暫存器或分數分頻比F/M之設定用暫存器(均未圖示)或者非揮發記憶體80進行讀取/寫入。經由該串列介面電路70，可高速地變更分數N-PLL電路20之整數分頻比N及分數分頻比F/M。
再者，串列介面電路70亦可為除I2C以外之通信標準之介面電路。又，振盪電路2既可為經單晶片化之半導體積體電路(IC： integrated circuit)，亦可包含複數個晶片之IC，亦可一部分包含離散零件。
[電壓控制振盪電路之構成]
圖2係表示圖1之電壓控制振盪電路10之構成例之圖。如圖2所示，電壓控制振盪電路10構成為包含反相器電路11、2個可變電容電路12、13及反饋電阻14。
反相器電路11及反饋電阻14係與振動器3並聯連接。
可變電容電路12係連接於反相器電路11之輸入端子與接地之間，可變電容電路13係連接於反相器電路11之輸出端子與接地之間。
反相器電路11被供給調節器40所產生之電壓Vreg1作為電源電壓，且將可變電容電路12、13作為負載電容使振動器3振盪而產生振盪信號CK1。該振盪信號CK1之頻率係根據振動器3之共振頻率與可變電容電路12、13之各電容值決定。
圖3係表示可變電容電路12、13之構成例之圖。可變電容電路12、13係構成為包含N個(N為2以上之整數，於圖3中N=15)變容二極體VCP0、VCP1、…、VCP14(可變電容元件之一例)、N個固定電容CP0、CP1、…、CP14、N個電阻RS0、RS1、…、RS14、及控制部CT。
固定電容CP0~CP14分別係第1端子與T1端子共通地連接，第2端子與變容二極體VCP0~VCP14之一端連接。
變容二極體VCP0~VCP14分別係第1端子與固定電容CP0~CP14之第2端子連接，第2端子與T2端子共通地連接。
如圖2所示，可變電容電路12之T1端子與反相器電路11之輸入端子連接，可變電容電路13之T1端子與反相器電路11之輸出端子連接。又，可變電容電路12之T2端子與可變電容電路13之T2端子均接地。
控制部CT包括N個開關SW0~SW14，開關SW0~SW14(開關電 路之一例)係分別於第1輸入端子被輸入固定電壓V0，於第2輸入端子被輸入控制電壓VC。又，開關SW0~SW14之輸出端子分別經由電阻RS0~RS14與變容二極體VCP0~VCP14之第1端子連接。
於將控制電壓VC之最小電壓及最大電壓分別設為VCmin及VCmax時，固定電壓V0係固定為VCmin以上且VCmax以下之任一電壓。於本實施形態中，固定電壓V0係控制電壓VC之最小值VCmin與最大值VCmax之正中間之電壓、即(VCmin+VCmax)/2，若例如將最小值VCmin設為0V，將最大值VCmax設為自外部供給之電源電壓Vcc，則V0=Vcc/2。固定電壓V0既可由圖1所示之調節器40產生，亦可由未圖示之電壓產生電路產生。
而且，開關SW0~SW14係分別於控制端子根據N位元之電容選擇資料CAP之各位元CAP(0)~CAP(14)被輸入高位準或低位準之控制信號，若被輸入高位準之控制信號則第1輸入端子與輸出端子導通，若被輸入低位準之控制信號則第2輸入端子與輸出端子導通。但是，開關SW0~SW14亦可為若被輸入高位準之控制信號則第2輸入端子與輸出端子導通，若被輸入低位準之控制信號則第1輸入端子與輸出端子導通。
因此，對與開關SW0~SW14中被輸入高位準之控制信號之開關之輸出端子連接的變容二極體之第1端子施加固定電壓V0，對與被輸入低位準之控制信號之開關之輸出端子連接的變容二極體之第1端子施加控制電壓VC。其結果，被施加固定電壓V0之變容二極體(圖3之VCP0、VCP14)不受控制電壓VC影響而具有固定之電容值，被施加控制電壓VC之變容二極體(圖3之VCP1)之電容值根據控制電壓VC而變化。
