JP2001111343A - 温度補償圧電発振器 - Google Patents
温度補償圧電発振器Info
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- compensation circuit
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 上に凸の二次関数周波数温度特性を有する圧
電振動子の高温部を補償する手段を得る。 【解決手段】 温度補償素子を発振ループに含む直接形
温度補償圧電発振器において、高温補償回路をサーミス
タとインダクタとの並列回路で構成する。
電振動子の高温部を補償する手段を得る。 【解決手段】 温度補償素子を発振ループに含む直接形
温度補償圧電発振器において、高温補償回路をサーミス
タとインダクタとの並列回路で構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は温度補償圧電発振器
に関し、特に周波数温度特性が上に凸の二次関数を有す
る圧電振動子を補償した温度補償圧電発振器に関する。
に関し、特に周波数温度特性が上に凸の二次関数を有す
る圧電振動子を補償した温度補償圧電発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】水晶発振器は周波数精度、周波数温度特
性、周波数エージング特性等がＬＣ発振器、ＣＲ発振器
等より優れているため電子機器等に広範囲に使用されて
いる。水晶振動子の周波数温度特性を補償した温度補償
水晶発振器（ＴＣＸＯ）としては、発振ループに温度補
償回路を直接挿入接続した直接形ＴＣＸＯと、発振ルー
プ中に可変容量ダイオードを挿入し、該可変容量ダイオ
ードの両端に温度補償回路からの電圧を印加する間接形
ＴＣＸＯと、前記間接形ＴＣＸＯの温度補償回路をディ
ジタル回路として小型化したディジタルＴＣＸＯとが知
られている。この中でも直接形ＴＣＸＯは比較的簡単な
構成で優れた周波数温度特性が得られることから広く用
いられている。
性、周波数エージング特性等がＬＣ発振器、ＣＲ発振器
等より優れているため電子機器等に広範囲に使用されて
いる。水晶振動子の周波数温度特性を補償した温度補償
水晶発振器（ＴＣＸＯ）としては、発振ループに温度補
償回路を直接挿入接続した直接形ＴＣＸＯと、発振ルー
プ中に可変容量ダイオードを挿入し、該可変容量ダイオ
ードの両端に温度補償回路からの電圧を印加する間接形
ＴＣＸＯと、前記間接形ＴＣＸＯの温度補償回路をディ
ジタル回路として小型化したディジタルＴＣＸＯとが知
られている。この中でも直接形ＴＣＸＯは比較的簡単な
構成で優れた周波数温度特性が得られることから広く用
いられている。
【０００３】図６（ａ）は、特公昭４５−２４０４に開
示された温度補償水晶制御発振回路（直接形ＴＣＸＯ）
の構成を示す回路図であって、上に凸の二次関数の周波
数温度特性を有する水晶振動子Ｙに低温側補償回路αと
高温側補償回路βとが直列に接続されている。低温補償
回路αは、抵抗の温度特性が負であるＮＴＣサーミスタ
と容量CLとの並列接続回路からなり、高温補償回路βは
抵抗の温度特性が正であるＰＴＣサーミスタと容量CHと
の並列接続回路からなっている。
示された温度補償水晶制御発振回路（直接形ＴＣＸＯ）
の構成を示す回路図であって、上に凸の二次関数の周波
数温度特性を有する水晶振動子Ｙに低温側補償回路αと
高温側補償回路βとが直列に接続されている。低温補償
回路αは、抵抗の温度特性が負であるＮＴＣサーミスタ
と容量CLとの並列接続回路からなり、高温補償回路βは
抵抗の温度特性が正であるＰＴＣサーミスタと容量CHと
の並列接続回路からなっている。
【０００４】図６（ｂ）は温度補償回路の振る舞いを説
明する図である。同図においてθは水晶振動子Ｙの周波
数温度特性を示す曲線である。また、αは低温補償回路
