JP3849014B2 - 高周波発振回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波発振回路に関し、特に、重さセンサー、化学センサー、バイオセンサー、粘度センサー、膜厚計等、主として気体状物質の測定に用いられている各種測定器の測定感度を高めるために有用な高周波発振回路に関する。
【0002】
本発明において、電源用の「主端子」及び「副端子」とは、それぞれ、電源の主となる端子及び従(副)となる端子のことであり、例えば、NPNトランジスタを用いる回路においては「正側端子」及び「負側端子」のことであり、PNPトランジスタを用いる回路においては「負側端子」及び「正側端子」のことである。
【0003】
また、本願発明において、「アース接地」とは、電源用副端子に接続されることをいい、実際のアースに接続されることに限定されるものではない。それゆえに、「アース電位」とは、電源用副端子の電位のことであり、実際のアース電位を必ずしも意味しない。
【0004】
【従来の技術】
近年、水晶振動子を、重さセンサー、化学センサー、バイオセンサー、粘度センサー、膜厚計等として用いる各種測定器が多数開発されているが、検出物質の多様化、検出物質の精密な定量化等の要請に対応して、高精度で高感度測定機器の開発が急務とされつつある。
【0005】
ところで、周知のように、水晶振動子に用いる水晶のウエハは、その両面に薄膜電極を取り付け、電圧を加えると歪みを生じ(圧電効果)、電圧を除くと元に戻るという性質を有する。この性質の結果、水晶振動子は厚さで決まる固有の周波数で発振する。
【0006】
このため、水晶のウエハは、これに物質が吸着すると、厚さが変わり、発振周波数が変化する。この発振周波数変化Δfは、厚さの変化と比例関係にあるが、厚さの変化を質量変化Δmに置き換えると、サーブレの式と呼ばれる次式が導かれる。
【0007】
【数1】
【0008】
ここで、f0は基本周波数、ρqとμqは水晶の密度と弾性率で、Aは圧電応答している部分の面積である。
【0009】
この式から、感度Δfは基本周波数f0の2乗に比例するから、f0の大きな水晶振動子の使用が望ましいことが判る。しかし、あまりf0が大きくなると、薄くなり、壊れやすいので、通常の雰囲気下では5〜10MHzの水晶振動子が一般的用いられており、また溶液中の場合においても最大周波数が30MHzの水晶振動子が使用されているにすぎず、汎用水晶振動子の検出限界を超える質量の測定には至っていない(「最新の分離・精製・検出法」p441、エヌ・ティー・エス出版、1997年5月26日発行)。
【0010】
一方、このような状況に対して、水晶振動子を重さ等のセンサーとしてではなく、発振回路の周波数制御を用途とする高周波発振回路も種々提案されている。
【0011】
しかし、これらの発振回路は、トランジスタ、カップリングトランス、インダクタンス等多数の部品を使用する、複雑で、調整困難なアナログ回路が多く、各種センサーの計測器として使用するには相応せず、高価であった。
【0012】
また、低周波発振回路として、その一部に論理素子を用いたものも知られている(特開平3−165236号、特公平5−37563号)。しかし、この発振回路は、振動子として低周波数のものしか使用していないため、高感度化の要請に対応することができず、また安定な高周波数の発振回路とすることが困難であった。
【0013】
高周波数の発振回路も知られているが(特開2001−221732)、その発振回路には安定度に若干難があった。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、主として気体状物質及び液体状物質のセンサーとしての水晶振動子の固有振動子が高くなっても、さらには溶液に浸されてインピーダンスが大きくなったときでも、それらに容易に対応して安定な高周波発振を長期間持続することができ、しかも製作が簡便で安価な高周波発振回路を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するため、鋭意検討した結果、簡単に手に入れることができる、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ、インダクタンスを用いて、トランジスタの動作時間、インダクタンスとコンデンサの共振周波数、コンデンサと抵抗の時定数、トランジスタの電流制御等により、水晶振動子が気体及び溶液中でも安定な高周波発振の持続が可能な発振回路が得られることを知見し、本発明を完成するに至った。
