(57)【要約】【課題】    コルピッツ型発振回路と増幅回路とから構成するコルピッツ型発振器を起動する際に生じる異常発振を防止する手段を得る。【解決手段】    本発明は、圧電発振器に関し、特に高周波圧電発振器の起動時に生じる異常発振現象を防止した圧電発振器に関するものである。コルピッツ型発振回路と、増幅回路と、これらを結合する結合容量とから構成するコルピッツ型発振器であって、電源間インピーダンスの周波数特性に生じる急峻なピークを低く且つなだらかにするように、結合容量のインピーダンスを２００Ω以上とした圧電発振器を構成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コルピッツ型発振回路と、増幅回路と、これらを結合する結合容量とを備えたコルピッツ型発振器において、
前記結合容量のインピーダンスが２００Ω以上であることを特徴とする圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電発振器に関し、特に高周波圧電発振器の起動時に生じる異常発振現象を防止した圧電発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電発振器は高い周波数安定度、小型軽量、低価格等により電子機器の多くの分野で用いられている。特に圧電素子として、ＡＴカット水晶振動子を用いた水晶発振器は、周波数温度特性、エージング特性が優れており、携帯電話の小型化やその普及に貢献している。
周知のように、コルピッツ型発振回路はコレクタ−ベース間に誘導性素子を、ベース−エミッタ間及びコレクターエミッタ間にそれぞれ容量性素子を接続して構成する発振回路である。図５は基本的なコルピッツ型水晶発振器であって、トランジスタＴＲ１のコレクタ−ベース間の誘導性素子として、ベース−接地間に水晶振動子Ｘと容量Ｃｖ（Ｃｖは発振周波数の微調整用）との直列接続素子を用いる。さらに、ベース−接地間に容量Ｃ１とＣ２との直列接続素子を接続すると共に、エミッタ−アース間に抵抗Ｒ４を挿入し、容量Ｃ１、Ｃ２の中点とエミッタとを接続する。
【０００３】
図５のコルピッツ型発振回路において電源Ｖｃｃと接地（ＧＮＤ）とはバイパスコンデンサによって高周波的には短絡されているため、等価回路的にコレクタ−ベース間に水晶振動子Ｘを主とする誘導性素子が挿入されることになる。また、容量Ｃ１とＣ２との中点がエミッタに接続されているため、トランジスタＴＲ１のベース−エミッタ間には容量Ｃ１が、コレクタ−エミッタ間には容量Ｃ２が挿入されることになり、いずれも容量性として作用することになる。
また、トランジスタＴＲ１のベースに接続した抵抗Ｒｂはベース電流制御用である。ここで、誘導性素子として水晶振動子が用いられるのは、Ｑ値が大きいこと、周波数変化に対する等価インダクタンスの変化の割合が大きく周波数制御が容易であるため、周波数が安定な発振回路が容易に構成できるからである。
【０００４】
図６は３次高調波水晶振動子を用いた高周波水晶発振器であって、αで示す破線内はコルピッツ型発振回路、βで示す破線内は増幅回路を示している。尚、以下の説明ではバイパスコンデンサの図示を省略している。図６に示すコルピッツ型発振回路が、図５のそれと異なるところはエミッタ−接地間にインダクタンスＬ１と容量Ｃ２との同調回路が挿入されている点である。
一般的にコルピッツ型水晶発振回路においては、水晶振動子Ｘの両端（図５の場合は水晶振動子Ｘと容量Ｃｖ）から回路側をみた増幅度、所謂負性抵抗Ｒ（Ω）は、容量Ｃ１、Ｃ２と周波数の自乗ω2とに逆比例し、コレクタ電流に比例することが知られている。即ち、周波数が高くなると共に負性抵抗Ｒ（Ω）の絶対値は増大し、所定の周波数にてピーク値に達し、その後は周波数が高くなるにつれて減少する。通常のコルピッツ型水晶発振器では発振周波数における負性抵抗Ｒを、水晶振動子の等価抵抗の３〜５倍程度に設定するのが一般的である。
