JPS6077504A - 発振器 - Google Patents

発振器

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JPS6077504A
JPS6077504A JP59116745A JP11674584A JPS6077504A JP S6077504 A JPS6077504 A JP S6077504A JP 59116745 A JP59116745 A JP 59116745A JP 11674584 A JP11674584 A JP 11674584A JP S6077504 A JPS6077504 A JP S6077504A
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capacitor
gain
inductor
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/027Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of logic circuits, with internal or external positive feedback
    • H03K3/03Astable circuits
    • H03K3/0307Stabilisation of output, e.g. using crystal
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S331/00Oscillators
    • Y10S331/03Logic gate active element oscillator

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は周波数を設定する回路に利得規定回路と水晶と
を有する発振回路に関する。このような発振回路は、利
得が最小レベルを越えるものとしては、低コストで信頼
できるものである。
[従来技術] 米国特許第3108223号は、増幅器と誘導子−キャ
パシタ(LC)タンク回路とを備え、フィードバック・
ループに水晶が存在する回路を開示している6しかし、
その増幅器は、利得を固定したものではなく、水晶と増
幅器の入力との間には、何ら回路部品が存在しない。こ
の米国特許が示している回路は、調波振動を制動するタ
ンク回路であり、フィードバック回路中の抵抗値を重要
なレベルにするものではない。
米国特許第4223524号は、異なる水晶増幅器を示
している。この増幅器は、入力と出力とをつなぐブリッ
ジ抵抗(以下単にブリッジ抵抗とする)を設けて、イン
バータとして用いたものである。ブリッジ抵抗を有する
インバータを用いて増幅動作させることは、当分野では
標準的な設計となっている。
米国特許第3911378号は、T T Lインバータ
回路を用いた異なる水晶発振器を示している。
[発明が解決しようとする問題点] ブリッジ抵抗を有する反転増幅器と、増幅すべき信号と
反転増幅器との間に設けた抵抗と、を備えるシステムか
らの利得は、それらの抵抗の比により限定されることは
、公知であった。しかし、このようなことを利用して、
使用回路部品に高精度を要求することなく、廉価で信頼
でき、しかもスプリアス発振を生じないような発振回路
を実現する試みは、先行技術では行なわれていなかった
即ち、従来の発振回路は、使用回路部品に高精度が要求
されるので高価になり、そして高価になるにもかかわら
ず信頼性に難があるという問題点を有していた。
[問題点を解決するための手段] 本発明の目的は、使用回路部品に高精度を要求すること
なく、廉価で信頼できしかもスプリアス発振を生じない
ような発振回路を提供することである。
本発明による発振回路では、ある固定利得を有する市販
のインバータを、フィードバック・ループ中の抵抗と組
合せて使用することが可能である。
インバータの入出力間には、ブリッジ抵抗を設ける。こ
れにより利得が少なくとも固定値となり、180°の移
相を有する増幅器が、定まる。誘導子の一方の端が、増
幅器の出力に直列につながり、キャパシタが、基準電圧
