JPH05218740A - Oscillation circuit provided with crystal vibrator - Google Patents
Oscillation circuit provided with crystal vibratorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、増幅器と、この増幅器
の入出力間に接続した帰還回路中に水晶振動子を接続し
た発振回路に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an amplifier and an oscillator circuit in which a crystal oscillator is connected to a feedback circuit connected between the input and output of the amplifier.
【０００２】[0002]
【従来の技術】水晶振動子を有する発振回路は発振周波
数の温度変化に対する安定性が高いので多くの電子機器
に使用されている。従来、水晶振動子を有する発振回路
においては、水晶振動子を確実に振動させるために水晶
振動子に印加する駆動電圧は、発振開始電圧よりも十分
に高い電圧を印加するようにしている。すなわち、従
来、水晶振動子を有する発振回路においては、発振開始
電圧よりも僅かに高い駆動電圧を印加したのでは、温度
変動や経時変化などの影響によって安定な発振が行われ
ないと考えられていたので、駆動電圧は発振開始電圧よ
りも十分高い電圧値に設定されていた。例えば、発振回
路内の半導体素子や使用環境などの余裕をそれぞれ20％
としても発振開始電圧の少なくとも1.4 倍の駆動電圧を
印加する必要があるが、総合的な回路の安定性を考える
とさらに高い値、一般に発振開始電圧の1.5 倍よりも高
い値に設定されていた。例えば、発振開始電圧が1.5 ボ
ルト程度の場合、３ボルト以上の駆動電圧を印加するの
が普通であった。2. Description of the Related Art Oscillation circuits having crystal oscillators are used in many electronic devices because they have high stability against changes in the oscillation frequency with temperature. Conventionally, in an oscillation circuit having a crystal oscillator, a drive voltage applied to the crystal oscillator in order to reliably vibrate the crystal oscillator is a voltage sufficiently higher than an oscillation start voltage. That is, conventionally, in an oscillation circuit having a crystal resonator, it is considered that stable oscillation cannot be performed due to the influence of temperature fluctuation, aging, etc., if a driving voltage slightly higher than the oscillation start voltage is applied. Therefore, the drive voltage was set to a voltage value sufficiently higher than the oscillation start voltage. For example, allow 20% for each semiconductor element in the oscillator circuit and operating environment.
For this reason, it is necessary to apply a drive voltage that is at least 1.4 times the oscillation start voltage, but considering the stability of the overall circuit, it was set to a higher value, generally higher than 1.5 times the oscillation start voltage. .. For example, when the oscillation starting voltage is about 1.5 V, it was usual to apply a driving voltage of 3 V or more.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】このように発振開始電
圧よりも相当高い電圧で駆動している従来の水晶振動子
を有する発振回路においては、消費電力が必然的に大き
くなり、大きな電源を必要とする欠点がある。例えば、
このような発振回路を携帯用の機器に使用する場合に
は、電池の消耗が甚だしくなる欠点がある。特に携帯用
の機器は小型、軽量化が図られる傾向にあるため、大容
量の電池の使用が制限されるので、消費電力が大きくな
ることは致命的な欠点となる。さらに、駆動電圧を発振
開始電圧よりも相当高くすると水晶振動子は過駆動され
ることになり、起動後に水晶振動子の温度がいつまでも
上昇し続け、電源投入後に長時間に亘って発振周波数が
漸増または漸減する欠点がある。すなわち、従来の水晶
振動子を有する発振回路においては、電源投入後の周波
数の短期安定性が悪いという欠点がある。例えば、水晶
振動子を用いた発振回路を有する無線機においては、電
源投入後も数時間に亘って周波数がシフトするので使用
中周波数を頻繁に調整する必要があった。As described above, in the oscillation circuit having the conventional crystal oscillator which is driven at a voltage considerably higher than the oscillation start voltage, the power consumption is inevitably increased and a large power source is required. There is a drawback to For example,
When such an oscillator circuit is used in a portable device, there is a drawback that the battery will be greatly consumed. In particular, portable devices tend to be smaller and lighter in weight, which limits the use of large-capacity batteries, and thus increases power consumption is a fatal drawback. Furthermore, if the drive voltage is considerably higher than the oscillation start voltage, the crystal unit will be overdriven, the temperature of the crystal unit will continue to rise after startup, and the oscillation frequency will gradually increase for a long time after the power is turned on. Or there is a drawback that it gradually decreases. That is, the oscillation circuit having the conventional crystal oscillator has a drawback that the short-term stability of the frequency after the power is turned on is poor. For example, in a wireless device having an oscillation circuit using a crystal oscillator, the frequency shifts for several hours even after the power is turned on, so it is necessary to frequently adjust the frequency in use.
【０００４】また、駆動電圧が高いと水晶振動子を構成
する水晶の格子の運動や変位が激しく起こり、長期安定
性も良好でなくなるという欠点もある。さらに、水晶振
動子の周波数特性や結晶インピーダンスに不連続な部分
がある場合、駆動電圧が高いとそれらの影響が非常に大
きく現れ、周波数偏移が大きくなる欠点もある。Further, when the driving voltage is high, the movement and displacement of the lattice of the quartz crystal forming the quartz oscillator will occur violently, and the long-term stability will not be good. Further, when there is a discontinuity in the frequency characteristic or crystal impedance of the crystal unit, the influence thereof becomes very large when the driving voltage is high, and the frequency deviation becomes large.
