JPH08186443A - Crystal oscillator - Google Patents

Abstract

PURPOSE: To make the device suitable for an operation using the power source of a low voltage, to reduce power consumption, to fix and comparatively enlarge an output amplitude and to stably operate the device with the fixed amplitude even against a temperature change. CONSTITUTION: This device is provided with a Colpitts type crystal oscillation circuit using a first transistor 11 and a second transistor 20 for buffering and amplifying out the oscillated output of the first transistor 11 while being cascade-connected to the first transistor 11, and equipped with a third transistor 29 for applying the voltage of a connecting point to the base of the second transistor 20 while being connected to the output of a constant current circuit 28 and a constant voltage source 31 for applying a fixed voltage to the base of the third transistor 29.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、低電源電圧で動作し、
低消費電力で、しかも温度の変化にかかわらず一定振幅
の発振出力を得ることができる水晶発振器に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention operates on a low power supply voltage,
The present invention relates to a crystal oscillator that consumes low power and that can obtain an oscillation output with a constant amplitude regardless of changes in temperature.

【０００２】[0002]

【従来の技術】近時、種々の電子機器の周波数、時間等
の基準として水晶発振器が多用されている。しかしてこ
のような電子機器では、小型、軽量化とともに、特に携
帯型の機器等では、限られた電力容量のバッテリー等の
電源を有効に利用するために、消費電力を低減すること
が望まれている。このため、たとえば従来の携帯型の機
器では電源電圧は５Ｖで使用するようにしていたが、最
近の機器では３Ｖないし、それ以下の低電圧で動作する
ようにし、かつ低消費電力であることが望まれている。2. Description of the Related Art Recently, a crystal oscillator has been widely used as a reference for frequency, time, etc. of various electronic devices. However, in such an electronic device, it is desired to reduce the power consumption in order to effectively use a power source such as a battery having a limited power capacity, in addition to a reduction in size and weight, particularly in a portable device or the like. ing. Therefore, for example, a conventional portable device has been used with a power supply voltage of 5 V, but recent devices have been operated with a low voltage of 3 V or lower, and have low power consumption. Is desired.

【０００３】図３は、従来の水晶発振器の一例を示す回
路図である。この水晶発振器は,水晶振動子１を用いた
コルピッツ型の水晶発振回路２の出力に、カスコードに
緩衝増幅器３を接続したものである。このような水晶発
振器を、たとえば電源電圧３Ｖ程度の低電圧の電源４で
動作させた場合、単一の電源４に対して２個のトランジ
スタを直列に接続することになり電源電圧を有効に利用
できるために消費電力の点では有利であるが、電源電圧
は二分されることになる。そして二分された電源電圧に
対して、各トランジスタの動作点は温度の変化によるＶ
ｂｅ(ベース・エミッタ電圧）の変化等を考慮して、あ
る程度の余裕をみて設定する必要がある。このため電源
電圧を有効に利用可能な範囲はさらに小さくなり、たと
えば３Ｖの電源電圧に対して、発振出力の振幅は０．５
Ｖｐ−ｐ以下になってしまう。FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a conventional crystal oscillator. In this crystal oscillator, a buffer amplifier 3 is connected to a cascode at the output of a Colpitts-type crystal oscillation circuit 2 using a crystal oscillator 1. When such a crystal oscillator is operated by a low-voltage power supply 4 having a power supply voltage of about 3 V, for example, two transistors are connected in series to the single power supply 4, and the power supply voltage is effectively used. This is advantageous in terms of power consumption because it can be done, but the power supply voltage is divided into two. Then, with respect to the divided power supply voltage, the operating point of each transistor is V due to temperature change.
It is necessary to set a certain allowance in consideration of changes in be (base-emitter voltage) and the like. For this reason, the range in which the power supply voltage can be effectively used is further reduced. For example, for a power supply voltage of 3 V, the amplitude of the oscillation output is 0.5.
It becomes Vp-p or less.

