JP2003060438A

JP2003060438A - 圧電発振器

Info

Publication number: JP2003060438A
Application number: JP2001246859A
Authority: JP
Inventors: Tomio Sato; 富雄佐藤
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Current assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2003-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】経年変化に対する周波数安定度に優れる小型圧
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有
し、前記発振用トランジスタのエミッタは抵抗と容量と
の並列回路を介して接地し、前記発振用トランジスタの
エミッタとコレクタとの間に容量を挿入接続し、前記発
振用トランジスタのベースと接地との間に前記圧電振動
子を挿入接続するよう構成したので、経年変化に対する
周波数安定度及び、負荷変動特性に優れる小型圧電発振
器を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、圧電発振器に関
し、特に、経年変化特性に優れた圧電発振器に関する。

【従来の技術】

【０００２】水晶振動子により代表される圧電発振器は
周波数安定度が高く、通信機器等の周波数信号源として
多様されているが、通信システムの高機能化に伴って、
経年変化に対する周波数安定化や高Ｃ／Ｎ化が要求され
ている。経年時変化に対し高い周波数安定度（以下、経
年変化特性と称する）を実現する為には、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
ることが有効である。その為、回路として例えば、図８
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。

【０００３】即ち、図８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。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の出力を
容量１０２を介し次段のバッファ回路１０３に供給する
と共に、該バッファ回路１０３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、ＡＧ
Ｃ回路１０４の出力を前記発振回路１０１の入力、即
ち、発振用トランジスタ１０７のベースにフィードバッ
クするよう構成したものである。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１１０を接続し、更に、この容量直列
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を介して前記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り、
発振出力は、前記バッファ回路１０３の出力から抵抗１
２３と容量１２４を介して導出される。一方、ＡＧＣ回
路１０４は、前記バッファ回路１０３の出力信号の一部
を抵抗１１４と容量１１５との直列回路を介して分岐
し、これをダイオード１１６のカソード端及びダイオー
ド１１７のアノード端に印加する。これらダイオードの
他方端は、容量１１８、容量１１９を介して個別に接地
され、更に、このダイオードの他方端同士は、抵抗１２
０を介して接続されており、ダイオード１１６のアノー
ド端を発振回路１０１の抵抗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】上記の構成の水晶発振器１００の動作につ
いて以下に説明するが、発振回路１０１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
るで説明を省略し、主としてＡＧＣ回路動作について説
明する。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、発振出力レベルに対応して抵
抗１２０の端子間にはダイオード１１６接続端が低電圧
となり、更に、ダイオード１１７と抵抗１２０との接続
側は、発振レベルに対応して高い電圧が加わる。従っ
て、抵抗１２０の両端にはダイオード１１６、１１７両
者の電位差に基づいて電流が流れ、電圧降下が大きくな
る。

【０００６】一方、抵抗１１２を介して発振用トランジ
スタ１０９のベースバイアスが供給されるので、結果的
に発振レベル増大に応じてベースバイアス電圧が小さく
なるので、発振レベルを低減する方向に変化する。その
結果、発振レベルに基づいて決定されるベース電流によ
り所定の一定レベルにて発振する。即ち、水晶振動子１
０６の励振信号のレベルが増加すると、ＡＧＣ回路１０
４に供給される励振信号のレベルが増加し、これに伴っ
て抵抗１２０の両端の電圧降下量が大きくなり、トラン
ジスタ１０７のベース電流が減少する。また、逆に発振
レベルが減少すると、抵抗１２０両端の電圧降下が小さ
くなる分、ベース電圧が大きくなるのでトランジスタ１
０７のゲインが増大し、発振レベルが増大し、常に一定
レベルを維持する。

【０００７】

【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
が複雑であり、使用する部品の数量が多数となることか
ら水晶発振器の大型化が避けられない上、消費電流の低
減に限界があった。

【０００８】本発明は圧電発振回路の上記諸問題を解決
する為になされたものであって経年変化特性に簡単な構
成によって水晶振動子に流れる電流を小さくすることに
よって優れ、小型化を企ると共に消費電流の低減をも可
能とした水晶発振器を提供することを目的としている。

