专利名称：压电振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及压电振荡器，特别是涉及通过减小压电振子的振子电流，改善老化特性、抑制寄生振动效果优良的压电振荡器。
背景技术：
以晶体振荡器为代表的压电振荡器的频率稳定度很高，作为通信设备等的频率信号源被广泛采用。在通信装置的小型化进展过程中，对老化及抑制无用振荡等的频率稳定度的要求越来越高。压电振子利用伴随着机械振动的压电现象进行振荡，为了持续进行振荡，流过大于等于规定值的电流，以产生不低于预定值的机械振动。大家知道，在振子中产生的机械振动伴随着振子自身的机械应力，若长时间产生较大的机械变形，由于机械疲劳等的影响，会伴随谐振频率老化、电阻劣化、谐振特性劣化等。特别是对于频率稳定度要求极高的振荡器，为了限制频率随温度的变化，使用了将振荡器放在保持恒定温度的恒温槽内的开放式振荡器(OCXO)，但在这些振荡器中，采用了如下方法通过尽量减小流过振子的电流、抑制其驱动应力，来改善老化特性和无用谐振抑制特性(无用模式振荡抑制特性)。
图23是现有的OCXO中使用的振荡电路例的示意图。
图23所示的晶体振荡器100将用虚线包围的振荡电路101的输出通过电容102和缓冲电路103供给AGC(自动增益控制)电路104，其结构为通过在该AGC电路中对振荡输出的一部分进行整流，产生直流电压，并将其作为上述振荡电路101的振荡用晶体管的基极偏置电压来提供，使振荡用晶体管的基极电流保持为一定水平。并且，现有的OCXO中把这种电路称为AGC电路，但在本发明中更重视其作为降低流过晶体振子电流电路的功能，以下把该电路称为电流抑制电路。
在该例中，上述振荡电路101是一般的科耳皮兹型振荡电路，把通过电容105一端接地的晶体振子106的另一端连接到晶体管107的基极的同时，在基极与接地之间插入由电容108和电容109构成的串联电路，把上述电容串联电路的连接点连接到晶体管107的发射极的同时，通过电阻111接地。
而且，基极与接地之间插入的电阻110以及供给来自后述的电流抑制电路(AGC电路)104的电压的电阻112作为晶体管107的基极的偏置电路。此外，该振荡器的输出通过插入在集电极与交流接地的电源线Vcc之间的集电极负载电阻113而导出，如上所述，经过电容102和缓冲电路103，该输出的一部分被通过电阻123和电容124导出至输出端OUT。
另一方面，电流抑制电路104将上述缓冲电路103的输出信号的一部分通过电阻114和电容115的串联电路进行分支，将其施加到二极管116的负端和二极管117的正端。此外，这些二极管的另一端通过电容118、电容119分别接地，而且，这些二极管的另一端之间通过电阻120相连接，将二极管116的正端通过振荡电路101的电阻112连接到晶体管107的基极。而且，其具有这样的结构在电源Vcc与接地之间连接由电阻121和电阻122构成的串联电路的同时，使该串联电路的连接中点与二极管117的负端连接。
以下，对如上构成的晶体振荡器100的动作进行说明，关于振荡电路101，由于它是一般的科耳皮兹型振荡电路，故省略其动作说明，主要对电流抑制电路104的动作进行说明。
首先，当来自振荡电路101的振荡输出通过缓冲电路103供给电流抑制电路104时，正半周期通过二极管117，负半周期的电流通过二极管116分别流向接地端。因此，对应于振荡输出电平，电阻120和二极管116的连接端成为低电压，电阻120和二极管117的连接侧成为高电压。亦即，电阻120的两端随着振荡输出电平的增大而压降变大。
另一方面，振荡用晶体管107的基极偏置虽由Vcc通过电阻121、电阻120、电阻112而供给，但由于随振荡电平的增大，电阻120的压降变大，因此基极偏置电压下降，结果基极电流减小，其结果使振荡增益降低，向振子电流减小的方向变化。亦即，当晶体振子106的振子电流增加时，供给电流抑制电路104的振荡输出增加，随之，电阻120两端的压降变大，晶体管107的基极电流减小。
此外，相反地，当振荡输出减小时，由于基极电压增大了电阻120两端的压降减小的部分，晶体管107的增益增大，振荡输出增大，维持由各电路常数决定的规定电平。由于该电路的结构复杂，只能用于比较高价的OCXO中，很少使用于一般的振荡器。另一方面，作为电路简单、能够减小晶体振子中流过的电流的振荡电路的例，已经提出了图24所示的振荡电路。该电路200在振荡用晶体管TR1的集电极与通过电容Cv交流接地的电源线Vcc之间插入由电容C。和电感Lc构成的并联调谐电路的同时，在集电极/发射极之间连接电容C3、在发射极/接地之间连接电容Ce和电阻Re的并联电路、在基极/接地之间连接晶体振子X，通过电阻Rb1、Rb2施加适当的基极偏置电压。并且，输出是通过上述电感Lc的二次电感导出的，可以如图25及如图26所示等价地表示该电路。
亦即，图25是图24所示的晶体振荡器200的等价电路，设由晶体管TR1的基极/发射极之间的结电容Cπ和晶体管TR1的输入电阻Rπ的并联电路构成的基极/发射极之间的阻抗为z1，晶体管TR1的发射极/接地之间的电阻Re和电容Ce的并联电路构成的阻抗为z2，晶体管的互感为gm。
而且，图26表示把图25中的阻抗z1置换为电容C1分量和电阻r1的串联电路、把图26中的阻抗z2置换为电容C2分量和电阻r2分量的串联电路、并把电容Cc和电感Lc的并联电路变换为电容分量C4(C4＝Cc-1/(ω)2Lc))的晶体振荡器200的等价电路。
而且，在图26中，晶体管TR1的输入阻抗ZIN为ZIN＝RIN+jXIN，利用图26所示的电路参数，可以表示为以下所示的表达式。
