JP2013251676A - 発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の異なる周波数の信号を出力する発振器を小型化する。
【解決手段】トランジスタと、トランジスタのベースとエミッタとの間に設けられた第１圧電素子と、トランジスタのベースとコレクタとの間に設けられた第２圧電素子と、第２圧電素子と並列にベースとコレクタとの間に設けられた第１キャパシタと、第１圧電素子と並列にベースとエミッタとの間に設けられた第２キャパシタと、コレクタとエミッタとの間、及び、トランジスタに電力を供給する電源とコレクタとの間のいずれかに設けられた第３キャパシタと、コレクタとエミッタとの間、及び、トランジスタに電力を供給する電源とコレクタとの間のいずれかに設けられたインダクタと、第１圧電素子及び第２圧電素子のいずれをトランジスタに接続するかを切り替える第１スイッチとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つの異なる発振周波数を切り替えることができる発振器に関する。

高速伝送網で使用される通信装置においては、通信相手に応じて異なる通信速度で信号を伝送する必要がある。そこで、異なる通信速度の信号を生成するために、複数の異なる発振周波数に切り替えることができる発振器が求められている。一例として、外部信号に応じて、２つの異なる発振周波数の信号を切り替えて出力できる発振器が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

図８は、従来の発振器５００の一例を示す。発振器５００は、発振回路５１０、発振回路５２０、スイッチ５３０及びスイッチ５４０を有する。スイッチ５３０は、発振回路５１０及び発振回路５２０のいずれに電力を供給するかを切り替え、スイッチ５４０は、発振回路５１０及び発振回路５２０のいずれの出力信号を外部に出力するかを切り替える。

特開２００８−６７１９１号公報 特開２００８−６０８４１号公報

しかし、従来の発振器においては、複数の異なる周波数を出力するためには複数の発振回路が必要であった。さらに、電源の接続を切り替えるスイッチ、及び、外部に出力する信号を切り替えるスイッチが必要であった。その結果、従来の発振器の回路規模は大きく、コストが高くなると共に、小型化が困難であった。

そこで、本発明はこれらの点を鑑みてなされたものであり、複数の異なる周波数の信号を出力することができる発振器の回路規模を小さくし、小型化とコストダウンを実現することを目的とする。

本発明の第１の態様においては、トランジスタと、トランジスタのベースとエミッタとの間に設けられた第１圧電素子と、トランジスタのベースとコレクタとの間に設けられた第２圧電素子と、第２圧電素子と並列にベースとコレクタとの間に設けられた第１キャパシタと、第１圧電素子と並列にベースとエミッタとの間に設けられた第２キャパシタと、コレクタとエミッタとの間、及び、トランジスタに電力を供給する電源とコレクタとの間のいずれかに設けられた第３キャパシタと、コレクタとエミッタとの間、及び、トランジスタに電力を供給する電源とコレクタとの間のいずれかに設けられたインダクタと、第１圧電素子及び第２圧電素子いずれをトランジスタに接続するかを切り替える第１スイッチとを備える発振器を提供する。例えば、上記のインダクタは、上記のトランジスタのコレクタと電源との間に設けられている。

上記の発振器は、第１キャパシタ及び第２キャパシタのいずれをトランジスタのベースに接続するかを切り替える第２スイッチをさらに備えてもよい。上記の発振器においては、例えば、第１圧電素子の第１発振周波数において、第３キャパシタ及びインダクタによる共振回路が誘導性リアクタンスを有し、第２圧電素子の第２発振周波数において、共振回路が容量性リアクタンスを有する。

一例として、上記の第１発振周波数は、共振回路の共振周波数よりも低く、上記の第２発振周波数は、共振周波数よりも高い。第１発振周波数におけるインダクタのリアクタンスは第３キャパシタのリアクタンスよりも小さく、第２発振周波数におけるインダクタのリアクタンスは第３キャパシタのリアクタンスよりも大きくてもよい。

