JP6001290B2 - 発振回路 - Google Patents

Description

本発明は発振回路に関し、特に、不要な発振を抑制してオーバートーン周波数における安定した発振をさせる技術に関する。

ＳＣカット水晶振動子は周波数安定度が優れているので、測定器及び通信器のように安定した周波数が必要な用途で用いられている。ＳＣカット水晶振動子においては、主振動であるＣモード（厚みすべり振動）の他にＢモード（厚み捻れ振動）の副振動が生じる。Ｂモードで発振させることなくＣモードで安定して水晶振動子を発振させる回路として、コルピッツ回路を応用したさまざまな回路が提案されている（例えば、特許文献１から特許文献５を参照）。

特開２００４−２６６５８３号公報 特開２００４−２８９２０７号公報 特開２００６−３４５１１５号公報 特開２００７−２０１５８号公報 特開２０１０−４１３４６号公報

図５は、特許文献１で開示されている発振回路１００を示す。発振回路１００においては、トランジスタのエミッタとグランドとの間に、キャパシタ１１０と直列に並列共振回路１２０が設けられている。並列共振回路１２０が、副振動であるＢモードで発振する周波数（以下、Ｂモード周波数）において共振することで、Ｂモード周波数における発振回路１００の負性抵抗が正の値になり、Ｂモード周波数における発振が防止される。

しかし、発振回路１００においてはオーバートーン周波数で発振させることが考慮されていないので、副振動であるＢモードのオーバートーン周波数（以下、Ｂモードオーバートーン周波数）における発振を防ぐとともに、基本波の周波数（以下、基本波周波数）における発振を防止することができなかった。

なお、発振回路１００においては、インダクタ１２２及びキャパシタ１１０が直列共振回路を構成するので、並列共振回路１２０の共振周波数と異なる第２の共振周波数が存在する。しかし、インダクタ１２２を直列共振回路及び並列共振回路に兼用する場合には、発振回路１００の負性抵抗を、Ｂモードオーバートーン周波数及び基本波周波数において正の値とし、かつ、Ｃモードオーバートーン周波数において負の値とすることは困難である。したがって、発振回路１００においては、Ｃモードオーバートーン周波数において安定した発振をさせることが困難である。また、発振回路１００には増幅機能がない。

図６は、特許文献２で開示されている発振回路２００を示す。発振回路２００においては、トランジスタのエミッタとベースとの間に直列共振回路２１０が設けられ、かつ、トランジスタのエミッタとグランドとの間に並列共振回路２２０が設けられている。

発振回路２００は、副振動周波数及び主振動のオーバートーン周波数における発振を防ぐべく、これらの周波数において誘導性リアクタンスを有する。したがって、発振回路２００は、主振動であるＣモードのオーバートーン周波数（以下、Ｃモードオーバートーン周波数）で水晶振動子を発振させ、かつ、基本波周波数での発振を防ぐことが考慮されていなかった。

具体的には、発振回路２００を用いてＣモードオーバートーン周波数で水晶振動子を発振させる場合には、Ｃモードオーバートーン周波数よりも低い周波数において、発振回路２００は容量性リアクタンスを有する。したがって、発振回路２００は、基本波周波数において発振するおそれがあった。

さらに、コルピッツ回路においては、トランジスタのエミッタとベースとの間の容量の大きさと、トランジスタのエミッタとグランドとの間の容量の大きさとの比が変化すると、トランジスタの利得が変化する。したがって、トランジスタのエミッタとベースとの間、及び、トランジスタのエミッタとグランドとの間の双方に温度変化による特性変化を生じやすいインダクタ素子を有する発振回路２００においては、温度変化に伴って、出力される信号の特性が変化しやすいという問題もあった。

