专利名称：石英振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及石英振荡器，特别涉及适合于将石英振子以外的电路单芯片化的石英振荡器。
背景技术：
以往，在便携电话等的移动通信设备中广泛使用温度补偿石英振荡器(TCXOTemperature Compensated Crystal Oscillator)。
图10是表示以往的温度补偿石英振荡器的概略结构的图。
该图10中所示的TCXO 100由石英振子101和单芯片IC 102构成。除石英振子101之外的TCXO电路部103和内部存储电路104集成在单芯片IC102中。TCXO电路部103由温度补偿电压发生电路105和压控振荡电路106构成。温度补偿电压发生电路105根据来自内部存储电路104的数据产生温度补偿电压，并向压控振荡电路106输出。
压控振荡电路106是具有电压可变电容元件107的电压控制型的振荡电路，可以根据来自所述温度补偿电压发生电路105的温度补偿电压进行振荡频率的可变控制。
例如为了补偿以三次曲线示出的石英振子101的频率温度特性，在内部存储电路104中保存了用于分别地调整温度补偿电压发生电路105中产生的电压相对于温度的三次系数或一次系数的参数的数据。
并且，作为上述这样的TCXO的先行文献有专利文献1等。
专利文献1日本特开2004-356872号公报近年来，在便携电话用的TCXO等中，高功能化的要求也在提高，对低相位噪声特性或谐波频谱噪声去除等性能的要求也变得更加严格。例如，有以下这样的要求当偏频1kHz时相位噪声不超过-135dBc，对于谐波不超过-15dBc。
为了兼顾上述低相位噪声特性的提高与谐波频谱噪声去除，可以把石英振荡器100的输出波形调整为正弦波输出，但在该情况下存在不利之处，即石英振荡器100变成用于需要正弦波输出的专用机型，作为石英振荡器能够使用的范围非常有限。
即，以往的石英振荡器在根据用途所要求的性能不同的情况下，需要制作具有满足各自要求的波形输出电路的石英振荡器，因此难以充分达成石英振荡器的低价格化，不是通用性的产品。
发明内容
因此，本发明就是鉴于上述这样的情况而提出的，其目的在于提供一种能够根据使用用途来改变振荡信号的波形输出的石英振荡器。
为了达成上述目的，本发明的第一方面的石英振荡器，经由缓冲电路输出以石英振子作为振动源来振荡的振荡电路的振荡输出信号，其特征在于，具有多个波形输出电路，其设置在所述缓冲电路中，当输入所述振荡输出信号时，转换为各不相同的波形并输出；电路选择单元，其在所述多个波形输出电路中选择任意一个作为所述缓冲电路的波形输出电路；以及存储电路，其存储用于所述电路选择单元选择所述波形输出电路的任意一个的数据。
本发明的第二方面的石英振荡器，其特征在于，在第一方面的石英振荡器中，所述振荡电路具有具备电压可变电容元件的压控振荡电路、和用于利用所述电压可变电容元件进行温度补偿的温度补偿电压发生电路，在所述存储电路中，存储有用于补偿所述石英振子的温度特性的温度补偿数据。
本发明的第三方面的石英振荡器，其特征在于，在第一方面的石英振荡器中，至少所述振荡电路、所述缓冲电路、所述电路选择单元以及所述存储电路由单芯片构成。
根据本发明，通过设置多个波形输出电路、电路选择单元和存储电路，能够根据使用用途改变从波形输出电路输出的振荡信号的波形输出。其中，这多个波形输出电路在对缓冲电路输入了振荡电路的振荡输出信号时，将该信号转换为各不相同的波形后输出；电路选择单元在这些多个波形输出电路中选择任意一个作为缓冲电路的波形输出电路；存储电路存储有用于该电路选择单元选择波形输出电路中的任意一个的数据。
由此，能够实现通过一个石英振荡器对应多个用途的石英振荡器，能够提高石英振荡器的附加价值。
特别是，根据本发明，具有以下优点即使在为了实现小型化而把石英振子以外的电路元件全部集成在单芯片IC内的石英振荡器中，也能够根据用途改变振荡信号的输出波形。
图1是表示作为本发明的实施方式的TCXO的概要结构的图。
图2是表示正弦波信号的输出波形的图。
图3是表示削波正弦波信号的输出波形的图。
图4是表示正弦波输出电路的结构的图。
图5是表示选择正弦波输出电路时的谐波频谱的图。
