JP2014096631A

JP2014096631A - 自励発振回路

Info

Publication number: JP2014096631A
Application number: JP2012245518A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Koyama; 光明小山; Takeshi Muto; 猛武藤; Manabu Ishikawa; 学石川
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2014-05-22
Also published as: CN103812444A; TW201419750A; US20140125422A1

Abstract

【課題】駆動電流が小さく、安定な周波数信号を発振可能な自励発振回路を提供する。
【解決手段】自励発振回路は、自励発振する発振部１と、この発振部１で発振された周波数信号を増幅して当該発振部に帰還させる増幅部３と、を備え、これら発振部１と増幅部３とを含む発振ループの中に、その共振周波数が発振部１の発振周波数の近傍であり、且つ、発振部１よりもＱ値が高い共振子５を備える。例えば、共振子５のＱ値は、前記発振部１のＱ値の１０倍以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、自励発振する発振部を備える自励発振回路に関する。

水晶振動子を備えた発振回路は、情報・通信分野で広範囲に活用されており、一層の小型化、省電力化と共に高い周波数安定性が要求されている。一般に、水晶振動子は、その小型化に伴って、安定に動作させることが可能な駆動電流の上限（耐駆動電流）が低下することが知られている。一方、電子雑音や温度変化に対する発振周波数の安定性を考慮すると、水晶振動子を発振させる駆動電流を耐駆動電流よりも小さくすることが困難な場合もある。

例えば引用文献１には、圧電振動子の表面に形成された吸着層に、液体中の感知対象物を吸着させて感知する感知装置において、圧電振動子を発振させる駆動電流を０．３ｍＡ以下とすることにより、圧電振動子の自己発熱を抑え、感知対象物の吸着に起因する周波数の変化分を正確に把握する技術が記載されている。しかしながら、引用文献１には圧電振動子に供給する駆動電流を低減したときに生じる上述の課題を解決する手法については記載されていない。

また、引用文献２には、水晶振動子からなるオーバートーン発振子を備えたコルピッツ型の発振回路の発振ループ内に、水晶振動子からなるオーバートーン共振子を設け、所定のオーバートーン周波数を通過させるフィルターとして利用することにより、発振周波数の帯域を狭くする手法が記載されている。この引用文献２においても駆動電流を低減しつつ、安定な発振周波数を得る技術は記載されていない。

特開２０１１−１５７７５１号公報：請求項１、段落００１１特開２００２−２３２２３４号公報：段落０００３〜００１３、図３

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、駆動電流が小さく、安定な周波数信号を発振可能な自励発振回路を提供することにある。

本発明に係る自励発振回路は、自励発振する発振部と、この発振部で発振された周波数信号を増幅して当該発振部に帰還させる増幅部と、を備えた自励発振回路において、
前記発振部と増幅部とを含む発振ループの中に、その共振周波数が前記発振部の発振周波数の近傍であり、且つ、前記発振部よりもＱ値が高い共振子を設けたことを特徴とする。

上述の自励発振回路は、下記の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記共振子のＱ値は、前記発振部のＱ値の１０倍以上であること。
（ｂ）前記発振部は、ＬＣ発振回路またはＲＣ発振回路であること。
（ｃ）前記共振子は、圧電振動子またはＭＥＭＳ振動子であること。また、前記圧電振動子は、水晶振動子であること。
（ｄ）前記共振子の共振周波数は、前記発振部の発振周波数の±１０％の範囲内にあること。
（ｄ）前記発振部を発振させるための駆動電流が０．３ｍＡ以下であること。

本発明によれば、自励発振を行う発振部は、比較的小さい駆動電流で発振可能なため、省電力化を図ることができることに加え、アクティブティディップやフリークエンシーディップが発生しにくい。また、発振ループ中に、発振部よりもＱ値が高い共振子を設けているため、同共振子の引き込み現象により、自励発振回路全体の周波数特性を向上させることができる。

本発明の実施の形態を示すコルピッツ型の自励発振回路である。前記自励発振回路に設けられている回路部品である。前記回路部品の一部拡大平面図である。前記自励発振回路に設けられる共振子を構成する水晶振動子である。前記共振子を構成するＳＡＷ振動子の第１の例である。前記共振子を構成するＳＡＷ振動子の第２の例である。前記共振子を構成するＭＥＭＳ振動子の例である。前記自励発振回路の第１の変形例である。前記自励発振回路の第２の変形例である。前記自励発振回路の第３の変形例である。前記自励発振回路の第４の変形例である。ピアス型の自励発振回路の構成例である。クラップ型の自励発振回路の構成例である。バトラー型の自励発振回路の構成例である。ＲＣ発振回路により発振回路部を構成した自励発振回路の例である。実施例に係る自励発振回路の温度周波数特性である。比較例に係る自励発振回路の温度周波数特性である。

