JP4155064B2 - 電圧制御発振器およびそれを用いた電子装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧制御発振器およびそれを用いた電子装置、例えば温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）として用いられる電圧制御発振器であって、発振周波数を変化させる手段として可変容量ダイオードを採用した電圧制御発振器およびそれを用いた電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に、電圧制御発振器の１つである温度補償型水晶発振器の回路図を示す。
図１では主要部のみを示しているが、温度補償型水晶発振器の全体を示すものとしては、例えば特許文献１に示されるようなものが知られている。
【０００３】
図１において、温度補償型水晶発振器１０は、発振用の能動素子であるトランジスタＱ１、共振回路として機能する水晶振動子Ｘ１、可変容量ダイオードＶＤ１、抵抗とサーミスタで構成した回路網からなるサーミスタネットワーク１１、抵抗Ｒ１〜Ｒ６、およびコンデンサＣ１〜Ｃ５を備えている。
また、電源端子Ｖｃｃ１、Ｖｃｃ２、外部周波数制御端子Ｖｃ、および出力端子Ｐｏを備えている。
【０００４】
ここで、トランジスタＱ１は、コレクタが電源端子Ｖｃｃ１に接続されるとともにコンデンサＣ４を介してグランドに接続され、エミッタが抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２をそれぞれ介してグランドに接続され、ベースが水晶振動子Ｘ１の一端に接続されている。
コンデンサＣ４はトランジスタＱ１のコレクタを発振周波数において高周波的に接地させるために、発振周波数においてインピーダンスが小さくなるように設定されている。
トランジスタＱ１のベース・エミッタ間にはコンデンサＣ１が接続されている。
トランジスタＱ１のベースは、抵抗Ｒ２を介して電源端子Ｖｃｃ１に接続されるとともに抵抗Ｒ３を介してグランドに接続されている。
トランジスタＱ１のエミッタはコンデンサＣ３を介して出力端子Ｐｏに接続されている。
【０００５】
一方、可変容量ダイオードＶＤ１は、カソードが水晶振動子Ｘ１の他端に接続され、アノードがコンデンサＣ５を介してグランドに接続されている。
コンデンサＣ５は可変容量ダイオードＶＤ１のアノードを発振周波数において高周波的に接地させるために、発振周波数においてインピーダンスが小さくなるように設定されている。
可変容量ダイオードＶＤ１のアノードはまた、抵抗Ｒ４を介して外部周波数制御端子Ｖｃに接続されるとともに抵抗Ｒ５を介してグランドに接続されている。
そして、可変容量ダイオードＶＤ１のカソードは抵抗Ｒ６を介してサーミスタネットワーク１１に接続されている。
なお、サーミスタネットワーク１１は抵抗とサーミスタで構成された３端子の回路網であり、１つの端子（電流入力端子）が電源端子Ｖｃｃ１より電圧安定度の高い電源端子Ｖｃｃ２に接続され、もう１つの端子（電流出力端子）がグランドに接続され、最後の１つの端子（電圧出力端子）が上述の抵抗Ｒ６に接続されている。
そして、電流入力端子と電流出力端子の間に電源端子Ｖｃｃ２から印加された電圧を抵抗とサーミスタで分圧した電圧が電圧出力端子から出力される。
ただし、サーミスタネットワークの詳細な回路網構成については発明の主要部ではないので説明を省略する。
抵抗Ｒ６の先には水晶振動子Ｘ１と可変容量ダイオードＶＤ１のカソードが接続されているために、抵抗Ｒ６には直流電流は流れない。
なお、電源端子Ｖｃｃ１の電圧安定度が十分に高ければ、サーミスタネットワーク１１の電流入力端子を電源端子Ｖｃｃ１に接続しても構わない。
【０００６】
このように構成された温度補償型水晶発振器１０においては、水晶振動子Ｘ１と可変容量ダイオードＶＤ１の静電容量でほぼ決定される共振周波数で発振し、出力端子Ｐｏから発振信号が出力される。
発振周波数は可変容量ダイオードＶＤ１の静電容量、換言すれば可変容量ダイオードＶＤ１にカソード・アノード間に印加されるバイアス電圧によって変化する。
サーミスタネットワーク１１の電圧出力端子から出力される電圧は温度に応じて変化し、それによって可変容量ダイオードＶＤ１のカソード電圧が変化し、可変容量ダイオードＶＤ１の静電容量が変化し、その結果として温度補償型水晶発振器１０の発振周波数が変化する。
