JP3883765B2 - 電圧制御発振器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電振動子を用いた電圧制御発振器を産業上の利用分野とし、特に制御電圧による周波数可変幅を広げた電圧制御発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）圧電振動子特に水晶振動子を用いた水晶発振器は、水晶振動子の共振特性に起因して周波数安定度に優れ、種々の電子機器に周波数及び時間の基準源として採用されている。このようなものの一つに、制御電圧によって水晶発振器の発振周波数を変化させる電圧制御発振器がある。
【０００３】
（従来技術の一例）第５図は一従来例を説明する原理的な電圧制御発振器のブロック回路図である。
電圧制御発振器は、発振閉ループ内に可変容量素子１を接続（挿入）して構成される。発振閉ループは、圧電振動子例えば水晶振動子２に発振回路３を接続してなる。可変容量素子１は電圧によって容量の変化する電圧可変容量素子例えば電圧可変容量ダイオード（可変容量ダイオードとする）からなる。
【０００４】
具体的には、第６図に示したように、水晶振動子２に共振回路を形成する分割コンデンサ４（ａｂ）を接続し、さらに共振回路の出力（周波数）を増幅するインバータ（反転増幅器）５及び帰還抵抗６からなる。通常では、インバータ発振回路と称される（基本的にはコルピッツ型と同種）。このようなものでは、水晶振動子２の両端子から見た発振閉ループ内（発振回路）の直列容量成分（所謂負荷容量ＣL）が水晶振動子２のインダクタ成分と同一のリアクタンス（絶対値）のとき発振し、これが発振周波数となる。
【０００５】
このことから、電圧制御発振器では、第７図に示したように、例えば分割コンデンサ４（ａｂ）を電圧可変容量ダイオード７（ａｂ）として、逆方向電圧となる外部からの直流とした制御電圧Ｖcにより、端子間容量を変化させる。なお、図中の符号８（ａｂ）は直流阻止のコンデンサで、９（ａｂｃ）は高周波素子抵抗である。可変容量ダイオード７は端子間電圧Ｖに対し、端子間容量Ｃが概ね指数関数的に減少する（第８図）。このことから、端子間電圧となる制御電圧Ｖcによって、水晶振動子２から見た負荷容量ＣLも変化し、発振周波数を制御する。
【０００６】
発振周波数ｆ0は、通常では、下式に示したように、水晶振動子２の直列共振周波数ｆsからの周波数偏差Δｆ／ｆsをもって表される。但し、Δｆ＝ｆ0−ｆs、γは容量比Ｃ0／Ｃ1である。一般には、周波数偏差Δｆ／ｆsが大きいほど、発振周波数領域が広がるため、周波数可変量も大きくなる。
Δｆ／ｆs＝Ｃ1／２（Ｃ0＋ＣL）＝Ｃ0／２γ（Ｃ0＋ＣL）・・（１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の水晶発振器では、可変容量ダイオード７の指数関数的に減少する電圧容量特性に起因して次の問題があった。すなわち、可変容量ダイオード７の端子間には、制御電圧Ｖcのみならず発振周波数としての高周波電圧（出力Ｖo）Ｖp-pが印加される。換言すると、±側のピーク値（最大電圧）をＶx、Ｖnとした高周波電圧Ｖp-pが制御電圧Ｖcに重畳して印加される（前第８図）。
【０００８】
したがって、可変容量ダイオード７の電圧容量特性が直線であれば、制御電圧Ｖcに重畳する容量は、高周波電圧Ｖp-pの±電圧側で生ずる容量が等量なので、相殺されて０になる。しかし、可変容量ダイオード７の電圧容量特性は、前述のように指数関数的に変化する非線形特性となる。したがって、±電圧側の高周波電圧Ｖp-pによる容量は等量ではなく、−側の方が＋側よりも大きくなる。
【０００９】
例えば±電圧側の最大電圧Ｖx、Ｖnのときの容量をＣｘ、Ｃnとすると、−電圧側の最大電圧Ｖnのときの容量Ｃnの方が、＋電圧側の最大電圧Ｖxのときに発生する容量Ｃｘよりも大きい。すなわち、制御電圧Ｖcのときの容量Ｃcに重畳される容量は−電圧側の最大電圧Ｖnのときの方が大きい。したがって、高周波電圧Ｖp-pによる容量は相殺されず、±電圧側の両者の差分が、制御電圧Ｖcによる容量Ｃcに付加されて端子間容量Ｃdとなる。
