JP2010016586A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電発振器の低電源電圧化に対応可能とすると共に、安定した性能を有する圧電
発振器を提供することを目的とする。
【解決手段】圧電発振器１は、コルピッツ型の発振回路２と、発振回路２が出力する発振
信号より基本波周波数を濾波し、即ち通過させるフィルタ回路３と、発振回路２とフィル
タ回路３との間に接続されたダイオードＤ１とにより構成し、圧電発振器１には、ノイズ
を除去するためのバイパスコンデンサＣ５を介して電源電圧（Ｖｃｃ）を印加している。
本発明においては、発振回路２とフィルタ回路３とをダイオードＤ１を経由して接続した
。
【選択図】図１

Description

本発明は圧電発振器に関し、特に圧電発振器に印加する電源電圧を低電圧化しても発振
特性の劣化が少ない圧電発振器に関するものである。

安定した周波数信号を供給する圧電発振器は、移動体通信の移動局や基地局の基準発振
器として、また、コンピュータなどの基準クロック源として広く使用されている。圧電発
振器の発振回路構成としては、一般に、トランジスタを増幅器としたコルピッツ型発振回
路が多く使用されている。そこで、特許文献１により開示された発振回路を用いて、従来
の圧電発振器について説明する。
図４は、従来の圧電発振器の回路構成を示す図である。圧電発振器１０１は、コルピッ
ツ型の発振回路１０２と、トランジスタをベース接地した増幅回路１０３と、コイルとコ
ンデンサの並列回路からなるフィルタ回路１０４と、コイルとコンデンサの並列回路から
なる第１の同調回路１０５と、コイルとコンデンサの並列回路からなる第２の同調回路１
０６と、を備えている。また、圧電発振器１０１は、ノイズを除去するためのバイパスコ
ンデンサ１０７を介して電源電圧（Ｖｃｃ）を印加すると共に、第２の同調回路１０６の
中間部（コンデンサの直列接続点）より出力信号（ＯＵＴ）を得ている。また、発振回路
１０２は、発振用トランジスタのベースと接地（ＧＮＤ）との間に負荷容量の一部を構成
する二つのコンデンサから成る直列回路を接続し、この直列回路の接続中点を発振用トラ
ンジスタのエミッタに接続するとともに、エミッタと接地との間には、エミッタ抵抗を接
続している。また、トランジスタのベースと接地との間に圧電振動子を接続し、更には、
トランジスタのベースには抵抗を介して所定のバイアス電圧が印加されている。
圧電発振器１０１は、発振回路１０２が出力する所定周波数の発振信号より、基本波周
波数の逓倍である逓倍周波数を有する発振出力信号を生成する発振器として機能し、フィ
ルタ回路１０４は、発振回路１０２が出力する発振信号より、コイルとコンデンサの並列
回路により規定される所望の逓倍周波数信号のみを濾波し、即ち通過させ、後段の第１の
同調回路１０５に出力している。そして、コイルとコンデンサの並列回路からなる第１の
同調回路１０５と第２の同調回路１０６により波形整形され、正弦波信号となった所望の
逓倍周波数信号が圧電発振器１０１より出力される。
特開２００７−１８４８１１公報

しかしながら、図４に示した従来の圧電発振器１０１は、発振回路用トランジスタのエ
ミッタを接地側に接続するとともに、コレクタを増幅回路用のトランジスタのエミッタに
接続し、増幅回路用のトランジスタのコレクタを電源電位側にそれぞれ接続している。即
ち、電源電位と接地間に発振回路用トランジスタと増幅回路用トランジスタが縦続接続さ
れていることになる。このため、縦続接続された２つのトランジスタが所望の特性を維持
するよう機能させるためには、縦続接続された２つのトランジスタ間に、それぞれのトラ
ンジスタに必要な所定値以上の電源電圧、例えば、３Ｖ程度以上の電圧を印加させること
が必要となり、近年要求されている圧電発振器の低電源電圧化を満たすことが困難であっ
た。圧電発振器の低電源電圧化の例として、圧電発振器に印加する電源電圧が２．５Ｖ系
のものが知られているが、上述した従来の圧電発振器は、この電源電圧を実現することは
困難であり、圧電発振器の３Ｖ以下の低電源電圧化が難しいという問題があった。
また、２つのトランジスタを縦続接続しているため、２つのトランジスタに必要となる
バイアス回路が複雑となり、圧電発振器の安定動作に影響を与える可能性も生じていた。
本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、圧電発振器の
低電源電圧化に対応可能とすると共に、安定した性能を有する圧電発振器を提供すること
を目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］発振用トランジスタと、前記発振用トランジスタのベースとエミッタとの
間に接続した第１のコンデンサと、前記発振用トランジスタのエミッタと接地との間に接
続した第２のコンデンサと、前記発振用トランジスタのベースと接地との間に接続した圧
電振動子と、を備えたコルピッツ型の発振回路と、相互に並列接続された第１のコイル及
び第３のコンデンサを備え、前記発振回路が出力する所定周波数の発振信号の所定の帯域
成分を通過させるフィルタ回路と、前記発振回路と前記フィルタ回路とを接続するダイオ
ードと、備える圧電発振器を特徴とする。

