JP2000307346A - 水晶発振回路の周波数温度補償回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な構成でありながら、広い温度範囲で、
良好な温度補償を行うことができる水晶発振周波数の温
度補償回路を提供する。 【解決手段】 温度が上昇し、サーミスタＮＴＣ２の抵
抗値が減少すると、抵抗Ｒ６による電源電圧ＶCC2の分
圧電圧が減少し、トランジスタＱ２のベース電位が低下
し、コレクタ電位は上昇するが飽和するようになる。飽
和後は、温度の上昇に伴って、サーミスタＮＴＣ３，Ｎ
ＴＣ４の抵抗値もそれぞれ減少するため、コレクタ電位
は逆に低下する。このコレクタ電位がバリキャップＤ２
に逆電圧として印加されるため、バリキャップＤ２の容
量は、温度上昇とともに減少し、やがて増大する。バリ
キャップＤ２は、水晶振動子Ｘ１の負荷容量となってお
り、水晶振動子Ｘ１の周波数温度変化と逆の働きをする
ため、温度が補償されるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水晶発振回路にお
ける周波数変動の温度補償回路に関するものである。

【０００２】

【背景技術】水晶発振における周波数温度補償回路とし
ては、例えば図４に示すような回路が知られている。こ
の例は、温度補償用コンデンサＣ３，Ｃ４，Ｃ５を使用
した直接型の水晶発振回路である。この回路では、発振
周波数が水晶振動子Ｘ１の負荷インピーダンスの容量成
分によって変化する。このため、温度変化に対して負の
特性を持った温度補償用のコンデンサをＣ３〜Ｃ５を使
用することで、温度補償が行われる。なお、図中、コイ
ルＬ１は同調用、Ｌ２は冗長用、Ｌ３は共振用、抵抗Ｒ
１はＱダンプ用、抵抗Ｒ２は固定バイアス設定用、コン
デンサＣ１はカップリング用、コンデンサＣ２は同調
用、コンデンサＣ６はバイパス用、トランジスタＱ１は
帰還増幅用である。

【０００３】図５(A)には、前記背景技術による温度補
償の様子が示されている。同図中、横軸は温度［℃］，
縦軸は周波数偏差［PPM］である。グラフＧ１は、水晶
振動子Ｘ１単体の周波数偏差、すなわち温度に対する周
波数変動の程度を示す。このグラフＧ１のように、２５
℃付近から温度が上昇すると、発振周波数は低下するも
のの、６０℃付近からは上昇する。逆に、２５℃付近か
ら温度が低下すると、発振周波数は上昇するものの、−
１０℃付近からは低下する。これに対し、温度補償用コ
ンデンサＣ３〜Ｃ５による温度補償は、グラフＧ２で示
すようにほぼ直線的となっており、温度の上昇とともに
周波数補償の程度も上昇する。このため、温度補償後の
周波数偏差は、グラフＧ３で示すようになる。

【０００４】次に、図６の例は、負温度係数のサーミス
タＮＴＣ１及びバリキャップダイオード（以下単に「バ
リキャップ」という）Ｄ１を使用した間接型の水晶発振
回路である。温度が上昇すると、サーミスタＮＴＣ１の
抵抗値が下がる。すると、バリキャップＤ１の逆電圧が
上昇し、その容量が減少する。バリキャップＤ１はコン
デンサＣ８と並列に接続されているので、それら全体の
容量も減少する。一方、上述したように、水晶振動子Ｘ
１の負荷インピーダンスは容量成分によって変化するの
で、同様に温度補償が行われる。なお、図中、コンデン
サＣ６〜Ｃ８は負荷コンデンサ、抵抗Ｒ４，Ｒ５は電源
電圧の分圧用抵抗である。

【０００５】他に、温度データをＲＯＭに記憶して制御
するデジタル制御型の温度補償回路も知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような背景技術には次のような不都合がある。図５(A)
に示したように、水晶振動子単体の温度に対する周波数
変動は、グラフＧ１で示したように３次関数を描いてい
る。一方、温度補償用コンデンサによる温度補償では、
グラフＧ２で示したように１次関数の温度補償しかでき
ない。このため、グラフＧ３で示したように、常温に近
い部分では効果があるが、ある程度の温度以上（特に７
０℃以上）あるいは以下（特に−２０℃以下）になる
と、逆に周波数変動を大きくするように作用してしま
う。

