JP2002198736A

JP2002198736A - 温度補償水晶発振器

Info

Publication number: JP2002198736A
Application number: JP2000396752A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Mizumura; 浩明水村; Hirokatsu Tanaka; 啓勝田中
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-12

Abstract

(57)【要約】【目的】生産性を向上して、消費電力及び雑音を小さく
したＩＣ使用の温度補償発振器を提供する。【構成】ＩＣ内部に設けた温度センサによって温度に応
答した補正電圧を発生させて、水晶振動子を有する発振
閉ループ内に直列に挿入された電圧可変容量素子に前記
補正電圧を印加し、前記水晶振動子から見た前記発振閉
ループの直列等価容量を温度に対して変化させ、前記水
晶振動子を主因とした前記発振閉ループの周波数温度特
性を基準となる周波数温度特性に補正し、前記基準とな
る周波数温度特性を前記ＩＣ外部の少なくとも温度補償
機構によって温度補償した構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は温度補償水晶発振器
（以下、温度補償発振器とする）を産業上の技術分野と
し、特に雑音及び消費電力を小さくした温度補償発振器
に関する。

【０００２】

【従来の技術】（発明の背景）温度補償発振器は水晶発
振器の周波数温度特性を補償して発振周波数を一定に維
持することから、特に動的環境下で使用される携帯電話
等の移動体通信機器に広く採用されている。近年では、
情報の高品位通信及び省エネルギー化等の点から、低雑
音化及び小電力化（低電圧動作）の温度補償発振器が求
められている。

【０００３】（従来技術の一例）第４図は一従来例を説
明する温度補償発振器のブロック回路図である。温度補
償発振器は、基本的に水晶発振器１と温度補償回路２と
からなる。水晶発振器１は、例えばインダクタ成分とし
た水晶振動子３と、図示しない共振回路を形成するコン
デンサ及び発振用の帰還増幅器等を集積化（ＩＣ化）し
た発振回路部４とからなる。これらは、発振閉ループを
形成する。そして、例えば水晶振動子３をＡＴカットと
すると、水晶発振器１の周波数温度特性は水晶振動子３
を主因として常温近傍に変曲点を有する三次曲線となる
（第５図、例えば曲線イ）。

【０００４】温度補償回路２は、第６図に示したように
例えばサーミスタ５とコンデンサ６の各並列回路からな
る。そして、温度に応答して指数関数的に減少するサー
ミスタ５の抵抗値に基づき、各並列回路における端子間
容量（等価直列容量）の変化を利用する。これは、通
称、直接法と呼ばれる。通常では、サーミスタ５の温度
抵抗特性を調整するため、直列あるいは並列に調整抵抗
７が挿入される（参照；特公昭６４−１９６９号公
報）。そして、常温を基準とした高温部及び低温部補償
回路２（ａｂ）を直列に接続して、それぞれが周波数温
度特性の高温部及び低温部を独立的に温度補償する。

【０００５】このようなものでは、温度に依存して温度
補償回路２の端子間容量が変化することから、水晶振動
子３の両端子から見た回路側の直列等価容量（所謂負荷
容量）も変化する。したがって、温度補償回路２の各素
子値を設定することによって、水晶発振器１の周波数温
度特性を補償して、規格温度範囲内で平坦にする。

【０００６】一般には、水晶発振器１の常温時における
発振周波数（公称周波数）を調整するため、コンデンサ
を主とした周波数調整回路８が発振閉ループ内に挿入さ
れる（前第４図）。また、水晶振動子３を主因とした温
度補償前の周波数温度特性のバラツキ（前第５図、曲線
ロ、ハ）を補正するため、発振閉ループ内の例えば周波
数調整回路８にあるいは別個に温度特性を有するコンデ
ンサ９（温係コンデンサ９とする）を適用する。

【０００７】例えば温度とともに容量値の小さくなる負
の温度特性を持った温係コンデンサ９を適用すると（第
７図、曲線ａ）、基準温度（常温）以上では容量値が小
さくなるので発振周波数は温度とともに上昇する。そし
て、基準温度以下では容量値が大きくなるので発振周波
数は下降する。したがって、水晶発振器１の周波数温度
特性を常温を中心として反時計回りに回転する。

【０００８】これとは逆に正の温度特性をもった温係コ
ンデンサ９を適用すると（同図、曲線ｂ）周波数温度特
性を時計回りに回転する。これらにより、例えば前第５
図の曲線ロ、ハを基準の周波数温度特性（基準温度特性
とする）曲線イに近接して、即ちバラツキ度合を小さく
して温度補償できる。なお、現実的には負の温度特性を
有する温係コンデンサ９が主であり、反時計回りに補正
する。

