JP2004356872A - 温度補償型圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】間接温度補償方式においても、温度センサ部をＩＣチップの外部に構成して温度に対する感度を高め、それにより温度補償回路を簡略化してチップサイズを最小にした温度補償型圧電発振器を提供する。
【解決手段】この間接型ＴＣＸＯ１０は、周囲温度を検出して電圧変化に変換する温度センサ部２と、この温度センサ部２により検出した電圧変化に基づいて温度補償電圧を発生する補償電圧発生回路３と、この補償電圧発生回路３の発生電圧に基づいて容量が変化する可変容量素子５を有する発振回路４とを備え、温度センサ部２以外をＩＣ回路１の内部に集積し、その端子から所定の周波数で励振される圧電素子を有する圧電振動子６が接続されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶振動子等の圧電振動子を使用した圧電発振器に関し、特に簡単な回路構成によって周波数の温度補償が可能な温度補償発振器の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水晶振動子等の圧電振動子に対して発振回路、温度補償回路等を付加した圧電発振器では周波数安定度は勿論のこと、小型化、低価格化等の要求が厳しく、更には、通信方式のデジタル化が進むにつれて、従来問題とならなかった雑音比特性（Ｃ／Ｎ特性）の向上が望まれている。圧電発振器の出力周波数は種々の要因で変化するが、比較的周波数の安定度が高い水晶発振器においても、周囲温度、電源電圧及び出力負荷等の条件変化による周波数変動があり、これ等に対応する手段は種々のものが提案されている。例えば温度変化に関しては水晶発振器に温度補償回路を付加し、この温度補償水晶発振器（以下、ＴＣＸＯと記す）の発振ループの負荷容量を変化させて、水晶振動子固有の温度−周波数特性変動を相殺するように前記負荷容量を温度変化に対して制御するものがあり、大きく分けて２つの補償方法がある。
【０００３】
第１の補償方法は、図５に示すように、直接温度補償方式と称される方法であって、図のようにサーミスタとコンデンサから構成される補償回路を、水晶振動子Ｘと直列に接続することにより構成したものである。一般的に、補償回路は温度センサ（サーミスタ等）とコンデンサとを並列に接続したものを基本構成とする高温部補償回路と低温部補償回路を直列に接続したものであり、構成が単純で、小型化が容易であることから、携帯電話等の分野で広く用いられている。第２は図６に示すように、間接温度補償方式と称される方法であって、図のように可変容量ダイオードＤを水晶振動子Ｘと直列に接続すると共に、補償回路を高周波阻止抵抗Ｒを介して可変容量ダイオードＤの両端に接続したものである。この方法はサーミスタと抵抗とで構成される補償回路において発生する直流電圧を、前記高周波阻止抵抗Ｒを介して前記可変容量ダイオードＤに加え、その回路の周波数変化量が水晶振動子Ｘの温度特性と逆特性になるようにすることにより、水晶発振器の温度特性を補償するものである。
第１の直接温度補償方式は同一出願人より、特開２００１−７７６２７公報として出願されており、直接形温度補償圧電発振器に用いる補償部品を互いに集積して小型発振器を構成する技術について開示されている。それによると、 圧電振動子、増幅器、温度補償回路を構成するサーミスタ、チップコンデンサ、抵抗を備えた温度補償圧電発振器であって、圧電振動子のパッケージの裏面側に前記サーミスタ、前記抵抗を厚膜印刷で形成して温度補償圧電発振器を構成するとしている。
また第２の間接温度補償方式として同一出願人より、特開２００１−６０８２８公報として出願されており、可変容量のＣ−Ｖカーブの曲線部を利用することで、ＩＣ回路で発生させる電圧が、従来は温度に対して３次曲線が必要であったものから、直線的で良いという方式がある。
【０００４】
