JP2001308641A - 圧電発振器 - Google Patents

圧電発振器

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JP2001308641A JP2000121527A JP2000121527A JP2001308641A JP 2001308641 A JP2001308641 A JP 2001308641A JP 2000121527 A JP2000121527 A JP 2000121527A JP 2000121527 A JP2000121527 A JP 2000121527A JP 2001308641 A JP2001308641 A JP 2001308641A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】経年時特性に優れる圧電発振器を安価に提供す
ることを目的とする。 【解決手段】圧電振動子と、負荷容量と、リミッタ回路
とを備えた圧電発振器であって、リミッタ回路に圧電振
動子の励振信号を供給し、励振信号の変化に基づき前記
リミッター回路が前記負荷容量の端子間インピーダンス
を制御するよう構成することにより経年時特性に優れた
水晶発振器を安価に提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電発振回路に関
し、特に経年時特性に優れ、且つ、安価な圧電発振器に
関する。
【０００２】
【従来の技術】経年時変化に対し優れた周波数安定度
（以下、経年変化特性と称する）を有する水晶発振器
は、水晶振動子を低い励振レベルにて動作させてその駆
動ストレスを抑える為、図４に示すようなＡＧＣ回路を
備えた構成とすることが従来、一般的であった。即ち、
図４は従来のＡＧＣ回路を備えた水晶発振器の回路図を
示すものである。
【０００３】同図に示す水晶発振器１００は破線にて囲
まれた発振回路１０１出力を容量１０２を介し次段のバ
ッファ回路１０３に供給すると共に、バッファ回路１０
３の出力を破線にて囲まれたＡＧＣ回路１０４に供給す
るよう接続し、更に、ＡＧＣ回路１０４の出力を先の発
振回路１０１の入力に接続するよう構成したものであ
る。そして、上記発振回路１０１は、一般的なコルピッ
ツ型発振回路であり、容量１０５を介して一端が接地さ
れた水晶振動子１０６の他の一端とトランジスタ１０７
のベースとを接続すると共に、ベースと接地との間に容
量１０８と容量１０９とから成る直列回路及び抵抗１１
０を接続し、更に、この直列回路の接続中点とトランジ
スタ１０７のエミッタとを接続すると共に、エミッタを
抵抗１１１を介して接地する。
【０００４】更に、トランジスタ１０７のベースを抵抗
１１２を介してＡＧＣ回路１０４の出力に接続すると共
に、トランジスタ１０７のコレクタを抵抗１１３を介し
て電源Ｖｃｃに接続するよう構成したものである。ＡＧ
Ｃ回路１０４は、抵抗１１４と容量１１５との直列回路
を介してダイオード１１６のカソード端及びダイオード
１１７のアノード端とバッファ回路１０３の出力とを接
続すると共に、それぞれのダイオードの他端を容量１１
８、容量１１９を介して個別に接地し、更に、このダイ
オードの他端同士を抵抗１２０を介して接続すると共
に、ダイオード１１６のアノード端を発振回路１０１に
含まれる抵抗１１２を介してトランジスタ１０７のベー
スに接続し、電源Ｖｃｃと接地との間に抵抗１２１と抵
抗１２２とから成る直列回路を接続すると共に、この直
列回路の接続中点とダイオード１１７のカソードとを接
続するよう構成したものである。
【０００５】尚、上記バッファ回路１０３は、抵抗１２
３と容量１２４との直列回路を介して発振器の出力端Ｏ
ＵＴに接続されている。上記のような構成の水晶発振器
１００の動作について以下に説明する。尚、発振回路１
０１については、一般的なコルピッツ型であり、その動
作ついては周知であるで説明を省略する。先ず、発振回
路１０１より出力された励振信号がバッファ１０３を介
しＡＧＣ回路１０４に供給されるとプラス半サイクルの
信号がダイオード１１７を介し、マイナス半サイクルの
信号がダイオード１１６を介してそれぞれ接地に流れる
