説明

圧電発振器

【課題】 コルピッツ型水晶発振器の発振を確実にすると共に位相雑音を改善する手段を得る。
【解決手段】 トランジスタのベース−接地間に水晶振動子を接続し、ベース−接地間に第1及び第2の容量を直列接続した回路を接続し、エミッタ−接地間に第1の抵抗を接続し、第1及び第2の容量の中点とエミッタ間に周波数選択素子を接続して構成したコルピッツ型水晶発振器であって、前記周波数選択素子に電界効果トランジスタのドレイン及びソースを並列接続し、ゲート接地間に第2の抵抗を接続し、ゲート電−源間に第3の容量を接続して圧電発振器を構成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電発振器に関し、特に位相雑音特性を改善すると共に起動時の負性抵抗も改善した圧電発振器に関する。
【背景技術】
【0002】
圧電発振器は周波数安定度、小型軽量、低価格等の利点を有することにより、通信機器や電子機器の多くの分野で用いられ、中でも圧電振動子にSCカット水晶振動子を用いた高安定水晶発振器は、膨大な情報を高速で送受信する高速大容量システムには不可欠のものとなっている。
図3は水晶発振器に多く用いられているコルピッツ型発振回路であって、その構成はトランジスタQ1のコレクタ−ベース間に誘導性素子を、ベース−エミッタ間及びコレクターエミッタ間にそれぞれ容量性素子を接続して構成する発振回路である。トランジスタQ1のコレクタ−ベース間の誘導性素子として、ベース−接地間に水晶振動子X1を用い、エミッタ−接地間に抵抗R3を接続する。そして、ベース−接地間に容量C1とC2との直列接続回路を接続すると共に、容量C1、C2の接続中点とエミッタとを接続して構成する。
【0003】
コルピッツ型発振回路においては一般的に、電源Vcc−接地間はバイパスコンデンサによって高周波的には短絡されているため、等価回路的にコレクタ−ベース間に水晶振動子X1の誘導性素子が挿入されたことになる。また、容量C1とC2との中点がエミッタに接続されているため、トランジスタQ1のベース−エミッタ間には容量C1が、コレクタ−エミッタ間には容量C2が挿入されることになり、いずれも容量性として作用することになる。抵抗R1、R2はブリーダー抵抗でベースバイアス電圧を設定する。
また、コルピッツ型水晶発振回路においては、水晶振動子X1の両端から回路側をみた増幅度、所謂負性抵抗R(Ω)は、容量C1、C2と周波数の自乗ω2とに逆比例し、コレクタ電流に比例することが知られている。即ち、周波数が高くなると共に負性抵抗R(Ω)の絶対値は減少する。
【0004】
高安定発振器には従来、ATカット水晶振動子が用いられてきたが、近年は応力感度や熱衝撃特性に優れたSCカット水晶振動子が多く用いられるようになった。SCカット水晶振動子の周波数−インピーダンス特性は図4に示すように、主振動の厚みすべり振動(Cモード、共振周波数f)に近接して、Bモード、Aモードの振動があり、特にC、Bモードの周波数間隔は主振動からf×(8%〜9%)しか離れていない。このようなSCカット水晶振動子を図3に示したコルピッツ型発振回路に用いた場合、発振回路の設計が適切でないと、Bモードで発振する現象、所謂周波数ジャンプ現象が生じるおそれがあった。
【0005】
特開平9−153740号公報には上記の周波数ジャンプ現象を抑圧する手段、即ち図5に示す水晶発振回路が開示されている。この水晶発振回路は、図3に示した従来のコルピッツ型水晶発振回路の、容量C1、C2の中点とトランジスタQ1のエミッタとの間に周波数選択素子、図5では水晶振動子X2を挿入して構成されている。水晶振動子X2の共振周波数をSCカット水晶振動子X1の主振動(Cモード)にほぼ一致させることにより、発振回路の負性抵抗特性を急峻にし、主振動のみで発振するように構成した発振回路である。
