JP2010193208A - 水晶発振回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 伸長コイルが挿入された場合で、水晶振動子の直列アームでの発振を確実に行わせ、本来の発振周波数以外における無用な発振を抑えることができる水晶発振回路を提供する。
【解決手段】 水晶振動子ＸL の一端とトランジスタＱのベースとの間に伸長コイルＬ1 が挿入された水晶発振回路であって、水晶振動子ＸL に並列に付加容量Ｃx を接続し、水晶振動子ＸL の他端に接続するコンデンサＣ1 、ベースに接続するコンデンサＣ2 を可変コンデンサとし、伸長コイルＬ1 とベースの間に可変コンデンサＣ3 を設け、これら可変コンデンサを温度補償電圧発生回路３で制御する水晶発振回路である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶発振回路に係り、特に、伸長コイルが挿入された場合で、水晶振動子の直列アームでの発振を確実に行わせることができる水晶発振回路に関する。

［従来の技術］
［一般的な水晶発振回路：図１３］
一般的な水晶発振回路について図１３を参照しながら説明する。図１３は、一般的な水晶発振回路の回路図である。
図１３に示すように、一般的な水晶発振回路は、特定の周波数を発振する水晶振動子ＸL と、水晶振動子ＸL の一端がベースに接続し、発振された周波数を増幅するトランジスタＱと、トランジスタＱのコレクタには発振回路電源が抵抗Ｒ2 を介して接続し、コレクタは抵抗Ｒ1 を介してベースに接続し、またコレクタが水晶振動子ＸL の他端に接続し、当該他端はコンデンサＣ1 の一端が接続すると共に他端が接地され、トランジスタＱのベースはコンデンサＣ2 の一端が接続すると共の他端が接地され、トランジスタＱのエミッタは接地されている。

［等価回路：図１４］
図１３の回路の等価回路を図１４に示す。図１４は、一般的な水晶発振回路の等価回路の図である。
図１４（ａ）に示すように、左側が水晶振動子（Crystal unit）ＸL であり、右側が負荷容量ＣL と負性抵抗−Ｒの直列接続の発振回路（Oscillator）である。

そして、図１４（ａ）の等価回路において水晶振動子を４素子等価回路とした等価回路で示したのが図１４（ｂ）である。図１４（ｂ）に示すように、水晶振動子は、直列接続（直列アーム）の直列抵抗Ｒ1 、直列容量Ｃ1 、直列インダクタンスＬ1 と並列接続（並列アーム）の並列容量Ｃ0 で表すことができ、発振回路は、負荷容量ＣL （＝−Ｘc ：発振回路のリアクタンス）と、負性抵抗−Ｒの直列接続で表すことができる。

尚、図１３で用いた容量Ｃ1 、抵抗Ｒ1 と、図１４（ｂ）の直列容量Ｃ1 、直列抵抗Ｒ1 とは、便宜上同じ符号を用いたが、容量値、抵抗値は異なっている。
また、以下の説明では、ＣL を負荷容量とし、ＸL を水晶振動子のリアクタンスとし、ＲL を負荷時共振抵抗として用いる。

水晶振動子をＲL ＋ＸL で表したとき、発振開始条件は、ＲL ≦｜−Ｒ｜であり、発振定常状態では、ＲL ＝｜−Ｒ｜となり、発振回路の−Ｒが発振開始後に減少して、水晶振動子の負荷時共振抵抗による電力損失分を常に補い続けるようになり、発振が継続する。

また、この時の発振周波数条件は、ＸL −Ｘc ＝０となる。
共振条件現象（位相＝０°）の時、発振回路側は容量性となり、水晶振動子側は誘導性となる。

［伸長コイル挿入の水晶発振回路：図１５］
水晶振動子ＸL とトランジスタＱのベースとの間に、伸長コイルを挿入した場合（発振回路側に伸長コイルを挿入した場合）、発振回路側が誘導性となり、水晶振動子の並列容量Ｃ0 と誘導性となった発振回路側とが共振することがある。

伸長コイルを挿入した水晶発振回路について図１５を参照しながら説明する。図１５は、伸長コイルを挿入した水晶発振回路の回路図である。
図１５に示すように、図１３との相違点は、水晶振動子ＸL とトランジスタＱのベースとの間に、伸長コイルを挿入したことである。

［等価回路：図１６］
また、図１５の等価回路について図１４と同様に表した図を図１６に示す。図１６は、伸長コイルを挿入した水晶発振回路の等価回路の図である。
図１６（ａ）の左側が水晶振動子であり、右側がインダクタＬ1 と負性抵抗−Ｒの直列接続の発振回路である。

