特許 5769990 コルピッツ発振回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5769990

(24)【登録日】2015年7月3日

(45)【発行日】2015年8月26日

(54)【発明の名称】コルピッツ発振回路

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/32 20060101AFI20150806BHJP

【ＦＩ】

   H03B5/32 J

【請求項の数】2

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2011-56321(P2011-56321)

(22)【出願日】2011年3月15日

(65)【公開番号】特開2012-195646(P2012-195646A)

(43)【公開日】2012年10月11日

【審査請求日】2014年2月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000191238

【氏名又は名称】新日本無線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083194

【弁理士】

【氏名又は名称】長尾 常明

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】坂田 大輔

【審査官】 ▲高▼橋 徳浩

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−２４４６３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−０８８６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２５１１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３０８１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−００８３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１１２２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０３９８２２１０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｂ５／３０−Ｈ０３Ｂ５／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コルピッツ発振回路本体と、該コルピッツ発振回路本体の発振トランジスタのエミッタとコレクタの差電圧の最小値を検出する最小値検出手段と、該最小値検出手段で検出された前記最小値と前記発振トランジスタのコレクタ・エミッタ間飽和電圧とを比較する判定手段とを備え、該判定手段の判定結果に応じて、前記発振トランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧が飽和領域に入らないように、前記発振トランジスタのベース電圧が制御されるようにしたコルピッツ発振回路において、
前記発振トランジスタはエミッタ接地されてなり、
前記最小値検出手段は、前記発振トランジスタのコレクタ電圧のボトムホールド値から前記発振トランジスタのエミッタ電圧を減算した差電圧を検出する手段であることを特徴とするコルピッツ発振回路。

【請求項2】

請求項１に記載のコルピッツ発振回路において、
前記発振トランジスタを発振ＦＥＴに置き換え、ベースをゲートに、コレクタをドレインに、エミッタをソースに置き換えたことを特徴とするコルピッツ発振回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、出力波形歪を改善したコルピッツ発振回路に関する。

【背景技術】

【0002】

従来例のコルピッツ発振回路４０を図８に示す（例えば、非特許文献１参照）。このコルピッツ発振回路４０はコレクタ接地型であり、Ｑ１は発振トランジスタ、Ｒ１，Ｒ２は発振トランジスタＱ１のバイアス抵抗、Ｃ１，Ｃ２は発振周波数を決める正帰還用キャパシタ、Ｘは水晶振動子あるいは圧電セラミック振動子等からなる振動子、Ｃ３は発振周波数調整用キャパシタ、Ｃ４は電源安定化用キャパシタである。

【0003】

このコルピッツ発振回路４０は、発振トランジスタＱ１の動作電流が抵抗Ｒ１，Ｒ２で設定され、発振トランジスタＱ１の増幅度βが十分に大きいとすると、抵抗Ｒ１に流れるベース電流による電圧降下はほぼ無視できるので、電源電圧Ｖccと、発振トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧Ｖbeと、抵抗Ｒ２とによって動作電流が定まる、比較的低電圧電源に向いた発振回路である。

【0004】

このコルピッツ発振回路４０は、電源投入により発振動作が開始して発振が成長し、振動子Ｘの側の損失と発振トランジスタＱ１から供給される電力がバランスしたところで発振が安定する。発振出力は、例えば、発振トランジスタＱ１のエミッタから取り出される。このコルピッツ発振回路４０は、この発振が確実に行われることを重視するため、使用する振動子の等価抵抗に比べて、例えば５倍程度の負性抵抗になるように目標動作電流を定めることが行われる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】稲葉保著、「発振回路の設計と応用」、１７９頁、ＣＱ出版社、１９９３年１２月２５日初版発行。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところが、負性抵抗の大きな回路にすると、発振が安定した定常状態での発振振幅が大きくなるので、発振トランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖceが飽和領域に入ってしまい、発振する正弦波の波形に大きな歪が発生してしまう問題点があった。

【0007】

本発明の目的は、発振の定常状態において発振波形の歪みを低減することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明のコルピッツ発振回路は、コルピッツ発振回路本体と、該コルピッツ発振回路本体の発振トランジスタのエミッタとコレクタの差電圧の最小値を検出する最小値検出手段と、該最小値検出手段で検出された前記最小値と前記発振トランジスタのコレクタ・エミッタ間飽和電圧とを比較する判定手段とを備え、該判定手段の判定結果に応じて、前記発振トランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧が飽和領域に入らないように、前記発振トランジスタのベース電圧が制御されるようにしたコルピッツ発振回路において、前記発振トランジスタはエミッタ接地されてなり、前記最小値検出手段は、前記発振トランジスタのコレクタ電圧のボトムホールド値から前記発振トランジスタのエミッタ電圧を減算した差電圧を検出する手段であることを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のコルピッツ発振回路において、前記発振トランジスタを発振ＦＥＴに置き換え、ベースをゲートに、コレクタをドレインに、エミッタをソースに置き換えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、発振トランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧が飽和状態に入ったことを判定して発振トランジスタのベース電圧を制御し、発振トランジスタが飽和領域に入らないようにするので、発振トランジスタの動作電流が調整され、振動子の側に供給される電力を調整でき、正弦波の発振波形の歪を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１の実施例のコルピッツ発振回路の回路図である。

