JPH1197932A

JPH1197932A - 水晶発振器

Info

Publication number: JPH1197932A
Application number: JP25225597A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Miyama; 博行深山; Yasuhiro Sakurai; 保宏桜井
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】水晶発振回路を有する水晶発振器では、電源
電圧の変動に対する発振周波数の変動が発生する。これ
を回避するために、レギュレーターを使用すると回路規
模の増大、電源利用効率の低下、位相雑音の増加を招
く。【解決手段】水晶発振器を水晶振動子１７と、インバ
ーター１９で構成する水晶発振回路２１と、電源１１
と、周波数変動補償回路１５とで構成し、周波数変動補
償回路１５の有する容量分あるいはリアクタンス分を電
源電圧の変動分で変化させ、この変化分を水晶発振回路
２１へ伝達して、水晶発振回路２１の発振周波数を変化
させ、この周波数変化分で、電源電圧変動による水晶発
振回路２１の発振周波数の変動を相殺した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水晶発振器の構成
に関し、とくに電源電圧変動に対する発振周波数の安定
性を改善した水晶発振器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水晶振動子を用いた水晶発振器は、他の
発振器に比べて周波数安定度は、優れているが、無線通
信装置の基準周波数発振器として使用する場合、温度に
よる発振周波数の変動と並んで、電源電圧の変動による
発振周波数の変動は、改善する必要のある重要な項目と
なっている。この電源電圧の変動による発振周波数の変
動は、ＣＭＯＳを使用した半導体集積回路で発振回路を
構成する場合、半導体集積回路内に存在するＰＮ接合の
接合容量と、ＭＯＳトランジスタのゲート入力容量が電
圧によって変化することが主原因となって発生する。

【０００３】このような、電源電圧の変動による発振周
波数の変動を改善するには、電源と発振回路の間にレギ
ュレーターを挿入して、電源の電圧変動を吸収すること
が一般的な手段である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レギュ
レーターの挿入は、回路規模の増大を招き、レギュレー
ターが、入力電圧と出力電圧の間の電圧差を０．３Ｖ以
上必要とするために、この電圧分だけ電源電圧の利用効
率を低下させ、さらに、無線通信装置の基準周波数発振
器にとって有害な位相雑音の増加を誘発するという課題
がある。

【０００５】［発明の目的］本発明の目的は、上記の問
題点を解決して、回路規模を増大させず、電源電圧の利
用効率を低下させることなく、位相雑音の増加を誘発す
ることなく、電源電圧変動による発振周波数の変動を改
善することのできる水晶発振器を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の水晶発振器は、水晶振動子と、半導体基板
上に設けられたインバーターとで構成する水晶発振回路
と、電源と、周波数変動補償回路とで構成し、電源は直
接に発振回路のインバーターへ電源を供給し、電源の電
圧変動によって発生する発振周波数の変動を、周波数変
動補償回路により、補償することをことを特徴とする。

【０００７】［作用］半導体集積回路内に存在するＰＮ
接合は、動作状態では電源電圧により逆バイアスされ、
空乏層が形成されている。電源電圧が上昇すると、逆バ
イアスされているＰＮ接合の空乏層が拡大して、ＰＮ接
合の接合容量が減少する。一方ＭＯＳトランジスタのゲ
ート入力容量は電源電圧に比例して増大する。前者の変
化が優勢な場合は電源電圧が上昇すると発振周波数は高
くなるが、後者の変化が優勢な場合は、電源電圧が上昇
すると発振周波数は低くなる。前者と後者の優劣関係は
半導体集積回路内の種々のデバイスのサイズと電源電圧
の値により決まるので、電源の電圧変動によって発生す
る発振周波数の変動の様子は、これ等の状況により変化
する。

【０００８】半導体基板と導電性電極により絶縁膜を挟
んだ構造の容量素子であるＭＯＳキャパシタ、または容
量素子と電圧制御可能な可変抵抗素子を直列に接続して
構成した回路は、電圧制御可能なリアクタンスとして作
用する。この電圧制御可能なリアクタンスで構成する周
波数変動補償回路は、発振回路に接続して制御電圧によ
り発振周波数を制御することができる。周波数変動補償
回路の制御電圧を電源電圧として、前述の発振周波数の
変動を相殺するようにすれば、電源電圧の変動による発
振周波数の変動を削減することができる。

