JP2000252749A - 圧電発振器 - Google Patents

圧電発振器

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JP2000252749A JP11049227A JP4922799A JP2000252749A JP 2000252749 A JP2000252749 A JP 2000252749A JP 11049227 A JP11049227 A JP 11049227A JP 4922799 A JP4922799 A JP 4922799A JP 2000252749 A JP2000252749 A JP 2000252749A
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 雑音特性、及び、エージング特性に優れる圧
電発振器を提供する。 【解決手段】 圧電振動子と発振用トランジスタとを含
むコルピッツ型発振器と、その出力を増幅する増幅手段
と、該増幅手段の出力を整流する整流手段とを備え、該
整流手段の出力を前記発振用トランジスタのベースに帰
還することによって発振出力レベルを一定に保つ圧電発
振器であって、前記発振用トランジスタの動作点が飽和
領域近傍となるようベースバイアスを設定し、発振出力
レベルが大きくなったときは動作点が飽和領域に近づく
よう、発振出力レベルが小さくなったときは動作点が飽
和領域から遠ざかるように前記整流手段からの帰還電流
が発振用トランジスタのベースに供給されよう構成した
為、雑音特性、及び、エージング特性が共に優れた圧電
発振器が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電発振器に関し、
特に、雑音特性やエージング特性に優れた圧電発振器に
関する。
【０００２】
【従来の技術】通信機器の基準信号源等に用いられる水
晶発振器としては、図３に示すような回路構成のものが
知られている。同図に於いて点線で囲まれた回路１０１
は、一般的なコルピッツ型発振回路であって、水晶振動
子１０２をトランジスタ１０３のベースに接続し、該ト
ランジスタ１０３のベースとエミッタとをコンデンサ１
０４を介して接続し、エミッタと接地とをコンデンサ１
０５と抵抗１０６との並列回路を介して接続すると共
に、コレクタを電源Vccに接続するよう構成し、更に、
前記水晶振動子１０２の一方の端子は、コンデンサ１０
７とトリマーコンデンサ１０８との直列回路を介し接地
するように構成したものである。尚、発振出力は前記ト
リマーコンデンサ１０８の両端から導出している。
【０００３】また、同図に於いて点線で囲まれた回路１
０９の増幅回路は後述する整流回路と共にＡＧＣ回路の
一部を成すものであって、トランジスタ１１０のエミッ
タを接地し、コレクタと電源Vccとを抵抗１１１を介し
て接続し、該コレクタとベースとを抵抗１１２をそれぞ
れ介し接続し、更に、該ベースと前記トランジスタ１０
３のエミッタとをコンデンサ１１３を介して接続するよ
うに構成したものである。更に、同図に於いて点線で囲
まれた回路１１４は、前記整流回路であって、ダイオー
ド１１５のアノードとダイオード１１６のカソードとを
接続すると共に、該ダイオード１１５のカソードを接地
し、前記ダイオード１１６のアノードと電源Vccとを抵
抗１１７を介して接続し、該アノードと接地とをコンデ
ンサ１１８とを介して接地し、更に、前記ダイオード１
１６のカソードと前記トランジスタ１１０のコレクタと
をコンデンサ１１９を介して接続し、前記ダイオード１
１６のアノードと前記トランジスタ１０３のベースとを
抵抗１２０を介し帰還接続するように構成したものであ
る。尚、同図に示すコンデンサ１２２はバイパスコンデ
ンサである。次にこのような構成の水晶発振器の動作に
ついて説明する。前記発振回路１０１は先に説明した通
り一般的なコルピッツ型発振回路であるので、その動作
については説明を省略する。前記発振回路１０１の設定
条件に基づき前記トランジスタ１０３のエミッタより出
力された周波数信号は、前記コンデンサ１１３を介し次
段の前記増幅回路１０９に供給され所要のレベルに増幅
されて前記トランジスタ１１０のコレクタより出力され
る。
【０００４】そして、増幅された該信号は、前記コンデ
ンサ１１９を介し前記ダイオード１１５と前記ダイオー
ド１１６とに供給される。ここで、該信号のプラス側半
サイクルの信号は、前記ダイオード１１５を通過する
が、この時、前記コンデンサ１１９には前記ダイオード
１１５のアノード側が低電位となるよう電荷がチャージ
され、また、逆のマイナス側半サイクルの信号は、前記
