特許 7548793 水晶発振回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-02

(45)【発行日】2024-09-10

(54)【発明の名称】水晶発振回路

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/32 20060101AFI20240903BHJP

【ＦＩ】

H03B5/32 J

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020196894

(22)【出願日】2020-11-27

(65)【公開番号】P2022085285

(43)【公開日】2022-06-08

【審査請求日】2023-08-08

(73)【特許権者】

【識別番号】320012037

【氏名又は名称】ラピステクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001025

【氏名又は名称】弁理士法人レクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大森 鉄男

【審査官】石田 昌敏

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－００６１３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１９１３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０８９６６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－２０４１２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－０６１４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５２－１１３１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０７１８３８６８（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２００７－２４３２６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｂ ５／３０－ ５／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水晶振動子に接続され、前記水晶振動子の振動に基づいて発振する発振回路であって、
縦続接続された奇数段のインバータを含み、入力側が前記水晶振動子の一端に接続され、出力側が前記水晶振動子の他端に接続される増幅部と、
前記水晶振動子の一端と他端との間に前記増幅部に対して並列に接続される第１の帰還抵抗と、
を有し、
前記増幅部は、
入力端が前記水晶振動子の一端に接続される入力段のインバータと、
出力端が前記水晶振動子の他端に接続される出力段のインバータと、
前記入力段のインバータの出力端と前記出力段のインバータの入力端との間に接続され、少なくとも１のインバータと、前記少なくとも１のインバータに対して並列に接続された第２の帰還抵抗と、を含むリニアアンプと、
を含み、
前記入力段のインバータ、前記少なくとも１のインバータ及び前記出力段のインバータは順に縦続接続され、
前記入力段のインバータの出力端及び前記少なくとも１のインバータの入力端は、入力カップリング容量を介して接続され、
前記少なくとも１のインバータの出力端及び前記出力段のインバータの入力端は、直接接続されていることを特徴とする水晶発振回路。

【請求項2】

前記リニアアンプのコンダクタンスは、前記入力段のインバータのコンダクタンスよりも大きく、前記出力段のインバータのコンダクタンス以下の大きさを有することを特徴とする請求項１に記載の水晶発振回路。

【請求項3】

前記入力段のインバータのコンダクタンスは、前記リニアアンプのコンダクタンス以上の大きさを有することを特徴とする請求項１に記載の水晶発振回路。

【請求項4】

前記第２の帰還抵抗の抵抗値は、前記第１の帰還抵抗の抵抗値よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の水晶発振回路。

【請求項5】

前記入力段のインバータの入力端とグランドとの間に接続された第１のキャパシタと、
前記出力段のインバータの出力端とグランドとの間に接続された第２のキャパシタと、
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の水晶発振回路。

【請求項6】

前記リニアアンプの入力端とグランドとの間に接続された第３のキャパシタと、
前記リニアアンプの出力端とグランドとの間に接続された第４のキャパシタと、
を有することを特徴とする請求項５に記載の水晶発振回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水晶発振回路に関する。

【背景技術】

【0002】

マイコン等の高速化に伴い、高周波の発振回路が求められている。高周波の発振回路では、周波数の精度、温度偏差、ノイズ特性等について高性能であることが要求されるが、ＣＲ発振回路やＰＬＬ等の水晶以外の発振回路ではこれらの特性を実現することが難しい。そこで、かかる特性要求を充たす発振回路として、水晶発振回路が用いられている。

【0003】

水晶発振回路は、例えば水晶振動子と、水晶振動子の両端に入力端及び出力端が接続されたインバータからなる増幅部と、インバータの入力端と出力端との間に水晶振動子に並列に接続された帰還抵抗と、インバータの入力端及び出力端の各々とグランドとの間に接続されたキャパシタと、から構成されている。増幅部は、例えば奇数段のインバータによって構成されている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００２－２０４１２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

電子機器の低消費電流化に伴い、水晶発振回路にも消費電流の削減が求められている。その一方で、近年の水晶振動子の小型化に伴い、水晶発振回路の発振回路側に求められる特性要求は一層厳しくなっている。

【0006】

しかし、高い特性を実現しようとすると、回路の消費電流が増加してしまうという問題があった。また、半導体プロセスの更なる高性能化が必要となり、コストが増大するという問題があった。

【0007】

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高周波で且つ低消費電流の水晶発振回路を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る水晶発振回路は、水晶振動子に接続され、前記水晶振動子の振動に基づいて発振する発振回路であって、縦続接続された奇数段のインバータを含み、入力側が前記水晶振動子の一端に接続され、出力側が前記水晶振動子の他端に接続される増幅部と、前記水晶振動子の一端と他端との間に前記増幅部に対して並列に接続される第１の帰還抵抗と、を有し、前記増幅部は、入力端が前記水晶振動子の一端に接続される入力段のインバータと、出力端が前記水晶振動子の他端に接続される出力段のインバータと、 前記入力段のインバータの出力端と前記出力段のインバータの入力端との間に接続され、少なくとも１のインバータと、前記少なくとも１のインバータに対して並列に接続された第２の帰還抵抗と、を含むリニアアンプと、を含み、前記入力段のインバータ、前記少なくとも１のインバータ及び前記出力段のインバータは順に縦続接続され、前記入力段のインバータの出力端及び前記少なくとも１のインバータの入力端は、入力カップリング容量を介して接続され、前記少なくとも１のインバータの出力端及び前記出力段のインバータの入力端は、直接接続されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の水晶発振回路によれば、高周波で且つ低消費電流の水晶発振回路を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明に係る水晶発振回路と水晶振動子とが接続された状態を示す図である。

