JP2005072830A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 コルピッツ型発振回路と増幅回路とから構成するコルピッツ型発振器を起動する際に生じる異常発振を防止する手段を得る。
【解決手段】 コルピッツ型発振回路と増幅回路とから構成したコルピッツ型発振器であって、前記コルピッツ型発振回路と前記増幅器との間に、所望の電圧により低い場合に前後段の回路を遮断し、所望の電圧より高くなった場合に前後段の回路を接続する作用のある電圧スイッチ回路を挿入して圧電発振器を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は圧電発振器に関し、特に高周波圧電発振器を起動する際に生じる異常発振を防止した圧電発振器に関するものである。

近年、圧電発振器は高い周波数安定度、小型軽量、低価格等により電子機器の多くの分野で用いられている。特に圧電素子として、ＡＴカット水晶振動子を用いた水晶発振器は、周波数温度特性、エージング特性が優れており、携帯電話の小型化やその普及に貢献している。
周知のように、コルピッツ型発振回路はコレクタ−ベース間に誘導性素子を、ベース−エミッタ間及びコレクターエミッタ間にそれぞれ容量性素子を接続して構成する発振回路である。図３は基本的なコルピッツ型水晶発振器であって、トランジスタＴＲ１のコレクタ−ベース間の誘導性素子として、ベース−接地間に水晶振動子Ｘと容量Ｃｖ（Ｃｖは発振周波数の微調整用）との直列接続素子を用いる。さらに、ベース−接地間に容量Ｃ１とＣ２との直列接続素子を接続すると共に、エミッタ−アース間に抵抗Ｒ４を挿入し、容量Ｃ１、Ｃ２の中点とエミッタとを接続する。

図３のコルピッツ型発振回路において電源Ｖｃｃと接地（ＧＮＤ）とはバイパスコンデンサによって高周波的には短絡されているため、等価回路的にコレクタ−ベース間に水晶振動子Ｘを主とする誘導性素子が挿入されることになる。また、容量Ｃ１とＣ２との中点がエミッタに接続されているため、トランジスタＴＲ１のベース−エミッタ間には容量Ｃ１が、コレクタ−エミッタ間には容量Ｃ２が挿入されることになり、いずれも容量性として作用することになる。
また、トランジスタＴＲ１のベースに接続した抵抗Ｒｂはベース電流制御用である。ここで、誘導性素子として水晶振動子が用いられるのは、Ｑ値が大きいこと、周波数変化に対する等価インダクタンスの変化の割合が大きく周波数制御が容易であるため、周波数が安定な発振回路が容易に構成できるからである。

図４は３次高調波水晶振動子を用いた高周波水晶発振器であって、αで示す破線内はコルピッツ型発振回路、βで示す破線内は増幅回路、γで示す破線内はバッファ回路を示している。尚、以下の説明ではバイパスコンデンサの図示を省略している。図４に示すコルピッツ型発振回路が、図３のそれと異なるところはエミッタ−接地間にインダクタンスＬ_１と容量Ｃ_２との同調回路が挿入されている点である。
一般的にコルピッツ型水晶発振回路においては、水晶振動子Ｘの両端（図３の場合は水晶振動子と容量Ｃｖ）から回路側をみた増幅度、所謂負性抵抗Ｒ（Ω）は、容量Ｃ１、Ｃ２と周波数の自乗ω²とに逆比例し、コレクタ電流に比例することが知られている。即ち、周波数が高くなると共に負性抵抗Ｒ（Ω）の絶対値は増大し、所定の周波数にてピーク値に達し、その後は周波数が高くなるにつれて減少する。通常のコルピッツ型水晶発振器では発振周波数における負性抵抗Ｒを、水晶振動子の等価抵抗の３〜５倍程度に設定するのが一般的である。
このように、負性抵抗Ｒの絶対値はピークに達した後で減少するので、同調回路が無い発振回路では、一般的には基本波周波における負性抵抗の絶対値の方が３次高調波周波数におけるそれより大きくなり、基本周波数で発振することになる。そこで、３次高調波を発振回路から出力させる場合には基本周波数における負性抵抗の絶対値を小さくするか、または負性抵抗が発生しないようインダクタンスＬ_１と容量Ｃ_２との同調回路が挿入されるのである。

