(57)【要約】【課題】    逓倍発振回路に適したピアース型水晶発振回路を得る。【解決手段】    第１のトランジスタＴｒ１のコレクタと第２のトランジスタＴｒ２のエミッタとを接続すると共に、トランジスタＴｒ１のベースとトランジスタＴｒ２のコレクタとの間に水晶振動子Ｘを接続し、トランジスタＴｒ１のベースと接地との間、トランジスタＴｒ２コレクタと接地との間にそれぞれ容量Ｃ１、Ｃ２を接続し、電源Ｖｃｃを抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ３、Ｒｂ２で分圧した電圧と、トランジスタＴｒ１のエミッタと接地との間に接続した抵抗Ｒｅの電圧降下との差を、トランジスタＴｒ２、Ｔｒ１それぞれのベースバイアス電圧とし、抵抗Ｒｃを介して電源ＶｃｃとトランジスタＴｒ２のコレクタとを接続してコレクタ電流を供給し、トランジスタＴｒ１のエミッタと接地との間に前記抵抗Ｒｅと並列に容量Ｃｅを接続した上で、前記トランジスタＴｒ１のコレクタから出力を取り出す発振回路。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のトランジスタＴｒ１のコレクタと第２のトランジスタＴｒ２のエミッタとを接続すると共に、第１のトランジスタＴｒ１のベースと第２のトランジスタＴｒ２のコレクタとの間に水晶振動子Ｘを接続し、第１のトランジスタＴｒ１のベースと接地との間、第２のトランジスタＴｒ２コレクタと接地との間にそれぞれ容量Ｃ１、Ｃ２を接続し、電源Ｖｃｃを抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ３、Ｒｂ２で分圧した電圧と、第１のトランジスタＴｒ１のエミッタと接地との間に接続した抵抗Ｒｅの電圧降下との差を、２つのトランジスタＴｒ２、Ｔｒ１それぞれのベースバイアス電圧とし、抵抗Ｒｃを介して電源Ｖｃｃと第２のトランジスタＴｒ２のコレクタとを接続してコレクタ電流を供給し、第１のトランジスタＴｒ１のエミッタと接地との間に前記抵抗Ｒｅと並列に容量Ｃｅを接続した上で、前記第１のトランジスタＴｒ１のコレクタから出力を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】
前記水晶振動子Ｘの代わりに２ポートフィルタを用いて構成したことを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
【請求項３】
前記容量Ｃ１、Ｃ２を取り除いて構成したことを特徴とする請求項２に記載の圧電発振器。
【請求項４】
前記２つのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２として電界効果トランジスタを用い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。
【請求項５】
前記２つのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２としてコンプリメントなトランジスタを用い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。
【請求項６】
前記抵抗Ｒｂ３を取り除き抵抗Ｒｂ１とＲｂ２とを短絡して構成し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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電発振器に関し、ピアース型水晶発振器を変形して逓倍発振器用に特に適した高調波のレベルを大きくすることが可能な変形ピアース型水晶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。
図１０はピアース型水晶発振器の回路構成を示す図であって、トランジスタＴｒ１のベースとコレクタ間に水晶振動子Ｘを接続すると共に、ベースと接地（ＧＮＤ）間、コレクタと接地間にそれぞれ容量Ｃ１、Ｃ２を接続する。さらに、電源Ｖｃｃを抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ２で分圧した電圧と、エミッタと接地間に接続した抵抗Ｒｅの電圧降下との差を、トランジスタＴｒ１のベースバイアス電圧とすると共に、抵抗Ｒｃを介して電源Ｖｃｃとコレクタとを接続してコレクタ電流を供給する。そして、トランジスタＴｒ１のエミッタと接地間に前記抵抗Ｒｅと並列にバイパス容量Ｃｅを接続して、ピアース型水晶発振回路を構成する。
【０００３】
図１０に示すピアース型水晶発振回路の位相シフト回路は、容量Ｃ１、Ｃ２及び誘導性で動作する水晶振動子Ｘとからなり、これらのループで共振回路を形成する。ここで、容量Ｃ１、Ｃ２は直列に接続されているのでこれらを１個の容量Ｃと等価とみなし、水晶振動子Ｘを流れる電流をｉとすると、誘導性で動作する水晶振動子Ｘの両端の電圧は９０°進み、等価容量Ｃの両端の電圧はで９０°遅れ、水晶振動子Ｘ、Ｃ１、Ｃ２のループ全体では電圧が電流に対し１８０°の位相が変化することになる。トランジスタＴｒ１の位相シフトは１８０°であるから、ピアース発振回路の位相シフトは３６０°となり発振条件の１つを満たすことになる。
【０００４】
