(57)【要約】【課題】簡単な回路構成で容易に振動子電流を抑圧する圧電発振器を提供する。【解決手段】圧電発振回路は、トランジスタＴＲ２のエミッタとトランジスタＴＲ１のコレクタをカスコード接続し、この接続中点よりコンデンサＣｅを介して接地する。またトランジスタＴＲ２のコレクタは電源Ｖｃｃに接続し、そのベースより圧電振動子Ｘｔａｌと周波数調整素子用のコンデンサＣ１の直列回路を介してトランジスタＴＲ１のエミッタに接続し、このエミッタから抵抗Ｒｅを介して接地する。また、トランジスタＴＲ２のベースは電源Ｖｃｃから抵抗ＲＢ３を介して接続され、抵抗ＲＢ１によりトランジスタＴＲ１のベースに接続される。更にそのベースより抵抗ＲＢ２で接地されベースバイアス回路を構成する。また、トランジスタＴＲ１のベースはコンデンサＣ２により接地される。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数で励振される圧電素子を備えた圧電振動子と、該圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる第１のトランジスタと、該第１のトランジスタの負荷容量の一部となる合成容量と、前記第１のトランジスタとカスコード接続される第２のトランジスタと、を備えた圧電発振器であって、
前記第１のトランジスタのエミッタより第１の容量を介して接地すると共に、前記第１のトランジスタのベースより前記圧電振動子と容量素子を介して前記第２のトランジスタのエミッタに接続することにより、前記第１の容量及び前記第１のトランジスタのベース・エミッタ間の接合容量によりコルピッツ発振回路の帰還回路部分の分割容量を構成したことを特徴とする圧電発振器。
【請求項２】
所定の周波数で励振される圧電素子を備えた圧電振動子と、該圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる第１のトランジスタと、該第１のトランジスタの負荷容量の一部となる合成容量と、前記第１のトランジスタとカスコード接続される第２のトランジスタと、を備えた圧電発振器であって、
前記第１のトランジスタのエミッタより第１の容量を介して接地すると共に、前記第１のトランジスタのコレクタとエミッタ間を第２の容量により接続し、前記第１のトランジスタのベースより前記圧電振動子と容量素子を介して前記第２のトランジスタのエミッタに接続することにより、前記第１の容量及び前記第１のトランジスタのベース・エミッタ間の接合容量によりコルピッツ発振回路の帰還回路部分の分割容量を構成したことを特徴とする圧電発振器。
【請求項３】
前記第２のトランジスタは、ベース側が容量を介して接地されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電発振器。
【請求項４】
前記第１のトランジスタのベースとエミッタとの間に容量を挿入し、前記第１のトランジスタの接合容量の変動による影響を除去し周波数安定度を向上させたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電発振器に関し、特に圧電素子に対する電流抑圧方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動体通信機器や伝送通信機器に対する小型化、高性能化の要請に伴い、これらの機器において周波数制御デバイスとして使用される水晶発振器等の圧電発振器に対しても、小型化、安定化が強く求められている。圧電発振器は、水晶振動子等の圧電振動子に対して、周波数調整回路、周波数温度補償回路等を含む発振回路を組み合わせた構成を備えている。
圧電振動子は電気機械振動子であり、圧電振動子に流れる電流（以下、振動子電流と記す）が少ないことが経年変化等に対して高い信頼性を得ることにつながる。図４は、従来のシリコントランジスタによるコルピッツ発振回路の一例である。圧電発振回路は、発振用トランジスタＴＲ１１のベース・接地間に負荷容量の一部となるコンデンサＣｂとコンデンサＣｅとの直列回路を挿入接続し、この直列回路の接続中点と発振用トランジスタＴＲ１１のエミッタとを接続すると共に、エミッタ抵抗Ｒｅを接続する。更に、発振用トランジスタＴＲ１１のベースに抵抗ＲＢ１１及び抵抗ＲＢ１２とから成るベースバイアス回路を接続すると共に、発振用トランジスタＴＲ１１のベース・接地間に圧電振動子ＸｔａｌとコンデンサＣ１１の直列回路を挿入接続し、更に、発振用トランジスタＴＲ１１のコレクタと電源電圧Ｖｃｃラインとを接続したものである。
