JPH09289416A - 水晶発振回路 - Google Patents

水晶発振回路

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JPH09289416A
JPH09289416A JP8101161A JP10116196A JPH09289416A JP H09289416 A JPH09289416 A JP H09289416A JP 8101161 A JP8101161 A JP 8101161A JP 10116196 A JP10116196 A JP 10116196A JP H09289416 A JPH09289416 A JP H09289416A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ゲート素子により水晶発振回路を構成しかつ低
励振レベルでインピーダンスが高い水晶振動子を使用し
ても発振起動が可能な水晶発振回路を提供する。 【解決手段】主発振回路１は水晶発振を行ない発振出力
９を出力する。補助発振回路４は主発振回路１の励振を
助ける。制御回路７は外部から入力される発振制御信号
８により起動信号６を出力し補助発振回路４および主発
振回路１の動作を制御する。水晶振動子３は発振動作を
行なう。バッファ素子２は帰還増幅を行なう。アナログ
スイッチ１７，１８およびバッファ素子５は起動信号６
によりオンオフ動作を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は水晶発振回路に関
し、特に低励振レベル領域でインピーダンスが高くなっ
た水晶振動子を使用しても発振起動が可能な水晶発振回
路に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、水晶発振回路として、トンラン
ジスタを使用したコルピッツ発振回路やハートレイ発振
回路が知られているが、最近の傾向として集積回路のゲ
ート素子を使用した水晶発振回路がよく用いられてい
る。
【０００３】図７は従来のトランジスタを使用した水晶
発振回路を示す回路図である。
【０００４】水晶振動子３、トランジスタ３１によるコ
ルピッツ型水晶発振回路である。
【０００５】図８は従来のゲート素子を使用した水晶発
振回路を示す回路図である。
【０００６】水晶振動子３、ＩＣのゲート素子としてイ
ンバータ３４を使用して発振させている。
【０００７】図９は水晶振動子のインピーダンス特性を
示す図である。
【０００８】水晶振動素子３のインピーダンス特性は一
般に励振レベルに対して平坦な特性を示すが、励振レベ
ルを変化させたときに水晶振動子３のインピーダンスが
大きく変動する異常品があることが知られている。励振
レベルが低いときにインピーダンスが急に高くなる領域
が存在することが図９から理解される。
【０００９】このように低い励振レベルでインピーダン
スが高くなった水晶振動子３を、図７および図８に示す
水晶発振回路で使用すると、発振起動ができなくなる。
【００１０】低励振レベルでの発振起動可能な水晶発振
回路の一例として、特開昭６１−２８７３０３号公報記
載の「水晶発振回路」が知られている。
【００１１】図１０は従来の低励振レベル起動の水晶発
振回路を示す回路図である。
【００１２】この回路は図７に示す水晶発振回路にトラ
ンジスタ３２、抵抗３３およびツェナーダイオード３５
からなる回路を付加したものである。電源投入時に電源
電圧（＋Ｖｃｃ）がツェナーダイオード３５のツェナー
電圧以上に電圧が上がらないと、トランジスタ３２が導
通せずトランジスタ３１にベースバイアス電圧が印加さ
れないので発振しない。このため電源電圧の立上り時間
に影響を受けないが、電源電圧（＋Ｖｃｃ）がツェナー
電圧を超えるとトランジスタ３２が導通し急激にトラン
ジスタ３１にベースバイアス電圧が印加されるので、水
晶振動子３に対して大きな励振エネルギーが与えられる
ことになり、発振回路の起動特性を良好にすることがで
きる。
【００１３】従って、低励振レベルでインピーダンスが
高い水晶振動子を使用しても発振起動が可能となる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の水晶発
振回路は、トランジスタやツェナーダイオードを使用す
るので、ロジックＩＣで構成したロジック回路や、発振
回路内蔵のＩＣでは半導体素子の種類が増えるため回路
構成上の困難さと経済性とを損うという欠点を有してい
る。
【００１５】本発明の目的は、ゲート素子により水晶発
