JPH08204451A - 発振器及びフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】共振回路とアースとの間にシャントに接続され
るコンデンサの容量値を減少する方向に調整可能とし
た、発振器及びフィルタを提供する。 【構成】共振回路（水晶等の圧電結晶或いは圧電セラミ
ック等を材料とする圧電振動子を含む）を用いた発振器
及びフィルタにおいて、共振回路とアースとの間にシャ
ントに接続されたコンデンサＣｓに対して並列に、負の
容量値を与える負値コンデンサ手段を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は共振回路を用いた発振器
及びフィルタに関するもので、特に圧電振動子とアース
との間にシャントに接続される容量を減少する方向に調
整し得る発振器、フィルタ及び電圧制御型発振器に関す
る。

【０００３】

【従来の技術】水晶等の圧電効果を利用した圧電振動子
は、それまでのＬＣ共振子等に比べてＱが高く、温度特
性に優れ、しかも形状が小型であるため、電子機器の携
帯化・小型化に伴って幅広く用いられている。

【０００４】図８は水晶振動子とＣＭＯＳインバータを
用いて構成したコルピッツ型の発振器の一例であり、水
晶振動子の両端にはアースとの間にシャントにコンデン
サＣ1、Ｃ2が接続されている。このコンデンサＣ1、Ｃ2
は発振器の負抵抗を決定するためのものであり、夫々の
容量値を最適な値に設定する必要がある。

【０００５】ところが、図９の図中点線で示すように、
この発振器を実際にプリント基板上に構成した場合、周
知の通り必然的にプリント基板表面の配線パターンや各
部品のリード線間に浮遊容量が発現する。勿論、この浮
遊容量は水晶振動子とアースとの間にも発現し、本来必
要とされるコンデンサＣ1、Ｃ2の容量値よりも大きな値
となることもあり、このとき発振器の実効抵抗が増大す
るため、発振が不安定となり、最悪の場合には発振が停
止するといった不具合を生ずる場合がある。これを解決
するためには各部品の配置や配線パターンの位置を変更
する、或いは浮遊容量を減少させるためにキャパシタン
スとは逆の振る舞いをするインダクタンス、即ちコイル
を浮遊容量と並列に接続するという手法がとられてい
た。

【０００６】しかしながら、前者に於いては浮遊容量が
小さい値になるまで試行錯誤を重ねて配置の変更を行う
必要があるためコストアップにつながる、また必ずしも
浮遊容量を所望の容量値がまで小さくできるとは限らな
いという欠点があった。一方、後者に於いても挿入した
コイルが浮遊容量とＬＣ並列共振回路を構成することに
なり、所望の発振周波数即ち水晶振動子の共振に基づい
て定まる周波数のみならず、前記ＬＣ並列共振回路によ
りスプリアスが発生するため、抵抗を必要個所に挿入し
てこれを抑圧するなど極めて複雑な構成を採らなければ
ならないという欠陥があった。

【０００７】

【発明の目的】本発明の目的は、共振回路とアースとの
間にシャントに接続されるコンデンサの容量値を減少す
る方向に調整可能とした、発振器及びフィルタを提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【発明の概要】本発明は上述の目的を達成するため、共
振回路（水晶等の圧電結晶或いは圧電セラミック等を材
料とする圧電振動子を含む）を用いた発振器及びフィル
タにおいて、前記共振回路とアースとの間にシャントに
接続されたコンデンサＣｓに対して並列に、負の容量値
を与える負値コンデンサ手段を接続したものであり、特
に、前記負値コンデンサ手段が、オペアンプと、該オペ
アンプの負入力端子とアース間に接続したコンデンサＣ
ｆと、前記オペアンプの負入力端子と出力端子間に接続
した抵抗Ｒｆと、前記オペアンプの正入力端子と出力端
子間に接続した抵抗Ｒｓとから構成されるものであっ
て、前記オペアンプの正入力端子を前記コンデンサＣｓ
の共振回路側の端子に接続するよう構成したものであ
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。圧電振動子とアースとの間にシャントに接続される
或いは発現するコンデンサの容量値を減少させるため
に、コンデンサと並列にコイルを挿入すると、スプリア
スが発生するという欠陥があることは前述した通りであ
るが、例えば、図１に示すようにコイルに代えて負の容
量値を呈する負値コンデンサ［−Ｃｖ］を並列に接続す
ることでこの欠点は解消し得ることを見出したのであ
る。