【０００９】この場合、各水晶発振器の周波数温度特性
が基準温度特性に近接して、温度補償回路の各素子値が
大幅に異なることがないので、温度補償回路２の設計を
容易にして各素子の品揃えを少なくする。また、各素子
値の設定ではバラツキ幅が大きく許容値外で周波数温度
特性を規格内に補償できないものでも、基準温度に近接
させた上で補償するので規格内にできる。したがって、
水晶発振器の補償前の周波数温度特性不良による無駄を
省けて、生産性を高められる。なお、周波数温度特性の
バラツキは各回路素子の温度特性にもよるが、特に水晶
振動子３の切断角度に起因する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の温度補償発振器では、水晶発
振器１における周波数温度特性のバラツキを補正するの
で、温係コンデンサ９を必要とする。しかし、この種の
温係コンデンサ９は種類も少なく入手までの時期が長い
とともに価格も高く生産性を低下する。

【００１１】また、温係コンデンサ９を使用しない場合
には、各水晶発振器１のばらついた周波数温度特性に応
じ、各素子値を選択して補償する必要がある。しかし、
この場合には、各素子（サーミスタ５、コンデンサ６及
び調整抵抗７）の品揃えを豊富にする必要があるととも
に、設計を煩雑にして生産性を低下する。また、いずれ
にしても、抵抗を含むサーミスタ５とコンデンサ６を用
いた直接法では、周波数調整回路８を要し、全体の部品
点数を多くして小型化を阻害する問題もあった。

【００１２】一方、第８図に示したように、温度補償手
段として所謂間接法を用いて、水晶振動子３を除いた発
振回路部４及び温度補償機構１０を、一点鎖線枠で示す
ＩＣ１１内に集積化した温度補償発振器がある。間接法
は、水晶振動子３及び発振回路部４からなる発振閉ルー
プに挿入されたバリキャップダイオード等の電圧可変容
量素子１２に補償電圧を印加し、水晶振動子３から見た
負荷容量を変化させて温度補償する。なお、符号１９は
高周波阻止抵抗である。

【００１３】温度補償機構１０は補償電圧発生回路１３
と記憶回路１４からなる。補償電圧発生回路１３は、例
えば定数項、一次関数項及び三次関数項電圧発生回路１
３（ａｂｃ）からなる。そして、ＩＣ内部に設けた温度
センサ（未図示）の温度検出信号によって、下式（１）
で近似される三次関数の補償電圧Vs(T)を発生する。但
し、T₀は基準温度、α、β、γは各次数項の係数であ
る。温度センサは例えば直線性を持った正特性の温度係
数を有する抵抗からなる。 Vs(T) = α(T-T₀)³ + β(T-T₀) + γ (1)

【００１４】記憶回路１４は、各水晶発振器１の実測に
よる周波数温度特性に基づいた補償データを、書込端子
から入力されて保持する。そして、各電圧発生回路１３
（ａｂｃ）内に設けた例えばオペアンプの増幅率を制御
して各次数の係数α、β及びγを決定する。これらによ
り、各周波数温度特性に応じた補償電圧Vs(T)を得て温
度補償する。

【００１５】このようなものでは、各水晶発振器１の周
波数温度特性にバラツキがあっても、補償データによる
α及びβの設定によって補償できるので、前述したよう
な温係コンデンサ９を不要にする。また、係数γは常温
時の補償電圧（公称周波数となる基準電圧）を設定する
ので、周波数調整回路８自体を基本的に排除する。な
お、間接法では、通常、温度補償範囲を広くするため、
低温部に極大値を、高温部に極小値を有する周波数温度
特性を適用する（前第５図、曲線ニ）。

【００１６】しかし、このようなＩＣを用いた間接法で
は、ＩＣ内に設けた抵抗の温度係数を利用して微弱な温
度検出信号から一次及び三次関数項の補償電圧を生成す
るので、増幅器等を要して消費電力が大きくなる。ま
た、温度検出信号に対してＩＣの内部雑音が相対的に大
きくなり、雑音特性が低下する問題があった。

【００１７】（発明の目的）本発明は生産性を向上し
て、消費電力及び雑音を小さくした温度補償発振器を提
供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】（着目点）本発明は、間
接法における補償電圧の一次係数βを制御すれば、周波
数温度特性を常温を基準として回転できる点に着目し
た。すなわち、常温を基準として一次関数となる電圧を
電圧可変容量素子に印加すれば、常温以上では容量値が
減少して発振周波数は増加し、常温以下では容量値が増
加して発振周波数は減少し、結果として周波数温度特性
を回転して補正できる点に着目した。

