JP2004048630A - 圧電発振器の逓倍回路 - Google Patents

Abstract

【課題】充分な波形歪みによる優れたスプリアス特性を有する逓倍回路を提供する。
【解決手段】発振用トランジスタＴＲ１のベースに容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２との直列回路をトランジスタＴＲ２のエミッタに接続し、この直列回路の接続中点Ｄと発振用トランジスタＴＲ１のエミッタとを接続すると共に、エミッタ抵抗Ｒ３を接続する。更に、発振用トランジスタＴＲ１のベースに抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２とから成るベースバイアス回路を接続すると共に、発振用トランジスタＴＲ１のベースに圧電振動子Ｘｔａｌと容量素子Ｃ３の直列回路をトランジスタＴＲ２のエミッタに接続する。また、トランジスタＴＲ２のコレクタにインダクタＬ１と直列接続した容量素子Ｃ５，Ｃ６からなる高調波同調回路を接続し、同じくベースに抵抗Ｒ４から成るベースバイアス回路を接続すると共に、容量素子Ｃ４によりベースを接地し、エミッタにエミッタ抵抗Ｒ５を接続したものである。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電発振器の逓倍回路に関し、さらに詳しくは、高調波による逓倍回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周波数を逓倍する方法には各種あるが、最も一般的な方法は、発振波形を故意に歪ませて、その歪み波形に含まれる高調波成分から希望する周波数に同調させて取り出す方法である。この方法は波形を故意に歪ませるために発振回路の振動子に流す電流（以下、振動子電流と記す）を極力大きくする必要があり、振動子に大きな機械的ストレスが加わることから、発振周波数の飛びや振動子の信頼性の点で問題があった。
図１１は、従来のコルピッツ発振回路による逓倍回路の回路図である。この逓倍回路は、発振用トランジスタＴＲ１１のベース・接地間に負荷容量の一部となる容量素子Ｃ１１と容量素子Ｃ１２との直列回路を挿入接続し、この直列回路の接続中点と発振用トランジスタＴＲ１１のエミッタとを接続すると共に、エミッタ抵抗Ｒ１４を接続する。更に、発振用トランジスタＴＲ１１のベースに抵抗Ｒ１２及び抵抗Ｒ１３とから成るベースバイアス回路を接続すると共に、発振用トランジスタＴＲ１１のベース・接地間に圧電振動子Ｘｔａｌと容量素子Ｃ１３の直列回路を挿入接続し、更に、発振用トランジスタＴＲ１１のコレクタにカスケード接続したトランジスタＴＲ１２を接続し、トランジスタＴＲ１２のコレクタにインダクタＬ１１と並列接続した容量素子Ｃ１５、Ｃ１６からなる高調波同調回路を接続し、同じくベースに抵抗Ｒ１１から成るベースバイアス回路を接続すると共に、容量素子Ｃ１４によりベースを接地したものである。
この回路では、トランジスタＴＲ１１によるコルピッツ発振回路にＴＲ１２のベース接地増幅・逓倍回路を付加し、インダクタＬ１１と並列接続した容量素子Ｃ１５、Ｃ１６からなる高調波同調回路により所望の周波数信号成分を選択的に発振させ出力を得る構成である。
また、振動子電流の増加を抑えた従来技術として、実開平６−５２２１９号公報には、逓倍型の圧電発振器に電気的に周波数を可変できる回路を付加して、高い周波数でしかも周波数可変幅の広い発振器を簡易に実現する方法について開示されている。それによると、圧電振動子を用いた発振回路のコレクタ側にＬＣ同調回路を接続して、前記発振回路の発振周波数を逓倍して出力する逓倍型の圧電発振器の発振回路に電気的に発振周波数を可変する回路を付加することによって、高い周波数でしかも周波数の可変幅の広い逓倍型の発振器を簡易に実現するとしている。
【特許文献１】実開平６−５２２１９号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、図１１の従来回路では、トランジスタＴＲ１２で充分に波形を歪ませて高調波を発生させるために、トランジスタＴＲ１１を飽和動作させ発振段の発振レベルを強くする必要から、振動子電流を大きくしなければならなかった。
本発明は、かかる課題に鑑み、振動子電流を抑圧しながら充分な波形歪みによる優れたスプリアス特性を有する逓倍回路を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、所定の周波数で励振される圧電素子を備えた圧電振動子、及び前記圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる発振用増幅器とを有するコルピッツ発振回路と、該コルピッツ発振回路の発振波形に含まれる高調波に同調する同調回路と、を備えた逓倍回路であって、前記コルピッツ発振回路の容量素子及び前記圧電素子側容量素子の接地側を互いに接続し、該接続点を低入力インピーダンス増幅器の入力端子に接続し、該低入力インピーダンス増幅器の出力側に前記同調回路を設けたことを特徴とする。