図４は、従来の間接型ＴＣＸＯ構成及びＩＣの概略の例を示す図である。この間接型ＴＣＸＯ１００は、ＩＣ回路１００内に、周囲温度を検出して電圧変化に変換する温度センサ部１０２と、この温度センサ部１０２により検出した電圧変化に基づいて温度補償電圧を発生する補償電圧発生回路１０３と、この補償電圧発生回路１０３の発生電圧に基づいて容量が変化する可変容量素子１０５を有する発振回路１０４とを備え、そのＩＣ回路１００の外部に所定の周波数で励振される圧電素子を有する圧電振動子１０６が接続されている。
【特許文献１】特開２００１−７７６２７公報
【特許文献２】特開２００１−６０８２８公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の発明は、装置の小型化のために圧電振動子のパッケージの裏面側にサーミスタ、抵抗を厚膜印刷で形成して温度補償圧電発振器を構成してそれなりの小型化を実現し、また位相雑音特性にも優れたものであるが、直接温度補償のためＡＴカットの水晶振動子の３次曲線の温度補償を行うための回路設定が複雑であるといった問題がある。
また間接温度補償方式あるいは特許文献２の発明及び図４の間接型ＴＣＸＯ１００においては、回路が１チップ構成であるがゆえに、温度センサとして半導体素子の温度依存性を用いる（例えばシリコントランジスタのベースエミッタ間電圧Ｖｂｅの温度依存性：約−２ｍＶ／℃）。しかし半導体素子は温度に対する電圧変化（感度）が非常に小さいため、トランジスタを数段段重ねても約−４ｍＶ〜−６ｍＶ／℃と少なく、数十倍の感度を得るにはサイズ的に困難であった。そのため補償電圧発生回路において増幅回路が必要となり、その結果センサ雑音が増幅されて、更に増幅器自身の雑音も加わり、水晶発振器として重要な性能である位相雑音特性を悪化させるといった問題が発生する。
本発明は、かかる課題に鑑み、間接温度補償方式においても、温度センサ部をＩＣチップの外部に構成して温度に対する感度を高め、それにより温度補償回路を簡略化してチップサイズを最小にした温度補償型圧電発振器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】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、周囲温度を検出して電圧変化に変換する温度センサ部と、該温度センサ部により検出した電圧変化に基づいて温度補償電圧を発生する補償電圧発生部と、該補償電圧発生部の発生電圧に基づいて容量が変化する可変容量素子を有する発振回路と、所定の周波数で励振される圧電素子を有する圧電振動子とを備えた温度補償型圧電発振器であって、前記補償電圧発生部及び発振回路を１つの集積回路に集積し、前記温度センサ部を前記集積回路の外部に備えた構成とすることを特徴とする。
従来の温度補償回路が１チップ構成であるがゆえに、温度センサとして半導体素子の温度依存性を用いていた。例えばシリコントランジスタのベースエミッタ間電圧Ｖｂｅの温度依存性は約−２ｍＶ／℃であり、温度に対する電圧変化（感度）が非常に小さいため、所定の感度を得るにはサイズ的に困難であった。そこで本発明では、温度センサ部を集積回路の外部に構成することにより、サイズ的な制約を解消するものである。
かかる発明によれば、温度センサ部を集積回路の外部に構成するので、温度センサを回路内に構成する必要がなくなり、チップサイズの制約を解消することができる。
なお、本明細書において、圧電素子とは、圧電基板の主面に励振電極、リード端子を形成した素子を指称し、圧電振動子とは、この圧電素子自体、或いは圧電素子を気密封止した電子部品を指称する。
【０００７】
請求項２は、周囲温度を検出して電圧変化に変換する温度センサ部と、該温度センサ部により検出した電圧変化を直線的な電圧変化に変換するリニアライザと、該リニアライザにより変換された電圧変化に基づいて温度補償電圧を発生する補償電圧発生部と、該補償電圧発生部の発生電圧に基づいて容量が変化する可変容量素子を有する発振回路と、所定の周波数で励振される圧電素子を有する圧電振動子とを備えた温度補償型圧電発振器であって、前記リニアライザ、補償電圧発生部及び発振回路を１つの集積回路に集積し、前記温度センサ部を前記集積回路の外部に備えた構成とすることを特徴とする。
