JP3825304B2

JP3825304B2 - 発振回路

Info

Publication number: JP3825304B2
Application number: JP2001346833A
Authority: JP
Inventors: 彰日迫
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2021-11-13
Also published as: JP2003152456A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トランジスタ増幅回路を用いた発振回路に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯電話などの移動体通信機は、より小型化され、さらに高い周波数精度を求められるようになってきている。
図５に一般的なトランジスタ増幅回路（発振段トランジスタ）を具備したコルピッツ型水晶発振回路を示す。図５の水晶発振回路は、発振段トランジスタＴｒ２、増幅段トランジスタＴｒ１、水晶Ｘｔａｌ、温度補償回路Ｚ、コンデンサーＣ１〜Ｃ３及び抵抗Ｒ１〜Ｒ５から構成されている。そして、水晶振動子Ｘｔａｌ及び温度補償回路Ｚで形成される発振信号は、発振段トランジスタＴｒ２及び増幅段トランジスタＴｒ１によって増幅され、出力端子Ｖｏｕｔから発振出力として出力される。
【０００３】
具体的な構成は、水晶振動子Ｘｔａｌの一端に、トランジスタＴｒ２のベースに接続され、また、水晶振動子Ｘｔａｌの他端に温度補償回路Ｚが接続されている。そして、発振信号は、水晶振動子のインダクタンス値、温度補償回路Ｚを構成する負荷容量成分によりによって決定され、その発振信号が発振段トランジスタＴｒ２のベースに供給される。尚、増幅段トランジスタＴｒ１は、発振段トランジスタＴｒ２の負荷に相当し、発振段トランジスタＴｒ２にカスケード接続され、周波数特性が改善される。即ち、発振段トランジスタＴｒ２はトランジスタ増幅回路として役割を成す。
【０００４】
発振段トランジスタＴｒ１は、高周波的にベース接地され、バイアス電流は、外部電源電圧端子ＶＣＣから、抵抗Ｒ１〜Ｒ３からなるバイアス回路を介してトランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２に供給される。
【０００５】
温度補償回路Ｚは、例えば図６のような回路が用いられる。図６において、抵抗Ｒｔｈ１１及び抵抗Ｒｔｈ１２はサーミスタ抵抗であり、サーミスタ抵抗Ｒｔｈ１１と抵抗Ｒ１１、コンデンサーＣ１１とで水晶振動子Ｘｔａｌの基準温度よりも低温側の温度補償を行い、サーミスタ抵抗Ｒｔｈ１２と抵抗Ｒ１２及びコンデンサーＣ１２、コンデンサーＣ１３により水晶振動子Ｘｔａｌの基準温度よりも高温側の補償を行う。これにより、コルピッツ型水晶発振回路の発振出力の周波数に関しては温度依存性を少なくすることができる。また、バリキャップダイオードＶＣ１及びコンデンサーＣＰ１と抵抗１３〜抵抗１５、コンデンサーＣ１４〜コンデンサーＣ１６を含む回路は水晶発振器の初期変化を抑えこみ、発振周波数の微調整を行うための回路である。
【０００６】
発振段トランジスタＴｒ２のベース−グランド電位間には配置したコンデンサーＣ２及びコンデンサーＣ３は、周波数決定用コンデンサーであり、コンデンサーＣ１は、トランジスタＴｒ１を交流的に、ベース接地とするためのコンデンサーである。抵抗Ｒ１〜Ｒ３、は、バイアス設定用抵抗であり、この抵抗により、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２に供給されるバイアス電流が決定される。ところで、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２は、その値が小さいと、例えば、図６におけるトランジスタのベース電圧が高くなり、トランジスタＴｒ１の出力ダイナミックレンジがとれなくなる。また、図６における回路においてａ点の電位が高くなり、水晶振動子Ｘｔａｌの励振電流が大きくなると、励振電流の変動に対して水晶振動子Ｘｔａｌの共振特性も変動する。その結果、電源変動により発振周波数が変動することになる。このことから、抵抗Ｒ１〜抵抗Ｒ３に対して大きな値（例えば、数十から数百ＫΩの抵抗値）が用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、トランジスタのベース−エミッタ間の拡散容量は、エミッタに流れる電流に比例する。つまり、エミッタに大きな電流が流れると、ベース−エミッタ間拡散容量が大きくなり、逆に、エミッタに小さな電流が流れると、ベース−エミッタ間拡散容量は小さくなる。従って、トランジスタに流れる電流の変動により、ベース−エミッタ間拡散容量が変動し、トランジスタの発振回路の発振周波数は変化する。
