(57)【要約】【課題】発振用トランジスタの特性がばらついても安定した合成等価抵抗特性や合成等価キャパシタンス特性を得ることを可能とする。【解決手段】トランジスタ圧電発振器１は、コルピッツ発振回路を構成しており、発振用トランジスタＴＲ１のベースと接地（ＧＮＤ）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との直列回路を接続し、発振用トランジスタＴＲ１のエミッタと接地間にエミッタ抵抗となる抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との直列回路を接続し、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との直列回路の接続中点と抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との直列回路の接続中点とを接続している。また、発振用トランジスタＴＲ１のベースと接地間に圧電振動子Ｘ１を接続している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振用トランジスタと、
第１のコンデンサと第２のコンデンサとの直列回路からなり、前記発振用トランジスタのベースと接地との間に接続される第１の直列回路と、
第１の抵抗と第２の抵抗との直列回路からなり、前記発振用トランジスタのエミッタと接地との間に接続される第２の直列回路と、
前記発振用トランジスタのベースと接地との間に接続される圧電振動子と、を備え、
前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの接続点と、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との接続点とを接続したことを特徴とするトランジスタ圧電発振器。
【請求項２】
前記第２の抵抗に対して並列に接続される第３のコンデンサを備えたことを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ圧電発振器。
【請求項３】
複数のコンデンサと、該複数のコンデンサから何れかのコンデンサを選択する選択手段とからなるコンデンサ選択回路を備え、前記コンデンサ選択回路を前記第２の抵抗に対して並列に接続したことを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ圧電発振器。
【請求項４】
前記第３のコンデンサに対して並列に可変容量回路を接続したことを特徴とする請求項２に記載のトランジスタ圧電発振器。
【請求項５】
前記発振用トランジスタは、二つのトランジスタをカスケード接続したものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のトランジスタ圧電発振器。
【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、特に発振用トランジスタの特性がばらついても安定した合成等価回路抵抗特性（負性抵抗）や合成等価回路キャパシタンス特性が得られるトランジスタ圧電発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
安定した周波数信号を供給する圧電発振器は、移動体通信の移動局や基地局の基準発振器として、また、コンピュータなどの基準クロック源として広く使用されている。
図１５は、従来のトランジスタ圧電発振器を示す回路構成図である。トランジスタ圧電発振器１１は、コルピッツ発振回路を構成しており、発振用トランジスタＴＲ１のベースと接地（ＧＮＤ）間に負荷容量の一部となるコンデンサＣ１２とコンデンサＣ１３との直列回路を接続し、この直列回路の接続中点と発振用トランジスタＴＲ１のエミッタとを接続すると共に、発振用トランジスタＴＲ１のエミッタと接地間にエミッタ抵抗Ｒ１３を接続している。また、発振用トランジスタＴＲ１のコレクタには、電源（Ｖｃｃ）との間にコレクタ抵抗Ｒ１４を接続すると共に、電源と接地間にバイパス用のコンデンサＣ１４を接続し、発振用トランジスタＴＲ１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している。更に、発振用トランジスタＴＲ１のベースと接地間に圧電振動子Ｘ１を接続し、発振用トランジスタＴＲ１のコレクタに直流カット用のコンデンサＣ１５を接続してコンデンサＣ１５の他端をトランジスタ圧電発振器１１の出力（ＯＵＴ）とするよう構成したものである。
【０００３】
次に、従来のトランジスタ圧電発振器としては他に発振用トランジスタを２個カスケードに接続して使用したものがある。図１６は、そのような従来のトランジスタ圧電発振器の回路構成図である。
図１６に示すトランジスタ圧電発振器１２は、発振用トランジスタＴＲ１と発振用トランジスタＴＲ２とをカスケード接続したコルピッツ発振回路を構成している。図１６に示す発振器が図１５に示す発振器と異なる点は、ベース接地された発振用トランジスタＴＲ２を発振用トランジスタＴＲ１とカスケードに接続し、それぞれの発振用トランジスタのベースに、抵抗ＲＢ１１、抵抗ＲＢ１２及び抵抗ＲＢ１３からなるベースバイアス回路を接続した点である。
【０００４】
次に、トランジスタ圧電発振器１１の等価発振回路を図示して発振動作について説明する。図１７は、従来のトランジスタ圧電発振器の等価発振回路を示す図である。なお、等価発振回路は、図１５及び図１６に示した従来のトランジスタ圧電発振器ともに同様である。ここで、圧電振動子Ｘ１のインピーダンスをｚｘｔ、インピーダンスｚｘｔとバイアス抵抗ＲＢとの並列回路のインピーダンスをｚ１１、トランジスタのベース−エミッタ間キャパシタンスをＣπ、ベース−エミッタ間抵抗をＲπとする。そしてキャパシタンスＣπと抵抗ＲπとコンデンサＣ１２との並列回路のインピーダンスをインピーダンスｚ１２、抵抗Ｒ１３とＣ１３の並列回路のインピーダンスをｚ１３とする。そして、インピーダンスｚ１１とインピーダンスｚ１２に流れる電流をｉ１１、インピーダンスｚ１３に流れる電流をｉ１３とする。また、トランジスタの定電流源をｇｍｚ１２ｉ１１とすると、キルヒホッフの法則より（１）式が得られる。
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【０００５】
次に、（１）式よりｉ１３を消去し、発振条件であるｉ１１≠０を当てはめると（２）式が得られる。
2009017258.tif 000004
また、インピーダンスｚ１１、ｚ１２、及びｚ１３は、（３）式のように表すことができる。但し、（３）式中のｒ１２、ｃ１２、ｒ１３、及びｃ１３は、（４）式とする。
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【０００６】