【０００５】したがって、本発明の目的はこれらの従来
の欠点を解消し、消費電力を小さくするとともに優れた
短期安定性および長期安定性を有し、周波数特性や水晶
インピーダンスの不連続性に余り影響を受けず、安定し
た発振動作が行われるように構成した発振回路を提供し
ようとするものである。Therefore, an object of the present invention is to solve these conventional drawbacks, to reduce power consumption, to have excellent short-term stability and long-term stability, and to significantly affect the discontinuity of frequency characteristics and crystal impedance. It is intended to provide an oscillation circuit configured to perform stable oscillation operation without being affected by the above.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明は、増幅器と、こ
の増幅器の入出力間に接続した帰還回路中に水晶振動子
を接続した発振回路において、発振回路に印加する定常
駆動電圧を、水晶振動子が発振を開始する電圧である発
振開始電圧の近傍の電圧と、駆動電圧を低減して行った
ときに発振が停止する電圧である発振停止電圧との間の
値に設定したことを特徴とするものである。According to the present invention, in an oscillation circuit in which a crystal oscillator is connected to an amplifier and a feedback circuit connected between the input and output of the amplifier, a steady drive voltage applied to the oscillation circuit is It is set to a value between the voltage near the oscillation start voltage, which is the voltage at which the oscillator starts oscillation, and the oscillation stop voltage, which is the voltage at which oscillation stops when the drive voltage is reduced. It is what
【０００７】[0007]
【作用】図１は水晶振動子を有する発振回路の基本的動
作特性を測定するための回路構成を示すものであり、図
２はそれによって測定された動作特性を示すグラフであ
る。発振回路はＣ−ＭＯＳインバータより成る増幅器１
と、その入出力間に接続した帰還回路とを有し、帰還回
路には水晶振動子２、抵抗３、コンデンサ４，５とが設
けられている。また、発振回路に対する電源電圧は増幅
器１に与えられており、その電圧Ｅおよび電流Ｉをそれ
ぞれ電圧計６および電流計７によって測定できるように
構成する。図２は横軸に電圧計６によって測定した電源
電圧の値Ｅを示し、縦軸は電流計７によって測定した電
源電流Ｉの値を示すものである。電源電圧を徐々に増大
して行くと1.4 ボルト程度から電流が流れ始め、1.5 ボ
ルト程度となると電流は急激に増大するようになり、発
振が開始される。このときの電圧値が発振開始電圧ＥS
(1.523ボルト) である。さらに電圧を増大させて行く
と、電流はほぼそれに比例して増大するようになり、発
振は持続することが分かる。次に、電圧Ｅを徐々に減少
させていくと、電流Ｉはそれにほぼ比例して減少する
が、駆動電圧が発振開始電圧ＥS よりも低くなっても発
振は持続し、電圧を約1.1 ボルトまで低下させたときに
初めて発振が停止する。このときの電圧が発振停止電圧
ＥE (1.099ボルト) である。このように水晶振動子２を
一旦起動した後は、駆動電圧を発振開始電圧ＥS よりも
低くしても発振は持続することが分かった。この場合、
駆動電圧Ｅの変化に伴う発振周波数の変化はきわめて僅
かであり、数ppm 以内であった。FIG. 1 shows a circuit configuration for measuring the basic operating characteristics of an oscillation circuit having a crystal oscillator, and FIG. 2 is a graph showing the operating characteristics measured by the circuit configuration. The oscillator circuit is an amplifier 1 composed of a C-MOS inverter.
And a feedback circuit connected between its input and output. The feedback circuit is provided with a crystal resonator 2, a resistor 3, and capacitors 4 and 5. The power supply voltage for the oscillating circuit is given to the amplifier 1, and the voltage E and the current I thereof are measured by the voltmeter 6 and the ammeter 7, respectively. In FIG. 2, the horizontal axis shows the value E of the power supply voltage measured by the voltmeter 6, and the vertical axis shows the value of the power supply current I measured by the ammeter 7. When the power supply voltage is gradually increased, a current starts to flow from about 1.4 V, and when it reaches about 1.5 V, the current suddenly increases and oscillation is started. The voltage value at this time is the oscillation start voltage E S
(1.523 volts). It can be seen that when the voltage is further increased, the current increases almost in proportion to it, and the oscillation continues. Next, when the voltage E is gradually decreased, the current I decreases almost in proportion to it, but the oscillation continues even if the drive voltage becomes lower than the oscillation start voltage E S , and the voltage is about 1.1 V. Oscillation stops only when it is lowered to. The voltage at this time is the oscillation stop voltage E E (1.099 V). It was found that after the crystal oscillator 2 was once started in this way, the oscillation continued even if the drive voltage was made lower than the oscillation start voltage E S. in this case,
The change in the oscillation frequency due to the change in the drive voltage E was extremely small and was within several ppm.
【０００８】本発明は上述した考察に基づいて成された
ものであり、水晶振動子を有する発振回路の定常駆動電
圧を発振開始電圧ＥS の近傍の値から発振停止電圧ＥE
までの間に設定したものである。定常駆動電圧をこのよ
うな範囲内の値に設定しても温度特性や水晶振動子の結
晶特性の影響などにおいても従来よりも優れた発振回路
が得られることが確認された。また、定常駆動電圧の上
限は発振開始電圧の近傍とするが、後述するように発振
開始電圧の1.5 倍( 図２では2.28ボルト) 以下とするの
が好適であることを確かめた。このように水晶振動子を
定常的に駆動する定常駆動電圧を、発振開始電圧ＥSの
近傍の値と発振停止電圧ＥE との間の値に設定するの
で、起動後の消費電力を従来に比べて著しく小さくする
ことができる。また、定常駆動電圧を低く設定すること
によって、起動後の水晶振動子の温度の上昇は短期間の
間に収まり、短期安定性が向上することになり、電源投
入後の周波数は短時間の内に安定することになる。さら
に、定常駆動電圧が低いので、水晶振動子の水晶格子の
変位は小さなものとなり、長期安定性も改善されること
になる。また、水晶振動子の周波数特性や結晶インピー
ダンスに不連続な変化がある場合でも、駆動電圧が低い
ので、その影響はきわめて小さなものとなる。The present invention has been made based on the above consideration, and the steady drive voltage of the oscillation circuit having the crystal oscillator is changed from the value near the oscillation start voltage E S to the oscillation stop voltage E E.
