JP2005159899A

JP2005159899A - 圧電発振器

Info

Publication number: JP2005159899A
Application number: JP2003397995A
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: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】トランジスタをカスコード接続することにより、ミラー効果を抑圧して発振の安定性を高める圧電発振器を提供する。
【解決手段】圧電発振回路は、トランジスタＴＲ１をトランジスタＴＲ２とカスコードに接続し、トランジスタＴＲ１のコレクタと電源Ｖｃｃ間にインダクタＬ１とコンデンサＣ１、Ｃ２の直列回路による並列同調回路を挿入接続し、さらにトランジスタＴＲ１のコレクタとトランジスタＴＲ２のエミッタ間をコンデンサＣ３により接続する。また、トランジスタＴＲ２のエミッタに抵抗Ｒ４とコンデンサＣ４を並列接続して接地し、更にトランジスタＴＲ２のベース・接地間に圧電振動子ＸｔａｌとコンデンサＣ５との直列回路を挿入接続し、トランジスタＴＲ１とトランジスタＴＲ２のベースに抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３から成るベースバイアス回路を接続する。そして、トランジスタＴＲ１のベースをコンデンサＣ６により接地する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電発振器に関し、特に発振を安定化する方法に関するものである。

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。
図２は、従来のシリコントランジスタによるコルピッツ発振回路の一例である。圧電発振回路は、発振用トランジスタＴＲ１１のエミッタに抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ１４を並列接続して接地すると共に、コレクタとエミッタ間をコンデンサＣ１３により接続する。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とコンデンサＣ１５の直列回路を挿入接続し、更に、発振用トランジスタＴＲ１１のコレクタと電源電圧Ｖｃｃ間にインダクタＬ１１とコンデンサＣ１１、Ｃ１２の直列回路からなる並列同調回路を接続したものである。そして出力を並列同調回路のコンデンサＣ１１、Ｃ１２の接続点から取り出すようにしている。

図２の従来のコルピッツ発振回路では、ミラー効果により発振用トランジスタＴＲ１１のベース・エミッタ間に大きな容量（Ｃｃｂ：ミラー容量）が発生し、利得を低下させると共に、コレクタ側の並列同調回路が誘導性領域で、ベースに接続した圧電振動子Ｘｔａｌのインダクタと別の発振条件を満足することになり、その結果、発振の安定性が低下してしまうといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、トランジスタをカスコード接続することにより、ミラー効果を抑圧して発振の安定性を高める圧電発振器を提供することを目的とする。

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エミッタと接地間に挿入された抵抗とコンデンサの並列回路と、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コレクタ側に第２のトランジスタをカスコード接続し、該カスコード接続された第２のトランジスタのコレクタにインダクタとコンデンサによる並列同調回路を接続すると共に、該第２のトランジスタのコレクタと前記発振用増幅トランジスタのエミッタ間に容量を挿入したことを特徴とする。
カスコード接続の場合、１段目（本発明では第２のトランジスタ）はエミッタ接地回路、２段目（本発明では発振用増幅トランジスタ）はベース接地回路である。エミッタ接地回路はコレクタ・ベース間容量の帰還で高周波特性が劣化するので、カスコード接続することにより、エミッタ接地回路の負荷はベース接地回路の入力抵抗なので低負荷となり、コレクタ・ベース間の容量を減少させる効果が得られ、ミラー効果により発生したミラー容量を低下することができる。
かかる発明によれば、カスコード接続をするので、総合利得はエミッタ接地と同等で、帯域幅はベース接地の遮断周波数まで確保でき、高周波特性が優れた発振器を構成できると共に、ミラー効果により発生したミラー容量を低下することにより発振の安定性を高めることができる。
請求項２は、前記第２のトランジスタは、ベース側が容量を介して接地されていることを特徴とする。
第２のトランジスタはエミッタ接地回路にするために、そのコレクタに並列同調回路を接続し、ベースは容量を介して接地する。これによりエミッタ接地回路とベース接地回路を直列に接続してカスコード接続を完成することができる。
かかる発明によれば、第２のトランジスタのベースを容量を介して接地することにより、このトランジスタをエッミタ接地回路とすることができ、発振用トランジスタと共に、カスコード回路を構成することができる。