圖4(A)係說明控制電壓VC與可變電容電路12(或可變電容電路13)之合成電容值之關係之圖。於圖4(A)中，橫軸表示控制電壓VC，縱 軸表示可變電容電路12(或可變電容電路13)之合成電容值(變容二極體VCP0~VCP14之合成電容值)。圖4(A)所示之6條特性曲線(電壓-合成電容值特性)CKVn(n=0、3、6、9、12、15)係對15個變容二極體VCP0~VCP14中之n個施加有固定電壓V0之情形時之特性曲線。
CKV15係對所有變容二極體VCP0~VCP14施加有固定電壓V0之情形時之特性曲線，合成電容值不受控制電壓VC影響而固定為電容值C0。CKV3、CKV6、CKV9、CKV12分別係對3個、6個、9個、12個變容二極體施加有固定電壓V0之情形時之特性曲線，於控制電壓VC與固定電壓V0一致時合成電容值與電容值C0一致，被施加固定電壓V0之變容二極體之數量越少，則利用控制電壓VC之合成電容值之可變範圍越廣。CKV0係對所有變容二極體VCP0~VCP14施加有控制電壓VC之情形時之特性曲線，於控制電壓VC與固定電壓V0一致時合成電容值與電容值C0一致，且利用控制電壓VC之合成電容值之可變範圍最廣。
再者，為了方便圖示，而於圖4(A)中省略了CKVn(n=1、2、4、5、7、8、10、11、13、14)之顯示，但該等特性曲線亦係於控制電壓VC與固定電壓V0一致時合成電容值與電容值C0一致，且合成電容值根據控制電壓VC變化。
圖4(B)係說明控制電壓VC與電壓控制振盪電路10之振盪頻率之關係之圖。於圖4(B)中，橫軸表示控制電壓VC，縱軸表示電壓控制振盪電路10之振盪頻率(振盪信號CK1之頻率)。圖4(B)所示之6條特性曲線(電壓-頻率特性)FKVn(n=0、3、6、9、12、15)係對15個變容二極體VCP0~VCP14中之n個施加有固定電壓V0之情形時之特性曲線，且分別對應於變容二極體VCP0~VCP14之合成電容值為圖4(A)之特性曲線(電壓-合成電容值)CKVn之情形。
FKV15之振盪頻率不受控制電壓VC影響而固定為頻率F0。 FKV3、FKV6、FKV9、FKV12係於控制電壓VC與固定電壓V0一致時振盪頻率與頻率F0一致，且被施加固定電壓V0之變容二極體之數量越少，則利用控制電壓VC之振盪頻率之可變範圍越廣。FKV0係於控制電壓VC與固定電壓V0一致時振盪頻率與頻率F0一致，且利用控制電壓VC之振盪頻率之可變範圍最廣。
如此，於本實施形態中，電壓控制振盪電路10藉由包括可變電容電路12、13，而能夠根據電容選擇資料CAP之設定值，容易地變更相對於控制電壓VC之變化之頻率可變範圍(頻率可變感度)。因此，可調整於振盪器1之個體間產生之電壓控制振盪電路10之頻率可變幅度之差異，而控制為固定之可變幅度。
又，於可變電容電路12、13中，與變容二極體之數量無關，控制電壓VC為固定電壓V0時之合成電容值固定，而合成電容值之線性亦得以維持，故而藉由增加變容二極體，可一面確保電壓控制振盪電路10之振盪頻率之變化相對於控制電壓VC之變化之直線性一面擴大頻率可變幅度。
再者，於本實施形態之可變電容電路12、13中，變容二極體VCP0、VCP2、…、VCP14係使用相同種類者(電容之中心值及可變幅度均相同者)，但亦可構成為於一部分或所有變容二極體中，使用電容值之中心值或可變幅度為不同種類者。又，於本實施形態中，可變電容電路12與可變電容電路13為相同構成，但亦可為使可變電容元件之數量不同等相互不同之構成。又，電壓控制振盪電路10亦可為不具有可變電容電路12與可變電容電路13中之其中一者之構成。