αによる、βは高温補償回路βによる周波数変動量Δｆ
をそれぞれ示す曲線であり、γは２つの補償回路による
周波数変動量Δｆを示す曲線である。曲線θが極大とな
る頂点温度を基準温度（この例では２０℃）としたと
き、曲線αは基準温度より低温域で右下がりに大きく変
化し、基準温度より高温域でほとんど変化せず、曲線β
は基準温度より低温域でほとんど変化せず、基準温度よ
り高温域で右上がりに大きく変化する。そのため、図６
（ａ）に示すように、低温補償回路αと高温補償回路β
とを直列接続した回路の振る舞いは、図６（ｂ）のγに
示すように下に凸の二次関数となり、曲線θに示す水晶
振動子Ｙの上に凸の二次関数周波数温度特性を相殺する
こととなるので、広い温度範囲に亘り周波数Δｆがほぼ
平坦な特性が得られる。
明する図である。同図においてθは水晶振動子Ｙの周波
数温度特性を示す曲線である。また、αは低温補償回路
αによる、βは高温補償回路βによる周波数変動量Δｆ
をそれぞれ示す曲線であり、γは２つの補償回路による
周波数変動量Δｆを示す曲線である。曲線θが極大とな
る頂点温度を基準温度（この例では２０℃）としたと
き、曲線αは基準温度より低温域で右下がりに大きく変
化し、基準温度より高温域でほとんど変化せず、曲線β
は基準温度より低温域でほとんど変化せず、基準温度よ
り高温域で右上がりに大きく変化する。そのため、図６
（ａ）に示すように、低温補償回路αと高温補償回路β
とを直列接続した回路の振る舞いは、図６（ｂ）のγに
示すように下に凸の二次関数となり、曲線θに示す水晶
振動子Ｙの上に凸の二次関数周波数温度特性を相殺する
こととなるので、広い温度範囲に亘り周波数Δｆがほぼ
平坦な特性が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
高温補償回路βに用いられるＰＴＣサーミスタの周波数
特性、即ちＰＴＣサーミスタの抵抗値が周波数の変化に
応じてどのように変化するかを１ＭＨｚから２００ＭＨ
ｚに亘り測定したところ、１ＭＨｚから数ＭＨｚまでの
周波数範囲で急激に小さくなるという現象が生じること
が判明した。また、２０ＭＨｚにおけるＰＴＣサーミス
タの温度特性、即ちＰＴＣサーミスタの抵抗値が温度の
上昇に応じてどのように変化するかを測定したところ、
本来は温度の上昇と共に抵抗値が大きくなるべきとこ
ろ、逆に若干小さくなるという特性を示し、数ＭＨｚ以
上の高い周波数では高温補償回路に使用できないという
問題があった。本発明は上記問題を解決するためになさ
れたものであって、数ＭＨｚ以上の高周波発振器におい
ても動作可能な高温補償回路を提供することを目的とす
る。
高温補償回路βに用いられるＰＴＣサーミスタの周波数
特性、即ちＰＴＣサーミスタの抵抗値が周波数の変化に
応じてどのように変化するかを１ＭＨｚから２００ＭＨ
ｚに亘り測定したところ、１ＭＨｚから数ＭＨｚまでの
周波数範囲で急激に小さくなるという現象が生じること
が判明した。また、２０ＭＨｚにおけるＰＴＣサーミス
タの温度特性、即ちＰＴＣサーミスタの抵抗値が温度の
上昇に応じてどのように変化するかを測定したところ、
本来は温度の上昇と共に抵抗値が大きくなるべきとこ
ろ、逆に若干小さくなるという特性を示し、数ＭＨｚ以
上の高い周波数では高温補償回路に使用できないという
問題があった。本発明は上記問題を解決するためになさ
れたものであって、数ＭＨｚ以上の高周波発振器におい
ても動作可能な高温補償回路を提供することを目的とす
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る温度補償圧電発振器の請求項１記載の発
明は、上に凸の２次関数で近似される周波数温度特性を
有する圧電振動子を用いた圧電発振器であって、発振ル
ープ中に前記圧電振動子と直列にNTCサーミスタとイン
ダクタとの並列回路からなる温度補償回路を接続したこ
