JP2000156609A - 温度補償型水晶発振器 - Google Patents

温度補償型水晶発振器

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JP2000156609A
JP2000156609A JP11256826A JP25682699A JP2000156609A JP 2000156609 A JP2000156609 A JP 2000156609A JP 11256826 A JP11256826 A JP 11256826A JP 25682699 A JP25682699 A JP 25682699A JP 2000156609 A JP2000156609 A JP 2000156609A
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Yasuhiro Sakurai
保宏 桜井
Hiroyuki Miyama
博行 深山
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度補償型水晶発振器の低消費電力化を実現
しながら位相ノイズの増加を防ぐ。 【解決手段】 温度補償型水晶発振回路1を駆動するた
めの定電圧発生回路10を、差動回路5と、その差動回
路5に帰還信号を供給する直流負荷7と、差動回路5が
出力する制御信号によって直流負荷7と温度補償型水晶
発振回路1とを駆動するドライバ9と、その制御信号か
ら高周波成分を除去してドライバ9に印加する受動素子
のみからなるローパスフィルタ13とによって構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、携帯電話機など
の通信機器に搭載用の温度補償型水晶発振器に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】通信機器に搭載用の温度補償型水晶発振
器とは、10MHz帯のATカット水晶振動子を振動源
として、これに何らかの周波数調整回路を用いて温度補
償回路を構成し、ATカット水晶振動子の3次曲線の温
度特性を打ち消すことにより発振周波数を安定化させる
ものである。
【0003】携帯機器に搭載するものであるから、低消
費電力であることという要求は従来も厳しかったが、こ
れまでは通話待機中は温度補償型水晶発振器の電源をほ
とんどの時間切っておくという仕様であったため、3V
電源で1mA以上の消費電流の製品でも許容されてい
た。
【0004】しかし、最近は国際間の通話方式の共通化
に向けてCDMA(code devisionmultiple access)と
いう方式を採用する気運が高まりつつある。そして、C
DMAの仕様では通話待機中も温度補償型水晶発振器の
電源を切らないので、より一層の低電力化が要求される
ようになってきている。
【0005】ところで、低消費電力化を達成する最も有
効な方法は、水晶発振回路の駆動電圧を低くすることで
ある。そこで、低消費電力化をねらう温度補償型水晶発
振器においては、定電圧発生回路で温度補償型水晶発振
回路を駆動する構成を採用している。
【0006】このような従来の温度補償型水晶発振器の
構成の1つの例を図5に示す。この温度補償型水晶発振
器は、温度補償型水晶発振回路1を定電圧発生回路3で
駆動する。
【0007】その定電圧発生回路3は、ある基準電圧A
を一つの入力とする差動回路5と、直流負荷7と、差動
回路5の制御下にあって直流負荷7および温度補償型水
晶発振回路1を駆動するFETによるドライバ9と、自
励発振防止用の位相補償コンデンサ11とからなる。
【0008】直流負荷7は、差動回路5に帰還信号を供
給し基準電圧Aと温度補償型水晶発振回路1の駆動電圧
との比、すなわち増幅率を決定するものであり、この例
では同一種類の第1の抵抗7aと第2の抵抗7bとの直
列接続で構成されている。この図5に示す差動回路5
は、n型基板あるいはp型基板を使用した4個のCMO
S FET Q1〜Q4によって構成されているが、バイ
ポーラトランジスタによって構成される場合もある。
【0009】また、定電圧発生回路3において直流負荷
7は必須のものではない。もし温度補償型水晶発振回路
1の駆動電圧に等しい基準電圧Aを得ることができるな
