CN1855693A - 压电振荡电路 - Google Patents

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Abstract

提供可在较宽的电源电压范围内获得稳定振荡特性并可调整振荡输出振幅的压电振荡电路。该电路包括：使从直流电源VDD供给的直流电压的电压变动稳定的稳定电源(6)；把石英振子(X1)作为振荡源的振荡电路部(1)；缓冲电路部(2、3、4)，把该振荡电路部(1)的输出信号作为输入，串联连接多级反相电路，在最后一级反相电路上连接耗尽型MOS晶体管；放大缓冲电路(4)的输出的输出放大电路(5)，其特征为，具有：输出电平调整电路，由多个MOS开关(Msw1～Msw3)和电阻元件(RD1～RD3)构成，可改变构成输出放大电路(5)的Nch－晶体管(M9)的栅极电压来调整输出电平；存储电路(11)，存储用于选择多个MOS开关的任一个的数据；解码器(12)，根据保存在存储电路(11)中的数据生成输入所述MOS开关的模拟信号。

Description

压电振荡电路
技术领域
本发明涉及压电振荡电路，特别适合用于低功耗型温度补偿式石英振荡器(TCXO)等。
背景技术
近年来，强烈要求便携电话等移动体通信中的便携式设备的小型轻量化，用作这些便携式设备的频率基准的石英振荡电路也被要求小型化。
图8是表示以往的石英振荡电路的电路结构示例的电路图。
在该图8中，X1是石英振子，Rf是高频电阻，C1、C2是振荡用电容器，1是振荡放大电路，2是第1缓冲电路(初级缓冲电路)，3是第2缓冲电路(第2级缓冲电路)，4是第3缓冲电路(第3级缓冲电路)，R1、R2是电阻，CB1、CB2是电容器，5是输出放大电路，6是稳定电源，Cvreg是旁路电容器，Vreg是从稳定电源6输出的基准电压。
振荡放大电路1是由Pch-CMOS晶体管M1和Nch-CMOS晶体管M2构成的反相放大器，第1缓冲电路2是由Pch-CMOS晶体管M3和Nch-CMOS晶体管M4构成的反相放大器，第2缓冲电路3是由Pch-CMOS晶体管M5和Nch-CMOS晶体管M6构成的反相放大器，第3缓冲电路4是由Pch-CMOS晶体管M7和Nch-CMOS晶体管M8构成的反相放大器。另外，输出放大电路5是由Nch-CMOS晶体管M9和Pch-CMOS晶体管M10构成的CMOS推挽放大器。
在图8中，振荡放大电路1的输出在第1缓冲电路2中被放大为足够大小的振幅，在第2、第3缓冲电路3、4中形成波形，通过电容器CB1、CB2施加给输出放大电路5的Nch-CMOS晶体管M9和Pch-CMOS晶体管M10的各个栅极。
输出放大电路5以低阻抗从输出端子(OUT端子)向负载提供输出电流。从稳定电源6向上述的各个部位提供基准电压Vreg。在稳定电源6的输出线和接地电位(GND)之间连接着旁路电容器Cvreg，去除稳定电源6的高频噪声。
另外，作为现有文献有专利文献1等。
[专利文献1]日本特开2002-261545公报
但是，在上述图8所示的石英振荡电路中采用了如下的结构，即：为了抑制由于电源电压的变动而导致的振荡输出变动，设置稳定电源6，利用稳定电源6所生成的基准电压Vreg使振荡电路动作。并且，在基准电压Vreg和接地电位(GND)之间设置用于预防高频噪声的旁路电容器Cvreg，从而稳定基准电压Vreg。
然而，目前现状是伴随着使用石英振荡电路的设备的小型化，为了进一步提高设备的部件安装基板的安装密度，不能充分确保***到稳定电源6的输出线上的旁路电容器Cvreg的安装空间。为了满足小型化要求，如果省略旁路电容器Cvreg，则产生振荡输出所不需要的高频频谱成分，另外在稳定电源6中产生的噪声容易使振荡输出信号进行相位调制，存在相位噪声特性中的背景噪声劣化的问题。
因此，本申请的申请人提出了一种石英振荡电路(日本特愿2004-255119)，即使在缩小***到稳定电源的输出线上的旁路电容器的面积、或省略旁路电容器的情况下，不提高稳定电源的动作速度，也能稳定从稳定电源输出的基准电压Vreg，通过减小因在稳定电源中产生的噪声而导致的相位调制的灵敏度，将相位噪声特性的背景噪声抑制得较低。
图9是表示本申请人在先提出的石英振荡电路的电路结构的图。另外，对与图8示出的石英振荡电路相同的部位赋予相同符号，并省略详细说明。