[分數N-PLL電路之構成]
圖5係表示圖1之分數N-PLL電路20之構成例之圖。如圖5所示，分數N-PLL電路20構成為包含相位比較器(PFD：Phase Frequency Detector(相位頻率偵測器))21、電荷泵(CP：Charge Pump)22、低通濾 波器(LPF：Low Pass Filter)23、電壓控制振盪器(VCO：Voltage Controlled Oscillator)24、三角積分調變器(delta-sigma modulator)25、加法器26及整數分頻器27。
相位比較器21對電壓控制振盪電路10輸出之振盪信號CK1與整數分頻器27之輸出信號之相位差進行比較，並將比較結果作為脈衝電壓輸出。
電荷泵22將相位比較器21輸出之脈衝電壓轉換為電流，低通濾波器23將電荷泵22輸出之電流平流化及電壓轉換。
電壓控制振盪器24(振盪部之一例)輸出振盪頻率根據低通濾波器23之輸出電壓變化之振盪信號CK2。
三角積分調變器25輸出對分數分頻比F/M進行積分並將其量子化所得之信號。
加法器26輸出將三角積分調變器25之輸出信號(0或1)與整數分頻比N相加所得之信號(N或N+1)。
整數分頻器27輸出將加法器26之輸出信號(N或N+1)作為分頻比而將振盪信號CK2分頻所得之信號。
該分數N-PLL電路20藉由根據三角積分調變器25之輸出信號對整數分頻器27進行調變，而平均地實現分數分頻，且輸出如式(1)所示般將振盪信號CK1之頻率(參考頻率)f1分數倍增(N+F/M倍)所得之頻率(輸出頻率)f2之振盪信號CK2。
[用以減少相位雜訊之增加之設計]
於本實施形態中，對相位比較器21、電荷泵22、三角積分調變器25、加法器26及整數分頻器27，與電壓控制振盪電路10同樣地，供給固定電壓Vreg1作為電源電壓，對低通濾波器23及電壓控制振盪器24，供給與Vreg1不同之固定電壓Vreg2作為電源電壓。因此，如圖6所示，振盪信號CK1之高位準為Vreg1，相對於此，振盪信號CK2之 高位準為Vreg2。藉由以此方式將以參考頻率進行動作之電路之電源與以輸出頻率進行動作之電路之電源分離，而使具有參考頻率之雜訊之Vreg1之電壓變動不與以輸出頻率進行動作之Vreg2重疊，故而可減少雜訊向振盪信號CK2之重疊。
又，於本實施形態中，電壓控制振盪電路10將低於自Vcc端子供給之電源電壓Vcc之電壓Vreg1之振幅(小振幅)之振盪信號CK1輸出至分數N-PLL電路20。藉由以此方式將振盪信號CK1設為小振幅，從而電壓控制振盪電路10與分數N-PLL電路20之間之振盪信號CK1之收發所需之能量變小，而能夠減少混入至電壓控制振盪器24之雜訊量。
藉由該等設計，可減少振盪器1之輸出信號之相位雜訊或跳動。
[中心頻率之修正]
於本實施形態之振盪器1中，可使用分數N-PLL電路20之功能，修正輸出信號之中心頻率(VC為中心電壓(=(VCmin+VCmax)/2)時之輸出頻率)。
圖7(A)係表示於設為VCmin=0V、VCmax=Vcc時，設為不具有分數N-PLL電路20之情形時之振盪器1中的VC電壓與輸出頻率之變化量之關係之一例的圖。一般而言，因振動器3或電壓控制振盪電路10之特性之個體差，而導致中心頻率(VC=Vcc/2時之輸出頻率)自基準值(設計值)之變化量於圖7(A)中以兩箭頭表示之範圍內針對振盪器1之每一個體產生差異。