らば、直流負荷7をなくして、定電圧発生回路3の出力
をそのまま差動回路5の帰還信号としてよい。
【0010】いずれにしても、定電圧発生回路3を用い
て温度補償型水晶発振回路1の駆動電圧を電源電圧V1
−V2(V2は通常グランド電位)よりも低くすること
により、温度補償型水晶発振器の低消費電力化を達成す
ることができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに定電圧発生回路3を用いて温度補償型水晶発振回路
1を駆動すると、電源電圧で直接温度補償型水晶発振回
路を駆動する場合に比べて、位相ノイズが増加するとい
う問題がある。その理由を以下に説明する。
【0012】図5に示した従来の低消電型の温度補償型
水晶発振器は、ドライバ9や差動回路5などによって定
電圧発生回路3を構成し、この定電圧発生回路3の出力
で温度補償型水晶発振回路1を駆動している。そして、
この駆動電圧の定電圧性を保持する手段としては、フィ
ードバック制御が用いられるのが一般的である。
【0013】ところで、温度補償型水晶発振回路1は、
長期的には安定な負荷であるが、短期的には発振の位相
状態に応じて電流が脈動する特性を有している。つま
り、インピーダンスが短期的に変化する性質を持つ負荷
である。
【0014】このような短期的変動性の負荷を従来の定
電圧発生回路3で駆動すると、ドライバ9の出力電圧が
負荷変動の影響で脈動するため、差動回路5に帰還して
くる信号も脈動することになる。このような場合、電圧
レギュレータは、出力電圧を一定に保つために負荷変動
を打ち消す動作を行う。
【0015】電圧レギュレータの応答速度が充分に速く
て、温度補償型水晶発振回路1の周波数に追随できるな
らば、出力電圧は一定のまま保たれる。しかし、定電圧
発生回路3においてドライバ9を制御している差動回路
5を、10MHz帯の温度補償型水晶発振回路1に追随
できるほど高速にすることは、きわめて困難である。
【0016】そのため、温度補償型水晶発振回路1の1
0MHz帯の変動に対し、定電圧発生回路3はそれより
も低い周波数(例えば1kHz)で負荷変動を補償する
動作を行う。つまり、定電圧発生回路3の出力電圧を一
定に保とうとする速度よりも負荷変動の方が高速である
ため、出力電圧を一定に保つことができず、出力電圧は
10MHz帯よりも低い周波数で変動する特性を示すこ
とになる。
【0017】温度補償型水晶発振回路1の発振周波数は
駆動電圧によって変化するから、定電圧発生回路3の出
力電圧がある周波数で変化すると、温度補償型水晶発振
回路1の発振周波数が微妙に変調されることになる。こ
の発振周波数の微妙な変調が、位相ノイズの悪化として
現れるのである。
【0018】従来技術の電圧レギュレータにおいては、
差動回路の応答可能周波数は数10kHz程度である。
このような定電圧発生回路3の場合、温度補償型水晶発
振回路の発振周波数からの偏差が数10kHz以内の範
囲に対して、位相ノイズを悪化させることになる。
【0019】現状の携帯電話機の仕様では、発振周波数
からの偏差が1Hzから100kHzの間の範囲での位
相ノイズが低いことを要求しており、従来の定電圧発生
回路はこの大部分の範囲の位相ノイズを悪化させている
ことになる。
【0020】この発明は、このような従来の問題点に鑑
みてなされたものであり、温度補償型水晶発振器の低電
圧駆動による低消費電力化を達成するとともに、位相ノ
イズが増加しないようにすることを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するため、温度補償型水晶発振回路を定電圧発生回
路が駆動する温度補償型水晶発振器において、その定電
圧発生回路を次のように構成する。
【0022】すなわち、温度補償型水晶発振回路を駆動
するドライバと、そのドライバに対する制御信号を発生
する制御信号発生回路と、その制御信号発生回路が発生
する制御信号から高周波成分を除去して上記ドライバに
印加する受動素子のみからなるローパスフィルタとによ
って定電圧発生回路を構成する。上記制御信号発生回路
は、差動回路と、その差動回路に帰還信号を供給する直
流負荷とによって構成することができる。
【0023】また、上記定電圧発生回路を、差動回路