このコルピッツ発振回路において、図に示すように回路構成要素の値を設定した場合、圧電振動子Ｘｔａｌの周波数を１０ＭＨｚのとき、ポイントＡでの信号レベルは５３７ｍＶｒｍｓ，ポイントＢでの信号レベルは２９６ｍＶｒｍｓで電流は１．８６ｍＡとなり、ポイントＣでは２２９ｍＶｒｍｓとなる。また、そのときの電源電流（発振回路の消費電流）は７．１４ｍＡである。
また、このようなコルピッツ発振回路にトランジスタＴＲ１１のコレクタと電源電圧Ｖｃｃライン間にカスコード接続されたシリコントランジスタを備えたコルピッツ発振回路があるが、ベース・エミッタ間容量Ｃｂが０ｐＦから約１００ｐＦの範囲では、ベース・エミッタ間容量Ｃｂが増加すると、それに比例して振動子電流ｉｘが増加し、Ｃｂがほぼ１００ｐＦ以上の範囲においては振動子電流ｉｘはほぼ一定になり、実験結果によると、そのときの振動子電流ｉｘは最大６５００μＡを示す。
また、振動子電流の増加を抑圧する他の方法として、ＡＧＣ回路を用いてコルピッツ発振回路のベース電流を制御することによりゲインを抑圧して、その結果により振動子電流を抑圧する方法もある。しかし、本方式によった場合、電流抑圧効果は大きいが、ＡＧＣ回路の構成であることから、発振器の小型化及び低価格化が達成できないという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来のコルピッツ発振回路では、ベース・エミッタ間容量の増加に伴って、振動子電流が増加し、その抑圧には限界がある。また、ＡＧＣ回路による方法は、回路が複雑となり、それにより小型化が難しくコストアップの原因になっているといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、簡単な回路構成で容易に振動子電流を抑圧することにより経年変化特性に優れた小型圧電発振器を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、所定の周波数で励振される圧電素子を備えた圧電振動子と、該圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる第１のトランジスタと、該第１のトランジスタの負荷容量の一部となる合成容量と、前記第１のトランジスタとカスコード接続される第２のトランジスタと、を備えた圧電発振器であって、前記第１のトランジスタのエミッタより第１の容量を介して接地すると共に、前記第１のトランジスタのベースより前記圧電振動子と容量素子を介して前記第２のトランジスタのエミッタに接続することにより、前記第１の容量及び前記第１のトランジスタのベース・エミッタ間の接合容量によりコルピッツ発振回路の帰還回路部分の分割容量を構成したことを特徴とする。
従来のコルピッツ発振回路の発振用トランジスタ（第１のトランジスタ）のベース・エッミタ間のコンデンサを省略し、エミッタ・ベース接地トランジスタ（第２のトランジスタ）をカスコード接続し、前記発振用トランジスタのエミッタをコンデンサにより接地する。これにより、発振用トランジスタのベース・エミッタ間の接合容量とコンデンサにより負荷容量を形成してコルピッツ発振器を構成する。
かかる発明によれば、発振用トランジスタのベース・エミッタ間の接合容量とコンデンサにより負荷容量を形成してコルピッツ発振器を構成するので、発振用トランジスタのベース・エミッタ間容量を極力少なくして発振させることにより、負性抵抗を維持しつつ振動子電流を抑圧した発振器を構成することができる。
【０００５】
請求項２は、所定の周波数で励振される圧電素子を備えた圧電振動子と、該圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる第１のトランジスタと、該第１のトランジスタの負荷容量の一部となる合成容量と、前記第１のトランジスタとカスコード接続される第２のトランジスタと、を備えた圧電発振器であって、前記第１のトランジスタのエミッタより第１の容量を介して接地すると共に、前記第１のトランジスタのコレクタとエミッタ間を第２の容量により接続し、前記第１のトランジスタのベースより前記圧電振動子と容量素子を介して前記第２のトランジスタのエミッタに接続することにより、前記第１の容量及び前記第１のトランジスタのベース・エミッタ間の接合容量によりコルピッツ発振回路の帰還回路部分の分割容量を構成したことを特徴とする。
