CN103812444A - 自激振荡电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自激振荡电路，包括：振荡部(1)，进行自激振荡；及放大部(3)，将利用该振荡部(1)振荡的频率信号放大并反馈给该振荡部；在包含这些振荡部(1)与放大部(3)的振荡回路中具备共振器(5)，该共振器(5)的共振频率在振荡部(1)的振荡频率附近，且Q值高于振荡部(1)。例如，共振器(5)的Q值为所述振荡部(1)的Q值的10倍以上。本发明提供的自激振荡电路，其驱动电流小且可振荡稳定的频率信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有进行自激振荡的振荡部的自激振荡电路。
背景技术
具备晶体振动器(crystal resonator)的振荡电路在信息、通讯领域中被大范围地应用，而要求进一步的小型化、节电化，并且要求高的频率稳定性。一般而言，为人所周知的是，晶体振动器随着小型化，可使其稳定地动作的驱动电流的上限(耐驱动电流)降低。另一方面，也存在如下情况：如果考虑振荡频率相对于电子噪声或温度变化的稳定性，则难以令使晶体振动器振荡的驱动电流小于耐驱动电流。
例如，引用文献1中记载有如下技术：在使液体中的传感对象物吸附在压电振动器的表面上所形成的吸附层、来进行传感的传感装置中，通过使压电振动器振荡的驱动电流设为0.3mA以下，而抑制压电振动器的自发热，从而准确地把握因传感对象物的吸附所引起的频率的变化量。然而，引用文献1中，对于解决降低供给至压电振动器的驱动电流时所产生的所述问题的方法未作记载。
另外，引用文献2中记载有如下方法：在具备了由晶体振动器构成的泛音振荡器(overtone oscillator)的科尔皮兹(Colpitts)型振荡电路的振荡回路(1oop)内，设置了由晶体振动器构成的泛音共振器、来用作使规定的泛音频率通过的滤波器(filter)，由此，缩窄振荡频率的频带。该引用文献2中，也未记载降低驱动电流并且获得稳定的振荡频率的技术。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2008-157751号公报：权利要求第1项、段落0011
[专利文献2]日本专利特开2002-232234号公报：段落0003～0013、图3
发明内容
[发明所要解决的问题]
本发明是在所述情况下而完成的，其目的在于提供一种自激振荡电路，其驱动电流小且可振荡稳定的频率信号。
[解决问题的技术手段]
本发明的自激振荡电路包括：振荡部，进行自激振荡；及放大部，将利用该振荡部而振荡的频率信号放大、并反馈给该振荡部；且所述自激振荡电路是：
在包含所述振荡部与放大部的振荡回路中，设置有共振器，所述共振器的共振频率在所述振荡部的振荡频率的附近，且Q值高于所述振荡部。
所述自激振荡电路也可具备下述特征。
(a)所述共振器的Q值为所述振荡部的Q值的10倍以上。
(b)所述振荡部为电感电容(inductance capacitance，LC)振荡电路、或电阻电容(resistance capacitance，RC)振荡电路。
(c)所述共振器为压电振动器或微机电***(Micro Electro MechanicalSystems，MEMS)振动器。另外，所述压电振动器为晶体振动器。
(d)所述共振器的共振频率处于所述振荡部的振荡频率的±10％的范围内。
(e)用以使所述振荡部振荡的驱动电流为0.3mA以下。
[发明的效果]
根据本发明，进行自激振荡的振荡部可利用相对小的驱动电流进行振荡，因此，除了可实现节电化以外，还不易产生活性下降(activity dip)或频率下降(frequency dip)。另外，在振荡回路中设置有Q值高于振荡部的共振器，因此，通过该共振器的牵入现象(entrainment phenomenon)，可使自激振荡电路整体的频率特性提高。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的科尔皮兹型的自激振荡电路。
图2(a)、图2(b)是设置在所述自激振荡电路的电路零件。
图3是所述电路零件的局部放大俯视图。