It was set up to. It was confirmed that even if the steady drive voltage is set to a value within such a range, an oscillation circuit superior to the conventional one in terms of the influence of the temperature characteristics and the crystal characteristics of the crystal unit can be obtained. Also, the upper limit of the steady drive voltage is near the oscillation start voltage, but it was confirmed that it is preferable to set it to 1.5 times the oscillation start voltage (2.28 V in FIG. 2) or less as described later. As described above, since the steady driving voltage for steadily driving the crystal unit is set to a value between the value near the oscillation start voltage E S and the oscillation stop voltage E E , the power consumption after start-up is reduced to the conventional one. It can be made significantly smaller than that. In addition, by setting the steady drive voltage low, the temperature rise of the crystal unit after startup is suppressed within a short period of time, improving short-term stability, and the frequency after power-on is within a short period of time. It will be stable. Furthermore, since the steady driving voltage is low, the displacement of the crystal lattice of the crystal unit is small, and the long-term stability is also improved. Further, even when there is a discontinuous change in the frequency characteristic or crystal impedance of the crystal unit, the driving voltage is low, so the effect is extremely small.
【０００９】本発明の発振回路において、定常駆動電圧
を発振開始電圧ＥS よりも低い電圧に設定する場合に
は、電源の投入時に発振開始電圧よりも高い電圧を印加
して発振を開始させ、その後駆動電圧を発振開始電圧よ
りも低い電圧に自動的に落とすような電源回路が必要に
なるが、定常駆動電圧を発振開始電圧ＥS よりも高い値
に設定する場合にはこのように発振動作に応じて駆動電
圧を変化させるような電源回路は必要としない。In the oscillator circuit of the present invention, when the steady drive voltage is set to a voltage lower than the oscillation start voltage E S, a voltage higher than the oscillation start voltage is applied when the power is turned on to start oscillation. After that, a power supply circuit that automatically reduces the drive voltage to a voltage lower than the oscillation start voltage is required. However, when the steady drive voltage is set to a value higher than the oscillation start voltage E S , the oscillation operation is performed in this way. No power supply circuit that changes the drive voltage according to the above is required.
【００１０】[0010]
【実施例】図３は本発明による発振回路の一実施例の構
成を示す回路図である。本例においては、定常駆動電圧
を発振開始電圧よりも低い値に設定したものである。図
３において図２に示した素子と同一の素子には図２で用
いたのと同じ符号を付けて示した。直流電源１１を電源
スイッチ１２を経て第１の定電圧回路１３および第２の
定電圧回路１３に並列に接続する。第１の定電圧回路１
３は可変の定電圧回路であり、その出力端子を増幅器１
に接続する。この増幅器１に対する帰還回路には水晶振
動子２、抵抗３の並列回路を接続し、この水晶振動子の
両端はそれぞれコンデンサ４および５を経て接地する。
増幅器１はＣ−ＭＯＳインバータを以て構成し、水晶振
動子２は基本波の周波数が12.8MHz のものを用いた。ま
た、抵抗３は１ＭΩ、コンデンサ４および５はともに33
ＰＦとした。増幅器１の出力端子はそれぞれ抵抗１５お
よび１６を経て制御増幅器１７および出力増幅器１８の
入力端子に接続する。制御増幅器１７の出力端子は制御
回路１９の入力端子に接続し、この制御回路の出力端子
を第１の定電圧回路１３の制御端子に接続する。また、
出力増幅器１８の出力端子は結合コンデンサ２０を経て
発振回路の出力端子２１に接続する。第２の定電圧回路
１４の出力端子は制御増幅器１７、出力増幅器１８およ
び制御回路１９の電源端子に接続する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 3 is a circuit diagram showing the configuration of an embodiment of an oscillator circuit according to the present invention. In this example, the steady drive voltage is set to a value lower than the oscillation start voltage. 3, the same elements as those shown in FIG. 2 are designated by the same reference numerals as those used in FIG. The DC power supply 11 is connected in parallel to the first constant voltage circuit 13 and the second constant voltage circuit 13 via the power switch 12. First constant voltage circuit 1
3 is a variable constant voltage circuit, the output terminal of which is an amplifier 1
Connect to. A parallel circuit of a crystal oscillator 2 and a resistor 3 is connected to the feedback circuit for the amplifier 1, and both ends of the crystal oscillator are grounded via capacitors 4 and 5, respectively.
The amplifier 1 is composed of a C-MOS inverter, and the crystal oscillator 2 has a fundamental frequency of 12.8 MHz. Also, the resistance 3 is 1 MΩ, and the capacitors 4 and 5 are both 33
It was set to PF. The output terminal of amplifier 1 is connected to the input terminals of control amplifier 17 and output amplifier 18 via resistors 15 and 16, respectively. The output terminal of the control amplifier 17 is connected to the input terminal of the control circuit 19, and the output terminal of this control circuit is connected to the control terminal of the first constant voltage circuit 13. Also,
The output terminal of the output amplifier 18 is connected to the output terminal 21 of the oscillation circuit via the coupling capacitor 20. The output terminal of the second constant voltage circuit 14 is connected to the power supply terminals of the control amplifier 17, the output amplifier 18, and the control circuit 19.