ZIN＝RIN+jXINRIN=r1+gm(c3cα)2+(ωc3r2)2{c3cα(r1r2-1ω2c1c2)-c3r2(r1c2+r2c1)}]]>
XIN=1ωc1-gm(c3cα)2+(ωc3r2)2{ωc3r2(r1r2-1ω2c1c2)+c3ωcα(r1c2+r2c1)}]]>1cα=1c2+1c3+1c4,c4=cc-1ω2Le]]>r1=Rπ1+(ωCπRπ)2,c1=1ω2CπRπr1,r2=Re1+(ωCeRe)2,c2=1ω2CeRer1]]>图27表示根据上述表达式，通过仿真所求得的图24所示的晶体振荡器200的振荡用放大电路部分的负电阻以及电抗的频率特性的结果。
如该图所示，晶体振荡器200能得到充分值的负电阻的频带为9MHz～10MHz之间的狭窄范围，同时，在该频带中，由于电抗分量从电容性急剧变为电感性，很难得到稳定的振荡动作，而且，由于集电极上具有电感，振荡动作变得不稳定，容易伴随异常振荡。
因此，这样构成的振荡电路归根到底不能供实用，即使假定被使用，也只能用于试验而已。实际上，图23所示的OCXO中的AGC电路是唯一可供实用的电路。
但是，在如上所述的压电振荡电路100的情况下，由于AGC电路的结构复杂，使用的元器件数量很多，因此不但不能避免晶体振荡器的大型化，而且消耗电流的降低和晶体振子电流的降低也受到限制。亦即，如果上述现有的AGC电路方式的晶体振子电流降低装置专门用于高价的开放式晶体振荡器(OCXO)中，即使复杂的电路结构也能供实用，但对于一般的移动电话或无线装置中使用的振荡器，由于伴随着形状尺寸的大型化、成本的高昂、使用电流的增大等，归根到底不能供实用。
本发明为解决压电振荡电路的上述诸问题而作出的，其目的在于提供一种压电振荡器，其通过简单的结构减小晶体振子的激励电平，使老化、抑制无用谐振效果都很优良。
发明内容
为达到上述目的，本发明的压电振荡器的权利要求1所述的发明的特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，发射极与接地之间连接电阻和第2电容的并联电路，基极与接地之间至少连接所述压电振子，所述第1电容值是比所述第2电容值的0.1倍的值大的值。
权利要求2所述的发明的特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，在所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，发射极与接地之间连接电阻和第2电容的并联电路，基极与接地之间至少连接所述压电振子，所述第1电容值是比所述第2电容值大的值。
权利要求3所述的发明的特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，在所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，发射极与接地之间连接电阻和第2电容的并联电路，基极与接地之间至少连接所述压电振子，所述第1电容值是大于等于所述第2电容值的1倍并且小于所述第2电容值的3倍的值。
权利要求4所述的发明的特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间连接第1电容，振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子，所述第1电容值是比所述第2电容值的0.1倍的值大的值。
权利要求5所述的发明的特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间连接第1电容，振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子，所述第1电容值是比所述第2电容值大的值。
权利要求6所述的发明的特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间连接第1电容，振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子，所述第1电容值是大于等于所述第2电容值的1倍并且小于所述第2电容值的3倍的值。
权利要求7所述的发明的特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，发射极与接地之间连接电阻和第2电容的并联电路，基极与接地之间至少连接所述压电振子，在振荡用晶体管的集电极与基极之间插入2个电阻的串联电路的同时，将该电阻的连接点通过旁路电容交流接地，所述第1电容值是比所述第2电容值的0.1倍的值大的值。
权利要求8所述的发明的特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，发射极与接地之间连接电阻和第2电容的并联电路，基极与接地之间至少连接所述压电振子，在振荡用晶体管的集电极与基极之间插入2个电阻的串联电路的同时，将该电阻的连接点通过旁路电容交流接地，所述第1电容值是比所述第2电容值大的值。
权利要求9所述的发明的特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，发射极与接地之间连接电阻和第2电容的并联电路，基极与接地之间至少连接所述压电振子，在振荡用晶体管的集电极与基极之间插入2个电阻的串联电路的同时，将该电阻的连接点通过旁路电容交流接地，所述第1电容值是大于等于所述第2电容值的1倍并且小于所述第2电容值的3倍的值。