為、抵抗１２０の端子間にはダイオード１１６との接続
端が低電圧となるような電圧の発生に伴い電流Ａが生じ
る。
【０００６】更に、上記電流Ａの他に抵抗１２０には、
抵抗１２１と抵抗１２２との接続中点に発生する電圧を
基に決定された電流Ｂも供給され、その結果、トランジ
スタ１０７のベース電流には電流Ｂから電流Ａを差し引
いた総合電流（電流Ｂ−電流Ａ）が供給されると共に、
この総合電流に基づいて決定されたベース電流により水
晶振動子１０６が所要一定レベルの励振信号する。上記
のような動作状態から、水晶振動子１０６の励振信号の
レベルが増加した場合、ＡＧＣ回路１０４に供給される
励振信号のレベルの増加と共に抵抗１２０の両端の電圧
が上昇することにより電流Ａの値が増加し、これに伴い
総合電流（電流Ｂ−電流Ａ）が減少すると共にトランジ
スタ１０７のベース電流が減少する。
【０００７】そして、ベース電流の減少によりトランジ
スタ１０７のゲインが減少し、これに伴う発振回路１０
１の出力レベル（トランジスタ１０７のコレクタ出力レ
ベル）の低下に追従するようトランジスタ１０７エミッ
タ電圧（交流成分）レベルが低下するので、容量１０９
の端子間に発生する信号レベルが低下に誘導されて水晶
振動子１０６の励振信号のレベルが低下する。水晶振動
子１０６の励振信号レベルが増加した場合は、上述の動
作と逆の動作であるので説明を省略する。そして、以上
の動作を繰り返し行うことにより、水晶振動子１０６の
励振信号のレベルは上記所要の値に収束されるのであ
る。
【０００８】
【本発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
のような水晶発振回路１００の場合、ＡＧＣ回路の構成
が複雑であることから回路設定条件が複雑となることが
避けられず、その結果、効率的な生産性が得られないの
で水晶発振器の低価格化が達成されないという問題が生
じていた。
【０００９】本発明は圧電発振回路の上記諸問題を解決
することによって経年変化特性に優れる水晶発振器を低
価格で提供することを目的としている。
【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、
負荷容量と、リミッタ回路とを備えた圧電発振器であっ
て、前記リミッタ回路に前記圧電振動子の励振信号を供
給し、該励振信号の変化に基づき前記リミッター回路が
前記負荷容量の端子間インピーダンスを制御することに
より前記励振信号のレベルを制御することを特徴とす
る。
【００１１】請求項２記載の発明は請求項１記載の発明
に加え、前記リミッタ回路が２つのダイオードを電源か
ら接地方向へ順方向となるよう直列接続した直列回路と
これに並列接続する容量とを備えたものであり、前記負
荷容量の一端に前記２つのダイオードの接続中点を接続
するよう構成したことを特徴とする。
【００１２】請求項３記載の発明は請求項１または請求
項２記載の発明に加え、前記圧電振動子と接地との間に
前記負荷容量を挿入接続すると共に、該負荷容量が直列
接続した２つの分割容量を含み、前記リミッタ回路が、
２つのダイオードを電源から接地方向へ順方向に直列接
続した直列回路とこれに並列接続する容量とを備えたも
のであり、前記２つの分割容量の接続中点と前記２つの
ダイオードの接続中点とを容量を介して接続するよう構
成したことを特徴とする。
【００１３】請求項４記載の発明は請求項１乃至請求項
３記載の発明に加え、適宜バイアスされたエミッタに抵
抗素子が接続されたトランジスタ回路と、そのベース・
アース間に挿入された圧電振動子と、トランジスタのベ
ース・エミッタ間及び前記エミッタ抵抗に並列に接続さ
れた２つの分割容量とを含むコルピッツ回路に於いて、
電源とアース間に所要値の抵抗と２つのダイオードとを
直列に挿入すると共に、該ダイオード直列回路を高周波
的にバイアスするコンデンサを備え、前記２つのダイオ
ード接続点と前記トランジスタのエミッタとを購入的に
接続したことを特徴とする。
【００１４】
【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
発振器の一実施例の回路図を示すものである。同図に示
