JP2005094409A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 集積化（ＩＣ化）を図る場合に問題となる容量を１００ｐＦにしても従来の圧電発振器と同等な安定度を有するピアース型水晶発振器を構成する手段を得る。
【解決手段】 発振段のトランジスタＴｒにベースバイアス電圧とコレクタ電流とを供給すると共に、トランジスタＴｒのコレクタとベース間に圧電振動子Ｘを、コレクタとエミッタ間に容量Ｃｃｅを、エミッタと接地間に抵抗Ｒｅと容量Ｃｅとの並列回路を接続して変形ピアース型水晶発振回路を構成し、いずれの容量もＩＣ化の限界とされる１００ｐＦ以下で実現する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電発振器に関し、特に集積化（ＩＣ化）に適したピアース型発振回路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。
図７はピアース型水晶発振器の回路構成を示す図であって、トランジスタＴｒのベースとコレクタ間に水晶振動子Ｘを接続すると共に、ベースと接地（ＧＮＤ）間、コレクタと接地間にそれぞれ容量Ｃ１、Ｃ２を接続する。さらに、電源Ｖｃｃを抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ２で分圧した電圧と、エミッタと接地間に接続した抵抗Ｒｅの電圧降下との差を、トランジスタＴｒのベースバイアス電圧とすると共に、抵抗Ｒｃを介してコレクタと電源Ｖｃｃとを接続して、コレクタ電流を供給する。そして、トランジスタＴｒのエミッタと接地間に前記抵抗Ｒｅと並列にバイパス容量Ｃｅを接続して、ピアース型水晶発振回路を構成する。

図７に示すピアース型水晶発振回路の位相シフト回路は、容量Ｃ１、Ｃ２及び誘導性で動作する水晶振動子Ｘとからなり、これらのループで共振回路を形成する。ここで、容量Ｃ１、Ｃ２は直列に接続されているのでこれらを１個の容量Ｃと等価とみなし、水晶振動子Ｘを流れる電流をｉとすると、誘導性で動作する水晶振動子Ｘの両端の電圧は９０°進み、等価容量Ｃの両端の電圧はで９０°遅れ、水晶振動子Ｘ、Ｃ１、Ｃ２のループ全体では電圧が電流に対し１８０°の位相が変化することになる。トランジスタＴｒの位相シフトは１８０°であるから、ループの位相シフトは３６０°となり発振条件の１つを満たすことになる。

ピアース型発振回路の特徴は、コルピッツ型発振回路やクラップ型発振回路のように水晶振動子の片側の端子を接地するのではなく、水晶振動子Ｘの両端子を容量Ｃ１、Ｃ２を介して接地する。このため浮遊容量が容量Ｃ１、Ｃ２に吸収されるため、水晶発振器の高周波化を図る場合に極めて有効な回路構成である。

図８は、従来のピアース型水晶発振回路において水晶振動子Ｘの両端から回路側をみた等価入力抵抗−周波数特性を示したもので、バイパス容量Ｃｅをパラメータとしてシミュレーションにより求めた図である。回路定数としては、Ｒｂ１＝１０ｋΩ、Ｒｂ２＝２２ｋΩ、Ｒｃ＝２７０Ω、Ｒｅ＝１ｋΩ、Ｃ１＝Ｃ２＝５１ｐＦ、Ｖｃｃ＝５Ｖに設定した。この図よりバイパス容量Ｃｅとして１００ｐＦと小さい値を用いると、負性抵抗のピーク値が周波数の高い方へシフトすると共に、発振に必要な十分な負性抵抗が得られないことが分かる。
M.E. Frerking著 「Crystal Oscillator Design and Temperature Compensation」Van Nostrand Reinhold Co.出版 電気学会、電子回路研究会、ECT-00-60,千葉他、「集積化に適したピアース水晶発振器」

解決しようとする問題点は、従来のピアース型発振回路では発振段のトランジスタのエミッタを交流的に接地する必要があるため、１００ｐＦより大きな容量のバイパス容量が必要となる。しかし、発振回路の集積化（ＩＣ化）を考えた場合、容量の形成は１００ｐＦ程度が限界であり、大きな容量を必要とする従来のピアース型発振回路の集積化は難しいという問題があった。

本発明は、ピアース型圧電発振器の集積化（ＩＣ化）を図るため、発振段のトランジスタＴｒにベースバイアス電圧とコレクタ電流とを供給すると共に、トランジスタＴｒのコレクタとベース間に圧電振動子Ｘを、コレクタとエミッタ間に容量Ｃｃｅを、エミッタと接地間に抵抗Ｒｅと容量Ｃｅとの並列回路を接続して構成し、しかも、いずれの容量もＩＣ化の限界とされる１００ｐＦ以下にて形成としたことを特徴とする。