权利要求10所述的发明的特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间连接第1电容，将振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路以及第3电容和电感的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子，所述第1电容值是比所述第2电容值的0.1倍的值大的值。
权利要求11所述的发明的特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间连接第1电容，将振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路以及第3电容和电感的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子，所述第1电容值是比所述第2电容值大的值。
权利要求12所述的发明的特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间连接第1电容，将振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路以及第3电容和电感的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子，所述第1电容值是大于等于所述第2电容值的1倍并且小于所述第2电容值的3倍的值。
权利要求13所述的发明的特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，在所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，基极与接地之间至少连接所述压电振子，将振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路以及第3电容和电感的并联电路接地，所述第1电容值是比所述第2电容值的0.1倍的值大的值。
权利要求14所述的发明的特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，在所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，基极与接地之间至少连接所述压电振子，将振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路以及第3电容和电感的并联电路接地，所述第1电容值是比所述第2电容值大的值。
权利要求15所述的发明的特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，在所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，基极与接地之间至少连接所述压电振子，将振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路以及第3电容和电感的并联电路接地，所述第1电容值是大于等于所述第2电容值的1倍并且小于所述第2电容值的3倍的值。
权利要求16所述的发明的特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，在该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间插入连接将去除直流用电容与第1电容和电感的并联电路相串联的电路，振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子。
权利要求17所述的发明的特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，在所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接电容，发射极与接地之间连接电阻和电容的并联电路，在基极与接地之间至少连接所述压电振子，此外，插入将去除直流用电容与电容和电感的并联电路相串联的电路。
图1是根据本发明的第1实施例的方式的晶体振荡器的电路图。
图2表示图1的晶体振荡电路的等价电路图。
图3表示图1的晶体振荡电路的等价电路图。
图4是表示负电阻频率特性仿真结果的曲线图。
图5是表示负电阻频率特性仿真结果的曲线图。
图6是表示与构成式1关联的负电阻频率特性仿真结果的曲线图。
图7是表示与构成式2关联的负电阻频率特性仿真结果的曲线图。
图8是表示根据本发明的晶体振荡电路的负电阻频率特性仿真结果的曲线图。
图9是表示根据本发明的负电阻频率特性仿真结果的曲线图。
图10是表示根据本发明的负电阻频率特性仿真结果的曲线图。
图11是表示根据本发明的晶体振荡电路的负电阻频率特性实测结果的曲线图。
图12表示根据本发明的晶体振荡电路的等价电路图。
图13表示根据本发明的晶体振荡电路的等价电路图。
图14表示根据本发明的晶体振荡电路的等价电路图。
图15是表示根据本发明的晶体振荡器的晶体振子电流电容特性的曲线图。
图16表示根据本发明的压电振荡器的其它实施例的电路图。
图17表示根据本发明的压电振荡器的其它实施例的电路图。
图18表示根据本发明的压电振荡器的其它实施例的电路图。
图19表示根据本发明的压电振荡器的其它实施例的电路图。
