JP2681303B2 - 圧電発振器 - Google Patents

圧電発振器

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JP2681303B2
JP2681303B2 JP2084589A JP8458990A JP2681303B2 JP 2681303 B2 JP2681303 B2 JP 2681303B2 JP 2084589 A JP2084589 A JP 2084589A JP 8458990 A JP8458990 A JP 8458990A JP 2681303 B2 JP2681303 B2 JP 2681303B2
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宏明 赤川
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、VCO(ボルテージコントロールドオシレ
ータ)やDTCXO(ディジタル温度補償クリスタルオシレ
ータ)に応用して好適な圧電発振器に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
従来より、圧電発振器として、水晶振動子とC−MOS
インバータとを組み合わせて構成した水晶発振器や、水
晶振動子とTTLインバータとを組み合わせて構成した水
晶発振器が広く用いられている。
第12図は、水晶発振器の一例を示す回路構成図であ
り、C−MOSインバータ1の入出力間に水晶振動子2お
よび帰還抵抗R1を接続し、C−MOSインバータ1の入力
と接地間にコンデンサ3を接続し、C−MOSインバータ
1の出力と接地間にコンデンサ4を接続する一方、定電
圧Vccを印加することにより、C−MOSインバータ1へ電
源電流Iccを供給している。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、このように構成された水晶発振器10に
おいては、広範囲の温度環境下では高温で、C−MOSイ
ンバータ1のループゲインが小さくなる(第13図参
照)。このループゲインの変化は、回路の負性抵抗ρに
影響を与え、ループゲインが小さくなると負性抵抗ρが
浅くなる。つまり、水晶発振器10においては、環境温度
が上昇すると、負性抵抗ρが浅くなり(第14図参照)、
安定した発振が阻害されるものとなる。
また、この水晶発振器10においては、コンデンサ3を
バリキャップとし、このパリキャップ3に抵抗(図示せ
ず)を介して制御電圧を印加することによって、発振周
波数を変化させることが可能である。しかし、この発振
周波数可変用の制御電圧が低くなると、バリキャップ3
の容量が大きくなり、回路の負性抵抗ρが浅くなり、発
振が不安定になったり、停止する虞れがある。
すなわち、一般に水晶発振器では、回路の負性抵抗ρ
が大きい(深い)ほど、発振は安定する。これを第15図
に示した特性で言えば、負性抵抗ρが最も深発振周波数
faにて、最も安定した発振が行われる。これに対して、
負性抵抗ρが浅くなると、発振は不安定となる。
なお、TTLインバータを使用した水晶発振器において
も同様にして、環境温度や発振周波数可変用の制御電圧
によって安定した発振が阻害される。但し、TTLインバ
ータの場合、広範囲の温度環境下では低温で、ループゲ
インが小さくなる(第13図参照)。つまり、TTLインバ
ータを使用した水晶発振器においては、環境温度が低下
すると、回路の負性抵抗ρが浅くなり(第14図参照)、
発振が不安定となる。
〔課題を解決するための手段〕
本発明はこのような課題を解決するために提案された
もので、インバータに供給する電源電流が増大すると回
路の負性抵抗ρが大きくなることに着目し、環境温度お
よび発振周波数可変用の制御電圧に応じて、インバータ
に供給する電源電流を変化させるようにしたものであ
る。
〔作用〕
したがってこの発明によれば、環境温度および発振周
波数可変用の制御電圧に応じて、インバータに供給する
電源電流が変化し、回路の負性抵抗が深くかつ略一定に
維持される。
例えば、インバータをC−MOSインバータとした場
合、環境温度の上昇および発振周波数可変用の制御電圧
の低下に応じてC−MOSインバータに供給する電源電流
を増大させることにより、負性抵抗ρの浅い方向への変
化を是正して、一定に維持することが可能となる。
〔実施例〕
以下、本発明に係る圧電発振器を詳細に説明する。
第1図はこの発明のベースとなる水晶発振器の回路構
成図である。同図において、第12図と同一符号は同一構
成要素を示し、その説明は省略する。この水晶発振器11
の水晶発振器10と異なるところは、実質的に電源電流I
ccを環境温度に応じて変化させる電圧制御回路6を付加
した点にある。
