JP6100641B2

JP6100641B2 - 差動発振器

Info

Publication number: JP6100641B2
Application number: JP2013156248A
Authority: JP
Inventors: 高司中岡; 浩星上
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-07-29
Also published as: CN104348416A; TW201515382A; US20150028958A1; US9263989B2; TWI583126B; JP2015027006A; CN104348416B

Description

本発明は、差動発振器に関する。

従来、複数の増幅回路から構成される差動増幅回路により共振器を発振させる差動発振器が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。

特開２００７−１１０７０１号公報特開２００８−１７４４９号公報

差動増幅回路の負性抵抗は、コルピッツ発振回路よりも負性抵抗が大きいので、共振器が複数の共振モードを有する場合に、抵抗が比較的大きい共振モードにおいても、コルピッツ発振回路に比べて簡単に発振させることができる。しかし、共振器が、周波数が近接した複数の共振モードを有する場合、所望の周波数以外の周波数において不要発振を起こす危険性があった。

図７は、従来の差動発振器の負性抵抗特性（実線）と、共振器のインピーダンス特性（破線）とを示す図である。横軸は周波数、縦軸はインピーダンス又は負性抵抗を示す。図７に示す共振器は、ａ、ｂ、ｃの３つの共振モードを有している。３つの共振モードのうち、共振モードａの共振周波数においては、差動発振器が正の抵抗値を有しており負性抵抗が存在しないので発振しない。

しかし、共振モードｂ及び共振モードｃにおいては差動発振器が負性抵抗を有するので、共振モードｂ及び共振モードｃのどちらの共振周波数でも発振する可能性がある。したがって、共振モードｂ及び共振モードｃのいずれか一方の共振周波数で発振させたい場合に、不要発振を発生し得るという問題があった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、複数の共振モードを有する共振器を、所望の周波数で発振させることができる差動発振器を提供することを目的とする。

本発明に係る差動発振器は、少なくとも第１共振モードと第２共振モードとを有する共振器と、当該共振器を発振させる差動増幅回路と、前記共振器及び前記差動増幅回路と並列に設けられており、第１共振モードの第１共振周波数及び第２共振モードの第２共振周波数のいずれか一方の周波数におけるインピーダンスが、他方の周波数におけるインピーダンスよりも小さいフィルタと、を備え、差動発振器は、上記の第１共振周波数及び第２共振周波数のうち、前記フィルタのインピーダンスがより大きい周波数において負性抵抗を有し、前記フィルタのインピーダンスがより小さい周波数において負性抵抗を有しない。

上記のフィルタは、例えば、並列共振回路と、並列共振回路の一端と共振器の一端との間に設けられた第１キャパシタと、並列共振回路の他端と共振器の他端との間に設けられた第２キャパシタと、を有する。

上記の並列共振回路は、互いに並列に接続されたインダクタ、第３キャパシタ及び抵抗を有し、差動発振器が負性抵抗を有する周波数における第１キャパシタ及び第２キャパシタのリアクタンスは、第３キャパシタのリアクタンスよりも大きくてもよい。

上記のフィルタが可変容量素子を有し、可変容量素子に印加される制御電圧に応じてフィルタのインピーダンス特性が変化してもよい。

本発明によれば、複数の共振モードを有する共振器を、所望の周波数で発振させることができるという効果を奏する。

第１の実施形態の差動発振器の概略の構成を示す図である。差動発振器の負性抵抗特性（実線）と、共振器のインピーダンス特性（破線）とを示す図である。差動発振器の構成例の詳細を示す図である。共振器のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。差動発振器の負性抵抗の周波数特性の一例を示す図である。第２の実施形態の差動発振器の構成例の詳細を示す図である。従来の差動発振器の負性抵抗特性（実線）と、共振器のインピーダンス特性（破線）とを示す図である。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態の差動発振器１００の概略の構成を示す図である。差動発振器１００は、共振器１と、フィルタ２と、差動増幅回路３とを備える。共振器１、フィルタ２及び差動増幅回路３は、互いに並列に接続されている。