このように、負性抵抗Ｒの絶対値はピークに達した後で減少するので、同調回路が無い発振回路では、一般的には基本波周波における負性抵抗の絶対値の方が３次高調波周波数におけるそれより大きくなり、基本周波数で発振することになる。そこで、３次高調波を発振回路から出力させる場合には基本周波数における負性抵抗の絶対値を小さくするか、または負性抵抗が発生しないようインダクタンスＬ１と容量Ｃ２との同調回路が挿入されるのである。
【０００５】
図６の破線βで示す増幅回路はコルピッツ型発振回路からの出力を増幅すると共に、出力波形を整形するように作用する。
【０００６】
図７は、図６の回路構成を用いたコルピッツ型発振器の電源電圧対発振周波数特性で、横軸を電源電圧、縦軸を発振周波数とした図である。この図から明らかなように、電源電圧Ｖｃｃが２．６Ｖ程度から３．８Ｖ程度の範囲で、水晶振動子の共振周波数と異なる周波数が発生する所謂異常発振が生じ、電源電圧Ｖｃｃが４．０Ｖ以上では正常発振する。これは電源を投入した後、電源電圧が過渡的に上昇する場合に異常発振現象が起こり、水晶発振器の起動特性に影響を及ぼす危険性を示唆している。なお、図６のαで示すコルピッツ型発振回路のみでは、上記の異常発振現象は生じていないことを確認した。この結果、コルピッツ型発振回路αと増幅回路βとを接続することにより、電源電圧が低い状態において異常発振現象を生じさせるループ回路が成立するか、またはコルピッツ型発振回路を形成する基板等に生じる寄生容量等の影響を受けて予期できぬループ回路が成立することが原因と考えられる。
【非特許文献１】足立、都築「コルピッツ水晶発振回路動作特性と設計条件」、信学誌C-IIVol.J73-C-II No.3,pp.154-162,'90.3
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、図６に示したコルピッツ型発振回路αと、増幅器βとから構成するコルピッツ型高周波水晶発振器では、電源投入時の過渡的な電源電圧の変動によりしばしば水晶発振器が異常発振現象を起こし、このような水晶発振器をシステム、例えば携帯電話の基地局に使用するとシステムの動作を正常に確保できない点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、高周波水晶発振器の電源投入時の異常発振現象を防止するため、    電源間インピーダンス−周波数特性に生じる急峻なピークを小さく且つなだらかにするように、コルピッツ型発振回路と増幅回路とを結合する結合容量のインピーダンスを適切に設定することを主な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の圧電発振器は、異常発振現象をもたらす、電源間インピーダンス−周波数特性における急峻なピークを、等価回路を用いた解析シミュレーションにより小さく且つなだらかになるように、コルピッツ型発振回路と増幅回路とを結合する結合容量を設定できるようになったので、圧電発振器の異常発振を防止できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明に係る３次高調波用コルピッツ型水晶発振器の構成を示す図であって、トランジスタＴｒ１、抵抗、容量、インダクタンスで構成されたコルピッツ型水晶発振回路αと、トランジスタＴｒ２、抵抗で構成された増幅回路βとを容量Ｃ４で結合して構成する。高周波コルピッツ型水晶発振器の電源を投入する際に生じる異常発振現象の原因について、本願発明者は電源側からみた電源インピーダンスの振る舞いが関与しているものと推測し、検討することにした。
そこで、図１のコルピッツ型水晶発振器を等価回路に置き換え、等価回路の解析シミュレーションにより電源側からみた電源インピーダンスＺｃｃを求めることにした。回路定数としてはＲ１＝Ｒ２＝１０ｋΩ、Ｒ３＝４７０Ω、Ｒ４＝４ｋΩ、Ｒ５＝３３ｋΩ、Ｒ６＝３３０Ω、Ｃ１＝Ｃ２＝７５ｐＦ、Ｃ３＝１０００ｐＦ、Ｃ４＝４７ｐＦ、Ｌ１＝０．１２μＨ、Ｔｒ１、ＴＲ２に2SC5095を用いることにした。
【００１１】
