JP2009017349A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のオーバートン水晶発振器では、オフセット周波数が数十kHz〜１MHz付近にかけてフロアノイズの盛り上がりが発生し、位相雑音特性が劣化してしまうという問題点があり、フロアノイズの盛り上がりを無くし、位相雑音特性の優れたオーバートン水晶発振器を提供する。
【解決手段】 ３次オーバートン水晶振動子Ｘ１とトランジスタＱ１とを備えた発振ループと、同調回路とを備え、３次オーバートン水晶振動子Ｘ１に直列にインダクタＬ１及びＬ２を接続し、当該インダクタＬ１及びＬ２の中間点又は一定比で分割された点から、バッファアンプを介して発振出力を取り出す水晶発振器としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶発振器に係り、特に位相雑音特性の優れたオーバートン水晶発振器に関する。

［先行技術の説明：図５］
一般的に広く用いられているコルピッツ型発振回路について図５を用いて説明する。図５は、コルピッツ型発振回路の等価回路図である。
図５に示すように、コルピッツ型発振回路は、水晶振動子Ｘと、発振用増幅器（トランジスタ）Ｑと、コンデンサＣ，Ｃ′とから構成されており、能動素子であるトランジスタＱのエミッタから発振出力を取り出す構成となっている。

［オーバートン水晶振動子］
また、オーバートン水晶振動子は、基本波の奇数次（３次、５次等）の周波数を発振する振動子である。
一般に、振動子は、周波数が高くなると水晶基板が薄くなって取り扱い及び製造が困難になるため、比較的高い周波数（５０MHz〜１００MHz程度）では、基本波振動子と比べて製造しやすいオーバートン振動子が使用されている。
オーバートン水晶振動子は、同周波数帯の基本波振動子と比べてＱ値が高いため、特にキャリア近傍においては良好な位相雑音特性が得られるものである。

オーバートン水晶振動子を用いた水晶発振器では、３次オーバートンが発振するよう製作された水晶振動子であっても、発振回路に十分なゲインがあると、当該水晶振動子の基本波が発振する可能性があり、一般的には、発振回路に同調回路を設け、必要とする３次オーバートンのみが励振されるように構成されている。

［従来の第１のオーバートン水晶発振器：図６］
ここで、同調回路を備えた従来のオーバートン水晶発振器について図６，７，８を用いて説明する。図６，７，８は、それぞれ、同調回路を備えた従来の第１，第２，第３のオーバートン水晶発振器の構成を示す回路図である。
図６に示すように、従来の第１のオーバートン水晶発振器は、オーバートン水晶振動子Ｘ１と、発振用トランジスタＱ１と、バイアス用抵抗Ｒ２，Ｒ３とを備えた発振ループに、コンデンサＣ２，Ｃ３，Ｃ４と、インダクタＬ３及び抵抗Ｒ４とを備えた同調回路が接続された構成となっている。

具体的には、トランジスタＱ１のコレクタが電源ラインに接続され、トランジスタＱ１に並列に抵抗Ｒ２及びＲ３が設けられ、Ｒ３の一端は接地されている。
オーバートン水晶振動子Ｘ１は、一端が抵抗Ｒ２とＲ３の間の点を介してトランジスタＱ１のベースに接続され、他端は接地されている。

同調回路は、トランジスタＱ１のベースとオーバートン水晶振動子Ｘ１との中間に、コンデンサＣ２がオーバートン水晶振動子Ｘ１及び抵抗Ｒ３に並列に接続され、コンデンサＣ２に、コンデンサＣ３，Ｃ４が直列に接続されて、コンデンサＣ４の他端は接地されている。

また、インダクタＬ３及び抵抗Ｒ４はトランジスタＱ１のエミッタに直列に接続され、抵抗Ｒ４の他端は接地されている。
そして、コンデンサＣ２及びＣ３の間の点と、トランジスタＱ１のエミッタ及びインダクタＬ３の間の点とを接続するラインから、コンデンサＣ５を介して発振出力を取り出す構成となっている。

［従来の第２のオーバートン水晶発振器：図７］
図７に示すように、従来の第２のオーバートン水晶発振器は、図６に示した従来の第１のオーバートン水晶発振器と基本的な構成はほぼ同様であり、同調回路の構成が一部異なっている。
具体的には、図６に示した同調回路のコンデンサＣ４が、インダクタＬ３に直列に接続された抵抗Ｒ４に並列に接続された構成となっている。
発振出力は、図６と同様に、同調回路からコンデンサＣ５を介して取り出すようになっている。

