JPH0654308U - 周波数変調回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 周波数変調回路において、発振回路の安定化
を図りながら、小さい入力信号で大きな変調指数による
変調を実現する。 【構成】 水晶振動子1と、反転増幅回路2と、直流電圧
帰還用抵抗R1と、可変容量回路が並列接続された周波数
変調回路において、可変容量回路を同一容量値の固定容
量C1a,C2aと同一特性を有した可変容量ダイオードD1,D2
で構成し、可変容量ダイオードD1,D2のカソード接続部
に入力信号に対応して変化する電圧を印加する。この回
路では、固有容量C1aと可変容量ダイオードD1の直列容
量及び固有容量C2aと可変容量ダイオードD2の直列容量
が等しい状態で同時に変化するため、発振回路が安定し
た状態で大きな変調指数を確保できる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は周波数変調回路に係り、特に水晶振動子又は圧電セラミック振動子と 反転増幅回路を用いた発振回路で発生される搬送波を入力信号で直接変調する回 路において、変調指数を大きく確保しながら安定した変調信号を得るための改良 に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来から、FM放送だけでなく、ワイヤレスマイク等の無線送受信機においても 周波数変調方式が採用されており、混信やノイズの影響が少ない高品質な通話が 行われている。 また、最近のワイヤレスマイクでは、その送信部に発振周波数が安定している 水晶振動子や圧電セラミック振動子とC-MOS構成の反転増幅回路を用いた発振回 路を設け、消費電力の低減化と安定した通信を実現させている。

【０００３】 そして、前記の発振回路を内蔵させた周波数変調回路は図５に示されるような 回路構成を有している。 同図において、1は水晶振動子、2はC-MOS構成の反転増幅回路、R1は直流電圧 帰還用抵抗、C1及びC2はそれぞれ信号の出力側及び入力側の接地回路に介在せし められた固定容量、Dは信号入力側で固定容量C2と直列接続されている可変容量 ダイオードであり、水晶振動子1と反転増幅回路2と直流電圧帰還用抵抗R1の並列 回路に対して、固定容量C1,C2と可変容量ダイオードDの直列回路を並列接続させ て発振回路を構成させている。尚、前記の発振回路に含まれている抵抗R2は寄生 発振防止用の抵抗であり、また図５ではインダクタンスL1が水晶振動子1と直列 に挿入された場合も示しているが、その趣旨については後述する。 一方、信号の入力回路は、直流成分を除去する結合コンデンサ(電解コンデン サ)C3と、入力抵抗R3と、逆バイアス電圧を与えるためのプルアップ抵抗R4とで 構成されており、前記発振回路の可変容量ダイオードDに逆バイアスをかけた入 力信号を印加させることにより、前記の発振回路で発生せしめられている搬送波 を入力信号で変調する方式を採用している。

【０００４】 ここで、前記の発振回路の発振原理は次のように解説される。 先ず、水晶振動子1の等価回路は図６(A)で表され、振動子の実行抵抗R0と固有 インダクタンスL0と固有容量C0からなる直列回路と電極間の静電容量C(但し、C ≫C0)が並列接続された共振回路に置換えることができ、２端子間のインピーダ ンスが最小となる共振周波数frと、前記インピーダンスが最大となる反共振周波 数faはそれぞれ次の数式１及び数式２で与えられる。

【０００５】

【数１】

【０００６】

【数２】

【０００７】 また、水晶振動子1のインピーダンス特性及び位相特性はそれぞれ図７の(A)及 び(B)で示され、前記の共振周波数frと反共振周波数faの間では位相が90°だけ 遅れた状態でインピーダンス|Z|が増加する誘導性を有し、その周波数の範囲で は、更に簡略化した等価回路として、図６(B)のように抵抗ReとインダクタンスL eの直列回路に置換えることができる。 一方、発振の条件は、反転増幅回路2と帰還回路のループゲインが１以上で、 移相量が360°の整数倍であればよく、この回路では反転増幅回路2の移相量が18 0°であるため、帰還回路での移相量を180°とし、反転増幅回路2の増幅率を十 分にとってあれば発振条件を満たして発振することになる。

【０００８】 また、図５で示した発振回路は、周波数がfr＜ｆ＜faの範囲では図８に示すよ うな基本回路へ置換えることができ、所謂コルピッツ発振回路と同一の回路構成 となり、この場合の発振周波数foscは次の数式３(近似式)で与えられる。

【０００９】

【数３】

【００１０】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、前記の周波数変調回路で、その変調指数を大きく設定する場合には 、従来から、入力信号の振幅を大きくする方法と、図５に示したように水晶振動 子1と直列にインダクタンスL1を挿入する方法が採用されている。 しかし、入力信号の振幅を大きくする方法では、入力信号を増幅する増幅器の 電源電圧を高く設定する必要があり、バッテリ電源を用いているワイヤレスマイ ク等においては電力消費が大きくなるために好ましくない。