【０００７】更に、水晶振動子単体の温度特性にもばら
つきがある。例えば、±８ppm程度の周波数変動がある
水晶振動子単体を使用したとする。前記図５(A)では、
グラフＧ１のように、＋６０℃で＋６ppm、−１０℃付
近で−８ppmとなる。しかし、図５(B)にグラフＧ４で示
す例では、＋８０℃付近で＋８ppm、−３０℃付近で−
８ppmとなる。このような周波数偏差のある水晶振動子
に、同様に温度補償用コンデンサによるグラフＧ２の温
度補償を行ったとすると、温度補償後の周波数偏差は、
グラフＧ５で示すようになる。これと、前記グラフＧ３
を比較すれば明らかなように、＋８０℃及び−３０℃に
おける周波数偏差は更に大きくなってしまう。

【０００８】次に、図６に示したサーミスタによる間接
型の温度補償回路では、水晶発振回路の発振条件に影響
を与ええてしまうという点で好ましくない。更に、デジ
タル型の温度補償回路では、高精度の温度補償を行うこ
とができるものの、コストが高くなるという不都合があ
る。

【０００９】本発明は、以上の点に着目したもので、簡
易な構成でありながら、広い温度範囲で良好な温度補償
を行うことができる水晶発振回路の周波数温度補償回路
を提供することを、その目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、水晶振動子の負荷側に接続された可変容
量素子に温度補償のための逆電圧を印加する逆電圧印加
回路を備えた水晶発振回路の周波数温度補償回路におい
て、前記逆電圧発生回路が、制御端子側に印加される電
圧によって主端子側に流れる電流を制御する電流制御素
子；この電流制御素子の制御端子側に接続された第１の
負性抵抗素子；前記電流制御素子の主端子側にそれぞれ
接続された第２及び第３のの負性抵抗素子；これらの各
素子を利用して略３次曲線で表される電圧を生成し、前
記可変容量素子に逆電圧として印加する逆電圧印加手
段；を含むことを特徴とする。

【００１１】主要な形態によれば、前記電流制御素子は
トランジスタであり、前記第１，第２及び第３の負性抵
抗素子は第１，第２及び第３のサーミスタであり、前記
トランジスタのベース側に前記第１のサーミスタを接続
し、前記トランジスタのエミッタ側に前記第２のサーミ
スタを接続し、前記トランジスタのコレクタ側に第３の
サーミスタを接続し、前記トランジスタのコレクタ電位
を、前記逆電圧として前記可変容量素子に印加すること
を特徴とする。

【００１２】他の形態によれば、前記第２のサーミスタ
は、主として低温時に前記トランジスタのコレクタ電位
を下げ、前記第３のサーミスタは、主として高温時に前
記可変容量素子の逆電圧を上げることを特徴とする。本
発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な
説明及び添付図面から明瞭になる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て詳細に説明する。図１には、本形態にかかる温度補償
回路の構成が示されている。なお、上述した背景技術と
対応する構成要素には、同一の符号を用いている。本形
態では、電源電圧としてＶCC1とＶCC2が用いられ、電源
電圧ＶCC1は前記背景技術と同様に抵抗Ｒ２側に供給さ
れている。

【００１４】一方、電源電圧ＶCC2は、抵抗Ｒ６，Ｒ７
にそれぞれ供給されている。抵抗Ｒ６とアースとの間に
は、負温度係数のサーミスタＮＴＣ２が接続されてい
る。これら抵抗Ｒ６，サーミスタＮＴＣ２によって電源
電圧ＶCC2が分圧され、トランジスタＱ２のベースに印
加されるようになっている。このトランジスタＱ２のコ
レクタには、前記抵抗Ｒ７が接続されている。また、ト
ランジスタＱ２のエミッタとアースとの間には、抵抗Ｒ
８，負温度係数のサーミスタＮＴＣ３が直列に接続され
ている。トランジスタＱ２のコレクタは、更に抵抗Ｒ９
にも接続されている。この抵抗Ｒ９とアースとの間に
は、抵抗Ｒ１０と負温度係数のサーミスタＮＴＣ４の直
列回路、バリキャップＤ２、コンデンサＣ８がそれぞれ
接続されている。更に、抵抗Ｒ９は、水晶振動子Ｘ１に
も接続されている。他の構成部分は、前記背景技術と同
様である。このように、本形態では、バリキャップＤ２
に対する逆電圧発生回路が、トランジスタＱ２とサーミ
スタＮＴＣ２〜ＮＴＣ４を含む複合型の構成となってい
る。