とを特徴とする温度補償圧電発振器である。請求項２記
載の発明は、前記高温補償回路をサーミスタと抵抗との
直列回路にインダクタを並列接続したことを特徴とする
請求項１記載の温度補償圧電発振器である。
に本発明に係る温度補償圧電発振器の請求項１記載の発
明は、上に凸の２次関数で近似される周波数温度特性を
有する圧電振動子を用いた圧電発振器であって、発振ル
ープ中に前記圧電振動子と直列にNTCサーミスタとイン
ダクタとの並列回路からなる温度補償回路を接続したこ
とを特徴とする温度補償圧電発振器である。請求項２記
載の発明は、前記高温補償回路をサーミスタと抵抗との
直列回路にインダクタを並列接続したことを特徴とする
請求項１記載の温度補償圧電発振器である。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下本発明を図面に示した実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る直
接形ＴＣＸＯの構成を示す回路図であって、ＢＴカット
水晶振動子Ｙと増幅器AMPと低温補償回路αと高温補償
回路βとの直列接続回路から成る。低温補償回路αはサ
ーミスタThと抵抗Ｒと容量Ｃとの並列回路、高温補償回
路βはサーミスタRnとインダクタLpとの並列回路からな
る。本発明の特徴は高温補償回路βをサーミスタRnとイ
ンダクタLpとから構成したことにある。
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る直
接形ＴＣＸＯの構成を示す回路図であって、ＢＴカット
水晶振動子Ｙと増幅器AMPと低温補償回路αと高温補償
回路βとの直列接続回路から成る。低温補償回路αはサ
ーミスタThと抵抗Ｒと容量Ｃとの並列回路、高温補償回
路βはサーミスタRnとインダクタLpとの並列回路からな
る。本発明の特徴は高温補償回路βをサーミスタRnとイ
ンダクタLpとから構成したことにある。
【０００８】図２（ａ）に示すように、サーミスタRnと
インダクタLpとの並列回路は、同図（ｂ）のように、抵
抗RsとリアクタンスXsとの直列接続回路に等価変換した
回路で表現することができる。ここで、リアクタンスXs
は次式のようになる。 Xs＝ωLp／（１＋（ωLp／Rn）2） （１） また、サーミスタRnは周知のように、Ｂ定数と温度ｔと
の関数として次式のように表すことができる。 Rn＝R0expＢ（１／(273＋ｔ)−１／（273＋ｔ0）） （２） ここで、ｔ0は常温（通常２５℃）であり、R0は常温に
おけるサーミスタの抵抗値である。式（１）のリアクタ
ンスXsの温度変化を利用して高温側、例えば２５℃以上
の周波数を補償することができる。
インダクタLpとの並列回路は、同図（ｂ）のように、抵
抗RsとリアクタンスXsとの直列接続回路に等価変換した
回路で表現することができる。ここで、リアクタンスXs
は次式のようになる。 Xs＝ωLp／（１＋（ωLp／Rn）2） （１） また、サーミスタRnは周知のように、Ｂ定数と温度ｔと
の関数として次式のように表すことができる。 Rn＝R0expＢ（１／(273＋ｔ)−１／（273＋ｔ0）） （２） ここで、ｔ0は常温（通常２５℃）であり、R0は常温に
おけるサーミスタの抵抗値である。式（１）のリアクタ
ンスXsの温度変化を利用して高温側、例えば２５℃以上
の周波数を補償することができる。
【０００９】図３は本発明の第２の実施例であって、サ
ーミスタRnと抵抗Rnsとの直列接続回路にインダクタLp
を並列接続した高温補償回路である。この補償回路にお
いては抵抗Rnsは補償感度を調整するものであり、この
抵抗値を適宜設定することにより、個々の水晶振動子Ｙ
の周波数温度特性曲線に応じて、微細に温度補償を行う
ことが可能となる。
ーミスタRnと抵抗Rnsとの直列接続回路にインダクタLp
を並列接続した高温補償回路である。この補償回路にお
