JP2017188845A

JP2017188845A - 水晶発振器

Info

Publication number: JP2017188845A
Application number: JP2016078113A
Authority: JP
Inventors: 武仁石井; Takehito Ishii
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2017-10-12

Abstract

【課題】安定して２つの発振信号を同時に出力する。【解決手段】水晶発振器１は、水晶振動子２と、水晶振動子２を第１周波数で発振させて第１発振信号を発生する第１発振回路３と、水晶振動子２を第１周波数とは異なる第２周波数で発振させて第２発振信号を発生する第２発振回路４と、水晶振動子２と第１発振回路３との間、及び水晶振動子２と第２発振回路４との間に設けられ、第１発振回路３と第２発振回路４との間の信号の伝送損失を、水晶振動子２と第１発振回路３との間の信号の伝送損失、及び水晶振動子２と第２発振回路４との間の信号の伝送損失を加算した伝送損失よりも大きくするウィルキンソン型分配器５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水晶発振器に関する。

従来、１つの水晶振動子に存在する複数の振動モードを用いて、水晶振動子を同時に発振させる発振器が知られている。例えば、特許文献１には、ＳＣカットの水晶振動子を２つの振動モードで同時に発振させる水晶発振器が開示されている。

特開２００６−１４８２６６号公報

ところで、２つの振動モードを用いて水晶振動子を同時に発振させる場合において、２つの発振回路の電気的分離は、２つの発振を安定させる上で重要な設定パラメータである。２つの発振回路の電気的分離が十分に行われていないと、２つの発振回路で相互干渉が発生し、２つの発振信号を安定して出力できないという問題がある。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、安定して２つの発振信号を同時に出力す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。

本発明の第１の態様に係る水晶発振器は、水晶振動子と、前記水晶振動子を第１周波数で発振させて第１発振信号を発生する第１発振回路と、前記水晶振動子を前記第１周波数とは異なる第２周波数で発振させて第２発振信号を発生する第２発振回路と、前記水晶振動子と前記第１発振回路との間、及び前記水晶振動子と前記第２発振回路との間に設けられ、前記第１発振回路と前記第２発振回路との間の信号の伝送損失を、前記水晶振動子と前記第１発振回路との間の信号の伝送損失、及び前記水晶振動子と前記第２発振回路との間の信号の伝送損失を加算した伝送損失よりも大きくするウィルキンソン型分配器と、を備える。

前記ウィルキンソン型分配器は、第１インダクタと、一端がグランドに接続されるとともに他端が前記第１インダクタに接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサとを備える第１π型回路と、第２インダクタと、一端がグランドに接続されるとともに他端が前記第２インダクタに接続された第３コンデンサ及び第４コンデンサとを備える第２π型回路と、抵抗とを有し、前記第１インダクタの一端は前記水晶振動子に接続され、前記第１インダクタの他端は前記第１発振回路に接続され、前記第２インダクタの一端は前記水晶振動子に接続され、前記第２インダクタの他端は前記第２発振回路に接続され、前記抵抗は、前記第１発振回路と前記第２発振回路とに接続されてもよい。

前記水晶発振器は、前記第２発振信号の周波数を検出し、当該周波数に基づいて前記水晶振動子付近の温度を制御する温度制御回路を更に備えてもよい。
前記温度制御回路は、前記第１発振信号の周波数を更に検出し、前記第１発振信号の周波数と前記第２発振信号の周波数との差分に基づいて前記水晶振動子付近の温度を制御してもよい。
前記水晶振動子は、ＳＣカットの水晶振動子であり、前記第１発振回路は、前記水晶振動子を第１のモードで発振させ、前記第２発振回路は、前記水晶振動子を第２のモードで発振させてもよい。

本発明によれば、安定して２つの発振信号を同時に出力することができるという効果を奏する。

本実施形態に係る水晶発振器の構成を示す図である。本実施形態に係るウィルキンソン型分配器の構成を示す図である。本実施形態に係るウィルキンソン型分配器の伝送損失特性を示す図である。本実施形態に係る水晶発振器の伝送損失特性を示す図である。

図１は、本実施形態に係る水晶発振器１の構成を示す図である。
水晶発振器１は、水晶振動子２と、第１発振回路３と、第２発振回路４と、ウィルキンソン型分配器５と、温度制御回路６と、記憶部７と、恒温槽８とを備える。図１に示すように、水晶振動子２と、第１発振回路３と、第２発振回路４と、ウィルキンソン型分配器５とは、恒温槽８の内部に設けられている。温度制御回路６と、記憶部７とは、恒温槽８の外部に設けられている。