另一方面，圖7(B)係表示於設為VCmin=0V、VCmax=Vcc時，藉由分數N-PLL電路20修正中心頻率之情形時之振盪器1中的VC電壓與輸出頻率之變化量之關係之一例的圖。由於分數N-PLL電路20可根據整數分頻比N與分數分頻比F/M以高解析度對電壓控制振盪電路10所輸出之振盪信號CK1進行頻率轉換，故而可如圖7(B)所示般，針對振盪器1之每一個體，將中心頻率自基準值之變化量(偏差)修正為大 致0ppm。
[頻率可變範圍之擴展]
又，於本實施形態之振盪器1中，可使用分數N-PLL電路20之功能，擴展輸出頻率之可變範圍。
圖8(A)係表示於設為VCmin=0V、VCmax=Vcc時，設為不具有分數N-PLL電路20之情形時之振盪器1中的VC電壓與輸出頻率之變化量之關係之一例的圖。因振動器3之特性或電壓控制振盪電路10之電容值等，導致輸出頻率之可變範圍被限制於例如圖8(A)中以兩箭頭表示之範圍內。
另一方面，圖8(B)係表示於設為VCmin=0V、VCmax=Vcc時，藉由分數N-PLL電路20使輸出頻率變化之情形時之振盪器1中的VC電壓與輸出頻率之變化量之關係之一例的圖。分數N-PLL電路20由於可根據整數分頻比N與分數分頻比F/M將電壓控制振盪電路10所輸出之振盪信號CK1於較廣之範圍內進行頻率轉換，故而如圖8(B)中以朝上之箭頭所示般對中心頻率添加正偏移而提高輸出頻率，或者如朝下之箭頭所示般對中心頻率添加負偏移而降低輸出頻率，藉此輸出頻率之可變範圍被擴展至例如以兩箭頭表示之範圍。
[振盪器之頻率調整方法]
於本實施形態之振盪器1中，作為用以獲得所需之輸出頻率之頻率調整方法，例如考慮以下2種方法。
頻率調整方法1：
藉由設定分數N-PLL電路20之分頻比而將輸出頻率粗調整為所需之頻率附近，並且以使控制電壓VC變化而使輸出頻率成為所需之頻率之方式進行微調整。利用該方法1，可降低分數N-PLL電路20之分頻比之設定解析度(設定位元數較少)，故而對振盪器1之小型化有利。
頻率調整方法2：
以使控制電壓VC變化而使輸出頻率成為所需之頻率附近之方式進行粗調整，並且以藉由設定分數N-PLL電路20之分頻比而使輸出頻率成為所需之頻率之方式進行微調整。利用該方法2，將分數N-PLL電路20之分頻比之設定解析度(位元數)設計得極高，藉此可進行極高精度之調整。
[產生整數值邊界寄生之頻率之變動減少方法]
一般而言，於將失諧頻率(偏移頻率)作為橫軸於所需之範圍內測定分數N-PLL電路之輸出信號之相位雜訊特性時，具有參考頻率之整數倍之高次諧波與輸出頻率之差之頻率成分的信號作為整數值邊界寄生(IBS)出現。
例如，於在SPXO之後段設置有分數N-PLL電路之先前之振盪器(例如專利文獻2所記載之振盪器)中，若藉由改變分數N-PLL電路之分頻比而使輸出頻率變化，則產生整數值邊界寄生之頻率亦會變化。使用圖9，對在先前之振盪器中使輸出頻率變化之情形時產生整數值邊界寄生之頻率變化之情況進行說明。
如圖9(A)所示，於參考頻率為100.00075MHz時，於藉由將分頻比設定為3.9997而使輸出頻率為400.00000MHz之情形時，於失諧頻率30kHz時產生整數值邊界寄生。相對於此，如圖9(B)所示，於藉由將分頻比變為3.9999而使輸出頻率僅變化+50ppm從而成為400.02000MHz之情形時，於失諧頻率10kHz時產生整數值邊界寄生。即，若使輸出頻率變化+50ppm，則產生整數值邊界寄生之頻率改變20kHz。
