(57)【要約】【課題】２・ω・Ｃｏ・Ｒｘ＜１の条件に制約されていた発振限界を広げることのできる水晶発振回路を提案すること。【解決手段】水晶発振回路４０は、その前段部分に水晶振動子４２の電極間キャパシタンスＣ０の打消し可能な平衡ブリッジ回路４１を備えており、この平衡ブリッジ回路４１によって、水晶振動子４２を励振する電流のうちＣ０を通過する電流成分を打ち消し、水晶振動子４２の純粋に機械的な振動パラメータ（Ｌｘ、Ｃｘ、Ｒｘ）を通過する電流成分のみを抽出して後段側に供給する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子と、
当該水晶振動子の電極間キャパシタ（Ｃ０）を通過する電流成分を打ち消し、当該水晶振動子を表す等価直列共振回路（Ｌｘ、Ｃｘ、Ｒｘ）を通過する電流成分のみを後段の発振回路側に供給する平衡ブリッジ回路とを有していることを特徴とする水晶発振回路。
【請求項２】
請求項１に記載の水晶発振回路において、
前記水晶振動子はバイポーラ接続水晶振動子であり、
前記平衡ブリッジ回路は、前記水晶振動子の一方の電極側に接続されたコルピッツアーム用のキャパシタ（Ｃ2）と、前記水晶振動子の他方の電極側に直列に接続された２個の平衡用キャパシタ（Ｃ3、Ｃ4）と、平衡検出・増幅用の差動増幅器（Ａ）とを備えており、当該差動増幅器（Ａ）のプラス側入力端子は、前記水晶振動子の一方の電極と前記コルピッツアーム用のキャパシタ（Ｃ2）の間に接続され、そのマイナス側入力端子は前記平衡用キャパシタ（Ｃ3、Ｃ4）の間に接続され、その出力側は前記発振回路の入力側に接続されており、
前記平衡ブリッジ回路のバランスの係数αは、前記電極間キャパシタ、前記コルピッツアーム用のキャパシタ、前記平衡用キャパシタの容量をそれぞれＣ０、Ｃ2、Ｃ3、Ｃ4とすると、α＝Ｃ４／（Ｃ3＋Ｃ４）＝Ｃ０／（Ｃ2＋Ｃ０）
を満たすことを特徴とする水晶発振回路。
【請求項３】
請求項１に記載の水晶発振回路において、
前記水晶振動子はバイポーラ接続水晶振動子であり、
前記平衡ブリッジ回路は、前記水晶振動子の一方の電極側に接続されたコルピッツアーム用のキャパシタ（Ｃ2）と、前記水晶振動子の他方の電極側に直列に接続された２個の平衡用抵抗（Ｒ3、Ｒ4）と、平衡検出・増幅用の差動増幅器（Ａ）とを備えており、当該差動増幅器（Ａ）のプラス側入力端子は、前記水晶振動子の一方の電極と前記コルピッツアーム用のキャパシタ（Ｃ2）の間に接続され、そのマイナス側入力端子は前記平衡用抵抗（Ｒ3、Ｒ4）の間に接続され、その出力側は前記発振回路の入力側に接続されており、
前記平衡ブリッジ回路のバランスの係数αは、前記平衡用キャパシタの容量、前記コルピッツアーム用のキャパシタの容量をそれぞれＣ０、Ｃ2とし、前記平衡用抵抗の値をそれぞれＲ3、Ｒ4とすると、α＝Ｒ4／（Ｒ3＋Ｒ4）＝Ｃ０／（Ｃ2＋Ｃ０）を満たすことを特徴とする水晶発振回路。
【請求項４】
請求項１に記載の水晶発振回路において、
前記水晶振動子はシングルエンド水晶振動子であり、
前記平衡ブリッジ回路は、前記水晶振動子に対して直列に接続されたコルピッツアーム用のキャパシタ（Ｃ2）および２個の平衡用キャパシタ（Ｃ3、Ｃ４）と、平衡検出・増幅用の差動増幅器（Ａ）とを備えており、
当該差動増幅器（Ａ）のプラス側入力端子は前記水晶振動子に接続され、そのマイナス側入力端子は前記平衡用キャパシタ（Ｃ3、Ｃ４）の間に接続され、その出力側は前記発振回路の入力側に接続されており、
前記平衡ブリッジ回路のバランスの係数βは、前記電極間キャパシタ、前記コルピッツアーム用のキャパシタ、前記平衡用キャパシタの容量をそれぞれＣ０、Ｃ2、Ｃ3、Ｃ４とすると、β＝Ｃ3／（Ｃ3＋Ｃ４）＝Ｃ2／（Ｃ2＋Ｃ０）を満たすことを特徴とする水晶発振回路。
