(57)【要約】【課題】低電圧動作が可能で安定度が高く、且つ低消費電力、低振動子電流で発振する発振回路を提供する。【解決手段】このコルピッツ発振器は、発振用トランジスタＴＲ１のベース・接地間に負荷容量の一部となるコンデンサＣ１とコンデンサＣ２との直列回路を挿入接続し、この直列回路の接続中点Ａとｐｎｐ型のトランジスタＴＲ１のエミッタとを接続すると共に、エミッタ抵抗Ｒ１を接地する。また増幅回路のｎｐｎ型のトランジスタＴＲ２のベースをコンデンサＣ５により接地すると共に、トランジスタＴＲ１のエミッタに抵抗Ｒ２を介して接続し、トランジスタＴＲ１のベースは抵抗Ｒ６により接地されたトランジスタＴＲ２のコレクタより、抵抗Ｒ４，Ｒ３とパスコンデンサＣ４により構成される直流パス回路を介して接続すると共に、トランジスタＴＲ２のエミッタとの間に圧電振動子ＸｔａｌとコンデンサＣ３の直列回路を挿入接続し、エミッタを抵抗Ｒ５により電源Ｖｃｃに接続する。そして発振出力をトランジスタＴＲ２のコレクタからコンデンサＣ６を介して取り出すように構成した。【選択図】      図１
2004266582.tif 000002
【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、該圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる発振用トランジスタ、該発振用トランジスタのベース・エミッタ間に接続され負荷容量の一部となる合成容量、及びエミッタと接地間に挿入されたエミッタ抵抗を有する圧電発振回路と、前記発振用トランジスタと異なる極性を有するトランジスタを使用した増幅回路と、を備え、
前記増幅回路のトランジスタのベースを容量を介して接地すると共に、前記発振用トランジスタのエミッタに抵抗を介して接続し、前記発振用トランジスタのベースは前記増幅回路のトランジスタのコレクタより抵抗とバイパス容量により構成される直流パス回路を介して接続すると共に、前記増幅回路のトランジスタのエミッタとの間に圧電振動子と容量の直列回路を挿入接続し、発振出力を前記増幅回路のトランジスタのコレクタから取り出すように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、該圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる発振用トランジスタ、該発振用トランジスタのベース・エミッタ間に接続され負荷容量の一部となる合成容量、及びエミッタと接地間に挿入されたエミッタ抵抗を有する圧電発振回路と、前記発振用トランジスタと異なる極性を有するトランジスタを使用した増幅回路と、を備え、
前記増幅回路のトランジスタのベースを前記発振用トランジスタのエミッタに抵抗を介して接続し、前記発振用トランジスタのベースは前記増幅回路のトランジスタのコレクタより抵抗と容量により構成される直流パス回路を介して接続すると共に、圧電振動子と容量の直列回路を接地し、発振出力を前記増幅回路のトランジスタのコレクタから取り出すように構成したことを特徴とする圧電発振器。
【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、さらに詳しくは、低電圧で発振が可能な圧電発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
デジタル機器のクロック発生器・通信機器・計測機器など高安定周波数の発生源に広く用いられてきた水晶発振器は、低電源電圧での動作、水晶発振回路のＩＣ化、高速起動等が要望されている。特に、低電圧動作、低消費電力に対しては携帯電話に代表される携帯型小型機器の多くは電池により動作するため、強く望まれる。しかし、現在使用頻度の高いカスコード水晶発振回路は最も基本的な水晶発振回路であるコルピッツ水晶発振回路に、バッファ段としてベース接地増幅回路が縦続接続された形となっており、トランジスタを２段縦に重ねていることから低電圧化が困難である。
図１０は、従来のカスコード接続したコルピッツ発振回路の図である。このコルピッツ発振回路は、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Ｃ１１とコンデンサＣ１２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Ｒ１１を接続する。更に、発振用トランジスタＴＲ１１のベースに抵抗Ｒ１４及び抵抗Ｒ１５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Ｃ１３の直列回路を挿入接続し、更に、発振用トランジスタＴＲ１１のコレクタにカスコード接続したトランジスタＴＲ１２を接続し、トランジスタＴＲ１２のコレクタに抵抗Ｒ１２を接続し、同じくベースに抵抗Ｒ１３から成るベースバイアス回路を接続すると共に、コンデンサＣ１４によりベースを接地したものである。