本発明の水晶発振回路は、従来不可欠とされた、水晶振動子の両端子に接続する容量を取り除き、代わりに発振段のトランジスタのコレクタとエミッタ間に容量Ｃｃｅを接続したので、従来のピアース型水晶発振回路においては必要であったバイパス容量Ｃｅを用いることなく、変形ピアース型水晶発振回路を構成することが可能となり、集積化（ＩＣ化）に適する発振回路が構成できるという利点がある。

図１は本発明に係る変形ピアース型水晶発振回路の構成を示す図であって、トランジスタＴｒのベースとコレクタ間に水晶振動子Ｘを接続すると共に、コレクタとベース間に容量Ｃｃｅを接続する。さらに、電源Ｖｃｃを抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ２で分圧した電圧と、トランジスタＴｒのエミッタと接地間に接続した抵抗Ｒｅの電圧降下との差を、トランジスタＴｒのベースバイアス電圧とすると共に、抵抗Ｒｃを介してコレクタと電源Ｖｃｃと接続して、コレクタ電流を供給する。そして、トランジスタＴｒのエミッタと接地間に前記抵抗Ｒｅと並列に容量Ｃｅを接続して、変形ピアース型水晶発振回路を構成する。

図２は、図１に示した変形ピアース型発振回路の定数としてＲｂ１＝１０ｋΩ、Ｒｂ２＝２２ｋΩ、Ｒｃ＝２７０Ω、Ｒｅ＝１ｋΩ、Ｃｅ＝１００ｐＦ、Ｖｃｃ＝５Ｖに設定し、トランジスタＴｒのコレクタとベース間の容量Ｃｃｅをパラメータとして等価入力抵抗−周波数特性をシミュレーションにより求めた図である。この図より、トランジスタＴｒのコレクタとエミッタ間に接続した容量Ｃｃｅが０ｐＦの場合は、等価入力抵抗は負性を示さず、容量Ｃｃｅの値を増加するに応じて負性抵抗の絶対値が大きくなり、そのピーク値が周波数の低い側にシフトすることが分かる。図２には容量Ｃｃｅの値としてＩＣ化が可能な１００ｐＦまでを示したが、負性抵抗の絶対値としては水晶振動子の等価抵抗Ｒ１の３倍から５倍あれば十分であり、回路の実用化が可能であることが分かる。
図２のシミュレーションより、発振段のトランジスタＴｒのコレクタとエミッタ間に容量Ｃｃｅを付加することにより、従来のピアース型発振回路に不可欠とされた水晶振動子の両端に接続する容量Ｃ１、Ｃ２を削除しても十分な負性抵抗が得られることが判明した。

本発明に至った経緯を説明する。図７に示すピアース型水晶発振回路の集積化（ＩＣ化）を考えると、問題点は回路に用いられる容量を如何にして小さくするかである。一般的に、回路をＩＣ化する場合、容量の限界は１００ｐＦ程度であると言われている。そこで、図７に示したピアース型水晶発振回路のトランジスタＴｒのコレクタとエミッタ間に、容量Ｃｃｅを接続する回路を検討することにした。図９は、容量Ｃｃｅを付加したピアース型水晶発振回路の等価入力抵抗−周波数特性をシミュレーションにより求めた図である。定数としてＲｂ１＝１０ｋΩ、Ｒｂ２＝２２ｋΩ、Ｒｃ＝２７０Ω、Ｒｅ＝１ｋΩ、Ｃ１＝Ｃ２＝５１ｐＦ、Ｃｅ＝１００ｐＦ、Ｖｃｃ＝５Ｖに設定し、コレクタとエミッタ間に接続した容量Ｃｃｅをパラメータとした。この図から容量Ｃｃｅを大きくするに応じて、負性抵抗の絶対値が大きくなり、そのピークが周波数の低い側にシフトすることが判明した。しかし、負性抵抗の絶対値の大きさは不十分であり、容量Ｃｃｅが１００ｐＦより大きくなるとＩＣ化には適さない。

そこで、回路定数としてＲｂ１＝１０ｋΩ、Ｒｂ２＝２２ｋΩ、Ｒｃ＝２７０Ω、Ｒｅ＝１ｋΩ、Ｃｅ＝１００ｐＦ、Ｃｃｅ＝１００ｐＦ、Ｖｃｃ＝５Ｖに設定し、水晶振動子の両端に接続する容量Ｃ１、Ｃ２をパラメータに選んで、等価入力抵抗−周波数特性をシミュレーションにより求めたものを図１０に示す。この図より容量Ｃ１、Ｃ２の値を５１ｐＦから順次小さくすると負性抵抗の絶対値も少しずつ大きくなり、しかも周波数の低い方へシフトし、両容量とも零とした場合に負性抵抗の絶対値が最も大きくなることが判明した。このようして、従来から不可欠とされた、水晶振動子の両端に接続する容量Ｃ１、Ｃ２を削除した変形ピアース型水晶発振回路を発明するに至った。

