JP2012138890A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 発振周波数の調整を容易に安価に行うことができると共に電源電圧変動による周波数変化を抑制できる圧電発振器を提供する。
【解決手段】 周波数調整回路と発振回路１とを備え、発振回路１の入力側に、可変容量ダイオードＤ３のカソードを接続し、更に当該カソードを第３の抵抗Ｒ３を介してポテンショメータＲｖの制御電圧電極に接続し、ポテンショメータＲｖには電源電圧Ｖｃｃがレギュレータ２を介して印加されるようになっているので、電源電圧の変動に対しても可変容量ダイオードＤ３のカソードに一定の電圧を印加して周波数変化を抑制でき、ポテンショメータＲｖから可変容量ダイオードＤ３のカソードに印加する電圧を変更することで周波数の調整を行う圧電発振器である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電発振器に係り、特に、発振周波数の調整を容易に安価に行うと共に電源電圧変動による周波数変化を抑制できる圧電発振器に関する。

［従来の技術］
発振器の発振周波数を調整する方法として、固定コンデンサを交換することにより負荷容量を変化させる方法がある。

［従来の圧電発振器：図５］
従来の圧電発振器について図５を参照しながら説明する。図５は、従来の圧電発振器の回路図である。
従来の圧電発振器は、図５に示すように、入力信号が第１の抵抗Ｒ１の一端に入力され、第１の抵抗Ｒ１の他端は、第１のダイオードＤ１のカソードと第２のダイオードＤ２のカソードが接続され、第１のダイオードＤ１のアノードは接地され、第２のダイオードＤ２のアノードは並列接続の容量Ｃ１，Ｃ２の一端に接続され、容量Ｃ１，Ｃ２の他端が発振回路１に接続され、第２のダイオードＤ２が第２の抵抗Ｒ２を介して接地されている構成である。

［従来の周波数調整方法］
図５の圧電発振器において、容量Ｃ２を設けず、容量Ｃ１だけで構成しておき、発振器の目標とする周波数に合わせて適切な容量Ｃ２を取り付けて、回路の負荷容量を大きくして発振周波数を調整している。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開２０００−１８３６５０号公報「圧電発振器」（東洋通信機株式会社）［特許文献１］がある。
特許文献１には、水晶発振器の周波数を制御するライン等が切断されても元の設定周波数を維持できることが記載され、第１の抵抗器とデジタル可変抵抗ＩＣ及び第２の抵抗器からなる直列接続回路の一端を水晶発振器の電源に接続し、他端を接地すると共にデジタル可変抵抗ＩＣの繻子力電圧を可変容量ダイオードのカソードに接続したことが示されている。

特開２０００−１８３６５０号公報

しかしながら、従来の圧電発振器では、周波数調整のために容量Ｃ２のコンデンサの取り付け、付け替え作業が必要となり、調整作業としては、容量Ｃ２のコンデンサチップを取り付ける前に、周波数測定を行い、半田塗布を行い、コンデンサチップを半田付けし、再度周波数を測定して確認し、半田付け確認を行うという大幅な工数が掛かるという問題点があった。

また、従来の圧電発振器では、水晶振動子の容量比のバラツキにより、１回の調整で規格内に入らない場合もある。

尚、特許文献１は、可変抵抗ＩＣによって周波数を微調整するものではあるが、電源電圧変動による周波数変化を抑制するための機能を備えていないものである。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、発振周波数の調整を容易に安価に行うことができると共に電源電圧変動による周波数変化を抑制できる圧電発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、周波数調整回路と、発振回路とを備えた圧電発振器であって、周波数調整回路は、制御電圧が入力される入力端子に第１の抵抗を介して第１のダイオードのカソードが接続され、第１のダイオードのアノードが接地され、入力端子に第２のダイオードのカソードが接続され、第２のダイオードのアノードが可変容量ダイオードのアノードに接続され、可変容量ダイオードのカソードが発振回路に接続され、第２のダイオードのアノード側と可変容量ダイオードのアノード側が第２の抵抗を介して接地され、可変容量ダイオードのカソードがポテンショメータの制御電圧を出力する制御電圧電極に接続され、ポテンショメータの一端には電圧を一定に保つレギュレータを介して電源電圧が接続され、ポテンショメータの他端が接地されていることを特徴とする。