【００１１】 一方、インダクタンスL1を挿入する方法では、あまり大きなインダクタンスL1 が付加されると発振回路が不安定になるという問題が発生する。 この場合、インダクタンスL1の挿入によって、反共振周波数faは変化しないが 、共振周波数frは数式３のLeが(Le＋L1)になることによって僅かに低い周波数と なり、水晶振動子1の誘導性周波数範囲を低い方へ拡大することになって、変調 指数をより大きくできることになる。 しかし、インダクタンスL1を大きくすると、図７に示したインピーダンス特性 や位相特性のリニアリティが損なわれて発振回路が不安定化し、引いては入力信 号の変化に出力信号の周波数変化が対応しなくなって受信側での復調が不完全に なる。

【００１２】 そこで、本考案は、前記のような問題点を発生させることなく、簡単な回路構 成で変調指数を大きくすることが可能な周波数変調回路を提供することを目的と して創作された。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

本考案は、水晶振動子又は圧電セラミック振動子若しくは前記振動子とインダ クタンスの直列回路と、反転増幅回路と、直流電圧帰還用抵抗と、可変容量回路 を並列接続させた発振回路を有し、前記可変容量回路の容量を入力信号で変化さ せることにより前記発振回路の発振周波数を変化させる周波数変調回路において 、前記可変容量回路が同一特性を有した２個の可変容量ダイオードの各カソード 側を接続すると共にその各アノード側に同一の固定容量を接続した直列回路であ り、その可変容量回路のカソード接続部に入力信号に対応して変化する電圧を印 加させることを特徴とした周波数変調回路に係る。

【００１４】

【作用】

本考案によれば、ほぼ同一特性を有した２個の可変容量ダイオードとその各ア ノード側に接続されたほぼ同一の固定容量が、図８における容量C1とC2dを構成 することになり、発振回路は入力信号がある場合にも常に両者がほぼ同一の容量 値にある状態で発振することになる。

【００１５】 発振回路の発振周波数は、数式３に示したように、常に可変容量回路の直列容 量に依存しており、従来のように出力側と入力側の各容量C1とC2dをアンバラン スな状態で変調がかけられると、奇数次高周波発振やスプリアス発振等の異常発 振が発生する。 本考案は、前記のように出力側と入力側の各容量が常にほぼ同一値となる状態 で変化するために異常発振を発生させず、常に安定した発振状態を維持できる。 また、数式３によれば、C1＝C2dの条件下で各容量C1,C2dを同時に変化させた 方がfoscを大きく変化させることができ、それだけ変調指数を大きくすることが 可能になる。

【００１６】 尚、可変容量ダイオードのアノード側に接続された各固定容量は、発振回路側 と可変容量回路側との間で直流電圧成分をカットする役割も果たしている。

【００１７】

【実施例】

以下、本考案の周波数変調回路の実施例を図１から図４を用いて説明する。 図１は周波数変調回路の電気回路図を示し、水晶振動子1とC-MOS構成の反転増 幅回路2と直流電圧帰還用抵抗R1が並列接続され、また寄生発振防止用の抵抗R2 が挿入されている構成は図５の場合と同様であるが、本実施例では、前記の並列 回路の両端子がそれぞれ固定容量C1aと抵抗R5の直列回路及び固定容量C2aと抵抗 R6の直列回路を介して接地されており、且つそれらの直列回路における固定容量 C1a,C2aと抵抗R5,R6の各接続部に対して２個の可変容量ダイオードD1,D2が内蔵 されたバック・ツー・バック型バリキャップユニット3の各アノード端子が接続さ れて発振回路が構成されている点に特徴がある。 但し、固定容量C1aとC2aの値、及び抵抗R5とR6の値は同一であり、またバリキ ャップユニット3の各可変容量ダイオードD1とD2の特性は同一である。

【００１８】 そして、バリキャップユニット3のカソード側端子はバイアス抵抗R7とバイパ スコンデンサC4で接地されており、図５と同様の結合コンデンサC3と入力抵抗R3 とプルアップ抵抗R4からなる信号入力回路によってバリキャップユニット3のカ ソード側端子へ入力信号が印加される。 従って、各可変容量ダイオードD1,D2は、その各アノード端子が高抵抗値を有 した抵抗R5,R6を介してGND電位に保たれており、信号入力回路からの入力信号に 対応した逆方向電圧に応じて各容量を同時に変化させる。

【００１９】 その結果、固定容量C1aと可変容量ダイオードD1、及び固定容量C2aと可変容量 ダイオードD2で構成された各回路の直列容量は常にほぼ等しい状態で変化し、発 振回路は入力信号に対応してその発振周波数を変化させる。

【００２０】 ここで、前記の回路をモデル化し、図３に示すように、C1aとD1及びC2aとD2の 各直列容量をそれぞれ可変コンデンサC11とC21に置換え、各可変コンデンサC11 とC21を変化させたときの変調指数の変化を求めてみると図４に示すようなグラ フになる。 即ち、可変コンデンサC11を20pFに固定した状態で可変コンデンサC21を10pF〜 60pFの範囲で変化させた場合と、双方の可変コンデンサC11,C21をC11＝C21の条 件下で同時に10pF〜60pFの範囲で変化させた場合の変調指数の変化を対比させて あるが、後者の場合の変調指数が前者の場合の約２倍になっていることが理解さ れる。

