(57)【要約】      （修正有）【課題】Ｂモード の共振を確実に抑圧でき、それによってＣモード の共振を確実に励振することができる水晶発振器を提供する。【解決手段】水晶発振回路は、ＳＣカットやＩＴカットなどの水晶振動子を用いているため、Ｃモード（主モード）周波数にＢモード（不要モード）周波数が近接しているため、水晶発振回路の帰還ループ中に、Ｃモード周波数を通過させるＣモード共振回路（主モード共振回路）と、不要モード周波数での発振を抑圧するトラップ回路を具備する構成とする。【選択図】図１
2006345115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶の切出し方法により、主モード周波数に不要モード周波数が近接している水晶振動子を用いた水晶発振回路において、
前記水晶発振回路の帰還ループ中に、前記主モード周波数を通過させる主モード共振回路と、不要モード周波数での発振を抑圧するトラップ回路と、
を具備することを特徴とする水晶発振回路。
【請求項２】
前記トラップ回路は、前記不要モード周波数での発振を抑圧する不要モード共振回路を備え、さらに前記不要モードのトラップ量を調整する抵抗素子を、前記不要モード共振回路と直列に接続することを特徴とする請求項１に記載の水晶発振回路。
【請求項３】
前記主モード共振回路と前記不要モード共振回路は、直列共振回路であることを特徴とする請求項２に記載の水晶発振回路。
【請求項４】
前記直列共振回路はＬＣフィルタであることを特徴とする請求項３に記載の水晶発振回路。
【請求項５】
前記水晶発振回路はコルピッツ型であることを特徴とする請求項１に記載の水晶発振回路。
【請求項６】
水晶の切出し方法により、主モード周波数に不要モード周波数が近接している水晶振動子と増幅回路とを含むコルピッツ型の水晶発振回路において、
前記水晶発信回路の帰還ループ中にインダクタンス素子とキャパシタンス素子からなる主モード直列共振回路と、インダクタンス素子とキャパシタンス素子と抵抗素子からなる不要モード直列共振回路を設け、
前記主モード直列共振回路の直列共振周波数を発振周波数近傍に設定し、かつ、前記不要モード直列共振回路の直列共振周波数を不要モード周波数近傍に設定し、前記抵抗素子の抵抗値により、前記不要モードの発振周波数を抑圧することを特徴とする水晶発振回路。
【請求項７】
水晶振動子Ｘ１とトランジスタ増幅器Ｔｒ１とを備え、少なくとも前記水晶振動子Ｘ１に直列に挿入されたコンデンサＣ１と、分割容量であるコンデンサＣ２、Ｃ３と、前記トランジスタ増幅器Ｔｒ１のエミッタとグランド間に接続された帰還抵抗である抵抗Ｒ３とを含むコルピッツ型水晶発振回路において、
帰還ループ中に不要モード直列共振回路をコイルＬ２とコンデンサＣ５と抵抗Ｒ４を直列に接続して構成して前記トランジスタ増幅器Ｔｒ１のエミッタとグランド間に接続する共に、
主モード直列共振回路をコイルＬ１とコンデンサＣ４を直列に接続して構成して前記エミッタと前記分割容量コンデンサＣ２、Ｃ３の接続点との間に挿入接続し、
前記不要モード直列共振回路の不要モード周波数を当該発振周波数近傍に設定し、かつ、前記主モード直列共振回路の主モード周波数を当該発振周波数近傍に設定することによって、前記不要モード周波数での発振を抑圧することを特徴とする水晶発振回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水晶発振回路に係り、特には水晶振動子の不要発振を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に水晶振動子に使用される圧電結晶は、結晶軸に対して特定の切断角度においてのみ圧電振動を励振することができる。このような発振器に適する水晶振動子としてＳＣカット、ＩＴカットの水晶振動子が知られている。
