トランジス タ正弦波発振器 の発展状況 (第

トランジス タ正弦波発振器 の発展状況 (第2報)*

千 葉 作 富 郎**

1. ま え が き

トランジスタ正弦波発振器の発展状況について主に米英 日独仏蘭 ソの文献調査を実施 した のでその主流の概要を御報告する. ここでは周波数決定回路によってエーC形 と水晶形の順 に述べ る. これ迄の発展経過を概観するとL‑C形ではバイポーラ トランジスタとFETと の 1)アクタンス安定化法が行なわれている.周波数決定回路であるL‑C回路をバ 1)キ ャッ プやCの正負の温度係数の相殺に よる温度補依法にかな り努力がなされてを り, またγ.C.

0.があ り,強力な正帰還による負性抵抗の実現法 もある. 水晶形では無調整法 と調整法が あ りお よそ100MHz以上では調整法が有利である.従来の恒温槽を使用せずに水晶振動子の 温度特性をバ リキ ャップや コレクタ容量により補依す る方法が成果を挙げている.調整法で 125MHzを直接発振 させて緩衝卿 高器で逓倍 してお よそ1GHzの標準周波数を作 って実用化 しつつある.発振周波数帯はお よそ103‑109Hzにわた り, その発振周波数変動率は,電源 謁EE△Vc‑士30%, 周囲温度△Ta幸‑5‑+60oCの変化に対 しておよそ±5×1014(L‑

C形),士7×10‑6(水晶形)程度である.

2. L‑C形 発 振 器 2･1概散

大別 して Clapp, Franklin等の方式 と, 1)ア クタンス安定化法(1)(2)05), コルビッツ形的84, 並列同調形 とな り, トランジスタGE,GC,GB等の1段形や2段形が多い.Franklin, Clapp,Lampkin等の方式は増幅器 と周波数決定回路 とをインピーダンス的に切 り離すの は よいが,所要増幅度が大 きくなって負帰還量が減少す るので,上記 と同条件下で,△f/fo 幸士6×1014(Q幸102,ただ しL‑C室温保持の場合)程度である. 1)ア クタンス安定化法は バイポーラ トランジスタとFETともに,数学的には発振周波数は トランジスタやFETの パ ラメータに無関係 となるが,安定化条件 として,CやLを計算値通 りに合致 さ せ る に は 10‑I桁が精一杯なので,△f/fo幸士5×1013‑1×10‑4,程度である.温度補倍法(3)〜(7)として

L‑C回路のCとしてバ リキ ャップを使った り,Cl,C2として温度係数の違 うものを使用 し て正負の温度係数を相殺 して綜合 して小さい温度係数のL‑C回路を得る方法等が成果を挙 げている.またV.C.0.(8)〜凹としてゲー ト電圧に よって発振をスイ ッチ した り,周波数を変 えた りする方法がある.強力な トランジスタ直結形正帰還を施 して負性抵抗をNあるいはS

*昭和52年9月 電気関係学会東海支部連合大会において発表

**電気工学科 助教授 原稿受付 昭和52年9月30日

42 長野工業高等専門学校紀要 ･約 8号

字形に実現 した, 2端子エーC発振器 もある.筆者の経験に よれば上記 と同条件下で △′/

f^o幸士8×10‑5,程度を得ている的㈹方法 もある.

2･2 リアクタンス安定化法(1)(2)Og

L‑C発振器にLlewellynの リアクタンス安定化法を M OSFET に用いた コルピッツ 発振器のゲー ト安定化法の1例を示す.図1(1)はゲー ト安定化用 T)アクタンスXgを挿入 し た等価回路で,ZgはM OSFETの等価入力インピーダンスで,ゲー ト漏れ抵抗Rg,ゲー ト･ソース間容量 Cgsの並列回路 としてを り, FETは簡略化等価回路で示 され, Rは外 部接続されてい る負荷抵抗をX8の直列抵抗 として等価的に置換 してい.a,網 目方程式 より 発振条件 としてつぎの行列式が得 られる.ただ し

rd+)'xl J'X1 ‑FEZg J'xI R+j(X+X8) ‑)'x2

0

Zg‑Rg'+)'xg'