於圖10中表示在先前構成之振盪器中產生之整數值邊界寄生之一例。於圖10中，橫軸表示失諧頻率(偏移頻率)，縱軸表示相位雜訊。於圖10中，將輸出頻率為0ppm時之相位雜訊特性、輸出頻率為+50ppm時之相位雜訊特性及輸出頻率為-50ppm時之相位雜訊特性重 疊地圖示。輸出頻率為0ppm時之整數值邊界寄生係圖9(A)中所說明之整數值邊界寄生，輸出頻率為+50ppm時之整數值邊界寄生係圖9(B)中所說明之整數值邊界寄生。又，於圖10中，亦表示有輸出頻率為-50ppm時之整數值邊界寄生。如圖10所示，於先前構成之振盪器中，若使輸出頻率變化，則產生整數值邊界寄生之頻率大幅地變動。
如此般產生整數值邊界寄生之頻率變動之情況於評價振盪器之性能方面不合適。例如，於對振盪器之輸出頻率進行調變而進行光通信之光網路系統中，存在以位元錯誤率(bit error rate)評價振盪器之性能評價之情形。該位元錯誤率與振盪器之輸出信號之相位雜訊特性有關聯，於某一標準下12kHz~20MHz之相位雜訊特性變得重要，於另一標準下50kHz~80MHz之相位雜訊特性變得重要。將對該頻帶之相位雜訊進行積分所得者作為振盪器之輸出信號之跳動進行評價，跳動越大則位元錯誤率變得越高。於圖9(A)所說明之例中，整數值邊界寄生產生於12kHz~10MHz或者20kHz~80MHz之頻帶內，相對於此，於圖9(B)所說明之例中，整數值邊界寄生產生於該頻帶外。因此，圖9(A)所說明之例之跳動更大，故而位元錯誤率變得更高。即，於利用先前構成之振盪器之情形時，由於每當輸出頻率變化時位元錯誤率便變動，故而難以準確地評價振盪器之性能。
相對於此，於本實施形態之振盪器1中，藉由在不改變分數N-PLL電路20之分頻比之設定之情況下使控制電壓VC變化而改變輸出頻率，可減少產生整數值邊界寄生之頻率之變動。使用圖11，對在本實施形態之振盪器1中使輸出頻率變化之情形時產生寄生之頻率幾乎不變之情況進行說明。
如圖11(A)所示，於參考頻率為100.00075MHz時，於藉由將分頻比設定為3.9997而使輸出頻率為400.00000MHz之情形時，於失諧頻率30kHz時產生整數值邊界寄生。圖11(A)所示之參考頻率及分頻比 之設定與圖9(A)相同。相對於此，如圖11(B)所示，於在使分頻比保持為3.9997之設定不變之情況下，改變控制電壓VC而將參考頻率變為100.0125MHz，藉此使輸出頻率變化+50ppm而成為400.02000MHz之情形時，於失諧頻率30.00015kHz時產生整數值邊界寄生。即，即便使輸出頻率變化+50ppm，產生整數值邊界寄生之頻率亦僅改變15Hz。
於圖12中表示在本實施形態之振盪器1中產生之整數值邊界寄生之一例。於圖12中，橫軸表示失諧頻率(偏移頻率)，縱軸表示相位雜訊。於圖12中，將輸出頻率為0ppm時之相位雜訊特性、輸出頻率為+50ppm時之相位雜訊特性及輸出頻率為-50ppm時之相位雜訊特性重疊地圖示。輸出頻率為0ppm時之整數值邊界寄生係圖11(A)中所說明之整數值邊界寄生，輸出頻率為+50ppm時之整數值邊界寄生係圖11(B)中所說明之整數值邊界寄生。又，於圖12中，亦表示有輸出頻率為-50ppm時之整數值邊界寄生。如圖12所示，可知：於本實施形態之振盪器1中，於藉由在不改變分數N-PLL電路20之分頻比之設定之情況下使控制電壓VC變化而使輸出頻率變化之情形時，產生整數值邊界寄生之頻率幾乎不變。
於圖13中，表示本實施形態之振盪器1之製造方法中所包含之可減少產生整數值邊界寄生之頻率之變動的頻率調整方法之流程圖之一例。
於圖13之流程圖中，首先，將控制電壓VC設定為Vcc/2(不施加調變之電壓)(S10)。
