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JP2006114974A - 直線的周波数制御が可能な電圧制御型圧電発振器 - Google Patents

直線的周波数制御が可能な電圧制御型圧電発振器 Download PDF

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Abstract

【課題】従来の可変容量ダイオードへの単方向電圧制御による周波数制御では、直線を得るための補正量に限界がある。
【解決手段】電圧制御型圧電発振器を構成する可変容量手段として、第１の可変容量ダイオードと、該第１の可変容量ダイオードと並列に接続された第１のコンデンサと、前記第２の可変容量ダイオードと、前記第１の可変容量ダイオードのカソードと第２の可変容量ダイオードのアノードとの間に挿入接続された第２のコンデンサと、前記第１の可変容量ダイオードのアノードと第２の可変容量ダイオードのカソードとの間に挿入接続された第３のコンデンサとを備え、前記外部制御電圧を前記第１の可変容量ダイオードと第２の可変容量ダイオードに対してそれぞれ極性が逆向きとなるように印加したものであることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は直線的な周波数制御が可能な電圧制御型圧電発振器に関するものである。
可変容量ダイオード（=Variable Capacitance Diorde）を用いて発振周波数を可変するタイプの圧電発振器の回路構成は、例えば、QIAJの「水晶デバイスの解説と応用(2002.3)」のpage17・18に示す電圧制御型水晶発振器（VCXO＝Voltage Controlled crystal oscillator）にまとめられている様に、可変容量ダイオードを発振ループ内に挿入し、可変容量ダイオードに外部より制御電圧を印加、可変容量ダイオードの容量変化により発信ループの負荷容量を変化させて周波数を可変するものである。
図５は例えば特開平０９−２１４２５０号公報にも開示されている一般的な電圧制御型水晶発振器の回路例であって、発振回路にインバーター素子IC1を用いており、該インバーターIC1の入出力間に高抵抗R1を挿入して動作点を常にセンターとなるように設定する。また、前記インバーターIC1の入出力間に、水晶振動子Xtalと可変容量ダイオードD1にコンデンサC5を並列接続したものを可変容量手段として直列に挿入し発振ループを構成する。尚、可変容量ダイオードにコンデンサを並列接続することにより可変範囲を微調することができる。更に、前記インバーターIC1の入出力とGND間にそれぞれコンデンサC1・C2を挿入する。
外部からの制御電圧Vcontは高抵抗R2とR3で分圧されD1のカソードに印加、同D1のアノードは高抵抗R4によりGNDされており、可変容量ダイオードD1のカソード・アノード間の電圧により容量が変化することにより発振ループの負荷容量が変化するため発振周波数が変化することになる。高抵抗R3及びコンデンサC5の素子値によって周波数の可変幅と直線性を微調することができる。
図６は高周波発振に使用される他の従来例であり、発振回路にトランジスタ2個(Tr1,Tr2)をカスケードに接続して用いている。又、可変容量ダイオードを2個(D1,D2)を直列に接続し発振レベルによる自らの変調による雑音特性の劣化の防止を図っている。
従来より圧電発振回路の容量負荷時の周波数オフセットはDL（=Fractional loard resonance frequency offset）として近似的に（1）式で与えられ、その等価回路モデルは図７で示される。発信ループの負荷容量（=CL）は、回路容量(=Cc)と可変容量(=Cx)を直列に接続した構成と表現することができる。
Figure 2006114974
 又、公称周波数を与える基準容量（＝CLref）を設定することにより、その周波数オフセット量は(2)式で示される。
Figure 2006114974
 公称周波数からの周波数変化量ΔDLは(1)式と(2)式との差となり、 (3)式〜(4)式で示すことができる。
Figure 2006114974
 可変容量ダイオードの可変容量特性例を図８と図９に示す。同図から可変容量ダイオードの可変特性は、（5）式で近似でき、可変容量Cxとして(6)式を得る。
Figure 2006114974
 (6)式を(4)式に代入し、外部からの制御電圧により可変容量ダイオードに印加される可変電圧と周波数変化を示す関係式として(7)式を得る。
Figure 2006114974
 可変電圧に対する直線的周波数変化を与える（8）式を示す。
Figure 2006114974
 (8)式を変形し可変電圧に対する直線的周波数変化を与える (9)式を示す。
Figure 2006114974
 図１０に(5)式(6)式(9)式のシミュレーション結果例を示す。
ここで、水晶振動子XtalはAt-Cutであり共振周波数が13MHｚである。また、C0=1.35pF、γ=277、回路容量はCc=60ｐFとした。さらに可変電圧Vcont±2.5Vdc,可変幅ΔDL±45ppmとしている。
直線を得る可変容量C(v)は0Vで≒11.8pF、5Vで≒7.5pFとなる曲線となる。
同容量可変に非常に近い特性を示す可変容量ダイオードVbariと並列容量Cbの合成容量を(10)式に示す。
Figure 2006114974
 また、その時のC(v)と可変容量ダイオード合成容量の容量の差は最大≒0.3pF以下である。
図１１に直線を得る可変容量C(ｖ）と合成容量による近似可変容量ダイオードによる周波数可変とその差を示す。1ppmの差で幅70ppmの可変を得る。この値は、可変容量ダイオードによる補償限界を示すものと考えられる。
図１２に示す結果は、理想の容量可変と近似可変容量ダイオードとの容量差、及び同容量差による周波数偏差を示す。
図１２の内容の概要を図１３に示す。即ち、「直線を得る理想の容量可変」とログ変化に従う「可変容量ダイオードの容量可変」は最適の選択をした場合、P1とP2の2点で交わり、2点間の近傍で最良の特性を得ることができることを示しており、また補正の限界を示すことにもなっている。
特開平０９−２１４２５０号公報 特開平１０−０５６３３０号公報
図１２及び図１３に示す様に従来の可変容量ダイオードへの単方向電圧制御による周波数制御では、直線を得るための補正量に限界がある。
