JP5803465B2 - Oscillator - Google Patents
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Description
本発明は、異常発振を抑制する発振器に関する。 The present invention relates to an oscillator that suppresses abnormal oscillation.
発振器には発振回路が備えられ、発振回路は発振信号の起動と維持を行う増幅部と、発振周波数を決定する共振部とで構成されるのが一般的である。また、この発振回路を外部回路へ接続する際には、外部回路との一定の絶縁性を確保する事を目的に、緩衝回路を介して接続される。
特許文献1の水晶発振器では、増幅部にインバーター回路と帰還抵抗を、共振部に水晶振動子と容量を、緩衝回路にインバーター回路を用いた事例である。
In general, an oscillator includes an oscillation circuit, and the oscillation circuit generally includes an amplification unit that starts and maintains an oscillation signal and a resonance unit that determines an oscillation frequency. Further, when this oscillation circuit is connected to an external circuit, it is connected via a buffer circuit for the purpose of ensuring a certain insulation from the external circuit.
In the crystal oscillator disclosed in Patent Document 1, an inverter circuit and a feedback resistor are used as an amplification unit, a crystal resonator and a capacitor are used as a resonance unit, and an inverter circuit is used as a buffer circuit.
増幅部で必要となる利得は共振部の損失分により主に決定され、共振部の損失が小さい場合は特許文献1に示す様に1段の増幅器でも必要な利得を実現出来る。
一方で、共振部の損失が大きい場合、1段の増幅器で必要な利得を実現出来ない場合がある。この様な場合は、増幅部の増幅器の段数を増やして必要利得を確保するのが一般的である。
The gain required in the amplifying unit is mainly determined by the loss of the resonance unit. When the loss of the resonance unit is small, the required gain can be realized even with a single-stage amplifier as shown in Patent Document 1.
On the other hand, when the loss of the resonance part is large, a necessary gain may not be realized with a single-stage amplifier. In such a case, the necessary gain is generally secured by increasing the number of amplifiers in the amplifier.
しかしながら、増幅部の段数が増加すると利得は増加するが、増幅段全体での位相変動量も増加する。この結果、増幅段の入力信号と出力信号の位相差がゼロとなる周波数f1が共振部の共振周波数f0以下となる現象が発生する。 However, when the number of amplification units increases, the gain increases, but the amount of phase fluctuation in the entire amplification unit also increases. As a result, a phenomenon occurs in which the frequency f1 at which the phase difference between the input signal and the output signal of the amplification stage becomes zero is equal to or lower than the resonance frequency f0 of the resonance unit.
共振部の損失が大きい場合、増幅段の入力信号と出力信号の位相差がゼロとなる周波数f1での発振回路内の閉ループの利得が、共振部の共振周波数f0での閉ループの利得よりも大きくなり、本来望まない発振が生ずる現象、即ち異常発振が発生する。
一般的に増幅器はその性質上、低周波帯域での利得が大きくなる傾向があり、回路内の寄生容量や寄生抵抗が大きい場合、増幅段の入力信号と出力信号の位相差がゼロとなる周波数f1は低周波帯域で生じ、異常発振が発生しやすくなるという課題があった。
When the loss of the resonance unit is large, the gain of the closed loop in the oscillation circuit at the frequency f1 at which the phase difference between the input signal and the output signal of the amplification stage becomes zero is larger than the gain of the closed loop at the resonance frequency f0 of the resonance unit. Thus, a phenomenon in which oscillation that is not desired originally occurs, that is, abnormal oscillation occurs.
In general, amplifiers tend to have higher gain in the low frequency band due to their nature, and when the parasitic capacitance or resistance in the circuit is large, the frequency at which the phase difference between the input signal and output signal of the amplification stage becomes zero. f1 occurs in a low frequency band, and there is a problem that abnormal oscillation is likely to occur.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be realized as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例に係る発振器は、発振信号を起動および増幅する増幅部と、所望の発振周波数を決定する共振部と、を備えた発振回路と、前記発振回路の出力端子に緩衝回路が接続された発振器であって、前記増幅部は入出力用の2端子を有する低域濾波器と、3段の増幅回路とを有し、前記増幅回路の1段目と2段目とが不平衡型増幅器で、前記増幅回路の3段目がオペアンプであり、前記2段目の前記不平衡型増幅器の出力端子が、前記低域濾波器の入力端子と前記オペアンプの反転入力端子に接続され、前記低域濾波器の出力端子が、前記オペアンプの非反転入力端子に接続されていることを特徴とする。 Application Example 1 An oscillator according to this application example includes an oscillation circuit including an amplification unit that starts and amplifies an oscillation signal, a resonance unit that determines a desired oscillation frequency, and a buffer at an output terminal of the oscillation circuit. An oscillator to which a circuit is connected, wherein the amplifying unit includes a low-pass filter having two terminals for input and output, and a three-stage amplifier circuit, and the first and second stages of the amplifier circuit, Is an unbalanced amplifier, the third stage of the amplifier circuit is an operational amplifier, and the output terminal of the second stage of the unbalanced amplifier is connected to the input terminal of the low-pass filter and the inverting input terminal of the operational amplifier. The output terminal of the low-pass filter is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier.