と、その差動回路に帰還信号を供給する直流負荷と、上
記差動回路が発生する制御信号によって制御され、上記
直流負荷を駆動する第1のドライバと、その第1のドラ
イバと同一種類のデバイスであり、上記制御信号によっ
て制御されて上記温度補償型水晶発振回路を駆動する第
2のドライバと、上記差動回路が発生する制御信号から
高周波成分を除去して上記第2のドライバに印加する受
動素子のみからなるローパスフィルタとによって構成し
てもよい。上記第1のドライバの制御端子と出力端子の
間に位相補償コンデンサを接続してもよい。
【0024】あるいはまた、上記定電圧発生回路を、定
電流負荷と、その定電流負荷を駆動すると共に制御信号
を発生する第1のドライバと、その第1のドライバと同
一種類のデバイスであり、上記制御信号によって制御さ
れて上記温度補償型水晶発振回路を駆動する第2のドラ
イバと、上記第1のドライバが出力する制御信号から高
周波成分を除去して上記第2のドライバに印加する受動
素子のみからなるローパスフィルタとによって構成して
もよい。これらの温度補償型水晶発振器において、上記
ローパスフィルタは、遮断周波数が1Hz以下であるこ
とが望ましい。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明に
よる温度補償型水晶発振器の最適な実施の形態を説明す
る。 〔第1の実施形態:図1〕まず、この発明の第1の実施
形態について説明する。図1は、その第1の実施形態と
しての温度補償型水晶発振器の構成を示すブロック回路
図である。
【0026】この温度補償型水晶発振器は、図1に示す
ように温度補償型水晶発振回路1を定電圧発生回路10
が駆動する。その定電圧発生回路10は、ある基準電圧
Aを1つの入力とする差動回路5と、その差動回路5に
帰還信号を供給する直流負荷7とからなる制御信号発生
回路と、その直流負荷7および温度補償型水晶発振回路
1を駆動するFETによるドライバ9と、差動回路5か
ら出力されてドライバ9を制御する制御信号から高周波
成分を除去するローパスフィルタ13とからなる。
【0027】差動回路5は4個のCMOS FET Q1
〜Q4によって構成され、直流負荷7は、同一種類の第
1の抵抗7aと第2の抵抗7bとの直列接続によって構
成されている。また、ローパスフィルタ13は受動素子
のみで構成され、この例では抵抗13aとコンデンサ1
3bとで構成されている。
【0028】一般に、定電圧発生回路の出力電圧を設定
値からずらす要因には、電源電圧変動やデバイス特性の
製造ばらつきや負荷変動などがある。そして、これらの
変動要因に対処するのが、ドライバの出力またはその分
圧を差動回路に帰還する、いわゆるフィードバック制御
である。
【0029】図1に示す定電圧発生回路10では、ドラ
イバ9の出力の分圧が直流負荷7から差動回路5に帰還
される。つまり、ドライバ9と直流負荷7とは、フィー
ドバックループを構成する。このフィードバックの働き
により、電源電圧の変動やデバイス特性の製造ばらつき
や負荷変動によらず、ドライバ9の出力は基準電圧Aの
定数倍の一定値を保つことができる。このような構成
は、図5に示した従来例と同様である。
【0030】さて、ドライバ9は、短期的変動性の負荷
である温度補償型水晶発振回路1を駆動するから、負荷
変動の影響により駆動電圧が脈動することになる。その
ため、直流負荷7から差動回路5にフィードバックされ
る帰還信号も脈動するから、差動回路5の動作点が変動
することになる。差動回路5の動作が充分に高速であれ
ば、帰還信号の脈動に追随して動作できるから、動作点
の変動周波数は温度補償型水晶発振回路1の発振周波数
に一致する。
【0031】しかしながら、差動回路5の動作があまり
高速になると、定電圧発生回路3が自励発振してしまう
ので、通常は作動回路5を流れる電流を減らすなどの手
段によって、差動回路5が高速に動作しないようにしな
ければならない。そのため、差動回路5は帰還信号の脈
動に追随できず、ドライバ9への制御信号の変動の最大
周波数は、帰還信号の脈動の周波数すなわち温度補償型
水晶発振回路1の発振周波数(10MHz帯)よりも低
くなる。通常は数10kHz程度である。
【0032】前述のように、図5に示した従来例におい