图20表示根据本发明的压电振荡器的其它实施例的电路图。
图21是图20所示的晶体振荡器的电路电容频率特性的曲线图。
图22是表示图20所示的晶体振荡器的负电阻频率特性的曲线图。
图23表示现有的晶体振荡器的电路图。
图24表示现有的晶体振荡器的电路图。
图25表示现有的晶体振荡器的等价电路图。
图26表示现有的晶体振荡器的等价电路图。
图27是表示现有的晶体振荡器的电抗以及负电阻频率特性的曲线图。
具体实施例方式
以下，根据附图所示的实施方式，详细说明本发明。
图1表示根据本发明的压电振荡器的一个实施例的电路图。
该图所示的压电振荡器1在振荡用晶体管TR1的基极/接地之间插入连接晶体振子X和电容C1的串联电路，在晶体管TR1的集电极/发射极之间连接电容c3，在发射极/接地之间插入连接电容Ce和电阻Re的并联电路，在集电极/电源Vcc之间插入连接集电极负载电阻r3，通过电阻RB1和电阻RB2施加适当的基极偏置电压。
该电路在晶体管TR1的集电极/发射极之间插入电容C3，在去掉现有的科耳皮兹振荡电路中所具有的基极/发射极之间的电容这一点上，与上述图24所示的现有电路相似，但本发明中，集电极/电源Vcc之间的结构明显不同。
亦即，在图24的电路图中，集电极与电源Vcc之间插入了起调谐电路作用的电感和电容的并联电路，而在本发明中，集电极与电源Vcc之间插入了电阻Rc，二者有很大不同。亦即，在图24所示的电路中电感和电容的并联电路的交流电抗决定其振荡频率，而该电阻Rc对振荡频率条件没有影响。
在这样构成的电路中，进行各种试验的结果，已经确认通过采用以下简单结构，即不象现有的科耳皮兹晶体振荡电路那样在晶体管的基极/发射极之间连接电容，而是在集电极/发射极之间连接规定值的电容并且在集电极与电源之间连接不具有电抗分量的电阻元件，除了能够以很小的晶体振子电流进行振荡之外，还能如后述那样，可作为具有迄今没有的各种效果的晶体振荡电路进行动作。
以下，对本电路的动作进行讨论。即使象本发明那样不在基极/发射极之间连接电容器电容的情况下，虽然也存在晶体管本身的基极/发射极电容(大约为2pf以下)，但其值非常小，达不到振荡所必需的电容值。本发明具有在晶体管的集电极与电源Vcc之间连接电阻Rc并将集电极输出通过电容C3反馈到发射极的结构，电阻Rc使集电极上产生振荡信号电压。
图2和图3表示图1所示的压电振荡器1的等价电路。图2用z1等价地表示由晶体管TR1的基极/发射极之间的结电容Cπ和晶体管TR1的输入电阻Rπ的并联电路构成的基极/发射极间阻抗，用z2等价地表示由晶体管TR1的发射极/接地之间的电阻Re和电容Ce的并联电路构成的阻抗，用gm等价地表示晶体管的互感。图3表示晶体振荡器1的等价电路，其中把图2中的阻抗z1置换为电容c1分量和电阻r1的串联电路，把阻抗z2置换为电容c2分量和电阻r2的串联电路。
而且，在图3中，晶体管TR1的输入阻抗ZIN可根据如下所示的计算步骤，表示为如该图所示的表达式(4)。
求出从基极流入发射极的电流。
ix+gmz1ix＝i2+i3+……+ix＜＜gmz1ix为便于分析，假设基极电流与集电极电流相比为可忽略的小电流。
gmz1ix＝i2+i3i3＝gmz1ix-i2……………(1)设发射极/GND之间的电位为Ve。
ve=z2i2=1jωc3i3+r3(i3-gmz1ix)]]>=(1jωc3+r3)i3-gmz1r3ix········z3=1jωc3+r3]]>=z3i3-gmz1r3ix---(2)]]>
将(1)式代入(2)式＝z3(gmz1ix-i2)-gmz1r3ix＝gmz1z3ix-z3i2-gmz1r3ix(z2+z3)i2＝gmz1(z3-r3)ix(z2+z3)i2=gmz1jωc3ix]]>i2=z1z2+z3gmjωc3ix]]>重新求出发射极/GND之间的电位Veve=z2i2=z1z2z2+z3gmjωc3ix]]>求出发射极的阻抗zeze=veix=z1z2z2+z3gmjωc3]]>将基极侧的阻抗z1加到发射极的阻抗中，求出输入阻抗ZIN。
ZIN=z1+z1z2z2+z3gmjωc3---(3)]]>将下面的阻抗参数代入(3)式，求ZINz1=r1+1jωc1,z2=r2+1jωc2,z3=r3+1jωc3]]>ZIN=r1+1jωc1+gmjωc3×1r2+r3+1jω(1c2+1c3){r1r2-1ω2c1c2+1jω(r2c1+r1c2)}---(4)]]>输入阻抗ZIN由电阻分量RIN和电抗分量XIN构成ZIN＝RIN+jXIN由(4)式求出电阻分量RIN为(5)式，求出电抗分量XIN为(6)式
……………(5)XIN=-1ωc1-1{ωc3(r2+r3)}2+(c3c2+1)2×]]>{ωc3(r2+r3)(gmr1r2gmω2c1c2)+1ω(c3c2+1)(gmr2c1+gmr1c2)}---(6)]]>此处，对表示电阻分量RIN的式(5)进行说明。
电容C3＝0F时的晶体振荡器的电路结构相当于图23所示的晶体振荡器中采用的一般的电路结构的科耳皮兹型晶体振荡器，由于此时的输入阻抗ZIN的电阻分量RIN为从(5)式中去掉第2项的表达式，因此可以理解式(5)中的第2项是根据本发明的电路结构所产生的负电阻值的决定要素。
而且，由式(5)可知，随着分别包含在第1项和第2项中的电阻分量r1和r2的增加，第1项中表示抑制负电阻发生的倾向，而第2项中表示促进负电阻发生的倾向。
亦即，用表示在图4～图5中所示的仿真结果，对关于上述式(5)的说明进行具体说明。