ダイオード１１６を介して流れ、結果的に該ダイオード
１１６のアノードと接地間に負極性の電位が生じる。
【０００５】即ち、該電位は、前記マイナス側半サイク
ルの信号による電位と前記コンデンサ１１９のチャージ
電荷により発生する電位とが加わった値であり、前記発
振回路１０１のトランジスタ１０３のベースに印加され
る。従って、前記発振回路１０１の出力信号のレベルが
高くなると、前記増幅回路１０９から前記整流回路１１
４に供給される信号の極小値と極大値との差（p−p値）
が増加する為、これに伴い前整流回路１１４の出力に発
生する前記負極性の電位の絶対値が大きくなると共に、
その変動量に基づく該トランジスタ１０３のベースバイ
アス電圧の降下に伴いベース電流が減少する結果、コレ
クタ電流が減少し、前記発振回路１０１の出力信号のレ
ベルが低下する。
【０００６】一方、前記発振回路１０１の出力信号のレ
ベルが低下した場合は上記で説明した動作と逆の動作で
ある為、説明を省略する。従って、上記の動作を繰り返
し行うことにより、水晶発振器はその設定条件に基づき
安定なレベル信号を出力する。
【０００７】
【本発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記
水晶発振器は、上記のような特徴に加え前記整流回路１
１４を利用し、前記水晶振動子１０２の励振信号を低レ
ベルに保つよう制御することにより、良好なエージング
特性を得ることが可能であるが、この時、出力信号の雑
音特性が悪化してしまうという不具合が生じる。
【０００８】即ち、周知の通り、前記水晶振動子１０２
を低レベルの励振電流で駆動させることにより、前記水
晶発振器のエージング特性が良好となり、長期に亙り安
定度の高い出力周波数が得られることから、極力、低レ
ベルの励振電流に保つとその結果必然的に前記トランジ
スタ１０３のコレクタ電流が小さくなる。しかし、図４
のコレクタ電流と雑音指数との関係で示すように、コレ
クタ電流を極めて小さな値A点で設定した場合、トラン
ジスタの雑音指数は極めて高い状態であると共に、更
に、AGC機能により該コレクタ電流が減少すると、該雑
音指数がより高い方向に急激に移行し、その結果、水晶
発振器の雑音特性を悪化させてしまう。
【０００９】従って、上記のような構成の水晶発振器で
は、エージング特性を優先するのが一般的である為、雑
音特性を犠牲にし励振電流を低く設定するのが一般的で
あった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為に
本発明に係わる請求項１記載の発明は、圧電振動子と発
振用トランジスタとを含むコルピッツ型発振器と、その
出力を増幅する増幅手段と、該増幅手段の出力を整流す
る整流手段とを備え、該整流手段の出力を前記発振用ト
ランジスタのベースに帰還することによって発振出力レ
ベルを一定に保つ圧電発振器であって、前記発振用トラ
ンジスタの動作点が飽和領域近傍となるようベースバイ
アスを設定し、発振出力レベルが大きくなったときは動
作点が飽和領域に近づくよう、発振出力レベルが小さく
なったときは動作点が飽和領域から遠ざかるように前記
整流手段からの帰還電流が発振用トランジスタのベース
に供給されることを特徴としている。
【００１１】請求項２記載の発明は請求項１記載の発明
に加え、圧電振動子と発振用トランジスタ増幅器とを含
むコルピッツ型発振器と、その出力を増幅する増幅手段
と、該増幅手段の出力を整流する整流手段とを備え、該
整流手段の出力を前記発振用トランジスタのベースに帰
還することによって発振出力レベルを一定に保つ圧電発
振器であって、前記増幅手段を構成する第二のトランジ
スタのベースを交流的に接地し、前記発振用トランジス
タのコレクタと第二のトランジスタのエミッタとを接続
すると共に、第二のトランジスタのコレクタを電源に接
続したことを特徴としている。
【００１２】請求項３記載の発明は、圧電振動子と発振
用トランジスタとを含むコルピッツ型発振器と、その出
力を増幅する第二のトランジスタと、該第二のトランジ
スタの出力を整流する整流手段とを備え、該整流手段の
出力を前記第二のトランジスタのベースに帰還すること
によって発振出力レベルを一定に保つ圧電発振器であっ
て、前記発振用トランジスタの動作点が飽和領域近傍と
なるようコレクタ電圧を設定し、発振出力レベルが大き
くなったときは前記第二のトランジスタのベースバイア
ス電圧が降下して前記発振用トランジスタの動作点が飽
和領域に近づくよう、発振出力レベルが小さくなったと
きは前記第二のトランジスタのベースバイアス電圧が上
昇して前記発振用トランジスタの動作点が飽和領域から