其次，以如下方式進行調整：於不改變控制電壓VC之情況下改變分數N-PLL電路20之設定(整數分頻比N及分數分頻比F/M之設定)，而使振盪器1之輸出頻率(中心頻率)變為所需之頻率(S20)。
繼而，於使振盪器1之輸出頻率變化之情形(S30之Y)時，藉由在 不改變分數N-PLL電路20之設定(整數分頻比N及分數分頻比F/M之設定)之情況下改變控制電壓VC，而調整輸出頻率(S40)。例如，於提高振盪器1之輸出頻率之情形時提高控制電壓VC，於降低振盪器1之輸出頻率之情形時降低控制電壓VC。
又，於不使振盪器1之輸出頻率變化之情形(S30之N)時，分數N-PLL電路20之設定(整數分頻比N及分數分頻比F/M之設定)及控制電壓VC均不變更。
根據該流程圖，於在步驟S10中調整振盪器1之輸出頻率之中心頻率後，在不改變分數N-PLL電路20之設定之情況下改變控制電壓VC，藉此調整輸出頻率，因此與圖11(A)及圖11(B)之例所示者同樣地，即便輸出頻率變化產生整數值邊界寄生之頻率之變動亦減少。
如以上所說明般，根據本實施形態之振盪器1，可藉由電壓控制振盪電路10進行輸出頻率之粗調整，並且藉由分數N-PLL電路20進行輸出頻率之微調整，亦可藉由分數N-PLL電路20進行輸出頻率之粗調整，並且藉由電壓控制振盪電路10進行輸出頻率之微調整。
又，根據本實施形態之振盪器1，可藉由設置於電壓控制振盪電路10之後段之分數N-PLL電路20調整電壓控制振盪電路10所輸出之振盪信號CK1之頻率，故而可在不對振動器實施物理加工之情況下修正輸出頻率之中心頻率。
又，根據本實施形態之振盪器1，由於電壓控制振盪電路10之振盪頻率追隨控制電壓VC之變化而變化，故而若例如於不改變分數N-PLL電路20之分頻比之設定之情況下使控制電壓VC高速地變化，則可使輸出頻率高速地變化。或者，由於可經由數位介面高速地變更(在不進行AD轉換之情況下變更設定)分數N-PLL電路20之分頻比之設定，故而可使輸出頻率高速地變化。
進而，根據本實施形態之振盪器1，若在不改變分數N-PLL電路 20之分頻比之設定之情況下使控制電壓VC變化而改變電壓控制振盪電路10之振盪頻率，藉此使輸出頻率變化，則由於分數N-PLL電路20之分頻比之設定不變，故而可減少產生整數值邊界寄生之頻率之變動。
2.電子機器
圖14係本實施形態之電子機器之功能方塊圖。又，圖15係表示作為本實施形態之電子機器之一例的智慧型手機之外觀之一例之圖。
本實施形態之電子機器300構成為包含振盪器310、CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)320、操作部330、ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)340、RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)350、通信部360、及顯示部370。再者，本實施形態之電子機器亦可設為省略或變更圖14之構成要素(各部)之一部分、或附加其他構成要素而成之構成。
振盪器310包括振盪電路312及振動器313。振盪電路312使振動器313振盪而產生振盪信號。振盪器310將該振盪信號輸出至CPU320。
CPU320按照記憶於ROM340等之程式，將自振盪器310輸入之振盪信號作為時脈信號進行各種計算處理或控制處理。具體而言，CPU320進行與來自操作部330之操作信號對應之各種處理、為了與外部裝置進行資料通信而控制通信部360之處理、發送用以使各種資訊顯示於顯示部370之顯示信號之處理等。