図４の破線βで示す増幅回路はコルピッツ型発振回路からの出力を増幅すると共に、出力波形を整形するように作用する。また、破線γで示すバッファ回路には、例えばＣＭＯＳのTC7SZU04を用い、その作用は出力波形の整形と出力レベルの調整をすることである。

図５は、図４の回路構成を用いたコルピッツ型発振器の電源電圧対発振周波数特性で、横軸を電源電圧、縦軸を発振周波数とした図である。この図から明らかなように、電源電圧Ｖｃｃが２．６Ｖ程度から３．８Ｖ程度の範囲で、水晶振動子の共振周波数と異なる周波数が発生する所謂異常発振が生じ、電源電圧Ｖｃｃが４．０Ｖ以上では正常発振する。これは電源を投入した後、電源電圧が過渡的に上昇する場合に異常発振現象が起こり、水晶発振器の起動特性に影響を及ぼす危険性を示唆している。なお、図４のαで示すコルピッツ型発振回路のみでは、上記の異常発振現象は生じていないことを確認した。この結果、コルピッツ型発振回路αと増幅回路βとを接続することにより、電源電圧が低い状態において異常発振現象を生じさせるループ回路が成立するか、またはコルピッツ型発振回路を形成する基板等に生じる寄生容量等の影響を受けて予期できぬループ回路が成立することが原因と考えられる。
足立、都築 「コルピッツ水晶発振回路動作特性と設計条件」、信学誌C-IIVol.J73-C-II No.3,pp.154-162,'90.3

解決しようとする問題点は、図４に示したようにコルピッツ型水晶発振回路に増幅回路を接続して構成したコルピッツ型水晶発振器を起動する際に、異常発振がしばしば生じ、このような水晶発振器を使用するとシステム側、例えば携帯電話の基地局の動作を正常に確保できない点である。

本発明は、コルピッツ型水晶発振回路に増幅回路を接続して構成した水晶発振器が起動時に生じる異常発振を防止するため、コルピッツ型発振回路と増幅回路との間に電圧によってスイッチが切り替わる電圧スイッチ回路を挿入することにより、電源電圧が所定の電圧より低い場合において異常発振の原因となるループ回路を遮断し、所定の電圧より高くなり正常な発振状態の周波数を出力する回路を挿入することを特徴とする。

本発明のコルピッツ型水晶発振回器は、電源電圧が所定の電圧以上に達するとコルピッツ型発振回路と増幅回路との間を接続する電圧スイッチ回路を内蔵するようにしたため、所定の電圧より低い電圧のときに異常発振の原因となるループ回路っを遮断することができるので、電源電圧が過渡的に上昇するような場合であっても、コルピッツ型水晶発振回器を使用するシステムの動作を正常に動作させるという利点がある。

図１は本発明に係るコルピッツ型水晶発振器の回路構成を示す図であって、αで示す３次高調波用のコルピッツ型発振回路と、破線Ｑで囲む電圧スイッチ回路と、βで示す増幅回路と、γで示すバッファ回路とから構成されている。α、β、γで示す回路の作用については従来例で説明したので、破線Ｑで示す電圧スイッチ回路について詳細に説明する。
電圧スイッチ回路ＱはトランジスタＴｒ_３とＴｒ_４の２段の回路からなり、１段目の回路は電源ＶｃｃとトランジスタＴｒ_３のベースとを抵抗Ｒ_７で接続すると共に、トランジスタＴｒ_３のベースと接地との間を抵抗Ｒ_８で接続する。さらに、電源ＶｃｃとトランジスタＴｒ_３のコレクタとを抵抗Ｒ_９で接続すると共に、トランジスタＴｒ_３のエミッタと接地した回路である。

