JP2008211763A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によりＣ／Ｎ特性の劣化を低減した圧電発振器を提供する。
【解決手段】この圧電発振器５０は、発振回路３内の電圧可変容量素子４の両端に電位差を与えて電圧可変容量素子４の容量を可変とすることにより、発振周波数を可変する圧電発振器であって、電圧可変容量素子４の両端に印加する電位差の基準となる電位を供給する基準電圧端子１と、基準となる電位に対して電位差を与える制御電圧端子２と、演算増幅器５の同相入力端子に基準電圧端子１から供給された基準電圧を抵抗Ｒ１とＲ２により分圧して入力すると共に、抵抗Ｒ６を介して電圧可変容量素子４のカソードに接続する。また、演算増幅器５の逆相入力端子に制御電圧端子２から供給された制御電圧を抵抗Ｒ３を介して入力し、演算増幅器５の出力端子を抵抗Ｒ５を介して電圧可変容量素子４のアノードに接続する。また、抵抗Ｒ４により演算増幅器５の出力端子と入力端子間を接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、雑音比特性に優れる圧電発振器に関するものである。

温度変化に対して出力周波数の安定度が高い圧電発振器としては、例えば水晶振動子等の圧電振動子に対して増幅回路等の発振用回路、温度補償回路等付加した温度補償水晶発振器がある。
この温度補償水晶発振器は、温度補償回路によって発振ループの負荷容量を変化させて制御する周波数変動と、水晶振動子固有の温度−周波数特性変動とを相殺させて温度変化に対して安定度の高い発振周波数を出力するものである。

一方、近年、通信方式のデジタル化による高速通信が進むにつれて、温度補償水晶発振器に対しても雑音比特性（Ｃ／Ｎ特性）の更なる向上が望まれている。
特許文献１は、雑音比特性の向上を図った温度補償水晶発振器について開示したものである。
従来技術として特許文献１には電圧可変容量素子の容量を備えた温度補償水晶発振器について、電圧可変容量素子の両端に印加する制御電圧のノイズレベルの位相を同相にすることにより、ノイズ信号による雑音比特性の向上を図った内容が開示されている。

特開２００４−３２０２３９号公報

しかしながら、先行文献１に開示された回路の場合では例えば水晶振動子等の周波数温度特性を補償する為に電圧可変容量素子に印加される基準電圧を制御電圧との電圧源回路からのノイズ信号の位相を高い精度で一致させることは出来ないので、基準電圧または制御電圧の何れか一方のノイズをもキャンセルすることが出来ないばかりか、ノイズ信号の位相が逆相してしまった場合は、雑音比特性を悪くさせてしまう恐れもあった。

本発明は、かかる課題に鑑み、基準電圧を分圧して演算増幅器の同相入力端子に入力し、制御電圧を演算増幅器の逆相入力端子に入力することにより、演算増幅器の出力信号として分圧電圧に重畳した制御電圧を出力し、この出力信号と基準電圧との電位差を電圧可変容量素子の制御電圧とすることにより、少なくとも基準電圧に重畳したノイズを打ち消すことができるので、簡易な構成によりＣ／Ｎ特性の劣化を低減した圧電発振器を提供することを目的とする。

[適用例１]
本発明はかかる課題を解決するために、基準電圧供給手段と、制御電圧供給手段と、基準電圧供給手段の出力信号と制御電圧供給手段の出力信号との電位差に基づき容量値が制御される電圧可変容量素子と、圧電振動子とを有する圧電発振器であり、制御電圧供給手段が、制御電圧供給手段の出力信号を出力する演算増幅器を備え、演算増幅器が、同相入力端子と逆相入力端子とを有し、基準電圧供給手段の出力信号の一部を同相入力端子に入力するよう基準電圧供給手段の出力端子と同相入力端子とを接続し、逆相入力端子に制御電圧供給手段の出力信号を入力するよう逆相入力端子と制御電圧供給手段とを接続し、演算増幅器の出力端子を電圧可変容量素子に接続したことを特徴とする。