【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有し、前記発振用トランジスタ
のエミッタは抵抗と容量との並列回路を介して接地し、
エミッタとコレクタとの間に容量を挿入接続し、ベース
と接地との間に前記圧電振動子を挿入接続すると共に、
出力をコレクタ負荷から導出したことを特徴とする。

【０００９】請求項２記載の発明は、圧電振動子と、発
振用トランジスタと、バッファ用トランジスタとを有
し、前記発振用トランジスタのエミッタは抵抗と容量と
の並列回路を介して接地し、該発振用トランジスタのベ
ースを圧電振動子を介して接地すると共に、前記バッフ
ァ用トランジスタは交流的にベース接地され、前記発振
用トランジスタと前記バッファ用トランジスタとは夫々
コレクタ・エミッタが順方向にカスコード接続されると
共に、夫々適宜ベースバイアス電圧が印加され、前記発
振用トランジスタのエミッタと前記バッファ用トランジ
スタのコレクタとの間に容量を挿入接続し、前記バッフ
ァ用トランジスタのコレクタと交流的に接地された電源
電圧ラインとの間に負荷回路を挿入接続するよう構成し
たことを特徴とする。

【００１０】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、バッファ用トランジスタとを有
し、前記発振用トランジスタのエミッタは抵抗と容量と
の並列回路を介して接地し、該発振用トランジスタのベ
ースを前記圧電振動子を介して接地すると共に、前記バ
ッファ用トランジスタは交流的にベース接地され、前記
発振用トランジスタと前期バッファ用トランジスタとを
夫々コレクタ・エミッタが順方向にカスコード接続し、
夫々適宜ベースバイアス電圧が印加され、前記バッファ
用トランジスタのコレクタと交流的に接地された電源電
圧ラインとの間に負荷回路を挿入接続し、前記発振用ト
ランジスタのエミッタと前記バッファ用トランジスタの
コレクタとの間に同調回路を挿入接続するよう構成し、
該同調回路のインピーダンスが発振周波数に於いて容量
性となるよう構成したことを特徴とする。

【００１１】請求項４記載の発明は、圧電振動子と、発
振用トランジスタとを有し、前記発振用トランジスタの
エミッタは抵抗と容量との並列回路を介して接地し、前
記発振用トランジスタのエミッタとコレクタとの間に容
量を挿入接続し、前記発振用トランジスタのベースと接
地との間に前記圧電振動子を挿入接続し、前記発振用ト
ランジスタのエミッタ抵抗と接地との間に同調回路を挿
入接続するよう構成したことを特徴とする。

【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。同図に示す水
晶発振器１は、発振用トランジスタ２のベースを容量３
と水晶振動子４との直列回路を介して接地すると共に、
そのエミッタと接地との間に負荷容量の一部を構成する
容量５と抵抗６との並列回路を挿入接続し、更に、コレ
クタとエミッタとの間に負荷容量の一部を構成する容量
７を挿入接続し、そのベースとコレクタとの間に抵抗８
及び抵抗９から成る直列回路（ベースバイアス回路）を
介して適宜ベースバイアス電圧を印加するよう接続す
る。

【００１２】尚、このバイアス抵抗直列回路の接続中点
と接地との間にバイパスコンデンサ用の容量１０を挿入
接続したが、これは出力端に接続される負荷の発振ルー
プに対する影響を軽減する他、ノイズ除去の効果もあ
る。更に、電源電圧Vccラインは、バイパスコンデンサ
１１を介して交流的に接地すると共に、抵抗１２を介し
て前記トランジスタ２のコレクタと接続し、該トランジ
スタ２のコレクタから発振器出力端（OUT）とを直流カ
ット用の容量１３を介して導出したものである。図１に
示した回路の特徴は、前記図８に示した従来のコルピッ
ツ型発振回路と比較すれば、明らかな通り、発振用トラ
ンジスタ１０７のベース・エミッタ間に接続した容量１
０８を削除し（図８）、代わりにコレクタ・エミッタ間
に容量７（図１）を挿入した点である。