図７は、特許文献３で開示されている発振回路３００を示す。発振回路３００においては、トランジスタのエミッタとベースとの間の帰還ループ上に直列共振回路３１０が設けられている。直列共振回路３１０が、主振動であるＣモードで発振する周波数（以下、Ｃモード周波数）に等しい共振周波数を有することで、発振回路３００は、Ｃモード周波数において負の値の負性抵抗を有する。そして、トランジスタのエミッタとグランドとの間に設けられた直列共振回路を含むトラップ回路３２０がＢモード周波数に等しい共振周波数を有することで、発振回路３００は、Ｂモード周波数において正の値の負性抵抗を有する。

しかし、温度変化に伴うインダクタ又はキャパシタの特性変化によって、直列共振回路３１０の共振周波数は変動するので、Ｃモード周波数における負性抵抗が正の値に近づく場合がある。発振周波数が高くなればなるほど共振周波数の変動の影響が大きくなるので、Ｃモードオーバートーン周波数で水晶振動子を発振させる場合のように基本波周波数よりも高い周波数で発振させる場合には、発振回路３００の構成は好ましくない。また、発振回路３００には増幅機能がない。

図８は、特許文献４で開示されている発振回路４００を示す。発振回路４００においては、トランジスタのエミッタとグランドとの間に直列共振回路４１０及び並列共振回路４２０が設けられている。図７に示した発振回路３００と同様に、直列共振回路４１０がＣモード周波数と等しい共振周波数を有することで、発振回路４００は、Ｃモード周波数において負の値の負性抵抗を有する。そして、トランジスタのエミッタとグランドとの間に設けられた並列共振回路４２０がＢモード周波数に等しい共振周波数を有することで、発振回路４００は、Ｂモード周波数において正の値の負性抵抗を有する。

しかし、温度変化に伴うインダクタ又はキャパシタの特性変化によって、直列共振回路４１０の共振周波数は変動する。したがって、Ｃモードオーバートーン周波数で水晶振動子を発振させる場合のように、基本波よりも高い周波数で発振させる場合には、発振回路４００の構成は好ましくない。

図９は、特許文献５で開示されている発振回路５００を示す。発振回路５００においては、トランジスタのエミッタとグランドとの間に設けられた直列共振回路５１０の共振周波数がＢモードの発振周波数と等しいので、発振回路５００はＢモード周波数において正の値の負性抵抗を有する。その結果、発振回路５００はＢモード周波数において発振しない。

しかし、発振回路５００は、Ｃモード周波数よりも低い周波数では負の値の負性抵抗を有する。したがって、発振回路５００を用いてＣモードオーバートーン周波数で水晶振動子を発振させると、Ｃモードオーバートーン周波数よりも低い基本波周波数において、発振回路５００の負性抵抗が負の値になる。その結果、発振回路５００においては、基本波周波数で発振してしまうという問題が生じる。また、発振回路５００には増幅機能がない。

そこで、本発明はこれらの点を鑑みてなされたものであり、水晶振動子を主振動のＣモードオーバートーン周波数で安定的に発振させるとともに、副振動のＢモードオーバートーン周波数における発振及び基本波周波数での発振を防ぐ発振回路を提供することを目的とする。

本発明の態様の１つである発振回路は、水晶振動子と、水晶振動子がベースに接続されたトランジスタと、トランジスタのエミッタとグランドとの間に設けられた、第１インダクタ及び第１キャパシタを有する第１共振回路と、エミッタとグランドとの間に設けられた、第２インダクタ及び第２キャパシタを有する第２共振回路と、ベースとエミッタとの間に設けられた第３キャパシタとを備える。

上記の発振回路において、第１共振回路の第１共振周波数は、水晶振動子の主振動のオーバートーン周波数よりも高く、第２共振回路の第２共振周波数は、水晶振動子の主振動のオーバートーン周波数よりも低い。その結果、上記の発振回路は、水晶振動子の主振動のオーバートーン周波数において負の値を示す負性抵抗を有し、かつ、水晶振動子の主振動及び副振動の基本波周波数、並びに、水晶振動子の副振動のオーバートーン周波数において正の値を示す負性抵抗を有する。