遠ざかるように前記整流手段からの帰還電流が前記第二
のトランジスタのベースに供給されることを特徴として
いる。
【００１３】請求項４記載の発明は請求項３記載の発明
に加え、圧電振動子と発振用トランジスタ増幅器とを含
むコルピッツ型発振器と、その出力を増幅する第二のト
ランジスタと、該第二のトランジスタの出力を整流する
整流手段とを備え、該整流手段の出力を前記第二のトラ
ンジスタのベースに帰還することによって発振出力レベ
ルを一定に保つ圧電発振器であって、前記第二のトラン
ジスタのベースを交流的に接地し、前記発振用トランジ
スタのコレクタと第二のトランジスタのエミッタとを接
続すると共に、第二のトランジスタのコレクタを電源に
接続したことを特徴としている。
【００１４】請求項５記載の発明は請求項１乃至請求項
４記載の発明に加え、前記発振用トランジスタの雑音指
数が最小値近傍の値となるよう前記第二のトランジスタ
のコレクタ電流を設定したことを特徴としている。
【作用】以上のように構成すれば、発振回路の発振用ト
ランジスタは、そのコレクタ電流が前記第二のトランジ
スタ増幅器のコレクタ電流の設定にのみ依存するので該
発振用トランジスタのベース電流に影響されない分、広
範囲な設定条件が得られ、これにより雑音指数の小さい
動作条件での動作が可能となる。
【００１５】
【本発明の実施の形態】以下、図示した実施例に基づい
て本発明を詳細に説明する。図１は本発明に基づく水晶
発振器の一実施例を示す回路図である。同図に於いて点
線で囲まれた回路１は一般的なコルピッツ型発振回路で
あり、水晶振動子２をトランジスタ３のベースに接続す
ると共に、該トランジスタ３のベースとエミッタとをコ
ンデンサ４を介し、該エミッタと接地とをコンデンサ５
と抵抗６との並列回路を介しそれぞれ接続し、更に、前
記水晶振動子２の一方の端子と接地とをコンデンサ７と
トリマーコンデンサ８との直列回路を介し接続するよう
構成したものである。尚、発振出力は、例えば前記トリ
マーコンデンサ８の両端から導出している。
【００１６】また、同図に於いて点線で囲まれた増幅回
路９は後述する整流回路と共にAGC回路の一部を成すも
のであって、トランジスタ１０のエミッタと前記トラン
ジスタ３のコレクタとを接続すると共に、該トランジス
タ１０のコレクタと電源Vccとを抵抗１１を介して接続
し、該電源Vccとベースとを抵抗１２を介して接続し、
更に、該ベースと接地とを抵抗１３とコンデンサ１４と
の並列回路を介して接続するように構成したものであ
る。
【００１７】そして、同図の点線で囲まれた回路１５は
前記整流回路であって、ダイオード１６のカソードを接
地に、アノードをダイオード１７のカソードにそれぞれ
接続し、該ダイオード１７のアノードと抵抗１８とをコ
ンデンサ１９との並列回路を介して接地すると共に、ソ
ース接地とするＦＥＴ２０のゲートと前記ダイオード１
７のアノードとを接続し、更に、該ＦＥＴ２０のドレイ
ンと前記電源Vccとを抵抗２１と抵抗２２との直列回路
とを介し接続すると共に、前記抵抗２１と抵抗２２との
接続中間点と前記トランジスタ３のベースとを抵抗２３
を介して接続し、前記ダイオード１７のカソードと前記
トランジスタ１０のコレクタとをコンデンサ２４を介し
て接続するように構成したものである。尚、コンデンサ
２６、２７はバイパスコンデンサである。
【００１８】次にこのような構成の水晶発振器の動作に
ついて説明する。前記発振回路１の前記トランジスタ３
は、前記トランジスタ１０とカスケード接続構成にした
ものであり、前記トランジスタ３のコレクタ電流の値が
前記トランジスタ１０のコレクタ電流の設定値にのみ依
存する為、トランジスタ３のベース電流による影響を受
けることなく広範囲の設定条件よりその値を決定するこ
とが可能である。そして、前記発振回路１の設定条件に
基づき前記トランジスタ３のコレクタより出力された所
望の周波数信号は、次段の前記増幅回路９に供給され所
要のレベルに増幅された後、前記トランジスタ１０のコ
レクタより出力され、更に、前記コンデンサ２４を介し
前記整流回路１５に供給される。
【００１９】ここで、前記整流回路に供給された前記信
号のプラス側半サイクルの信号は、前記ダイオード１６
を通過するが、この時、前記コンデンサ２４を前記ダイ
オード１６のアノード側が低電位となるよう電荷をチャ
ージし、逆のマイナス側半サイクルの信号は、前記ダイ
オード１７を介して流れ、結果的にそのアノードと接地
間に負極性の電位が生じる。即ち、該電位は、前記マイ
ナス側半サイクルの信号による電位と前記コンデンサ２
４のチャージ電荷により発生する電位とが加わった値と
なる。