いては抵抗Rnsは補償感度を調整するものであり、この
抵抗値を適宜設定することにより、個々の水晶振動子Ｙ
の周波数温度特性曲線に応じて、微細に温度補償を行う
ことが可能となる。
【００１０】図４は、振動子として周波数温度特性が上
に凸の二次関数である２０ＭＨｚのランガサイト振動子
を用い、高温補償回路として図２の回路を用いたときの
周波数温度特性である。サーミスタRnのＢ定数は4100
[°K]、25℃における抵抗値R0は２ｋΩ、インダクタＬ
ｐの値は1.8μＨである。曲線１は補償回路を用いない
場合の高温部（25℃から85℃）おける周波数温度特性の
一例であり、曲線２は上記の高温補償回路の振る舞い、
即ち補償能力を示すものである。そして、温度補償回路
としてこの高温補償回路を用いた場合の圧電発振器の周
波数温度特性は曲線３に示すように温度に対してフラッ
トな特性となった。
に凸の二次関数である２０ＭＨｚのランガサイト振動子
を用い、高温補償回路として図２の回路を用いたときの
周波数温度特性である。サーミスタRnのＢ定数は4100
[°K]、25℃における抵抗値R0は２ｋΩ、インダクタＬ
ｐの値は1.8μＨである。曲線１は補償回路を用いない
場合の高温部（25℃から85℃）おける周波数温度特性の
一例であり、曲線２は上記の高温補償回路の振る舞い、
即ち補償能力を示すものである。そして、温度補償回路
としてこの高温補償回路を用いた場合の圧電発振器の周
波数温度特性は曲線３に示すように温度に対してフラッ
トな特性となった。
【００１１】図５は高温補償回路として図３に示した回
路を用いた例であり、各素子の電気的定数値として上記
の値を用い、サーミスタRnに直列接続する抵抗Rnsとし
て60Ωのものを用いた。曲線１はランガサイト振動子の
周波数温度特性、曲線４は高温補償回路の周波数温度特
性、曲線５はランガサイト振動子に高温補償を施した圧
電発振器の周波数温度特性である。図４に比べやや補償
能力、即ち補償感度が低下し、補償後の特性が図４より
もフラットになっていることが確認できる。
路を用いた例であり、各素子の電気的定数値として上記
の値を用い、サーミスタRnに直列接続する抵抗Rnsとし
て60Ωのものを用いた。曲線１はランガサイト振動子の
周波数温度特性、曲線４は高温補償回路の周波数温度特
性、曲線５はランガサイト振動子に高温補償を施した圧
電発振器の周波数温度特性である。図４に比べやや補償
能力、即ち補償感度が低下し、補償後の特性が図４より
もフラットになっていることが確認できる。
【００１２】以上は、上に凸の二次関数を有する圧電振
動子の高温側を補償するための回路について述べたが、
低温側の補償には図６（ａ）に示した従来の低温補償回
路αをそのまま用いることができる。低温側の周波数温
度特性をさらに微細に行うには、周波数温度特性が三次
関数となるＡＴカット水晶振動子に用いられている周知
の手法を用いればよい。即ち、図７に示すようにサーミ
スタRpと抵抗RLと容量CpLとを並列接続した低温補償回
路を圧電振動子に直列に接続すればよい。このように、
直接形ＴＣＸＯの補償回路において低温補償回路と高温
補償回路と分離して設計し、これを合成すればよいの
で、仕様に応じてそれぞれの回路を最適に設計すること
が容易にできる。
動子の高温側を補償するための回路について述べたが、
低温側の補償には図６（ａ）に示した従来の低温補償回
路αをそのまま用いることができる。低温側の周波数温
度特性をさらに微細に行うには、周波数温度特性が三次
関数となるＡＴカット水晶振動子に用いられている周知
の手法を用いればよい。即ち、図７に示すようにサーミ
スタRpと抵抗RLと容量CpLとを並列接続した低温補償回
路を圧電振動子に直列に接続すればよい。このように、
直接形ＴＣＸＯの補償回路において低温補償回路と高温
補償回路と分離して設計し、これを合成すればよいの
で、仕様に応じてそれぞれの回路を最適に設計すること
