JP2006222645A - Temperature-compensated oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水晶振動子を用いた水晶発振器の温度特性を補償した温度補償型発振器に関する。 The present invention relates to a temperature compensated oscillator that compensates for the temperature characteristics of a crystal oscillator using a crystal resonator.
水晶振動子を用いた発振器(いわゆる水晶発振器)は、他の発振器に比較して周波数安定度が高いという特長を有する。しかし、近年の移動体無線の基準発振器として水晶発振器を使用する場合には、使用環境の温度によって発振周波数が変動するという現象が問題となる。この温度による周波数変動は、水晶発振器に設けられている水晶振動子の温度特性に起因する現象である。 An oscillator using a crystal resonator (a so-called crystal oscillator) has a feature of high frequency stability as compared with other oscillators. However, when a crystal oscillator is used as a reference oscillator for a mobile radio in recent years, the phenomenon that the oscillation frequency varies depending on the temperature of the usage environment becomes a problem. This frequency variation due to temperature is a phenomenon caused by temperature characteristics of a crystal resonator provided in the crystal oscillator.
この問題を解決するために、水晶振動子の温度特性を補償する、いわゆる温度補償型発振器が広く用いられており(例えば、特許文献1を参照)、なかでも「間接法」と呼ばれる方式の温度補償方法を採用した温度補償型発振器は集積回路化が可能であるという利点を有している。 In order to solve this problem, so-called temperature compensated oscillators that compensate for the temperature characteristics of crystal resonators are widely used (see, for example, Patent Document 1), and in particular, the temperature of a method called “indirect method” A temperature compensated oscillator employing the compensation method has the advantage that it can be integrated.
図6は、間接法による温度補償型発振器の温度補償原理を説明するための図で、この図において、温度検出回路201は温度に依存した温度検出電圧を出力する回路である。この温度検出回路201から出力された温度検出電圧は、制御電圧発生回路213を構成する高温部3次項電圧発生回路203、低温部3次項電圧発生回路205、および1次項電圧発生回路207のそれぞれへ振り分けて入力される。
FIG. 6 is a diagram for explaining the temperature compensation principle of the temperature-compensated oscillator by the indirect method. In this figure, the
制御電圧発生回路213は、高温部3次項電圧発生回路203、低温部3次項電圧発生回路205、および1次項電圧発生回路207のほかに、0次項電圧発生回路209を備えており、これら4つの電圧発生回路(203,205,207,および209)のそれぞれから出力される制御電圧は、加算回路211へと入力される。
The control
加算回路211は、これらの4つの制御電圧を合成して、ATカット水晶の3次温度特性および1次温度特性を補償するとともに、0次項電圧発生回路209よる特定の温度での発振周波数を調整するような制御電圧を発生し、これを周波数調整回路215へと入力する。このようにして水晶発振回路217の発振周波数の温度による変動が補償される。
The
ここで、3次項電圧の発生は演算増幅回路によって行われることとなるが、演算増幅回路は入力電圧と出力電圧の2次元平面における第1象限の3次項電圧しか発生させることはできない。本来、3次曲線で表現される3次項電圧は、入力電圧と出力電圧の2次元平面において第1象限と第3象限に相当する領域で値を取り得るが、第1象限の3次項電圧のみが発生可能な場合には、残りの領域である第3象限での3次項電圧を発生させるためには、第1象限の3次項電圧を発生させた後にこれを反転させるという手順が必要となる。このため、加算回路211に一続きの3次項電圧を発生させるためには、高温部3次項電圧発生回路203と低温部3次項電圧発生回路205の2つの回路が必要となるのである。
Here, the generation of the third-order term voltage is performed by the operational amplifier circuit, but the operational amplifier circuit can only generate the third-order term voltage in the first quadrant in the two-dimensional plane of the input voltage and the output voltage. Originally, the third-order term voltage expressed by a cubic curve can take a value in a region corresponding to the first quadrant and the third quadrant in the two-dimensional plane of the input voltage and the output voltage, but only the third-order voltage in the first quadrant. In order to generate the third-order voltage in the third quadrant, which is the remaining region, a procedure is necessary in which the third-order voltage in the first quadrant is generated and then inverted. . For this reason, in order for the
このため、より簡単な回路で一続きの3次項電圧を発生可能とする方式を採用した温度補償型発振器が知られている。 For this reason, there is known a temperature compensated oscillator that employs a system that can generate a continuous third-order voltage with a simpler circuit.
図7は、この方式の温度補償原理を説明するための図で、この図における温度検出回路201は温度に依存した温度検出電圧を出力し、これを制御電圧発生回路213へと入力する。制御電圧発生回路213は、3次項電圧発生回路221と1次項電圧発生回路207と0次項電圧発生回路209の3つの電圧発生回路を備えているが、温度検出回路201から入力された温度検出電圧は、一続きの3次項電圧を発生可能な3次項電圧発生回路221と1次項電圧発生回路207のそれぞれに振り分けて入力される。
FIG. 7 is a diagram for explaining the temperature compensation principle of this system. The
制御電圧発生回路213が備える上記3つの電圧発生回路(221,207,209)のそれぞれから出力される制御電圧は、図6に示した構成とは異なり、加算回路を経由せずに直接に周波数調整回路215へと入力され、これにより水晶発振回路217の発振周波数の温度による変動が補償される。
上述したように、図6に示したような従来の回路構成では、ATカット水晶の温度特性を補償するために演算増幅回路を用いた3次項電圧発生回路を2つ必要とすることに加え、加算回路も必要となって回路規模が増大し、さらにこれらの増大した各回路の製造時のばらつきを補正するために、個々の回路に煩雑な調整が必要になるという問題がある。 As described above, the conventional circuit configuration as shown in FIG. 6 requires two third-order voltage generation circuits using operational amplifier circuits to compensate for the temperature characteristics of the AT-cut crystal, An adder circuit is also required, resulting in an increase in circuit scale, and in addition, there is a problem that complicated adjustment is required for each circuit in order to correct variations in manufacturing of these increased circuits.