【０００３】
しかし、ＳＣカットやＩＴカット の水晶振動子は主振動であるＣモード（主モード）の共振の近傍で、かつその高域側の周波数にＢモードおよびＡモード 副振動（不要モード）を生じる。
【０００４】
Ａモードの振動時のクリスタルインピーダンス（Crystal Impedance：以下ＣＩと略称する）の値はＣモードのＣＩに比べて大きいために格別問題とはならない。これに対してＢモード のＣＩはＣモードのＣＩに等しいか場合によっては小さい。このために実際に発振器を製作すると往々にして副振動のＢモードで発振してしまう問題がある。
【０００５】
そこで、ＳＣカットやＩＴカットの水晶振動子を用いる場合は、Ｃモードの主振動を確実に励振するために、Ｂモード の振動を抑圧する必要がある。そのためのＢモードの副振動を抑圧する水晶発振回路が提案されている。
【０００６】
一般的なＢモード抑圧回路を設けたコルピッツ型水晶発振回路を図５（ａ）に示す。Ｌ（コイル：インダクタンス素子）とＣ（コンデンサ：キャパシタンス素子）による直列共振回路（点線）をＣモードに同調させ負性抵抗（ＮＲ）に周波数特性を持たせた構成である。図５（ｂ）に図５（ａ）に示した回路の等価回路を示す。図５（ａ）に示した回路の帰還ループに挿入された共振回路（点線）に、信号が双方向に通過することが、コルピッツ発振回路の条件である。
【０００７】
このように、Ｂモード発振を抑圧しＣモードを安定的に発振させるコルピッツ発振回路は、帰還ループに周波数選択性を持たせるために、Ｃモードの周波数で共振する直列共振回路を挿入する。
【０００８】
しかし、コイル、コンデンサを使用した回路では積極的にＢモードの発振を抑圧することができない。
例えば、コイルのＱ値によってその選択特性が決まるが、一般的に用いられる小型ＳＭＤ（Surface Mount Device：表面実装部品）タイプの巻き線型コイルなどは、Ｑ値はせいぜい５０以下であるため、Ｂモードの抑圧が十分できない。言い換えれば、発振回路のＢモードの周波数付近での負性抵抗が負の状態で残ってしまうという問題がある。
【０００９】
例えば、特許文献１によれば、水晶発振回路に組み込まれた水晶振動子に所定の共振周波数より低周波側にスプリアスが存在する場合に、スプリアスによって発振するためスプリアス振動を抑圧した水晶発振回路が提案されている。
【００１０】
また、特許文献２によれば、インダクタンス、可変リアクタンス、チップ容量２個を付加して、Ｃモードの周波数における負性抵抗を十分な値に保ちつつ、Ｂモードの周波数における負性抵抗の絶対値をＢモードの実効抵抗より小さくする提案がされている。
【００１１】
特許文献３によれば、変形コルピッツ型の水晶発振回路に、スプリアス抑圧用のＳＣカットの水晶振動子を設けて、Ｂモードの周波数に共振させてＢモードの負性抵抗を調整することができる提案がされている。
【００１２】
しかしながら、Ｃモードだけを確実に発振させるためには、Ｂモードの周波数の負性抵抗を正の値にする必要がある。上記特許文献１、２に示した方法ではＢモードの周波数の負性抵抗を正にすることができない。
【００１３】
また、特許文献３に示すようにＢモードの抑圧回路にトラップ回路として水晶振動子を用いた場合、図６に示す曲線Ａのように、Ｂモードの負性抵抗を狭周波数帯域で正にすることができるが、同図に示すようにＢモード付近（例えば１０．９ＭＨｚ）で、狭帯域幅で正になるだけであるため調整が難しい。また、水晶発振子を用いているため高コストとなる。さらに、Ｂモードの温度特性は、温度変化による変動が大きいため、広い温度範囲で安定して適用することが困難である。