【0016】
本発明によれば、トランジスタを用いて簡単なアナログ回路を作り、その中に高周波数の水晶振動子を組み込んだことを特徴とする高周波発振回路が提供される。
【0017】
本発明に係る高周波発振回路は、高周波数の固有振動数を有する水晶振動子と、電源用の主端子及び副端子に接続されかつ前記水晶振動子を介して前記電源用副端子に接続されたベース接地型増幅回路と、該増幅回路の出力の少なくとも一部を前記増幅回路に正帰還させる帰還回路とを含む。
【0018】
本発明では、トランジスタを用いて簡単なアナログ回路を作製するが、トランジスタとしては従来公知のもので、簡単に入手できるものを利用すればよいが、高周波に対応するために高速のトランジスタを使用する。
【0019】
また、高周波数の水晶振動子としては、例えば30〜500MHz好ましくは150MHz以上の周波数を有する水晶振動子が用いられる。
【0020】
本発明におけるアナログ回路は、トランジスタ、インダクタンス、コンデンサ、抵抗、及び高周波の固有振動数を有する水晶振動子を用い、トランジスタの動作時間、インダクタンスとコンデンサの共振周波数、コンデンサと抵抗の時定数を調製することにより作製することができる。
【0021】
具体的なアナログ回路としては、安定な高発振周波数の持続発振性等からみて、その回路に組み込んだ水晶振動子の高周波の固有振動数にみあう共振周波数の得られる、インダクタンス、コンデンサ及び高速のトランジスタを選定するような態様とすることが望ましい。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
【0023】
図1は、発振回路を作る場合の考え方を示すブロック図である。図1に示すように、発振回路は、一般に、増幅回路10の外側に帰還回路12を付加することによって構成される。
【0024】
ここで、増幅回路10の利得をα、帰還回路12の利得をβとする。このとき、一巡する利得α×βが1より大きい場合、発振回路は発振を続ける。
【0025】
【実施例】
実施例1
図2は、286MHzの固有振動数を有する水晶振動子QCMを用いたアナログ発振回路の一実施例を示す。図3は、同発振回路の出力をオシロスコープで測定した発振波形を示す。
【0026】
図2において、発振回路は、抵抗器R1〜R6と、コンデンサC1〜C3と、可変コンデンサVCと、インダクタンスL1〜L2と、NPN型の高周波トランジスタT1〜T2と、286MHzの固有振動数を有する水晶振動子QCMとを含む。
【0027】
高周波トランジスタT1及びT2は、増幅回路の主要部を構成している。トランジスタT1は、そのベースが電源用の副端子(図示の例では、アース側端子)Eに接続された水晶振動子QCMにコンデンサC1を介して接続されて接地され、そのコレクタがインダクタンスL1及び可変コンデンサVCを並列にした並列共振回路を介して電源用主端子(図示の例では、正側端子)DCに接続され、それによりベース接地型増幅器を構成している。
【0028】
このベース接地型増幅器は、水晶振動子QCMの直列共振周波数(固有振動数)付近で利得が高くなる。一般に、水晶振動子QCMは、基本周波数をはじめ何次元もの共振周波数を有している。そのため、インダクタンスL1及び可変コンデンサVCにより定まる共振周波数が希望の周波数に選択され、ベース接地型増幅器の利得が最も大きくされる。
【0029】
高周波トランジスタT1のコレクタの出力は、抵抗R2及びコンデンサC2の直列回路を介して、出力増幅器として作用する高周波トランジスタT2のベースに入力される。これにより、トランジスタT2のコレクタの出力からコンデンサC3により直流分を取り、負荷抵抗器R6により出力端子OUTに出力を取り出すことができる。
【0030】
高周波トランジスタT2のコレクタは、インダクタンスL2を経由して電源用主端子DCに接続されて、直流分を与えられる。高周波トランジスタT2のベースは、抵抗器R1を介して高周波トランジスタT1のベースに接続されていると共に、抵抗器R3を介して電源用主端子DCに接続されており、さらに抵抗器R4を介して電源用副端子Eに接続されている。高周波トランジスタT2のエミッタは、抵抗器R5を介して電源用主端子DCに接続されている。
【0031】