【０００９】半導体基板と導電性電極で絶縁膜を挟んだ
可変容量素子は、その構成要素である半導体基板をＮ型
の半導体基板で構成した場合は、導電性電極に印加され
る電圧が増加すると、その容量値が増加し、Ｐ型の半導
体基板で構成した場合は、これの逆となり、その容量値
が減少する。

【００１０】容量素子と抵抗を直列に接続したリアクタ
ンスの場合は、接続されている抵抗の抵抗値が減少する
とリアクタンスは増加し、抵抗値が増加するとリアクタ
ンスは減少する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の水晶発振器を実施す
るための最適な実施形態について図面を用いて説明す
る。はじめに本発明の第１の実施形態における水晶発振
器を説明する。

【００１２】［第１の実施形態］図１は本発明の第１の
実施形態における水晶発振器のブロック回路図である。
図１に示すように、本発明の水晶発振器においては、水
晶発振回路２１と、電源１１と、周波数変動補償回路１
５とで構成する。水晶発振回路２１は、水晶振動子１７
と、インバーター１９と、インバーター１９の帰還抵抗
１８と、容量素子２３で構成する。

【００１３】図６は、インバーターの構成を示す回路図
であり、図１と同一の構成要素には同一の符号を付けて
いる。つぎに図１に示すインバーター１９の構成を説明
する。図１に示すインバーター１９は、図６に示すよう
に、同一半導体基板上に設けられたＰチャネルＭＯＳト
ランジスタ６１とＮチャネルＭＯＳトランジスタ６３と
のＣＭＯＳ接続で構成する。

【００１４】電源１１は、電源出力１３を介して、水晶
発振回路２１のインバーター１９の電源入力１２に接続
している。電源１１は、電源出力１３を介して、周波数
変動補償回路１５の制御電圧入力２６に接続している。
周波数変動補償回路１５のリアクタンス出力２５は、水
晶発振回路２１の容量素子２３に接続している。

【００１５】図２は、周波数変動補償回路の回路構成を
示す回路図であり、図１と同一の構成要素には同一の符
号を付けている。つぎに図１に示す周波数変動補償回路
１５の構成を説明する。図１に示す周波数変動補償回路
１５は、図２に示すように、抵抗３３と可変容量素子３
１で構成する。

【００１６】制御電圧入力２６は、抵抗３３を介して可
変容量素子３１に接続している。リアクタンス出力２５
は可変容量素子３１に接続している。

【００１７】図７は、可変容量素子の構造を示す構造図
である。つぎに図２に示す可変容量素子３１の構成を説
明する。図２に示す可変容量素子３１は図７に示すよう
に、Ｐ型の半導体基板７１と、導電性電極７５と、絶縁
膜７３で構成する。

【００１８】導電性電極７５は、多結晶シリコン膜、あ
るいは高融点金属膜等で構成し、絶縁膜７３は、半導体
基板７１を酸化して得られる二酸化シリコン膜で構成す
る。半導体基板７１と導電性電極７５が絶縁膜７３を挟
んでいる。

【００１９】つぎに図１および図２を用いて本発明の第
１の実施形態における水晶発振器の動作について説明す
る。電源１１は、電源出力１３を介して、周波数変動補
償回路１５の制御電圧入力２６と水晶発振回路２１のイ
ンバーター１９の電源入力１２へ電源電圧を出力する。

【００２０】水晶発振回路２１において、電源１１の出
力する電源電圧が上昇し、インバーター１９の電源入力
１２へ入力される電圧が上昇すると、インバーター１９
を構成するＭＯＳトランジスタのゲート入力容量が増加
する。一方、インバーター１９を構成するＭＯＳトラン
ジスタのＰＮ接合の接合容量は減少する。ＭＯＳトラン
ジスタのゲート入力容量の増加が、ＭＯＳトランジスタ
のＰＮ接合の接合容量の減少に比べて優勢な場合は、電
源電圧の上昇に伴い水晶発振回路２１の発振周波数が減
少する。