即ちアースと誘導子の他方の端との間につながっている
。これらによって、2番目の180°移相を提供するよ
うに同調した直列回路即ちLC回路が定まる。誘導子及
びキャパシタの接続点と増幅器の入力との間のフィード
バック回路に、水晶を設ける。水晶は、本質的に、移相
量における他の回路からの不完全さを補うのに必要なり
アクタンスのみを提供し、これにより、発振の周波数を
正確に制御することができる。
水晶を含むフィードバック回路における少なくとも所定
レベルの抵抗値により、最大実効増幅を次のような値に
設定することができる。即ち、ブリッジ抵抗値をフィー
ドバック回路の抵抗値で割った値にである。これによっ
て、水晶の調波周波数での発振を生じることになる増幅
の可能な変動(excursion )を制限できる。
使用する回路部品は、高精度である必要はなく、それ故
に、一般的に低コスト即ち廉価である。さらに1例えば
、水晶を含むフィードバック回路にさらにキャパシタを
用いると、不利な条件における回路の信頼性は、さら[
こ増し、これにより、水晶に実質的な誘導子の機能を与
えることになる。
その上、本発明による回路は、次のような利点を有する
。即ち、回路部品が公称値とは異なる値に変化している
ことがあっても、それらが少なくともある一定の公称値
範囲にある限り、スプリアス発振が生じないようにでき
ることである。
[実施例] 本発明による回路は、好ましくは、標準的なトランジス
タ・トランジスタ論理(TTL)技術で実施すると良い
。そのようなTTL技術は、単一モジュールにおいて3
個のTTLインバータ1゜3及び5を使用するものであ
り、他の回路部品が、通常のハンダ接続による個別部品
となっているものである。
典型的なT’ T Lモジュールは、次のような条件の
ときに少なくとも3の最小利得となるような仕様に変更
した74LSOOである。その条件とは、周波数が15
 M Hz以下、温度が25℃以上、リアクティブ負荷
(load of reactive)が35Ω以上及
び動作電圧が4.5v以上である。TTLモジュールの
表記は、初めの2つの数字74が、温度範囲を表わし、
LSという文字は、低電力のバイポーラトランジスタ回
路であることを示し、そして00という数字は、単一の
利用可能な入力端子を備えたNAND回路が4つ存在す
ることを示す。各NAND回路は、入力信号が内部のト
ランジスタにおけるベースへの制御信号であるときには
、最小の入力電流を引くものである。
そのようなインバータは、基本的な回路設計にもよるが
、もっばら正の極性となっている複数信号又はもっばら
負の極性となっている複数信号に応答する。そのような
信号は、Ovをわずかに越えたレベルにあるものと、(
典型的なしきい値は約1vであるが、)そのようなレベ
ルを越えたものとである。入力がしきい値より低いとき
は、出力のレベルは高くなる。入力がしきい値を越える
ときは、出力のレベルは低下する。こうして、反転動作
を行なっている。全ての出力は、入力と同じ極性(正又
は負)をなす。TTLモジュールの実際の回路部品につ
いて及びTTLモジュールの設計及び動作についてのさ
らに詳しいことは、本発明にとって重要ではないので、
省略することにする。
インバータ1の入力と出力との間にブリッジ抵抗7を設
けである。この抵抗値は、例えば、510Ωである。イ
ンバータ1の出力は、1.2μHの誘導子9の一方の端
につながっている。誘導子9の他方の端には、300P
Fのキャパシタ11の一方の端がつながっている。この
キャパシタ1■の他方の端は、基準電位源即ちアースに
っ′ながっている。
誘導子9とキャパシタ11との接続点は、直列に入力と
出力とを接続したインバータ3及び5に任意的なキャパ
シタ21を介してつながっており、こうして、インバー
タ5の出力から線13に12M Hzの方形波を提供す
ることができる。誘導子9とキャパシタ11との接続点
には、キャパシタ17を介して水晶15がつながってい
る。
水晶・15は1周波数制御に適応した標準的なものであ
る。水晶15がその最適周波数で動作するときは、水晶
15とキャパシタ17との直列接続には、何らリアクテ
ィブ成分は存在せず、水晶15には、多くても75Ωの
内部抵抗Rxが存在する。水晶は、本質的に、奇数倍の