［従来の第３のオーバートン水晶発振器：図８］
図８に示すように、従来の第３のオーバートン水晶発振器は、図７に示した第２のオーバートン水晶発振器に、更に、バッファアンプを設けた構成である。
バッファアンプは、トランジスタＱ２と、抵抗Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７とから構成されるエミッタフォロア回路である。バッファアンプを設けることにより、位相雑音特性が向上するものである。
従来の第３のオーバートン水晶発振器では、同調回路からバッファアンプ及びコンデンサＣ６を介して発振出力が取り出される。

［先行技術文献］
尚、水晶発振器に関する先行技術としては、特開２００６−１４０７４９号公報（特許文献１）、実開昭５８−１７３９１５号公報（特許文献２）がある。
特許文献１には、水晶発振器において、発振閉ループにトランスの１次コイルとコンデンサとを直列接続した回路を挿入接続すると共に、当該トランスの２次コイルから発振出力を得るように構成して、位相雑音特性を向上させることが記載されている。

また、特許文献２には、圧電発振器において、トランジスタのベースとアース間に圧電振動子とインピーダンス回路を直列に接続し、当該インピーダンス回路の両端から出力を得るようにすると共に、インピーダンス回路のインピーダンスを、トランジスタのエミッタとアース間に接続されたインピーダンス回路より小さく設定して、歪の少ない出力を容易に得ることが記載されている。

特開２００６−１４０７４９号公報 実開昭５８−１７３９１５号公報

しかしながら、従来の同調回路を備えたオーバートン水晶発振器では、同調回路から発振出力を取り出すことによって、オフセット周波数が数十kHz〜１MHz付近にかけてフロアノイズの盛り上がりが発生し、位相雑音特性が劣化してしまうという問題点があった。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、フロアノイズの盛り上がりを無くし、位相雑音特性の優れたオーバートン水晶発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、複数次のオーバートン水晶振動子と能動素子によって発振ループを形成し、当該発振ループに同調回路を設けた水晶発振器であって、発振ループ内の水晶振動子に直列にインダクタを接続し、当該インダクタの中間又は一定比で分割された点から発振出力を取り出す発振出力端子を設けたことを特徴としている。

本発明は、上記水晶発振器において、インダクタに並列に抵抗を接続したことを特徴としている。

本発明は、上記水晶発振器において、発振出力の端子にバッファアンプを設けたことを特徴としている。

本発明は、上記水晶発振器において、バッファアンプをエミッタフォロアとしたことを特徴としている。

本発明は、上記水晶発振器において、バッファアンプに同調回路を設けたことを特徴としている。

本発明は、上記水晶発振器において、一定比で分割されたインダクタを各々小型のチップインダクタで構成したことを特徴としている。

本発明によれば、複数次のオーバートン水晶振動子と能動素子によって発振ループを形成し、当該発振ループに同調回路を設けた水晶発振器であって、発振ループ内の水晶振動子に直列にインダクタを接続し、当該インダクタの中間又は一定比で分割された点から発振出力を取り出す発振出力端子を設けた水晶発振器としているので、良好な位相雑音特性を得ることができる効果がある。

また、本発明によれば、インダクタに並列に抵抗を接続した上記水晶発振器としているので、インダクタを導入したことによる異常発振を抑圧することができる効果がある。

また、本発明によれば、発振出力の端子にバッファアンプを設けた上記水晶発振器としているので、負荷インピーダンスが水晶振動子に影響を与えるのを防ぐ効果がある。

また、本発明によれば、バッファアンプに同調回路を設けた上記水晶発振器としているので、更に良好な位相雑音特性を得ることができる効果がある。

また、本発明によれば、一定比で分割されたインダクタを各々小型のチップインダクタで構成した上記水晶発振器としているので、回路を小型化することができる効果がある。

［発明の概要］
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係るオーバートン水晶発振器は、３次オーバートン水晶振動子とトランジスタとを備えた発振ループと、同調回路とを備え、３次オーバートン水晶振動子に直列にインダクタを接続し、当該インダクタの中間又は任意の比率で分割された点から発振出力を取り出す構成としており、同調回路から出力を取り出した場合に発生するフロアノイズの盛り上がりを無くし、位相雑音特性を向上させることができるものである。

［第１の実施の形態のオーバートン水晶発振器：図１］
本発明の第１の実施の形態に係るオーバートン水晶発振器について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係るオーバートン水晶発振器（第１のオーバートン水晶発振器）の回路図である。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るオーバートン水晶発振器は、図８に示した従来のオーバートン水晶発振器の回路を基本として、同調回路部分から発振出力を取り出さないように改良を加えたものである。