このような本発明の圧電発振器によれば、発振回路にフィルタ回路をダイオードを介し
て接続したことにより、電源電位と接地間にダイオードとトランジスタが縦続接続される
構成となった。従って、従来の圧電発振器が電源電位と接地間に二つのトランジスタを縦
続接続していたことと比較して、印加する電源電圧を低電圧化することができる。また、
発振回路にフィルタ回路をダイオードを介して接続したことにより、発振回路を構成する
回路網とフィルタ回路を構成するＬＣ回路網とが結合し難くなり、それらの回路網が結合
して異常発振を生ずることが防止できる。

［適用例２］相互に並列接続された第２のコイル及び第４のコンデンサからなる同調回
路を備え、前記フィルタ回路の後段に前記同調回路を接続した適用例１に記載の圧電発振
器を特徴とする。

このような本発明の圧電発振器によれば、発振回路にフィルタ回路をダイオードを介し
て接続したことにより、圧電発振器は、発振回路を構成する回路網とフィルタ回路を構成
するＬＣ回路網との干渉がほとんど生じない。従って、フィルタ回路のフィルタ特性が向
上するので、フィルタ回路が出力する発振信号の高調波歪は極めて少なくなり、簡易化さ
れた同調回路を用いて、正弦波周波数信号を出力する圧電発振器が容易に実現できる。ま
た、従来の圧電発振器と比べて、部品点数を削減し、小型化可能な正弦波出力の圧電発振
器を提供できる。

［適用例３］前記フィルタ回路の後段にインバータ回路を接続した適用例１に記載の圧
電発振器を特徴とする。

このような本発明の圧電発振器によれば、発振回路とフィルタ回路とをダイオードを経
由して接続したことにより、圧電発振器は、発振回路を構成する回路網とフィルタ回路を
構成するＬＣ回路網との干渉がほとんど生じない。従って、フィルタ回路のフィルタ特性
が向上するので、フィルタ回路が出力する出力信号は、高調波歪が極めて少なくなってい
る。そこで、圧電発振器は、出力信号を矩形波信号に変換する際に、周囲の温度変動が生
じても矩形波信号のＤｕｔｙ変動の少ない安定した矩形波信号を出力することができる。

