JP2005124019A

JP2005124019A - 温度補償圧電発振器

Info

Publication number: JP2005124019A
Application number: JP2003358813A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Matsumoto; 好明松本
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Current assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】１次関数電圧発生回路１３および３次関数電圧発生回路１４の調整の段階では、どちらかの電圧発生回路をスイッチによって開放してそれぞれ個別に出力電圧を観測するため、調整に時間がかかる
【解決手段】可変容量ダイオードＤ１と、これより容量変化率が大きい、可変容量ダイオードＤ２と、コンデンサＣ１を水晶振動子Ｙ１に直列に接続し、該水晶振動子Ｙ１と発振回路５を接続して形成したＶＣＸＯ６に、温度補償回路４の１次関数電圧発生回路２より前記可変容量ダイオードＤ１に、また、３次関数電圧発生回路３より前記可変容量ダイオードＤ２にそれぞれ補償電圧を印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度補償水晶発振器に関し、特に温度センサ回路、１次関数特性及び３次関数特性の制御電圧発生回路を有する温度補償水晶発振器に関する。

近年、携帯電話端末等の移動体通信市場の急激な拡大に伴って、高い周波数安定度を有する温度補償水晶発振器（以下、ＴＣＸＯという）が、移動体通信機器の基準周波数源として広く用いられている。そして、小型化、低価格化の要望は非常に強くなっている。
本来、水晶振動子を周波数制御素子として用いる水晶発振器は、それに用いる水晶振動子の周波数温度特性に従って周囲温度の変化に応じて発振周波数が変化する。
そこで、ＴＣＸＯは、水晶振動子を含む発振ループ中に電圧制御可能な可変容量ダイオードを挿入接続し、該可変容量ダイオードに印加する電圧の変化量と発振周波数の変動量が比例するように構成した電圧制御水晶発振器（以下、ＶＣＸＯという）を構成する。そして、前記可変容量ダイオードに該ＶＣＸＯの温度による周波数変化を抑制するようにその容量を変化させる温度補償電圧を発振ループの外部より印加することで温度補償を行うものである。

図３は、ＴＣＸＯの温度補償動作の説明図である。同図（ａ）はＴＣＸＯの一般的な回路図であって、本ＴＣＸＯはＡＴカットの水晶振動子Ｙと可変容量ダイオードＤと発振回路７とを含むＶＣＸＯ８と、抵抗Ｒを介して前記ＶＣＸＯ８に温度補償制御電圧Ｖｃを供給する温度補償回路９とで構成される。
前記ＶＣＸＯ８の周波数温度特性は、温度補償回路９からの制御電圧Ｖｃが一定であるなら、同図（ｂ）に実線で示される３次関数で近似される特性を有している。
さらに、前記可変容量ダイオードＤの印加電圧Ｖｃに対する容量値は、同図（ｃ）に示される特性を有するものである。
したがって、図３（ａ）の温度補償回路９からは、同図（ｂ）の点線で示されるような実線とは逆の３次関数に近似される特性の制御電圧ＶｃがＶＣＸＯ８に印加されれば、実線のＶＣＸＯ８がもつ周波数温度特性を相殺して温度変化に対して周波数を一定に保つことができる。

前述の手段によって温度補償を行うＴＣＸＯにおいては、可変容量ダイオードに印加する温度補償制御電圧は、従来、サーミスタと抵抗を用いた回路網から発生させる手法が一般的であったが、最近では、本出願人等による特開平１０−２７０９４２号公報に開示されているような、ＴＣＸＯにおける温度補償回路が１次関数電圧発生回路と３次関数電圧発生回路とで構成される方式がある。

図４は、特開平１０−２７０９４２号公報に開示された従来例としてのＴＣＸＯの回路図である。同図に示すように、本ＴＣＸＯは温度補償回路１０とＶＣＸＯ１１とで構成され、前記温度補償回路１０は、温度センサ回路１２と、該温度センサ回路１２の出力する温度情報を入力とする１次関数電圧発生回路１３および３次関数電圧発生回路１４と、前記１次関数電圧発生回路１３の出力端に直列接続したスイッチＳＷ１１及び前記３次関数電圧発生回路１４の出力端に直列接続したＳＷ１２とで構成され、各電圧発生回路には係数調整用の可変抵抗である抵抗Ｒ１１とＲ１２がそれぞれ設けられている。

