JP2006135739A - 電圧制御水晶発振回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】 集積化に適した簡単な回路構成で、発振周波数の可変幅を広くとることができる電圧制御水晶発振回路を提供する。
【解決手段】 CMOSインバータと、CMOSインバータの入出力間に並列接続される水晶振動子および帰還抵抗と、水晶振動子の負荷容量を形成する固定容量および可変容量ダイオードと、制御電圧を入力し可変容量ダイオードの容量を可変する抵抗とを備えた電圧制御水晶発振回路において、制御電圧を入力し、制御電圧の変化に応じて出力電圧が変化する電圧変換回路を備え、電圧変換回路の出力電圧を前記CMOSインバータの電源電圧に供給し、可変容量ダイオードの容量値と固定容量の容量値から決定される周波数可変幅より、周波数可変幅を広げる。
【選択図】図1
【解決手段】 CMOSインバータと、CMOSインバータの入出力間に並列接続される水晶振動子および帰還抵抗と、水晶振動子の負荷容量を形成する固定容量および可変容量ダイオードと、制御電圧を入力し可変容量ダイオードの容量を可変する抵抗とを備えた電圧制御水晶発振回路において、制御電圧を入力し、制御電圧の変化に応じて出力電圧が変化する電圧変換回路を備え、電圧変換回路の出力電圧を前記CMOSインバータの電源電圧に供給し、可変容量ダイオードの容量値と固定容量の容量値から決定される周波数可変幅より、周波数可変幅を広げる。
【選択図】図1
Description
本発明は、コルピッツ型CMOS水晶発振回路を用いた電圧制御水晶発振回路に関し、特に周波数可変幅を拡げることができる電圧制御水晶発振回路に関する。
水晶振動子を用いた電圧制御発振回路の代表的なものとしては、例えば図8のような電圧制御発振回路1がある(特許文献1参照)。この例の回路構成は、基本的にはコルピッツ型発振回路であって、インバータ増幅器6の入出力間に水晶振動子7および帰還抵抗8を並列に接続し、さらにインバータ増幅器6の入力および出力と接地電位(基準電位)との間にそれぞれ固定容量4、5と可変容量ダイオード2、3の直列回路を接続したものである。発振周波数を可変する制御電圧は、直列に接続された固定容量4、5と可変容量ダイオード2、3の中間点にそれぞれ抵抗9、10を介して制御端子VCから供給されている。このような電圧制御発振回路1では、制御端子VCに入力される電圧を高くすると、可変容量ダイオード2、3の容量が減少し、その結果、水晶振動子7の接続端子からみた負荷容量が減少し、発振周波数は高い方へシフトすることになる。
水晶発振回路の発振周波数を変化させる別の方法として、特開平8−8651号公報に開示された方法がある。第1、第2、第3のインバータ、水晶振動子、帰還抵抗、および第1、第2のキャパシタによって構成された、この水晶発振回路では、制御端子の入力電圧が変化すると、それと一致するように電源電圧が変化し、第1のインバータおよび位相シフト回路のキャパシタで構成される時定数回路の時定数が変化し、第1のインバータの出力信号の位相が変わり、その結果、水晶発振回路の発振周波数を入力電圧の変化に対応して変化させることができる。この方法では位相シフト回路によって位相を変えているため、前記の水晶振動子に対する負荷容量を変化させる電圧制御発振回路に比して、発振周波数の可変幅を大きくとることができる。
実開平4−12708号公報
特開平8−8651号公報
高いQ値を有する水晶振動子を用いた水晶発振回路は、本来、発振周波数の精度や安定度の優れた発振回路であり、上述した可変容量ダイオードの容量制御あるいは時定数回路の位相変化等の手段による発振周波数の可変範囲は、LC発振回路やセラミック発振回路と比較して小さい。例えば、可変容量ダイオードの容量制御の例では水晶振動子の負荷容量である固定容量と可変容量ダイオードの値で決定される等価直列容量の変化幅以上に周波数を変化させることはできないからである。このような発振回路において、無理に周波数可変範囲を広げようとすると、異常発振や発振停止、あるいは周波数安定度の悪化を招いてしまうという問題があった。
本発明は上記問題を解決し、集積化に適した簡単な回路構成で、発振周波数の可変幅を広くとることができる電圧制御水晶発振回路を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、CMOSインバータと、該CMOSインバータの入出力間に並列接続される水晶振動子および帰還抵抗と、前記水晶振動子の負荷容量を形成する固定容量および可変容量ダイオードと、制御電圧を入力し前記可変容量ダイオードの容量を可変する抵抗とを備えた電圧制御水晶発振回路において、前記制御電圧を入力し、該制御電圧の変化に応じて出力電圧が変化する電圧変換回路を備え、該電圧変換回路の出力電圧を前記CMOSインバータの電源電圧に供給し、前記可変容量ダイオードの容量値と前記固定容量の容量値から決定される周波数可変幅より、周波数可変幅を広げることを特徴とするものである。
請求項2に係る発明は、請求項1記載の電圧制御水晶発振回路において、前記電圧変換回路は、制御電圧が高くなったとき、出力電圧が高くなり、電圧制御水晶発振回路の発振周波数が高くなり、または制御電圧が低くなったとき、出力電圧が低くなり、電圧制御水晶発振回路の発振周波数が低くなることを特徴とするものである。
本発明では、制御電圧で可変容量ダイオードの容量値を変化させると同時に、この制御電圧を入力とする電圧変換回路を備え、変化幅を拡げるように変換した出力電圧をCMOSインバータの電源電圧として供給することで、可変容量ダイオードの容量値の変化幅で決まる周波数可変幅以上に発振周波数を変化させることができる。なお、発振周波数の可変幅は、可変容量の変化幅で決まる可変幅とCMOSインバータの電源電圧の変化幅で決まる可変幅の和となるため、所望の周波数可変幅に応じて、可変容量ダイオードの容量値の変化幅とCMOSインバータに電源電圧を供給する電圧変換回路の出力電圧の変化幅を定めることができる。