振回路を構成しかつ低励振レベルでインピーダンスが高
い水晶振動子を使用しても発振起動が可能な水晶発振回
路を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明の水晶発振回路
は、水晶発振機能を有する主発振手段と、この主発振手
段の発振起動を補助する補助発振手段と、発振起動時に
一定時間前記補助発振手段を前記主発振手段に並列接続
させる制御手段とを備えたことを特徴としている。
【００１７】また、前記制御手段が、前記主発振手段が
出力する発振出力の帰還を受けて、前記補助発振手段を
制御することを特徴としている。
【００１８】発振開始要求を行なう第１の信号の入力に
より水晶発振する主発振回路と、前記第１の信号に同期
して一定時間のパルス幅を有する第２の信号を出力する
制御回路と、この第２の信号により制御される増幅素子
および複数のスイッチ素子の動作を介して前記主発振回
路と並列接続する発振補助回路とを備えたことを特徴と
している。
【００１９】また、前記制御回路が、前記主発振回路が
出力する発振出力の帰還を受けて前記第２の信号を前記
補助回路に出力することを特徴としている。
【００２０】前記制御回路が、前記第１の信号とこの信
号を積分器により時間遅延させた遅延信号との論理積出
力を、前記第２の信号としたことを特徴としている。
【００２１】前記制御回路が、前記主発振回路が出力す
る発振出力を整流し、この整流した信号を積分しかつ反
転させた起動信号を、前記第２の信号としたことを特徴
としている。
【００２２】前記制御回路がモノマルチ回路で構成した
ことを特徴としている。
【００２３】なお、前記主発振回路が、水晶振動子と、
集積回路のゲート素子と、抵抗およびコンデンサとで構
成したことを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
【００２５】図１は本発明の水晶発振回路の一つの実施
の形態を示すブロック図である。
【００２６】図１に示す本実施の形態は、水晶発振を行
ない発振出力９を出力する主発振回路１と、主発振回路
の励振を補助する補助発振回路４と、外部から入力され
る発振制御信号８により補助発振回路４の動作を制御す
る制御回路７とから構成されている。
【００２７】主発振回路１は発振動作を行なう水晶振動
子３と、帰還増幅を行なうバッファ素子２とを有してい
る。また、補助発振回路４は制御回路７が出力する起動
信号６により動作するアナログスイッチ１７，１８およ
び帰還増幅するバッファ素子５を有している。
【００２８】図２は図１の実施の形態の動作を示すタイ
ムチャートである。
【００２９】図１および図２を参照して本実施の形態の
動作をより詳細に説明する。
【００３０】発振回路を起動するとき、時間ｔ0 で発振
制御信号８のレベルをＬｏｗレベル（以下″Ｌ″と記
す）からＨｉｇｈレベル（以下″Ｈ″と記す）に立上げ
る。制御回路７は発振制御信号８の立上がりに同期し
て、起動信号６のレベルを″Ｌ″から″Ｈ″に立上げ、
一定時間ＴC の間″Ｈ″を保持し、時間ｔ1 で″Ｌ″に
下げ、パルス幅ＴC の起動信号６を補助発振回路４に出
力する。
【００３１】起動信号６によりパルス幅ＴC の間、バッ
ファ素子５は動作状態にまたアナログスイッチ１７，１
８はオン状態になるので、補助発振回路４のバッファ素
子５は主発振回路１のバッファ素子２に並列に接続され
る。
【００３２】従って、水晶振動子３に流れる励振電流は
主発振回路１のバッファ素子２と補助発振回路４のバッ
ファ素子５とから供給されることになる。
【００３３】水晶振動子３の励振電流は主発振回路１の
みの場合に較べて大きくなるので、インピーダンスが高
い水晶振動子でも発振起動が容易となる。
【００３４】発振出力９が安定した振幅値（Ｖ1 ）にな
る時間ＴS よりも起動信号６のパルス幅ＴC を予め大き
く設定することにより、制御回路７が出力する起動信号
６は発振動作安定後の時間ｔ1 で″Ｌ″となる。起動信
号６が″Ｌ″になると、バッファ素子５は動作を停止
し、アナログスイッチ１７，１８はオフ状態となり、発
振動作は主発振回路１のバッファ素子２だけで持続させ
ることができる。発振起動時のみ励振電流が大きくなる
が、発振動作安定時には励振電流を小さくできるので、
消費電流の低減に役立つ。
【００３５】発振制御信号８が″Ｈ″から″Ｌ″になる
時間ｔ2 で発振動作は停止する。
【００３６】図３は図１の具体的構成の一例を示す回路
図である。
【００３７】なお、図３において図１に示す構成要素に
対応するものは同一の参照数字または符号を付し、その