以上が図1に関連して説明した「増幅回路」の部分であり、両高周波トランジスタT1とT2による総合利得が図1に関連して述べた「増幅回路」の利得αである。
【0032】
図1に関して説明したように安定に発振を続けるために、図1における「帰還回路」が設けられる。そのため、高周波トランジスタT2のエミッタに得られる出力の一部が高周波トランジスタT1のエミッタに正帰還される。帰還量βの調整は、抵抗器R5の値を調整することにより行うことができる。抵抗器R1、R3、R4は、高周波トランジスタT1,T2を最適な動作点に至らしめるためのバイアスを定めるものである。
【0033】
以上説明してきたことにより、可変コンデンサVCでインダクタンスL1との共振周波数を水晶振動子QCMの共振周波数286MHzに調整し、それにより安定的に286MHzの高周波発振を持続させることができる。
【0034】
共振周波数を調整するには、インダクタンスL1及び可変コンデンサVCのいずれを変化させてもよいが、一般的には可変コンデンサVCでコンデンサの容量を変えたほうが便利である。
【0035】
上記のように、高周波トランジスタのベースを水晶振動子QCMにより接地したベース接地型増幅回路を設けることは、水晶振動子QCMをセンサーとして使用する場合等に、固有振動数の変化を発振回路の発振周波数の変化として忠実に検出することができる、という効果を生じる。
【0036】
また、図3に見られるように、発振回路から取り出される波形は、ほぼ正弦波を示し、通常の周波数カウンタで十分測定可能である。しかし、出力値が小さいならば、必要に応じてさらに増幅器を設けてもよい。
【0037】
実施例2
図4は、155MHzの固有振動数を有する水晶振動子QCMを用いた、アナログ発振回路の一実施例を示す。図5は、同発振回路のオシロスコープで測定した発振波形を示す。
【0038】
図4に示す発振回路は、抵抗器R1〜R11と、可変抵抗器VRと、コンデンサC1〜C4と、可変コンデンサVC1,VC2と、インダクタンスL1,L2と、NPN型の高周波トランジスタT1,T2,T3とを含む。
【0039】
高周波トランジスタT1及びT2は、増幅回路の主要部を構成している。高周波トランジスタT1は、そのベースをコンデンサC1を介して水晶振動子QCMにより電源用の副端子(図示の例では、正側端子)Eに接続して接地し、そのコレクタを、インダクタンスL1、可変コンデンサVC1及び抵抗器R3を並列にした並列共振回路を介して、電源用の主端子(図示の例では、正側端子)DCに接続したベース接地型増幅器を構成している。
【0040】
このベース接地型増幅器も、水晶振動子QCMの直列共振周波数(固有振動数)付近で利得が高くなる。また、水晶振動子QCMは、基本周波数をはじめ何次元もの共振周波数を持っている。そのため、インダクタンスL1、可変コンデンサVC1により定まる共振周波数が希望の周波数に選択され、このベース接地型増幅器の利得が最も大きくされる。
【0041】
高周波トランジスタT1のコレクタの出力は、コンデンサC3及び抵抗R5の直列回路を介して、出力増幅器として作用する高周波トランジスタT2のベースに入力される。これにより、高周波トランジスタT2のコレクタからコンデンサC4により直流分をとり、負荷抵抗R11により出力端子OUTに出力を取り出すことができる。高周波トランジスタT2のコレクタは、インダクタンスL2を経由して電源用主端子DCに接続されて、直流分を与えられている。
【0042】
以上が図1に関連して説明した「増幅回路」の部分であり、高周波トランジスタT1及びT2による総合利得がαである。
【0043】
図1に関して説明したように安定に発振を続けるために、図1における「帰還回路」を設けられる。そのために、高周波トランジスタT2のエミッタに得られる出力の一部が高周波トランジスタT1のエミッタに正帰還される。帰還量βの調整は、可変抵抗器VRにより高周波トランジスタT3を流す電流で行う。
【0044】
図4の発振回路においては、さらに、帰還時の位相調整のために可変コデンサVC2が備えられている。
【0045】
これにより、図4に示す発振回路は、水晶振動子QCMが溶液に浸した場合等で増幅利得αが低下したときでも、十分な帰還量(β)が取れるため安定な発振を続けることができる。抵抗器R1、R4,R6、R8は、高周波トランジスタT1,T2を最適な動作点に持ってゆくためのバイアスを定めるものである。