【００１３】従来、コルピッツ型発振回路では、発振用
トランジスタのベース・エミッタ間とエミッタ・接地間
に２つの容量を接続するのが常識であって、本発明のよ
うにベース・エミッタ間に容量を接続しない発振回路は
存在しなかった。発明者は種々のシミュレーションや実
験を繰り返した結果、図１に示す構成において、コレク
タ・エミッタ間に所要値の容量を接続することによっ
て、従来のコルピッツ型発振回路と同様に充分な発振出
力を得ると共に、更に、以下に説明する如く極めて優れ
た効果があることを見出した。尚、図１に示す回路定数
を示せば、発振周波数を１０MHzとして、電源電圧Vcc＝
５V、容量３＝１００pF、容量５＝１００pF、抵抗６＝
３３０Ω、容量７＝３００pF、抵抗８＝１０kΩ、抵抗
９＝１０kΩ、１０、１１はバイパスコンデンサ（０.１
μF）、抵抗１２＝３９０Ωである。

【００１４】この構成に於いては、種々実験によれば、
水晶振動子４に流れる電流Ixが極めて小さい場合であっ
ても、トランジスタ２のコレクタ・エミッタ電流は、Ix
のhfe倍となり、充分な発振出力が得られないことが判
明した。即ち、図８に示す従来のコルピッツ型発振回路
では、水晶振動子１０６に流れる電流Ixは容量１０８、
１０９の直流回路とトランジスタ１０７のベースとに分
流し、ベースに流れた電流のhfe倍がコレクタ・エミッ
タ電流となるのであるが、発振を持続する為の正帰還は
エミッタ抵抗１１１の両端に生ずる発振信号振幅電圧に
基づくものである。そして、このような従来のコルピッ
ツ型発振回路に於いては、充分な発振出力を得る為には
水晶振動子１０６に相当の電流を流す必要がある。その
結果、基本的に発振用トランジスタは出力波形が矩形波
となる飽和状態で使用することになる。

【００１５】これに対し、図１に示す本発明によれば、
トランジスタ２のベース・エミッタ間に外付け容量が無
いので、水晶振動子４に流れる電流は全て、その電流増
幅率hfe倍のコレクタ・エミッタ電流が流れる。即ち、
コレクタ・エミッタ電流のhfe分の一の電流で済むこと
になる。このように水晶振動子に流れる電流を少なくす
ることは発振器の経年変化に対する周波数変動を小さく
できるが、更に、C/Nを大幅に向上することが可能とな
る。尚、コレクタ・エミッタ間に挿入する容量の値は、
他の回路定数や、発振周波数に応じて適切な値がある。

【００１６】図２は、本発明の他の実施例を示す回路図
である。この実施例は前記図１に示した基本的な回路に
バッファアンプ用トランジスタ１４をカスコード接続
し、そのベースをバイパスコンデンサ１０にて交流的に
接地し、発振出力をバッファアンプ用トランジスタ１４
のコレクタから導出したものである。尚、この例におい
て、容量７をバッファ用トランジスタ１４のコレクタ
と、発振用トランジスタ２のエミッタ間に接続したが、
図１と同様にトランジスタ２のコレクタ・エミッタ間に
接続しても発振は可能であろう。

【００１７】尚、図１の例においても同様であるが、ト
ランジスタ２及びトランジスタ１４のベースバイアス回
路は、コレクタ・ベース間に抵抗を接続した自己バイア
ス型であるので、例えば温度上昇に伴いトランジスタの
ベース・エミッタ間電位が低下し、これの基づきコレク
タ抵抗１２の端子間電位が増加してトランジスタのコレ
クタ電流が増加し、コレクタ抵抗による電圧降下が大き
くなた場合、抵抗９及び抵抗８を流れるベースバイアス
電流が減少し、結局、コレクタ電流を所要の値まで減少
させるように機能し、トランジスタ２、１４の増幅率が
一定値に制御される。