が容易にできる。
【００１３】ここで、本発明に係る直接形ＴＣＸＯの応
用例について述べる。従来、ＡＴカット水晶振動子は−
３０℃〜＋８５℃の温度範囲にて、容易に±１０ppmの
周波数温度特性が得られることから各種の機器に広く用
いられてきた。しかし、ＡＴカット水晶振動子の容量比
ｐ（静電容量とモーショナルキャパシタンスの比）は実
際には２５０と大きく、該振動子を用いて電圧制御発振
器（ＶＣＸＯ）を製作すると、周波数可変範囲が広くと
れないと欠点があった。そこで、本願発明者が周波数温
度特性が比較的良好であって、容量比ｐが小さな圧電振
動子を調査したが、周波数温度特性は二次関数を呈する
ものが多い。例えば、ランガサイト振動子の周波数温度
特性は上に凸の二次関数であるが、容量比ｐは５０〜６
０とＡＴカット水晶振動子に比べてはるかに小さくＶＣ
ＸＯに適している。そこで、ランガサイト振動子に温度
補償を施せば、ＡＴカット水晶振動子と同程度の周波数
温度特性が得られると共に、容量比ｐが小さいため電圧
制御圧電発振器（ＶＣＸＯ）として機能させれば、同じ
印加電圧でも周波数の可変範囲ははるかに広くなるとい
う特徴がある。省電力化を目指して各種機器の低電圧化
が進むなかで、高感度のＶＣＸＯはこれからの重要なデ
バイスの一つとなる。
用例について述べる。従来、ＡＴカット水晶振動子は−
３０℃〜＋８５℃の温度範囲にて、容易に±１０ppmの
周波数温度特性が得られることから各種の機器に広く用
いられてきた。しかし、ＡＴカット水晶振動子の容量比
ｐ（静電容量とモーショナルキャパシタンスの比）は実
際には２５０と大きく、該振動子を用いて電圧制御発振
器（ＶＣＸＯ）を製作すると、周波数可変範囲が広くと
れないと欠点があった。そこで、本願発明者が周波数温
度特性が比較的良好であって、容量比ｐが小さな圧電振
動子を調査したが、周波数温度特性は二次関数を呈する
ものが多い。例えば、ランガサイト振動子の周波数温度
特性は上に凸の二次関数であるが、容量比ｐは５０〜６
０とＡＴカット水晶振動子に比べてはるかに小さくＶＣ
ＸＯに適している。そこで、ランガサイト振動子に温度
補償を施せば、ＡＴカット水晶振動子と同程度の周波数
温度特性が得られると共に、容量比ｐが小さいため電圧
制御圧電発振器（ＶＣＸＯ）として機能させれば、同じ
印加電圧でも周波数の可変範囲ははるかに広くなるとい
う特徴がある。省電力化を目指して各種機器の低電圧化
が進むなかで、高感度のＶＣＸＯはこれからの重要なデ
バイスの一つとなる。
【００１４】以上では本発明をＢＴカット水晶振動子と
ランガサイト振動子を用いたものを例に説明したが、本
発明はこれのみに限ることなく、ＬＢＯ（Li2B4Si
O7）、ＬＧＴ（La3Ga5.5Ta0.5O14）、ＬＧＮ（La3Ga5.5
Nb0.5O14）等の圧電基板を用いた上に凸の２次関数の周
波数温度特性を有する振動子に適用できることはいうま
でもない。
ランガサイト振動子を用いたものを例に説明したが、本
発明はこれのみに限ることなく、ＬＢＯ（Li2B4Si
O7）、ＬＧＴ（La3Ga5.5Ta0.5O14）、ＬＧＮ（La3Ga5.5
Nb0.5O14）等の圧電基板を用いた上に凸の２次関数の周
波数温度特性を有する振動子に適用できることはいうま
でもない。
【００１５】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成した
ので、上に凸の二次関数曲線を有する圧電振動子の高温
側を補償することができるようになった。容量比の小さ
な圧電振動子に温度補償を施すことにより高感度電圧制
御発振器を実現することが可能となり、最近の省電力機
器に必須の低電圧駆動ができるという優れた効果を奏
す。
ので、上に凸の二次関数曲線を有する圧電振動子の高温
側を補償することができるようになった。容量比の小さ
な圧電振動子に温度補償を施すことにより高感度電圧制