【図2】実施例１の水晶発振回路の構成を示す回路図である。

【図3】図１の構成を等価回路に置き換えた回路図である。

【図4】第１の比較例の水晶発振回路の構成を示す回路図である。

【図5】第１の比較例の水晶発振回路における負性抵抗の特性の例を示す図である。

【図6】第２の比較例の水晶発振回路の構成を示す回路図である。

【図7】第２の比較例の水晶発振回路における負性抵抗の特性の例を示す図である。

【図8】第３の比較例の水晶発振回路の構成を示す回路図である。

【図9】第３の比較例の水晶発振回路における負性抵抗の特性の例を示す図である。

【図10】第４の比較例の水晶発振回路の構成を示す回路図である。

【図11】第４の比較例の水晶発振回路における負性抵抗の特性の例を示す図である。

【図12】実施例１の水晶発振回路における負性抵抗の特性の例を示す図である。

【図13】実施例２の水晶発振回路の構成を示す回路図である。

【図14】実施例２の水晶発振回路における負性抵抗の特性の例を示す図である。

【図15】実施例１の変形例の水晶発振回路の構成を示す回路図である。

【図16】実施例２の変形例の水晶発振回路の構成を示す回路図である。

【図17】インバータの段数が異なる変形例の水晶発振回路の構成を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の各実施例における説明及び添付図面においては、実質的に同一または等価な部分には同一の参照符号を付している。

【実施例1】

【0012】

図１は、本実施例の水晶発振回路１００と水晶振動子ＸＴＡＬとが接続された状態を示す回路図である。水晶発振回路１００は、接続端子ＸＴ０を介して水晶振動子ＸＴＡＬの一端に接続されるとともに、接続端子ＸＴ１を介して水晶振動子ＸＴ１の他端に接続されている。水晶発振回路１００は、水晶振動子ＸＴＡＬととともに水晶発振器を構成している。

【0013】

図２は、水晶発振回路１００の構成を示す回路図である。水晶発振回路１００は、増幅部１０と、第１帰還抵抗Ｒｆ１と、キャパシタＣｇ及びＣｄと、接続端子ＸＴ０及びＸＴ１と、を含む。

【0014】

増幅部１０は、入力側が接続端子ＸＴ０を介して水晶振動子ＸＴＡＬに接続され、出力側が接続端子ＸＴ１を介して水晶振動子ＸＴＡＬに接続されている。増幅部１０は、水晶振動子ＸＴＡＬから供給された入力信号を増幅して出力信号を生成し、水晶振動子ＸＴＡＬに供給する。

【0015】

増幅部１０は、順に縦続接続された第１インバータ１１、第２インバータ１２及び第３インバータ１３からなる３段のインバータを含む発振アンプである。第２インバータの出力端と入力端との間には第２帰還抵抗Ｒｆ２が接続されている。

【0016】

第１インバータ１１の入力端は、接続端子ＸＴ０に接続されている。第１インバータ１１の入力端は、増幅部１０の入力側端部を構成している。第１インバータ１１は、入力端が水晶振動子ＸＴＡＬの一端に接続され、水晶振動子ＸＴＡＬからの信号入力を受ける入力段のインバータである。第１インバータ１１は、入力端に供給された水晶振動子ＸＴＡＬからの入力信号を反転させて出力する。

【0017】

第２インバータ１２の入力端は、第１インバータ１１の出力端に接続されている。第２インバータ１２は、入力端に供給された第１インバータ１１からの出力信号を反転させて出力する。第２インバータ１２は、並列に接続された第２帰還抵抗Ｒｆ２とともに、リニアアンプＬＡを構成している。

【0018】

第３インバータ１３の入力端は、第２インバータ１２の出力端に接続されている。第３インバータ１３の出力端は、接続端子ＸＴ１に接続されている。第３インバータ１３は、出力端が水晶振動子ＸＴＡＬの他端に接続され、出力信号を水晶振動子ＸＴＡＬに供給する出力段のインバータである。第３インバータ１３は、入力端に供給された第２インバータ１２からの出力信号を反転させて出力する。

【0019】

第１インバータ１１、第２インバータ１２及び第３インバータ１３の各々は、ドレイン同士が接続されたＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトランジスタから構成されている。

【0020】

第２帰還抵抗Ｒｆ２は、第２インバータ１２の出力端と入力端との間に、第２インバータ１２に対して並列に接続されている。第２帰還抵抗Ｒｆ２の一端は、第１インバータ１１の出力端と第２インバータ１２の入力端との間に接続されている。第２帰還抵抗Ｒｆ２の他端は、第２インバータ１２の出力端と第３インバータ１３の入力端との間に接続されている。