上記の第１共振周波数は、例えば、水晶振動子の副振動のオーバートーン周波数よりも高い。上記の第２共振周波数は、例えば、水晶振動子の主振動の基本波周波数と等しい。

上記の発振回路は、エミッタとグランドとの間に設けられた抵抗及び第４キャパシタをさらに備えてもよい。この場合において、第１キャパシタ及び第１インダクタは、エミッタとグランドとの間に並列に設けられており、第１インダクタは、エミッタと抵抗及び第４キャパシタとの間に設けられていてもよい。上記の発振回路は、トランジスタのコレクタに設けられた出力端子とをさらに備えてもよい。
また、上記の発振回路は、エミッタとグランドとの間に第１インダクタを介して並列に設けられた抵抗及び第４キャパシタをさらに備え、第１キャパシタは、エミッタとグランドとの間に設けられており、第１インダクタは、エミッタと上記抵抗及び第４キャパシタとの間に設けられていてもよい。

本発明によれば、主振動であるＣモードオーバートーン周波数において安定して発振する発振回路を提供できるという効果を奏する。

第１の実施形態の発振回路の構成を示す。 第１の実施形態の発振回路が有する負性抵抗の周波数特性の概念図を示す。 第１共振回路の共振周波数がＢモードオーバートーン周波数に等しい場合の負性抵抗の概念図を示す。 第２の実施形態の発振回路の構成を示す。 特許文献１で開示されている発振回路を示す。 特許文献２で開示されている発振回路を示す。 特許文献３で開示されている発振回路を示す。 特許文献４で開示されている発振回路を示す。 特許文献５で開示されている発振回路を示す。

＜第１の実施形態＞
［発振回路１０の基本動作説明］
図１は、第１の実施形態の発振回路１０の構成を示す。発振回路１０は、水晶振動子２０、トランジスタ３０、第１共振回路４０、第２共振回路５０及び第３キャパシタ６０を備える。水晶振動子２０は、例えばＳＣカットの水晶振動子であり、Ｃモード周波数、及び、Ｃモード周波数に近接したＢモード周波数において共振点を有する。また、水晶振動子２０は、Ｃモード及びＢモードの基本波周波数の他に、Ｃモード及びＢモードのオーバートーン周波数においても共振点を有する。

発振回路１０は、水晶振動子２０の主振動であるＣモードのオーバートーン周波数において負の値を示す負性抵抗を有する。また、発振回路１０は、水晶振動子２０の主振動及び副振動の基本波周波数、並びに、水晶振動子２０の副振動のオーバートーン周波数において正の値を示す負性抵抗を有する。したがって、発振回路１０は、水晶振動子２０のＣモードオーバートーン周波数において安定して発振するとともに、基本波周波数及びＢモードオーバートーン周波数においては発振しない。

例えば、発振回路１０は、Ｃモードの基本波周波数が１０ＭＨｚである水晶振動子２０の３次オーバートーン周波数の３０ＭＨｚにおいて安定して発振する。発振回路１０は、Ｃモードの基本波周波数１０ＭＨｚ、Ｂモードの基本波周波数１０．９ＭＨｚ、及び、Ｂモードオーバートーン周波数３２．７ＭＨｚにおいては発振しない。

以下、発振回路１０の構成を説明する。図１におけるトランジスタ３０は、ベースに入力された電流を増幅するＮＰＮ型接合トランジスタである。発振回路１０は、トランジスタ３０のコレクタに接続された出力端子７４を有してもよい。

トランジスタ３０のコレクタは、抵抗８４を介して電源端子７２に接続されている。トランジスタ３０のベースは、水晶振動子２０、第３キャパシタ６０、抵抗８０及び抵抗８２に接続されている。水晶振動子２０は、一端がトランジスタ３０のベース、第３キャパシタ６０、抵抗８０及び抵抗８２に接続され、他端はキャパシタ８６を介してグランド７０に接続されている。抵抗８０及び抵抗８２は、トランジスタ３０のバイアス電圧を定める。第３キャパシタ６０は、コルピッツ型発振回路における分圧コンデンサの１つとして機能する。

