JP2021122100A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造工程を簡略化して製造コストを低減させ、製品の製造バラツキを低減させることができる水晶発振器を提供する。【解決手段】 発振回路部の発振子４と後段のフィルタ部の水晶フィルタ５の２個の水晶振動子を使用した超低ノイズの水晶発振器であり、発振回路部に直列接続のコンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）１１，１２とインダクタ（Ｌ）２１とを並列接続するバトラー（Butler）回路を用いたものであり、製造工程を簡略化して製造品質を向上させ、フロアノイズ特性を良好にした水晶発振器である。【選択図】 図１

Description

本発明は、２個の水晶振動子を使用した超低ノイズの水晶発振器に係り、特に、製造工程を簡略にして製造品質を向上させ、フロアノイズ特性を良好にできる水晶発振器に関する。

［従来の技術］
従来の水晶発振器は、発振回路部の発振子と後段のフィルタ部の水晶フィルタの２個の水晶振動子を使用した超低ノイズの水晶発振器がある。

［超低ノイズ水晶発振器：図３］
超低ノイズ水晶発振器について図３を参照しながら説明する。図３は、超低ノイズ水晶発振器の簡略回路図である。
超低ノイズ水晶発振器は、図３に示すように、発振回路部と後段のフィルタ部とから構成されている。

発振回路部は、増幅器（Ａｍｐ）１と、発振子（Ｘ１）４とから構成されている。そして、Ａｍｐ１と後段のフィルタ部の増幅器（Ａｍｐ）２が直列接続され、Ａｍｐ１と発振子４とが並列接続されている。
発振子４は、水晶振動子であり、特定周波数の発振を行う。
Ａｍｐ１は、発振子４の発振周波数を増幅する。

後段のフィルタ部は、増幅器（Ａｍｐ）２と、水晶フィルタ（Ｘ２）５と、増幅器（Ａｍｐ）３とから構成されている。そして、水晶フィルタ５の一端は、Ａｍｐ２の出力に接続し、水晶フィルタ５の他端は、Ａｍｐ３の入力に接続している。
Ａｍｐ２は、Ａｍｐ１からの出力を増幅して水晶フィルタ５に出力する。
水晶フィルタ５は、Ａｍｐ２からの発振周波数について特定の周波数帯域を通過させてＡｍｐ３に出力する。
Ａｍｐ３は、水晶フィルタ５からの入力を増幅し、出力端子（Ｏｕｔ）に出力する。

従来の超低ノイズ水晶発振器は、発振回路部での発振子４の発振周波数と後段のフィルタ部の水晶フィルタ５の中心周波数を一致させることで、超低ノイズ特性を備えている。
尚、発振回路部では、コルピッツ（Colpitts）回路が用いられている。

［コルピッツ回路：図４］
発振回路部で用いられるコルピッツ回路について図４を参照しながら説明する。図４は、コルピッツ回路の概略回路図である。
コルピッツ回路は、図３のＡｍｐ１と発振子４に相当しており、図４に示すように、水晶振動子の発振子４と、ＮＰＮ型トランジスタ（Ｑ１）１０と、コンデンサ（Ｃ１）１１と、コンデンサ（Ｃ２）１２とを備えている。

そして、発振子４の一端がトランジスタ１０のベース（Ｂ）に接続し、他端が接地されている。
また、コンデンサ１１の一端が、トランジスタ１０のベースに接続され、コンデンサ１１の他端が、コンデンサ１２の一端に接続され、コンデンサ１２の他端が接地されている。つまり、コンデンサ１１とコンデンサ１２は、直列接続されている。

そして、トランジスタ１０のコレクタ（Ｃ）に電源電圧が印加され、トランジスタ１０のエミッタ（Ｅ）がコンデンサ１１の他端とコンデンサ１２の一端とを接続する線に接続されている。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開２００２−２３２２３６号公報「複合型水晶振動子及びこれを用いた水晶発振器」（特許文献１）がある。
特許文献１には、小型化を促進して経済性に優れた発振子と共振子を備えた複合型水晶振動子が示されている。