【００１１】第１の定電圧回路１３は水晶振動子２の発
振開始電圧ＥS よりも高い起動電圧Ｅ１と、発振開始電
圧よりも低く、発振停止電圧ＥE よりも高い定常駆動電
圧Ｅ２との２種類の電圧を、制御回路１９からの信号に
応じて選択的に発生することができるように構成されて
いる。本例では、この定常駆動電圧Ｅ２の値は発振停止
電圧ＥE よりも僅かに高い値に設定してある。電源スイ
ッチ１２を閉じた直後は第１の定電圧回路１３から発振
開始電圧ＥS よりも高い起動電圧Ｅ１が増幅器１に印加
され、水晶振動子２は振動を開始するようになり、発振
信号が点Ｐに現れる。この発振信号は抵抗１５および制
御増幅器１７を介して制御回路１９に供給される。制御
回路１９はこの発振信号のレベルを検出し、これが予め
決められた基準レベルを越えたときに第１の定電圧回路
１３に制御信号を出力し、この第１定電圧回路から出力
される定電圧を発振開始電圧ＥS よりも十分低く、発振
停止電圧ＥE よりも僅かに高く設定された定常駆動電圧
Ｅ２に切り換える。上述したように、駆動電圧をこのよ
うに低い値に切り換えても水晶振動子２の発振は停止せ
ず、安定に発振を続けることができる。The first constant voltage circuit 13 has a starting voltage E1 higher than the oscillation start voltage E S of the crystal unit 2 and a steady drive voltage E2 lower than the oscillation start voltage E and higher than the oscillation stop voltage E E. Two types of voltage are configured to be selectively generated according to a signal from the control circuit 19. In this example, the value of the steady drive voltage E2 is set to a value slightly higher than the oscillation stop voltage E E. Immediately after the power switch 12 is closed, the starting voltage E1 higher than the oscillation start voltage E S is applied to the amplifier 1 from the first constant voltage circuit 13, the crystal resonator 2 starts to vibrate, and the oscillation signal becomes Appears at point P. This oscillation signal is supplied to the control circuit 19 via the resistor 15 and the control amplifier 17. The control circuit 19 detects the level of this oscillation signal, outputs a control signal to the first constant voltage circuit 13 when it exceeds a predetermined reference level, and outputs a constant signal from this first constant voltage circuit. The voltage is switched to the steady drive voltage E2 which is set sufficiently lower than the oscillation start voltage E S and slightly higher than the oscillation stop voltage E E. As described above, even if the drive voltage is switched to such a low value, the oscillation of the crystal unit 2 does not stop, and the oscillation can be continued stably.
【００１２】本実施例においては、このように水晶振動
子１の発振信号を検出し、これが基準のレベルを越える
ときに駆動電圧を低い値に切り換えるようにしている。
点Ｐに現れる発振信号は抵抗１６、出力増幅器１８およ
び結合コンデンサ２０を介して出力端子２１に供給さ
れ、ここから発振出力として他の回路に供給される。本
例のように、発振信号をモニターし、これが予め決めた
レベル以上となったときに駆動電圧を低下させるように
構成した場合、従来の発振回路に比べて制御回路などが
付加されることになるが、このような制御回路を駆動す
るための電力をも含めた場合でも従来の発振回路に比べ
て消費電力を１／３以下に低減することができる。In the present embodiment, the oscillation signal of the crystal unit 1 is detected in this way, and when the oscillation signal exceeds the reference level, the drive voltage is switched to a low value.
The oscillation signal appearing at the point P is supplied to the output terminal 21 via the resistor 16, the output amplifier 18, and the coupling capacitor 20, and is supplied from this to another circuit as an oscillation output. As in this example, when the oscillation signal is monitored and the driving voltage is reduced when the oscillation signal becomes a predetermined level or more, a control circuit and the like are added as compared with the conventional oscillation circuit. However, even when the power for driving such a control circuit is included, the power consumption can be reduced to 1/3 or less as compared with the conventional oscillation circuit.
【００１３】図４は図３に示した制御回路１９の具体的
な構成を示すものであるが、本発明の制御回路は図４に
示したものに限定されるものではなく、所定の機能を果
たすものであればどのような構成のものでも用いること
ができる。また、図５は図４に現れる電圧波形を示すも
のである。制御増幅器１７（図３参照）から出力される
発振信号（図５Ａにおいて電圧波形をＶA で示す）を微
分回路２２を経てダイオード２３に供給して整流し（整
流波形を図５ＢにおいてＶB で示す）、さらに積分回路
２４で積分し（積分波形を図５ＣのＶC で示す）、これ
を増幅器２５に印加する。増幅器２５はその入力電圧の
レベルが発振信号が定常的に生じているときのレベルの
ほぼ１／２のレベルを越える入力が与えられると出力信
号を発生するように構成されている。したがって、図５
Ｄに示すようなタイミングで出力信号ＶD を発生する。FIG. 4 shows a specific configuration of the control circuit 19 shown in FIG. 3, but the control circuit of the present invention is not limited to that shown in FIG. 4 and has a predetermined function. Any structure can be used as long as it fulfills the purpose. Further, FIG. 5 shows a voltage waveform appearing in FIG. The oscillation signal (the voltage waveform of which is shown as V A in FIG. 5A) output from the control amplifier 17 (see FIG. 3) is supplied to the diode 23 through the differentiating circuit 22 and rectified (the rectified waveform is shown as V B in FIG. 5B). (Shown) and further integrated by the integrating circuit 24 (integrated waveform is shown by V C in FIG. 5C), and this is applied to the amplifier 25. The amplifier 25 is constructed so as to generate an output signal when an input whose level exceeds its input voltage level is about 1/2 of the level when the oscillation signal is constantly generated. Therefore, FIG.
The output signal V D is generated at the timing shown in D.
【００１４】このようにして制御回路１９から発生させ
た出力信号ＶD を第１定電圧回路１３に供給する。この
第１定電圧回路１３は出力信号ＶD によって駆動される
スイッチ２６を具えている。このスイッチ２６の第１の
接点は定電圧回路２７の制御端子とツェナーダイオード
２８のカソードとの接続点Ｑに接続し、第２の接点は接
地する。またツェナーダイオード２８のアノードも接地
する。ツェナーダイオード２８はそのアノード・カソー
ド間に電圧Ｖ１を発生し、定電圧回路２７はその出力端
子と接続点Ｑとの間には電圧Ｖ２を発生するように構成
する。The output signal V D generated by the control circuit 19 in this manner is supplied to the first constant voltage circuit 13. The first constant voltage circuit 13 comprises a switch 26 driven by the output signal V D. The first contact of the switch 26 is connected to the connection point Q between the control terminal of the constant voltage circuit 27 and the cathode of the Zener diode 28, and the second contact is grounded. The anode of the Zener diode 28 is also grounded. The Zener diode 28 generates a voltage V1 between its anode and cathode, and the constant voltage circuit 27 is configured to generate a voltage V2 between its output terminal and the connection point Q.