【0021】

第１帰還抵抗Ｒｆ１は、接続端子ＸＴ０と接続端子ＸＴ１との間に増幅部１０に対して並列に接続されている。第１帰還抵抗Ｒｆ１の一端は、第１インバータ１１の入力端に接続されている。第１帰還抵抗Ｒｆ１の他端は、第３インバータ１３の出力端に接続されている。

【0022】

キャパシタＣｇは、増幅部１０の入力側とグランドとの間に設けられている。キャパシタＣｇの一端は、第１インバータ１１の入力端、第１帰還抵抗Ｒｆ１の一端及び接続端子ＸＴ０に接続されている。キャパシタＣｇの他端は、接地されている。キャパシタＣｇは、水晶発振回路１００の入力側の発振容量として機能する。

【0023】

キャパシタＣｄは、増幅部１０の出力側とグランドとの間に設けられている。キャパシタＣｄの一端は、第３インバータ１３の出力端、第１帰還抵抗Ｒｆ１の他端及び接続端子ＸＴ１に接続されている。キャパシタＣｄの他端は、接地されている。キャパシタＣｄは、水晶発振回路１００の出力側の発振容量として機能する。

【0024】

図３は、図１の構成を等価回路に置き換えた回路図である。水晶振動子ＸＴＡＬは、インダクタンスＬｅ及び実効抵抗Ｒｅに置き換えられる。また、水晶発振回路１００は、負荷容量ＣＬ及び負性抵抗－ＲＬに置き換えられる。

【0025】

負荷容量ＣＬ及び負性抵抗－ＲＬは、それぞれ次の式（１）及び（２）で表される。

【0026】

ＣＬ＝Ｃｇ＊Ｃｄ／（Ｃｇ＋Ｃｄ） （１）
－ＲＬ＝－ｇｍ／（２πｆ）^２＊Ｃｇ＊Ｃｄ （２）
なお、水晶発振回路１００を構成する各インバータのコンダクタンスは、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電流Ｉｏｕｔを用いて次の式（３）で表される。

【0027】

ｇｍ＝ΔＩｏｕｔ／ΔＶｉｎ （３）
係る構成での発振条件は、次の式（４）で表される。

【0028】

－ＲＬ≧Ｒｅ （４）
すなわち、上記の条件が成立した場合に負性抵抗－ＲＬによって水晶振動子ＸＴＡＬの実効抵抗Ｒｅが打ち消され、水晶発振回路１００のインピーダンス損失がなくなり、インダクタンスＬｅと負荷容量ＣＬのＬＣ発振となり、発振することが可能となる。

【0029】

なお、安定して発振を行うためには、負性抵抗－ＲＬは０Ωよりも小さく、且つその絶対値が実効抵抗Ｒｅの１倍以上の定数でなければならない。発振している状態から発振停止に至るまでのマージンを示す発振余裕度をｎとすると、発振余裕度ｎは次の式（５）で表される。

【0030】

ｎ＝｜－ＲＬ｜／Ｒｅ （５）
なお、発振余裕度ｎは一般に、民生向けの水晶発振器では実効抵抗Ｒｅの３倍以上であることが好ましく、車載向けの水晶発振器では実効抵抗Ｒｅの５倍以上であることが好ましいとされている。

【0031】

再び図２を参照すると、本実施例の水晶発振回路１００は、上記のように３段のインバータで構成される発振アンプ、第１帰還抵抗Ｒｆ１及び発振容量（Ｃｇ／Ｃｄ）によって構成されている。

【0032】

第１インバータ１１は、発振アンプの入力段を構成するインバータであり、帰還されていない。第１インバータ１１のコンダクタンスｇｍ１は、第１インバータ１１の出力信号が第２インバータ１２を動作させることが可能な振幅レベルとなるように設計されている。

【0033】

第２インバータ１２は、第２帰還抵抗Ｒｆ２が接続されたリニアアンプを構成するインバータである。第２インバータ１２のコンダクタンスｇｍ２は、第２帰還抵抗Ｒｆ２の抵抗値によって定まる（すなわち、設定及び制限される）。換言すると、第２帰還抵抗Ｒｆ２の抵抗値によってリニアアンプの増幅率が設定される。

【0034】

第３インバータ１３は、発振アンプの出力段を構成するインバータである。第３インバータ１３は、接続端子ＸＴ１を介して水晶振動子ＸＴＡＬに励振電流Ｉｒを供給し、発振容量Ｃｄを充放電させる。また、第３インバータ１３は、第１帰還抵抗Ｒｆ１を介して接続端子ＸＴ０に帰還電流Ｉｆを供給し、発振容量Ｃｇ及び第１インバータ１１のゲート容量を充放電させる。第３インバータ１３のコンダクタンスｇｍ３は、かかる動作が可能なレベルに設定されている。

【0035】

本実施例では、第２のインバータのコンダクタンスｇｍ２が第１のインバータのコンダクタンスｇｍ１よりも大きく、第３のインバータのコンダクタンスｇｍ３以下の大きさを有するように設定される。すなわち、第１インバータ１１のコンダクタンスｇｍ１、第２インバータ１２のコンダクタンスｇｍ２及び第３インバータ１３のコンダクタンスｇｍ３の関係は、次の式（６）で表される。