操作部330係包括操作鍵或按鈕開關等之輸入裝置，將與使用者之操作對應之操作信號輸出至CPU320。
ROM340記憶有用以使CPU320進行各種計算處理或控制處理之程式或資料等。
RAM350作為CPU320之作業區域而使用，暫時記憶自ROM340讀 出之程式或資料、自操作部330輸入之資料、CPU320按照各種程式執行之運算結果等。
通信部360進行用以使CPU320與外部裝置之間之資料通信成立之各種控制。
顯示部370係包含LCD(Liquid Crystal Display，液晶顯示器)等之顯示裝置，基於自CPU320輸入之顯示信號顯示各種資訊。亦可於顯示部370設置有作為操作部330發揮功能之觸控面板。
藉由應用例如上述實施形態之振盪電路2作為振盪電路312，或應用例如上述實施形態之振盪器1作為振盪器310，可實現實用性或可靠性較高之電子機器。
作為此種電子機器300，考慮各種電子機器，例如，可列舉通信機器(例如光傳輸裝置)、個人電腦(例如行動型個人電腦、膝上型個人電腦、平板型個人電腦)、智慧型手機或行動電話機等移動體終端、數位靜態相機、噴墨式噴出裝置(例如噴墨印表機)、路由器或開關等儲存區域網路機器、區域網路機器、移動體終端基地台用機器、電視、攝錄影機、視訊記錄器、汽車導航裝置、即時時鐘裝置、呼叫器、電子記事本(亦包含帶通信功能)、電子詞典、計算器、電子遊戲機器、遊戲用控制器、文字處理器、工作站、視訊電話、防盜用視訊監視器、電子雙筒望遠鏡、POS(point of sale，銷售點)終端、醫療機器(例如電子體溫計、血壓計、血糖計、心電圖測量裝置、超音波診斷裝置、電子內視鏡)、魚群探測機、各種測定機器、儀錶類(例如車輛、飛機、船舶之儀錶類)、飛行模擬器、頭戴式顯示器、運動追蹤器(Motion Trace)、運動跟蹤器(Motion Tracking)、運動控制器、PDR(Pedestrian Dead Reckoning，步行者位置方位測量)等。
3.移動體
圖16係表示本實施形態之移動體之一例之圖(俯視圖)。圖16所示 之移動體400構成為包含振盪器410、進行引擎系統、制動系統、無鑰匙進入系統等之各種控制之控制器420、430、440、電池450、及備份用電池460。再者，本實施形態之移動體亦可設為省略圖16之構成要素(各部)之一部分、或附加其他構成要素而成之構成。
振盪器410包括未圖示之振盪電路及振動器，振盪電路使振動器振盪而產生振盪信號。該振盪信號係自振盪器410之外部端子輸出至控制器420、430、440，並被用作例如時脈信號。
電池450對振盪器410及控制器420、430、440供給電力。備份用電池460於電池450之輸出電壓低於閾值時，對振盪器410及控制器420、430、440供給電力。
藉由應用例如上述各實施形態之振盪電路2作為振盪器410所包括之振盪電路，或應用例如上述各實施形態之振盪器1作為振盪器410，可實現實用性或可靠性較高之移動體。
作為此種移動體400，考慮各種移動體，例如，可列舉汽車(亦包含電動汽車)、噴射機或直升機等飛機、船舶、火箭、人造衛星等。
本發明並不限定於本實施形態，可在本發明之主旨之範圍內實施各種變化。
例如，於上述實施形態中，亦可使用整數倍增之PLL電路(Integer PLL)代替分數N-PLL電路20。使用整數倍增之PLL電路之振盪器1可於PLL電路之整數分頻比N固定之狀態下，輸出振盪信號CK1之頻率之整數倍(N倍)之頻率之振盪信號CK2，並且根據控制電壓VC，使振盪信號CK2於振盪信號CK1之N倍之頻率可變範圍內變化。如此，即便為使用整數倍增之PLL電路代替分數N-PLL電路20之振盪器，亦發揮與本實施形態之振盪器1相同之效果。再者，於整數倍增之PLL電路中，產生整數值邊界寄生之頻率與輸出頻率重疊，故而其影響較小。