発振周波数を逓倍するためには、発振波形からできるだけ高次の高調波が大きなレベルで取り出せることが好ましい。それには、歪み波形を極力多くの高調波が含むように急峻な波形とすることが必要である。しかし、それに伴って振動子電流が増加しては従来の課題を解決することはできない。そこで、本発明ではコルピッツ発振回路の容量素子と圧電素子側容量素子の波形の位相が１８０°異なることを利用して、その波形を合成して急峻な波形を生成し、その波形を低インピーダンス増幅器で増幅して希望の周波数に同調させて取り出す。
かかる発明によれば、発振回路の容量素子と圧電素子側容量素子の波形を合成して増幅するので、振動子電流を増加することなしに急峻な波形を生成することができ、高いレベルの逓倍周波数を取り出すことができる。
請求項２は、前記低インピーダンス増幅器は、増幅用トランジスタと、該トランジスタのベースを所定の電位でバイアスするバイアス抵抗器と、エミッタと接地間に接続されたエミッタ抵抗器と、を備え、前記ベースと接地間に容量素子を挿入してベース接地増幅回路を形成したことを特徴とする。
トランジスタのベースを容量素子を介して接地することにより、ベース接地増幅回路を構成することができる。この回路は高周波特性に優れ、入力インピーダンスが低く出力インピーダンスが高く構成でき、電圧利得を大きくとることができる。
かかる発明によれば、歪み波形をベース接地型低インピーダンス増幅器により増幅するので、高周波特性に優れ、電圧利得を大きくとることができる。
【０００５】
請求項３は、前記同調回路は、前記低インピーダンス増幅器のコレクタ側に接続されていることを特徴とする。
従来の逓倍回路は、高周波特性を良くするために、２つのトランジスタをカスケード接続し、一方のトランジスタのコレクタ側に同調回路を接続して出力を取り出していた。本発明では、カスケード接続せず、一方のトランジスタは歪み波形の増幅用として独立に構成し、そのコレクタに流れる歪み波形に同調するように同調回路を挿入して構成される。
かかる発明によれば、低インピーダンス増幅器が歪み波形の増幅用として独立に構成され、そのコレクタに同調回路が接続されているので、振動子電流を増加することなく高いレベルの逓倍波を取り出すことができる。
請求項４は、前記コルピッツ発振回路の位相の異なる励振信号を合成することにより、前記励振信号の波形を歪ませ、該歪み信号に含まれる高調波を取り出すことを特徴とする。
発振波形を歪ませるには、振動子電流を可能な限り多くする必要があった。しかし、振動子電流を増加させると振動子の寿命の問題が発生するので、本発明では他の方法として、発振波形の位相がずれた波形を２種類合成することにより、波形を急峻にする方法を採用した。この急峻な波形には高次の高調波スプリアスが含まれることが知られている。
かかる発明によれば、コルピッツ発振回路の位相の異なる発振波形を合成するので、歪み波形の立ち上がりが急峻となり、高次の高調波を高いレベルで生成することができる。
請求項５は、前記コルピッツ発振回路の容量素子及び前記圧電素子側容量素子の接地側の発振波形は、互いに略１８０°位相が異なる波形であることを特徴とする。
２種類の波形の位相が最も異なるのはお互いの波形が１８０°の位相差がある場合である。しかも、その合成波形がパルス状になることが好ましい。
かかる発明によれば、互いに略１８０°位相が異なる波形を合成するので、容易にパルス状の波形を生成することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る逓倍回路を備えた発振回路の回路図である。同図に示す逓倍回路は、発振用トランジスタＴＲ１のベースとトランジスタＴＲ２のエミッタとの間に負荷容量の一部となる容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２との直列回路を挿入接続し、この直列回路の接続中点Ｄと発振用トランジスタＴＲ１のエミッタとを接続すると共に、接続中点Ｄにエミッタ抵抗Ｒ３を接続する。更に、発振用トランジスタＴＲ１のベースに抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２とから成るベースバイアス回路を接続すると共に、発振用トランジスタＴＲ１のベースとトランジスタＴＲ２のエミッタとの間に圧電振動子Ｘｔａｌと容量素子Ｃ３との直列回路を挿入接続する。また、トランジスタＴＲ２のコレクタには容量素子Ｃ５及びＣ６からなる直列回路とインダクタＬ１との並列回路である高調波同調回路２２を接続し、トランジスタＴＲ２のベースと接地との間に抵抗Ｒ４から成るベースバイアス回路を接続すると共に、容量素子Ｃ４によりトランジスタＴＲ２のベースを交流的に接地し、トランジスタＴＲ２のエミッタにエミッタ抵抗Ｒ５を接続したものである。そして、出力信号は容量素子Ｃ５、Ｃ６の接続中点Ｅから取り出す構成とした。また、パス容量素子Ｃ７、Ｃ８がＶｃｃと接地間に接続されている。