例えば温度センサ部に温度感度の高いサーミスタを使用した場合、温度と抵抗値の関係はリニアとならず非直線的に変化する。そのため次段の温度補償回路の電圧に対する補償電圧の変換が複雑となり、回路構成を複雑としてしまう。そこで本発明では、温度センサ部にサーミスタを使用した場合、温度と抵抗値の関係を直線的にするために、リニアライザを追加するものである。
かかる発明によれば、センサ部の出力電圧を温度変化に対して直線的に変化させるためにリニアライザを備えるので、温度補償回路の補償電圧の変換が容易となり、回路構成が簡略化されてコスト的にも安価な回路を構成することができる。
請求項３は、前記温度センサ部の周囲温度を検出する素子は、サーミスタ若しくは温度変化を電気信号に変換可能な素子であることを特徴とする。
サーミスタは温度に対して抵抗が大きく変化する素子である。この抵抗値の変化を半導体回路により電圧（または電流）に変換すればよい。従って、温度変化に対する電圧変化も大きくなり、温度の対する感度が非常に高いといえる。これにより、温度補償回路では温度センサの信号を増幅する増幅度を低くても可能となり、感度によっては増幅しないで直接使用することも可能である。
かかる発明によれば、温度センサ部の温度検出素子にサーミスタ若しくはそれに準ずる素子を使用するので、温度補償回路のゲインを低くすることができ、チップサイズを小さくできると共に、位相雑音を低減することができる。
【０００８】
請求項４は、前記温度センサ部は、少なくとも１つ以上の前記サーミスタ若しくは温度変化を電気信号に変換可能な素子、抵抗、及び容量素子により構成されていることを特徴とする。
一般的に、補償回路は温度センサ（サーミスタ等）とコンデンサとを並列に接続したものを基本構成とする高温部補償回路と低温部補償回路を直列に接続したものであり、必要に応じた温度センサを構成することができる。
かかる発明によれば、温度センサ部が、温度センサ（サーミスタ等）とコンデンサとを並列に接続したものを基本構成するので、必要に応じた温度範囲をカバーする温度サンサを構成することができる。
請求項５は、前記温度センサ部の周囲温度を検出する素子の一方の端子を基準電圧若しくはグランドに接続し、他方の端子を前記集積回路の所定の端子に接続することを特徴とする。
温度センサに例えばサーミスタを使用した場合、サーミスタの一方の端子を電源に接続し、他方の端子を集積回路の１つの端子に接続し、その端子に内部回路として分圧抵抗をグランドに接続することにより、サーミスタと分圧抵抗の接続点から温度補償回路に入力する信号を取り出すことができる。言い換えると、外部のサーミスタと集積回路は１つの端子で接続が可能となり、集積回路の端子数を減らすことができる。同様にしてサーミスタの一方の端子をグランドに接続し、他方の端子を集積回路の１つの端子に接続し、その端子に内部回路として分圧抵抗を内部の電源に接続しても同様に可能である。
かかる発明によれば、温度センサ部の周囲温度を検出する素子の一方の端子を基準電圧若しくはグランドに接続し、他方の端子を前記集積回路の所定の端子に接続するので、集積回路の端子を減らすことができ、パッケージのコスト減とパケージサイズの縮小を実現することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る間接型ＴＣＸＯ構成及びＩＣの概略の例を示す図である。この間接型ＴＣＸＯ１０は、周囲温度を検出して電圧変化に変換する温度センサ部２と、この温度センサ部２により検出した電圧変化に基づいて温度補償電圧を発生する補償電圧発生回路３と、この補償電圧発生回路３の発生電圧に基づいて容量が変化する可変容量素子５を有する発振回路４とを備え、温度センサ部２以外をＩＣ回路１の内部に集積し、その端子から所定の周波数で励振される圧電素子を有する圧電振動子６が接続されている。
図４の従来の温度補償回路が温度センサ部を含む全ての回路を１チップ構成にするために、温度センサとして半導体素子の温度依存性を用いていた。例えばシリコントランジスタのベースエミッタ間電圧Ｖｂｅの温度依存性は約−２ｍＶ／℃であり、温度に対する電圧変化（感度）が非常に小さいため、所定の感度を得るには多段の温度センサを内部に構成しなければならず、サイズ的に困難であった。そこで本発明では、温度センサ部２をＩＣ回路１の外部に構成することにより、サイズ的な制約を解消するものである。これにより、温度センサ部２をＩＣ回路１内に構成する必要がなくなり、チップサイズの制約を解消することができる。
