JP2008103808A

JP2008103808A - 水晶発振器

Info

Publication number: JP2008103808A
Application number: JP2006282439A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Yokoyama; 雅之横山; Hisato Takeuchi; 久人竹内
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-05-01

Abstract

【課題】水晶発振器において、その位相ノイズのフロアーノイズは、電源回路で発生する出力電圧の電圧ノイズにより、前記出力電圧を電源とするバッファ回路において発生するノイズが大きく影響するという課題があった。また、前記電圧ノイズを下げるフィルタを挿入する方法では、ＤＣ電圧がドロップし、安定した発振特性を確保する事が出来なかった。
【解決手段】上記目的を達成するために、電源回路１０２の出力とバッファ回路１０５との間にのみローパスフィルタ１１６を接続することで、水晶発振器の発振特性を劣化させること無く、バッファ回路１０５の電源電圧の電圧ノイズ（フロアーノイズ）を落とし、結果的に水晶発振器の位相ノイズ（フロアーノイズ）を低減することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＴＣＸＯ（温度制御用水晶発振器）を主な利用分野とし、良好な位相ノイズ性能を実現し特に１００ＫＨｚ離調以上のフロアーノイズを低減する水晶発振器に関する。

近年、携帯電話には高い通話品質が求められている中で、ＴＣＸＯ（温度制御用水晶発振器）としても、より良好なノイズ性能が求められており、特に１００ＫＨｚ以上の高い離調周波数帯での良好な位相ノイズ性能が求められている。

以下、従来の水晶発振器について説明する。

従来のこの種の水晶発振器は図１に回路図の一例を示したように構成されている。図１において、外部電源１を入力とする電源回路２と、前記電源回路２を電源として接続したインバータ６と、前記インバータ６の入出力端子間に接続される帰還抵抗７と、前記インバータ６の入力端子に接続される固定容量８と、前記インバータ６の出力端子に接続される固定容量９と、前記固定容量８のもう一方の端子と接地との間に接続される電圧可変容量１１と、前記固定容量９のもう一方の端子と接地との間に接続される電圧可変容量１２と、前記固定容量８と前記電圧可変容量１１の接続端子と前記固定容量９と前記電圧可変容量１２の接続端子との間に接続される水晶振動子１０とで構成される水晶発振回路４と、前記電圧可変容量１１、１２に抵抗１３、１４を介して印加する制御電圧を発生する制御電圧発生回路３と、前記水晶発振回路４の出力を入力とし、電圧源として前記電源回路２が接続されるバッファ回路５とで構成される。

また、図１に示す前記水晶発振回路４は、前記電源回路２により電源を供給し、前記水晶振動子１０と前記インバータ６と前記固定容量８、９と前記電圧可変容量１１、１２にて発振ループを形成し、発振波形を出力する構成である。

以上のように構成された水晶発振器について、その動作を説明する。外部電源１から電圧を印加すると前記電源回路２より、ある一定の電源電圧が前記インバータ６と前記水晶振動子１０に供給され、これにより発振動作を行う。そして、この水晶発振回路４において発振された発振振幅を前記電源回路２により駆動する前記バッファ回路５によって増幅し出力する。また、前記制御電圧発生回路３より前記抵抗１３、１４を介して前記電圧可変容量１１、１２に制御電圧が印加され、前記電圧可変容量１１、１２の容量値を変化することにより発振回路の負荷容量ＣＬを変化させ、所望の発振周波数ｆ０に調整することができる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平１１−５９８１１号公報

前記構成の水晶発振器において、その位相ノイズ性能は、電源回路で発生する出力電圧の電圧ノイズが支配的であり、前記出力電圧を電源とする水晶発振回路、バッファ回路においては、低い電圧ノイズの電源回路を設計しても、それを高感度に増幅するため、水晶発振回路においては位相ノイズの1/fノイズが大きく影響し、バッファ回路においては位相ノイズのフロアーノイズが大きく影響するという課題があった。

また、電圧ノイズを下げる効果として、フィルタ回路を挿入する方法が考えられるが、水晶発振回路は大電流を消費する事と、ＤＣ的な電流が定常的に流れるために、ＤＣ電圧がドロップしてしまうため、安定した発振特性を確保するために必要な負性抵抗を悪化させ、所望の周波数可変範囲を確保するために必要な発振振幅が減少するなど、発振特性に大きな影響を及ぼしてしまう。

本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、水晶発振回路のＤＣ電圧のドロップによる負性抵抗や発振振幅などの特性劣化が無く、良好な位相ノイズ性能（フロアー）を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、前記電源回路の出力とバッファ回路との間にのみ電圧ノイズのフロアーをほぼゼロに落とす、カットオフ周波数１００ＫＨｚのローパスフィルタを接続することで、バッファ回路の電源電圧の電圧ノイズ（フロアーノイズ）を落とし、結果的に水晶発振器の位相ノイズ（フロアーノイズ）を低減する。