【００１５】次に、本形態の作用を説明する。トランジ
スタＱ２のベース電位Ｖｂ，エミッタ電流Ｉｅ，コレク
タ電位Ｖｃは、次の数１式で表される。なお、ＩLは、
負荷電流である。

【数１】

【００１６】ここで、コレクタ電流Ｉｃとベース電流Ｉ
ｂを比較すると、Ｉｃ＞Ｉｂであるから、コレクタ電位
Ｖｃは、次の数２式のようになる。

【数２】

【００１７】一方、負荷電流ＩLは、次の数３式で表さ
れる。

【数３】

【００１８】この数３式を前記数２式に代入すると、次
の数４式のようになる。

【数４】

【００１９】一方、前記数１式から、コレクタ電位Ｖｃ
は、次の数５式で表される。

【数５】

【００２０】これを前記数４式に代入すると、コレクタ
電位Ｖｃは、次の数６式で表される。

【数６】

【００２１】ここで、負荷電圧、すなわちバリキャップ
Ｄ２側の電圧ＶTCは、次の数７式のようになる。

【数７】

【００２２】これに、前記数６式を代入すると、次の数
８式のようになる。

【数８】

【００２３】他方、サーミスタの温度２５℃における抵
抗値をＲ25とするとともに、温度ｔにおける抵抗値をＮ
ＴＣとすると、Ｂ定数に対して、次の数９式で表され
る。

【数９】

【００２４】サーミスタＮＴＣ２〜ＮＴＣ４のＢ定数Ｂ
2〜Ｂ4をＢ2=4750，Ｂ3=4100，Ｂ4=4750とするととも
に、２５℃における抵抗値Ｒ225〜Ｒ425をＲ225=6800
0，Ｒ325=680，Ｒ425=100000としたときのサーミスタ抵
抗値は、前記数９式で求められる。主要な温度における
各サーミスタの抵抗値を示すと、次の表１に示すように
なる。

【００２５】

【表１】

【００２６】更に、各素子の回路定数を、例えば、Ｖｃ
ｃ＝3Ｖ，Ｖｂｃ＝0.7Ｖ，Ｒ８＝10000Ω，Ｒ７＝10000
Ω，Ｒ６＝68000Ω，Ｒ９＝10000Ω，Ｒ１０＝10000Ω
とし、これらを前記数８式に代入すると、負荷電圧ＶTC
は、次の表２のようになる。これをグラフで示すと、図
７に示すようになる。図７は、前記図５に対応するもの
である。

【００２７】

【表２】

【００２８】次に、以上のシミュレーション結果を定性
的に説明する。図２には、トランジスタＱ２のコレクタ
側における電流，電圧とサーミスタの抵抗値の変化の概
略が示されている。同図中(A)は温度下降時の変化の様
子を示すグラフであり、(B)は温度上昇時の変化の様子
を示すグラフである。

【００２９】（１）温度下降時……この場合は、サーミ
スタＮＴＣ２〜ＮＴＣ４の抵抗値は、いずれも増大する
（図２(A)グラフＤＡ参照）。サーミスタＮＴＣ２の抵
抗値が増大すると、抵抗Ｒ６による電源電圧ＶCC2の分
圧電圧が増大し、トランジスタＱ２のベース電位が上昇
する。ベース電位が上昇すると、抵抗Ｒ７側のコレクタ
電流が増加し、コレクタ電位は低下する。しかし、ベー
ス電位の上昇は、電源電圧ＶCC2に近づくにつれて飽和
するようになる。このため、このコレクタ電位の低下も
飽和するようになる。他方、温度の低下に伴って、サー
ミスタＮＴＣ３の抵抗値もそれぞれ増大する。これは、
コレクタ電流を減少させる方向に動く。従って、コレク
タ電位は逆に上昇するようになる。