ピアース型水晶発振回路の特徴は、コルピッツ型水晶発振回路やクラップ型水晶発振回路のように水晶振動子の片側の端子のみを接地するのではなく、水晶振動子Ｘの両端子をそれぞれ容量Ｃ１、Ｃ２を介して接地する。このためプリント基板の配線間に存在する浮遊容量が容量Ｃ１、Ｃ２に吸収されるので、水晶発振器を高周波で動作させる場合に極めて有効な回路構成であると言える。
【０００５】
図１１は、図１０に示したピアース型水晶発振回路を用い、その基本波発振を１０ＭＨｚに設定し、コレクタ端子からの出力波形を観測した波形を示す図で、縦軸を電圧（Ｖ）、横軸を時間（μｓ／div）としている。コルピッツ型発振回路やクラップ型発振回路に比べて、出力波形は正弦波に近い波形が得られるが、波形から高調波成分が含まれていることが分かる。図１２は出力波形を形成する基本波成分、高調波成分の分布を示すスペクトル図で、縦軸は電圧（Ｖ）、横軸は周波数（Ｈｚ）である。図１３は、図１２に示したスペクトル図の中から４倍高調波の近傍を拡大して示したスペクトル図である。
ピアース型逓倍水晶発振回路を構成するには、周知のように図１２に示すスペクトルの中から所望の周波数のみを選択するフィルタと、増幅回路とを、ピアース型水晶発振回路に付加すれば構成することができる。
【非特許文献１】M.E. Frerking著  「Crystal Oscillator Design and Temperature Compensation」Van Nostrand Reinhold Co.出版
【非特許文献２】電気学会、電子回路研究会、ECT-00-60,千葉他、「集積化に適したピアース水晶発振器」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決しようとする問題点は、従来のピアース型水晶発振回路を用いて逓倍発振器を構成すると、水晶振動子の一方端子からの出力を逓倍回路に供給することになる。その出力は図１１に示すように比較的正弦波に近い波形となるため、高調波のレベルは図１２に示すように当然低くなり、従来のピアース型水晶発振回路を発振段として用いるには高調波のレベルが小さいという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、高調波成分のレベルを大きくするため、トランジスタＴｒ１のコレクタとトランジスタＴｒ２のエミッタとを接続すると共に、トランジスタＴｒ１のベースとトランジスタＴｒ２のコレクタとの間に水晶振動子Ｘを接続し、トランジスタＴｒ１のベースと接地との間、トランジスタＴｒ２コレクタと接地との間にそれぞれ容量Ｃ１、Ｃ２を接続し、電源Ｖｃｃを抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ３、Ｒｂ２で分圧した電圧と、トランジスタＴｒ１のエミッタと接地との間に接続した抵抗Ｒｅの電圧降下との差を、それぞれトランジスタＴｒ２、Ｔｒ１のベースバイアス電圧とし、抵抗Ｒｃを介して電源ＶｃｃとトランジスタＴｒ２のコレクタとを接続してコレクタ電流を供給し、トランジスタＴｒ１のエミッタと接地との間に前記抵抗Ｒｅと並列に容量Ｃｅを接続した上で、前記トランジスタＴｒ１のコレクタから出力を取り出して、変形ピアース型水晶発振回路を構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の圧電発振器は、従来のピアース型水晶発振器を変形し、非線形を有するトランジスタを付加するため、高調波成分のレベルを大きくできるので、変形ピアース型水晶発振器を発振段にした逓倍型発振器を構成する際に増幅器が容易に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】
【０００９】
図１は本発明に係る第１の発明である変形ピアース型水晶発振回路の構成を示す図であって、第１のトランジスタＴｒ１と第２のトランジスタＴｒ２とを縦積み、即ちトランジスタＴｒ１のコレクタとトランジスタＴｒ２のエミッタとを接続すると共に、トランジスタＴｒ１のベースとトランジスタＴｒ２のコレクタ間に水晶振動子Ｘを接続する。そして、トランジスタＴｒ１のベースと接地（ＧＮＤ）間、トランジスタＴｒ２コレクタと接地間にそれぞれ容量Ｃ１、Ｃ２を接続する。さらに、電源Ｖｃｃを抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ３、Ｒｂ２で分圧した電圧と、トランジスタＴｒ１のエミッタと接地間に接続した抵抗Ｒｅの電圧降下との差を、それぞれ２つのトランジスタＴｒ２、Ｔｒ１のベースバイアス電圧とする。さらに、抵抗Ｒｃを介して電源ＶｃｃとトランジスタＴｒ２のコレクタとを接続してコレクタ電流を供給し、出力はトランジスタＴｒ１のコレクタから取り出す。そして、トランジスタＴｒ１のエミッタと接地間に前記抵抗Ｒｅと並列に容量Ｃｅを接続して、変形ピアース型水晶発振回路を構成する。
つまり、図１０に示した従来のピアース型水晶発振回路のトランジスタＴｒ１のコレクタと抵抗Ｒｃとの間にトランジスタＴｒ２を挿入し、該トランジスタＴｒ２のベースバイアス電圧を得るために、抵抗Ｒｂ１とＲｂ２との間に抵抗Ｒｂ３を挿入して回路を構成している。
尚、ピアース型逓倍水晶発振器を構成するには、所望の周波数を選択するフィルタと、増幅回路とを、上記の変形ピアース型水晶発振器に付加すれば構成すればよい。
【００１０】