在该图9中，VDD是直流电源，M11是耗尽型MOS晶体管。该图9所示的石英振荡电路分别使构成第3缓冲电路4的Pch-CMOS晶体管M7的源极连接耗尽型MOS晶体管M11的源极，使耗尽型MOS晶体管M11的漏极连接直流电源VDD，使栅极连接稳定电源6。并且，使构成输出放大电路5的Nch-MOS晶体管M9的漏极连接直流电源VDD。
在这样构成的石英振荡电路中，利用来自直流电源VDD的直流电压Vdd使第3缓冲电路4和输出放大电路5动作，利用稳定电源6使振荡放大电路1和第1及第2缓冲电路2、3动作，由此，即使在减小用于稳定基准电压Vreg的旁路电容器的面积、或者省略旁路电容器的情况下，不提高稳定电源6的动作速度，也能稳定基准电压Vreg。
并且，通过减小因在稳定电源6中产生的噪声而导致的相位调制的灵敏度，可以将相位噪声特性的背景噪声抑制得较低。
但是，近年来，对用作便携电话的基准振荡源的温度补偿石英振荡器(TCXO)的要求也各种各样，为了满足低功耗，需要把振荡输出电压振幅抑制得较低，并且为了驱动TCXO后级的IC，需要增大输出振幅，根据用途来优化振荡器的输出振幅的必要性增强，但在前面提及的日本特愿2004-255119的电路结构中，具有不能任意选择/调整振荡输出电压的振幅的缺点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种可以在较宽的电源电压范围内获得稳定的振荡特性，并且可以调整振荡输出的振幅的压电振荡电路。
为了达到上述目的，本发明之一的压电振荡电路包括：直流电源；使从该直流电源供给的直流电压的电压变动稳定的稳定电源；把压电振子作为振动源的振荡电路部；缓冲电路部，其把该振荡电路部的输出信号作为输入，串联连接多级反相电路，在其最后一级反相电路上连接耗尽型MOS晶体管；放大所述缓冲电路的输出的输出放大电路，其特征在于，包括：输出电平调整电路，其由多个MOS开关和电阻元件构成，可以改变构成所述输出放大电路的Nch-晶体管的栅极电压来调整输出电平；存储电路，其存储用于选择所述多个MOS开关的任一个的数据；解码器，其根据保存在该存储电路中的数据，生成输入到所述MOS开关中的模拟信号。
本发明之二的特征在于，在本发明之一所述的压电振荡电路中，所述输出电平调整电路构成为可以分三级设定从所述输出放大电路输出的输出电平。
本发明之三的特征在于，在本发明之一或之二所述的压电振荡电路中，所述压电振子是石英振子。
根据本发明，利用直流电源使缓冲电路的最后一级的反相电路和输出放大电路动作，利用稳定电源使振荡电路部和缓冲电路的最后一级以外的反相电路动作，因此不需要提高稳定电源的动作速度或像以往那样使用旁路电容器，即可稳定从稳定电源输出的基准电压。即，通过减小或不使用旁路电容器，可以把在基准电压中产生的电源噪声抑制到小于等于以往的电平，所以能够实现小型而且相位噪声特性良好的压电振荡电路。
并且，通过使振荡输出的振幅构成为可以任意调整，例如可以灵活对应被用作便携电话机的基准振荡源的TCXO的输出振幅电平的要求，根据输出电平的设定，可以实现低功耗型的TCXO。
附图说明
图1是表示作为本发明的压电振荡电路的石英振荡电路的实施方式的电路图。
图2是频率电源电压特性的比较图。
图3是振荡输出电源电压特性的比较图。
图4是表示本实施方式的石英振荡电路的动作点A、B、C、D的电压波形的图。
图5是比较本实施方式的石英振荡电路和以往的石英振荡电路的相位噪声特性的图。
图6是表示本实施方式的石英振荡电路的输出电平设定和输出端子的输出波形的关系的图。
图7是表示本发明的其他实施方式的石英振荡电路的电路图。
图8是以往的石英振荡电路的电路图。
图9是本申请人在先提出的石英振荡电路的电路图。
具体实施方式
图1是表示作为本发明的压电振荡电路的石英振荡电路的实施方式的电路图。
另外，对具有与图8和图9示出的石英振荡电路相同功能的部位赋予相同符号，并省略详细说明。
在该图1中，A是振荡放大电路1的输出端子，B是第1缓冲电路2的输出端子，C是第2缓冲电路3的输出端子。
在稳定电源6的输出线上分别连接着耗尽型MOS晶体管M11的栅极，和振荡放大电路1的Pch-CMOS晶体管M1、第1缓冲电路2的Pch-CMOS晶体管M3、第2缓冲电路3的Pch-CMOS晶体管M5的源极。