RgI‑Rg/(1+a)2Cgs2Rg2) Xg'‑‑a･CgsRg2/(1+a12Cgs2Rg2) X‑Xl+x2,rd.･ドレイン抵抗 そ こで コルビッツの条件,X1‑‑1/alCl, X2‑‑1/alC2, X3‑aIL3, 安定化 リアクタンス Xg‑alLgを上式に代入す ると実数部 より振幅決定条件,虚数部 より周波数決定条件 と安定 化条件がつぎの ように得 られ る.

a1‑1/L3C,C‑C1C2/(Cl+C2)‑(2) 周波数条件

エg‑(普 )¹+響 (崇+Ecg‑･ fEcgfT RwS gg2S2/L8C)

･+管

一昔 (p‑g:)(TT# cgk c)

‑(3) 安定化条件 (3)式で決 まるゲー ト安定化用 インダクタl/スLgを挿入す ると(2)式の周波数で発振 し,FE Tパ ラメータには無関係 となる.図2は実験回路でその発振周波数変動特性が図3に示 され る.理論値は33.2FLHであるのに対 して, ここでは実験的に最適調整点 としてLg‑32FLHが 得 られ,△VD幸5‑10(Ⅴ),変化に対 してお よそ△f/f幸士1×10‑4程度である.安定化用 1)

図1 コルビッツゲート安定化回路 図2 I)アクタンス安定化回路

トランジスタ正弦波発振器の発展状況 (第2報) 43

110

(NHq)ii埋封増Et

C2= 310p

Fc g 3 ‑ 5 p

T b

Lユ‑40FLH .‑ 33.2FL

H

Rg‑30m

i , { V I

R‑ 6E}

1%か

伽 tt

5 6 7 I 1

'レ ン‑I.

r l t l

図3 発振周波数変動特性

T,2SC398 V‑15lV]

バ リキャップIS1502 V0‑1.5〔Ⅴ〕

サ‑スタR,cR,D‑41 Rp‑25〔fl〕

Rc=10〔fl〕

Rv‑20〔Kfl〕 図4 サ‑ミスタによる,:1)キャップの温度

補依回路

‑20‑100 10 20 3030 50 60 T(℃)

図5 図4の祁航法を用いた場合の 発振周波数変化

アクタンスLgを計算値 に一致 さ せ る に は 101硝 子が精一杯であるし,電源電圧や周囲温 度に よりFETパ ラメータが変化す るので, この ように実験的に詰めてエgの最適値を決 定す る方法は実際的である. トランジスタの リアクタンス安定化(2)法 も既に発表 されてい る. ここで周囲温度Ta幸 ‑5‑+60oCの変 化に対 してはFETやバイポ‑ラ トランジス タのパ ラメ‑タがかな り大幅に 変化 す る の で,発振周波数変動率はさらに大 き くなる傾 向がある.

2･3温度補償形L‑C発振器(3)〜(竹

バ リキャップ(VariableCapacitanceDiode) は電圧同調が可能であ り小型である特長を有 す るが容量の温度変化が一つの欠点である.

容量の温度変化は拡散電位 と半導体材料の誘 電率の温度変化に よるものが大部分である.

従来 このそれぞれを順方向にバイアス した ダ イオー ドを直列に入れ ること,パ リキ ャップ のバイアス電源に適当にサー ミスタを入れ る ことに より補供す る方法が提案(4)(5)されてい る. ここではバ リキ ャップを共振容量 とす る トランジスタL‑C発振器で,バ リキ ャップ に加わ る逆電圧を温度変化 させ る方法で温度 補償を実施 し,サ ー ミスタを用いる温度補依 回路(3)を図4に示 し,その発振周波数変化特 性を図5に示す. 周囲温度△Ta幸 一20‑+

60oCの変化に対 して △f/fo幸士4×10‑4と かな り息好特性である.

2･4 V.a.0.(8)〜他(VoltageControlled Oscillator.電圧制御発振器)

電圧制御 自励発振器 として接合形FETを 用い短時間安定性の良好な発振器を図6(8)に 示す. 回路原形は コル ビッツ形で数MHz〜

数百MHzまでの範囲で発振条件 と安定性に ついて実験 して 短時間 の 周波数変動率 は△

J♪幸1‑6mAの変化に対 して,△′/′｡幸 士 3×10‑7程度を得ている. バ リキ ャップ2個 とエとを並列に して制御電圧でその△Cを変

44 長野工業高等専門学校紀要 ･第8号

化 させて,発振周波数△′を変化 させる.

vq 図7細は02(GB)が コルビッツ形L‑C発

図6 V.C.0.

