JP2012095284A

JP2012095284A - 発振器

Info

Publication number: JP2012095284A
Application number: JP2011207975A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Koyama; 光明小山
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2012-05-17
Also published as: CN102447440A; US20120081187A1

Abstract

【課題】純度の高い正弦波を出力するようにして、位相雑音を低減できる発振器を提供すること。
【解決手段】トランジスタ３を増幅部として用いたコルピッ型発振回路において、発振ループの外または中に波形整形用の水晶振動子５を設ける。そして発振用の水晶振動子１と波形整形用の水晶振動子５とは、共通の水晶片１０に、電極対（１１、１２）及び電極対（５１、５２）を設けて構成する。水晶振動子１の電極１１（１２）と水晶振動子５の電極５１（５２）とは離間距離を大きくして互に弾性的に結合しないか、結合してもその程度が弱いようにすると共に、水晶振動子５の並列容量に対して並列共振を起こすインダクタを設ける。水晶振動子５と波形整形用の水晶振動子１とを、共通の圧電片を用いたＳＡＷ共振子として入れ替えた構成としてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、発振器に関する。

水晶発振器は、水晶振動子を含む共振回路にアンプを接続して発振が行われ、水晶振動子の振動波形に対応する電圧波形は正弦波である。しかし水晶振動子から出力される正弦波はアンプなどの回路部分を通るときに波形が乱れる。
一方ＧＰＳを代表とする信号の周波数安定化に係る要求は年々高まっており、最近ではＳＳＢ位相雑音を示すならば、離調周波数が１０ｋＨｚ以上のいわゆるフロアレベルは、−１６０ｄＢｃ以下の要求も少なくない。一方離調周波数が１ｋＨｚ以下の領域でも低雑音化が要求され、これを実現することが課題となっている。位相雑音の良し悪しは信号の純度に関係してくることから、信号の純度を今まで以上に高める必要があり、このため上述の正弦波の波形の乱れを抑える対策が必要になってくる。そこでできるだけ電子回路に信号を通過させないようにするという考え方の基に、発振器の外に水晶共振回路を設け、負帰還により位相雑音を低減しようとする技術が検討されている。しかしこの手法は回路構成が複雑で、低廉なコストで製造することが難しく、商用化が困難である。
なお、特許文献１には、共通の水晶振動子に２組の電極を設けると共に互いに弾性結合させ、一方の組を発振用の水晶振動部として用い、他方の組を可変容量素子に接続する構成が記載されているが、この技術は周波数温度特性を補償するためのものであり、波形整形についての技術ではない。
また特許文献２には、水晶振動子を含む発振回路により矩形波を出力し、発振回路の出力側に矩形波を正弦波に整形するための水晶振動子を設けた構成が記載されている。しかし後者の水晶振動子は正弦波を整形するためのものではないし、また周波数信号に含まれるノイズ成分の除去が不十分である。

特開平３−２５２２１３号公報：第６図、第２頁左上欄中段特開２００７−１０８１７０号公報：第１３図

本発明は、このような事情の下になされたものであり、位相雑音を低減できる発振器を提供することにある。

本発明は、発振用の水晶振動子を含む発振部と、この発振部で発振された周波数信号を増幅して発振部に帰還させる増幅部と、を備えた発振器において、
前記発振部と当該増幅部とを含む発振ループの中または外に、前記周波数信号を正弦波に整形するための波形整形用の水晶振動子を設け、
前記波形整形用の水晶振動子の等価回路にて示される並列容量と共に、目的とする出力周波数にて並列共振を起こすインダクタを当該波形整形用の水晶振動子に対して並列に接続し、
発振用の水晶振動子と波形整形用の水晶振動子とは、共通の水晶片を用い、発振用の水晶振動子の振動領域を構成するための対になる電極を当該水晶片の両面に夫々設けると共に、波形整形用の水晶振動子の振動領域を構成するための対になる電極を当該水晶片の両面に夫々設けて構成され、
発振用の水晶振動子の電極と波形整形用の水晶振動子の電極とは、互いに弾性的に結合していないかあるいは弱い結合であることを特徴とする。
他の発明は、発振用の弾性波共振子を含む発振部と、この発振部で発振された周波数信号を増幅して発振部に帰還させる増幅部と、を備えた発振器において、
前記発振部と当該増幅部とを含む発振ループの中または外に、前記周波数信号を正弦波に整形するための波形整形用の弾性波共振子を設け、
前記発振用の弾性波共振子と波形整形用の弾性波共振子とは、共通の圧電片にＩＤＴ電極を配置して構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、水晶振動子を含む発振部を備えた発振器において、発振ループの中または外に、周波数信号を正弦波に整形するための波形整形用の水晶振動子を設けているため、波形の乱れが抑えられ、位相雑音を低減させることができる。そして発振用の水晶振動子と波形整形用の水晶振動子とは共通の水晶片に各電極が設けられ、両水晶振動子が同じ環境に置かれることから、温度が変化したときに両水晶振動子の発振周波数の変化の程度が揃う。このため、温度が変化しても位相雑音の低減効果が損なわれない。そして波形整形用の水晶振動子の並列容量と共に、目的とする出力周波数にて並列共振を起こすインダクタを設けているため、周波数信号は主に水晶振動子における機械的振動部分を通過するので、目的とする周波数信号例えば基本波に含まれるノイズ成分が除去される。従って位相雑音をより一層低減できる。
他の発明によれば、弾性波共振子を含む発振部を備えた発振器において、発振ループの中または外に、周波数信号を正弦波に整形するための波形整形用の弾性波共振子を設けているため、波形の乱れが抑えられ、位相雑音を低減させることができる。
そして発振用の弾性波共振子と波形整形用の弾性波共振子とは共通の圧電片に各電極が設けられ、両弾性波共振子が同じ環境に置かれることから、既述のように位相雑音の低減効果が損なわれない。