【０００７】
次に、図１を参照して本実施形態に係るコルピッツ発振回路による逓倍回路の概略動作について説明する。発振用トランジスタＴＲ１、容量素子Ｃ１、Ｃ２、圧電振動子Ｘｔａｌ、容量素子Ｃ３、エミッタ抵抗Ｒ３、及び抵抗Ｒ１、Ｒ２とから成るベースバイアス回路で構成されるエリアがコルピッツ発振回路２０を示す。また、トランジスタＴＲ２、抵抗Ｒ４、Ｒ５、容量素子Ｃ４がベース接地増幅回路２１を示す。尚、高調波同調回路２２はＬ１、Ｃ５、Ｃ６の値を適宜決定することにより、希望する周波数に同調させることができる。コルピッツ発振回路２０の動作は周知であるので、ここでは説明を省略する。先ず、コルピッツ発振回路２０の容量素子Ｃ２からトランジスタＴＲ２へ供給される信号電流の位相と、容量素子Ｃ３からトランジスタＴＲ２へ供給される信号電流の位相とにずれがあるため、これら信号電流合成信号であるトランジスタＴＲ２のエミッタに供給される電流波形は歪んだものとなる。そして、その歪み信号がトランジスタＴＲ２のコレクタから、高調波同調回路２２に供給されるので、高調波同調回路２２により選択された所望の周波数成分信号のみがＯＵＴ端子から出力される。
次に、図２は、図１の実施形態の回路の各部品の定数を決定した実施回路である。この実施回路では、Ｃ１＝５１ｐＦ、Ｃ２＝２００ｐＦ、Ｃ３＝１００ｐＦ、Ｃ４、Ｃ８＝０．１μＦ、Ｃ５、Ｃ６＝１２０ｐＦ、Ｃ７＝１０μＦ、Ｌ１＝１μＨ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３＝１０ＫΩ、Ｒ４＝３９０Ω、Ｒ５＝３３０Ω、ＴＲ１、ＴＲ２＝２ＳＣ３７３２、Ｘｔａｌ＝１０ＭＨｚとして構成している。
【０００８】
先ず、本発明の逓倍回路の動作を更に詳細に説明するために、図３に示す一般的なコルピッツ発振回路を用いて説明する。同図に示すように、トランジスタＴＲ２１のエミッタ側の容量素子Ｃ２２とグランド間に低インピーダンスとして容量素子Ｃａ（６９０ｐＦ）の擬似負荷を挿入すると共に、振動子側容量素子Ｃ２３とグランド間に同様に低インピーダンスとして容量素子Ｃｂ（６９０ｐＦ）の擬似負荷を挿入する。この状態でＡ点とＢ点の波形を実測する。
図４（ａ）は図３のＡ点に発生した電圧信号の波形であり、（ｂ）は図３のＢ点に発生した電圧信号の波形である。この図から明らかなように（ａ）、（ｂ）信号の波形は異なり、更に位相がほぼ１８０°ずれたものであることが解る。ここから、図３のＡ点とＢ点を接続する（本発明に基づく発振回路の構成）ことにより、Ａ点とＢ点に発生した信号が重畳するので、位相のずれ及び波形の非完全比対称性により波形が充分に歪んだ電流（電圧）信号が発生することができる。即ち、図５は図２のＣ点の波形を示す図である。この波形から明らかなように、波形が急峻に立ち上がるよう大きく歪んだ電流信号をトランジスタＴＲ２による低インピーダンスのベース接地増幅器に供給する。このときのスプリアス特性を図６に示す。図６は横軸に周波数、縦軸にレベルを示す。この図から、基本波（１０ＭＨｚ）のスプリアス５に比較して、２逓倍波（２０ＭＨｚ）６と３逓倍波（３０ＭＨｚ）７が、ほぼ同等レベルで発生していることがわかる。従って、この周波数の何れかに同調するよう高周波同調回路を設定することにより、基本波と同等レベルの逓倍波が容易に生成することが可能であることを示している。また、その他の逓倍波も基本波に対して１５ｄＢほどの減衰レベルで生成されていることがわかる。
【０００９】
図７は図１の同調回路２２の同調周波数を２逓倍（２０ＭＨｚ）に設定した場合の出力波形である。このように、歪みの少ない信号を出力することが可能である。その裏づけとして図７の波形のスプリアス図を測定した結果が図８である。
これから明らかなように、１段の同調回路で基本波（２０ＭＨｚ）８のレベルに対して１次高調波（３０ＭＨｚ）、３次高調波（５０ＭＨｚ）に対して、３０ｄＢ以上のスプリアスを得ることができる。
図９は図１の同調回路２２の同調周波数を３逓倍（３０ＭＨｚ）に設定した場合の出力波形である。このように、歪みの少ない信号を出力することが可能である。その裏づけとして図９の波形のスプリアス図を測定した結果が図１０である。これから明らかなように、１段の同調回路で基本波（３０ＭＨｚ）１２のレベルに対して１次高調波（４０ＭＨｚ）、２次高調波（５０ＭＨｚ）に対して、２０ｄＢ弱のスプリアスを得ることができる。
