JP5060416B2 - Oscillator - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子を使用した発振器に関し、特に複数の基本波発振を行う発振器に関するものである。 The present invention relates to an oscillator using a piezoelectric element, and more particularly to an oscillator that performs a plurality of fundamental wave oscillations.
従来、発振器を複数システムに適応させるための解決法として、発振器の多チャンネル化がある。これは、システムの要求にあわせて発振周波数を切り替え、柔軟に対応するために必須な技術である。
複数の周波数で発振する発振器としては、オーバートーン発振を利用したデュアルモード水晶発振回路(NDK)が知られている(例えば、特許文献1参照)。ここでは、水晶振動子の基本波振動に対する3次のオーバートーン振動を発振する第1の発振手段と、水晶振動子の基本波振動に対する5次のオーバートーンを発振する第2の発振手段と、第1、第2の発振手段のいずれか一方と水晶振動子との間に5次のオーバートーン振動の干渉を阻止する帯域制限手段と、を備えることで、安定な3次と5次のオーバートーン発振を実現している。
As an oscillator that oscillates at a plurality of frequencies, a dual mode crystal oscillation circuit (NDK) using overtone oscillation is known (for example, see Patent Document 1). Here, a first oscillating means for oscillating a third-order overtone vibration with respect to the fundamental wave vibration of the crystal oscillator, a second oscillating means for oscillating a fifth-order overtone with respect to the fundamental wave vibration of the crystal oscillator, By providing band limiting means for preventing interference of fifth-order overtone vibration between one of the first and second oscillation means and the crystal resonator, stable third-order and fifth-order overshoots are provided. Tone oscillation is realized.
しかしながら、上記特許文献1に記載のデュアルモード水晶発振回路にあっては、1つの圧電素子でオーバートーンを取り出す方法を適用することで複数の発振周波数を得るようにしているため、周波数間隔を自由に選択できない。したがって、自由に周波数を選択するには、必要な分だけ発振器を持つ必要がある。
一般に、発振器は、図12に示すように、インバータ回路と、インバータ回路に並列に接続された帰還抵抗と、インバータ回路の入出力と接地間に夫々接続された容量素子とを含む発振回路と、一端がインバータ回路の入力端に接続されると共に他端がインバータ回路の出力端に接続される圧電素子とを備え、1つの発振回路と1つの圧電素子とを電気的に接続するために2つの電極が必要な構成となっている。
However, in the dual-mode crystal oscillation circuit described in
In general, as shown in FIG. 12, the oscillator includes an inverter circuit, an oscillation circuit including a feedback resistor connected in parallel to the inverter circuit, and a capacitive element connected between the input / output of the inverter circuit and the ground, A piezoelectric element having one end connected to the input end of the inverter circuit and the other end connected to the output end of the inverter circuit; and two electrical connections for electrically connecting one oscillation circuit and one piezoelectric element. An electrode is required.
したがって、複数(例えば、N個)の発振器を持つ場合、図13に示すように、複数の発振回路と複数の圧電素子とが必要となる。この図13に示す例では、各発振器の出力が結合容量Cc1〜CcNを介して1つに束ねられており、N個の発振回路のうち1つがオンすることで所望の発振出力を取り出すことができる。しかしながら、このようにN個の発振器を束ねた場合、回路面積は図12に示す発振器のN倍になる。 Therefore, when a plurality of (for example, N) oscillators are provided, a plurality of oscillation circuits and a plurality of piezoelectric elements are required as shown in FIG. In the example shown in FIG. 13, the outputs of the respective oscillators are bundled together via the coupling capacitors Cc1 to CcN, and a desired oscillation output can be taken out by turning on one of the N oscillation circuits. it can. However, when N oscillators are bundled in this way, the circuit area is N times that of the oscillator shown in FIG.
また、図14に示すような伸長コイルが挿入された発振器を複数持つ場合、図15に示すように、出力の本数(ここではN本)分の伸長コイルと電極の数が増えるため、上述した図13の例よりもさらに回路規模の増大を招く。
そこで、本発明は、回路規模を増大することなく、複数の発振周波数を自由に選択することができる発振器を提供することを目的としている。
In addition, when there are a plurality of oscillators in which extension coils as shown in FIG. 14 are inserted, as shown in FIG. 15, the number of extension coils and electrodes corresponding to the number of outputs (N in this case) increases. The circuit scale is further increased as compared with the example of FIG.
Accordingly, an object of the present invention is to provide an oscillator that can freely select a plurality of oscillation frequencies without increasing the circuit scale.
上記目的を達成するために、本発明に係る発振器は、所定の周波数で励振される圧電素子と、増幅器を有し前記圧電素子に電流を流して当該圧電素子を励振駆動する発振回路と、をそれぞれ含む複数の圧電発振回路を備える発振器であって、前記複数の発振回路の出力が1つの出力ノードに束ねられ、前記複数の圧電素子の一端が、それぞれ各圧電素子に対応する前記増幅器の入力端に接続されると共に、前記複数の圧電素子の他端が前記出力ノードに共通して接続されており、前記複数の圧電素子のうち何れか1つを選択的に駆動する選択回路を備え、前記複数の圧電素子の他端が1つに束ねられた共通ノードと前記出力ノードとの間に、伸長用コイルが接続されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, an oscillator according to the present invention includes a piezoelectric element excited at a predetermined frequency, and an oscillation circuit that has an amplifier and drives the piezoelectric element by exciting current by flowing current through the piezoelectric element. An oscillator including a plurality of piezoelectric oscillation circuits each including an output of the plurality of oscillation circuits bundled into one output node, and one end of the plurality of piezoelectric elements is an input of the amplifier corresponding to each piezoelectric element. The other end of the plurality of piezoelectric elements is connected in common to the output node, and includes a selection circuit that selectively drives any one of the plurality of piezoelectric elements , An extension coil is connected between a common node in which the other ends of the plurality of piezoelectric elements are bundled together and the output node .