すなわち、電源電流Iccの供給通路にNPNトランジスタ
Q7を挿入接続し、このトランジスタQ7のベースに、電圧
制御回路6の生成する制御電圧を印加するものとしてい
る。電圧制御回路6は、オペアンプ6−1と帰還抵抗R4
と抵抗R5とから構成され、オペアンプ6−1の反転入力
端に、抵抗R6と温度検出回路7との接続点に生ずる電圧
を供与するものとしている。温度検出回路7はダイオー
ドD1〜Dnを直列に接続して構成されている。なお、この
例においては、C−MOSインバータ1として、74HCU04,4
069UB等の種類のICを使用している。
このように構成された水晶発振器11では、環境温度が
上昇すると、抵抗R6と温度検出回路7との接続点に生ず
る電圧が上昇する。この電圧はオペアンプ6−1の反転
入力端へ与えられて増幅され、制御電圧としてトランジ
スタQ7のベースに印加される。すなわち、温度上昇に応
じて増大した制御電圧が、トランジスタQ7のベースに印
加される。これにより、C−MOSインバータ1への印加
電圧が上昇し、すなわちC−MOSインバータ1へ供給さ
れる電源電流Iccが増大し、回路の負性抵抗ρが深くな
る(第2図参照)。この結果、環境温度の上昇に伴う負
性抵抗ρの浅い方向への変化が是正されるものとなり、
電源電流Iccの増大良を適当に定めることにより、すな
わち環境温度に対する電源電流Iccの変化特性を適当に
定めることにより、負性抵抗ρを深くかつ一定に維持し
て、環境温度が上昇したとしても安定した発振を持続さ
せることができるようになる。
なお、この例においては、環境温度に応じてC−MOS
インバータ1への印加電圧を変化させ、結果的に電源電
流Iccを制御するものとしたが、カレントミラー回路を
設ける等して、電源電流Iccを直接制御するものとして
もよい。すなわち、C−MOSインバータ1への印加電圧
を変化させる方式も、電源電流Iccを変化させる方式に
含まれるものと考えてよく、この意味からいって電圧制
御回路6は電流制御回路と見做すことができる。
また、この例において、回路の負性抵抗ρを一定とす
る、環境温度と電源電流Iccとの変化特性は、接続され
たコンデンサ3および4の容量値によって異なる。すな
わち、今、コンデンサ3と4の容量値、すなわち発振用
コンデンサの容量値が共にC1であり、環境温度と電源電
流Iccとの変化特性が第3図に示す特性t1として定めら
れているとする。この状態で、コンデンサ3と4の容量
値をC2およびC3に代えた場合、環境温度と電源電流Icc
との変化特性は、例えば同図に示す特性t2およびt3とし
て定めらければならなかったり、第4図に示す特性t4
よびt5として定めなければならなかったりする。第3図
に示したように特性が変化する場合には、電源供給回路
6に乗算回路を付加することにより、そのゲインを変化
させて対応することができる。第4図に示したように特
性が変化する場合には、すなわち容量値の変化に対して
特性が平行に変化する場合には、電圧制御回路6に加算
回路を付加することにより、そのゲインを変化させて対
応することができる。
また、この例においては、C−MOSインバータを使用
した水晶発振器での温度補償例として説明したが、TTL
インバータを使用した水晶発振器においても同様にし
て、温度補償を行うことが可能である。但し、TTLイン
バータを使用した水晶発振器では、環境温度の低下を検
出するものとし、環境温度の低下に応じてTTLインバー
タへ供給する電源電流を増大させて、負性抵抗ρの浅い
方向への変化を是正するようにする。
第5図は、第1図に示した水晶発振器11に、発振周波
数の変化機能および発振周波数可変用の制御電圧に対し
ての補償機能を加えた例を示す。すなわち、本発明に係
る圧電発振器の一実施例を示す。この水晶発振器12にお
いては、C−MOSインバータ1の入力と接地間にバリキ
ャプ8を接続し、このバリキャプ8に抵抗R2を介して制
御電圧Vcを印加することによって、発振周波数を変化さ
せ得るものとしている。そして、電流制御回路5を設
け、制御電圧Vcを増幅器5−1へ与えるものとし、制御
電圧Vcが低くなれば高い増幅電圧を、制御電圧Vcが高く
なれば低い増幅電圧を、増幅器5−1の出力として得る
ものとしている。そして、この増幅器5−1の出力を、
FETQ1およびQ2よりなるカレントミラー回路5−2に与
え、増幅器5−1のゲインとカレントミラー回路5−2
での比率(この場合、1:1)とで決定される電源電流Icc
を、トランジスタQ7を介してC−MOSインバータ1へ供
給するものとしている。
このように構成された水晶発振器12では、制御電圧Vc
が低くなると、バリキャブ8の容量Cが大きくなり(第
6図参照)、バリキャプ8の容量Cが大きくなると、回
路の負性抵抗ρが浅くなる(第7図参照)。すなわち、
制御電圧Vcが低くなると、負性抵抗ρが浅くなり(第8