次に、圧電振動子Ｘ１のモーションアーム（インダクタンスＬ１、キャパシタンスＣ１、抵抗Ｒ１）のインピーダンスをｚＭとし、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０を発振回路側に含め、ｚＭ側から発振回路側を見た合成等価回路抵抗をＲｃｃｉ、合成等価回路キャパシタンスをＣｃｃｉとする。そして、（３）式を（２）式に代入すると（５）式が得られる。但し、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉと合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉは、（６）式とする。なお、（６）式中のＲｃｉとＣｃｉは、それぞれ等価回路抵抗と等価回路キャパシタンスを示し、圧電振動子Ｘ１の端子間並列容量Ｃ０を発振回路側に含めない場合の関係式である。
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なお、図１８に等価回路抵抗Ｒｃｉ及び等価回路キャパシタンスＣｃｉと、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉの関係を示す。
【０００７】
次に、得られた関係式を用いて従来のトランジスタ圧電発振器の発振特性に関するシミュレーションを行い、図１９、図２０、図２１、及び図２２にその結果を示す。
図１９は、従来のトランジスタ圧電発振器の等価回路抵抗Ｒｃｉ、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ、及び等価回路キャパシタンスＣｃｉ、合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉの周波数特性を示すグラフ図である。
図１９において、コンデンサＣ１２、Ｃ１３はともに３０ｐＦとし、抵抗Ｒ１３は２ｋΩ、抵抗ＲＢは２０ｋΩ、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπは３．８ｐＦ、ベース−エミッタ間抵抗Ｒπは２．６ｋΩ、トランジスタＴＲ１の相互コンダクタンスｇｍは３８ｍＡ／Ｖ、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０は２ｐＦとしている。
図１９に示すように、等価回路抵抗Ｒｃｉは、周波数Ｆｒｅｑ≒１０ＭＨｚにおいて負性抵抗の最大値なるＲｃｉ≒−９ｋΩを示し、そのとき、等価回路キャパシタンスＣｃｉは、Ｃｃｉ≒１ｐＦを示す。
一方、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、周波数Ｆｒｅｑ≒１５ＭＨｚにおいて負性抵抗の最大値なるＲｃｃｉ≒−１．５ｋΩを示し、そのとき、合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉは、Ｃｃｃｉ≒４ｐＦを示す。
従って、発振回路において得られる負性抵抗値は、圧電振動子Ｘ１の端子間並列容量Ｃ０を発振回路側に含めるかどうかにより変化することがわかる。
【０００８】
図２０は、従来のトランジスタ圧電発振器の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ、及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉとトランジスタのコレクタ電流Ｉｃとの関係を示すグラフ図である。
図２０において、コンデンサＣ１２、Ｃ１３はともに３０ｐＦ、抵抗Ｒ１３は２ｋΩ、抵抗ＲＢは２０ｋΩ、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０は２ｐＦ、電流増幅率ｈｆｅは１００、τＦは、０．１ｎｓｅｃとする。また、トランジスタＴＲ１に関するパラメータは、（７）式に従い近似する。
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図２０に示すように、コレクタ電流ＩｃがＩｃ≒０．６ｍＡで合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、負性抵抗の最大値となるＲｃｃｉ≒−２ｋΩを示す。また、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、コレクタ電流ＩｃがＩｃ≒０．０２ｍＡ〜３．５ｍＡの範囲で負性抵抗を示し、トランジスタ圧電発振器は発振する。
【０００９】
図２１は、従来のトランジスタ圧電発振器の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ、及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉとトランジスタの電流増幅率ｈｆｅとの関係を示すグラフ図である。図２１において、コンデンサＣ１２、Ｃ１３はともに３０ｐＦ、抵抗Ｒ１３は２ｋΩ、抵抗ＲＢは２０ｋΩ、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０は２ｐＦ、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπは３．８ｐＦ、トランジスタＴＲ１の相互コンダクタンスｇｍは３８ｍＡ／Ｖとする。
図２１に示すように、トランジスタＴＲ１の電流増幅率ｈｆｅが、ｈｆｅ≒２０〜３００に変化すると、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、Ｒｃｃｉ≒−０．２ｋΩ〜−１．５ｋΩに変化し、合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉは、Ｃｃｃｉ≒４ｐＦ〜３ｐＦに変化する。即ち、トランジスタＴＲ１の特性がばらついて電流増幅率ｈｆｅが変化すると、負性抵抗値や負荷容量値が変化して発振回路の特性がばらつくことを示している。
【００１０】
図２２は、従来のトランジスタ圧電発振器の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ、及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉとトランジスタのベース−エミッタ間キャパシタンスＣπとの関係を示すグラフ図である。
図２２において、コンデンサＣ１２、Ｃ１３はともに３０ｐＦ、抵抗Ｒ１３は２ｋΩ、抵抗ＲＢは２０ｋΩ、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０は２ｐＦ、ベース−エミッタ間抵抗Ｒπは２．６ｋΩ、トランジスタＴＲ１の相互コンダクタンスｇｍは３８ｍＡ／Ｖとする。