首先，为了有助于对说明的理解，利用图4，对现有的科耳皮兹型振荡器中的负电阻等的仿真结果进行说明。
图4是将图2所示的等价电路的各电路要素的参数设定为C3＝0F、Rπ＝2600Ω、Cπ＝12pF、Re＝1KΩ、Ce＝100pF(考虑了图23中的基极/发射极间电容108的值)、r3＝330Ω、gm＝0.038，对图23中的科耳皮兹型晶体振荡器的输入阻抗ZIN中的根据上式(5)的电阻分量RIN和电抗分量XIN进行仿真所求出的结果，成为负电阻峰值的振荡频率约为5MHz～6MHz、峰值约为-8000Ω。
与此相对，图5是将图2所示的等价电路的各电路参数设定为Rπ＝2600Ω、Cπ＝12pF、Re＝1KΩ、Ce＝47pF、r3＝330Ω、C3＝47pF、gm＝0.038，对根据图1所示的晶体振荡电路中的输入阻抗ZIN的电阻分量RIN、电抗分量XIN以及只根据式(5)的第1项或第2项的负电阻值进行仿真所求出的结果。
如该图所示，只根据第1项的电路结构(在一般的科耳皮兹型振荡器中，除去基极/发射极间电容108的形态)中，负电阻频率特性与图4所示的一般的科耳皮兹型晶体振荡器的负电阻频率特性比较，向高频率侧推移并已减少，与此相对，由于只根据式(5)的第2项的负电阻频率特性向低频率侧推移，并且产生大的负电阻，因此将第1项负电阻频率特性与第2项负电阻频率特性相加的结果，晶体振荡器1中的负电阻如作为该图的合成负电阻所示，尽管不具有基极/发射极间电容，但在与现有情况大约相等的约5MHz～6MHz的振荡频率下，也可以得到具有负电阻峰值(约-12000Ω)的特性。
而且，图6～图8表示负电阻频率特性与集电极负载电阻r3的值之间的关系，图6表示在上述式(5)中只根据式(5)的第1项的负电阻频率特性的仿真结果，图7表示上述式(5)中只根据第2项的负电阻频率特性的仿真结果，图8表示根据式(5)的图1中所示的晶体振荡器1的负电阻频率特性的仿真结果。
在进行图4所示的仿真时，图2中的各电路参数为Rπ＝2600Ω、Cπ＝12pF、Re＝1KΩ、Ce＝47pF、C3＝47pF、gm＝0.0378，集电极负载电阻r3为330Ω、1KΩ、2KΩ。
如图6所示，只根据电阻分量RIN的式(5)中的第1项的负电阻频率特性为集电极负载电阻r3的值越小，越可以得到充分值的负电阻，而且，集电极负载电阻r3的值越小，越在高频率侧出现负电阻的峰值。
与此相对，如图7所示，只根据电阻分量RIN的式(5)中的第2项的负电阻频率特性为集电极负载电阻r3的值越大，越可以得到充分值的负电阻，与图6所示的负电阻频率特性的变化倾向相反。
并且，在图7所示的负电阻频率特性中，也与图6相同，具有集电极负载电阻r3的值越小，越在高频率侧产生负电阻峰值的倾向。
因而，根据本发明的晶体振荡器1的负电阻频率特性是根据表示输入阻抗的电阻分量的式(5)，将图6和图7所示的负电阻频率特性合成而得到的，因此，负载电容频率特性随集电极负载电阻值的变动相互抵消，其结果如图8所示，即使集电极负载电阻r3的值发生变化，负电阻频率特性的变动也很小。
而且，图9和图10表示电容c3相对于电容Ce的值为0.1Ce、Ce、3Ce、4Ce、5Ce时的负电阻频率特性，图9是Ce＝75pF时的特性图，图10是Ce＝47pF时的特性图，在图9和图10所示的特性①是c3＝0.1Ce时的负电阻频率特性，特性②是c3＝Ce时的负电阻频率特性，特性③是c3＝3Ce时的负电阻频率特性，特性④是c3＝4Ce时的负电阻频率特性，特性⑤是c3＝5Ce时的负电阻频率特性。
在图9和图10所示的任何一种情况下，对于电容c3的值的差别，负电阻的峰值没有发生大的变动，此时可得到大约-1000Ω左右的负电阻值，其中，为得到如特性②那样的最大的负电阻的峰值，最好把电容c3的值和电容Ce的值设定得大约相等，这已得到确认。
图11的实线A是晶体振荡器1的电容Ce＝75pF时，针对电容c3的值(0pF、42pF、75pF、100pF、200pF、30pF)实测负电阻值，根据负电阻值表示的负电阻值变化特性，该图的虚线B是实测在各电容Cc和c3的条件下的振荡频率，根据振荡频率表示的频率变动特性。
进而，还可确认如该图所示，当把电容Ce和电容c3设定为大约相等的值时，在可得到最大值的负电阻值的同时，在c3≥Ce的范围中频率变动量很小。
并且，如上所述，在电容c3相对于电容Ce的值达到5倍值为止，负电阻频率特性是稳定的，特别是在0.1Ce＜c3＜3Ce的设定范围内，负电阻频率特性的峰值是稳定的，但实际上可以推测电容c3的范围相对于电容Ce的值达到大约10倍程度为止，负电阻频率特性也可能是稳定的。
下面，关于根据本发明的晶体振荡器的特征，对在晶体振子中流过的电流(以下称为晶体电流)进行说明。
图12表示在正常振荡状态下的晶体振荡器1的等价电路，表示在发射极/接地之间连接信号源V2并把与该信号源V2相位相反的信号源V3连接在集电极/接地之间的状态。
并且，该图所示的等价电路把在晶体振荡器1中的电阻Re和电容Ce的并联电路置换为等价串联电路的同时，将晶体振子作为电感分量L1，将晶体管TR1的基极/发射极之间的结电容Cπ和输入电阻Rπ的并联电路置换为电阻r1和电容c1的等价串联电路。
根据图12所示的等价电路，晶体振子的电流可如下算出。
v3＝0i′2＝i′1+i′3……………………(7)v2i2′=z2+z1z3z1+z3=z1z2+z2z3+z3z1z1+z3]]>w＝z1z2+z2z3+z3z1……………………(8)由(7)式、(8)式可得到(9)式i2′=z1+z3wv2---(9)]]>z1i1′=z3i3′,i3′=z1z3i1′---(10)]]>将(10)式代入(7)式，得到(11)式。
