CN102195562A - 振荡电路以及频率校正型振荡电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供振荡电路以及频率校正型振荡电路，它们能够高精度地校正压电振荡器的频率变动(温度特性和老化)。该振荡电路(30)是将以下部件一体化在IC封装(15)内而形成的，即：振荡器(振荡单元)(2)，其包含石英振子(振动元件)(1)，输出振荡信号(8)；F/V转换器(F/V转换单元)(4)，其将振荡信号(8)的频率转换为与其对应的电压；以及存储器(存储单元)(6)，其存储用于对振荡信号(8)的频率进行校正的频率校正信息。并且，IC封装具有振荡输出端子(8)、频率偏差电压输出端子(F/V转换器输出端子)(12)、存储器输出端子(9、11)以及石英振子端子。

Description

振荡电路以及频率校正型振荡电路

技术领域

本发明涉及振荡电路以及频率校正型振荡电路，更具体地讲，涉及用于改善因对于温度变化具有滞后(hysteresis)特性的温度特性造成的精度误差的电路结构。

背景技术

关于使用了石英振子的压电振荡器的频率，如果是AT振子，则具有三次曲线的温度特性，而针对于此，例如具有在移动终端用GPS系统等系统侧进行校正后使用该频率的方法。例如，在专利文献1中，公开了具有如下功能的压电振荡器，即：在构成压电振荡器的IC内所配备的存储器中，存储与压电振荡器的频率温度特性相关的信息，并且输出温度信息。此外，在专利文献2中，公开了在系统侧根据温度信息来校正频率的内容。

这种带温度传感器输出的石英振荡器(TSXO：Temperature Sensing Xtal Oscillator)具有在某环境温度下输出温度检测数据和振荡频率的功能，还兼有在内部存储器中存储任意温度下的温度检测数据(例如温度传感器电压、温度系数)以及振荡频率的功能。存储在该内部存储器中的数据是与制造检查工序时使温度变化而在多个温度点测定的频率和温度特性相关的数据。此外，在使用利用了厚度剪切振动的AT切石英振子的情况下，振荡器的频率相对于温度呈现为正的三次曲线。

上述系统侧(例如移动终端用GPS系统)根据该信息，使用存储器内的信息导出温度(温度传感器电压)与振荡频率之间的关系，在通常工作时，检测温度输出信息和振荡器的输出频率，预测该温度下的相对于基准频率(例如25℃时的频率)的频率偏差，确定频率的校正量。由此，实施频率校正或软校正，使得无论在哪个温度下频率都是恒定的。

【专利文献1】日本特开2003-324318号公报

【专利文献2】美国专利申请公开第2006/0071728号说明书

这里，如专利文献1所公开的那样，在将由振荡电路、温度传感器、存储器等构成的IC与石英振子连接而形成的压电振荡器中，作为前提，原本压电振荡器的频率相对于温度(温度传感器电压)是1对1的。作为一例，图6是温度传感器电压的温度特性，具有温度传感器电压相对于温度变化大致呈直线变化的特性。该温度是具有温度传感器的半导体的温度，严格地讲，该温度与石英振子的温度之间存在差异，该差异还受到振荡器结构的影响。此外，图7示出了理想的压电振荡器的频率特性，但实际上，有时会表现出升温时的特性与降温时的特性略有不同的特性(将该特性称作滞后特性)。

即，如图8所示，石英振子的温度特性具有升温时的特性53与降温时的特性54彼此特性不同的滞后特性，此时，有两个频率与温度对应，这就表现为精度误差。换言之，这可以说是处于温度传感器电压与压电振荡器的频率不具有完全1对1关系的状态。

由此，在移动终端用GPS系统等对精度有要求的系统中，要求改善该滞后特性，但是，这需要对石英振子的结构和石英振子在封装上的安装方法等进行研究，并且还要求其稳定的生产性，因此是不能简单地应对的。

发明内容

本发明正是鉴于上述课题而完成的，即，不输出温度传感器电压，而是经由产生与振荡频率对应的电压的F/V转换器输出跟随于频率偏差的电压。该电压与振荡频率的变化成1对1的关系，由此，无需取得温度传感器电压，即可得到振荡频率的变化而将其作为电压信息。本发明的目的在于，提供一种通过向系统侧输入该输出电压来实现振荡频率偏差的高精度校正的振荡器。