このように、複数の発振回路の出力を1つの出力ノードに束ね、ここに必要な周波数の圧電素子の他端を共通して接続する構成とし、選択回路で複数の圧電素子のうち何れか1つを選択して駆動することで、多入力1出力の発振器を実現することができる。これにより、回路規模の増大を抑制しつつ、1つの発振器で複数の発振が可能となる。さらに、共通ノードと出力ノードとの間に、伸長用コイルを接続するので、発振器の周波数感度を向上させることができる。 また、本発明に係る発振器は、上記において、前記選択回路は、電流源と各増幅器との間にそれぞれ介装されたスイッチング素子により構成されており、各スイッチング素子を制御して、前記電流源から前記複数の増幅器のうち何れか1つに電流供給を行うことで、前記複数の圧電素子のうち何れか1つを駆動することを特徴としている。
これにより、比較的簡易な回路構成で選択回路を実現することができる。
As described above, the outputs of the plurality of oscillation circuits are bundled into one output node, and the other ends of the piezoelectric elements having a necessary frequency are connected in common, and any one of the plurality of piezoelectric elements is selected by the selection circuit. By selecting and driving one, an oscillator with multiple inputs and one output can be realized. Thereby, a plurality of oscillations can be performed by one oscillator while suppressing an increase in circuit scale. Furthermore, since the extension coil is connected between the common node and the output node, the frequency sensitivity of the oscillator can be improved. Further, in the oscillator according to the invention, in the above, the selection circuit is configured by a switching element interposed between a current source and each amplifier, and the current source is controlled by controlling each switching element. From any one of the plurality of amplifiers, one of the plurality of piezoelectric elements is driven by supplying a current to any one of the plurality of amplifiers.
As a result, the selection circuit can be realized with a relatively simple circuit configuration.
また、本発明に係る発振器は、上記において、前記圧電素子を除く回路部をワンチップICで構成したことを特徴としている。
これにより、圧電素子を除く回路部を完全なるIC化とすることができる。さらに、伸長用コイルを設ける場合にも、これをICチップに内蔵することで、外付けする場合と比較して寄生の影響を受けないようにすることができ、特性を出し易くすることができる。
The oscillator according to the present invention is characterized in that, in the above, the circuit portion excluding the piezoelectric element is configured by a one-chip IC.
Thereby, the circuit part excluding the piezoelectric element can be made into a complete IC. Furthermore, even when an extension coil is provided, by incorporating it in the IC chip, it can be prevented from being affected by parasitics compared to the case of being externally attached, and characteristics can be easily obtained. .
また、IC内部の発振回路とIC外部の圧電素子とを電気的に接続するための電極が必要となるが、多入力1出力の回路構成とすることで、複数の圧電発振回路を含む場合でも電極の数が増大するのを抑制することができる。
さらに、本発明に係る発振器は、上記において、前記各増幅器の入出力端と接地との間に夫々配置された容量素子を備え、前記複数の容量素子の少なくとも1つが可変容量素子であることを特徴としている。
これにより、容量素子の容量値を調整することが可能となり、周波数出力を容易に目的とする周波数に調整することができる。
In addition, an electrode for electrically connecting an oscillation circuit inside the IC and a piezoelectric element outside the IC is required. However, even when a plurality of piezoelectric oscillation circuits are included by adopting a circuit configuration with multiple inputs and one output. An increase in the number of electrodes can be suppressed.
The oscillator according to the present invention further includes a capacitive element disposed between the input / output terminal of each amplifier and the ground, and at least one of the plurality of capacitive elements is a variable capacitive element. It is a feature.
Thereby, the capacitance value of the capacitive element can be adjusted, and the frequency output can be easily adjusted to the target frequency.
以上説明したように、本発明の発振器は、回路規模や部品点数を増大させることなく、複数の基本波発振を自由に選択することができるという効果が得られる。 As described above, the oscillator of the present invention has an effect that a plurality of fundamental wave oscillations can be freely selected without increasing the circuit scale and the number of parts.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る発振器を示す図である。
本実施形態における発振器は、IC内部に配置された発振回路とIC外部に配置された圧電素子との組からなる圧電発振回路11,12を備える。
図中NM1,NM2はインバータとして機能するトランジスタであり、トランジスタNM1,NM2の各ゲートは、夫々圧電素子X1,X2の一端と電極EL1,EL2を介して電気的に接続されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an oscillator according to the first embodiment of the present invention.
The oscillator according to the present embodiment includes
In the figure, NM1 and NM2 are transistors functioning as inverters, and the gates of the transistors NM1 and NM2 are electrically connected to one ends of the piezoelectric elements X1 and X2 via electrodes EL1 and EL2, respectively.
また、トランジスタNM1,NM2と電流源との間に介装されるSM1,SM2は、選択信号SEL1,SEL2を受けることでオン/オフ制御されるトランジスタであり、トランジスタSM1(又はSM2)がオンの場合は、インバータとして機能するトランジスタNM1(又はNM2)へ発振器電流Idcを流し込み、オフの場合はトランジスタNM1(又はNM2)へ流れ込む発振器電流Idcを遮断する。 Further, SM1 and SM2 interposed between the transistors NM1 and NM2 and the current source are transistors that are turned on / off by receiving the selection signals SEL1 and SEL2, and the transistor SM1 (or SM2) is turned on. In this case, the oscillator current Idc is supplied to the transistor NM1 (or NM2) functioning as an inverter, and when it is OFF, the oscillator current Idc that is supplied to the transistor NM1 (or NM2) is cut off.
