JP2743701B2 - 発振回路 - Google Patents

発振回路

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JP2743701B2
JP2743701B2 JP4105857A JP10585792A JP2743701B2 JP 2743701 B2 JP2743701 B2 JP 2743701B2 JP 4105857 A JP4105857 A JP 4105857A JP 10585792 A JP10585792 A JP 10585792A JP 2743701 B2 JP2743701 B2 JP 2743701B2
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/02Details
    • H03B5/04Modifications of generator to compensate for variations in physical values, e.g. power supply, load, temperature
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator

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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はエネルギー閉じ込め型厚
みすべり振動モードのセラミック共振子を用いたコルピ
ッツ型発振回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図1に示されるようなエネルギー閉じ込
め型厚みすべり振動モードを利用したセラミック共振子
では、発振周波数飛びなどの異常発振をなくすために、
帯域ΔF内にできるだけリップルが発生しないように電
極の幅寸法Wや重なり幅ΔLを選択している。帯域ΔF
の幅はセラミック材料によって異なるが、帯域幅の広い
セラミック共振子、つまり電気機械結合係数の大きなセ
ラミック共振子は発振の立ち上がり時間を短縮でき、低
い電圧で発振できる等の利点があるため、マイコンの基
準クロック以外の広い用途に使用できる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、帯域幅
の広いセラミック材料は共振周波数Frおよび反共振周
波数Faの温度特性が共に負傾向で、かつ共振周波数F
rの温度特性が反共振周波数Faのそれより急な負傾向
になるという性質がある。そのため、このような材料を
用いたセラミック共振子をコルピッツ型発振回路に適用
すると、その発振周波数Fosc も負傾向になる。なぜな
ら、発振周波数Fosc は共振周波数Frと反共振周波数
Faとの間、つまり帯域ΔF内に必ず存在するからであ
る。特に、発振周波数Fosc が共振周波数Fr側に寄っ
ていると、共振周波数Frの温度特性に引っ張られる形
となり、発振周波数Fosc の温度特性が悪化する。
【0004】発振周波数Fosc の温度特性を改善する方
法として、発振回路の負荷容量CLを小さくし、発振周
波数Fosc を反共振周波数Fa側へずらすことが考えら
れる。しかしながら、これでは回路中の高周波ゲインが
上昇し、例えばオーバートーンモードで発振して3倍波
のようなスプリアス発振が発生する恐れがあるという問
題がある。そのため、発振回路の負荷容量CL を変化さ
せることは望ましくない。そこで、本発明の目的は、帯
域ΔFの広いセラミック共振子を用いながら、負荷容量
を変化させずに発振周波数の温度特性を改善できる発振
回路を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、エネルギー閉じ込め型厚みすべり振動モ
ードのセラミック共振子を用いたコルピッツ型発振回路
において、上記セラミック共振子の共振周波数が負の温
度特性を有するとともに、反共振周波数が共振周波数よ
り緩やかな負の温度特性を有し、常温における発振周波
数Fosc がセラミック共振子の中心周波数(Fr+F
a)/2より高周波側となるように、セラミック共振子
の端子間容量を設定したものである。
【0006】
【作用】セラミック共振子の端子間容量を調整すること
によって、発振周波数Fosc の温度特性を改善できる理
由を以下に説明する。まず、セラミック共振子の等価回
路は図2のように表され、その共振周波数Frおよび反
共振周波数Faは次式で表される。
【数1】Fr=1/2π√(L1 1
【数2】Fa=Fr√(1+C1 /C0 ) したがって、両者の比は次式のようになる。
【数3】Fa/Fr= √(1+C1 /C0 ) 同一厚みの厚みすべり振動モードのセラミック共振子の
場合、対向電極の面積が大きくなれば、端子間容量CF
も当然大きくなる。端子間容量CF はその等価直列容量
