JP2005347929A - 温度補償水晶発振器およびその調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度補償水晶発振器の製造工程時間を短縮し、かつ製造工程機器を削減し、製造コストを安価にする。
【解決手段】水晶振動子２を用いた水晶発振回路と、この水晶発振回路に接続され制御電圧の印加により可変容量素子３の容量が変化して水晶発振回路の発振周波数の変動を補償する温度補償回路とを備え、温度補償回路は、温度センサ５により検出された周囲温度に対して可変容量素子３に印加すべき制御電圧が発生する３次関数発生回路４と、温度特性を調整するときに用いられ、３次関数の係数および定数を水晶発振回路およびその使用している水晶振動子２に対応して記憶するＲＯＭ６およびＲＡＭ７とを有し、ＲＡＭ７は関数の係数および定数が繰り返しまたは複数組設定され、ＲＯＭ６は限られた回数のデータが書き込み可能であり、温度補償回路電源供給時に、関数の係数及び定数の調整範囲の最大値、最小値以外の値をＲＡＭ７に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度補償機能を有する水晶発振器およびその調整方法に関するものである。

電子機器の周波数あるいは時間の基準として、従来から水晶振動子を利用した水晶発振器が用いられている。特に近年は、携帯電話をはじめとする移動体通信用の水晶発振器の需要がますます増加している。最近の電子機器では、高信頼かつ高精度であることが望まれており、例えば水晶振動子を用いた水晶発振器の発振周波数も高度に安定であることが望まれ、特に温度変化に対して発振周波数が安定なことが要求されている。

温度補償水晶発振器としては、温度センサの検出温度に対して非線形関数を発生し、この関数を制御信号として、水晶振動子に直列に接続された可変容量素子の静電容量を調整することが考えられている。水晶振動子のその発振周波数の温度特性は３次関数で近似することができ、それを補償するための関数もまた３次関数で与えられる。このような３次関数を発生する回路は、半導体集積回路により容易に実現できる。水晶発振器および水晶振動子の温度特性のバラツキに対しては、温度補償のための関数の各次数の係数および定数をＰ−ＲＯＭ(Programmable Read Only Memory)やＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）に格納しておき、このＰ−ＲＯＭやＥＥＰＲＯＭに格納する値を変更することで対応する。

図３は従来における温度補償水晶発振器の構成を示す図であり、ＣＭＯＳインバータ型の水晶発振回路に従来技術を実施した例を示すものである。

この温度補償水晶発振器は、ＣＭＯＳインバータ型の発振回路１と、この発振回路１の入力に接続された水晶振動子２とを備え、これらが水晶発振回路を構成する。水晶発振回路の入力には、水晶振動子２に直列に、制御電圧の印加により容量が変化してこの水晶発振回路の発振周波数を調整する可変容量素子３を備える。この可変容量素子３としては、例えば可変容量ダイオードを用いる。この温度補償水晶発振器はさらに、可変容量素子３に周囲温度に応じた制御電圧を印加して温度変化による発振回路１の発振周波数の変動を補償するため、３次関数発生回路４、温度センサ５、Ｐ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６およびＲＡＭ７を備える。

３次関数発生回路４は、温度センサ５により検出された周囲温度に対し、Ｐ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６またはＲＡＭ７から与えられる３次関数の各次数の項の係数および定数に応じた３次関数を発生し、可変容量素子３に制御信号Ｖ_０として与える。Ｐ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６はいったん書き込まれたデータは電源の供給を断たれても保持される。そして、このＰ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６と並列に、かつこのＰ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６と切替えて選択できるように、ＲＡＭ７が設けられている。このＲＡＭ７はシリアルデータをパラレル変換してラッチ回路で固定化した出力を取り出す回路である。このＲＡＭ７は、電源が供給されている間はデータの書き込みおよび読み出しを任意に行うことができるが、電源の供給を断たれると書き込んだデータは失われてしまう。

図４は温度補償していない水晶発振回路の周波数温度特性の一例を示す。横軸は温度、縦軸はこの特性の変曲点の周波数ｆに対する周波数偏移の割合Δｆ／ｆを示す。この特性は、理想３次曲線で近似することができる。また、その３次曲線の係数および定数に修正を加えれば、発振周波数そのものを同様の式で表すことができる。一般に水晶振動子を用いた水晶発振器の発振周波数ｆｘは、近似的に周囲温度Ｔの３次関数により、
（数１）
ｆｘ＝αｘ（Ｔ−Ｔ_０Ｘ）^３−βｘ（Ｔ−Ｔ_０Ｘ）＋γｘ
と表される。ここで、αｘ、βｘ、γｘ、Ｔ_０Ｘは水晶振動子固有の定数である。