御発振器を実現することが可能となり、最近の省電力機
器に必須の低電圧駆動ができるという優れた効果を奏
す。
【図１】本発明に係る高温補償回路を用いた圧電発振器
の回路構成を示す図である。
の回路構成を示す図である。
【図２】（ａ）は本発明に係る高温補償回路の回路図、
（ｂ）はその等価回路である。
（ｂ）はその等価回路である。
【図３】本発明に係る高温補償回路の第２の実施例の構
成を示す回路図である。
成を示す回路図である。
【図４】上に凸の二次関数の周波数温度特性を有するラ
ンガサイト振動子（曲線１）の高温側を図２の回路を用
いて補償した例（曲線３）である。
ンガサイト振動子（曲線１）の高温側を図２の回路を用
いて補償した例（曲線３）である。
【図５】上に凸の二次関数の周波数温度特性を有するラ
ンガサイト振動子（曲線１）の高温側を図３の回路を用
いて補償した例（曲線５）である。
ンガサイト振動子（曲線１）の高温側を図３の回路を用
いて補償した例（曲線５）である。
【図６】上に凸の二次関数の周波数温度特性を有する水
晶振動子Ｙを補償する従来の補償回路で、（ａ）は低温
補償回路と高温補償回路、（ｂ）は補償回路の周波数温
度特性図である。
晶振動子Ｙを補償する従来の補償回路で、（ａ）は低温
補償回路と高温補償回路、（ｂ）は補償回路の周波数温
度特性図である。
【図７】従来の低温側の補償回路である。
Ｔｈ、Ｒｎ・・サーミスタ Ｒ、Ｒｓ、Ｒｎｓ・・抵抗 Ｃ・・容量 Ｌｐ・・インダクタ Ｙ・・圧電振動子 ＣL・・付加容量 ＡＭＰ・・増幅器 Ｘｓ・・リアクタンス
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年１２月２８日（１９９９．１２．
２８）
２８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４】
Claims (2)
- 【請求項１】 上に凸の２次関数で近似される周波数温
度特性を有する圧電振動子を用いた圧電発振器であっ
て、発振ループ中に前記圧電振動子と直列にNTCサーミ
スタとインダクタとの並列回路からなる温度補償回路を
接続したことを特徴とする温度補償圧電発振器。 - 【請求項２】 前記高温補償回路をサーミスタと抵抗と
の直列回路にインダクタを並列接続したことを特徴とす
る請求項１記載の温度補償圧電発振器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28947499A JP2001111343A (ja) | 1999-10-12 | 1999-10-12 | 温度補償圧電発振器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28947499A JP2001111343A (ja) | 1999-10-12 | 1999-10-12 | 温度補償圧電発振器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001111343A true JP2001111343A (ja) | 2001-04-20 |
Family
ID=17743752
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28947499A Pending JP2001111343A (ja) | 1999-10-12 | 1999-10-12 | 温度補償圧電発振器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001111343A (ja) |
-
1999
- 1999-10-12 JP JP28947499A patent/JP2001111343A/ja active Pending
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