本発明によれば、複数の異なる発振周波数の信号を出力する発振器の回路規模を小さくすることができるという効果を奏する。

第１の実施形態の発振器の構成を示す。 第１圧電素子及び第１キャパシタがトランジスタに接続された状態の発振器の構成を示す。 第２圧電素子及び第２キャパシタがトランジスタに接続された状態の発振器の構成を示す。 第３キャパシタ及びインダクタから構成される共振回路のリアクタンスの周波数特性を示す。 第２の実施形態の発振器の構成を示す。 第３の実施形態の発振器の構成を示す。 第４の実施形態の発振器の構成を示す。 従来の発振器の構成を示す。

＜第１の実施形態＞
［発振器１００の構成］
図１は、第１の実施形態の発振器１００の構成を示す。発振器１００は、トランジスタ１０、キャパシタ１２、インダクタ１４、圧電素子２０、キャパシタ２２、圧電素子３０、キャパシタ３２、スイッチ４０及びスイッチ４２を備える。

トランジスタ１０は、圧電素子２０及び圧電素子３０の振動により発生した電圧を正帰還増幅することにより、圧電素子２０及び圧電素子３０を共振周波数で発振させる。トランジスタ１０は、例えばバイポーラトランジスタ又はＦＥＴである。本明細書においては、トランジスタ１０がバイポーラトランジスタである場合について説明するが、本発明におけるトランジスタ１０がバイポーラトランジスタに限定されるものではない。

トランジスタ１０は、電源５２からコレクタに電源の供給を受ける。トランジスタ１０のエミッタはグランド５０に接続されている。

圧電素子２０は、トランジスタ１０のベースとエミッタとの間に設けられている。圧電素子３０は、ベースとトランジスタ１０のコレクタとの間に設けられている。圧電素子２０及び圧電素子３０は、例えば水晶振動子である。圧電素子２０及び圧電素子３０は、セラミック振動子又はＳＡＷデバイスであってもよい。

キャパシタ２２は、圧電素子３０と並列にトランジスタ１０のベースとコレクタとの間に設けられている。キャパシタ３２は、圧電素子２０と並列にトランジスタ１０のベースとエミッタとの間に設けられている。

キャパシタ１２は、トランジスタ１０のコレクタとエミッタとの間、及び、トランジスタ１０のコレクタとトランジスタ１０に電力を供給する電源５２との間のいずれかに設けられている。インダクタ１４は、コレクタとエミッタとの間、及び、コレクタとトランジスタ１０に電力を供給する電源との間のいずれかに設けられている。

図１においては、キャパシタ１２は、トランジスタ１０のコレクタとエミッタとの間に設けられており、インダクタ１４は、トランジスタ１０のコレクタと電源５２との間に設けられている。圧電素子２０の発振周波数ω_１又は圧電素子３０の発振周波数ω_２においては、グランド５０と電源５２との間のインピーダンスがほぼ０なので、キャパシタ１２とインダクタ１４とは並列共振回路を構成する。インダクタ１４がトランジスタ１０のコレクタと電源５２との間に設けられていることによって、インダクタ１４はトランジスタ１０の負荷インピーダンスとして機能して、出力端子５４から発振信号を出力することができる。

スイッチ４０−１及びスイッチ４０−２は、圧電素子２０及び圧電素子３０のいずれをトランジスタ１０に接続するかを切り替える。具体的には、スイッチ４０−１及びスイッチ４０−２は、外部から入力される第１選択信号（図１におけるＳＥＬ１）の電圧に応じてオンとオフとを切り替えることで、圧電素子２０の両端がトランジスタ１０のベースとエミッタとの間に接続されるか、圧電素子３０の両端がトランジスタ１０のベースとコレクタとの間に接続されるかを切り替える。

より具体的には、例えば、第１選択信号が閾値より大きい場合に、スイッチ４０−１がオン状態になって圧電素子２０をトランジスタ１０のベースに接続すると共に、スイッチ４０−２がオフ状態になって圧電素子３０をトランジスタ１０のベースから切り離す。第１選択信号が閾値以下の場合に、スイッチ４０−１がオフ状態になって圧電素子２０をトランジスタ１０のベースから切り離すと共に、スイッチ４０−２がオン状態になって圧電素子３０をトランジスタ１０のベースに接続する。

スイッチ４０−１は、圧電素子２０とグランド５０の間に設けられてもよく、スイッチ４０−２は、圧電素子３０とトランジスタ１０のコレクタとの間に設けられてもよい。また、スイッチ４０−１及びスイッチ４０−２が１つのスイッチで構成され、圧電素子２０及び圧電素子３０のいずれをトランジスタ１０のベースに接続するか否かを切り替えてもよい。