图4(a)、图4(b)是构成设置在所述自激振荡电路的共振器的晶体振动器。
图5是构成所述共振器的表面声波(Surface Acoustic Wave，SAW)振动器的第一例。
图6是构成所述共振器的表面声波振动器的第二例。
图7(a)、图7(b)是构成所述共振器的微机电***振动器的示例。
图8是所述自激振荡电路的第一变形例。
图9是所述自激振荡电路的第二变形例。
图10是所述自激振荡电路的第三变形例。
图11是所述自激振荡电路的第四变形例。
图12是皮尔斯(Pierce)型的自激振荡电路的构成例。
图13是克拉普(Clapp)型的自激振荡电路的构成例。
图14是巴特勒(Butler)型的自激振荡电路的构成例。
图15是由电阻电容振荡电路构成振荡电路部的自激振荡电路的示例。
图16是实施例的自激振荡电路的温度频率特性。
图17是比较例的自激振荡电路的温度频率特性。
符号的说明：
1、1a：振荡部
3：晶体管
5：晶体振动器
6a、6b：表面声波振动器
7：圆盘振动器
11：电感器
12、22、23、24、33、41、81：电容器
13：电阻
25：反馈电阻
31、32：泄漏电阻
40：输出端子
50：晶体片
51、52、73、74：电极
51a、52a：激振电极
51b、52b：引出电极
60：压电片
61：叉指式变换器电极
62：发送电极
63：接收电极
64、75：输入埠
65、76：输出埠
66：光栅反射器
71：圆盘
72：支撑柱
82：可变电阻
100：电路零件
101：晶体基板
102：接触端子
103：接地电极
201：共用电极部
202：叉指式变换器电极指
b：基极
c：集极
e：发射极
X、Y、Z：方向
具体实施方式
图1是表示本发明的自激振荡电路的实施方式的电路图。图1的电路构成为科尔皮兹型的振荡电路，振荡部1是将电感器(inductor)11与电容器(condenser)12串联连接而成的电感电容振荡电路。振荡部1的一端侧连接在作为放大部的负极-正极-负极(negative-positive-negative，NPN)型晶体管(transistor)3的基极(base)。晶体管3用以将利用振荡部1振荡的频率信号放大、并反馈给该振荡部1。在晶体管3的基极侧，与振荡部1并联地设置有分压用电容器23、分压用电容器24的串联电路，这些电容器23、电容器24的中间点连接在晶体管3的发射极(emitter)。
另外，通过直流电源部Vcc而对泄漏电阻(bleeder resistance)31、泄漏电阻32的串联电路施加+Vcc的直流电压，泄漏电阻31、泄漏电阻32的中间点的电压供给至晶体管3的基极。33为电容器，25为反馈电阻。
另一方面，晶体管3的发射极侧是：经由用以提取输出频率信号的电容器41而连接在输出端子40。
在具备所述构成的本例的振荡电路中，为了实现装置(device)的小型化，例如电感器11、电容器12、分压用电容器23、分压用电容器24构成为共用的电路零件100。如图2(a)、图2(b)、图3所示，电路零件100是：通过光刻法(photolithography)等，对成膜在例如数mm见方左右的尺寸的晶体基板101上的金属膜进行蚀刻(etching)而形成。
晶体基板101例如为AT切割(At-cut)晶体板，相对介电常数ε成为4.0左右，电能(energy)的损耗(介电损耗因数(dielectric dissipation factor)：tan3)成为0.00008左右。因此，该晶体基板101的Q值成为12500(=1/0.00008)左右。
另外，所述各电容器12、电容器22、电容器23在图2(a)中简化地描画，但实际上如图3的放大图所示，例如，包括梳齿电极，该梳齿电极包含：一对共用电极部201，以相互平行的方式形成；及叉指式变换器(interdigital transducer，IDT)电极指202群，自这些共用电极部201以呈梳齿状相互交叉的方式伸出；且各个共用电极部201连接在下述的接触端子102或电感器11。
另一方面，电感器11包括：作为导电线路的带状线(stripline)，另外，连接有电容器12、电容器23的电极膜为接地电极103；以与这些接地电极103或电感器11、电容器22、电容器23接触的方式而设置的凸部为接触端子102。此外，图2(b)表示沿图2(a)所示的A-A线切割电路零件100而得的纵截侧视图。
