JP6697339B2 - 水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は、水晶発振器に関する。

従来、水晶振動子の発振を、基本波による発振とオーバートーン発振とのいずれかに切り替えて発振させることが行われている。例えば、特許文献１には、水晶振動子の発振を基本波による発振とオーバートーン発振とのいずれかに切り替えるためのスイッチを有し、基本波による発振信号と、オーバートーン発振による発振信号とのいずれかを出力可能な水晶発振器を備えるＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）センサが開示されている。

図４は、特許文献１に記載の従来の水晶発振器１００の構成を示す図である。図４に示されるように、従来の水晶発振器１００は、水晶振動子１０１と、コンデンサ１０２、１０３と、増幅器１０４と、抵抗１０５、１０６と、スイッチ１０７とを備える。コンデンサ１０２、１０３は、一端が水晶振動子１０１に接続されており、他端がグランドに接続されている。増幅器１０４は、水晶振動子１０１に並列に接続されている。抵抗１０５、１０６のそれぞれは、スイッチ１０７を介して増幅器１０４に並列に接続されている。スイッチ１０７は、増幅器１０４に、抵抗１０５と抵抗１０６とのいずれを接続させるかを切り替える。従来の水晶発振器１００では、抵抗１０５と抵抗１０６とのそれぞれの抵抗値を、基本波による発振に対応する抵抗値、及びオーバートーン発振に対応する抵抗値とし、これらの抵抗のいずれかを増幅器１０４に接続させることにより、水晶振動子１０１の発振を基本波による発振とオーバートーン発振とのいずれかに切り替えることができる。

特開２００４−１８４２５６号公報

従来の水晶発振器１００に設けられているスイッチ１０７には、機械的なスイッチや電気的なスイッチを適用することができる。しかしながら、機械的なスイッチを適用すると、水晶発振器１００が大型化してしまい、ＱＣＭセンサを小型化しにくくなるという問題が発生する。

電気的なスイッチとしては、ＭＯＳアナログスイッチが汎用的であるが、ＭＯＳアナログスイッチにおける信号損失を低減するためには、ある程度の面積が必要となり、ＱＣＭセンサを小型化しにくくなる。また、ＭＯＳアナログスイッチの面積を増加させると、ＭＯＳアナログスイッチとグランドとの間に数１０ｐＦの大きな浮遊容量が発生す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、小型化が可能であるとともに浮遊容量が小さい、発振信号の周波数を切替可能な水晶発振器を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る水晶発振器は、水晶振動子と、前記水晶振動子とグランドとの間に設けられた複数のコンデンサと、前記水晶振動子に並列に接続された増幅器と、前記増幅器に並列に接続された第１帰還抵抗及び第２帰還抵抗と、前記第２帰還抵抗に直列に接続され、自身を導通状態及び非導通状態に切り替え可能な第１ダイオードと、を備える。

前記第１ダイオードは、前記水晶振動子を基本波で発振させる場合に、逆バイアス電圧が印加されることにより非導通状態となり、前記水晶振動子をオーバートーン発振させる場合に、順バイアス電圧が印加されることにより導通状態となることが好ましい。

前記水晶発振器は、前記水晶振動子に直列に接続されたダンピング抵抗と、前記ダンピング抵抗に並列に接続され、自身を導通状態及び非導通状態に切り替え可能な第２ダイオードとを更に備えてもよい。

前記第２ダイオードは、前記水晶振動子を基本波で発振させる場合に、逆バイアス電圧が印加されることにより非導通状態となり、前記水晶振動子をオーバートーン発振させる場合に、順バイアス電圧が印加されることにより導通状態となることが好ましい。

本発明によれば、小型化が可能であるとともに浮遊容量が小さい、発振信号の周波数を切替可能な水晶発振器を提供することができるという効果を奏する。

本実施形態に係る水晶発振器の構成を示す図である。 水晶振動子を基本波で発振させた場合の水晶発振器の回路側実部インピーダンス及び回路側負荷容量を示す図である。 水晶振動子をオーバートーン発振させた場合の水晶発振器の回路側実部インピーダンス及び回路側負荷容量を示す図である。 従来の水晶発振器の構成を示す図である。

［水晶発振器１の構成］
図１は、本実施形態に係る水晶発振器１の構成を示す図である。水晶発振器１は、水晶振動子Ｘ１と、コンデンサＣ１及びＣ２と、増幅器Ａ１と、第１帰還抵抗Ｒ１と、第２帰還抵抗Ｒ２と、第１ダイオードＤ１と、ダンピング抵抗Ｒ３と、第２ダイオードＤ２とを備える。

水晶振動子Ｘ１は、例えば、ＡＴカットの水晶振動子であり、基本波で発振するとともに、３次オーバートーンで発振する。本実施形態において、基本波による発振周波数は約１０ＭＨｚ、３次オーバートーンによる発振周波数は約３０ＭＨｚであるものとする。