請求項３は、前記発振用増幅トランジスタ及び第２のトランジスタのベースは夫々所定の電位でバイアスされていることを特徴とする。
本発明の発振回路は基本的にはコルピッツ発振器であり、その構成の基本である発振用増幅トランジスタのエミッタと接地間に接続された容量と、更に発振用増幅トランジスタのコレクタにエミッタ接地回路を接続し、夫々のベースを所定の電位でバイアスし、発振用増幅トランジスタのベース接地間に圧電振動素子と周波数調整用のコンデンサが直列に接地されている。
かかる発明によれば、発振用増幅トランジスタ及び第２のトランジスタのベースは夫々所定の電位でバイアスされているので、波形歪みの少ない発振器を構成することができる。
請求項４は、前記第２のトランジスタのコレクタと前記発振用増幅トランジスタのエミッタ間に挿入する容量の値は、前記発振用増幅トランジスタのエミッタと接地間に挿入される容量の値以上であることを特徴とする。
容量とインピーダンスの関係は、所定の周波数において容量が増えればインピーダンスは減少し、容量が減ればインピーダンスは増加する。従って、コレクタとエミッタ間に挿入する容量は、エミッタと接地間に挿入される容量の値と同等若しくはそれ以上にすることにより、インピーダンスを揃えながら、且つ位相が反転している出力により信号を抑圧することができる。
かかる発明によれば、前記コレクタとエミッタ間に挿入する容量の値は、前記発振用増幅トランジスタのエミッタと接地間に挿入される容量の値と略同等若しくはそれ以上にすることにより、インピーダンスがほぼ等しい信号同士により抑圧するので、波形歪みの少ない発振波形を出力することができる。

請求項５は、前記コレクタとエミッタ間に挿入する容量を所定の値にすることにより、前記発振用増幅トランジスタのコレクタ出力電圧及びエミッタ出力電圧を抑圧し、その結果前記圧電素子の電流を併せて抑圧することを特徴とする。
発振用トランジスタのエミッタ出力とコレクタ出力の位相は１８０°ずれている。そして、コレクタとエミッタをコンデンサにより接続することによりコレクタ出力電圧及びエミッタ出力電圧は互いに打ち消しあって抑圧される。この結果として、ベースに流れる電流も抑圧され、ベースと接地間に接続された圧電素子に流れる電流も必然的に抑圧される。
かかる発明によれば、コレクタとエミッタ間に挿入する容量を所定の値にすることにより、発振動作を確実に行いながら、併せて振動子電流を減少することができる。
請求項６は、前記発振用増幅トランジスタのコレクタ側に第２のトランジスタをカスコード接続することにより、ミラー効果を抑圧して発振を安定化することを特徴とする。
コルピッツ発振回路では、ミラー効果により発振用増幅トランジスタのベース・エミッタ間に大きな容量（Ｃｃｂ：ミラー容量）が発生する。そこで本発明では、カスコード接続することにより、ミラー効果により発生したミラー容量を低下することにより発振の安定性を高めることができる。
かかる発明によれば、発振用増幅トランジスタのコレクタ側に第２のトランジスタをカスコード接続するので、ミラー効果により発生したミラー容量を低下して発振の安定性を高めることができる。

請求項１の発明によれば、カスコード接続をするので、総合利得はエミッタ接地と同等で、帯域幅はベース接地の遮断周波数まで確保でき、高周波特性が優れた発振器を構成できると共に、ミラー効果により発生したミラー容量を低下することにより発振の安定性を高めることができる。
また請求項２では、第２のトランジスタのベースを容量を介して接地することにより、このトランジスタをエッミタ接地回路とすることができ、発振用トランジスタと共に、カスコード回路を構成することができる。
また請求項３では、発振用増幅トランジスタ及び第２のトランジスタのベースは夫々所定の電位でバイアスされているので、波形歪みの少ない発振器を構成することができる。
また請求項４では、前記コレクタとエミッタ間に挿入する容量の値は、前記発振用増幅トランジスタのエミッタと接地間に挿入される容量の値と略同等若しくはそれ以上にすることにより、インピーダンスがほぼ等しい信号同士により抑圧するので、波形歪みの少ない発振波形を出力することができる。
また請求項５では、コレクタとエミッタ間に挿入する容量を所定の値にすることにより、発振動作を確実に行いながら、併せて振動子電流を減少することができる。
また請求項６では、発振用増幅トランジスタのコレクタ側に第２のトランジスタをカスコード接続するので、ミラー効果により発生したミラー容量を低下して発振の安定性を高めることができる。