【０００８】
トランジスタに流れる電流は、動作点により決まるので、水晶発振回路の発振周波数は、発振トランジスタの動作点に依存する。
【０００９】
また、周囲温度が下がり電流増幅率ｈFEが小さくなると、エミッタに流れる電流値が下がり、発振出力が下がる。また、ベース−エミッタ間拡散容量が小さくなり、発振周波数が高くなる。つまり、周囲温度が下がり電流増幅率ｈFEが小さくなると、エミッタに流れる電流値は下がり動作点が変動して、発振出力が下がりと発振周波数が上がることとなる。
【００１０】
これとは逆に、周囲温度が上がり電流増幅率ｈFEが大きくなると、エミッタに流れる電流値は上がり、発振出力は上がり発振周波数が下がる。即ち、周囲温度により、発振周波数が変動することになり、仮に水晶振動子Ｘｔａｌの他端に、水晶振動子Ｘｔａｌの固有の周波数特性を補償する温度補償回路Ｚを接続しても、その結果、意味をなさなくなってしまう。
【００１１】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、トランジスタ回路のトランジスタの電流増幅率ｈＦＥが周囲温度で変動しても、発振出力の振幅、消費電力及び発振周波数を変動しない発振回路を提供することになる。
【００１２】
上記課題を解決するための本発明の発振回路は、交流的にベース接地されるとともに、コレクタが外部電源電圧端子に接続される増幅段トランジスタと、前記増幅段トランジスタにカスケード接続される発振段トランジスタと、前記増幅段トランジスタ及び前記発振段トランジスタに外部電源電圧を供給するバイアス回路と、前記発振段トランジスタのベースに接続される水晶振動子と、前記水晶振動子の温度特性を補償する温度補償回路と、を有する発振回路において、前記バイアス回路が、前記増幅段トランジスタのベースと前記外部電源電圧端子との間に配される第１抵抗と、前記増幅段トランジスタのベースと前記発振段トランジスタのベースとの間に配される第２抵抗と、前記発振段トランジスタのベースとグランド電位と間に配される第３抵抗とを含んで構成されているとともに、前記第３抵抗とグランド電位との間に、周囲温度の上昇に対して抵抗値が減少するサーミスタ抵抗と第４抵抗とを並列接続して成るサーミスタ抵抗回路を配したことを特徴とするものである。
【００１３】
また本発明の発振回路は、交流的にベース接地されるとともに、コレクタが外部電源電圧端子に接続される増幅段トランジスタと、前記増幅段トランジスタにカスケード接続される発振段トランジスタと、前記増幅段トランジスタ及び前記発振段トランジスタに外部電源電圧を供給するバイアス回路と、前記発振段トランジスタのベースに接続される水晶振動子と、前記水晶振動子の温度特性を補償する温度補償回路と、を有する発振回路において、前記バイアス回路が、前記増幅段トランジスタのベースと前記外部電源電圧端子との間に配される第１抵抗と、前記増幅段トランジスタのベースと前記発振段トランジスタのベースとの間に配される第２抵抗と、前記発振段トランジスタのベースとグランド電位と間に配される第３抵抗とを含んで構成されているとともに、前記外部電源電圧端子と第１抵抗との間に、周囲温度の上昇に対して抵抗値が増加するサーミスタ抵抗と第４抵抗とを並列接続して成るサーミスタ抵抗回路を配したことを特徴とするものである。
【００１６】
従って、周囲の温度によるトランジスタ特性を補うように、バイアス電流がトランジスタに供給されることになり、その結果、周囲温度によって、出力レベルが変動したり、発振周波数が変動することがなくなる。
【００１７】
特に、水晶振動子を温度補償回路等によって、水晶振動子の固有の周波数特性を補償した発振回路において、水晶振動子の後段回路で、温度による特性の変動を有効に防止できる。
具体的には、図１の発振回路においてａ点の電圧Ｖａは、
Ｖａ＝Ｖｃｃ−Ｒ１×（Ｉ＋Ｉｂ１＋Ｉｂ２）−Ｒ２×（Ｉ＋Ｉｂ２）
＝Ｉ×（Ｒ３＋Ｒｔｈ）
