JP2017085673A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化を妨げず、位相雑音特性を向上させることができる水晶発振器を提供する。
【解決手段】 発振用トランジスタＱ１を有する発振回路１１と、増幅用トランジスタＱ２を有する増幅回路１２とを備え、高周波回路となる発振回路１１にセラミックコンデンサを備え、振動環境下において高周波回路となる発振回路１１で使用されているセラミックコンデンサと同等の雑音を発生する第１のセンサ１３と、第１のセンサからの出力を入力して位相反転増幅する第１のオペアンプ１４とを備え、第１のオペアンプ１４の出力を発振用トランジスタＱ１のエミッタに接続した水晶発振器であり、高周波回路のセラミックコンデンサから発生した雑音を、第１のセンサ１３で発生させた同等の雑音を反転して発振回路１１に重畳させることで打ち消すことができ、また、小型化を妨げない水晶発振器としている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水晶発振器に係り、特に小型化を妨げず、振動環境下において出力周波数信号の位相雑音特性を向上させることができる水晶発振器に関する。

［従来の水晶発振器の概略構成：図４］
従来の水晶発振器の概略構成について図４を用いて説明する。図４は、従来の水晶発振器の概略構成図である。
図４に示すように、従来の水晶発振器は、発振回路２１と、増幅回路２２とを備えている。
発振回路２１は、水晶振動子と発振用トランジスタとを備え、特定周波数の振動を発生する。
増幅回路２２は、増幅用トランジスタを備え、発振回路２１からの周波数信号を増幅して高周波信号として出力する。
尚、各部の上に、出力される雑音波形を模式的に示している。

高周波回路である発振回路２１や増幅回路２２には、バイパスコンデンサや同調回路が含まれる。
一般に、バイパスコンデンサや同調回路としては、セラミックコンデンサが用いられている。

セラミックコンデンサに用いられるセラミックは圧電材料であるため、振動が加わった場合に圧電効果によって電圧が発生し、雑音の原因となる。
圧電材料に圧縮する力を加えると、材料の一方の端がプラスの電気を帯び、他方の端がマイナスの電気を帯びる。振動中の加速度が最大になる点で圧電材料の圧縮が最大となり、振動周波数に依存した周期で電圧が発生するものである。

このように、振動環境下においては、セラミックコンデンサに起因する雑音が出力周波数信号に重畳されるため、位相雑音特性が劣化してしまう。
図４に示すように、発振回路２１で発生した雑音は、増幅回路２２で増幅され、位相雑音特性が劣化する。

また、フィルム系コンデンサやタンタルコンデンサは、圧電効果を持たないため、電子雑音は発生しないが、サイズが大きく、高周波性能が劣ってしまう。
更に、セラミックコンデンサに振動を与えないよう、ダンパーゴム等で高周波回路を保持して振動を吸収する方法も考えられるが、構造的に大型化を避けることができず、好ましくない。

［関連技術］
尚、出力周波数の位相雑音特性を良好にする技術としては、特開２０００−２６９７３９号公報「水晶発振器」（株式会社富士通ゼネラル、特許文献１）、特開２００１−３６３４４号公報「水晶発振器」（株式会社富士通ゼネラル、特許文献２）、特開２０１２−１５６９２０号公報「温度補償型水晶発振器」（日本電波工業株式会社、特許文献３）がある。

特許文献１には、外的な振動により水晶発振器で発生する側波帯を打ち消し、発振周波数のみが出力されるようにして、位相雑音の劣化を抑止することが記載されている。
特許文献２には、第１の水晶振動子と同一特性を有する第２の水晶振動子を同一方向に近接して取り付け、第２の水晶振動子の出力を反転増幅して出力し、当該出力信号で第１の水晶振動子を備えた電圧制御発振器を制御することで、機械的振動による発振周波数の変動をキャンセルすることが記載されている。

また、特許文献３には、温度補償電圧生成部からの出力信号を分岐して、その一方を遅延し、他方から直流成分を除去し、位相を反転し、遅延された一方の信号と加算することで温度補償電圧発生部で発生した位相雑音が除去された温度補償電圧をＶＣＯに印加する温度補償型水晶発振器が記載されている。