図１は本発明の自励発振回路の実施形態を示す回路図である。図１の回路はコルピッツ型の発振回路として構成されており、発振部１はインダクタ１１とコンデンサ１２とを直列に接続したＬＣ発振回路である。発振部１の一端側は、増幅部であるＮＰＮ型のトランジスタ３のベースに接続されている。トランジスタ３は、発振部１にて発振された周波数信号を増幅して当該発振部１に帰還させるためのものである。トランジスタ３のベース側には分圧用コンデンサ２３、２４の直列回路が発振部１と並列に設けられ、これらコンデンサ２３、２４の中間点はトランジスタ３のエミッタに接続されている。

また直流電源部Ｖｃｃにより＋Ｖｃｃの直流電圧がブリーダ抵抗３１、３２の直列回路に印加され、ブリーダ抵抗３１、３２の中間点の電圧がトランジスタ３のベースに供給される。３３はコンデンサ、２５は帰還抵抗である。
一方、トランジスタ３のエミッタ側は、出力周波数信号を取り出すためのコンデンサ４１を介して出力端子４０に接続されている。

上述の構成を備えた本例の発振回路において、デバイスの小型化のため例えばインダクタ１１、コンデンサ１２、分圧用コンデンサ２３、２４は、共通の回路部品１００として構成されている。図２、図３に示すように、回路部品１００は、例えば数ｍｍ角程度の寸法の水晶基板１０１上に成膜された金属膜をフォトリソグラフィ法などによりエッチングして形成されている。

水晶基板１０１は、例えばＡＴカット水晶板であり、比誘電率εが４．０程度、電気エネルギーの損失（誘電正接：ｔａｎδ）が０．００００８程度となっている。従って、この水晶基板１０１のＱ値は、１２５００（＝１／０．００００８）程度となっている。

また、上記の各コンデンサ１２、２２、２３は、図２（ａ）では簡略化して描画しているが、実際には図３の拡大図に示すように、例えば互いに平行となるように形成された１対の共通電極部２０１と、これらの共通電極部２０１から櫛歯状に互いに交差するように伸び出すＩＤＴ（Interdigital transducer）電極指２０２群と、を備えた櫛歯電極により構成されており、各々の共通電極部２０１が後述の接続端子１０２やインダクタ１１に接続されている。

一方、インダクタ１１は、導電線路であるストリップラインにより構成されており、また、コンデンサ１２、２３が接続されている電極膜は、接地電極１０３であり、これら接地電極１０３やインダクタ１１、コンデンサ２２、２３と接触するように設けられた凸部は接触端子１０２である。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したＡ−Ａ線にて回路部品１００を切断した縦断側面図を示している。

このように、発振部１を含む回路部分が静電正接の極めて小さい（Ｑ値の高い）水晶基板１０１上に形成されていることにより、例えば従来用いられているフッ素樹脂基板（Ｑ値＝１０００）に当該回路部分を形成する場合に比較して、広い周波数帯に亘って位相雑音が極めて低く抑えられることができる（詳細には、特開２０１１−８２７１０の図１０及びその関連記載を参照）。
またフォトリソグラフィ法により発振部１（インダクタ１１、コンデンサ１２）、コンデンサ２２、２３をワンチップ化できるので、小型で物理的な衝撃などにも強い回路部品１００を構成できる。
但し、上記回路部品１００は１つの好適例を示したものであり、通常のフッ素樹脂基板上などにインダクタ１１やコンデンサ１２、その他の回路部分の素子を並べて図１に記載の自励発振回路を構成してもよいことは勿論である。

以上に説明したように、ＬＣ発振回路からなる発振部１を備えた自励発振回路は、例えば水晶振動子を発振部とする水晶発振回路に比べて小さい駆動電流で周波数信号を発生することができる。特に、小さな駆動電流で発振するＬＣ発振回路には、水晶振動子に連続した温度変化を加えたときに発生する急激な周波数変動や抵抗変動（アクティブティディップ、フリークエンシーディップ）が発生しにくいという利点がある。

