JP2004187015A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】振動子電流を抑圧するクランプ回路の片方を増幅用トランジスタのベース・エミッタ間で代用することにより、部品点数を削減すると共に、振動子電流の抑圧と大きな出力レベルを得る圧電発振器を提供する。
【解決手段】このコルピッツ発振器は、発振用トランジスタＴＲ１、コンデンサＣ５とコンデンサＣ６、エミッタ抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４及び抵抗Ｒ５とから成るベースバイアス回路、圧電振動子Ｘｔａｌ、及びコンデンサＣ７からなるコルピッツ発振回路と、更に、発振用トランジスタＴＲ１のエミッタにコンデンサＣ４を介して増幅用トランジスタＴＲ２のベースと接続すると共に、ダイオードＤ１のカソードと接続してアノードを接地する。また、増幅用トランジスタＴＲ２のエミッタには抵抗Ｒ２とコンデンサＣ３の並列回路により接地されている。また、コレクタには抵抗Ｒ１を介して電源電圧Ｖｃｃラインと接続され、コレクタから出力を取り出す構成となっている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電発振器に関し、さらに詳しくは、クランプ回路により振動子電流を抑圧する圧電発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動体通信機器や伝送通信機器に対する小型化、高性能化の要請に伴い、これらの機器において周波数制御デバイスとして使用される水晶発振器等の圧電発振器に対しても、小型化、安定化が強く求められている。圧電発振器は、水晶振動子等の圧電振動子に対して、周波数調整回路、周波数温度補償回路等を含む発振回路を組み合わせた構成を備えている。また、圧電振動子は電気機械振動子であり、圧電振動子に流れる電流（以下、振動子電流と記す）が少ないことが経年変化等に対して高い信頼性を得ることにつながる。
図４は、従来のシリコントランジスタによるコルピッツ発振器の一例である。このコルピッツ発振器は、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コンデンサＣ１６とコンデンサＣ１７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Ｒ１６により接地する。更に、発振用トランジスタＴＲ１１のベースに抵抗Ｒ１７及び抵抗Ｒ１８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とコンデンサＣ１８の直列回路を挿入接続し、更に、発振用トランジスタＴＲ１１のコレクタに抵抗Ｒ１５を介して電源電圧Ｖｃｃラインと接続したものである。更に、発振用トランジスタＴＲ１１のエミッタにコンデンサＣ１５を介してダイオードＤ１１とＤ１２からなる逆接続並列回路を接地し、コレクタからコンデンサＣ１４を介してトランジスタＴＲ１２のベースに接続し、そのベースは抵抗Ｒ１３とＲ１４によりバイアスされる。また、トランジスタＴＲ１２のエミッタには抵抗Ｒ１２とコンデンサＣ１３の並列回路が接地されている。また、コレクタには抵抗Ｒ１１を介して電源電圧Ｖｃｃラインと接続され、コレクタから出力を取り出す構成となっている。この回路では、ダイオードＤ１１とＤ１２からなる逆接続並列回路で構成されるクランプ回路を付加して、発振用トランジスタＴＲ１１のエミッタ出力を抑圧することにより、振動子電流を抑圧している。
また、特開平１０−３３５９３７号公報には、前記図４のクランプ回路を圧電振動子Ｘｔａｌの出力側に挿入して、圧電振動子の振幅レベルをクランプして周波数可変範囲を広くする技術について開示されている。