i2′=i1′+z1z3i1′=(1+z1z3)i1′=z1+z3z3i1′---(11)]]>从(9)式和(11)式，得到(12)式i2′=z1+z3wv2=z1+z3z3i1′,i1′=z3wv2---(12)]]>求z1、z2、z3的各构成z1′=r1+1jωc1′=r1+1jω(1c1-ω2L1),1c1′=1c1-ω2L1,z2=r2+1jωc2,z3=r3+1jωc3]]>w=z1′z2+z2z3+z3z1′]]>=(r1+1jωc1′)(r2+1jωc2)+(r2+1jωc2)(r3+1jωc3)+(r3+1jωc3)(r1+1jωc1′)]]>=r1r2+r2r3+r3r1-1ω2(1c1′c2+1c2c3+1c3c1′)+1jω(r2+r3c1′+r1+r3c2+r1+r2c3)]]>=p-jq]]>
p=r1r2+r2r3+r3r1-1ω2(1c1′c2+1c2c3+1c3c1′),]]>q=1ω(r2+r3c1′+r1+r3c2+r1+r2c3)]]>(12)式的i′1的有效电流用(13)式表示i1′=z3wv2=v2p2+q2(r3+1jωc3)(p+jq)=v2p2+q2{r3p+qwc3+j(r3q-pwc3)}]]>|i1′|=v2p2+q2(r3p+qωc3)2+(r3q-pωc3)2---(13)]]>表示v2＝0时的等价电路和电流方向。
同样地，得到表示振子电流i″1的(14)式v2＝0i1′′=z2wv3---(14)]]>由(15)式得到其有效电流|i1′′|=v3p2+q2(pr2+qωc2)2+(qr2-pωc2)2---(15)]]>由(16)式得到振子电流i1|i1|=|i1′|+|i1′′|---(16)]]>而且，在算出晶体振子电流I1时，使用如图13所示的图12中所示的等价电路的v3＝0V条件下的等价电路以及如图14所示的图12所示的等价电路的v2＝0V条件下的等价电路来算出。
图15表示用上述计算式得到的电容c3和晶体振子电流I1之间的关系、作为参考的电容c3和电流I′或电流I″之间的关系的仿真结果，电路参数为Rπ＝2600、Cπ＝12pF、Re＝1KΩ、Ce＝75pF、Rc＝330，振荡频率为10MHz。
由图15可知，在c3为大于等于7pF(比0.1Ce大的值)的范围内，可看到晶体振子电流I1的值急剧下降的倾向，可以使晶体振子电流I1低电流化。
而且，在该图中，c3＝75pF以上(c3≤Ce)的范围中，晶体振子电流I1的变化量也很小，可以使晶体振子在低电流状态下稳定动作。
而且，若考虑在图9、图10和图11所示的负电阻频率特性的仿真结果，为了得到稳定的负电阻频率特性并且实现实用水平的晶体振子电流的低耗电化，必须把电容c3相对于电容Ce的值设定得比0.1倍大，而且，在更加重视负电阻频率特性的稳定度的情况下，只要把电容c3相对于电容Ce的值设定在0.1Ce＜c3＜3Ce的范围内即可。
而且，如果对于电容c3的值的偏差，振荡频率的变动量较小的话，在实现电容值随电容c3的温度的变动对晶体振荡器的频率温度特性的影响很小这样的特性的同时，可实现稳定的负电阻频率特性和晶体振子电流随电容c3的值的变动低的特性的情况下，优选把电容c3相对于电容Ce的值设定为Ce≤c3＜3Ce的范围内。
本发明也可以应用于以下电路结构的晶体振荡器，在任何一种结构的情况下，都可得到与上述效果同样的效果。
亦即，以下对根据本发明的其它实施例进行说明。
图16是表示根据本发明的压电振荡器的另一实施例的电路图，作为压电振子使用了晶体振子。
该图所示的压电振荡电路2中，在将振荡用晶体管TR1的基极通过电容Cx和晶体振子X的串联电路接地的同时，在其发射极和接地之间，插入连接构成负载电容的一部分的电容Ce和发射极电阻Re的并联电路。而且，在通过电容Cv交流接地的电源(Vcc)和上述晶体管的集电极之间插入连接电阻Rc作为集电极负载电阻，在集电极和发射极之间连接构成负载电容的一部分的电容c3，在其基极与集电极之间连接电阻Rb1和Rb2构成的串联电路(基极偏置电路)以通过该电路施加基极偏置电压。并且，在该偏置电阻串联电路的连接点与接地之间插入了旁路电容Cb，这是为了防止振荡用晶体管的集电极的交流输出反馈到基极来只施加直流偏置电压。
图17是表示本发明的其它实施例的电路图。
该实施例是在上述图16中所示的电路中，共射-共基连接晶体管TR2作为缓冲放大器，将其基极经旁路电容Cb交流接地(基极接地晶体管放大器)，将振荡输出从缓冲放大器用晶体管TR2的集电极导出。亦即，图16所示的电路中，由于振荡级晶体管TR1的集电极/发射极之间的密勒效应引起NFB(负反馈)，有时会伴随振荡增益降低和输出负载的影响。因此，通过共射-共基连接缓冲用晶体管TR2，可以减少这些现象。
并且，图16、图17的基极偏置为电压反馈自偏置方式，是进行如下自控制的电路在由于温度变动、电源变动等引起集电极电流变动的情况下，电阻Rc与晶体管TR2的连接点(集电极)的电位发生变动，供给晶体管TR2、TR1的基极的电流(流过电阻Rb1和Rb2)发生变动，从而始终保持适当的电流值。
图18是表示根据本发明的晶体振荡器的其它实施例的电路图。
该图所示的晶体振荡器4与上述晶体振荡器的结构的不同点是基极偏置方式采用电流反馈自偏置方式，该方式是在集电极/发射极电流变动、例如发射极电流增加了的情况下，发射极电阻Re的端子电压增加，从而基极/发射极电流自动降低，稳定偏置点。