[適用例２]
発振周波数を中心周波数から上下に可変する方法として、発振ループ内の負荷容量を変化させて変える方法がある。その場合、バリコン等の負荷容量を直接変える方法と、電圧可変容量素子を使用して制御電圧を変えることにより、電圧可変容量素子の容量を変える方法があるが、制御の容易さ及び安定性の点で近年では電圧可変容量素子を使用する方法が主流となっている。この場合、制御電圧信号に種々雑音が重畳すると、そのまま発振信号に混入し、Ｃ／Ｎ特性の著しい低下に繋がるといった課題があった。
そこで本発明では、このＣ／Ｎ特性の劣化を最小限にするために、基準電圧を分圧して演算増幅器の同相入力端子に入力し、制御電圧を演算増幅器の逆相入力端子に入力することにより、演算増幅器の出力信号として分圧電圧に重畳した制御電圧を出力し、この出力信号と基準電圧との電位差を電圧可変容量素子の制御電圧とするものである。これにより、少なくとも基準電圧に重畳したノイズを打ち消すことができ、簡易な構成によりＣ／Ｎ特性の劣化を低減することができる。

[適用例３]
また、前記制御電圧供給手段は、前記演算増幅器の同相入力端子に前記基準電圧供給手段により供給された基準電圧を分圧して入力する場合、各分圧比を変更可能としたことを特徴とする。
演算増幅器の同相入力端子には、基準電圧を分圧して入力する。従って、演算増幅器の逆相入力端子に入力された制御電圧は反転されて分圧電圧に重畳されて出力される。その結果、電圧制御容量素子の両端には、基準電圧と分圧電圧に重畳された制御電圧の電位差が印加される。しかし、電圧制御容量素子の特性により、制御電圧が最適なレベルとなるように調整する必要がある。
そこで本発明では、分圧比を変更して分圧電圧を調整できる構成とするものである。これにより、制御電圧を最適なレベルとすることができる。

[適用例４]
また、前記演算増幅器の増幅率を変更可能としたことを特徴とする。
電圧制御容量素子の特性により、制御電圧が最適なレベルとなるように調整するもう一つの方法として、演算増幅器の増幅率を変更する方法がある。演算増幅器の増幅率は、フィードッバク抵抗の値を変更することにより、容易に設定することができる。そこで本発明では、演算増幅器の増幅率を変更可能とすることにより、制御電圧を最適なレベルとすることができる。

[適用例５]
また、基準電圧供給手段と、制御電圧供給手段と、基準電圧供給手段の出力信号と制御電圧供給手段の出力信号との電位差に基づき容量値が制御される電圧可変容量素子と、圧電振動子とを有する圧電発振器であり、制御電圧供給手段が、制御電圧供給手段の出力信号を出力する演算増幅器を備え、演算増幅器が、同相入力端子と逆相入力端子とを有し、基準電圧供給手段の出力信号の一部を同相入力端子に入力するよう基準電圧供給手段の出力端子と同相入力端子とを接続し、逆相入力端子に制御電圧供給手段の出力信号を入力するよう逆相入力端子と制御電圧供給手段とを接続し、演算増幅器の出力端子を電圧可変容量素子に接続し、電圧可変容量素子がＭＯＳ型電圧可変容量素子であることを特徴とする。
これによればＭＯＳ型電圧可変容量を使用して高い感度特性の圧電発振器であっても優れたＣ／Ｎ特性を得ることができる。