ては、このような周波数で変動する制御信号によりドラ
イバ9を直接制御するため、温度補償型水晶発振回路1
の発振周波数と異なる周波数で駆動電圧が変動し、発振
周波数からの偏差が数10kHz以内の範囲における位
相ノイズの悪化を引き起こすのである。
【0033】これに対して、図1に示すこの発明による
温度補償型水晶発振器においては、制御信号発生回路の
差動回路5から出力する制御信号を直接ドライバ9に印
加するのではなく、ローパスフィルタ13を通して印加
する構成にしている。この構成により、ドライバ9に印
加される制御信号の変動周波数成分は、ローパスフィル
タ13の遮断周波数以下になる。
【0034】その結果、定電圧発生回路10による位相
ノイズの悪化は、温度補償型水晶発振回路1の発振周波
数からの偏差がローパスフィルタ13の遮断周波数以下
の範囲に限られ、これよりも偏差が大きい範囲の位相ノ
イズは、温度補償型水晶発振回路1を電源電圧で直接駆
動する場合の位相ノイズと同等になる。
【0035】現状の携帯電話機の仕様では、発振周波数
からの偏差が1Hzから100kHzの間の範囲におけ
る位相ノイズが低いことを要求しているから、ローパス
フィルタ13の遮断周波数を1Hz以下に設定すれば、
定電圧発生回路3を使用する温度補償型水晶発振器であ
っても、この要求を満足することができる。このような
定電圧発生回路10を使用することによる位相ノイズの
悪化は、発振周波数からの偏差が1Hz以下の範囲であ
り、問題とはならない。
【0036】以上のように、この第1の実施形態によれ
ば、温度補償型水晶発振器の低消費電力化のために定電
圧発生回路を使用しても、要求される偏差範囲における
位相ノイズの悪化が生じないようにすることができる。
【0037】つぎに、この発明で用いるローパスフィル
タ13の構成について説明する。図1に示す実施形態で
は、抵抗13aとコンデンサ13bとでローパスフィル
タを構成しており、それぞれの値をR(Ω)、C(F)
とすれば、遮断周波数は1/2πRCとなるから、これ
が1Hz以下になるよう、それぞれの値を選択すればよ
い。たとえば、抵抗13aを100M(Ω)程度とし、
コンデンサ13bを0.01μ(F)程度とすればよ
い。もちろん遮断周波数をもっと低くすることはなんら
差し支えない。
【0038】この発明に用いるローパスフィルタは、図
1に示すように受動デバイスのみで構成する受動フィル
タでなければならず、能動デバイスを用いるアクティブ
フィルタであってはならない。
【0039】なぜならば、アクティブフィルタはフィー
ドバック制御によってその性能が発揮されるように構成
されており、基本的には従来例の定電圧発生回路と同様
のノイズ成分を有するからである。つまり、ノイズ成分
を除去するためのローパスフィルタ自身が、ノイズ成分
を出してしまうことになる。受動デバイスには抵抗とコ
ンデンサの他にコイルがあり、抵抗13aをコイルで置
き換えてもよい。
【0040】〔第2の実施形態:図2〕つぎに、この発
明の第2の実施形態について説明する。図2は、その第
2の実施形態としての温度補償型水晶発振器の構成を示
すブロック回路図であり、図1と対応する部分には同一
の符号を付している。この温度補償型水晶発振器は、図
2に示すように温度補償型水晶発振回路1を定電圧発生
回路20が駆動する。
【0041】その定電圧発生回路20は、ある基準電圧
Aを1つの入力とする差動回路5と、その差動回路5に
帰還信号を供給する直流負荷7と、差動回路5の制御下
にあって直流負荷7を駆動する第1のドライバ9aと、
温度補償型水晶発振回路1を駆動する第2のドライバ9
bと、第1のドライバ9aの制御信号から高周波成分を
除去して第2のドライバ9bに印加するローパスフィル
タ13と、第1のドライバ9aの制御端子と出力端子の
間に接続した位相補償コンデンサ11からなる。
【0042】この定電圧発生回路20において、ローパ
スフィルタ13と第2のドライバ9bを除いた部分が第
1の実施形態の制御信号発生回路に相当する。差動回路
5は4個のCMOS FET Q1〜Q4によって構成さ
れ、直流負荷7は、同一種類の第1の抵抗7aと第2の
抵抗7bとの直列接続で構成する。また、ローパスフィ
ルタ13は受動素子のみで構成され、この例では抵抗1