【００１８】そして上述の制御により、水晶振動子４が
低い励振レベルにて持続動作することができるので、長
期に亙り水晶振動子４に生じる動作時の機械的ストレス
が最小限に抑圧され、この結果、従来の場合と比較して
少数の構成部品にて優れた経年特性を有した水晶発振器
１−２を得ることができる。そして、更に、トランジス
タ２とトランジスタ１４とをカスコード接続し、両トラ
ンジスタを跨いで容量７を接続したので、ミラー効果の
影響が軽減され、従って、水晶振動子４からみた増幅回
路側の容量が大きくならず、高い周波信号に於ける発振
が容易となる。尚、トランジスタ１４のコレクタより容
量１４を介しトランジスタ２のエミッタに供給される交
流信号のみの制御により充分水晶振動子４の励振信号を
低レベルに抑圧可能である場合、図３に示す構成の水晶
発振器１−３であっても構わない。

【００１９】即ち、図３は、本発明に基づく水晶発振器
の他の実施例を示す回路図である。同図に示す水晶発振
器１−３が上述した水晶発振器の構成と違なる点は、ト
ランジスタ２及びトランジスタ１４のベースバイアスの
構成にあり、電源電圧Vccラインとトランジスタ１４の
ベースに抵抗８を接続し、トランジスタ２のベースとト
ランジスタ１４のベースとを抵抗９を介し接続し、更
に、トランジスタ２のベースと接地との間に抵抗１５を
挿入接続したものである。更に、図４は本発明に基づく
水晶発振器の他の実施例を示す回路図である。同図に示
す水晶発振器１−４は、コレクタ抵抗１２の代わりに、
容量１６及びコイル１７とから成る同調回路を用いたと
ころに有り、同調回路の共振周波数を発振周波数に設定
すると共に、出力信号をコイル１７とトランスを構成す
るコイル１８を用いて誘導効果にて得るよう構成したも
のである。

【００２０】図５は、本発明に基づく水晶発振器の他の
実施例を示す回路図である。同図に示す水晶発振器１−
５が特徴とする点は、容量７とコイル１９とから成る同
調回路２０をトランジスタ２のエミッタとトランジスタ
１４のコレクタ間に挿入接続したところである。この
際、容量７の値及びコイル１９の値は、水晶発振器の出
力周波数に於いて、同調回路２０のインピーダンスが僅
かに容量性となるように設定する。

【００２１】この例では、水晶発振器１−５の場合、上
述した構成の同調回路２０を備えたことにより、発振周
波数の前後の周波数帯における発振器回路の負性抵抗の
変化率が緩やかなものとなり、例えば温度変化の要因に
よって発振周波数が変動した場合の発振信号レベルの変
動幅を小さく抑圧させることができる。即ち、例えば発
振周波数10MHzに対し、容量７を300pF、コイル１４を1
μHとして、その共振周波数を約９.２MHzに設定すれば
同調回路１５のインピーダンス特性は、図６（ａ）に示
す実線Ａの如く共振周波数以下ではインダクタンス成
分、発振周波数近辺では僅かに容量成分となる。そし
て、水晶発振器１に於ける負性抵抗は、図６（ｂ）に示
す実線Ａの如く発振周波数近辺では帰還容量が僅かであ
るので帰還電流を制限するよう働き、その結果、負性抵
抗の値が必要以上に発生しないので、従来のものと比較
して緩やかな変化率を呈する。従って、例え、周波数が
変動しても発振条件が急激に変化することが無いので、
水晶振動子２の励振信号レベルが急激に増加することや
異常発振を生ずることがない。

【００２２】図７は本発明の更に他の実施例を示すもの
で、コイル２１と容量２２との並列回路からなる同調回
路をトランジスタ２のエミッタ抵抗６と接地との間に挿
入接続するよう構成した水晶発振器１−６であっても上
述した効果が得られる。

【００２３】尚、本発明を水晶振動子を用いて説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、SAW共振
子、セラミック振動子、または、水晶以外の圧電結晶材
料を用いた圧電振動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圧電
発振器は、圧電振動子と、発振用トランジスタとを有
し、前記発振用トランジスタのエミッタは抵抗と容量と
の並列回路を介して接地し、前記発振用トランジスタの
エミッタとコレクタとの間に容量を挿入接続し、前記発
振用トランジスタのベースと接地との間に前記圧電振動
子を挿入接続するよう構成したので、圧電振動子に流れ
る電流を小さくしても充分な発振出力を得ることがで
き、経年変化に対する周波数安定度に優れ、しかもC/N
を改善した圧電発振器を実現する上で著効を奏する。