【００１９】（解決手段）本発明は、ＩＣ内部に設けた
温度センサによって温度に応答した補正電圧を発生させ
て、水晶振動子を主因とした周波数温度特性を基準温度
特性に補正した後、基準温度特性をＩＣ外部の温度補償
機構によって温度補償したことを基本的な解決手段とす
る。

【００２０】

【作用】本発明では、各水晶発振器の周波数温度特性を
補正電圧によって基準温度特性に近接するので、温係コ
ンデンサ９を不要にする。また、三次関数項の係数αは
制御しないので、三次関数電圧発生回路を不要にし、雑
音発生源を少なくして雑音特性を向上できる。以下、本
発明の一実施例を説明する。

【００２１】

【実施例】第１図は、本発明の一実施例を説明する温度
補償発振器のブロック回路図である。なお、前従来例図
と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省
略する。温度補償発振器は、前述したように三次曲線と
なる周波数温度特性を有する水晶発振器１と、サーミス
タ５とコンデンサ６の並列回路とした直接法の温度補償
回路２と、本発明特有の温度補正機構部１５からなる。
そして、電圧可変容量素子１２を含む発振回路部４と温
度補正部１５とは一点鎖線枠で示すＩＣ１１の内部に集
積化し、水晶振動子３と温度補償回路２をＩＣ外とす
る。

【００２２】温度補正機構部１５は、補正電圧発生回路
１３Ａと記憶回路１４からなる。補正電圧発生回路１３
Ａは、前述した常温時の発振周波数（公称周波数）を設
定する定数項電圧発生回路１３ａと、前述した温度セン
サに依存した抵抗変化に基づいて動作する一次関数項電
圧発生回路１３ｂからなる。そして、次式（２）の補正
電圧Vs₁(T)を発生する。 Vs₁(T) = β₁(T-T₀)＋γ （２）

【００２３】記憶回路１４は、各水晶発振器の実測され
た周波数温度特性と基準温度特性（前第５図、曲線イ）
との差に基づき、補正データを記憶する。すなわち、基
準温度特性との差に応じてこれを補正（近接）し、一次
係数βを設定する補正データを記憶する。

【００２４】このようなものでは、例えば切断角度に起
因して基準温度特性からズレてバラツキのある周波数温
度特性に対し（前第５図、曲線ロ及びハ）、各周波数温
度特性に応じた一次関数の補正電圧Vs₁(T)によって基準
温度特性に近接する。そして、基準温度特性に近接した
周波数温度特性を外部の温度補償回路２、即ち調整抵抗
７を含むサーミスタ５とコンデンサ６の並列回路回路か
らなる直接法の温度補償回路２によって温度補償する。
なお、常温時の発振周波数は定数項電圧発生回路１３ａ
からの定数項電圧によって制御される。

【００２５】このような構成であれば、周波数温度特性
は基準温度特性に近接するので、従来の入手しにくく高
価な温係コンデンサを不要にする。また、温度補償回路
２の設計を概ね標準化するので、各温度補償素子（サー
ミスタ、コンデンサ、調整抵抗）の品揃えを少なくでき
る。したがって、生産性を高めることができる。

【００２６】そして、ＩＣ内部の補正電圧発生回路１３
Ａは定数項及び一次関数項電圧発生回路１３（ａｂ）の
みとし、三次関数項電圧発生回路１３ｃは排除する。し
たがって、従来例の間接法を用いたＩＣ化の温度補償発
振器に比較して、温度検出信号を増幅する回路数及び雑
音発生源を少なくしたので消費電力を抑制し、雑音特性
を良好にする。

【００２７】また、この実施例では、常温時の発振周波
数を定数項電圧によって調整するので、直接法における
従来例の周波数調整回路８を不要にする。したがって、
小型化を促進できる。

【００２８】

【他の事項】上記実施例では、補正電圧発生回路１３Ａ
内の定数項電圧発生回路１３ａによって常温時の発振周
波数を調整し、ＩＣ外部の周波数調整回路８を除去した
が、第２図に示したようにＩＣ内部から定数項電圧発生
回路１３ａを除去してＩＣ外部に前述の周波数調整回路
８を設けてもよい。この場合、ＩＣ内部から定数項電圧
発生回路１３ａを除去するので電圧源に含まれる雑音成
分を排除でき、さらに雑音特性を良好にする。

【００２９】また、ＩＣ外部の温度補償回路２は直接法
としてサーミスタとコンデンサの並列回路からなる高温
用と低温用の２個の並列回路を直列に接続したが、基本
的にコンデンサを共用してこれと並列に高温用と低温用
のサーミスタを並列に接続してもよい（未図示）。