説明を省略する。
【００３８】制御回路７は、発振制御信号８を抵抗１１
およびコンデンサ１２で構成した積分回路で時間遅延を
作りこの時間遅延した信号をインバータ１３で極性反転
した出力信号と発振制御信号８とから、ＡＮＤ素子１４
でパルス幅ＴC の起動信号６を出力する。
【００３９】起動信号６によりインバータ１５を動作状
態にし、アナログスイッチ１７，１８をオン状態にさせ
る。抵抗１６はインバータ１５の帰還抵抗である。
【００４０】抵抗１１およびコンデンサ１２の値は、Ｔ
C 〉ＴS になるように設定する。起動信号６出力後の時
間ｔ1 になると、インバータ１５は動作を停止しアナロ
グスイッチ１７，１８はオフ状態になり、主発振回路１
のＮＡＮＤ素子２１だけで発振を持続させる。
【００４１】主発振回路１は水晶振動子３と、コンデン
サ２４，２５と、抵抗２３と、励振電流駆動用のＮＡＮ
Ｄ素子２１とで構成されたコルピッツ型水晶発振回路で
あるが、主発振回路の動作はＮＡＮＤ素子２１に入力さ
れる発振制御信号８のオンオフにより制御される。
【００４２】図４は本発明の第２の実施の形態を示すブ
ロック図である。
【００４３】なお、図４において図１に示す構成要素に
対応するものは同一の参照数字または符号を付し、その
説明を省略する。
【００４４】図４を参照すると、制御回路７には発振出
力９の信号がフィードバックされており、発振出力９の
振幅値に基づいて補助発振回路４のバッファ素子５と、
アナログスイッチ１７，１８をより緻密に制御するよう
に構成されている。
【００４５】図５は図４の実施の形態の動作を示すタイ
ムチャートである。
【００４６】次に、図４および図５を参照して本実施の
形態の動作をより詳細に説明する。
【００４７】発振を起動する時点ｔ0 では発振出力９の
電圧レベルはゼロなので、制御回路７へのフィードバッ
ク制御は動作せず、起動信号６によりバッファ素子５は
動作状態にまたアナログスイッチ１７，１８はオン状態
を保持し、補助発振回路４は主発振回路１と並列接続状
態を維持している。このため水晶振動子３への励振電流
が大きいので、インピーダンスが高い水晶振動子でも発
振できることは図１の動作と同じである。一度発振動作
が起動して、発振出力９が準安定状態の振幅値（Ｖ2 ）
になった時点ｔ1 で発振出力９のフィードバック制御に
より、制御回路７の起動信号６は″Ｌ″となり、バッフ
ァ素子５は動作を停止し、アナログスイッチ１７，１８
はオフ状態となるので、主発振回路１のバッファ素子２
だけで発振動作を持続する。
【００４８】発振出力９の振幅値Ｖ2 は安定した発振状
態の振幅値Ｖ1 より若干低いが、振幅値Ｖ2 に達すれば
充分発振が起動され即座に安定状態に収束できるレベル
である。
【００４９】図６は図４の具体的構成の一例を示す回路
図である。
【００５０】なお、図６において図３に示す構成要素に
対応するものは同一の参照数字または符号を付し、その
説明を省略する。
【００５１】制御回路７ａにフィードバックされる発振
出力９はダイオード２９で整流され、抵抗２６とコンデ
ンサ２７とで構成された積分回路で積分され、インバー
タ２８で発振出力９の振幅値がＶ2 になるまでの時間Ｔ
C の間、″Ｈ″レベルの起動信号６ａを出力し続けるの
でインバータ１５を動作状態に、またアナログスイッチ
１７，１８をオン状態にする。ダイオード２９で整流さ
れた発振出力９は漸次積分回路のコンデンサ２７にチャ
ージされるため、インバータ２８の入力電圧は大きくな
る。発振出力９の振幅値がＶ2 に到達し、インバータ２
８の入力電圧がインバータ２８のスレーショルド電圧を
超えると、起動信号６ａのレベルは″Ｈ″から″Ｌ″に
反転し、インバータ１５は動作を停止し、アナログスイ
ッチ１７，１８はオフ状態になり補助発振回路４は動作
を停止する。発振は主発振回路１ａのインバータ２２だ
けで発振を持続する。
【００５２】主発振回路１ａは図３の主発振回路１のＮ
ＡＮＤ素子２１がインバータ２２に変更されたのみで、
実質的動作は同一である。ＮＡＮＤ素子２１使用の場合
は発振制御信号８を信号ラインとして入力し自身の動作
状態を制御するが、インバータ２２使用の場合は発振制
御信号８が直接インバータ２２の電源のオンオフ動作を
制御しているだけの違いである。バッファ素子２０は主
発振回路１ａの発振出力を緩衝増幅し制御回路７ａにフ
ィードバックさせる。
【００５３】また、遅れ時間ＴC の設定は抵抗２６およ
びコンデンサ２７の値により行なわれる。
【００５４】なお、起動信号６を出力する回路構成は上
述の回路に限定されるものではなく、例えばモノマルチ