特開２００２−２３２２３６号公報

しかしながら、従来の超低ノイズ水晶発振器では、発振回路部にコルピッツ回路を採用しているため、以下に示す問題点があった。
超低ノイズ水晶発振器は、発振回路部の発振周波数とフィルタ部の中心周波数を一致させる必要があり、コルピッツ回路を採用する限り、発振子と水晶フィルタの２つの水晶振動子の共振周波数をずらさなければならず、それぞれ共振周波数をずらした２種類の水晶振動子を用意する必要があった。

これは、コルピッツ回路において、発振回路部が主にコンデンサ（発振子とコンデンサＣ１，Ｃ２から成るコンデンサ）で構成されているため容量性となり、発振ループ全体で発振条件を満たすためには、発振回路部の発振子を誘導性の部分で使用する。そして、発振子の直列共振周波数が水晶フィルタの中心周波数となるよう設計され、発振回路部の発振周波数をその中心周波数に合わせるものである。そのため、発振回路部の発振周波数と発振子の共振周波数は異なるものとしている。

従って、従来の超低ノイズ水晶発振器では、発振回路部の発振子とフィルタ部の水晶フィルタとは、それぞれの共振周波数が異なる２種類の水晶振動子を用意しなければならず、製造工程が複雑化し、更に２種類の水晶振動子を別々に製造するため、製品の製造バラツキが発生するという問題点があった。

尚、特許文献１には、発振回路部にバトラー（Butler）回路を用いた超低ノイズ水晶発振器の構成について記載がない。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、製造工程を簡略化して製造コストを低減させ、製品の製造バラツキを低減させることができる水晶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、第１の水晶振動子を発振子として備える発振回路部と、発振回路の出力側に接続し、第２の水晶振動子を水晶フィルタとして備えるフィルタ部とを有する水晶発振器であって、発振回路部が、コンデンサとインダクタと有することを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、第１の水晶振動子と第２の水晶振動子の共振周波数の差が半値幅以下であることを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、発振回路部が、バトラー回路であることを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、バトラー回路が、第１のコンデンサと第２のコンデンサが直列に接続され、当該直列接続の第１，２のコンデンサに並列にインダクタが接続され、トランジスタのベースが接地され、トランジスタのコレクタが第１のコンデンサ及びインダクタの一端に接続され、トランジスタのエミッタが第１の水晶振動子を介して第１のコンデンサと第２のコンデンサとを接続する線に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１の水晶振動子を発振子として備える発振回路部と、発振回路の出力側に接続し、第２の水晶振動子を水晶フィルタとして備えるフィルタ部とを有し、発振回路部が、コンデンサとインダクタと有する水晶発振器としているので、製造工程を簡略化して製造コストを低減させ、製品の製造バラツキを低減させることができる効果がある。

本発振器のバトラー回路の概略回路図である。 本発振器と従来の発振器の低位相雑音特性を示す図である。 超低ノイズ水晶発振器の簡略回路図である。 コルピッツ回路の概略回路図である。

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水晶発振器（本発振器）は、発振回路部の発振子と後段のフィルタ部の水晶フィルタの２個の水晶振動子を使用した超低ノイズの水晶発振器であり、発振回路部にコンデンサとインダクタンスを有するバトラー（Butler）回路を用いているものであり、製造工程を簡略化して製造コストを低減させ、製品の製造バラツキを低減させることができるものである。
尚、本発振器の基本的構成は、図３に示すものと同様であるが、発振回路部の構成が従来とは異なっている。

［本発振器のバトラー回路：図１］
本発振器のバトラー回路について図１を参照しながら説明する。図１は、本発振器のバトラー回路の概略回路図である。
本発振器のバトラー回路は、図１に示すように、水晶振動子の発振子４と、ＮＰＮ型トランジスタ（Ｑ１）２０と、コンデンサ（Ｃ１）１１と、コンデンサ（Ｃ２）１２と、インダクタ２１とを備えている。

そして、バトラー回路は、トランジスタ２０のベース（Ｂ）が接地され、トランジスタ２０のコレクタ（Ｃ）に電源電圧が印加され、更にコンデンサ１１の一端とインダクタ２１の一端が接続され、インダクタ２１の他端が接地されている。