さらに、R1,R2は発振回路の動作点を決定する抵抗で、該抵抗に直列につながるSW1,SW2はトランジスタSM1,SM2と夫々連動してオン/オフするスイッチである。また、C1,C2は発振回路の入力側につく容量、Cxは発振回路の出力側につく容量である。
圧電発振回路11,12の出力は、図示の通り出力ノードN1で1つに束ねられており、出力ノードN1と圧電素子X1,X2の他端を1つに束ねた共通ノードN2とが、電極EL3を介して電気的に接続された構成となっている。
Further, R1 and R2 are resistors that determine the operating point of the oscillation circuit, and SW1 and SW2 connected in series to the resistors are switches that are turned on / off in conjunction with the transistors SM1 and SM2, respectively. C1 and C2 are capacitors on the input side of the oscillation circuit, and Cx is a capacitance on the output side of the oscillation circuit.
The outputs of the
そして、制御信号SELがHレベルであるときには、制御信号SEL1=Hレベル、制御信号SEL=Lレベルとなり、トランジスタSM1及びスイッチSW1がオン、トランジスタSM2及びスイッチSW2がオフとなる。その結果、電流源Idcと圧電発振回路11のNM1,C1,Cx,X1を含む閉ループとで発振器を構成し、圧電発振回路11の出力が最終的な出力OUTとなる。 When the control signal SEL is at the H level, the control signal SEL1 = H level and the control signal SEL = L level, the transistor SM1 and the switch SW1 are turned on, and the transistor SM2 and the switch SW2 are turned off. As a result, the current source Idc and the closed loop including the NM1, C1, Cx, and X1 of the piezoelectric oscillation circuit 11 constitute an oscillator, and the output of the piezoelectric oscillation circuit 11 becomes the final output OUT.
一方、制御信号SELがLレベルであるときには、制御信号SEL1=Lレベル、制御信号SEL=Hレベルとなり、トランジスタSM2及びスイッチSW2がオン、トランジスタSM1及びスイッチSW1がオフとなる。その結果、電流源Idcと圧電発振回路12のNM2,C2,Cx,X2を含む閉ループとで発振器を構成し、圧電発振回路12の出力が最終的な出力OUTとなる。
On the other hand, when the control signal SEL is at the L level, the control signal SEL1 = L level and the control signal SEL = H level are set, the transistor SM2 and the switch SW2 are turned on, and the transistor SM1 and the switch SW1 are turned off. As a result, an oscillator is configured by the current source Idc and the closed loop including the NM2, C2, Cx, and X2 of the
このように、選択信号SELを切り替えることで動作する圧電素子を切り替え、発振周波数を切替えることができる。言い換えると、選択信号SELによって閉ループを切り替えることで、1つの回路で2つの異なる発振周波数が得られる発振回路を構成することができる。
つまり、この発振器は、2個のインバータを持つために2個の入力を持つが、出力はすべて束ねて1つで実現できる、2入力1出力の回路構成を有している。
Thus, the piezoelectric element which operates by switching the selection signal SEL can be switched, and the oscillation frequency can be switched. In other words, by switching the closed loop by the selection signal SEL, it is possible to configure an oscillation circuit that can obtain two different oscillation frequencies with one circuit.
In other words, this oscillator has two inputs because it has two inverters, but has a circuit configuration of two inputs and one output that can be realized by bundling all outputs together.
図2は、本実施形態の概念図である。なお、ここではN個の圧電発振回路を備えた例を示している。
この図2に示すように、各圧電発振回路は、インバータ回路の入力端と出力端との間に帰還抵抗を接続した増幅器をそれぞれ有し、各出力が1つの出力ノードに束ねられている。また、各圧電素子の一端はそれぞれ対応するインバータ回路の入力端に接続され、各圧電素子の他端は共通して上記出力ノードに接続されている。
FIG. 2 is a conceptual diagram of this embodiment. Here, an example in which N piezoelectric oscillation circuits are provided is shown.
As shown in FIG. 2, each piezoelectric oscillation circuit has an amplifier in which a feedback resistor is connected between the input terminal and the output terminal of the inverter circuit, and each output is bundled into one output node. One end of each piezoelectric element is connected to the input end of the corresponding inverter circuit, and the other end of each piezoelectric element is commonly connected to the output node.
このとき、制御信号1〜Nによって、N個の圧電発振回路のうち何れか1つが動作するように制御することで、複数の圧電発振回路の出力同士がぶつかることなく、1つだけを選択的に発振させることができる。
ところで、N個の異なる発振周波数を得るために、図12に示す構成の発振器をN個持たせる場合、N個の圧電発振回路をそのまま接続すると図13に示すような構成となり、回路規模は単純にN倍となる。また、1組の発振回路と圧電素子とを電気的に接続するためには電極が2個必要であり、N個の圧電発振回路を持つ場合には2×N個の電極が必要となる。
At this time, by controlling so that any one of the N piezoelectric oscillation circuits operates by the
Incidentally, in order to obtain N different oscillation frequencies, when N oscillators having the configuration shown in FIG. 12 are provided, if N piezoelectric oscillation circuits are connected as they are, the configuration shown in FIG. 13 is obtained, and the circuit scale is simple. N times. Further, two electrodes are required to electrically connect a set of oscillation circuits and piezoelectric elements, and 2 × N electrodes are required when N piezoelectric oscillation circuits are provided.