图6是表示作为本实施方式的TCXO的C/N特性的图。
图7是表示削波正弦波输出电路的结构的图。
图8是表示选择削波正弦波输出电路时的谐波频谱的图。
图9是表示CMOS电平输出电路的结构的图。
图10是表示以往的TCXO的概要结构的图。
具体实施例方式
以下对本发明的实施方式进行说明。并且，在本实施方式中作为本发明的石英振荡器的一例以温度补偿石英振荡器(TCXO)为例进行说明。
图1是表示作为本发明的实施方式的TCXO的概要结构的图。
该图1中所示的TCXO 1由石英振子2和单芯片IC 3构成。在单芯片IC3中集成有除石英振子2之外的TCXO电路部4、缓冲电路部5以及内部存储电路6。TCXO电路部4由温度补偿电压发生电路7和具有电压可变电容元件9、能够通过电压进行振荡频率的控制的压控振荡电路8构成。
在内部存储电路6中，保存有温度补偿电压发生电路7的设定参数，该温度补偿电压发生电路7输出用于补偿石英振子2的频率温度特性的温度补偿电压。
缓冲电路部5对来自TCXO电路部4的振荡输出信号进行阻抗变换等，作为振荡信号输出。在该缓冲电路部5与TCXO电路部4之间设有用于对TCXO电路部4的压控振荡电路8的输出和缓冲电路部5的输入进行耦合的耦合电容器Cb。
作为对来自TCXO电路部4的振荡输出信号进行阻抗变换并向外部输出的波形输出电路，在缓冲电路部5中设有正弦波输出电路10、削波(clipped)正弦波输出电路11以及CMOS电平输出电路12。
在正弦波输出电路10的输入输出线中，作为电路选择单元，分别插入有开关SW1a、SW1b。同样，在削波正弦波输出电路11的输入输出线中，作为电路选择单元，插入有开关SW2a、SW2b；在CMOS电平输出电路12的输入输出线中，作为电路选择单元，插入有开关SW3a、SW3b。
通过接通这些开关SW1a、SW1b～SW3a、SW3b中的任意一个来选择任意一个波形输出电路。
例如，要输出如图2所示的正弦波信号时，通过仅接通一对开关SW1a、SW1b，全部切断其它的开关SW2a、SW2b、开关SW3a、SW3b，来选择正弦波输出电路10作为缓冲电路。
并且，如果仅选择各波形输出电路的功能，本来仅用波形输出电路的输入侧开关SW1a、SW2a、SW3a就足够，但通过添加开关SW1b、SW2b、SW3b，能够防止在TCXO 1的输出端OUT处产生不必要的负载，因此能够提高TCXO 1的输出信号电平的稳定度。
即，在需要正弦波时，通过切断除SW1a和SW1b之外的开关，变成在TCXO 1的输出端OUT处仅连接正弦波输出电路10的结构，因此例如在伴随环境温度的变化输出波形电路11、12的额定电容发生变动的情况下，也不会对TCXO 1的振荡功能带来影响。
并且，也可以增加在各输出波形电路的电源与TCXO 1的电源端子之间分别设置开关的结构，在该情况下，例如，当需要正弦波输出时，通过接通开关SW1a与SW1b以及设在正弦波输出电路10的电源与TCXO 1的电源端子之间的开关，同时切断开关SW2a、SW2b与SW3a、SW3b以及设在波形输出电路11的输出端与TCXO 1的电源端子之间的开关、设在波形输出电路12的输出端与TCXO 1的电源端子之间的开关，因为不消耗不必要的电力，所以能够维持TCXO的低耗电化。
此外，当要输出如图3所示的限制振幅后的限幅信号(削波正弦波)时，通过仅接通一对开关SW2a、SW2b，全部切断其它的开关SW1a、SW1b、开关SW3a、SW3b，来选择削波正弦波输出电路11作为缓冲电路。
此外，当要输出省略图示的CMOS电平信号时，通过仅接通一对开关SW3a、SW3b，全部切断其它的开关SW1a、SW1b、开关SW2a、SW2b，选择CMOS电平输出电路12作为缓冲电路。
在本实施方式的TCXO 1中，可以在内部存储电路6中保存在这些波形输出电路10～12之中选择哪一个波形输出电路的信息，可以根据所保存的存储信息，仅接通开关SW1a、SW1b、开关SW2a、SW2b和开关SW3a、SW3b中的任意一组开关。
此外，实际上在TCXO 1出厂时已经决定了内部存储电路6内的用于选择波形输出电路的存储信息，在出厂后不能任意选择波形输出电路。
以下，针对缓冲电路部的每个波形输出电路说明本实施方式的TCXO1的输出波形。