【００１５】電源スイッチ１２（図３参照）をオンとし
た直後は増幅器２５からの出力信号ＶD のレベルは低い
ので、スイッチ２６はオフ状態となっており、ツェナー
ダイオード２８のアノード・カソード間は短絡されてい
ないので、第１定電圧回路１３の出力導線１３ａには電
圧Ｖ１とＶ２との和の電圧が発生される。この和の電圧
が図５Ｅに示すように起動電圧Ｅ１として増幅器１に印
加され、水晶振動子２は発振するようになる。水晶振動
子２が発振を開始し、制御回路１９の出力信号ＶD が立
ち上がると、スイッチ２６はオン状態に切り換わり、ツ
ェナーダイオード２８のアノード・カソード間は短絡さ
れるようになる。したがって、第１定電圧回路１３の出
力導線１３ａには電圧Ｖ２のみが現れることになる。こ
の電圧Ｖ２は図５Ｅに示すように発振停止電圧よりも僅
かに高い定常駆動電圧Ｅ２として増幅器１に印加される
ことになる。上述したように本発明においては、定常駆
動電圧Ｅ２をこのように低い値に設定しても水晶振動子
２の発振は停止せず、所定の周波数の発振出力を安定的
に発生することができる。Immediately after the power switch 12 (see FIG. 3) is turned on, the level of the output signal V D from the amplifier 25 is low, so the switch 26 is in the off state, and the Zener diode 28 has an anode-cathode portion. Since they are not short-circuited, the sum of the voltages V1 and V2 is generated on the output conductor 13a of the first constant voltage circuit 13. This sum voltage is applied to the amplifier 1 as the starting voltage E1 as shown in FIG. 5E, and the crystal oscillator 2 oscillates. When the crystal unit 2 starts oscillating and the output signal V D of the control circuit 19 rises, the switch 26 is turned on, and the anode and cathode of the Zener diode 28 are short-circuited. Therefore, only the voltage V2 appears on the output conductor 13a of the first constant voltage circuit 13. This voltage V2 is applied to the amplifier 1 as a steady drive voltage E2 slightly higher than the oscillation stop voltage as shown in FIG. 5E. As described above, in the present invention, even if the steady drive voltage E2 is set to such a low value, the oscillation of the crystal resonator 2 does not stop, and the oscillation output of the predetermined frequency can be stably generated. ..
【００１６】上述した実施例においては、起動時に発振
開始電圧よりも相当高い起動電圧Ｅ１を印加し、発振後
の定常駆動電圧Ｅ２を発振停止電圧よりも僅かに高い値
に設定しているため、発振出力を検出したときに駆動電
圧を切り換えるようにした回路構成が必要であるが、本
発明においては、図６において示すように起動電圧Ｅ１
および定常駆動電圧Ｅ２の双方を発振開始電圧ＥS より
も僅かに高い電圧に設定することもできる。この場合に
は駆動電圧を切り換える必要がなく、電源投入後一定の
値とすれば良いので上述した実施例よりも構成は簡単と
なる。ただし、駆動電圧を余り高く設定する場合には、
消費電力の削減効果が十分に得られないとともに後述す
るように周波数偏移の温度安定性が損なわれるので、発
振開始電圧ＥS の1.5 倍までとする。すなわち、本発明
においては、定常駆動電圧Ｖ２を発振開始電圧ＥS の1.
5 倍の値から発振停止電圧ＥE までの値に設定する。In the above-described embodiment, the starting voltage E1 considerably higher than the oscillation starting voltage is applied at the time of starting, and the steady drive voltage E2 after oscillation is set to a value slightly higher than the oscillation stopping voltage. It is necessary to have a circuit configuration in which the drive voltage is switched when the oscillation output is detected. However, in the present invention, the starting voltage E1 is set as shown in FIG.
It is also possible to set both the steady drive voltage E2 and the steady drive voltage E2 to a voltage slightly higher than the oscillation start voltage E S. In this case, it is not necessary to switch the drive voltage, and it suffices that the drive voltage is kept constant after the power is turned on. However, when setting the drive voltage too high,
Since the effect of reducing the power consumption is not sufficiently obtained and the temperature stability of the frequency deviation is impaired as described later, the oscillation start voltage E S is up to 1.5 times. That it is, in the present invention, 1 the constant drive voltage V2 of the oscillation start voltage E S.
Set to a value from 5 times the value to oscillation stop voltage E E.
【００１７】図７は本発明の発振回路の他の実施例の構
成を示すものであり、図２および図４に示した素子と同
一の素子には同じ符号を付けて示す。本例においては、
点Ｐに現れる発振信号をダイオード２３で整流した後、
増幅器２５で増幅し、この増幅器の出力信号で、定電圧
回路１３に設けたスイッチ２６を駆動して定電圧回路か
ら出力される駆動電圧の値を切り換えるようにした点は
上述した実施例と同様である。すなわち、電源スイッチ
１２をオンした直後はスイッチ２６をオフとして発振開
始電圧よりも十分高い起動電圧Ｅ１を発生させ、水晶振
動子２が発振を開始した後は、これを検出してスイッチ
１２をオフとして発振停止電圧よりも僅かに高い定常駆
動電圧Ｅ２を発生させるように構成する。本例において
は、点Ｐに現れる発振信号を結合コンデンサ２０を経て
ＦＥＴ３２、出力変成器３３などを有する出力増幅器３
４に供給して発振出力を得るようにする。FIG. 7 shows the configuration of another embodiment of the oscillator circuit according to the present invention. The same elements as those shown in FIGS. 2 and 4 are designated by the same reference numerals. In this example,
After rectifying the oscillation signal appearing at the point P with the diode 23,
As in the above-described embodiment, the amplifier 25 amplifies the signal, and the output signal of the amplifier 25 drives the switch 26 provided in the constant voltage circuit 13 to switch the value of the drive voltage output from the constant voltage circuit. Is. That is, immediately after the power switch 12 is turned on, the switch 26 is turned off to generate the starting voltage E1 which is sufficiently higher than the oscillation start voltage, and after the crystal oscillator 2 starts to oscillate, this is detected and the switch 12 is turned off. In order to generate a steady drive voltage E2 slightly higher than the oscillation stop voltage. In this example, the oscillation signal appearing at the point P passes through the coupling capacitor 20 and the output amplifier 3 having the FET 32, the output transformer 33, and the like.