【００１０】図２は等価的に負の容量値を得るための負
値コンデンサ手段の原理を説明するための回路図であ
る。まず同図（ａ）の回路はオペアンプＡと、該オペア
ンプＡの負入力端子とアース間に接続した抵抗Ｒｓと、
前記オペアンプＡの負入力端子と出力端子間に接続した
抵抗Ｒｆと、前記オペアンプＡの正入力端子と出力端子
間に接続したコンデンサＣｆと、前記オペアンプＡの正
入力端子とアース間に接続したコンデンサＣｓから構成
され、前記オペアンプＡの正入力端子を入力、出力端子
を出力とするものである。

【００１１】ここで、オペアンプＡが理想的なオペアン
プであると仮定すると、入力電圧をｅ1、出力電圧をｅ0
としたとき、

【数１】 となり、また入力から流れ込む電流をｉ1を、

【数２】 としたとき、

【数３】

【数４】 となり、（１）式を（４）式に代入してｅ0を消去する
と、

【数５】 更に、（３）、（５）式を（２）式に代入すると

【数６】

【数７】 となり、この（７）式がこの回路の入力アドミタンスを
与える。この式は、純容量を表すものと考えることがで
きるから、この回路の入力から観た容量値Ｃは、

【数８】 となる。ここで、コンデンサＣｓを水晶振動子とアース
との間にシャントに接続されるコンデンサとして考える
と、（８）式の右辺最終項［−Ｃｆ・Ｒｆ／Ｒｓ］はコ
ンデンサＣｓに対して等価的に負の容量として作用し、
コンデンサＣｓの容量値を減少させることができること
が理解できよう。

【００１２】図３は図２（ａ）の回路を用いて構成した
本発明にかかる発振器の実施例であって、図３（ａ）に
おいてＡ1は水晶振動子を駆動するためのオペアンプで
あり、オペアンプＡ2を含む同図中点線内の回路が、水
晶振動子とアースとの間にシャントに接続されるコンデ
ンサＣｓ（Ｃ1）の容量値を減少させための負の容量値
を与える負値コンデンサ手段として機能する。また、図
３（ｂ）は、コンデンサＣｓ（Ｃ2）の容量値を減少さ
せるために、負値コンデンサ手段を構成しているオペア
ンプＡを発振器の駆動用アンプとして利用することによ
り構成素子数を減らしたものである。ところがこの回路
に於いては、オペアンプＡを発振器の駆動用アンプとし
て利用すべくＰ点とＱ点を接続したため、コンデンサＣ
ｆが水晶振動子と並列に接続されることとなり、水晶振
動子の並列容量（電極間容量）を実質的に増大させると
いう結果をもたらす。周知の通り、発振を安定化させる
ためには水晶振動子の並列容量を極力小さい値とするこ
とが望ましい。（水晶振動子の等価直列容量と電極間容
量との比、所謂容量比を小さくすることが、良い振動子
の一つの条件になっている。）そこで本回路に於いては
安定した発振が得るべく、コンデンサＣｆが実質的に水
晶振動子と並列接続しないようＰ点とＱ点の間にバッフ
ア回路を挿入することが望ましい。

【００１３】図２（ｂ）は同（ａ）の変形であって、コ
ンデンサＣｆがオペアンプＡの正入力端子と出力端子間
に接続したことによる上述した如き不都合を解消すべく
コンデンサＣｆと抵抗Ｒｓとの位置を入れ替えたもので
あり、この構成によっても上述の場合と同等の作用が得
られることを見出した。即ち、同図に於いて入力電圧を
ｅ1、出力電圧をｅ0としたとき、

