JP2004328257A

JP2004328257A - ピアース型圧電発振器

Info

Publication number: JP2004328257A
Application number: JP2003118795A
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: 2003-04-23
Filing date: 2003-04-23
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】周波数安定度及び発振動作特性に優れた圧電発振器を提供する。。
【解決手段】発振用トランジスタのベース・コレクタ間に圧電振動子を挿入接続し、前記発振用トランジスタのベース・接地間に分割容量を接続し、該分割容量の接続中点を前記発振用トランジスタのエミッタとエミッタ抵抗との接続点に接続し、前記発振用トランジスタのコレクタ・電源間に容量性負荷を挿入接続した構成を有するよう構成する。
【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、安定な発振動作及び周波数安定度が高い圧電発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電発振器の中でも優れた周波数安定度を有する水晶発振器としてピアース型発振器が知られている。
図７は、従来のピアース型水晶発振器の回路図である。
同図に示す水晶発振器１００は、発振用のトランジスタ１０１のベース・コレクタ間に容量１０２及び水晶振動子１０３から成る直列回路を挿入接続すると共に、トランジスタ１０１のベースに適宜バイアスするよう抵抗１０４と抵抗１０５から成るベースバイアス回路を接続し、更にトランジスタ１０１のベース・接地間に容量１０６を挿入接続し、トランジスタ１０１のコレクタ・電源Ｖｃｃ間に抵抗１０７及び容量１０８から成る並列回路を挿入接続し、トランジスタ１０１のエミッタ・接地間に容量１０９及び抵抗１１０から成る並列回路を挿入接続したものである。
このようなピアース型発振器については例えば、「トラ技ＯＲＩＧＩＮＡＬＮｏ．８ＣＱ出版１９９２年１月１日発行Ｐ．８３」等に開示がある。
【０００３】
図８は、容量１０８の容量値Ｃ_ｃｇが１ｐＦ、１０ｐＦ、４３ｐＦ、１００ｐＦ、１００００ｐＦのときの水晶振動子を除いた回路構成部分に於ける回路容量Ｃ_ｃ１の周波数特性のシミュレーション結果を示すものである。
同図に示すようにＣｃｇが大きい程、回路容量Ｃ_ｃ１の周波数依存性が高い。
即ち、水晶発振器１００は、容量１０８の値が大きい程、回路容量の変動に対する周波数変動量が大きいという特性を有する。
従って、水晶発振器１００の場合、回路容量の変動に対して安定した周波数出力を得るためには容量１０８の値を小さく設定する必要があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水晶発振器１００は、容量１０８を小さな容量値に設定するほど負性抵抗が小さくなるので安定した発振動作が得られない場合があった。
即ち、図９は、容量１０８の値Ｃ_ｃｇが１ｐＦ、１０ｐＦ、４３ｐＦ、１００ｐＦ、１００００ｐＦのときの負性抵抗の周波数特性のシミュレーション結果を示すものである。
同図から容量１０８の値が小さいほど負性抵抗の値も小さくなることが判る。
従って、水晶発振器１００は、回路容量の変動に対する周波数変動特性の安定化と、負性抵抗を十分に確保することによる発振動作の安定化とを両立させた回路設定が不可能であると問題が生じる場合があった。