本適用例によれば、増幅回路の3段目のオペアンプの非反転入力端子に低域濾波器を接続することにより、低域周波数での利得を抑圧することが出来る。この結果、低域周波数での発振回路の閉ループの利得を抑える事が出来、発振器の異常発振を抑圧する事が出来る。 According to this application example, by connecting the low-pass filter to the non-inverting input terminal of the third stage operational amplifier of the amplifier circuit, the gain at the low-frequency can be suppressed. As a result, the closed-loop gain of the oscillation circuit at a low frequency can be suppressed, and abnormal oscillation of the oscillator can be suppressed.
本適用例における具体的な数値としては、例えば共振部の共振周波数が10MHzであり、増幅段の入力信号と出力信号の位相差がゼロとなる周波数f1が100kHzである場合、低域濾波器のカットオフ周波数fcを1MHzに設定することで実用上十分な効果を得る事が出来る。 As specific numerical values in this application example, for example, when the resonance frequency of the resonance unit is 10 MHz and the frequency f1 at which the phase difference between the input signal and the output signal of the amplification stage is zero is 100 kHz, the low-pass filter A practically sufficient effect can be obtained by setting the cut-off frequency fc to 1 MHz.
[適用例2]上記適用例における発振器において、前記共振部に水晶振動子を備えたことが望ましい。
本適用例によれば、共振部に周波数精度の高い水晶振動子を用いることから、異常発振を抑制した高精度の発振器を提供することができる。
Application Example 2 In the oscillator according to the application example described above, it is preferable that the resonance unit includes a crystal resonator.
According to this application example, since the crystal unit with high frequency accuracy is used for the resonance unit, it is possible to provide a high-accuracy oscillator that suppresses abnormal oscillation.
[適用例3]上記適用例における発振器において、前記共振部にMEMS振動子を備えたことが望ましい。
本適用例によれば、共振部にMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用したMEMS振動子を用いることから、異常発振を抑制した小型化された発振器を提供することができる。
Application Example 3 In the oscillator according to the application example described above, it is preferable that the resonance unit includes a MEMS vibrator.
According to this application example, since the MEMS vibrator using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology is used for the resonance part, it is possible to provide a downsized oscillator that suppresses abnormal oscillation.
[適用例4]本発明に係る別の適用例の発振器は、発振信号を起動および増幅する増幅部と、所望の発振周波数を決定する共振部と、を備えた発振回路と、前記発振回路の出力端子に緩衝回路が接続された発振器であって、前記増幅部は入出力用の2端子を有する低域濾波器と、3段の増幅回路とを有し、前記増幅回路の1段目と3段目とが不平衡型増幅器で、前記増幅回路の2段目がオぺアンプであり、前記1段目の前記不平衡型増幅器の出力端子が、前記低域濾波器の入力端子と前記オペアンプの反転入力端子に接続され、前記低域濾波器の出力端子が、前記オペアンプの非反転入力端子に接続されていることを特徴とする。 Application Example 4 An oscillator according to another application example of the present invention includes an oscillation circuit including an amplification unit that activates and amplifies an oscillation signal, and a resonance unit that determines a desired oscillation frequency. An oscillator having a buffer circuit connected to an output terminal, wherein the amplifying unit includes a low-pass filter having two terminals for input and output, a three-stage amplifier circuit, and the first stage of the amplifier circuit; The third stage is an unbalanced amplifier, the second stage of the amplifier circuit is an operational amplifier, and the output terminal of the first stage unbalanced amplifier is connected to the input terminal of the low-pass filter and the An operational amplifier is connected to an inverting input terminal, and an output terminal of the low-pass filter is connected to a non-inverting input terminal of the operational amplifier.