直線可変を得るための理想の容量変化曲線に対し、同曲線に複数の交点を得る近似曲線を構成し、より精度の高い補償を行う可変容量ダイオードを用いた補正回路を構成することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明は、電圧制御型圧電発振器を構成する可変容量手段として、第１の可変容量ダイオードと、該第１の可変容量ダイオードと並列に接続された第１のコンデンサと、前記第２の可変容量ダイオードと、前記第１の可変容量ダイオードのカソードと第２の可変容量ダイオードのアノードとの間に挿入接続された第２のコンデンサと、前記第１の可変容量ダイオードのアノードと第２の可変容量ダイオードのカソードとの間に挿入接続された第３のコンデンサとを備え、前記外部制御電圧を前記第１の可変容量ダイオードと第２の可変容量ダイオードに対してそれぞれ極性が逆向きとなるように印加したものであることを特徴とする。
従来の可変容量ダイオードへの単方向印加による補正では、図１２及び図１３に示す様に理想容量可変曲線と近似可変容量ダイオード合成容量可変曲線は最適の定数設定でも交点は2点までである。それに比べ本発明では、図１５に示す様に、第2の可変容量ダイオードを設け、逆電圧印加による第2の補正を付加することにより3点の交点を得る直線補正が可能になり、可変範囲が広く精度の高い補正が可能になる。
この技術により、精度の高い温度補償型発振器（TCXO）、また、より広範囲に直線性を得る電圧制御型発振器（VCXO）に応用が可能であり、携帯電話等の周波数リファレンスを必要とする通信機器の性能向上に大きく寄与することができる。
以下、本発明を実施形態例に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る電圧制御型圧電発振器の第１の実施形態例を示す回路図であり、図５に示した従来回路と同一の部分については同一の符号を付して詳細な説明は重複を避けるため省略する。
図５の従来回路では、可変容量手段として、可変容量ダイオードD1にコンデンサC5を並列接続し、更に振動子に直列接続ししたものを発振ループに挿入していた。外部制御電圧Vcontは高抵抗R2とR3で分圧し可変容量ダイオードD1のカソードに印加したものであり、電圧変化により容量が変化、発振周波数が制御されるものであった。
これに対し、図１の回路では、可変容量手段として、第2の可変容量ダイオードD2のアノードがコンデンサC6を介し第1の可変容量ダイオードD1のカソードに接続、また、第2の可変容量ダイオードD2のカソードはコンデンサC7を介し第1の可変容量ダイオードD1のアノードに接続したものを用いており、更に同D2のカソードは高抵抗R7を介し基準電源Regに接続されプルアップされている。
外部制御電圧Vcontは抵抗R2を経由し、従来の制御を行うと同時に高抵抗R5とR6で分圧され第2の可変容量ダイオードD2のアノードに印加される。これにより可変容量ダイオードD2のカソード・アノード間の電位は制御電圧の上昇に従い低下、可変容量ダイオードD2の可変容量は減少することになる。
従来の可変容量ダイオードD1とコンデンサC5のみを用いた可変容量手段による合成容量をCx1とすると、(5)式、(6)式と同様に（11）式、(12)式に示すことができる。
Figure 2006114974
 第2の可変容量ダイオードD2に印加される電圧をVari2とし(13)式に示し、直列容量Cdの合成容量をCx2とすると(14)式で与えられる。Cx１とCx2の合成容量をCx3とすると(15)式に示したようになる。
Figure 2006114974
図２は第２の実施形態例を示すものであり、本発明に係る可変容量手段を携帯電話・・・等の基準発振に最も良く使用されているトランジスタ2個をカスケードに接続した発振回路に適用したものである。可変容量手段の構成と動作は図１の回路と基本的に同じである。
図３は第３の実施形態例を示すものであり、第1及び第2の可変容量ダイオードとして複数の可変容量ダイオードを並列に接続したものをそれぞれ配置し、組み合わせる可変容量ダイオードによって0バイアス時の容量、制御電圧に対する変化量を適切な値に調整可能とするものである。即ち、複数の異なる特性を備えた可変容量ダイオードを組み合わせることで、単体の可変容量ダイオードでは得られなかった優れた可変容量手段を実現できる。
図４は第４の実施形態例を示すものであり、第1及び第2の可変容量ダイオードとして複数の可変容量ダイオードを直列に接続したものをそれぞれ配置し、組み合わせる可変容量ダイオードによって図３の実施形態例と同様に制御電圧に対する適切な容量変化を得ることを可能にするものである。
図１５に直線可変を得る理想可変容量Cr(v)と（15）式に従う合成容量Cx3(v)の特性と、周波数可変と直線可変との差の絶対値を示す。更に、図１５に従う合成容量Cx3(v)を（16）式に示す。
Figure 2006114974
（16）式に示す容量可変に基づく周波数可変DLCx3と直線可変の差の絶対値より、全可変範囲０〜５Vで直線より0.2ppmの偏差内に収まる。
直線と近似可変容量ダイオード合成容量Cx3(v)は交点が3つとなる。
図１６は理想可変容量Cr(v)と近似可変容量ダイオード合成容量可変Cx3(v)の差とCrに基づく直線的周波数可変とCx3(v)に基づく周波数可変の差を示す図である。
図１６の結果を図１４と比較して説明すると、直線を得る理想容量可変曲線に対し、従来の単方向可変では点線に示す様にログ表示では直線になるため、交点は2つとなる。これに対し本発明に於いては合成可変容量ダイオードによる容量可変曲線は交点が3つとなるため精度の高い直線補正が可能となる。
以上、本発明を所謂ＶＣＸＯを例示して説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、水晶振動子以外の圧電振動デバイスを周波数決定素子に用いたものであっても構わないし、このＶＣＸＯを温度補償型圧電発振器に適用したものも本発明に帰属することは云うまでもない。
本発明の回路例を示す図 本発明の回路例を示す図 本発明の回路例を示す図 本発明の回路例を示す図 従来の回路例を示す図 従来の回路例を示す図 周波数可変等価モデルを示す図 可変容量ダイオードの特性を示す図 可変容量ダイオードの特性を示す図 従来回路のシミュレーション結果を示す図 従来回路のシミュレーション結果を示す図 従来回路のシミュレーション結果を示す図 従来回路の容量可変説明図 本発明回路の容量可変説明図 本発明回路のシミュレーション結果 本発明回路のシミュレーション結果
符号の説明
IC1・・・インバーター素子
R1〜R4・・・抵抗
Xtal・・・水晶振動子
D1,D2・・・可変容量ダイオード
C1〜C5・・・コンデンサ
Tr1,Tr2・・・トランジスタ