第１共振回路４０は、トランジスタ３０のエミッタとグランド７０との間に設けられている。第１共振回路４０は、第１インダクタ４２及び第１キャパシタ４４を有する。例えば、第１共振回路４０は並列共振回路であり、トランジスタ３０のエミッタとグランド７０との間において、第１インダクタ４２及び第１キャパシタ４４が並列に接続されている。

図１においては、第１共振回路４０が、抵抗４６及び第４キャパシタ４８をさらに有する。抵抗４６及び第４キャパシタ４８は、トランジスタ３０のエミッタとグランド７０との間に設けられている。抵抗４６は、トランジスタ３０がエミッタ接地増幅回路として機能する場合の増幅度を安定化させる。

第４キャパシタ４８の容量は第１キャパシタ４４の容量よりも大きい。第４キャパシタ４８が第１キャパシタ４４の容量よりも大きく、Ｃモードオーバートーン周波数におけるインピーダンスがほぼ０である場合には、当該周波数における信号は抵抗４６を流れることなく第４キャパシタ４８にバイパスされる。その結果、発振回路１０においては、Ｃモードオーバートーン周波数において十分な大きさの増幅度を得ることができるので、発振回路１０の後段に増幅回路を設ける必要がなく、発振回路及び増幅回路の小型化を実現することができる。

第１インダクタ４２は、トランジスタ３０のエミッタ、第１キャパシタ４４、抵抗４６及び第４キャパシタ４８に接続されている。すなわち、第１インダクタ４２は、トランジスタ３０のエミッタとグランド７０との間において、抵抗４６及び第４キャパシタ４８と直列に設けられている。第１インダクタ４２がトランジスタ３０のエミッタと抵抗４６及び第４キャパシタ４８との間に設けられていることにより、第１インダクタ４２の値に基づいて、Ｃモードオーバートーン周波数における信号の増幅度が定まる。

第１共振回路４０の共振周波数は、水晶振動子２０の主振動であるＣモードのオーバートーン周波数よりも高い。例えば、第１共振回路４０の第１共振周波数は、水晶振動子２０の副振動であるＢモードのオーバートーン周波数と等しい。第１共振回路４０の第１共振周波数は、Ｂモードオーバートーン周波数よりも大きいことが好ましい。

第１共振回路４０の第１共振周波数がＣモードオーバートーン周波数よりも高い場合には、発振回路１０は、Ｃモードオーバートーン周波数において負の値を示す負性抵抗を有し、かつ、Ｃモードオーバートーン周波数よりも高いＢモードオーバートーン周波数において正の値を示す負性抵抗を有することができる。その結果、発振回路１０は、Ｃモードオーバートーン周波数において水晶振動子２０を安定して発振させるとともに、Ｂモードオーバートーン周波数における発振を防止できる。

第１共振回路４０の第１共振周波数がＢモードオーバートーン周波数よりも大きい場合には、発振回路１０は、Ｂモードオーバートーン周波数において正の値を示す負性抵抗を有し、かつ、Ｃモードオーバートーン周波数において十分に大きな負の値を示す負性抵抗を有するので、さらに好ましい。

第２共振回路５０は、トランジスタ３０のエミッタとグランド７０との間に設けられている。第２共振回路５０は、第２インダクタ５２及び第２キャパシタ５４を有する。例えば、第２共振回路５０は直列共振回路であり、トランジスタ３０のエミッタとグランド７０との間において、第２インダクタ５２及び第２キャパシタ５４が直列に接続されている。第２共振回路５０は並列共振回路であってもよい。