本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、発振動作及び周波数安定度に優れたピアース型圧電発振器を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係わる請求項１記載の発明は、発振用トランジスタのベース・コレクタ間に圧電振動子を挿入接続し、前記発振用トランジスタのベース・接地間に分割容量を接続し、該分割容量の接続中点を前記発振用トランジスタのエミッタとエミッタ抵抗との接続点に接続し、前記発振用トランジスタのコレクタ・電源間に容量性負荷を挿入接続した構成を有することを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の発明は、発振用トランジスタのベース・接地間に分割容量を挿入接続し、該分割容量の接続中点と前記発振用トランジスタのエミッタとエミッタ抵抗との接続点に接続し、該発振用トランジスタにバッファ用トランジスタをカスコード接続し、該バッファ用トランジスタのコレクタと前記発振用トランジスタのベースとの間に水晶振動子を挿入接続し、前記バッファ用トランジスタのコレクタ・電源間に容量性負荷を挿入接続した構成を有することを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明に加え、前記容量性負荷がインダクタンスと容量素子との並列回路から得られるものであることを特徴とする。
【０００８】
【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は本発明に基づくピアース型水晶発振器の一実施例を示すものである。
同図に示す水晶発振器１は、発振用のトランジスタ２のベース・コレクタ間に容量３及び水晶振動子４から成る直列回路を挿入接続し、トランジスタ２のベースに適宜バイアスする為の抵抗５と抵抗６とから成るベースバイアス回路を接続すると共にベース・接地間に容量７と容量８とから成る直列回路を接続し、更に該直列回路の接続中点とトランジスタ２のエミッタとエミッタ抵抗９との接続中点とを接続し、トランジスタ２のコレクタと電源ラインとの間に抵抗１０と容量１１とから成る並列回路を挿入接続し、電源ライン・接地間にバイパス容量１２を接続すると共に、電源ラインを抵抗１３を介して電源Ｖｃｃに接続するよう構成したものである。
【０００９】
図２（ａ）、（ｂ）は水晶発振器１の等価回路を示すものである。
即ち、図２（ａ）に示す等価回路は、トランジスタ２を定電流源１４として更に、トランジスタ２のベース・エミッタ間のトランジスタ抵抗（接合容量）を抵抗１５、トランジスタ容量（接合容量）を容量１６としたものである。
更に同図２（ｂ）は、同図（ａ）における抵抗１０及び容量１１から成る並列回路を抵抗１７及び容量１８から成る直列回路１９に変換すると共に、容量８及び抵抗９から成る並列回路を抵抗２０及び容量２１から成る直列回路２２に等価変換し、更に、水晶振動子４を抵抗２３とインダクタンス２４とを直列接続した等価回路２５に変換すると共に、容量７と容量１６及び容量１５とから成る並列回路を容量２６及び抵抗２７から成る直列回路２８に変換したものである。
【００１０】
また、上記等価回路に於いて以下の算出手順に基づき負性抵抗Ｒ_ｃ２及び回路容量Ｃ_ｃ２の値は下記の式（８）、式（９）にて得られる。
尚、等価回路における各回路要素の値は、容量７をＣ_ｂｅ、容量８をＣ_ｅｇ、抵抗９をＲ_ｅｇ、抵抗１０をＲ_ｃｇ、容量１１をＣ_ｃｇ、抵抗１５をＲ_π、容量１６をＣ_π、抵抗１７をｒ_３、容量１８をｃ_３、回路１９のインピーダンスをｚ_３、抵抗２０をｒ_２、容量２１をｃ_２、回路２２のインピーダンスをｚ_２、抵抗２３をｒ_ｘｔ、インダクタンス２４をＬ_ｘｔ、回路２５のインピーダンスをｚ_ｘｔ、容量２６をｃ_１、抵抗２７をｒ_１、回路２８のインピーダンスをｚ_１として更に、相互コンダクタンスｇ_ｍ、直列回路１９の端子間電圧をＶ_３及び端子間に流れる電流をｉ_３、直列回路２２の端子間電圧をＶ_２及び端子間に流れる電流をｉ_２、直列回路２５の端子間電圧をＶ_ｘｔ及び端子間に流れる電流をｉ_１、直列回路２８の端子間電圧をＶ_１とする。
【００１１】
【数１】