【００１４】
また、高いＱ値のコイル、コンデンサを使用した場合は、Ｃモードの通過帯域幅が極めて狭いため調整が困難である。
また、セラミック振動子を用いた場合には、セラミック振動子自身のスプリアスが多く存在するため調整が困難である。
【特許文献１】特開２００２−２６１５４６号公報
【特許文献２】特開２０００−２９５０３７号公報
【特許文献３】特開平７−７３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、水晶振動子の不要モードの発振を抑圧するためのトラップ回路に抵抗を設けることで、主モードだけを確実に発振させる水晶発振回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の態様のひとつである水晶発振回路は、ＳＣカットやＩＴカットなどの水晶振動子を用いているため、Ｃモード（主モード）周波数にＢモード（不要モード）周波数が近接している。
【００１７】
そこで、上記水晶発振回路の帰還ループ中に、上記Ｃモード周波数を通過させるＣモード共振回路（主モード共振回路）と、不要モード周波数での発振を抑圧するトラップ回路と、を具備する。
【００１８】
好適には、上記トラップ回路は、上記Ｂモード周波数での発振を抑圧するＢモード共振回路を備え、さらに上記Ｂモードのトラップ量を調整する抵抗素子を、上記Ｂモード共振回路と直列に接続してもよい。
【００１９】
また、上記Ｃモード共振回路と上記Ｂモード共振回路は、直列共振回路であってもよい。また、上記直列共振回路はＬＣフィルタであってもよい。さらに、上記水晶発振回路はコルピッツ型であることが望ましい。
【００２０】
次に、本発明の態様のひとつである水晶発振回路は、水晶の切出し方法により、主モード周波数に不要モード周波数が近接している水晶振動子と増幅回路とを含むコルピッツ型の水晶発振回路において、上記水晶発振回路の帰還ループ中にインダクタンス素子とキャパシタンス素子からなる主モード直列共振回路と、インダクタンス素子とキャパシタンス素子と抵抗素子からなる不要モード直列共振回路を設ける。そして、上記主モード直列共振回路の直列共振周波数を発振周波数近傍に設定し、かつ、上記不要モード直列共振回路の直列共振周波数を不要モード周波数近傍に設定することで、上記抵抗素子の抵抗値により、Ｃモードの負性抵抗を維持しつつ上記不要モードの発振周波数を抑圧する。
【００２１】
次に、本発明の態様のひとつである水晶発振回路は、水晶振動子Ｘ１とトランジスタ増幅器Ｔｒ１とを備え、少なくとも上記水晶振動子Ｘ１に直列に挿入されたコンデンサＣ１と、分割容量であるコンデンサＣ２、Ｃ３と、上記トランジスタ増幅器Ｔｒ１のエミッタとグランド間に接続された帰還抵抗である抵抗Ｒ３とを含むコルピッツ型水晶発振回路において、
帰還ループ中に不要モード直列共振回路をコイルＬ２とコンデンサＣ５と抵抗Ｒ４を直列に接続して構成して前記トランジスタ増幅器Ｔｒ１のエミッタとグランド間に接続する共に、主モード直列共振回路をコイルＬ１とコンデンサＣ４を直列に接続して構成して上記エミッタと上記分割容量コンデンサＣ２、Ｃ３の接続点との間に挿入接続し、上記不要モード直列共振回路の不要モード周波数を当該発振周波数近傍に設定し、かつ、上記主モード直列共振回路の主モード周波数を当該発振周波数近傍に設定することによって、上記不要モード周波数での発振を抑圧する。
【発明の効果】
【００２２】
不要モード用の共振回路に抵抗を使用することで水晶発振器を小型化でき、さらに調整が簡単になる。また、Ｑ値があまり大きくない汎用の部品を使用できるので生産性が向上し、コストの削減ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細を説明する。