【特許文献1】特開平9−153740特開号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、図4に示したように周波数選択素子、例えば水晶振動子X2を挿入することにより発振ループ内の雑音が低減でき、位相雑音が改善されるものの、周波数選択素子である圧電デバイスのQ値は、発振周波数を決定する圧電振動子のQ値より低くしないと発振を開始できないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の圧電発振器は、発振を確実にすると共に位相雑音を改善するため、第1の発明は、トランジスタのベース−接地間に水晶振動子を接続し、ベース−接地間に第1及び第2の容量を直列接続した回路を接続し、エミッタ−接地間に第1の抵抗を接続し、前記第1及び第2の容量の中点とエミッタ間に周波数選択素子を接続して構成したコルピッツ型水晶発振器において、前記周波数選択素子に電界効果トランジスタのドレイン及びソースを並列接続し、ゲート−接地間に第2の抵抗を接続し、ゲート−電源間に第3の容量を接続して圧電発振器を構成することを特徴とする。
第2の発明は、前記選択素子に水晶振動子を用いたことを特徴とする圧電発振器である。
【発明の効果】
【0008】
本発明の水晶発振器は、周波数選択素子と電界効果トランジスタとを並列接続し、発振開始時は電界効果トランジスタをオンとし、所定の時間が経過すると電界効果トランジスタがオフとなり、周波数選択素子が機能するため、発振を確実にすると共に位相雑音をより改善できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
図1は本発明に係る水晶発振器の実施の形態を示す回路図であって、図5と同じ機能をする電気素子には同一の符号を付す。水晶発振回路は、トランジスタQ1のエミッタに抵抗R3の一方の端子を接続すると共に他端を接地し、トランジスタQ1のベースに容量C1、C2の直列接続回路の一端を接続し、他端を接地する。そして、電源(V1)とトランジスタQ1のコレクタ間に抵抗R4を接続し、電源V1と接地間に抵抗R1、R2の直列接続回路を接続し、抵抗R1、R2の中点とトランジスタQ1のベースとを接続する。さらに、水晶振動子X1と容量C3との直列接続回路の水晶振動子側を接地し、容量C3側をトランジスタQ1のベースに接続する。そして、水晶振動子X2の2端子と電界効果トランジスタFETのソース、ドレインとを並列接続した回路を、容量C1、C2の接続中点とトランジスタQ1のエミッタと間に挿入する。電界効果トランジスタFETのゲートに抵抗R5の一端を接続し、他端を接地すると共に、ゲートと電源V1とを容量C5を介して接続する。そして、トランジスタQ1のコレクタから容量C4を介し出力を取り出し水晶発振器を構成する。
【0010】
図1の破線αで囲んだ以外の回路は、図5で説明したコルピッツ型水晶発振回路と同一であるので説明を省略し、破線αで囲んだ回路の動作を説明する。図2は破線αで囲んだ回路の動作を説明する図である。図2(a)は、電源V1をオンにしてから破線α内の抵抗R5の両端の電圧V5が変化する様子を示す図である。電源V1と接地間に挿入された容量C5と抵抗R5との直列接続回路の動作は、電源V1が印加された直後は抵抗R5の両端の電圧V5はほぼ電圧V1となり、時間の経過と共に容量C5に電荷が蓄積されて、容量C5の両端の電位差が上昇するにつれて、電圧V5が減少する。
【0011】
Nチャネル電界効果トランジスタFETのドレイン−ソース間電圧VDSを一定とし、ゲート電圧VGSを増加させると空乏層の幅はドレイン側で狭まり、ドレイン電流Iは増加する。ゲート電極VGSをさらに増すと空乏層の先端が接触するようになり、ドレイン電流Iは外付け抵抗で決まる電流値で一定となる。電界効果トランジスタFETは電圧制御形で動作し、ゲート−ソース間は逆バイアスであるから、入力インピーダンスは非常に高くなる。
【0012】