図５は可変容量素子３に印加する制御電圧Ｖ_０に対する発振周波数の割合Δｆ／ｆを示す。可変容量素子３として可変容量ダイオードを用いた場合、印加する制御電圧Ｖ_０に対する発振周波数の関係はほぼ直線的である。すなわち、定数Ｆvに対して、発振周波数の変化Δｆと制御電圧変化ΔＶｃとの関係は、
（数２）
Δｆ＝Ｆｖ・ΔＶｃ
で表される。発振周波数が目標周波数ｆ０となるように補償するためには、
（数３）
ｆｘ＋Δｆ＝αｘ（Ｔ−Ｔ_０Ｘ）^３−βｘ（Ｔ−Ｔ_０Ｘ）＋γｘ＋Ｆｖ・ΔＶｃ＝ｆ０
の関係が必要である。したがって、必要な補償電圧ΔＶｃは、周囲温度Ｔの３次関数により、
（数４）
ΔＶｃ＝α（Ｔ−Ｔ_０）^３−β（Ｔ−Ｔ_０）＋γ
と表される。ただし、
（数５）
α＝−αｘ/Ｆｖ，β＝−βｘ/Ｆｖ，
γ＝−（γｘ−ｆ_０）＋γ´，Ｔ_０＝Ｔ_０Ｘ
である。

図６は３次関数発生回路４の出力電圧の温度特性例を示す。３次関数発生回路４は周囲温度Ｔに
（数６）
Ｖｃ´＝α´（Ｔ−Ｔ_０´）^３−β´（Ｔ−Ｔ_０´）＋γ´
で表される。このα´，β´，γ´，Ｔ_０´を（数５）のα，β，γ，Ｔ_０に一致させれば最適な温度補償が得られる。ただし、３次関数発生回路４は半導体回路により作られているため、パラメータα´，β´，γ´，Ｔ_０´にはバラツキが生じる。また、水晶振動子２についてもバラツキがある。そこで、３次関数発生回路４のパラメータα´，β´，γ´，Ｔ_０´をＰ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＯＲＭ６あるいはＲＡＭ７に書き込み、その値によりバラツキを調整する。

ＲＯＭはいったん書き込まれたデータを電源の供給が断たれても保持でき、ＲＡＭはいったん書き込まれたデータは電源の供給が断たれると保持することができないので、Ｐ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６とＲＡＭ７とは、この温度補償水晶発振器の動作モードにしたがって切り替えられる。この動作モードには、この温度補償水晶発振器の温度特性を調整するときに用いられるエミュレーションモードと、この温度補償水晶発振器を出荷した後に用いられる通常動作モードとがある。エミュレーションモードでは、最適な温度補償が得られる３次関数の係数および定数を見出すために、ＲＡＭ７に記憶されたデータを用いる。これに対して通常動作モードでは、あらかじめＰ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６に記憶されたデータを用いる。このデータが最適であれば、最良の温度特性が得られる。Ｐ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６へのデータの書き込みは、温度補償水晶発振器を組み立てた状態で、以下のように行う。すなわち、組み立てられた温度補償水晶発振器を例えば恒温槽に入れ、ＲＡＭ７には任意に書き込みおよび読み出しができるので、必要とする温度補償特性が得られるまで、何度でも係数および定数の変更を行うことができ、その都度、温度補償特性の測定を行う。そして、最適な係数および定数が得られたら、それらの係数および定数をＰ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６に書き込む。

図７は最適な係数および定数を得るための作業をコンピュータにより自動化した例を示す。この例では、温度補償水晶発振器１０を恒温槽１１に入れ、コンピュータ１２から温度補償水晶発振器１０内のＲＡＭに３次関数の係数および定数を書き込み、コンピュータ１２の制御により恒温槽１１内の温度を変化させ、周波数測定器１３により温度補償水晶発振器１０の発振周波数を測定する。この構成において、コンピュータ１２にＲＡＭへの係数および定数の書き込み、温度補償特性の測定、係数および定数の最適化の手順をプログラムしておくことにより、自動化することができる。
特開平８−２０２３８１号公報

図７に示す例においては、温度補償水晶発振器１０の周囲温度を恒温槽１１により変化させることにより、周波数測定器１３により温度補償特性を測定し、この温度補償特性の最適値を見つけるまでランダム・アクセス・メモリに設定する係数および定数の繰り返し測定を行っている。ランダム・アクセス・メモリに設定する係数および定数の繰り返し測定には、前回得られた周波数を帰還させ、コンピュータ１２により最適値を見つけるまで繰り返し測定を行う。これにより得られた最適値を前記読出専用メモリに書き込む工程は、ランダム・アクセス・メモリを設定するコンピュータ１２が必要でかつ繰り返し測定を行う。また、電源電圧源１４は温度補償水晶発振器の電源、エミュレーション電源電圧源１５はこの温度補償水晶発振器の温度特性を調整するときに用いられるエミュレーションモード電源である。