調波周波数では減衰するがしかし上記と同様の効果を生
じるのに対して、偶数倍の調波周波数ではそのような効
果を生じない。水晶を使用する典型的な回路膜n1では
、多少のキャパシタンスが存在する。それ故に。
特定のキャパシタンスを有する直列回路における場合に
は、水晶をその特定の周波数となるように用いている。
水晶15の仕様から、直列に25pFが必要なので、キ
ャパシタ17を用いている。
また、水晶15と直列に、51Ωの抵抗19を用いてい
る。
回路動作は、自動的且つ固有なものである。通常の始動
電流が、誘導子9とキャパシタ11とのLC回路におい
て、共振を生じ、キャパシタ11間の電圧が、水晶15
及び抵抗19を含むフィードバック回路を経て、増大す
ることになる。回路は、まもなくして、インバータ1の
飽和によって制限を受けた定常状態の正弦動作になる。
その正弦動作のときには、インバータ1への入力の中心
は、インバータ1のしきい値と飽和値との間のルベルで
安定している。理想的には、インバータ1が180℃の
移相を提供し、誘導子9とキャパシタ11とのLC回路
が、フィードバックを強化するのに必要な2番目の18
0°移相を与える。
周波数が理想と異なるときは1回路に最適な周波数をも
たらすのに必要な容量性又は誘導性のりアクタンスを、
水晶15に適用する。キャパシタ17の機能は、もっば
ら、水晶15にその特定の特性をもたらすことである。
抵抗19を通る電流は、抵抗7を経て回路を流れる。図
示していないが、インバータ1.3及び5には、アース
及び動作電圧への接続が存在する。
これらのインバータは、無視しても良い入力電流を受け
入れてしまうので、重要でない電流は、インバータ1に
対してブリッジ抵抗7でバイパスしている。少なくとも
最小の出力リアクタンスを仮定すると、インバータ1の
利得は、実質的に固定したものになる。なぜなら、その
利得は5通常の動作条件下では、インバータ1の出力に
設けた負荷によって実質的に変化するようなことはない
からである。この実施例では、キャパシタ11と誘導子
9とのLC回路を発振器の周波数1.2 M I−1z
に同調したときには、キャパシタ11間の電圧は、最大
になるであろう。しかしながら、インバータ1に対して
設ける負荷は、キャパシタ11間でJ80°の移相を達
成するような誘導性でな(プればならない。これは、発
振器の機構において木質的なことである。従って、誘導
子9の実際のサイズは、次のように選択する。即ち、誘
導子9が、その公差乃至他の変動の範囲内で全ての場所
において、その共振周波数では、同様な条件のキャパシ
タ11よりも大きな共振を示すことになるようにである
キャパシタ11間に現われた正弦波をインバータ3及び
5に印加して、M、 13 ニ、T T L ニ使える
有用な方形波出力を与える。インバータ3の入力におけ
るキャパシタ21は、以下説明するように任意的なもの
である。キャパシタ21が回路に存在しないと仮定する
と、定常状態の動作では、インバータ3への入力は、イ
ンバータ1の飽和により制限を受ける。インバータ1が
飽和すると、インバータ1の出力側につながっているイ
ンバータ3は、必然的に過飽和になってしまう。抵抗1
9を介するフィードバック回路における減衰の程度によ
るが、インバータ1間の増加する発振サイクルの中心を
過ぎて、非常に速く飽和までインバータ3を駆動するこ
とは可能である。インバータ1.3及び5は、同じであ
りまた実質的に同じ条件にあるので、外部的な要因によ
りインバータ3の速いスイッチングに影響を与えないよ
うに、応答におけるそれらの変化は、互いに追跡関係に
あるべきである。インバータ5は、もう1つの位相反転
を与え、出力波をさらに方形にするように働く。従って
、次のような方形波が発生する。即ち、インバータ1を
サイン7の中心によりも高く駆動するときには、周期の
実質的に全期間中線13に高いレベルの方形波が生じ1
発振がサイクルの中心よりも低いときには、その期間中
、線13に低いレベルの方形波が生じるのである。
対称性(symmetry)を重要視するような場合に
は、インバータ3への入力に、キャパシタ21と誘導子
25を介してつながったインバータ23とを設ける。キ
ャパシタ21は、インバータ1の飽和期間中における非