一方で、一般にＬＣ発振回路を発振部１とする自励発振回路は、水晶発振回路に比べて周波数安定性に劣り、このためＬＣ発振回路よりも水晶発振回路が幅広く活用されているという実情がある。そこで本例の本例の自励発振回路は、図１に示すようにコンデンサ２３、２４の中間点とトランジスタ３のエミッタとの間に共振子（水晶振動子５）を設けることにより、自励発振回路全体の周波数安定性を向上させているという点に特徴を有している。

図４に示すように本例の自励発振回路に設けられている水晶振動子５は、ＡＴカットされた短冊型の水晶片５０の表裏両面に、互いに対をなす電極５１、５２を設けたものである。これらの電極５１、５２の各々は、矩形の励振電極５１ａ（５２ａ）と、この励振電極５１ａ（５２ａ）から引き出される引き出し電極５１ｂ（５２ｂ）とを備えている。水晶片５０の表面側の引き出し電極５１ｂは裏面側に引き回され、このため裏面側において引き出し電極５１ｂ、５２ｂが平面的に互いに異なる位置にて並んで配置される格好になる。

本自励発振回路の発振ループ中に、上述の構成を備える水晶振動子５を設けた場合の作用について述べる。例えば２０〜３０ＭＨｚの周波数信号を発振する自励発振回路の場合に、ＬＣ発振回路のＱ値は１００〜１０００程度である一方、水晶振動子５は１０^４〜１０^６オーダーの高いＱ値が得られる。このように高いＱ値を持つ水晶振動子５を、発振部１（ＬＣ発振回路）と増幅部（トランジスタ３）とを含む発振ループ中に設けると、水晶振動子５による引き込み現象（同期現象）の影響を受けて発振ループ全体の周波数安定性が向上することを発明者らは見出した。言い替えると、水晶振動子５を設けることにより、発振ループ中のＬＣ発振回路のＱ値が水晶振動子５のＱ値に置き換わったかのように自励発振回路を作動させることができる。

ここで、自励発振回路の発振は、発振部１のＬＣ発振回路にて行われており、発振ループ中に設けられた水晶振動子５は、所定の周波数の周波数信号を通過させるフィルターとして作用しているに過ぎない。このため、発振部１を発振させる駆動電流を０．３ｍＡ以下、好ましくは、０．２〜０．３ｍＡの範囲にまで低減することが可能であり、この条件下で発振をさせてもアクティブティディップやフリークエンシーディップが発生しにくいことも確認している。

水晶振動子５の共振周波数は、発振部１の発振周波数と一致していることが好ましいが、一致していない場合であっても水晶振動子５の共振周波数は、発振部１の発振周波数の近傍であればよい。「水晶振動子５の共振周波数が、発振部１の発振周波数の近傍である」とは、発振部１にて発振した周波数信号の少なくとも一部が水晶振動子５を通過することが可能であり、発振ループが発振可能であることをいう。この観点において、水晶振動子５の共振周波数が、発振部１の発振周波数の±１０％の範囲内にあれば、発振部１の発振周波数にて発振ループを発振させて周波数信号を得ることができる。

本実施の形態に関わる自励発振回路によれば以下の効果がある。自励発振するＬＣ発振回路からなる発振部１を備えているので、駆動電流を小さくして省電力化を図ることができることに加え、アクティブティディップやフリークエンシーディップが発生しにくい。また、発振ループ中に、発振部１よりもＱ値が高い共振子（水晶振動子５）を設けているため、同共振子の引き込み現象により、自励発振回路全体の周波数特性を向上させることができる。

なお、図１において水晶振動子５が設けられている位置は、背景技術にて挙げた特許文献２（特開２００２−２３２２３４）の図３に記載の水晶発振回路においてオーバートーン共振子（水晶振動子）が設けられている位置と一致している。しかしながら、引用文献２に記載のオーバートーン共振子は、発振子を成す他の水晶振動子にて発振したオーバートーンを含む周波数信号から、所定の次数のオーバートーンを通過させる波形整形のためのフィルターとして設けられているものである。一方で、ＬＣ発振回路を発振部１とする場合には、オーバートーンを含まず波形の整った周波数信号が発振されるので、波形整形という観点でフィルターを設ける必要がない。このように本例の水晶振動子５は、引き込み現象という独自の作用を得るために設けられたものであり、引用文献２に記載のオーバートーン共振子とは役割が異なっている。

