JP6097615B2

JP6097615B2 - 水晶発振器

Info

Publication number: JP6097615B2
Application number: JP2013071670A
Authority: JP
Inventors: 真人石嶺
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014197744A

Description

本発明は、水晶発振器に係り、特に小型化を妨げず、振動環境下において出力周波数信号の位相雑音特性を向上させることができる水晶発振器に関する。

［従来の水晶発振器の概略構成：図３］
従来の水晶発振器の概略構成について図３を用いて説明する。図３は、従来の水晶発振器の概略構成図である。
図３に示すように、従来の水晶発振器は、発振回路２１と、増幅回路２２とを備えている。
発振回路２１は、水晶振動子と発振用トランジスタとを備え、特定周波数の振動を発生する。
増幅回路２２は、増幅用トランジスタを備え、発振回路２１からの周波数信号を増幅して高周波信号として出力する。
尚、各部の上に、出力される雑音波形を模式的に示している。

高周波回路である発振回路２１や増幅回路２２には、バイパスコンデンサや同調回路が含まれる。
一般に、バイパスコンデンサや同調回路としては、セラミックコンデンサが用いられている。

セラミックコンデンサに用いられるセラミックは圧電材料であるため、振動が加わった場合に圧電効果によって電圧が発生し、雑音の原因となる。
圧電材料に圧縮する力を加えると、材料の一方の端がプラスの電気を帯び、他方の端がマイナスの電気を帯びる。振動中の加速度が最大になる点で圧電材料の圧縮が最大となり、振動周波数に依存した周期で電圧が発生するものである。

このように、振動環境下においては、セラミックコンデンサに起因する雑音が出力周波数信号に重畳されるため、位相雑音特性が劣化してしまう。
図３に示すように、発振回路２１で発生した雑音は、増幅回路２２で増幅され、位相雑音特性が劣化する。

また、フィルム系コンデンサやタンタルコンデンサは、圧電効果を持たないため、電子雑音は発生しないが、サイズが大きく、高周波性能が劣ってしまう。
更に、セラミックコンデンサに振動を与えないよう、ダンパーゴム等で高周波回路を保持して振動を吸収する方法も考えられるが、構造的に大型化を避けることができず、好ましくない。

［関連技術］
尚、出力周波数の位相雑音特性を良好にする技術としては、特開２０００−２６９７３９号公報「水晶発振器」（株式会社富士通ゼネラル、特許文献１）、特開２００１−３６３４４号公報「水晶発振器」（株式会社富士通ゼネラル、特許文献２）、特開２０１２−１５６９２０号公報「温度補償型水晶発振器」（日本電波工業株式会社、特許文献３）がある。

特許文献１には、外的な振動により水晶発振器で発生する側波帯を打ち消し、発振周波数のみが出力されるようにして、位相雑音の劣化を抑止することが記載されている。
特許文献２には、第１の水晶振動子と同一特性を有する第２の水晶振動子を同一方向に近接して取り付け、第２の水晶振動子の出力を反転増幅して出力し、当該出力信号で第１の水晶振動子を備えた電圧制御発振器を制御することで、機械的振動による発振周波数の変動をキャンセルすることが記載されている。

また、特許文献３には、温度補償電圧生成部からの出力信号を分岐して、その一方を遅延し、他方から直流成分を除去し、位相を反転し、遅延された一方の信号と加算することで温度補償電圧発生部で発生した位相雑音が除去された温度補償電圧をＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator；電圧制御発振器）に印加する温度補償型水晶発振器が記載されている。