本発明の第１の実施形態を示す回路図である。第１の実施の形態に用いられる水晶振動子を示す縦断側面図である。水晶振動子の等価回路とインダクタンスとを示す回路図である。発振出力における正弦波の純度が低い場合、高い場合における周波数応答の概念図である。第１の実施形態の他の例を示す回路図である。第１の実施形態の他の例を示す回路図である。実験結果を示す説明図である。本発明の第２の実施形態に用いられる弾性波共振子の一例を示す構造図である。本発明の第２の実施形態に用いられる弾性波共振子の他の例を示す構造図である。本発明の変形例を示す回路図である。本発明の変形例を示す回路図である。

[第１の実施の形態]
図１は本発明の発振器の実施形態を示す回路図である。図１の回路はコルピッツ発振回路として構成されており、１は発振用の水晶振動子である。水晶振動子１の一端側は、周波数調整用のコンデンサ２１及び伸長コイル２２を介して増幅部であるＮＰＮ型のトランジスタ３のベースに接続されている。トランジスタ３は、水晶振動子１にて発振された周波数信号を増幅して当該水晶振動子１に帰還させるためのものである。トランジスタ３のベースとアースとの間には分圧用コンデンサ２３、２４の直列回路が設けられ、これらコンデンサ２３、２４の中間点はトランジスタ３のエミッタに接続されている。

また直流電源部Ｖｃｃにより＋Ｖｃｃの直流電圧がブリーダ抵抗３１、３２の直列回路に印加され、ブリーダ抵抗３１、３２の中間点の電圧がトランジスタ３のベースに供給される。３３はコンデンサ、２５は帰還抵抗である。発振用の水晶振動子１の他端側には、電圧の印加により容量が変わる可変容量素子２６が接続されている。制御電圧端子２０に制御電圧が供給されることにより可変容量素子２６の容量が変化して発振周波数が調整される。水晶振動子１、コンデンサ２１、伸長コイル２２及び可変容量素子２６は発振部の構成要素である。

トランジスタ３のエミッタ側には、出力周波数信号を取り出すための回路が発振ループの外に設けられており、この回路はコンデンサ４１、４２、波形整形用の水晶振動子５及びコンデンサ４３の直列回路を備えている。４０は出力端子である。またコンデンサ４２と水晶振動子５との直列回路の両端には、夫々抵抗４４、４５の各一端が接続され、これら抵抗４４、４５の他端側は接地されている。コンデンサ４１は直流カット用のものであり、コンデンサ４２、４３及び抵抗４４、４５は、目的としている周波数以外の周波数信号を減衰させるためのフィルタを構成している。

波形整形用の水晶振動子５は、発振ループから取り出された周波数信号を純度の高い正弦波（乱れが抑えられた正弦波）とするためのものである。
発振用の水晶振動子１と波形整形用の水晶振動子５とは、図２に示すように例えばＡＴカットされた短冊型の水晶片１０を共通の水晶片として用いて構成されている。この水晶片１０には、表裏両面に夫々設けた、互に対をなす第１の電極１１、１２と、表裏両面に夫々設けた、互に対をなす第２の電極５１、５２と、を備えている。これら第１の電極１１、１２と、第２の電極５１、５２とは、水晶片１０の左右に互に離間して設けられ、同じ膜厚に設定されている。