図２２に示すように、トランジスタのベース−エミッタ間キャパシタンスＣπがＣπ≒０．４〜６ｐＦに変化すると、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、Ｒｃｃｉ≒−１ｋΩ〜−１．３５ｋΩに変化し、合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉは、Ｃｃｃｉ≒２．９ｐＦ〜３．１ｐＦに変化する。即ち、トランジスタＴＲ１の特性がばらついてトランジスタのベース−エミッタ間キャパシタンスＣπが変化すると、負性抵抗値や負荷容量値が変化して発振回路の特性がばらつくことを示している。
なお、図１５に示したトランジスタ圧電発振器の回路は特許文献１に開示されている。
なお、トランジスタ圧電発振器の基本的な動作については、非特許文献１、及び非特許文献２に解説されている。
【特許文献１】特開平６−１４０８３８号公報（図３）
【非特許文献１】トランジスタ技術オリジナルＮｏ８  Ｐａｇｅ９０  コルピッツ型水晶発振回路「ＣＱ出版社」
【非特許文献２】トランジスタ技術オリジナルＮｏ８  Ｐａｇｅ９４  オーバートーン水晶発振回路「ＣＱ出版社」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来のトランジスタ圧電発振器は、発振用トランジスタの電流増幅率ｈｆｅや、発振用トランジスタのベース−エミッタ間キャパシタンスＣπなどのトランジスタの特性がばらつくと、発振回路の重要なパラメータである合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ、及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉの値に大きな影響を与えていた。
例えば、前述したように、トランジスタの電流増幅率ｈｆｅがばらついて、ｈｆｅ≒２０〜３００に変化すると、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、Ｒｃｃｉ≒−０．２ｋΩ〜−１．５ｋΩに変化しており、このように負性抵抗値が変化すると、トランジスタ圧電発振器を製造した際に、発振回路が発振し易いものと発振し難いものとが生じ、製造偏差が大きくなるという問題が発生する。従って、発振回路の安定度が低下して発振余裕度の少ないトランジスタ圧電発振器が製造される可能性があると共に、設計の自由度も少なくなることが考えられる。
本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、発振用トランジスタの特性がばらついても安定した合成等価抵抗特性や合成等価キャパシタンス特性が得られるトランジスタ圧電発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明に係るトランジスタ圧電発振器は、発振用トランジスタと、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの直列回路からなり、前記発振用トランジスタのベースと接地との間に接続される第１の直列回路と、第１の抵抗と第２の抵抗との直列回路からなり、前記発振用トランジスタのエミッタと接地との間に接続される第２の直列回路と、前記発振用トランジスタのベースと接地との間に接続される圧電振動子と、を備え、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの接続点と、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の接続点とを接続したことを特徴とする。
このような本発明のトランジスタ圧電発振器によれば、発振用トランジスタのエミッタに、第２の抵抗を挿入することにより、発振用トランジスタの電流増幅率やベース−エミッタ間キャパシタンスなどの特性がばらついても、安定した合成等価回路抵抗特性及び合成等価回路キャパシタンス特性を得ることが可能となった。従って、トランジスタ圧電発振器の製造偏差を低減すると共に、発振特性の安定したトランジスタ圧電発振器を提供することができる。
【００１３】
また、本発明に係るトランジスタ圧電発振器は、第２の抵抗に対して並列に接続される第３のコンデンサを備えたことを特徴とする。
このような本発明のトランジスタ圧電発振器によれば、第３のコンデンサを第２の抵抗に並列に接続することにより、トランジスタ圧電発振器の発振周波数を可変することができ、例えば、発振回路を基本波発振（１ｓｔ）やオーバートーン発振（３ｒｄ）させることが容易となり、簡単な回路構成で所望の周波数を発振するトランジスタ圧電発振器を得ることが可能となる。
【００１４】
また、本発明に係るトランジスタ圧電発振器は、複数のコンデンサと、複数のコンデンサから何れかのコンデンサを選択する選択手段とからなるコンデンサ選択回路を備え、コンデンサ選択回路を第２の抵抗に対して並列に接続したことを特徴とする。
このような本発明のトランジスタ圧電発振器によれば、複数のコンデンサから何れかのコンデンサを選択手段により選択することにより、トランジスタ圧電発振器の発振周波数を所望の値に切り替えることが可能となり、多周波の周波数を発振するトランジスタ圧電発振器が容易に実現できる。
【００１５】
また、本発明に係るトランジスタ圧電発振器は、第３のコンデンサに対して並列に可変容量ダイオードを備えた可変容量回路を接続したことを特徴とする。
このような本発明のトランジスタ圧電発振器によれば、第３のコンデンサに並列に可変容量回路を接続し、外部から可変容量回路の容量値を制御して第３のコンデンサの容量値を変えることにより、トランジスタ圧電発振器の発振周波数を容易に可変することが可能となる。
【００１６】
また、本発明に係るトランジスタ圧電発振器は、前記発振用トランジスタは、二つのトランジスタをカスケード接続したものであることを特徴とする。
このような本発明のトランジスタ圧電発振器によれば、発振の安定度を高めることができるので、設計の自由度を高めることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の回路構成図である。トランジスタ圧電発振器１は、コルピッツ発振回路を構成しており、発振用トランジスタＴＲ１のベースと接地（ＧＮＤ）間に負荷容量の一部となるコンデンサ（第１のコンデンサ）Ｃ１とコンデンサ（第２のコンデンサ）Ｃ２との直列回路（第１の直列回路）を接続し、発振用トランジスタＴＲ１のエミッタと接地間にエミッタ抵抗となる抵抗（第１の抵抗）Ｒ２と抵抗（第２の抵抗）Ｒ３との直列回路（第２の直列回路）を接続し、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との直列回路の接続中点と、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との直列回路の接続中点とを接続している。