また、図7に示したような回路規模の縮小を図るために発明された1つの3次項電圧発生回路を用いる方式では、3次項電圧を発生する3次項電圧発生回路が単一な出力となっているために、水晶発振回路の発振周波数を変化させるために設けられた周波数調整回路を構成する単一の電圧可変容量素子により高温部補償と低温部補償を行うために、電圧可変容量素子の電圧対容量変化の直線部分が不足し、水晶振動子の温度特性によっては補償能力が限界に達して動作温度範囲の最高温度、或いは最低温度で十分に温度補償ができなくなるという問題がある。 Further, in the method using one third-order term voltage generating circuit invented to reduce the circuit scale as shown in FIG. 7, the third-order term voltage generating circuit for generating the third-order term voltage has a single output. Therefore, in order to perform high-temperature part compensation and low-temperature part compensation by a single voltage variable capacitive element constituting a frequency adjustment circuit provided to change the oscillation frequency of the crystal oscillation circuit, the voltage variable capacitive element There is a problem that the linear portion of the voltage vs. capacitance change is insufficient, and depending on the temperature characteristics of the crystal resonator, the compensation capability reaches the limit, and the temperature cannot be sufficiently compensated at the maximum temperature or the minimum temperature in the operating temperature range.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、回路構成が簡潔で小型化に適し調整も容易で、より大きな温度補償能力を有する温度補償型発振器を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a temperature-compensated oscillator having a simple circuit configuration, suitable for miniaturization, easy adjustment, and greater temperature compensation capability. There is to do.
本発明はこのような課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、温度補償型発振器であって、電源と、水晶発振回路と、該水晶発振回路の近傍の温度を検出して出力電圧を発生する温度検出回路と、該温度検出回路からの出力電圧が入力されて制御電圧としての3次項電圧を発生する制御電圧発生回路と、該制御電圧発生回路からの制御電圧が入力されて前記水晶発振回路の発振周波数を調整する周波数調整回路と、を備え、前記制御電圧発生回路は、前記温度検出回路から出力された出力電圧に基づいて非直線電圧を出力する第1および第2の能動素子を有し、該第1および第2の能動素子は何れも、前記電源からの電力供給を行なう第1および第2の電源線間に抵抗素子を介して挿入されており、前記第1の能動素子の出力端は前記制御電圧の第1の出力端とされ、前記第2の能動素子の出力端は前記制御電圧の第2の出力端とされていることを特徴とする。 In order to solve such a problem, the present invention provides a temperature-compensated oscillator that detects a temperature of a power source, a crystal oscillation circuit, and the vicinity of the crystal oscillation circuit. A temperature detection circuit that generates an output voltage, a control voltage generation circuit that generates a third-order voltage as a control voltage when the output voltage from the temperature detection circuit is input, and a control voltage that is input from the control voltage generation circuit A frequency adjustment circuit for adjusting an oscillation frequency of the crystal oscillation circuit, wherein the control voltage generation circuit outputs a non-linear voltage based on an output voltage output from the temperature detection circuit. The first and second active elements are both inserted through a resistance element between first and second power supply lines for supplying power from the power supply, and The output end of one active element is the front Is the first output of the control voltage, the output terminal of said second active device is characterized in that there is a second output of the control voltage.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の温度補償型発振器において、前記第1および第2の能動素子は何れもMOSトランジスタであり、該MOSトランジスタの各々は、前記温度検出回路からの出力電圧がゲートに入力され、ドレインは前記2本の電源線の少なくとも一方に前記抵抗素子を介して接続されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the temperature compensated oscillator according to the first aspect, each of the first and second active elements is a MOS transistor, and each of the MOS transistors is connected to the temperature detection circuit. The output voltage is input to the gate, and the drain is connected to at least one of the two power supply lines via the resistance element.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の温度補償型発振器において、前記周波数調整回路は、前記水晶発振回路の負荷容量を構成する複数の電圧可変容量素子を有し、該複数の電圧可変容量素子には、前記第1の出力端から出力された制御電圧と、前記第2の出力端から出力された制御電圧とが、振り分けられて印加されることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the temperature compensated oscillator according to the first or second aspect, the frequency adjustment circuit includes a plurality of voltage variable capacitance elements constituting a load capacitance of the crystal oscillation circuit, A control voltage output from the first output terminal and a control voltage output from the second output terminal are distributed and applied to the plurality of voltage variable capacitance elements.