振器でQl(GE)はベース入力電圧に よりスイ ッチ動作をす る.ベース入力電圧が0(V)の ときは, 01は遮断 とな りコレクタ出力抵抗 が極めて高いので, Q之は発振を持続 し,ベ ース入力電圧が+10(Ⅴ)のときは,Qlが飽和 し, コレクターエ ミッタ間抵抗は極めて小 と

一12V

C. 0.

12V

図7 V.

C' ZL

8‑ 2 12 Rf

曽 Q.18..Q全,. 由 1

3･54Q2

図8 負性抵抗回路

･lLAtCrJVdoos)

pt

RE=lMf}

{ P 鴫 員 r T F h 雷 J I B l J I

h E l 輩 L I J b 楓 h 竃 k q

} _{f J} 1 _h 1 _t J _鴨 I T _! A T L t

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l r F 竃 t 』 y . d J r

l 鼠 k 甘 L 瞥 I 耳 tT

ト 電 ^ロロ コFj

vcfg(5V/DIV)‑‑

図9 負性抵抗特性

なるので,01とQ2は並列になっているので,02の利得が実効的に減衰す ることとな り発 振停止 となる.発振周波数はおよそ82KHzの正弦波形でR1‑5K52で振幅 レベルを制御 し ている.

図 80カはQl(GE)‑Q8(GE)で直結形の増幅器をな し直交流の強い正帰還を施 しているの で,負性抵抗を実現す る. 図9に示す ようにRf値 とIB'値に より‑Rを任意に変化で き る,ZLとしてL‑C並列回路等 と置換すれば図10に示す ように負性抵抗利用のLIC正弦 波発振器 となる.ZLの代 りにLのみ接続すればパルス発振器 となる.他に トラソジスタを

トランジスタ正弦波発振器の発展状況 (第2報) 直結2‑ 3段正帰還 させてN字形あ るいはS字形の負性

抵抗を実現 して, 2硝子形発振器を実現 した り,PNP

とNPN形 トランジスタとを直結正帰還 させて広い直線 範囲の負性抵抗を実現す る方法 もあ る.

3.水 晶 発 振 器 3･1概観

大別 して調整形榊と無調整形的〜餌とな り, 回路原形は コル ビッツ形が比較的多 く用い られ,Clapp形 もあ る.

一般に上記条件下での発振周波数変動率は△f/fo幸±7

×10‑6程度であ り,筆者の経験に よれば電流伝送形帰還 23AJA

45

形発振器の構成法に よって, 上記条件下で,△f/fo幸

士8×10‑8程度にす る方法 もある朗89. vc一定 で恒温槽内に水晶振動子を入れての経時変化 は良好でお よそ△f/fo幸±2×10‑10/day位である.一方水晶振動子の温度変化特性は一般 に3次 曲線で表わ され るが,水晶振動子 と直列に.くT)キ ャップや コレクタ容量を接続 し,サ ー ミスタ回路に よって,周囲温度変化に追随 して印加電圧が変 るように して△Cを変化 させ て △fを応動変化 させ るところの温度補償法印〜餌を施 して,△f/fo(△ToC)幸6×1016を 5×10‑7(‑10‑+50oC^{)とお よそ1}桁安定度を良好にす る方法があ り, 従来 より使 っていた 恒温槽 を使用せず ともよい用途が開発されて小型,軽量,高信頼化に役立 ってい る. また従 釆lo‑20MHzを無調整形で発振 させて周波数逓倍 していた方法に対 して,最近,調整法で 125MITzを直接発振 させ てい る例があ り, お よそ100MHz以上では調整法が有利である.

これを周波数逓倍 して約1GHzの周波数標準用に使われ てい る. 低 消費電力 用 と して, CMOSFET伽〜田発振器が時計用 として実用化され ている.ZC利用の発振器 もかな りあ り, JCには周波数特性 と自由に負帰還が施 され るような改善策が期待 され てい る.