但し、Ｉ＝Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒｔｈ）
で表せられる。
【００１８】
上式において、サーミスタ抵抗Ｒｔｈを採用していない従来の回路では、電圧Ｖａは変動しない。このことから、周囲温度が下がりトランジスタの電流増幅率ｈFEが小さくなると、トランジスタＴｒ１のエミッタ電流及びトランジスタＴｒ２のエミッタ電流が小さくなる。その結果、ベース電位Ｖａ（点Ａの電圧）とエミッタ電位Ｖｅ（点ｅの電圧）の差Ｖｂｅが下がり、動作点が変動し、発振出力と発振周波数が一定化できない。
【００１９】
これに対して、サーミスタ抵抗Ｒｔｈをバイアス回路Ｖに配置した本発明の回路では、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との抵抗値と、抵抗Ｒ３とサーミスタ抵抗Ｒｔｈとの抵抗値との比を制御すれば電位Ｖａを変化させ、ベース電位Ｖａとエミッタ電位Ｖｅの差Ｖｂｅの変動を防ぐことができる。本発明はサーミスタ抵抗Ｒｔｈをバイアス回路Ｖに配置することによって、電流増幅率ｈFEが変動すると、トランジスタＴｒ１のバイアスである上式における電圧Ｖａを変化させ、ベース電位Ｖａとエミッタ電位Ｖｅの差Ｖｂｅを温度で変化させ動作点を一定にすることができる。その結果、本発明によればトランジスタの電流増幅率ｈＦＥが、周囲温度で変化しても、トランジスタの動作点が変動しない。また、発振回路に用いた場合、発振周波数及び発振出力が変動しない発振回路を得ることができる。また、水晶発振子と温度補償回路を用いた発振回路はより周波数安定度が向上する。
【００２０】
また、このトランジスタ増幅回路を発振回路に用いれば、トランジスタの電流増幅率が変動しても、トランジスタの動作点を変動するがなく、安定した発振周波数の発振回路となる。
【００２１】
また、同様に、周囲温度の上昇によりトランジスタに流れるベース電流を減少させるバアイス回路の構成としては、トランジスタのベースと外部電源電圧の端子との間に、周囲温度の上昇に伴い抵抗値が大きくなるサーミスタ抵抗Ｒｔｈを配置してもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の発振回路を図面に基づいて説明する。尚、図には、トランジスタ増幅回路含む発振回路で説明する。
【００２３】
図１は、本実施例の参考となるコルピッツ型水晶発振回路を示す。図１の水晶発振回路の構成は、増幅段トランジスタＴｒ１、発振段トランジスタＴｒ２（いずれか増幅機能を有する）、水晶Ｘｔａｌ、温度補償回路Ｚ、コンデンサーＣ１〜Ｃ３及び抵抗Ｒ１〜Ｒ５、サーミスタ抵抗Ｒｔｈである。トランジスタＴｒ１は、外部電源端子Ｖｃｃに接続するとともに、出力端子Ｖｏｕｔから発振出力が出力される。
【００２４】
トランジスタＴｒ２は、発振段トランジスタで、水晶Ｘｔａｌのインダクタンス値、コンデンサーＣ２及びＣ３の容量値で主として発振周波数が決定される。トランジスタＴｒ１は、トランジスタＴｒ１の負荷で、トランジスタＴｒ２にカスケード接続され、周波数特性が改善される。温度補償回路Ｚは、図６の回路を用いた。図６の回路において、抵抗Ｒｔｈ１１及び抵抗Ｒｔｈ１２は、サーミスタ抵抗である。抵抗Ｒｔｈ１１と抵抗Ｒ１１、コンデンサーＣ１１とで水晶振動子の低温側の補償を行い、抵抗Ｒｔｈ１２と抵抗Ｒ１２及びコンデンサーＣ１２、コンデンサーＣ１３により水晶振動子の高温側の補償を行う。これにより、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２における周囲温度の特性変動がないかぎり、コルピッツ型水晶発振回路の発振周波数の温度依存性を少なくすることができる。また、可変容量ダイオードＶＣ１及びコンデンサーＣＰ１と抵抗１３〜抵抗１５、コンデンサーＣ１４〜コンデンサーＣ１６を含む回路は水晶発振器の初期変化を抑えこみ、発振周波数の微調整を行うための回路である。
【００２５】
コンデンサーＣ２及びコンデンサーＣ３は、周波数決定用コンデンサーであり、コンデンサーＣ１は、トランジスタＴｒ１を交流的にベース接地とするためのコンデンサーである。抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３は、バイアス設定用抵抗である。特に、外部電源端子Ｖｃｃ、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３、グランド電位までのラインで、バイアス回路Ｖを構成する。このバアイス回路は、夫々トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２にかかる電圧を決定するとともに、ベース電流を決定するものである。