本発明は、上記圧電発振器において、可変容量ダイオードのカソードとポテンショメータの制御電圧電極とは、第３の抵抗を介して接続されていることを特徴とする。

本発明は、上記圧電発振器において、ポテンショメータの接地される他端を、サーミスタを介して接地するようにしたことを特徴とする。

本発明は、上記圧電発振器において、サーミスタに第４の抵抗を並列接続したことを特徴とする。

本発明は、上記圧電発振器において、ポテンショメータが、内部の可変抵抗の値が変更されると、可変容量ダイオードに印加される電圧を制御するものであることを特徴とする。

本発明は、上記圧電発振器において、ポテンショメータが、可変容量ダイオードに印加する電圧を高くすることで容量を減少させて周波数を上げ、印加する電圧を低くすることで容量を増加させて周波数を下げる調整を行うことを特徴とする。

本発明は、上記圧電発振器において、ポテンショメータが、メモリを有するデジタルポテンショメータであり、メモリには可変抵抗の値が記憶されていることを特徴とする。

本発明によれば、周波数調整回路は、制御電圧が入力される入力端子に第１の抵抗を介して第１のダイオードのカソードが接続され、第１のダイオードのアノードが接地され、入力端子に第２のダイオードのカソードが接続され、第２のダイオードのアノードが可変容量ダイオードのアノードに接続され、可変容量ダイオードのカソードが発振回路に接続され、第２のダイオードのアノード側と可変容量ダイオードのアノード側が第２の抵抗を介して接地され、可変容量ダイオードのカソードがポテンショメータの制御電圧を出力する制御電圧電極に接続され、ポテンショメータの一端には電圧を一定に保つレギュレータを介して電源電圧が接続され、ポテンショメータの他端が接地されている圧電発振器としているので、発振周波数の調整を容易に安価に行うことができると共に電源電圧変動による周波数変化を抑制できる効果がある。

本発明によれば、ポテンショメータの接地される他端を、サーミスタを介して接地するようにした上記圧電発振器としているので、周囲温度に対応した温度補償ができ、周波数安定を高精度に行うことができる効果がある。

本発明によれば、ポテンショメータが、可変容量ダイオードに印加する電圧を高くすることで容量を減少させて周波数を上げ、印加する電圧を低くすることで容量を増加させて周波数を下げる調整を行う上記圧電発振器としているので、周波数の調整を安価で容易に行うことができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る第１の圧電発振器の回路図である。 可変容量ダイオードＤ３の印加電圧と周波数変化の関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る第２の圧電発振器の回路図である。 温度対周波数特性を示す図である。 従来の圧電発振器の回路図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る圧電発振器は、発振回路の入力側に設けられていた固定コンデンサ（並列接続の容量Ｃ１，Ｃ２）の代わりに、可変容量ダイオードを設け、可変容量ダイオードのカソード側を、抵抗を介してポテンショメータに接続し、更に電源電圧がレギュレータを介してポテンショメータに接続するものであり、可変容量ダイオードにより任意に分圧した電圧を発振回路の入力側に印加することができ、更にレギュレータによってポテンショメータに印加される電圧を一定に保つことができるので、電源電圧の変動があっても、周波数変動を防止できるものである。

また、本発明の実施の形態に係る圧電発振器は、上記構成において、ポテンショメータの接地される端子を、サーミスタを介して接地するようにしたものであり、これにより、周囲温度に対応して可変容量ダイオードに印加される電圧が変化し、可変容量ダイオードの容量も周囲温度に応じて変化して回路の温度補償が為され、周波数安定度を高精度にすることができるものである。

［第１の圧電発振器：図１］
本発明の実施の形態に係る第１の圧電発振器について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る第１の圧電発振器の回路図である。
本発明の実施の形態に係る第１の圧電発振器（第１の圧電発振器）は、図１に示すように、入力信号が入力端子から入力され、入力端子が第１の抵抗Ｒ１の一端に接続され、第１の抵抗Ｒ１の他端は、第１のダイオードＤ１のカソードと第２のダイオードＤ２のカソードが接続され、第１のダイオードＤ１のアノードは接地され、第２のダイオードＤ２のアノードは可変容量ダイオードＤ３のアノードに接続され、可変容量ダイオードＤ３のカソードが発振回路１に接続され、第２のダイオードＤ２のアノードと可変容量ダイオードＤ３のアノードが第２の抵抗Ｒ２を介して接地され、可変容量ダイオードＤ３のカソードが第３の抵抗Ｒ３を介してポテンショメータＲｖの制御電圧電極に接続され、ポテンショメータの一端には電源電圧Ｖｃｃがレギュレータ（ＩＣ）２を介して接続され、ポテンショメータＲｖの他端は接地されている構成である。

