| 【発明の名称】 |
圧電発振器 |
| 【発明者】 |
【氏名】山本 壮洋 【住所又は居所】神奈川県高座郡寒川町小谷二丁目1番1号 東洋通信機株式会社内
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| 【要約】 |
【課題】MOS容量型の可変容量素子を用いた電圧制御型発振器において、外部からの制御電圧の変化に対する発振周波数の変化量を大きくすると共に、その直線性を改善した圧電発振器を提供する。
【解決手段】この電圧制御型圧電発振器20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51と、この圧電素子に電流を流して励振させる発振用増幅部50と、電圧制御型の可変容量素子D1、D2と、発振用増幅部50の出力端子と入力端子を接続して信号をフィードバックするフィードバック抵抗Rfと、外部制御電圧(VC)54をゲインコントロールするゲインコントロール部58と、ゲインコントロール部58の出力電圧VAFC59を可変容量素子D1、D2に印加する高抵抗素子RA、RBと、発振回路の容量素子として働くコンデンサCB1、CB2、CB3と、出力電圧VAFC59を分圧する抵抗素子RC、RDと、発振信号を外部に出力する出力バッファ部55とを備えて構成される。 |
【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と、該圧電素子に電流を流して励振させる発振用増幅器と、第1及び第2の電圧制御型の可変容量素子と、を備えた圧電発振器であって、 容量が直線的に変化する時の前記第1及び第2の可変容量素子のゲートとバックゲート間電圧をVGBとし、周波数を変化させるための外部制御電圧を変化させた時に、前記第1及び第2の可変容量素子に印加する電圧が前記VGBの範囲内になるように構成したことを特徴とする圧電発振器。 【請求項2】 前記第1の可変容量素子のゲート端子を前記発振用増幅器の入力側に接続し、前記第2の可変容量素子のゲート端子を前記発振用増幅器の出力側に接続し、更に前記第1の可変容量素子および第2の可変容量素子のバックゲート端子を共通の容量素子を介して接地することにより発振回路を構成し、 前記第1の可変容量素子および第2の可変容量素子のゲート側には、前記外部制御電圧に対して負極性を有する電圧を抵抗素子を介して印加すると共に、前記負極性を有する電圧を抵抗分圧して前記第1の可変容量素子および第2の可変容量素子のバックゲート端子に印加する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】 前記抵抗分圧する抵抗素子は、前記負極性を有する電圧側に接続する抵抗素子RCと接地側に接続する抵抗素子RDとを直列接続することにより構成され、前記外部制御電圧をVCとし、前記第1の可変容量素子および第2の可変容量素子の容量が直線的に変化する時のゲートとバックゲート間の電圧VGBがVGB1からVGB2の範囲である場合、 前記第1の可変容量素子および第2の可変容量素子のゲート側に印加する負極性を有する電圧VAFCに対して、前記電圧VGBが前記VGB1からVGB2の範囲内で、且つ前記VCが最小値のときVGB2となり、前記VCが最大値のときVGB1となるように、前記抵抗素子RCおよびRDの定数を設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電発振器。 【請求項4】 前記可変容量素子として、バラクタ、可変容量ダイオード若しくは、印加電圧により容量が可変する半導体デバイスを用いたことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の圧電発振器。
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【発明の詳細な説明】【技術分野】 【0001】 本発明は、水晶振動子等の圧電振動子を使用した圧電発振器に関し、特に簡単な回路構成によって発振周波数の変化量を直線的に制御することが可能な電圧制御発振器に関するものである。 【背景技術】 【0002】 近年、水晶振動子等の圧電振動子に対して発振回路、温度補償回路等を付加した圧電発振器に対しては、周波数安定度は勿論のこと、小型化、低価格化等の要求が厳しく、更には、通信方式のデジタル化が進むにつれて、従来問題とならなかった雑音比特性(C/N特性)の向上が望まれている。 図5は従来の電圧制御型圧電発振器の回路構成を示す図である。