【0036】

ｇｍ１＜ｇｍ２≦ｇｍ３ （６）
次に、本実施例の水晶発振回路１００の動作について説明する。

【0037】

まず、水晶振動子ＸＴＡＬからの入力信号は、接続端子ＸＴ０を介して第１インバータ１１の入力端に入力される。入力信号の発振振幅は、第１インバータ１１によって所定の振幅レベルに増幅され、第１インバータ１１の出力端から出力される。

【0038】

第１インバータ１１からリニアアンプである第２インバータ１２に入力された信号の振幅は、帰還抵抗Ｒｆ２により規定された増幅率で増幅される。増幅された信号は、第２インバータ１２の出力端から出力され、第３インバータ１３の入力端に入力される。

【0039】

第３インバータ１３は、第２インバータ１２から入力された信号に基づいて励振電流Ｉｒを生成する。第３インバータ１３は、接続端子ＸＴ１を介して励振電流Ｉｒを水晶振動子ＸＴＡＬに供給し、発振容量Ｃｄを充放電させる。また、第３インバータ１３は、第１帰還抵抗Ｒｆ１を介して接続端子ＸＴ０に帰還電流Ｉｆを供給し、発振容量Ｃｇ及び第１インバータ１１のゲート容量を充放電させる。

【0040】

以上の動作により、水晶発振回路１００は、水晶振動子ＸＴＡＬの圧電効果で発生された信号の振幅を維持し、発振を継続させている。

【0041】

次に、本実施例の水晶発振回路１００が上記構成を有することによりもたらされる効果について、比較例の水晶発振回路と比較しつつ説明する。

【0042】

図４は、第１の比較例の水晶発振回路Ｅ１の構成を示す回路図である。第１の比較例の水晶発振回路Ｅ１は、インバータＩＮＶと、帰還抵抗Ｒｆと、キャパシタＣｇ及びＣｄと、接続端子ＸＴ０及びＸＴ１と、から構成されている。接続端子ＸＴ０及びＸＴ１は、水晶端子ＸＴＡＬ（図４では図示を省略）の一端及び他端にそれぞれ接続されている。

【0043】

インバータＩＮＶは、ドレイン同士が接続されたＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトランジスタから構成されている。インバータＩＮＶの入力端は、接続端子ＸＴ０に接続されている。インバータＩＮＶの出力端は、接続端子ＸＴ１に接続されている。

【0044】

帰還抵抗Ｒｆは、接続端子ＸＴ０とＸＴ１との間に、インバータＩＮＶに対して並列に接続されている。キャパシタＣｇは、インバータＩＮＶの入力端とグランドとの間に設けられ、発振容量Ｃｇを構成している。キャパシタＣｄは、インバータＩＮＶの入力端とグランドとの間に設けられ、発振容量Ｃｄを構成している。

【0045】

第１の比較例の水晶発振回路Ｅ１では、インバータＩＮＶ及び帰還抵抗Ｒｆにより、負帰還増幅の発振アンプが構成されている。インバータＩＮＶは、水晶振動子ＸＴＡＬに振動を発生させる励振電流Ｉｒを接続端子ＸＴ１に供給する。また、インバータＩＮＶは、帰還抵抗Ｒｆを介して接続端子ＸＴ０に帰還電流Ｉｆを供給する。

【0046】

第１の比較例の水晶発振回路Ｅ１も、本実施例の水晶発振回路１００と同様、水晶振動子ＸＴＡＬが接続された状態では図３に示すような等価回路に置き換えられる。すなわち、水晶振動子ＸＴＡＬは、インダクタンスＬｅ及び実効抵抗Ｒｅに、水晶発振回路１００は、負荷容量ＣＬ及び負性抵抗－ＲＬにそれぞれ置き換えられる。

【0047】

第１の比較例の水晶発振回路Ｅ１の構成では、帰還抵抗Ｒｆを小さくすると帰還電流Ｉｆが増加し、負性抵抗－ＲＬの周波数帯域は高帯域にシフトする。帰還抵抗Ｒｆを大きくすると帰還電流Ｉｆが減少し、負性抵抗－ＲＬの周波数帯域は低帯域にシフトする。

【0048】

上記の式（２）により、負性抵抗－ＲＬは、発振容量Ｃｇ及びＣｄが小さくなると増加し、発振容量Ｃｇ及びＣｄが大きくなると減少する。同様に、発振アンプを構成するインバータＩＮＶのコンダクタンスｇｍが増加すると負性抵抗－ＲＬも増加し、インバータＩＮＶのコンダクタンスｇｍが減少すると負性抵抗－ＲＬも減少する。また、上記の式（１）により発振容量Ｃｇ及びＣｄは、使用する水晶振動子ＸＴＡＬの負荷容量ＣＬにより決定される。第１の比較例の水晶発振回路では、これらの回路定数を調整することにより、使用する水晶振動子ＸＴＡＬに応じた所望の発振余裕度となるように負性抵抗－ＲＬの調整が行われる。