【請求項５】
請求項１に記載の水晶発振回路において、
前記水晶振動子はシングルエンド水晶振動子であり、
前記平衡ブリッジ回路は、前記水晶振動子に対して直列に接続されたコルピッツアーム用のキャパシタ（Ｃ2）および２個の平衡用抵抗（Ｒ3、Ｒ4）と、平衡検出・増幅用の差動増幅器（Ａ）とを備えており、
当該差動増幅器（Ａ）のプラス側入力端子は前記水晶振動子に接続され、そのマイナス側入力端子は前記平衡用抵抗（Ｒ3、Ｒ4）の間に接続され、その出力側は前記発振回路の入力側に接続されており、
前記平衡ブリッジ回路のバランスの係数βは、前記平衡用キャパシタの容量、前記コルピッツアーム用のキャパシタの容量をそれぞれＣ０、Ｃ2とし、前記平衡用抵抗の値をそれぞれＲ3、Ｒ4とすると、β＝Ｒ3／（Ｒ3＋Ｒ4）＝Ｃ2／（Ｃ2＋Ｃ０）を満たす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、水晶振動子の電極間キャパシタ（Ｃ0）の打ち消し可能な平衡ブリッジ回路を備えた水晶発振回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子を用いた発振回路は各種のものが提案されている。水晶振動子は、一般に図１に示す等価回路によって表わされる。古くは「圧電気と高周波数」（著者：古賀逸策）の中において円線図というものを用いて説明しているが、水晶振動子をコルピッツ発振回路のようにインダクティブな領域で作動させるためには、２・ω・Ｃ0・Ｒｘ＜１と云う条件が必要である。２・ω・Ｃ0・Ｒｘの値が「１」以上の条件ではコルピッツ型の自励発振はできない。
【０００３】
図２に示す具体的な発振回路を参照してこの理論を説明する。図２において、Ｌｘ、Ｃｘ、Ｒｘ（ＣＩ）は、水晶振動子の機械的パラメータ（固有インダクタンス、固有キャパシタンスおよび実効抵抗（直列共振抵抗））である。水晶振動子から発振回路側を見た入力インピーダンスの実数部Яｘは負性抵抗（−の値）であるが、この負性抵抗Яｘと水晶振動子の実効抵抗Ｒｘとが｜Яｘ｜＝｜Ｒｘ｜となって発振が平衡する。具体的に実効抵抗Ｒｘは次式（１）で表わされる。
【０００４】
【数１】
2011055358.tif 000003
【０００５】
式（１）のIII項の存在のため、実効抵抗Ｒｘが非常に大きくなり、その結果、Ａの値が非常に大きくなろうとする場合、この式の実効抵抗ＲｘはＡによる最大値が存在し、それ以上のＡでは逆に発振可能なＲｘは減少する。更にこの式を検討すればＲｘ最大時のＡの値をＡｍ、その時の最大Ｒｘの値をＲｍとすれば、これらの値は、次式（２）、（３）から得られ、この場合の自励発振条件は式（４）によって表わされる。
【０００６】
【数２】
2011055358.tif 000004
【０００７】
【数３】
2011055358.tif 000005
【０００８】
【数４】
2011055358.tif 000006
【０００９】
上式（４）は前述の２・ω・Ｃ0・Ｒｘに比べて、（１＋Ｃ0／Ｃ2）の項が付いているが、理由は実際のコルピッツ型発振回路ではＣ2を無限大にする事ができないためである。２・ω・Ｃ0・Ｒｘ（１＋Ｃ0／Ｃ2）＞１の条件では自励発振は不可能となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、水晶振動子の電極間キャパシタＣ0のリアクタンスが当該水晶振動子の直列共振抵抗ＣＩに比べて或る値以上大きくなると、理論上コルピッツ型の自励発振は不可能になる。
【００１１】