図参照)。発振が不安定になったり、停止する虞れがあ
る。しかし、制御電圧Vcが低くなれば、増幅器5−1の
出力として得られる増幅電圧が高くなり、C−MOSイン
バータ1へ供給される電源電流Iccが増大する(第9図
参照)。C−MOSインバータ1への電源電流Iccが増大す
ると、回路の負性抵抗ρは深くなる。この結果、上述し
た負性抵抗ρの浅い方向への変化が是正されるものとな
り、電源電流Iccの増大量を適当に定めることにより、
すなわち制御電圧Vcと電源電流Iccとの変化特性を滴定
に定めることにより、制御電圧Vcが低くなった場合でも
安定した発振を持続させることができるようになる。
なお、上述した実施例においては、カレントミラー回
路5−2をFETを用いて構成したが、第10図や第11図に
示すように、トランジスタを用いて構成するものとして
もよい。第10図に示したカレントミラー回路5−3で
は、カレントミラー回路5−2と同様、1:1の比率で電
源電流Iccを得ることができる。第11図に示したカレン
トミラー回路5−4では、1:2の比率で電源電流Iccを得
ることができる。
また、上述した実施例においては、、制御電圧Vcに応
じてC−MOSインバータ1へ供給する電源電流Iccを変化
させるものとしたが、制御電圧Vcに応じてC−MOSイン
バータ1へ印加する電圧を変化させるものとしてもよ
い。C−MOSインバータ1への印加電圧を変化させる方
式を採用しても、結果的には、C−MOSインバータ1へ
供給される電源電流Iccが変化するものとなる。すなわ
ち、印加電圧を変化させる方式も、電源電流Iccを変化
させる方式に含まれるものと考えてよい。
なお、これは言うまでもないことであるが、電源電流
Iccを制御電圧Vcに応じて変化させる電流制御手段を設
ける場合、「制御電圧Vcが零となっても発振を維持し得
る電源電流IccをC−MOSインバータ1に供給する」こと
を条件とする。
〔発明の効果〕
以上説明したようにこの発明による圧電発振器による
と、インバータに供給する電源電流が増大すると回路の
負性抵抗ρが大きくなることに着目し、環境温度および
発振周波数可変用の制御電圧に応じて、インバータに供
給する。電源電流を変化させるようにしたので、例え
ば、インバータをC−MOSインバータとした場合、環境
温度の上昇および発振周波数可変用の制御電圧の低下に
応じてC−MOSインバータに供給する電源電流を増大さ
せることにより、負性抵抗ρの浅い方向への変化を是正
して、一定に維持することが可能となり、環境温度や発
振周波数可変用の制御電圧が変化ても安定した発振を持
続させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る圧電発振器のベースとなる水晶発
振器の回路構成図、第2図はこの水晶発振器におけるC
−MOSインバータへの電源電流Iccに対する負性抵抗ρの
変化特性を示す図、第3図および第4図は発振用コンデ
ンサの容量値の変化に対し一定の負性抵抗ρを得るべき
環境温度と電源電流Iccとの変化特性図、第5図は本発
明に係る圧電発振器の一実施例を示す回路構成図、第6
図は制御電圧Vcに対するバリキャプの容量Cの変化特性
図、第7図はバリキャプの容量Cに対する負性抵抗ρの
変化特性図、第8図は制御電圧Vcに対する負性抵抗ρの
変化特性図、第9図は制御電圧Vcに対する電源電流Icc
の変化特性図、第10図および第11図は第5図に示した水
晶発振器におけるカレントミラー回路の他の構成例を示
す図、第12図は従来の水晶発振器を示す回路構成図、第
13図はC−MOSインバータにおよびTTLインバータの環境
温度に対するループゲインの変化特性図、第14図はC−
MOSインバータおよびTTLインバータを使用した水晶発振
器での環境温度に対する負性抵抗ρの変化特性図、第15
図は負性抵抗ρと最も安定な発振周波数faとの関係を示
す図である。 1……C−MOSインバータ、2……水晶発振器、3,4……
発振用コンデンサ、6……電圧制御回路、7……温度検
出回路、Icc……電源電流。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】インバータの入出力間に接続された圧電振
    動子と、前記インバータの入力と接地間に接続された第
    1のコンデンサと、前記インバータの出力と接地間に接
    続された第2のコンデンサとを備えた圧電発振器におい
    て、 前記インバータに供給する電源電流を環境温度および発
    振周波数可変用の制御電圧に応じて変化させ回路の負性
    抵抗を深くかつ略一定に維持する電流制御手段 を設けたことを特徴とする圧電発振器。
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