本発明は請求項１の第１のトランジスタのコレクタと電源間に抵抗を挿入し、同じトランジスタのコレクタとエミッタをコンデンサにより接続するものである。このとき、コレクタとエミッタの位相は１８０°異なるので、コレクタ出力によりエミッタ出力を抑制する効果が現れる。これにより、負性抵抗を増加させることができる。
かかる発明によれば、発振用トランジスタのコレクタ出力によりエミッタ出力を抑圧するので、発振用トランジスタの負性抵抗を増加させることができる。
請求項３は、前記第２のトランジスタは、ベース側が容量を介して接地されていることを特徴とする。
第１のトランジスタをエミッタ接地回路にするために、そのエミッタにコンデンサを接続して接地し、第２のトランジスタはベースは容量を介して接地する。これによりエミッタ接地回路とベース接地回路を直列に接続してカスケード接続を完成することができる。
かかる発明によれば、第２のトランジスタのベースを容量を介して接地することにより、このトランジスタをベース接地回路とすることができ、発振用トランジスタと共に、カスケード回路を構成することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るコルピッツ発振回路の一例である。圧電発振回路は、トランジスタＴＲ２（第１のトランジスタ）のエミッタとトランジスタＴＲ１（第２のトランジスタ）のコレクタをカスコード接続し、この接続中点よりコンデンサＣｅを介して接地する。またトランジスタＴＲ２のコレクタは電源Ｖｃｃに接続し、そのベースより圧電振動子Ｘｔａｌと周波数調整素子用のコンデンサＣ１の直列回路を介してトランジスタＴＲ１のエミッタに接続し、このエミッタから抵抗Ｒｅを介して接地する。また、トランジスタＴＲ２のベースは電源Ｖｃｃから抵抗ＲＢ３を介して接続され、抵抗ＲＢ１によりトランジスタＴＲ１のベースに接続される。更にそのベースより抵抗ＲＢ２で接地されベースバイアス回路を構成する。また、トランジスタＴＲ１のベースはコンデンサＣ２により接地される。
ベース接地トランジスタの特徴は入力抵抗が非常に低く、出力抵抗が負荷抵抗の値まで高くできる点にある。この回路ではトランジスタＴＲ１のコレクタがトランジスタＴＲ２のエミッタに接続されているため、トランジスタＴＲ２の出力抵抗がトランジスタＴＲ１のコレクタとエミッタとの間の抵抗となり非常に高い値となる。
つまり、トランジスタＴＲ２のエミッタの抵抗値が高いため、エミッタと接地との間にはコンデンサＣｅによるリアクタンス成分だけが存在することになる。例えば、図４に示す従来のコルピッツ型発振器ではトランジスタＴＲ１１のエミッタと接地との間には発振に必要とする電流を流すためのエミッタ抵抗（Ｒｅ１＝３３０Ω）が必要となる。よって、トランジスタＴＲ１１のエミッタと接地との間には抵抗Ｒｅ１とコンデンサＣｅとを並列接続したものが挿入されることになり、そのインピーダンスは抵抗成分と容量性リアクタンス成分の合成されたものとなる。コルピッツ型発振器では、発振に必要な負性抵抗は容量性リアクタンスの合成（−ｇｍ／ω２・ｃ１・Ｃ２）により作り出され、抵抗成分は負性抵抗を抑圧する要因となる。
この回路では、ベース接地トランジスタＴＲ１のコレクタを発振用トランジスタＴＲ２のエミッタに接続することにより、トランジスタＴＲ２のエミッタのインピーダンスがコンデンサＣｅによる容量性リアクタンス成分のみとなり、負性抵抗を抑圧する要因である抵抗成分を極端に低くすることができる。その結果大きな負性抵抗を得ることができる。
このコルピッツ発振回路において、圧電振動子Ｘｔａｌの周波数を１０ＭＨｚのとき、ポイントＡでの信号レベルは５ｍＶｒｍｓであり、更に電流は３１．４μＡとなり、そのときの電源電流（発振回路の消費電流）は２．４３ｍＡである。
【０００７】