回路を使用してもよい。
【００５５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の水晶発振
回路は、主発振回路に接続された補助発振回路の動作を
制御することにより低励振レベルでインピーダンスが高
い水晶振動子を使用しても発振起動することができ、か
つ発振動作安定時に主発振回路のみで発振を維持するこ
とができるので消費電力が低減されるという効果を有し
ている。
【００５６】また、インバータやＮＡＮＤゲート等のゲ
ート素子を使用して水晶発振回路を構成するので、ロジ
ックＩＣで構成したロジック回路での使用およびＩＣや
ゲートアレイへの組込が可能となり、回路構成上容易か
つ経済性に優れるという効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水晶発振回路の一つの実施の形態を示
すブロック図である。
【図２】図１の実施の形態の動作を示すタイムチャート
である。
【図３】図１の具体的構成の一例を示す回路図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示すブロック図で
ある。
【図５】図４の実施の形態の動作を示すタイムチャート
である。
【図６】図４の具体的構成の一例を示す回路図である。
【図７】従来のトランジスタを使用した水晶発振回路を
示す回路図である。
【図８】従来のゲート素子を使用した水晶発振回路を示
す回路図である。
【図９】水晶振動子のインピーダンス特性を示す図であ
る。
【図１０】従来の低励振レベル起動の水晶発振回路を示
す回路図である。
【符号の説明】
１，１ａ 主発振回路 ２ バッファ素子 ３ 水晶振動子 ４ 補助発振回路 ５ バッファ素子 ６，６ａ 起動信号 ７，７ａ 制御回路 ８ 発振制御信号 ９ 発振出力 １１ 抵抗 １２ コンデンサ １３ インバータ １４ ＡＮＤ素子 １５ インバータ １６ 抵抗 １７，１８ アナログスイッチ ２０ バッファ素子 ２１ ＮＡＮＤ素子 ２２ インバータ ２３ 抵抗 ２４，２５ コンデンサ ２６ 抵抗 ２７ コンデンサ ２８ インバータ ２９ ダイオード ３１，３２ トランジスタ ３３ 抵抗 ３４ インバータ ３５ ツェナーダイオード

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水晶発振機能を有する主発振手段と、こ
    の主発振手段の発振起動を補助する補助発振手段と、発
    振起動時に一定時間前記補助発振手段を前記主発振手段
    に並列接続させる制御手段とを備えたことを特徴とする
    水晶発振回路。
  2. 【請求項２】 前記制御手段が、前記主発振手段が出力
    する発振出力の帰還を受けて、前記補助発振手段を制御
    することを特徴とする請求項１記載の水晶発振回路。
  3. 【請求項３】 発振開始要求を行なう第１の信号の入力
    により水晶発振する主発振回路と、前記第１の信号に同
    期して一定時間のパルス幅を有する第２の信号を出力す
    る制御回路と、この第２の信号により制御される増幅素
    子および複数のスイッチ素子の動作を介して前記主発振
    回路と並列接続する発振補助回路とを備えたことを特徴
    とする水晶発振回路。
  4. 【請求項４】 前記制御回路が、前記主発振回路が出力
    する発振出力の帰還を受けて前記第２の信号を前記補助
    回路に出力することを特徴とする請求項３記載の水晶発
    振回路。
  5. 【請求項５】 前記制御回路が、前記第１の信号とこの
    信号を積分器により時間遅延させた遅延信号との論理積
    出力を、前記第２の信号としたことを特徴とする請求項
    ３記載の水晶発振回路。
  6. 【請求項６】 前記制御回路が、前記主発振回路が出力
    する発振出力を整流し、この整流した信号を積分しかつ
    反転させた起動信号を、前記第２の信号としたことを特
    徴とする請求項４記載の水晶発振回路。
  7. 【請求項７】 前記制御回路がモノマルチ回路で構成し
    たことを特徴とする請求項３又は請求項５記載の水晶発
    振回路。
  8. 【請求項８】 前記主発振回路が、水晶振動子と、集積
    回路のゲート素子と、抵抗およびコンデンサとで構成し
    たことを特徴とする請求項３，４，５，６又は７記載の
    水晶発振回路。
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