【００１０】
要するに、可変容量ダイオード７における電圧容量特性の非線形特性により、高周波電圧Ｖp-pの±電圧側で発生する容量の差分が、制御電圧Vccによる容量Ｃcに付加され、可変容量ダイオード７の端子間容量を大きくする。そして、高周波電圧Ｖp-pの±電圧側で発生する容量の差分は、高周波電圧Ｖp-pの振幅に比例して大きくなる。これに伴い、端子間容量も大きくなることから、負荷容量ＣLを増加させて周波数偏差Δｆ／ｆsを小さく即ち制御電圧Ｖcによる周波数可変量を小さくする。
【００１１】
これらのことから、例えば水晶振動子２にインダクタを直列に接続して、水晶振動子の直列共振点を低下させ、周波数偏差Δｆ／ｆsを大きくすることが考えられる（未図示）。しかし、この場合は、周波数安定度を悪化させたり、回路の小型化及びＬＳＩ化を妨げる要因ともなって採用できない問題があった。
【００１２】
（発明の目的）本発明は、制御電圧に対する周波数可変量を大きくする電圧制御発振器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（着目点）本発明では、上記の観点から、高周波電圧Ｖp-p（発振周波数）の振幅を小さくすればよいとの点に着目した。
【００１４】
（解決手段）本発明は、例えばダイオード１０（ａｂ）の方向を逆にして並列接続（逆並列接続とする）した高周波電圧の振幅制限回路１１を、発振閉ループ中の圧電振動子２の両端子間に接続したことを基本的な解決手段とする。
【００１５】
【作用】
本発明では、圧電振動子の両端に振幅制限回路１１を設けたので、高周波電圧による電圧可変容量素子７の端子間電圧は制限され、高周波電圧によって発生する端子間容量は小さくなる。したがって、電圧可変容量素子７の端子間容量は制御電圧Ｖcに依存して発生し、端子間容量の増加を防止する。以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１６】
第１図は、本発明の第１及び第２実施例の原理を説明する電圧制御発振器のブロック回路図である。なお、前従来例図と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
電圧制御発振器は、前述同様に、水晶振動子２と発振回路３からなる発振閉ループに、電圧で容量値が変化する可変容量素子１を挿入してなる。そして、この実施例では、逆並列接続としたダイオード１０（ａｂ）からなる振幅制限回路１１を水晶振動子２に並列接続する。
【００１７】
具体的には、前述したように、水晶振動子２、インバータ５、帰還抵抗６、分割コンデンサ４（ａｂ）及び可変容量素子１を兼ねた可変容量ダイオード７（ａｂ）、並びに直流阻止のコンデンサ８（ａｂ）、高周波阻止抵抗９（ａｂｃ）からなるインバータ発振回路とする。そして、ダイオード１０（ａｂ）からなる振幅制限回路１１を水晶振動子２に並列接続して構成する（第２図）。なお、１５（ａｂ）は直流阻止のコンデンサである。
【００１８】
このような構成であれば、振幅制限回路１１は逆並列接続としたダイオード１０（ａｂ）によって、双方向において順方向降下電圧約０．７Ｖ以上の電圧で短絡する。そして、それ以下では、開放状態（抵抗値がほぼ無限大）となる。したがって、水晶振動子２の端子間電圧は、振幅の大きい高周波電圧であったとしても双方向において０．７Ｖになる。すなわち、発振周波数としての高周波電圧の振幅は０．７Ｖに制限される。
【００１９】
このようなことから、高周波電圧は小さく制限されるので、これによって発生する可変容量ダイオード７の端子間容量も少なくなる。したがって、端子間容量は制御電圧Ｖcに依存して発生し、高周波電圧による容量の増加を防止する。これにより、負荷容量ＣLを小さくするので、周波数偏差Δｆ／ｆsを大きくする「前第（１）式参照」。すなわち、周波数可変量を大きくする。
【００２０】
ちなみに、制御電圧Ｖcは通常では例えば1.65Ｖを基準として±1.65Ｖであり、このときの周波数可変量は±80〜100ppmであるが、本実施例では±100ppm以上の周波数可変量を得ることができた。
【００２１】
【第２実施例】