如此，通过将包含振荡部1的电路部分形成在介电损耗因数极小(Q值高)的晶体基板101上，与例如在现有使用的氟树脂基板(Q值=1000)形成该电路部分的情况相比，可遍及宽的频带，而能够将相位噪声抑制为极低(详细而言，参照日本专利特开2011-82710的图10及其相关记载)。
另外，可通过光刻法将振荡部1(电感器11、电容器12)、电容器22、电容器23单芯片(one-chip)化，因此，可构成小型且也耐物理性冲击等的电路零件100。
但是，所述电路零件100表示一个优选例，当然，也可在通常的氟树脂基板上等排列电感器11或电容器12、及其他电路部分的元件，而构成图1所记载的自激振荡电路。
如以上所说明，具备了包含电感电容振荡电路的振荡部1的自激振荡电路，与例如以晶体振动器作为振荡部的晶体振荡电路相比，可利用小的驱动电流产生频率信号。特别是具有如下优点：在以小的驱动电流振荡的电感电容振荡电路，不易产生对晶体振动器施加连续的温度变化时所产生的急剧的频率变动或电阻变动(活性下降、频率下降)。
另一方面，一般而言，将电感电容振荡电路作为振荡部1的自激振荡电路，与晶体振荡电路相比频率稳定性差，因此，存在晶体振荡电路比电感电容振荡电路更大范围地得到应用的实际情况。因此，本例的自激振荡电路在如下方面具有特征：如图1所示，通过在电容器23、电容器24的中间点与晶体管3的发射极之间设置共振器(晶体振动器5)，而使自激振荡电路整体的频率稳定性提高。
如图4(a)所示，设置在本例的自激振荡电路的晶体振动器5，是在AT切割的短条型的晶体片50的正背两面，设置有相互成对的电极51、电极52。这些电极51、电极52分别包括：矩形的激振电极51a(激振电极52a)、及自该激振电极51a(激振电极52a)引出的引出电极51b(引出电极52b)。晶体片50的正面侧的引出电极51b引绕至背面侧，因此，在背面侧成为引出电极51b、引出电极52b排列配置在平面上相互不同的位置的状况。
对在本自激振荡电路的振荡回路中，设置有具备所述构成的晶体振动器5的情况下的作用进行叙述。例如，在振荡20MHz～30MHz的频率信号的自激振荡电路的情况下，电感电容振荡电路的Q值为100～1000左右，另一方面，晶体振动器5获得104～106级(order)的高Q值。发明者们发现，如果将如此具有高Q值的晶体振动器5设置在包含振荡部1(电感电容振荡电路)与放大部(晶体管3)的振荡回路中，则受到由晶体振动器5产生的牵入现象(同步现象)的影响，而使振荡回路整体的频率稳定性提高。换言之，通过设置晶体振动器5，能够如将振荡回路中的电感电容振荡电路的Q值替换为晶体振动器5的Q值般，使自激振荡电路工作。
此处，自激振荡电路的振荡是通过振荡部1的电感电容振荡电路来进行，设置在振荡回路中的晶体振动器5只不过是作为使规定频率的频率信号通过的滤波器来发挥作用。因此，可令使振荡部1振荡的驱动电流降低至0.3mA以下，优选为0.2mA～0.3mA的范围，也确认到即便在该条件下进行振荡，也不易产生活性下降或频率下降。
晶体振动器5的共振频率优选为与振荡部1的振荡频率一致，但即便在不一致的情况下，晶体振动器5的共振频率只要是在振荡部1的振荡频率的附近亦可。“晶体振动器5的共振频率在振荡部1的振荡频率的附近”，是指利用振荡部1振荡的频率信号的至少一部分可通过晶体振动器5，且振荡回路可进行振荡。在该观点下，只要晶体振动器5的共振频率处于振荡部1的振荡频率的±10％的范围内，则能以振荡部1的振荡频率使振荡回路振荡而获得频率信号。
根据本实施方式所涉及的自激振荡电路，具有以下效果。由于具备了包含进行自激振荡的电感电容振荡电路的振荡部1，因此，除了可减小驱动电流而实现节电化以外，还不易产生活性下降或频率下降。另外，由于在振荡回路中设置Q值高于振荡部1的共振器(晶体振动器5)，因此，可利用该共振器的牵入现象，而使自激振荡电路整体的频率特性提高。