［適用例４］前記発振信号の所定周波数が、基本波周波数である適用例１乃至３の何れ
か一項に記載の圧電発振器を特徴とする。

このような本発明の圧電発振器によれば、従来の圧電発振器と比べて、少ない部品点数
で、基本波発振周波数を出力する小型化された圧電発振器が容易に構成できる。

以下、図示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電圧発振器の第１の実施形態の回路構成を示す図である。
第１の実施形態による圧電発振器は、発振回路が出力する発振信号の基本波周波数を出
力信号とする例を示している。圧電発振器１は、コルピッツ型の発振回路２と、発振回路
２が出力する発振信号より基本波周波数を濾波し、即ち通過させるフィルタ回路３と、発
振回路２とフィルタ回路３との間に接続されたダイオードＤ１とにより構成し、圧電発振
器１には、ノイズを除去するためのバイパスコンデンサＣ５を介して電源電圧（Ｖｃｃ）
を印加している。本実施形態においては、発振回路２とフィルタ回路３とをダイオードＤ
１を介して接続したことが特徴である。
発振回路２は、発振用トランジスタＴＲ１のベースと接地（ＧＮＤ）間に負荷容量の一
部となるコンデンサＣ１（第１のコンデンサ）とコンデンサＣ２（第２のコンデンサ）と
の直列回路を接続し、この直列回路の接続中点と発振用トランジスタＴＲ１のエミッタと
を接続するとともに、発振用トランジスタＴＲ１のエミッタと接地間にエミッタ抵抗Ｒ１
を接続している。エミッタ抵抗Ｒ１は、発振回路２の負性抵抗特性を定めるエミッタ電流
を決定する。また、発振用トランジスタＴＲ１のコレクタには、ダイオードＤ１とフィル
タ３を経由して電源電圧を印加するとともに、更に、発振用トランジスタＴＲ１のベース
と電源電位間に抵抗Ｒ２（第１のバイアス抵抗）を接続し、発振用トランジスタＴＲ１の
ベースと接地間に抵抗Ｒ３（第２のバイアス抵抗）を接続し、ベースバイアス回路として
いる。そして、発振用トランジスタＴＲ１のベースと接地間に圧電振動子Ｘ１を接続し、
発振回路２は、コルピッツ型発振回路として動作する。
ここで、フィルタ回路３は、ＬＣフィルタであり、相互に並列接続されたコイルＬ１（
第１のコイル）及びコンデンサＣ３（第３のコンデンサ）を備え、発振回路２が出力する
発振信号より、基本波周波数のみを通過させる。そして、通過した発振信号は、直流カッ
ト用のコンデンサＣ４を経由して、出力信号を端子ＯＵＴから出力する。

次に、本発明の特徴である発振回路２とフィルタ回路３との間に接続されたダイオード
Ｄ１について説明する。発振用トランジスタのコレクタにフィルタ回路を接続して所望の
発振周波数成分を出力する構成のコルピッツ型発振回路においては、発振用トランジスタ
のベース−コレクタ間やプリントパターンなどにおいて生ずる寄生容量により、発振回路
２を構成する回路網とフィルタ回路３を構成するＬＣ回路網とが結合し、異常発振を生ず
ることがある。特に、本発明の実施形態のように、圧電発振器が発振信号の基本波周波数
を出力する基本波周波数発振回路として機能する場合、フィルタ回路３は、基本波周波数
成分を選択する回路定数を有しており、発振回路２を構成する回路網とフィルタ回路３を
構成するＬＣ回路網とが非常に結合し易く、共振が発生して異常発振を起こし易い。そこ
で、これを解決するために従来技術では、このような結合を疎にするため、フィルタ回路
３を構成するコイルＬ１のインダクタンスを小さくし、コンデンサＣ３の値を大きくして
所望の特性を得るフィルタ回路を構成することができる。しかしながら、フィルタ回路３
のＱ値が下がり、フィルタ回路の損失が増え、所望のフィルタ特性が得られない。
そのため、通常、発振回路２とフィルタ回路３とを接続する際は、発振回路２を構成す
る回路網とフィルタ回路３を構成するＬＣ回路網との結合を疎とするため、バッファ回路
を挿入することが望ましい。前述した従来の圧電発振器では、発振回路とフィルタ回路と
の間にトランジスタを用いたベース接地回路が挿入されており、この回路がバッファ回路
として機能していた。その結果、従来の圧電発振器では、電源電位と接地間に２つのトラ
ンジスタが縦続接続されるため、圧電発振器の低電源電圧化が困難となっていた。