第３図は本発明の第２実施例を説明する電圧制御発振器の回路図である。なお、前従来例図と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
第１実施例の具体例では増幅器にインバータ５を使用したが、第２実施例では増幅器としてトランジスタ１３を使用した例である。すなわち、この例での電圧制御発振器は、前述同様に水晶振動子２と分割コンデンサ及び可変容量素子を兼用した可変容量ダイオード７（ａｂ）とで共振回路を形成する。そして、水晶振動子２の一端に直流阻止（ここでは高周波バイパス）のコンデンサ８ａを経てトランジスタ１３のベースを、他端に同コンデンサ８ｂを経てコレクタを接続してエミッタを接地する。さらに、水晶振動子２の端子間に振幅制限回路１１としての逆並列接続としたダイオード１０（ａｂ）を接続して構成される。なお、図中の符号１４（ａｂ）はバイアス抵抗、１５（ａｂ）は直流阻止のコンデンサ、Ｖccは電源である。
【００２２】
このような構成でも、前述同様に振幅制限回路１１によって高周波電圧が抑制されて端子間容量は制御電圧に依存して、同容量の増加を防止するので、周波数偏差Δｆ／ｆsを大きくして即ち周波数可変量を大きくする。ちなみに、この例でも周波数可変量を１００ppm以上にすることができた。
【００２３】
【他の事項】
上記実施例では、インバータ５及びトランジスタ１３を増幅器とした例を示したが、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等のその他を増幅器とした場合であっても適用できる。要は、圧電振動子を用いて電圧制御型の発振閉ループを形成したものに適用できる。また、電圧可変容量素子としては可変容量ダイオード７としたが、ＰＮ接合の半導体を用いて電圧によって実質的に容量の変化をもたらす素子であればよい。
【００２４】
また、振幅制限回路１１のダイオード１０（ａｂ）は、例えばトランジタのＰＮ接合を利用してもよく、実質的にここでのダイオードに含まれる。例えば、第４図に示したように、コレクタ・ベース間を接続した第１及び第２トランジスタ１６、１７を用いて、第１トランジスタ１６のエミッタを第２トランジスタ１７のベースに接続し、第１及び第２トランジスタ１６、１７のエミッタ側を接続端子とすればよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、例えばダイオードの逆並列接続とした高周波電圧の振幅制限回路を、発振閉ループ中の圧電振動子の両端子間に接続したので、周波数可変量を大きくする電圧制御発振器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１及び第２実施例を説明する原理的な電圧制御発振器のブロック回路図である。
【図２】本発明の第１実施例を説明する電圧制御発振器の回路図である。
【図３】本発明の第２実施例を説明する電圧制御発振器の回路図である。
【図４】 本発明に適用する振幅制限回路の他の例を示す回路図である。
【図５】従来例を説明する電圧制御発振器のブロック回路図である。
【図６】従来例を説明するインバータ発振回路図である。
【図７】従来例を説明する電圧制御発振器の回路図である。
【図８】従来例の問題点を説明する可変容量ダイオードの電圧容量特性図である。
【符号の説明】
１ 可変容量素子、２ 水晶振動子、３ 発振回路、４（ａｂ） 分割コンデンサ、５ インバータ、６ 帰還抵抗、７（ａｂ） 電圧可変容量ダイオード、８（ａｂ）、１５（ａｂ） 直流阻止コンデンサ、 ９（ａｂｃ） 高周波阻止抵抗、１０（ａｂ） ダイオード、１１ 振幅制限回路、１３、１６、１７ トランジスタ、
１４（ａｂ） バイアス抵抗．

Claims (1)

1. 圧電振動子と発振回路とを接続した発振閉ループ内に電圧可変容量素子を接続してなる電圧制御発振器において、前記圧電振動子の両端子間には、直流阻止コンデンサを経てダイオードの方向を逆にして並列接続した高周波電圧の振幅制限回路を接続し、前記電圧可変容量素子に前記振幅制限回路による電圧を直接印加したことを特徴とする圧電発振回路。

Images