線型性から生じる直流を分離する。
同時に、しきい値レベルにある直流信号を誘導子25を
介してインバータ23の入力に印加する。
インバータ23は、TTLモジュールにおける第4番目
のインバータであり、その出力をその人力に直接接続し
て、必然的に、しきい値にある入力を有するようになっ
ている。インバータ23の人力は、誘導子25を介して
インバータ30人力につながっている。この誘導子25
は、インバータ3への交流信号を、インバータ23の入
力における低インピーダンスから分離するのに十分な大
きさとなっている。やはり、インバータ1、X3.5及
び23は、ともにほとんど同じものであり、それ故に、
ともに変化を追跡する関係にある。インバータ3及び2
3は、同じものなのでインバータ23の入力における直
流のレベルは、絶えず、インバータ3のしきい値にある
。インバータ23からのノイズは、誘導子25とインバ
ータ23の入力との接続点につながったキャパシタ27
により、アースにバイパスする。
このような回路は、独特な利点を有する。そのような利
点は、後に説明する理論的な分析により明らかとなるが
、次のようなことである。即ち。
利得が非制限値まで上昇すると仮定し、一方、基本周波
数での発振を保証する場合でさえ、全く意図した確率で
スプリアス発振を除外できることである。それ故に、例
え回路部品に正確な応答が必要とさhず、また回路全体
が廉価となるようなことがあっても、高信頼性が必要な
実際の適用例について、自信を持って本発明を使用する
ことが可能である。
−的なルーブリ の 所与の周波数についての連続する正弦発振は。
次のようなときに、実現する。即ち、その周波数での回
路ループを巡る利得が、Jを越えるときである。回路の
分析は、テブナンの定理を用いて行うことができる。こ
の定理は、回路分析において線型回路網を、その回S網
の開放電圧に等しい電圧と、電圧Ovのときのその回路
網の測定インピーダンスとで置換できることである。
発振器のループをたどってみる。インバータ1の入力か
ら出力までの利得は、インバータ1の利得特性GIであ
る。信号を反転するとき、利得は、−GIである。
インバータ1の出力と誘導子9及びキャパシタ11の接
続点との間の回路部分を、テブナンの定理を用いて実効
部品に置換する。等値電圧GThは、キャパシタ11間
の電圧である。回路のこの部分は、キャパシタ1】及び
誘導子9の節11j、な電圧ブリッジをなす。
従って、直列回路における電圧についてのm qtな回
路分析により、次のようになる。即ち、ωは、角周波数
(ランフ2フ秒) Cは、キャパシタ11のキャパシタンスLは、誘導子9
のインダクタンス 前略化して、 インバータ1の出力へのインピーダンスが、無視できる
くらいに小さいとき、等価インピーダンスZThは、誘
導子9及びキャパシタ11の共通並列回路となる。従っ
て、 jωL−j/ωC 簡略化して、 発振器のフィードバック・ループ全体を巡るインピーダ
ンスからの利得GRは、簡単な抵抗分割器の条件となり
、発振器までの利得は、インバータ1への実効入力イン
ピーダンスに現われるその部分である。従って、 Zxは、水晶15及びキャパシタ]7のリアクティブ・
インピーダンスである。
Rxは、水晶15の抵抗性インピーダンスである。
Rinは、インバータ1の実効入力インピーダンスであ
る。
R19は、抵抗19の抵抗値である。
これら3つの成分G1.GTh及びGRが、利得の全成
分である。GIは、能動部品に関するので、通常、その
値は、■よりも大きくなる。GThの値は、1よりも大
きくなり得るし、一方、GRは、受動部品に関するもの
であり、分母にZThがあるので、その値は、1よりも
小さい。
従って、発振器を巡る全利得GLoopは、次のように
なる。即ち、 GLoop=−G I−GT h−GR先の式を代入す
ると 結局、Rinは1次のようなことを認識すれば、見出し
得る。即ち、インバータ1の入力に現われる実効抵抗値
により、電流が抵抗7を通るようになることをである(
インバータ1が引く電流は、無視できるので)。インバ
ータ1の出力電圧は。
入力電圧VinにGIを掛けたものになる。出力は反転
するので、抵抗7間の電圧は、V i n + GI・