図２は電源電圧Ｖｃｃをパラメータとして変化させたときの、電源間インピーダンスＺｃｃの周波数特性を示した図である。この図から電源電圧Ｖｃｃが１．７Ｖのとき、周波数が約８００ｋＨｚにて電源間インピーダンスＺｃｃが急上昇し、ピークに達することが分かる。このピーク近辺で異常発振現象が生ずるものと推測した。
【００１２】
そこで、電源電圧Ｖｃｃを電源間インピーダンスＺｃｃ−周波数特性が急峻なピークを有する１．７Ｖに設定し、コルピッツ型発振回路αと増幅回路βとを結合する結合容量Ｃ４の値を変化させて、電源間インピーダンスＺｃｃの周波数特性がどのような振る舞いをするか、等価回路の解析シミュレーションにより求めた。図３は、結合容量Ｃ４として通常使用されている値０．１μＦ、１００ｐＦ、４７ｐＦを用いて、電源間インピーダンスＺｃｃ−周波数特性を示す。いずれの値でも周波数が８００ｋＨｚから９００ｋＨｚの間で電源間インピーダンスＺｃｃの値が急峻なピークを有することが判明した。そして、電源間インピーダンスＺｃｃが急峻に変化する周波数で異常発振現象が生じることも実験的に確認することができた。
【００１３】
さらに、結合容量Ｃ４の値を変えることにより、異常発振現象を抑圧できるかどうか等価回路の解析シミュレーションを進めた。図４は結合容量Ｃ４の値を１０ｐＦ、５ｐＦ、１ｐＦに設定し、電源間インピーダンスＺｃｃ−周波数特性を求めた図である。結合容量Ｃ４の値が１０ｐＦから小さくなるにつれて、つまり結合容量のインピーダンスが増加するにつれて、ピークが小さくなると共になだらかになることが分かる。そこで、このことを実験にて確かめるべく、図１のコルピッツ型発振器を試作した。回路常数は上記の値を用い、３次高調波水晶振動子の共振周波数を７７．７６ＭＨｚに設定して、結合容量Ｃ４を１０ｐＦ、５ｐＦ、１ｐＦと変化させ、電源電圧Ｖｃｃを０Ｖから４Ｖまでゆっくり変えたところ、いずれの結合容量値にても異常発振現象が生じないことを確認することができた。
以上の結果から、周波数の変化に対する電源間インピーダンスＺｃｃの変化がなだらであること、及びたとえ急峻な変化であっても電源間インピーダンスＺｃｃの変化幅が十分小さいこと（目安として１ｋΩを十分に下回ること）が異常発振現象を抑えるための条件と言える。つまり、この例では結合容量を１０ｐＦ以下に設定することが望ましく、結合容量１０ｐＦの７７．７６ＭＨｚにおけるインピーダンスは約２００Ωであるから、一般的にはインピーダンスが２００Ω以上となる結合容量の容量値を設定すればよいのである。
【００１４】
以上の説明では、本発明を３次高調波用のコルピッツ型発振回路と増幅回路とを用いた例について説明したが、本発明はこれのみに限定するものではなく、高周波の基本波水晶振動子、５次高調波水晶振動子を用いて構成するコルピッツ型発振回路を用いた水晶発振器にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るコルピッツ型水晶発振器の構成を示した概略構成図である。
【図２】電源電圧Ｖｃｃをパラメータとしたときの電源間インピーダンス−周波数特性を示す図である。
【図３】結合容量をパラメータとしたときの電源間インピーダンス−周波数特性を示す図である。
【図４】結合容量をパラメータとしたときの電源間インピーダンス−周波数特性を示す図である。
【図５】従来の基本的なコルピッツ型圧電発振回路である。
【図６】従来の３次高調波コルピッツ型圧電発振器で、３次高調波コルピッツ型発振回路と増幅回路とから構成される。
【図７】従来のコルピッツ型圧電発振器の電源電圧対発振周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６  抵抗
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５  容量
Ｌ１  インダクタンス
Ｘ’ｔａｌ  水晶振動子  
Ｔｒ１、Ｔｒ２  トランジスタ
Ｖｃｃ  電源電圧
α  コルピッツ型発振回路
β  増幅回路
【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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