特開２０００−２６９７３９号公報 特開２００１−３６３４４号公報 特開２０１２−１５６９２０号公報

しかしながら、セラミックコンデンサを用いた従来の水晶発振器は、振動によって電圧が発生してしまい、位相雑音特性が劣化するという問題点があった。
また、フィルム系コンデンサやタンタルコンデンサを用いた場合、小型化の妨げになる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、小型化を妨げず、位相雑音特性を向上させることができる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、水晶振動子と水晶振動子の発振周波数信号を増幅する発振用トランジスタとを備えた発振回路と、発振回路の出力を増幅する増幅用トランジスタを備えた増幅回路とを有する水晶発振器であって、高周波回路となる発振回路はセラミックコンデンサを備え、振動環境下においてセラミックコンデンサが発生する雑音と同等の雑音を発生する第１のセンサと、第１のセンサの出力を位相反転増幅する第１の反転増幅回路とを備え、第１のセンサからの雑音と高周波回路となる発振回路のセラミックコンデンサで発生する雑音とが相殺するように、第１の反転増幅回路の出力が、発振回路に入力されていることを特徴としている。

また、本発明は、水晶振動子と水晶振動子の発振周波数信号を増幅する発振用トランジスタとを備えた発振回路と、発振回路の出力を増幅する増幅用トランジスタを備えた増幅回路とを有する水晶発振器であって、高周波回路となる増幅回路はセラミックコンデンサを備え、振動環境下においてセラミックコンデンサが発生する雑音と同等の雑音を発生する第１のセンサと、第１のセンサの出力を位相反転増幅する第１の反転増幅回路とを備え、第１のセンサからの雑音と高周波回路となる増幅回路のセラミックコンデンサで発生する雑音とが相殺するように、第１の反転増幅回路の出力が、発振回路に入力されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、ＦＭ雑音を除去することを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、振動環境下において雑音を発生する第２のセンサと、第２のセンサの出力を位相反転増幅する第２の反転増幅回路とを備え、第２の反転増幅回路の出力が、増幅回路に入力されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、発振用トランジスタの出力に残留する雑音をキャンセルすることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、ＡＭ雑音を除去することを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、センサがコンデンサで構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、水晶振動子と水晶振動子の発振周波数信号を増幅する発振用トランジスタとを備えた発振回路と、発振回路の出力を増幅する増幅用トランジスタを備えた増幅回路とを有する水晶発振器であって、高周波回路となる発振回路はセラミックコンデンサを備え、振動環境下においてセラミックコンデンサが発生する雑音と同等の雑音を発生する第１のセンサと、第１のセンサの出力を位相反転増幅する第１の反転増幅回路とを備え、第１のセンサからの雑音と高周波回路となる発振回路のセラミックコンデンサで発生する雑音とが相殺するように、第１の反転増幅回路の出力が、発振回路に入力されている水晶発振器としているので、振動環境下で高周波回路のセラミックコンデンサが発生する雑音を、第１のセンサで発生する雑音で打ち消すことができ、小型化を妨げず、出力周波数信号における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、本発明によれば、水晶振動子と水晶振動子の発振周波数信号を増幅する発振用トランジスタとを備えた発振回路と、発振回路の出力を増幅する増幅用トランジスタを備えた増幅回路とを有する水晶発振器であって、高周波回路となる増幅回路はセラミックコンデンサを備え、振動環境下においてセラミックコンデンサが発生する雑音と同等の雑音を発生する第１のセンサと、第１のセンサの出力を位相反転増幅する第１の反転増幅回路とを備え、第１のセンサからの雑音と高周波回路となる増幅回路のセラミックコンデンサで発生する雑音とが相殺するように、第１の反転増幅回路の出力が、発振回路に入力されている水晶発振器としているので、振動環境下で高周波回路のセラミックコンデンサが発生する雑音を、第１のセンサで発生する雑音で打ち消すことができ、小型化を妨げず、出力周波数信号における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、本発明によれば、振動環境下において雑音を発生する第２のセンサと、第２のセンサの出力を位相反転増幅する第２の反転増幅回路とを備え、第２の反転増幅回路の出力が、増幅回路に入力されている上記水晶発振器としているので、第２のセンサの特性を適切なものとすれば、発振回路の出力に残留する雑音を、第２のセンサからの雑音で増幅回路において打ち消すことができ、出力周波数における位相雑音特性を一層向上させることができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る水晶発振器の概略構成図である。 本水晶発振器の回路構成例を示す回路図である。 本発明の別の実施の形態に係る水晶発振器の回路構成例を示す回路図である。 従来の水晶発振器の概略構成図である。