す水晶発振器１は、点線にて囲まれた発振回路２の発振
ループ回路の出力端を容量３を介し一点鎖線にて囲まれ
たリミッター回路４に接続するよう構成したものであ
る。発振回路２としては、一般的なコルピッツ型発振回
路を用い、容量５を介して一端が接地された水晶振動子
６の他の一端をトランジスタ７のベースに接続すると共
に、ベースとエミッタ間に負荷容量の一部となる容量８
を、エミッタとアース間には容量９と抵抗１４との並列
回路を挿入接続し、更に、コレクタと電源Ｖｃｃとの間
に抵抗１２を接続したものであり、ベースには抵抗１
０、１１を介して適宜バイアスが施されている。
【００１５】更に、リミッタ回路４としては、電源Ｖｃ
ｃとダイオード１５のアノード端とを抵抗１６を介して
接続すると共に、アノード端を容量１７を介し接地し、
更に、ダイオード１５のカソード端とアース間にダイオ
ード１８を順方向接続すると共に、トランジスタ７のエ
ミッタとダイオード１５のカソード端とを前記容量３を
介して接続するよう構成したものを用いる。そしてこの
構成の水晶発振器１の特徴は、ダイオードが所要の電圧
に設定され、該部に発振回路２の出力が印加されたと
き、該発振出力信号の振幅値が既定値以上ではダイオー
ドのインピーダンスが急激に減少するというダイオード
の特性を利用してトランジスタの増幅度を抑圧し、以っ
て励振信号のレベルが所要の値を保つよう制御した点に
ある。
【００１６】このことについて一部動作の説明及び回路
素子値設定の説明を交えながら具体的に説明する。図２
は端子間の順方向電圧ＶＤと順方向電流ＩＤとの関係を
示すものであり、同図から明らかなようにダイオード
は、一般に順方向電圧ＶＤが０.７Ｖ未満では順方向電
流が流れず端子間インピーダンスが高い状態であり、ま
た０.７Ｖに達すると端子間インピーダンスが低下し順
方向電流が流れるので、端子間電圧ＶＤが０.７Ｖ以上に
上昇しないという特性を有している。
【００１７】そこで、図１のような構成の水晶発振器１
の場合、例えば抵抗１６を４０ｋΩ、電源電圧Ｖｃｃを
５Ｖとして、電源Ｖｃｃから抵抗１６及びダイオード１
５、１８を介して接地に流れる直流電流αが０.１ｍＡ
となるよう設定する。このときダイオード１５とダイオ
ード１８との接続中点Ａと接地間には０.４Ｖの直流電
圧が発生し、ダイオード１５のアノードと接地間には
０.８Ｖの直流電圧が発生する。上記のような場合、何
れのダイオードとも端子間電圧ＶＤが図２に示す０.７
Ｖ以下の範囲内であるので端子間が高インピーダンス状
態であり、更に、これに伴いリミッタ回路４内に於ける
接続中点Ａと接地間が高インピーダンスであるから、容
量９の端子間のインピーダンスは、ダイオードに基づく
インピーダンスの影響を受けずにほぼ容量９の値により
決定される。
【００１８】上記のようにリミッタ回路４を設定した
後、発振回路２の発振条件に従い例えばＶｓ＝０.４Ｖ
P-P（半サイクル±０.２Ｖ）の励振信号を容量３を介し
て接続中点Ａに供給すると、励振信号が０.４Ｖの直流
電圧に畳重するので、接続中点Ａの電圧は、励振信号の
振幅の変動に伴って、０.２Ｖ〜０.６Ｖの範囲で変動す
る。図２に示すようにダイオード１５及び１８の端子間
電圧ＶＤが０.２Ｖ〜０.６Ｖの範囲内ではそれぞれのダ
イオードの端子間に順方向電流が流れないことから、接
続中点Ａと接地との間が高インピーダンス状態のまま保
たれ、これにより容量９の端子間インピーダンスがダイ
オードによる影響を受けることなく容量９の値により決
定されるので、水晶発振器１は発振回路２の発振条件に
基づいて発振した上記Ｖｓ＝０.４ＶP-Pの振幅の励振信
号を出力する。
【００１９】次に、上記のような状態から励振信号のレ
ベルが０.８ＶP-P（半サイクル±０.４Ｖ）に上昇した
場合を考える。容量３を介して接続中点Ａに上記励振信
号のプラス半サイクルの０.４Ｖ電圧が供給されると、
接続中点Ａには電源電圧Ｖｃｃによるバイアス電圧にプ
ラス半サイクルの電圧が畳重した０.４Ｖから０.８Ｖの
間で変化する電圧が発生する。そして、ダイオード１５
のアノード端には上述した通り電源電圧Ｖｃｃによって
０.８Ｖの直流電圧が発生していることから、ダイオー
ド１５の端子間電圧ＶＤが０.４Ｖ〜０Ｖの範囲で変化