また温度センサ部２の温度検出素子にサーミスタを使用した場合、サーミスタは温度に対して抵抗が大きく変化する素子であるので、この抵抗値の変化を半導体回路により電圧（または電流）に変換することができる。従って、温度変化に対する電圧変化も大きくなり、温度の対する感度が非常に高いといえる。これにより、補償電圧発生回路３では温度センサ部２の信号を増幅する増幅度を低くても可能となり、感度によっては増幅しないで直接使用することも可能である。これにより、チップサイズを小さくできると共に、位相雑音を低減することができる。
図２は、本発明の本発明の第２の実施形態に係る間接型ＴＣＸＯ構成及びＩＣの概略の例を示す図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図２が図１と異なる点は、温度センサ部２と補償電圧発生回路３との間に、温度センサ部２により検出した電圧変化を直線的な電圧変化に変換するリニアライザ７を追加接続した点である。例えば温度センサ部２に温度感度の高いサーミスタを使用した場合、温度と抵抗値の関係はリニアとならず非直線的に変化する。そのため次段の補償電圧発生回路３の電圧に対する補償電圧の変換が複雑となり、回路構成を複雑としてしまう。そこで本実施形態では、温度センサ部２にサーミスタを使用した場合、温度と抵抗値の関係を直線的にするために、リニアライザ７を追加して変換するものである。これにより、補償電圧発生回路３の補償電圧の変換が容易となり、回路構成が簡略化されてコスト的にも安価な回路を構成することができる。
【００１０】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る間接型ＴＣＸＯ構成及びＩＣの概略の例を示す図である。この間接型ＴＣＸＯ２０は、周囲温度を検出して電圧変化に変換するサーミスタ２２と、このサーミスタ２２により検出した電圧を分圧する抵抗Ｒ２８と、サーミスタ２２と抵抗Ｒ２８の接続点の電圧変化を直線的な電圧変化に変換するリニアライザ２７と、リニアライザ２７の電圧変化に基づいて温度補償電圧を発生する補償電圧発生回路２３と、この補償電圧発生回路２３の発生電圧に基づいて容量が変化する可変容量素子２５を有する発振回路２４とを備え、サーミスタ２２以外をＩＣ回路２１の内部に集積し、ＩＣ回路２１の端子から所定の周波数で励振される圧電素子を有する圧電振動子２６が接続されている。
図３（ａ）は、サーミスタ２２の一方の端子が間接型ＴＣＸＯ２０の電源Ｖｃｃに接続され、他方の端子がＩＣ回路２１の端子２９を介して内部の抵抗Ｒ２８から内部のグランドに接続されている。そして端子２９からリニアライザ２７に信号が入力される構成である。また図３（ｂ）は、サーミスタ２２の一方の端子が間接型ＴＣＸＯ２０のグランドＧＮＤに接続され、他方の端子がＩＣ回路２１の端子２９を介して内部の抵抗Ｒ２８から内部の電源端子３０に接続されている。そして端子２９からリニアライザ２７に信号が入力される構成である。
このように温度センサに例えばサーミスタを使用した場合、サーミスタ２２の一方の端子を電源Ｖｃｃに接続し、他方の端子をＩＣ回路２１の端子２９に接続し、その端子に内部回路として分圧抵抗Ｒ２８をグランドに接続することにより、サーミスタ２２と分圧抵抗Ｒ２８の接続点からリニアライザ２７に入力する信号を取り出すことができる。言い換えると、外部のサーミスタ２２とＩＣ回路２１は１つの端子で接続が可能となり、ＩＣ回路２１の端子数を減らすことができる。同様にしてサーミスタ２２の一方の端子をグランドＧＮＤに接続し、他方の端子をＩＣ回路２１の端子２９に接続し、その端子に内部回路として分圧抵抗Ｒ２８を内部の電源に接続しても同様に可能である。これにより、ＩＣ回路２１の端子を減らすことができ、パッケージのコスト減とパケージサイズの縮小を実現することができる。
尚、この実施形態ではＩＣ回路２１にリニアライザ２７を含む場合について説明したが、図１のリニアライザ２７を含まない回路に対しても適応が可能であるのはいうまでもない。
