(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
等価並列容量を内在し、入力電極及び出力電極を有する共振子と、
逆相入力端子に前記出力電極が接続され、正相入力端子に第１容量を介して前記入力電極が接続された差動増幅器と、
前記逆相入力端子と第１電源間に設けられた第２容量及び前記逆相入力端子と第２電源間に設けられた第１抵抗と、
前記正相入力端子と第３電源間に設けられた第３容量及び前記正相入力端子と第４電源間に設けられた第２抵抗と、
前記差動増幅器の出力端子と前記入力電極との間に設けられた第３抵抗と、
前記入力電極と第５電源との間に設けられた第４容量とを備え、
前記等価並列容量と前記第２容量の比と、前記第１容量と前記第３容量の比は略等しく、
前記等価並列容量と前記第２容量との和と前記第１抵抗の積と、前記第１容量と前記第３容量との和と前記第２抵抗の積が略等しく、
カットオフ周波数として、ｆｃ＝１／｛２π×（前記等価並列容量＋前記第２容量）×前記第１抵抗｝＝１／｛２π×（前記第１容量＋前記第３容量）×前記第２抵抗｝を適用し、共振点以外の周波数で０ｄＢ以上の利得が生じないように回路定数を設定したことを特徴とする発振回路。
【請求項２】
前記第２容量を第１容量可変素子、前記第３容量を第２容量可変素子、前記第４容量を第３容量可変素子にしたことを特徴とする請求項１記載の発振回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振起動における共振子の等価並列容量を相殺、または抑制し、自励発振を起こすことがなく、共振点での発振起動を可能にした発振回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
共振子の種類として、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）やＦＢＡＲ（Ｆｉｌｍ  Ｂｕｌｋ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）などが知られている。その共振子の中で水晶共振子４の等価回路は、図６のように、抵抗Ｒ１と、等価直列容量Ｃ１と、インダクタンスＬ１が直列接続され、等価並列容量Ｃ０が並列接続されている。
【０００３】
また、その水晶共振子を利用した発振回路は、従来例として挙げた図７のような一般的なコルピッツタイプ発振回路が知られている。図７に示す発振回路は、等価回路で示された水晶共振子１（図６参照）に入力電極、及び出力電極が設けられている。その出力電極が反転増幅器５に接続され、且つ電源（ＧＮＤ）間に配線等の寄生成分や、反転増幅器５のミラー効果で生成される分を含めて考慮される負荷容量ＣＧと負荷抵抗ＲＧがそれぞれ接続される。反転増幅器５の出力端子と、水晶共振子１の入力電極との間は、反転増幅器５の出力インピーダンスも含めて考慮される制限抵抗ＲＤが接続されている。そして、反転増幅器５の出力端子は、制限抵抗ＲＤを介して出力端子３と接続される。また、水晶共振子１の入力電極と、電源（ＧＮＤ）との間に配線等の寄生成分も含めて考慮される負荷容量ＣＤが接続される。
【０００４】
図７のような一般的なコルピッツタイプ発振回路における水晶共振子の等価並列容量Ｃ０は、反共振点を存在させ、共振点での発振起動を阻害する要因であることが知られている。そのため、発振起動における水晶共振子の等価並列容量Ｃ０を中和する発振回路が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に開示された発振回路は、発振回路に付加したミラー容量回路により、水晶共振子の等価並列容量Ｃ０をミラー容量回路の設定で中和することができ、共振点での発振起動が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３９９８２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水晶共振子を用いた図７の一般的なコルピッツタイプ発振回路のオープンループ特性（利得特性、及び位相特性）を図８で示す。図８上部の縦軸は位相、図８下部の縦軸は利得、図８の横軸は周波数をそれぞれ示している。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）の破線部の拡大図を示している。図８（ａ）の破線部は、約５００ＭＨｚの周波数に共振点と反共振点を持ち、図８（ｂ）でその拡大図が示されている。発振回路のオープンループ特性は、位相が０°を交錯する点で、且つ利得が０ｄＢ（１倍）以上の周波数が発振可能状態となる。図８（ｂ）上部の位相特性は、水晶共振子の等価並列容量Ｃ０が等価直列容量Ｃ１に対して大きいため、共振点と反共振点が接近し、位相０°を辛うじて交錯する発振可能状態である。したがって、製造ばらつき、温度特性などを考慮すると位相特性の余裕（マージン）を持たせることが重要である。また、水晶共振子の等価並列容量Ｃ０の影響としては、発振回路側の発振起動条件の指標である負性抵抗が小さくなり、共振点での発振起動を阻害することも知られている。
【０００７】