本発明は、水晶発振器で発生する位相ノイズにおいて、そのフロアーノイズの性能がバッファ回路の電源電圧ノイズによる影響が支配的であるため、バッファ回路の電源の電圧ノイズをゼロにする事で、位相ノイズ（フロアー）を低減する事ができる。

また、バッファ回路ではＤＣ的な電流は少ないため、ローパスフィルタ接続後の電源電圧を大きくドロップさせる事は無く、過渡的な電圧応答についても固定容量を接地電位間に接続している事で低減できる。また水晶発振回路の電源電圧系にはローパスフィルタは接続されないため、水晶発振回路の電源電圧のドロップは無い。以上の事から、発振回路の諸特性への影響が無く、安定した発振特性を保持することができる。

また、前記ローパスフィルタは電源電圧ノイズのフロアーを落とす事を目的としているため、その構成素子の定数はカットオフ周波数が約１００ＫＨｚ以上の構成で良いため、前記構成素子の定数はＩＣ内部での構成が十分可能な面積で実現できる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図２は本発明の第１の実施形態にかかる水晶発振器の構成図を示すものである。また、図５は本発明のバッファ回路の電源電圧ノイズを示すものである。図２及び図５において、外部電源１０１を入力とする電源回路１０２と、前記電源回路１０２を電源として接続したインバータ１０６と、前記インバータ１０６の入出力端子間に接続される帰還抵抗１０７と、前記インバータ１０６の入力端子に接続される固定容量１０８と、前記インバータ１０６の出力端子に接続される固定容量１０９と、前記固定容量１０８のもう一方の端子と接地との間に接続される電圧可変容量１１１と、前記固定容量１０９のもう一方の端子と接地との間に接続される電圧可変容量１１２と、前記固定容量１０８と前記電圧可変容量１１１の接続端子と前記固定容量１０９と前記電圧可変容量１１２の接続端子との間に接続される水晶振動子１１０とで構成される水晶発振回路１０４と、前記電圧可変容量１１１、１１２に抵抗１１３、１１４を介して印加する制御電圧を発生する制御電圧発生回路１０３と、前記水晶発振回路１０４の出力を入力とし、電圧源として前記電源回路１０２の出力をカットオフ周波数４０３が約１００ＫＨｚの抵抗１１７と固定容量１１８で構成されるローパスフィルタ１１６を介して接続されるバッファ回路１０５とで構成される水晶発振器。

以上の様に構成された実施形態の水晶発振器について、以下、その動作を説明する。

外部電源１０１から電源電圧を印加すると電源回路１０２より、ある一定の電源電圧がインバータ１０６と水晶振動子１１０に供給され、これにより発振動作を行う。そして、この水晶発振回路１０４において発振された発振振幅を前記電源回路１０２より、カットオフ周波数４０３が約１００ＫＨｚの前記ローパスフィルタ１１６を介したローノイズの電圧にて駆動するバッファ回路１０５によって増幅し出力する。また、制御電圧発生回路１０３より抵抗１１３、１１４を介して電圧可変容量１１１、１１２のカソードに制御電圧が印加され、電圧可変容量１１１、１１２の容量値を変化することにより発振回路の負荷容量ＣＬを変化させ、所望の発振周波数ｆ０に調整することができる。ここで、前記ローパスフィルタ１１６を構成している固定容量１１８は、ＩＣに内蔵せず外付け素子としても良い。

また、前記ローパスフィルタ１１６の出力の電圧ノイズ４０１は、カットオフ周波数４０３の１００ＫＨｚにおいてフロアーノイズ４０２に対して３ｄＢ減少し、それ以降の離調周波数帯では一次のローパスフィルタの周波数特性に従って減衰する。