水晶振動子Ｘ１とグランドとの間には、複数のコンデンサとしてコンデンサＣ１及びＣ２が設けられている。なお、本実施形態において、水晶振動子Ｘ１には、１つの電極対が設けられていることとするが、これに限らず、２つの電極対が設けられていてもよい。

コンデンサＣ１は、一端が水晶振動子Ｘ１に接続されているとともに他端がグランドに接続されている。コンデンサＣ２は、一端が水晶振動子Ｘ１に直列に接続されているダンピング抵抗Ｒ３に接続されているとともに他端がグランドに接続されている。コンデンサＣ１及びＣ２のそれぞれは、水晶振動子Ｘ１を発振させるための発振用のコンデンサである。

増幅器Ａ１は、水晶振動子Ｘ１に並列に接続されている。具体的には、増幅器Ａ１は、一端が水晶振動子Ｘ１に接続されており、他端が、ダンピング抵抗Ｒ３の一端に接続されている。増幅器Ａ１は、例えばインバータであり、入力された信号を反転及び増幅して出力する。また、増幅器Ａ１の出力側には、発振信号を出力するための出力端子Ｔ１が設けられている。

第１帰還抵抗Ｒ１及び第２帰還抵抗Ｒ２は、増幅器Ａ１に並列に接続されている。第１帰還抵抗Ｒ１及び第２帰還抵抗Ｒ２は、増幅器Ａ１によって増幅された信号の一部を逆位相で増幅器Ａ１の入力側に戻すために用いられる。第２帰還抵抗Ｒ２には、第１ダイオードＤ１が直列に接続されている。第２帰還抵抗Ｒ２は、第１ダイオードＤ１の状態を導通状態又は非導通状態に切り替えることにより、増幅器Ａ１の帰還抵抗として機能するか否かが切り替えられる。

ここで、第１帰還抵抗Ｒ１の抵抗値は、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる場合において適した抵抗値であり、第１帰還抵抗Ｒ１と第２帰還抵抗Ｒ２との並列抵抗の抵抗値は、水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させる場合において適した抵抗値であるものとする。

第１ダイオードＤ１は、自身を導通状態及び非導通状態に切り替え可能なＰＩＮダイオードである。具体的には、第１ダイオードＤ１は、アノードが増幅器Ａ１の出力側に接続されており、カソードが第２帰還抵抗Ｒ２に接続されている。また、第１ダイオードＤ１の両端には、第１ダイオードＤ１にバイアス電圧を印加するための端子Ｔｄ１１及びＴｄ１２が設けられている。

ダンピング抵抗Ｒ３は、水晶振動子Ｘ１に直列に接続されている。具体的には、ダンピング抵抗Ｒ３は、水晶振動子Ｘ１と、増幅器Ａ１の出力側との間に設けられている。ダンピング抵抗Ｒ３は、水晶発振器１を構成する発振回路の負性抵抗を調整するために用いられる。

第２ダイオードＤ２は、ダンピング抵抗Ｒ３に並列に接続され、自身を導通状態及び非導通状態に切り替え可能なＰＩＮダイオードである。具体的には、第２ダイオードＤ２は、アノードが水晶振動子Ｘ１の一端に接続されており、カソードが増幅器Ａ１の出力側に接続されている。第２ダイオードＤ２の両端には、第２ダイオードＤ２にバイアス電圧を印加するための端子Ｔｄ２１及びＴｄ２２が設けられている。

［水晶発振器１の動作］
続いて、水晶発振器１の動作について説明する。
水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる場合には、第１ダイオードＤ１に対応する端子Ｔｄ１１及びＴｄ１２に逆バイアス電圧が印加されるとともに、第２ダイオードＤ２に対応する端子Ｔｄ２１及びＴｄ２２に逆バイアス電圧が印加される。これにより、第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２は、非導通状態となる。

第１ダイオードＤ１が非導通状態の場合、増幅器Ａ１の帰還抵抗の抵抗値は、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる場合に適した、第１帰還抵抗Ｒ１の抵抗値となる。
また、第２ダイオードＤ２が非導通状態の場合、水晶振動子Ｘ１において発生した信号は、ダンピング抵抗Ｒ３を通過する。したがって、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる場合、ダンピング抵抗Ｒ３によって発振回路の負性抵抗が減少する。これにより、３次オーバートーンの発振周波数に対応する負性抵抗が減少し、３次オーバートーン発振が抑制される。なお、基本波の発振周波数に対応する負性抵抗も減少するが、基本波の発振周波数に対応する負性抵抗は元々大きいため、ダンピング抵抗Ｒ３によって負性抵抗が減少しても、基本波による発振が維持される。これにより、水晶振動子Ｘ１は、安定して基本波で発振する。

水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させる場合には、第１ダイオードＤ１に対応する端子Ｔｄ１１及びＴｄ１２に順バイアス電圧が印加されるとともに、第２ダイオードＤ２に対応する端子Ｔｄ２１及びＴｄ２２に順バイアス電圧が印加される。これにより、第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２は、導通状態となる。