3･2無調整形水晶発塘器的〜餌

図118分(a)P)は Butler形 の水晶発振器の回路原形であって,図(a)はGB‑GCよ りな り初段 エ ミッタか らコレクタへ,次段べ‑スか らェ ミックへ水晶振動子を介 して正帰還 ループを形 成 させてを り,図(叫まGE一cc形で次段エ ミッタより水晶振動子を通 り初段エ ミッタへ,

コレクタより次段ベースへ と正帰還を施 して発振 させ る.

03) 図11水 晶 発 振 器

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図12水晶発振回路

図12叫まFLA702を主増幅部 とし,水晶 振動子を介 して正帰還 ループを形成 して 発振周波数を決定 し, R2‑R4ほ負帰還 回路であ り,点線部はAGC回路である.

出力を ダイオー ドCRlで整流 して接合形 FETQl(GS)のゲー トに印加す る. も しも発振振幅が大 き くなると, Qlゲー ト電圧は大 となるため, Qlの ドレイン 出力抵抗は大 き くなって,負帰還量を増 大 させ るので発振振幅は減少傾向とな り ついに発振振幅は‑定性 となる.周波数 はお よそ90KHz以下の水晶振動子でRx 幸50K52‑ 100Kflと抵抗損失が大 きいので高利得増幅器を使用 してい る.

図13餌は コル ビ ッツ方式に よるMOSFET(GS)使用の1MHz水晶発振器で, ドレイ ンよ り390pF‑ トリマ コソ 9.2pF‑1MHz水晶振動子‑ C2390pFを通 りゲー ト‑ と正帰還 ルー プを形成 して発振 させてを り,電源電圧△y上)幸3‑9(Ⅴ)変化に 対 して 発振周波数変動率

△f/fo幸1×1⁰‑6程度であ り,恒温槽を使用す ると,△f/fo幸1×10‑8/day程度で,一定の 室温中に水晶振動子を置いて も同程度の周波数安定度を示す.次段のGD形は緩衝増幅器で あ る.

0IpF

3･3温度補償形水晶発振器餌〜C3(TemperatureCompensationCrystalOscillator) 従来 より広い温度範囲で10‑6以上の周波数安定度を得 るために, 恒温槽を使用 して いる が,半導体機器に とって恒温槽の消費電力 と外形寸法の大 きさが障害 とな っている. も し恒 温槽を使用 しなければ発振周波数は周囲温度に よって変化 し,その変化量は水晶振動子の温 度特性に依存す る.図14に見 るように,温度特性曲線は広い温度範囲ではAT板 とG7'板 と

トランジスタ正弦波発振器の発展状況 (第2報) は3次曲線,他は2次曲線の形を して

いる.図15榊に示すよ うにAT板の例を とるとその切断方位によって温度幅に 対す る周波数変化幅 も変わる.周囲温 皮‑140‑+140oC間で の 切断角度が

‑10′〜0‑十34′問の 特性曲線 は3次 曲線である.切断角度の精度を高 く要 求す ると生産上の歩溜 りが落ち,周波 数変化量に も限界があるし, したがっ て恒温槽を使用 しない広い温度範囲に わたって周波数の安定度を10‑6以上得 るために考案されたのが,温度補償形 水晶発振器で, これは感温素子を利用 して周波数変化を補供 した発振器であ る.その補償方法の1例を図16餌に示 す.いずれ も水晶振動子の負荷容量を 温度に より変えて周波数を補慣 してい る.(a)は感温素子 としてのサー ミスタ とリアクタンスとを組合せた複合素子 書 の 1)アクタンス分が温度に よって変化 言 す ることを利用 して水晶振動子の温度 特性を神佑する方式である. この方式 では温度範囲がせまい.0))はサ ー ミス タで周波数調整用のバ リキ ャップの直 流バイアスを周囲温度に応 じて変化 さ せ水晶振動子の温度特性を補償するも のである. しか しオーパー トン次数が 高い水晶振動子の場合には,負荷容量 の変化に対す る周波数変化の割合が基 本波の振動子に比較 して非常に小さく なるため, より感度の高い可変容量 ダ イオー ドの出現が待たれている.図17 はバ T)キ ャップの代 りに トランジスタ の コレクタ容量を用いた ものである.