したがって、図13に示す構成では出力の本数が入力と同じ本数だけあるので、多チャンネル化する場合は大きなチップ面積、実装面積が必要となる。このように、複数の発振器を束ねて多チャンネル化に対応しようとする場合、回路規模の増大を抑えることは非常に困難である。
これに対して、本実施形態では、図2に示すように、各発振回路の出力を1つの出力ノードに束ね、各圧電素子の他端を共通して当該出力ノードに接続することで、出力の本数を1本としている。そのため、N個の圧電発振回路を持つ場合でも、電極の数は(N+1)個となり、図13に示す構成と比較して回路規模を抑えることができる。
Therefore, in the configuration shown in FIG. 13, since the number of outputs is the same as the number of inputs, a large chip area and mounting area are required in order to increase the number of channels. As described above, when a plurality of oscillators are bundled to cope with the increase in the number of channels, it is very difficult to suppress an increase in circuit scale.
On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 2, the output of each oscillation circuit is bundled into one output node, and the other end of each piezoelectric element is connected to the output node in common, thereby outputting the output. The number is one. Therefore, even when N piezoelectric oscillation circuits are provided, the number of electrodes is (N + 1), and the circuit scale can be reduced as compared with the configuration shown in FIG.
このように、上記第1の実施形態では、複数の発振回路の出力を1つの出力ノードに束ね、複数の圧電素子の一端をそれぞれ各圧電素子に対応する増幅器の入力端に接続すると共に複数の圧電素子の他端を上記出力ノードに共通して接続し、複数の圧電素子のうち何れか1つを駆動するようにするので、多入力1出力の発振器を実現することができる。
このとき、集積した発振回路に、所望の周波数の圧電素子を上述したように接続することで、自由に基本波発振を選択することができる発振器とすることができる。
As described above, in the first embodiment, the outputs of the plurality of oscillation circuits are bundled into one output node, and one end of each of the plurality of piezoelectric elements is connected to the input end of the amplifier corresponding to each piezoelectric element, and Since the other end of the piezoelectric element is commonly connected to the output node and any one of the plurality of piezoelectric elements is driven, a multi-input one-output oscillator can be realized.
At this time, by connecting a piezoelectric element having a desired frequency to the integrated oscillation circuit as described above, an oscillator capable of freely selecting fundamental wave oscillation can be obtained.
また、圧電素子を除く回路部をワンチップICで構成することで、IC内部の発振回路とIC外部の圧電素子とを電気的に接続するための電極が必要となるが、多入力1出力の回路構成とすることで、N個の圧電発振回路を含む場合でも電極の数は(N+1)個に止めることができ、回路規模の増大を抑制することができる。
このように、回路規模や部品点数の増大を抑制しつつ、1つの発振器で複数の発振周波数を自由に選択することができる。
In addition, by constructing the circuit part excluding the piezoelectric element with a one-chip IC, an electrode for electrically connecting the oscillation circuit inside the IC and the piezoelectric element outside the IC is required. With the circuit configuration, even when N piezoelectric oscillation circuits are included, the number of electrodes can be limited to (N + 1), and an increase in circuit scale can be suppressed.
As described above, it is possible to freely select a plurality of oscillation frequencies with one oscillator while suppressing an increase in the circuit scale and the number of components.
また、電流源と増幅用のトランジスタとの間にそれぞれスイッチング素子(トランジスタ)介装し、各スイッチング素子を制御することで、電流源から複数の増幅器のうち何れか1つのみに電流供給を行うようにするので、比較的簡易な回路構成で、複数の圧電素子から1つを選択する選択回路を実現することができる。
なお、上記第1の実施形態においては、2入力1出力の発振回路について説明したが、入力はいくつであってもよい。例えば、4入力1出力の発振回路とした場合の回路構成は図3に示すようになる。この場合、選択信号SEL1〜SEL4は、圧電発振回路11〜14のうち何れか1つがオンするように制御される。仮に、SEL1=Hレベル、SEL2=Lレベル、SEL3=Lレベル、SEL4=Lレベルとすると、トランジスタSM1およびスイッチSW1のみがオンとなり、トランジスタSM2〜SM4およびスイッチSW2〜SW4がオフとなるので、圧電発振回路11のみが動作する状態とすることができる。
In addition, a switching element (transistor) is interposed between the current source and the amplification transistor, and each switching element is controlled to supply current to only one of the plurality of amplifiers from the current source. Therefore, it is possible to realize a selection circuit that selects one of a plurality of piezoelectric elements with a relatively simple circuit configuration.
In the first embodiment, the 2-input 1-output oscillation circuit has been described. However, any number of inputs may be used. For example, the circuit configuration in the case of a 4-input 1-output oscillation circuit is as shown in FIG. In this case, the selection signals SEL1 to SEL4 are controlled such that any one of the piezoelectric oscillation circuits 11 to 14 is turned on. If SEL1 = H level, SEL2 = L level, SEL3 = L level, and SEL4 = L level, only the transistor SM1 and the switch SW1 are turned on, and the transistors SM2 to SM4 and the switches SW2 to SW4 are turned off. Only the oscillation circuit 11 can operate.
次に、本発明における第2の実施形態について説明する。
この第2の実施形態は、前述した第1の実施形態において、伸長用コイルを追加したものである。
図4は、第2の実施形態に係る2入力1出力の発振器を示す図である。
この図4に示すように、第2の実施形態の発振器は、前述した図1の発振器において、発振器の出力ノードN1と圧電素子の共通ノードN2との間に伸長コイルLsが挿入されていることを除いては、図1の発振器と同様の構成を有する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the second embodiment, an extension coil is added to the first embodiment described above.