【００２１】 ところで、図１の回路では、前記のように可変容量ダイオードD1,D2がD1＝D2 の条件で入力信号に対応して同時に変化し、また固定容量C1a,C2aはC1a＝C2aで あることから、前記のモデル回路における後者の場合と同様の条件で動作するこ とになり、従来の図５で示される回路のように入力側の直列容量のみを変化させ る場合より変調指数を大きくすることができる。 また、固定容量C1aと可変容量ダイオードD1、及び固定容量C2aと可変容量ダイ オードD2で構成される各直列容量は入力信号の如何に関わらず常に同一の変動状 態を保つため、各直列容量が一定値以上に設定されていれば、奇数次高周波発振 やスプリアス発振等の異常発振が発生することがなく、安定した発振状態での周 波数変調が実現できる。

【００２２】 更に、この実施例の周波数変換回路においても、図２に示すように水晶振動子 1と直列にインダクタンスL1を挿入させてもよい。 但し、この場合に挿入されるインダクタンスL1はバリキャップユニット3の機 能と相俟って変調指数を大きくするものであり、その誘導係数は小さいもので足 りる。即ち、インダクタンスL1のみで変調指数を大きくする場合には、図５の回 路で説明したように発振回路が不安定化するが、図２の回路ではインダクタンス L1の誘導係数はそのような不安定化を招かない範囲で設定されている。 そして、逆の観点からみれば、インダクタンスL1の挿入により、バリキャップ ユニット3に対する入力信号の振幅が小さくとも変調指数が大きくできるという 利点がある。

【００２３】 尚、本実施例では水晶振動子1を用いた周波数変調回路について説明したが、 圧電セラミック振動子を用いた場合においても当然に同様の動作を行い、変調指 数を大きく確保しながら安定した変調信号が得られる。

【００２４】

【考案の効果】

本考案の周波数変調回路は、以上の構成を有していることにより、次のような 効果を奏する。 水晶振動子又は圧電セラミック振動子若しくは前記振動子とインダクタンスの 直列回路と、反転増幅回路と、直流電圧帰還用抵抗と、可変容量回路を並列接続 させた発振回路を有し、前記可変容量回路の容量を入力信号で変化させて搬送波 を変調する周波数変調回路において、同一特性の２個の可変容量ダイオードから なる簡単な回路で、発振回路の安定性を確保しながら変調指数を大きく設定する ことを可能にする。 特に、入力信号の振幅が小さい場合にも搬送波の周波数を大きく変化させるこ とができ、消費電力の低減化によってワイヤレスマイク等のバッテリ電源で動作 する送信機に最適な変調回路を提供する。更に、前記の用途に限らず、その安定 した変調機能によりVTRの輝度信号変調回路等にも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る周波数変調回路の電気回路図であ
る。

【図２】実施例に係る周波数変調回路の電気回路図であ
る。

【図３】モデル化した発振回路の電気回路図である。

【図４】図３における容量C11,C21を変化させた場合の
変調指数の変化を示すグラフである。

【図５】従来の周波数変調回路の電気回路図である。

【図６】水晶振動子の等価回路図である。

【図７】水晶振動子のインピーダンス特性及び位相特性
を示すグラフである。

【図８】従来の周波数変調回路における発振回路の電気
回路図である。

【符号の説明】

1…水晶振動子、2…反転増幅回路、3…バリキャップユ
ニット、C…振動子の電極間の静電容量、C0…振動子の
固有容量、C1,C1a,C2,C2a…固定容量、C2d…固定容量C2
と可変容量ダイオードDの直列容量、C11,C21…可変コン
デンサ、C3…結合コンデンサ(電解コンデンサ)、C4…バ
イパスコンデンサ、D,D1,D2…可変容量ダイオード、fa
…反共振周波数、fr…共振周波数、L0,Le…振動子の固
有インダクタンス、L1…挿入インダクタンス、R1…直流
電圧帰還用抵抗、R2…寄生発振防止用抵抗、R3…入力抵
抗、R4…プルアップ抵抗、R5,R6…GND電位を与える抵
抗、R7…バイアス抵抗。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 水晶振動子又は圧電セラミック振動子若
   しくは前記振動子とインダクタンスの直列回路と、反転
   増幅回路と、直流電圧帰還用抵抗と、可変容量回路を並
   列接続させた発振回路を有し、前記可変容量回路の容量
   を入力信号で変化させることにより前記発振回路の発振
   周波数を変化させる周波数変調回路において、前記可変
   容量回路がほぼ同一特性を有した２個の可変容量ダイオ
   ードの各カソード側を接続すると共にその各アノード側
   にほぼ同一の固定容量を接続した直列回路であり、その
   可変容量回路のカソード接続部に入力信号に対応して変
   化する電圧を印加させることを特徴とした周波数変調回
   路。