3aとコンデンサ13bとで構成される。これらの構成
は、図1に示した第1の実施形態と同様である。
【0043】第1のドライバ9aと第2のドライバ9b
とは、同一種類のデバイスで構成するものとする。位相
補償コンデンサ11は自励発振防止用に設けているが、
必須ではない。
【0044】この第2の実施形態では、温度補償型水晶
発振回路1とそれを駆動する第2のドライバ9bとは、
フィードバックループの外にあり、第2のドライバ9b
は第1のドライバ9aの制御信号を一方的に受け取るだ
けであるから、ローパスフィルタ13は必要がないよう
にみえる。
【0045】しかし、温度補償型水晶発振回路1は、第
2のドライバ9bの駆動電圧のみでなく、電源電圧にも
変動を及ぼすため、結果的に差動回路5にフィードバッ
クする帰還信号を変動させてしまう。そのため、第1の
ドライバ9aの制御信号には位相ノイズを悪化させる変
動が重畳されてしまうのである。このような場合でも、
ローパスフィルタ13の遮断周波数を1Hz以下にすれ
ば、携帯電話機が要求する周波数偏差範囲内での位相ノ
イズの悪化を防ぐことができる。
【0046】図2に示す第2の実施形態のように、ロー
パスフィルタ13をフィードバックループの外に設ける
構成の方が、フィードバックループの中に設けるよりも
フィルタ効果が大きい。
【0047】〔第3の実施形態:図3〕つぎに、この発
明の第3の実施形態について説明する。図3は、その第
3の実施形態としての温度補償型水晶発振器の構成を示
すブロック回路図であり、図1,図2と対応する部分に
は同一の符号を付している。この温度補償型水晶発振器
は、図3に示すように温度補償型水晶発振回路1を定電
圧発生回路30が駆動する。
【0048】その定電圧発生回路30は、定電流負荷1
5を駆動するFETをダイオード接続した構成の第1の
ドライバ9aと、温度補償型水晶発振回路1を駆動する
第2のドライバ9bと、第1のドライバ9aが出力する
制御信号から高周波成分を除去して第2のドライバ9b
に印加するローパスフィルタ13とからなる。
【0049】第1のドライバ9aの出力電圧は、ある一
定以上の電源電圧のもとではほぼ一定値となる。したが
って、この第3の実施形態では第2のドライバ9bを定
電圧で制御する構成であり、この定電圧に変動がない限
り、ローパスフィルタ13は不要である。
【0050】しかし、温度補償型水晶発振回路1が電源
電圧を変動させる結果、第1のドライバ9aの出力電圧
も変動するから、この出力電圧で直接第2のドライバ9
bを制御すると、やはり位相ノイズが悪化してしまう。
このような場合でも、ローパスフィルタ13によって第
1のドライバ9aの出力電圧から高周波成分を除去する
ことにより、位相ノイズの悪化を防止できる。
【0051】〔位相ノイズ改善の説明〕次に、この発明
による位相ノイズの改善度合について図4によって説明
する。図4は、この発明による温度補償型水晶発振器の
位相ノイズと、従来の温度補償型水晶発振器の位相ノイ
ズとのオフセット周波数に対する実測値を示すグラフで
ある。
【0052】この位相ノイズのグラフは、曲線が下にあ
るほど位相ノイズが低いことを表しており、曲線Aで示
す従来の温度補償型水晶発振器の位相ノイズと比較し
て、曲線Bで示すこの発明による温度補償型水晶発振器
の位相ノイズはかなり低くなっている。特に、オフセッ
ト周波数が1kHz以上では、位相ノイズの悪化防止の
効果が顕著である。
【0053】以上、この発明の3つの実施形態について
説明したが、この発明は上述した実施の形態に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変
更が可能であることは言うまでもない。
【0054】たとえば、上述の実施形態においては、差
動回路やドライバはMOSトランジスタで構成している
が、バイポーラトランジスタで構成してもよい。また、
ローパスフィルタは1段の抵抗とコンデンサとで構成し
ているが、複数段の抵抗とコンデンサとで構成してもよ
い。
【0055】
【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
る温度補償型水晶発振器は、ローパスフィルタによって
応答周波数を低くした定電圧発生回路で温度補償型水晶
発振回路を駆動するようにしたので、消費電力を低くし
