TW418559B - Resonator having a selection circuit for selecting a resonance mode - Google Patents

Description

'4185 59 3161pif,doc/006 A7 B7 五、發明説明（/ ) 本發明是有關於一種具共振元件之共振器’並具有一 選擇電路，用以選擇共振模式。 在標準電子系統中，振盪器之設計係利用負阻抗結構 (negative impidance structure)加以實現，如上所述’丨989 年C.A.M Boon於戴夫特科技大學（Delft Universty of Technology)發表的博士論文“高效能負回授振盪器之設 計”與LH.Huijsing發表的論文“低雜訊共振器”及 Kluwer Academic等人於1996年發表的“類比電路設計” 等均爲此例。 一般爲人所熟知的振盪器，可藉由可調電路選出所需 的共振模式。 與其他的電子電路元件相較之下，現今所使用的共振 器具有若干缺點，共振電路除了價格昂貴與結構脆弱外’ 亦難以與實際需求相結合。 本發明之目的即在於提供一種上述類型的共振器’可 針對既有的共振器加以改良，不但能解決上述問韙’更可 避免次共振（subordinate resonances)與直接突破（direct breakthrough)所造成的問題，即使將共振器激發於較高的 模式下亦然。 爲達本發明之目的，選擇電路可利用一階振盪器加以 實現；第一階振盪器Uirst-order oscillator)具有一同步輸 入端，而其輸出端則與共振元件之激發輸入端耦接；共振 ♦ 元件之輸出端耦接至第一階振盪器之同步輸入端，以使振 盪器同步；共振器之輸出信號則藉由共振元件或振盪器產 (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝』 訂 線 本紙张尺度適用中國國家橾準（CNS ) Α4规格（2丨0X 297公釐） 4 185 59 3l61pif.doc/006 A 7 B7 五、發明説明（x) 生。以往在非線性電路的應用中，若欲穩定選出所需的共 振模式，此等類型的振盪器並非標準的典型，而此等結構 可以得到非常穩定的共振器，結果令人感到訝異。 1980年2月13日的曰本專利vol.4, no.18 ( E-171)與 1979年12月12日的日本54 157461 A中，即揭露一種具 共振元件之共振器，其中，此等共振器係以壓電元件 (piezoelectric element)的形式呈現。藉此單穩多諧振盪 器（monostable multivibrator)之作用，可選出共振模式及 脈衝方向（pulse direction)。此多諧振盪器非爲第一階振 盪器，此等選擇方式與本發明之共振器全然不同。此外， 習知的共振器僅能獲致壓電元件之最低自然振盪數 (minimum natural oscillation number )而無法過調 (overtone) ° 美國專利第3,581,235號揭露一種共振器，包括一晶 體及一多諧振盪器，多諧振盪器係由兩交叉耦合（crosscoupling) 之電 晶體所構成。 若與本發明之共振器的啓始 影響（threshold influence)相對照，則由於交叉耦合的關 係，多諧振盪器上的晶體具有阻抗影響（impedance influence)。相對於本發明之共振器，習知共振器必需以 不同的操作方式來滿足需求，多諧振盪器之自然頻率必須 比晶體之共振頻率略高；但反觀本發明之第一階振盪器， 其頻率僅需與晶體之共振頻率相仿即可，換言之，比共振 ♦ 頻率略高或略低均可。 較佳的是，自第一階振盪器所選出之自然頻率幾乎與 (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝 訂 線 本紙银尺度適州中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） if-s:;部屮-欠打^-而，.;!