【数９】 となり、

【数１０】

【数１１】 （９）式と（１１）式より

【数１２】

【数１３】 （１０）式と（１３）式より

【数１４】 となり、この（１４）式がこの回路の入力アドミタンス
を与える。この式は、（７）式と全く同じ式であり、同
様に（８）式を満足するから図２（ａ）と全く同じ作用
を呈することとなる。

【００１４】図４は図２（ｂ）の回路を用いて構成した
本発明にかかる発振器の変形実施例であって、図４
（ａ）においてＡ1は水晶振動子を駆動するためのオペ
アンプであり、オペアンプＡ2を含む点線内の回路が、
水晶振動子とアースとの間にシャントに接続されるコン
デンサＣｓ（Ｃ1）の容量値を減少させ、負の容量値を
与えるための負値コンデンサ手段として機能する。ま
た、図４（ｂ）は、負値コンデンサ手段を構成している
オペアンプＡを発振器の駆動用アンプとして利用するこ
とにより構成素子数を減らしたものである。図３（ｂ）
の回路とは異なり、この回路に於いては、オペアンプＡ
を発振器の駆動用アンプとして利用すべくＰ点とＱ点を
接続しても、抵抗Ｒｓが水晶振動子と並列に接続される
だけであってコンデンサＣｆが水晶振動子と並列に接続
されることはないから、バッファ回路を挿入する必要が
なくなるという特徴を有する。

【００１５】例えば図５のように水晶振動子の両端に図
２（ａ）、（ｂ）の回路を用いて、水晶振動子とアース
との間にシャントに接続されるコンデンサＣｓ1（Ｃ
1）、Ｃｓ2（Ｃ2）の双方の容量値を減少させるよう構
成することも可能である。

【００１６】次に、図２（ａ）、（ｂ）の回路を用いる
ことによって、トリマーコンデンサを用いることなく水
晶発振器の発振周波数の微調整手段を構成できること、
及び可変容量ダイオード（バリキャップ）を用いること
なしに電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）が構成できるこ
とを説明する。

【００１７】これまで水晶発振器の発振周波数の微調整
をするためには、水晶振動子とアースとの間にシャント
にトリマーコンデンサ、例えば半固定コンデンサを接続
して、その容量値を変化させることによって行うのが一
般的であった。上述したように（８）式より［−Ｃｆ・
Ｒｆ／Ｒｓ］がコンデンサＣｓに対して等価的に負の容
量として作用し、コンデンサＣｓの容量値を減少させる
ことができるから、例えば図４（ｂ）において、予めコ
ンデンサＣ2の容量値を少し高めに設定しておき、Ｒｆ
又はＲｓを可変抵抗器とし、該可変抵抗器を水晶振動子
とアースとの間のシャント容量を減少する方向に調整す
れば周波数を変化させることが可能となる。ここで、Ｒ
ｆ及びＲｓとして発振器の部品を搭載するプリント基板
表面に導電性ペーストを印刷して構成したパターン抵抗
を採用し、これをレーザーでトリミングしてその抵抗値
を変化させるよう構成することにより小型化を図ること
も可能となる。通常このようなトリミング抵抗はレーザ
ーでトリミングするほどに抵抗値が高くなり、一旦過剰
にトリミングしてしまうと抵抗値を低くすることができ
ないが、（８）式から明らかなようにこの負の容量値は
［−Ｃｆ・Ｒｆ／Ｒｓ］で表されるから、分子のＲｆを
大きくすると負の容量値の絶対値が大きくなり、分母の
Ｒｓを大きくすると負の容量値の絶対値は小さくなるの
で、水晶振動子とアース間の容量値を自在に増減できる
のである。