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3の何れか1項に記載の温度補償型発振器において、前記制御電圧発生回路は、第1および第2の3次項電圧発生回路と可変電圧発生回路とを備え、該制御電圧発生回路は、前記第1の3次項電圧発生回路で発生する3次項電圧の第1の制御電圧と、前記第2の3次項電圧発生回路で発生する3次項電圧の第2の制御電圧と、前記温度検出回路の出力電圧に基づいて発生する1次項電圧の第3の制御電圧と、前記可変電圧発生回路の出力電圧に基づいて発生する0次項電圧の第4の制御電圧と、外部入力電圧の第5の制御電圧と、を前記周波数調整回路に出力し、該周波数調整回路は、前記第1乃至第5の制御電圧に基づいて、前記水晶発振回路の発振周波数を制御することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the temperature-compensated oscillator according to any one of the first to third aspects, the control voltage generation circuit includes first and second third-order voltage generation circuits and variable voltage generation. And a control voltage generation circuit including a first control voltage of a third-order voltage generated by the first third-order voltage generation circuit and a third-order voltage generated by the second third-order voltage generation circuit. The third control voltage of the first-order voltage generated based on the output voltage of the temperature detection circuit, and the fourth of the zero-order voltage generated based on the output voltage of the variable voltage generation circuit. And a fifth control voltage of the external input voltage are output to the frequency adjustment circuit, and the frequency adjustment circuit oscillates the crystal oscillation circuit based on the first to fifth control voltages. It is characterized by controlling the frequency.
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の温度補償型発振器において、前記周波数調整回路は、前記水晶発振回路の負荷容量を構成する電圧可変容量素子であって、前記第1乃至第5の制御電圧により容量値が変化する第1および第2の電圧可変容量素子を備え、前記第1の制御電圧が前記第1の電圧可変容量素子の一方の電極へ印加される一方、前記第2の制御電圧が前記第2の電圧可変容量素子の一方の電極へ印加され、前記第4の制御電圧と前記第5の制御電圧は相互に分別されて前記第1の電圧可変容量素子の他方の電極と前記第2の電圧可変容量素子の他方の電極とへ振り分けられて印加されることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the temperature compensated oscillator according to the fourth aspect, the frequency adjustment circuit is a voltage variable capacitance element that constitutes a load capacitance of the crystal oscillation circuit, and The first and second voltage variable capacitance elements whose capacitance values are changed by a control voltage of 5, and the first control voltage is applied to one electrode of the first voltage variable capacitance element, 2 control voltage is applied to one electrode of the second voltage variable capacitance element, the fourth control voltage and the fifth control voltage are separated from each other, and the other of the first voltage variable capacitance elements And is applied to the other electrode of the second voltage variable capacitance element.
本発明の温度補償型発振器によれば、演算増幅回路を用いた複数の3次項発生回路や加算回路のような複雑な回路を必要しないので、半導体集積回路化において、使用する能動素子の数を少なくすることが可能となる。これにより、半導体集積回路チップの面積を大幅に減少させることが可能となることに加え、単一な電圧可変容量素子で高温部と低温部の温度補償を行う従来方法に比べて温度補償能力の向上を図ることができ、歩留まり向上と価格低減を図ることができるという効果を奏する。 According to the temperature compensated oscillator of the present invention, since a complicated circuit such as a plurality of third-order term generating circuits and an adding circuit using an operational amplifier circuit is not required, the number of active elements used in the semiconductor integrated circuit is reduced. It can be reduced. As a result, the area of the semiconductor integrated circuit chip can be greatly reduced, and the temperature compensation capability can be improved as compared with the conventional method in which the temperature compensation is performed in the high temperature part and the low temperature part with a single voltage variable capacitance element. Improvement can be achieved, and the effect of improving the yield and reducing the price is achieved.