义^1於合竹.ii 418559 316 1pif.doc/006 A7 B7 ____-^ -- 五、發明説明（彡） 共振器之輸出信號所需頻率相同。達到同步時’最終頻率 的產生係完全由共振元件所決定。 艰 第一階振盪器之自然頻率的選擇，係藉由其中的頻率 決定組件加以實現，並使得同步可保持在設定的範圍內 如此，即可將共振器中所有的次共振選出。 實施例中，一放大器設於共振元件之輸出端與第一階 振盪器之同步輸入端之間，以得到振盪器之同步靈敏度’ 並可確實地共振於所需的頻率。 較佳的是，第一階振盪器之輸出信號爲方波。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下： 第1圖繪示本發明所提供之共振器方塊圖； 第2圖繪示本發明所提供之共振器細部結構圖； 第3圖繪示第2圖之電路內各端點的信號變化； 第4圖繪示同步捕獲範圍之限制； 第5圖繪示本發明所提供之共振器細部結構圖；以及 第6圖繪示本發明所提供之簡易版共振器。 鮫佳實施例 第1圖繪示本發明之運作原理方塊圖。共振器包括共 振元件2與振盪器1，此等共振元件可以是石英晶體或它 種元件’可共振於一或數種共振模式下。 振盪器1係第一階，下文中並將其歸類爲弛張振盪器 (relaxation oscillator)，用以產生一信號，信號的頻率則 6

中國國家標幸"(CNS ) U (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝·

.IT 線 A7 B7 4 59 4318^〇9/〇°6 五、發明説明（f ) 由頻率決定組件（frequency-determining component)決定， 而電容器器即爲其中一例。振盪器1所選出的頻率與共振 器所需的頻率相當近似，自驰張振盪器1之輸出端％產 生的輸出信號餽入共振元件2的激發輸入端Ie，此等輸出 信號之形式最好爲方波。自共振元件2之輸出端U2所產 生的信號，其頻率必須與共振器所需的頻率相同，而共振 器所需的頻率可先行決定之。共振元件2之輸出信號可經 由放大器V餽入驰張振盪器1之同步輸入端Is，藉弛張振 盪器反轉（reversal)之瞬間作用使其同步。 無論同步發生與否，藉由箝制弛張振盪器之靈敏度以 爲同步方波，端視共振器所產生的信號頻率而定。若同步 發生，驰張振盪器所提供的能量可保持共振；若同步未發 生，由共振元件2與振盪器1所構成的回路則無法保持共 振。如此，雖然非預期的次共振遭受抑制，亦可保持所需 的振盪。所需的同步範圍可藉由選擇弛張振盪器適當的自 然頻率予以調整，如同選擇正確靈敏度一般。 若方波被選爲第一階振盪器之輸出信號，系統對共振 器之直接突破將變得十分遲鈍，其中，此等直接突破係發 生自共振器之輸入至輸出端。由於直接突破的高通（high-pass) 特性 ，大部份的直接突破在其後的同步化發生前即 可予以移除，而此等同步化係伴隨弛張振盪器之反轉而 生，是以此等同步化與共振器之直接突破無關。 特性優良之共振元件具有一共振頻率，輸出信號之振 幅變化劇烈，且共振元件輸入與輸出信號間的相位爲〇。 (讀先閱讀背面之注意事項再楨寫本頁) .裝

'1T 線 本紙張尺度通用中®國家標牟（CNS ) Λ4規格（2丨0><297公釐） 418559 3 161pif.doc/006 A 7 __B7_ 五、發明説明（S) 舉例來說，由於串音（crosstalk)的發生常導致共振元件 內相位的差異，故而上文中所揭露之共振元件不符合優良 特性的要求。 唯本發明所提供之共振器得解決上述問題。 第2圖繪示本發明所提供之共振器細部結構圖。第一 階振盪器用以補充共振器之共振元件2,其功能性描述將 於下文中分別加以說明。 第一階振盪器或弛張振盪器均具有積分、比較、積分 符號切換及記憶等功能。 積分功能由電容器C予以實現，電容器C由電流源h 充電，電流源Is並可提供兩不同方向的電流。切換功能由 圖中的矢號P4、P5表示。電容器C由單向電流充電，當電 流方向相反時將使電容器C放電。