本発明の課題は、その限界値を超えた広範囲のＣ0及びＣＩの領域において自励発振が可能な水晶発振回路を実現することにある。換言すると、２・ω・Ｃ0・Ｒｘ或いは２・ω・Ｃ0・Ｒｘ（１＋Ｃ0／Ｃ2）の値が１よりはるかに大きい場合でも自励発振が可能な水晶発振回路を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の水晶発振回路では、通常のコルピッツ型発振回路の前段に水晶振動子の電極間キャパシタンスＣ0を打ち消すための平衡ブリッジ回路を設けたことを特徴としている。
【００１３】
すなわち、本発明の水晶発振回路は、水晶振動子の、当該水晶振動子の電極間キャパシタ（Ｃ0）を通過する電流成分を打ち消し、当該水晶振動子を表す等価直列共振回路（Ｌｘ、Ｃｘ、Ｒｘ）を通過する電流成分のみを後段側の発振回路に供給する平衡ブリッジ回路とを有していることを特徴としている。
【００１４】
ここで、前記水晶振動子の接続方法としては、バイポーラ接続（バイポーラ接続水晶振動子）およびシングルエンド接続（シングルエンド接続水晶振動子）がある。また、前記平衡ブリッジ回路は、コルピッツアーム用のキャパシタ（Ｃ2）と、２個の平衡用キャパシタ（Ｃ3、Ｃ4）または２個の平衡用抵抗（Ｒ3、Ｒ4）と、平衡検出・増幅用の差動増幅器（Ａ）とを備えた構成とすることができる。
【００１５】
図３に示すように、発振回路のＣ0を打ち消すための前段回路である平衡ブリッジ回路１は、水晶振動子２がバイポーラ接続の場合においてキャパシタンスによるバランスを実現するために、コルピッツアーム用のキャパシタＣ2と、２個の平衡用キャパシタＣ3およびＣ4と、平衡検出・増幅用の差動増幅器Ａとを有している。すなわち、水晶振動子２の一方の電極２ａ側に接続されたコルピッツアーム用のキャパシタＣ2と、水晶振動子２の他方の電極２ｂ側に直列に接続された２個の平衡用キャパシタＣ3、Ｃ4と、平衡検出・増幅用の差動増幅器Ａとを備えており、当該差動増幅器Ａのプラス側入力端子は、水晶振動子２の一方の電極２ａとコルピッツアーム用のキャパシタＣ2の間に接続され、そのマイナス側入力端子は平衡用キャパシタＣ3、Ｃ4の間に接続され、その出力側は発振回路の入力側に接続される。この構成の平衡ブリッジ回路１のバランスの係数αは、電極間キャパシタ、コルピッツアーム用のキャパシタ、平衡用キャパシタの容量をそれぞれＣ0、Ｃ2、Ｃ3、Ｃ4とすると、α＝Ｃ4／（Ｃ3＋Ｃ4）＝Ｃ0／（Ｃ2＋Ｃ0）を満たすように設定されている。
【００１６】
図４に示すように、発振回路のＣ0を打ち消すための前段回路である平衡ブリッジ回路１１は、水晶振動子１２がバイポーラ接続の場合において抵抗によるバランスを実現するために、コルピッツアーム用のキャパシタンスＣ2と、平衡用の抵抗Ｒ3およびＲ4と、平衡検出・増幅用の差動増幅器Ａとを有している。すなわち、水晶振動子１２の一方の電極１２ａ側に接続されたコルピッツアーム用のキャパシタＣ2と、水晶振動子１２の他方の電極１２ｂ側に直列に接続された２個の平衡用抵抗Ｒ3、Ｒ4と、平衡検出・増幅用の差動増幅器Ａとを備えている。当該差動増幅器Ａのプラス側入力端子は、水晶振動子１２の一方の電極１２ａとコルピッツアーム用のキャパシタＣ2の間に接続され、そのマイナス側入力端子は平衡用抵抗Ｒ3、Ｒ4の間に接続され、その出力側は発振回路の入力側に接続されている。この構成の平衡ブリッジ回路のバランスの係数αは、前記平衡用キャパシタの容量、前記コルピッツアーム用のキャパシタの容量をそれぞれＣ0、Ｃ2とし、前記平衡用抵抗の値をそれぞれＲ3、Ｒ4とすると、α＝Ｒ4／（Ｒ3＋Ｒ4）＝Ｃ0／（Ｃ2＋Ｃ0）を満たすように設定されている。
【００１７】