另外，在本实施方式中，列举了利用反相放大器构成振荡放大电路1的示例，但不限于反相电路，例如也可以使用双极晶体管构成振荡电路。但是，该情况时，需要在图1的A部所示的第1缓冲电路2的输入部***隔直流用电容器，还需要在其输入输出之间***高电阻的反馈偏置电阻。
并且，在直流电源VDD的输出线上连接着耗尽型MOS晶体管M11的漏极、和输出放大电路5的Nch-MOS晶体管M9的漏极。
在这样构成的情况下，在把从稳定电源6输出的基准电压设为Vreg、把MOS晶体管M11的栅极-源极间电压设为VGSM11时，第3缓冲电路4的输出振幅为Vreg-VGSM11，但由于MOS晶体管M11为耗尽型MOS晶体管，所以例如稳定电源6的基准电压Vreg＝2.1V时，第3缓冲电路4的输出振幅约为1.9Vp-p。
从第3缓冲电路4输出的反相输出信号通过电容器CB1和电容器CB2进行隔直流，并分别施加给连接在各个电容器CB1、CB2的另一端的输出放大电路5的Nch晶体管M9和Pch晶体管M10的栅极。
并且，该情况时，通过电阻R1和RD1～RD3的电阻分压，确定D点的电压即Nch晶体管M9的栅极电压VGM9。并且，在Nch晶体管M9导通时，Pch晶体管M10的栅极-源极间电压VGS几乎消失，成为截止状态。
因此，最终从输出放大电路5输出的输出电压的振幅可以不依赖于电源电压，而借助Nch晶体管M9的栅极电压VGM9和栅极-源极间电压VGSM9的关系(VGM9-VGSM9)几乎保持恒定。
例如，在基准电压Vreg＝2.1V、Nch晶体管M9的栅极电压VGM9＝1.8V时，虽然也依赖于Nch晶体管M9的驱动能力，但只要栅极-源极间电压VGSM90.8V，就可以获得约1.0Vp-p的恒定输出振幅。
另外，在本实施方式的石英振荡电路中，振荡放大电路1和第1及第2缓冲电路2、3由稳定电源6驱动，所以能够把频率变动抑制得极小。此时，在直流电源VDD的直流电压Vdd降低时，稳定电源6的晶体管在饱和区域动作，但只要满足直流电压Vdd-基准电压Vreg≥0.2V的关系，就能够在较宽的电源电压范围内获得稳定的输出信号。例如，如果基准电压Vreg＝2.1V，则能够将直流电压稳定到Vdd＝2.3V，并在该电压下进行动作。
图2是表示本实施方式的石英振荡电路的振荡频率的电源依赖性的图，图3是表示输出电平的电源依赖性的图。根据这些图2、图3可知，在本实施方式的石英振荡电路中，在直流电压Vdd的非常宽的范围内可以获得较高的频率精度，振荡输出电平也极其稳定。
这样，在本实施方式中，从输出放大电路5供给连接输出端子(OUT端子)的负载的电流、和从第3缓冲电路4向电容器CB1、CB2充电用的电流，不是从稳定电源6而是从直流电源VDD供给的。
由此，在图1所示的C点的信号电平相对第3缓冲电路4的极限电平达到“Low”’电平时，第3缓冲电路4和输出放大电路5不从稳定电源6获取大电流，所以能够减轻生成基准电压Vreg的稳定电源6的负荷，动作点A、B、C的电压波形如图4所示，可以使稳定电源6的电压Vreg稳定。
如果这样构成，则除了可以从振荡输出信号中去除不需要的频谱成分外，还不易发生因在稳定电源6中产生的噪声而导致的振幅调制，所以能够抑制相位噪声特性的背景噪声基准电压Vreg的基于噪声的相位调制灵敏度，因此可以大幅改善相位背景噪声。
图5是本实施方式的石英振荡电路和以往的石英振荡电路的相位噪声特性的比较图。如该图5所示，根据本实施方式的石英振荡器，在10kHz以上的失调频率下，能够将相位噪声特性改善约10dB。
另外，本实施方式的石英振荡电路，作为可通过改变构成输出放大电路5的Nch-晶体管M9的栅极电压而调整输出电平的输出电平调整电路，如图1所示，在电阻RD1、电阻RD2的连接点和接地电位之间、电阻RD2、电阻RD3的连接点和接地电位之间、以及电阻RD3和接地电位之间，分别设置MOS开关MSW1、MSW2、MSW3。由此，通过使这些MOS开关MSW1～MSW3的任一个选择性地导通，可以分三级来调整由电阻R1、RD1～RD3的电阻分压确定的D点的电压。这样调整D点电压，也是在调整MOS晶体管M9的栅极电压VGM9所以能够根据输出电压Vout＝(VGM9-VGSM9)的关系式，调整输出振幅。
此时，用于使MOS开关MSW1～MSW3的任一个选择性地导通的数据保存在存储电路11中，通过利用解码器12对存储电路11内的数据进行解码，可确定使哪个开关导通。
