JPH0319506A - 水晶発振回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、無線通信機器の基準発振源として利用される
、高安定かつ低価格な水晶発振回路に関するものである
。

従来の技術 水晶発振回路は、各種電子機器の基準発振源として、広
く利用されており、高安定度かつ低価格のものが要求さ
れている。近年の集積回路技術の向上により、水晶発振
回路も半導体集積回路化されつつある。以下に、従来の
水晶発振回路について説明する。

半導体集積回路化した水晶発振回路として、ＣＭＯＳイ
ンバータを利用したものは、ディジタル回路のクロック
用として一般的に用いられている。（例えば電気学会論
文誌Ｃ．昭８３，　Ｎｏ．　９，第６３２頁から第６３
８頁）しかし、周波数安定度は数１０ｐｐｍ程度で、さ
らに高安定度が要求される場合は、バイポーラトランジ
スタによる、コルピソツ形およびハートレー形などが一
般的である。

また、従来、特に位相同期ループ（ＰＬＬ）の基準発振
源としては、原振周波数の水晶発振回路が用いられてお
り、オーバートーンの水晶発振回路は局部発振源として
用いられてきた。第３図は従来のコルピッツ形オーバー
トーン水晶発振回路の例である（例えば電子展望昭和４
８年１２月号第７９頁）。第３図において、１０ｂは周
波数調整回路である。５ｂ，　６ｂは帰環容量で、帰環
容量６ｂはインダクタ１４ｂと共に、水晶振動子の原振
周波数近傍にあわせた共振回路を兼ねている。共振回路
により、水晶振動子の原振周波数を抑えることができ、
３次オーバートーン発振を得ることができる。

発明が解決しようとする課題 水晶発振回路の発振周波数は、水晶振動子および水晶の
端子から回路側を見込んだ場合の等価的な容量値（負荷
容量）で決定される。この負荷容量値の変化により、水
晶発振回路の発振周波数が変化する。バイポーラトラン
ジスタによるコルピソツ形の水晶発振回路を半導体集積
回路で実現するには、コレクタとグランドとなっている
サブストレートとの間に存在する、寄生容量が問題とな
る。この寄生容量は、ｐｎ接合による接合容量であるた
めに、容量値はサブストレートに対する電圧および温度
により変化する。このため、電源電圧および温度の変動
および素子のバラツキが寄生容量に影響を与え、発振回
路の負荷容量が変化するために、水晶発振回路の安定度
が劣化する。また発振周波数は、半導体集積回路化した
場合の素子のバラツキおよび水晶振動子のバラツキによ
り変化するため、これを調整する必要がある。一般的に
周波数調整用として用いられているトリマコンデンサは
、固定コンデンサ（温度係数が小さいＣＩＩタイプ）に
比べて温度係数が１０ｐＦ’では４倍程度、４０９Ｆで
は１０倍程度というように、容量値が大きいほど温度係
数が大きくなる。周波数調整に、トリマコンデンサを利
用する場合、周波数可変範囲を大きくするために大きな
容量値のトリマコンデンサな利用すると、温度に対する
発振周波数の安定度が劣化するという現象が起こる。

基準発振源として、さらに広い温度範囲で温度補償され
た高安定度の発振回路、例えばＴＣＸＯ（温度補償水晶
発振回路）を使用したい場合、水晶発振回路のみを動作
させないようにする必要がある。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、トラン
ジスタ、帰環容量、バイアス抵抗を半導体集積回路化す
るとともに、外付部品として、トリマコンデンサ、固定
コンデンサ、インダクタなど安価な部品を使用して高安
定度の水晶発振回路を提供し、さらに水晶発振回路を他
の回路と併せて半導体集積回路を実現した際、水晶発振
回路にスイッチング回路を加えることにより、汎用性の
向上を図ることを目的とする。

課題を解決するための手段 この目的を達或するために本発明の水晶発振回路は、温
度による周波数変動が原振より少ないオーバートーンモ
ードの水晶振動子を用いた水晶発振回路として、コルピ
ッツ形の変形でエミッタフォロワ出力で３次オーバート
ーン水晶発振回路を構成し、トランジスタ、帰環容量、
バイアス抵抗、出力用のエミ７タフォロワの半導体集積
回路化するとともに、それらについて、半導体集積回路
化に際し、周波数安定度を向上するために、半導体集積
回路内の回路構成としてコレクタ接地形とし、それらに
ついて、並列のトリマコンデンサと固定コンデンサ、お
よび直列のインダクタによる周波数調整回路と、オーバ
ートーン発振を得るために水晶振動子の原振を抑えるコ
ンデンサとインダクタによる並列共振回路の回路とを設
けたものである。