特開２０００−２６９７３９号公報特開２００１−３６３４４号公報特開２０１２−１５６９２０号公報

以上のように、セラミックコンデンサを用いた従来の水晶発振器は、振動によって電圧が発生してしまい、位相雑音特性が劣化するという問題点があった。
また、フィルム系コンデンサやタンタルコンデンサを用いた場合、小型化の妨げになるという問題点があった。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、小型化を妨げず、位相雑音特性を向上させることができる水晶発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、水晶振動子と水晶振動子の発振周波数信号を増幅する発振用トランジスタとを備えた発振回路と、発振回路の出力を増幅する増幅用トランジスタを備えた増幅回路とを有する水晶発振器であって、発振回路及び増幅回路はセラミックコンデンサを備え、振動環境下においてセラミックコンデンサが発生する雑音と同等の雑音を発生するセンサと、センサの出力を位相反転増幅する反転増幅回路とを備え、センサからの雑音と発振回路及び増幅回路のセラミックコンデンサで発生する雑音とが相殺するように、反転増幅回路の出力が、増幅回路に入力されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、水晶振動子が発振用トランジスタのベースに接続され、発振用トランジスタのコレクタが増幅用トランジスタのベースに接続され、反転増幅回路の出力が、増幅用トランジスタのベースに接続されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、センサがコンデンサで構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、水晶振動子と水晶振動子の発振周波数信号を増幅する発振用トランジスタとを備えた発振回路と、発振回路の出力を増幅する増幅用トランジスタを備えた増幅回路とを有する水晶発振器であって、発振回路及び増幅回路はセラミックコンデンサを備え、振動環境下においてセラミックコンデンサが発生する雑音と同等の雑音を発生するセンサと、センサの出力を位相反転増幅する反転増幅回路とを備え、センサからの雑音と発振回路及び増幅回路のセラミックコンデンサで発生する雑音とが相殺するように、反転増幅回路の出力が、増幅回路に入力されている水晶発振器としているので、振動環境下で発振回路及び増幅回路のセラミックコンデンサが発生する雑音を、センサで発生する雑音で増幅回路において打ち消すことができ、小型化を妨げず、出力周波数信号における位相雑音特性を向上させることができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る水晶発振器の概略構成図である。本水晶発振器の回路構成例を示す回路図である。従来の水晶発振器の概略構成図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器は、高周波回路で使用されているセラミックコンデンサと同等の特性を備えたセンサと、センサからの出力を入力して位相反転増幅するオペアンプとを備え、オペアンプの出力を増幅用トランジスタのベースに接続した構成であり、増幅回路において高周波回路のセラミックコンデンサから発生した雑音を、センサで発生させた同等の雑音を反転して混合することで打ち消すことができ、特にＡＭ雑音を効果的に補償して、出力周波数信号における位相雑音を向上させることができるものである。

［実施の形態に係る水晶発振器の概略構成：図１］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器の概略構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る水晶発振器の概略構成図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る水晶発振器（本水晶発振器）は、従来と同様の部分として、水晶振動子及び発振用トランジスタを備えた発振回路３１と、増幅用トランジスタを備えた増幅回路３２と、本水晶発振器の特徴部分であるセンサ３３と、反転増幅回路３４とを備えている。

そして、センサ３３で発生させた雑音を、反転増幅回路３４で反転増幅して、増幅回路３２において、入力信号と混合（ミキシング）して増幅させることにより、発振回路３１及び増幅回路３２のセラミックコンデンサによって生じる雑音をキャンセルするものである。
また、本水晶発振器は、発振回路３１及び増幅回路３２にセラミックコンデンサを用いることで、小型化を図ることができるものである。

本水晶発振器の特徴部分について具体的に説明する。
センサ３３は、振動環境下において、発振回路３１及び増幅回路３２で使用されているコンデンサから発生する雑音と同等の雑音を発生する圧電素子であり、例えば、発振回路３１及び増幅回路３２のコンデンサと同等のセラミックコンデンサで実現される。

反転増幅回路３４は、センサ３３からの出力を位相反転して増幅するものであり、オペアンプ等で実現される。
本水晶発振器では、反転増幅回路３４の出力は、増幅回路３２に入力されて発振回路３１の出力信号に混合されて増幅される。

各部における雑音波形について簡単に説明する。
センサ３３では、発振回路３１と増幅回路３２のセラミックコンデンサで発生する雑音と同等の雑音が発生する。尚、ここでは便宜的に発振回路３１と増幅回路３２で発生する雑音を合わせたものを発振回路３１の上に記載している。

反転増幅回路３４では、センサ３３の出力波形を反転して増幅した波形が得られる。
そして、反転増幅回路３４からの出力が混合された増幅回路３２の出力信号では、高周波回路のセラミックコンデンサからの雑音とセンサ３３からの雑音とが相殺されるため、増幅回路３２の出力は雑音成分を含まないものとなる。

［本水晶発振器の回路構成例：図２］
次に、本水晶発振器の回路構成例について図２を用いて説明する。図２は、本水晶発振器の回路構成例を示す回路図である。
図２に示すように、本発振器はコルピッツ型の発振器として構成され、基本的な構成部分として、水晶振動子Ｘ１と、水晶振動子Ｘ１の発振周波数を増幅するトランジスタ（発振用トランジスタ）Ｑ１と、増幅回路を構成するトランジスタ（増幅用トランジスタ）Ｑ２とを備えている。

そして、トランジスタＱ１のベースに水晶振動子Ｘ１が接続され、トランジスタＱ１のコレクタには並列接続のコイルＬ１とコンデンサＣ３から成る共振回路が接続され、電源電圧に接続されている。電源電圧は図示を省略している。
更に、電源電圧は、抵抗Ｒ１を介してトランジスタＱ１のベースに印加され、ベースは抵抗Ｒ２を介して接地されている。

また、トランジスタＱ１のエミッタは、抵抗Ｒ４を介して接地され、トランジスタＱ１のベースは直列接続のコンデンサＣ１とコンデンサＣ２を介して接地され、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との間の点がエミッタに接続している。