【0049】

図５は、第１の比較例の水晶発振回路Ｅ１における負性抵抗の特性の例を示す図である。「ｆｘ」は、水晶振動子ＸＴＡＬの発振周波数を示している。

【0050】

発振容量Ｃｇ及びＣｄは、使用する水晶振動子ＸＴＡＬの負荷容量ＣＬによって決定され、帰還抵抗Ｒｆも発振周波数に対して適切な周波数帯域となるように設定される。負性抵抗は、インバータＩＮＶのコンダクタンスｇｍによって調整される。インバータＩＮＶのコンダクタンスｇｍは、インバータＩＮＶを構成するＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトランジスタのゲート長（チャネル長）Ｌ及びゲート幅（チャネル幅）Ｗのサイズによって調整される。ここでは、ゲート長Ｌを最小サイズとして固定し、ゲート幅ＷでインバータＩＮＶのコンダクタンスｇｍを調整した場合について説明する。

【0051】

図５では、ゲート幅Ｗの異なる３つのケースについて負性抵抗の特性を示している。図のＥ１Ａはゲート幅Ｗが最も小さい場合、Ｅ１Ｃはゲート幅Ｗが最も大きい場合、Ｅ１Ｂはゲート幅ＷがＥ１Ａよりも大きくＥ１Ｃよりも小さい場合（Ｗ；Ｅ１Ａ＜Ｅ１Ｂ＜Ｅ１Ｃ）を夫々示している。

【0052】

Ｅ１Ａでは、ゲート幅Ｗが小さいため、コンダクタンスｇｍの値が小さい。したがって、周波数が高くなると負性抵抗が減少し、水晶振動子ＸＴＡＬの発振周波数ｆｘでは負性抵抗が０Ω付近となるため、発振しない。

【0053】

Ｅ１Ａよりもゲート幅Ｗが大きいＥ１Ｂでは、コンダクタンスｇｍが増加するため、高い周波数帯域での負性抵抗も増加する。しかしながら、水晶振動子ＸＴＡＬの発振周波数ｆｘではやはり負性抵抗が０Ω付近であり、発振しない。

【0054】

Ｅ１Ｂよりもさらにゲート幅Ｗが大きいＥ１Ｃでは、コンダクタンスｇｍの増加に応じて負性抵抗も増加する。ＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトランジスタの各々のゲート容量、ドレイン容量及び寄生容量等の容量成分が増加する。水晶発振回路の駆動時には、この増加した容量を充放電させることになる。このため、ゲート幅Ｗをある一定以上のサイズにすると、高い発振周波数では増加分の容量の充放電が無視できなくなり、負性抵抗が減少する。

【0055】

これを改善するためには更なる微細化による寄生容量の削減や、トランジスタ特性を向上させることによりコンダクタンスｇｍを高くして容量成分の影響を減らす等の方法が考えられるが、その場合、プロセスコストの増加や消費電流の増大といった問題が生じてしまう。

【0056】

図６は、第２の比較例の水晶発振回路Ｅ２の構成を示す回路図である。第２の比較例では、インバータＩＶ１、ＩＶ２及びＩＶ３からなる３段のインバータによって増幅部を構成することにより、発振アンプ全体のコンダクタンスｇｍを高くしている。また、インバータＩＶ１及びＩＶ２は帰還されておらず、第１の比較例Ｅ１のインバータＩＮＶと比較して各々のコンダクタンスｇｍは大きい。

【0057】

図７は、第２の比較例の水晶発振回路Ｅ２における負性抵抗の特性の例を示す図である。ここでは、第１の比較例の水晶発振回路Ｅ１の負性抵抗特性（Ｅ１Ｂ）を比較対象として示している。

【0058】

第２の比較例（Ｅ２Ａ）では、第１の比較例（Ｅ１Ｂ）と比べて、負性抵抗は大幅に増加している。しかし、発振アンプ全体のコンダクタンスｇｍが高すぎるため、温度、電源電圧等の使用条件や製造ばらつき等によりコンダクタンスｇｍが大きく変動する。このため、図にＥ２Ｂとして示すように、負性抵抗が水晶振動子ＸＴＡＬの発振周波数よりも更に高い帯域にシフトしてしまい、異常発振や発振停止を起こしてしまう可能性がある。

【0059】

図８は、第３の比較例の水晶発振回路Ｅ３の構成を示す回路図である。キャパシタＣｆがインバータＩＶ１に対して並列に接続されている点で、第２の比較例の水晶発振回路Ｅ２と異なる。

【0060】

第２の比較例では帰還電流ＩｒがインバータＩＶ３のみから供給されているが、第３の比較例ではインバータＩＶ１の帰還容量Ｃｆからの帰還電流Ｉｃｆも付加して供給がなされている。このため、第３の比較例の水晶発振回路Ｅ３は、増幅部が見かけ上は３段（ＩＶ１，ＩＶ２，ＩＶ３）の発振アンプ及び１段の発振アンプ（Ｃｆ）から構成されたことになり、第２の比較例の水晶発振回路Ｅ２と比べて、増幅部のコンダクタンスｇｍが大きくなる。

【0061】

図９は、第３の比較例の水晶発振回路Ｅ３における負性抵抗の特性の例を示す図である。ここでは、第２の比較例の水晶発振回路Ｅ２の負性抵抗特性（Ｅ２Ａ）を比較対象として示している。