首先，对于作为缓冲电路选择了正弦波输出电路时的输出波形进行说明。该情况下在内部存储电路6中写入了用于仅接通开关SW1a、SW1b的数据。
图4是表示正弦波输出电路的电路结构的图。
该图4中所示的正弦波输出电路10由模拟放大器构成，该放大器构成为在由Pch晶体管M1和Nch晶体管M2构成的反相放大电路的输入输出之间连接了反馈电阻Rf，在该情况下，对于所输入的振荡信号表示出线性的输出特性。
图5是表示选择了正弦波输出电路时的谐波频谱的图。如该图5所示，可以看出谐波频谱实现了对于基波的2次谐波成分不超过-22dBc，3次谐波不超过-34dBc。并且，可以明白如图6所示的相位噪声特性实现了不超过-150dBc/Hz的本底噪声(noise floor)，在偏频1kHz时为-138dBc/Hz。从而，选择正弦波输出电路10作为缓冲电路时，低C/N且具有良好的谐波噪声除去比。
接着，对于作为缓冲电路选择了削波正弦波输出电路时的输出波形进行说明。该情况下在内部存储电路6中写入了用于仅接通开关SW2a、SW2b的数据。
图7是表示削波正弦波输出电路的电路结构的图。
如该图7所示，削波正弦波输出电路11在前级具有由Pch晶体管M1和Nch晶体管M2构成的反相放大器21、以及由Pch晶体管M3和Nch晶体管M4构成的反相放大器22，在末级为了以低阻抗输出，具有由Nch晶体管M8和Pch晶体管M9构成的CMOS推挽放大器24。M5是耗尽型的MOS晶体管，由此由Pch晶体管M6和Nch晶体管M7构成的第3级的阻抗放大器23的输出振幅成为(VREG-VGSM5)，如果设基准定电压VREG＝2.1V，因为M5是耗尽型的MOS晶体管，振幅为1.9Vp-p左右。
第3级的反相放大器23的输出信号被电容CB1和电容CB2截去直流成分，分别输入到Nch晶体管M8的栅极和Pch晶体管M9的栅极，由于电阻R1、R2的分压，Nch晶体管M8的栅电压为VGM8，所以当Nch晶体管M8导通时，Pch晶体管M9的VGS几乎消失，成为截止状态。因此，最终的输出电压振幅不依存于电源电压，大致按照(VGM8-VGSM8)的关系保持不变。
例如，如果设VREG＝2.1V、VGM8＝1.8V左右，虽然受Nch晶体管M8的驱动能力的影响，但作为最终输出信号能够得到大约1.0Vp-p左右的恒定振幅。
但是，如果电源电压VDD变低，产生基准定电压的电源电路的晶体管进入饱和区，但如果(VDD-VREG≥0.2V)，则没有特别的问题，在宽的电源电压范围内能够得到稳定的输出信号。一般，如果(VDD-VREG≥0.2V)则没有特别问题，如果设VREG＝2.1V，则直至VDD＝2.3V都可以稳定工作。
形成这样的结构，是因为这样能够从直流电源侧(VDD)提供用于CMOS推挽放大器24向输出负载流入、以及用于第3级的反相放大器23对电容CB1、CB2进行充电的电流，例如，与把基准定电压VREG作为第3级的反相放大器的电源时相比，产生基准定电压的电源电路的负载减轻，对于高频动作，基准电压VREG稳定。由此，能够较低地抑制产生基准定电压VREG用的放大器的驱动能力，能够得到低噪声特性的基准定电压VREG，能够从输出信号中除去不必要的频谱成分，此外因为抑制了由VREG中包含的噪声而引起的相位调制的敏感度，所以对改善相位本底噪声有效。
即，如果产生基准定电压VREG的电源电路的负载变轻，则能够将产生基准定电压VREG的放大器的驱动能力抑制得较低，所以能够得到低噪声特性的基准定电压VREG，将具有这样低噪声特性的定电压VREG作为电源，驱动第1、第2级的反相放大器，并且，第3级的反相放大器由基于定电压VREG的栅/源间电位来驱动控制，因此能够从石英振荡器的输出侧的输出端OUT得到C/N特性优良、输出信号的振幅水平变化特性稳定的信号。
图8是表示选择削波正弦波输出电路时的谐波频谱的图，该图8中示出的选择削波正弦波输出电路时的谐波频谱，并不如上述图5中所示的选择正弦波输出电路时那么好，相对于基波，2次谐波成分不超过-26dBc，但3次谐波无法满足不超过-15dBc。基本上可以看到难以抑制奇数次谐波的噪声成分。
并且，关于图6中示出的相位噪声特性，与选择正弦波输出电路时相比，本底噪声约为-148dBc/Hz左右，在偏频1kHz时为-134dBc/Hz左右。