【００３０】このように、コレクタ電位は、温度低下に
伴い、最初は低下するものの、やがて増加する方向に動
く（図２(A)グラフＤＢ参照）。これがバリキャップＤ
２に印加される。すなわち、バリキャップＤ２の逆電圧
は、温度低下とともに減少するものの、やがて増加する
ようになる。バリキャップＤ２は、逆電圧の減少ととも
に容量が増大し、逆電圧の増大とともに容量は低下す
る。バリキャップＤ２はコンデンサＣ８と並列に接続さ
れているので、それら全体の容量も同様に増減するよう
になる。一方、水晶振動子Ｘ１の負荷インピーダンスは
容量成分によって変化し、容量が増大すると周波数が低
下し、容量が減少すると周波数は上昇する。このため、
結果的に温度補償が行われることになる。

【００３１】（２）温度上昇時……この場合は、サーミ
スタＮＴＣ２〜ＮＴＣ４の抵抗値は、いずれも減少する
（図２(B)グラフＵＡ参照）。サーミスタＮＴＣ２の抵
抗値が減少すると、抵抗Ｒ６による電源電圧ＶCC2の分
圧電圧が減少し、トランジスタＱ２のベース電位が低下
する。ベース電位が低下すると、抵抗Ｒ７側のコレクタ
電流が減少し、コレクタ電位は上昇する。しかし、ベー
ス電位が０［Ｖ］（アース電位）に近づくにつれて、コ
レクタ電位は電源電圧ＶCC2に飽和するようになる。他
方、飽和後は、温度の上昇に伴って、サーミスタＮＴＣ
４の抵抗値も減少する。これは、コレクタ電流を増大さ
せる方向に動く。従って、コレクタ電位は逆に低下する
ようになる。

【００３２】すなわち、コレクタ電流は、サーミスタＮ
ＴＣ２の抵抗値減少に伴って減少する。しかし、サーミ
スタＮＴＣ４の変動によりコレクタ電流は増大する方向
に変化する。従って、コレクタ電位は、温度上昇に伴
い、最初は上昇するものの、やがて低下する方向に動く
（図２(B)グラフＵＢ参照）。これがバリキャップＤ２
に印加される。すなわち、バリキャップＤ２の逆電圧
は、温度上昇とともに増大するものの、やがて減少する
ようになる。バリキャップＤ２は、逆電圧の増大ととも
に容量が減少し、逆電圧の減少とともに容量は増大す
る。バリキャップＤ２はコンデンサＣ８と並列に接続さ
れているので、それら全体の容量も同様に増減するよう
になる。一方、水晶振動子Ｘ１の負荷インピーダンスは
容量成分によって変化し、容量が減少すると周波数が上
昇し、容量が増大すると周波数は低下する。このため、
結果的に温度補償が行われることになる。

【００３３】以上のような一連の動作によって、発振回
路の負荷容量（コンデンサＣ６〜Ｃ８とバリキャップＤ
２の容量の関数で表される）は、水晶振動子Ｘ１の周波
数温度変化と逆の動きをすることになる。図３には、そ
の様子が示されている。同図中、横軸は温度［℃］，縦
軸は周波数偏差［PPM］である。グラフＧ１は、図５(A)
と同様に、水晶振動子Ｘ１単体の周波数偏差を示す。こ
のグラフＧ１のように、２５℃付近から温度が上昇する
と、発振周波数は低下するものの、６０℃付近からは上
昇する。逆に、２５℃付近から温度が低下すると、発振
周波数は上昇するものの、−１０℃付近からは低下す
る。