本发明正是为了解决上述课题中的至少一部分而完成的，可作为以下方式或应用例来实现。

[应用例1]一种振荡电路，其特征在于，具有：振荡单元，其包含振动元件，输出振荡信号；F/V转换单元，其将所述振荡信号转换为与所述振荡信号的频率对应的电压；以及存储单元，其存储用于对所述振荡信号的频率进行校正的频率校正信息等。

在利用现有的温度传感器校正频率的情况下，处于温度传感器电压与压电振荡器的频率未成为1对1关系的状态。因此，需要进行用于将温度传感器电压与频率对应起来的运算。此外，在振动元件的温度特性中，具有升温时与降温时温度特性彼此不同的所谓的滞后特性，频率也因其而变化，因此，在升温时和降温时可能会产生误差。因此，在本发明中，取代了温度传感器，而是具有将频率转换为与其对应的电压的F/V转换器4，并且将其输出电压作为频率偏差电压。由此，能够使频率偏差电压与压电振荡器的频率成为1对1的对应关系。

[应用例2]其特征在于，具有对所述振荡信号的频率进行分频的分频单元，且构成为将由该分频单元分频后的信号输出到所述F/V转换单元。

在振荡信号的频率高的情况下，需要选择能够跟上其频率的F/V转换单元。但是，使用频率高的F/V转换单元必然导致部件成本变高，并且当频率变高时，功耗也增大。因此，在本发明中，具有对振荡信号的频率进行分频的分频单元，且通过F/V转换单元对由分频单元分频后的信号进行转换。由此，即使在振荡频率高的情况下，也能够使用低成本的F/V转换单元，并且能够减小振荡电路的功耗。

[应用例3]其特征在于，具有分频比设定单元，该分频比设定单元将所述分频单元的分频比设定为预定值。

F/V转换单元被规定了所能进行转换的上限频率。由此，需要根据振荡频率确定将分频单元的分频比设定为多少。因此，在本发明中，具有将分频单元的分频比设定为预定值的分频比设定单元。由此，能够根据振荡频率任意地设定最佳的分频比。

[应用例4]其特征在于，具有切换单元，该切换单元向所述F/V转换单元的输入端提供所述振荡信号或由所述分频单元分频后的信号中的任意一方。

对于能够将振荡频率的频率范围设定得大的振荡电路，根据振荡频率不同，存在对频率进行分频和不进行分频这两种情况。此时，在电路上需要这样的结构，即：具有分频单元，并且对是否使用分频单元进行切换。因此，在本发明中，具有向F/V转换单元的输入端提供振荡信号或由分频单元分频后的信号中的任意一方的切换单元。由此，能够提供操作简单且支持大范围的振荡频率的振荡电路。

[应用例5]一种频率校正型振荡电路，其特征在于，具有：振荡单元，其包含振动元件，输出振荡信号；F/V转换单元，其将所述振荡信号的频率转换为与其对应的电压；存储单元，其存储用于对所述振荡信号的频率进行校正的频率校正信息；以及频率校正电路，其根据所述F/V转换单元的输出电压和所述频率校正信息，校正所述振荡信号的频率。

在利用现有的温度传感器校正频率的情况下，处于温度传感器电压与压电振荡器的频率未成为1对1关系的状态。因此，需要进行用于将温度传感器电压与频率对应起来的运算。此外，在振动元件的温度特性中，具有升温时与降温时温度特性彼此不同的所谓的滞后特性，频率也因其而变化，因此，在升温时和降温时可能会产生误差。因此，在发明中，取代了温度传感器，而是具有产生与频率对应的电压的F/V转换单元，并且将其输出电压作为频率偏差电压而输出，根据该电压和频率校正信息校正振荡信号的频率。由此，能够使频率偏差电压与压电振荡器的频率成为1对1的对应而对振荡信号的频率进行校正。

[应用例6]其特征在于，具有对所述振荡信号的频率进行分频的分频单元，且构成为将由该分频单元分频后的信号输出到所述F/V转换单元。

能够起到与应用例2相同的作用效果。

[应用例7]其特征在于，具有分频比设定单元，该分频比设定单元将所述分频单元的分频比设定为预定值。

能够起到与应用例3相同的作用效果。

[应用例8]其特征在于，具有切换单元，该切换单元向所述F/V转换单元的输入端提供所述振荡信号或由所述分频单元分频后的信号中的任意一方。

能够起到与应用例4相同的作用效果。

[应用例9]其特征在于，所述频率校正信息是用于对所述振荡信号的频率温度特性进行补偿的温度补偿信息。

在存储单元中，存储有表示位于以下区域中的频率温度特性的频率温度信息，所述区域是由受到滞后特性的影响而表现出的振荡信号的两种频率温度特性所围成的区域。因此，根据由频率校正型振荡电路接收到的F/V转换单元的输出电压从存储单元唯一地读出频率，并根据其数据进行频率校正。由此，能够与F/V转换单元的输出电压(温度传感器输出)对应地直接确定所要校正的振荡频率，因此能够容易地进行高精度的补偿。