２段目の回路は電源ＶｃｃとトランジスタＴｒ_４のベースとを抵抗Ｒ_１０で接続すると共に、トランジスタＴｒ_４のベースと接地との間を抵抗Ｒ_１１で接続し、トランジスタＴｒ_４のエミッタを接地した回路である。
そして、１段目のトランジスタＴｒ_３のコレクタと２段目のトランジスタＴｒ_４のベースと接続し、コルピッツ型発振回路のトランジスタＴｒ_１のコレクタと２段目のトランジスタＴｒ_４のコレクタとを直結して、電圧スイッチ回路Ｑを構成する。

電圧スイッチ回路Ｑの作用を説明する。コルピッツ型水晶発振器の起動時には電源電圧Ｖｃｃが低いため、電圧スイッチ回路Ｑに印加される電圧も低い。この低い電圧Ｖｃｃが抵抗Ｒ_７、Ｒ_８で分圧され、抵抗Ｒ_８の両端の電圧がトランジスタＴｒ_３のベースバイアス電圧Ｖ_ＢＢとなる。このベースバイアス電圧Ｖ_ＢＢがトランジスタＴｒ_３のベース・エミッタ間に生じる電圧降下Ｖ_ＢＥより小さいと、トランジスタＴｒ_３はＯＦＦの状態となる。１段目のトランジスタＴｒ_３がＯＦＦであると、２段目のトランジスタＴｒ_４のベース電圧には抵抗Ｒ_９、Ｒ_１０及びＲ_１１と電源電圧Ｖｃｃとで決まる電圧が印加され、トランジスタＴｒ_４はＯＮの状態となる。そして、トランジスタＴｒ_１、Ｔｒ_４のコレクタ同志が直結されているので、トランジスタＴｒ１のコレクタが接地した構成となって、コルピッツ型発振回路の出力は発生しない。更に、コルピッツ型発振回路αと増幅回路βとの接続中点が、トランジスタＴｒ_４を介して接地されるので、異常発振現象の原因と考えられたループ回路を阻止することが出来るため、電源電圧Ｖｃｃが低く異常発振が生じてもバッファ回路γから出力されないことになる。

次に、電源電圧Ｖｃｃが所望値まで高くなったとき、ベースバイアス電圧Ｖ_ＢＢがトランジスタＴｒ_３のベース・エミッタ間に生じる電圧降下Ｖ_ＢＥより大きくなるようにＴｒ_３のベースバイアス設定することにより、１段目のトランジスタＴｒ_３はＯＮの状態となる。１段目のトランジスタＴｒ_３がＯＮの状態となると、トランジスタＴｒ_３のコレクタ電圧が降下し、２段目のトランジスタＴｒ_４のベース電圧が降下し、トランジスタＴｒ４には起動に必要なベース電流が十分供給されないので、トランジスタＴｒ_４はＯＦＦの状態となる。トランジスタＴｒ_４がＯＦＦの状態となったときから、コルピッツ型発振回路は発振条件が成立するので起動時から所望の発振周波数を増幅器回路βへ供給し、さらにバッファ回路γにて波形整形された後にＯｕｔｐｕｔに供給されることになる。

電圧スイッチ回路Ｑの１段目の抵抗Ｒ_７、Ｒ_８の値を、例えば電源電圧Ｖｃｃが４．０Ｖ＜ＶｃｃのときにトランジスタＴｒ_３がＯＮになるように適切に設定することにより、コルピッツ型発振回路の出力をバッファ回路回路γから出力するようにすることができる。このような電圧スイッチ回路をコルピッツ型発振回路と増幅回路の間に挿入することにより、電源電圧が２．６Ｖ〜３．８Ｖの範囲の時にコルピッツ型水晶発振回路α及び増幅回路βとのループ回路による異常発振は出力されることは無く、該コルピッツ型水晶発振器を用いるシステムに悪影響を及ぼすことが無くなる。