以上のように、発振周波数を逓倍するために本発明では、コルピッツ発振回路側に発生した周波数信号と発振回路側接続端とは別側の圧電素子の一端に発生した周波数信号の波形の位相が１８０°異なることを利用して、これら周波数信号を合成して急峻な波形（歪みの大きな）信号を生成し、その信号を低インピーダンス増幅器で増幅した後、希望の周波数のみを同調回路により選択的に取り出すようにしたものであり、実測結果からも同調回路１段で、レベルの大きな逓倍波を生成することが実証できた。また、その逓倍波のスプリアスは、基本波に対して高調波のレベルが低く、波形品質の高い信号が取り出せることが判明した。
また、同調回路のトランジスタのベースを容量素子を介して接地することにより、ベース接地増幅回路を構成することができるため、高周波特性に優れ、入力インピーダンスが低く出力インピーダンスが高く構成でき、電圧利得を大きくとることができる。
【００１０】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項１の発明によれば、発振回路の容量素子と圧電素子側容量素子の波形を合成して増幅するので、振動子電流を増加することなしに急峻な波形を生成することができ、高いレベルの逓倍周波数を取り出すことができる。
また請求項２では、歪み波形をベース接地型低インピーダンス増幅器により増幅するので、高周波特性に優れ、電圧利得を大きくとることができる。
また請求項３では、低インピーダンス増幅器が歪み波形の増幅用として独立に構成され、そのコレクタに同調回路が接続されているので、振動子電流を増加することなく高いレベルの逓倍波を取り出すことができる。
また請求項４では、コルピッツ発振回路の位相の異なる発振波形を合成するので、歪み波形の立ち上がりが急峻となり、高次の高調波を高いレベルで生成することができる。
また請求項５では、互いに略１８０°位相が異なる波形を合成するので、容易にパルス状の波形を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るコルピッツ発振による逓倍回路の回路図である。
【図２】本発明の実施形態の各部品の定数を決定した実施回路である。
【図３】本発明の逓倍回路の動作を更に詳細に説明するための説明図である。
【図４】本発明の図３のＡ、Ｂ点の波形を示す図である。
【図５】本発明の図２のＣ点の波形を示す図である。
【図６】本発明のベース波形のスプリアス図である。
【図７】本発明の２逓倍出力波形の図である。
【図８】本発明の２逓倍出力波形のスプリアス図である。
【図９】本発明の３逓倍出力波形の図である。
【図１０】本発明の３逓倍出力波形のスプリアス図である。
【図１１】従来のコルピッツ発振による逓倍回路の回路図である。
【符号の説明】
ＴＲ１　発振用トランジスタ、ＴＲ２　トランジスタ、Ｒ３　エミッタ抵抗、Ｒ１、Ｒ２　バイアス抵抗、Ｒ４　Ｒ５　エミッタ抵抗、ベースに抵抗、Ｘｔａｌ　圧電振動子、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６　容量素子、Ｌ１　インダクタ

Claims (5)

1. 所定の周波数で励振される圧電素子を備えた圧電振動子、及び前記圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる発振用増幅器とを有するコルピッツ発振回路と、該コルピッツ発振回路の発振波形に含まれる高調波に同調する同調回路と、を備えた逓倍回路であって、
   前記コルピッツ発振回路の容量素子及び前記圧電素子側容量素子の接地側を互いに接続し、該接続点を低入力インピーダンス増幅器の入力端子に接続し、該低入力インピーダンス増幅器の出力側に前記同調回路を設けたことを特徴とする圧電発振器の逓倍回路。
2. 前記低インピーダンス増幅器は、増幅用トランジスタと、該トランジスタのベースを所定の電位でバイアスするバイアス抵抗器と、エミッタと接地間に接続されたエミッタ抵抗器と、を備え、前記ベースと接地間に容量素子を挿入してベース接地増幅回路を形成したことを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器の逓倍回路。
3. 前記同調回路は、前記低インピーダンス増幅器のコレクタ側に接続されていることを特徴とする請求項１、又は２に記載の圧電発振器の逓倍回路。
4. 前記コルピッツ発振回路の位相の異なる励振信号を合成することにより、前記励振信号の波形を歪ませ、該歪み信号に含まれる高調波を取り出すことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電発振器の逓倍回路。
5. 前記コルピッツ発振回路の容量素子及び前記圧電素子側容量素子の接地側の発振信号は、互いに略１８０°位相が異なる信号であることを特徴とする請求項１又は４に記載の圧電発振器の逓倍回路。

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