また、図１６（ａ）の等価回路について図１４（ｂ）と同様に水晶振動子を等価定数回路とした時の等価回路で示したのが図１６（ｂ）である。図１６（ｂ）に示すように、水晶振動子は、直列接続（直列アーム）の直列抵抗Ｒ1 、直列容量Ｃ1 、直列インダクタンスＬ1 と並列接続（並列アーム）の並列容量Ｃ0 で表すことができ、発振回路は、発振回路のリアクタンス＋Ｘc と、負性抵抗−Ｒの直列接続で表すことができる。
尚、図１５で用いた容量Ｃ1 、抵抗Ｒ1 、伸長コイルＬ1 と、図１６（ｂ）の直列容量Ｃ1 、直列抵抗Ｒ1 、直列インダクタンスＬ1 とは、便宜上同じ符号を用いたが、容量値、抵抗値、インダクタンスの値は異なっている。

［図１５の発振回路の特性：図１７］
図１５の発振回路の特性について図１７を参照しながら説明する。図１７は、伸長コイル挿入の水晶発振回路の利得、位相特性を示す図である。
図１７において、上側の図は周波数に対する利得特性を示すもので、横軸が周波数、縦軸が利得を示している。また、図１７の下側の図は周波数に対する位相特性を示すもので、横軸が周波数、縦軸が位相を示している。

図１７に示すように、発振条件は、位相反転のポイント（位相反転１，２）で、利得が１以上である場合に、発振するものである。
従って、位相反転２のポイント（具体的には、１．２ＧＨｚ付近の高域の周波数）で、発振してしまうことになり、本来想定する水晶発振点となる位相反転１のポイント以外のポイントで発振するという不具合が発生することになる。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開平０４−１３７８０５号公報「水晶発振回路」（出願人：フアナツク株式会社）がある（特許文献１）。
特許文献１には、ＣＭＯＳインバータＭを使用して構成されるコルピッツ型水晶発振回路において、水晶振動子ＸL の両端に第３のキャパシタＣx が並列接続されている。
この水晶発振回路は、目的とする周波数以外の周波数において、安定した発振状態となることがないようにしたものである。

特開平０４−１３７８０５号公報

しかしながら、上記図１５の水晶発振回路では、伸長コイルを用いているため、水晶振動子の直列アーム（Ｃ1 ，Ｌ1 ，Ｒ1 ）の容量と回路側のインピーダンスが共振し、目的とする水晶振動子の直列アーム以外の周波数で発振し、水晶振動子本来の発振が妨げられるという問題点があった。

また、先行文献１では、水晶発振回路における安定発振状態を実現するものではあるが、伸長コイルが挿入された場合の水晶発振回路において、水晶振動子の直列アームでの振動を確実に行わせるものではない。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、伸長コイルが挿入された場合で、水晶振動子の直列アームでの発振を確実に行わせ、本来の発振周波数以外における無用な発振を抑えることができる水晶発振回路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、特定の周波数を発振する水晶振動子と、水晶振動子で発振された周波数を増幅するトランジスタとを有する水晶発振回路であって、水晶振動子の一端とトランジスタのベースとの間に伸長コイルが接続され、トランジスタのコレクタは第１の抵抗を介してベースに接続され、コレクタには発振回路電源が第２の抵抗を介して接続され、コレクタが水晶振動子の他端に接続され、当該他端は第１のコンデンサの一端が接続すると共に他端が接地され、トランジスタのベースには第２のコンデンサの一端が接続すると共の他端が接地され、トランジスタのエミッタは接地され、水晶振動子に並列に付加コンデンサが接続されることを特徴としている。

本発明は、上記水晶発振回路において、第１のコンデンサを可変コンデンサとしたことを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振回路において、第２のコンデンサを可変コンデンサとしたことを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振回路において、第１のコンデンサ及び第２のコンデンサの双方を可変コンデンサとしたことを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振回路において、回路内の温度を検出し、検出した温度の変動に応じて発振周波数が一定となるよう可変コンデンサに対する制御電圧を発生させる温度補償電圧発生回路を有することを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振回路において、付加コンデンサの値を０．４ｐＦ以上としたことを特徴とする。