vinである。即ちVin(GI+1)である。R7を
抵抗7の抵抗値とすると、抵抗7を両れる電流Iinは
、電圧を抵抗値で割ることにより、定まる。即ち。
実効抵抗値Rinは、入力において電圧を電流で割るこ
とにより、定まる。即ち、 Vin (GI+1) GI+1 これを式(1)に代入して、 −I R7 H’/ ZTh+Zx+Rx+R19+− GI÷1 式(2)により、回路全体についての確かな分析が可能
である。GIの値が非常に大きいと仮定すると、ループ
利得では、直接的に増大する部分(式(2)における分
子左側の項)と、ブリッジ・インピーダンスからの減少
する部分(式(2)における分子右側の項)とが存在す
る。GIについてのこれらの変化は、相殺することにな
り、利得全体は、変化しないことになる。
実際、次のことは、増幅器について公知であり、また、
理論的に説明することができる。即ち、インバータ増幅
器にブリッジ抵抗を設け、入力が必ず抵抗を通過するよ
うになっている場合には、インバータ増幅器間の利得は
、入力抵抗の抵抗値でブリッジ抵抗の抵抗値を割ったと
きの比により制限を受ける。この実施例では、これらの
抵抗は。
抵抗7 (R7)と、抵抗19 (R19)に水晶15
の抵抗(Rx)を加えたものとであり、最大利得は、−
R7/ (R19+Rx)である(負の符号は、増幅に
おける反転を表わす)、、このことは、理論的に示すこ
とができる。
誘導子9とキャパシタ11との接続点の電圧がvlと仮
定するインバータ1の利得が非常に大きくなるとき、R
19及びRxを流れる電流は、R19及びRx間の電圧
降下がVlに達するまで、増加することになり、インバ
ータ1の入力をOに近い電圧に保つことになる。電圧降
下を達成する。
抵抗R19と水晶15とを流れる電流は、Vl/(R1
9+Rx)である。この電流は、インバータ1が低電流
装置なので、必ず抵抗7を通過する。
従って、インバータ1の出力電圧V2は抵抗7を流れる
電流に基づくものでなければならな%N、 一方入力電
圧は、0である。従って、−V2/R7=V1/ (R
19+RX)、利得を定めるように変形すると、V2/
V1=−R7/ (R19+RX)となる。
再び、式(2)について検討する。この式の幾つかの項
は、所定の共振周波数又はその近くで多かれ少なかれ重
要となっていることに注意されたい。Zxは、理想的に
は、共振周波数で0である、キャパシタ11及び誘導子
9の値は、ω”LCが共振周波数で実質的に1より大き
くなるように、選ぶ。従って、共振周波数又はその近く
で、分母にω2LC−1を有する分子の項は、負になる
しかし、この項の値は、GIよりも実質的に小さくなる
ように選んである。分母左側の項にあるZ1゛hに琶、
同様に、ω”LC−1が存在する。従ってω2LCが増
加すると、分母は減少する。この分母左側の項における
ω2LC−1の及ぼす影響は、大体、前記分子の項にお
けるω”LC−1の及ぼす影響とは反対である。安定性
に及ぼす全閣体的な影響は大きくない。実際、先に述べ
たよつに、全体的な利得は、次のような比即ちR7/(
R19+Rx)による制限を受ける。
式(2)についての以上の考察から、次のことが明らか
になるであろう、即ち、回路は、回路の値の不正確さに
ついて非常に大きな許容誤差を有することである。設定
範囲を有する特定の回路値については、他の回路値の範
囲を計算することにより1次のことがわかる。即ち、イ
ンバータ1の利得が、公称の必要最小値よりも多少大き
ければ、発振を確実に行なうのに、何らきびしい許容誤
差も高い精度も必要でないことである。
調波については、水晶15及び他の水晶は1通常偶数調
波の効果を有していない61次の奇数調波では、式(2
)における分子の項に、次のような分母即ち、9ω”L
C−1が存在する。これは、利得の大きな低下を表わす
。式(2)におけるZThでも、分母に9ω”LC−1
が存在する。これにより、ZThの値は基体周波数のと
きの値よりも小さくなる。調波におけるZxの値は、0
と仮定する。ZThは、他の抵抗の項と同様、R19に
加算する。R19は、ZThよりもずっと大きいので、
ZTh及びZxについて換算しても、GLoopに及ぼ
す全体的な影響は、無視できる。従って、(ω”LC−