また、ＶＣＸＯ１１は、可変容量ダイオードＤ１１と水晶振動子Ｙ１１と発振回路１５を含み、前記可変容量ダイオードＤ１１には抵抗Ｒ１３を介して温度補償回路１０からの制御電圧Ｖconが印加される。
前記スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２は、通常の動作時においてはいずれも閉路されており、温度センサ回路１２の出力電圧Ｖsenが１次関数電圧発生回路１３及び３次関数電圧発生回路１４に入力され、それぞれの関数電圧発生回路で温度に関する１次電圧及び３次電圧が生成され、これが合成されてＶＣＸＯ１１に出力される。

前記温度補償回路１０の調整法は次のとおりである。まず、あらかじめ温度センサ回路１２の温度−電圧特性を測定する。次に、温度変化に対しＶＣＸＯ１１の発振周波数を一定値（ｆ0 ）に保持するために必要な可変容量ダイオードＤ１１に印加する制御電圧Ｖconを、補償すべき全温度範囲に亘って求める。
これらの測定結果を用いて印加制御電圧Ｖconの温度に関する３次近似式を計算し、制御電圧Ｖｃの１次及び３次の係数を求める。
この１次及び３次係数を用いて任意の温度における１次関数発生回路１３及び３次関数電圧発生回路１４のそれぞれの温度補償電圧を計算し、温度センサ回路１２の温度-発生電圧特性と組み合わせることによりＶＣＸＯ１１の可変容量ダイオードＤ１１に印加する制御電圧Ｖｃを得ることができる。
この場合、温度補償電圧の微調整は、前記関数電圧発生回路の１次及び３次係数調整用抵抗Ｒ１１及びＲ１２を用いて調整する。
特開平１０−２７０９４２号公報

しかしながら、前述の温度補償回路においては、１次及び３次関数電圧発生回路の調整は次のように行われる。即ち、１次関数電圧発生回路１３の１次係数を調整する場合には、ＳＷ１２を開放にした上で端子ａの出力電圧をディジタルボルトメータ等の電圧測定手段で監視しながら１次係数調整用抵抗Ｒ１１を調整して所望の１次の温度補償電圧が得られるように調整する。
同様に、３次関数電圧発生回路１４の３次係数を調整する場合には、ＳＷ１１を開放にした上で端子ｂの出力電圧を監視しながら３次係数調整用抵抗Ｒ１２を調整し、所望の３次の温度補償電圧が得られるように調整する。そして、これらの調整が終了後、ＳＷ１１とＳＷ１２を閉じて１次の補償電圧と３次の補償電圧を加算してＶＣＸＯ１１に印加する温度補償制御電圧Ｖｃが得られることを確認する。

上述のように、１次関数電圧発生回路１３および３次関数電圧発生回路１４の調整の段階では、どちらかの電圧発生回路をスイッチによって開放してそれぞれ個別に出力電圧を観測するため、調整に時間がかかるという問題がある。
さらに、この温度補償回路は、通常の使用時には不必要なスイッチを２個備えており、コスト高になるという欠点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、１次関数電圧発生回路および３次関数電圧発生回路の調整手順が容易で、優れた性能を有する温度補償水晶発振器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明においては、発振ループ内に印加電圧に従ってその容量値が変化する可変容量素子を含む電圧制御圧電発振器と、前記可変容量素子に前記電圧制御圧電発振器の圧電振動子の周波数温度特性を相殺する補償電圧を印加する温度補償回路とから成る温度補償圧電発振器であって、前記電圧制御圧電発振器に含まれる前記可変容量素子が複数個であって、それぞれの可変容量素子に対応した補償電圧発生回路を備えていることを特徴とする。
また、請求項２の発明においては、請求項１に記載の温度補償圧電発振器において、前記複数の可変容量素子を、容量の電圧特性がそれぞれ異なる可変容量素子としたことを特徴とする。

請求項３の発明においては、請求項１または請求項２に記載の温度補償圧電発振器において、前記温度補償圧電発振器が、圧電素子としてＡＴカットの水晶振動子を用い、且つ、２個の可変容量素子を備えた電圧制御水晶発振器であって、前記２個の可変容量ダイオードの一方の可変容量素子には温度補償回路としての１次関数電圧発生回路より補償電圧を印加し、他方の可変容量素子には温度補償回路としての３次関数電圧発生回路より補償電圧を印加するように構成したことを特徴とする。