本適用例によれば、増幅回路の2段目のオペアンプの非反転入力端子に低域濾波器を接続することにより、低域周波数での利得を抑圧することが出来る。この結果、低域周波数での発振回路の閉ループの利得を抑える事が出来、発振器の異常発振を抑圧する事が出来る。 According to this application example, by connecting the low-pass filter to the non-inverting input terminal of the second operational amplifier of the amplifier circuit, the gain at the low-frequency can be suppressed. As a result, the closed-loop gain of the oscillation circuit at a low frequency can be suppressed, and abnormal oscillation of the oscillator can be suppressed.
[適用例5]上記適用例における発振器において、前記共振部に水晶振動子を備えたことが望ましい。
本適用例によれば、共振部に周波数精度の高い水晶振動子を用いることから、異常発振を抑制した高精度の発振器を提供することができる。
Application Example 5 In the oscillator according to the application example described above, it is preferable that the resonance unit includes a crystal resonator.
According to this application example, since the crystal unit with high frequency accuracy is used for the resonance unit, it is possible to provide a high-accuracy oscillator that suppresses abnormal oscillation.
[適用例6]上記適用例における発振器において、前記共振部にMEMS振動子を備えたことが望ましい。
本適用例によれば、共振部にMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用したMEMS振動子を用いることから、異常発振を抑制した小型化された発振器を提供することができる。
Application Example 6 In the oscillator according to the application example described above, it is preferable that the resonance unit includes a MEMS vibrator.
According to this application example, since the MEMS vibrator using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology is used for the resonance part, it is possible to provide a downsized oscillator that suppresses abnormal oscillation.
(第一の実施形態)
以下、本発明の第一の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は第一の実施形態に係る発振器の回路構成である。
発振器100は、発振信号を起動および増幅する増幅部120と、所望の発振周波数を決定する共振部130と、で構成された発振回路110と、発振回路110の出力端子に接続された緩衝回路160と、を有している。
増幅部120は、1段目増幅器121と2段目増幅器122と、3段目増幅器123と、低域濾波器140とを有している。
1段目増幅器121と2段目増幅器122は不平衡型の増幅器であり、3段目増幅器123はオペアンプにて構成されている。
低域濾波器140は入力端子141と出力端子142を備え、入力端子141は、2段目増幅器122の出力端子と3段目増幅器123の反転入力端子123Aとに接続されており、低域濾波器140の出力端子142は、3段目増幅器123の非反転入力端子123Bに接続されている。
また、共振部130は水晶振動子、またはMEMS振動子などで構成される。
なお、MEMS振動子とは、半導体プロセスを使用して半導体基板上に形成された、固有振動周波数での機械的振動を有する微小構造体であり、振動を電気特性に変換する仕組みを持った素子である。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a circuit configuration of an oscillator according to the first embodiment.
The
The amplifying
The
The low-
Further, the
A MEMS vibrator is a micro structure having mechanical vibration at a natural vibration frequency formed on a semiconductor substrate using a semiconductor process and having a mechanism for converting vibration into electrical characteristics. It is.