【0046】
以上説明してきたことにより、可変コンデンサVC1でL1との共振周波数を水晶振動子QCMの共振周波数155MHzに調整し、それにより155MHzの高周波発振を水晶振動子QCMが溶液に浸した場合でも安定的に持続させることができる。
【0047】
図4の発振回路においても、共振周波数を調整するには、L1とVC1どちらを変化させてもよいが、一般的には可変コンデンサVC1でコンデンサの容量を変えたほうが便利である。
【0048】
上記のように、ベースを水晶振動子QCMにより接地したベース接地の増幅回路を設けることは、水晶振動子QCMをセンサーとして使用する場合等には、固有振動数の変化を回路の発振周波数の変化として忠実に検出することができることが特徴である。
【0049】
また、図5にみられるように、発振回路から取り出される波形は、ほぼ正弦波を示し、通常の周波数カウンタで十分測定可能である。しかし、出力値が小さいならば、必要に応じてさらに増幅器を設けてもよい。
【0050】
上記実施例は、高周波トランジスタT1,T2として、NPN型トランジスタを用いているが、PNP型トランジスタを用いてもよい。
【0051】
【発明の効果】
本発明の高周波数トランジスタを使った高周波発振回路は、安価な部品を使い、比較的簡単な回路でありながら、高い固有振動数を持った水晶振動子により高安定な発振を続ける。
【0052】
従って、本発明の高周波発振回路によれば、センサーとしての水晶振動子の固有振動数の微妙な変化を、気体中でも溶液中でも水晶振動子のインピーダンスが高くなっても、精度良く計測することが可能となる。
【0053】
そのような高感度発振回路を用いれば、超高感度の重さセンサーや粘度センサー等の測定に好適な精密高感度測定器具を簡単に作製することができる。
【0054】
本発明は、上記実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない限り、種々変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】発振回路の考え方を示すブロック図。
【図2】高周波トランジスタ、286MHzの水晶振動子を用いて、DC5V電源で駆動する高周波発振回路図。
【図3】図2に示す高周波発振回路の発振波形図。
【図4】 高周波トランジスタ、155MHzの水晶振動子を用いて、DC5V電源で駆動する高周波発振回路図。
【図5】図4に示す高周波発振回路の発振波形図。
【符号の説明】
T1.T2 高周波トランス
QCM 水晶振動子
R 抵抗器
L インダクタンス
C コンデンサ
VC 可変コンデンサ
DC 電源用の主端子
E 電源用の副端子
OUT 出力端子
Claims (4)
- 高周波数の固有振動数を有する水晶振動子(QCM)と、電源用の主端子及び副端子に接続されかつ前記水晶振動子を介して前記電源用副端子に接続されたベース接地型の増幅回路と、該増幅回路の出力の少なくとも一部を前記増幅回路に正帰還させる帰還回路とを含む、高周波発振回路であって、
前記増幅回路は、発振周波数を前記水晶振動子の固有振動数に合わせるように、共振周波数が調整可能の共振回路(L1,VC)を備え、
前記増幅回路は、第1及び第2の高周波トランジスタ(T1,T2)を備え、
前記共振回路は、第1のインダクタンス(L1)と第1のコンデンサ(VC)とを含み、共振周波数が調整可能な並列共振回路に構成されており、
前記第1の高周波トランジスタ(T1)は、ベースが第2のコンデンサ(C1)を介して前記水晶振動子に接続され、かつコレクタが、第1の抵抗器(R2)及び第3のコンデンサ(C2)の直列回路を介して前記第2の高周波トランジスタ(T2)のベースに接続されていると共に、前記並列共振回路を介して前記電源用主端子に接続されて、ベース接地型増幅器を構成しており、
前記第2の高周波トランジスタ(T2)は、そのコレクタが、第4のコンデンサ(C3)を介して出力端子に接続されていると共に、第2のインダクタンス(L2)を介して前記電源用主端子に接続されて、出力増幅器を構成しており、
前記帰還回路は、前記第1及び第2の高周波トランジスタのエミッタ同士を接続していると共に、両エミッタを第2の抵抗器(R5)を介して前記電源用副端子に接続している、高周波発振回路。 - 高周波数の固有振動数を有する水晶振動子(QCM)と、電源用の主端子及び副端子に接続されかつ前記水晶振動子を介して前記電源用副端子に接続されたベース接地型の増幅回路と、該増幅回路の出力の少なくとも一部を前記増幅回路に正帰還させる帰還回路とを含む、高周波発振回路であって、