FIG. 4 is a diagram illustrating an oscillator with two inputs and one output according to the second embodiment.
As shown in FIG. 4, in the oscillator according to the second embodiment, the extension coil Ls is inserted between the output node N1 of the oscillator and the common node N2 of the piezoelectric element in the oscillator of FIG. The configuration is the same as that of the oscillator shown in FIG.
伸長コイルLsは、周波数感度を向上させるために設けられるものであり、ここではICチップ外部に配置するものとする。
次に、伸長コイルの機能について以下に詳述する。
図5は、伸長コイルの機能を説明するための等価回路である。等価容量をCtとすると、CL1,CL2,Lsの直列インピーダンスは以下のようになる。
The extension coil Ls is provided to improve the frequency sensitivity, and is assumed to be disposed outside the IC chip here.
Next, the function of the extension coil will be described in detail below.
FIG. 5 is an equivalent circuit for explaining the function of the extension coil. Assuming that the equivalent capacitance is Ct, the series impedance of CL1, CL2, and Ls is as follows.
1/(jω*Ct)=1/(jω*CL1)+1/(jω*CL2)+jω*Ls
1/Ct =(1/CL1+1/CL2)−ω2*Ls ………(1)
ここで、ωは角周波数である。また、1/CL=1/CL1+1/CL2とすると、上記(1)式より以下の式が導出される。
1/Ct=1/CL−ω2*Ls
=(1−ω2*Ls*CL )/CL
∴ Ct=CL/(1−ω2*Ls*CL) ………(2)
また、圧電素子の発振周波数fは、直列共振周波数fsを用いると、
f=fs*{1+C1/(2*(C0+Ct))}
=fs*(1+Δ) ………(3)
で表される。ここで、Δ=C1/(2*(C0+Ct))、fs=1/{2*π*√(L1*C1)}である。
1 / (jω * Ct) = 1 / (jω * CL1) + 1 / (jω * CL2) + jω * Ls
1 / Ct = (1 /
Here, ω is an angular frequency. If 1 / CL = 1 /
1 / Ct = 1 / CL-ω 2 * Ls
= (1-ω 2 * Ls * CL) / CL
∴ Ct = CL / (1-ω 2 * Ls * CL) (2)
Moreover, when the series resonance frequency fs is used as the oscillation frequency f of the piezoelectric element,
f = fs * {1 + C1 / (2 * (C0 + Ct))}
= Fs * (1 + Δ) (3)
It is represented by Here, Δ = C1 / (2 * (C0 + Ct)) and fs = 1 / {2 * π * √ (L1 * C1)}.
上記(3)式が周波数感度(可変範囲)のLs依存性を示している。
このとき、上記(2)式からも明らかなように、
ω2*Ls*CL>1
Ls>1/(ω2*CL) ………(4)
を満たす伸長コイルではCtは負の容量として動作する。この領域では、上記(3)式が示すようにΔが大きくなるので、周波数可変範囲は大きくなる傾向になる。一方、Ctが正の領域ではΔは小さくなるので、周波数可変範囲は伸長コイルがあっても小さくなる傾向になる。
The above equation (3) indicates the Ls dependency of the frequency sensitivity (variable range).
At this time, as apparent from the above equation (2),
ω 2 * Ls * CL> 1
Ls> 1 / (ω 2 * CL) (4)
In the extension coil that satisfies the above, Ct operates as a negative capacity. In this region, since Δ increases as shown in the above equation (3), the frequency variable range tends to increase. On the other hand, since Δ is small in the region where Ct is positive, the frequency variable range tends to be small even if there is an extension coil.
このように、伸長コイルLsを挿入することで周波数の調整を行うことができる。
図6は、本実施形態の概念図である。なお、ここではN個の圧電発振回路を備えた例を示している。
この図6に示すように、各圧電発振回路は、インバータ回路の入力端と出力端との間に帰還抵抗を接続した増幅器をそれぞれ有し、各出力が1つの出力ノードに束ねられている。また、各圧電素子の一端はそれぞれ対応するインバータ回路の入力端に接続され、各圧電素子の他端は1つの共通ノードに束ねられ、伸長コイルを介して上記出力ノードに接続されている。
Thus, the frequency can be adjusted by inserting the extension coil Ls.
FIG. 6 is a conceptual diagram of this embodiment. Here, an example in which N piezoelectric oscillation circuits are provided is shown.
As shown in FIG. 6, each piezoelectric oscillation circuit has an amplifier in which a feedback resistor is connected between the input terminal and the output terminal of the inverter circuit, and each output is bundled into one output node. One end of each piezoelectric element is connected to the input terminal of the corresponding inverter circuit, and the other end of each piezoelectric element is bundled with one common node and connected to the output node via an extension coil.
このとき、制御信号1〜Nによって、N個の圧電発振回路のうち何れか1つが動作するように制御することで、複数の圧電発振回路の出力同士がぶつかることなく、1つだけを選択的に発振させることができる。
ところで、N個の異なる発振周波数を得るために、図14に示す構成の発振器をN個持たせる場合、N個の圧電発振回路をそのまま接続すると図15に示すような構成となり、回路規模は単純にN倍となる。また、1組の発振回路と圧電素子とを電気的に接続するためには電極が2個必要であり、さらには伸長コイルを接続するための電極も必要となるため、N個の圧電発振回路を持つ場合には3×N個の電極が必要となる。
At this time, by controlling so that any one of the N piezoelectric oscillation circuits operates by the control signals 1 to N, only one of the plurality of piezoelectric oscillation circuits can be selectively selected without colliding with each other. Can oscillate.