[適用例６]
また、前記制御電圧は、該圧電発振器の負荷容量を変化させて圧電振動子の発振周波数の温度特性を補償する温度補償電圧であることを特徴とする。
発振周波数を所定の範囲で可変するには、外部から電圧可変容量素子に制御電圧を変えて印加すれば可能である。この動作を例えば、温度変化に関しては水晶発振器に温度補償回路を付加し、この温度補償水晶発振器の発振ループの負荷容量を変化させて、水晶振動子固有の温度−周波数特性変動を相殺するように負荷容量を温度変化に対して制御することもできる。そこで本発明では、制御電圧として、温度感知器からの信号に基づいて、水晶振動子固有の温度−周波数特性変動を相殺する信号に変換して供給するものである。これにより、Ｃ／Ｎ特性の劣化を低減した温度補償水晶発振器を実現することができる。

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（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器の構成図である。
この圧電発振器５０は、電圧制御型の電圧可変容量素子４（例えば可変容量ダイオード）を有する発振回路３を備えたものであり、例えば温度補償圧電発振器であれば、電圧可変容量素子４の容量値を制御することにより圧電振動子の周波数温度特性を補償する機能を有するものである。
発振回路３は、電圧可変容量素子４の他に、電圧可変容量素子４と直列に接続される圧電振動子（図示しない）として例えば水晶振動子と、水晶振動子の励振信号を増幅して発振させる為の増幅回路を含む発振用回路（図示しない）と、を備えたものである。
電圧可変容量素子４のカソード端子には基準電圧供給手段としての基準電圧端子１が抵抗Ｒ６を介して接続されており、これにより基準電圧端子１の出力信号である基準電圧Ｖｒ（Ｖｒ≠０）が印加される。
電圧可変容量素子４のアノード端子にはオペアンプからなる演算増幅器５を有する制御電圧供給手段（ノイズ除去回路）を接続した構成である。
制御電圧供給手段は、演算増幅器５と、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とからなる分圧回路と、演算増幅器５ととも増幅回路を構成する為の抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４及び抵抗Ｒ５とを備えたものである。
制御電圧供給手段の具体的構成は、次の通りである。
演算増幅器５は、その同相入力端子（＋）を基準電圧端子１の出力信号（一部の電流信号に基づく出力信号）である基準電圧Ｖｒを分圧した分圧電圧Ｖｒ１を印加する為に抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とからなる分圧回路に接続したものであり、更に演算増幅器５の逆相入力端子（−）を制御電圧端子２を抵抗Ｒ３を介して接続したものである。
そして、演算増幅器５の出力端子に抵抗Ｒ４を介して逆相入力端子（−）に接続すると共に、出力端子に抵抗Ｒ５を介して電圧可変容量素子４のアノード端子に接続したものである。
尚、発振回路３の構成は、電圧可変容量素子４の両端に制御電圧の印加が可能な回路構成であれば発振回路の方式は問わない。

次に本実施形態の圧電発振器５０の動作について説明する。
尚、本実施形態では説明を簡略化するために、演算増幅器５の反転増幅率をＲ４／Ｒ３＝１として説明する。
まず、演算増幅器５への入力信号が逆相入力端子（−）に印加される電位のみに起因する演算増幅器５の出力信号の電位をＶＯ１とし、演算増幅器５の入力電圧が同相入力端子（＋）に印加される電位のみに起因する演算増幅器５の出力信号の電位をＶＯ２とすると、演算増幅器５は、逆相入力端子（−）と同相入力端子（＋）とに入力信号を印加したときには出力信号ＶＯ＝ＶＯ１＋ＶＯ２の電圧を出力する。
ＶＯ１はＶＯ１＝（−Ｒ４／Ｒ３）×Ｖｃ＝−Ｖｃであり、ＶＯ２はＶＯ２＝（（Ｒ３＋Ｒ４）／Ｒ３）×Ｖｒ１＝２Ｖｒ１である。
また、出力電位ＶＯはＶＯ＝（−Ｖｃ＋２Ｖｒ１）である。
従って、電圧可変容量素子４の端子間電位ＶＢはＶＢ＝（Ｖｒ−ＶＯ）＝（Ｖｒ−（２Ｖｒ１−Ｖｃ））である。