従って、従来の方式では高い離調周波数帯（＜１００ＫＨｚ）においてもバッファ回路電圧の電圧ノイズは一定のフロアーノイズを有していたのに対し、本発明の実施形態によれば、大幅に電圧ノイズを減らすことが可能であり、結果的に水晶発振器で発生する位相ノイズのフロアーノイズを大幅に減らすことが可能となる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図３は本発明の第２の実施形態にかかる水晶発振器の構成図を示すものである。また、図５は本発明のバッファ回路の電源電圧ノイズを示すものである。図３及び図５において、外部電源２０１を入力とする電源回路２０２と、前記電源回路２０２を電源として接続したインバータ２０６と、前記インバータ２０６の入出力端子間に接続される帰還抵抗２０７と、前記インバータ２０６の入力端子に接続される固定容量２０８と、前記インバータ２０６の出力端子に接続される固定容量２０９と、前記固定容量２０８のもう一方の端子と接地との間に接続される電圧可変容量２１１と、前記固定容量２０９のもう一方の端子と接地との間に接続される電圧可変容量２１２と、前記固定容量２０８と前記電圧可変容量２１１の接続端子と前記固定容量２０９と前記電圧可変容量２１２の接続端子との間に接続される水晶振動子２１０とで構成される水晶発振回路２０４と、前記電圧可変容量２１１、２１２に抵抗２１３、２１４を介して印加する制御電圧を発生する制御電圧発生回路２０３と、前記水晶発振回路２０４の出力を入力とし、電圧源として前記電源回路２０２の出力をカットオフ周波数４０３が約１００ＫＨｚの抵抗２１７と固定容量２１８と前記抵抗２１７に並列に接続するスイッチ素子２１９で構成されるローパスフィルタ２１６を介して接続されるバッファ回路２０５とで構成される水晶発振器。

以上の様に構成された第２の実施形態の水晶発振器について、以下、その動作を説明する。

外部電源２０１から電源電圧を印加すると電源回路２０２より、ある一定の電源電圧がインバータ２０６と水晶振動子２１０に供給され、これにより発振動作を行う。ここで、前記スイッチ素子２１９は電源印加後の一定期間短絡し、前記ローパスフィルタ２１６を構成する前記固定容量２１８が前記電源回路２０２により十分充電された後に開放する動作をすることで、前記バッファ回路２０５の電源電圧の過渡特性を低減する。

そして、この水晶発振回路２０４において発振された発振振幅を前記電源回路２０２より、カットオフ周波数４０３が約１００ＫＨｚの前記ローパスフィルタ２１６を介したローノイズの電圧にて駆動するバッファ回路２０５によって増幅し出力する。

また、制御電圧発生回路２０３より抵抗２１３、２１４を介して電圧可変容量２１１、２１２のカソードに制御電圧が印加され、電圧可変容量２１１、２１２の容量値を変化することにより発振回路の負荷容量ＣＬを変化させ、所望の発振周波数ｆ０に調整することができる。ここで、前記ローパスフィルタ２１６を構成している固定容量２１８は、ＩＣに内蔵せず外付け素子としても良い。

また、前記ローパスフィルタ２１６の出力の電圧ノイズ４０１は、カットオフ周波数４０３の１００ＫＨｚにおいてフロアーノイズ４０２に対して３ｄＢ減少し、それ以降の離調周波数帯では一次のローパスフィルタの周波数特性に従って減衰する。

本発明は、水晶発振器の位相ノイズ特性のうち特にフロアーノイズに影響するバッファ回路の電源電圧ノイズをローパスフィルタによって低減することで、水晶発振器の発振特性を劣化させること無く、良好な位相ノイズ性能をもつ水晶発振器を実現できるため、水晶発振器性能の中でも通信品質の向上のために特に重要ともいえる位相ノイズの低減が図れることから利用価値、可能性は非常に高い。

従来の実施形態に係る水晶発振器を示す構成図本発明の第１の実施形態に係る水晶発振器を示す構成図本発明の第２の実施形態に係る水晶発振器を示す構成図従来回路のバッファ回路電源電圧ノイズ例を示すグラフ新規回路のバッファ回路電源電圧ノイズ例を示すグラフ

符号の説明

１、１０１、２０１外部電源
２、１０２、２０２電源回路
３、１０３、２０３制御電圧発生回路
４、１０４、２０４水晶発振回路
５、１０５、２０５バッファ回路
６、１０６、２０６インバータ
７、１０７、２０７帰還抵抗
８、９、１０８、１０９、１１８、２０８、２０９、２１８固定容量
１０、１１０、２１０水晶振動子
１１、１２、１１１、１１２、２１１、２１２電圧可変容量
１３、１４、１１３、１１４、１１７、２１３、２１４、２１７抵抗
１５、１１５、２１５インバータ
１１６、２１６ローパスフィルタ
３０１、４０１バッファ回路電源電圧ノイズ
３０２、４０２バッファ回路電源電圧フロアーノイズ
４０３カットオフ周波数
４０４カットオフ周波数時、バッファ回路電源電圧ノイズ

Claims

電圧源として電源回路が接続され、制御電圧発生回路の出力を入力とする水晶発振回路と、電圧源として前記電源回路が接続され、前記水晶発振回路の出力を入力とするバッファ回路とで構成される水晶発振器において、前記電源回路と前記バッファ回路との間にローパスフィルタを接続して構成される水晶発振器。
請求項１記載の水晶発振器において、電源回路とバッファ回路との間に抵抗と固定容量とからなるローパスフィルタと、前記抵抗に並列に接続するスイッチ素子とで構成される水晶発振器。