第１の電極１１、１２の各々は、矩形の励振電極１１ａ（１２ａ）と、この励振電極１１ａ（１２ａ）から引き出される引き出し電極１１ｂ（１２ｂ）とを備えている。水晶片１０の表面側の引き出し電極１１ｂは裏面側に引き回され、このため裏面側において引き出し電極１１ｂ、１２ｂが平面的に互いに異なる位置にて並んで配置される格好になる。これら引き出し電極１１ｂ、１２ｂが夫々発振用の水晶振動子１の両端子部に相当する。

また第２の電極５１、５２の各々は、矩形の励振電極５１ａ（５２ａ）と、この励振電極５１ａ（５２ａ）から引き出される引き出し電極５１ｂ（５２ｂ）とを備えている。水晶片１０の表面側の引き出し電極５１ｂは裏面側に引き回され、このため裏面側において引き出し電極５１ｂ、５２ｂが平面的に互いに異なる位置にて並んで配置される格好になる。これら引き出し電極５１ｂ、５２ｂが夫々波形整形用の水晶振動子５の両端子部に相当する。

励振電極１１ａが設けられた領域は、発振用の水晶振動子１の振動領域に相当し、励振電極５１ａが設けられた領域は、波形整形用の水晶振動子５の振動領域に相当する。第１の電極１１（１２）と第２の電極５１（５２）とは、弾性的に結合していないか、または弾性的に結合していても、弱い結合である。本願明細書及び特許請求の範囲でいう「弾性的に弱い結合」とは、次のように定義された意味である。一方の電極対（第１の電極１１、１２と第２の電極５１、５２との一方）をショートさせ、他方の電極対により発振周波数を測定し、この周波数をｆ１とする。次に一方の電極対をオープンとし、他方の電極対により発振周波数を測定し、この周波数をｆ２とする。ｆ１とｆ２との周波数偏差が１０ｐｐｍ以下である場合を「弾性的に弱い結合」であると定義する。ｆ１とｆ２との周波数に変化がなければ弾性的に結合されていない状態であり、従って本発明では、別の言い方をすれば、ｆ１とｆ２との周波数偏差が１０ｐｐｍ以下である場合を要件とするものといえる。第１の電極１１（１２）と第２の電極５１（５２）とをこのように設定しておくことにより、能動回路の発振が共振回路に影響を与えたとしても極めてその影響は小さく、このため独立した振動子としてみなすことができる。

発振用の水晶振動子１については、直列容量Ｃ１を小さくして周波数の安定性を高めるために、電極１１（１２）の面積は小さい方が好ましい一方、波形整形用の水晶振動子５については、周波数信号を通過しやすくするために、電極５１（５２）の面積は大きい方が好ましい。従って電極５１（５２）の面積は、電極１１（１２）の面積よりも大きい方が好ましいといえる。
また波形整形用の水晶振動子５に対して並列にインダクタ５０が設けられている。図３は波形整形用の水晶振動子５の等価回路を示しており、Ｌ１は等価直列インダクタンス、Ｃ１は等価直列容量、Ｒ１は等価直列抵抗、Ｃ０は並列容量である。インダクタ５０は、並列容量Ｃ０と共に、目的とする発振周波数ｆにおいて並列共振を起こす値に設定されている。即ち、インダクタ５０のインダクタンスの値をＬとすると、次式が成り立つようにＬが設定される。
ｆ=１／｛２π・√（Ｌ・Ｃ０）｝
なお等価直列容量Ｃ１は並列容量Ｃ０に比べてかなり小さいため、Ｃ０とＬとにより並列共振を起こすことができる

このような実施の形態では、制御端子２０に印加された電圧に応じた周波数で発振用の水晶振動子１が発振し、正弦波の周波数信号が発生する。この周波数信号はトランジスタ３を介して水晶振動子１に帰還される。このとき図１の点Ｐ１における正弦波はトランジスタ３により歪みが生じる。そして水晶振動子は励振されると正弦波を出力することから、歪みが生じた正弦波は、発振ループの外に設けられた波形整形用の水晶振動子５を通過することによりその歪みが除去され、点Ｐ２における周波数信号の波形は純度の高い正弦波となる。
そして波形整形用の水晶振動子５の並列容量Ｃ０は、インダクタ５０と共に並列共振を起こすので、目的とする周波数（ｆ）の信号について並列容量Ｃ０側の通過が阻止される。このため当該周波数信号がほとんど機械的振動部分を通過するので、当該周波数信号に含まれるノイズの通過が阻止される。
また発振用の水晶振動子１及び波形整形用の水晶振動子５は共通の水晶片１０に設けられているため、両水晶振動子１、５は同じ温度環境に存在しているということができる。このため水晶発振器が置かれている温度に変化が生じても、温度変化に対する両水晶振動子１、５の周波数の変化の程度が揃うことから（温度変化パターンが揃うことから）、位相雑音の低減効果が損なわれない。