Claims (5)

  1. 外部からの制御電圧に応じて容量値が変化する可変容量手段を備えた電圧制御型圧電発振器であって、
    前記可変容量手段は、第１の可変容量ダイオードと、該第１の可変容量ダイオードと並列に接続された第１のコンデンサと、前記第２の可変容量ダイオードと、前記第１の可変容量ダイオードのカソードと第２の可変容量ダイオードのアノードとの間に挿入接続された第２のコンデンサと、前記第１の可変容量ダイオードのアノードと第２の可変容量ダイオードのカソードとの間に挿入接続された第３のコンデンサとを備えており、前記外部制御電圧を前記第１の可変容量ダイオードと第２の可変容量ダイオードに対してそれぞれ極性が逆向きとなるように印加したものであることを特徴とする電圧制御型圧電発振器。
  2. 前記第１の可変容量ダイオードとして、複数の可変容量ダイオードを並列接続したものを用いたことを特徴とする請求項１に記載の電圧制御型圧電発振器。
  3. 前記第２の可変容量ダイオードとして、複数の可変容量ダイオードを並列接続したものを用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧制御型圧電発振器。
  4. 前記第１の可変容量ダイオードに、更に可変容量ダイオードを並列接続したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電圧制御型圧電発振器。
  5. 前記第２の可変容量ダイオードに、更に可変容量ダイオードを並列接続したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電圧制御型圧電発振器。
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