また、発振用トランジスタＴＲ１のコレクタと電源（Ｖｃｃ）との間にコレクタ抵抗Ｒ４を接続すると共に、電源と接地間にバイパス用のコンデンサＣ４を接続し、発振用トランジスタＴＲ１のベースに抵抗ＲＢ１、及び抵抗ＲＢ２とから成るベースバイアス回路を接続している。更に、発振用トランジスタＴＲ１のベースと接地間に圧電振動子Ｘ１を接続し、発振用トランジスタＴＲ１のコレクタに直流カット用のコンデンサＣ５を接続してコンデンサＣ５の他端をトランジスタ圧電発振器１の出力（ＯＵＴ）とするよう構成している。本発明の特徴は、発振用トランジスタＴＲ１のエミッタに抵抗Ｒ３を設けたことが特徴であり、抵抗Ｒ３を設けたことにより、発振用トランジスタＴＲ１の特性がばらついても安定した合成等価抵抗特性や合成等価キャパシタンス特性が得られるようになった。その具体的な性能については後述する。
【００１８】
図２は第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の変形例を示す回路構成図である。
なお、図１に示す回路と同じ構成要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図１に示すトランジスタ圧電発振器と異なる点は、発振回路を発振用トランジスタＴＲ１と発振用トランジスタＴＲ２とをカスケード接続したコルピッツ発振回路としたことである。そこで、トランジスタ圧電発振器２は、ベース接地された発振用トランジスタＴＲ２を発振用トランジスタＴＲ１とカスケードに接続し、それぞれの発振用トランジスタのベースに、抵抗ＲＢ１、抵抗ＲＢ２、及び抵抗ＲＢ３からなるベースバイアス回路を接続し、抵抗ＲＢ２と抵抗ＲＢ３の接続中点と接地間にコンデンサＣ６を接続したものである。このようなトランジスタ圧電発振器によれば、発振の安定度を高めることができるので、設計の自由度を高めることが可能になる。
【００１９】
次に、本実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の等価発振回路の発振動作について説明する。
図３は、第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の等価発振回路を示す図である。なお、等価発振回路は、図１及び図２に示したトランジスタ圧電発振器において同様である。ここで、圧電振動子Ｘ１とバイアス抵抗ＲＢとの並列回路のインピーダンスをｚｘ、トランジスタＴＲ１のベース−エミッタ間キャパシタンスＣπとベース−エミッタ間抵抗Ｒπの並列回路のインピーダンスをｚπ、コンデンサＣ１のインピーダンスをｚ１、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ２の並列回路のインピーダンスをｚ２、抵抗Ｒ３のインピーダンスをｚ３とする。そして、インピーダンスｚｘに流れる電流をｉｘ、インピーダンスｚπに流れる電流をｉπ、インピーダンスｚ１に流れる電流をｉ１、インピーダンスｚ２に流れる電流をｉ２、インピーダンスｚ３に流れる電流をｉ３とする。また、トランジスタの定電流源をｇｍｚπｉπとすると、キルヒホッフの法則より（８）式と（９）式が得られる。
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【００２０】
次に、（９）式を展開すると、発振回路が発振するインピーダンス条件である（１０）式を得る。
2009017258.tif 000012
また、ｚ１、ｚ２、ｚ３、及びｚπは、（１１）式のように表すことができる。但し、（１１）式中のｒ２、ｃ２、ｒπ、及びｃπは、（１２）式とする。
2009017258.tif 000013
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【００２１】
次に、（１１）式を（１０）式に代入すると、（１３）式が得られる。但し、（１３）式中のＲｃ、Ｃｃ、ｒａ、ｘａ、ｒｂ、及びｘｂは、（１４）式とする。ここで、Ｒｃｉは等価回路抵抗を示し、Ｃｃｉは等価回路キャパシタンスを示し、抵抗ＲＢを発振回路側に含めて、圧電振動子Ｘ１より発振回路側を見た関係式である。
2009017258.tif 000015
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【００２２】
ここで、図１８に示すように、圧電振動子Ｘ１のモーションアーム（インダクタンスＬ１、キャパシタンスＣ１、抵抗Ｒ１）のインピーダンスをｚＭとし、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０を発振回路側に含め、ｚＭ側から発振回路側を見た合成等価回路抵抗をＲｃｃｉ、合成等価回路キャパシタンスをＣｃｃｉとすると、（１５）式が得られる。但し、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉと合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉは、（１６）式とする。
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【００２３】
次に、得られた関係式を用いて、トランジスタ圧電発振器の発振特性に関するシミュレーションを行い、図４、図５、図６、図７、及び図８にその結果を示す。
図４は、第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器において、抵抗Ｒ３をパラメータとした際の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉの周波数特性を示すグラフ図である。図４において、コンデンサＣ１、Ｃ２はともに２０ｐＦ、抵抗Ｒ２は２ｋΩ、抵抗ＲＢは１０ｋΩ、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπは３ｐＦ、ベース−エミッタ間抵抗Ｒπは２．６ｋΩ、トランジスタＴＲ１の相互コンダクタンスｇｍは３８ｍＡ／Ｖ、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０は２ｐＦとする。
図４に示すように、抵抗Ｒ３をＲ３＝０Ω（従来例の場合）とすると、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、周波数Ｆｒｅｑ≒３０ＭＨｚにおいて負性抵抗の最大値なるＲｃｃｉ≒−０．７５ｋΩを示し、抵抗Ｒ３をＲ３＝２００Ωとすると、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、周波数Ｆｒｅｑ≒１０ＭＨｚにおいて負性抵抗の最大値なるＲｃｃｉ≒−０．７ｋΩを示す。即ち、抵抗Ｒ３の値により、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉの周波数特性が変化することを示している。