【図2】本発明の第２の実施例のコルピッツ発振回路の回路図である。

【図3】本発明の第３の実施例のコルピッツ発振回路の回路図である。

【図4】本発明の第４の実施例のコルピッツ発振回路の回路図である。

【図5】本発明の第５の実施例のコルピッツ発振回路の回路図である。

【図6】ボトムホールド回路の動作説明図である。

【図7】ピークホールド回路の動作説明図である。

【図8】従来のコルピッツ発振回路の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜第１の実施例＞
図１に本発明の第１の実施例のコレクタ接地型のコルピッツ発振回路を示す。１０はコレクタ接地型のコルピッツ発振回路本体、２０はＶce最小値検出回路、３０は判定回路である。コルピッツ発振回路本体１０は、発振トランジスタＱ１、バイアス抵抗Ｒ２，Ｒ３、発振周波数を決める正帰還用キャパシタＣ１，Ｃ２、水晶振動子あるいは圧電セラミック振動子の振動子Ｘ等を備える。Ｖce最小値検出回路２０は、発振トランジスタＱ１のコレクタ電圧Ｖｃからエミッタ電圧Ｖｅを減算する減算器２１と、その減算器２１の出力電圧Ｖ１のボトム値ＶＬを保持するボトムホールド回路２２とから構成される。判定回路３０は、発振トランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間飽和電圧Ｖce_satに設定された基準電圧源３１と、演算増幅器３２とから構成されている。演算増幅器３２の非反転入力端子にはボトムホールド回路２２の出力電圧ＶＬが入力し、反転入力端子には基準電圧源３１の電圧Ｖce_satが入力する。発振出力は発振トランジスタＱ１のエミッタから取り出される。

【0012】

このコルピッツ発振回路では、減算器２１から出力する電圧Ｖ１は発振トランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖceの反転電圧であり、ボトムホールド回路２２において、図６に示すように、その反転電圧の振幅のボトム値を示す電圧ＶＬが出力する。この電圧ＶＬは発振トランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖceの最低電圧であり、発振振幅が大きくなるほど低下する。そして、その電圧ＶＬが基準電圧源３１の電圧Ｖce_satよりも低くなると、演算増幅器３２の出力電圧Ｖ２が低下する。この電圧Ｖ２は、抵抗Ｒ３を経由して発振トランジスタＱ１のベースに印加しているので、その発振トランジスタＱ１の動作電流が減少する。

【0013】

このように、発振振幅が大きくなり、発振トランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖceが飽和領域に入るようになると、発振トランジスタＱ１のベース電圧を下げる方向に制御がかかるため、動作電流が減少し、発振トランジスタＱ１の飽和による発振波形の歪みを低減することができる。

【0014】

＜第２の実施例＞
図２に本発明の第２の実施例のコレクタ接地型のコルピッツ発振回路を示す。図１に示したものと同じものには同じ符号を付けた。Ｖce最小値検出回路２０Ａは、減算器２１とピークホールド回路２３からなる。ピークホールド回路２３は発振トランジスタＱ１のエミッタ電圧Ｖｅのピーク値ＶＨを保持する。判定回路３０は、演算増幅器３２の非反転入力端子に減算器２１の出力電圧Ｖ３が入力し、反転入力端子に基準電圧源３１の電圧Ｖce_satが入力する。

【0015】

このコルピッツ発振回路では、ピークホールド回路２３において、図７に示すようにエミッタ電圧Ｖｅの振幅のピーク値を示す電圧ＶＨが出力する。この電圧ＶＨは発振振幅が大きくなるほど高くなる。減算器２１においてコレクタ電圧Ｖｃ（＝Ｖcc）から電圧ＶＨを減算した電圧Ｖ３は、発振トランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖceの最低電圧であり、発振振幅が大きいほど低下する。そして、その電圧Ｖ３が基準電圧源３１の電圧Ｖce_satよりも低くなると、演算増幅器３２の出力電圧Ｖ２が低下する。この電圧Ｖ２は、抵抗Ｒ３を経由して発振トランジスタＱ１のベースに印加しているので、その発振トランジスタＱ１の動作電流が減少する。