【００２０】そして更に、前記励振電流のレベルが増加
した場合、これによる前記負極性の電位の絶対値の増加
に伴ない、前記ＦＥＴ２０のゲート・ソース間に電圧降
下が生じてドレイン電流が減少することにより、前記ト
ランジスタ３のベースバイアス電圧が上昇する為、これ
によるベース電流の増加によりエミッタ電圧が上昇し、
該トランジスタ３のベース・コレクタ間電圧が降下す
る。予め、前記トランジスタ３の動作点を飽和領域近傍
であって、信号の一部が飽和領域に達するよう設定して
おくことで、前記トランジスタ３のベース・コレクタ間
の電圧の降下に伴い前記トランジスタ３の動作点が飽和
領域に近づく為、励振レベルが低下することになる。
【００２１】一方、前記発振回路１の出力信号のレベル
が低下した場合は上記で説明した動作と逆の動作である
為、説明を省略する。従って、上記の動作を繰り返し行
うことにより、水晶発振器はその設定条件に基づき安定
なレベル信号を出力する。更に、図２に示す回路は本発
明に基づく水晶発振器回路の他の実施例である。該水晶
発振器の構成及び動作について以下に説明する。尚、図
１に示す水晶発振器と同一構成の部分については同一の
符号を付与すると共に、その説明を省略する。
【００２２】図２に於いて発振回路１は、トランジスタ
３に前記抵抗２３抵抗２８とのベースバイアス回路を接
続するよう構成したものである。同図に於いて増幅回路
９はトランジスタ１０のベースをコンデンサ１４を介し
て接地するよう構成したものである。同図に於いて整流
回路１５はトランジスタ２９のコレクタを抵抗３０を介
して電源Vccに接続すると共に、該トランジスタ２９の
エミッタを抵抗３１を介して接地し、更に、該トランジ
スタ２９のベースと前記トランジスタ１０のコレクタと
を前記コンデンサ２４を介して接続すると共に、該ベー
スと接地との間にダイオード３２をカソードが該ベース
側に接続されるよう構成したものである。
【００２３】そして、このような構成の前記発振回路１
は出力信号が増幅回路９を介して整流回路１５に供給さ
れた後、該出力信号のプラス半サイクルの信号成分のみ
が前記整流回路１５より直流信号化され前記トランジス
タ１０のベースに帰還供給されるよう動作する。その
為、該出力信号のレベルが上昇した場合、前記トランジ
スタ２９の出力が入力に対して位相が逆転することよ
り、前記出力信号のレベルの上昇と共に前記整流回路１
５より前記トランジスタ１０のベースに供給される直流
電圧が降下し、更に、該ベース電位の降下と共に前記ト
ランジスタ１０のコレクタ電圧が降下する。予め、前記
トランジスタ１０の動作点を飽和領域近傍であって、信
号の一部が飽和領域に達するよう設定しておくことで、
前記トランジスタ１０のコレクタ電圧の降下に伴い前記
トランジスタ３の動作点が飽和領域に近づく為、励振レ
ベルが低下する。一方、前記出力レベルが低下した場合
は上記で説明した動作と逆の動作である為、説明を省略
する。
【００２４】上記のような構成とすることにより、励振
電流を低レベルに保つよう制御してもトランジスタ３に
は大きなコレクタ電流を流すことが可能である。そし
て、例えば、図４に示すような雑音指数を呈するトラン
ジスタを用いた場合、雑音が最も小さくなるＢ点近傍の
値となるように前記トランジスタ１０とその周辺回路に
より前記トランジスタ３のコレクタ電流を設定すれば十
分に優れた特性が得られ、更に、図４から明らかなよう
にＢ点は極小値であるからＡＧＣ機能により前記コレク
タ電流が変化しても雑音指数の変化量が小さく、結果、
急激な雑音特性の悪化が生じない。以上、本発明の一実
施例では基本波発振とするコルピッツ発振回路を用いて
水晶発振器を構成したが本発明はこれに限定されるもの
でなく、オーバートーン発振回路を用いて水晶発振器を
構成した場合であっても構わない。
【００２５】更に、以上本発明を水晶振動子を用いた発
振器を例に説明したが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、 水晶以外の他の圧電振動子を用いたものに
適用してもよいことは明らかである。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように本発明に基づく圧電
発振器は、上述したように構成したものであるから、励
振電流を低レベルに保つよう制御した場合であってもト
ランジスタのコレクタ電流を大電流に保つ、且つ、該ト
ランジスタを雑音指数が最も小さくなる動作点に設定す
ることが可能となる為、雑音特性、及び、エージング特
性が共に優れた圧電発振器が実現される効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく水晶発振器の一実施例の回路図