【００２４】
図５は、第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器において、周波数Ｆｒｅｑをパラメータとした際の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉと抵抗Ｒ３の関係を示すグラフ図である。
図５において、コンデンサＣ１、Ｃ２はともに２０ｐＦ、抵抗Ｒ２は２ｋΩ、抵抗ＲＢは１０ｋΩ、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπは３ｐＦ、ベース−エミッタ間抵抗Ｒπは２．６ｋΩ、トランジスタＴＲ１の相互コンダクタンスｇｍは３８ｍＡ／Ｖ、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０は２ｐＦとする。
図５に示すように、例えば、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、周波数Ｆｒｅｑ≒６ＭＨｚの場合、抵抗Ｒ３がＲ３≒３００Ωのとき負性抵抗の最大値なるＲｃｃｉ≒−０．５ｋΩを示し、周波数Ｆｒｅｑ≒１０ＭＨｚの場合、抵抗Ｒ３がＲ３≒１５０Ωのとき負性抵抗の最大値なるＲｃｃｉ≒−０．８ｋΩを示し、周波数Ｆｒｅｑ≒２０ＭＨｚの場合、抵抗Ｒ３がＲ３≒３０Ωのとき負性抵抗の最大値なるＲｃｃｉ≒−０．９ｋΩを示す。即ち、抵抗Ｒ３と周波数Ｆｒｅｑをともに変化させると、抵抗Ｒ３の値により合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉの周波数特性が変化し、周波数Ｆｒｅｑごとに、負性抵抗値が最大となる最適なポイントが有ることが分かる。
【００２５】
図６は、第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器において、抵抗Ｒ３をパラメータとした際の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉとコレクタ電流Ｉｃの関係を示すグラフ図である。
図６において、コンデンサＣ１、Ｃ２はともに２０ｐＦ、抵抗Ｒ２は２ｋΩ、抵抗ＲＢは１０ｋΩ、トランジスタＴＲ１の電流増幅率ｈｆｅは１００、τＦは０．１ｎｓｅｃ、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０は２ｐＦ、周波数Ｆｒｅｑは１０ＭＨｚとする。なお、トランジスタＴＲ１に関するパラメータは、（１７）式に従い近似する。
2009017258.tif 000019
図６に示すようにコレクタ電流Ｉｃを変化させると、抵抗Ｒ３の抵抗値により合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉが負性抵抗を示す範囲が変化している。抵抗Ｒ３の抵抗値＝０Ω（従来例の場合）とすると、コレクタ電流ＩｃがＩｃ≒０．３５ｍＡで合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、負性抵抗を失うが、抵抗Ｒ３の抵抗値＝５０Ωとすると、コレクタ電流ＩｃがＩｃ≒１．２ｍＡで合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、負性抵抗を失う。
また、抵抗Ｒ３の抵抗値＝２００Ωとすると、コレクタ電流Ｉｃの値により合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、負性抵抗を失うことはない。即ち、抵抗Ｒ３の抵抗値を大きくすると、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉが負性抵抗を示すコレクタ電流範囲が広がることが分かる。従って、抵抗Ｒ３を大きくすると、コレクタ電流Ｉｃを増加させてもトランジスタ圧電発振器は、発振を停止することはなく、発振回路の設計の自由度が向上する。
【００２６】
図７は、第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器において、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉと電流増幅率ｈｆｅの関係を示すグラフ図である。図７は、本発明の特性と従来例の特性を併記している。
図７において、抵抗Ｒ３は０．３ｋΩ、コンデンサＣ１、Ｃ２はともに２０ｐＦ、抵抗Ｒ２は２ｋΩ、抵抗ＲＢは１０ｋΩ、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπは３．８ｐＦ、ベース−エミッタ間抵抗ＲπはＲπ≒ｈｆｅ／ｇｍ、トランジスタＴＲ１の相互コンダクタンスｇｍは３８ｍＡ／Ｖ、τＦは０．１ｎｓｅｃとする。
また、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０は２ｐＦ、周波数Ｆｒｅｑは１０ＭＨｚとし、従来例の特性は、コンデンサＣ１２、Ｃ１３はともに３０ｐＦ、抵抗Ｒ１３は２ｋΩ、抵抗ＲＢは２０ｋΩ、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπは３．８ｐＦ、ベース−エミッタ間抵抗ＲπはＲπ≒ｈｆｅ／ｇｍ、トランジスタＴＲ１の相互コンダクタンスｇｍは３８ｍＡ／Ｖ、τＦは０．１ｎｓｅｃ、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０は２ｐＦ、周波数Ｆｒｅｑは１０ＭＨｚとする。
【００２７】
図７に示すように、従来例の場合、電流増幅率ｈｆｅがｈｆｅ≒２０〜３００まで変化すると、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、負性抵抗値を示す範囲がおおよそ−０．２ｋΩ〜−１．５ｋΩまで変化するが、本実施形態によれば、電流増幅率ｈｆｅがｈｆｅ≒２０〜３００まで変化しても、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、負性抵抗値を示す範囲がおおよそ−０．５ｋΩ〜−０．７ｋΩの変化にとどまっている。