図３は本発明に係る変形ピアース型水晶発振器の第２の実施の形態を示す図であって、図１と異なるところは、トランジスタＴｒのエミッタと接地間に接続したバイバス容量Ｃｅを除いた点である。この発振回路を用いても十分に安定な発振が得られることを確認した。

図４は本発明に係る変形ピアース型水晶発振器の第３の実施の形態を示す図であって、図１と異なるところは、トランジスタＴｒのベースとエミッタ間に容量Ｃｂｅ接続したことである。この発振回路を用いても十分に安定な発振が得られることを確認した。

図５は本発明に係る変形ピアース型水晶発振器の第４の実施の形態を示す図であって、図１と異なるところは、トランジスタＴｒのベースとエミッタ間に容量Ｃｂｅ接続する一方で、トランジスタＴｒのエミッタと接地間に接続したバイバス容量Ｃｅを除いたことである。この発振回路を用いても十分に安定な発振が得られることを確認した。

図６は本発明に係る変形ピアース型水晶発振器の第５の実施の形態を示す図であって、図１と異なるところは、水晶振動子Ｘの代わりに二重モード水晶フィルタ（ＭＣＦ）を用いて発振回路を構成したところである。二重モード水晶フィルタの入力端子ＩＮをベースに、出力端子ＯＵＴをコレクタに、アース端子Ｅを接地にそれぞれ接続して構成する。この発振回路を用いても十分に安定な発振が得られることを確認した。
尚、この実施の形態では二重モード水晶フィルタを用いて説明したがＳＡＷフィルタ等の他のフィルタ素子を用いて、変形ピアース型水晶発振器を構成してもよい。

本発明に係るピアース型水晶発振器の構成を示す回路図である。 図１の回路容量Ｃｃｅをパラメータにしたときの等価入力抵抗−周波数特性を示す図である。 本発明に係るピアース型水晶発振器の第２の発明の構成を示す回路図である。 本発明に係るピアース型水晶発振器の第３の発明の構成を示す回路図である。 本発明に係るピアース型水晶発振器の第４の発明の構成を示す回路図である。 本発明に係るピアース型水晶発振器の第５の発明の構成を示す回路図である。 従来のピアース型水晶発振器の構成を示す回路図である。 図７に示したピアース型水晶発振回路において、容量Ｃｅをパラメータとした場合の等価入力抵抗−周波数特性を示す図である。 図７に示したピアース型水晶発振回路のコレクタ−エミッタ間に容量Ｃｃｅを付加した回路において、該容量Ｃｃｅをパラメータとした場合の等価入力抵抗−周波数特性を示す図である。 図７に示したピアース型水晶発振回路のコレクタ−エミッタ間に容量Ｃｃｅを付加した回路において、該容量Ｃ１、Ｃ２をパラメータとした場合の等価入力抵抗−周波数特性を示す図である。

符号の説明

ＴＲ トランジスタ
Ｘ 圧電振動子
ＭＣＦ 二重モード圧電フィルタ
Ｒｂ１、Ｒｂ２、Ｒｅ、Ｒｃ 抵抗
Ｃｅ、Ｃｃｅ、Ｃｂｅ 容量
Ｖｃｃ 電源
ＧＮＤ 接地

Claims (6)

1. 発振段のトランジスタＴｒにベースバイアス電圧とコレクタ電流とを供給すると共に、トランジスタＴｒのコレクタとベース間に圧電振動子Ｘを、コレクタとエミッタ間に容量Ｃｃｅを、エミッタと接地間に抵抗Ｒｅと容量Ｃｅとの並列回路を接続したことを特徴とする圧電発振器。
2. 前記バイパス容量Ｃｅを削除したことを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
3. 前記トランジスタＴｒのベースとエミッタ間に容量Ｃｂｅを接続したことを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
4. 前記バイパス容量Ｃｅを削除すると共に前記トランジスタＴｒのベースとエミッタ間に容量Ｃｂｅを接続したことを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器
5. 前記圧電振動子Ｘの代わりに二重モード圧電フィルタ素子の入力端子をベースに、出力端子をコレクタに、アース端子を接地に接続したことを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
6. いずれの容量も１００ｐＦ以下にて形成したことを特徴とする請求項１乃至５に記載の圧電発振器。
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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