これに対して、発振用の水晶振動子１及び波形整形用の水晶振動子５を別々の水晶片に形成した場合には、両者の温度が異なる場合が多い。このためメーカーで周波数を設定するときの基準温度からの変化分が両水晶振動子１、５の間で異なり、発振用の水晶振動子１が変化しようとする周波数分に対応する制御電圧の補正がかかっても、波形整形用の水晶振動子５が変化しようとする周波数分とは異なる補正量となるため、発振ループから取り出された周波数が波形整形用の水晶振動子１を通るときに変化してしまう。

上述実施の形態によれば、発振ループの外に、周波数信号を正弦波に整形するための波形整形用の水晶振動子５を設け、またインダクタ５０により周波数信号が当該水晶振動子５の並列容量Ｃ０側を通過することを阻止している。このため波形の乱れが抑えられ、純度の高い正弦波を得ることができる。また第１の電極１１、１２と第２の電極５１、５２とは、互いに弾性的に結合していないかあるいは弱い結合であることから、発振用の水晶振動子１の振動領域と波形整形用の水晶振動子５の振動領域とは、既述のように独立した振動子としてみなすことができる。以上のことから、位相雑音を低減させることができる。そして発振用の水晶振動子１と波形整形用の水晶振動子５とは共通の水晶片を用いているため、温度が変化したときに両水晶振動子の発振周波数の変化の程度が揃う。このため、波形整形機能が維持されるため、温度が変化しても位相雑音の低減効果が損なわれない。

図４に、発振出力における正弦波の純度が低い場合、高い場合における周波数応答の概念図を夫々（ａ）、（ｂ）として記載しておく。発振出力の正弦波の純度が高い場合には、低い場合よりもノイズが少なくなる。

ここで本発明の他の実施形態について図５及び図６に示しておく。図１の例は、波形整形用の水晶振動子５を出力端子４０側から見て直列に接続しているが、図５の例では、並列に接続した構成としている。この場合においても図１の構成と同様の効果が得られる。

また図１及び図５の例は波形整形用の水晶振動子５を発振ループの外に設けているが、図６の例は発振ループの中に設けている。即ち、分圧用コンデンサ２３、２４の中点とトランジスタ３のエミッタとの間に、波形整形用の水晶振動子５を接続している。またこの水晶振動子５の両端には、インピーダンス調整用のコンデンサ２７、２８が設けられている。インピーダンス調整用のコンデンサ２７、２８は、発振ループ内にて共振を得るための容量調整用として機能する。この場合にも、トランジスタ３から出力された周波数信号は、水晶振動子５により波形が整形されることになり、同様の効果が得られる。

次に図１に示す実施の形態の水晶発振器を用い、コンデンサ４３の出力側にバッファアンプを接続してその出力について、各離調周波数ごとに雑音レベルを調べたところ、図７
に示す結果が得られた。この実施例の発振用の水晶振動子１の設定周波数は、３０．１７５ＭＨｚである。また比較例として、前記実施例における波形整形用の水晶振動子５を用いずに同様の試験をした結果を図７に併せて示す。この結果から分かるように、波形整形用の水晶振動子５を用いることにより位相雑音が低減されることが分かる。更にまた実施例における出力電圧は１３ｍＶであったが、比較例では１０ｍＶであった。

[第２の実施形態]
本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態における発振用の水晶振動子１に代えて発振用の弾性波共振子である弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）共振子を用いると共に、第１の実施形態における波形整形用の水晶振動子５に代えて波形整形用のＳＡＷ共振子を用いて発振器を構成する。そして発振用のＳＡＷ共振子と波形整形用のＳＡＷ共振子とは、共通の圧電片を用いて構成すると共に、温度に対する周波数の変化を示す周波数温度特性が発振用のＳＡＷ共振子と波形整形用のＳＡＷ共振子との間で揃うように構成する。