【００１８】また、これまでの電圧制御水晶発振器は、
水晶振動子とアースとの間にシャントに接続したコンデ
ンサと並列に可変容量ダイオードを接続して構成してい
た。可変容量ダイオードは両端に印加される電圧に対応
して、その両端から観た容量値を変化させるという素子
であり、前述の電圧制御水晶発振器においても可変容量
ダイオードの両端に外部より電圧を供給し、その電圧を
変化させることによって発振周波数を制御するものであ
った。ところが、この可変容量ダイオードはＣＭＯＳの
製造プロセスで製造することが不可能であるため、増幅
器等の他の素子と共に同一チップ内に構成することがで
きなかった。これに対し、例えば、図４（ｂ）において
Ｒｆ、Ｒｓの少なくとも一方に、ＣＭＯＳの製造プロセ
スでも容易に製造が可能な電圧制御型の半導体抵抗可変
素子を採用することにより、水晶振動子以外の回路を１
チップ化した電圧制御水晶発振器用ＩＣを構成すること
ができるのである。このＩＣを用いればより小型化した
電圧制御水晶発振器を構成することも可能となる。更
に、水晶振動子とアースとの間にシャントに接続される
コンデンサの総容量値を小さくすることが可能であるか
ら、周波数可変幅を大きくとることができるという特徴
もある。

【００１９】以上、本発明を水晶振動子を用いた発振器
を例として説明してきたが、発振器のみならず圧電振動
子を用いたフィルタにも適用可能である。図６（ａ）、
（ｂ）は水晶基板の一方の表面に所定の間隙を隔して２
つの電極を配置し、他方の表面に前記２つの電極と対向
するように大きめの電極を配置して、該電極近傍に発生
する複数の振動モードの音響結合を利用した多重モード
フィルタ（モノリシック・クリスタルフィルタ：ＭＣ
Ｆ）の断面図とその等価回路を示す図面である。同図
（ｂ）の等価回路から明らかなように、直列共振回路と
して機能する図中点線内とアースとの間にシャントに電
極間容量Ｃｓ1、Ｃｓ2が必然的に接続されることとな
る。

【００２０】例えば、端子１、３を入力端子対、端子
２、４を出力端子対とすると、入力した信号は入力端子
対側の電極間容量Ｃｓ1を介してその一部がアース側に
漏洩してしまい、直列共振回路部分を通過した信号も出
力端子対側の電極間容量Ｃｓ2によって更にその一部が
アースに漏洩してしまうため、フィルタの通過周波数帯
域幅減少の一因となっていた。そこで、このフィルタの
直列共振回路部分とアースとの間にシャントに接続され
た電極間容量Ｃｓ1、Ｃｓ2を減少せしめ、その容量をほ
ぼゼロとすべく、フィルタに本発明を適用した一実施例
が図７である。同図に於いては、電極間容量Ｃｓ1、Ｃ
ｓ2夫々に図２（ｂ）の回路に基づく負値コンデンサ手
段を付加し、電極間容量Ｃｓ1、Ｃｓ2がほぼゼロとなる
ように各素子値を設定している。このように、共振回路
とアースとの間にシャントに接続されたコンデンサを、
減少する方向に調整するための負値コンデンサ手段をフ
ィルタに適用することにより、通過周波数帯域幅減少の
改善を図ることも可能となる。

【００２１】また、上述の例に於いては理想のオペアン
プを想定した場合について解析を試みたが、実際のオペ
アンプに於いても実質的には（８）式及び（１４）式で
示した効果が期待し得ることは言うまでもない。更に、
本発明はトランジスタ、抵抗、コンデンサを組み合わせ
て公知の差動動作する増幅回路を構成し、理想オペアン
プの代わりに使用しても同様の効果が得られることは自
明であり、実際のオペアンプの場合と同様に、インピー
ダンス、アンプゲイン及び出力インピーダンスとして有
限の値を持ち、入出力位相回転が生ずるといった点で理
想オペアンプとは若干の差異はあるものの、実質的には
（８）式及び（１４）式で示した効果が期待し得るので
ある。よって、この場合解析を行う際には若干の補正係
数を加味すべきことは周知の通りである。