【００３４】これに対し、本形態では、バリキャップＤ
２の電位が、温度変化に伴って３次曲線に近い動きを示
す。すなわち、本形態にかかるトランジスタＱ２，サー
ミスタＮＴＣ２〜ＮＴＣ４，バリキャップＤ２による前
記温度補償は、前記図２にグラフＤＢ，ＵＢで示したよ
うに３次曲線に近い動きを示し、それらを合わせると、
図３のグラフＧ６のようになる。このため、温度補償後
の周波数偏差はグラフＧ７で示すようになり、広い温度
範囲で良好に発振周波数偏差が温度補償されている。

【００３５】本発明には数多くの実施形態があり、以上
の開示に基づいて多様に改変することが可能である。例
えば、前記形態では、電流制御素子としてトランジスタ
を使用し、負性抵抗素子としてサーミスタを使用して逆
電圧発生回路を構成したが、同様の作用を奏するように
各種設計変更が可能である。また、発振回路は、可変容
量素子が水晶振動子の負荷側に接続されていればよく、
他の部分の構成は問わない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電流制御素子の制御端子側及び主端子側に第１及び第２
の負性抵抗素子をそれぞれ接続するとともに、これら各
素子の作用によって略３次曲線で表される電圧を生成
し、前記可変容量素子に逆電圧として印加することとし
たので、簡易な構成でありながら、広い温度範囲で良好
な温度補償を行うことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一形態にかかる水晶発振回路の周波数
温度補償回路の構成を示す回路図である。

【図２】前記形態の作用の概要を示すグラフである。

【図３】前記形態における温度補償の様子を示すグラフ
である。

【図４】周波数温度補償回路の背景技術の一例を示す回
路図である。

【図５】前記図４の背景技術における温度補償の様子を
示すグラフである。

【図６】周波数温度補償回路の背景技術の他の例を示す
回路図である。

【図７】負荷電圧（バリキャップ逆電圧）のシミュレー
ション結果の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

Ｃ１〜Ｃ８…コンデンサ Ｄ１，Ｄ２…バリキャップ Ｌ１〜Ｌ３…コイル ＮＴＣ１〜ＮＴＣ４…サーミスタ Ｑ１，Ｑ２…トランジスタ Ｒ１〜Ｒ１０…抵抗 ＶCC1，ＶCC2…電源電圧 Ｘ１…水晶振動子

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J079 AA04 BA02 DA13 DB02 FA02 FA13 FA14 FA21 FA24 FA26 FB11 GA02 JA01 JA03 5J081 AA03 CC17 DD03 DD26 EE05 EE18 FF11 FF17 FF23 GG01 KK02 KK09 KK22 LL05 MM01 MM03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水晶振動子の負荷側に接続された可変容
   量素子に温度補償のための逆電圧を印加する逆電圧印加
   回路を備えた水晶発振回路の周波数温度補償回路におい
   て、 前記逆電圧発生回路が、 制御端子側に印加される電圧によって主端子側に流れる
   電流を制御する電流制御素子；この電流制御素子の制御
   端子側に接続された第１の負性抵抗素子；前記電流制御
   素子の主端子側にそれぞれ接続された第２及び第３のの
   負性抵抗素子；これらの各素子を利用して略３次曲線で
   表される電圧を生成し、前記可変容量素子に逆電圧とし
   て印加する逆電圧印加手段；を含むことを特徴とする水
   晶発振回路の周波数温度補償回路。
2. 【請求項２】 前記電流制御素子はトランジスタであ
   り、 前記第１，第２及び第３の負性抵抗素子は第１，第２及
   び第３のサーミスタであり、 前記トランジスタのベース側に前記第１のサーミスタを
   接続し、前記トランジスタのエミッタ側に前記第２のサ
   ーミスタを接続し、前記トランジスタのコレクタ側に第
   ３のサーミスタを接続し、 前記トランジスタのコレクタ電位を、前記逆電圧として
   前記可変容量素子に印加することを特徴とする請求項１
   記載の水晶発振回路の周波数温度補償回路。
3. 【請求項３】 前記第２のサーミスタは、主として低温
   時に前記トランジスタのコレクタ電位を下げ、前記第３
   のサーミスタは、主として高温時に前記可変容量素子の
   逆電圧を上げることを特徴とする請求項２記載の水晶発
   振回路の周波数温度補償回路。