水晶振動子の代わりにＳＡＷ共振子を用いた例においても、出力波形の乱れが抑えられ、純度の高い正弦波を得ることができる。また発振用のＳＡＷ共振子と波形整形用のＳＡＷ共振子とは、共通の圧電片を用いることにより、両ＳＡＷ共振子は同じ温度環境に存在しているということができる。そして両ＳＡＷ共振子の周波温度特性が揃っていることから、ＳＡＷ共振子が置かれている温度に変化が生じても、共振点が同様に変化することから、温度が変化しても位相雑音の低減効果が損なわれない。

図８は、共通の圧電片を用いて構成した発振用のＳＡＷ共振子７と波形整形用のＳＡＷ共振子８とを示す構成図である。６は共通の圧電片であり、この圧電片６の左右にデバイス領域６２、６３が形成されている。一方のデバイス領域６２には、発振用のＳＡＷ共振子７が設けられている。このＳＡＷ共振子７は、圧電片６の表面に、各々ＩＤＴ（Interdigital transducer）電極７０により構成した送信電極７１及び受信電極７２がＳＡＷの伝播方向に並べて配置されている。入力ポート７３から入力された周波数信号のうち、ＩＤＴ電極７０の構成により決定される共振周波数の信号が大きな電力強度で出力ポート７４から出力される。

他方のデバイス領域６３にも同様の構成の波形整形用のＳＡＷ共振子８が設けられている。８０はＩＤＴ電極、８１は送信電極、８２は受信電極、８３は入力ポート、８４は出力ポートである。ＳＡＷ共振子としては、図９に示す縦結合型共振子であってもよい。図９中、図８と同符号の部分は、同等部分を示す。１０１、２０１は入力ポート、１０２、２０２は出力ポート、１０３、２０３はグレーティング反射器、１０４、２０４はＩＤＴ電極である。

本発明に用いる発振回路としては、図１に示すコルピッツ回路に限られるものではなく、図１０及び図１１に示す回路であってもよい。図１０（ａ）は、ピアス（Pierce）型の発振回路の発振ループの中に波形整形用の水晶振動子５を設けた例を示し、図１０（ｂ）は同発振回路の発振ループの外に波形整形用の水晶振動子５を設けた例を示している。また図図１１（ａ）〜（ｃ）は、夫々クラップ（Clapp）型の発振回路、バトラー（Butler）型の発振回路、及びバトラー（Butler）型の発振回路の変形例を示しており、各回路の発振ループの中に波形整形用の水晶振動子５が設けられている。各図において、３００はトランジスタであり、ｂ、ｃ、ｅは夫々、ベース、コレクタ、エミッタを表わしている。３０１は出力ポートである。

１発振用の水晶振動子
１１、１２電極
１１ａ励振電極
３トランジスタ（増幅部）
５波形整形用の水晶振動子
５０インダクタ
５１、５２電極
５１ａ励振電極
６圧電片
６１溝
６２、６３領域
７発振用のＳＡＷ共振子
８波形整形用のＳＡＷ共振子

Claims

発振用の水晶振動子を含む発振部と、この発振部で発振された周波数信号を増幅して発振部に帰還させる増幅部と、を備えた発振器において、
前記発振部と当該増幅部とを含む発振ループの中または外に、前記周波数信号を正弦波に整形するための波形整形用の水晶振動子を設け、
前記波形整形用の水晶振動子の等価回路にて示される並列容量と共に、目的とする出力周波数にて並列共振を起こすインダクタを当該波形整形用の水晶振動子に対して並列に接続し、
発振用の水晶振動子と波形整形用の水晶振動子とは、共通の水晶片を用い、発振用の水晶振動子の振動領域を構成するための対になる電極を当該水晶片の両面に夫々設けると共に、波形整形用の水晶振動子の振動領域を構成するための対になる電極を当該水晶片の両面に夫々設けて構成され、
発振用の水晶振動子の電極と波形整形用の水晶振動子の電極とは、互いに弾性的に結合していないかあるいは弱い結合であることを特徴とする発振器。
波形整形用の水晶振動子の電極面積は、発振用の水晶振動子の電極面積よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の発振器。
発振用の弾性波共振子を含む発振部と、この発振部で発振された周波数信号を増幅して発振部に帰還させる増幅部と、を備えた発振器において、
前記発振部と当該増幅部とを含む発振ループの中または外に、前記周波数信号を正弦波に整形するための波形整形用の弾性波共振子を設け、
前記発振用の弾性波共振子と波形整形用の弾性波共振子とは、共通の圧電片にＩＤＴ電極を配置して構成されていることを特徴とする発振器。