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器は、高周波回路で使用されているセラミックコンデンサと同等の特性を備えた第１のセンサと、第１のセンサからの出力を入力して位相反転増幅する第１のオペアンプとを備え、第１のオペアンプの出力を発振用トランジスタのエミッタに接続した構成であり、発振回路において高周波回路のセラミックコンデンサから発生した雑音を、第１のセンサで発生させた同等の雑音を反転して重畳させることで打ち消すことができ、特にＦＭ雑音を効果的に補償して、出力周波数信号における位相雑音を向上させる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器は、上記構成に加えて更に、第２のセンサと、第２のセンサからの出力を入力して位相反転増幅する第２のオペアンプとを備え、第２のオペアンプの出力を増幅用トランジスタのベースに接続した構成であり、ＦＭ雑音に加えてＡＭ雑音も良好に補償でき、出力周波数信号における位相雑音特性を一層向上させることができるものである。

［実施の形態に係る水晶発振器の概略構成：図１］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器の概略構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る水晶発振器の概略構成図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る水晶発振器（本水晶発振器）は、従来と同様の部分として、水晶振動子及び発振用トランジスタを備えた発振回路１１と、増幅用トランジスタを備えた増幅回路１２と、本水晶発振器の特徴部分であるセンサ１３と、反転増幅回路１４とを備えている。

そして、センサ１３で発生させた雑音を、反転増幅回路１４で反転増幅して、発振回路１１の出力に重畳させることにより、発振回路１１及び増幅回路１２のセラミックコンデンサによって生じる雑音をキャンセルするものである。
発振回路１１及び増幅回路１２にセラミックコンデンサを用いることで、小型化を図ることができるものである。

本水晶発振器の特徴部分について具体的に説明する。
センサ１３は、振動環境下において、発振回路１１及び増幅回路１２で使用されているコンデンサから発生する雑音と同等の雑音を発生する圧電素子であり、例えば、発振回路１１及び増幅回路１２のコンデンサと同等のセラミックコンデンサで実現される。

反転増幅回路１４は、センサ１３からの出力を位相反転して増幅するものであり、オペアンプ等で実現される。
本水晶発振器では、反転増幅回路１４の出力は、発振回路１１に入力されて発振回路１１の出力信号に重畳される。

各部における雑音波形について簡単に説明する。
センサ１３では、発振回路１１と増幅回路１２のセラミックコンデンサで発生する雑音と同等の雑音が発生する。尚、ここでは便宜的に発振回路１１と増幅回路１２で発生する雑音を合わせたものを発振回路１１の上に記載している。

反転増幅回路１４では、センサ１３の出力波形を反転して増幅した波形が得られる。
そして、反転増幅回路１４が重畳された発振回路１１の出力信号では、高周波回路のセラミックコンデンサからの雑音とセンサ１３からの雑音とが相殺されるため、増幅回路１２の出力は雑音成分を含まないものである。

［本水晶発振器の回路構成例：図２］
次に、本水晶発振器の回路構成例について図２を用いて説明する。図２は、本水晶発振器の回路構成例を示す回路図である。
図２に示すように、本発振器はコルピッツ型の発振器として構成され、基本的な構成部分として、水晶振動子Ｘ１と、水晶振動子Ｘ１の発振周波数を増幅するトランジスタ（発振用トランジスタ）Ｑ１と、増幅回路を構成するトランジスタ（増幅用トランジスタ）Ｑ２とを備えている。

そして、トランジスタＱ１のベースに水晶振動子Ｘ１が接続され、トランジスタＱ１のコレクタには並列接続のコイルＬ１とコンデンサＣ３から成る共振回路が接続され、電源電圧に接続されている。電源電圧は図示を省略している。
更に、電源電圧は、抵抗Ｒ１を介してトランジスタＱ１のベースに印加され、ベースは抵抗Ｒ２を介して接地されている。

また、トランジスタＱ１のエミッタは、抵抗Ｒ４を介して接地され、トランジスタＱ１のベースは直列接続のコンデンサＣ１とコンデンサＣ２を介して接地され、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との間の点がエミッタに接続している。