ながら位相ノイズの悪化を防止することができる。した
がって、特にCDMA仕様が要求される携帯電話機搭載
用の温度補償型水晶発振器に適用すれば、その効果は極
めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による温度補償型水晶発振器の第1の
実施形態の構成を示すブロック回路図である。
【図2】この発明による温度補償型水晶発振器の第2の
実施形態の構成を示すブロック回路図である。
【図3】この発明による温度補償型水晶発振器の第3の
実施形態の構成を示すブロック回路図である。
【図4】この発明による温度補償型水晶発振器と従来の
温度補償型水晶発振器との位相ノイズの比較例を示す線
図である。
【図5】従来の温度補償型水晶発振器の構成例を示すブ
ロック回路図である。
【符号の説明】
1:温度補償型水晶発振回路 5:差動回路 7:直流負荷 9:ドライバ 9a:第1のドライバ 9b:第2のドライバ 10,20,30:定電圧発生回路 11:位相補償コンデンサ 13:ローパスフィルタ 13a:抵抗 13b:コンデンサ 15:定電流負荷

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 温度補償型水晶発振回路を定電圧発生回
    路が駆動する温度補償型水晶発振器であって、 前記定電圧発生回路が、 前記温度補償型水晶発振回路を駆動するドライバと、 該ドライバに対する制御信号を発生する制御信号発生回
    路と、 該制御信号発生回路が発生する制御信号から高周波成分
    を除去して前記ドライバに印加する受動素子のみからな
    るローパスフィルタとによって構成されていることを特
    徴とする温度補償型水晶発振器。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の温度補償型水晶発振器に
    おいて、 前記制御信号発生回路が、差動回路と、その差動回路に
    帰還信号を供給する直流負荷とからなり、前記ドライバ
    が前記温度補償型水晶発振回路と共に前記直流負荷も駆
    動するようにしたことを特徴とする温度補償型水晶発振
    器。
  3. 【請求項3】 温度補償型水晶発振回路を定電圧発生回
    路が駆動する温度補償型水晶発振器であって、 前記定電圧発生回路が、 差動回路と、 該差動回路に帰還信号を供給する直流負荷と、 前記差動回路が発生する制御信号によって制御され、前
    記直流負荷を駆動する第1のドライバと、 該第1のドライバと同一種類のデバイスであり、前記制
    御信号によって制御されて前記温度補償型水晶発振回路
    を駆動する第2のドライバと、 前記差動回路が発生する制御信号から高周波成分を除去
    して前記第2のドライバに印加する受動素子のみからな
    るローパスフィルタとによって構成されていることを特
    徴とする温度補償型水晶発振器。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の温度補償型水晶発振器に
    おいて、 前記第1のドライバの制御端子と出力端子の間に位相補
    償コンデンサを接続したことを特徴とする温度補償型水
    晶発振器。
  5. 【請求項5】 温度補償型水晶発振回路を定電圧発生回
    路が駆動する温度補償型水晶発振器であって、 前記定電圧発生回路が、 定電流負荷と、 該定電流負荷を駆動すると共に制御信号を発生する第1
    のドライバと、 該第1のドライバと同一種類のデバイスであり、前記制
    御信号によって制御されて前記温度補償型水晶発振回路
    を駆動する第2のドライバと、 前記第1のドライバが出力する制御信号から高周波成分
    を除去して前記第2のドライバに印加する受動素子のみ
    からなるローパスフィルタとによって構成されているこ
    とを特徴とする温度補償型水晶発振器。
  6. 【請求項6】 前記ローパスフィルタの遮断周波数が1
    Hz以下である請求項1乃至5のいずれか一項に記載の
    温度補償型水晶発振器。
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