また、特開２００２−９５４５公報には、ＩＣ化に適したカスコード発振回路、および変形ベッセル関数を用いた大信号動作時の代数近似式に基づく回路設計方法について開示されている。これによると、カスコード発振回路は、トランジスタで構成したコルピッツ発振回路と、トランジスタのコレクタにベースが接続されたトランジスタと、これらのトランジスタのベースどうしを接続する抵抗と、トランジスタのベースと電源との間に接続された定電圧源と、トランジスタのコレクタと前記電源との間に接続された負荷抵抗とを供える。トランジスタ、定電圧源および負荷抵抗がベース接地増幅器を構成する。この増幅器が大容量となりがちな接地用コンデンサを必要としないことと、トランジスタのブリーダ抵抗の代わりに定電圧源手段を使用するため、満足な出力振幅で低電圧動作が可能であるとしている。
【特許文献１】特開２００２−９５４５公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記図１０に示す発振回路はトランジスタＴＲ１１によるコルピッツ発振回路とトランジスタＴＲ１２によるベース接地回路をカスコード接続したもので、低消費電流が可能であるという点から発振出力を効率的に取り出せると共に、安定度にも優れるが、トランジスタを２個カスコード接続するために高い電源電圧を必要とする。
また、特開２００２−９５４５公報による従来技術は、トランジスタのブリーダ抵抗の代わりに定電圧源手段を使用するため、満足な出力振幅で低電圧動作が可能であるが、トランジスタのベースと電源との間に定電圧源が必要なため回路が複雑となり、コストも高くなるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、低電圧動作が可能で安定度が高く、且つ低消費電力、低振動子電流で発振する発振回路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、該圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる発振用トランジスタ、該発振用トランジスタのベース・エミッタ間に接続され負荷容量の一部となる合成容量、及びエミッタと接地間に挿入されたエミッタ抵抗を有する圧電発振回路と、前記発振用トランジスタと異なる極性を有するトランジスタを使用した増幅回路と、を備え、前記増幅回路のトランジスタのベースを容量を介して接地すると共に、前記発振用トランジスタのエミッタに抵抗を介して接続し、前記発振用トランジスタのベースは前記増幅回路のトランジスタのコレクタより抵抗とバイパス容量により構成される直流パス回路を介して接続すると共に、前記増幅回路のトランジスタのエミッタとの間に圧電振動子と容量の直列回路を挿入接続し、発振出力を前記増幅回路のトランジスタのコレクタから取り出すように構成したことを特徴とする。
コルピッツ発振回路を低電圧で動作させるためには、電源投入時にはベースに発振用トランジスタのベース電圧を安定的に低電圧に保持する必要がある。そこで、本発明では、コルピッツ発振回路のエミッタ電圧を増幅用トランジスタのベースにフィードバックして、その電圧により増幅用トランジスタのベース・エミッタ電位を制御する。また、それにより制御されたコレクタ電位をコルピッツ発振回路のベースにフィードバックすることにより、相互のトランジスタの相補作用を利用して発振の安定動作を行っている。また、コルピッツ発振回路のベースと増幅回路のトランジスタのエミッタとの間に圧電振動子と容量の直列回路を挿入接続しているので、発振回路が発振することにより電流が増加して増幅用トランジスタのエミッタ電位が上昇し、コルピッツ発振回路のベース電位が降下して発振レベルを抑圧する。
かかる発明によれば、増幅用トランジスタにより発振用増幅トランジスタのベース電位を一定に保持するので、発振回路を低電圧でしかも安定的に動作させることができると共に、発振レベルを抑圧することができる。
【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、該圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる発振用トランジスタ、該発振用トランジスタのベース・エミッタ間に接続され負荷容量の一部となる合成容量、及びエミッタと接地間に挿入されたエミッタ抵抗を有する圧電発振回路と、前記発振用トランジスタと異なる極性を有するトランジスタを使用した増幅回路と、を備え、前記増幅回路のトランジスタのベースを前記発振用トランジスタのエミッタに抵抗を介して接続し、前記発振用トランジスタのベースは前記増幅回路のトランジスタのコレクタより抵抗と容量により構成される直流パス回路を介して接続すると共に、圧電振動子と容量の直列回路を接地し、発振出力を前記増幅回路のトランジスタのコレクタから取り出すように構成したことを特徴とする。