そして、トランジスタＱ１のコレクタから増幅された発振周波数がトランジスタＱ２のベースに印加され、トランジスタＱ２のコレクタには、並列接続のコイルＬ２とコンデンサＣ４から成る共振回路を介して電源電圧が印加され、コレクタには、コンデンサＣ６を介して出力端子が設けられている。

また、トランジスタＱ２のベースは、抵抗Ｒ５を介して電源電圧が印加され、抵抗Ｒ７を介して接地されている。
トランジスタＱ２のエミッタには、抵抗Ｒ６及びコンデンサＣ５が並列に接続され、それぞれ他端が接地されている。
更に、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ７の間の点が、コンデンサＣ７を介してトランジスタＱ１のコレクタに接続されている。

そして、本水晶発振器の特徴部分として、センサ１３と、オペアンプ１４とが設けられており、センサ１３を構成するコンデンサＣ８は、一端が抵抗Ｒ８を介して反転増幅回路（オペアンプ）１４の反転入力端子（−端子）に接続され、他端が接地されている。
また、オペアンプ１４の出力端子と反転入力端子（−端子）とは、抵抗Ｒ９を介して接続され、非反転入力端子（＋端子）は接地されている。
更に、オペアンプ１４の出力端子は、抵抗Ｒ１０を介してトランジスタＱ１のエミッタに接続されている。

すなわち、本水晶発振器では、センサ１３で発生した雑音が、オペアンプ１４によって位相反転されて増幅され、発振回路１１のトランジスタＱ１のエミッタに入力される。これにより、発振回路１１における発振の状態が調整される。
センサ１３で発生する雑音は、発振回路及び増幅回路を構成するセラミックコンデンサと同等の雑音であり、これにより、本水晶発振器では、センサ１３からの雑音と発振回路及び増幅回路のセラミックコンデンサで発生する雑音とが相殺され、発振回路１１の出力段において雑音をキャンセルできるものである。
センサ１３及び反転増幅回路１４は、それぞれ、請求項に記載した第１のセンサ、第１の反転増幅回路に相当している。

尚、図２に示した本水晶発振器の構成では、位相雑音の内、特にＦＭ雑音を効果的に除去することができるものである。
このようにして、本水晶発振器では出力周波数信号における位相雑音特性を向上させることができるものである。
また、ここでは、センサ１３としてコンデンサを用いているが、高周波回路で用いられているセラミックコンデンサと同等の雑音を発生するものであれば、他のセンサ用素子を使用してもよい。

［別の水晶発振器の回路構成例：図３］
次に、本発明の別の実施の形態に係る水晶発振器の回路構成例について図３を用いて説明する。図３は、本発明の別の実施の形態に係る水晶発振器の回路構成例を示す回路図である。
本発明の別の実施の形態に係る水晶発振器（別の水晶発振器）は、図２に示した本水晶発振器と同様に、発振回路１１に対してキャンセル信号を重畳すると共に、更に、増幅回路１２においてキャンセル信号を混合（ミキシング）することで、位相雑音特性を一層向上させるものである。

図３に示すように、別の水晶発振器は、図２の構成に加えて、センサ１５とオペアンプ１６とが設けられており、センサ１５を構成するコンデンサＣ９は、一端が抵抗Ｒ１１を介して反転増幅回路（オペアンプ）１６の反転入力端子（−端子）に接続され、他端が接地されている。
また、オペアンプ１６の出力端子と反転入力端子（−端子）とは、抵抗Ｒ１２を介して接続され、非反転入力端子（＋端子）は接地されている。
更に、オペアンプ１６の出力端子は、抵抗Ｒ１３を介してトランジスタＱ２のベースに接続されている。
センサ１５、反転増幅回路１６は、それぞれ、請求項に記載された第２のセンサ、第２の反転増幅回路に相当している。

コンデンサＣ９は、コンデンサＣ８と同等の特性でも異なる特性でもよく、トランジスタＱ１の出力に残留する位相雑音を十分補償できる特性とする。
また、オペアンプ１６は、オペアンプ１４と同等のものである。
これにより、別の水晶発振器では、センサ１５からの雑音を増幅用トランジスタＱ２のベースに印加して、トランジスタＱ１の出力信号とキャンセル信号とを混合してトランジスタＱ２で増幅することにより、トランジスタＱ１の出力に残留する雑音をキャンセルできるものである。