T,2(GE)が発振部で, 無調整の3 次オーバー トン回路である,Trl(GB) が周波数制御部でrrlのベース電圧は サ ー ミスタTJH, Th2と直並列の抵抗 を通 して供給 している.温度に よりべ

(70TX)昏qF樹点岩野

図14主な水晶板の代表的周波数特性

47

200 lr

180 +J2'I

160

l10 +PI Ilo ◆XLZB l

◆Jl l

100 ◆♪I

JO ◆◆川J■Bl 60 +JJp

一0 ◆l●JI ＼ ● 20 ◆●◆◆＼●2 Jj.

0

20 ＼ ◆一ヽ+■●.■

一〇 ‑lr ◆】ヽ◆Ill

60 ヽ◆lーI2b◆

80 ヽ+HI

loo

J20 ヽ◆一◆J一d l◆

1小I l ◆JO.

160 I+1+P〜2

‑140 ‑120‑100‑80 ‑60 ‑10 ‑20 0 +20 +10 十68 +80十100 +120 十140

ト 114日191日 ‑74H ‑51)(134)(114)(+6H +26) (+16H +66日 +86日 +106日 +J26H +146H+J66)

▲ゝT●c

図15 AT‑Cut振動子温度特性

‑ I ‑ ‑ ‑ f = ‑ニ ー

(a)サーミスタと7)アクタソスの組合せによる温度補依 O))サーミスタ可変容量ダイオードの組合せによる温度

補依

図16温 度 補 依 方 法

48 長野工業高等専門学校紀要 ･第8号

図17温度祁脹水晶発振回路

︹ttldd︺JJJv

SuZJ)出田CFq7

J# ･.l也力碇症局紘数 轟

10 11 12 13 14 屯源屯庄(V) 図19電源電圧特性

︹vtn︺増田軒だ4062842211

1 ノ 2

‑1L O 周Baoii,i (.C2)0 30 40 50 60 図 18 発振周波数温度特性

共通帰線

MC:Mjcrometer様式の可変蓄電器 図20調整形水晶発振回路

‑ス電圧が変化す ると,それに ともない コレクタ声量が変 り,水晶振動子の温度特性を神佑 している.VRは周波数徴調整用可変抵抗器で 士3×10‑6以上可変することができる.

図18は周波数の温度特性を示す.図中に水晶振動子のみ と書かれた曲線は,水晶振動子の 温度特性を示 し,それを補供 した特性が2曲線である.1, 3曲線はV.R.に よって周波数 を可変 したときの温度特性である,ほとん ど特性上の変化が無いことがわかる.これにより

△f/fo幸6×10‑6‑5･×10‑7(△Ta幸 一10oC〜+50oC)と向上させることができる. 図19は電 源電圧を変えた ときの周波数,出力電圧,消費電流の特性を,それぞれ20,35,50MHzに ついて示 している.

つ ぎに可変容量 ダイオー ドによる補償法印 もあ り,種 々の温度特性を有する水晶振動子に 対する温度補償回路の構成素子の値を電算機による逐次近似法鮒に より系統的に求める方法

もある.

3･4調整形水晶発振器糾

図20は調整形の125MHz水晶発振器である.GE形1段で コルビッツ形を原形 としてい る. コレクタのL‑C同調回路をバ リコンで容量性にすれば容易に発振する. 25oCで出力 がlKgと負荷に対 して0.2V程度印加する能力を持ち時 日の経過に ともの う周波数推移は約

トラソジスタ正弦波発振器の発展状況 (第2報) 49 1×10‑8程度はバ リコンCgで調整できる.図21,22に示す ように周囲温度△Ta幸+15‑

+40oC,電源電圧△Vc幸±10%変化に対 して△f/fo幸 ±1.2×10‑6位であ る.緩衝増幅 器を通 して容易に周波数を8倍あ るいはそれ以上に逓倍 して約1GHzあるいはそれ以上 の周 波数の安定 な高周波源 とす ることは, もはや困難な問題ではな くなった と考える. この発振 器では無調整形 とす ると125×テMHzが発振す るので調整形に して125MHzを発振 させ る･

コレクタの10052,50f2.等はD.F.C等 の測定器へ接続す るためであ り,2SC272のfc.‑1200 MHzであ る. 周囲温度安定化のバイアス回路や負帰還回路の改善をす るとさ らに安定特性 を得 られ るであろ う.お よそ100MHz以上では 無調整形では発振が困難であ って 調整形で 容易に発振 させ ることができる.