图19是表示根据本发明的晶体振荡器的其它实施例的电路图。
该图所示的晶体振荡器5与上述晶体振荡器电路的结构的不同点是在振荡用晶体管TR1的发射极侧插入了电感Le和电容Ce2的并联调谐电路。但在此情况下，电容Ce作为旁路电容。在该实施例中，通过插入LC调谐电路，在增加振荡增益(负电阻)的同时，保持频率特性，使谐波振荡(高频振荡)成为可能。
并且，图19所示的电路图的并联调谐电路的插入也可应用于图1和图16的电路中。
亦即，图1、图16所示的本发明的电路中，通过在晶体管TR1的发射极侧插入LC并联调谐电路，在增加振荡增益(负电阻)的同时，保持频率特性，使谐波振荡(高频振荡)成为可能。
图20是表示根据本发明的晶体振荡器的其它实施例的电路图。
该图所示的晶体振荡器6的特征在于置换电容c3，将电感L和电容CL构成的并联调谐电路20插入到晶体管TR1的集电极和TR2的发射极之间，将其调谐频率设定为比振荡频率稍高一些(使该并联电路成为电容性)。
例如，如果对于振荡频率10MHz，将电容CL设定为300pF、将电感L设定为1μH、将其谐振频率设定为约9.2MHz的话，调谐电路20的阻抗特性如图21的实线A所示。比谐振频率低的频率下成为感应性(电感)，比谐振频率高的频率下成为电容性而进行振荡。作为振荡电路，在谐振频率以下不进行振荡，在更高的频率下，反馈电容增加，降低振荡增益。插入了这种调谐电路的振荡电路的振荡增益(负电阻)特性表示在图22中。
由图可知，可以振荡的频率约为从9MHz到11MHz的非常狭窄的频带，这表示也可以应用于例如使用了以狭窄频带的振荡为必要条件的sc-Cut振子的高稳定振荡器的B-mode抑制等电路中。
并且，图22所示的特性是如下测定的在图20的振荡电路6中，设电源电压Vcc＝5V、电容Cx＝20pF、电容Ce＝430pF、电容CL＝300pF、电容Cb、Cv、Cs＝0.1μF、电容Co＝20pF、电感L＝1μH、电阻Re＝330Ω、电阻Rb1、Rb2＝10KΩ、电阻Rc＝560Ω，拆除振子X，在其两端连接电抗仪进行测定。
并且，在图1和图16的电路中，取代电容c3，插入电感L和电容CL的并联调谐电路也可以得到同样的效果。
并且，以上的说明中，虽然对晶体振子振荡器进行了说明，但本发明并不限定于此，也可应用于利用了SAW谐振子、陶瓷振子以及以压电结晶材料为基础的压电振子的压电振荡器。
此外，晶体管以NPN型为基础进行了说明，当然用PNP型的晶体管也可以采用同样的结构，可以得到同样的效果。
权利要求
1.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，发射极与接地之间连接电阻和第2电容的并联电路，基极与接地之间至少连接所述压电振子，所述第1电容值是比所述第2电容值的0.1倍的值大的值。
2.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，在所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，发射极与接地之间连接电阻和第2电容的并联电路，基极与接地之间至少连接所述压电振子，所述第1电容值是比所述第2电容值大的值。
3.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，在所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，发射极与接地之间连接电阻和第2电容的并联电路，基极与接地之间至少连接所述压电振子，所述第1电容值是大于等于所述第2电容值的1倍并且小于所述第2电容值的3倍的值。
4.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间连接第1电容，振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子，所述第1电容值是比所述第2电容值的0.1倍的值大的值。
5.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间连接第1电容，振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子，所述第1电容值是比所述第2电容值大的值。
6.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间连接第1电容，振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子，所述第1电容值是大于等于所述第2电容值的1倍并且小于所述第2电容值的3倍的值。
7.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，发射极与接地之间连接电阻和第2电容的并联电路，基极与接地之间至少连接所述压电振子，在振荡用晶体管的集电极与基极之间插入2个电阻的串联电路的同时，将该电阻的连接点通过旁路电容交流接地，所述第1电容值是比所述第2电容值的0.1倍的值大的值。
8.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，发射极与接地之间连接电阻和第2电容的并联电路，基极与接地之间至少连接所述压电振子，在振荡用晶体管的集电极与基极之间插入2个电阻的串联电路的同时，将该电阻的连接点通过旁路电容交流接地，所述第1电容值是比所述第2电容值大的值。