上述した水晶共振子の等価並列容量Ｃ０の影響を中和する特許文献１に開示された発振回路は、その発振回路に付加したミラー容量回路の設定により、水晶共振子の等価並列容量Ｃ０を中和させるものである。また、そのミラー容量回路は、反転増幅器の利得を決定する入力抵抗と帰還抵抗、及び中和容量の値を水晶共振子の等価並列容量Ｃ０に対して適宜設定することで、水晶共振子の等価並列容量Ｃ０を中和させるものである。しかし、製造ばらつき、温度特性などで適宜設定した入力抵抗、帰還抵抗、及び中和容量の値が変化し、水晶共振子の等価並列容量Ｃ０に対して過剰な中和量になる場合がある。その場合のオープンループ特性は、共振点とは別点の周波数帯（以下、オフバンドと呼称）に発振可能状態を持つ。したがって、オフバンドで自励発振を起こすことで、共振点での発振起動を不能にする場合があるという課題がある。
【０００８】
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、共振子の等価並列容量Ｃ０が相殺、または抑制され、共振点に対して反共振点を十分に遠ざけることによって共振点での発振起動を可能にした発振回路を提供し、また、製造ばらつき、温度特性などを考慮しても、共振子の等価並列容量Ｃ０の相殺量によって生じる自励発振を起こすことなく、共振点での発振起動を可能にした発振回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る発振回路は、等価並列容量を内在し、入力電極及び出力電極を有する共振子と、逆相入力端子に前記出力電極が接続され、正相入力端子に第１容量を介して前記入力電極が接続された差動増幅器と、前記逆相入力端子と第１電源間に設けられた第２容量及び前記逆相入力端子と第２電源間に設けられた第１抵抗と、前記正相入力端子と第３電源間に設けられた第３容量及び前記正相入力端子と第４電源間に設けられた第２抵抗と、前記差動増幅器の出力端子と前記入力電極との間に設けられた第３抵抗と、前記入力電極と第５電源との間に設けられた第４容量とを備え、前記等価並列容量と前記第２容量の比と、前記第１容量と前記第３容量の比は略等しく、前記等価並列容量と前記第２容量との和と前記第１抵抗の積と、前記第１容量と前記第３容量との和と前記第２抵抗の積が略等しく、カットオフ周波数として、ｆｃ＝１／｛２π×（前記等価並列容量＋前記第２容量）×前記第１抵抗｝＝１／｛２π×（前記第１容量＋前記第３容量）×前記第２抵抗｝を適用し、共振点以外の周波数で０ｄＢ以上の利得が生じないように回路定数を設定したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項２に係る発振回路は、前記構成において、前記第２容量を第１容量可変素子、前記第３容量を第２容量可変素子、前記第４容量を第３容量可変素子にしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１に係る発振回路によれば、発振起動を阻害する共振子の等価並列容量が相殺、または抑制されるので、共振点に対して反共振点を十分に遠ざけた発振出力を得ることができる。これにより、共振点での発振起動が確実に行われる。また、共振子の等価並列容量を相殺、または抑制する為の本発振回路の各容量、及び各抵抗の関係を特定しているため、共振子の等価並列容量に対して、発振回路側の各容量、及び各抵抗の調整を行うだけで共振点での発振起動が確実に行われる。さらに、その関係が保持できない場合においても、オフバンドで自励発振を起こす心配は無い。
【００１４】
本発明の請求項２に係る発振回路によれば、上述した効果に加え、第２から第４容量を各容量可変素子にしたことで、発振周波数を可変する電圧制御型発振回路の構成も可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態の発振回路を示す電気回路図。
【図２】水晶共振子の等価並列容量に対して相殺量が一致する場合の第１実施形態の発振回路のオープンループ特性を示す説明図。
【図３】同じく相殺量が不十分な場合のオープンループ特性を示す説明図。
【図４】同じく相殺量が過剰な場合のオープンループ特性を示す説明図。
【図５】本発明の第２実施形態の発振回路を示す電気回路図。
【図６】水晶共振子の等価回路を示す説明図。
【図７】水晶共振子を用いた一般的なコルピッツタイプ発振回路を示す電気回路図。
【図８】一般的なコルピッツタイプ発振回路のオープンループ特性を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、図１に基づいて、本発明に係る発振回路の第１の実施形態を説明する。等価回路で示された水晶共振子１（図６参照）に入力電極、及び出力電極が設けられている。前記出力電極が差動増幅器２の逆相入力端に接続され、前記入力電極が第１容量たる容量Ｃ０’を介して差動増幅器２の正相入力端に接続される。差動増幅器２の逆相入力端と第１電源（ＧＮＤ）の間に第２容量たる負荷容量ＣＧが接続され、また前記逆相入力端と第２電源（ＧＮＤ）の間に第１抵抗たる負荷抵抗ＲＧが接続される。そして、差動増幅器２の正相入力端と第３電源（ＧＮＤ）の間に第３容量たる負荷容量ＣＧ’が接続され、また前記正相入力端と第４電源（ＧＮＤ）の間に第２抵抗たる負荷抵抗ＲＧ’が接続される。差動増幅器２の出力端子と、水晶共振子１の入力電極との間には、第３抵抗たる制限抵抗ＲＤが接続される。そして、差動増幅器２の出力端子は、制限抵抗ＲＤを介して出力端子３と接続される。また、水晶共振子１の入力電極と、第５電源（ＧＮＤ）との間に第４容量たる負荷容量ＣＤが接続される。