附图说明

图1是示出本发明第1实施方式的振荡电路的结构的图。

图2(a)是示出振荡频率与温度的关系的图，(b)是示出频率偏差电压与温度的关系的图，(c)是示出频率与频率偏差电压的关系的图。

图3是示出本发明第2实施方式的振荡电路的结构的图。

图4是示出本发明第3实施方式的振荡电路的结构的图。

图5是示出本发明的频率校正型振荡电路的一例的图。

图6是示出现有的压电振荡器的传感器电压与温度的关系的图。

图7是示出理想的压电振荡器的频率与温度的关系的图。

图8是示出现有的具有滞后特性的压电振荡器的频与温度的关系的图。

图9是示出现有的压电振荡器的结构的图。

图10(a)是示出现有的压电振荡器的频率与温度的关系的图，(b)是示出温度传感器输与温度的关系的图，(c)是示出具有滞后特性的现有的压电振荡器的频率与温度的关系的图，(d)是示出温度传感器输出与温度的关系的图。

标号说明

1：石英振子(振动元件)；2：振荡器；3：串行接口；4：F/V转换器；5：缓冲器；6：存储器；7：Vdd端子；8：振荡输出端子；9：端子；10：端子；11：存储器输出端子；12：频率偏差电压输出端子；13：频率温度信息；14：GND端子；15：IC封装；30～32：振荡电路；100：频率校正型振荡电路。

具体实施方式

下面，使用图示的实施方式来详细说明本发明。不过，在没有特定说明的情况下，该实施方式所记载的结构要素、种类、组合、形状及其相对配置等均只是单纯的说明例，其主旨不是要将本发明的范围仅限定于此。

图1是示出本发明第1实施方式的振荡电路的结构的图。该振荡电路30是将以下部件一体化在IC封装15内而形成的，即：振荡器(振荡单元)2，其包含石英振子(振动元件)1，输出振荡信号2a；F/V转换器(F/V转换单元)4，其将振荡信号2a转换成与该振荡信号2a的频率对应的电压；以及存储器(存储单元)6，其存储用于对振荡信号2a的频率进行校正的频率校正信息。并且，IC封装15具有振荡输出端子8、频率偏差电压输出端子(F/V转换器输出端子)12、存储器输出端子9、11以及石英振子端子。

即，在图9所示的现有的振荡器40中，设置了用于得到温度信息的温度传感器43，但在本实施方式中，取代温度传感器43，而利用了这样的方式：对振荡信号2a进行F/V转换而直接对频率偏差进行电压换算，然后进行输出。关于振荡器2的频率温度特性，由于石英振子所具有的温度特性表现为振荡频率，因此，频率是相对于温度而变化的。以往，是根据温度信息来预测该振荡频率的温度变化，且是根据另外设置的温度传感器的电压来得到该温度信息。因此，需要温度、电压、频率这三个不同的参数。

在图9所示的现有的振荡器40中，振荡器42与温度传感器43由不同的电路构成，因此，由于因结构引起的热传导以及石英振子41的滞后的问题，使得振荡频率与温度传感器43的特性不再成为完全1对1的关系。

但是，在本实施方式中，不需要温度传感器43，能够去除温度这一参数。相对于以往需要3个参数，在本方式中仅需电压和频率这两个参数。如图1所示，通过对石英振子1的频率进行F/V转换，由此，能够以电压形式得到频率偏差。经F/V转换后的频率偏差电压与谐振频率存在相关关系。如图2所示，与振荡器30的温度特性(图2(a))同样，频率偏差电压相对于温度具有三次的温度特性(图2(b))。但是，频率偏差电压与振荡频率Δf/f为1对1的关系，因此，能够与频率偏差电压对应地直接确定所要校正的振荡频率，能够容易地进行高精度的补偿。