【００１１】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項１の発明によれば、温度センサ部を集積回路の外部に構成するので、温度センサを回路内に構成する必要がなくなり、チップサイズの制約を解消することができる。
また請求項２では、センサ部の出力電圧を温度変化に対して直線的に変化させるためにリニアライザを備えるので、温度補償回路の補償電圧の変換が容易となり、回路構成が簡略化されてコスト的にも安価な回路を構成することができる。
また請求項３では、温度センサ部の温度検出素子にサーミスタ若しくはそれに準ずる素子を使用するので、温度補償回路のゲインを低くすることができ、チップサイズを小さくできると共に、位相雑音を低減することができる。
また請求項４では、温度センサ部が、温度センサ（サーミスタ等）とコンデンサとを並列に接続したものを基本構成するので、必要に応じた温度範囲をカバーする温度サンサを構成することができる。
また請求項５では、温度センサ部の周囲温度を検出する素子の一方の端子を基準電圧若しくはグランドに接続し、他方の端子を前記集積回路の所定の端子に接続するので、集積回路の端子を減らすことができ、パッケージのコスト減とパケージサイズの縮小を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る間接型ＴＣＸＯ構成及びＩＣの概略の例を示す図である。
【図２】本発明の本発明の第２の実施形態に係る間接型ＴＣＸＯ構成及びＩＣの概略の例を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る間接型ＴＣＸＯ構成及びＩＣの概略の例を示す図である。
【図４】従来の間接型ＴＣＸＯ構成及びＩＣの概略の例を示す図である。
【図５】従来の直接温度補償方式の回路例を示す図である。
【図６】従来の間接温度補償方式の回路例を示す図である。
【符号の説明】
１ ＩＣ回路、２ 温度センサ部、３ 補償電圧発生回路、４ 発振回路、５可変容量素子、６ 水晶振動子、１０ 間接型ＴＣＸＯ

Claims (5)

1. 周囲温度を検出して電圧変化に変換する温度センサ部と、該温度センサ部により検出した電圧変化に基づいて温度補償電圧を発生する補償電圧発生部と、該補償電圧発生部の発生電圧に基づいて容量が変化する可変容量素子を有する発振回路と、所定の周波数で励振される圧電素子を有する圧電振動子とを備えた温度補償型圧電発振器であって、
   前記補償電圧発生部及び発振回路を１つの集積回路に集積し、前記温度センサ部を前記集積回路の外部に備えた構成とすることを特徴とする温度補償型圧電発振器。
2. 周囲温度を検出して電圧変化に変換する温度センサ部と、該温度センサ部により検出した電圧変化を直線的な電圧変化に変換するリニアライザと、該リニアライザにより変換された電圧変化に基づいて温度補償電圧を発生する補償電圧発生部と、該補償電圧発生部の発生電圧に基づいて容量が変化する可変容量素子を有する発振回路と、所定の周波数で励振される圧電素子を有する圧電振動子とを備えた温度補償型圧電発振器であって、
   前記リニアライザ、補償電圧発生部及び発振回路を１つの集積回路に集積し、前記温度センサ部を前記集積回路の外部に備えた構成とすることを特徴とする温度補償型圧電発振器。
3. 前記温度センサ部の周囲温度を検出する素子は、サーミスタ若しくは温度変化を電気信号に変換可能な素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度補償型圧電発振器。
4. 前記温度センサ部は、少なくとも１つ以上の前記サーミスタ若しくは温度変化を電気信号に変換可能な素子、抵抗、及び容量素子により構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度補償型圧電発振器。
5. 前記温度センサ部の周囲温度を検出する素子の一方の端子を基準電圧若しくはグランドに接続し、他方の端子を前記集積回路の所定の端子に接続することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の温度補償型圧電発振器。

Images