【０００４】そして、このように発振出力の振幅の小さ
い水晶発振回路では、たとえばＣ−ＭＯＳ型のロジック
回路を安定に駆動することはできない。このため、たと
えば図４に示すように水晶振動子１を用いたコルピッツ
型の水晶発振回路２と緩衝増幅器３とを電源４に対して
並列に接続した水晶発振器が考えられる。このようにす
れば、比較的大きな出力振幅を得られる利点がある。し
かしながらこのようなものでは、発振回路２及び緩衝増
幅器３は電源４に並列に接続されることになり、当然に
消費電力が大きくなり携帯型の機器には適さない問題が
ある。In such a crystal oscillation circuit having a small oscillation output amplitude, for example, a C-MOS type logic circuit cannot be stably driven. Therefore, for example, as shown in FIG. 4, a crystal oscillator in which a Colpitts-type crystal oscillation circuit 2 using a crystal oscillator 1 and a buffer amplifier 3 are connected in parallel to a power supply 4 can be considered. This has the advantage that a relatively large output amplitude can be obtained. However, in such a configuration, the oscillation circuit 2 and the buffer amplifier 3 are connected in parallel to the power supply 4, which naturally consumes a large amount of power and is not suitable for portable equipment.

【０００５】さらに上記第３図及び第４図に示す発振回
路の共通の問題点として、温度が変化した際の出力振幅
の変動があり、このような傾向は、低電圧の電源を用い
た消費電力の少ない発振器ほど顕著にあらわれる。すな
わち、通常のトランジスタの場合、Ｖｂｅは約−２ｍＶ
／℃で変化することが知られている。ここで、たとえば
第３図に示す発振器において電源電圧が３Ｖ、発振トラ
ンジスタのエミッタ電圧０．５Ｖ、コレクタ電流３００
μＡで常温において動作するように設計したものとす
る。Further, as a common problem of the oscillation circuits shown in FIGS. 3 and 4, there is a fluctuation of the output amplitude when the temperature changes. This tendency is caused by the consumption of a low voltage power source. The less power the oscillator has, the more prominent it appears. That is, in the case of a normal transistor, Vbe is about -2 mV.
It is known to change with / ° C. Here, for example, in the oscillator shown in FIG. 3, the power supply voltage is 3V, the emitter voltage of the oscillation transistor is 0.5V, and the collector current is 300V.
It shall be designed to operate at room temperature at μA.

【０００６】ここで、この種の発振器の実際の使用環境
を考慮して、常温±５０℃の温度範囲を規格として要求
された場合、常温±５０℃の温度変化に対して上記Ｖｂ
ｅは約±０．１Ｖ変化する。したがって、発振トランジ
スタのエミッタ電位は０．５Ｖ±０．１Ｖ、すなわち
０．４Ｖ〜０．６Ｖまで変化し、変化率は１．５倍に達
する。したがって発振トランジスタのコレクタ電流は２
４０μＡ〜３６０μＡまで変化し、発振出力の振幅は、
概略コレクタ電流に比例するために出力振幅も１．５倍
の変動を生じることになり、低電圧の電源を用いて、ほ
とんどマージンのない状態で動作している電子機器で
は、温度が極端に低下し、あるいは上昇した場合、後段
の回路が動作しなくなる等の不都合を生じることがあ
る。Here, in consideration of the actual use environment of this kind of oscillator, when a temperature range of room temperature ± 50 ° C. is required as a standard, the above-mentioned Vb with respect to temperature change of room temperature ± 50 ° C.
e changes about ± 0.1V. Therefore, the emitter potential of the oscillation transistor changes to 0.5V ± 0.1V, that is, 0.4V to 0.6V, and the rate of change reaches 1.5 times. Therefore, the collector current of the oscillation transistor is 2
The amplitude of the oscillation output changes from 40 μA to 360 μA.
Since the output amplitude fluctuates 1.5 times because it is roughly proportional to the collector current, the temperature drops extremely in electronic equipment that operates with almost no margin using a low-voltage power supply. However, if it rises or rises, it may cause inconvenience such as a circuit in the subsequent stage not operating.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたもので、低電圧の電源を用いた動作に
適し、低消費電力で、しかも出力振幅が一定かつ比較的
大きく、しかも温度変化に対しても一定の出力振幅で安
定に動作する水晶発振器を提供することを目的とするも
のである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and is suitable for operation using a low-voltage power supply, has low power consumption, and has a constant and relatively large output amplitude. Moreover, it is an object of the present invention to provide a crystal oscillator that operates stably with a constant output amplitude even when the temperature changes.