するので、ダイオード１５の端子間インピーダンスは高
インピーダンスに保たれる。
【００２０】一方、ダイオード１８は、接続中点Ａの電
圧の変化と共に、端子間電圧ＶＤが０Ｖ〜０.８Ｖの範
囲で変化しようとするが、図２を用いて説明したように
ＶＤ＞０.７Ｖを超えた範囲で端子間インピーダンスが
低下し、順方向電流が発生するので、端子間電圧ＶＤは
０Ｖ〜０.７Ｖの範囲内で変化することとなる。更に、
容量３を介して接続中点Ａに上記励振信号のマイナス半
サイクルの−０.４Ｖ電圧が供給された場合は、接続中
点Ａには電源電圧Ｖｃｃによる０.４Ｖの電圧にマイナ
ス半サイクルの０〜−０.４Ｖの電圧が畳重するので０
Ｖ〜０.４Ｖの範囲で変化する電圧が発生する。そして
ダイオード１８の端子間電圧ＶＤが接続中点Ａと接地間
の電圧に等しく、且つ、ＶＤ＝０.７Ｖ以下であるので
ダイオード１８の端子間インピーダンスは高い状態とな
る。
【００２１】一方、ダイオード１５の端子間は、端子間
電圧ＶＤが０Ｖ〜０.８Ｖの範囲で変化しようとする
が、図２を用いて説明したようにＶＤが０.７Ｖを超え
た範囲で端子間インピーダンスが低下し順方向電流が発
生するので、端子間電圧ＶＤは０Ｖ〜０.７Ｖの範囲で
変化することとなる。従って、励振信号の全サイクルに
亙ってダイオードの端子間電圧(接続中点Ａと接地間電
圧)がＶＤ＜０.７Ｖの範囲内に抑えられることから、接
続中点Ａ・接地間と並列接続されている容量９の端子間
電圧は０.７Ｖ以上に増加せず、これにより励振信号は
そのレベル増加分が現れないのでＶｓ＝０.４ＶP-P以下
のレベルの範囲内で発生し、更に、例えば励振信号の駆
動時最低レベルがＶｓ＝０.４ＶP-Pであれば一定の低レ
ベルの値に保たれる。
【００２２】即ち、コルピッツ型発振回路の発振ループ
利得は、容量８、９の両端子電圧に依存するので、容量
９の両端子電圧が制限されることは発振ループ利得が制
限されることになる。そして上記のような動作により、
発振ループ利得が一定に保たれると水晶振動子６は、所
要の低いレベルを保ち励振することができる。従って、
本発明に係る水晶発振器１は、水晶振動子２の駆動スト
レスを最小限に抑え、経年時特性が優れたものとなる。
【００２３】尚、上記の説明では、励振信号のレベルが
Ｖｓ＝０.４ＶP-Pに保たれるように設定した場合を用い
て本発明を説明したが、本発明はこれに限定するもので
はなく、上記リミッタ回路４の初期設定である電源電圧
Ｖｃｃによる接続中点Ａのバイアスをより高く設定すれ
ば励振信号のレベルを０.４ＶP-Pより低くに保つよう制
御することも可能であり、また、励振信号のレベルを
０.４ＶP-Pより高く設定する場合には、発振回路２より
リミッタ回路４へ供給される励振信号のレベルを予め高
く設定し、更に、設定した励振信号のレベルに見合うよ
う電源電圧Ｖｃｃによる接続中点Ａのバイアスを低く設
定すれば良い。
【００２４】更に、容量９の一端とリミッタ回路４とを
接続した構成を用いて本発明を説明したが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、図３に示すような回路構
成であっても構わない。以下、図３に示す本発明に基づ
く水晶発振器の他の実施例について説明する。同図に示
す水晶発振器１の特徴とする所は、リミッタ回路４と発
振用トランジスタ７のベースとを容量３を介し接続する
よう構成した点である。そしてこのような構成であって
も、上述したリミッタ回路４の制御により水晶振動子６
の励振信号のレベルを所要の値に保つことができる。
【００２５】即ち、リミッタ回路４内の接続中点Ａには
電源電圧Ｖｃｃに基づく直流電圧ＶＡに容量３を介して
発振ループから供給された励振信号の電圧ＶＢ（半サイ
クルのピーク値）が畳重したＶＡ＋ＶＢの電圧が発生す
る。この際、ＶＡとＶＢとの合成電圧が０.７Ｖ未満と
なるよう抵抗１６の値を適宜決定する。このような状態
から図１の水晶発振器の場合と同様、励振信号のレベル
がΔＶ増加すると、ダイオード１５、１８のインピーダ
ンスの低下と共に水晶振動子６の一端と接地間に於ける
インピーダンスが低下し、その結果、負荷容量が大きく
なるので励振信号のレベルが抑圧される。