このサーミスタネットワーク１１の出力電圧の変化が温度変化による水晶振動子の共振周波数の変化を相殺するようにサーミスタネットワーク１１を構成しておくことによって、温度補償型水晶発振器１０は温度によらず安定な発振周波数を維持することができる。
【０００７】
可変容量ダイオードＶＤ１のアノード電圧は、外部周波数制御端子Ｖｃに印加される制御電圧を抵抗Ｒ４およびＲ５で分圧したものとなる。
そのため、この制御電圧を変えることによっても可変容量ダイオードＶＤ１の静電容量が変化し、温度補償型水晶発振器１０の発振周波数が変化する。
携帯電話機の基準信号源として用いられる温度補償型水晶発振器においては、この外部周波数制御端子は、基地局との通信時において発振周波数を補正するために用いられる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１３００５３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この温度補償型水晶発振器１０のような電圧制御発振器においては、周波数を変える手段として可変容量ダイオードを利用しているために、次のような問題点を含んでいる。
【００１０】
すなわち、可変容量ダイオードには、カソード・アノード間に直流電圧が印加されるだけでなく、それに重畳して高周波信号（発振周波数の交流電圧）が印加される。
高周波信号はある程度の振幅を有しているため、高周波信号の振幅の大きさによっては、図２に示す可変容量ダイオードの電圧・電流特性および高周波信号の関係のように、可変容量ダイオードに印加される電圧が順方向電圧になる。
具体的には、可変容量ダイオードのバイアス電圧をＶｃ（＜０）、可変容量ダイオードに印加される高周波信号の振幅をＶｒｆｐｐ（＞０）、可変容量ダイオードの順方向立ち上がり電圧をＶｆ（＞０）としたときに、
Ｖｃ＋Ｖｒｆｐｐ／２＞Ｖｆとなる時間帯がある。
図２においては、可変容量ダイオードが順バイアスになる時間帯をハッチングで示している。
このような時間帯には、可変容量ダイオードは順方向バイアスになるため、当然ながら可変容量ダイオードのアノードからカソードへ電流が流れることになる。
そのため、実質的に整流動作が行われてしまう。
なお、図２において、Ｖｚ（＜０）は可変容量ダイオードの降伏電圧を示している。
【００１１】
温度補償型水晶発振器１０において可変容量ダイオードＶＤ１で整流動作が行われると、抵抗Ｒ６の可変容量ダイオードＶＤ１との接続側に正の電圧が発生し、逆に抵抗Ｒ５の可変容量ダイオードＶＤ１との接続側に負の電圧が発生し、可変容量ダイオードＶＤ１のバイアスを深くする（バイアス電圧Ｖｃを負側に大きくする）ように働く。
この結果、可変容量ダイオードが順方向バイアスになる時間帯が減少し、可変容量ダイオードＶＤ１の整流動作によって発生する負電圧が小さくなり、ある平衡状態に達する。
また、可変容量ダイオードＶＤ１のバイアスが深くなると静電容量は減少するため発振周波数は上昇する。
【００１２】
このような状態において、電源電圧Ｖｃｃ１が変化すると必然的に高周波信号の振幅が変化する。
上述のようにある特定の振幅の時に平衡状態に達している発振回路の場合、高周波信号の振幅が変化することによって可変容量ダイオードのバイアスの深さが変化する。
それによって可変容量ダイオードの静電容量も変化し、発振周波数が変化する。
このように、可変容量ダイオードで整流動作が行われ、整流動作で発生する電圧によって平衡状態に達しているような場合には、電源電圧の変動による発振周波数の変化が大きくなるという問題がある。
【００１３】
そこで、本発明は上記の問題点を解決することを目的とするもので、電源電圧の変動による発振周波数の変化を小さくできる電圧制御発振器およびそれを用いた電子装置を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電圧制御発振器は、発振用の能動素子と、該能動素子に接続された共振回路と、該共振回路に接続された複数の可変容量ダイオードとを備えた電圧制御発振器において、前記複数の可変容量ダイオードは、同方向に直列接続されており、さらに第１のコンデンサを介して接地され、前記複数の可変容量ダイオードと前記第１のコンデンサとの接続点に、バイアス電圧が印加されていることを特徴とする。
【００１５】
そして、本発明の電子装置は、上記の電圧制御発振器を用いたことを特徴とする。
【００１６】
このように構成することにより、本発明の電圧制御発振器においては、電源電圧の変動による発振周波数の変化を小さくできる。
【００１７】