ここで、自励発振回路の発振ループ中に設けられる共振子は、少なくとも発振部１のＱ値よりも高いＱ値を持つものであれば、引き込み現象により周波数特性を向上させる作用を発揮することができる。実用的には、例えば発振部１のＱ値の１０倍以上のＱ値を持つ共振子を設ければ、より顕著に周波数安定性を向上させることができる。

この観点において、既述のように極めて高いＱ値を有する水晶振動子５は、本自励発振回路の周波数安定化に好適な共振子であるといえる。ここで本発明に適用可能な水晶振動子５は、図４に示した、厚みすべり振動を利用するＡＴカットの水晶振動子５に限定されるものではない。発振部１の発振周波数などに応じて種々のカット（ＳＣカット、Ｘカット等）、形状（円板形状や音叉形状等）の水晶振動子５を利用することができる。
また、発振ループ内に設ける共振子の種類は水晶を利用した水晶振動子５に限られるものではなく、他の種類の圧電材料を利用した圧電振動子などであってもよい。例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などを利用したセラミック振動子や、電磁界共振により誘電体の共振器を共振させる誘電体フィルターなどを例示することができる。

さらに、これら圧電材料を利用する振動子は、バルク波を用いるものに限られず、図５、図６に示すようにＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：弾性表面波）を用いるものであってもよい。図５中、６０は圧電材料からなる圧電片でありこの圧電片６０にＳＡＷ振動子６ａが設けられている。このＳＡＷ振動子６ａは、圧電片６０の表面に、各々ＩＤＴ電極６１により構成した送信電極６２及び受信電極６３がＳＡＷの伝播方向に並べて配置されている。入力ポート６４から入力された周波数信号のうち、ＩＤＴ電極６１の構成により決定される共振周波数の信号が大きな電力強度で出力ポート６５から出力される。また、図６のＳＡＷ振動子６ｂは、縦結合型の振動子であり、図６中、図５と同符号の部分は、共通の構成要素を示している。６６はグレーティング反射器、６１はＩＤＴ電極である。

このほか、自励発振回路の発振ループ中に設けられる共振子は、圧電振動子に限られるものではなく、機械的要素部を含んだＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動子を用いてもよい。図７（ａ）、（ｂ）には、支持柱７２に支持された円板状のディスク７１を機械的要素部とし、このディスク７１との間に隙間を開けて４つの電極７３、７４を設けたディスク振動子７を示している。４つの電極７３、７４は、２個ずつ対になっており、これら２組の電極７３、７４（第１の電極７３、第２の電極７４）が、ディスク７１を挟んで互いに交差する方向に配置されている。

そして、第１の電極７３の対に接続された入力ポート７５と、第２の電極７４の対に接続された出力ポート７６との間に所定の周波数の周波数信号が入力されると、ディスク７１と電極７３、７４との間の静電容量の変化に応じてディスク７１にワイングラスモードの振動が発生し、振動子として作用する。
本例においても自励発振回路の発振ループ中に設けることが可能な共振子は、図７に示したディスク振動子７の例に限られるものではなく、他の形状の機械的要素部を含んだＭＥＭＳ振動子を用いてもよいことは勿論である。

次に、自励発振回路のバリエーションについて説明する。図８は、共振周波数の周波数調整の目的で、水晶振動子５の後段にコンデンサ８１を直列接続した例である。このコンデンサ８１は、水晶振動子５と並列接続にしてもよいが、直列接続の方が並列接続よりも周波数調整範囲が広くなる。

また図９に示すように、周波数調整用のコンデンサ８１の後段に駆動電流制御用の可変抵抗８２を設けてもよく、このコンデンサ８１についても水晶振動子５に対して並列に接続してもよい（図１０）。図１０の例において可変抵抗８２は、トランジスタ３のエミッタ側に設けられた帰還抵抗２５への影響を避けるため、分圧用コンデンサ２３、２４と水晶振動子５との間に接続されている。

以上、図１、図８〜図１０においては、分圧用のコンデンサ２３、２４とトランジスタ３のエミッタとの間に水晶振動子５を設けた例を示したが、水晶振動子５を設ける位置は、発振部１と増幅部（トランジスタ３）とを含む発振ループ中であればこの位置に限られない。図１１に示すように、トランジスタ３のコレクタとブリーダ抵抗３１との間に水晶振動子５を設けるようにしてもよい。