4 to obtain an oscillation output.
【００１８】図８は図７に示した実施例において、それ
ぞれ電圧計３５および電流計３６によって測定した駆動
電圧および駆動電流と、出力増幅器３４の出力電圧の温
度特性を示すものであり、温度は−50℃から100 ℃まで
変化させた。このように温度を広範囲に亘って変化させ
た場合でも本発明による発振回路は安定に作用すること
を確かめた。また、発振の立ち上がりも全ての温度にお
いて良好であった。例えば、−50℃において、駆動電圧
を遮断して一旦発振を停止させた後、再び電源スイッチ
を投入したところ安定に始動した。FIG. 8 shows the temperature characteristics of the driving voltage and the driving current measured by the voltmeter 35 and the ammeter 36 and the output voltage of the output amplifier 34 in the embodiment shown in FIG. 7, respectively. The temperature was changed from -50 ℃ to 100 ℃. Thus, it was confirmed that the oscillator circuit according to the present invention operates stably even when the temperature is changed over a wide range. Also, the rise of oscillation was good at all temperatures. For example, at −50 ° C., the drive voltage was cut off to temporarily stop the oscillation, and then the power switch was turned on again to start stable operation.
【００１９】図９〜図１５は周波数安定性の温度特性を
示すものであり、温度を０℃〜60℃の範囲で変化させた
ときの周波数偏移( Δf/f)を縦軸にとって示すものであ
り、定常駆動電圧を1.1V, 1.3V, 1.4V, 1.6V, 2.0V, 3.
0V, 5.0Vと変化させたものである。また、この実験に使
用した発振回路における発振開始電圧は1.52V であっ
た。本発明では定常駆動電圧をこの発振開始電圧の1.5
倍の値から発振停止電圧よりも僅かに高い値までの範囲
内に設定するものであるが、定常駆動電圧がこの範囲内
にあるとき、すなわち1.1V〜2.0Vの範囲内では周波数偏
移は±２ＰＰＭの範囲内にあるが、2.0Vを越える駆動電
圧を印加する場合には周波数偏移は±２ＰＰＭの範囲を
大きく越えるようになった。このように本発明によれ
ば、定常駆動電圧を従来の駆動電圧よりも低くすること
によって単に消費電流を低減することができるだけでな
く、周波数特性も改善することができることが確認でき
た。FIGS. 9 to 15 show the temperature characteristics of frequency stability, showing the frequency shift (Δf / f) when the temperature is changed in the range of 0 ° C. to 60 ° C. on the vertical axis. And the steady drive voltage is 1.1V, 1.3V, 1.4V, 1.6V, 2.0V, 3.
It was changed to 0V and 5.0V. The oscillation starting voltage in the oscillator circuit used in this experiment was 1.52V. In the present invention, the steady drive voltage is set to 1.5 times the oscillation start voltage.
It is set within the range from the double value to a value slightly higher than the oscillation stop voltage, but when the steady drive voltage is within this range, that is, within 1.1V to 2.0V, the frequency deviation is Although within the range of ± 2PPM, when a drive voltage exceeding 2.0V is applied, the frequency deviation greatly exceeds the range of ± 2PPM. As described above, according to the present invention, it was confirmed that not only the consumption current can be reduced but also the frequency characteristic can be improved by lowering the steady drive voltage than the conventional drive voltage.
【００２０】図１６は水晶振動子を有する発振回路にお
ける発振開始電圧、発振開始時の駆動電流、発振停止電
圧、発振停止直前の駆動電流の温度依存性を示すもの
で、温度を−30℃〜70℃の範囲で変化させたものであ
る。発振開始電圧および発振開始電流は温度の変化に対
して大きく変化するが、発振停止電圧および発振停止直
前の電流は温度の変化に対する変化が小さいことが確か
められた。本発明においては、定常駆動電圧を発振開始
電圧よりも低い値に設定するものであるから、温度変化
に対しても安定に動作をすることが分かる。FIG. 16 shows the temperature dependence of the oscillation start voltage, the drive current at the start of oscillation, the oscillation stop voltage, and the drive current immediately before the oscillation stop in an oscillation circuit having a crystal oscillator. It was changed in the range of 70 ° C. It was confirmed that the oscillation start voltage and the oscillation start current change greatly with the temperature change, but the oscillation stop voltage and the current just before the oscillation stop change little with the temperature change. In the present invention, since the steady drive voltage is set to a value lower than the oscillation start voltage, it can be seen that the operation is stable with respect to temperature changes.