【０００７】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、第１のトラン
ジスタを用いたコルピッツ型の水晶発振回路と、第１の
トランジスタにカスコードに接続され第１のトランジス
タの発振出力を緩衝増幅して出力する第２のトランジス
タと、定電流回路の出力に接続され接続点の電圧を上記
第２のトランジスタのベースへ与える第３のトランジス
タと、第３のトランジスタのベースへ一定の電圧を与え
る定電圧源とを具備することを特徴とするものである。According to the present invention, a Colpitts type crystal oscillating circuit using a first transistor and a cascode connected to the first transistor are provided. The oscillation output of the first transistor is buffer-amplified and output. A second transistor, a third transistor connected to the output of the constant current circuit and applying a voltage at the connection point to the base of the second transistor, and a constant voltage source for applying a constant voltage to the base of the third transistor. And is provided.

【０００８】[0008]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１に示す回路図
を参照して詳細に説明する。図中１１は、水晶発振回路
のＮＰＮ型のトランジスタで、ベースを水晶振動子１２
及びバリキャップダイオード１３を直列に介して接地し
ている。バリキャップダイオード１３には、交流カット
の抵抗１４を介して制御端子１５から制御電圧Ｖｃを与
えて、水晶振動子１２の共振周波数を僅かに可変するこ
とができるようにしている。第１のトランジスタ１１の
ベースはバイアス抵抗１６を介して接地し、コンデンサ
１７をベース・エミッタ間に介挿し、エミッタをコンデ
ンサ１８を介して接地している。そして、コンデンサ１
８にはエミッタ抵抗１９を並列に接続している。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the circuit diagram shown in FIG. Reference numeral 11 in the figure denotes an NPN type transistor of a crystal oscillation circuit, the base of which is a crystal oscillator 12
Also, the varicap diode 13 is grounded via the series. A control voltage Vc is applied to the varicap diode 13 from a control terminal 15 via an AC cut resistor 14 so that the resonance frequency of the crystal resonator 12 can be slightly changed. The base of the first transistor 11 is grounded via the bias resistor 16, the capacitor 17 is interposed between the base and the emitter, and the emitter is grounded via the capacitor 18. And capacitor 1
An emitter resistor 19 is connected to 8 in parallel.

【０００９】そして、第１のトランジスタ１１に緩衝増
幅器のＮＰＮ型の第２のトランジスタ２０をカスコード
に接続している。すなわち、第１のトランジスタ１１の
コレクタを第２のトランジスタ２０のエミッタに接続す
るとともに、第２のトランジスタ２０のコレクタを、た
とえば発振周波数に同調したＬＣ同調回路２１を介して
電源２２の正極端子に接続している。なお電源２２の負
極端子は接地するようにしている。また、第２のトラン
ジスタ２０のコレクタをコンデンサ２３を介して出力端
子２４に接続し、この出力端子２４から発振出力を出力
するようにしている。A NPN type second transistor 20 of a buffer amplifier is connected to the first transistor 11 in a cascode. That is, the collector of the first transistor 11 is connected to the emitter of the second transistor 20, and the collector of the second transistor 20 is connected to the positive terminal of the power source 22 via the LC tuning circuit 21 tuned to the oscillation frequency, for example. Connected. The negative terminal of the power source 22 is grounded. Further, the collector of the second transistor 20 is connected to the output terminal 24 via the capacitor 23, and the oscillation output is output from the output terminal 24.