此外，图1中设置晶体振动器5的位置，与背景技术中所列举的专利文献2(日本专利特开2002-232234)的图3所记载的晶体振荡电路中设置泛音共振器(晶体振动器)的位置一致。然而，引用文献2中所记载的泛音共振器是作为滤波器来设置的装置，该滤波器用以自利用构成振荡器的其他晶体振动器振荡的包含泛音的频率信号，进行使规定次数的泛音通过的波形整形。另一方面，在将电感电容振荡电路设为振荡部1的情况下，使不包含泛音而波形整齐的频率信号进行振荡，因此，就波形整形的观点而言，无需设置滤波器。如此，本例的晶体振动器5是为了获得牵入现象这一单独的作用而设置者，作用与引用文献2中所记载的泛音共振器不同。
此处，设置在自激振荡电路的振荡回路中的共振器，只要为具有至少比振荡部1的Q值高的Q值的共振器，则可发挥利用牵入现象使频率特性提高的作用。实用上，只要设置具有例如振荡部1的Q值的10倍以上的Q值的共振器，则可更显著地使频率稳定性提高。
在该观点下，如所述般具有极高的Q值的晶体振动器5，可说为适于本自激振荡电路的频率稳定化的共振器。此处，可应用于本发明的晶体振动器5并不限定于图4(a)、图4(b)所示的利用厚度切变振动(thickness-shear vibration)的AT切割的晶体振动器5。可根据振荡部1的振荡频率等，利用各种切割(SC切割、X切割等)、形状(圆板形状或音叉形状等)的晶体振动器5。
另外，设置在振荡回路内的共振器的种类并不限定于利用晶体的晶体振动器5，也可为利用其他种类的压电材料的压电振动器等。例如可例示：利用锆钛酸铅(1ead zirconate titanate，PZT)等的陶瓷(ceramic)振动器、或通过电磁场共振使介电体共振器共振的介电体滤波器等。
进而，利用这些压电材料的振动器并不限定于使用体波(bulk wave)的振动器，如图5、图6所示，也可为使用表面声波的振动器。图5中，60为包含压电材料的压电片，在该压电片60设置有表面声波振动器6a。该表面声波振动器6a是在压电片60的表面，沿表面声波的传播方向排列配置有发送电极62及接收电极63，所述发送电极62及接收电极63包含：各个叉指式变换器电极61。自输入埠(input port)64输入的频率信号中，由叉指式变换器电极61的构成而决定的共振频率的信号是：以大的电力强度自输出埠(output port)65输出。另外，图6的表面声波振动器6b为纵向耦合型的振动器，图6中与图5为相同符号的部分，表示共用的构成元件。66为光栅(Grating)反射器，61为叉指式变换器电极。
此外，设置在自激振荡电路的振荡回路中的共振器并不限定于压电振动器，也可使用包含机械要素部的微机电***振动器。在图7(a)、图7(b)中，表示有将由支撑柱72支撑的圆板状的圆盘(disk)71设为机械要素部，且在与该圆盘71之间隔开间隙而设置有四个电极73、电极74的圆盘振动器7。四个电极73、电极74每两个成为一对，这两组电极73、电极74(第一电极73、第二电极74)配置在夹持圆盘71而相互交叉的方向上。
而且，如果对于连接在第一电极73的该对的输入埠75、与连接在第二电极74的该对的输出埠76之间输入规定频率的频率信号，则对应于圆盘71与电极73、电极74之间的静电电容的变化，而在圆盘71产生酒杯模式(wine-glass mode)的振动，从而圆盘71作为振动器发挥作用。
本例中，可设置在自激振荡电路的振荡回路中的共振器，也并不限定于图7(a)、图7(b)所示的圆盘振动器7的示例，当然也可使用包含其他形状的机械要素部的微机电***振动器。
其次，对自激振荡电路的变化(variations)进行说明。图8是以共振频率的频率调整为目的，而将电容器81串联连接在晶体振动器5的后级的示例。该电容器81也可与晶体振动器5并联连接，但串联连接的频率调整范围比并联连接的频率调整范围更广。
另外，如图9所示，也可在频率调整用的电容器81的后级设置驱动电流控制用的可变电阻82，关于该电容器81，也可相对于晶体振动器5并联连接(图10)。图10的示例中，可变电阻82为了避免对设置在晶体管3的发射极侧的反馈电阻25造成影响，而连接在分压用电容器23、分压用电容器24与晶体振动器5之间。
以上，在图1、图8、图9、图10中，表示有将晶体振动器5设置在分压用的电容器23、电容器24与晶体管3的发射极之间的示例，但设置晶体振动器5的位置只要是在包含振荡部1与放大部(晶体管3)的振荡回路中，则并不限定于该位置。如图11所示，也可在晶体管3的集极(collector)与泄漏电阻31之间设置晶体振动器5。