以下に、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の温度補償型発振器の回路構成例を説明するためのブロック図で、この温度補償型発振器は、電源11と、制御電圧発生回路71と、温度検出回路15と、周波数調整回路121と、水晶発振回路131とを備えている。
FIG. 1 is a block diagram for explaining a circuit configuration example of a temperature compensated oscillator according to the present invention. The temperature compensated oscillator includes a
このうち、制御電圧発生回路71は2本の電源線を有し、その一方が第1の電源線23、他方が第2の電源線35で図示されている。そして、可変電圧発生回路13と、第1のゲート電圧発生回路31と、第2のゲート電圧発生回路33と、第1のMOSトランジスタであるPチャネルMOSトランジスタ41と、第2のMOSトランジスタであるNチャネルMOSトランジスタ53と、抵抗素子45、49、59、63と、外部電圧入力端子17とが、図1のブロック図に示したように配置されている。なお、この例では、PチャネルMOSトランジスタ41とNチャネルMOSトランジスタ53を用いているが、他の能動素子を用いることとしてもよい。
Among these, the control voltage generation circuit 71 has two power supply lines, one of which is illustrated as a first
ここで、第1のゲート電圧発生回路31と第1のMOSトランジスタであるPチャネルMOSトランジスタ41、および、第2のゲート電圧発生回路33と第2のMOSトランジスタであるNチャネルMOSトランジスタ53、ならびに、抵抗素子45、49、59、63は、3次項電圧発生回路を構成している。
Here, the first gate
可変電圧発生回路13は、任意の電圧を発生可能な回路であればその構成に特別な制限はないが、好適には、メモリ制御により任意の電圧を発生する回路とされる。また、外部電圧入力端子17は、外部から直接電圧を周波数調整回路121に印加できる機能を有するもので、必要に応じて、この外部からの電圧を適当な値に変換する電圧変換回路(例えば、メモリ制御された電圧変換回路)が付加される。
The variable voltage generating circuit 13 is not particularly limited in its configuration as long as it can generate an arbitrary voltage, but is preferably a circuit that generates an arbitrary voltage by memory control. The external voltage input terminal 17 has a function of directly applying a voltage from the outside to the
周波数調整回路121は、MIS型可変容量コンデンサ83、89、103、109と、容量素子81、87、101、107および容量素子85、91、105、111と、抵抗素子73、75、77、79および抵抗素子93、95、97、99と、によって構成される。
The
また、水晶発振回路131は、圧電振動子である水晶振動子123と、インバータ125と、帰還抵抗素子127と、によって構成される。
The
周波数調整回路121に設けられている容量素子81、87、101、107および容量素子85、91、105、111ならびにMIS型可変容量コンデンサ83、89、103、109は、それぞれ、水晶発振回路131の負荷容量を構成する容量素子であって、MIS型可変容量コンデンサ83、89、103、109は制御電圧によってその容量値が変化する電圧可変容量素子である。
温度検出回路15は、温度によりその出力電圧が直線的に変化する作用を有する回路であればその構成上の制限はないが、半導体集積回路上で構成する場合は、図2に示したように、MOSトランジスタのドレイン電流の温度特性を利用した回路とするのが最も好ましい。 The temperature detection circuit 15 is not limited in configuration as long as the output voltage linearly changes depending on the temperature, but when configured on a semiconductor integrated circuit, as shown in FIG. The circuit utilizing the temperature characteristics of the drain current of the MOS transistor is most preferable.
図1に示した制御電圧発生回路71において、第1のゲート電圧発生回路31と第2のゲート電圧発生回路33は、温度検出回路15からの出力電圧を適当な値に変換して、これを、第1のMOSトランジスタであるPチャネルMOSトランジスタ41のゲート37と第2のMOSトランジスタであるNチャネルMOSトランジスタ53のゲート39に入力する回路である。このようなゲート電圧発生回路は、図3に示したような、メモリ制御により電圧分割比を変えられるデジタル電圧分割回路構成とするのが好ましい。
In the control voltage generation circuit 71 shown in FIG. 1, the first gate
図1に示す制御電圧発生回路71おいて、電源11の正電源線14は第1の電源線23と第1のゲート電圧発生回路31の入力端30とに接続し、電源11の負電源線12は第2の電源線35と第2のゲート電圧発生回路33の入力端36とに接続していて、かつ接地電源となっている。そして、温度検出回路15からの出力25は、第1のゲート電圧発生回路31の入力端32と第2のゲート電圧発生回路33の入力端34とに接続していて、第1のゲート電圧発生回路31の出力端38は第1のMOSトランジスタであるPチャネルMOSトランジスタ41のゲート37に、第2のゲート電圧発生回路33の出力端40は第2のMOSトランジスタであるNチャネルMOSトランジスタ53のゲート39に、それぞれ接続している。そして、第1のMOSトランジスタであるPチャネルMOSトランジスタ41のソース47は第1の電源線23に、NチャネルMOSトランジスタ53のソース55は第2の電源線35に、それぞれ接続している。
In the control voltage generation circuit 71 shown in FIG. 1, the positive
図1に示す温度検出回路15は、電源線23と電源線35に挿入されていて、電源11から電源供給されているが、温度検出回路15は必ずしも電源線23と電源線35に挿入される必要はなく、電圧レギュレータ等の別の電源から温度検出回路15に電源供給をしてもよい。