ここで、低域濾波器140の周波数通過特性を図2に示す。横軸に周波数、縦軸に濾波器の通過量を示す。
図2の通り、低域濾波器140は直流から一定のカットオフ周波数fc以下では通過量の減衰がほぼゼロであるが、カットオフ周波数fc以上では減衰量が斬増し、通過量が減少する特性を有する。
Here, the frequency pass characteristic of the low-
As shown in FIG. 2, the low-
この低域濾波器140の特性によれば、増幅部120での低周波帯域(例えば周波数f2の信号)の利得は、3段目増幅器(オペアンプ)123では反転入力端子123Aと非反転入力端子123Bには同じ振幅の交流信号(交流電圧)が注入されるため、信号は増幅されず、増幅部120全体での利得は1段目増幅器121及び2段目増幅器122での利得で決定される。
According to the characteristics of the low-
一方で低域濾波器140のカットオフ周波数fc以上の周波数帯域(例えば周波数f1の信号)では、3段目増幅器123の反転入力端子123Aには一定の交流信号が入力されるのに対し、非反転入力端子123Bには低域濾波器140で阻止された交流信号が入力されないため、オペアンプの増幅能力に準じて信号が増幅される。この結果、増幅部120全体での利得は1段目増幅器121、2段目増幅器122及び3段目増幅器123の利得で決定される。
On the other hand, in a frequency band higher than the cut-off frequency fc of the low-pass filter 140 (for example, a signal of frequency f1), a constant AC signal is input to the inverting
この結果、低域濾波器140のカットオフ周波数fc以上の周波数帯域(例えば周波数f2)の増幅段の利得よりも低域濾波器140のカットオフ周波数fc以下の周波数帯域(例えば周波数f1)の増幅段の利得を低く抑える事ができる。これにより、低周波帯域での異常発振の発生を抑える事が出来る。
As a result, the amplification in the frequency band (for example, frequency f1) below the cut-off frequency fc of the low-
図3は低域濾波器140の構成例を示した図である。ここでは抵抗Rxと容量Cxそれぞれ1素子による構成例を示しているが、例えばこれを複数段形成した2段以上の低域濾波器で構成されていても良い。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the low-
図4に発振器における増幅部120の閉ループを1段目増幅器の入力端子で切断した場合の開ループ利得の周波数特性図を示す。この周波数特性図では横軸に周波数、縦軸に利得を示す。
上記で説明した通り、低周波帯域(例えば周波数f2)での増幅部120の利得が抑えられている事がわかる。
FIG. 4 shows a frequency characteristic diagram of the open loop gain when the closed loop of the amplifying
As described above, it can be seen that the gain of the
なお、上記において共振部130の例として水晶振動子やMEMS振動子を示したが、これに限らず、セラミック発振子やその他の振動子及び共振器を用いても良い。
In the above description, a crystal resonator or a MEMS resonator is shown as an example of the
なお、図1では3段目増幅器(オペアンプ)123の出力端子からの出力信号が発振回路出力として緩衝回路160へ接続されているが、接続方法はこれに限らず、例えば2段目増幅器122の出力端子、若しくは1段目増幅器121の出力端子が緩衝回路160に接続されていても良い。即ち、発振回路110の出力信号が効率良く緩衝回路160に注入される接続形態であれば良い。
In FIG. 1, the output signal from the output terminal of the third-stage amplifier (op-amp) 123 is connected to the
(第二の実施形態)
図5は第二の実施形態に係る発振器の回路構成である。
発振器200は、発振信号を起動および増幅する増幅部220と、所望の発振周波数を決定する共振部230と、で構成された発振回路210と、発振回路210の出力端子に接続された緩衝回路260と、を有している。
増幅部220は、1段目増幅器221と、2段目増幅器222と、3段目増幅器223と、低域濾波器240と、を有している。
1段目増幅器221と3段目増幅器223は不平衡型の増幅器であり、2段目増幅器222はオペアンプにて構成されている。
前記低域濾波器240は入力端子241と出力端子242を備え、1段目増幅器221の出力端子と2段目増幅器222の反転入力端子222Aとに接続されており、低域濾波器240の出力端子242は、2段目増幅器222の非反転入力端子222Bに接続されている。
また、共振部230は水晶振動子、またはMEMS振動子などで構成される。
(Second embodiment)
FIG. 5 shows a circuit configuration of an oscillator according to the second embodiment.