さらに、ＮＰＮトランジスタとＰＮＰ　｝ランジスタの
組合せによる、スイッチング回路を加えることにより、
本発明の水晶発振回路を他の回路とあわせて、集積回路
を構成した場合、水晶発振回路を切り離すことを可能と
し、集積回路としての汎用性を高めている。

作用 本発明は、コレクタ接地形を適用することにより、コレ
クタとサブストレート間の寄生容量の影響を小さくする
ことができ、安定度が向上する。

またオーバートーン水晶を用いることにより、発振周波
数の温度特性は向上するが周波数調整範囲は小さくなる
。この水晶の製作偏差を補正するための発振周波数調整
範囲を得るために大きな容量値のトリマコンデンサを使
用すると、トリマコンデンサの温度特性により、温度に
対する発振周波数安定度が劣化する。そこで、温度係数
の小さい１０ｐＦ以下のトリマコンデンサで、目的の周
波数調整範囲を得ろことができるように、トリマコンデ
ンサに加えて、固定コンデンサ、インダクタを用い、そ
の素子値を選ぶことにより、周波数安定度の劣化を小さ
くすることができる。

実施例 本発明の実施例について図面を参照して説明する。第１
図に示すように、コルピッツ形発振回路１として、トラ
ンジスタ３とベースバイアス抵抗４、帰環容量８ａ，６
ｂ、コレクタ接地容量７、出力用のエミッタフォロワ８
およびスイッチング回路９を半導体集積回路２の内部に
構成する。外部回路として、周波数調整回路１０は、ト
リマコンデンサ１１、固定コンデンサ１２、インダクタ
１３よりなる。インダクタ１４ａは半導体集積回路２内
部の帰環容量６ａと並列共振回路をなし、水晶振動子の
原振周波数近傍に共振周波数を持つよう素子の値を調整
する。前記共振回路により、水晶振動子の原振周波数に
よる発振を抑え、３次オーバートーン発振を得ることが
できる。１例として中心周波数４２．００　ＭＨｚの場
合、コレクタ接地容量７は５０ｐＰで十分であり、半導
体集積回路内に構成することも可能である。

トリマコンデンサ１１のみで周波数調整範囲を±１０ｐ
ｐｍ以上得るためには、４０ｐＰ以上容量変化が必要で
ある。４０９Ｆのトリマコンデンサには−１３００士６
００ｐｐｍ／℃の温度係数がある。トリマコンデンサ１
１に加えてインダクタ１３を使用することにより、トリ
マコンデンサ１１のみによる周波数調整を行う場合と比
較して、小さな容量値のトリマコンデンサ１１で、中心
周波数に対し、±１０ｐｐｍ以上の周波数調整範囲を得
ることができる。またインダクタは、コンデンサとは逆
方向の温度特性をもっており、両者は温度変化に対して
、補償し合う関係にある。例えばインダクタ１３として
１μＨを用いた場合、±１０ｐｐｍの周波数調整範囲を
得るためには２０ｐＰ以上のトリマコンテンサが必要と
なる。２０ｐＦのトリマコンデンサの温度係数は、−９
０ｏ±３５０ｐｐｍである。さらにトリマコンデンサ１
つに並列に固定のコンデンサ１２を使用すると、１０ｐ
Ｆのトリマコンデンサと３ｐＦの固定コンデンサで±１
０ｐｐｍの周波数調整範囲を得ることができろ。１０ｐ
Ｆのトリマコンデンサの温度係数は０土２００１）ｐｍ
で固定コンデンサの温度係数は温度係数の小さなＣＩＩ
タイプで０±６０ｐｐｍであり、水晶振動子を除く回路
自体の発振周波数の温度特性を±０．５ｐｐｍ以内にす
ることができる。

なお、オーバートーン次数が高いほど発振周波数は高く
でき、また温度特性も良好となるが、水晶の製作偏差の
周波数範囲が３次オーバートーンで±１０ｐｐｍ確保で
きるのに対し，６次以上ではさらに製作精度等が必要と
なり、高価となるので、３次オーバートーンの方が適し
ている。３次オーバートーンの発振回路とすることによ
り、位相同期ループ（ＰＬＬ）の基準発振源としても、
特に温度範囲の広い場合を除いて、ＴＣＸＯを用いる必
要をなくすこともできる。

位相同期ループの基準周波数に用いる場合には、３次オ
ーバートーン水晶発振回路の出力周波数を通常さらに分
周して周波数を下げることになるが、ここでは原振より
も高い周波数を得るためではなく、高く選んだ周波数を
また下げて用いて、温度安定度を利用することを目的と
している。また、発振周波数範囲が高城まで設定可能と
なるので、この３次オーバートーン水晶発振回路からの
出力周波数をそのまま、あるいは１／２分周等の分周を
行って、その出力信号を受信機の第２局部発振源として
使用することもできるようになる。