【００２１】周波数変動補償回路１５において、制御電
圧入力２６は、電源出力１３から入力された電源電圧を
可変容量素子３１へ印加する。

【００２２】Ｐ型の半導体基板で構成する可変容量素子
３１は、電源１１の出力する電源電圧の上昇により、制
御電圧入力２６から可変容量素子３１へ出力される電圧
が上昇して、可変容量素子３１の容量が減少し、その容
量減少はリアクタンス出力端子２５を通して水晶発振回
路２１へ伝達され、容量素子２３の等価容量を減少さ
せ、水晶発振回路２１の発振周波数を増加させる。この
発振周波数の増加分と、前述の電源電圧上昇による水晶
発振回路２１の発振周波数の減少分が、ほぼ等しくなる
ように、可変容量素子３１の容量値を調整して、電源電
圧変動による発振周波数の変動を相殺し補償する。

【００２３】［第２の実施形態］図面を用いて本発明の
第２の実施形態における水晶発振器を説明する。水晶発
振器の構成は第１の実施形態の説明で用いた図１に示す
ものと同一なので、説明は省略する。インバーターの構
成は、第１の実施形態の説明で用いた図６に示すものと
同一なので、説明は省略する。周波数変動補償回路の構
成は、第１の実施形態の説明で用いた図２に示すものと
同一なので、説明は省略する。可変容量素子の構造は、
Ｎ型の半導体基板７１で構成する点のみが異なるが、第
１の実施形態の説明で用いた図７に示すものと同一なの
で、説明は省略する。

【００２４】つぎに図１および図２を用いて本発明の第
２の実施形態における水晶発振器の動作について説明す
る。電源１１は、電源出力１３を介して、周波数変動補
償回路１５の制御電圧入力２６と水晶発振回路２１のイ
ンバーター１９の電源入力１２へ電源電圧を出力する。

【００２５】水晶発振回路２１において、電源１１の出
力する電源電圧が上昇し、インバーター１９の電源入力
１２へ入力される電圧が上昇すると、インバーター１９
を構成するＭＯＳトランジスタのゲート入力容量が増加
する。一方、インバーター１９を構成するＭＯＳトラン
ジスタのＰＮ接合の接合容量は減少する。

【００２６】ＭＯＳトランジスタのＰＮ接合の接合容量
の減少が、ＭＯＳトランジスタのゲート入力容量の増加
に比べて優勢な場合は、電源電圧の上昇に伴い水晶発振
回路２１の発振周波数が増加する。Ｎ型の半導体基板で
構成する可変容量素子３１は、電源１１の出力する電源
電圧の上昇により、制御電圧入力２６から可変容量素子
３１へ出力される電圧が上昇して、可変容量素子３１の
容量が増加し、その容量増加はリアクタンス出力端子２
５を通して水晶発振回路２１へ伝達され、容量素子２３
の等価容量を増加させ、発振周波数を減少させる。

【００２７】この発振周波数の減少分と、前述の電源電
圧上昇による水晶発振回路２１の発振周波数の増加分
が、ほぼ等しくなるように可変容量素子３１の容量値を
調整して、電源電圧変動による発振周波数の変動を相殺
し補償する。

【００２８】［第３の実施形態］図面を用いて本発明の
第３の実施形態における水晶発振器を説明する。水晶発
振器の構成は第１の実施形態の説明で用いた図１に示す
ものと同一なので、説明は省略する。インバーターの構
成は、第１の実施形態の説明で用いた図６に示すものと
同一なので、説明は省略する。図３は、周波数変動補償
回路の回路構成を示す回路図であり、図１と同一の構成
要素には同一の符号を付けている。つぎに図１に示す周
波数変動補償回路１５の構成を説明する。

【００２９】図１に示す周波数変動補償回路１５は、図
３に示すように、抵抗３９、４１とＮチャネルＭＯＳト
ランジスタ４３と電圧制御可能な可変抵抗素子としての
ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３７と容量素子３５で構
成する。