［各部：図２］
第１の圧電発振器の特徴的な各部について具体的に説明する。
可変容量ダイオードＤ３は、発振回路１に印加する電圧について容量を可変にすることで調整し、発振回路１での発振周波数を変更し、調整するものである。
可変容量ダイオードＤ３のアノード側は、第２の抵抗Ｒ２によって０Ｖの電位が与えられる。
そして、可変容量ダイオードＤ３のカソード側の電圧は、ポテンショメータＲｖによって制御されるものである。

ポテンショメータＲｖは、デジタルポテンショメータを用い、電源電圧が入力される電源電圧端子と、ＧＮＤ（グランド）に接続するアース端子と、制御された任意に電圧を出力する制御電圧電極とを備えている。
但し、電源電圧端子には、電源電圧が直接印加されるのではなく、レギュレータ２を介して印加されている。
そして、ポテンショメータＲｖの内部には、可変抵抗の値が設定されており、レギュレータ２からの電圧を分圧して、第３の抵抗Ｒ３を介して可変容量ダイオードＤ３のカソードに電圧を印加する。

レギュレータ（ＩＣ：Integrated Circuit）２は、電源電圧Ｖｃｃに対して常に一定電圧をポテンショメータＲｖの電源電圧端子に出力している。例えば、電源電圧が３．３Ｖとすると、ポテンショメータＲｖの電源電圧端子とＧＮＤとの間は、２．７Ｖの一定の電圧が印加されるものである。

このレギュレータ２により、電源電圧が変動したとしても、ポテンショメータＲｖの電源電圧端子に印加される電圧は一定であり、分圧された電圧も一定で、可変容量ダイオードＤ３のカソードに一定の電圧が印加され、可変容量ダイオードＤ３の容量も変動しないようになっている。

尚、通常のコルピッツ発振回路の場合、電源電圧が変動すると、発振用のトランジスタの容量が変化し、発振レベルの変化により周波数が変動することになる。
第１の圧電発振器では、周波数変動を抑えることができるため、従来の電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）と比較して、電源電圧の変動に対する周波数の変動を１／１０〜１／１００程度に改善することができる。

［動作］
次に、第１の圧電発振器における周波数調整の動作について説明する。
第１の圧電発振器で、発振周波数が目標の周波数より低い場合は、可変容量ダイオードＤ３のカソードに印加する電圧を高くするようポテンショメータＲｖで制御する。これにより、可変容量ダイオードＤ３の容量値を減少させて発振回路１から発振される周波数を上げることができる。

また、第１の圧電発振器で、発振周波数が目標の周波数より高い場合は、可変容量ダイオードＤ３のカソードに印加する電圧を低くするようポテンショメータＲｖで制御する。これにより、可変容量ダイオードＤ３の容量値を増加させて発振回路１から発振される周波数を下げることができる。

第１の圧電発振器で使用するデジタルポテンショメータは、揮発性及び不揮発性の２種類のメモリを内蔵しているので、抵抗値を一時的及び半永久的に保持することができる。
メモリに記憶された抵抗値は、外部からの制御装置で書き換え可能であり、また、複数の抵抗値をメモリに記憶しておき、外部からの制御装置で使用する抵抗値を選択するようにしてもよい。
これにより、メモリの抵抗値を用いて周波数の再調整が可能となるものである。

［印加電圧と周波数変化：図２］
可変容量ダイオードＤ３のカソードに印加される電圧と周波数変化の関係を図２に示す。図２は、可変容量ダイオードＤ３の印加電圧と周波数変化の関係を示す図である。ここで、横軸が印加される電圧（Ｖ）であり、縦軸が周波数変化幅（del_f_ppm）である。
図２に示すように、可変容量ダイオードＤ３のカソードに印加される電圧が変動すれば、周波数の変化状況が発生するものである。