この電圧制御型圧電発振器100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(水晶振動子)51と、この圧電素子に電流を流して励振させる発振用増幅部50と、電圧制御型の可変容量素子D1、D2と、発振用増幅部50の出力端子と入力端子を接続して信号をフィードバックするフィードバック抵抗Rfと、外部制御電圧54を可変容量素子D1、D2に印加する高抵抗素子52、53と、発振回路の容量素子として働くコンデンサCB1、CB2と、発振信号を外部に出力する出力バッファ部55とを備えて構成される。 この電圧制御型圧電発振器100は、MOS型の可変容量素子D1、D2を配置し、外部から制御電圧54をこの可変容量素子D1、D2に印加することにより回路側の容量を変化させて発振周波数を変化させている。また、可変容量素子D1、D2に印加される電圧のゲインをコントロールして必要な周波数変化量を得る方法も一般的である。 【0003】 例えば、特開2002−43846公報には、調整のための検査を高精度且つ高速に行うことができる電圧制御型温度補償発振器について開示されている。それによると、温度の3次関数で表される制御電圧を発生する制御電圧発生部、時定数切換可能なRCフィルタ、水晶発振器により構成され、第1の制御入力端子に高レベル電圧を印加すると、PチャネルMOS、NチャネルMOS、他のNチャネルMOSが導通するため、RCフィルタの時定数が小となるとともに、出力バッファの自励発振を含めて水晶発振器は発振停止の状態となる。そして第1の制御入力端子を低レベルの状態にし、第2制御入力端子に高レベル電圧を印加すると、PチャネルMOS、NチャネルMOSが導通し、他のNチャネルMOSが非導通となる。このとき、RCフィルタの時定数が小となり、出力端子からは、発振出力が得られる状態となることが開示されている。 また雑音比特性(C/N特性)を改善した従来例として、特開平11−251836号公報には、制御電圧発生回路から水晶発振回路へ伝達される雑音成分を除去して、位相雑音の少ない温度補償型発振器について開示されている。それによると、温度検出回路と、制御電圧発生回路と、周波数調整回路と、発振回路を備え、温度補償型発振器においては制御電圧発生回路から周波数調整回路を介して発振回路へ伝達される雑音成分が発振回路の発振出力の位相雑音を増加させるので、制御電圧発生回路と周波数調整回路の間にローパスフィルタを入れて、制御電圧発生回路から周波数調整回路を介して発振回路へ伝達される雑音成分を除去するとしている。 【特許文献1】特開2002−43846公報 【特許文献2】特開平11−251836号公報 【発明の開示】 【発明が解決しようとする課題】 【0004】 しかし、実際のMOS型可変容量素子のC−V特性57は、図6に示すように容量が直線的に変化するゲート電圧領域56は非常に狭く、周波数を直線的に変化させるための制御電圧が狭い範囲に限定されてしまうといった問題がある。また、制御電圧の範囲を狭くしてしまうと、制御電圧に対する周波数電圧感度が高くなってしまうため、発振周波数を制御する電圧に依存するノイズ信号成分によって発生するFM変調ノイズ成分を抑えることが困難になり、その結果、発振器の位相ノイズ特性を劣化してしまうという問題がある。 また特許文献1は、制御電圧発生部からの電圧をRCフィルタを介して供給する場合、RCフィルタの時定数を切替え可能として、検査モードにより時定数を切替えることにより、調整のための検査時間を短縮する発明であり、本願発明における制御電圧のゲインを直線的にコントロールする発明とは根本的に異なるものである。 また特許文献2は、温度補償制御電圧を発振回路のバラクタに印加して、温度補償する方式において、制御電圧から発生するノイズをローパスフィルタにより除去して絶対ノイズを低減することで位相雑音の改善をおこなうものであるが、ローパスフィルタのノイズを低減する能力には限界がある。 本発明は、かかる課題に鑑み、MOS容量型の可変容量素子を用いた電圧制御型発振器において、外部からの制御電圧の変化に対する発振周波数の変化量を大きくすると共に、その直線性を改善した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】 【0005】 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と、該圧電素子に電流を流して励振させる発振用増幅器と、第1及び第2の電圧制御型の可変容量素子とを備えた圧電発振器であって、容量が直線的に変化する時の前記第1及び第2の可変容量素子のゲートとバックゲート間電圧をVGBとし、周波数を変化させるための外部制御電圧を変化させた時に、前記第1及び第2の可変容量素子に印加する電圧が前記VGBの範囲内になるように構成したことを特徴とする。 