【００３０】制御電圧入力２６は、抵抗３９と抵抗４１
とによって抵抗分割されて、ＮチャネルＭＯＳトランジ
スタ４３のゲート４５に接続している。制御電圧入力２
６は、抵抗４０を介してＮチャネルＭＯＳトランジスタ
４３のドレイン３８およびＮチャネルＭＯＳトランジス
タ３７のゲート４７に接続している。リアクタンス出力
２５は、容量素子３５に接続し、容量素子３５はＮチャ
ネルＭＯＳトランジスタ３７のドレイン３６に接続して
いる。

【００３１】つぎに図１および図３を用いて本発明の第
３の実施形態における水晶発振器の動作について説明す
る。電源１１は、電源出力１３を介して、周波数変動補
償回路１５の制御電圧入力２６と水晶発振回路２１のイ
ンバーター１９の電源入力１２へ電源電圧を出力する。

【００３２】水晶発振回路２１において、電源１１の出
力する電源電圧が上昇し、インバーター１９の電源入力
１２へ入力される電圧が上昇すると、インバーター１９
を構成するＭＯＳトランジスタのゲート入力容量が増加
する。一方、インバーター１９を構成するＭＯＳトラン
ジスタのＰＮ接合の接合容量は減少する。ＭＯＳトラン
ジスタのゲート入力容量の増加が、ＭＯＳトランジスタ
のＰＮ接合の接合容量の減少に比べて優勢な場合は、電
源電圧の上昇に伴い、水晶発振回路２１の発振周波数が
減少する。

【００３３】周波数変動補償回路１５において、制御電
圧入力２６は、電源出力１３から入力された電源電圧を
抵抗３９と抵抗４１で抵抗分割して、ＮチャネルＭＯＳ
トランジスタ４３のゲート４５へ印加する。電源１１の
出力する電源電圧の上昇により、制御電圧入力２６から
抵抗３９と抵抗４１で抵抗分割して、ＮチャネルＭＯＳ
トランジスタ４３のゲート４５へ印加する電圧は上昇す
る。

【００３４】ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４３は、ゲ
ート４５の電圧が上昇すると、ＮチャネルＭＯＳトラン
ジスタ４３のドレイン３８とソース３４の間の抵抗が減
少して、抵抗４０を流れる電流が増加し、ＮチャネルＭ
ＯＳトランジスタ３７のゲート４７の電圧は低下する。

【００３５】ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３７のゲー
ト４７の電圧が低下すると、ＮチャネルＭＯＳトランジ
スタ３７のドレイン３６とソース４２の間の抵抗が増加
し、量素子３５の等価リアクタンスが減少し、その等価
リアクタンス減少は、リアクタンス出力端子２５を通し
て水晶発振回路２１へ伝達され、水晶発振回路２１の等
価リアクタンスを減少させ、発振周波数を増加させる。

【００３６】この発振周波数の増加分と、前述の電源電
圧上昇による水晶発振回路２１の発振周波数の減少分
が、ほぼ等しくなるように容量素子３５の容量値を調整
して、電源電圧変動による発振周波数の変動を相殺し補
償する。

【００３７】［第４の実施形態］図面を用いて本発明の
第４の実施形態における水晶発振器を説明する。水晶発
振器の構成は第１の実施形態の説明で用いた図１に示す
ものと同一なので、説明は省略する。インバーターの構
成は、第１の実施形態の説明で用いた図６に示すものと
同一なので、説明は省略する。図４は、周波数変動補償
回路の回路構成を示す回路図であり、図１と同一の構成
要素には同一の符号を付けている。つぎに図１に示す周
波数変動補償回路１５の構成を説明する。

【００３８】図１に示す周波数変動補償回路１５は、図
４に示すように、抵抗３９、４１と電圧制御可能な可変
抵抗素子としてのＮチャネルＭＯＳトランジスタ３７と
容量素子３５で構成する。