共振器１は、例えば水晶振動子であり、複数の共振モードを有する。共振器１は、それぞれ共振周波数が異なる第１共振モード及び第２共振モードを少なくとも有する。第１共振モードは、例えばＣモードであり、第２共振モードは、例えばＢモードである。

フィルタ２は、共振器１、及び共振器１を発振させる差動増幅回路３と並列に設けられており、第１共振モードの第１共振周波数及び第２共振モードの第２共振周波数のいずれか一方の周波数におけるインピーダンスが、他方の周波数におけるインピーダンスよりも小さい。例えば、第１共振周波数におけるインピーダンスが、第２共振周波数におけるインピーダンスよりも小さい場合、フィルタ２は、第１共振周波数付近において、差動増幅回路３が生成する発振エネルギーを吸収する。その結果、第１共振周波数付近では差動発振器１００の負性抵抗が消失するので、第１共振周波数において差動発振器１００が発振しない。他方、第２共振周波数付近では差動発振器１００が負性抵抗を有するので、第２共振周波数において差動発振器１００が発振する。

同様に、第２共振周波数におけるインピーダンスが、第１共振周波数におけるインピーダンスよりも小さい場合、フィルタ２は、第２共振周波数付近において、差動増幅回路３が生成する発振エネルギーを吸収する。その結果、第２共振周波数付近では差動発振器１００の負性抵抗が消失するので、第２共振周波数において差動発振器１００が発振せず、第１共振周波数において差動発振器１００が発振する。

差動増幅回路３は、複数の増幅回路を有する。差動増幅回路３は、共通の電源に接続された複数の増幅回路により増幅された、互いに反転した位相の複数の信号を出力する。

図２は、差動発振器１００の負性抵抗特性（実線）と、共振器のインピーダンス特性（破線）とを示す図である。図２に特性を示した差動発振器１００において、フィルタ２の共振周波数は共振モードｃの共振周波数ｆｃにほぼ等しく、共振モードｃの共振周波数ｆｃにおけるフィルタ２のインピーダンスが、共振モードｂの共振周波数ｆｂにおけるインピーダンスよりも小さい。したがって、差動発振器１００は、共振周波数ｆｃにおいて負性抵抗を有しておらず、共振周波数ｆｂにおいて負性抵抗を有するので、差動発振器１００は、共振周波数ｆｃにおいて不要な発振をすることなく、共振周波数ｆｂにおいて安定して発振する。

さらに、図２における負性抵抗のカットオフ周波数ｆ１は、共振モードａの共振周波数ｆａよりも高く、共振周波数ｆａにおいて、差動発振器１００は負性抵抗を有していない。その結果、差動発振器１００が発振に十分な負性抵抗を持つのは、３つの共振モードのうち共振モードｂの共振周波数ｆｂにおいてのみとなり、差動発振器１００を所望の発振周波数で発振させることができる。

図３は、差動発振器１００の構成例の詳細を示す図である。
フィルタ２は、それぞれ並列に接続されたキャパシタ２３、インダクタ２４及び抵抗２５から構成される並列共振回路２０と、当該並列共振回路２０と直列に接続されたキャパシタ２１及びキャパシタ２２を有する。キャパシタ２１は、並列共振回路２０の一端と共振器１の一端との間に設けられている。キャパシタ２２は、並列共振回路２０の他端と共振器１の他端との間に設けられている。すなわち、タンク回路として機能する並列共振回路２０の両端に、キャパシタ２１及びキャパシタ２２が設けられている。

キャパシタ２１及びキャパシタ２２は、ほぼ等しい容量値を有している。差動発振器１００が負性抵抗を有する周波数におけるキャパシタ２１及びキャパシタ２２のリアクタンスは、共振器１のＱ値に実質的な影響を与えない程度に大きい。例えば、当該周波数において、キャパシタ２１及びキャパシタ２２のリアクタンスはキャパシタ２３のリアクタンスよりも大きい。