第１のオーバートン水晶発振器の構成について具体的に説明する。
第１のオーバートン水晶発振器は、基本的な構成として、３次オーバートン水晶振動子Ｘ１を含む発振ループと、同調回路と、バッファアンプを備え、更に、３次オーバートン水晶振動子Ｘ１に直列に、インダクタＬ１及びＬ２を接続し、コンデンサＣ１を介して接地したものであり、更に、インダクタＬ１及びＬ２の中間の点から発振出力を取り出す構成としたものである。

具体的には、発振ループは、３次オーバートン水晶振動子Ｘ１と、トランジスタＱ１と、バイアス抵抗Ｒ２，Ｒ３とから構成され、同調回路は、コンデンサＣ２，Ｃ３，Ｃ４と、インダクタＬ３と、抵抗Ｒ４とから構成され、バッファアンプは、トランジスタＱ２と、抵抗Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７と、コンデンサＣ６とから構成されている。
コンデンサＣ１は、発振回路全体の負荷容量を調整して、周波数を調整するものであり、容量可変のトリマコンデンサ等で構成してもよい。
バッファアンプは、ここではエミッタフォロア回路としている。

そして、第１のオーバートン水晶発振器においては、インダクタＬ１及びＬ２の中間の点から取り出された発振出力は、コンデンサＣ５を介して、バッファアンプのトランジスタＱ２のベースに入力され、トランジスタＱ２のエミッタからコンデンサＣ６を介して発振出力端子（OUT）に出力されるようになっている。

このように、第１のオーバートン水晶発振器では、同調回路から出力しないように構成したことにより、フロアノイズの盛り上がりを防ぐことができるものであり、また、バッファアンプを備えることにより、負荷インピーダンスが発振回路に影響を与えるのを防ぐことができるものである。

インダクタＬ２及びＬ３は、任意の分割比で中間タップを取った巻き線コイルを使用してもよいが、同じインダクタンス値、又は異なるインダクタンス値のチップインダクタを２個直列に接続しても構わない。
チップインダクタを使用すると、回路の小型化を図ることができるものである。

更に、図１のオーバートン水晶発振器では、インダクタＬ１及びＬ２に並列に抵抗Ｒ１を接続した構成としており、インダクタを挿入したことによって生ずる異常発振等を抑圧することができるものである。

［第１のオーバートン水晶発振器の位相雑音特性］
次に、第１のオーバートン水晶発振器の位相雑音特性について図２を用いて説明する。図２は、従来のオーバートン水晶発振器と第１のオーバートン水晶発振器の位相雑音特性を示す特性図である。
図２において破線で示したように、従来のオーバートン水晶発振器では、オフセット周波数が数十kHz〜１MHzにかけて位相雑音特性の盛り上がりが認められるが、実線で示した第１のオーバートン水晶発振器では、当該周波数領域においても位相雑音特性の盛り上がりは発生せず、安定した良好な位相雑音特性が得られるものである。

［先行技術との比較］
特許文献１に記載された水晶発振器は、トランスの２次コイルから発振出力を取り出す構成であり、第１のオーバートン水晶発振器の、オーバートン水晶振動子にインダクタを接続して、当該インダクタの中間から発振出力を取り出す構成ではない。特許文献１は、トランスを用いることにより回路規模が大型化してしまう上、オーバートン水晶発振器におけるフロアノイズ低減を図ることについては全く記載がない。
特許文献２に記載された圧電発振器も、オーバートン水晶発振器における位相雑音特性を向上することを目的としたものではなく、第１のオーバートン水晶発振器の構成とは異なっている。

［第２のオーバートン水晶発振器：図３］
本発明の第２の実施の形態に係るオーバートン水晶発振器（第２のオーバートン水晶発振器）について図３を用いて説明する。図３は、第２のオーバートン水晶発振器の回路図である。
図３に示すように、第２のオーバートン水晶発振器は、第１のオーバートン水晶発振器とはバッファアンプの構成が異なり、エミッタフォロワに同調回路を設けたアンプとしている。

第２のオーバートン水晶発振器のバッファアンプは、図３に示すように、トランジスタＱ２に、コンデンサＣ１２，Ｃ１３，Ｃ１４と、インダクタＬ１３と、抵抗Ｒ１４とから成る同調回路を備えたものであり、トランジスタＱ２のベースに、抵抗Ｒ６と並列にコンデンサＣ１２を接続し、コンデンサＣ１２に直列にコンデンサＣ１３を接続しており、更に、トランジスタＱ２のエミッタにインダクタＬ１３とコンデンサ１４を直列に接続し、コンデンサＣ１４に並列に抵抗Ｒ１４を接続した構成である。
そして、同調回路のコンデンサＣ１２とＣ１３との間の点と、トランジスタＱ２のエミッタとインダクタＬ１３との間の点とを接続するラインから、コンデンサＣ６を介して発振出力を得るものである。