スイッチ４２−１及びスイッチ４２−２は、キャパシタ２２及びキャパシタ３２のそれぞれをトランジスタ１０に接続するか否かを切り替える。具体的には、スイッチ４２−１及びスイッチ４２−２は、外部から入力される第２選択信号（図１におけるＳＥＬ２）の電圧に応じてオンとオフとを切り替えることで、キャパシタ３２の両端がトランジスタ１０のベースとエミッタとの間に接続されるか、キャパシタ２２の両端がトランジスタ１０のベースとコレクタとの間に接続されるかを切り替える。第２選択信号は、第１選択信号と同一の信号であってもよい。

より具体的には、例えば、第２選択信号が閾値より大きい場合に、スイッチ４２−１がオン状態になってキャパシタ２２をトランジスタ１０のベースに接続すると共に、スイッチ４２−２がオフ状態になってキャパシタ３２をトランジスタ１０のベースから切り離す。第２選択信号が閾値以下の場合に、スイッチ４２−１がオフ状態になってキャパシタ２２をトランジスタ１０のベースから切り離すと共に、スイッチ４２−２がオン状態になってキャパシタ３２をトランジスタ１０のベースに接続する。

スイッチ４２−１は、キャパシタ３２とグランド５０の間に設けられてもよく、スイッチ４２−２は、キャパシタ２２とトランジスタ１０のコレクタとの間に設けられてもよい。また、スイッチ４２−１及びスイッチ４２−２が１つのスイッチで構成され、キャパシタ２２及びキャパシタ３２のいずれをトランジスタ１０のベースに接続するかを切り替えてもよい。

スイッチ４０及びスイッチ４２は、例えば半導体スイッチである。スイッチ４０及びスイッチ４２は、ダイオードスイッチ、ＦＥＴスイッチ及びＭＥＭＳスイッチのいずれのスイッチであってもよい。スイッチ４０及びスイッチ４２は機械式スイッチであってもよい。

［ピアースＢＥ発振回路としての動作］
図２は、圧電素子２０及びキャパシタ２２の両端がトランジスタ１０に接続された状態の発振器１００の構成を示す。図２においては、スイッチ４０−１及びスイッチ４２−１がオン状態になると共にスイッチ４０−２及びスイッチ４２−２がオフ状態になり、圧電素子３０及びキャパシタ３２がトランジスタ１０から切り離されることにより、ピアースＢＥ発振回路が構成される。

ピアースＢＥ発振回路は、キャパシタ１２及びインダクタ１４から構成される共振回路が誘導性である場合に発振する。すなわち、圧電素子２０の発振周波数ω_１において、キャパシタ１２及びインダクタ１４による共振回路は誘導性リアクタンスを有する。ここで、キャパシタ１２とインダクタ１４との共振周波数をω_０とすると、ω_１＜ω_０である。

発振周波数ω_１において、インダクタ１４のリアクタンスはキャパシタ１２のリアクタンスよりも小さい。すなわち、発振周波数ω_１においては、図２に示した接続状態におけるキャパシタ１２のキャパシタンスをＣ３、インダクタ１４のインダクタンスをＬ１とすると、ω_１Ｌ１＜１／ω_１Ｃ３の条件が満たされる。

［ピアースＢＣ発振回路としての動作］
図３は、圧電素子３０及びキャパシタ３２の両端がトランジスタ１０に接続された状態の発振器１００の構成を示す。図３においては、スイッチ４０−２及びスイッチ４２−２がオン状態になると共にスイッチ４０−１及びスイッチ４２−１がオフ状態になり、圧電素子２０及びキャパシタ２２がトランジスタ１０から切り離されることにより、ピアースＢＣ発振回路が構成される。

ピアースＢＣ発振回路は、キャパシタ１２及びインダクタ１４から構成される共振回路が容量性である場合に発振する。すなわち、圧電素子３０の発振周波数ω_２において、キャパシタ１２及びインダクタ１４による共振回路は容量性リアクタンスを有する。ここで、キャパシタ１２とインダクタ１４との共振周波数をω_０とすると、ω_０＜ω_２である。