【特許文献１】特開平１０−３３５９３７号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記図４の従来回路は、両方向のクランプを行うためにダイオードを２つ必要とし、しかも、発振用トランジスタＴＲ１１のコレクタから発振出力を取り出す構成のため、コレクタ抵抗Ｒ１５とカップリングコンデンサＣ１４を必要とし、更に、その信号を増幅するためにバイアス抵抗Ｒ１３、Ｒ１４等を必要とした。そのため、回路構成が複雑となり、その分、部品点数も多くなりコスト高になる問題があった。
また、特許文献１は、クランプ回路の目的が、高い周波数領域で適正な励振レベルと周波数可変幅を得るように回路定数を設定した集積回路を、低い発振周波数に用いた場合に、低い周波数で振幅レベルが極端に大きくなるのを抑圧して、適正な周波数可変幅を得るためである。従って、前記図４と同様に、回路構成が複雑となりコスト高になるといった同じ問題を抱えている。
本発明は、かかる課題に鑑み、振動子電流を抑圧するクランプ回路の片方を増幅用トランジスタのベース・エミッタ間で代用することにより、部品点数を削減すると共に、振動子電流の抑圧と大きな出力レベルを得る圧電発振器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と、該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トランジスタと、該発振用増幅トランジスタのベース・接地間に接続され負荷容量の一部となる合成コンデンサと、エミッタと接地間に挿入されたエミッタ抵抗と、を備えた圧電発振器であって、前記発振用増幅トランジスタのエミッタからの発振信号振幅を通過させるパスコンデンサと、該パスコンデンサからの発振信号の片方向をクランプするダイオードと、コレクタ抵抗及びエミッタ抵抗を有する増幅用トランジスタと、を更に備え、前記パスコンデンサの出力端を前記増幅用トランジスタのベースに接続すると共に、該ベースと前記ダイオードのカソードを接続してアノード側を接地し、前記増幅用トランジスタのコレクタから出力を得ることを特徴とする。
クランプ回路は、両方向の信号をクランプする必要がある。そのためには、一般的には２つのダイオードを逆向きに並列接続した回路を、コンデンサを介して発振用増幅トランジスタのエミッタと接地間に挿入接続する。また、発振用増幅トランジスタのコレクタと電源間に抵抗を挿入して、コレクタからカップリングコンデンサを介して出力を取り出し、更に増幅用トランジスタにより所定のレベルに増幅していた。しかし、この方法の場合、部品点数が多くコスト的に不利であった。そこで本発明では、クランプ回路の片方を増幅用トランジスタのベース・エミッタ間で代用してクランプ回路のダイオードを１つ削減し、更に、増幅用トランジスタをＣ級動作させてコレクタから出力を得ることにより、部品点数の削減と、振動子電流の抑圧することにより大きな出力レベルを得ている。
かかる発明によれば、クランプ回路の片方を増幅用トランジスタのベース・エミッタ間で代用し、増幅用トランジスタをＣ級動作させるので、部品点数の削減と、振動子電流の抑圧を同時に実現することができる。
【０００５】
請求項２は、前記ダイオード及び前記増幅用トランジスタのベース・エミッタ間により両方向のクランプ回路を形成することを特徴とする。
トランジスタのベース・エミッタ間は、電気的にダイオードと等価な回路である。従って、その特性を利用してベース側に逆向きのダイオード（ＮＰＮトランジスタとＰＮＰトランジスタにより向きが逆になる）を接地間に接続することにより、電気的に両方向のクランプ回路を形成することができる。
かかる発明によれば、増幅用トランジスタのベース・エミッタ間でクランプ回路の片方を代用するので、クランプ回路のダイオードを１つ削減することができる。
請求項３は、前記増幅用トランジスタのエミッタ抵抗の値を所定の値に設定して、該増幅用トランジスタをＣ級動作にて動作させることを特徴とする。
増幅用トランジスタの動作点は、ベースにバイアス電圧を印加しない場合、Ｃ級動作として働く。Ｃ級動作の場合、エミッタ抵抗の値により出力レベルが変化するので、振動子電流との兼ね合いにより決定する。
かかる発明によれば、増幅用トランジスタをＣ級動作させるので、出力レベルを効率良く取り出すことができる。