The
The amplifying
The
The low-
In addition, the resonating
低域濾波器240の通過特性は第一の実施形態と同様に、直流から一定のカットオフ周波数fc以下の周波数帯域(例えば周波数f2の信号)では減衰量がほぼゼロであるが、カットオフ周波数fc以上の周波数帯域(例えば周波数f1の信号)では減衰量が斬増する特性を有する。
As in the first embodiment, the low-
これによれば、増幅部220での低周波帯域(例えば周波数f2の信号)の利得は、2段目増幅器(オペアンプ)222では反転入力端子222Aと非反転入力端子222Bには同じ振幅の交流信号(交流電圧)が注入されるため、信号は増幅されず、増幅部220全体での利得は1段目増幅器221及び3段目増幅器223での利得で決定される。
According to this, the gain of the low frequency band (for example, the signal of frequency f2) in the
一方で低域濾波器240のカットオフ周波数fc以上の周波数帯域(例えば周波数f1の信号)では、2段目増幅器(オペアンプ)222の反転入力端子222Aには一定の交流信号が入力されるのに対し、非反転入力端子222Bには前記低域濾波器240で阻止された交流信号が入力されないため、2段目増幅器(オペアンプ)222の増幅能力に準じて信号が増幅される。この結果、増幅部220全体での利得は1段目増幅器221、3段目増幅器223及び2段目増幅器(オペアンプ)222の利得で決定される。
On the other hand, in a frequency band higher than the cutoff frequency fc of the low-pass filter 240 (for example, a signal of frequency f1), a constant AC signal is input to the inverting
この結果、低域濾波器240のカットオフ周波数fc以上の周波数帯域(例えば周波数f2の信号)の増幅段の利得よりも前記低域濾波器240のカットオフ周波数fc以下の周波数帯域(例えば周波数f1の信号)での増幅器の利得を低く抑える事ができる。これにより、低周波帯域での異常発振の発生を抑える事が出来る。
As a result, the frequency band (for example, frequency f1) below the cut-off frequency fc of the low-
なお、上記において共振部230の実例として水晶振動子やMEMS振動子を示したが、第一の実施形態と同様に、セラミック発振子やその他の振動子及び共振器を用いても良い。
In the above description, a crystal resonator or a MEMS resonator is shown as an example of the
なお、図5では3段目増幅器223の出力端子からの出力信号が発振回路出力として緩衝回路260へ接続されているが、接続方法はこれに限らず、例えば2段目増幅器(オペアンプ)222の出力端子、若しくは1段目増幅器221の出力端子が緩衝回路260に接続されていても良い。即ち、発振回路210の出力信号が効率良く緩衝回路260に注入される接続形態であれば良い。
In FIG. 5, the output signal from the output terminal of the third-
100…発振器、110…発振回路、120…増幅部、121…1段目増幅器、122…2段目増幅器、123…3段目増幅器(オペアンプ)、130…共振部、140…低域濾波器、160…緩衝回路、200…発振器、210…発振回路、220…増幅部、221…1段目増幅器、222…2段目増幅器(オペアンプ)、223…3段目増幅器、230…共振部、240…低域濾波器、260…緩衝回路。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
所望の発振周波数を決定する共振部と、を備えている発振器であって、
前記増幅部は入出力用の2端子を有する低域濾波器と、3段の増幅回路とを有し、
前記増幅回路の1段目と2段目とが不平衡型増幅器で、前記増幅回路の3段目がオペア
ンプであり、
前記2段目の前記不平衡型増幅器の出力端子が、前記低域濾波器の入力端子と前記オペ
アンプの反転入力端子に接続され、
前記低域濾波器の出力端子が、前記オペアンプの非反転入力端子に接続されていること
を特徴とする発振器。 An amplifier for starting and amplifying the oscillation signal;
A oscillator and a, a resonance unit for determining a desired oscillation frequency,
The amplifying unit includes a low-pass filter having two terminals for input and output, and a three-stage amplifier circuit,
The first and second stages of the amplifier circuit are unbalanced amplifiers, and the third stage of the amplifier circuit is an operational amplifier.
The output terminal of the unbalanced amplifier at the second stage is connected to the input terminal of the low-pass filter and the inverting input terminal of the operational amplifier.
An oscillator characterized in that an output terminal of the low-pass filter is connected to a non-inverting input terminal of the operational amplifier.
所望の発振周波数を決定する共振部と、を備えている発振器であって、
前記増幅部は入出力用の2端子を有する低域濾波器と、3段の増幅回路とを有し、
前記増幅回路の1段目と3段目とが不平衡型増幅器で、前記増幅回路の2段目がオぺア
ンプであり、
前記1段目の前記不平衡型増幅器の出力端子が、前記低域濾波器の入力端子と前記オペ
アンプの反転入力端子に接続され、
前記低域濾波器の出力端子が、前記オペアンプの非反転入力端子に接続されていること
を特徴とする発振器。 An amplifier for starting and amplifying the oscillation signal;
A oscillator and a, a resonance unit for determining a desired oscillation frequency,
The amplifying unit includes a low-pass filter having two terminals for input and output, and a three-stage amplifier circuit,
The first and third stages of the amplifier circuit are unbalanced amplifiers, and the second stage of the amplifier circuit is an operational amplifier.
The output terminal of the unbalanced amplifier at the first stage is connected to the input terminal of the low-pass filter and the inverting input terminal of the operational amplifier.
An oscillator characterized in that an output terminal of the low-pass filter is connected to a non-inverting input terminal of the operational amplifier.
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