ここで、本発明の最も大きな特徴は、ベース接地としたトランジスタＴＲ１のコレクタと電源Ｖｃｃ間に、ＴＲ２をカスコード接続し、そして、トランジスタＴＲ２のエミッタよりコンデンサＣｅを介して接地し、トランジスタＴＲ２のベースを圧電振動子Ｘｔａｌと周波数調整素子用のコンデンサＣ１との直列回路を介してトランジスタＴＲ１のエミッタに接続するよう構成したことにより、コンデンサＣｅとトランジスタＴＲ２のベース・エミッタ間の接合容量とがコルピッツ発振回路の帰還部分における負荷容量（分割容量）を構成するものである。更に詳しく説明すると、圧電振動子Ｘｔａｌのベース側とトランジスタＴＲ１のエミッタ側ではループ信号の位相が反転（位相差１８０°）しているので、トランジスタＴＲ２のベース側の信号電流レベルがハイレベルのとき、トランジスタＴＲ１のエミッタ側の信号電流レベルはローレベルであり、同じくトランジスタＴＲ１のコレクタ側もローレベルとなり、これによりこのトランジスタＴＲ２のベース・エミッタ間の電流レベル差が大きくなるに伴い接合容量が増大する。これにより適切な負荷容量を生成してコルピッツ発振回路が構成されるので、水晶発振器を構成する場合トランジスタＴＲ２のベース・エミッタ間と、コンデンサチップ等の外付け容量部品を必要とすることがない。
【０００８】
図２は本発明の第２の実施形態に係るコルピッツ発振回路の一例である。圧電発振回路は、トランジスタＴＲ２２（第１のトランジスタ）のエミッタとトランジスタＴＲ２１（第２のトランジスタ）のコレクタをカスコード接続し、この接続中点よりコンデンサＣｅ１を介して接地すると共に、コンデンサＣｃｅを介してトランジスタＴＲ２２のコレクタと接続する。またトランジスタＴＲ２２のコレクタと電源Ｖｃｃ間に抵抗Ｒｃを挿入接続し、そのベースより圧電振動子Ｘｔａｌと周波数調整素子用のコンデンサＣ２１の直列回路を介してトランジスタＴＲ２１のエミッタに接続し、このエミッタから抵抗Ｒｅ１を介して接地する。また、トランジスタＴＲ２２のベースは電源Ｖｃｃと抵抗ＲＢ２３を介して接続され、抵抗ＲＢ２１によりトランジスタＴＲ２１のベースに接続される。更にトランジスタＴＲ２１のベースを抵抗ＲＢ２２で接地されベースバイアス回路を構成する。また、トランジスタＴＲ２１のベースはコンデンサＣ２２により接地される。このコルピッツ発振回路において、圧電振動子Ｘｔａｌの周波数が１０ＭＨｚのとき、ポイントＡでの信号レベルは４３ｍＶｒｍｓ，ポイントＢでの信号レベルは８ｍＶｒｍｓで電流は５０．２４μＡとなり、ポイントＣでは４２ｍＶｒｍｓとなる。また、そのときの電源電流（発振回路消費電流）は２．４４ｍＡである。　本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、トランジスタＴＲ２２のコレクタと電源Ｖｃｃ間に抵抗Ｒｃを挿入接続し、コンデンサＣｃｅによりトランジスタＴＲ２２のコレクタとエミッタを接続する点である。更に詳しく説明すると、圧電振動子Ｘｔａｌのベース側とトランジスタＴＲ２１のエミッタ側では信号電流の位相が反転（ほぼ１８０°のずれ）しており、トランジスタＴＲ２２のベース側信号電流がハイレベルのとき、トランジスタＴＲ２１のエミッタ側はローレベルであり、同じくトランジスタＴＲ２１のコレクタ側もローレベルとなる。そして更に、トランジスタＴＲ２２のエミッタはトランジスタＴＲ２１のコレクタと接続されているのでローレベルとなり、トランジスタＴＲ２２のベースよりエミッタに電流が流れようと働き、結果だけ述べると負性抵抗が増大するように働くことが確認された。
【０００９】
図３は本発明の第１と第２の実施形態に係る発振回路において、発振回路から振動子を外し、振動子の代わりにインピーダンスメーターの発振出力を供給し、その発振出力を可変したときの発振出力と発振に必要とする負性抵抗との関係を示すものである。即ち、発振回路における振動子の振幅の増加と負性抵抗の低下との関係をシミュレートした結果を表す図である。
同図において、縦軸は負性抵抗（Ω）を表し、横軸はインピーダンスメーターの発振出力レベル（ｍＶ）を表している。また、符号１は図１の発振回路の特性であり、符号２は図２の発振回路の特性であり、符号３は図４の従来の発振回路の特性である。
同図から明らかなように、発振レベルが小さいときは大きな負性抵抗を呈する。これは、発振の起動が容易であることを意味する。また、発振レベルが大きいときは小さな負性抵抗を呈する。これは、発振が安定した状態（定常状態）に達したとき小さな振動レベル（振動子電流）で発振が継続することを表しており、結果として発振周波数の経年特性（エージング）の向上に寄与する。