Incidentally, in order to obtain N different oscillation frequencies, when N oscillators having the configuration shown in FIG. 14 are provided, if N piezoelectric oscillation circuits are connected as they are, the configuration shown in FIG. 15 is obtained, and the circuit scale is simple. N times. In addition, two electrodes are required to electrically connect one set of oscillation circuit and the piezoelectric element, and further, an electrode for connecting an extension coil is also required. Therefore, N piezoelectric oscillation circuits 3 × N electrodes are required.
このように、図15に示す構成では、出力の本数が入力の本数と同じだけあるので、伸長コイルを挿入する場合、出力の本数分コイルを必要とすることになり、この伸長コイルと電極とによって回路面積が大幅に増大してしまう。
これに対して、本実施形態では、図4に示すように、各発振回路の出力を1つの出力ノードに束ね、各圧電素子の他端を共通して当該出力ノードに接続することで、出力の本数を1本とするので、挿入する伸長コイルは出力の本数と同じ1個だけで済み、大きな回路規模の増大を伴わない。また、伸長コイルを上記出力ノードと圧電素子の共通ノードとの間に挿入することにより、伸長コイルの挿入による電極の追加を伴わない。
Thus, in the configuration shown in FIG. 15, the number of outputs is the same as the number of inputs. Therefore, when the extension coils are inserted, as many coils as the number of outputs are required. As a result, the circuit area greatly increases.
On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 4, the output of each oscillation circuit is bundled into one output node, and the other end of each piezoelectric element is connected to the output node in common. Therefore, only one extension coil to be inserted is required, which is the same as the number of outputs, and there is no large increase in circuit scale. Further, by inserting the extension coil between the output node and the common node of the piezoelectric element, no electrode is added due to the insertion of the extension coil.
このように、上記第2の実施形態では、発振器に伸長コイルを挿入するので、伸長コイルのインダクタンス値を調整することで周波数感度を向上させることができる。
また、伸長コイルを発振器の出力ノードと圧電素子の共通ノードとの間に挿入するので、1個の伸長コイルを各発振回路で共通に使うことができるため、部品点数の削減効果があると共に、回路規模の増大を抑制することができる。
Thus, in the second embodiment, since the extension coil is inserted into the oscillator, the frequency sensitivity can be improved by adjusting the inductance value of the extension coil.
In addition, since the extension coil is inserted between the output node of the oscillator and the common node of the piezoelectric element, since one extension coil can be used in common in each oscillation circuit, there is an effect of reducing the number of parts, An increase in circuit scale can be suppressed.
なお、上記第2の実施形態においては、2入力1出力の発振回路について説明したが、入力はいくつであってもよい。例えば、4入力1出力の発振回路とした場合の回路構成は図7に示すようになる。この場合、選択信号SEL1〜SEL4は、圧電発振回路11〜14のうち何れか1つがオンするように制御される。例えば、SEL1=Hレベル、SEL2=Lレベル、SEL3=Lレベル、SEL4=Lレベルとすれば、トランジスタSM1およびスイッチSW1のみがオンとなり、圧電発振回路11のみが動作する状態とすることができる。 In the second embodiment, the 2-input 1-output oscillation circuit has been described. However, any number of inputs may be used. For example, the circuit configuration in the case of a 4-input 1-output oscillation circuit is as shown in FIG. In this case, the selection signals SEL1 to SEL4 are controlled such that any one of the piezoelectric oscillation circuits 11 to 14 is turned on. For example, when SEL1 = H level, SEL2 = L level, SEL3 = L level, and SEL4 = L level, only the transistor SM1 and the switch SW1 are turned on, and only the piezoelectric oscillation circuit 11 can be operated.
次に、本発明における第3の実施形態について説明する。
この第3の実施形態は、前述した第1の実施形態において、容量素子C1,C2,Cxを可変容量素子としたものである。
図8は、第3の実施形態に係る2入力1出力の発振器を示す図である。
この図8に示すように、第3の実施形態の発振器は、前述した図1の発振器において、容量素子C1が可変容量素子C1´に置換され、容量素子C2が可変容量素子C2´に置換され、容量素子Cxが可変容量素子Cx´に置換されていることを除いては、図1の発振器と同様の構成を有する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
In the third embodiment, the capacitive elements C1, C2, and Cx in the first embodiment described above are variable capacitive elements.
FIG. 8 is a diagram showing an oscillator with two inputs and one output according to the third embodiment.
As shown in FIG. 8, in the oscillator according to the third embodiment, the capacitive element C1 is replaced with a variable capacitive element C1 ′ and the capacitive element C2 is replaced with a variable capacitive element C2 ′ in the oscillator shown in FIG. 1 except that the capacitive element Cx is replaced with a variable capacitive element Cx ′.
ここで、可変容量素子C1´,C2´,Cx´の容量値は、電圧レベルやデジタルコードによって変えることができる。
このような構成により、前述した第1の実施形態と同様に、選択信号SELで閉ループを切替えることで1つの回路で発振周波数が異なる発振回路を構成することができる。さらに、発振回路を構成するC1´、C2´及びCx´は可変容量素子であるので、各容量素子の容量値を変更することで、前記(3)式で示される範囲で周波数を調整することができる。
このように、上記第3の実施形態では、各増幅器の入出力端と接地との間に夫々配置された容量素子を可変容量素子とするので、容易に目的とする周波数に調整することができる。
Here, the capacitance values of the variable capacitance elements C1 ′, C2 ′, Cx ′ can be changed according to the voltage level and the digital code.