また、本発明の電子装置においても、本発明の電圧制御発振器を用いることによって、性能の向上を図ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の電圧制御発振器としての温度補償型水晶発振器を回路図で示した場合、図１に示した回路図と基本的に同じになる。
そこで、以下の説明は図１を参照して行う。
【００１９】
本発明の電圧制御発振器においては、使用時に想定される条件において可変容量ダイオードに高周波信号による順方向電流が流れないように、可変容量ダイオードに印加されるバイアス電圧が設定されている。
【００２０】
したがって、可変容量ダイオードが整流作用をすることはなく、可変容量ダイオードのバイアスが自らの整流作用によって深くなることもないため、発振周波数が変化することもない。
この結果、電源電圧Ｖｃｃ１の変化によって発振周波数が大きく変化するということもない。
【００２１】
また、可変容量ダイオードに順方向電流が流れる時間帯があると、可変容量ダイオードの等価直列抵抗が平均的に上昇し、共振系のＱを劣化させ、発振信号の位相雑音を劣化させる原因になる。
この点に関しても、本発明の電圧制御発振器の場合には、可変容量ダイオードの順方向電流が流れないために位相雑音の劣化を招くことがないというメリットもある。
【００２２】
図３に、本発明の電圧制御発振器の実施例の温度補償型水晶発振器の回路図を示す。
図３において、図１と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【００２３】
図３に示した温度補償型水晶発振器２０においては、可変容量ダイオードＶＤ１に直列にもう１つの可変容量ダイオードＶＤ２が同じ向きに接続されている点だけが、図１に示した温度補償型水晶発振器１０と異なっている。
【００２４】
このように２つの可変容量ダイオードを直列に接続すると、全体としての静電容量は半分になり、必要な静電容量を確保するためには容量値の大きい可変容量ダイオードを採用する必要がある。
しかしながら、２つの可変容量ダイオードを直列に接続すると、高周波信号の電圧が２つの可変容量ダイオードで分圧され、２つが直列接続された可変容量ダイオード全体としての順方向立ち上がり電圧Ｖｆが２倍になる。
そのため、トランジスタＱ１のバイアス条件や２つの可変容量ダイオードに印加される電圧の条件を変更しなくても可変容量ダイオードが順バイアスとなる可能性を小さくすることができる。
その結果、電源電圧の変動による発振周波数の変化を小さくすることができ、また位相雑音の劣化の可能性も小さくすることができる。
【００２５】
なお、直列に接続する可変容量ダイオードの数は３つ以上であっても構わず、２つの場合と同様の作用効果を奏するものである。
【００２６】
図４に、本発明の電圧制御発振器を理解する上での参考例の温度補償型水晶発振器の回路図を示す。
図４において、図１と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【００２７】
図４に示した温度補償型水晶発振器３０においては、可変容量ダイオードＶＤ１に直列にコンデンサＣ６が接続されている点だけが、図１に示した温度補償型水晶発振器１０と異なっている。
【００２８】
このように可変容量ダイオードにコンデンサを直列に接続した構成も、図４の温度補償型水晶発振器２０のような２つの可変容量ダイオードを直列に接続した構成と実質的に同じであり、高周波信号の電圧が可変容量ダイオードＶＤ１とコンデンサＣ６で分圧されるために、可変容量ダイオードＶＤ１に印加される高周波信号の振幅が小さくなる。
そのため、トランジスタＱ１のバイアス条件や２つの可変容量ダイオードに印加される電圧の条件を変更しなくても可変容量ダイオードが順バイアスとなる可能性を小さくすることができる。
その結果、電源電圧の変動による発振周波数の変化を小さくすることができ、また位相雑音の劣化の可能性も小さくすることができる。
【００２９】
図５に、本発明の電圧制御発振器を理解する上での別の参考例の温度補償型水晶発振器の回路図を示す。
図５において、図１と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【００３０】
図５に示した温度補償型水晶発振器４０においては、図１に示した温度補償型水晶発振器１０の構成に加えて、コンデンサＣ７、ダイオードＤ１、および定電圧ダイオードＺＤ１を備えている。