式（１）を電流とインピーダンスとで表すと式（２）の通りである。
【数２】

【００１２】
式（２）から以下の算出手順に従い式（３）に示すインピーダンスの関係式がえら得る。
【数３】

【００１３】
【数４】

【００１４】
式（３）に式（４）〜式（７）を代入し以下の算出手順に基づき式（８）、式（９）を得ることができる。
【数５】

【００１５】
次に上記関係式に基づいて回路容量及び負性抵抗の周波数特性についてシミュレーションした結果について説明する。
尚、シミュレーションに用いた回路パラメータは、コレクタ電流を１ｍＡ、ｇ_ｍ＝０．０３８４、Ｒ_π＝２６０４Ω、電流増幅率を１００、Ｃ_π＝３ｐＦ、Ｃ_ｂｅ＝２０ｐＦ、Ｃ_ｅｇ＝４３ｐＦ、Ｒ_ｅｇ＝１ｋΩ、Ｃ_ｃｇ＝４３ｐＦ又は可変、Ｒ_ｃｇ＝１ｋΩとした。
【００１６】
先ず、図３に示す回路容量の周波数特性のシミュレーション結果について説明する。
図３は、本発明に基づく水晶発振器に於いて、Ｃ_ｃｇ＝１ｐＦ、１０ｐＦ、４３ｐＦ、１００ｐＦ、１００００ｐＦのときの回路容量Ｃ_ｃ２の周波数特性を示すものである。
同図に示すように回路容量Ｃ_ｃ２は、Ｃ_ｃｇが大きい値であるほど周波数依存性が高い特性を呈することから、水晶発振器１は、Ｃ_ｃｇの値が小さい程、回路容量Ｃ_ｃ２の変動に対して高い周波数安定度が得られるものであることが判る。
一方、図４に示す負性抵抗Ｒｃ２の周波数特性から、本発明に基づく水晶発振器はＣ_ｃｇ＝１０ｐＦ、４３ｐＦ、１００ｐＦの場合は従来の場合と比較して約倍の値の負性抵抗（ピーク値）が得られると共に、Ｃ_ｃｇ＝１ｐＦの場合であっても負性抵抗が得られる。
従って、周波数安定度を図る為にＣ_ｃｇの値を十分に小さく設定しても安定した発振動作を維持することができる。
【００１７】
以上、トランジスタ２のコレクタ・電源間に容量１１と抵抗１０とから成る並列回路を挿入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５に示す水晶発振器の如くタンク回路を挿入接続した構成であっても構わない。
即ち、図５は、本発明に基づく水晶発振器の他の実施例を示すものである。
同図に示す水晶発振器が図１に示す水晶発振器と異なる点は、トランジスタ２のコレクタ・電源間に容量１１及びインダクタンス２９から成る並列回路を挿入接続し、更に、当該並列回路の発振周波数に於けるリアクタンスが容量性となるよう設定した所にある。
【００１８】
更に、図６は、本発明に基づく水晶発振器の他の実施例を示すものである。
即ち、同図（ａ）に示す水晶発振器は、図１に示す水晶発振器のトランジスタ２にトランジスタ３０をカスコード接続したタイプのものであり、また同図（ｂ）に示す水晶発振器は、図５に示す水晶発振器のトランジスタ２にトランジスタ３０をカスコード接続したタイプのものである。
そしてこのような構成の水晶発振器であっても上述した本発明の機能が得られることは明らかである。
【００１９】
また更に、容量７としてトランジスタ２のベース・エミッタ間の接合容量を適用しても構わない。
尚、以上本発明を水晶発振器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、水晶以外の圧電材料から構成された振動子を用いた圧電発振器にも適用できる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は上述したように、本発明に基づく水晶発振器は、ベース接地型増幅回路用トランジスタのコレクタ・エミッタ間に並列接続した圧電振動子と、前記トランジスタのエミッタ・接地間に挿入接続した容量及び抵抗から成る並列回路と、前記トランジスタのコレクタ・電源間に挿入接続した容量と抵抗及びインダクタンスから成る並列回路と、前記電源に接続された接地用のバイパス容量とを備えた構成としたので、高周波発振に適し且つ、正常に発振動作することができると云う効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電発振器の一実施例を示すものである。
【図２】本発明に係る圧電発振器の一実施例の等価回路を示すものである。
【図３】本発明に係る圧電発振器の回路容量の周波数特性を示すものである。
【図４】本発明に係る圧電発振器の負性抵抗の周波数特性を示すものである。
【図５】本発明に係る圧電発振器の他の実施例を示すものである。
【図６】本発明に係る圧電発振器の周波数感度特性を示すものである。
【図７】従来の圧電発振器を示すものである。
【図８】従来の圧電発振器の回路容量の周波数特性を示すものである。
【図９】従来の圧電発振器の負性抵抗の周波数特性を示すものである。
【符号の説明】
１水晶発振器、２発振用トランジスタ、３、７、８、１１、１２、１６、１８、２１、２６容量、４水晶振動子、５、６、９、１０、１３、１５、１７、２０、２３、２７、３０抵抗、１４定電流源、１９、２２、２５、２８直列回路、２４、２９インダクタンス、３０バッファ用トランジスタ、１００水晶発振器、１０１発振用トランジスタ、１０２、１０６、１０８、１０９容量、１０３水晶振動子、１０４、１０５、１０７、１１０抵抗、

Claims

発振用トランジスタのベース・コレクタ間に圧電振動子を挿入接続し、前記発振用トランジスタのベース・接地間に分割容量を接続し、該分割容量の接続中点を前記発振用トランジスタのエミッタとエミッタ抵抗との接続点に接続し、前記発振用トランジスタのコレクタ・電源間に容量性負荷を挿入接続した構成を有することを特徴とするピアース型圧電発振器。
発振用トランジスタのベース・接地間に分割容量を挿入接続し、該分割容量の接続中点と前記発振用トランジスタのエミッタとエミッタ抵抗との接続点に接続し、該発振用トランジスタにバッファ用トランジスタをカスコード接続し、該バッファ用トランジスタのコレクタと前記発振用トランジスタのベースとの間に水晶振動子を挿入接続し、前記バッファ用トランジスタのコレクタ・電源間に容量性負荷を挿入接続した構成を有することを特徴とするピアース型圧電発振器。
前記容量性負荷がインダクタンスと容量素子との並列回路から得られるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のピアース型圧電発振器。