Nチャネル電界効果トランジスタFETの上記特性を利用し、ドレイン−ソース間電圧VDSを印加しないで、スイッチとして用いる。ゲート−ソース間の電圧VGSは抵抗R3の両端の電圧V3と抵抗R5の両端の電極V5との差、つまりVGS=V5−V3となる。電圧V5は図2(a)に示すように、時間の経過と共に小さくなるので電圧VGSは小さくなる。図2(b)はゲート−ソース間の電圧VGSとドレイン電極Iとの関係を示す図で、VGSの減少につれてドレイン電流Iも減少することになる。つまり、ドレイン−ソース間のインピーダンスを考えると、その抵抗成分は図2(c)に示すようにゲート−ドレイン間電圧VGSが小さくなるとドレイン−ソース間の抵抗成分は急激に増大することになる。VGSの所定の値で、ドレイン−ソース間の抵抗成分は水晶振動子X2の実効抵抗Reと等しい値をとり、さらにVGSが小さくなると抵抗成分はReよりはるかに大きい値となる。
【0013】
発振回路に戻って説明すると、電源V1を入れた直後は、ゲート−ドレイン間電圧VGSは大きく、Nチャネル電界効果トランジスタFETのドレイン−ソース間の抵抗成分は、水晶振動子X2の実効抵抗Reよりはるかに小さいので、ドレイン−ソース間を介して発振回路が形成される。時間の経過と共にドレイン−ソース間の抵抗成分が大きくなり、実効抵抗Reより大きくなると水晶振動子X2を介して発振回路が形成されることになる。
【0014】
本発明の特徴は、電源V1を入れた直後は、周波数選択素子X2がNチャネル電界効果トランジスタFETにバイパスされるため、周波数選択素子X2のQ値を高く設定しても水晶発振回路は発振を開始することができる。時間が経過した後は、Nチャネル電界効果トランジスタFETはオフ状態となり、発振レベルが十分に大きく時点で周波数選択素子X2が機能するようになる。このため、周波数選択素子X2のQ値を従来より大きく設定することができるので、位相雑音特性を従来より改善することが可能となり、また発振不発のおそれもなくなる。水晶振動子X2の実効抵抗Reは数十Ωであるので、これが起動時の負性抵抗の絶対値を小さくさせるが、電界効果トランジスタFETはオン抵抗が数Ωであるため起動時の負性抵抗を改善でき、確実に発振を開始する。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明に係る水晶発振回器の構成を示した回路図である。
【図2】本発明に係る水晶発振器の動作を説明する図で、(a)電圧V5の時間変化、(b)はVGS−I特性、(c)はVGS−FETの抵抗成分の関係を示す図である。
【図3】コルピッツ型水晶発振器の回路構成を示す図である。
【図4】SCカット水晶振動子のインピーダンス特性を示す図である。
【図5】位相雑音特性を改善した従来の水晶発振器の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
【0016】
Q1 トランジスタ
R1、R2、R3、R4、R5 抵抗
C1、C2、C3、C4、C5 容量
X1、X2 水晶振動子
M1 電界効果トランジスタ(FET)
V1 電源

【特許請求の範囲】
【請求項1】
トランジスタのベース−接地間に水晶振動子を接続し、ベース−接地間に第1及び第2の容量を直列接続した回路を接続し、エミッタ−接地間に第1の抵抗を接続し、前記第1及び第2の容量の中点とエミッタ間に周波数選択素子を接続して構成したコルピッツ型水晶発振器において、
前記周波数選択素子に電界効果トランジスタのドレイン及びソースを並列接続し、ゲート−接地間に第2の抵抗を接続し、ゲート−電源間に第3の容量を接続して構成したことを特徴とする圧電発振器。
【請求項2】
前記選択素子に水晶振動子を用いたことを特徴とする圧電発振器。




【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2006−319599(P2006−319599A)
【公開日】平成18年11月24日(2006.11.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−139386(P2005−139386)
【出願日】平成17年5月12日(2005.5.12)
【出願人】(000003104)エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Fターム(参考)】