請求項４は、前記圧電振動子が水晶振動子であることを特徴とする。
かかる発明によれば、圧電振動子に水晶振動子を使用することにより、安価で、周波数安定度の高い発振器を実現することができる。
【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シリコントランジスタによるコルピッツ発振器の一例である。このコルピッツ発振器は、発振用トランジスタＴＲ１のベース・接地間に負荷容量の一部となるコンデンサＣ５とコンデンサＣ６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ＴＲ１のエミッタとを接続すると共に、エミッタ抵抗Ｒ３により接地する。更に、発振用トランジスタＴＲ１のベースに抵抗Ｒ４及び抵抗Ｒ５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・接地間に圧電振動子ＸｔａｌとコンデンサＣ７の直列回路を挿入接続し、更に、発振用トランジスタＴＲ１のコレクタを電源電圧Ｖｃｃラインと接続したものである。更に、発振用トランジスタＴＲ１のエミッタにコンデンサＣ４を介して増幅用トランジスタＴＲ２のベースと接続すると共に、ダイオードＤ１のカソードと接続してアノード側を接地する。また、増幅用トランジスタＴＲ２のエミッタは抵抗Ｒ２とコンデンサＣ３の並列回路により接地されている。また、コレクタには抵抗Ｒ１を介して電源電圧Ｖｃｃラインと接続され、コレクタから出力（ＯＵＴ）を取り出す構成となっている。
この回路では、発振用トランジスタＴＲ１のエミッタからカップリングコンデンサＣ４を通過した発振信号が、ダイオードＤ１によるクランプ回路と増幅用トランジスタＴＲ２のベース・エミッタ間で代用したクランプ回路により両方向の信号がクランプされ、振動子電流を抑圧する。つまり、圧電振動子Ｘｔａｌの励振レベルはダイオードＤ１及びＴＲ２のベース・エミッタ間によってクランプされる。したがって一定の励振レベルを越えるとダイオードＤ１及びＴＲ２のベース・エミッタ間が導通して、それ以上に励振レベルが大きくなることはない。それと共に増幅用トランジスタＴＲ２のエミッタ抵抗Ｒ２を所定の値に設定することにより、増幅用トランジスタＴＲ２がＣ級動作として働き、大きな出力レベルがコレクタから（ＯＵＴ）信号として取り出される。
次に図１のコルピッツ発振回路の各定数を以下のように設定する。
ＴＲ１、ＴＲ２：２ＳＣ３５８５、Ｃ１：０．１μＦ、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４：１０００ｐＦ、Ｃ５：６ｐＦ、Ｃ６：２０ｐＦ、Ｃ７：５ｐＦ、Ｒ１：１２０Ω、Ｒ２：可変抵抗、Ｒ３：１００Ω、Ｒ４、Ｒ５：１０ＫΩ、Ｘｔａｌ：１５６ＭＨｚ。
【０００７】
図２は、前記各定数に設定した場合の、可変抵抗Ｒ２に対する振動子電流と発振器の出力電圧の関係を表す図である。縦軸の左側に振動子電流（ｍＡ）、縦軸の右側に発振器の出力電圧（Ｖｐｐ）、横軸に可変抵抗Ｒ２の値（Ω）を示す。また、図中の特性グラフ１は振動子電流の変化であり、特性グラフ２は発振器の出力電圧の変化を表す。この図から、可変抵抗Ｒ２の増加に伴って特性グラフ１は徐々に増加し、特性グラフ２は略直線的に減少する。従って、可変抵抗Ｒ２をショート（０Ω）することにより、特性グラフ１から振動子電流は最小の１．３５ｍＡ（Ａ点）、特性グラフ２から発振器の出力電圧は、最大の５．２Ｖｐｐ（Ｂ点）を示すのがわかる。また、図示しないが、クランプ回路をＯＦＦ（可変抵抗Ｒ２を無限大）することにより、振動子電流２．２ｍＡを得る。
図３は、前記各定数を図２のように設定した場合の、可変抵抗Ｒ２と発振器の消費電流との関係を表す図である。縦軸に発振器の消費電流（ｍＡ）、横軸に可変抵抗Ｒ２の値（Ω）を示す。この図から明らかなように、可変抵抗Ｒ２の値を増加すると発振器の消費電流が漸減するのがわある。これは、図２から可変抵抗Ｒ２の値が増加するのに従って、振動子電流は増加するが、発振器の出力電圧が減少するため、当然増幅用トランジスタＴＲ２のコレクタに流れる電流が減少するためである。