第２共振回路５０の共振周波数は、水晶振動子２０の主振動のオーバートーン周波数よりも低い。例えば、第２共振回路５０の共振周波数は、水晶振動子２０の主振動の基本波周波数又は副振動の基本波周波数に等しい。第２共振回路５０の共振周波数は、水晶振動子２０の主振動の基本波周波数と水晶振動子２０の主振動の３次オーバートーン周波数との間の周波数であってもよい。

発振回路１０は、第２共振回路５０の共振周波数において正の値を示す負性抵抗を有する。したがって、第２共振回路５０の共振周波数が水晶振動子２０の主振動のオーバートーン周波数よりも低い場合には、発振回路１０は、Ｃモードオーバートーン周波数において負の値を示す負性抵抗を有し、かつ、基本波周波数において正の値を示す負性抵抗を有することができる。その結果、発振回路１０は、Ｃモードオーバートーン周波数において水晶振動子２０を安定して発振させるとともに、基本波周波数における発振を防止できる。

［発振回路１０の負性抵抗の周波数特性］
図２は、第１の実施形態の発振回路１０が有する負性抵抗の周波数特性の概念図を示す。同図における実線は発振回路１０の負性抵抗を示し、破線は第１共振回路４０及び第２共振回路５０の代わりにキャパシタを有する従来のコルピッツ発振回路の負性抵抗を示す。

図２において、横軸は周波数を示し、周波数軸上におけるｆｏはＣモードの基本波周波数、ｆｃはＣモードオーバートーン周波数、ｆｂはＢモードオーバートーン周波数、ｆ１は第１共振回路４０の共振周波数、ｆ２は第２共振回路５０の共振周波数を示す。同図においては、一例としてｆｏとｆ２が等しい場合が示されている。なお、図２は各周波数の正確な値を示していない。

破線で示される従来のコルピッツ発振回路の負性抵抗は、ｆｏ、ｆｃ、ｆｂのいずれの周波数においても負の値を示している。したがって、水晶振動子２０は、基本波周波数及びＢモードオーバートーン周波数において発振する可能性があった。これに対して、実線で示される発振回路１０の負性抵抗は、Ｃモードオーバートーン周波数ｆｃにおいては負の値を示し、基本波周波数ｆｏ及びＢモードオーバートーン周波数においては正の値を示している。したがって、発振回路１０は、Ｃモードオーバートーン周波数で安定して発振する。

図３は、第１共振回路４０の共振周波数がＢモードオーバートーン周波数に等しい場合の負性抵抗（破線）の概念図を示す。図２と図３とを比べると明らかなように、第１共振回路４０の共振周波数がＢモードオーバートーン周波数に等しい場合には、第１共振回路４０の共振周波数がＢモードオーバートーン周波数よりも大きい場合に比べて、Ｃモードオーバートーン周波数における負性抵抗の絶対値が小さい。したがって、Ｃモードオーバートーン周波数において十分な大きさの負性抵抗を確保するべく、第１共振回路４０の共振周波数はＢモードオーバートーン周波数よりも大きいことが好ましい。

［第１の実施形態の発振回路１０における効果］
以上のとおり、第１の実施形態の発振回路１０は、Ｃモードオーバートーン周波数において負の値を示す負性抵抗を有し、基本波周波数及びＢモードオーバートーン周波数において正の値を示す負性抵抗を有するので、Ｃモードオーバートーン周波数において安定して発振することができるという効果を奏する。

また、トランジスタ３０がエミッタ接地増幅回路として構成され、トランジスタ３０のエミッタとグランド７０との間に第１インダクタ４２、抵抗４６及び第４キャパシタ４８が設けられていることにより、発振回路１０の後段に増幅回路を設けることなく、Ｃモードオーバートーン周波数において十分な電圧の信号を出力することができる。したがって、発振回路１０によれば、回路素子数が低減されることによる回路の小型化及びコストダウンを実現できるという効果も奏する。

＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態の発振回路１０の構成を示す。図４に示す発振回路１０は、第１キャパシタ４４がトランジスタ３０のエミッタと、抵抗４６及び第４キャパシタ４８の接続点との間に設けられている点で、図１に示した発振回路１０と異なる。

すなわち、本実施形態の発振回路１０においては、第１キャパシタ４４の両端が第１インダクタ４２の両端に接続されている。したがって、第１インダクタ４２及び第１キャパシタ４４を近接して実装することができるので、第１共振回路４０の共振周波数を安定化させることができるという効果を奏する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。例えば、上記の実施形態においてはＳＣカット水晶振動子を発振させる実施形態について説明したが、本発明はＩＴカット水晶振動子、ＬＣ共振回路、セラミック振動子、ＳＡＷ共振子及びＭＥＭＳ共振子を始めとするデバイス又は回路と組み合わせて実施することもできる。また、上記の実施形態においては、ディスクリート部品を用いた例を示したが、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を始めとする内部集積回路に本発明の発振回路を組み込んでも同様の作用効果を奏する。

１０・・・発振回路、２０・・・水晶振動子、３０・・・トランジスタ、４０・・・第１共振回路、４２・・・第１インダクタ、４４・・・第１キャパシタ、４６・・・抵抗、４８・・・第４キャパシタ、５０・・・第２共振回路、５２・・・第２インダクタ、５４・・・第２キャパシタ、６０・・・第３キャパシタ、７０・・・グランド、７２・・・電源端子、７４・・・出力端子、８０・・・抵抗、８２・・・抵抗、８４・・・抵抗、８６・・・キャパシタ、１００・・・発振回路、１１０・・・並列共振回路、２００・・・発振回路、２１０・・・直列共振回路、２２０・・・並列共振回路、３００・・・発振回路、３１０・・・直列共振回路、３２０・・・トラップ回路、４００・・・発振回路、４１０・・・直列共振回路、４２０・・・並列共振回路、５００・・・発振回路

Claims (5)

1. 水晶振動子と、
   前記水晶振動子がベースに接続されたトランジスタと、
   前記トランジスタのエミッタとグランドとの間に設けられた並列共振回路である、第１インダクタ及び第１キャパシタを有する第１共振回路と、
   前記エミッタと前記グランドとの間に設けられた、第２インダクタ及び第２キャパシタを有する第２共振回路と、
   前記ベースと前記エミッタとの間に設けられた第３キャパシタと
   を備え、
   前記第１共振回路の第１共振周波数は、前記水晶振動子の主振動のオーバートーン周波数よりも高く、
   前記第２共振回路の第２共振周波数は、前記水晶振動子の主振動のオーバートーン周波数よりも低く、
   前記水晶振動子の主振動のオーバートーン周波数において負の値を示す負性抵抗を有し、かつ、前記水晶振動子の主振動及び副振動の基本波周波数、並びに、前記水晶振動子の副振動のオーバートーン周波数において正の値を示す負性抵抗を有する発振回路。
2. 前記第１共振周波数は、前記水晶振動子の副振動のオーバートーン周波数よりも高い請求項１に記載の発振回路。
3. 前記第２共振周波数は、前記水晶振動子の主振動の基本波周波数と等しい請求項１又は２に記載の発振回路。
4. 前記エミッタと前記グランドとの間に並列に設けられた抵抗及び第４キャパシタをさらに備え、
   前記第１キャパシタ及び前記第１インダクタは、前記エミッタとグランドとの間に並列に設けられており、
   前記第１インダクタは、前記エミッタと前記抵抗及び前記第４キャパシタとの間に設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の発振回路。
5. 前記エミッタと前記グランドとの間に前記第１インダクタを介して並列に設けられた抵抗及び第４キャパシタをさらに備え、
   前記第１キャパシタは、前記エミッタとグランドとの間に設けられており、
   前記第１インダクタは、前記エミッタと前記抵抗及び前記第４キャパシタとの間に設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の発振回路。
   

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