可変容量素子のゲート電圧Vに対する容量Cの変化を示すC−V特性は、一般的にS字カーブを示す。即ち、ゲート電圧Vに対して容量Cが低い値で一定となり、急激に直線的に変化して再び高い値で一定となる特性を示す。しかも直線的に変化する領域は非常に狭く、この狭い直線領域でゲート電圧を印加しなければリニアな特性を得ることができない。そこで本発明では、第1及び第2の可変容量素子に印加する電圧を容量Cが直線的に変化する範囲内になるように構成するものである。 尚、本明細書において、圧電素子とは、圧電基板の主面に励振電極、リード端子を形成した素子を指称し、圧電振動子とは、この圧電素子自体、或いは圧電素子を気密封止した電子部品を指称する。 請求項2は、前記第1の可変容量素子のゲート端子を前記発振用増幅器の入力側に接続し、前記第2の可変容量素子のゲート端子を前記発振用増幅器の出力側に接続し、更に前記第1の可変容量素子および第2の可変容量素子のバックゲート端子を共通の容量素子を介して接地することにより発振回路を構成し、前記第1の可変容量素子および第2の可変容量素子のゲート側には、前記外部制御電圧に対して負極性を有する電圧を抵抗素子を介して印加すると共に、前記負極性を有する電圧を抵抗分圧して前記第1の可変容量素子および第2の可変容量素子のバックゲート端子に印加することを特徴とする。 本発明の回路構成は、2つの可変容量素子を備え、第1の可変容量素子のゲート端子側は発振用増幅器の入力側に接続し、第2の可変容量素子のゲート端子側は発振用増幅器の出力側に接続する。また、2つの可変容量素子のバックゲート端子はコンデンサの一端に接続し、コンデンサの他の一端は接地することにより発振回路を構成する。更に、外部制御電圧に対して負極性を有する電圧を高抵抗を介して印加すると共に、その電圧を抵抗分圧して2つの可変容量素子のバックゲートに接続する。従って、外部制御電圧が2つの可変容量素子のゲートに印加され、バックゲートには分圧電圧が印加されるので、夫々の可変容量素子の両端には外部制御電圧と分圧電圧の差電圧が印加されることになる。 【0006】 請求項3は、前記抵抗分圧する抵抗素子は、前記負極性を有する電圧側に接続する抵抗素子RCと接地側に接続する抵抗素子RDとを直列接続することにより構成され、前記外部制御電圧をVCとし、前記第1の可変容量素子および第2の可変容量素子の容量が直線的に変化する時のゲートとバックゲート間の電圧VGBがVGB1からVGB2の範囲である場合、前記第1の可変容量素子および第2の可変容量素子のゲート側に印加する負極性を有する電圧VAFCに対して、前記電圧VGBが前記VGB1からVGB2の範囲内で、且つ前記VCが最小値のときVGB2となり、前記VCが最大値のときVGB1となるように、前記抵抗素子RCおよびRDの定数を設定することを特徴とする。 本発明では外部制御電圧が2つの可変容量素子のゲートに印加され、バックゲートには分圧電圧が印加されるので、夫々の可変容量素子の両端には外部制御電圧と分圧電圧の差電圧が印加されることになる。即ち、外部制御電圧が最小値のときは夫々の可変容量素子の両端には最も大きな電位差が発生し、外部制御電圧が最大値のときは夫々の可変容量素子の両端には最も小さな電位差が発生する。そして、これらの電位差がそれぞれVGB2とVGB1になるように抵抗素子RCとRDの定数を決定すれば、分圧電圧の勾配が定められて外部制御電圧の変化に対してリニアにVGBを印加することができる。 請求項4は、前記可変容量素子として、バラクタ、可変容量ダイオード若しくは、印加電圧により容量が可変する半導体デバイスを用いたことを特徴とする。 容量が外部の印加電圧により変化すれば可変容量素子として、可変容量ダイオード、接合型FETのゲート・ソース又はゲート・ドレイン容量、MOS型FETのゲート・ソース又はゲート・ドレイン容量、バイポーラトランジスタのベース・エミッタ容量、又はベース・コレクタ容量を用いても本発明の発振器を構成することができる。 【発明の効果】 【0007】 請求項1の発明によれば、可変容量素子の容量が直線的に変化する時の2つの可変容量素子のゲートとバックゲート間電圧をVGBとしたとき、周波数を変化させるための外部制御電圧を変化させた時に、2つの可変容量素子に印加する電圧が直線領域であるVGBの範囲内になるように構成することにより、簡単な回路構成で外部制御電圧を広い範囲に亘ってリニアに周波数を変化させることができる。 