図２は、図１に示すように本発明に係る電圧スイッチ回路Ｑを内蔵したコルピッツ型水晶発振器の印加電圧を０Ｖから５Ｖまで変化させた場合の電源電圧対発振周波数示した図で、Ｂで示している。従来のコルピッツ型水晶発振器の電源電圧対発振周波数特性はＡの白丸で示している。この図より本発明のコルピッツ型水晶発振器は、電源電圧がＶｃｃ＜４．４Ｖのときは発振は起こらず、Ｖｃｃ≧４．４Ｖで定常発振のみが起こることを示している。このように、発振回路から増幅回路に伝わる信号を遮断することにより、異常発振現象を防止することができることが分かった。

以上の説明では、本発明を３次高調波用のコルピッツ型発振回路を用いた例について説明したが、本発明はこれのみに限定するものではなく、基本波、５次高調波水晶振動子を用いて構成するコルピッツ型発振器にも適用できることは説明するまでもない。また、実施例においては増幅回路βとバッファ回路γとを備えた例を示したがいずれか一方を省略したものであってもよく、例えばバッファ回路γも広義の増幅回路と言えるので、増幅回路βを省略した構成も本発明に含まれるのである。

本発明に係る３次高調波用コルピッツ型発振器の回路構成を示した図である。 本発明に係るコルピッツ型発振器の電源電圧対発振周波数特性と、従来のコルピッツ型発振器の電源電圧対発振周波数特性とを重ね書きした図である。 コルピッツ型発振回路の基本回路である。 従来の３次高調波用コルピッツ型発振器の回路構成を示す図である。 電源電圧に対する従来のコルピッツ型発振器の電源電圧対発振周波数特性を示す図である。

符号の説明

Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４、Ｒ_５、Ｒ_６、Ｒ_７、Ｒ_８、Ｒ_９、Ｒ_１０、Ｒ_１１ 抵抗
Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４、Ｃ_５ 容量
Ｌ_１ インダクタンス
Ｘ 水晶振動子
Ｔｒ_１、Ｔｒ_２、Ｔｒ_３ トランジスタ
ＵＢ_１ バッファ
Ｖｃｃ 電源電圧
α コルピッツ型発振回路
Ｑ 電圧スイッチ回路
β 増幅回路
γ バッファ回路
Ａ 従来のコルピッツ型発振器の電源電圧対発振周波数特性
Ｂ 本発明のコルピッツ型発振器の電源電圧対発振周波数特性

Claims (4)

1. 圧電振動子を振動源とするコルピッツ型圧電発振回路と増幅回路とを備えたコルピッツ型圧電発振器において、
   前記コルピッツ型圧電発振回路と増幅回路との間に電圧に応じて前後段の回路を接続あるいは遮断する電圧スイッチ回路を挿入したことを特徴とする圧電発振器。
2. 前記電圧スイッチ回路の構成が、トランジスタ２段の回路からなり、１段目のトランジスタのベースと電源および接地との間にそれぞれ抵抗を挿入すると共に、２段目のトランジスタは前記コルピッツ型圧電発振回路の出力と接地の間に接続し、電源電圧の値により前記コルピッツ型圧電発振回路と前記増幅回路とを接続あるいは遮断することを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
3. 前記電圧スイッチ回路は電源投入から電源電圧が所定値に達するまでの間は、前記コルピッツ型圧電発振回路と前記増幅回路とを遮断し、電源電圧が所定値以上になると、コルピッツ型圧電発振回路の出力を前記増幅回路に供給するよう動作す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。
4. 前記電源電圧の所定値は異常発振現象が出現する電源電圧値よりも高い値に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電発振器。
   
   

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