本発明によれば、水晶振動子と、トランジスタとを有する水晶発振回路であって、水晶振動子の一端とトランジスタのベースとの間に伸長コイルが接続され、トランジスタのコレクタは第１の抵抗を介してベースに接続され、コレクタには発振回路電源が第２の抵抗を介して接続され、コレクタが水晶振動子の他端に接続され、当該他端は第１のコンデンサの一端が接続すると共に他端が接地され、トランジスタのベースには第２のコンデンサの一端が接続すると共の他端が接地され、トランジスタのエミッタは接地され、水晶振動子に並列に付加コンデンサが接続される構成としているので、水晶振動子での発振を確実に行わせ、本来の発振周波数以外における無用な発振を抑えることができる効果がある。

本発明によれば、第１のコンデンサ又は第２のコンデンサ、若しくは、第１のコンデンサ及び第２のコンデンサの双方を可変コンデンサとした上記水晶発振回路としているので、発振周波数を容易に調整できる効果がある。

本発明によれば、回路内の温度を検出し、検出した温度の変動に応じて発振周波数が一定となるよう可変コンデンサに対する制御電圧を発生させる温度補償電圧発生回路を有する上記水晶発振回路としているので、発振周波数を安定化できる効果がある。

本発明の実施の形態に係る水晶発振回路の回路図である。 本発明の実施の形態に係る水晶振動子の等価回路の図である。 実施の形態に係る発振回路の利得、位相特性を示す図である。 容量Ｃx を付加した時の利得特性、位相特性を示す図である。 第２の水晶発振回路の回路図である。 第３の水晶発振回路の回路図である。 第４の水晶発振回路の回路図である。 第５の水晶発振回路の回路図である。 第６の水晶発振回路の回路図でである。 第７の水晶発振回路の回路図でである。 第８の水晶発振回路の回路図でである。 第９の水晶発振回路の回路図である。 一般的な水晶発振回路の回路図である。 一般的な水晶発振回路の等価回路の図である。 伸長コイルを挿入した水晶発振回路の回路図である。 伸長コイルを挿入した水晶発振回路の等価回路の図である。 伸長コイル挿入の水晶発振回路の利得、位相特性を示す図である。

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。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る水晶発振回路は、水晶振動子の出力側とトランジスタのベースとの間に伸長コイルが挿入された構成において、水晶振動子に並列に付加容量を接続するようにしたものであり、水晶振動子の直列アームでの発振を確実に行わせ、本来の発振周波数以外における無用な発振を抑えることができる。

また、本発明の実施の形態に係る水晶発振回路は、回路内に設けられたコンデンサを可変コンデンサとしたものであり、発振周波数の調整を容易に行うことができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る水晶発振回路は、伸長コイルとトランジスタのベースとの間に可変コンデンサを直列に接続したものであり、発振周波数の調整を容易に行うことができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る水晶発振回路は、回路内に設けられたコンデンサを可変コンデンサとし、当該可変コンデンサを温度補償電圧発生回路により制御するようにしたものであり、回路内の温度変化に応じて発振周波数を安定化できるものである。

また、本発明の実施の形態に係る水晶発振回路は、伸長コイルとトランジスタのベースとの間に可変コンデンサを直列に接続し、当該可変コンデンサを温度補償電圧発生回路により制御するようにしたものであり、回路内の温度変化に応じて発振周波数を安定化できるものである。

［本水晶発振回路：図１］
本発明の実施の形態に係る水晶発振回路について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る水晶発振回路の回路図である。
本発明の実施の形態に係る水晶発振回路（第１の水晶発振回路）は、図１に示すように、特定の周波数を発振する水晶振動子ＸL と、水晶振動子ＸL で発振された周波数を増幅するトランジスタＱと、水晶振動子ＸL の一端が接続し、他端がトランジスタＱのベースに接続する伸長コイルＬ1 と有し、トランジスタＱのコレクタには発振回路電源が抵抗Ｒ2 を介して接続し、コレクタは抵抗Ｒ1 を介してベースに接続し、またコレクタが水晶振動子ＸL の他端に接続し、当該他端はコンデンサＣ1 の一端が接続すると共に他端が接地され、トランジスタＱのベースはコンデンサＣ2 の一端が接続すると共の他端が接地され、トランジスタＱのエミッタは接地され、水晶振動子ＸL に並列に付加容量（付加コンデンサ）Ｃx が接続されている。

［水晶振動子の等価回路：図２］
次に、図１における水晶振動子の等価回路について図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る水晶振動子の等価回路の図である。
水晶振動子の等価回路は、図２に示すように、直列アームとして、コイルＬ1 と、コンデンサＣ1 と、抵抗Ｒ1 とが直列に接続されており、並列アームとして、コンデンサＣ0 が直列アームに並列に接続されている。