そこで、本発明においては、発振回路２を構成する回路網とフィルタ回路３を構成する
ＬＣ回路網との結合を疎とするために、発振用トランジスタのコレクタに順方向にダイオ
ードＤ１を接続し、他端をフィルタ回路３の入力側に接続した。従って、発振用トランジ
スタのコレクタ電流が十分に流れるまで、ダイオードＤ１により発振回路２を構成する回
路網とフィルタ回路３を構成するＬＣ回路網とが完全に分離されており、２つの回路網の
結合が疎となって、異常発振が生ずることを防止した。ダイオードＤ１を挿入したことに
よる電圧の低下は、０．７Ｖ程度であり、従来の圧電発振器のようにバッファ回路にトラ
ンジスタを用いた場合の電圧低下が１．５Ｖ程度であることと比べて、電圧の低下が低減
された。従って、例えば、本発明の圧電発振器は、電源電圧２．５Ｖ系への対応が可能と
なるなど、圧電発振器に印加する電源電圧の低電圧化が可能となった。
また、ダイオードＤ１を挿入したことにより、フィルタ回路３を構成するコイルＬ１の
インダクタンスの値を大きくしてコンデンサＣ３の値を小さくすることができるため、フ
ィルタ回路３は、おおよそ６ｄＢ程度以上のフィルタ特性の改善が図られた（Ｑ値を上げ
られた）。従って、第１の実施形態の回路を用いて正弦波出力発振器を構成する場合、発
振器の後段に配置する波形整形用の同調回路の構成を簡易化することが可能となる。
また、ダイオードＤ１を挿入したことによる付随的な効果として、発振回路３は、印加
する電源電圧に変動が生じても、ダイオードＤ１により定電圧化がなされ、圧電発振器の
電源電圧変動特性が改善される。

次に、本発明に係る圧電発振器の第２の実施形態について説明する。
図２は、本発明に係る電圧発振器の第２の実施形態の回路構成を示す図である。第２の
実施形態による圧電発振器は、発振回路が出力する発振信号の基本波周波数を正弦波信号
とする正弦波出力発振器の具体的な構成例である。圧電発振器４は、コルピッツ型の発振
回路２と、発振回路２が出力する発振信号より基本波周波数を濾波し、即ち通過させるフ
ィルタ回路３と、フィルタ回路３が出力する周波数信号の基本波周波数に同調して高調波
成分を除去し、歪みの少ない正弦波周波数信号を出力する同調回路５と、発振回路２とフ
ィルタ回路３との間に接続されたダイオードＤ１とにより構成し、圧電発振器４には、ノ
イズを除去するためのバイパスコンデンサＣ５を介して電源電圧（Ｖｃｃ）を印加してい
る。第２の実施形態に示した圧電発振器４は、前述した圧電発振器１を構成するフィルタ
回路３の出力側に、出力信号の波形整形を行うための同調回路５を接続した。そして、こ
の第２の実施例では、出力信号を同調回路５の出力側から得ているところが第１の実施形
態と異なる。そこで、第１の実施形態と同様な構成要素には同じ符号を付し、重複する説
明は省略する。

同調回路５は、フィルタ回路３と同様にＬＣフィルタであり、コイルＬ２（第２のコイ
ル）と、コンデンサＣ６、Ｃ７（第４のコンデンサ）と、を備えている。コイルＬ２は、
コンデンサＣ６、Ｃ７に並列接続されており、かつ、コンデンサＣ６、Ｃ７は、相互に直
列接続されている。そして、同調回路５は、フィルタ回路３により濾波された基本波周波
数の出力信号を、コイルＬ２とコンデンサＣ６、Ｃ７により規定される特性で濾波するこ
とにより高調波成分を除去し、コンデンサＣ６、Ｃ７の接続点に繋がる端子ＯＵＴから出
力する。
第２の実施形態においては、圧電発振器４は、発振回路２とフィルタ回路３とをダイオ
ードＤ１を経由して接続したことにより、発振回路２を構成する回路網とフィルタ回路３
を構成するＬＣ回路網との結合が疎となり、互いの干渉を防止する構成である。従って、
前述したようにフィルタ回路３のフィルタ特性が向上し、フィルタ回路３が出力する発振
信号の高調波歪は極めて少なくなっている。そこで、圧電発振器４は、正弦波周波数信号
を出力するために挿入されている同調回路５を簡易化することが可能である。又、従来の
圧電発振器と比べて、部品点数を削減し、小型化可能な正弦波出力の圧電発振器を容易に
実現できる。