しかし、上述の従来技術では温度補償水晶発振器の最適値を見つけるまでに繰り返し測定を実施しなくてはならないことは製造時間の超過、コンピュータ１２によるランダム・アクセス・メモリに設定する係数および定数をエミュレーションモードで行うためにエミュレーション電源電圧源１５が製造工程で必要となり、製造時間の超過とあわせてコストを増加させるものである。

本発明は、このような課題を解決し、製造工程時間の短縮および製造工程機器の削減になり、製造コストを安価にすることを目的とする。

前記目的を達成するため、水晶振動子を用いた水晶発振回路と、この水晶発振回路に接続され制御電圧の印加により可変容量素子の容量が変化して前記水晶発振回路の発振周波数の発振回路の発振周波数の変動を補償する温度補償手段とを備えた温度補償水晶発振器において、前記温度補償手段は、温度センサにより検出された周囲温度に対して前記可変容量素子に印加すべき制御電圧が発生する関数発生回路と、この関数の係数および定数を前記水晶発振回路およびその使用している水晶振動子に対応して記憶する記憶手段とを含み、この記憶手段は、温度特性を調整するときに用いられ、前記関数の係数および定数が繰り返しまたは複数組設定されるランダム・アクセス・メモリと限られた回数のデータが書き込み可能な読出専用メモリを含み、電源供給時に、関数の係数および定数の調整範囲の最大値、最小値以外の値を前記ランダム・アクセス・メモリに設定することを特徴とする。

本発明の温度補償水晶発振器の調整方法は、前記請求項１記載の温度補償水晶発振器の特性を調整する方法において、前記温度補償水晶発振器の周囲温度を変化させることにより温度補償特性を測定し、得られた値より最適値を決定し、読出専用メモリに書き込むことを特徴とする。

本発明によれば、温度補償水晶発振器の調整を従来技術の温度補償水晶発振器の製造工程に比べ、より簡素化かつ部品削除が可能である。特に、繰り返し測定、エミュレーション電源及びコンピュータの削減は製造コストを安価にできる効果がある。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態を用いたＣＭＯＳインバータ型の水晶発振回路を示す図である。

本実施形態の温度補償水晶発振器は、ＣＭＯＳインバータ型の発振回路１と、この発振回路１の入力に接続された水晶振動子２とを備え、これらが水晶発振回路を構成する。水晶発振回路の入力には、水晶振動子２に直列に、制御電圧の印加により容量が変化してこの水晶発振回路の発振周波数を調整する可変容量素子３を備える。この可変容量素子３としては、例えば可変容量ダイオードを用いる。また、温度補償水晶発振器は、さらに、可変容量素子３に周囲温度に応じた制御電圧を印加して温度変化による発振回路１の発振周波数の変動を補償するため、３次関数発生回路４、温度センサ５、Ｐ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６、ＲＡＭ７および電源供給時に関数の係数及び定数の調整範囲の最大値、最小値以外の値にランダム・アクセス・メモリが設定されている固有定数設定回路８を備えた温度補償回路が設けられている。

３次関数発生回路４は、温度センサ５により検出された周囲温度に対し、Ｐ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６またはＲＡＭ７から与えられる３次関数の各次数の項の係数および定数に応じた３次関数を発生し、可変容量素子３に制御信号Ｖ０として与える。Ｐ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６はいったん書き込まれたデータは電源の供給を断たれても保持される。そして、このＰ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６と並列に、かつこのＰ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６と切替えて選択できるように、ＲＡＭ７が設けられている。このＲＡＭ７はシリアルデータをパラレル変換してラッチ回路で固定化した出力を取り出す回路である。このＲＡＭ７は、電源が供給されている間はデータの書き込みおよび読み出しを任意に行うことができるが、電源の供給を断たれると書き込んだデータは失われてしまう。このＰ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ６とＲＡＭ７と直列に接続する電源供給時に関数の係数及び定数の調整範囲の最大値、最小値以外の値にランダム・アクセス・メモリが設定できる固有定数設定回路８が設けられている。電源供給時に関数の係数及び定数の調整範囲の最大値、最小値以外の値にランダム・アクセス・メモリが設定できる固有定数設定回路８は関数の係数及び定数の調整範囲の最大値、最小値以外の値にランダム・アクセス・メモリが設定されている。これより、あらかじめ水晶の固有の定数に近い値を保持することが可能となる。

本実施形態３における温度補償回路は半導体集積回路からなり、電源供給時に関数の係数及び定数の調整範囲の最大値、最小値以外の値にランダム・アクセス・メモリが設定できる回路である。このため、あらかじめ水晶固有の定数に近い値を保持するができる。これは通常動作モードにおいて温度変化をさせることにより、あらかじめ半導体集積回路のパラメータα´，β´，γ´，Ｔ_０´は水晶振動子の固有定数α，β，γ，Ｔ_０に一致もしくは近い値になっているために、最適値もしくは最適値に近い特性が得られる。最適値が得られない場合は測定結果から数値解析を行って最適な係数および定数を読出専用メモリに書き込んでもよい。以下に数値解析について、式を用いて説明する。