9.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，发射极与接地之间连接电阻和第2电容的并联电路，基极与接地之间至少连接所述压电振子，在振荡用晶体管的集电极与基极之间插入2个电阻的串联电路的同时，将该电阻的连接点通过旁路电容交流接地，所述第1电容值是大于等于所述第2电容值的1倍并且小于所述第2电容值的3倍的值。
10.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间连接第1电容，将振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路以及第3电容和电感的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子，所述第1电容值是比所述第2电容值的0.1倍的值大的值。
11.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间连接第1电容，将振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路以及第3电容和电感的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子，所述第1电容值是比所述第2电容值大的值。
12.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间连接第1电容，将振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路以及第3电容和电感的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子，所述第1电容值是大于等于所述第2电容值的1倍并且小于所述第2电容值的3倍的值。
13.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，在所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，基极与接地之间至少连接所述压电振子，将振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路以及第3电容和电感的并联电路接地，所述第1电容值是比所述第2电容值的0.1倍的值大的值。
14.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，在所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，基极与接地之间至少连接所述压电振子，将振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路以及第3电容和电感的并联电路接地，所述第1电容值是比所述第2电容值大的值。
15.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，在所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接第1电容，基极与接地之间至少连接所述压电振子，将振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路以及第3电容和电感的并联电路接地，所述第1电容值是大于等于所述第2电容值的1倍并且小于所述第2电容值的3倍的值。
16.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子、振荡用晶体管以及缓冲用晶体管，将所述振荡用晶体管的集电极和缓冲用晶体管的发射极沿正向进行共射-共基连接的同时，在各基极上施加适当的偏置电压，缓冲用晶体管的基极通过旁路电容交流接地，缓冲用晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，在该缓冲用晶体管的集电极与所述振荡用晶体管的发射极之间插入连接将去除直流用电容与第1电容和电感的并联电路相串联的电路，振荡用晶体管的发射极通过电阻和第2电容的并联电路接地，在该晶体管的基极与接地之间至少插入连接所述压电振子。
17.一种压电振荡器，其特征在于，具有压电振子和振荡用晶体管，在所述晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接电容，发射极与接地之间连接电阻和电容的并联电路，在基极与接地之间至少连接所述压电振子，此外，插入将去除直流用电容与电容和电感的并联电路相串联的电路。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种改善老化特性、抑制寄生振动效果优良的压电振荡器，该压电振荡器具有压电振子和振荡用晶体管，该晶体管的集电极与交流接地的电源之间连接集电极负载电阻，发射极与集电极之间连接电容，发射极与接地之间连接电阻和电容的并联电路，基极与接地之间至少连接上述压电振子，因此能大幅度地减小流过晶体振子的电流，能够抑制由于振荡器的老化特性而引起的频率变动，而且，减小压电振子的电流可以减小老化，改善C/N，并且防止无用的振动和振荡。
文档编号H03B5/36GK1543704SQ0281595
公开日2004年11月3日 申请日期2002年8月15日 优先权日2001年8月16日
发明者佐藤富雄 申请人:东洋通信机株式会社