水晶振動子２は、例えば、ＳＣカットの水晶振動子であり、Ｃモード（第１のモード）及びＢモード（第２のモード）で発振する。
第１発振回路３は、インダクタ３１とコンデンサ３２との並列共振回路と、並列共振回路に直列接続されたアンプ３３とを含む回路である。第１発振回路３が有する並列共振回路は、共振周波数が、水晶振動子２のＢモードの発振周波数（本実施形態では、約８４．６ＭＨｚ）付近に設定されており、Ｂモードの発振周波数付近の信号を阻止する帯域阻止フィルタとして機能する。その結果、第１発振回路３は、水晶振動子２に接続されていることにより、水晶振動子２をＣモードの発振周波数（本実施形態では、約７７．６ＭＨｚ）で発振させ、周波数が第１周波数であり、高安定の第１発振信号を発生させる。本実施形態において、第１周波数は、約７７．６ＭＨｚであるものとする。

第２発振回路４は、インダクタ４１とコンデンサ４２との並列共振回路と、並列共振回路に直列接続されたアンプ４３とを含む回路である。第２発振回路４が有する並列共振回路は、共振周波数が、水晶振動子２のＣモードの発振周波数付近に設定されており、Ｃモードの発振周波数付近の信号を阻止する帯域阻止フィルタとして機能する。その結果、第２発振回路４は、水晶振動子２に接続されていることにより、水晶振動子２をＢモードで発振させ、周波数が第１周波数とは異なる第２周波数であり、恒温槽８の温度制御に用いられる第２発振信号を発生する。本実施形態において、第２周波数は、約８４．６ＭＨｚであるものとする。Ｂモードによって発振させた第２発振信号の温度周波数特性は線形性を示すことから、第２発振信号に基づいて温度測定を行うことにより、精度良く温度を測定することができる。

ウィルキンソン型分配器５は、水晶振動子２と第１発振回路３との間、及び水晶振動子２と第２発振回路４との間に設けられ、第１発振回路３と第２発振回路４との間の信号の伝送損失を、水晶振動子２と第１発振回路３との間の信号の伝送損失、及び水晶振動子２と第２発振回路４との間の信号の伝送損失を加算した伝送損失よりも大きくする分配器である。ウィルキンソン型分配器５の詳細な構成については後述する。

温度制御回路６は、ヒータを備えており、当該ヒータの加熱量を制御することにより恒温槽８の温度を制御する。具体的には、温度制御回路６は、第２発振回路４に接続されており、第２発振回路４から出力される第２発振信号の周波数を検出する。温度制御回路６は、検出した周波数に基づいてヒータを制御して恒温槽８を加熱し、恒温槽８内の水晶振動子２付近の温度を制御する。また、温度制御回路６は、別の温度制御方法として、第１発振信号の周波数を更に検出し、第１発振信号の周波数と第２発振信号の周波数との差分を温度検出用信号としてもよい。

温度制御回路６は、例えば、ＥＥＰＲＯＭ等によって構成される記憶部７に記憶された、第１発振信号の周波数変化が最小となる温度（目標温度）における第２発振信号の第２周波数を目標周波数に基づいて、水晶振動子２付近の温度を制御する。具体的には、温度制御回路６は、検出した第２発振信号の周波数が、目標周波数から所定の範囲内となるように恒温槽８を加熱することで、水晶振動子２付近の温度を目標温度に近づける制御を行う。また、温度制御回路６は、第１発振信号の周波数と第２発振信号の周波数との差分に基づいて水晶振動子２付近の温度を制御してもよい。温度制御回路６は、目標温度に対応する第１発振信号の周波数と第２発振信号の周波数との差分を目標周波数とし、第１発振信号の周波数と第２発振信号の周波数との差分を示す温度検出用信号が当該目標周波数に近づくように恒温槽８を加熱してもよい。

続いて、ウィルキンソン型分配器５の詳細な構成について説明する。図２は、ウィルキンソン型分配器５の構成を示す図である。
図２に示すように、ウィルキンソン型分配器５は、第１π型回路５１と、第２π型回路５５と、抵抗５９とを備える。