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、本発明の第１の実施形態に係るコルピッツ発振回路の一例である。圧電発振回路は、トランジスタＴＲ１をトランジスタＴＲ２とカスコードに接続し、トランジスタＴＲ１のコレクタと電源Ｖｃｃ間にインダクタＬ１とコンデンサＣ１、Ｃ２の直列回路による並列同調回路を挿入接続し、さらにトランジスタＴＲ１のコレクタとトランジスタＴＲ２のエミッタ間をコンデンサＣ３により接続する。また、トランジスタＴＲ２のエミッタに抵抗Ｒ４とコンデンサＣ４を並列接続して接地し、更にトランジスタＴＲ２のベース・接地間に圧電振動子ＸｔａｌとコンデンサＣ５との直列回路を挿入接続し、トランジスタＴＲ１とトランジスタＴＲ２のベースに抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３から成るベースバイアス回路を接続する。そして、トランジスタＴＲ１のベースをコンデンサＣ６を介して接地する。
カスコード接続の場合、トランジスタＴＲ２はエミッタ接地回路、トランジスタＴＲ１はベース接地回路である。エミッタ接地回路はコレクタ・ベース間容量の帰還で高周波特性が劣化するので、ベース接地回路をカスコード接続することにより、エミッタ接地回路の負荷はベース接地回路の入力抵抗なので低負荷となり、コレクタ・ベース間の容量を減少させる効果が得られる。これにより、総合利得はエミッタ接地と同等で、帯域幅はベース接地の遮断周波数まで確保できるので、高周波特性が優れた発振器を構成できると共に、ミラー効果により発生したミラー容量を低下することができる。

ここで、本発明の他の特徴は、トランジスタＴＲ１のコレクタとトランジスタＴＲ２のエミッタ間にコンデンサＣ３を挿入接続することにより、基本的に発振用トランジスタＴＲ２のエミッタ出力とコレクタ出力の位相が１８０°ずれているため、この両出力端をコンデンサＣ３にて接続することにより負帰還回路が構成され、出力が抑圧される結果、急激に振動子電流を低下させることである。但し、コンデンサＣ３の値はコンデンサＣ４の容量以上（Ｃ３≧Ｃ４）の値において効果が顕著に表れる。また、この抑圧現象はトランジスタのコレクタ電流、或いはベース電流の抑圧による利得低下に起因しないため負性抵抗はむしろ増加する傾向を示す。
また本発明の発振回路は基本的にはコルピッツ発振器であり、その構成の基本である発振用増幅トランジスタＴＲ２のエミッタと接地間に接続されたコンデンサＣ４と、更に発振用増幅トランジスタＴＲ２のコレクタにエミッタ接地回路を接続し、夫々のベースを所定の電位でバイアスし、発振用増幅トランジスタＴＲ２のベース接地間に圧電振動素子Ｘｔａｌと周波数調整用のコンデンサＣ５が直列に接地されている。これにより、発振用増幅トランジスタＴＲ２及びトランジスタＴＲ１のベースは夫々所定の電位でバイアスされているので、波形歪みの少ない発振器を構成することができる。
また、インダクタＬ１とコンデンサＣ１、Ｃ２の直列回路による並列同調回路の同調周波数を発振器の周波数と合わせることにより、発振レベルを大きくしてＯＵＴ端子から取り出すことができる。

本発明の実施形態に係るカスコード接続されたコルピッツ発振回路の一例を示す図である。従来のコルピッツ発振回路を表す図である。

符号の説明

ＴＲ２発振用トランジスタ、Ｃ５〜８コンデンサ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３バイアス抵抗、Ｒ４エミッタ抵抗、Ｌ１インダクタ、Ｘｔａｌ圧電振動子

Claims

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エミッタと接地間に挿入された抵抗とコンデンサの並列回路と、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コレクタ側に第２のトランジスタをカスコード接続し、該カスコード接続された第２のトランジスタのコレクタにインダクタとコンデンサによる並列同調回路を接続すると共に、該第２のトランジスタのコレクタと前記発振用増幅トランジスタのエミッタ間に容量を挿入したことを特徴とする圧電発振器。
前記第２のトランジスタは、ベース側が容量を介して接地されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
前記発振用増幅トランジスタ及び第２のトランジスタのベースは夫々所定の電位でバイアス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。
前記第２のトランジスタのコレクタと前記発振用増幅トランジスタのエミッタ間に挿入する容量の値は、前記発振用増幅トランジスタのエミッタと接地間に挿入される容量の値以上であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の圧電発振器。
前記コレクタとエミッタ間に挿入する容量を所定の値にすることにより、前記発振用増幅トランジスタのコレクタ出力電圧及びエミッタ出力電圧を抑圧し、その結果前記圧電素子の電流を併せて抑圧することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の圧電発振器。
前記発振用増幅トランジスタのコレクタ側に第２のトランジスタをカスコード接続することにより、ミラー効果を抑圧して発振を安定化することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の圧電発振器。