第１ダイオードＤ１が導通状態の場合、増幅器Ａ１の帰還抵抗の抵抗値は、水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させる場合に適した、第１帰還抵抗Ｒ１及び第２帰還抵抗Ｒ２の並列抵抗の抵抗値となる。また、第２ダイオードＤ２が導通状態の場合、水晶振動子Ｘ１において発生した信号は、ダンピング抵抗Ｒ３を通過しないので、負性抵抗が減少しない。これにより、水晶振動子Ｘ１は、安定してオーバートーン発振する。

図２及び図３に、水晶発振器１におけるインピーダンス特性を示す。図２は、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させた場合の水晶発振器１の回路側実部インピーダンス及び回路側負荷容量を示す図である。図２は、水晶振動子Ｘ１を３次オーバートーン発振させた場合の水晶発振器１の回路側実部インピーダンス及び回路側負荷容量を示す図である。図２及び図３において実線は、回路側実部インピーダンスを示しており、破線は、回路側負荷容量を示している。

水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させた場合には、図２に示されるように、基本波の周波数に対応する１０ＭＨｚ付近の負性抵抗が約１０００Ωであるのに対して、３次オーバートーンの周波数に対応する３０ＭＨｚ付近の負性抵抗が消滅していることが確認できる。また、基本波の周波数に対応する負荷容量が約７ｐＦであることが確認できる。

また、水晶振動子Ｘ１を３次オーバートーン発振させた場合には、図３に示されるように、基本波の周波数付近の負性抵抗が消滅しており、３次オーバートーンの周波数付近の負性抵抗が約２００Ωであることが確認できる。また、３次オーバートーンの周波数に対応する負荷容量が約１２ｐＦであることが確認できる。

［本実施形態の効果］
以上のとおり、本実施形態に係る水晶発振器１は、第２帰還抵抗Ｒ２に直列に接続され、自身を導通状態及び非導通状態に切り替え可能な第１ダイオードＤ１を備える。また、水晶発振器１は、ダンピング抵抗Ｒ３に並列に接続され、自身を導通状態及び非導通状態に切り替え可能な第２ダイオードＤ２を備える。

このようにすることで、水晶発振器１は、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる場合と、オーバートーン発振させる場合とのそれぞれの発振周波数における負性抵抗の値を変化させ、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させるか、オーバートーン発振させるかを切り替えることができる。また、負性抵抗の値の切り替えをダイオードにより切り替えるので、機械的なスイッチやＭＯＳアナログスイッチを用いる場合に比べて、スイッチの面積を少なくすることができ、浮遊容量を小さくすることができる。

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。例えば、上述の実施形態では、第１ダイオードＤ１と第２帰還抵抗Ｒ２とを直列に接続し、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる場合に第１ダイオードＤ１を非導通状態にし、水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させる場合に第１ダイオードＤ１を導通状態にすることにより、増幅器Ａ１の帰還抵抗の抵抗値を切り替えたが、これに限らない。

例えば、第１帰還抵抗Ｒ１と第２帰還抵抗Ｒ２との並列抵抗の抵抗値を、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる場合において適した抵抗値とし、第１帰還抵抗Ｒ１の抵抗値を、水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させる場合において適した抵抗値であるものとしておき、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる場合に第１ダイオードＤ１を導通状態にし、水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させる場合に第１ダイオードＤ１を非導通状態にしてもよい。

また、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。

１・・・水晶発振器、Ｘ１・・・水晶振動子、Ｃ１、Ｃ２・・・コンデンサ、Ａ１・・・増幅器、Ｒ１・・・第１帰還抵抗、Ｒ２・・・第２帰還抵抗、Ｄ１・・・第１ダイオード、Ｒ３・・・ダンピング抵抗、Ｄ２・・・第２ダイオード、Ｔ１・・・出力端子、Ｔｄ１１、Ｔｄ１２、Ｔｄ２１、Ｔｄ２２・・・端子

Claims (2)

1. 水晶振動子と、
   前記水晶振動子とグランドとの間に設けられた複数のコンデンサと、
   前記水晶振動子に並列に接続された増幅器と、
   前記増幅器に並列に接続された第１帰還抵抗及び第２帰還抵抗と、
   前記第２帰還抵抗に直列に接続され、自身を導通状態及び非導通状態に切り替え可能な第１ダイオードと、
   前記水晶振動子に直列に接続されたダンピング抵抗と、
   前記ダンピング抵抗に並列に接続され、自身を導通状態及び非導通状態に切り替え可能な第２ダイオードであって、前記水晶振動子を基本波で発振させる場合に、逆バイアス電圧が印加されることにより非導通状態となり、前記水晶振動子をオーバートーン発振させる場合に、順バイアス電圧が印加されることにより導通状態となる第２ダイオードと、
   を備える水晶発振器。
2. 前記第１ダイオードは、前記水晶振動子を基本波で発振させる場合に、逆バイアス電圧が印加されることにより非導通状態となり、前記水晶振動子をオーバートーン発振させる場合に、順バイアス電圧が印加されることにより導通状態となる、
   請求項１に記載の水晶発振器。

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