さらに、自励発振回路の種類はコルピッツ型に限られない。図１２に示すピアス（Pierce）型の自励発振回路の発振ループの中に共振子（例えば水晶振動子５）を設けてもよいし、図１３に示すクラップ（Clapp）型の自励発振回路や、図１４に示すバトラー（Butler）型の自励発振回路の発振ループの中に共振子を設けてもよい。ここで図１２〜図１４の各図において、トランジスタ３に併記したｂ、ｃ、ｅの符号は各々、ベース、コレクタ、エミッタを表わしている。

さらに、自励発振回路の発振部はＬＣ発振回路によって構成する場合に限らず、ＣＲ発振回路を用いてもよい。図１５には、コンデンサ１２（Ｃ）と抵抗１３（Ｒ）とからなる回路部分を３段接続したＣＲ発振回路を発振部１ａとし、この発振部１ａと増幅部（トランジスタ３）とを含む発振ループ中に引き込み用の共振子（水晶振動子５）を設けた自励発振回路である。

（実験）
発振ループ中に水晶振動子５を設けた自励発振回路と、従来の水晶発振回路の発振周波数の温度特性を比較した。

Ａ．実験条件
（実施例）ＬＣ発振回路により発振部１を構成し、発振ループ中に水晶振動子５を設けた図１の自励発振回路を−３０℃〜＋８５℃の温度条件下で発振させて周波数温度特性を計測した。発振部１の発振周波数は２６．０ＭＨｚ、駆動電流は０．２６ｍＡであり、水晶振動子５はＡＴカット、共振周波数が２６．０ＭＨｚのものを用いた。水晶振動子５から見た能動回路側（発振部１、ブリーダ抵抗３１、３２、分圧用コンデンサ２３、２４を含む回路側）の負荷容量成分は、比較例と一致させた。周波数の測定は国際規格（IEC 60444-7）に基づいて行った。
（比較例）ＬＣ発振回路に替えてＡＴカット、２６．０ＭＨｚの水晶振動子を発振部に設け、引き込み用の水晶振動子５を設けていない点以外は実施例と同様の回路構成を備える水晶発振回路を用い、実施例と同様の条件下で周波数温度特性を計測した。

Ｂ．実験結果
実施例の結果を図１６に示し、比較例の結果を図１７に示す。これらの図において横軸は温度［℃］、縦軸は周波数偏差（発振周波数ｆに対する周波数変化量ｄｆの比ｄｆ／ｆ）［ｐｐｍ］を示す。
図１６に示した実施例の結果によれば、０．２６ｍＡという低い駆動電流にて、広い温度範囲（−３０℃〜＋８５℃）に亘って周波数偏差の値が０〜＋０．１［ｐｐｍ］の範囲内収まり、安定した周波数温度特性を発揮している。

一方、比較例においては、当該水晶発振回路を安定して発振させるのに１．０ｍＡと実施例に比べて高い駆動電流が必要であったばかりでなく、温度条件が＋７０℃を超えたところで（図１７中、破線で囲んで示してある）周波数偏差が＋０．５〜−０．２［ｐｐｍ］程度まで急激に変動するアクティブティディップ、フリークエンシーディップが観察された。これら実施例と比較例とを比べた結果からも自励発振するＬＣ発振回路を発振部１に設け、発振ループ中に共振器（水晶振動子５）を設けた自励発振回路は、駆動電流の低い条件下で、安定した周波数温度特性を発揮できているといえる。

１、１ａ発振部
１１インダクタ
１２コンデンサ
３トランジスタ
５水晶振動子

Claims

自励発振する発振部と、この発振部で発振された周波数信号を増幅して当該発振部に帰還させる増幅部と、を備えた自励発振回路において、
前記発振部と増幅部とを含む発振ループの中に、その共振周波数が前記発振部の発振周波数の近傍であり、且つ、前記発振部よりもＱ値が高い共振子を設けたことを特徴とする自励発振回路。
前記共振子のＱ値は、前記発振部のＱ値の１０倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の自励発振回路。
前記発振部は、ＬＣ発振回路またはＲＣ発振回路であることを特徴とする請求項１または２に記載の自励発振回路。
前記共振子は、圧電振動子またはＭＥＭＳ振動子であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の自励発振回路。
前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項４に記載の自励発振回路。
前記共振子の共振周波数は、前記発振部の発振周波数の±１０％の範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の自励発振回路。
前記発振部を発振させるための駆動電流が０．３ｍＡ以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の自励発振回路。