このうち、コンデンサＣ７は一端が出力端子Ｐｏに接続され、他端がダイオードＤ１のカソードに接続されている。
ダイオードＤ１のアノードは可変容量ダイオードＶＤ１のアノードに接続されている。
そして、定電圧ダイオードＺＤ１は、アノードがダイオードＤ１のアノードに接続されカソードがグランドに接続されている。
【００３１】
温度補償型水晶発振器４０において、発振信号の一部はコンデンサＣ７を介してダイオードＤ１に入力され、整流される。
ダイオードＤ１のアノードに生じる整流された電圧は負電圧となり、可変容量ダイオードＶＤ１のアノードに印加される。
定電圧ダイオードＺＤ１は、この整流された負電圧が一定以上の大きさにならないように制限するためのものである。
【００３２】
このように構成した場合、仮に可変容量ダイオードＶＤ１に印加される高周波信号の振幅が大きくなって可変容量ダイオードＶＤ１に順方向電流が流れるようになった場合には、発振信号も大きくなるので、ダイオードＤ１のアノードに発生する整流電圧も大きくなる。
その結果、可変容量ダイオードＶＤ１のアノード電圧が低下し、可変容量ダイオードＶＤ１のバイアス電圧Ｖｃ（＜０）が負側に大きくなり、高周波信号の振幅が大きくても可変容量ダイオードに順方向電流な流れなくなる。
そのため、電源電圧の変動による発振周波数の変化を小さくすることができ、また位相雑音の劣化の可能性も小さくすることができる。
【００３３】
図６に、本発明の電子装置の一実施例の斜視図を示す。
図６において、電子装置の１つである携帯電話１００は、筐体１０１と、その中に配置されたプリント基板１０２と、プリント基板１０２上に基準信号源として実装された本発明の電圧制御発振器である温度補償型水晶発振器１０を備えている。
【００３４】
このように構成された携帯電話１００においては、本発明の温度補償型水晶発振器１０を用いているため、電源電圧の変動による発振周波数の変化を小さくなり、安定に動作させることができる。
また、温度補償型水晶発振器１０の位相雑音を高い状態に維持できるため、性能の向上を図ることができる。
【００３５】
なお、図６においては電子装置として携帯電話を示したが、電子装置としては携帯電話に限るものではなく、本発明の水晶発振器を用いたものであれば何でも構わないものである。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の電圧制御発振器によれば、使用時に想定される条件において可変容量ダイオードに高周波信号による順方向電流が流れないように、可変容量ダイオードに印加される高周波信号の振幅もしくは可変容量ダイオードのバイアス電圧が設定されていることによって、電源電圧の変動による発振周波数の変化を小さくすることができ、また位相雑音の劣化の可能性も小さくすることができる。
【００３７】
また、本発明の電子装置によれば、本発明の電圧制御発振器を用いることによって性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来および本発明の電圧制御発振器の一実施例を示す回路図である。
【図２】 従来の電圧制御発振器における可変容量ダイオードの電圧・電流特性およびそれに印加される高周波信号の波形を示す図解図である。
【図３】 本発明の電圧制御発振器の実施例を示す回路図である。
【図４】 本発明の電圧制御発振器を理解する上での参考例を示す回路図である。
【図５】 本発明の電圧制御発振器を理解する上での別の参考例を示す回路図である。
【図６】 本発明の電子装置の一実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０、４０…温度補償型水晶発振器（電圧制御発振器）１１…サーミスタネットワークＱ１…トランジスタ（能動素子）Ｘ１…水晶振動子（共振回路）ＶＤ１、ＶＤ２…可変容量ダイオードＣ１〜Ｃ７…コンデンサＲ１〜Ｒ６…抵抗Ｖｃｃ１、Ｖｃｃ２…電源端子Ｖｃ…制御電圧端子Ｐｏ…出力端子Ｄ１…ダイオードＺＤ１…定電圧ダイオード１００…携帯電話

Claims (2)

1. 発振用の能動素子と、該能動素子に接続された共振回路と、該共振回路に接続された複数の可変容量ダイオードとを備えた電圧制御発振器において、
   前記複数の可変容量ダイオードは、同方向に直列接続されており、さらに第１のコンデンサを介して接地され、
   前記複数の可変容量ダイオードと前記第１のコンデンサとの接続点に、バイアス電圧が印加されていることを特徴とする電圧制御発振器。
2. 請求項１に記載の電圧制御発振器を用いたことを特徴とする電子装置。