［第２の圧電発振器：図３］
次に、本発明の実施の形態に係る第２の圧電発振器（第２の圧電発振器）について図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の実施の形態に係る第２の圧電発振器の回路図である。
第２の圧電発振器は、図３に示すように、第１の圧電発振器と同様であり、相違する点は、ポテンショメータＲｖのＧＮＤ側の端子が直接ＧＮＤに接続するのではなく、サーミスタ（ＮＴＣ：Negative Temperature Coefficient）ＴＨ１と抵抗Ｒ４の並列接続回路を介してＧＮＤに接続している。
つまり、ポテンショメータＲｖの他端に、サーミスタＴＨ１の一端及び抵抗Ｒ４の一端が接続され、サーミスタＴＨ１の他端及び抵抗Ｒ４の他端が接地されている。

可変容量ダイオードＤ３は、周波数調整用に用いられる素子であり、サーミスタＴＨ１と抵抗Ｒ４の構成を追加することにより温度補償を行う素子にもなる。
サーミスタＴＨ１は、本回路の周囲温度が変化すると、抵抗値を変化させ、可変容量ダイオードＤ３に印加される電圧も周囲温度と共に変化させるものである。
また、並列接続の抵抗Ｒ４は、温度対周波数特性のカーブをなだらかにする役割がある。
第２の圧電発振器によれば、周辺温度によって可変容量ダイオードＤ３の容量が変化し、発振回路１の出力周波数を変化させるメカニズムとなるため、温度対周波数特性を良好にできる効果がある。

［温度対周波数特性：図４］
近年、需要が増えているＥＣＬ（Emitter Coupled Logic：エミッタ結合理論）出力（ＰＥＣＬ［正のＥＣＬ］を含む）のバッファ回路に流れる電流によって発振器が発熱し、安定度の高精度化の妨げとなっていた。
第２の圧電発振器と第１の圧電発振器を比較した温度対周波数特性について図４を参照しながら説明する。図４は、温度対周波数特性を示す図である。図４の縦軸は周波数偏差（Deviation［ppm］）を示し、横軸は温度（Temperature［℃］）を示している。周波数偏差は、温度に対応する周波数の基準値から許容される偏差である。

第２の圧電発振器の特性は、小さな丸でつないだ曲線（ＴＨ１とＲ４あり）であり、第１の圧電発振器の特性は、小さな×でつないだ曲線（ＴＨ１とＲ４なし）である。
第２の圧電発振器は、第１の圧電発振器と比較して、温度に対する周波数の偏差が穏やかなカーブとなっている。
つまり、第２の圧電発振器によれば、回路の発熱による水晶振動子の周波数変化を回路側に容量制御によって温度補償を可能とし、周波数の自動調整機能を共存させることによって、高精度な周波数安定度を実現できる。

［実施の形態の効果］
第１の圧電発振器によれば、周波数調整回路と発振回路１とを備え、発振回路１の入力側に、可変容量ダイオードＤ３のカソードを接続し、更に当該カソードを第３の抵抗Ｒ３を介してポテンショメータＲｖの制御電圧電極に接続し、ポテンショメータＲｖには電源電圧Ｖｃｃがレギュレータ２を介して印加されるようになっているので、電源電圧の変動に対しても可変容量ダイオードＤ３のカソードに一定の電圧を印加して周波数変化を抑制でき、ポテンショメータＲｖから可変容量ダイオードＤ３のカソードに印加する電圧を変更することで周波数の調整を安価で容易に行うことができる効果がある。

第２の圧電発振器によれば、第１の圧電発振器の構成に、ポテンショメータＲｖのＧＮＤ側の端子をサーミスタＴＨ１と抵抗Ｒ４の並列接続を介して接地する構成を追加したものであり、これにより、周囲温度に対応して可変容量ダイオードＤ３に印加される電圧が変化し、可変容量ダイオードＤ３の容量も周囲温度に応じて変化して回路の温度補償が為されるため、周波数安定度を高精度にすることができる効果がある。

第１，２の圧電発振器によれば、ＰＣ（コンピュータ）、周波数カウンタを組み合わせた安価なシステムで、容易に周波数調整を行うことができる効果がある。
また、調整タクトは、従来の調整方法に比べて、１／１０程度になり、大幅な原価改善が期待できる。