重複切換電流源I,，即 可於電流源1,與電容器C間的接點處產生鋸齒狀電壓U〆 藉比較器C0MP1與C0MP2可實現比較功能。鋸齒狀電壓 \可用以同時餽入比較器C0MP1與比較器C0MP2的一輸 入端。比較器C0MP1與比較器C0MP2的另一輸入端則與 參考電源（referance sources) £^及匕2耦接。 此實施例中的記憶功能由圖式中的S-R閉鎖器L加以 實現。比較器C0MP1的輸出端耦接至閉鎖器L的輸入端 S，比較器C0MP2的輸出端耦接至閉鎖器L的輸入端R ’ 閉鎖器L的輸出端Q除耦接至共振元件2之激發輸入端Ie ’ 外，並與電流源I,之控制或切換輸入端耦接。由共振 元件2之輸出端U2所產生的輸出信號則用以調變 8 本紙張尺度^中國國家樣率< CNS ) A4規格（2丨OX 297公費7 -------------t------ΐτ------.^ (諳先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 18559 3161pif*doc/006 A7 B7 五、發明説明（έ ) (modulates)參考電源Efl及Er2 ’如圖式中矢號及P2 所示。 第一階振盪器之振盪頻率可以下式表示： 其中Vamp係跨於電容器C兩端鋸齒波Uz之振幅，是 以線性變化的充電電流亦將使得振盪頻率可線性調整。振 盪幅度（amplitude of the oscillation)或電容器値的線性變 化，亦可使振盪器的週期呈線性改變。 由於電流可聚積於電容器內，故藉由調變比較器之參 考電源，可將振盪器同步並將其鎖住（locked)。共振元 件之輸出信號可輕易施加於參考電源En及的電壓上。 此等電路之設計理念爲“當共振元件所產生的弦波穿越零 點時，旋即將第一階共振器同步”，共振器之輸出信號則 藉由放大器加以處理，對於放大器的線性程度並無特殊的 要求，甚至可由簡單的限制器（limiter)予以實現。 第3圖繪示由共振器所產生的信號特性，且繪示出共 振器穩態振盪（steady-state oscillation )之條件。以此爲例， 作爲共振器之用的元件係共振於1 MHz處，且品質因數 (quality factor) Q僅有10。在第3圖中，參考符號小表 示閉鎖器輸出信號的平方，參考符號Uz表示跨於第一階 振盪器電容器兩端的三角波電壓値，參考符號Ur表示共振 器之輸出信號。 由第3圖中，可淸楚看出介於充電相位（charging ---------裝------ΐτ------.^ (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適扪十國囤家標隼（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） 4 185b9 3161pii.doc/006 A7 B7 ___ 五、發明説明（q ) phase)與放電相位（discharging phase)間驰張振邊器之反 轉情形，相對的，藉共振元件之輸出電壓亦可令弛張振盪 器同步或激發。 此等電路組件之非理想特性，如不匹配及充放電電流 內的雜訊等，參考準位內的不匹配與雜訊及同步路徑內的 延遲，將影響相位與信號之間的關係。吾人可以得知，此 等非理想特性所造成的影響可藉由同步路徑內的放大因數 (amplification factor)有效地加以排除。舉例來說，可將 放大器設於共振元件之輸出端與參考電源之調變輸入端之 間。 由第4圖中可得知捕獲範圍（the capture range)之限 制。此圖中繪示三種振盪器的狀態。第4 (b)圖中，振盪 器位於捕獲範圍之中心，此時共振器的頻率恰與第一階振 盪器之自然頻率相同。在此種狀態下，可藉由共振組件之 輸出信號調變比較準位（comparison levels)，以得到同步 方波。第4 (a)圖中，第一階振盪器具有其最高（同步） 頻率，第4 (c)圖中，第一階振盪器具有其最低（同歩） 頻率，這表示在這些圖中，電容器器的充電電流均相等。 調變準位E_d與比較器準位E,，Eh的振幅大小相等， 方向相反。若Eh Eh的絕對値大小均爲E，則第一階振盪 器的捕獲範圍可表示爲：