1 と等価並列容量C0 の和で与えられる。
【数4】CF =C1 +C0
【0007】図3はコルピッツ型発振回路を示し、1は
セラミック共振子、2,3はC−MOSのインバータ、
f は並列抵抗、CL1,CL2はコンデンサである。この
コルピッツ型発振回路の発振周波数Fosc は次式で表さ
れる。なお、インバータ2,3に代えてトランジスタあ
るいはTTLを用いても、次式と同様の式となる。
【数5】 ここで、CC は回路の負荷容量やインバータの内部容量
などによって決まる値である。
【0008】等価直列容量C1 と等価並列容量C0 の比
(C1 /C0 )は端子間容量CF に関係なく殆ど一定で
あるから、C1 =aC0 (但し、aは一定値)と表すこ
とができる。これをFosc の式に代入すると、次のよう
になる。
【数6】 この式は次のように変形できる。
【数7】
【0009】数式7の中で、CF を大きくするとC0
大きくなるので、CC /C0 が小さくなり、Fosc は大
きくなる。つまり、端子間容量CF を大きくすることに
よって発振周波数Fosc を反共振周波数Faに近づける
ことができる。換言すれば発振周波数Fosc を共振子の
中心周波数(Fr+Fa)/2より高くすることによ
り、発振周波数Fosc の温度特性を反共振周波数Faの
それに近づけることができる。ここで、帯域幅の広いセ
ラミック材料を使用した場合、反共振周波数Faの温度
特性が共振周波数Frより緩やかな負傾向を有するの
で、発振周波数Fosc の温度特性を反共振周波数Faの
それに近づければ、それだけ発振周波数Fosc の温度特
性が改善されることになる。これが本発明の第1の理由
である。
【0010】一般に圧電体の誘電率εの正の温度特性を
有するので、端子間容量CF の温度特性も正傾向とな
る。端子間容量CF の温度特性が正傾向であるというこ
とは、容量C0 も正傾向になるので、数式7の√の中の
値は温度上昇に伴って大きくなる。つまり、端子間容量
F の温度特性によって発振周波数Fosc の温度特性が
正方向に補正される。この場合、発振周波数Fosc が共
振子の中心周波数(Fr+Fa)/2より高いか否か、
つまり端子間容量CF の大きさによって温度特性が大き
く異なる。発振周波数Fosc が中心周波数(Fr+F
a)/2より低いと、容量C0 による影響が小さいた
め、発振周波数Fosc の温度特性の補正効果は少ない。
そこで、本発明では発振周波数Fosc を中心周波数(F
r+Fa)/2より高くすることにより、温度特性を一
層効果的に改善している。これが本発明の第2の理由で
ある。なお、端子間容量CF を大きくすれば、それだけ
発振周波数Fosc の温度特性の改善効果が増すが、逆に
帯域ΔF内にリップルが発生し、異常発振が生じる恐れ
があるので、Fosc が(Fr+Fa)/2よりやや高目
の値となるようにCFを設定するのが望ましい。
【0011】
【実施例】材料として帯域ΔFの広いチタン酸ジルコン
酸鉛(PZT)を用い、図1と同様な形状で、かつ各部
の寸法が次表のような4種類の厚みすべり振動モードの
セラミック共振子を試作した。
【表1】
【0012】上記の4種類の試料A〜Dの共振周波数F
r,反共振周波数Fa,ΔF,中心周波数 (Fr+Fa)/2
の値を表2に示す。同時に、これら試料を図3のような
コルピッツ型発振回路に組み込み、その発振周波数Fos
c を測定した。単位はMHzである。なお、発振回路の
各部の値は次の通りである。 インバータ:CD4069UBE(商品名) CL1=CL2=15pF Rf =1MΩ VDD=5v
【0013】
【表2】 上表から分かるように、試料A,Cを用いた場合の発振
周波数Fosc は中心周波数よりやや低く、試料B,Dを
用いた場合の発振周波数Fosc は中心周波数よりやや高
い。
【0014】図4,図5は上記の発振周波数Fosc の温
度特性を示す。図4から明らかなように、幅寸法Wが小
さい試料Aに比べて幅寸法Wの大きい試料Bを用いた発
振回路の場合、発振周波数Fosc の温度特性が緩やかに
なっており、温度特性が改善されていることがわかる。
また、図5においても、幅寸法Wが小さい試料Cに比べ
てWの大きい試料Dの温度特性が緩やかになっており、
温度特性が改善されていることがわかる。図4,図5か
ら求めた試料A〜Dの常温における発振周波数Fosc の
温度特性の値は以下の通りである。なお、試料材料(P
ZT)の常温における共振周波数Frの温度特性は−3
40ppm/℃であり、反共振周波数Faの温度特性は
−200ppm/℃である。
【0015】
【表3】
【0016】表3から明らかなように、試料A〜Dの何
れのFosc の温度特性もFr,Faより改善されている
が、試料Aの場合にはFosc が(Fr+Fa)/2より
低いのに対し、対向電極面積を大きくした試料BではF
osc が(Fr+Fa)/2より高くなり、かつFosc の
温度特性を試料Aに比べて約40%改善できた。また、