With this configuration, as in the first embodiment described above, it is possible to configure an oscillation circuit having different oscillation frequencies in one circuit by switching the closed loop with the selection signal SEL. Further, since C1 ′, C2 ′ and Cx ′ constituting the oscillation circuit are variable capacitance elements, the frequency can be adjusted within the range indicated by the above expression (3) by changing the capacitance value of each capacitance element. Can do.
As described above, in the third embodiment, the capacitive element disposed between the input / output terminal of each amplifier and the ground is a variable capacitive element, so that it can be easily adjusted to the target frequency. .
次に、本発明における第4の実施形態について説明する。
この第4の実施形態は、前述した第3の実施形態において、伸長コイルを追加したものである。
図9は、第4の実施形態に係る2入力1出力の発振器を示す図である。
この図9に示すように、第4の実施形態の発振器は、前述した図8の発振器において、発振器の出力ノードN1と圧電素子の共通ノードN2との間に伸長コイルLsが挿入されていることを除いては、図8の発振器と同様の構成を有する。
伸長コイルLsは、周波数感度を向上させるために設けられるものであり、ここではICチップ外部に配置するものとする。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
In the fourth embodiment, an extension coil is added to the third embodiment described above.
FIG. 9 is a diagram illustrating a two-input one-output oscillator according to the fourth embodiment.
As shown in FIG. 9, in the oscillator of the fourth embodiment, the extension coil Ls is inserted between the output node N1 of the oscillator and the common node N2 of the piezoelectric element in the oscillator of FIG. The configuration is the same as that of the oscillator shown in FIG.
The extension coil Ls is provided to improve the frequency sensitivity, and is assumed to be disposed outside the IC chip here.
このような構成により、前述した第3の実施形態と同様に、選択信号SELで閉ループを切替えることで1つの回路で発振周波数が異なる発振回路を構成することができる。さらに、発振回路を構成するC1´、C2´及びCx´は可変容量素子であるので、各容量素子の容量値を変更することで、前記(3)式で示される範囲で周波数を調整することができる。加えて、伸長コイルLsのインダクタンス値を、前記(4)式を満たすように選択することにより、前述した第3の実施形態の回路よりも広い周波数可変幅をとることができる。 With such a configuration, as in the third embodiment described above, it is possible to configure an oscillation circuit with different oscillation frequencies in one circuit by switching the closed loop with the selection signal SEL. Further, since C1 ′, C2 ′ and Cx ′ constituting the oscillation circuit are variable capacitance elements, the frequency can be adjusted within the range indicated by the above expression (3) by changing the capacitance value of each capacitance element. Can do. In addition, by selecting the inductance value of the extension coil Ls so as to satisfy the expression (4), it is possible to take a wider frequency variable width than the circuit of the third embodiment described above.
図9に示すように、発振回路を構成するC1´、C2´及びCx´が可変容量素子である場合、各容量素子の容量値を変更することで容易に目的とする周波数に調整することができる。例えば、圧電素子として水晶やSAWデバイスを適用した場合にも同様に周波数の調整が可能であるが、高Q値のため、非常に狭い帯域での調整になる。このような場合、伸長コイルを挿入することで、上記不具合を容易に解消することができる。 As shown in FIG. 9, when C1 ′, C2 ′, and Cx ′ constituting the oscillation circuit are variable capacitance elements, the capacitance value of each capacitance element can be easily adjusted to a target frequency. it can. For example, when a crystal or SAW device is applied as the piezoelectric element, the frequency can be adjusted in the same manner. However, since the Q value is high, the adjustment is performed in a very narrow band. In such a case, the above problem can be easily solved by inserting an extension coil.
次に、本発明における第5の実施形態について説明する。
この第5の実施形態は、前述した第4の実施形態において、伸長コイルLsをICチップ内部に配置するようにしたものである。
図10は、第5の実施形態に係る2入力1出力の発振器を示す図である。
この図10に示すように、第5の実施形態の発振器は、前述した図9の発振器において、伸長コイルLsが、発振器の出力ノードN1と圧電素子の共通ノードN2との間で、且つICチップ内部に挿入されていることを除いては、図9の発振器と同様の構成を有する。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.
In the fifth embodiment, the extension coil Ls is arranged in the IC chip in the fourth embodiment described above.
FIG. 10 is a diagram illustrating a two-input one-output oscillator according to the fifth embodiment.
As shown in FIG. 10, the oscillator of the fifth embodiment is the same as the oscillator of FIG. 9 described above, in which the extension coil Ls is between the output node N1 of the oscillator and the common node N2 of the piezoelectric element, and the IC chip. Except for being inserted inside, it has the same configuration as the oscillator of FIG.
発振周波数fが1GHzを超える高周波の場合、必要な伸長コイルは1nH未満の大きさとなる。このような場合、ICチップ内部に取り込むことで所望の性能を達成できる。
例えば、発振周波数f=2GHz、CL=10pFとした場合、前記(4)式より、
Ls>0.63[nH]
を得る。この程度の数値ならば、伸長コイルLsを十分内蔵可能である。
When the oscillation frequency f is a high frequency exceeding 1 GHz, the necessary extension coil has a size of less than 1 nH. In such a case, the desired performance can be achieved by incorporating it into the IC chip.