従って、本実施形態に係る発振回路は、従来の発振回路と比べて負性抵抗の変化をおおよそ１／６に抑圧していることが分かる。また、合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉは、従来例の場合、電流増幅率ｈｆｅがｈｆｅ≒２０〜３００まで変化すると、合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉは、Ｃｃｃｉ≒４ｐＦ〜２．９ｐＦまで変化するが、本発明によれば、電流増幅率ｈｆｅがｈｆｅ≒２０〜３００まで変化しても、Ｃｃｃｉ≒８．１９ｐＦ〜８．２２ｐＦの変化であり、電流増幅率ｈｆｅが変化しても安定した合成等価回路キャパシタンス特性が得られる。
【００２８】
図８は、第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器において、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉとベース−エミッタ間キャパシタンスＣπの関係を示すグラフ図である。
図８には、本実施形態の特性と従来例の特性を併記している。
図８において、本実施形態の回路条件は、抵抗Ｒ３は０．３ｋΩ、コンデンサＣ１、Ｃ２はともに２０ｐＦとし、抵抗Ｒ２は２ｋΩ、抵抗ＲＢは１０ｋΩ、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπはＣπ＝τＦ・ｇｍ、ベース−エミッタ間抵抗Ｒπは２．６ｋΩ、トランジスタＴＲ１の相互コンダクタンスｇｍは３８ｍＡ／Ｖ、トランジスタＴＲ１の電流増幅率ｈｆｅは１００、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０は２ｐＦ、周波数Ｆｒｅｑは１０ＭＨｚとする。
【００２９】
一方、従来例の回路条件は、コンデンサＣ１２、Ｃ１３はともに３０ｐＦとし、抵抗Ｒ１３は２ｋΩ、抵抗ＲＢは２０ｋΩ、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπはＣπ＝τＦ・ｇｍ、ベース−エミッタ間抵抗Ｒπは２．６ｋΩ、トランジスタＴＲ１の相互コンダクタンスｇｍは３８ｍＡ／Ｖ、トランジスタＴＲ１の電流増幅率ｈｆｅは１００、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０は２ｐＦ、周波数Ｆｒｅｑは１０ＭＨｚとする。
図８に示すように、従来例の場合、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπがＣπ≒０．４ｐＦ〜６ｐＦまで変化すると、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、負性抵抗値を示す範囲がおおよそ−１．０ｋΩ〜−１．３４ｋΩまで変化するが、本実施形態によれば、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπがＣπ≒０．４ｐＦ〜６ｐＦまで変化しても、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、負性抵抗値を示す範囲がおおよそ−０．６７ｋΩでほぼ一定である。
【００３０】
従って、本実施形態に係る発振回路は、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπが変化した際に、従来例の発振回路と比べて負性抵抗値の変化が著しく少ないことが分かる。
また、本実施形態による合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉも、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπがＣπ≒０．４ｐＦ〜６ｐＦまで変化しても、Ｃｃｃｉ≒８．１２ｐＦ〜８．２８ｐＦの変化に止まり、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπが変化しても安定した合成等価回路キャパシタンス特性が得られる。
以上、第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の発振特性のシミュレーション結果を説明したが、発振用トランジスタＴＲ１のエミッタに、抵抗Ｒ３を挿入することにより、発振用トランジスタＴＲ１の電流増幅率やベース−エミッタ間キャパシタンスなどの特性がばらついても、安定した合成等価回路抵抗特性及び合成等価回路キャパシタンス特性を得ることが可能となった。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器について説明する。
図９は第２の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の回路構成図である。
この図９に示すトランジスタ圧電発振器３は、第１の実施形態と比べ、抵抗Ｒ３と並列にコンデンサ（第３のコンデンサ）Ｃ３を接続し、発振用トランジスタＴＲ１のベース−エミッタ間にコンデンサＣ７を接続した点のみが異なる。また、図１に示した第１の実施形態の発振回路と同じ構成要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。コンデンサＣ７については、発振用トランジスタＴＲ１のベース−エミッタ間にベース−エミッタ間容量が存在するので、コンデンサＣ７を削除することも可能である。コンデンサＣ３を追加することにより、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉが負性抵抗を生ずる周波数範囲を移動させることができ、発振回路の発振周波数をコンデンサＣ３の値を可変することにより変化させることができる。その具体的な性能については後述する。
【００３２】
図１０は第２の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の変形例を示した回路構成図である。図９に示した発振回路と同じ構成要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。図１０が図９と異なる点は、発振回路を発振用トランジスタＴＲ１と発振用トランジスタＴＲ２とをカスケード接続したコルピッツ発振回路としたことである。そこで、トランジスタ圧電発振器４は、ベース接地された発振用トランジスタＴＲ２を発振用トランジスタＴＲ１とカスケードに接続し、それぞれの発振用トランジスタのベースに、抵抗ＲＢ１、抵抗ＲＢ２、抵抗ＲＢ３からなるベースバイアス回路を接続し、抵抗ＲＢ２と抵抗ＲＢ３の接続中点と接地間にコンデンサＣ６を接続したものである。
【００３３】
次に、第２の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の等価発振回路の発振動作について説明する。
図１１は、第２の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の等価発振回路を示す図である。なお、等価発振回路は図９及び図１０において同様である。