【００２１】図１７は水晶振動子として本願人の出願に
かかる米国特許第4,716,332 号明細書に記載されている
ようなオーバートーンで動作するものを使用した本発明
による発振回路の他の実施例における駆動電圧−駆動電
流特性を示すグラフである。駆動電圧を徐々に上げて行
き、発振開始電圧ＥS よりも高くなると水晶振動子は先
ず基本波で発振し始め、さらに駆動電圧を上げて行き、
オーバートーン発振開始電圧ＥT を越えるとオーバート
ーンで発振を開始するようになる。その後、駆動電圧を
低下させて行くと、発振停止電圧ＥE までオーバートー
ンで安定に発振を持続する。したがって、このような水
晶振動子を使用する場合には、起動電圧として電源スイ
ッチ投入後、オーバートーン発振開始電圧ＥT よりも高
い起動電圧Ｅ１を印加し、オーバートーンでの発振後、
定常駆動電圧Ｅ２としてＥT の1.5 倍の値から発振停止
電圧ＥE よりも僅かに高い値までの範囲内の電圧を印加
するように構成すれば良いことが分かる。この場合、定
常駆動電圧Ｅ２を発振停止電圧ＥE よりも僅かに高い値
に設定すると、従来の発振回路に比べて消費電力は著し
く小さくなり、本発明の効果がきわめて大きいものとな
る。FIG. 17 shows another embodiment of the oscillator circuit according to the present invention, which uses a crystal oscillator which operates with overtone as described in US Pat. No. 4,716,332 of the present applicant. It is a graph which shows a drive voltage-drive current characteristic. When the drive voltage is gradually increased and becomes higher than the oscillation start voltage E S , the crystal unit first starts to oscillate with the fundamental wave, and the drive voltage is further increased,
When the overtone oscillation start voltage E T is exceeded, oscillation starts with overtone. After that, when the driving voltage is lowered, the oscillation is stably continued with an overtone up to the oscillation stop voltage E E. Therefore, when using such a crystal unit, after the power switch is turned on as the starting voltage, the starting voltage E1 higher than the overtone oscillation starting voltage E T is applied, and after the oscillation in the overtone,
It can be seen that the steady drive voltage E2 may be configured to be applied with a voltage within a range from a value 1.5 times E T to a value slightly higher than the oscillation stop voltage E E. In this case, if the steady drive voltage E2 is set to a value slightly higher than the oscillation stop voltage E E, the power consumption becomes significantly smaller than that of the conventional oscillation circuit, and the effect of the present invention becomes extremely large.
【００２２】本発明は上述した実施例に限定されるもの
ではなく、幾多の変更や変形を加えることができる。例
えば、上述した実施例においては、起動電圧を発振開始
電圧よりも十分高くし、定常駆動電圧を発振停止電圧よ
りも僅かに高い値に設定するか、起動電圧および定常駆
動電圧の双方を発振開始電圧よりも高く、その1.5 倍の
値よりも低い値に設定するようにしたが、起動電圧を発
振開始電圧よりも僅かに高い値に設定し、定常駆動電圧
を発振停止電圧よりも僅かに高い値に設定したり、起動
電圧を発振開始電圧よりも十分高い値に設定し、定常駆
動電圧を発振開始電圧よりも僅かに低い値に設定しても
良い。また、起動電圧を発振開始電圧よりも十分高い値
に設定し、定常駆動電圧を発振停止電圧よりも僅かに高
い値に設定する場合において、上述した実施例において
は発振信号のレベルを検出し、これが或る基準のレベル
以上となったときに駆動電圧を低下させるようにした
が、起動電圧印加後、発振信号のレベルを検知すること
なく所定の時間が経過した後に駆動電圧を低下させるよ
うな回路構成を採用することもできる。The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, but various changes and modifications can be added. For example, in the above-described embodiment, the starting voltage is set sufficiently higher than the oscillation starting voltage and the steady driving voltage is set to a value slightly higher than the oscillation stopping voltage, or both the starting voltage and the steady driving voltage are started. It was set to a value higher than the voltage and lower than 1.5 times the value, but the starting voltage was set to a value slightly higher than the oscillation start voltage, and the steady drive voltage was slightly higher than the oscillation stop voltage. Alternatively, the starting voltage may be set to a value sufficiently higher than the oscillation start voltage, and the steady drive voltage may be set to a value slightly lower than the oscillation start voltage. Further, when the starting voltage is set to a value sufficiently higher than the oscillation start voltage, and the steady drive voltage is set to a value slightly higher than the oscillation stop voltage, the level of the oscillation signal is detected in the above-mentioned embodiment, Although the driving voltage is lowered when this exceeds a certain reference level, the driving voltage is lowered after a predetermined time has passed without detecting the level of the oscillation signal after applying the starting voltage. A circuit configuration can also be adopted.
【００２３】[0023]
【発明の効果】上述したように本発明による発振回路に
おいては、起動電圧以上の電圧を印加して水晶振動子を
発振させた後に駆動電圧を起動電圧よりも低い値に低下
させたり、発振開始電圧よりも僅かに高い値の電圧を印
加して水晶振動子を発振させるようにしたので、従来の
発振回路に比べて消費電力を小さくすることができ、例
えば携帯用機器に適用した場合には電池の消耗を少なく
することができる。また、定常駆動時の電圧を従来に比
べて著しく低くすることができるので、水晶振動子の過
駆動は起こらず、水晶振動子の温度の上昇時間は抑えら
れ短時間の間に発振周波数は安定することになる。ま
た、駆動電圧を低くすることによって水晶振動子内部の
水晶格子の運動や変位も小さくなり、長期安定性も改善
される利点もある。さらに、水晶振動子の周波数特性や
結晶インピーダンスに不連続な部分があっても、駆動電
圧が低いのでその変化が小さくなる効果もある。As described above, in the oscillator circuit according to the present invention, the drive voltage is lowered to a value lower than the starting voltage after the crystal oscillator is oscillated by applying a voltage equal to or higher than the starting voltage, or the oscillation is started. Since a crystal oscillator is oscillated by applying a voltage slightly higher than the voltage, it is possible to reduce power consumption as compared with a conventional oscillator circuit. For example, when applied to a portable device, Battery consumption can be reduced. In addition, since the voltage during steady drive can be made significantly lower than before, overdrive of the crystal unit does not occur, the rise time of the temperature of the crystal unit is suppressed, and the oscillation frequency is stable in a short time. Will be done. Further, by lowering the driving voltage, the movement and displacement of the crystal lattice inside the crystal resonator are reduced, and there is an advantage that long-term stability is also improved. Furthermore, even if there is a discontinuity in the frequency characteristics or crystal impedance of the crystal unit, the change is small because the drive voltage is low.