For example, when the oscillation frequency f = 2 GHz and CL = 10 pF, from the above equation (4),
Ls> 0.63 [nH]
Get. With such a numerical value, the extension coil Ls can be sufficiently incorporated.
伸長コイルをICチップに内蔵することにより、伸長コイルを外付けにした場合よりも寄生の影響を受けないようにすることができ、特性を出し易くすることができる。
なお、上記第3〜第5の実施形態においては、容量C1´、C2´、Cx´をすべて可変容量素子で構成する場合について説明したが、仕様によっては全部を可変容量素子で構成する必要はない。
By incorporating the extension coil in the IC chip, it is possible to prevent the influence of the parasitic effect as compared with the case where the extension coil is externally attached, and the characteristics can be easily obtained.
In the third to fifth embodiments, the case where the capacitors C1 ′, C2 ′, and Cx ′ are all configured by variable capacitors has been described. However, depending on the specifications, it is necessary to configure all the capacitors by variable capacitors. Absent.
次に、本発明における第6の実施形態について説明する。
この第6の実施形態は、前述した第1〜第5の実施形態における発振器をセンサ発振器として適用するようにしたものである。
図11は、第6の実施形態に係る2入力1出力のセンサ発振器を示す図である。ここでは、図1に示す発振器の構成を適用して説明する。
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described.
In the sixth embodiment, the oscillator in the first to fifth embodiments described above is applied as a sensor oscillator.
FIG. 11 is a diagram illustrating a sensor oscillator with two inputs and one output according to the sixth embodiment. Here, description will be made by applying the configuration of the oscillator shown in FIG.
ここで、X1,X2は感度のそろった圧電素子であるものとする。感度とは、入力に対する出力の変化量を意味し、同じ共振周波数である必要はない。
本実施形態では、圧電素子X1を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子X2を、窓あけするなどして外部環境に曝される実装にすることで、圧電素子X1を基準発振器として機能させ、圧電素子X2をセンサ発振器として機能させる。
Here, it is assumed that X1 and X2 are piezoelectric elements with uniform sensitivity. Sensitivity means the amount of change in output relative to input, and need not be the same resonance frequency.
In this embodiment, the piezoelectric element X1 is mounted so as to block the external environment, and the piezoelectric element X2 is mounted so as to be exposed to the external environment by opening a window or the like, so that the piezoelectric element X1 functions as a reference oscillator. The piezoelectric element X2 is caused to function as a sensor oscillator.
図11に示す回路において、選択信号SELを一定時間ごとに切り替えて動作させると、基準素子側での発振とセンサ素子側の発振とで切り替わる動作になる。基準発振器側は外部環境と遮断されているので安定な発振を続けるが、センサ発振器側は外部環境に影響を受ける発振周波数になる。この周波数応答は、圧電素子表面に物質が付着するとその質量に応じて共振周波数が変動するために生じている。 In the circuit shown in FIG. 11, when the selection signal SEL is switched and operated at regular intervals, the operation is switched between oscillation on the reference element side and oscillation on the sensor element side. Since the reference oscillator side is cut off from the external environment, stable oscillation is continued, but the sensor oscillator side has an oscillation frequency affected by the external environment. This frequency response occurs because the resonance frequency fluctuates in accordance with the mass of a substance attached to the surface of the piezoelectric element.
この性質を利用することで、質量センサや応力センサなどの物理センサだけでなく、圧電素子に反応膜を形成することでガスセンサに代表される化学センサとしても使用することができる。このように、容易にセンサ回路を構築することができる。
なお、図11では第1の実施形態の発振器の構成を用いて説明したが、達成したい仕様にあわせて第2〜第5の実施形態の発振器の構成を適用することができる。
By utilizing this property, not only a physical sensor such as a mass sensor or a stress sensor but also a chemical sensor typified by a gas sensor can be used by forming a reaction film on a piezoelectric element. Thus, a sensor circuit can be easily constructed.
In FIG. 11, the configuration of the oscillator according to the first embodiment has been described. However, the configurations of the oscillators according to the second to fifth embodiments can be applied according to specifications desired to be achieved.
11〜14 圧電発振回路
21,22 圧電発振回路
C1〜C4,Cx 容量素子
C1´,C2´,Cx´ 可変容量素子
EL1〜EL3 電極
NM1〜NM4 増幅用トランジスタ
SM1〜SM4 選択用トランジスタ
SW1〜SW4 選択用スイッチ
X1〜X4 圧電素子
11-14
Claims (4)
前記複数の発振回路の出力が1つの出力ノードに束ねられ、
前記複数の圧電素子の一端が、それぞれ各圧電素子に対応する前記増幅器の入力端に接続されると共に、前記複数の圧電素子の他端が前記出力ノードに共通して接続されており、
前記複数の圧電素子のうち何れか1つを選択的に駆動する選択回路を備え、
前記複数の圧電素子の他端が1つに束ねられた共通ノードと前記出力ノードとの間に、伸長用コイルが接続されていることを特徴とする発振器。 An oscillator including a plurality of piezoelectric oscillation circuits each including a piezoelectric element excited at a predetermined frequency, and an oscillation circuit that includes an amplifier and drives the piezoelectric element by exciting a current through the piezoelectric element,
The outputs of the plurality of oscillation circuits are bundled into one output node,
One end of each of the plurality of piezoelectric elements is connected to an input end of the amplifier corresponding to each piezoelectric element, and the other end of the plurality of piezoelectric elements is connected to the output node in common.
A selection circuit that selectively drives any one of the plurality of piezoelectric elements ;
An extension coil is connected between a common node in which the other ends of the plurality of piezoelectric elements are bundled together and the output node .
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