（回路構成例）
図１は、本発明の水晶発振回路の一例を示す図である。同図に示すＸ１は、水晶の切出し方法により、ＳＣカット、ＩＴカットなどのＣモード（主モード）周波数にＢモード（不要モード）周波数が近接している水晶発振子である。
【００２４】
水晶振動子Ｘ１の一方の端子をキャパシタンス素子Ｃ１に接続され、他方の端子を増幅器（トランジスタ増幅器）Ｔｒ１のベース端子に接続されている。さらにＴｒ１のベース端子は、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の端子の一方と、キャパシタンスンス素子Ｃ２の端子の一方に接続される。
【００２５】
次に増幅器Ｔｒ１のエミッタ端子は抵抗素子Ｒ３の一方と、主モード共振回路と、トラップ回路に接続される。
主モード共振回路は、例えばインダクタンス素子Ｌ１とキャパシタンス素子Ｃ４が直列に接続構成される。インダクタンス素子Ｌ１の端子は、キャパシタンス素子Ｃ２の他方とキャパシタンス素子Ｃ３の一方と接続される。上記構成によりＣモード周波数を通過させる。
【００２６】
次に増幅器Ｔｒ１のコレクタ端子と、抵抗素子Ｒ１はＶＣＣ（電源）に接続される。グランドには、キャパシタンス素子Ｃ１、Ｃ３の他方の端子と、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の他方の端子と接続されて構成されている。
【００２７】
ここで、帰還ループに、Ｂモードの周波数で共振するトラップ回路をグランドに対して挿入することによって、Ｂモード付近の負性抵抗を強制的に正の方向にする。
例えば、従来の発振回路に同図に示すトラップ回路としてＢモード共振回路（不要モード共振回路）を接続する。Ｂモード共振回路は、コイルＬ２とコンデンサＣ５と抵抗Ｒ４が直列に接続される。そして、コイルＬ２の端子とコンデンサＣ４の端子が接続されている。本回路は、Ｂモード付近の負性抵抗が正の値に入る程度に軽く抑制し、Ｃモード側の負性抵抗への影響とのトレードオフをする。
【００２８】
図１に帰還ループの具体的な回路例を示す。Ｘ１は１０ＭＨｚＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いる。コンデンサＣ１には８１ｐＦとし、抵抗Ｒ１を１０ｋΩ、抵抗Ｒ２を１０ｋΩとする。また、コンデンサＣ２は７０ｐＦ、コンデンサＣ３は４５ｐＦにする（この定数は限定されるものではない）。
【００２９】
次に、Ｃモードを通過させるための直列共振回路のコイルＬ１とコンデンサＣ４を、それぞれコイルＬ１を１０ｍＨとし、コンデンサＣ４を２６．９ｐＦとし、コイルＬ１内の抵抗は２Ωとする。
【００３０】
コイルＬ２とコンデンサＣ５は、Ｂモードを積極的に抑圧するための、直列共振回路である。本回路では、図２に示す曲線Ｂのように、抵抗Ｒ４の抵抗値を増減させて、Ｃモードの負性抵抗をなるべく損なわず、かつＢモードの負性抵抗を正の値になるように設計する。
【００３１】
また、主モード共振回路、Ｂモード共振回路は上記説明した素子の直列接続したＬＣフィルタだけでなく、並列回路などを含む複合回路網を用いた共振回路を用いてもかまわない。
（負性抵抗の解析結果）
図１に示した発振回路の負性抵抗の周波数特性を解析し、Ｂモード抑圧の振る舞いを確認する。
【００３２】
図３は、図１の抵抗Ｒ４を３００Ω、２００Ω、１００Ω、７５Ω、５０Ωと変化させたときの、負性抵抗の周波数特性変化を解析した結果である。縦軸に負性抵抗を示し、横軸に周波数を示している。水晶振動子Ｘ１のＣモード周波数が１０．０ＭＨｚであり、Ｂモード周波数は１０．９２ＭＨｚである。