【００２２】以上本発明を水晶振動子を用いた発振器或
いはフィルタを例として説明してきたが、本発明はこれ
ら実施例のみに限定されるものではなく、水晶以外の圧
電材料、例えば、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、Ｌｉ2
Ｂ4Ｏ7 等の圧電単結晶、又は圧電セラミック等からな
る圧電振動子或いは圧電共振子を用いたものであっても
適用可能である。またモノリシック・クリスタルフィル
タのように音響結合を利用した多重モードフィルタのみ
ならず、一般の共振器型フィルタであってもよく、弾性
表面波デバイスを利用したものであってもよいことは自
明である。また、圧電振動子を用いた発振器或いはフィ
ルタに限らず、ＬＣ共振回路等のコイルやコンデンサを
組み合わせた共振回路を用いた発振器及びフィルタにも
適用可能であることは説明するまでもなく明らかであ
り、他の応用圧電デバイス、例えば圧電トランスジュー
サ、超音波ディレイライン或いは振動ジャイロ等のエレ
クトロメカニカル機能デバイスに適用しても良い。

【００２３】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明は共振回路を
用いた発振器及びフィルタにおいて、共振回路とアース
との間にシャントに接続される容量値を減少する方向に
調整可能としたこと、可変コンデンサ素子なしに周波数
微調整を可能としたこと、可変容量ダイオードなしに電
圧制御圧電発振器を構成可能としたこと及びフィルタの
通過周波数帯域減少を改善する上で極めて著しい効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する図。

【図２】本発明にかかる負値コンデンサ手段とその原理
を説明する図。

【図３】（ａ）、（ｂ）は本発明にかかる水晶発振器の
実施例の構成を示す図。

【図４】（ａ）、（ｂ）は本発明にかかる水晶発振器の
他の実施例の構成を示す図。

【図５】本発明にかかる水晶発振器の更に他の実施例の
構成を示す図。

【図６】（ａ）、（ｂ）は夫々モノリシックフィルタの
構成図と等価回路を示す図。

【図７】本発明にかかるモノリシックフィルタの一実施
例を示す図。

【図８】従来の水晶発振器の構成を示す図。

【図９】従来の水晶発振器の欠点を説明する図。

【符号の説明】

Ａ、Ａ1、Ａ2・・・オペアンプ Ｃ1、Ｃ2、Ｃｆ、Ｃｓ、Ｃｆ1、Ｃｓ1、Ｃｆ2、Ｃｓ2・
・・コンデンサ Ｒｆ、Ｒｓ、Ｒｆ1、Ｒｓ1、Ｒｆ2、Ｒｓ2・・・抵抗 −Ｃｖ・・・負の容量値

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】共振回路を用いた発振器及びフィルタにお
   いて、前記共振回路とアースとの間にシャントに接続さ
   れた、又は発現するコンデンサＣｓと、該コンデンサＣ
   ｓと並列に接続された負の容量値を与える負値コンデン
   サ手段とを具備したことを特徴とする発振器及びフィル
   タ。
2. 【請求項２】前記負値コンデンサ手段は、オペアンプ
   と、該オペアンプの負入力端子とアース間に接続したコ
   ンデンサＣｆと、前記オペアンプの負入力端子と出力端
   子間に接続した抵抗Ｒｆと、前記オペアンプの正入力端
   子と出力端子間に接続した抵抗Ｒｓとから構成されるも
   のであり、前記オペアンプの正入力端子を前記コンデン
   サＣｓの共振回路側の端子に接続するよう構成したこと
   を特徴とする請求項１記載の発振器及びフィルタ。
3. 【請求項３】前記共振回路として圧電振動子を用いたこ
   とを特徴とする請求項１又は請求項２記載の発振器及び
   フィルタ。 【０００１】