周 100 波 数 (HZ)050

I

125000000 950 124999900

l

C r y S t a

無 ‑秀;昏周波数FT

ヽ

ヽ ヽ

∫ ∫

究^振̀周波/ヽヽヽヽ ヽヽヽヽ

15 20 25 30 35 40

̲‑ ‑> 周 囲温度 (oC

団21発振周波数変動特性

2.8 3.0 3.2 3.4

‑‑‑‑ 悪賢警詰 等圧 (V) 図22発振周波数変動特性 3･5CMOS,LC,形水晶発振器朗〜榊

腕時計に使用す る水晶振動子は小形で振動衝撃に よって△f/foの小さい ことと消費電力 の小さい ことが必要である.水銀電池 (1.3V)酸化銀電池 (1.5V)で 1ヶ年以上使 用可能であ ること, 水 晶を小 さ くす るためには 高い周波数の ものが よいが,CMOS,ZCの電力消費 は周波数にほぼ比例 しているので,電力消費は周波数が低い方が よい. この電力消費 と周波 数 の2つの要求を充足す ることが必要であるが,32,768KHzは, これをほぼ満足 している.

図23は CMOS,ICを使用 した水 晶発振器田で CMOSイ ンバーターとCIC2とRfと水晶

TempemttJre一一一十

‑10 0 10 20 30 40 50 60

〜 ′ ‑

@ ′′ ヽヽ

/fL ヽヽ

′ ヽ(◎丑^{(urye:cOmpe… teJ C} ヽヽ ヽ

図23水晶発振回路 図24発振周波数変動率特性

50 長野工業高等専門学校紀要 ･第8号

振動子か ら成 っている. この低電力 コンプ1)メソタ 1)‑シ リコンゲイ トM OS発振器のPチ ャンネルに電圧を加えると動作を開始 しNチ ャンネルはOFFとなる.Vl電位 とV2電位が平 衡状態すなわちPチ ャンネル とNチャンネルが交互に動作 して水晶振動子の 発振を持続す ることとなる.Vc‑1.3‑1.5(Ⅴ)で動作 し電流は約0.5FLA以下である.Rfは直交流の負 .帰還を施す とともにバイアスをも与える.図24に示す ように水晶振動子の温度特性曲線 と逆 の特性をもった コンデンサをClに使用すれば温度補麓ができる.水晶振動子の32,768KHz か ら発振分周されて出力は正確な0.5‑ 1Hzのパルスが得 られ る.全消費電力は約8′̀W で ある.エージングデータは40時間で△f/fo幸4×1017で年間ではおよそ±2丈1016以内に入 る.

4.あ と が き

半導体正弦波発振器の発展方向 としては, トランジスタ回路を主体 とした回路方式が基本 とな り,それのIC化 と,さらに能動,受動素子 とを混成 したモール ド化が今後進むであろ ラ.発振周波数帯は10‑5‑109Hz以上に,上下にその幅を拡張す るであろ う.非直線素子の 発達 とともに振幅安定度 と歪率特性の向上 も期待できる. 発振周波数安定度を良好にする印 ために周波数決定回路に増幅器の諸特性が影響 しないように し,周波数決定回路の所要増幅 度を小さ くして,余裕増幅度を増 して負帰還量を増大させて,増幅器の入 ･出力インピーダン スを制御 した り,位相推移の変動分を減少させて実効的にQを大 きくす るとともに,周波数 決定回路の温度補償を して,綜合的に発振周波数変動率を良好にす ることが,現在の課題で あ り,将来 も基礎的研究が続行されるであろ う. またJC使用の発振器が近頃多 く発表 され ているが,･現在使用中のJCは入力インピーダンスは大 きいが,周波数特性が悪 く,かつ負 帰還を随所にかけ られないとい う高安定正弦波発振器の実現には欠点を有するので,基本的 な研究開発分野では, トランジスタ単体を用いた発振器が多 く発表 されてきた し,今後もそ うなるであろ う.要は トランジスタ方式の一つの延長がJC発振掛 こす ぎない ことに思いを お よばせば,す ぐれた発振器開発には, トランジスタ単体方式の基礎研究を根深 く掘 り下げ て行なって,それ と並行的に,正弦波発振器専用のJCの開発を促進すべ きものであろう.

参 考 文 献

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トラソジスタ正弦波発振器の発展状況 (第2報)

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