試料C,Dも同様であり、試料Cの場合にはFosc が
(Fr+Fa)/2より低いのに対し、対向電極面積を
大きくした試料DではFosc が(Fr+Fa)/2より
高くなり、Fosc の温度特性を試料Cに比べて約40%
改善できた。
【0017】図6〜図9は各試料A〜Dのインピーダン
ス特性および位相特性を示し、いずれの試料においても
帯域内にリップルのない良好な特性が得られていること
が分かる。したがって、試料A,Cに比べて試料Bおよ
びDを用いた発振回路の方が望ましい温度特性を有す
る。
【0018】本発明者は上記試料以外に対向電極面積を
変化させたときのリップルの発生状況について実験した
ところ、次表のような結果となった。なお、良とはリッ
プルが殆ど発生しない場合、やや良とはリップルが若干
発生するが実用上問題のない場合、不良とはリップルが
大きく、実用に適しない場合をいう。なお、ここで用い
たセラミック共振子の長さL=10mm,電極の重なり
寸法ΔL=1.7mmである。
【表4】 本発明にかかるおよびの場合には、およびに比
べて若干のリップルが発生するが、これはセラミック共
振子単体での特性であり、セラミック共振子に端子を半
田付けしたり、外装樹脂で封止すれば、リップルを殆ど
無視できる程度まで抑制でき、良好な特性となる。
【0019】本発明において、発振回路に用いられる増
幅器としては、図3のようなC−MOSインバータに限
らず、トランジスタ、TTL等を用いることもできる。
また、端子間容量を調整する方法としては、実施例のよ
うに幅寸法Wを変更する方法のほか、対向電極の重なり
寸法ΔLを変更してもよい。幅寸法Wはマザー基板から
カッティングする際の幅を変更することにより、また重
なり寸法ΔLは電極印刷パターンによって容易に変更で
きる。さらに、共振周波数が負の温度特性を有し、かつ
反共振周波数が共振周波数より緩やかな負の温度特性を
有するセラミック材料としては、PZTの他に、チタン
酸鉛等も使用可能である。
【0020】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、常温における発振周波数Fosc がセラミック共
振子の中心周波数(Fr+Fa)/2より高周波側とな
るようにセラミック共振子の端子間容量を設定したの
で、発振周波数Fosc の温度特性を改善できる。しか
も、セラミック共振子として広帯域のものを使用してい
るので、発振回路を多用途に使用できるという特徴があ
る。また、発振回路の負荷容量を変更する必要がないの
で、3倍波のようなスプリアス発振が発生する恐れがな
く、また回路にコンデンサ等の別部品を追加する必要も
ないので、部品数が増加しない。さらに、厚みすべり振
動モードのセラミック共振子の場合、その端子間容量は
マザー基板から素子を切り出す際のカッティング幅また
はマザー基板への電極印刷パターンによって変更できる
ので、端子間容量を調整するのは極めて簡単である。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的な厚みすべり振動モードのセラミック共
振子の斜視図である。
【図2】セラミック共振子の等価回路図である。
【図3】コルピッツ型発振回路の回路図である。
【図4】試料A,Bを用いた発振回路の発振周波数の温
度特性図である。
【図5】試料C,Dを用いた発振回路の発振周波数の温
度特性図である。
【図6】試料Aのインピーダンス特性および位相特性図
である。
【図7】試料Bのインピーダンス特性および位相特性図
である。
【図8】試料Cのインピーダンス特性および位相特性図
である。
【図9】試料Dのインピーダンス特性および位相特性図
である。
【符号の説明】
1 セラミック共振子 2,3 インバータ Rf 並列抵抗 CL1,CL2 コンデンサ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】エネルギー閉じ込め型厚みすべり振動モー
    ドのセラミック共振子を用いたコルピッツ型発振回路に
    おいて、 上記セラミック共振子の共振周波数が負の温度特性を有
    するとともに、反共振周波数が共振周波数より緩やかな
    負の温度特性を有し、常温において次式を満たすように
    セラミック共振子の端子間容量を設定したことを特徴と
    する発振回路。 但し、 Fr:セラミック共振子の共振周波数 Fa:セラミック共振子の反共振周波数 Fosc :発振回路の発振周波数
JP4105857A 1992-03-30 1992-03-30 発振回路 Expired - Lifetime JP2743701B2 (ja)

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JPH05283968A JPH05283968A (ja) 1993-10-29
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