請求項２が請求項１と異なる点は、圧電振動子と容量の直列回路を直接接地し、増幅回路のトランジスタのベースを容量により接地しない点である。その他は請求項１と同様であり、発振レベルを抑圧することはできないが、発振の安定性と部品点数が減少するのでコストダウンが図れる。
かかる発明によれば、増幅用トランジスタにより発振用増幅トランジスタのベース電位を一定に保持するので、発振回路を低電圧でしかも安定的に動作させることができると共に、部品点数を減少してコストダウンが図れる。
【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器の回路図である。このコルピッツ発振器は、発振用トランジスタＴＲ１のベース・接地間に負荷容量の一部となるコンデンサＣ１とコンデンサＣ２との直列回路を挿入接続し、この直列回路の接続中点Ａとｐｎｐ型の発振用トランジスタＴＲ１（以下、トランジスタＴＲ１と記す）のエミッタとを接続すると共に、エミッタ抵抗Ｒ１を接地する。また増幅回路のｎｐｎ型のトランジスタＴＲ２（以下、トランジスタＴＲ２と記す）のベースをコンデンサＣ５により接地すると共に、トランジスタＴＲ１のエミッタに抵抗Ｒ２を介して接続し、トランジスタＴＲ１のベースは抵抗Ｒ６により接地されたトランジスタＴＲ２のコレクタより、抵抗Ｒ４、Ｒ３とパスコンデンサＣ４により構成される直流パス回路を介して接続すると共に、トランジスタＴＲ２のエミッタとの間に圧電振動子ＸｔａｌとコンデンサＣ３の直列回路を挿入接続し、エミッタを抵抗Ｒ５により電源Ｖｃｃに接続する。そして発振出力をトランジスタＴＲ２のコレクタからコンデンサＣ６を介して取り出すように構成した。
【０００７】
次に、本実施形態の動作について説明する。電源ＶＣＣが投入された直後においては、Ｖｃｃ−Ｒ５−ＴＲ２−Ｒ４−Ｒ３−ＴＲ１ベースのルートで電流が流れ、トランジスタＴＲ１が動作して発振を始動する。そして、トランジスタＴＲ１の動作に伴いトランジスタＴＲ１のエミッタ電位が上昇するので、その電圧が抵抗Ｒ２によりトランジスタＴＲ２のベース電位を上昇させ、その結果、トランジスタＴＲ２のベース・エミッタ間電位がほぼ一定であることから、コレクタ電位が低下し、これに伴いコレクタ電流及びエミッタ電流が減少する。するとトランジスタＴＲ２のコレクタは、抵抗Ｒ４、Ｒ３によりトランジスタＴＲ１のベースに接続されているので、トランジスタＴＲ１のベース電流が減少する。すると、トランジスタＴＲ１のエミッタ電位が低下（エミッタ電流が減少）するので、トランジスタＴＲ２のベース電位が低下し、その結果、トランジスタＴＲ２のベース・エミッタ電位が上昇してコレクタ電位も上昇する。即ち、トランジスタＴＲ１、ＴＲ２の相補作用によりトランジスタＴＲ１のベース電位が安定する。
尚、バイパス容量ＣはトランジスタＴＲ２のコレクタ電流に含まれる交流信号がトランジスタＴＲ１へ供給されてしまうのを防ぐためであり、これによりトランジスタＴＲ２のコレクタからトランジスタＴＲ１のベースを結ぶループ回路がＲ３、Ｒ４だけによる場合よりも交流的に断たれたものとなる。
【０００８】
図２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構成部品の定数を決定した回路図である。この実施形態によると、ＴＲ１：２ＳＣ３７３２、ＴＲ２：２ＳＡ１４５９、Ｒ１：３９０Ω、Ｒ２：１０ＫΩ、Ｒ３：１０ＫΩ、Ｒ４：１０ＫΩ、Ｒ５：２２Ω、Ｒ６：６８０Ω、Ｃ１：２７ｐＦ、Ｃ２：１８０ｐＦ、Ｃ３：１００ｐＦ、Ｃ４：０．０１μＦ、Ｃ５：０．０１μＦ、Ｃ６：０．０１μＦ、Ｃ７：０．０１μＦ、Ｃ８：１０μＦ、Ｘｔａｌ：１０ＭＨｚとして実施している。
図３は、図２の定数によるポイントＶａ、Ｖｂと電源電圧ＶＣＣの関係を実測した結果を示す図である。縦軸にポイントＶａ、Ｖｂの電位（Ｖｄｃ）、横軸に電源電圧ＶＣＣ（Ｖｄｃ）を示す。この図から電源電圧ＶＣＣが０．７Ｖから０．９Ｖまで発振ＯＦＦ状態で、発振段のベース電位（Ｖｂ）１は急激に上昇し、増幅段のベース電位（Ｖａ）４は電源電圧ＶＣＣの増加に比例して直線的に上昇する。そして発振ＯＮ状態では、発振段のベース電位（Ｖｂ）２は相対的に電位が低下し電源電圧ＶＣＣの増加に比例して直線的に上昇するが、発振レベルを抑圧している。また、増幅段のベース電位（Ｖａ）３は電源電圧ＶＣＣが０．９Ｖを超えると、略一定の電位に安定する。
【０００９】