以上のことから、本発明の回路では可変抵抗Ｒ２の値が０Ωのとき、振動子電流が最小になり、出力電圧が最大になる。しかし、発振器の消費電流は最大の３１ｍＡとなるが、この値は従来の発振回路に比べて少ないため、トータルでみた場合、本発明の回路は、振動子電流を減少して、且つ、発振器出力電圧を大きくし、しかも消費電流を従来回路に比べて減少できる。更に、クランプ回路の片方を増幅用トランジスタＴＲ２のベース・エミッタ間で代用してクランプ回路のダイオードを１つ削減し、増幅用トランジスタＴＲ２をＣ級動作させてコレクタから出力を得ることにより、部品点数の削減と、振動子電流を抑圧することにより大きな出力レベルを得ている。これにより、装置の小型化とコストダウンに寄与することができる。また、圧電振動子に水晶振動子を使用することにより、安価で、周波数安定度の高い発振器を実現することができる。
【０００８】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項１の発明によれば、クランプ回路の片方を増幅用トランジスタのベース・エミッタ間で代用し、増幅用トランジスタをＣ級動作させるので、部品点数の削減と、振動子電流の抑圧を同時に実現することができる。
また請求項２では、増幅用トランジスタのベース・エミッタ間でクランプ回路の片方を代用するので、クランプ回路のダイオードを１つ削減することができる。
また請求項３では、増幅用トランジスタをＣ級動作させるので、出力レベルを効率良く取り出すことができる。
また請求項４では、圧電振動子に水晶振動子を使用することにより、安価で、周波数安定度の高い発振器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るシリコントランジスタによるコルピッツ発振器の一例を表す図である。
【図２】本発明の可変抵抗Ｒ２に対する振動子電流と発振器の出力電圧の関係を表す図である。
【図３】本発明の可変抵抗Ｒ２と発振器の消費電流との関係を表す図である。
【図４】従来のシリコントランジスタによるコルピッツ発振器の一例を表す図である。
【符号の説明】
ＴＲ１ 発振用トランジスタ、ＴＲ２ 増幅用トランジスタ、Ｃ３〜Ｃ７ コンデンサ、Ｒ１〜Ｒ３ 抵抗、Ｘｔａｌ 圧電振動子

Claims (4)

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と、該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トランジスタと、該発振用増幅トランジスタのベース・接地間に接続され負荷容量の一部となる合成コンデンサと、エミッタと接地間に挿入されたエミッタ抵抗と、を備えた圧電発振器であって、
   前記発振用増幅トランジスタのエミッタからの発振信号を通過させるパスコンデンサと、該パスコンデンサからの発振信号振幅の片方向をクランプするダイオードと、コレクタ抵抗及びエミッタ抵抗を有する増幅用トランジスタと、を更に備え、
   前記パスコンデンサの出力端を前記増幅用トランジスタのベースに接続すると共に、該ベースと前記ダイオードのカソードを接続してアノード側を接地し、前記増幅用トランジスタのコレクタから出力を得ることを特徴とする圧電発振器。
2. 前記ダイオード及び前記増幅用トランジスタのベース・エミッタ間により両方向のクランプ回路を形成することを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
3. 前記増幅用トランジスタのエミッタ抵抗の値を所定の値に設定して、該増幅用トランジスタをＣ級動作にて動作させることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
4. 前記圧電振動子が水晶振動子である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。

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