なお、第２図は第１図のスイッチング回路９の詳細構成
であり、ＮＰＮトランジスタ１９とＰＮＰトランジスタ
２Ｑおよび抵抗で構成され、端子１アに電圧を供給する
。端子１６を開放するとＮＰＮトランジスタ１９は飽和
領域となり、ＰＮＰ　｝ランジスタ２００ベース電位が
低くなるためＰＮＰ　｝ランジスタ２０も飽和領域で動
作し、端子１６は電源電圧に対しＰＮＰ　｝ランジスタ
２０のエミッタとコレクタ間の電位差だけ低い電位とな
る。また端子１６をアースに接続すると、ＮＰＮトラン
ジスタ１９、ＰＮＰ　｝ランジスタ２０共に遮断領域と
なり、端子１６の電位は零となる。このように前記端子
１ｅを開放または接地することにより、第１図の水晶発
振回路のベースバイアス抵抗４に対する電圧供給を制御
することができることから、たとえば水晶発振回路を基
準発振源として、位相同期ループ（ＰＬＬ）の半導体集
積回路を構成した場合でも、必要に応じて、水晶発振回
路よりさらに広い温度範囲で補償された、高精度の基準
発振源も利用することが可能となる。

発明の効果 以上のように本発明は、コルピッッ形の変形でエミッタ
フォロワ出力の３次オーバートーン水晶発振回路を半導
体集積回路による構成と、発振回路としてコレクタ接地
形の適用と、外付の周波数調整回路として、並列のトリ
マコンデンサと固定コンデンサおよび直列のインダクタ
による回路構成と、素子の温度特性まで考慮した素子定
数の最適選択と、高安定度の水晶発振回路にオーバート
ーンモードの水晶振動子を用いることにより、特に温度
範囲の広い場合を除いて、温度補償水晶発振回路（例え
ばＴＣＸＯ）を使用する必要のない、温度変化に対する
周波数安定性が良い水晶発振回路を低価格で実現できる
。

また上記効果に加え、オーバートーンモードの発振周波
数を分周して用いることにより、位相同期ループの基準
発振源、および第２局部発振源としても使用でき、半導
体集積回路として用途を広くできる。

さらに、スイッチング回路を設けることにより、本発明
の水晶発振回路を含んだ半導体集積回路を構成する際に
、基準発振源として内蔵の水晶発振回路を利用するか、
さらに高安定な基準発振源を使用するか外部から選択す
ることができ、半導体集積回路としての汎用性を広げる
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における水晶発振回路の回路
図、第２図は第１図の要部であるスイッチング回路の回
路図、第３図は従来の３次オーバートーン水晶発振回路
の回路図である。 １・・・コルピッッ形発振回路、４・・・ベースバイア
ス抵抗、６，６・・・帰環容量、７・・・コレクタ接地
容量、８・・・エミッタフォロワ、９・・・スイッチン
グ回路、１０・・・周波数調整回路，１６・・・スイッ
チング端子、１７・・・電源端子。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）コルピッツ形の発振回路のトランジスタのコレク
   タを第１のバイパス容量で接地し、コレクタ接地とし、
   前記トランジスタのベースに第１の帰環容量とベースバ
   イアス抵抗を接続し、前記トランジスタのエミッタに第
   ２の帰環容量と出力用のエミッタフォロワを接続し、そ
   れらを半導体集積回路内部に構成し、前記半導体集積回
   路のトランジスタのベースから外部回路として、周波数
   調整回路と水晶振動子を直列接続し、アースへと接続し
   た回路と、第１のインダクタと直列に前記トランジスタ
   のエミッタバイアス抵抗を接続し、前記エミッタバイア
   ス抵抗と並列に第２のバイパス容量を接続した回路を前
   記半導体集積回路の第２の帰環容量に対し並列接続し、
   アースへと接続したことを特徴とする水晶発振回路。
2. （２）周波数調整回路として、第２のインダクタと直列
   に容量が１０ｐＦ以下のトリマコンデンサを接続し、前
   記トリマコンデンサと並列に固定コンデンサを接続した
   ことを特徴とする請求項１記載の水晶発振回路。
3. （３）水晶振動子の３次オーバートーンを用いた水晶発
   振回路を位相同期ループの基準発振源として用いること
   を特徴とする請求項１記載の水晶発振回路。
4. （４）水晶振動子の３次オーバートーンを用いた水晶発
   振回路からの出力を第２局部発振源として用いることを
   特徴とする請求項１記載の水晶発振回路。
5. （５）半導体集積回路の外部に設けた端子を開放ままた
   は短絡することにより、ベースバイアスを供給または非
   供給とすることができる、ＮＰＮトランジスタとＰＮＰ
   トランジスタ２段のスイッチングトランジスタからなる
   スイッチング回路を電源とベースバイアス抵抗との間に
   設けたことを特徴とする請求項１記載の水晶発振回路。