例如，在存储电路11中存储了只使MOS开关MSW1导通的数据时，通过使MOS开关MSW1导通，D点电压可以利用电阻R1和RD1的电阻分压求出，但由于D点只通过电阻RD1连接到接地电极，所以在MOS开关MSW2导通时，相比利用电阻R1和(电阻RD1+RD2)的电阻分压而求出的电压，电压下降。在本实施方式中，设定电阻RD1，使成为约降低0.2V电压的电阻比。
并且，在MOS开关MSW2导通时，如果把D点电压设为1.8V，则在选择了MOS开关MSW1时约成为1.6V，所以根据输出电压Vout＝(VGM9-VGSM9)的关系式，输出振幅约为0.8Vp-p。
并且，分别设定电阻RD1～RD3，使得在选择了MOS开关MSW2时约为1.0Vp-p，在选择了MOS开关MSW3时约为1.2Vp-p。即，选择MOS开关MSW1时为输出电平设定1(Min设定)，选择MOS开关MSW2时为输出电平设定2(Typ设定)，选择MOS开关MSW3时为输出电平设定3(Max设定)。基于此时的各个输出电平设定的输出波形如图6所示。
这样，在本实施方式的石英振荡电路中，选择分压电阻RD1～RD3中的哪个电阻来设定为哪个输出电平的信息保存在存储电路11中，根据所保存的存储信息，利用解码器12解码后的模拟信号使合适的MOS开关导通/截止，由此可以任意调整振荡输出振幅。
由此，可以灵活对应被用作便携电话机的基准振荡源的TCXO的输出振幅电平的要求，能够根据输出电平的设定来实现低功耗型的TCXO。另外，在实际作为振荡器出厂时，存储电路11的存储信息是已经确定的状态，在出厂后不会任意选择输出电平。
另外，在上述的本实施方式的石英振荡电路中，列举了把输出电平的选择设为三级的示例，但这毕竟仅是一例，通过进一步增加电阻RD，并且增加设定分别对应的MOS开关，可以进一步增加输出电平的选择数量。
图7是表示本发明的其他实施方式的石英振荡电路的电路图。
在该图7所示的石英振荡电路中，可以分五级来选择输出电平。该情况时，选择MOS开关MSW1时为输出电平设定1(Min设定)，选择MOS开关MSW3时为输出电平设定3(Typ设定)，选择MOS开关MSW5时为输出电平设定5(Max设定)。
另外，在图1、图7所示的石英振荡电路中，作为用于调整MOS晶体管M9的栅极和接地之间的电压的电路结构，使用利用MOS开关使电阻RD1～RD5的连接点和接地旁通的电路进行了说明，但也可以构成为利用MOS开关使连接点和MOS晶体管M9的栅极之间旁通。
另外，在图1、图7所示的石英振荡电路中，作为用于调整MOS晶体管M9的栅极和接地间的电压的电路结构，使用设置了用于调整MOS晶体管M9的栅极和接地间的电阻值的MOS开关的电路进行了说明，但也可以利用下述结构代替图1、图7所示的电阻R1，即，设置串联连接多个电阻的电阻电路网，并且设置使这些电阻的连接点和稳定电源6之间、或者这些电阻的连接点和MOS晶体管M9的栅极之间旁通的MOS开关，以及用于进行MOS开关的导通/截止控制的解码器和存储器。
另外，也可以形成为具有上述的控制MOS晶体管M9的栅极和接地间的电阻值的结构、以及控制MOS晶体管M9的栅极和稳定电源6之间的电阻值的结构，该情况时，可以更加精密地进行MOS晶体管M9的栅极电位的调整。

Claims (3)

1.一种压电振荡电路，包括：直流电源；使从该直流电源供给的直流电压的电压变动稳定的稳定电源；把压电振子作为振动源的振荡电路部；缓冲电路部，其把该振荡电路部的输出信号作为输入，串联连接多级反相电路，在其最后一级反相电路上连接耗尽型MOS晶体管；放大所述缓冲电路的输出的输出放大电路，其特征在于，包括：
输出电平调整电路，其由多个MOS开关和电阻元件构成，可以改变构成所述输出放大电路的Nch-晶体管的栅极电压来调整输出电平；存储电路，其存储用于选择所述多个MOS开关的任一个的数据；解码器，其根据保存在该存储电路中的数据，生成输入到所述MOS开关中的模拟信号。
2.根据权利要求1所述的压电振荡电路，其特征在于，所述输出电平调整电路构成为可以分三级设定从所述输出放大电路输出的输出电平。
3.根据权利要求1或2所述的压电振荡电路，其特征在于，所述压电振子是石英振子。
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