The temperature detection circuit 15 shown in FIG. 1 is inserted into the
さらに、第1のMOSトランジスタであるPチャネルMOSトランジスタ41のドレイン43は、抵抗素子49を介して第1の電源線23に接続するとともに、抵抗素子45を介して第2の電源線35に接続している。また、NチャネルMOSトランジスタ53のドレイン57は、抵抗素子59を介して第1の電源線23に接続するとともに、抵抗素子63を介して第2の電源線35に接続している。そして、PチャネルMOSトランジスタ41のドレイン43と抵抗素子49と抵抗素子45の接続点は、制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51を形成し、NチャネルMOSトランジスタ53のドレイン57と抵抗素子59と抵抗素子63の接続点は、制御電圧発生回路71の制御電圧の第2の出力端61を形成している。
Further, the
図1に示す周波数調整回路121おいて、容量素子81とMIS型可変容量コンデンサ83と容量素子85は直列に接続しており、容量素子81のMIS型可変容量コンデンサ83に接続していない端子は水晶発振回路131の水晶振動子123とインバータ125に接続している。また、容量素子85のMIS型可変容量コンデンサ83に接続していない端子は、接地電源に接続している。そして、容量素子87とMIS型可変容量コンデンサ89と容量素子91、および容量素子101とMIS型可変容量コンデンサ103と容量素子105、ならびに容量素子107とMIS型可変容量コンデンサ109と容量素子111も、上記と同様な態様で接続している。
In the
周波数調整回路121の抵抗素子73、75、77、79、93、95、97、99は、水晶発振回路131からの高周波電流が制御電圧発生回路71へ漏洩することを防止するためのものである。また、容量素子81、85、87、91、101、105、107、111は、制御電圧発生回路71からMIS型可変容量コンデンサ83、89、103、109に印加される制御電圧が水晶発振回路131、あるいは接地電源へ漏洩するのを遮断するためのものである。
The
制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51は、抵抗素子75、95を介して、容量素子81とMIS型可変容量コンデンサ83の接続点、および容量素子101とMIS型可変容量コンデンサ103の接続点にそれぞれ接続している。同様に、制御電圧発生回路71の制御電圧の第2の出力端61は、抵抗素子73、93を介して、容量素子87とMIS型可変容量コンデンサ89の接続点、および容量素子107とMIS型可変容量コンデンサ109の接続点にそれぞれ接続している。
The first output terminal 51 of the control voltage of the control voltage generation circuit 71 is connected to the connection point between the capacitive element 81 and the MIS
可変電圧発生回路13の出力29は、抵抗素子77、97を介して、MIS型可変容量コンデンサ89と容量素子91の接続点、およびMIS型可変容量コンデンサ109と容量素子111の接続点、にそれぞれ接続している。そして、外部電圧入力端子17の出力18は、抵抗素子79、99を介して、MIS型可変容量コンデンサ83と容量素子85の接続点、およびMIS型可変容量コンデンサ103と容量素子105の接続点、にそれぞれ接続している。図1に示す水晶発振回路131おいて、帰還抵抗素子127と水晶振動子123はともに、インバータ125の入力と出力の間に挿入されるかたちで接続している。
The output 29 of the variable voltage generation circuit 13 is connected to a connection point between the MIS
図1に示す温度検出回路15は、図2に示すように、NチャネルMOSトランジスタ167が電源線23と電源線35の間に挿入されていて、ドレイン169は抵抗素子171を介して電源線23に接続していると同時に、温度検出回路15の出力25に接続している。抵抗素子161、163は直列に接続されて、電源線23と電源線35の間に挿入されている。また、抵抗素子161、163の接続点162は、MOSトランジスタ167のゲート165に接続されている。
In the temperature detection circuit 15 shown in FIG. 1, as shown in FIG. 2, an N-
図1に示す制御電圧発生回路71おいて、第1のゲート電圧発生回路31と、第2のゲート電圧発生回路33は、図3に示すように、入力端30、34と入力端32、36の間に抵抗素子135のn−1個(図3ではR1、R2、・・・、Rn−1と記す)を直列に接続し、その各接続点に、スイッチ素子としてのMOSトランジスタ137をn個(図3ではMOST1、MOST2、・・・、MOSTnと記す)を接続し、各MOSトランジスタのゲートへメモリ回路139からのデジタル信号を印加して、これらの各MOSトランジスタを選択的に導通させることにより、入力端30、34と入力端32、36の間に印加される電圧を任意に分割して出力端38、40に出力する。
In the control voltage generating circuit 71 shown in FIG. 1, the first gate
以下では、図1、図2に加えて図3、図4、図5を参照しつつ、上述の温度補償型発振器の作用について説明する。温度検出回路15は、水晶発振回路131の温度を検出して、温度に依存した電圧を第1のゲート電圧発生回路31の入力端32と第2のゲート電圧発生回路33の入力端34へ出力する。温度検出回路15において、抵抗素子161、163は電源線23と電源線35の間に印加されている電圧を分割した電圧を、ゲート電圧としてNチャネルMOSトランジスタ167のゲート165に印加している。このゲート電圧がNチャネルMOSトランジスタ167の閾値電圧を超えるように、抵抗素子161、163の抵抗値の比を選択する。
Hereinafter, the operation of the above-described temperature compensated oscillator will be described with reference to FIGS. 3, 4, and 5 in addition to FIGS. 1 and 2. The temperature detection circuit 15 detects the temperature of the
抵抗素子171にはドレイン電流が流れ、温度検出回路15の出力25に電圧が出力される。NチャネルMOSトランジスタ167の温度特性により、温度の上昇とともにそのドレイン電流が増加して抵抗素子171の両端の電圧が増加し、出力25に出力される電圧は温度の上昇とともに低下する。すなわち、温度検出回路15の出力電圧は、温度に反比例するかたちで低下してゆく。このとき、この出力電圧の温度勾配が不足であれば、演算増幅回路で増幅するとよい。
A drain current flows through the
なお、前述の例では温度検出回路15が単一の構成例としているが、温度検出回路15を複数の温度検出回路で構成し、その出力を第1のゲート電圧発生回路31と第2のゲート電圧発生回路33とに振り分けて入力してもよい。さらに、第1のゲート電圧発生回路31と第2のゲート電圧発生回路33は必須ではなく、温度検出回路15からの出力電圧を第1のMOSトランジスタであるPチャネルMOSトランジスタ41のゲート37と、第2のMOSトランジスタであるNチャネルMOSトランジスタ53のゲート39と、に直接入力してもよい。