【0062】

第３の比較例（Ｅ３Ａ）では、第２の比較例（Ｅ２Ａ）と比べて、負性抵抗はさらに増加している。しかし、発振アンプ全体のコンダクタンスｇｍが大きく、温度、電源電圧等の使用条件や製造ばらつき等によって大きく変動するため、図にＥ３Ｂに示すように、負性抵抗が水晶振動子ＸＴＡＬの発振周波数よりも更に高い帯域にシフトしてしまう。これにより、異常発振や発振停止を起こしてしまう可能性がある。

【0063】

図１０は、第４の比較例の水晶発振回路Ｅ４の構成を示す回路図である。３段のインバータ（ＩＶ１，ＩＶ２，ＩＶ３）に加えて、各インバータに帰還抵抗（Ｒｆ１，Ｒｆ２，Ｒｆ３）をそれぞれ接続してリニアアンプを構成し、各段のインバータの個々のコンダクタンスｇｍを抑えている。また、２段目のインバータＩＶ２は、初段のインバータＩＶ１及び３段目のインバータＩＶ３に対して論理が反転している。全ての段のインバータに帰還抵抗を介して入出力が接続されているため、インバータＩＶ２は回路全体のコンダクタンスｇｍを調整する機能を担っている。

【0064】

回路全体の帰還抵抗Ｒｆｘは、「Ｒｆｘ＝Ｒｆ１＋Ｒｆ２＋Ｒｆ３」で表される。また、インバータＩＶ２は論理が反転しているため、帰還電流は負の電流「－Ｉｒ２」となり、回路全体の帰還電流Ｉｆｘは、「Ｉｆｘ＝Ｉｒ１－Ｉｒ２＋Ｉｒ３」となる。

【0065】

図１１は、第４の比較例の水晶発振回路Ｅ４における負性抵抗の特性の例を示す図である。ここでは、第１の比較例の水晶発振回路Ｅ１の負性抵抗特性（Ｅ１Ｂ）を比較対象として示している。また、Ｅ４Ａは回路全体の帰還抵抗Ｒｆｘが最も小さく、帰還電流Ｉｆｘが最も大きい場合を示している。Ｅ４Ｃは回路全体の帰還抵抗Ｒｆｘが最も大きく、帰還電流Ｉｆｘが最も小さい場合を示している。Ｅ４Ｂは回路全体の帰還抵抗ＲｆｘがＥ４Ａよりも大きく且つＥ４Ｃよりも小さい場合、すなわち帰還電流ＩｆｘがＥ４Ｃよりも大きくＥ４Ａよりも小さい場合（Ｉｆｘ；Ｅ４Ａ＞Ｅ４Ｂ＞Ｅ４Ｃ）を示している。

【0066】

第４の比較例（Ｅ４Ａ，Ｅ４Ｂ，Ｅ４Ｃ）では、第１の比較例（Ｅ１Ｂ）と比べて、負性抵抗は増加している。帰還抵抗Ｒｆｘが小さい、すなわち帰還電流Ｉｆｘが大きいＥ４Ａの負性抵抗が元も減少している。これに比べて、帰還抵抗Ｒｆｘが大きい、すなわち帰還電流Ｉｆｘが小さいＥ４Ｃでは、負性抵抗は増加して高い周波数帯域にシフトしている。

【0067】

インバータＩＶ２の帰還電流は－Ｉｆ２であるため、全体の帰還電流Ｉｆｘを増やすためには、帰還抵抗Ｒｆ２の抵抗値を大きくして帰還電流値を減らす必要がある。また、帰還抵抗の調整によって負性抵抗や周波数帯域を下げる場合は、帰還電流を増加させなければならない。これらは、一般的な水晶発振回路とは真逆の特性であり、回路調整によっては消費電流を増加させる原因になってしまう。

【0068】

図１２は、本実施例の水晶発振回路１００における負性抵抗の特性の例を示す図である。ここでは、比較対象として第１の比較例の負性抵抗特性Ｅ１Ｂを示している。また、図中の１－Ａは第１インバータ１１のコンダクタンスｇｍ１と第２インバータ１２のコンダクタンスｇｍ２との大小関係が“ｇｍ１＜ｇｍ２”である場合を示しており、１―Ｂは“ｇｍ１≧ｇｍ２”である場合を示している。

【0069】

本実施例の水晶発振回路１００では、負性抵抗は高い周波数帯域で増加しており、水晶振動子ＸＴＡＬの発振周波数ｆｘでも十分なレベル（抵抗値）を有している。その一方で、第２の比較例や第３の比較例のように、負性抵抗が高くなりすぎることもない。

【0070】

また、第１インバータ１１に入力される入力信号が高速発振で且つ振幅が微小であるような場合であっても、所望の振幅レベルになるように第１インバータ１１のコンダクタンスｇｍ１が設定されているため、出力信号の振幅は減衰しない。

