JP2001217649A

JP2001217649A - 圧電発振回路

Info

Publication number: JP2001217649A
Application number: JP2000027881A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Yamakawa; 務山川; Kuichi Kubo; 九一久保
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2000-02-04
Filing date: 2000-02-04
Publication date: 2001-08-10

Abstract

(57)【要約】【目的】周波数可変幅が大きく雑音を小さくした圧電発
振回路を提供する。【構成】圧電振動子と発振回路とを接続して発振閉ルー
プを形成してなる圧電発振回路において、前記圧電振動
子の端子間に位相反転器とコンデンサの直列回路を接続
し、前記コンデンサの容量と前記圧電振動子の並列容量
とを相殺する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電振動子と発振
回路を接続して発振閉ループを形成してなる圧電発振回
路を産業上の利用分野とし、特に周波数可変幅を広げて
雑音を低減した圧電発振回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】（発明の背景）圧電発振回路は、圧電振
動子特に水晶振動子の共振特性に起因して周波数安定度
に優れ、種々の電子機器に周波数及び時間の基準源とし
て採用されている。近年では、発振周波数領域を広げて
生産性を高めるとともに電圧制御発振器に適した周波数
可変幅の大きな圧電振動子、及び通信機器における周波
数帯の狭帯域化及び高周波数化に伴い、雑音の少ない発
振回路が望まれている。

【０００３】（従来技術の一例）第５図は一従来例を説
明する圧電発振回路の図である。圧電発振回路は水晶振
動子１に発振回路２を設けて発振閉ループを形成してな
る。水晶振動子１は例えばＡＴカットとした、両主面に
励振電極３（ａｂ）及び引出電極４（ａｂ）を有する水
晶片５からなる（第６図）。なお、Ｖoは発振出力であ
る。そして、電気的な等価回路を直列容量Ｃ1、直列イ
ンダクタＬ1及び直列抵抗Ｒ1からなる直列腕に、励振電
極３（ａｂ）及び図示しないパッケージによる並列容量
（電極間容量）Ｃ0を接続した回路とする（第７図）。

【０００４】このような等価回路に基づく周波数に対す
るリアクタンス特性は、直列腕の直列容量Ｃ1と直列イ
ンダクタによる直列共振点ｆsと、直列アームと並列容
量Ｃ0による並列共振点ｆaを有する（第８図）。そし
て、直列共振点ｆsと並列共振点ｆaとの間の領域を誘導
性（インダクタ成分）とし、これ以外の領域を容量成分
とする。

【０００５】発振回路２は、第９図に示したように例え
ば水晶振動子１と共振回路を形成する発振用の分割コン
デンサ６（ａｂ）と、共振回路の出力を正帰還増幅する
ＣＭＯＳ型のインバータ増幅器（反転増幅器、以下では
帰還増幅器とする）７からなる。所謂コルピッツ型と同
種で、通常はインバータ発振器と称される。符号８は帰
還抵抗である。なお、インバータ増幅器７は一つの素子
として市販される。

【０００６】このようなものでは、水晶振動子１のイン
ダクタ成分となる周波数領域内でのみ発振し、発振周波
数が決定される。そして、水晶振動子１の両端子から見
た発振閉ループ内（発振回路２）の直列容量成分（所謂
負荷容量ＣL）と水晶振動子１のインダクタ成分が同一
リアクタンス（絶対値）となる周波数が発振周波数ｆ0
となる。

【０００７】通常では、下式に示したように、発振周波
数ｆ0は水晶振動子１の直列共振周波数ｆsからの周波数
偏差Δｆ／ｆsをもって表される。但し、Δｆ＝ｆ0−ｆ
s、γは容量比Ｃ0／Ｃ1である。そして、一般には、水
晶振動子１の容量比γを小さくすることによって周波数
偏差を広げ、これによって水晶振動子１の発振周波数領
域を大きくする。換言すると、直列共振周波数ｆsと反
共振周波数ｆaとの間のインダクタ成分となる誘導性領
域を広げて、周波数可変量を大きくする。 Δｆ／ｆs＝Ｃ1／２（Ｃ0＋ＣL）＝Ｃ0／２γ（Ｃ0＋ＣL）・・（１）