［第１の水晶発振回路の特性：図３］
次に、第１の水晶発振回路の特性について、図３を参照しながら説明する。図３は、実施の形態に係る発振回路の利得、位相特性を示す図である。
図３に示すように、発振条件は、位相反転のポイントで利得が１以上であるため、発振するのは、位相反転１のポイントのみであり、それ以外で発振しないものとなっている。
これは、付加コンデンサＣx を設けたことにより、位相特性をずらして共振しないようにしたためである。

［容量Ｃx を付加した時の特性：図４］
そして、第１の水晶発振回路のように、水晶振動子ＸL の入出力端子に容量（コンデンサ）Ｃx を付加した時の特性について、図４を参照しながら説明する。図４は、容量Ｃx を付加した時の利得特性、位相特性を示す図である。
図４には、容量（付加コンデンサ）Ｃx の値を０〜１．０ｐＦに変化させた場合の利得特性と位相特性が示されている。
尚、並列アームのコンデンサＣ0 （Ｃ
para）を０．５ｐＦとした場合である。
周波数が６４０ＭＨｚ近辺で直列アーム（Ｌ1 Ｒ1 Ｃ1 ）による位相反転が発生し、本来の目的とする発振が為される。

付加コンデンサの値が０ｐＦであるということは、コンデンサが設けられていないことになるため、図１７に示した特性と同様に、別の位相反転ポイントで発振してしまうことになる。
また、付加コンデンサが設けられていても、０〜０．３ｐＦの小さい値であれば、まだ、別のポイントで位相反転があり、別の周波数で発振してしまう。

ただし、付加コンデンサＣx の値が０．４〜１．０ｐＦの範囲では、別のポイントで位相反転が発生せず、別の周波数で発振しないことが分かる。従って、付加コンデンサＣx の値としては、０．４ｐＦ以上、特に、０．４〜１．０ｐＦが適正である。

［第２〜５の水晶発振回路：図５〜８］
次に、本発明の実施の形態に係る第２〜５の水晶発振回路の構成について、図５〜８を参照しながら説明する。図５は、第２の水晶発振回路の回路図であり、図６は、第３の水晶発振回路の回路図であり、図７は、第４の水晶発振回路の回路図であり、図８は、第５の水晶発振回路の回路図である。
尚、第２〜５の水晶発振回路は、出力段にアンプ１と、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を備える出力ドライバ２が設けられている。

第２の水晶発振回路は、図５に示すように、コンデンサＣ1 を可変容量（可変コンデンサ）とし、発振回路における発振周波数を調整可能としたものである。
第３の水晶発振回路は、図６に示すように、コンデンサＣ2 を可変容量（可変コンデンサ）とし、発振回路における発振周波数を調整可能としたものである。
第４の水晶発振回路は、図７に示すように、コンデンサＣ1 及びＣ2 を可変容量（可変コンデンサ）とし、発振回路における発振周波数を調整可能としたものである。
ここで、可変コンデンサは、外部からの電圧によって周波数を可変にするバリキャップダイオードを使用する。

第５の水晶発振回路は、図８に示すように、伸長コイルＬ1 とトランジスタＱのベースとの間に可変コンデンサＣ3 を直列に接続した構成である。この可変コンデンサＣ3 の容量を調整することで、発振回路における発振周波数を調整可能としたものである。
また、第５の水晶発振回路における容量Ｃ1 又はＣ2 の一方、若しくは容量Ｃ1 及びＣ2 の双方を可変容量（可変コンデンサ）として、発振回路における発振周波数を調整可能としてもよい。

［第６〜９の水晶発振回路：図９〜１２］
次に、本発明の実施の形態に係る第６〜９の水晶発振回路の構成について、図９〜１２を参照しながら説明する。図９は、第６の水晶発振回路の回路図であり、図１０は、第７の水晶発振回路の回路図であり、図１１は、第８の水晶発振回路の回路図であり、図１２は、第９の水晶発振回路の回路図である。
尚、第６〜９の水晶発振回路は、出力段にアンプ１と、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を備える出力ドライバ２が設けられている。

また、第６〜９の水晶発振回路は、回路内部に温度補償電圧発生回路３を備えている。
温度補償電圧発生回路３は、回路内の温度を検出し、検出した温度に応じて発振周波数が一定となるよう可変コンデンサを制御する。
具体的には、温度補償電圧発生回路３で検出された温度がΔｔだけ変動すれば、通常周波数がΔｆ変動するため、Δｆの変動分を抑えるよう可変コンデンサを制御する。