【００２６】従って、水晶発振器１の最低励振信号のレ
ベルをＶＢとし、ＶＡとＶＢとの合成電圧が０.７Ｖと
なるよう回路を構成すれば水晶発振器１は常に最低励振
レベルで発振動作するので起動トレスが抑えられ優れた
経年時特性が得られる。更に、以上の説明では水晶発振
器を例にあげて本発明を説明したが、本発明はこれに限
定されるものではなく、水晶振動子以外のあらゆる圧電
振動素子を用いた圧電発振器に適用することができる。
【発明の効果】以上説明したように本発明に基づく水晶
発振器は、圧電振動子と、負荷容量と、リミッタ回路と
を備えた圧電発振器であって、リミッタ回路に圧電振動
子の励振信号を供給し、励振信号の変化に基づき前記リ
ミッター回路が前記負荷容量の端子間インピーダンスを
制御するよう構成したものであるので、単純な回路構成
であっても圧電振動子の励振信号レベルを所要の低い値
に保もつことが可能であり経年時特性に優れた水晶発振
器を安価に提供することができる。
【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】ダイオードの端子間電圧と順方向電流との関係
を示すものである。
【図３】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４】従来の水晶発振器の回路図を示すものである。
【符号の説明】
１、１００水晶発振器、２、１０１発振回路、３、５、
１３、１７、１９、１０２、１０５、１０８、１０９、
１１５、１１８、１１９容量、４リミッタ回路、６、１
０６水晶振動子、７、１０７トランジスタ、８、９負荷
容量、１０、１１、１２、１４、１６、１１０、１１
１、１１２、１１３、１１４、１２０、１２１、１２２
抵抗、１５、１８、１１６、１１７ダイオード、１０３
バッファ回路、１０４ＡＧＣ回路

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧電振動子と、負荷容量と、リミッタ回路
    とを備えた圧電発振器であって、前記リミッタ回路に前
    記圧電振動子の励振信号を供給し、該励振信号の変化に
    基づき前記リミッター回路が前記負荷容量の端子間イン
    ピーダンスを制御することにより前記励振信号のレベル
    を制御することを特徴とする圧電発振器。
  2. 【請求項２】前記リミッタ回路が２つのダイオードを電
    源から接地方向へ順方向となるよう直列接続した直列回
    路とこれに並列接続する容量とを備えたものであり、前
    記負荷容量の一端に前記２つのダイオードの接続中点を
    接続するよう構成したことを特徴とする請求項１記載の
    圧電振動子。
  3. 【請求項３】前記圧電振動子と接地との間に前記負荷容
    量を挿入接続すると共に、該負荷容量が直列接続した２
    つの分割容量を含み、前記リミッタ回路が、２つのダイ
    オードを電源から接地方向へ順方向に直列接続した直列
    回路とこれに並列接続する容量とを備えたものであり、
    前記２つの分割容量の接続中点と前記２つのダイオード
    の接続中点とを容量を介して接続するよう構成したこと
    を特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電振動
    子。
  4. 【請求項４】適宜バイアスされたエミッタに抵抗素子が
    接続されたトランジスタ回路と、そのベース・アース間
    に挿入された圧電振動子と、トランジスタのベース・エ
    ミッタ間及び前記エミッタ抵抗に並列に接続された２つ
    の分割容量とを含むコルピッツ回路に於いて、電源とア
    ース間に所要値の抵抗と２つのダイオードとを直列に挿
    入すると共に、該ダイオード直列回路を高周波的にバイ
    アスするコンデンサを備え、前記２つのダイオード接続
    点と前記トランジスタのエミッタとを購入的に接続した
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の圧電振動
    子。
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