In the above-described example, the temperature detection circuit 15 has a single configuration example. However, the temperature detection circuit 15 includes a plurality of temperature detection circuits, and outputs thereof are the first gate
上述のように、温度の上昇とともに温度検出回路15の出力電圧は低下してゆき、第1のゲート電圧発生回路31の出力端38の電圧もまた、その電圧分割比に依存して、温度の上昇とともに低下してゆく。第1のゲート電圧発生回路31の出力端38はPチャネルMOSトランジスタ41のゲート37に接続されているので、PチャネルMOSトランジスタ41のゲート37と、電源線23に接続されているPチャネルMOSトランジスタ41のソース47と、の間の電圧の差は温度の上昇とともに増加し、この電圧の差がPチャネルMOSトランジスタ41の閾値電圧を超える温度T1に達すると、PチャネルMOSトランジスタ41のドレイン43を通して抵抗素子45に電流が流れ始める。
As described above, the output voltage of the temperature detection circuit 15 decreases as the temperature rises, and the voltage at the
その結果として、温度T1を超えて温度が上昇してゆくと、PチャネルMOSトランジスタ41のドレイン43は、非直線電圧を制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51に出力する。そして、温度がT1温度以下では、PチャネルMOSトランジスタ41はそのドレイン43に電流が流れない遮断状態となり、制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51の電圧は、抵抗素子49と抵抗素子45で第1の電源線23と第2の電源線35の間に印加されている電圧を分割した値となり、温度に依存せず一定となる。
As a result, when the temperature rises exceeding the temperature T1, the
一方、第2のゲート電圧発生回路33の出力端40も温度に対しては同様の作用を示すので、NチャネルMOSトランジスタ53のゲート39と接地電源に接続されているNチャネルMOSトランジスタ53のソース55との間の電圧の差は温度の上昇とともに減少(換言すれば、温度の下降とともに増加)する。温度が下降してゆき前述の電圧の差がNチャネルMOSトランジスタ53の閾値電圧を超える温度T2に達すると、NチャネルMOSトランジスタ53のドレイン57を通して抵抗素子59に電流が流れ始める。
On the other hand, since the output terminal 40 of the second gate
その結果として、温度T2を超えて温度が下降してゆくと、NチャネルMOSトランジスタ53のドレイン57は非直線電圧を、制御電圧発生回路71の制御電圧の第2の出力端61に出力する。そして、温度がT2以上では、NチャネルMOSトランジスタ53のドレイン57に電流が流れない遮断状態となり、制御電圧発生回路71の制御電圧の第2の出力端61の電圧は、抵抗素子59と抵抗素子63で第1の電源線23と第2の電源線35の間に印加されている電圧を分割した値となり、温度に依存せず一定となる。
As a result, when the temperature decreases beyond the temperature T 2, the drain 57 of the N-channel MOS transistor 53 outputs a non-linear voltage to the second output terminal 61 of the control voltage of the control voltage generation circuit 71. When the temperature is equal to or higher than T2, the current does not flow to the drain 57 of the N-channel MOS transistor 53, and the voltage at the second output terminal 61 of the control voltage of the control voltage generating circuit 71 is the resistance element 59 and the resistance element. In 63, the voltage applied between the first
図4は、上述の制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51の出力電圧ならびに第2の出力端61の出力電圧と温度との関係を示す図である。図4において、曲線141は制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51の温度に対する出力電圧を示し、曲線143は制御電圧発生回路71の制御電圧の第2の出力端61の温度に対する出力電圧を示している。曲線141上の点145は温度T1であり、この温度より低い温度範囲では曲線141は温度軸に平行な部分147であり、温度に対して出力電圧は一定となる。この一定の値は抵抗素子49と抵抗素子45の抵抗値の比で決まる。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the output voltage of the first output terminal 51 and the output voltage of the second output terminal 61 and the temperature of the control voltage of the control voltage generation circuit 71 described above. In FIG. 4, a
また、曲線143上の点149は温度T2であり、この温度より高い温度範囲では曲線143は温度軸に平行な部分151であり、温度に対して出力電圧は一定となる。この一定の値は抵抗素子59と抵抗素子63の抵抗値の比で決まる。既に説明した内容から明らかなように、曲線141及び曲線143上の、温度に対して出力電圧が一定になる範囲での出力電圧は相互に独立に選択できる。
A
温度T1と温度T2は第1のゲート電圧発生回路31の出力電圧と第2のゲート電圧発生回路33の出力電圧によって決まるが、これらの出力電圧は上述したように任意に決めることができるから、T1が40℃付近、T2が10℃付近になるように、これらの出力電圧を決める。温度T1と温度T2の間では、制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51の出力電圧と、制御電圧発生回路71の制御電圧の第2の出力端61の出力電圧とは一定の値となる。このようにして、制御電圧発生回路71は制御電圧の第1の出力端51の出力と制御電圧の第2の出力端61の出力電圧を合算したようなかたちで、低温から高温に至るまでの温度範囲で、制御電圧として一続きの3次項電圧を出力する。