また請求項2では、夫々の可変容量素子の両端には外部制御電圧と分圧電圧の差電圧が印加されるように回路が構成されるので、分圧抵抗の定数を決定すれば一義的に制御電圧に対してリニアに分圧電圧を変化させることができる。 また請求項3では、外部制御電圧と分圧電圧の電位差がそれぞれVGB2とVGB1になるように抵抗素子RCとRDの定数を決定するので、分圧電圧の勾配が決定されて外部制御電圧の変化に対してリニアにVGBを印加することができる。 また請求項4では、可変容量素子として可変容量ダイオードや印加電圧により容量が可変する半導体デバイスを用いることもできるので、回路構成に幅が拡がり、それに伴って回路特性のバリエーションが広くなる。 【発明を実施するための最良の形態】 【0008】 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は本発明の電圧制御型圧電発振器の回路構成を示す図である。図5と同じ構成要素には同じ参照番号を付して説明する。 この電圧制御型圧電発振器20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(水晶振動子)51と、この圧電素子に電流を流して励振させる発振用増幅部50と、電圧制御型の可変容量素子D1、D2と、発振用増幅部50の出力端子と入力端子を接続して信号をフィードバックするフィードバック抵抗Rfと、外部制御電圧(VC)54をゲインコントロールするゲインコントロール部58と、ゲインコントロール部58の出力電圧VAFC59を可変容量素子D1、D2に印加する高抵抗素子RA、RBと、発振回路の容量素子として働くコンデンサCB1、CB2、CB3と、出力電圧VAFC59を分圧する抵抗素子RC、RDと、発振信号を外部に出力する出力バッファ部55とを備えて構成される。 この電圧制御型圧電発振器20は、MOS型の可変容量素子D1、D2を配置し、可変容量素子D1のゲート端子側D1gはコンデンサCB1を介して発振用増幅部50の入力側50aに接続され、また、可変容量素子D2のゲート端子側D2gはコンデンサCB2を介して発振用増幅部50の出力側50bに接続される。更に、可変容量素子D1のバックゲート端子側D1bgと可変容量素子D2のバックゲート端子側D2bgは接続されてコンデンサCB3を介して接地される。また、ゲインコントロール部58の出力電圧VAFC59は、高抵抗素子RAを介して可変容量素子D1のゲート端子側D1gに接続されると共に、高抵抗素子RBを介して可変容量素子D2のゲート端子側D2gに接続される。更に、分圧抵抗素子RCとRDを直列接続した回路を接地し、その一端をゲインコントロール部58の出力電圧VAFC59に接続し、中点Aと可変容量素子D1のバックゲート端子側D1bgと可変容量素子D2のバックゲート端子側D2bgの接続点とを接続する。 このように可変容量素子D1、D2の容量が直線的に変化する時の2つの可変容量素子のゲートとバックゲート間電圧をVGBとしたとき、周波数を変化させるための外部制御電圧54を変化させた時に、2つの可変容量素子に印加する電圧が直線領域であるVGB56の範囲内になるように構成することにより、簡単な回路構成で外部制御電圧を広い範囲に亘ってリニアに周波数を変化させることができる。 【0009】 図2は、可変容量素子であるMOS型の可変容量素子に於ける、端子間の印加電圧値と可変容量の関係を表す図である。縦軸に可変容量値(C)、横軸に印加電圧値(V)を表す。この図はMOS型の可変容量素子の基本的な特性を表しており、印加電圧値(V)を直線的に変化させると、可変容量値(C)は図のように非線形に変化する(特性57)。つまり、MOS型の可変容量素子への印加電圧値(V)が、マイナス電位となると可変容量値(C)が減少して所定の電位から略一定の容量となり、電圧変化に対して容量変化がほとんど無くなる。また、印加電圧値(V)がプラス電位となると、可変容量値(C)が増加して所定の電位から略一定の容量となり、電圧変化に対して容量変化がほとんど無くなる。ここで容量が直線的に変化するときの可変容量素子D1、D2のゲートとバックゲート間の電圧VGBを、図2のVGB1〜VGB2の領域56としたとき、外部制御電圧(VC)54を変化させたときに可変容量素子D1、D2に印加される電圧が領域56の範囲内にあれば可変容量値(C)が直線的に大きく変化するため、周波数変化を直線的に大きくすることができる。 【0010】 図3は外部制御電圧(VC)と可変容量素子D1、D2に印加される電圧との関係を表す図である。