差動増幅回路３は、等価な回路から構成された増幅回路４及び増幅回路５と、バイパスコンデンサ６と、電源７とを有する。
増幅回路４は、トランジスタ４１、抵抗４２、抵抗４３、抵抗４４、抵抗４５、キャパシタ４６、キャパシタ４７及びキャパシタ４８を有する。トランジスタ４１のベースは共振器１の一端及びキャパシタ２１に接続され、コレクタは抵抗４２を介して電源に接続され、エミッタは抵抗４３を介してグランドに接続されている。トランジスタ４１のコレクタは、第１発振信号を出力する出力端子８に接続されている。

抵抗４４及び抵抗４５は、トランジスタ４１のバイアス抵抗として機能し、抵抗４４の一端は電源に接続され、他端はトランジスタ４１のベースと、抵抗４５と、共振器１の一端とに接続されている。キャパシタ４６は、トランジスタ４１のベースとエミッタとの間に設けられている。キャパシタ４７は、トランジスタ４１のエミッタとグランドとの間に設けられている。キャパシタ４８は、電源とグランドとの間に設けられたバイパスコンデンサである。

同様に、増幅回路５は、トランジスタ５１、抵抗５２、抵抗５３、抵抗５４、抵抗５５、キャパシタ５６、キャパシタ５７及びキャパシタ５８を有する。トランジスタ５１のベースは共振器１の一端及びキャパシタ２２に接続され、コレクタは抵抗５２を介して電源に接続され、エミッタは抵抗５３を介してグランドに接続されている。トランジスタ５１のコレクタは、第１発振信号と１８０°の位相差を有する第２発振信号を出力する出力端子９に接続されている。

抵抗５４及び抵抗５５は、トランジスタ５１のバイアス抵抗として機能し、抵抗５４の一端は電源に接続され、他端はトランジスタ５１のベースと、抵抗５５と、共振器１の一端とに接続されている。キャパシタ５６は、トランジスタ５１のベースとエミッタとの間に設けられている。キャパシタ５７は、トランジスタ５１のエミッタとグランドとの間に設けられている。キャパシタ５８は、電源とグランドとの間に設けられたバイパスコンデンサである。

以上の構成により、キャパシタ２３の容量値及びインダクタ２４のインダクタンス値に応じてフィルタ２のインピーダンス特性が定まり、共振器１が複数の共振モードを有している場合に、当該インピーダンス特性に応じた一の共振モードの共振周波数において差動発振器１００が発振する。

図４は、共振器１のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。図５は、差動発振器１００の負性抵抗の周波数特性の一例を示す図である。図４に示す例において、共振器１は、１０．０ＭＨｚを共振周波数とする主振動モードと、１０．９ＭＨｚを共振周波数とする副振動モードとを有する。

図５において、主振動モードの共振周波数である１０．０ＭＨｚにおける負性抵抗は約２００Ωであるが、副振動モードの共振周波数である１０．９ＭＨｚにおいては抵抗値が約２００Ωになっており、負性抵抗が存在しない。したがって、図４及び図５に示す例の場合、差動発振器１００は、主振動モードの共振周波数である１０．０ＭＨｚで発振し、副振動モードの共振周波数である１０．９ＭＨｚでの不要発振を防ぐことができる。

以上のとおり、本実施形態に係る差動発振器１００によれば、共振器１及び差動増幅回路３と並列にフィルタ２が設けられており、差動発振器１００は、フィルタ２のインピーダンスがより大きい周波数において負性抵抗を有し、フィルタ２のインピーダンスがより小さい周波数において負性抵抗を有しない。したがって、差動発振器１００は、フィルタ２のインピーダンス特性によって定められる所望の周波数で発振し、所望の周波数以外の周波数での発振が防止される。