接着，当试着比较温度传感器电压与振荡频率之间的关系时，以往如图10所示，升温时如图10(a)那样示出了三次的温度特性53，与各点A、B、C对应的传感器电压Vf为图10(b)中的a、b、c，降温时如图10(c)那样示出了三次的温度特性54，与各点A′、B′、C′对应的传感器电压Vf为图10(d)中的a′、b′、c′。在以往的情况下，可知有这样的关系：谐振频率在不同的温度点A、B、C处是相同的，与此相对，温度传感器电压则均不相同。为了联系上该关系，需要使用两者中均用到的温度这一参数(条件)，计算与温度的关系式，从而联系上彼此的关系。即，是这样的关系：测定Vf→计算(预测)温度→预测振荡频率→在系统中进行校正。

与此相对，图2中，无需将温度设为参数，即可如图2(c)所示，得到振荡频率Δf/f相对于频率偏差电压Vf为1对1的线性关系，因此能够消除温度的概念。即，成为这样的关系：测定频率偏差电压Vf→预测振荡频率→在系统中进行校正。由此，能够实现校正精度的提高和校正系统的简化。

这还能起到减小存储器所要存储的信息量的效果，能够使存储器小型化，由此还能够实现IC芯片的小型化。

如上所述，在利用现有的温度传感器来校正频率的情况下，处于温度传感器电压Vf与压电振荡器的频率Δf/f未成为理想的1对1关系的状态。因此，需要进行用于将温度传感器电压Vf与频率Δf/f对应起来的运算。此外，在石英振子1的温度特性中，具有升温时与降温时温度特性彼此不同的所谓的滞后特性，温度特性也因其而变化，因此在升温时与降温时可能会产生误差。因此，在本发明中，取代了温度传感器43，而是具有产生与频率对应的电压的F/V转换器4，并将其输出电压作为频率偏差电压Vf。由此，能够使频率偏差电压Vf与压电振荡器的频率Δf/f成为1对1的对应关系。

图3是示出本发明第2实施方式的振荡电路的结构的图。该振荡电路31除了图1的结构以外，还具有对振荡信号2a的频率进行分频的分频器(分频单元)16，且构成为将分频器16分频后的信号输出到F/V转换器4。此外，具有向F/V转换器4的输入端提供振荡信号2a或由分频器16分频后的信号中的任意一方的开关(切换单元)17。此外，虽然省略了图示，但是还具有将分频器16的分频比设定为预定值的分频比设定单元。

即，在振荡信号2a的频率高的情况下，需要选择能够跟上其频率的F/V转换器。但是，使用频率高的F/V转换器必然导致部件成本变高，并且当频率变高时，功耗也增大。因此，在本实施方式中，具有对振荡信号2a的频率进行分频的分频器16，且通过F/V转换器4对由分频器16分频后的信号进行转换。由此，即使在振荡频率高的情况下，也能够使用低成本的F/V转换器4，并且能够减小振荡电路的功耗。

此外，对于能够将振荡频率的可变范围设定得大的振荡电路，根据振荡频率不同，存在对频率进行分频和不进行分频这两种情况。此时，在电路上需要这样的结构，即：具有分频器16，并且对是否使用分频器16进行切换。因此，在本实施方式中，具有向F/V转换器4的输入端提供振荡信号2a或由分频器16分频后的信号中的任意一方的开关17。由此，能够提供操作简单且支持大范围的振荡频率的振荡电路。

此外，规定了F/V转换器4所能进行转换的上限频率。因此，需要根据振荡频率确定将分频器16的分频比设定为多少。因此，在本实施方式中，具有将分频器16的分频比设定为预定值的分频比设定单元(未图示)。由此，能够根据振荡频率任意地设定最佳的分频比。

图4是示出本发明第3实施方式的振荡电路的结构的图。该振荡电路32具有将图3的F/V转换器4的输出信号转换为数字信号的A/D转换器18。在图4的例子中，构成为将F/V转换器4的输出信号输出到端子12、将A/D转换器18的输出信号输出到端子19，但也可以仅输出到端子19。此外，图1的实施方式也同样可以具有将F/V转换器4的输出信号转换为数字信号的A/D转换器18。由此，不需要在系统侧对频率偏差电压Vf进行A/D转换，能够减轻系统侧的负荷。

图5是示出本发明的频率校正型振荡电路的结构的图。本实施方式的频率校正型振荡电路100具有：在频率温度特性中具有滞后特性的压电振子1、使压电振子1振荡而输出振荡信号33的振荡电路2、以及存储电路6，在存储电路6中，存储有表示位于以下区域中的频率温度特性的频率温度信息13，所述区域是由受到滞后特性的影响而表现出的振荡信号的两种频率温度特性围成的区域。这里，所谓两种频率温度特性，是指压电振子1温度上升时的频率温度特性和温度下降时的频率温度特性，以基准温度为中心表现出由两种特性曲线围成的区域。此外，频率校正型振荡电路100在工作时与温度补偿电路20连接。