を示すものである。
【図２】本発明に基づく水晶発振器の他の実施例の回路
図を示すものである。
【図３】従来の水晶発振器の回路図を示すものである。
【図４】トランジスタのコレクタ電流に対する雑音指数
特性を示す図である。
【符号の説明】
１、１０１発振回路、２、１０２水晶振動子、３、１
０、２９、１０３、１１０トランジスタ、４、５、７、
１４、１９、２４、１０４、１０５、１０７、１１３、
１１８、１１９、１２１コンデンサ、６、１１、１２、
１３、１８、２１、２２、２３、２８、３０、３１、１
０６、１１１、１１２、１１７、１２０抵抗、８、１０
８トリマーコンデンサ、９、１０９増幅回路、１５、１
１４整流回路、１６、１７、３２、１１５、１１６ダイ
オード、２０、１１７FET、２５、１２１バッファ回
路、２６、２７、１２２バイパスコンデンサ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧電振動子と発振用トランジスタとを含む
    コルピッツ型発振器と、その出力を増幅する増幅手段
    と、該増幅手段の出力を整流する整流手段とを備え、該
    整流手段の出力を前記発振用トランジスタのベースに帰
    還することによって発振出力レベルを一定に保つ圧電発
    振器であって、前記発振用トランジスタの動作点が飽和
    領域近傍となるようベースバイアスを設定し、発振出力
    レベルが大きくなったときは動作点が飽和領域に近づく
    よう、発振出力レベルが小さくなったときは動作点が飽
    和領域から遠ざかるように前記整流手段からの帰還電流
    が発振用トランジスタのベースに供給されることを特徴
    とする圧電発振器。
  2. 【請求項２】圧電振動子と発振用トランジスタ増幅器と
    を含むコルピッツ型発振器と、その出力を増幅する増幅
    手段と、該増幅手段の出力を整流する整流手段とを備
    え、該整流手段の出力を前記発振用トランジスタのベー
    スに帰還することによって発振出力レベルを一定に保つ
    圧電発振器であって、前記増幅手段を構成する第二のト
    ランジスタのベースを交流的に接地し、前記発振用トラ
    ンジスタのコレクタと第二のトランジスタのエミッタと
    を接続すると共に、第二のトランジスタのコレクタを電
    源に接続したことを特徴とする請求項１記載の前記圧電
    発振器。
  3. 【請求項３】圧電振動子と発振用トランジスタとを含む
    コルピッツ型発振器と、その出力を増幅する第二のトラ
    ンジスタと、該第二のトランジスタの出力を整流する整
    流手段とを備え、該整流手段の出力を前記第二のトラン
    ジスタのベースに帰還することによって発振出力レベル
    を一定に保つ圧電発振器であって、前記発振用トランジ
    スタの動作点が飽和領域近傍となるようコレクタ電圧を
    設定し、発振出力レベルが大きくなったときは前記第二
    のトランジスタのベースバイアス電圧が降下して前記発
    振用トランジスタの動作点が飽和領域に近づくよう、発
    振出力レベルが小さくなったときは前記第二のトランジ
    スタのベースバイアス電圧が上昇して前記発振用トラン
    ジスタの動作点が飽和領域から遠ざかるように前記整流
    手段からの帰還電流が前記第二のトランジスタのベース
    に供給されることを特徴とする圧電発振器。
  4. 【請求項４】圧電振動子と発振用トランジスタ増幅器と
    を含むコルピッツ型発振器と、その出力を増幅する第二
    のトランジスタと、該第二のトランジスタの出力を整流
    する整流手段とを備え、該整流手段の出力を前記第二の
    トランジスタのベースに帰還することによって発振出力
    レベルを一定に保つ圧電発振器であって、前記第二のト
    ランジスタのベースを交流的に接地し、前記発振用トラ
    ンジスタのコレクタと第二のトランジスタのエミッタと
    を接続すると共に、第二のトランジスタのコレクタを電
    源に接続したことを特徴とする請求項３記載の前記圧電
    発振器。
  5. 【請求項５】前記発振用トランジスタの雑音指数が最小
    値近傍の値となるよう前記第二のトランジスタのコレク
    タ電流を設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項
    ４記載の圧電発振器。
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