＜第２の実施形態＞
図６は、第２の実施形態の差動発振器の構成例の詳細を示す図である。
第１の実施形態におけるフィルタ２は、キャパシタ２３及びインダクタ２４のいずれかの定数に基づいて共振周波数を変化させることができたが、キャパシタ２３及びインダクタ２４を実装した後に共振周波数を変化させることはできなかった。本実施形態に係るフィルタ２は、キャパシタ２３及びインダクタ２４を実装した後においても共振周波数を変化させることができる。したがって、本実施形態に係る差動発振器１００は、差動発振器１００が発振する周波数を外部からの制御により切り替えることができる点で、第１の実施形態に係る差動発振器１００と異なり、他の点で同じである。

具体的には、本実施形態に係るフィルタ２は、キャパシタ２３に代えて、外部から印加される制御電圧に応じて静電容量値が変化する可変容量素子２６を有する。フィルタ２のインピーダンス特性は、当該制御電圧に応じて変化する。可変容量素子２６は、例えばバリキャップダイオードであり、静電容量値が、容量端子間に印加される電圧の平方根に反比例する。

可変容量素子２６の静電容量値が大きくなればなるほど、フィルタ２の共振周波数が小さくなり、可変容量素子２６の静電容量値が小さくなればなるほど、フィルタ２の共振周波数が大きくなる。したがって、可変容量素子２６の両端間に印加する電圧を大きくすることで、フィルタ２の共振周波数が大きくなり、可変容量素子２６の両端間に印加する電圧を小さくすることで、フィルタ２の共振周波数が小さくなる。

以上のとおり、本実施形態に係る差動発振器１００においては、フィルタ２が可変容量素子２６を有することにより、外部から印加する電圧を制御することで、差動発振器１００が発振する共振モードを切り替えることができる。

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。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

例えば、上記の実施形態においては、トランジスタ４１及びトランジスタ５１が接合トランジスタである例を説明したが、トランジスタ４１及びトランジスタ５１が電界効果トランジスタであってもよい。また、上記の実施形態においては、共振器１が水晶振動子であるものとして説明したが、共振器１は、セラミック発振子、ＭＥＭＳ振動子のような他の共振器であってもよい。また、上記の実施形態においては、フィルタ２がキャパシタ２１及びキャパシタ２２を有する構成について説明したが、フィルタ２がキャパシタ２１及びキャパシタ２２のいずれか一方のみを有してもよい。

１共振器
２フィルタ
３差動増幅回路
５増幅回路
８出力端子
９出力端子
２０並列共振回路
１００差動発振器

Claims

少なくとも第１共振モードと第２共振モードとを有する共振器と、
前記共振器を発振させる差動増幅回路と、
前記共振器及び前記差動増幅回路と並列に設けられており、前記第１共振モードの第１共振周波数及び前記第２共振モードの第２共振周波数のいずれか一方の周波数におけるインピーダンスが、他方の周波数におけるインピーダンスよりも小さいフィルタと、
を備え、
前記第１共振周波数及び前記第２共振周波数のうち、前記フィルタのインピーダンスがより大きい周波数において負性抵抗を有し、前記フィルタのインピーダンスがより小さい周波数において負性抵抗を有しない、差動発振器。
前記フィルタは、
並列共振回路と、
前記並列共振回路の一端と前記共振器の一端との間に設けられた第１キャパシタと、
前記並列共振回路の他端と前記共振器の他端との間に設けられた第２キャパシタと、
を有する、
請求項１に記載の差動発振器。
前記並列共振回路は、互いに並列に接続されたインダクタ、第３キャパシタ及び抵抗を有し、
前記差動発振器が前記負性抵抗を有する周波数における前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタのリアクタンスは、前記第３キャパシタのリアクタンスよりも大きい、
請求項２に記載の差動発振器。
前記フィルタが可変容量素子を有し、前記可変容量素子に印加される制御電圧に応じて前記フィルタのインピーダンス特性が変化する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の差動発振器。