第１π型回路５１は、第１インダクタ５２と、第１コンデンサ５３と、第２コンデンサ５４とを備える。第１インダクタ５２は、一端が水晶振動子２及び第１コンデンサ５３に接続され、他端が第１発振回路３及び第２コンデンサ５４に接続されている。第１コンデンサ５３及び第２コンデンサ５４は、一端がグランドに接続されているとともに、他端が第１インダクタ５２に接続されている。本実施形態において、第１インダクタ５２のインダクタンス値は、例えば、１３８．７ｎＨであるものとする。第１コンデンサ５３の容量値と、第２コンデンサ５４の容量値とは、同一であり、例えば、２７．８ｐＦであるものとする。また、抵抗５９の抵抗値は、例えば、１００Ωであるものとする。

第２π型回路５５は、第２インダクタ５６と、第３コンデンサ５７と、第４コンデンサ５８とを備える。第２インダクタ５６は、一端が水晶振動子２及び第３コンデンサ５７に接続され、他端が第２発振回路４及び第４コンデンサ５８に接続されている。第３コンデンサ５７及び第４コンデンサ５８は、一端がグランドに接続されているとともに、他端が第２インダクタ５６に接続されている。

第２インダクタ５６のインダクタンス値は、第１インダクタ５２のインダクタンス値と同一であるものとする。また、第３コンデンサ５７及び第４コンデンサ５８の容量値とは、第１コンデンサ５３及び第２コンデンサ５４の容量値と同一であるものとする。

図３は、ウィルキンソン型分配器５の伝送損失特性を示す図である。図３において破線で示される伝送損失特性Ｃ４は、水晶振動子２とウィルキンソン型分配器５との間の測定点Ｐ４と、第１発振回路３とウィルキンソン型分配器５との間の測定点Ｐ５との信号の伝送損失特性であり、実線で示される伝送損失特性Ｃ５は、測定点Ｐ５と、第２発振回路４とウィルキンソン型分配器５との間の測定点Ｐ６との信号の伝送損失特性である。

伝送損失特性Ｃ４が示すように、第１発振信号の周波数（第１周波数）付近である７７．５ＭＨｚ、第２発振信号の周波数（第２周波数）付近である８４．５ＭＨｚ、第１周波数と第２周波数との中間の周波数付近である８１ＭＨｚにおける伝送損失は、約３ｄＢである。また、伝送損失特性Ｃ５が示すように、７７．５ＭＨｚ、及び８４．５ＭＨｚにおける伝送損失は、約２７ｄＢであり、８１ＭＨｚにおける伝送損失は、３１ｄＢである。なお、第１π型回路５１と、第２π型回路５５は同じ特性の素子を有する回路であることから、測定点Ｐ４と測定点Ｐ６との間の信号の伝送損失特性は、測定点Ｐ４と測定点Ｐ５との間の信号の伝送損失特性と同じである。

図４は、水晶発振器１の伝送損失特性を示す図である。図４において破線で示される伝送損失特性Ｃ１は、図１に示される、水晶振動子２とウィルキンソン型分配器５との間の測定点Ｐ１と、第１発振回路３内の測定点Ｐ２との間の信号の伝送損失特性である。一点鎖線で示される伝送損失特性Ｃ２は、測定点Ｐ１と、第２発振回路４内の測定点Ｐ３との間の信号の伝送損失特性である。実線で示される伝送損失特性Ｃ３は、測定点Ｐ２と測定点Ｐ３との間の信号の伝送損失特性である。

図４の伝送損失特性Ｃ１が示すように、７７．５ＭＨｚにおける伝送損失は１１ｄＢ、８１ＭＨｚにおける伝送損失は、１５ｄＢ、８４．５ＭＨｚにおける伝送損失は２０ｄＢである。また、伝送損失特性Ｃ２が示すように、７７．５ＭＨｚにおける伝送損失は２０ｄＢ、８１ＭＨｚにおける伝送損失は、１５ｄＢ、８４．５ＭＨｚにおける伝送損失は１１ｄＢである。また、伝送損失特性Ｃ３が示すように、７７．５ＭＨｚ、８４．５ＭＨｚにおける伝送損失は５１ｄＢであり、８１ＭＨｚにおける伝送損失は、５５ｄＢである。