一方、基準電圧Ｖｒに含まれるノイズ信号のレベルをＶｒ’、分圧電圧Ｖｒ１に含まれるノイズ信号のレベルをＶｒ１’、端子間電位ＶＢの含まれるノイズ信号のレベルをＶＢ’とすると、ノイズ信号のレベルＶＢ’はＶＢ’＝（Ｖｒ’−（２Ｖｒ１’−Ｖｃ’））となる。
そして各ノイズ信号は、固有の位相を持っているが、分圧電圧Ｖｒ１と基準電圧Ｖｒとは同じ信号源であるから両者に含まれるノイズ信号は同相である。
従って、ノイズ信号のレベルＶＢ’は、例えば、制御電圧Ｖｃに含まれるノイズ信号と基準電圧に含まれるノイズ信号の位相が同相であってもノイズ信号のレベルＶｒ’から常にノイズ信号に基づくレベル２Ｖｒ１’をキャンセルした値となり、抑圧されたものとなる。
また、制御電圧Ｖｃに含まれるノイズ信号と基準電圧に含まれるノイズ信号との位相が逆相であればよりノイズ信号のレベルＶＢ’を抑圧するような働きが生じる。
尚、図１（ｂ）はノイズ信号のレベルＶＢ’が抑圧された様子を表した模式図である。

この様な構成は、特に電圧可変容量素子４としてＭＯＳ型可変容量を適用した場合に効果的である。
即ち、ＭＯＳ型電圧可変容量素子は、端子間の電位差のみで容量値が決定されるバイポーラタイプの可変容量型ダイオードとは異なり、基準となるバイアス電位の違いによっても電圧変化に対する容量変化特性（感度特性）に違いが起きる。
従って、高い感度特性を得る為には、電位差を広く設定する他に、基準電圧を０Ｖ以外の適切な電圧に設定するよう圧電発振器を構成することが有効となる。
しかし、この場合、ＭＯＳ型電圧可変容量素子の両端に電源から供給される電圧を印加する構成となる為、両電源からのノイズ信号の影響を受け易く、更に、可変容量ダイオードの感度特性と比較してＭＯＳ型電圧可変容量素子の感度特性が高い為、よりノイズ信号の影響を受けやすい。
従って、図１に示すような制御電圧供給手段を使用すれば、ＭＯＳ型可変容量素子を使用していながら雑音比特性に優れた感度特性に優れた圧電発振器を実現できる。

図２は本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器の構成図である。
図１の実施例と同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。
この圧電発振器５１は、演算増幅器５の同相入力端子（＋）に基準電圧端子１から供給された基準電圧Ｖｒの分圧電圧をプログラム処理により調整可能にした構成である。
図２が図１と異なる点は、分圧回路の構成をＤ／Ａ変換回路７に置き換えた点である。例えば、図１に示す抵抗Ｒ１の替わりに複数の抵抗Ｒａ〜Ｒｎを直列に接続した回路を適用し、この回路を抵抗Ｒ２に直列に接続する。
そして、各抵抗の接続中点と演算増幅器５の同相入力端子（＋）との間の回路を開閉する為のスイッチＳＷを複数備えると共に、複数のスイッチＳＷのうち何れかをＯＮ制御する為のＳＷ制御回路６を備えた構成である。

この様な構成であれば、分圧回路の設定条件を雑音非特性が最も優れる条件へと容易に調整することが可能である。

図３は本発明の第３の実施形態に係る圧電発振器の構成図である。この圧電発振器５２は、演算増幅器５の増幅率を調整可能としたものである。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。図３が図１と異なる点は、抵抗Ｒ３の構成をＤ／Ａ変換回路８に置き換えた点である。例えば、複数の抵抗Ｒａ〜Ｒｎを直列に接続して抵抗Ｒ４と接続し、各中点からスイッチＳＷにより選択して演算増幅器５の逆相入力端子（−）に接続するものである。
これにより、スイッチＳＷの接続する位置により抵抗Ｒ４との比が変化することにより演算増幅器５の増幅率を可変とするものである。尚、スイッチＳＷを選択する手段としてＳＷ制御回路６を備えるようにしても良い。