【００２６】
このような発振回路では、実際の使用において、従来の発振回路では、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２で周囲の温度によって、増幅動作点が変化して、その結果、発振出力レベルが変動し、しかも、発振周波数が変動してしまうが、本発明のトランジスタ増幅回路及びそれを含む発振回路では、サーミスタ抵抗Ｒｔｈがバイアス抵抗Ｒ３に直列に接続されている（図１参照）。このとき周囲温度が下がれば、トランジスタの電流増幅率ｈＦＥが低下するので、トランジスタ回路の利得を増すためにはａ点の電圧Ｖａを上げてやらなければならない。また、周囲温度が上昇したときは逆にａ点の電圧Ｖａを下げてやらなければならない。このような特性を実現するためには、上述のサーミスタ抵抗Ｒｔｈに温度が下がるとその抵抗値が上がり、温度が上がるとその抵抗値が下がる特性のものを用いている。具体的には、上述のサーミスタ抵抗Ｒｔｈとしては、ＮＴＣ特性の例えば松下電器製EＲＴＪＯＥシリーズや村田製作所製NTH4Gシリーズなどのサーミスタ抵抗が例示できる。これにより、周囲温度が上昇したとき、バアイス回路の抵抗成分が低下して、バイアス電流が増加して、ａ点の電圧Ｖａが実質的に下がることになる。また、周囲の温度が低下すると逆にａ点の電圧Ｖａが実質的に上がることになる。
【００２７】
これにより、サーミスタ抵抗Ｒｔｈがない場合に比較して、周囲温度の変化に対するトランジスタＴｒ１、２の特性変動の依存性がすくなくなり、安定した発振出力が得られることになる。
【００２８】
図２〜図３は、本発明の実施例を示す発振回路である。
【００２９】
図２では、サーミスタ抵抗Ｒｔｈが、バイアス抵抗Ｒ１〜Ｒ３に直列的に接続されており、周囲温度に対する抵抗変化が大きく、サーミスタ抵抗Ｒｔｈだけではａ点の電圧Ｖａが変化しすぎてしまうことがある。
【００３０】
このため、第２の実施例である図２においては、バイアス抵抗３とグランド電位との間に、抵抗Ｒ６とサーミスタ抵抗Ｒｔｈを並列に接続したサーミスタ抵抗回路を接続している。これにより、周囲温度の変化に対するａ点の電圧Ｖａの変化率を緩和することができるため、サーミスタ抵抗回路の回路定数の設定が非常に容易になる。尚、抵抗Ｒ３の設定においては、当然、図１の回路構成時と、図２の回路構成時では、異なる抵抗値となる。
【００３１】
また、図２は、バイアス抵抗３とグランド電位との間に配置されているが、図３では、バイアス抵抗Ｒ1と外部電源端子Ｖｃｃとの間に、サーミスタ抵抗Ｒｔｈと抵抗Ｒ６との並列回路（サーミスタ回路）を設けた例である。このときは、第２の実施例に用いたものとは逆の特性である温度が下がるとその抵抗値が下がり、温度が上がるとその抵抗値が上がる特性のサーミスタ抵抗Ｒｔｈを用いればよい。具体的には、PTC特性の松下電器製EＲＴRシリーズや村田製作所製ＰＲＦ１８シリーズなどのサーミスタ抵抗が例示できる。
即ち、周囲の温度が上昇により、サーミスタ抵抗Ｒｔｈの抵抗値が上昇して、外部電源電圧端子ＶｃｃからトランジスタＴｒ1、トランジスタＴｒ２に流れるベース電流が減少することになり、図1と同様、周囲温度の変化に対するトランジスタＴｒ１、２の特性変動の依存性がすくなくなり、安定した発振出力が得られることになる。
図４（ａ）〜図４（ｄ）は、水晶発振回路における出力振幅と消費電流の温度特性の一例である。図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の発振回路で温度補償型水晶発振器を構成したときの出力振幅と消費電流の温度特性である。出力振幅と消費電流ともに温度に対する変動が抑えられているのが解る。これに対し、図４（ｃ）及び（ｄ）は、従来の発振回路で温度補償型水晶発振器を構成したときの出力振幅と消費電流の温度特性である。即ち、周囲温度の上昇によって、出力振幅のレベルが減少し、しかも消費電流が増加してしまう。
【００３２】