1 I 若共振器之共振頻率不在此限制範圍內，則幾乎所有 ---j---.----^-------IT------i {誚先閱讀背面之注意事項再填ΐί:本頁) 本紙张尺度通州十國國家標皁（CNS ) Α4规格< 2丨0X297公釐） '4M8559 3161pif,doc/006 A7 B7 五、發明説明（分） 的轉折點（transitions )都將被第一階振擾器初始化 (initiate)，使系統無法同步。 第5圖繪示本發明所提供之共振器細部結構圖。 比較器可利用NE527予以實現，閉鎖器可利用74 HCT02予以實現，電容器器則由兩互相並聯之電容器 及Cv所組成。此電容器電路可藉由電晶體T,將其充電， 並藉由電晶體1將其放電。充放電間的切換動作係藉由閉 鎖器之輸出信號加以控制；其中，此輸出信號係餽入電晶 體丁2之基極。 比較器之比較準位係藉由電壓分配器之作用予以實 現，電壓分配器則分別由電阻心、R2或R3、R4所組成。 共振組件之輸出信號分別經由電阻心或R6餽入電壓分配 器內的電阻接點，如此，藉由電壓分配器之作用，即可將 輸出信號施加於比較器組（comparators set)之參考電壓上。 第6圖繪示本發明所提供之簡易版共振器。 此種版本包括兩電晶體T3, T4，電晶體T3與T4之集 極則分別經由電阻R7, R3耦接至補給電壓（supply voltage ) UB之一極，電晶體丁3與T4之射極則分別經由參考電源IR1, IR2耦接至補給電壓UB之另一極。電晶體T3與T4之射極 間耦接有電容器C，以作爲振盪器之頻率決定組件，共振 元件則位於電晶體^與了4之集極間。電晶體了3之基極耦 /接至電晶體Τ4之集極’而電晶體τ4之基極則耦接至電晶 體τ3之集極。 是以吾人可知’本發明僅需兩電晶體、一電容器及數 本紙張尺度適用中阐國家標隼（CNS ) Α4規格（210X297公f ) ---..------^裝------訂------線 (讀先閱讀背面之注4m-項再填艿本頁)

iiTt.部中头打^而只 T. A 3161pif.d〇c/0〇6 A 7 B7 五、發明说明（ 個電阻即可設計出工作特性良好之共振器。 由於晶體振盪器可在所需的較高模式下共振，是以本 發明可藉由晶體振盪器發揮更大的效益。本發明十分適合 於此等應用方式。除了共振器的高穩定性外，共振器電路 的規格小巧，且價格低廉。 此電路可完全整合（integrated completely)，與同期 的諧振器（harmonic oscillator)相對照，由於諧振器額外 的過濾功能需容許共振器操作於所需的頻率，是以多數的 諧振器均爲部份整合（integrated partly )。 此外，雙璋（two-port)共振器亦十分適用於此等電 路之內：舉例來說，其可藉由晶片上的微量切削加工 (micromachining)予以實現，並使其共振。由於串音現象， 此等共振器通常易存在有大量的問題，此電路中所發生的 問題在過去曾被揭露過。 此外，必須於晶片上共振之共振器亦十分適用於本發 明內。由於大量製造，晶片上（on-chip)共振器常遭受直 接串音（突穿）之損害，本發明所提供之共振器對串音十 分遲鈍。 本發明亦十分適用於共振感測器，且特別適於小型感 測器方面的應用。 以上所述僅爲本發明之較佳實施例’然其並非用以限 ，定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和 範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範 圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準’凡依本發明申 ----^---%----裳------訂------線 (請先閱讀背面之注^^項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4規格（2!〇X加公釐） 4Ι8 δ b9 316 lpif,doc/006 A7 B7 五、發明説明（/1；) 請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明專利之 涵蓋範圍。 3 ----^---U----:裝------訂------線 (諳先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙张尺度適州中阐國家標準（CNS ) Λί規格（21〇>〇97公釐）