【００３９】制御電圧入力２６は、抵抗３９と抵抗４１
とによって抵抗分割されて、ＮチャネルＭＯＳトランジ
スタ３７のゲート４７に接続している。リアクタンス出
力２５は、容量素子３５に接続し、容量素子３５はＮチ
ャネルＭＯＳトランジスタ３７のドレイン３６に接続し
ている。

【００４０】つぎに図１および図４を用いて本発明の第
４の実施形態における水晶発振器の動作について説明す
る。電源１１は、電源出力１３を介して、周波数変動補
償回路１５の制御電圧入力２６と水晶発振回路２１のイ
ンバーター１９の電源入力１２へ電源電圧を出力する。

【００４１】水晶発振回路２１において、電源１１の出
力する電源電圧が上昇し、インバーター１９の電源入力
１２へ入力される電圧が上昇すると、インバーター１９
を構成するＭＯＳトランジスタのゲート入力容量が増加
する。一方、インバーター１９を構成するＭＯＳトラン
ジスタのＰＮ接合の接合容量は減少する。

【００４２】ＭＯＳトランジスタのＰＮ接合の接合容量
の減少が、ＭＯＳトランジスタのゲート入力容量の増加
に比べて優勢な場合は、電源電圧の上昇に伴い、水晶発
振回路２１の発振周波数が増加する。周波数変動補償回
路１５において、制御電圧入力２６は、電源出力１３か
ら入力された電源電圧を抵抗３９と抵抗４１で抵抗分割
して、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３７のゲート４７
へ印加する。

【００４３】電源１１の出力する電源電圧の上昇によ
り、制御電圧入力２６から抵抗３９と抵抗４１で抵抗分
割して、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３７のゲート４
７へ印加する電圧は上昇する。

【００４４】ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３７は、ゲ
ート４７の電圧が上昇すると、ＮチャネルＭＯＳトラン
ジスタ３７のドレイン３６とソース４２の間の抵抗が減
少して、容量素子３５の等価リアクタンスが増加し、そ
の等価リアクタンス増加は、リアクタンス出力端子２５
を通して水晶発振回路２１へ伝達され、水晶発振回路２
１の等価リアクタンスを増加させ、発振周波数を減少さ
せる。この発振周波数の減少分と、前述の電源電圧上昇
による水晶発振回路２１の発振周波数の増加分が、ほぼ
等しくなるように容量素子３５の容量値を調整して、電
源電圧変動による発振周波数の変動を相殺し補償する。

【００４５】［第５の実施形態］つぎに図面を用いて本
発明の第５の実施形態における水晶発振器を説明する。
水晶発振器の構成は、第１の実施形態の説明で用いた図
１に示すものと同一なので、説明は省略する。インバー
ターの構成は、第１の実施形態の説明で用いた図６に示
すものと同一なので、説明は省略する。

【００４６】図５は、周波数変動補償回路の回路構成を
示す回路図であり、図１と同一の構成要素には同一の符
号を付けている。つぎに図１に示す周波数変動補償回路
１５の構成を説明する。図１に示す周波数変動補償回路
１５は、図５に示すように、抵抗３９、４１とＮチャネ
ルＭＯＳトランジスタ４３と電圧制御可能な可変抵抗素
子としてのＮチャネルＭＯＳトランジスタ３７と容量素
子３５と選択スイッチ素子４５で構成する。

【００４７】制御電圧入力２６は、抵抗３９と抵抗４１
とによって抵抗分割されて、ＮチャネルＭＯＳトランジ
スタ４３のゲート４５と選択スイッチ素子４５の端子４
８に接続している。制御電圧入力２６は、抵抗４０を介
してＮチャネルＭＯＳトランジスタ４３のドレイン３８
と選択スイッチ素子４５の端子４６に接続している。

【００４８】選択スイッチ素子４５の端子４９は、ＭＯ
Ｓトランジスタ３７のゲート４７に接続している。リア
クタンス出力２５は、容量素子３５に接続し、容量素子
３５はＮチャネルＭＯＳトランジスタ３７のドレイン３
６に接続している。