【００１７】
本発明に係る発振回路の第１の実施形態において、水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０起因の反共振点を相殺するために、以下の条件を適用する。なお、各符号（例えば、Ｃ０等）は、以下の条件では値として適用する。
Ｃ０’／ＣＧ’＝Ｃ０／ＣＧ  （１）
（Ｃ０’+ＣＧ’）・ＲＧ’＝（Ｃ０+ＣＧ）・ＲＧ  （２）
式（１）は、各容量の比を等しくすることで、差動増幅器２の逆相入力端、及び正相入力端の信号分圧量を等しくする条件である。また、式（２）は、各抵抗と各容量の和との積を等しくすることで、水晶共振子１から差動増幅器２の逆相入力端までの時定数、及び容量Ｃ０’から差動増幅器２の正相入力端までの時定数を等しくする条件である。また、上記式（１）、（２）の各容量、抵抗は、半導体集積回路として製造した場合における配線や差動増幅器２等の寄生成分を含んだ値である。したがって、式（１）、（２）に回路素子として追加する容量や抵抗の値のみを適用させて設計する場合には効果を十分に得ることはできない。上記式（１）、（２）の条件を適用することで、水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０起因の反共振とＣ０’起因の反共振とが差動増幅器２によって差分され、相殺される。
【００１８】
更に、任意のカットオフ周波数ｆｃとして以下の条件を適用する。なお、各符号（例えば、Ｃ０等）は、以下の条件では値として適用する。
ｆｃ＝１／{２・π・（Ｃ０’+ＣＧ’）・ＲＧ’}＝１／{２・π・（Ｃ０+ＣＧ）・ＲＧ}  （３）
式（３）は、差動増幅器２、制限抵抗ＲＤ、及び負荷容量ＣＤの時定数を持つＬＰＦ（Ｌｏｗ−Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）の周波数特性に対して、ＨＰＦ（Ｈｉｇｈ−Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）の周波数特性を持つカットオフ周波数ｆｃを設定することを示す。言い換えれば、任意のカットオフ周波数ｆｃを適当な周波数として選択し、上述したＬＰＦの周波数特性と合成されたＢＰＦ（Ｂａｎｄ−Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）の周波数特性において、共振点以外の周波数で０ｄＢ（１倍）以上の利得が生じないように回路定数を設計すれば良い。
【００１９】
図２は、水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０に対して相殺量が一致する場合の第１実施形態の発振回路のオープンループ特性を示す。水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０に対して相殺量が一致する場合とは、言い換えれば、式（１）、（２）を適用した場合である。図２上部の縦軸は位相、図２下部の縦軸は利得、また、図２の横軸は周波数を示す。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）の破線部の拡大図を示す。図２（ａ）の破線部は、約５００ＭＨｚの点に共振点が存在し、また、その拡大図である図２（ｂ）で反共振点が完全に消滅していることが示されている。したがって、本発明の第１実施形態において式（１）、（２）を適用した場合は、水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０を完全に相殺している。また、上述したｆｃを考慮するまでもなく、共振点以外のオフバンドにおける利得が０ｄＢ（１倍）より小さく、充分に抑圧されているので、オフバンドでの自励発振を起こす心配は無い。
【００２０】
しかし、図２の特性を得る為には、式（１）、（２）に対し０．１％以下程度の精度が必要である。例えば、水晶共振子１以外をＩＣ（集積回路）上に実現した場合、Ｃ０’以外の定数を式（１）、（２）の条件に対し、充分な相対精度を保持する事は可能であるが、水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０は、水晶共振子１中に内在し、且つ外付けされるため、式（１）、（２）の関係に対し、０．１％以下の精度で保持することは困難を伴う。したがって、その精度を保持しない状態における発振回路の特性を考慮することは、共振点での発振起動を確実にする上で重要である。
【００２１】