【００１０】そして、２個のトランジスタ２５、２６及
び定電流源２７からなる、カレントミラー型の定電流回
路２８の出力を、ＰＮＰ型の第３のトランジスタ２９の
エミッタ・コレクタを介して接地している。そして、定
電流回路２８の出力と第３のトランジスタ２９のエミッ
タとの接続点を、抵抗３０を介して第２のトランジスタ
２０ベースに接続している。また、第３のトランジスタ
２９のベースに定電圧源３１から１．２Ｖ程度の一定の
定電圧Ｖｂを与えて第３のトランジスタ２９を活性領域
におくようにしている。そして、第２のトランジスタ２
０のベースと第１のトランジスタ１１のベースの間にバ
イアス抵抗３１を介挿している。The output of a current mirror type constant current circuit 28 consisting of two transistors 25 and 26 and a constant current source 27 is grounded via the emitter / collector of a PNP type third transistor 29. There is. The connection point between the output of the constant current circuit 28 and the emitter of the third transistor 29 is connected to the base of the second transistor 20 via the resistor 30. Further, a constant voltage Vb of about 1.2V is applied to the base of the third transistor 29 from the constant voltage source 31 to place the third transistor 29 in the active region. And the second transistor 2
A bias resistor 31 is inserted between the base of 0 and the base of the first transistor 11.

【００１１】このような構成であれば、第１のトランジ
スタ１１による発振出力は第２のトランジスタ２０によ
って緩衝増幅して出力端子２４から出力することができ
る。そして、温度の変化によって第１のトランジスタ１
１のＶｂｅ1（ベース・エミッタ間電圧）が変動した場
合、第３のトランジスタ２９においても同様のＶｂｅ3
の変化を生じる。このＶｂｅ3の変化によって、定電流
回路２８と第３のトランジスタ２９の接続点の電圧が変
化し、上記第１のトランジスタ１１のエミッタ電位の変
化を打ち消して一定のエミッタ電位を維持する。With such a configuration, the oscillation output of the first transistor 11 can be buffer-amplified by the second transistor 20 and output from the output terminal 24. Then, due to the change in temperature, the first transistor 1
When Vbe1 of 1 (base-emitter voltage) fluctuates, the same Vbe3 is generated in the third transistor 29 as well.
Cause changes. This change in Vbe3 changes the voltage at the connection point between the constant current circuit 28 and the third transistor 29, cancels the change in the emitter potential of the first transistor 11 and maintains a constant emitter potential.

【００１２】したがって、温度の変化にかかわらず第１
のトランジスタ１１のエミッタ電位を一定に維持するこ
とができ、それによってコレクタ電流を一定電流にでき
るので、一定の出力振幅を維持することができる。そし
て第１、第２のトランジスタ１１、２０を電源２２に対
して直列に介挿して電源電圧を二分して効率よく利用す
るようにしているので、たとえば３Ｖの電源電圧で３０
０μＡ程度の電流の小さな消費電力で動作させることが
できる。またこの場合、たとえば図２に示す出力波形の
グラフのように、上記実施例の発振回路の出力波形は、
図示曲線Ａのように、１０ＫΩ負荷に対して１．２Ｖ
（ｐ−ｐ）以上の大きな振幅で駆動することができ、そ
のままロジック回路等も安定に駆動することができる。
これに対して図３、図４に示すような従来の発振回路の
場合、図２に曲線Ｂで示すように、発振出力の振幅が小
さく、たとえば０．５Ｖ以下の振幅しか得られず、直
接、後段の回路を安定に駆動できない。Therefore, regardless of changes in temperature, the first
Since the emitter potential of the transistor 11 can be kept constant and the collector current can be kept constant, the output amplitude can be kept constant. Since the first and second transistors 11 and 20 are inserted in series with the power supply 22 to divide the power supply voltage into two and efficiently use the power supply voltage, for example, a power supply voltage of 3V is used.
It can be operated with a small current consumption of about 0 μA. Further, in this case, for example, as shown in the graph of the output waveform in FIG.
1.2V for 10KΩ load as shown by curve A
It can be driven with a large amplitude of (p-p) or more, and the logic circuit or the like can be stably driven as it is.
On the other hand, in the case of the conventional oscillation circuit as shown in FIG. 3 and FIG. 4, the amplitude of the oscillation output is small as shown by the curve B in FIG. , The circuit in the latter stage cannot be driven stably.