第６の水晶発振回路は、図９に示すように、コンデンサＣ1 を可変容量（可変コンデンサ）とし、当該可変コンデンサの容量を温度補償電圧発生回路３により制御して、発振回路における発振周波数の安定化を図るものである。
第７の水晶発振回路は、図１０に示すように、コンデンサＣ2 を可変容量（可変コンデンサ）とし、当該可変コンデンサの容量を温度補償電圧発生回路３により制御して、発振回路における発振周波数の安定化を図るものである。
第８の水晶発振回路は、図１１に示すように、コンデンサＣ1 及びＣ2 を可変容量（可変コンデンサ）とし、当該２つの可変コンデンサの容量を温度補償電圧発生回路３により制御して、発振回路における発振周波数の安定化を図るものである。
ここで、可変コンデンサは、外部からの電圧によって周波数を可変にするバリキャップダイオードを使用する。

第９の水晶発振回路は、図１２に示すように、伸長コイルＬ1 とトランジスタＱのベースとの間に可変コンデンサＣ3 を直列に接続した構成である。この可変コンデンサＣ3 の容量を温度補償電圧発生回路３により制御して、発振回路における発振周波数の安定化を図るものである。
また、第９の水晶発振回路における容量Ｃ1 又はＣ2 の一方、若しくは容量Ｃ1 及びＣ2 の双方を可変容量（可変コンデンサ）として、これら可変コンデンサの容量を温度補償電圧発生回路３により制御して、発振回路における発振周波数を調整可能としてもよい。

［実施の形態の効果］
第１の水晶発振回路によれば、水晶振動子ＸL の出力側とトランジスタＱのベースとの間に伸長コイルＬ1 が挿入された構成において、水晶振動子ＸL に並列に付加容量Ｃx を接続することで、水晶振動子における直列アームでの発振を確実に行わせ、本来の発振周波数以外における無用な発振を抑えることができる効果がある。
特に、負荷容量Ｃx の値は、０．４ｐＦ以上が効果的である。

第２〜４の水晶発振回路によれば、回路内のコンデンサを可変コンデンサとしたものであり、発振周波数の調整を容易に行うことができる効果がある。

第５の水晶発振回路によれば、伸長コイルＬ1 とトランジスタＱのベースとの間に可変コンデンサを直列に接続したものであり、発振周波数の調整を容易に行うことができる効果がある。

第６〜８の水晶発振回路によれば、回路内のコンデンサを可変コンデンサとし、当該可変コンデンサを温度補償電圧発生回路３により制御するようにしたものであり、回路内の温度変化に応じて発振周波数を安定化できる効果がある。

第９の水晶発振回路によれば、伸長コイルＬ1 とトランジスタＱのベースとの間に可変コンデンサを直列に接続し、当該可変コンデンサを温度補償電圧発生回路３により制御するようにしたものであり、回路内の温度変化に応じて発振周波数を安定化できる効果がある。

本発明は、伸長コイルが挿入された場合で、水晶振動子の直列アームでの発振を確実に行わせることができる水晶発振回路に好適である。

１…アンプ、 ２…出力ドライバ、 ３…温度補償電圧発生回路、 Ｃ…容量（コンデンサ）、 Ｌ…コイル、 Ｑ…トランジスタ、 Ｒ…抵抗、 Ｘ…水晶振動子

Claims (6)

1. 特定の周波数を発振する水晶振動子と、前記水晶振動子で発振された周波数を増幅するトランジスタとを有する水晶発振回路であって、
   前記水晶振動子の一端と前記トランジスタのベースとの間に伸長コイルが接続され、前記トランジスタのコレクタは第１の抵抗を介して前記ベースに接続され、前記コレクタには発振回路電源が第２の抵抗を介して接続され、前記コレクタが前記水晶振動子の他端に接続され、当該他端は第１のコンデンサの一端が接続すると共に他端が接地され、前記トランジスタのベースには第２のコンデンサの一端が接続すると共の他端が接地され、前記トランジスタのエミッタは接地され、前記水晶振動子に並列に付加コンデンサが接続されることを特徴とする水晶発振回路。
2. 第１のコンデンサを可変コンデンサとしたことを特徴とする請求項１記載の水晶発振回路。
3. 第２のコンデンサを可変コンデンサとしたことを特徴とする請求項１記載の水晶発振回路。
4. 第１のコンデンサ及び第２のコンデンサの双方を可変コンデンサとしたことを特徴とする請求項１記載の水晶発振回路。
5. 回路内の温度を検出し、検出した温度の変動に応じて発振周波数が一定となるよう可変コンデンサに対する制御電圧を発生させる温度補償電圧発生回路を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか記載の水晶発振回路。
6. 付加コンデンサの値を０．４ｐＦ以上としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の水晶発振回路。

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