また、本発明の電圧変換回路は、位相回路等を設ける必要がなく簡単で、部品点数も少なく、集積化に適した構造となる。
本発明の電圧制御水晶発振回路は基本的にはコルピッツ型水晶発振回路であって、この型式の種々の変形回路に適用される。以下本発明の実施例について詳細に説明する。
図1は本発明の電圧制御水晶発振回路の回路図で、水晶発振回路1と電圧変換回路11とを組み合わせた構成となっている。水晶発振回路1は、CMOSインバータ6の入出力間に水晶振動子7および帰還抵抗8を並列に接続し、さらにCMOSインバータ6の入力端と接地電位間に固定容量4と可変容量ダイオード2の直列回路、および出力端と接地電位間に固定容量5と可変容量ダイオード3の直列回路を接続している。
制御端子VCには、発振周波数を変化させる制御電圧Vcが印加される。制御電圧Vcは、直列に接続された固定容量4、5と可変容量ダイオード2、3の中間点にそれぞれ抵抗9、10を介して供給される。
図2は、電圧変換回路11の具体的な回路構成を示している。この回路では制御電圧Vcを抵抗16と抵抗17により分割し、ヴォルテージ・フォロワを形成するオペアンプ15のプラス端子に入力している。
制御端子VCに印加する制御電圧Vcが、VssからVddまで徐々に増加すると、抵抗9、10を介して可変容量ダイオード2、3の容量値が減少する。その結果、固定容量4と可変容量ダイオード2および固定容量5と可変容量ダイオード3の直列回路の容量がそれぞれ減少する。すなわち水晶振動子7からみた負荷容量CLが減少することになる。水晶振動子7の負荷容量CLと発振周波数は、図3に示すような関係となっているので、負荷容量CLの減少に伴い、発振周波数は高い方にシフトする。このことから制御電圧VcをVssからVddまで徐々に増加させると、図4に示すようにΔfaの幅で発振周波数が高くなることがわかる。
一方電圧変換回路11のオペアンプ15は、予め水晶発振回路1の最小発振可能電源電圧Voscに相当するオフセット電圧を出力するように設定されており、その出力電圧Vcc、すなわちCMOSインバータ6の電源電圧は、図7に示すようにVoscを下限値として、制御電圧Vcの増加と共に電源電圧Vdd以下の範囲で上昇していくように設定されている。一方、水晶発振回路1の発振周波数(f)は、図5に示すように電源電圧Vccの増加と共に上昇するので、要求仕様から必要な変化分がΔfbである場合、図5から電源電圧Vccの変化範囲をVoscからVddまでの間に設定しておけばよい。
なお、上述した水晶発振回路1の回路において、図3の水晶振動子の負荷容量CLは概略CL=(Cd1//Cv1)//(Cd2//Cv2)で求められる。但し、Cd1は入力側固定容量値、Cd2は出力側固定容量値、Cv1、Cv2は共に可変容量値である。
以上のような動作によって、可変容量ダイオードの容量制御と水晶発振回路の電源電圧制御により全体としては、図6に示すようにΔfa+Δfbの幅で周波数を変化させることができる。すなわち、電圧変換回路11に入力する制御電圧Vcが高くなると、出力される電源電圧Vccが高くなり、容量制御のみの場合と比較して発振周波数が高くなり(図6のΔfaで示す上限より高くなり)、制御電圧Vcが低くなると、出力される電源電圧Vccが低くなり、発振周波数が低くなる(図6のΔfaで示す下限より低くなる)ことがわかる。
1;水晶発振回路、2、3;可変容量ダイオード、4、5;固定容量、
6;CMOSインバータ、7;水晶振動子、8;帰還抵抗、9、10;抵抗、
11;電圧変換回路、15;オペアンプ、16、17;抵抗
6;CMOSインバータ、7;水晶振動子、8;帰還抵抗、9、10;抵抗、
11;電圧変換回路、15;オペアンプ、16、17;抵抗
Claims (2)
- CMOSインバータと、該CMOSインバータの入出力間に並列接続される水晶振動子および帰還抵抗と、前記水晶振動子の負荷容量を形成する固定容量および可変容量ダイオードと、制御電圧を入力し前記可変容量ダイオードの容量を可変する抵抗とを備えた電圧制御水晶発振回路において、
前記制御電圧を入力し、該制御電圧の変化に応じて出力電圧が変化する電圧変換回路を備え、該電圧変換回路の出力電圧を前記CMOSインバータの電源電圧に供給し、前記可変容量ダイオードの容量値と前記固定容量の容量値から決定される周波数可変幅より、周波数可変幅を広げることを特徴とする電圧制御水晶発振回路。 - 請求項1記載の電圧制御水晶発振回路において、前記電圧変換回路は、制御電圧が高くなったとき、出力電圧が高くなり、電圧制御水晶発振回路の発振周波数が高くなり、または制御電圧が低くなったとき、出力電圧が低くなり、電圧制御水晶発振回路の発振周波数が低くなることを特徴とする電圧制御水晶発振回路。
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JP2004323521A JP2006135739A (ja) | 2004-11-08 | 2004-11-08 | 電圧制御水晶発振回路 |
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- 2004-11-08 JP JP2004323521A patent/JP2006135739A/ja active Pending
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