The temperature T1 and the temperature T2 are determined by the output voltage of the first gate
なお、上述の説明では、PチャネルMOSトランジスタ41のソース47は第1の電源線23に直接接続している例を示したが、ドレインに流れる電流を制限するためにソース47と電源線23の間に抵抗素子を挿入してもよい。また、同様な目的でNチャネルMOSトランジスタ53のソース55と第2の電源線35の間に抵抗素子を挿入してもよい。
In the above description, the source 47 of the P-
上述の実施例では、第1のMOSトランジスタとしてPチャネルMOSトランジスタで構成したが、第1のMOSトランジスタ及び第2のMOSトランジスタとして、ともにNチャネルMOSトランジスタで構成することもできる。但し、この場合には、第1のゲート電圧発生回路31の温度に対する出力電圧の勾配を逆にする(即ち、ゲート電圧発生回路31の出力電圧は温度の上昇と共に上昇する)ようにし、かつ制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51の出力電圧は、周波数調整回路121のMIS型可変容量コンデンサ83、103の反対側の電極へ入力する。また、第1のMOSトランジスタ及び第2のMOSトランジスタとして、ともにPチャネルMOSトランジスタで構成することもできる。
In the above-described embodiment, the first MOS transistor is a P-channel MOS transistor, but both the first MOS transistor and the second MOS transistor can be N-channel MOS transistors. However, in this case, the gradient of the output voltage with respect to the temperature of the first gate
この場合は、第2のゲート電圧発生回路33の出力電圧は温度の上昇とともに上昇するようにし、かつ制御電圧発生回路71の制御電圧の第2の出力端61の出力電圧は、周波数調整回路121のMIS型可変容量コンデンサ89、107の反対側の電極へ入力する。
In this case, the output voltage of the second gate
換言すれば、第1のMOSトランジスタ及び第2のMOSトランジスタを同じ導電型のMOSトランジスタで構成する場合は、第1のゲート電圧発生回路31の出力電圧と第2のゲート電圧発生回路33の出力電圧の温度に対する勾配は、相互に逆方向となる点、および、制御電圧の入力が、周波数調整回路121を構成するMIS型可変容量コンデンサの反対側の電極になる点、が上述の実施例とは異なる点である。なお、このような構成とした場合にも得られる作用自体は同じなので、詳細な説明は省略する。
In other words, when the first MOS transistor and the second MOS transistor are composed of the same conductivity type MOS transistor, the output voltage of the first gate
一方、1次項電圧は、単純に温度に対して直線的に電圧が変化すればよい。これを実現するには幾つかの手段があり、例を挙げて説明する。その第1の手段は、抵抗素子49と抵抗素子45の温度係数、或いは抵抗素子59と抵抗素子63の温度係数を異なるように選択し、抵抗素子49と抵抗素子45の抵抗値の比と、抵抗素子59と抵抗素子63の抵抗値の比とが、温度により変化するようにする手段である。
On the other hand, the primary term voltage simply needs to change linearly with respect to temperature. There are several means to realize this, and an example will be described. The first means selects the temperature coefficient of the resistance element 49 and the
このとき、抵抗素子49と抵抗素子45の温度係数の差異の程度と、抵抗素子59と抵抗素子63の温度係数の差異の程度との合算が1次項電圧の温度勾配を決めるので、抵抗素子49と抵抗素子45の温度係数の差異の程度と、抵抗素子59と抵抗素子63の温度係数の差異の程度とは必ずしも一致させる必要はなく、1次項電圧が所望の温度勾配になるように、これらの差異の程度を選択する。このように選択することにより、制御電圧の第1の出力端51の電圧と、制御電圧の第2の出力端61の電圧とに、1次項電圧が自動的に加算されることとなる。
At this time, the sum of the degree of difference in temperature coefficient between the resistive element 49 and the
第2の手段は、電源11を温度特性を有する電圧レギュレータで構成し、電源11の出力電圧に温度特性をもたせる手段である。この電圧レギュレータの温度特性は電圧レギュレータを構成する能動素子と受動素子の温度特性、および回路構成で決まるが、これらを適当に選択して電源11の出力電圧が所望の温度勾配を有する1次項電圧となるようにする。この場合も、前述の様に制御電圧の第1の出力端51の電圧と、制御電圧の第2の出力端61の電圧とに、1次項電圧が自動的に加算される。
The second means is a means for configuring the
以上の他にも種々の1次項電圧発生の手段が考えられるが、要するに、温度に対して直線的に変化する電圧を制御電圧に加算できるものであれば、前述の第1、第2の手段に限定されるものでないことは明らかである。このようにして、制御電圧発生回路71は制御電圧として、3次項電圧だけではなく1次項電圧をも含む制御電圧を、制御電圧の第1の出力端51と制御電圧の第2の出力端61に発生する。 In addition to the above, various means for generating a first-order voltage can be considered. In short, as long as a voltage that changes linearly with respect to temperature can be added to the control voltage, the first and second means described above can be used. Obviously, the present invention is not limited to these. In this way, the control voltage generation circuit 71 uses the control voltage including not only the third-order voltage but also the first-order voltage as the control voltage, and the first output terminal 51 of the control voltage and the second output terminal 61 of the control voltage. Occurs.