以上のように、本発明のトランジスタ増幅回路を用いた発振回路では、周囲温度で、トランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ２の電流増幅率ｈＦＥが変動しても、これに応じて、トランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ２のベース電流を減少させることができるため、発振トランジスタＴｒ２の動作点がより変動しない増幅回路を得ることができる。
【００３３】
また、この回路を発振回路、特に、固有の温度特性を有する水晶振動子Ｘｔａｌを用い、さらに、この固有の温度特性を補償する温度補償回路を具備した発振回路では、温度補償回路にて発振周波数の温度依存性をなくした発振信号を、増幅するにあたり、温度依存性をキャンセルすることができるため、結果として、非常に発振周波数の温度依存性が解消された発振回路となる。
なお、上記実施の形態では、トランジスタとして、ＮＰＮ型のトランジスタを用いて説明したが、ＰＮＰ型のトランジスタでも良いことは自明である。
【００３４】
以上のように、本発明では、ベースのバイアス抵抗として、サーミスタ抵抗を用いることにより、トランジスタ増幅回路において、トランジスタのベース電流を周囲温度によって制御でき、トランジスタの電流増幅率が周囲温度で変動しても、トランジスタの動作点の変動を少なくし、電流増幅率の変動による出力振幅及び消費電力の変動を少なくすることができる。
【００３５】
また、このようなトランジスタ増幅回路を発振回路に用いると、トランジスタの電流増幅率が変動しても、トランジスタの発振周波数及び発振出力の変動を少なくすることができる。しかも、水晶振動子の固有の温度特性を補償した温度補償型水晶発振回路においては、温度補償を行なった発振信号が増幅回路で変動することがないため、非常に有効な発振回路となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トランジスタ増幅回路を含む発振回路の参考回路図である。
【図２】本発明の発振回路の回路図である。
【図３】本発明の発振回路の回路図である。
【図４】周囲温度の変化に対する出力レベル、消費電流の変化を示す特性図であり、（ａ）は本発明における出力レベルの特性図であり、（ｂ）は本発明における消費電流の特性図であり、（ｃ）は従来の回路における出力レベルの特性図であり、（ｄ）は従来回路における消費電流の特性図である。
【図５】従来のトランジスタ増幅回路を含む発振回路の別の回路図である。
【図６】温度補償回路の一例を示す回路図である。

Claims

交流的にベース接地されるとともに、コレクタが外部電源電圧端子に接続される増幅段トランジスタと、前記増幅段トランジスタにカスケード接続される発振段トランジスタと、前記増幅段トランジスタ及び前記発振段トランジスタに外部電源電圧を供給するバイアス回路と、前記発振段トランジスタのベースに接続される水晶振動子と、前記水晶振動子の温度特性を補償する温度補償回路と、を有する発振回路において、
前記バイアス回路が、前記増幅段トランジスタのベースと前記外部電源電圧端子との間に配される第１抵抗と、前記増幅段トランジスタのベースと前記発振段トランジスタのベースとの間に配される第２抵抗と、前記発振段トランジスタのベースとグランド電位と間に配される第３抵抗とを含んで構成されているとともに、前記第３抵抗とグランド電位との間に、周囲温度の上昇に対して抵抗値が減少するサーミスタ抵抗と第４抵抗とを並列接続して成るサーミスタ抵抗回路を配したことを特徴とする発振回路。
交流的にベース接地されるとともに、コレクタが外部電源電圧端子に接続される増幅段トランジスタと、前記増幅段トランジスタにカスケード接続される発振段トランジスタと、前記増幅段トランジスタ及び前記発振段トランジスタに外部電源電圧を供給するバイアス回路と、前記発振段トランジスタのベースに接続される水晶振動子と、前記水晶振動子の温度特性を補償する温度補償回路と、を有する発振回路において、
前記バイアス回路が、前記増幅段トランジスタのベースと前記外部電源電圧端子との間に配される第１抵抗と、前記増幅段トランジスタのベースと前記発振段トランジスタのベースとの間に配される第２抵抗と、前記発振段トランジスタのベースとグランド電位と間に配される第３抵抗とを含んで構成されているとともに、前記外部電源電圧端子と第１抵抗との間に、周囲温度の上昇に対して抵抗値が増加するサーミスタ抵抗と第４抵抗とを並列接続して成るサーミスタ抵抗回路を配したことを特徴とする発振回路。