本発明は、発振周波数の調整を容易に安価に行うことができると共に電源電圧変動による周波数変化を抑制できる圧電発振器に好適である。

１...発振回路、 ２...レギュレータ（ＩＣ）、 Ｒ１...第１の抵抗、 Ｒ２...第２の抵抗、 Ｒ３...第３の抵抗、 Ｒ４...第４の抵抗、 Ｄ１...第１のダイオード、 Ｄ２...第２のダイオード、 Ｄ３...可変容量ダイオード、 Ｒｖ...ポテンショメータ、 Ｃ１，Ｃ２...容量、 ＴＨ１...サーミスタ

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、周波数調整回路と、発振回路とを備えた圧電発振器であって、周波数調整回路は、制御電圧が入力される入力端子に第１の抵抗を介して第１のダイオードのカソードが接続され、第１のダイオードのアノードが接地され、入力端子に第１の抵抗を介して第２のダイオードのカソードが接続され、第２のダイオードのアノードが可変容量ダイオードのアノードに接続され、可変容量ダイオードのカソードが発振回路に接続され、第２のダイオードのアノード側と可変容量ダイオードのアノード側が第２の抵抗を介して接地され、可変容量ダイオードのカソードがポテンショメータの制御電圧を出力する制御電圧電極に接続され、ポテンショメータの一端には電圧を一定に保つレギュレータを介して電源電圧が接続され、ポテンショメータの他端が接地されていることを特徴とする。

本発明によれば、周波数調整回路は、制御電圧が入力される入力端子に第１の抵抗を介して第１のダイオードのカソードが接続され、第１のダイオードのアノードが接地され、入力端子に第１の抵抗を介して第２のダイオードのカソードが接続され、第２のダイオードのアノードが可変容量ダイオードのアノードに接続され、可変容量ダイオードのカソードが発振回路に接続され、第２のダイオードのアノード側と可変容量ダイオードのアノード側が第２の抵抗を介して接地され、可変容量ダイオードのカソードがポテンショメータの制御電圧を出力する制御電圧電極に接続され、ポテンショメータの一端には電圧を一定に保つレギュレータを介して電源電圧が接続され、ポテンショメータの他端が接地されている圧電発振器としているので、発振周波数の調整を容易に安価に行うことができると共に電源電圧変動による周波数変化を抑制できる効果がある。

Claims (7)

1. 周波数調整回路と、発振回路とを備えた圧電発振器であって、
   前記周波数調整回路は、制御電圧が入力される入力端子に第１の抵抗を介して第１のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのアノードが接地され、
   前記入力端子に第２のダイオードのカソードが接続され、前記第２のダイオードのアノードが可変容量ダイオードのアノードに接続され、前記可変容量ダイオードのカソードが前記発振回路に接続され、
   前記第２のダイオードのアノード側と前記可変容量ダイオードのアノード側が第２の抵抗を介して接地され、
   前記可変容量ダイオードのカソードがポテンショメータの制御電圧を出力する制御電圧電極に接続され、前記ポテンショメータの一端には電圧を一定に保つレギュレータを介して電源電圧が接続され、前記ポテンショメータの他端が接地されていることを特徴とする圧電発振器。
2. 可変容量ダイオードのカソードとポテンショメータの制御電圧電極とは、第３の抵抗を介して接続されていることを特徴とする請求項１記載の圧電発振器。
3. ポテンショメータの接地される他端を、サーミスタを介して接地するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電発振器。
4. サーミスタに第４の抵抗を並列接続したことを特徴とする請求項３記載の圧電発振器。
5. ポテンショメータは、内部の可変抵抗の値が変更されると、可変容量ダイオードに印加される電圧を制御するものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の圧電発振器。
6. ポテンショメータは、可変容量ダイオードに印加する電圧を高くすることで容量を減少させて周波数を上げ、印加する電圧を低くすることで容量を増加させて周波数を下げる調整を行うことを特徴とする請求項５記載の圧電発振器。
7. ポテンショメータは、メモリを有するデジタルポテンショメータであり、前記メモリには可変抵抗の値が記憶されていることを特徴とする請求項５又は６記載の圧電発振器。

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