第２の実施形態の等価発振回路は、第１の実施形態の等価発振回路と比べ、ｚ３のインピーダンスが抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３の並列回路により構成されることと、ｚπのインピーダンスがトランジスタのベース−エミッタ間キャパシタンスＣπとベース−エミッタ間抵抗ＲπとコンデンサＣ７の並列回路により構成された点のみが異なる。そこで、第２の実施形態における合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉの関係式は、前述した（１１）式、及び（１２）式において、ｚ３、ｚπ、ｒ３、ｃ３、ｒπ、及びｃπを（１８）式に示す関係式に変更したものとなる。
2009017258.tif 000020
また、その変更に伴い、前述した（１４）式に示したｒａ、及びｘａは、（１９）式のように変更される。他の関係式は、第１の実施形態において図３を用いて説明したものと同一である。
2009017258.tif 000021
【００３４】
次に、得られた関係式を用いてトランジスタ圧電発振器の発振特性に関するシミュレーションを行い図１２にその結果を示す。
図１２は第２の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器において、コンデンサＣ３をパラメータとした際の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉの周波数特性を示すグラフ図である。
図１２において、コンデンサＣ１、Ｃ２はともに２０ｐＦ、抵抗Ｒ２は２ｋΩ、抵抗Ｒ３は０．３ｋΩ、抵抗ＲＢは１０ｋΩ、ベース−エミッタ間キャパシタンスＣπは３ｐＦ、ベース−エミッタ間抵抗Ｒπは２．６ｋΩ、トランジスタＴＲ１の相互コンダクタンスｇｍは３８ｍＡ／Ｖ、Ｃ７は０ｐＦ、圧電振動子Ｘ１の端子間並列キャパシタンスＣ０は２ｐＦとする。
【００３５】
図１２に示すように、コンデンサＣ３の値を変化させることにより、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉの周波数特性が大きく変化していることが分かる。例えば、Ｃ３をＣ３＝０ｐＦ（第１の実施形態の場合）とすると、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、周波数Ｆｒｅｑ≒１０ＭＨｚにおいて負性抵抗の最大値なるＲｃｃｉ≒−０．５ｋΩを示し、Ｃ３をＣ３＝６４０ｐＦとすると、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、周波数Ｆｒｅｑ≒３０ＭＨｚにおいて負性抵抗の最大値なるＲｃｃｉ≒−０．５ｋΩを示し、Ｃ３をＣ３＝４０ｐＦとすると、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉは、Ｒｃｃｉ＜−０．１ｋΩを示す。
即ち、コンデンサＣ３の値を変化させることにより、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉが負性抵抗を示す周波数範囲がずれることが分かる。そこで、第２の実施形態の特徴は、コンデンサＣ３の値を大きくすると、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉが負性抵抗を示す周波数範囲が高周波側に移動するので、トランジスタ圧電発振器の発振周波数を可変することができ、例えば、オーバートーン発振などを簡単な発振回路で行うことができる。
【００３６】
次に本発明の第３の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器について説明する。
図１３は第３の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の回路構成図である。
この図１３に示すトランジスタ圧電発振器５は、抵抗Ｒ３に対して並列に、複数のコンデンサＣ３ａ、Ｃ３ｂと、この複数のコンデンサＣ３ａ、Ｃ３ｂから何れかのコンデンサを選択する選択手段として切替器ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂとからなるコンデンサ選択回路８を備え、コンデンサ選択回路８を接続した点が、図９に示した第２の実施形態のトランジスタ圧電発振器と異なる。
なお、図９に示した発振回路と同じ構成要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。前述したように、コンデンサＣ３の値を変化させることにより、発振回路の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉが負性抵抗を生ずる周波数範囲を移動させることができる。そこで、コンデンサＣ３ａとコンデンサＣ３ｂの値を適宜設定しておき、外部（ＣＯＮＴ）から切替器ＳＷ１ａ及び切替器ＳＷ１ｂを制御してコンデンサＣ３ａ、或いはコンデンサＣ３ｂを選択することにより、トランジスタ圧電発振器５の発振周波数を所望の値に切り替えることが可能となる。
そこで、第３の実施形態の特徴は、簡易な発振回路を用いて、多周波の周波数を発振するトランジスタ圧電発振器を実現したことである。なお、図１３においては、コンデンサＣ３としてコンデンサＣ３ａとコンデンサＣ３ｂの２つを設けたが、コンデンサＣ３として３つ以上設けて発振周波数を切り替えることも可能である。
【００３７】
次に、本発明の第４の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器について説明する。
図１４は、第４の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の回路構成図である。
この図１４に示すトランジスタ圧電発振器６は、図９に示した第２の実施形態と比べ、抵抗Ｒ３に並列に接続したコンデンサＣ３にさらに並列に可変容量回路７を接続した点のみが異なる。可変容量回路７は、可変容量ダイオードＤ１を備えており、可変容量ダイオードＤ１に印加する直流電圧の電圧値を制御することにより、可変容量回路７の容量値を可変する。前述したように、コンデンサＣ３の値を変化させることにより、発振回路の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉが負性抵抗を生ずる周波数範囲を移動させることができる。
そこで、外部から可変容量回路７に所定の制御電圧（ＶＣＯＮＴ）を入力して可変容量回路７の容量値を制御し、抵抗Ｒ３に並列に接続されるコンデンサの容量値を変化させることにより、トランジスタ圧電発振器６の発振周波数を可変することを可能とした。
【００３８】