図５に示すように、発振回路のＣ0打ち消し用の前段回路である平衡ブリッジ回路２１は、水晶振動子２２がシングルエンド接続の場合においてキャパシタンスによるバランスを実現するために、コルピッツアーム用のキャパシタンスＣ2と、平衡用キャパシタンスＣ3およびＣ4と、平衡検出・増幅用の差動増幅器Ａとを有している。すなわち、水晶振動子２２に対して直列に接続されたコルピッツアーム用のキャパシタＣ2および２個の平衡用キャパシタＣ3、Ｃ4と、平衡検出・増幅用の差動増幅器Ａとを備えている。差動増幅器Ａのプラス側入力端子は水晶振動子２２に接続され、そのマイナス側入力端子は平衡用キャパシタＣ3、Ｃ4の間に接続され、その出力側は発振回路の入力側に接続されている。また、平衡ブリッジ回路のバランスの係数βは、電極間キャパシタ、コルピッツアーム用のキャパシタ、平衡用キャパシタの容量をそれぞれＣ0、Ｃ2、Ｃ3、Ｃ4とすると、β＝Ｃ3／（Ｃ3＋Ｃ4）＝Ｃ2／（Ｃ2＋Ｃ0）を満たすように設定されている。
【００１８】
次に、図６に示すように、発振回路のＣ0打ち消し用の前段回路である平衡ブリッジ回路３１は、水晶振動子３２がシングルエンド接続の場合において抵抗によるバランスを実現するために、コルピッツアーム用のキャパシタンスＣ2と、平衡用の抵抗Ｒ3およびＲ4と、平衡検出・増幅用の差動増幅器Ａとを有している。すなわち、水晶振動子３２に対して直列に接続されたコルピッツアーム用のキャパシタＣ2および２個の平衡用抵抗Ｒ3、Ｒ4と、平衡検出・増幅用の差動増幅器Ａとを備えている。差動増幅器Ａのプラス側入力端子は水晶振動子３２に接続され、そのマイナス側入力端子は平衡用抵抗Ｒ3、Ｒ4の間に接続され、その出力側は発振回路の入力側に接続されている。平衡ブリッジ回路のバランスの係数βは、平衡用キャパシタの容量、コルピッツアーム用のキャパシタの容量をそれぞれＣ0、Ｃ2とし、平衡用抵抗の値をそれぞれＲ3、Ｒ4とすると、β＝Ｒ3／（Ｒ3＋Ｒ4）＝Ｃ2／（Ｃ2＋Ｃ0）を満たすように設定されている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の水晶発振回路は、水晶振動子の電極間静電容量Ｃ0の打ち消し可能な平衡ブリッジ回路が備わっている。したがって、従来において２・ω・Ｃ0・Ｒｘ＜１の条件に制約されていた水晶発振回路の発振限界を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】水晶振動子の等価回路を示す回路図である。
【図２】Ｃ0打ち消しのない通常のコルピッツ型水晶発振回路を示す回路ブロック図である。
【図３】バイポーラ接続水晶振動子のＣ0打ち消し用の平衡ブリッジ回路がキャパシタンスによる平衡ブリッジ回路である場合を示す回路ブロック図である。
【図４】バイポーラ接続水晶振動子のＣ0打ち消し用の平衡ブリッジ回路が抵抗による平衡回路である場合を示す回路ブロック図である。
【図５】シングルエンド接続水晶振動子のＣ0打ち消し用の平衡ブリッジ回路がキャパシタンスによる平衡ブリッジ回路である場合を示す回路ブロック図である。
【図６】シングルエンド水晶振動子のＣ0打ち消し用の平衡ブリッジ回路が抵抗による平衡ブリッジ回路である場合を示す回路ブロック図である。
【図７】本発明の水晶発振回路の実施の形態１に係るバイポーラ発振回路を示す回路ブロック図である。
【図８】本発明の水晶発振回路の実施の形態２に係るシングルエンド接続発振回路を示す回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に本発明を適用した水晶発振回路の実施の形態を説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図７は、バイポーラ接続水晶振動子のＣ0打ち消し用の平衡ブリッジ回路が備わっている水晶発振回路の実施の形態を示す回路ブロック図である。図に示す水晶発振回路４０において、バイポーラ接続水晶振動子４２は、その機械的パラメータである固有インダクタンスＬｘ、固有キャパシタンスＣｘおよび実効抵抗Ｒｘを備えた等価直列共振回路として表されており、その両端電極４２ａ、４２ｂの間の電極間キャパシタがＣ0によって表わされている。