上述實施形態及變化例為一例，並不受其等限定。例如，亦可將各實施形態及各變化例適當組合。
本發明包含與實施形態所說明之構成實質上相同之構成(例如，功能、方法及結果相同之構成、或者目的及效果相同之構成)。又，本發明包含將實施形態中所說明之構成之非本質性部分置換所得之構成。又，本發明包含與實施形態中所說明之構成發揮相同之作用效果之構成或可達成相同目的之構成。又，本發明包含對實施形態中所說明之構成附加公知技術而成之構成。
1‧‧‧振盪器
2‧‧‧振盪電路
3‧‧‧振動器
10‧‧‧電壓控制振盪電路
20‧‧‧分數N-PLL電路
30‧‧‧輸出電路
40‧‧‧調節器
50‧‧‧調節器
60‧‧‧頻率設定暫存器
70‧‧‧串列I/F電路
80‧‧‧非揮發記憶體
CAP‧‧‧電容選擇資料
CK1‧‧‧振盪信號
CK2‧‧‧振盪信號
CKN‧‧‧反相信號
CKP‧‧‧非反相信號
F/M‧‧‧分數分頻比
GND‧‧‧接地端子
N‧‧‧整數分頻比
OUT_N、OUT_P‧‧‧差動輸出端子
SCL、SDA‧‧‧外部介面用之端子
VC‧‧‧控制電壓
VC‧‧‧頻率控制用之端子
Vcc‧‧‧電源端子
Vcc‧‧‧電源電壓
Vreg1‧‧‧固定電壓
Vreg2‧‧‧固定電壓
XI、XO‧‧‧與振動器3之連接端子

Claims (12)

  1. 一種振盪電路，其包含：電壓控制振盪電路，其基於輸入電壓控制振盪信號之頻率；及PLL電路，其被輸入上述振盪信號，且包含基於控制輸入資料控制振盪頻率之振盪部。
  2. 如請求項1之振盪電路，其中上述PLL電路係分數N-PLL電路。
  3. 如請求項1或2之振盪電路，其中上述振盪信號係振幅小於供給至上述振盪電路之電源電壓的信號。
  4. 如請求項1或2之振盪電路，其中上述電壓控制振盪電路與上述PLL電路所包含之上述振盪部自互不相同之電源被供給電源電壓。
  5. 如請求項3之振盪電路，其中上述電壓控制振盪電路與上述PLL電路所包含之上述振盪部自互不相同之電源被供給電源電壓。
  6. 一種振盪器，其包括如請求項1或2之振盪電路、及藉由上述電壓控制振盪電路而振盪之振動器。
  7. 一種振盪器，其包括如請求項3之振盪電路、及藉由上述電壓控制振盪電路而振盪之振動器。
  8. 一種振盪器，其包括如請求項4之振盪電路、及藉由上述電壓控制振盪電路而振盪之振動器。
  9. 一種電子機器，其包含如請求項1或2之振盪電路。
  10. 一種移動體，其包含如請求項1或2之振盪電路。
  11. 一種振盪器之頻率調整方法，該振盪器包括：振動器；電壓控制振盪電路，其包括可變電容電路，且使上述振動器振盪而產生振盪信號，該可變電容電路包含基於輸入電壓控制電容值之 可變電容元件；及PLL電路，其被輸入上述振盪信號，且包含基於控制輸入資料控制振盪頻率之振盪部；該振盪器之頻率調整方法包含如下步驟：藉由改變上述PLL電路之設定而調整上述振盪信號之頻率；及藉由在不改變上述PLL電路之上述設定之情況下改變上述輸入電壓，而使上述可變電容元件之電容值變化，從而調整上述振盪信號之頻率。
  12. 如請求項11之振盪器之頻率調整方法，其中上述PLL電路之上述設定係整數分頻比及分數分頻比之設定。
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