本発明のＴＣＸＯは、温度センサ回路及び１次、３次の関数電圧発生回路からなる温度補償回路と負荷容量としての可変容量ダイオードを２個有するＶＣＸＯとを組み合わせたＴＣＸＯとし、１次及び３次の関数電圧発生回路の出力は、前記の別個の可変容量ダイオードにそれぞれ印加するように構成した。
その結果、１次電圧発生回路及び３次電圧発生回路を相互に独立して調整できるため、従来の調整法よりもはるかに調整法が容易になり、周波数温度特性を何度も測定する必要がなく、調整時間が大幅に短縮できるという効果を奏する。また、容量の電圧特性の異なる可変容量ダイオードを用いることによって、温度補償回路の最大出力電圧を下げることができ、温度補償回路における消費電力を低減できるという効果もある。

図１は、本発明に係わる温度補償圧電発振器としての水晶発振器の実施の一形態例を示す電気回路図である。
同図に示されるように、本温度補償水晶発振器（以下、ＴＣＸＯという）は、温度センサ回路１と、該温度センサ回路１の出力する温度情報を入力とする１次関数電圧発生回路２および３次関数電圧発生回路３とから成る温度補償回路４と、可変容量ダイオードＤ１、Ｄ２及びコンデンサＣ１を水晶振動子Ｙ１に直列に接続し、該水晶振動子Ｙ１と発振回路５を接続して形成される電圧制御水晶発振器（以下、ＶＣＸＯという）６とで構成される。
前記可変容量ダイオードＤ１のカソードは前記１次関数電圧発生回路２の出力と、また、前記可変容量ダイオードＤ２のカソードは前記３次関数電圧発生回路３の出力と、それぞれ高周波阻止抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して接続され、各ダイオードＤ１、Ｄ２のアノードは抵抗Ｒ３を介して接地される。

同図において、周囲温度に対応した温度センサ回路１の出力電圧Vsenが１次関数電圧発生回路２及び３次関数電圧発生回路３に入力されると、それぞれの関数電圧発生回路２、３から当該温度に対応する１次電圧Ｖｃ１及び３次電圧Ｖｃ２が生成され、それぞれ抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して可変容量ダイオードＤ１、Ｄ２に印加される。
その結果、前記可変容量ダイオードＤ１、Ｄ２の容量はそれぞれ所定の値に変化して、ＶＣＸＯ６の発振周波数は所定の値に温度補償される。

図１の温度補償回路４の調整法は、次のとおりである。
まず、あらかじめ温度センサ回路１の温度対電圧特性を測定する。次に、一方の容量ダイオード（例えば、Ｄ２）に所定の基準電圧を印加しておき、温度変化に対してＶＣＸＯ６の発振周波数を所定の値（ｆ0 ）に保持するために必要な他方の可変容量ダイオードＤ１に印加する電圧Ｖｃを、補償すべき全温度範囲に亘って測定する。
この測定結果を用いて、温度に関する印加電圧Ｖｃの３次近似式を計算し、該印加電圧Ｖｃの１次及び３次の係数を求める。
この１次係数及び３次係数を用いて任意の温度における１次関数電圧発生回路２及び３次関数電圧発生回路３のそれぞれの温度補償電圧を計算する。そして、それぞれの計算結果と前記温度センサ回路１の温度-発生電圧特性とを組み合わせることにより可変容量ダイオードＤ１及びＤ２に印加する温度補償電圧を得ることができる。

図２は、図１のＴＣＸＯの可変容量ダイオードＤ１、Ｄ２に温度補償回路２より制御電圧Ｖｃを加えて温度補償する動作の説明図であり、（ａ）は可変容量ダイオードＤ１、Ｄ２の制御電圧対ＶＣＸＯの周波数変化特性図、（ｂ）は１次関数電圧発生回路２及び３次関数電圧発生回路３の補償電圧の説明図である。
同図（ａ）に示されるように、前記可変容量ダイオードＤ１、Ｄ２は、図３（ｃ）に示される電圧対容量特性の容量変化率が異なるものである。この可変容量ダイオードＤ１、Ｄ２を用いたＶＣＸＯ６は、図２（ａ）に示すように、可変容量ダイオードＤ２は同一の制御電圧であっても可変容量ダイオードＤ１より大きな周波数変化が得られる。

従来のように、可変容量ダイオードが１個のＴＣＸＯでは、全温度範囲において基準の温度ｔ０におけるＴＣＸＯの発振周波数ｆ０に一定に保つために必要な制御電圧が同図（ｂ）の実線の３次関数曲線（イ）で示される特性の場合、１次関数電圧発生回路から出力される同図の（ロ）の１次曲線で示される特性の制御電圧と、３次関数電圧発生回路から出力される同図の（ハ）の３次曲線で示される特性の制御電圧とを合成して、前記３次関数曲線（イ）の電圧が得られる。
この合成した特性の制御電圧を可変容量ダイオードに加えることによって、ＴＣＸＯの周波数変動の温度補償がおこなわれる。