図４は、図２の定数によるコルピッツ発振回路の電源電圧ＶＣＣに対する周波数偏差及び出力レベルの変化の様子を表す図である。左縦軸に周波数偏差（ｐｐｍΩ）、右縦軸に出力レベル（ｍＶｐｐ）を示し、横軸に電源電圧ＶＣＣを示す。この図からも明らかなように電源電圧ＶＣＣの増加に比例して出力レベルの特性５は直線的に増加するが、周波数偏差特性６は１．２Ｖから変化が緩やかになり安定した発振が行われていることが解る。
図５は図２の定数による本発明の発振回路の発振波形を示す図である。この図から本発明の発振波形は、安定した発振が行われていることが解る。この図では周波数１０．０６４８ＭＨｚ、Ｐ−Ｐ（Ｐｅａｋ  ｔｏ  Ｐｅａｋ）電圧は１６４ｍＶ、実効電圧は５３．２ｍＶｒｍｓ、デューティ比は４９．０％である。
図６は図２の定数による本発明の発振回路の出力波形を示す図である。この図から本発明の出力波形は、ひずみの少ない波形であることが解る。この図では周波数１０．０３７６ＭＨｚ、Ｐ−Ｐ電圧は２３０ｍＶ、実効電圧は７８．２ｍＶｒｍｓ、デューティ比は５０．６％である。
【００１０】
図７は図１の第１の実施形態に係るコルピッツ発振器のトランジスタを極性の異なるトランジスタに置き換えた回路図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図７が図１と異なる点は、トランジスタＴＲ１の極性をｐｎｐ型からｎｐｎ型に変更し、トランジスタＴＲ２の極性をｎｐｎ型からｐｎｐ型に変更し、それに伴って各トランジスタのベースとエミッタの極性を逆にしたものである。回路の動作は図１と同様である。
図８は本発明の第２の実施形態に係るコルピッツ発振器の回路図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図８が図１と異なる点は、圧電振動子ＸｔａｌとコンデンサＣ３の直列回路を直接接地し、トランジスタＴＲ１のエミッタに発生した出力信号を抵抗Ｒ２（交流的に粗結合用）を介してトランジスタＴＲ２のベースに供給するよう接継し、トランジスタＴＲ２のエミッタ抵抗Ｒ５を削除して電源Ｖｃｃに接続した点である。この回路で上述した機能と加えて部品点数が減少するのでコストダウンが図れる。図９は図８の第２の実施形態に係るコルピッツ発振器のトランジスタを極性の異なるトランジスタに置き換えた回路図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図９が図８と異なる点は、トランジスタＴＲ１の極性をｐｎｐ型からｎｐｎ型に変更し、トランジスタＴＲ２の極性をｎｐｎ型からｐｎｐ型に変更し、それに伴って各トランジスタのベースとエミッタの極性を逆にしたものである。回路の動作は図８と同様である。
【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、増幅用トランジスタにより発振用増幅トランジスタのベース電位を一定に保持するので、発振回路を低電圧でしかも安定的に動作させることができると共に、発振レベルを抑圧することができる。
また請求項２では、増幅用トランジスタにより発振用増幅トランジスタのベース電位を一定に保持するので、発振回路を低電圧でしかも安定的に動作させることができると共に、部品点数を減少してコストダウンが図れる。
【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器の回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るコルピッツ発振回路の構成部品の定数を決定した回路図である。
【図３】本発明の図２の定数によるポイントＶａ、Ｖｂと電源電圧ＶＣＣの関係を実測した結果を示す図である。
【図４】本発明の図２の定数によるコルピッツ発振回路の電源電圧ＶＣＣに対する周波数偏差及び出力レベルの変化の様子を表す図である。
【図５】本発明の図２の定数による本発明の発振回路の発振波形を示す図である。
【図６】本発明の図２の定数による本発明の発振回路の出力波形を示す図である。
【図７】本発明の図１の第１の実施形態に係るコルピッツ発振器のトランジスタを極性の異なるトランジスタに置き換えた回路図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るコルピッツ発振器の回路図である。
【図９】本発明の図８の第２の実施形態に係るコルピッツ発振器のトランジスタを極性の異なるトランジスタに置き換えた回路図である。
【図１０】従来のカスコード接続したコルピッツ発振回路の図である。
【符号の説明】
ＴＲ１  発振用トランジスタ、ＴＲ２  増幅用トランジスタ、Ｃ１〜Ｃ７  コンデンサ、Ｒ１〜Ｒ６  抵抗、Ｘｔａｌ  圧電振動子
【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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