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の水晶発振器では、小型化に伴
って周波数可変量が小さくなる問題があった。すなわ
ち、周波数可変量は、前述のように周波数偏差Δｆ／ｆ
sにほぼ比例し、周波数偏差Δｆ／ｆsは前式から明らか
なように直列容量Ｃ1に比例し、容量比γに反比例して
小さくなる。そして、直列容量Ｃ1は、水晶片５に形成
した励振電極３（ａｂ）の電極面積に比例して小さくな
る。したがって、小型化が進み、水晶片５が小さくなる
ほど周波数可変量も小さくなる問題があった。

【０００９】そして、周波数可変量が小さくなると、す
なわち発振領域が狭くなると、発振回路２を構成する
際、水晶振動子１が適合しなくなる事態が生じて生産性
を悪くする。また、電圧制御発振器に適用する場合には
周波数可変幅が狭く、これを適用できない問題があっ
た。

【００１０】なお、水晶片５が小さくなると励振電極３
（ａｂ）の電極面積も小さくなって並列容量Ｃ0も小さ
くなり、前式から周波数偏差Δｆ／ｆsが大きくなる傾
向になるが、電極面積はクリスタルインピーダンス（Ｃ
Ｉ）を小さく維持するため最低限の大きさを必要とし
て、水晶片５の板面面積の多くを占める。したがって、
電極面積の減少による並列容量Ｃ0の減少率よりも、板
面面積の縮小による直列容量Ｃ1の減少率の方が大き
く、周波数可変量が小さくなる。

【００１１】また、前述の等価回路（第７図）で示した
ように、水晶振動子１は直列腕に対して励振電極３（ａ
ｂ）による並列容量Ｃ0が存在する。したがって、発振
周波数近傍の周波数成分が並列容量Ｃ0を経て帰還増幅
され、発振周波数に対する雑音が多くなる問題があっ
た。特に、発振周波数が高くなるほど、この問題は顕著
になる。

【００１２】（発明の目的）本発明は、周波数可変幅が
大きく雑音を小さくした圧電発振回路を提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】（着目点）本発明では、
圧電振動子に並列容量Ｃ0がなければすべてを解決でき
ると考え、圧電振動子の並列容量Ｃ0を相殺する点に着
目した。

【００１４】（解決手段）本発明は、第１図に原理図を
示したように発振閉ループを形成する圧電振動子１の端
子間にコンデンサ９と位相反転器１０の直列回路を接続
し、圧電振動子１の並列容量Ｃ0を相殺したことを基本
的な解決手段とする。

【００１５】

【作用】本発明では、発振ループを形成する圧電振動子
１の端子間にコンデンサ９と位相反転器１０の直列回路
を接続する。したがって、圧電振動子１の並列容量Ｃ0
による端子間出力と、コンデンサ９と位相反転器１０の
直列回路による端子間出力は互いに逆相となる。したが
って、並列容量Ｃ0とコンデンサ９の容量とが同一値で
あれば、端子間出力は互いに相殺される。そして、水晶
振動子の直列アームの端子間出力のみを抽出できる。以
下、本発明の一実施例を説明する。

【００１６】第１図は本発明の一実施例を説明する圧電
発振回路の図で、本発明をインバータ発振回路に適用し
た例である。なお、前従来例図と同一部分には同番号を
付与してその説明は簡略又は省略する。圧電発振回路２
は、前述したように水晶振動子１に発振回路２を接続し
て発振閉ループを形成する。そして、水晶振動子１の端
子間にコンデンサ９と位相反転器１０との直列回路を接
続する。コンデンサ９は並列容量Ｃ0の値と同一とす
る。そして、ここでの位相反転器１０は、帰還増幅器７
と同様のインバータ増幅器１０ａとして増幅率を−１と
する。