縦軸は可変容量素子D1、D2に印加される電圧を表し、横軸は外部制御電圧(VC)を表す。図1のように、可変容量素子D1、D2のゲート端子D1g、D2gには、外部制御電圧(VC)をゲインコントロール部58によりゲインコントロールして外部制御電圧(VC)に対して負極性を有する電圧VAFCを高抵抗RA、RBを介して印加すると共に、抵抗素子RC、RDで電圧VAFCを抵抗分圧した電圧を互いの可変容量素子D1、D2のバックゲート端子D1bg、D2bgに印加する。このとき、可変容量素子D1、D2のゲート端子D1g、D2gに印加する電圧VAFCに対して、ゲートとゲートバック間の電圧VGBがVGB1〜VGB2の範囲内に収まり、且つVCがMinのときVGB2になり、VCがMaxのときVGB1となるように抵抗素子RC、RDの定数を設定し、抵抗分圧比を最適化しておく。 即ち、電圧VAFCが直線71、抵抗分圧した電圧(A点の電圧)が直線70の場合、外部制御電圧(VC)Minとそれぞれの直線との交点R、Pとし、同じく外部制御電圧(VC)Maxとそれぞれの直線との交点S、Qとすると、外部制御電圧(VC)Minのときに交点P、R間の電圧差がVGB2となるようにP点を設定し、同じく外部制御電圧(VC)Maxのときに交点S、Q間の電圧差がVGB1となるようにQ点を設定すれば、点Pと点Qを結んだ直線70の勾配が決定して分圧抵抗RC、RDが一義的に決定される。 【0011】 夫々の可変容量素子の両端には外部制御電圧54と分圧電圧(A点の電圧)の差電圧が印加されるように回路が構成されるので、分圧抵抗の定数を決定すれば一義的に制御電圧71に対してリニアに分圧電圧70を変化させることができる。更に、電圧VAFC59に重畳したノイズは、分圧抵抗にて分圧され、可変容量素子D1、D2のそれぞれ両端子に印加されるが、可変容量素子の両端に印加されたノイズが同位相であるから、可変容量素子の端子間電圧はノイズの影響により大きく変動してしまうことがなく、この結果、発振器のノイズ特性は優れたものとなる。 図4は図3の関係になるように分圧抵抗RC、RDを設定した場合の周波数制御特性の図である。図4から明らかなように、良好な直線性を保ったまま周波数可変量を大きくとることが可能となる。即ち、理想的な特性(点線73)に対してVGB1とVGB2の範囲では略理想的な特性と一致している(実線72)。尚、一般的には電圧VAFCを分圧するための抵抗RC、RDの抵抗値の大きさはRC<RDという関係になり、本実施例では抵抗比率をRC:RD=1:2.8程度に設定した。 【図面の簡単な説明】 【0012】 【図1】本発明の電圧制御型圧電発振器の回路構成を示す図。 【図2】可変容量素子であるMOS型の可変容量素子に於ける、端子間の印加電圧値と可変容量の関係を表す図。 【図3】外部制御電圧(VC)と可変容量素子D1、D2に印加される電圧との関係を表す図。 【図4】図3の関係になるように分圧抵抗RC、RDを設定した場合の周波数制御特性の図。 【図5】従来の電圧制御型圧電発振器の回路構成を示す図。 【図6】実際のMOS型可変容量素子のC−V特性を示す図。 【符号の説明】 【0013】 20 電圧制御型圧電発振器、50 発振用増幅部、51 圧電振動子(水晶振動子)、54 外部制御電圧(VC)、55 出力バッファ部、58 ゲインコントロール部、59 出力電圧VAFC、D1、D2 電圧制御型の可変容量素子、Rf フィードバック抵抗、RA、RB 高抵抗素子、CB1、CB2、CB3 コンデンサ、RC、RD 抵抗素子
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| 【出願人】 |
【識別番号】000003104 【氏名又は名称】エプソントヨコム株式会社 【住所又は居所】神奈川県川崎市幸区塚越三丁目484番地
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| 【出願日】 |
平成16年7月12日(2004.7.12) |
| 【代理人】 |
【識別番号】100085660 【弁理士】 【氏名又は名称】鈴木 均
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| 【公開番号】 |
特開2006−33092(P2006−33092A) |
| 【公開日】 |
平成18年2月2日(2006.2.2) |
| 【出願番号】 |
特願2004−205116(P2004−205116) |
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