【００３３】
本回路において、Ｃモード直列共振回路だけの場合、Ｂモード点では負性抵抗が−１２２Ω程度存在しており、ＢモードのＣＩ値（約４８Ω）に対して、発振する可能性を残している。
【００３４】
Ｒ４を３００Ωから徐々に減らしていくと、Ｃモードでの負性抵抗も減少するが、Ｂモードの抑圧効果のほうが著しく大きくなる。１００Ωの時点でＢモード（１０．９２ＭＨｚ）における負性抵抗はゼロとなり、５０Ωの時点ではＢモードが、＋１０１Ω（ｍ１３）、Ｃモードが、４８５Ω（ｍ１２）となる。
【００３５】
ＣモードのＣＩは、１０ＭＨｚにおいて６９Ω程度なので約7倍の値を示し、十分に発振余裕度がある。
（発振起動条件）
Ｃモードの発振条件は、Ｃモードの所要周波数に対し位相をゼロにして、帰還ループの帰還ゲイン＞１を満足させて、Ｂモードの周波数では、Ｃモードの発振条件をひとつでも満足しないようにすることである。
【００３６】
図４は、発振回路の出力を小信号解析し、Ｓ１１特性（反射特性）を極座標表示したものである。
Ｘ軸は帰還ゲインを示し、円周の半時計方向に位相回転方向を示している。外側を回っている大きな円は、Ｃモードの共振部分で、急激な位相回転部分である。
【００３７】
マーカｍ１４は、Ｃモードの発振条件を示しており、位相ゼロのポイントでの帰還ゲインは、約２．２で、発振条件を満足している。
内側の小さな円は、Ｂモードの共振部分である。マーカｍ１５は、Ｂモードの発振条件を示しており、ゲインは約０．７で発振条件を満たしていないことがわかる。
【００３８】
また、第３象限に存在する軌跡は、帰還ループの共振部分の振る舞いを示しており、この円周上で発振条件を満足する点はない。従ってＢモード発振を抑圧し、Ｃモードの安定的な発振起動を得ることができる。
【００３９】
また、発振回路の負性抵抗と、水晶振動子と負荷容量を含めた等価直列抵抗が等しくなった時に定常状態となり、発振起動が完了する。回路例に用いた水晶振動子と負荷容量の合成した等価直列抵抗は１０４Ωで定常状態となる。
【００４０】
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の水晶発信回路を示す図。
【図２】本発明の負性抵抗と発振周波数の関係を示した図である。
【図３】抵抗値を変えた時の負性抵抗の動きを解析した結果を示す図である。
【図４】発振条件を示す図である。
【図５】（ａ）従来のコルピッツ型発振回路を示す図である。（ｂ）（ａ）の等価回路を示す図である。
【図６】トラップ回路に水晶振動子を用いた例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
Ｔｒ１  ・・・  増幅器、トランジスタ
Ｒ１  ・・・  抵抗、抵抗素子
Ｒ２  ・・・  抵抗、抵抗素子
Ｒ３  ・・・  抵抗、抵抗素子
Ｒ４  ・・・  抵抗、抵抗素子
Ｃ１  ・・・  コンデンサ、キャパシタンス素子
Ｃ２  ・・・  コンデンサ、キャパシタンス素子
Ｃ３  ・・・  コンデンサ、キャパシタンス素子
Ｃ４  ・・・  コンデンサ、キャパシタンス素子
Ｃ５  ・・・  コンデンサ、キャパシタンス素子
Ｌ１  ・・・  コイル、インダクタンス素子
Ｌ２  ・・・  コイル、インダクタンス素子
Ｘ１  ・・・  水晶発振子
ＶＣＣ  ・・・  電源
【図１】
2006345115.tif 000003
【図２】
2006345115.tif 000004
【図５】
2006345115.tif 000005
【図６】
2006345115.tif 000006
【図３】
2006345115.tif 000007
【図４】
2006345115.tif 000008