【００１７】このような構成であれば、帰還増幅器７か
らの出力は、水晶振動子１とコンデンサ９及び位相反転
器１０の直列回路に印加される。そして、直列回路の端
子間出力は位相反転器１０によって反転増幅される。し
たがって、水晶振動子１における並列容量Ｃ0の端子間
出力と直列回路の端子間出力とは互いに逆相となる。

【００１８】さらに、この例では、位相反転器１０（イ
ンバータ増幅器１０ａ）の増幅率を−１として、コンデ
ンサ９の容量を並列容量Ｃ0の値に一致させるので、並
列容量Ｃ0と直列回路との端子間の出力は同量でしかも
逆相となる。したがって、両者の出力は完全に相殺さ
れ、水晶振動子１の直列腕による出力のみとなる。すな
わち、水晶振動子１の並列容量Ｃ0は直列回路によって
相殺されたことになる。

【００１９】このようなことから、並列容量Ｃ0が相殺
されて０あるいは小さくなることによって周波数偏差Δ
ｆ／ｆsが大きくなり「前（１）式」、周波数可変量を
大きくできる。換言すると、前述したリアクタンス特性
の直列共振周波数ｆsと***振周波数ｆaとの間の誘導性
領域が大きくなって、発振領域を広げることができる。
特に、水晶振動子１の小型化が進み、等価直列容量Ｃ1
が小さくなるほど有利となる。

【００２０】そして、並列容量Ｃ0の端子間出力が直列
回路によって相殺されるので、並列容量Ｃ0を経て発振
閉ループ中に存在する雑音成分も相殺される。すなわ
ち、直列回路によって並列容量Ｃ0が相殺されて存在し
ないことになり、並列容量Ｃ0を経ての雑音は発生しな
い。したがって、共振状態にある直列腕のみの出力が発
振出力となるので、雑音を極力小さくする。例えば位相
雑音特性を良好にし、これらは発振周波数が高くなるほ
ど並列容量Ｃ0のリアクタンスが小さくなるので顕著な
効果となる。

【００２１】

【他の事項】上記実施例ではインバータ増幅器の増幅率
は−１としたが、多少の誤差があったとしても、相殺効
果を奏する。また、位相反転器１０は一つの素子として
市販されるインバータ増幅器１０ａを水晶振動子に並列
に接続して説明したが、例えばＦＥＴ（電界効果型トラ
ンジスタ）を用いて第３図や第４図に示したように構成
してもよい。

【００２２】すなわち、第３図のものでは、Ｎ型とした
ＦＥＴ１１のソースを接地してドレインを電源ＶDD側に
し、水晶振動子１の一端をドレインに他端を端子ａに接
続する。そして、コンデンサ９の一端をＦＥＴ１１のソ
ースに他端を水晶振動子１の他端に接続する。コンデン
サ９は前述のように水晶振動子１の並列容量と同一値に
する。そして、端子ａとアース間に位相調整用のコンデ
ンサ１２を接続する。また、ＦＥＴ１１のゲートには直
流阻止用のコンデンサ１３を接続して端子ｂを導出す
る。そして、端子ａｂ間に非反転型の正帰還増幅器１４
を接続して発振回路を形成する。なお、符号Ｒ（1、2、
3）はバイアス抵抗である。

【００２３】このようなものでは、概ね、水晶振動子１
と位相調整用のコンデンサ１２とアースを経てのＦＥＴ
１１で共振ループを形成し、これによる共振出力（共振
周波数）を正帰還増幅器によって増幅し、発振出力を得
る。なお、発振周波数は共振ループの特に水晶振動子
（インダクタ成分）とコンデンサ１２による共振周波数
に概ね依存し、厳格には前述のように水晶振動子１と水
晶振動子１の端子間から見た回路側の直列等価容量によ
って決定される。

【００２４】そして、ＦＥＴ１１のゲートに入力する信
号に対して、ドレイン側では反転信号となり、ソース側
では非反転信号となる。したがって、端子ａでは前述と
同様に水晶振動子１の並列容量Ｃ0とコンデンサ９によ
る出力が相殺されて、水晶振動子１の直列腕のみによる
出力となる。