［本実施形態の効果］
以上説明したように、本実施形態に係る水晶発振器１は、水晶振動子２と第１発振回路３との間、及び水晶振動子２と第２発振回路４との間に設けられ、第１発振回路３と第２発振回路４との間の信号の伝送損失を、水晶振動子２と第１発振回路３との間の信号の伝送損失、及び水晶振動子２と第２発振回路４との間の信号の伝送損失を加算した伝送損失よりも大きくするウィルキンソン型分配器５を備える。

このようにすることで、ウィルキンソン型分配器５が設けられない場合に比べて、第１発振回路３と第２発振回路４との間のアイソレーションを高くすることができ、第１発振回路３が発生させる第１発振信号が第２発振回路４に影響を与えることを抑制するとともに、第２発振回路４が発生させる第２発振信号が第１発振回路３に影響を与えることを抑制することができる。したがって、水晶発振器１は、安定して２つの発振信号を同時に出力することができる。

また、水晶発振器１は、第２発振信号の周波数を検出し、当該周波数に基づいて水晶振動子２付近の温度を制御する温度制御回路６を備える。水晶振動子２の個体偏差は小さいので、水晶振動子２が発振する第２発振信号の周波数の変化に基づいて温度制御を行うことにより、水晶振動子２付近の温度を精度良く目標温度に近づけることができる。

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、多様な変更又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。そのような変更又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。

例えば、上記の実施の形態においては、水晶発振器１が記憶部７及び恒温槽８を有していたが、水晶発振器１は、記憶部７及び恒温槽８を有しない他の形態であってもよい。
また、上記の実施の形態においては、ウィルキンソン型分配器５が、２個のコンデンサ及び１個のインダクタにより構成されるπ型回路を有していたが、複数のコンデンサが並列に設けられていたり、複数のインダクタが直列に設けられていたりしてもよい。

１・・・水晶発振器、２・・・水晶振動子、３・・・第１発振回路、４・・・第２発振回路、５・・・ウィルキンソン型分配器、５１・・・第１π型回路、５２・・・第１インダクタ、５３・・・第１コンデンサ、５４・・・第２コンデンサ、５５・・・第２π型回路、５６・・・第２インダクタ、５７・・・第３コンデンサ、５８・・・第４コンデンサ、５９・・・抵抗、６・・・温度制御回路、７・・・記憶部、８・・・恒温槽

Claims

水晶振動子と、
前記水晶振動子を第１周波数で発振させて第１発振信号を発生する第１発振回路と、
前記水晶振動子を前記第１周波数とは異なる第２周波数で発振させて第２発振信号を発生する第２発振回路と、
前記水晶振動子と前記第１発振回路との間、及び前記水晶振動子と前記第２発振回路との間に設けられ、前記第１発振回路と前記第２発振回路との間の信号の伝送損失を、前記水晶振動子と前記第１発振回路との間の信号の伝送損失、及び前記水晶振動子と前記第２発振回路との間の信号の伝送損失を加算した伝送損失よりも大きくするウィルキンソン型分配器と、
を備える水晶発振器。
前記ウィルキンソン型分配器は、
第１インダクタと、一端がグランドに接続されるとともに他端が前記第１インダクタに接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサとを備える第１π型回路と、
第２インダクタと、一端がグランドに接続されるとともに他端が前記第２インダクタに接続された第３コンデンサ及び第４コンデンサとを備える第２π型回路と、
抵抗とを有し、
前記第１インダクタの一端は前記水晶振動子に接続され、前記第１インダクタの他端は前記第１発振回路に接続され、
前記第２インダクタの一端は前記水晶振動子に接続され、前記第２インダクタの他端は前記第２発振回路に接続され、
前記抵抗は、前記第１発振回路と前記第２発振回路とに接続される、
請求項１に記載の水晶発振器。
前記第２発振信号の周波数を検出し、当該周波数に基づいて前記水晶振動子付近の温度を制御する温度制御回路を更に備える、
請求項１又は２に記載の水晶発振器。
前記温度制御回路は、前記第１発振信号の周波数を更に検出し、前記第１発振信号の周波数と前記第２発振信号の周波数との差分に基づいて前記水晶振動子付近の温度を制御する、
請求項３に記載の水晶発振器。
前記水晶振動子は、ＳＣカットの水晶振動子であり、
前記第１発振回路は、前記水晶振動子を第１のモードで発振させ、
前記第２発振回路は、前記水晶振動子を第２のモードで発振させる、
請求項１から４のいずれか１項に記載の水晶発振器。