【0016】

このように、第２の実施例においても、発振振幅が大きくなり、発振トランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖceが飽和領域に入るようになると、発振トランジスタＱ１のベース電圧を下げる方向に制御がかかるため、動作電流が減少し、発振トランジスタＱ１の飽和による発振波形の歪みを低減することができる。

【0017】

＜第３の実施例＞
図３に本発明の第３の実施例のコレクタ接地型のコルピッツ発振回路を示す。図１、図２に示したものと同じものには同じ符号を付けた。Ｖce最小値検出回路２０Ｂは、発振トランジスタＱ１のエミッタ電圧Ｖｅのピーク値ＶＨを保持するピークホールド回路２３からなる。また、判定回路３０Ａは、演算増幅器３２の非反転入力端子と電源端子との間に電圧Ｖce_satの基準電圧源３３が接続され、演算増幅器３２の反転入力端子にピークホールド回路２３の出力側が接続されている。

【0018】

このコルピッツ発振回路では、発振振幅が大きくなるとピークホールド回路２３の出力電圧ＶＨが高くなる。そして、その電圧ＶＨが電圧「Ｖcc−Ｖce_sat」よりも高くなると、演算増幅器３２の出力電圧Ｖ２が低下する。この電圧Ｖ２は、抵抗Ｒ３を経由して発振トランジスタＱ１のベースに印加しているので、その発振トランジスタＱ１の動作電流が減少する。

【0019】

このように、第３の実施例においても、発振振幅が大きくなり、発振トランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖceが飽和領域に入るようになると、発振トランジスタＱ１のベース電圧を下げる方向に制御がかかるため、動作電流が減少し、発振トランジスタＱ１の飽和による発振波形の歪みを低減することができる。

【0020】

＜第４の実施例＞
図４に本発明の第４の実施例のエミッタ接地型のコルピッツ発振回路を示す。図１〜図３におけるものと同じもには同じ符号を付けた。本実施例は、エミッタ接地型のコルピッツ発振回路本体１０Ａに適用したものであり、Ｒ４は負荷抵抗、Ｃ５は発振周波数を決めるキャパシタである。Ｖce最小値検出回路２０Ｃは、発振トランジスタＱ１のコレクタ電圧Ｖｃのボトム値ＶＬを保持するボトムホールド回路２３と、そのボトムホールド回路２３の出力電圧ＶＬから発振トランジスタＱ１のエミッタ電圧Ｖｅ（＝ＧＮＤ）を減算する減算器２１からなる。

【0021】

このコルピッツ発振回路では、発振振幅が大きくなるとボトムホールド回路２３の出力電圧ＶＬが低くなる。そして、その電圧ＶＬが基準電圧源３１の電圧Ｖce_satよりも低いとき、演算増幅器３２の出力電圧Ｖ２が低下する。この電圧Ｖ２は、抵抗Ｒ３を経由して発振トランジスタＱ１のベースに印加しているので、その発振トランジスタＱ１の動作電流が減少する。

【0022】

このように、第４の実施例においても、発振振幅が大きくなり、発振トランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖceが飽和領域に入るようになると、発振トランジスタＱ１のベース電圧を下げる方向に制御がかかるため、動作電流が減少し、発振トランジスタＱ１の飽和による発振波形の歪みを低減することができる。

【0023】

＜第５の実施例＞
図５に本発明の第５の実施例のエミッタ接地型のコルピッツ発振回路を示す。図１〜図４におけるものと同じものには同じ符号を付けた。図４のコルピッツ発振回路において、減算器２１の減算側のエミッタ電圧Ｖｅは接地電圧であるので、演算増幅器３２の非反転入力端子には電圧ＶＬがそのまま入力する。よって、減算器２１は省略できる。本実施例では、第４の実施例における減算器２１を削除したものであり、第４の実施例と同様に動作する。

【0024】

＜その他の実施例＞
なお、以上では発振トランジスタとしてバイポーラトランジスタを使用した例で説明したが、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を使用することもできることは勿論であり、このときは、ベースはゲートに、コレクタはドレインに、エミッタはソースに置き換わる。

【符号の説明】

【0025】

１０，１０Ａ：コルピッツ発振回路本体、Ｑ１：発振トランジスタ、Ｒ１〜Ｒ４：抵抗、Ｃ１〜Ｃ５：キャパシタ、Ｘ：振動子
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ：Ｖce最小値検出回路、２１：減算器、２２：ボトムホールド回路、２３：ピークホールド回路
３０，３０Ａ：判定回路、３１：基準電圧源、３２：演算増幅器、３３：基準電圧源
４０：コルピッツ発振回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】