発振周波数ω_２において、インダクタ１４のリアクタンスはキャパシタ１２のリアクタンスよりも大きい。すなわち、発振周波数ω_２においては、図３に示した接続状態におけるキャパシタ１２のキャパシタンスをＣ３、インダクタ１４のインダクタンスをＬ１とすると、ω_２Ｌ１＞１／ω_２Ｃ３の条件が満たされる。

［共振回路の周波数特性］
図４は、キャパシタ１２及びインダクタ１４から構成される共振回路のリアクタンスの周波数特性を示す。図４の横軸は周波数を示し、縦軸はリアクタンスを示す。共振回路の共振周波数ω_０よりも低い周波数領域においては共振回路のリアクタンスが誘導性を示しており、周波数が高くなるにつれてリアクタンスの絶対値が大きくなる。この周波数領域においては、図２に示したピアースＢＥ発振回路が発振する。

共振回路の共振周波数ω_０よりも高い周波数領域においては共振回路のリアクタンスが容量性を示しており、周波数が高くなるにつれてリアクタンスの絶対値が小さくなる。この周波数領域においては、図３に示したピアースＢＣ発振回路が発振する。

［第１の実施形態の効果］
以上の通り、第１の実施形態の発振器１００においては、スイッチ４０及びスイッチ４２を切り替えることで、図２に示したピアースＢＥ発振回路と図３に示したピアースＢＣ発振回路とを切り替えることができる。その結果、ピアースＢＥ発振回路とピアースＢＣ発振回路との間でキャパシタ１２及びインダクタ１４が共用されるので、回路規模が図８に示した従来の発振器よりも小さくなると共に、複数の異なる発振周波数ω_１及びω_２を容易に切り替えることができるという効果を奏する。例えば、本実施形態の発振器１００によれば、数十ＭＨｚ以上離れた複数の異なる発振周波数の間で切り替えることもできる。

特に、ピアースＢＥ発振回路は、キャパシタ１２及びインダクタ１４から構成される並列共振回路が誘導性である場合にω_０よりも低い周波数ω_１で発振し、ピアースＢＣ発振回路は、キャパシタ１２及びインダクタ１４から構成される並列共振回路が容量性である場合にω_０よりも高い周波数ω_２で発振する。ω_１は、キャパシタ１２及びインダクタ１４から構成される並列共振回路が誘導性であるという条件を満たす範囲で選択することができ、ω_２は、キャパシタ１２及びインダクタ１４から構成される並列共振回路が容量性であるという条件を満たす範囲で選択することができる。したがって、本実施形態の発振器１００においては、発振周波数ω_１及びω_２を柔軟に選択できるという顕著な効果も奏する。

＜第２の実施形態＞
［キャパシタ２２及びキャパシタ３２を切り離さない構成］
図５は、第２の実施形態の発振器２００の構成を示す。発振器２００は、キャパシタ２２及びキャパシタ３２をトランジスタ１０に接続するか否かを切り替えるスイッチ４２を有しない点で発振器１００と異なる。

発振器２００が、圧電素子２０によるピアースＢＥ発振回路として機能する場合、圧電素子２０と並列に設けられたキャパシタ３２のキャパシタンスを考慮して圧電素子２０の発振周波数を選択することにより、発振器２００は、キャパシタ３２を切り離すことなく発振周波数ω_１において発振することができる。同様に、発振器２００が、圧電素子３０によるピアースＢＣ発振回路として機能する場合、圧電素子３０と並列に設けられたキャパシタ２２のキャパシタンスを考慮して圧電素子３０の発振周波数を選択することにより、発振器２００は、キャパシタ２２を切り離すことなく発振周波数ω_２において発振することができる。

以上の通り、第２の実施形態の発振器２００においては、キャパシタ２２及びキャパシタ３２をトランジスタ１０に接続するか否かを切り替えるスイッチ４２が不要なので、さらに回路を小型化することができる。