図３は、水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０に対して相殺量が不十分な場合の第１実施形態の発振回路のオープンループ特性を示す。水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０に対して相殺量が不十分な場合とは、言い換えれば、水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０が所望の値より大きい場合である。図３上部の縦軸は位相、図３下部の縦軸は利得、また、図３の横軸は周波数を示す。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の破線部の拡大図を示す。図３（ａ）の破線部は、約５００ＭＨｚの周波数に共振点と反共振点を持ち、図３（ｂ）でその拡大図が示されている。図３（ａ）で示されるオフバンドでは、発振可能状態である位相０°を交錯する点が存在しない。したがって、第１の実施形態では、水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０の相殺量が不十分な場合においても、自励発振を起こす心配は無い。
【００２２】
図４は、水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０に対して相殺量が過剰な場合の第１実施形態の発振回路のオープンループ特性を示す。水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０に対して相殺量が過剰な場合とは、言い換えれば、水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０が所望の値より小さい場合である。図４上部の縦軸は位相、図４下部の縦軸は利得、また、図４の横軸は周波数を示す。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）の破線部の拡大図を示す。図４（ａ）の破線部は、約５００ＭＨｚの周波数に共振点と反共振点を持ち、図４（ｂ）でその拡大図が示されている。図４（ａ）で示されるオフバンドでは、発振可能状態である位相０°を交錯するＡ点が存在するが、ｆｃを適当な周波数で設定できており、そのＡ点での周波数における利得が０ｄＢ（１倍）より小さい。したがって、第１の実施形態では、水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０の相殺量が過剰な場合においても、自励発振を起こす心配は無い。
【００２３】
上述した水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０の相殺量が不十分な場合、過剰な場合を含め、本発明に係る発振回路の第１の実施形態は、その相殺量によって生じる自励発振を起こさず、共振点での発振起動を可能にする。
【００２４】
次に、図５に基づいて、本発明に係る発振回路の第２の実施形態を説明する。第２実施形態は、上述した第１実施形態に基づき、各負荷容量をバリキャップダイオードなどの容量可変素子に置き換えた構成である。具体的には、第２容量たる負荷容量ＣＧを第１容量可変素子たる容量可変素子ＣＧＶに、第３容量たる負荷容量ＣＧ’を第２容量可変素子たる容量可変素子ＣＧＶ’に、第４容量たる負荷容量ＣＤを第３容量可変素子たる容量可変素子ＣＤＶに各々置き換えた発振回路である。また、各容量可変素子ＣＧＶ，ＣＧＶ’，ＣＤＶは、その容量値を設定する為の外部印加電圧源（図示せず）が接続される。第１の実施形態の発振回路における共振点の周波数は、水晶共振子１、負荷容量ＣＧ、負荷容量ＣＤによって決定される。したがって、前記各負荷容量ＣＧ，ＣＤを各容量可変素子ＣＧＶ，ＣＤＶに置き換えた第２の実施形態は、言い換えれば、共振点の周波数を変更できる電圧制御型発振回路の構成となる。そして、負荷容量ＣＧ’も容量可変素子ＣＧＶ’に置き換えることで、第２の実施形態で得られる効果と第１の実施形態で得られる効果は同じである。したがって、第２の実施形態は、電圧制御型発振回路において、水晶共振子１の等価並列容量Ｃ０が相殺、または抑制され、製造ばらつき、温度特性などを考慮しても、自励発振を起こすことなく、共振点での発振起動を可能にする。
【００２５】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば水晶共振子１以外にも、ＳＡＷ、ＦＢＡＲ、セラミック等を含む共振子でも適用可能である。また、差動増幅器２は、減算器などに置き換えてもよい。そして、制限抵抗ＲＤは、差動増幅器２の出力インピーダンスによっては設ける必要がない場合も含まれる。
【符号の説明】
【００２６】
１      水晶共振子の等価回路
２      差動増幅器
３      出力端子
４      水晶共振子
５      反転増幅器
【図１】
0006605930.tif 000002
【図２】
0006605930.tif 000003
【図３】
0006605930.tif 000004
【図４】
0006605930.tif 000005
【図５】
0006605930.tif 000006
【図６】
0006605930.tif 000007
【図７】
0006605930.tif 000008
【図８】
0006605930.tif 000009