因此，当作为缓冲电路选择了削波正弦波输出电路11时，不能说它低C/N且谐波噪声除去比良好，但是因为输出电路的末级是低阻抗输出，所以具有抗输出负载变化能力强的优点。
接着，对于作为缓冲电路选择了CMOS电平输出电路时的输出波形进行说明。在该情况下在内部存储电路6中写入了用于仅接通开关SW3a、SW3b的数据。
图9是表示CMOS电平输出电路的电路结构的图。
如该图9所示，CMOS电平输出电路12由模拟放大器31、反相放大器32、反相放大器33和反相放大器34构成，反相放大器33与反相放大器34并联连接。其中，模拟放大器31在由Pch晶体管M1和Nch晶体管M2构成的反相放大电路的输入输出之间连接反馈电阻Rf而构成；反相放大器32由Pch晶体管M3和Nch晶体管M4构成；反相放大器33由Pch晶体管M5和Nch晶体管M6构成；反相放大器34由Pch晶体管M7和Nch晶体管M8构成。
当作为缓冲电路选择了这样结构的CMOS电平输出电路12时，能够实现适合于传送用途的TCXO。
这样本实施方式的TCXO在缓冲电路部5中作为波形输出电路设有正弦波输出电路10、削波正弦波输出电路11以及CMOS电平输出电路12，在出厂时，可以选择任意一个波形输出电路。因此，如果这样构成，则可以通过一个TCXO实现对应于多种用途的石英振荡器，这样就能够提高TCXO的附加价值。
例如，如果选择了正弦波输出电路10作为波形输出电路，则能够构成低C/N且谐波除去比良好的TCXO。如果选择了削波正弦波输出电路11作为波形输出电路，则能够构成C/N和谐波噪声恶化不严重、且抗输出负载变化能力强的TCXO。如果选择了CMOS电平输出电路12作为波形输出电路，则能够构成适用于传送用途的TCXO。
特别是，根据本实施方式的TCXO，在以往输出波形的变更困难的、石英振子2以外的所有电路元件集成在单芯片IC 3内的TCXO中，也能够改变振荡电路的振荡信号的输出波形。
此外，在本实施方式中，作为波形输出电路列举了设有正弦波输出电路10、削波正弦波输出电路11、以及CMOS电平输出电路12的情况，但这只不过是一个例子，只要是能够得到与石英振荡器的用途相对应的波形输出的波形输出电路，可以设置任何电路。
并且在本实施方式中列举了在缓冲电路5中具有3个波形输出电路的情况，但在缓冲电路5中设置的波形输出电路的数量可以是任意的。
此外，本实施方式列举了温度补偿石英振荡器(TCXO)作为本发明的石英振荡器的一个例子，但当然本发明也可以适用于TCXO以外的石英振荡器。
权利要求
1.一种石英振荡器，经由缓冲电路输出以石英振子作为振动源而振荡的振荡电路的振荡输出信号，其特征在于，具有多个波形输出电路，其设置在所述缓冲电路中，当输入了所述振荡输出信号时，转换为各不相同的波形后输出；电路选择单元，其在所述多个波形输出电路中选择任意一个作为所述缓冲电路的波形输出电路；以及存储电路，其存储用于所述电路选择单元选择所述波形输出电路的任意一个的数据。
2.根据权利要求1所述的石英振荡器，其特征在于，所述振荡电路具有具备电压可变电容元件的压控振荡电路、和用于利用所述电压可变电容元件进行温度补偿的温度补偿电压发生电路，在所述存储电路中，存储有用于补偿所述石英振子的温度特性的温度补偿数据。
3.根据权利要求1所述的石英振荡器，其特征在于，至少所述振荡电路、所述缓冲电路、所述电路选择单元以及所述存储电路由一个芯片构成。
全文摘要
本发明的课题在于提供一种能够根据用途改变输出波形的石英振荡器。作为解决方法，在具有石英振子(2)和振荡电路的石英振荡器(8)中，具有输出多个不同波形的多个波形输出电路(10～12)；从多个的波形输出电路(10～12)中选择任意一个、作为振荡电路(8)的输出电路的开关(SW1a、SW1b～SW3a、SW3b)；以及存储用于选择开关(SW1a、SW1b～SW3a、SW3b)的数据的内部存储电路(6)。
文档编号H03B5/32GK1909362SQ20061010832
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月1日 优先权日2005年8月1日
发明者山本壮洋 申请人:爱普生拓优科梦株式会社