＜第３の実施形態＞
図６は、第３の実施形態の発振器３００の構成を示す。発振器３００においては、インダクタ１４が、トランジスタ１０のエミッタとコレクタとの間にキャパシタ１２と並列に設けられていると共に、抵抗１６が、トランジスタ１０のコレクタと電源５２との間に設けられている点で、図１に示した発振器１００と異なる。このように、インダクタ１４が電源５２に接続される代わりにグランド５０に接続されている構成であっても、上記の実施形態と同等の作用効果を得ることができる。

＜第４の実施形態＞
図７は、第４の実施形態の発振器４００の構成を示す。発振器４００は、キャパシタ１２が、トランジスタ１０のコレクタと電源５２との間に接続されている点で、図１に示した発振器１００と異なる。このように、キャパシタ１２及びインダクタ１４が、トランジスタ１０のコレクタと電源５２との間で並列共振回路を構成する場合においても、上記の実施形態と同等の作用効果を得ることができる。

＜第５の実施形態＞
上記の実施形態においては、スイッチ４０−１及びスイッチ４０−２を第１選択信号に連動して動作させ、スイッチ４２−１及びスイッチ４２−２を第２選択信号に連動して動作させていたが、連動して動作させるスイッチの組み合わせは上記の組み合わせに限定されない。一例として、スイッチ４０−１及びスイッチ４２−２を第１選択信号に連動して動作させると共に、スイッチ４０−２及びスイッチ４２−１を第２選択信号に連動して動作させてもよい。

例えば、第１選択信号が閾値より大きい場合に、スイッチ４０−１をオン状態、スイッチ４２−２をオフ状態にすると共に、第２選択信号が閾値より大きい場合に、スイッチ４０−２をオフ状態、スイッチ４２−１をオン状態にすることによっても、上記の実施形態と同等の作用効果を得ることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０・・・トランジスタ、１２・・・キャパシタ、１４・・・インダクタ、１６・・・抵抗、２０・・・圧電素子、２２・・・キャパシタ、３０・・・圧電素子、３２・・・キャパシタ、４０・・・スイッチ、４０−１・・・スイッチ、４０−２・・・スイッチ、４２・・・スイッチ、４２−１・・・スイッチ、４２−２・・・スイッチ、５０・・・グランド、５２・・・電源、５４・・・出力端子、１００・・・発振器、２００・・・発振器、３００・・・発振器、４００・・・発振器、５００・・・発振器、５１０・・・発振回路、５２０・・・発振回路、５３０・・・スイッチ、５４０・・・スイッチ

Claims (6)

1. トランジスタと、
   前記トランジスタのベースとエミッタとの間に設けられた第１圧電素子と、
   前記ベースと前記トランジスタのコレクタとの間に設けられた第２圧電素子と、
   前記第２圧電素子と並列に前記ベースと前記コレクタとの間に設けられた第１キャパシタと、
   前記第１圧電素子と並列に前記ベースと前記エミッタとの間に設けられた第２キャパシタと、
   前記コレクタと前記エミッタとの間、及び、前記トランジスタに電力を供給する電源と前記コレクタとの間のいずれかに設けられた第３キャパシタと、
   前記コレクタと前記エミッタとの間、及び、前記トランジスタに電力を供給する電源と前記コレクタとの間のいずれかに設けられたインダクタと、
   前記第１圧電素子及び前記第２圧電素子のいずれを前記トランジスタに接続するかを切り替える第１スイッチと
   を備える発振器。
2. 前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタのいずれを前記ベースに接続するかを切り替える第２スイッチをさらに備える請求項１に記載の発振器。
3. 前記第１圧電素子の第１発振周波数において、前記第３キャパシタ及び前記インダクタによる共振回路が誘導性リアクタンスを有し、
   前記第２圧電素子の第２発振周波数において、前記共振回路が容量性リアクタンスを有する請求項１又は２に記載の発振器。
4. 前記第１発振周波数は、前記共振回路の共振周波数よりも低く、前記第２発振周波数は、前記共振周波数よりも高い請求項３に記載の発振器。
5. 前記第１発振周波数における前記インダクタのリアクタンスは前記第３キャパシタのリアクタンスよりも小さく、
   前記第２発振周波数における前記インダクタのリアクタンスは前記第３キャパシタのリアクタンスよりも大きい請求項３又は４に記載の発振器。
6. 前記インダクタが前記コレクタと前記電源との間に設けられている請求項１から５のいずれか一項に記載の発振器。

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