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 Ϊ?1 〇7116^^〇〇/006 ^ cs _ A1RH5Q_ DS„__________ 六、申請專利範圍 1. 一種具有一共振元件之共振器’該共振器具有一選 擇電路用以選擇一共振模式，該選擇電路之特性係藉由一 第一階振盪器所決定，該第一階振盪器具有一同步輸入 ‘端，該第一階振盪器之輸出端耦接至該共振元件之激發輸 入端，該共振元件之輸出端耦接至該第一階振盪器之同步 輸入端，用以使該振盪器與該共振器之輸出信號同步’其 中該共振器之輸出信號係由該共振元件或該振盪器產生。 2. 如申請專利範圍第1項所述之共振器，自該第一階 振盪器所選出之自然頻率幾乎與該共振器之輸出信號所需 頻率相同。 3. 如申請專利範圍第1或2項所述之共振器，同步範 圍可藉由選擇該第一階振盪器之自然頻率而加以調整。 4. 如申請專利範圍第1或2項所述之共振器，一放大 器設於該共振元件之輸出端與該第一階振盪器之同步輸入 端之間，用以調整該振盪器之同步靈敏度。 5. 如申請專利範圍第3項所述之共振器，一放大器設 於該共振元件之輸出端與該第一階振盪器之同步輸入端之 間’用以調整該振盪器之同步靈敏度。 6. 如申請專利範圍第丨項所述之共振器，該第一階振 盪器之輸出信號爲一方波。 7. 如申請專利範圍第丨項所述之共振器，該共振器內 包括：一電容器及一可切換電流源，該可切換電流源與該 ' 電容器耦接，並藉由一控制輸入裝置輪流將該電容器充電 及放電；兩比較器，該些比較器之各一輸入端均耦接至該 ---.-------f------ΐτ------線， (請先聞讀背面之注意事項Λ-填寫本頁) 本紙張適用中國國家檁率（CNS > A4^_ (21()><297公着） cs D8 3 161 pif.doc /006 59 六、申請專利範圍 電容器與該可切換電流源之連接點處，該些比較器之各另 一輸入端則均與一參考電源耦接，該些比較器之輸出端耦 接至一記憶體電路’若該第一比較器產生一輸出信號則該 ’記憶體電路之輸出信號位於一第一準位，若該第二比較器 產生一輸出信號則該記憶體電路之輸出信號位於一第二準 位，其中該記憶體電路之輸出係耦接至該共振元件之輸入 端與該可切換電流源之該控制輸入裝置，其中該參考電源 係由該共振元件之輸出信號調變。 8. 如申請專利範圍第7項所述之共振器，其中該共振 器之輸出信號係施加於該參考電源之電壓上。 9. 如申請專利範圍第7或8項所述之共振器，一放大 器耦接於該共振元件之輸出端與該參考電源之間。 10. 如申請專利範圍第7或8項所述之共振器，該記憶 體電路係一閉鎖器。 11. 如申請專利範圍第9項所述之共振器，該記憶體電 路係一閉鎖器。 12. 如申請專利範圍第1項所述之共振器，其特性由一 第一電晶體友一第二電晶體所決定，該第一電晶體與該第 二電晶體之集極各藉由一集極電阻耦接至一補給電壓之一 極，該第一電晶體與該第二電晶體之射極則經由一射極電 阻耦接至該補給電壓之另一極’該第一電晶體之基極稱接 至該第二電晶體之集極’該第二電晶體之基極親接至該第 一電晶體之集極，一電容器設於該第一電晶體與該第二電 晶體之兩射極間，一共振元件連接於該第一電晶體與該第 二電晶體之兩集極間。 本紙張尺及適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公董） I 1I 1 裝！ I I I I 訂— I I I I I 線 (請先閲讀背面之注^^項再填寫本f ) 經濟部中央標準扃员工消費合作社印繁