【0071】

第２インバータ１２は、帰還抵抗Ｒｆ２とともにリニアアンプを構成しており、帰還抵抗Ｒｆ２によって規定される増幅率で第１インバータ１１から入力された信号の振幅を増幅する。帰還抵抗Ｒｆ２は、発振回路の発振定数の一つである帰還抵抗Ｒｆ１とは異なり、発振定数には含まれず、純粋にリニアアンプの増幅率を規定するものであるため、その定数は任意に設定することができる。このため、入力信号の振幅が過剰な振幅であっても、出力信号の振幅を制限することができる。換言すれば、第２インバータ１２からなるリニアアンプは、負帰還増幅のアンプであるため、出力信号の振幅は歪まず、振り切れることはない。かかる特性により、第２インバータ１２は、回路全体としてメインの増幅機能を果たしている。

【0072】

第３インバータ１３は、増幅部１０の出力段であり、第２インバータ１２から入力された信号の振幅を増幅して水晶振動子ＸＴＡＬの圧電効果を持続させる。第３インバータ１３のコンダクタンスｇｍ３は、励起電流Ｉｒ及び帰還電流Ｉｆ１の供給と、発振容量Ｃｇ、Ｃｄ及び第１インバータ１１のゲート容量の充放電が可能なレベルであればよい。したがって、コンダクタンスｇｍ３を小さく抑えることができる。このため、第１の比較例よりも回路規模を小さくすることができる。

【0073】

また、回路全体のコンダクタンスが小さいため、第２の比較例の水晶発振回路Ｅ２や第３の比較例の水晶発振回路Ｅ３とは異なり、コンダクタンスが高すぎることによる異常発振や発振停止の恐れがない。

【0074】

なお、入出力間に第２帰還抵抗Ｒｆ２が接続されている第２インバータ１２の周波数帯域を回路全体の周波数帯域（すなわち、発振周波数）よりも高く設定することにより、安定した負性抵抗及び発振余裕度を得ることができる。

【0075】

また、第２帰還抵抗Ｒｆ２の抵抗値は、第１帰還抵抗Ｒｆ１の抵抗値よりも小さい値に設定されていることが望ましい。例えば、各々の帰還抵抗が同じ抵抗値を有する（すなわち、Ｒｆ２＝Ｒｆ１）と仮定した場合、第２インバータ１２回路全体の周波数帯域を同じ帯域に設定すると、発振はするが、製造のばらつき等により、第２インバータ１２と回路全体とで周波数帯域に対するコンダクタンスｇｍに差異が生じて、負性抵抗が低下してしまう。また、第２帰還抵抗Ｒｆ２の抵抗値が第１帰還抵抗Ｒｆ１の抵抗値よりも大きい（すなわち、Ｒｆ２＞Ｒｆ１）とすると、回路全体の周波数帯域に対して第２インバータ１２の周波数帯域が低くなり、第２インバータ１２の発振周波数に対するコンダクタンスｇｍ２が低下するため、負性抵抗はさらに低下して発振停止に至る可能性がある。

【0076】

これに対し、第２帰還抵抗Ｒｆ１の抵抗値を第１帰還抵抗Ｒｆ１の抵抗値以下（すなわち、Ｒｆ２≦Ｒｆ１）に設定することにより、製造のばらつき等の諸条件による第２インバータ１２の周波数帯域におけるコンダクタンスｇｍ２の低下を防ぐことができる。

【0077】

以上のように、本実施例の水晶発振回路１００によれば、回路全体のコンダクタンスは小さい。したがって、負性抵抗が民生向け又は車載向けの水晶発振器に必要な発振余裕度を達成できるレベルとなるように回路全体のコンダクタンスを設定しつつ、高周波の水晶発振に十分な特性を得ることが可能である。また、回路規模を小さくすることができるため、消費電流を削減することが可能である。

【実施例2】

【0078】

次に、本発明の実施例２について説明する。図１３は、実施例２の水晶発振回路２００の構成を示す回路図である。水晶発振回路２００は、第１インバータ１１の出力端と第２インバータ１２の入力端との間（詳細には、第２インバート１２の入力端及び第２帰還抵抗Ｒｆ２の一端が接続される接続ノードと第１インバータ１１の出力端との間）に、キャパシタＣｉｎ（以下の説明では、入力カップリング容量Ｃｉｎとも称する）が追加されている点で実施例１の水晶発振回路１００と異なる。

【0079】

本実施例の水晶発振回路２００では、第１インバータ１１から出力された信号は、入力カップリング容量Ｃｉｎを介して第２インバータ１２に入力される。これ以外の各部の動作は、実施例１と同様である。

【0080】

実施例１の水晶発振回路１００では、第１インバータ１１のコンダクタンスｇｍ１と第２インバータ１２のコンダクタンスｇｍ２との大小関係は、“ｇｍ１＜ｇｍ２”の関係となるように設計される場合だけではなく、水晶振動子ＸＴＡＬの特性やプロセスのトランジスタ特性等の都合により、“ｇｍ１≧ｇｍ２”となる場合も想定される。この場合、第１インバータ１１のコンダクタンスｇｍ１が、水晶発振回路１００のメインの増幅を担う第２インバータ１２のコンダクタンスｇｍ２、ひいては回路全体の増幅率に影響を及ぼすことになる。このため、図１２に示す実施例１の水晶発振回路１００の負性抵抗特性では、“ｇｍ１≧ｇｍ２”の場合（図中の１－Ｂ）の負性抵抗は、“ｇｍ１＜ｇｍ２”の場合（図中の１－Ａ）の負性抵抗と比べて低下する。