进而，自激振荡电路的种类并不限定于科尔皮兹型。也可在图12所示的皮尔斯(Pierce)型的自激振荡电路的振荡回路中设置共振器(例如晶体振动器5)，也可在图13所示的克拉普(Clapp)型的自激振荡电路、或图14所示的巴特勒(Butler)型的自激振荡电路的振荡回路中设置共振器。此处，在图12、图13、图14的各图中，与晶体管3一并标记的b、c、e的符号分别表示基极、集极、发射极。
进而，自激振荡电路的振荡部并不限定于包括电感电容振荡电路的情况，也可使用电容电阻(capacitance resistance，CR)振荡电路。图15中为如下自激振荡电路：将连接有3级包含电容器12(C)与电阻13(R)的电路部分的电容电阻振荡电路设为振荡部1a，在包含该振荡部1a与放大部(晶体管3)的振荡回路中设置有牵入用的共振器(晶体振动器5)。
[实施例]
(实验)
比较在振荡回路中设置有晶体振动器5的自激振荡电路、与现有的晶体振荡电路的振荡频率的温度特性。
A.实验条件
(实施例)由电感电容振荡电路构成振荡部1，使在振荡回路中设置有晶体振动器5的图1的自激振荡电路在-30℃～+85℃的温度条件下振荡，来计测频率温度特性。振荡部1的振荡频率为26.0MHz，驱动电流为0.26mA，晶体振动器5使用AT切割且共振频率为26.0MHz。使自晶体振动器5观察的主动电路侧(包含振荡部1、泄漏电阻31、泄漏电阻32、分压用电容器23、分压用电容器24的电路侧)的负载电容成分与比较例一致。频率的测定是基于国际标准(国际电工委员会(InternationalElectrotechnical Commission，IEC)60444-7)来进行。
(比较例)代替电感电容振荡电路，而使用除了以下方面以外，具备与实施例相同的电路构成的晶体振荡电路，在与实施例相同的条件下计测频率温度特性，所述晶体振荡电路是在振荡部设置AT切割、26.0MHz的晶体振动器，且不设置牵入用的晶体振动器5。
B.实验结果
将实施例的结果示于图16，将比较例的结果示于图17。这些图中，横轴表示温度[℃]，纵轴表示频率偏差(频率变化量df相对于振荡频率f的比df/f)[ppm]。
根据图16所示的实施例的结果，在0.26mA的低驱动电流下，遍及宽的温度范围(-30℃～+85℃)而频率偏差的值收敛在0～+0.1[ppm]的范围内，从而发挥稳定的频率温度特性。
另一方面，比较例中，为使该晶体振荡电路稳定地振荡，不仅需要1.0mA的与实施例相比高的驱动电流，而且当温度条件超过+70℃时(图17中以虚线包围来表示)，观察到频率偏差在+0.5～-0.2[ppm]左右急剧变动的活性下降、频率下降。自比较这些实施例与比较例的结果也可说，在振荡部1设置进行自激振荡的电感电容振荡电路，且在振荡回路中设置有共振器(晶体振动器5)的自激振荡电路，可在驱动电流低的条件下发挥稳定的频率温度特性。
Claims (7)
1.一种自激振荡电路，包括：振荡部，进行自激振荡；及放大部，将利用该振荡部振荡的频率信号放大、并反馈给所述振荡部；所述自激振荡电路的特征在于：
在包含所述振荡部与所述放大部的振荡回路中，设置有共振器，
所述共振器的共振频率在所述振荡部的振荡频率的附近，且Q值高于所述振荡部。
2.根据权利要求1所述的自激振荡电路，其特征在于：所述共振器的Q值为所述振荡部的Q值的10倍以上。
3.根据权利要求1或2所述的自激振荡电路，其特征在于：所述振荡部为电感电容振荡电路或电阻电容振荡电路。
4.根据权利要求1或2所述的自激振荡电路，其特征在于：所述共振器为压电振动器或微机电***振动器。
5.根据权利要求4所述的自激振荡电路，其特征在于：所述压电振动器为晶体振动器。
6.根据权利要求1或2所述的自激振荡电路，其特征在于：所述共振器的共振频率处于所述振荡部的振荡频率的±10％的范围内。
7.根据权利要求1或2所述的自激振荡电路，其特征在于：用以使所述振荡部振荡的驱动电流为0.3mA以下。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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