図２は、図１に示した変形ピアース型水晶発振回路の出力を、回路シミュレータソフト（ここではＰスパイス）を用いてシミュレーションにより求めた出力波形Ａと、図１０に示した従来のピアース型水晶発振回路の出力波形Ｂとを重ね書きした図である。縦軸は電圧（Ｖ）を、横軸は時間（μｓ／div）を表す。この図から明らかなように、図１に示す回路構成の方が従来のそれより、歪んだ出力波形が得られることが分かる。
【００１１】
図３は図２に示した出力波形を、縦軸を電圧（Ｖ）、横軸を周波数（Ｈｚ）としてスペクトルで示した図である。図１２に示した従来のピアース型水晶発振回路のスペクトル図と比べて、高調波成分の電圧が大きいことが分かる。
また、図４は図３に示したスペクトル図において４倍高調波の波形Ａの近傍を拡大した図で、従来の回路の４倍高調波の波形Ｂと比べて５倍から６倍の出力レベルを取り出せることが判明した。
【００１２】
図５は本発明に係る第２の実施の形態を示す変形ピアース型水晶発振回路であって、図１に示した発振回路と異なるところは、図１の水晶振動子Ｘの代わりに二重モード水晶フィルタＭＣＦを用い、その入力端子ＩＮをトランジスタＴｒ１のベースに、出力端子ＯＵＴをトランジスタＴｒ２のコレクタに、アース端子Ｅを接地した構成にする。
以上では二重モード水晶フィルタＭＣＦを用いて説明したが、ＳＡＷフィルタ等の２ポートフィルタであってもよい。
【００１３】
図６は本発明に係る第３の実施の形態を示す変形ピアース型水晶発振回路であって、図５に示した第２の実施の形態と異なるところは、図２のＭＣＦの入力端子ＩＮ及び出力端子ＯＵＴと接地間とに接続した容量Ｃ１、Ｃ２をそれぞれ削除して変形ピアース型水晶発振回路を構成するところである。
【００１４】
図７は本発明に係る第４の実施の形態を示す変形ピアース型水晶発振回路であって、図１に示した第１の実施の形態と異なるところは、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２の代わりにそれぞれ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｔｒ３、Ｔｒ４を用いて変形ピアース型水晶発振回路を構成するところである。
【００１５】
図８は本発明に係る第５の実施の形態を示す変形ピアース型水晶発振回路であって、図１に示した第１の実施の形態と異なるところは、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２の代わりに互いにコンプリメントなトランジスタＴｒ５、Ｔｒ６の組み合わせを用いたところである。つまり、トランジスタＴｒ５にはｎｐｎ型トランジスタを、トランジスタＴｒ６にはｐｎｐ型トランジスタを用いて変形ピアース型水晶発振回路を構成するところである。
【００１６】
図９は本発明に係る第６の実施の形態を示す変形ピアース型水晶発振回路であって、図８に示した第５の実施の形態と異なるところは、抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ２と接続する抵抗Ｒｂ３を削除して、Ｒｂ１とＲｂ２とを直結したところである。
以上のいずれの実施形態においても高調波の出力レベルが従来に比べて大きくなるという特徴を有しており、特に逓倍発振回路を構成する上で優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る変形ピアース型水晶発振回路の構成を示した概略回路図である。
【図２】図１に示した回路の出力波形Ａと、従来のピアース型水晶発振回路の出力波形Ｂとを重ね書きした図である。
【図３】図１に示した回路の出力波形のスペクトル図である。
【図４】図３に示したスペクトルの４倍高調波Ａの近傍を拡大し、従来のピアース型水晶発振回路のそれと重ね書きした図である。
【図５】本発明に係る第２の実施の形態を示す発振段の回路構成を示した概略回路図である。
【図６】本発明に係る第３の実施の形態を示す変形ピアース型水晶発振回路の構成を示した回路図である。
【図７】本発明に係る第４の実施の形態を示す変形ピアース型水晶発振回路の構成を示した回路図である。
【図８】本発明に係る第５の実施の形態を示す変形ピアース型水晶発振回路の構成を示した回路図である。
【図９】本発明に係る第６の実施の形態を示す変形ピアース型水晶発振回路の構成を示した回路図である。
【図１０】従来のピアース型水晶発振回路の構成を示す回路図である。
【図１１】図１０に示した回路の出力波形を示す図である。
【図１２】図１１の出力波形のスペクトルを示す図である。
【図１３】図１２のスペクトルの４倍高調波の近傍を拡大して示した図である。
【符号の説明】
【００１８】
Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３Ｔｒ４、Ｔｒ５、Ｙｒ６  トランジスタ
Ｒｂ１、Ｒｂ２、Ｒｂ３、Ｒｅ、Ｒｃ  抵抗  
Ｃ１、Ｃ２、Ｃｅ  容量  
Ｘ  圧電振動子  
ＭＣＦ  二重モード圧電フィルタ
Ｖｃｃ  電源
ＧＮＤ  接地
【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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【図１３】
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