第２のオーバートン水晶発振器でも、図２に示した第１のオーバートン水晶発振器と同様に、オフセット周波数数十kHz〜１MHzの範囲におけるフロアノイズの盛り上がりを抑制し、良好な位相雑音特性とすることができるものである。

［第３のオーバートン水晶発振器：図４］
本発明の第３の実施の形態に係るオーバートン水晶発振器（第３のオーバートン水晶発振器）について図４を用いて説明する。図４は、第３のオーバートン水晶発振器の回路図である。
上述した第１、第２のオーバートン水晶発振器は、バッファアンプのトランジスタのエミッタから出力を取り出す構成であったが、第３のオーバートン水晶発振器は、トランジスタのコレクタから取り出す構成である。

図４に示すように、第３のオーバートン水晶発振器は、電源ラインVccとトランジスタＱ２のコレクタとの間にコンデンサＣ７を設け、電源ラインVccと出力ラインとの間を接続するインダクタＬ４を挿入し、トランジスタＱ２のエミッタに接続する抵抗Ｒ７に並列にコンデンサＣ８を接続した構成であり、発振出力をバッファアンプのトランジスタＱ２のコレクタからコンデンサＣ９を介して取り出すものである。コンデンサＣ７とインダクタＬ４とで同調回路を構成している。
また、コンデンサＣ７を容量可変のトリマコンデンサで構成しても構わない。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係るオーバートン水晶発振器によれば、３次オーバートン水晶振動子Ｘ１とトランジスタＱ１とを備えた発振ループと、同調回路とを備え、３次オーバートン水晶振動子Ｘ１に直列にインダクタＬ１及びＬ２を接続し、当該インダクタＬ１及びＬ２の中間点又は一定比で分割された点から発振出力を取り出して、バッファアンプを介して出力する構成としており、同調回路から出力しないため、オフセット周波数十kHz〜１MHz付近におけるフロアノイズの盛り上がりを防ぐことができ、位相雑音特性を向上させることができる効果がある。

また、本オーバートン水晶発振器によれば、インダクタＬ１，Ｌ２に並列に抵抗Ｒ１を設けているので、インダクタを設けたことによる異常発振を抑圧して、安定した発振出力が得られる効果がある。

また、本オーバートン水晶発振器によれば、インダクタＬ１，Ｌ２をチップインダクタで構成することにより、回路の小型化を図ることができる効果がある。

本発明は、位相雑音特性の優れたオーバートン水晶発振器に適している。

本発明の第１の実施の形態に係るオーバートン水晶発振器（第１のオーバートン水晶発振器）の回路図である。 従来のオーバートン水晶発振器と第１のオーバートン水晶発振器の位相雑音特性を示す特性図である。 第２のオーバートン水晶発振器の回路図である。 第３のオーバートン水晶発振器の回路図である。 コルピッツ型発振回路の等価回路図である。 同調回路を備えた従来の第１のオーバートン水晶発振器の構成を示す回路図である。 同調回路を備えた従来の第２のオーバートン水晶発振器の構成を示す回路図である。 同調回路を備えた従来の第３のオーバートン水晶発振器の構成を示す回路図である。

符号の説明

Ｘ，Ｘ１…水晶振動子、 Ｑ１，Ｑ２…トランジスタ、 Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ１３…インダクタ、 Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ１４…抵抗、 Ｃ，Ｃ′，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４…コンデンサ

Claims (6)

1. 複数次のオーバートン水晶振動子と能動素子によって発振ループを形成し、当該発振ループに同調回路を設けた水晶発振器であって、
   前記発振ループ内の水晶振動子に直列にインダクタを接続し、当該インダクタの中間又は一定比で分割された点から発振出力を取り出す発振出力端子を設けたことを特徴とする水晶発振器。
2. インダクタに並列に抵抗を接続したことを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
3. 発振出力の端子にバッファアンプを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の水晶発振器。
4. バッファアンプをエミッタフォロアとしたことを特徴とする請求項３記載の水晶発振器。
5. バッファアンプに同調回路を設けたことを特徴とする請求項３又は４記載の水晶発振器。
6. 一定比で分割されたインダクタを各々小型のチップインダクタで構成したことを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。

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