従来の発振回路の特性を示す符号３の曲線は出力レベルが増加しても負性抵抗の低下が緩やか（略一定の−５００Ω）であり、安定時の振動子の振動レベルがかなり大きくなることが予測される。また、符号１の発振回路は発振起動時の負性抵抗が従来回路と発振のし易さという点で同等であるが、出力レベルの増加に伴い急激に負性抵抗が減少している。これは、振動子の振動レベルが小さい値で発振が継続することを示している。更に、符号２の発振回路は発振起動時の負性抵抗が最も大きく、他の回路の約３倍の値（約−１８００Ω）を呈しており、最も発振が容易であることを示している。そして、負性抵抗は急激に減少して小さい振動レベルにて発振が継続することがわかる。
【００１０】
以上の図１および図２に示す実施形態例では、トランジスタＴＲ２またはＴＲ２２のベースとエミッタの間に外付けの容量部品を挿入接続すること無くベース・エミッタ間の接合容量を利用して発振回路の期間部分における負荷容量を構成しているが、必要に応じてトランジスタＴＲ２またはＴＲ２２のベースとエミッタの間に外付けの容量部品を挿入接続しても構わない。
図５および図６は、それぞれ図１および図２に示した回路のトランジスタＴＲ２またはＴＲ２２のベースとエミッタの間に外付けの容量Ｃｂｅを挿入接続した回路を示すものである。
このように構成することにより、水晶振動子Ｘｔａｌに流れる電流は図１および図２に示す回路より増大するものの周波数安定度が向上すると云う効果が得られる。よって、容量Ｃｂｅの容量値は、発振回路の消費電流と周波数安定度との兼ね合いで適宜選択すればよい。
また、電源Ｖｃｃと接地との間に挿入接続した容量Ｃｃｇは、交流的に接地するためのパスコンデンサであって、図１および図２の回路にも必要に応じて適用することも可能である。
尚、本発明に係る発振回路においては種々の出力形態を採用することが可能であり、例えば図７乃至図１２に示すように如何なる出力形態を採用しても構わない。
【００１１】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項１の発明によれば、発振用トランジスタのベース・エミッタ間の接合容量とコンデンサにより負荷容量を形成してコルピッツ発振器を構成するので、発振用トランジスタのベース・エミッタ間容量を極力少なくして発振させることにより、負性抵抗を維持しつつ振動子電流を抑圧した発振器を構成することができる。
また請求項２では、発振用トランジスタのコレクタ出力によりエミッタ出力を抑圧するので、発振用トランジスタの負性抵抗を増加させることができる。
また請求項３では、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタのベースは夫々所定の電位でバイアスされているので、波形歪みの少ない発振器を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るコルピッツ発振回路の一例を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るコルピッツ発振回路の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１と第２の実施形態に係る発振回路の負性抵抗と発振出力レベルとの関係を表す図である。
【図４】従来のコルピッツ発振回路を表す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るコルピッツ発振回路の変形例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るコルピッツ発振回路の変形例を示す図である。
【図７】本発明に係るコルピッツ発振回路の出力形態例を示す図である。
【図８】本発明に係るコルピッツ発振回路の出力形態例を示す図である。
【図９】本発明に係るコルピッツ発振回路の出力形態例を示す図である。
【図１０】本発明に係るコルピッツ発振回路の出力形態例を示す図である。
【図１１】本発明に係るコルピッツ発振回路の出力形態例を示す図である。
【図１２】本発明に係るコルピッツ発振回路の出力形態例を示す図である。
【符号の説明】
ＴＲ２　発振用トランジスタ、Ｃｂｅ、Ｃｅ　負荷容量の一部となる容量、ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＢ３　バイアス抵抗、Ｒｅ　エミッタ抵抗、Ｘｔａｌ　圧電振動子　Ｃ１　周波数調整用コンデンサ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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