また、コンデンサ１１の他端にはコンデンサ１２の一端が接続され、コンデンサ１２の他端が接地されている。
トランジスタ２０のエミッタ（Ｅ）には、発振子４の一端が接続され、発振子４の他端がコンデンサ１１とコンデンサ１２とを接続する線に接続されている。

バトラー回路は、基本的には、コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）とインダクタ（Ｌ）で構成されており、水晶振動子の等価回路の直列共振周波数で発振するのが特徴である。そのため、本発振器の発振回路部にバトラー回路を採用すると、発振回路部とフィルタ部の２つの水晶振動子は同じ共振周波数のものを使用することができる。より正確に言えば、水晶振動子の共振周波数の差が半値幅（水晶振動子の共振周波数をＱ値で除した値）以下であれば使用することができる。

本発振器ではバトラー回路を発振回路部に採用しているので、発振回路部の発振子の発振周波数とフィルタ部の水晶フィルタの共振周波数が同じでも、インダクタによって中心周波数の調整が可能である。つまり、発振回路部の発振周波数をフィルタ部の共振周波数に合わせるようインダクタで調整することが可能である。
よって、発振回路部とフィルタ部に、同じ負荷容量の２つの水晶振動子を用いることができる。

［低雑音特性：図２］
本発振器の低雑音特性について図２を参照しながら説明する。図２は、本発振器と従来の発振器の低位相雑音特性を示す図である。図２では、縦軸が周波数毎の位相雑音（ｄＢｃ／Ｈｚ）で、横軸がオフセット周波数（Ｈｚ）である。図２では、上側のグラフが従来の発振器の特性（ａ：）であり、下側のグラフが本発振器の特性（ｂ）である。
尚、ここで、従来の発振器とは、水晶フィルタ（Ｘ２）のフィルタ部を備えていない構成である。無論、本発振器は、フィルタ部を備えている。

図２に示す低位相雑音の特性は、周波数範囲１００ＭＨｚまでの恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）に用いた場合を示している。
従来の発振器の特性（ａ［without X2］）では、１，０００Ｈｚ以上のオフセット周波数では位相雑音の低減は見られないが、本発振器の特性（ｂ［with X2］）では、１，０００Ｈｚ以上のオフセット周波数でも位相雑音の低減が図られている。

［実施の形態の効果］
本発振器によれば、発振回路にバトラー回路を採用することで、共振周波数が異なる２種類の水晶振動子を用意する必要がなく、製造工程を簡易にして製造コストを低減させ、２つの水晶振動子を同一ロットで製造できるため、製品の製造バラツキを低減できる効果がある。

また、本発振器によれば、コルピッツ回路に比べてバトラー回路はフロアノイズ特性が良好であり、低ノイズ特性を向上させることができる効果がある。

本発明は、製造工程を簡略化して製造コストを低減させ、製品の製造バラツキを低減させることができる水晶発振器に好適である。

１…増幅器（Ａｍｐ１）、 ２…増幅器（Ａｍｐ２）、 ３…増幅器（Ａｍｐ３）、 ４…発振子（ＸＴＡＬ／Ｘ１）、 ５…水晶フィルタ（Ｘ２）、 １０，２０…トランジスタ（Ｑ１）、 １１…コンデンサ（Ｃ１）、 １２…コンデンサ（Ｃ２）、 ２１…インダクタ（Ｌ）

Claims (4)

1. 第１の水晶振動子を発振子として備える発振回路部と、前記発振回路の出力側に接続し、第２の水晶振動子をフィルタとして備えるフィルタ部とを有する水晶発振器であって、
   前記発振回路部は、コンデンサとインダクタと有することを特徴とする水晶発振器。
2. 第１の水晶振動子と第２の水晶振動子の共振周波数の差が半値幅以下としたことを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
3. 発振回路部は、バトラー回路であることを特徴とする請求項１又は２記載の水晶発振器。
4. バトラー回路は、第１のコンデンサと第２のコンデンサが直列に接続され、当該直列接続の前記第１，２のコンデンサに並列にインダクタが接続され、トランジスタのベースが接地され、前記トランジスタのコレクタが前記第１のコンデンサ及び前記インダクタの一端に接続され、前記トランジスタのエミッタが第１の水晶振動子を介して前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとを接続する線に接続されていることを特徴とする請求項３記載の水晶発振器。

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