特に、別の水晶発振器における追加構成部分は、ＡＭ雑音を効果的に除去することができるため、別の水晶発振器全体としてＦＭ雑音、ＡＭ雑音を除去することができ、出力周波数信号の位相雑音特性を大幅に向上させることができるものである。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器によれば、高周波回路にセラミックコンデンサを備え、高周波回路で使用されているセラミックコンデンサと同等の特性を備えた第１のセンサ１３と、第１のセンサからの出力を入力して位相反転増幅する第１のオペアンプ１４とを備え、第１のオペアンプ１４の出力を発振用トランジスタＱ１のエミッタに接続した構成であり、振動環境下において高周波回路のセラミックコンデンサから発生した雑音を、第１のセンサで発生させた同等の雑音を反転して発振回路１１に重畳させることで打ち消すことができ、特にＦＭ雑音を効果的に補償して、出力周波数信号における位相雑音を向上させることができ、また、小型化を妨げない効果がある。

また、本発明の別の実施の形態に係る水晶発振器によれば、上記構成に加えて更に、第２のセンサ１５と、第２のセンサ１５からの出力を入力して位相反転増幅する第２のオペアンプ１６とを備え、第２のオペアンプ１６の出力を増幅用トランジスタＱ２のベースに接続した構成であり、振動環境下においてＦＭ雑音に加えてＡＭ雑音も良好に補償でき、出力周波数信号における位相雑音特性を一層向上させることができ、また、小型化を妨げない効果がある。

本発明は、小型化を妨げず、振動環境下において出力周波数信号の位相雑音特性を向上させることができる水晶発振器に適している。

１１，２１…発振回路、 １２，２２…増幅回路、 １３，１５…センサ、 １４，１６…反転増幅回路、 Ｘ１…水晶振動子、 Ｒ１〜Ｒ１３…抵抗、 Ｃ１〜Ｃ９…コンデンサ、 Ｌ１，Ｌ２…コイル、 Ｑ１…発振用トランジスタ、 Ｑ２…増幅用トランジスタ

Claims (7)

1. 水晶振動子と前記水晶振動子の発振周波数信号を増幅する発振用トランジスタとを備えた発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する増幅用トランジスタを備えた増幅回路とを有する水晶発振器であって、
   高周波回路となる前記発振回路はセラミックコンデンサを備え、
   振動環境下において前記セラミックコンデンサが発生する雑音と同等の雑音を発生する第１のセンサと、
   前記第１のセンサの出力を位相反転増幅する第１の反転増幅回路とを備え、
   前記第１のセンサからの雑音と前記高周波回路となる発振回路のセラミックコンデンサで発生する雑音とが相殺するように、前記第１の反転増幅回路の出力が、前記発振回路に入力されていることを特徴とする水晶発振器。
2. 水晶振動子と前記水晶振動子の発振周波数信号を増幅する発振用トランジスタとを備えた発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する増幅用トランジスタを備えた増幅回路とを有する水晶発振器であって、
   高周波回路となる前記増幅回路はセラミックコンデンサを備え、
   振動環境下において前記セラミックコンデンサが発生する雑音と同等の雑音を発生する第１のセンサと、
   前記第１のセンサの出力を位相反転増幅する第１の反転増幅回路とを備え、
   前記第１のセンサからの雑音と前記高周波回路となる前記増幅回路のセラミックコンデンサで発生する雑音とが相殺するように、前記第１の反転増幅回路の出力が、前記発振回路に入力されていることを特徴とする水晶発振器。
3. ＦＭ雑音を除去することを特徴とする請求項１又は２記載の水晶発振器。
4. 振動環境下において雑音を発生する第２のセンサと、
   前記第２のセンサの出力を位相反転増幅する第２の反転増幅回路とを備え、
   前記第２の反転増幅回路の出力が、増幅回路に入力されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の水晶発振器。
5. 発振用トランジスタの出力に残留する雑音をキャンセルすることを特徴とする請求項４記載の水晶発振器。
6. ＡＭ雑音を除去することを特徴とする請求項４又は５記載の水晶発振器。
7. センサがコンデンサで構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の水晶発振器。

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