次に、本発明に係る圧電発振器の第３の実施形態について説明する。
図３は、本発明に係る電圧発振器の第３の実施形態の回路構成を示す図である。第３の
実施形態による圧電発振器は、発振回路が出力する周波数信号の基本波周波数を矩形波信
号とする矩形波出力発振器の具体的な構成例である。圧電発振器６は、コルピッツ型の発
振回路２と、発振回路２が出力する発振信号より基本波周波数を濾波し、即ち通過させる
フィルタ回路３と、フィルタ回路３が出力する基本波周波数の信号を波形成形し、矩形波
に変換するインバータ回路７と、発振回路２とフィルタ回路３との間に接続されたダイオ
ードＤ１とにより構成し、圧電発振器６には、ノイズを除去するためのバイパスコンデン
サＣ５を介して電源電圧（Ｖｃｃ）を印加している。第３の実施形態に示した圧電発振器
６は、前述した圧電発振器１を構成するフィルタ回路３の出力側に、出力信号を矩形波に
変換するためのインバータ回路７を接続した。そして、本実施例では圧電発振器６の出力
信号をインバータ回路７の出力側から得ているところが第１の実施形態と異なる。そこで
、第１の実施形態と同様な構成要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
インバータ回路７は、ＣＭＯＳ ＩＣ、或いは、ＥＣＬ ＩＣなどからなるインバータ
ＩＣ１と、電源電位と接地間（ＧＮＤ）に抵抗Ｒ４、Ｒ５を直列接続し、抵抗Ｒ４、Ｒ５
の中間接続点をインバータＩＣ１の入力側に接続したバイアス回路と、により構成し、フ
ィルタ回路３が出力する基本波周波数の出力信号を波形成形して矩形波に変換し、端子Ｏ
ＵＴから出力する。

第３の実施形態においては、圧電発振器６は、発振回路２とフィルタ回路３とをダイオ
ードＤ１を経由して接続したことにより、発振回路２を構成する回路網とフィルタ回路３
を構成するＬＣ回路網との結合が疎となり、互いの干渉がほとんど生じない構成である。
従って、前述したようにフィルタ回路３のフィルタ特性が向上し、フィルタ回路３が出力
する基本波周波数の出力信号は、高調波歪が極めて少なくなっている。そのため、圧電発
振器は、出力信号を波形成形し矩形波信号に変換する際に、周囲の温度変動が生じても矩
形波信号のＤｕｔｙ変動の少ない安定した矩形波信号を出力することができる。
なお、本実施形態において説明した発振回路２の構成は、あくまでも一例であり、発振
回路２は、少なくとも、発振用のトランジスタＴＲ１と、トランジスタＴＲ１のベースと
エミッタとの間に接続したコンデンサＣ１と、トランジスタＴＲ１のエミッタと接地との
間に接続したコンデンサＣ２と、トランジスタＴＲ１のベースと接地との間に接続した圧
電振動子Ｘ１と、を備えたコルピッツ型の発振回路であればよい。

本発明に係る電圧発振器の第１の実施形態の回路構成を示す図である。 本発明に係る電圧発振器の第２の実施形態の回路構成を示す図である。 本発明に係る電圧発振器の第３の実施形態の回路構成を示す図である。 従来の電圧発振器の回路構成を示す図である。

符号の説明

１、４、６…圧電発振器、２…発振回路、３…フィルタ回路、５…同調回路、７…イン
バータ回路、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７…コンデンサ、Ｄ１…ダイオー
ド、ＩＣ１…インバータ、Ｌ１、Ｌ２…コイル、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５…抵抗、
ＴＲ１…トランジスタ、Ｘ１…圧電振動子

Claims (4)

1. 発振用トランジスタと、前記発振用トランジスタのベースとエミッタとの間に接続した
   第１のコンデンサと、前記発振用トランジスタのエミッタと接地との間に接続した第２の
   コンデンサと、前記発振用トランジスタのベースと接地との間に接続した圧電振動子と、
   を備えたコルピッツ型の発振回路と、
   相互に並列接続された第１のコイル及び第３のコンデンサを備え、前記発振回路が出力
   する所定周波数の発振信号の所定の帯域成分を通過させるフィルタ回路と、
   前記発振回路と前記フィルタ回路とを接続するダイオードと、
   を備えることを特徴とする圧電発振器。
2. 相互に並列接続された第２のコイル及び第４のコンデンサからなる同調回路を備え、前
   記フィルタ回路の後段に前記同調回路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。
3. 前記フィルタ回路の後段にインバータ回路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. 前記発振信号の所定周波数が、基本波周波数であることを特徴とする請求項１乃至３の
   何れか一項に記載の圧電発振器。

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