【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を示す回
路図である。

【図２】本発明に基づく水晶発振器の他の実施例を示す
回路図である。

【図３】本発明に基づく水晶発振器の他の実施例を示す
回路図である。

【図４】本発明に基づく水晶発振器の他の実施例を示す
回路図である。

【図５】本発明に基づく水晶発振器の他の実施例を示す
回路図である。

【図６】（ａ）本発明に基づく水晶発振器に備えた同調
回路の容量・周波数徳性を示すものである。（ｂ）本発
明に基づく水晶発振器の負性抵抗・周波数特性を示すも
のである。

【図７】本発明に基づく水晶発振器の他の実施例を示す
回路図である。

【図８】従来の水晶発振器を示す回路図である。

【符号の説明】

１、１−２、１−３、１−４、１−５水晶発振器、２、
１４トランジスタ、３、５、７、１０、１１、１３、１
６、２２容量、４水晶振動子、６、８、９、１２、１５
抵抗、１７、１８、１９、２１コイル、２０同調回路、
１００水晶発振器、１０１トランジスタ、１０２、１０
４、１０６、１１０、１１１容量、１０３水晶振動子、
１０５、１０７、１０８、１０９抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電振動子と、発振用トランジスタとを有
し、前記発振用トランジスタのエミッタは抵抗と容量と
の並列回路を介して接地し、エミッタとコレクタとの間
に容量を挿入接続し、ベースと接地との間に前記圧電振
動子を挿入接続すると共に、出力をコレクタ負荷から導
出したことを特徴とする圧電発振器。
【請求項２】圧電振動子と、発振用トランジスタと、バ
ッファ用トランジスタとを有し、前記発振用トランジス
タのエミッタは抵抗と容量との並列回路を介して接地
し、該発振用トランジスタのベースを圧電振動子を介し
て接地すると共に、前記バッファ用トランジスタは交流
的にベース接地され、前記発振用トランジスタと前記バ
ッファ用トランジスタとは夫々コレクタ・エミッタが順
方向にカスコード接続されると共に、夫々適宜ベースバ
イアス電圧が印加され、前記発振用トランジスタのエミ
ッタと前記バッファ用トランジスタのコレクタとの間に
容量を挿入接続し、前記バッファ用トランジスタのコレ
クタと交流的に接地された電源電圧ラインとの間に負荷
回路を挿入接続するよう構成したことを特徴とする圧電
発振器。
【請求項３】圧電振動子と、発振用トランジスタと、バ
ッファ用トランジスタとを有し、前記発振用トランジス
タのエミッタは抵抗と容量との並列回路を介して接地
し、該発振用トランジスタのベースを前記圧電振動子を
介して接地すると共に、前記バッファ用トランジスタは
交流的にベース接地され、前記発振用トランジスタと前
期バッファ用トランジスタとを夫々コレクタ・エミッタ
が順方向にカスコード接続し、夫々適宜ベースバイアス
電圧が印加され、前記バッファ用トランジスタのコレク
タと交流的に接地された電源電圧ラインとの間に負荷回
路を挿入接続し、前記発振用トランジスタのエミッタと
前記バッファ用トランジスタのコレクタとの間に同調回
路を挿入接続するよう構成し、該同調回路のインピーダ
ンスが発振周波数に於いて容量性となるよう構成したこ
とを特徴とする圧電発振器。
【請求項４】圧電振動子と、発振用トランジスタとを有
し、前記発振用トランジスタのエミッタは抵抗と容量と
の並列回路を介して接地し、前記発振用トランジスタの
エミッタとコレクタとの間に容量を挿入接続し、前記発
振用トランジスタのベースと接地との間に前記圧電振動
子を挿入接続し、前記発振用トランジスタのエミッタ抵
抗と接地との間に同調回路を挿入接続するよう構成した
ことを特徴とする圧電発振器。