前記増幅回路は、発振周波数を前記水晶振動子の固有振動数に合わせるように、共振周波数を調整可能の共振回路を備え、前記帰還回路は正帰還量が調整可能であり、
前記増幅回路は、第1及び第2の高周波トランジスタ(T1,T2)を備え、
前記共振回路は、第1のインダクタンス(L1)と第1のコンデンサ(VC1)と第1の抵抗器(R3)とを含む、共振周波数が調整可能な並列共振回路に構成されており、
前記第1の高周波トランジスタ(T1)は、ベースが第2のコンデンサ(C1)を介して前記水晶振動子に接続され、かつコレクタが、第3のコンデンサ(C3)及び第2の抵抗器(R5)の直列回路を介して前記第2の高周波トランジスタ(T2)のベースに接続されていると共に、前記並列共振回路を介して前記電源用主端子に接続されて、ベース接地型増幅器を構成しており、
前記第2の高周波トランジスタ(T2)は、コレクタが、第4のコンデンサ(C4)を介して出力端子に接続されていると共に、第2のインダクタンス(L2)を介して前記電源用主端子に接続されて、出力増幅器を構成しており、
前記帰還回路は、前記第1及び第2の高周波トランジスタのエミッタを、相互に接続していると共に、第3の高周波トランジスタ(T3)のコレクタに接続して、第3の高周波トランジスタ(T3)のエミッタに接続された抵抗(R10)及びコンデンサ(VC2)の並列回路により当該帰還回路の利得及び位相を調整することが可能とされている、高周波発振回路。 - 高周波数の固有振動数を有する水晶振動子(QCM)と、電源用の主端子及び副端子に接続されかつ前記水晶振動子を介して前記電源用副端子に接続されたベース接地型の増幅回路と、該増幅回路の出力の少なくとも一部を前記増幅回路に正帰還させる帰還回路とを含む、高周波発振回路であって、
前記増幅回路は、第1及び第2の高周波トランジスタ(T1,T2)と、当該発振回路の発振周波数を前記水晶振動子の固有振動数に合わせるべく共振周波数が調整可能な共振回路(L1,VC)とを備え、
前記第1の高周波トランジスタ(T1)のベースは前記水晶振動子に接続され、前記第1の高周波トランジスタのコレクタは、第1の抵抗器(R2)及び第1のコンデンサ(C2)の直列回路を介して前記第2の高周波トランジスタ(T2)のベースに接続されていると共に、前記共振回路を介して前記電源用主端子に接続されており、
前記第2の高周波トランジスタ(T2)のコレクタは、インダクタンス(L2)を介して前記電源用主端子に接続されていると共に、第2のコンデンサ(C3)を介して出力端子に接続されており、
前記帰還回路は前記第1及び第2の高周波トランジスタのエミッタ同士を接続している、高周波発振回路。 - 高周波数の固有振動数を有する水晶振動子(QCM)と、電源用の主端子及び副端子に接続されかつ前記水晶振動子を介して前記電源用副端子に接続されたベース接地型の増幅回路と、該増幅回路の出力の少なくとも一部を前記増幅回路に正帰還させる帰還回路とを含む、高周波発振回路であって、
前記増幅回路は、第1及び第2の高周波トランジスタ(T1,T2)と、当該発振回路の発振周波数を前記水晶振動子の固有振動数に合わせるべく共振周波数が調整可能な共振回路(L1,VC1)とを備え、
前記第1の高周波トランジスタ(T1)のベースは前記水晶振動子に接続され、前記第1の高周波トランジスタのコレクタは、第1のコンデンサ(C3)及び第1の抵抗器(R5)の直列回路を介して前記第2の高周波トランジスタ(T2)のベースに接続されていると共に、前記共振回路を介して前記電源用主端子に接続されており、
前記第2の高周波トランジスタ(T2)のコレクタは、第2のコンデンサ(C4)を介して出力端子に接続されていると共に、インダクタンス(L2)を介して前記電源用主端子に接続されており、
前記帰還回路は、前記第1及び第2の高周波トランジスタのエミッタを、相互に接続していると共に、第3の高周波トランジスタ(T3)のコレクタに接続して、第3の高周波トランジスタ(T3)のエミッタに接続された抵抗(R10)及びコンデンサ(VC2)の並列回路により当該帰還回路の利得及び位相が調整可能とされている、高周波発振回路。
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