【0081】

これに対し、図１４は、実施例２の水晶発振回路２００における負性抵抗の特性の例を示す図である。本実施例の水晶発振回路２００では、入力カップリング容量Ｃｉｎを介して第１インバータ１１と第２インバータ１２とを接続することにより、第１インバータ１１が回路全体の増幅率に及ぼす影響を低減している。このため、図１４に“２－Ａ”として示すように、“ｇｍ１≧ｇｍ２”である実施例１の場合（図中の１－Ｂ）と比較して、本実施例の水晶発振回路２００では負性抵抗が低下しない。

【0082】

したがって、本実施例の水晶発振回路２００によれば、第１インバータ１１のコンダクタンスｇｍ１が及ぼす影響を低減しつつ、高周波で且つ低消費電流の水晶発振回路を提供することが可能となる。

【0083】

なお、本発明は上記実施例で示したものに限られない。例えば、キャパシタＣｇ２を介して第２インバータ１２の入力端をグランドに接続し、キャパシタＣｄ２を介して第２インバータ１２の出力端をグランドに接続してもよい。

【0084】

図１５及び図１６は、かかる構成を有する変形例の水晶発振回路を示す回路図である。図１５は、実施例１の水晶発振回路１００の第２インバータ１２の入力端子及び出力端子をそれぞれキャパシタＣｇ２及びＣｄ２を介してグランドに接続した構成（水晶発振回路１００Ａ）を示している。図１６は、実施例２の水晶発振回路２００の第２インバータ１２の入力端子及び出力端子をそれぞれキャパシタＣｇ２及びＣｄ２を介してグランドに接続した構成（水晶発振回路２００Ａ）を示している。

【0085】

例えば、第２帰還抵抗Ｒｆ２の抵抗値を第１帰還抵抗Ｒｆ１の抵抗値よりも小さく（すなわち、Ｒｆ２＜Ｒｆ１）設定し、第２インバータ１２の周波数帯域を高くした場合、キャパシタＣｇ２及びＣｄ２を有しない構成では、発振周波数での回路全体のコンダクタンスが高くなってしまい、異常発振を引き起こす可能性がある。しかし、図１５及び図１６のように、第２インバータ１２の入力端及び出力端をそれぞれキャパシタＣｇ２及びＣｄ２を介してグランドに接続することにより、発振周波数での回路全体のコンダクタンスを調整して異常発振を防ぐことができる。

【0086】

また、上記実施例１及び実施例２では、増幅部が３段のインバータから構成されている場合を例として説明した。しかし、増幅部を構成するインバータの数はこれに限られず、３以上の奇数であればよい。

【0087】

図１７は、実施例１の水晶発振回路において増幅部の段数を５段とした構成を変形例の水晶発振回路１００Ｂとして示す回路図である。水晶発振回路１００Ｂでは、インバータ１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃからなる３段のインバータによってリニアアンプＬＡが構成されている。帰還抵抗Ｒｆ２は、インバータ１２Ｃの出力端とインバータ１２Ａの入力端との間（すなわち、第３インバータ１３の入力端と第１インバータ１１の出力端との間）に接続されている。

【0088】

このように、本発明に係る水晶発振回路では、増幅部は、入力段を構成するインバータと、出力段を構成するインバータと、その間に接続されたリニアアンプを構成する少なくとも１のインバータと、が縦続接続された構成を有していればよい。その際、リニアアンプには第２の帰還抵抗が接続され、リニアアンプのコンダクタンスが第１のインバータのコンダクタンスよりも大きく、第３のインバータのコンダクタンス以下の大きさを有していればよい。

【0089】

また、上記実施例１の水晶発振回路１００及び実施例２の水晶発振回路２００の各々において、第３インバータ１３の出力端と接続端子ＸＴ１との間にダンピング抵抗を接続してもよい。このようなダンピング抵抗を追加することにより、励振電流Ｉｒを制限して水晶振動子ＸＴＡＬ側から見たインバータのコンダクタンスｇｍ（すなわち、増幅部１０全体のコンダクタンス）を減少させることができる。

【0090】

また、上記実施例１及び実施例２の水晶発振回路は、ディスクリートの水晶発振器及びモジュールの水晶発振器のいずれにも適用することが可能である。また、上記実施例１及び実施例２の水晶発振回路を、７４ＨＣ等の標準ロジックＩＣを用いて基板ボードに搭載することも可能である。また、上記実施例１及び実施例２の水晶発振回路の構成は、セラミック発振子を使用した発振回路にも適用可能である。

【符号の説明】

【0091】

１００ 水晶発振回路
１０ 増幅部
１１ 第１インバータ
１２ 第２インバータ
１３ 第３インバータ
Ｒｆ１ 第１帰還抵抗
Ｒｆ２ 第２帰還抵抗
Ｃｇ キャパシタ
Ｃｄ キャパシタ
ＸＴ０ 接続端子
ＸＴ１ 接続端子
ＸＴＡＬ 水晶振動子
Ｃｉｎ キャパシタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】