【図１】図１は、水晶振動子を有する発振回路の基本的
構成を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a basic configuration of an oscillation circuit having a crystal oscillator.
【図２】図２は、同じくその駆動電圧と駆動電流との関
係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing a relationship between the driving voltage and the driving current, similarly.
【図３】図３は、本発明による発振回路の一実施例の構
成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of an oscillator circuit according to the present invention.
【図４】図４は、同じくその制御回路および第１定電圧
回路の詳細な構成を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the control circuit and the first constant voltage circuit of the same.
【図５】図５Ａ〜Ｅは、同じくその動作を説明するため
の信号波形図である。5A to 5E are signal waveform diagrams for similarly explaining the operation.
【図６】図６は、本発明による発振回路の他の実施例に
おける駆動電圧範囲を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a drive voltage range in another embodiment of the oscillator circuit according to the present invention.
【図７】図７は、同じくその構成を示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing the same structure.
【図８】図８は、同じくその駆動電圧、駆動電流および
発振出力の温度特性を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing temperature characteristics of the drive voltage, drive current, and oscillation output of the same.
【図９】図９は、駆動電圧を1.1Vとしたときの周波数偏
移の温度特性を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing a temperature characteristic of frequency deviation when a driving voltage is 1.1V.
【図１０】図１０は、駆動電圧を1.3Vとしたときの周波
数偏移の温度特性を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing a temperature characteristic of frequency deviation when a driving voltage is 1.3V.
【図１１】図１１は、駆動電圧を1.4Vとしたときの周波
数偏移の温度特性を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing a temperature characteristic of frequency deviation when a driving voltage is 1.4V.
【図１２】図１２は、駆動電圧を1.6Vとしたときの周波
数偏移の温度特性を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing a temperature characteristic of frequency deviation when a driving voltage is set to 1.6V.
【図１３】図１３は、駆動電圧を2.0Vとしたときの周波
数偏移の温度特性を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing a temperature characteristic of frequency deviation when a driving voltage is 2.0V.
【図１４】図１４は、駆動電圧を3.0Vとしたときの周波
数偏移の温度特性を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing a temperature characteristic of frequency deviation when a driving voltage is 3.0V.
【図１５】図１５は、駆動電圧を5.0Vとしたときの周波
数偏移の温度特性を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing a temperature characteristic of frequency deviation when a driving voltage is 5.0V.
【図１６】図１６は、発振開始電圧、発振開始電流、発
振停止電圧および発振停止直前の駆動電流の温度特性を
示すグラフである。FIG. 16 is a graph showing temperature characteristics of an oscillation start voltage, an oscillation start current, an oscillation stop voltage, and a drive current immediately before the oscillation stop.
【図１７】図１７は、本発明による発振回路のさらに他
の実施例における駆動特性を示すグラフである。FIG. 17 is a graph showing drive characteristics in still another embodiment of the oscillator circuit according to the present invention.
１ 増幅器 ２ 水晶振動子 １１ 直流電源 １２ 電源スイッチ １３ 第１定電圧回路 １４ 第２定電圧回路 １９ 制御回路 ２３ ダイオード ２５ 増幅器 ２６ スイッチ ２７ 電源回路 ２８ ツェナーダイオード ３４ 出力回路 1 Amplifier 2 Crystal Oscillator 11 DC Power Supply 12 Power Switch 13 First Constant Voltage Circuit 14 Second Constant Voltage Circuit 19 Control Circuit 23 Diode 25 Amplifier 26 Switch 27 Power Supply Circuit 28 Zener Diode 34 Output Circuit
Claims (4)
した帰還回路中に水晶振動子を接続した発振回路におい
て、発振回路に印加する定常駆動電圧を、水晶振動子が
発振を開始する電圧である発振開始電圧の近傍の電圧
と、駆動電圧を低減して行ったときに発振が停止する電
圧である発振停止電圧との間の値に設定したことを特徴
とする水晶振動子を有する発振回路。1. In an oscillation circuit in which a crystal oscillator is connected to an amplifier and a feedback circuit connected between the input and output of the amplifier, a steady drive voltage applied to the oscillation circuit is a voltage at which the crystal oscillator starts oscillation. The oscillation having a crystal resonator is set to a value between a voltage in the vicinity of the oscillation start voltage and an oscillation stop voltage, which is the voltage at which the oscillation stops when the drive voltage is reduced. circuit.
1.5 倍の電圧と、発振停止電圧との間の値に設定したこ
とを特徴とする請求項１記載の水晶振動子を有する発振
回路。2. The steady drive voltage is set to about the oscillation start voltage.
The oscillation circuit having a crystal resonator according to claim 1, wherein the oscillation circuit is set to a value between 1.5 times the voltage and an oscillation stop voltage.
発振停止電圧との間の値に設定し、起動時に発振開始電
圧よりも高い駆動電圧を印加し、起動後に発振開始電圧
よりも低い定常駆動電圧を発生するよう構成したことを
特徴とする請求項２記載の水晶振動子を有する発振回
路。3. The steady drive voltage is an oscillation start voltage,
It is set to a value between the oscillation stop voltage, a drive voltage higher than the oscillation start voltage is applied at the time of startup, and a steady drive voltage lower than the oscillation start voltage is generated after startup. An oscillation circuit having the crystal oscillator according to 2.
も僅かに高い値に設定したことを特徴とする請求項３記
載の水晶振動子を有する発振回路。4. The oscillator circuit having a crystal resonator according to claim 3, wherein the steady drive voltage is set to a value slightly higher than an oscillation stop voltage.
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|---|---|---|---|
| JP4017932A JP2608221B2 (en) | 1992-02-03 | 1992-02-03 | Driving method of oscillation circuit having crystal oscillator |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05218740A true JPH05218740A (en) | 1993-08-27 |
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| JP (1) | JP2608221B2 (en) |
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