【００３０】また、温度補償回路（機構）は直接法とし
たが、第３図に示したようにＩＣ外部の発振閉ループ内
に電圧可変容量素子１６を挿入して補償電圧発生回路１
７からの補償電圧を印加するようにしてもよい。ここで
の、補償電圧発生回路１７はＩＣ外部に設けた調整抵抗
を含むサーミスタ回路網からなる。なお、図中の符号１
８は直流阻止のコンデンサである。この場合、低温部に
極大値を、高温部に極小値を有する周波数温度特性を対
象とするので、前述のように補償温度範囲を直接法に比
較して広げられる。但し、温度補償回路自体の部品点数
が多くなるので、この点では直接法がよい。

【００３１】また、補償電圧発生回路１７からの補償電
圧が印加される電圧可変容量素子１６はＩＣ外部に設け
たが、小型化を促進するためにＩＣ内部に設けてもよ
い。この場合、電圧可変容量素子１２を共用して一つに
できる。また、これとは逆に、特性の点ではディスクリ
ートの方がよいので、電圧可変容量素子１２をＩＣ外部
に設けてもよく、温度補償回路２を間接法（前第３図）
とした場合は、電圧可変容量素子１６を共用して一つに
できる。

【００３２】また、直接法の温度補償回路はサーミスタ
５、コンデンサ６及び調整抵抗７から形成したが、サー
ミスタ５とコンデンサ６のみ、あるいはサーミスタとコ
ンデンサの複合素子としてもよい。この場合、勿論小型
化を促進する。また、温度センサは温度係数を有する抵
抗としたが、例えばトランジスタにおける順方向降下電
圧の温度特性を用いてもよく、温度に応答した検出信号
が得られればよい。但し、これらの検出信号はいずれも
小信号で増幅を必要とする。

【００３３】また、電圧可変容量素子１２はバリキャッ
プダイオードとしたが、例えばＣＭＯＳとコンデンサの
並列回路として、補正電圧によるＣＭＯＳの抵抗変化に
よって並列回路の端子間容量を変化させてもよく、要は
補正電圧によって容量値が実質的に変化するものであれ
ばよい。また、電圧可変容量素子１２には補正電圧のみ
を印加したが、自動周波数制御回路によるＡＦＣ電圧を
印加してもよい。

【００３４】

【発明の効果】本発明は、ＩＣ内部に設けた温度センサ
によって温度に応答した補正電圧を発生させて、水晶振
動子を主因とした周波数温度特性を基準基温度特性に補
正した後、基準温度特性をＩＣ外部の温度補償機構によ
って温度補償したので、生産性を向上して、消費電力及
び雑音を小さくした温度補償発振器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を説明する温度補償発振器の
ブロック回路図である。

【図２】本発明の他の実施例を説明する温度補償発振器
のブロック回路図である。

【図３】本発明の他の実施例を説明する温度補償発振器
のブロック回路図である。

【図４】従来例を説明する温度補償発振器のブロック回
路である。

【図５】従来例を説明する水晶発振器の周波数温度特性
図である。

【図６】従来例を説明する直接法の温度補償回路図であ
る。

【図７】従来例を説明する温係コンデンサの特性図であ
る。

【図８】従来例を説明する間接法の温度補償機構（回
路）を用いたＩＣ化による温度補償発振器のブロック回
路である。

【符号の説明】

１水晶発振器、２温度補償回路、３水晶発振器、
４発振回路部、５サーミスタ、６コンデンサ、７
調整抵抗、８周波数調整回路、９温係コンデンサ、
１０温度補償機構、１１ＩＣ、１２、１６電圧可
変容量素子、１３、１７補償電圧発生回路、１３Ａ
補正電圧発生回路、１４記憶回路、１５補正機構
部、１８直流阻止コンデンサ、１９交流阻止抵抗．

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＩＣ内部に設けた温度センサによって温度
に応答した補正電圧を発生させ、水晶振動子を有する発
振閉ループ内に直列に挿入された電圧可変容量素子に前
記補正電圧を印加し、前記水晶振動子から見た前記発振
閉ループの直列等価容量を温度に対して変化させ、前記
水晶振動子を主因とした前記発振閉ループの周波数温度
特性を基準となる周波数温度特性に補正し、前記基準と
なる周波数温度特性を前記ＩＣ外部の少なくともサーミ
スタを含む温度補償機構によって温度補償したことを特
徴とする温度補償水晶発振器。
【請求項２】前記温度補償機構はサーミスタとコンデン
サの並列回路からなる直接法である請求項１の温度補償
水晶発振器。
【請求項３】前記温度補償機構は発振閉ループに挿入さ
れた電圧可変容量素子に、サーミスタ回路網によって得
られる補償電圧を印加してなる間接法である温度補償水
晶発振器。