これに対して本発明のように、ＶＣＸＯ６が２個の可変容量ダイオードＤ１、Ｄ２を用いる場合に、容量変化率が可変容量ダイオードＤ１よりも大きい可変容量ダイオードＤ２を用いれば、１次関数電圧発生回路２から出力される同図の（ロ）の１次曲線で示される特性の制御電圧を可変容量ダイオードＤ１に加え、３次関数電圧発生回路３からは同図の（ニ）の３次曲線で示される特性の制御電圧を可変容量ダイオードＤ２に加えれば、所望の周波数変化量が得られて、発振周波数を一定に保つことができる。
したがって、容量変化率の大きな可変容量ダイオードを用いれば、３次関数電圧のような温度変化に対してより大きな出力電圧を必要とする３次関数電圧発生回路には、最大電圧の小さい電圧発生回路でよいことになる。

上述のように、本ＶＣＸＯ６には可変容量ダイオードを２個用いて、それぞれ別個に温度補償用の制御電圧を印加して、同時に両電圧を観測しながら調整できるので、調整作業時間を短縮できる。を素早く行うことができる。
また、容量変化率の異なる可変容量ダイオードを用いることによって、補償電圧発生回路の最大出力電圧を低減することができるので、消費電力の小さい温度補償回路を構成することができる。

本発明に係わる温度補償圧電発振器としての水晶発振器の実施の一形態例を示す電気回路図。図１のＴＣＸＯの可変容量ダイオードＤ１、Ｄ２に温度補償回路２より制御電圧Ｖｃを加えて温度補償する動作の説明図であり、（ａ）は可変容量ダイオードＤ１、Ｄ２の制御電圧対ＶＣＸＯの周波数変化特性図、（ｂ）は１次関数電圧発生回路２及び３次関数電圧発生回路３の補償電圧の説明図。ＴＣＸＯの温度補償動作の説明図で、（ａ）はＴＣＸＯの一般的な回路図、（ｂ）の実線はＡＴカットのＴＣＸＯの周波数温度特性図、点線は実線の周波数温度特性を相殺するため可変容量ダイオードに印加する制御電圧温度特性図、（ｃ）は、可変ダイオードの容量電圧特性図。特開平１０−２７０９４２号公報に開示されている従来例としての温度補償圧電発振器の回路構成図。

符号の説明

１・・温度センサ回路、２・・１次関数電圧発生回路、３・・３次関数電圧発生回路、
４・・温度補償回路、５・・発振回路、６・・電圧制御水晶発振器、
７・・発振回路、８・・電圧制御水晶発振器、９・・温度補償回路、
１０・・温度補償回路、１１・・電圧制御水晶発振器、１２・・温度センサ回路、
１３・・１次関数電圧発生回路、１４・・３次関数電圧発生回路、１５・・発振回路、
Ｃ１・・コンデンサ、Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ１１・・可変容量ダイオード、
Ｒ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３・・抵抗、
ＳＷ１１、ＳＷ１２・・スイッチ、
Ｙ、Ｙ１、Ｙ１１・・水晶振動子

Claims

発振ループ内に印加電圧に従ってその容量値が変化する可変容量素子を含む電圧制御圧電発振器と、前記可変容量素子に前記電圧制御圧電発振器の圧電振動子の周波数温度特性を相殺する補償電圧を印加する温度補償回路とから成る温度補償圧電発振器であって、
前記電圧制御圧電発振器に含まれる前記可変容量素子が複数個であって、それぞれの可変容量素子に対応した補償電圧発生回路を備えていることを特徴とする温度補償圧電発振器。
前記複数の可変容量素子を、容量変化率特性がそれぞれ異なる可変容量素子としたことを特徴とする請求項１に記載の温度補償圧電発振器。
前記温度補償圧電発振器が、圧電素子としてＡＴカットの水晶振動子を用い、且つ、２個の可変容量素子を備えた電圧制御水晶発振器であって、前記２個の可変容量ダイオードの一方の可変容量素子には温度補償回路としての１次関数電圧発生回路より補償電圧を印加し、他方の可変容量素子には温度補償回路としての３次関数電圧発生回路より補償電圧を印加するように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度補償圧電発振器。