【００２３】
平衡ブリッジ回路４１は、通常のコルピッツ発振回路の入力キャパシタンスＣ2と、当該平衡ブリッジ回路のアームＺ3、Ｚ4と、ゲイン可変型の差動増幅器Ａを備えている。平衡ブリッジ回路４１において、α＝Ｚ4／（Ｚ3＋Ｚ4）がバランスの係数である。
【００２４】
平衡ブリッジ回路４１の後段側に、抵抗Ｒ1、キャパシタＣ1で構成される出力側積分回路４３が接続されている。
【００２５】
この構成の発振回路４０が安定動作した時、Ｒｘの値は式（５）で表わされる。
【００２６】
【数５】
2011055358.tif 000007
【００２７】
この式（５）は式（１）に似ているが、III項は式（６）の条件で零にする事ができる。
【００２８】
【数６】
2011055358.tif 000008
【００２９】
この条件を当てはめると、式（４）は次式（７）となり、Ｃ0の効果が打ち消されたことになる。
【００３０】
【数７】
2011055358.tif 000009
【００３１】
またこの時、インピーダンス素子Ｚ3、Ｚ4は、図３に示すようにキャパシタＣ3、Ｃ4とすることができる。この代わりに、図４に示すように抵抗Ｒ3、Ｒ4とすることができる。
【００３２】
（実施の形態２）
図８は、シングルエンド接続水晶振動子のＣ0打ち消し用の平衡ブリッジ回路が備わっている水晶発振回路の実施の形態を示す回路ブロック図である。図に示す水晶発振回路５０において、シングルエンド接続水晶振動子５２は、その機械的パラメータである固有インダクタンスＬｘ、固有キャパシタンスＣｘおよび実効抵抗Ｒｘを備えた等価直列共振回路として表されており、その電極間キャパシタがＣ0で表わされている。
【００３３】
平衡ブリッジ回路５１は、通常のコルピッツ発振回路の入力キャパシタンスアームＣ2と、当該平衡ブリッジ回路のアームＺ3、Ｚ4と、ゲイン可変型の差動増幅器Ａを備えている。平衡ブリッジ回路５１において、β＝Ｚ3／（Ｚ3＋Ｚ4）がバランスの係数である。
【００３４】
平衡回路５１の後段側に、抵抗Ｒ1、キャパシタＣ1で構成される出力側積分回路５３が接続されている。
【００３５】
この発振回路５０が安定して動作した時、Ｒｘの値は次式（８）で表わされる。
【００３６】
【数８】
2011055358.tif 000010
【００３７】
この式（８）のIII項も、バイポーラ接続時と同じく、式（９）の条件で零にする事ができる。
【００３８】
【数９】
2011055358.tif 000011
【００３９】
この条件で式（８）は式（１０）となり、Ｃ0の効果が打ち消されることになる。
【００４０】
【数１０】
2011055358.tif 000012
【００４１】
またこの時、インピーダンス素子Ｚ3、Ｚ4は、図５に示すようにキャパシタＣ3、Ｃ4とすることができる。この代わりに、図６に示すように抵抗Ｒ3、Ｒ4とすることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１、１１、２１、３１、４１、５１  平衡ブリッジ回路
２、１２、２２、３２、４２、５２  水晶振動子
４０、５０  水晶発振回路
４３、５３  積分回路
Ｃ2  コルピッツアーム用のキャパシタ（キャパシタンス）
Ｃ3、Ｃ4  平衡用キャパシタ（キャパシタンス）
Ｒ3、Ｒ4  平衡用抵抗（抵抗値）
Ａ    差動増幅器（ゲイン）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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