【００１３】本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、たとえば上記実施例では緩衝増幅器の負荷にＬＣ
タンク回路を用いるようにしたが、適当な値の固定抵抗
を用いるようにしてもよい。この場合は、ＬＣタンク回
路を用いたものよりも発振出力の振幅は小さくなるが、
部品の容積は小さくなる利点があるThe present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the load of the buffer amplifier is LC.
Although the tank circuit is used, a fixed resistor having an appropriate value may be used. In this case, the amplitude of the oscillation output is smaller than that using the LC tank circuit,
Advantages of smaller parts volume

【００１４】[0014]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、低
電圧動作に適し、低消費電力でしかも温度の変化にも一
定の出力振幅で安定に動作する水晶発振器を提供するこ
とができる。As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a crystal oscillator which is suitable for low voltage operation, has low power consumption, and operates stably with a constant output amplitude even when the temperature changes. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の一実施例を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing one embodiment of the present invention.

【図２】本発明の一実施例の出力振幅を従来の水晶発振
器の出力振幅と比較して示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the output amplitude of one embodiment of the present invention in comparison with the output amplitude of a conventional crystal oscillator.

【図３】従来の水晶発振器の一例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a conventional crystal oscillator.

【図４】従来の水晶発振器の他の一例を示す回路図であ
る。FIG. 4 is a circuit diagram showing another example of a conventional crystal oscillator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１１ 第１のトランジスタ １２ 水晶振動子 ２０ 第２のトランジスタ ２２ 電源 ２８ 定電流回路 ２９ 第３のトランジスタ 11 First Transistor 12 Crystal Oscillator 20 Second Transistor 22 Power Supply 28 Constant Current Circuit 29 Third Transistor

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】水晶振動子及び第１のトランジスタを用い
たコルピッツ型の水晶発振回路と、 第１のトランジスタにカスコードに接続され第１のトラ
ンジスタの発振出力を緩衝増幅して出力する第２のトラ
ンジスタと、 定電流回路の出力に接続され接続点の電圧を上記第２の
トランジスタのベースへ与えるとともにトランジスタの
ベース・エミッタ間電圧の変化による上記第１のトラン
ジスタのエミッタ電位の変化を打ち消して一定の電圧に
維持する第３のトランジスタと、 第３のトランジスタのベースへ一定の電圧を与える定電
圧源と、 を具備することを特徴とする水晶発振器。1. A Colpitts type crystal oscillating circuit using a crystal resonator and a first transistor, and a second cascode connected to the first transistor for buffer-amplifying and outputting the oscillation output of the first transistor. Connected to the output of the transistor and the constant current circuit, the voltage at the connection point is given to the base of the second transistor, and the change in the emitter potential of the first transistor due to the change in the base-emitter voltage of the transistor is canceled to be constant And a constant voltage source that supplies a constant voltage to the base of the third transistor, the crystal oscillator. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載のものにおい
て、第３のトランジスタはエミッタとコレクタ間にカレ
ントミラー型の定電流回路の出力電流を与えられること
を特徴とする水晶発振器。2. A crystal oscillator according to claim 1, wherein the third transistor is provided with an output current of a current mirror type constant current circuit between the emitter and the collector. 【請求項３】特許請求の範囲第１項に記載のものにおい
て、第２のトランジスタの負荷は発振周波数に同調した
タンク回路であることを特徴とする水晶発振器。3. A crystal oscillator according to claim 1, wherein the load of the second transistor is a tank circuit tuned to the oscillation frequency. 【請求項４】特許請求の範囲第１項に記載のものにおい
て、３Ｖ以下の電源電圧で動作することを特徴とする水
晶発振器。4. A crystal oscillator according to claim 1, which operates at a power supply voltage of 3 V or less. 【請求項５】特許請求の範囲第１項に記載のものにおい
て、発振出力の周波数を１０ＭＨｚ以上としたことを特
徴とする水晶発振器。5. A crystal oscillator according to claim 1, wherein the oscillation output frequency is 10 MHz or higher.