因此，当更详细地说明本实施方式的频率校正型振荡电路100时，其具有以下部件：压电振子1，其在频率温度特性中具有滞后特性；振荡电路2，其使压电振子1振荡而输出振荡信号33，将振荡信号33输出到温度补偿电路20，该温度补偿电路20能够使用表示压电振子1的振荡频率的温度特性的频率温度信息34和振荡产生振荡信号33时压电振子1的温度信息来计算温度补偿量26；以及存储电路6，其存储使压电振子1的周围温度上升时生成的压电振子1的升温频率温度信息53与使周围温度下降时生成的压电振子1的降温频率温度信息54的中间值作为频率温度信息13，并将该频率温度信息13输出到温度补偿电路20。

此外，在该频率校正型振荡电路中：设置有将频率偏差转换为电压并将其作为检测电压36而输出的F/V转换器4，并且，根据表示为检测电压36的函数的升温频率温度信息53和降温频率温度信息54计算出频率温度信息34并将其存储到存储电路6中，振荡电路2将振荡信号33输出到使用频率温度信息13和检测电压36计算温度补偿量26的温度补偿电路20，F/V转换器4将检测电压36输出到温度补偿电路20。

即，在利用现有的温度传感器校正频率的情况下，处于温度传感器电压与压电振荡器的频率未成为1对1关系的状态。因此，需要进行用于将温度传感器电压与频率对应起来的运算。此外，在振动元件的温度特性中，具有升温时与降温时温度特性彼此不同的所谓的滞后特性，温度传感器电压也因其而变化，因此，在升温时和降温时可能会产生误差。因此，在本实施方式中，取代了温度传感器，而是具有产生与频率对应的电压的F/V转换器4，并且检测其输出电压作为温度传感器电压36，根据该电压和频率校正信息34校正振荡信号的频率。由此，能够使温度传感器电压与压电振荡器的频率成为1对1的对应而对振荡信号的频率进行校正。

Claims (9)

1.一种振荡电路，其特征在于，该振荡电路具有：

振荡单元，其包含振动元件，输出振荡信号；

F/V转换单元，其将所述振荡信号转换为与所述振荡信号的频率对应的电压；以及

存储单元，其存储用于对所述振荡信号的频率进行校正的频率校正信息。

2.根据权利要求1所述的振荡电路，其特征在于，

该振荡电路具有对所述振荡信号的频率进行分频的分频单元，且构成为将由该分频单元分频后的信号输入到所述F/V转换单元。

3.根据权利要求2所述的振荡电路，其特征在于，

该振荡电路具有分频比设定单元，该分频比设定单元将所述分频单元的分频比设定为预定值。

4.根据权利要求1所述的振荡电路，其特征在于，

该振荡电路具有切换单元，该切换单元向所述F/V转换单元的输入端提供所述振荡信号或由所述分频单元分频后的信号中的任意一方。

5.一种频率校正型振荡电路，其特征在于，该频率校正型振荡电路具有：

振荡单元，其包含振动元件，输出振荡信号；

F/V转换单元，其将所述振荡信号的频率转换为与其对应的电压；

存储单元，其存储用于对所述振荡信号的频率进行校正的频率校正信息；以及

频率校正电路，其根据所述F/V转换单元的输出电压和所述频率校正信息，校正所述振荡信号的频率。

6.根据权利要求5所述的频率校正型振荡电路，其特征在于，

该频率校正型振荡电路具有对所述振荡信号的频率进行分频的分频单元，且构成为将由该分频单元分频后的信号输入到所述F/V转换单元。

7.根据权利要求6所述的频率校正型振荡电路，其特征在于，

该频率校正型振荡电路具有分频比设定单元，该分频比设定单元将所述分频单元的分频比设定为预定值。

8.根据权利要求5所述的频率校正型振荡电路，其特征在于，

该频率校正型振荡电路具有切换单元，该切换单元向所述F/V转换单元的输入端提供所述振荡信号或由所述分频单元分频后的信号中的任意一方。

9.根据权利要求5所述的频率校正型振荡电路，其特征在于，

所述频率校正信息是用于对所述振荡信号的频率温度特性进行补偿的温度补偿信息。

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