【００２５】また、第４図のものでは、Ｎ型とした第１
及び第２のＦＥＴ１５（ａｂ）で差動型増幅器を形成し
て、即ち各ＦＥＴ１５（ａｂ）のソースを共通接続して
接地し、ドレインを電源ＶDD側にする。そして、第１Ｆ
ＥＴ１５ａのドレインと端子ａとの間に水晶振動子１
を、第２ＦＥＴ１５ｂのドレインと水晶振動子１の他端
の間にコンデンサ９を接続する。なお、符号１２は位相
調整用のコンデンサ、１３は直流阻止用のコンデンサ、
１４は非反転型の正帰還増幅器、Ｒ（4、5、6）はバイア
ス抵抗、Ｅは基準電圧である。

【００２６】このようなものでは、概ね、水晶振動子１
と位相調整用のコンデンサ１２とアースを経ての差動型
増幅器で共振ループを形成し、これによる共振出力（共
振周波数）を正帰還増幅器１４によって増幅し、発振回
路を形成する。そして、差動増幅器の端子ｂに入力する
信号に対して、第１ＦＥＴ１５ａのドレイン側では反転
信号となり、第２ＦＥＴ１５ｂのドレイン側では非反転
信号となる。したがって、前述同様に端子ａでは水晶振
動子１の並列容量Ｃ0とコンデンサ９による出力が相殺
されて、水晶振動子の直列腕のみによる出力となる。

【００２７】このようなことから、いずれの場合であっ
ても前述した実施例と同様に、並列容量Ｃ0が相殺され
て０あるいは小さくなることによって、周波数可変量を
大きくできるとともに並列容量Ｃ0を経て発振閉ループ
中に存在する雑音成分も相殺される。なお、これらの場
合でも、コンデンサ９と位相反転器１０の直列回路を水
晶振動子１の端子間に接続したことになり、等価的に第
１図の発振回路になる。そして水晶振動子を除くこれら
の回路を集積化して一つの素子にすることもできる。

【００２８】また、これらの例に限らず、バイポーラ型
のトランジスタを使用して位相を反転してもよく、要は
水晶振動子と並列に容量を接続して両者に互いに逆相と
なる帰還出力が印加されればよい。また、発振回路２は
インバータ（反転）増幅器や非反転増幅器を含めていず
れの増幅器を使用してもよく、要は第１図の発振回路に
集約されるものは本発明の技術的範囲に属する。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、発振閉ループを形成する圧電
振動子の端子間にコンデンサと位相反転器の直列回路を
接続し、圧電振動子の並列容量Ｃ0を相殺したので、周
波数可変幅が大きく雑音を小さくした圧電発振回路を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する圧電発振回路の図であ
る。

【図２】本発明の一実施例を説明する圧電発振回路の図
である。

【図３】本発明の他の実施例を説明する圧電発振回路の
図である。

【図４】本発明の更に他の実施例を説明する圧電発振回
路の図である。

【図５】従来例を説明する圧電発振回路の図である。

【図６】従来例を説明する水晶振動子（水晶片）の図で
ある。

【図７】従来例を説明する水晶振動子の等価回路図であ
る。

【図８】従来例を説明する水晶振動子のリアクタンス特
性図である。

【図９】従来例を説明する圧電発振回路の図である。

【符号の説明】

１水晶振動子、２発振回路、３励振電極、４引
出電極、５水晶片、６、９、１２、１３コンデン
サ、７インバータ、８抵抗、１０位相反転器、１
１、１５ＦＥＴ、１４増幅器．

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電振動子と発振回路とを接続して発振閉
ループを形成してなる圧電発振回路において、前記圧電
振動子の端子間に位相反転器とコンデンサの直列回路を
接続し、前記コンデンサの容量と前記圧電振動子の並列
容量とを相殺したことを特徴とする圧電発振回路。