【００４９】つぎに図１および図５を用いて本発明の第
５の実施形態における水晶発振器の動作について説明す
る。電源１１は、電源出力１３を介して、周波数変動補
償回路１５の制御電圧入力２６と水晶発振回路２１のイ
ンバーター１９の電源入力１２へ電源電圧を出力する。

【００５０】水晶発振回路２１において、電源１１の出
力する電源電圧が上昇し、インバーター１９の電源入力
１２へ入力される電圧が上昇すると、インバーター１９
を構成するＭＯＳトランジスタのゲート入力容量が増加
する。一方、インバーター１９を構成するＭＯＳトラン
ジスタのＰＮ接合の接合容量は減少する。

【００５１】ＭＯＳトランジスタのゲート入力容量の増
加が、ＭＯＳトランジスタのＰＮ接合の接合容量の減少
に比べて優勢な場合は、電源電圧の上昇に伴い、水晶発
振回路２１の発振周波数が減少する。周波数変動補償回
路１５にて、選択スイッチ素子４５の端子４９と端子４
６を導通状態にする。この後の周波数変動補償回路の動
作は第３の実施形態で説明した動作と全く同じなので説
明を省略する。

【００５２】つぎにＭＯＳトランジスタのゲート入力容
量の増加が、ＭＯＳトランジスタのＰＮ接合の接合容量
の減少に比べて優勢で、電源電圧の上昇に伴い水晶発振
回路２１の発振周波数が減少する場合の周波数変動補償
回路の動作を説明する。

【００５３】周波数変動補償回路１５にて、選択スイッ
チ素子４５の端子４９と端子４８を導通状態にする。こ
の後の周波数変動補償回路の動作は第４の実施形態で説
明した動作と全く同じなので説明を省略する。

【００５４】このように第５の実施形態では、周波数変
動補償回路の動作を選択スイッチ素子４５の同通状態を
切り替えることにより変更させて、水晶発振回路２１の
電源電圧変動に伴う周波数の増加あるいは減少の何れの
変動方向にも対応可能なことが特徴である。

【００５５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、レギュレ
ーターを導入することなく、電源電圧変動による発振周
波数の変動を抑制することができるので、発振器の価格
を上昇させることなく、又、電源電圧の利用効率を低下
させることなく、さらに位相ノイズ特性を犠牲にするこ
となく、発振周波数の変動特性を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における発振器を示すブロッ
ク回路図である。

【図２】本発明の実施形態における周波数変動補償回路
を示す回路図である。

【図３】本発明の実施形態における周波数変動補償回路
を示す回路図である。

【図４】本発明の実施形態における周波数変動補償回路
を示す回路図である。

【図５】本発明の実施形態における周波数変動補償回路
を示す回路図である。

【図６】本発明の実施形態における発振器の水晶発振回
路のインバーターを示す回路図である。

【図７】本発明の実施形態における可変容量素子を示す
断面図である。

【符号の説明】

１１電源１５周波数変動補償回路１７水晶振動子１９インバーター２１水晶発振回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水晶振動子と、半導体基板上に設けられ
たインバーターとで構成する水晶発振回路と、電源と、
周波数変動補償回路とを備え、電源は直接に発振回路のインバーターへ電源を供給し、
電源の電圧変動によって発生する発振周波数の変動を、
周波数変動補償回路により、補償することを特徴とする
水晶発振器。
【請求項２】請求項１記載の周波数変動補償回路は、選択スイッチ素子を有していて、この選択スイッチ素子
により、電圧の増加方向と周波数の増加方向の任意な組
み合わせが可能であることを特徴とする水晶発振器。
【請求項３】請求項１あるいは請求項２記載の周波数
変動補償回路は、半導体基板と導電性電極が絶縁膜を挟んだ構造を有す
る、半導体基板上に設けられた可変容量素子で構成する
ことを特徴とする水晶発振器。
【請求項４】請求項１あるいは請求項２記載の周波数
変動補償回路は、容量素子と電圧制御可能な可変抵抗素子を直列に接続し
て構成することを特徴とする水晶発振器。
【請求項５】請求項４記載の電圧制御可能な可変抵抗
素子は、ＭＯＳトランジスタで構成することを特徴とする水晶発
振器。