そして、トランジスタＱ１のコレクタから増幅された発振周波数がトランジスタＱ２のベースに印加され、トランジスタＱ２のコレクタには、並列接続のコイルＬ２とコンデンサＣ４から成る共振回路を介して電源電圧が印加され、更に、コレクタには、コンデンサＣ６を介して出力端子が設けられている。

また、トランジスタＱ２のベースは、抵抗Ｒ５を介して電源電圧が印加され、抵抗Ｒ７を介して接地されている。
トランジスタＱ２のエミッタには、抵抗Ｒ６及びコンデンサＣ５が並列に接続され、それぞれ他端が接地されている。
更に、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ７の間の点が、コンデンサＣ７を介してトランジスタＱ１のコレクタに接続されている。

そして、本水晶発振器の特徴部分として、センサ３３と、反転増幅回路（オペアンプ）３４とが設けられており、センサ３３を構成するコンデンサＣ８は、一端が抵抗Ｒ８を介してオペアンプ３４の反転入力端子（−端子）に接続され、他端が接地されている。
また、オペアンプ３４の出力端子と反転入力端子（−端子）とは、抵抗Ｒ９を介して接続され、非反転入力端子（＋端子）は接地されている。
更に、オペアンプ３４の出力端子は、抵抗Ｒ１０を介して増幅用トランジスタＱ２のベースに接続されている。

すなわち、本水晶発振器では、センサ３３で発生した雑音が、オペアンプ３４によって位相反転されて増幅され、増幅回路３２のトランジスタＱ２のベースに入力される。これにより、発振回路３１のトランジスタＱ１から出力される信号と、オペアンプ３４からの出力信号とが増幅回路３２において混合される。
センサ３３で発生する雑音は、発振回路３１及び増幅回路３２を構成するセラミックコンデンサと同等の雑音であり、センサ３３からの雑音と発振回路３１及び増幅回路３２のセラミックコンデンサで発生する雑音とが相殺されて増幅され、増幅回路３２の出力段において雑音をキャンセルできるものである。

尚、図２に示した本水晶発振器の構成では、位相雑音の内、特にＡＭ雑音を効果的に除去することができるものである。
このようにして、本水晶発振器では出力周波数信号における位相雑音特性を向上させることができるものである。
また、ここでは、センサ３３としてコンデンサを用いているが、高周波回路で用いられているセラミックコンデンサと同等の雑音を発生するものであれば、他のセンサ用素子を使用してもよい。水晶振動子をセンサとして用いることも可能である。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器によれば、高周波回路にセラミックコンデンサを備え、高周波回路で使用されているセラミックコンデンサと同等の特性を備えたセンサ３３と、センサ３３からの出力を入力して位相反転増幅するオペアンプ３４とを備え、オペアンプ３４の出力を増幅用トランジスタＱ２のベースに接続した構成であり、振動環境下において高周波回路のセラミックコンデンサから発生した雑音を、センサ３３で発生させた同等の雑音を反転して増幅回路３２に混合して重畳させることで打ち消すことができ、特にＡＭ雑音を効果的に補償して、出力周波数信号における位相雑音を向上させることができ、また、小型化を妨げない効果がある。

本発明は、小型化を妨げず、振動環境下において出力周波数信号の位相雑音特性を向上させることができる水晶発振器に適している。

２１，３１...発振回路、２２，３２...増幅回路、３３...センサ、３４...反転増幅回路、Ｘ１...水晶振動子、Ｒ１〜Ｒ１０...抵抗、Ｃ１〜Ｃ８...コンデンサ、Ｌ１，Ｌ２...コイル、Ｑ１...発振用トランジスタ、Ｑ２...増幅用トランジスタ

Claims

水晶振動子と前記水晶振動子の発振周波数信号を増幅する発振用トランジスタとを備えた発振回路と、前記発振回路の出力を増幅する増幅用トランジスタを備えた増幅回路とを有する水晶発振器であって、
前記発振回路及び前記増幅回路はセラミックコンデンサを備え、
振動環境下において前記セラミックコンデンサが発生する雑音と同等の雑音を発生するセンサと、
前記センサの出力を位相反転増幅する反転増幅回路とを備え、
前記センサからの雑音と前記発振回路及び前記増幅回路のセラミックコンデンサで発生する雑音とが相殺するように、前記反転増幅回路の出力が、前記増幅回路に入力されていることを特徴とする水晶発振器。
水晶振動子が発振用トランジスタのベースに接続され、前記発振用トランジスタのコレクタが増幅用トランジスタのベースに接続され、
反転増幅回路の出力が、前記増幅用トランジスタのベースに接続されていることを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
センサがコンデンサで構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水晶発振器。