即ち、電圧可変容量素子４の特性により、制御電圧Ｖｃが最適なレベルとなるように調整するもう一つの方法として、演算増幅器５の増幅率を変更する方法がある。演算増幅器５の増幅率は、フィードッバク抵抗の値を変更することにより、容易に設定することができる。そこで本実施形態では、演算増幅器５の増幅率を変更可能とすることにより、制御電圧Ｖｃを最適なレベルとすることができる。

図４は本発明の第４の実施形態に係る圧電発振器の構成図である。この圧電発振器５３は、演算増幅器５の同相入力端子（＋）に基準電圧端子１から供給された基準電圧Ｖｒを分圧して入力する場合、各分圧比を変更可能としたものである。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。図４が図２と異なる点は、分圧する抵抗Ｒ１，Ｒ２を可変抵抗とした点である。この構成ではＳＷ制御回路６を必要とせず、構成を簡略化することができる。

図５は本発明の第５の実施形態に係る圧電発振器の構成図である。この圧電発振器５４は、制御電圧Ｖｃとして、圧電発振器５４の負荷容量を変化させて圧電振動子の発振周波数の温度特性を補償する温度補償電圧９としたことである。
即ち、発振周波数を所定の幅で可変するには、外部から電圧可変容量素子４に制御電圧Ｖｃを変えて印加すれば可能である。この動作を例えば、温度変化に関しては水晶発振器に温度補償回路を付加し、この温度補償水晶発振器の発振ループの負荷容量を変化させて、水晶振動子固有の温度−周波数特性変動を相殺するように負荷容量を温度変化に対して制御することもできる。そこで本実施形態では、制御電圧Ｖｃとして、図示しない温度感知器からの信号に基づいて、水晶振動子固有の温度−周波数特性変動を相殺する信号に変換して制御電圧端子２に供給するものである。これにより、Ｃ／Ｎ特性の劣化を低減した温度補償水晶発振器を実現することができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器の構成図、（ｂ）は電圧可変容量素子４の両端のノイズ信号のレベルＶＢ’を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器の構成図。 本発明の第３の実施形態に係る圧電発振器の構成図。 本発明の第４の実施形態に係る圧電発振器の構成図。 本発明の第５の実施形態に係る圧電発振器の構成図。

符号の説明

１…基準電圧端子、２…制御電圧端子、３…発振回路、４…電圧可変容量素子、５…演算増幅器、６…ＳＷ制御回路、７，８…Ｄ／Ａ変換回路、９…温度補償電圧、Ｒ１〜Ｒ６，Ｒａ〜Ｒｎ…抵抗、５０〜５４…圧電発振器。

Claims (3)

1. 基準電圧供給手段と、制御電圧供給手段と、前記基準電圧供給手段の出力信号と前記制御電圧供給手段の出力信号との電位差に基づき容量値が制御される電圧可変容量素子と、圧電振動子とを有する圧電発振器であり、
   前記制御電圧供給手段が、該制御電圧供給手段の前記出力信号を出力する演算増幅器を備え、該演算増幅器が、同相入力端子と逆相入力端子とを有し、前記基準電圧供給手段の出力信号の一部を前記同相入力端子に入力するよう前記基準電圧供給手段の出力端子と前記同相入力端子とを接続し、前記逆相入力端子に制御電圧供給手段の出力信号を入力するよう前記逆相入力端子と前記制御電圧供給手段とを接続し、該演算増幅器の出力端子を前記電圧可変容量素子に接続したことを特徴とする圧電発振器。
2. 前記電圧可変容量素子がＭＯＳ型電圧可変容量素子であることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
3. 前記制御電圧供給手段の出力信号は、該圧電発振器の負荷容量を変化させて圧電振動子の発振周波数の温度特性を補償する温度補償電圧であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電発振器。

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