1)と(9ω2Lc−1)との違いによりGLoop全
体を1よりも小さくできる限り、調波を明白に抑制する
ことができる。回路全体の信頼性を保証するのに、GI
が特に大きな値である必要はないので、例え回路部品が
高精度なものでなくでも、調波における発振の抑制を保
証するように、容易に回路部品の大きさを選択すること
が可能である。対応する項がさらに大きくなると、高次
の調波が対応する。例えば、5次の調波では、対応する
項が25ω”LC−1になる。これは、そのような周波
数での発振をさらにより明白に抑制する。従って、この
ような回路は、突然スプリアス発振しだすようなことは
なく、非常に信頼できるものである。
位相に関し、さらに性能の考察を行なう。インバータ」
による反転が位相に関して不完全が場合には、フィード
バック・ループを巡って正確な360°の反転を捜す必
要から、水晶15は、誘導性又は容量性になる。こオ目
よ、式(2)における成分Zxに対応する。この成分は
、式(2)の分母に存在するが、R19に比べれば典型
的に小さなものである。その上、例えば誘導性の場合に
おけるZxによるリアクタんスは、利得GIにリアクテ
ィブ成分が存在することの直接的な結果である。GIは
、式(2)の主要な成分なので、ループ利得は、必ずし
も減少しないであろう。実際理論的には、GIの変化が
優位を占めるので、通常ループ利得は、増加することに
なる。特に、GLo。
pを1に設定して、a単な代数によりGIの必要な大き
さについて、式(2)を解くことができる。
即ち、 通常、(−1,) / (w”Lc−1)は、大体−1
となる。GIの前の負符号は、増幅器が反転動作するこ
とを表わす。GIの必要な大きさが減少することにより
、Zxが大きくなる場合でも所望の周波数での発振につ
いて十分な利得を保証することになる。明らかに、正確
な回路部品等は、何ら必要ない。
誘導子9とキャパシタ11とのLC回路の電流は、イン
バータ1の飽和により制限を受ける。これらの電流は、
大きくできるが、しかし 、典型的には、他の回路部品
を過熱する程大きくはできない。同様に、典型的な回路
では、過電流によって水晶15を損傷することはないで
あろう。なぜなら、そのような回路では、抵抗19対抵
抗7の比が主に重要になっているからである。それらの
抵抗は、水晶15を流れる過電流を無視できる程十分に
大きく選ぶことができる。この電流も、同様に、インバ
ータ1の飽和により制限を受ける。
即ち、インバータ1への入力電圧がインバータ1の出力
電圧をインバータ1の利得で割ったものに等しくなるま
で、電流は、増加する。もちろん、その利得は、発振を
起こすのにまさに十分な太きであり、従って、通常の有
効利得(active gain)よりも少なくともわ
ずかに小さくなっているものである。
[発明の効果] 本発明により、使用回路部品に高精度を要求することな
く、廉価で信頼できしかもスプリアス発振を生じないよ
うな発振回路を実現することができる。また、本発明に
より、水晶の調波周波数での発振を生じることになる増
幅の可能な変動を制限できる。これは、本発明が、反転
増幅器の利得を例えばブリッジ抵抗値をフィードバック
回路の抵抗値で割った比に限定するような固定すること
を、利用しているからである。
【図面の簡単な説明】
図は、本発明の1実施例の回路図である。 1・・・・インバータ、9・・・・誘導子、11・・・
・キャパシタ、15・・・・水晶、19・・・・抵抗。 (外1名)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 利得が実質的に固定された増幅器と、一方の端が前記増
    幅器の出力に接続された誘導子と、一方の端が前記誘導
    子の他勢力の端に接続され他方の端が基準電位源に接続
    されたキャパシタと、前記誘導子と前記キャパシタの接
    続点と前記増幅器の入力との間に直列に接続された抵抗
    及び周波数制御の水晶と、を備えた発振器。
JP59116745A 1983-09-26 1984-06-08 発振器 Granted JPS6077504A (ja)

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