なお、図９に示した発振回路と同じ構成要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。そこで、第４の実施形態の特徴は、外部より制御電圧を入力することにより、トランジスタ圧電発振器の発振周波数を容易に可変することを可能としたことである。
以上、第３の実施形態と第４の実施形態について説明したが、これらの実施形態においても、変形例として、発振用トランジスタを２つ設け、それぞれの発振用トランジスタをカスケード接続したコルピッツ発振回路とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の回路構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の変形例の回路構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の等価発振回路を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器において、抵抗Ｒ３をパラメータとした際の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉの周波数特性を示すグラフ図である。
【図５】第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器において、周波数Ｆｒｅｑをパラメータとした際の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉと抵抗Ｒ３の関係を示すグラフ図である。
【図６】第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器において、抵抗Ｒ３をパラメータとした際の、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉとコレクタ電流Ｉｃの関係を示すグラフ図である。
【図７】第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器において、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉと電流増幅率ｈｆｅの関係を示すグラフ図である。
【図８】第１の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器において、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉとベース−エミッタ間キャパシタンスＣπの関係を示すグラフ図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の回路構成を示した図である。
【図１０】第２の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の変形例を示した回路構成図である。
【図１１】第２の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の等価発振回路を示す図である。
【図１２】第２の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器において、コンデンサＣ３をパラメータとした際の、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉの周波数特性を示すグラフ図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の回路構成を示した図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係るトランジスタ圧電発振器の回路構成を示した図である。
【図１５】従来のトランジスタ圧電発振器の回路構成を示した図である。
【図１６】従来のトランジスタ圧電発振器の他の回路構成を示した図である。
【図１７】従来のトランジスタ圧電発振器の等価発振回路を示す図である。
【図１８】等価回路抵抗Ｒｃｉ及び等価回路キャパシタンスＣｃｉと、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉの関係を示す図である。
【図１９】従来のトランジスタ圧電発振器の等価回路抵抗Ｒｃｉ、合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ、及び等価回路キャパシタンスＣｃｉ、合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉの周波数特性を示すグラフ図である。
【図２０】従来のトランジスタ圧電発振器の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ、及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉとトランジスタのコレクタ電流Ｉｃとの関係を示すグラフ図である。
【図２１】従来のトランジスタ圧電発振器の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ、及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉとトランジスタの電流増幅率ｈｆｅとの関係を示すグラフ図である。
【図２２】従来のトランジスタ圧電発振器の合成等価回路抵抗Ｒｃｃｉ、及び合成等価回路キャパシタンスＣｃｃｉとトランジスタのベース−エミッタ間キャパシタンスＣπとの関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００４０】
１、２、３、４、５、６…トランジスタ圧電発振器、７…可変容量回路、８…コンデンサ選択回路、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ３ａ、Ｃ３ｂ、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７…コンデンサ、Ｄ１…可変容量ダイオード、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＢ３…抵抗、ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ…切替器、ＴＲ１、ＴＲ２…トランジスタ、Ｘ１…圧電振動子、Ｃπ…ベース−エミッタ間キャパシタンス、Ｒπ…ベース−エミッタ間抵抗
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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