温度補償水晶発振器１０の発振周波数は
（数７）
ｆ＝ｆｘ＋Ｆｖ・Ｖｃ´
＝αｘ（Ｔ−Ｔ_０Ｘ）^３−βｘ（Ｔ−Ｔ_０Ｘ）＋γｘ
＋Ｆｖ・｛α´（Ｔ−Ｔ_０）^３−β´（Ｔ−Ｔ_０）＋γ´｝
で表される。ここで、
（数８）
α´＝α_０（１＋Δα），β´＝β_０（１＋Δβ）
γ´＝γ_０（１＋Δγ），Ｔ_０´＝Ｔ_００（１＋ΔＴ_０）
と置くと、測定結果からこの式に基づきパラメータα´，β´，γ´，Ｔ_０´をΔだけ変化させることにより最適値を得ることができる。

また、従来技術ではコンピュータを使用し、恒温槽内の温度変化および、ＲＡＭへの係数および定数の書き込みを行っていたが、本実施形態により、コンピュータによる恒温槽内の温度変化および、ＲＡＭへの係数および定数の書き込みが不要となり製造工程の部品削減およびコンピュータによるＲＡＭへの係数および定数の書き込み工程が削減可能であり、製造工程コストを安価にできる。

図２は本実施形態における最適な係数および定数を得るための作業例を示す図である。この例では、温度補償水晶発振器１０を恒温槽１１に入れ、恒温槽１１内の温度を変化させ、周波数測定器１３により温度補償水晶発振器１０の発振周波数を測定する。電源電圧源１４は温度補償水晶発振器１０の電源である。この測定結果からコンピュータ１２において数値解析を行って最適な係数および定数を求め、得られた最適な係数および定数を読出専用メモリに書き込むことにより温度補償水晶発振器を調整できる。

本発明によれば、温度補償水晶発振器の調整を従来技術の温度補償水晶発振器の製造工程に比べ、より簡素化かつ部品削除が可能であり、特に、繰り返し測定及びエミュレーション電源及びコンピュータの削減は製造コストを安価にできる効果があり、携帯電話をはじめとする移動体通信用の水晶発振器の分野において有用である。

本発明の一実施形態を用いたＣＭＯＳインバータ型の水晶発振回路を示す図 本実施形態における最適な係数および定数を得るための作業例を示す図 従来における温度補償水晶発振器の構成を示す図 温度補償していない水晶発振回路の周波数温度特性の一例を示す図 可変容量素子に印加する制御電圧Ｖcに対する発振周波数の変化の割合Δｆ／ｆを示す図 ３次関数発生回路の出力電圧の温度特性例を示す図 従来技術における最適な係数および定数を得るための作業をコンピュータにより自動化した例を示す図

符号の説明

１ 発振回路
２ 水晶振動子
３ 可変容量素子
４ ３次関数発生回路
５ 温度センサ
６ Ｐ−ＲＯＭ若しくはＥＥＰＲＯＭ
７ ＲＡＭ
８ 固有定数設定回路
１０ 温度補償水晶発振器
１１ 恒温槽
１２ コンピュータ
１３ 周波数測定器
１４ 電源電圧源
１５ エミュレーション電源電圧源

Claims (2)

1. 水晶振動子を用いた水晶発振回路と、この水晶発振回路に接続され制御電圧の印加により可変容量素子の容量が変化して前記水晶発振回路の発振周波数の発振回路の発振周波数の変動を補償する温度補償手段とを備えた温度補償水晶発振器において、
   前記温度補償手段は、温度センサにより検出された周囲温度に対して前記可変容量素子に印加すべき制御電圧が発生する関数発生回路と、この関数の係数および定数を前記水晶発振回路およびその使用している水晶振動子に対応して記憶する記憶手段とを含み、この記憶手段は、温度特性を調整するときに用いられ、前記関数の係数および定数が繰り返しまたは複数組設定されるランダム・アクセス・メモリと限られた回数のデータが書き込み可能な読出専用メモリを含み、
   電源供給時に、関数の係数および定数の調整範囲の最大値、最小値以外の値を前記ランダム・アクセス・メモリに設定することを特徴とする温度補償水晶発振器。
2. 請求項１記載の温度補償水晶発振器の特性を調整する方法において、前記温度補償水晶発振器の周囲温度を変化させることにより温度補償特性を測定し、得られた値より最適値を決定し、読出専用メモリに書き込むことを特徴とする温度補償水晶発振器の調整方法。

Images