次に、上述の制御電圧が入力される周波数調整回路121の作用を説明する。図5は、周波数調整回路121を構成する、電圧可変容量素子であるMIS型可変容量コンデンサ83、89、103、109の印加電圧と容量値の関係を示す図である。図5に示す曲線151の直線状の部分153において、印加される電圧と電圧可変容量素子の容量値は直線的に変化する。また水晶発振回路131の発振周波数は、負荷容量を構成する容量素子の容量値の変化に対して直線的に変化する。
Next, the operation of the
従って、周波数調整回路121に入力される電圧、即ちMIS型可変容量コンデンサ83、89、103、109に印加される電圧が、図5に示す曲線151の直線状の部分153の電圧範囲内では、MIS型可変容量コンデンサ83、89、103、109に印加される電圧の変化と水晶発振回路131の発振周波数の変化は直線的関係にある。この限りにおいて、温度に対して3次項電圧と1次項電圧を含む制御電圧を周波数調整回路121に入力し、水晶発振回路131の発振周波数の温度に対する3次項及び1次項の変化をうち消すようにして、水晶発振回路131の発振周波数の温度補償をおこなう。
Therefore, the voltage input to the
これをさらに詳しく説明すると、制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51の出力電圧はMIS型可変容量コンデンサ89、109に印加されていて、温度がT1温度以上では、周波数調整回路121は水晶発振回路131の発振周波数が有する高温部の3次項及び1次項の温度変化を打ち消すように水晶発振回路131の発振周波数を変化させ、温度が温度T1以下では、水晶発振回路131の発振周波数の1次項の温度変化だけを打ち消すように水晶発振回路131の発振周波数を変化させる。
More specifically, the output voltage of the first output terminal 51 of the control voltage of the control voltage generation circuit 71 is applied to the MIS
一方、制御電圧発生回路71の制御電圧の第2の出力端61の出力電圧はMIS型可変容量コンデンサ83、103に印加されていて、温度がT2以下では、周波数調整回路121は水晶発振回路131の発振周波数が有する低温部の3次項及び1次項の温度変化を打ち消すように水晶発振回路131の発振周波数を変化させ、温度が温度T2以上では、水晶発振回路131の発振周波数の1次項の温度変化だけを打ち消すように水晶発振回路131の発振周波数を変化させる。
On the other hand, the output voltage at the second output terminal 61 of the control voltage of the control voltage generation circuit 71 is applied to the MIS
このようにして、制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51の出力電圧をMIS型可変容量コンデンサ89、109に印加して高温部の温度補償をおこない、制御電圧発生回路71の制御電圧の第2の出力端61の出力電圧をMIS型可変容量コンデンサ83、103に印加して低温部の温度補償をおこなうので、それぞれのMIS型可変容量コンデンサの電圧と容量値とが直線関係にある電圧範囲を、高温部と低温部での温度補償に独立に使うことができる。
In this way, the output voltage of the first output terminal 51 of the control voltage of the control voltage generation circuit 71 is applied to the MIS
これをさらに詳しく説明する。制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51の出力電圧は、MIS型可変容量コンデンサ89、109に印加して高温部の温度補償だけを行うのであるから、補償作用は水晶発振回路131の発振周波数を減少させる方向(即ちMIS型可変容量コンデンサ89、109の容量値を大きくする方向)にのみ、制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51の出力電圧は変化するので、温度T2における制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51の出力電圧を、図5に示す曲線151の下部である点157付近になるように、抵抗素子49と抵抗素子45の抵抗値の比を選択する。
This will be described in more detail. Since the output voltage of the first output terminal 51 of the control voltage of the control voltage generation circuit 71 is applied to the MIS type
一方、制御電圧発生回路71の制御電圧の第2の出力端61の出力電圧は、MIS型可変容量コンデンサ83、103に印加して低温部の温度補償だけを行うのであるから、補償作用は水晶発振回路131の発振周波数を増加させる方向(即ちMIS型可変容量コンデンサ89、109の容量値を小さくする方向)にのみ、制御電圧発生回路71の制御電圧の第2の出力端61の出力電圧は変化するので、温度T1における制御電圧発生回路71の制御電圧の第2の出力端61の出力電を、図5に示す曲線151の上部である点155付近になるように、抵抗素子59と抵抗素子63の抵抗値の比を選択する。
On the other hand, since the output voltage of the second output terminal 61 of the control voltage of the control voltage generation circuit 71 is applied to the MIS
このように選択することにより、温度補償に使える図5に示す曲線151の直線状の部分153が実効上約2倍に拡大し、温度補償能力が向上することとなる。
By selecting in this way, the
次に、0次項電圧の作用について説明する。0次項電圧は温度に依存しない任意の一定の電圧を周波数調整回路121に入力する。この電圧は可変電圧発生回路13から出力29に出力されて、周波数調整回路121のMIS型可変容量コンデンサ89、109に印加される。但し、このとき、この0次項電圧は、制御電圧発生回路71の制御電圧の第1の出力端51の出力電圧が印加されていない方のMIS型可変容量コンデンサ89、109の電極に印加される。MIS型可変容量コンデンサ89、109に印加される電圧は、MIS型可変容量コンデンサ89、109の両電極に印加される電圧の差であるから、この0次項電圧の変化は、水晶発振回路131の発振周波数を変化させる。
Next, the operation of the 0th-order term voltage will be described. As the zero-order term voltage, an arbitrary constant voltage that does not depend on temperature is input to the
なお、外部電圧入力端子17から入力される外部入力電圧の作用の説明は、0次項電圧と同じなので省略する。 The description of the action of the external input voltage input from the external voltage input terminal 17 is the same as the 0th-order term voltage, and is therefore omitted.
以上、実施例により本発明の温度補償型発振器について説明したが、上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内にあり、更に本発明の範囲内において他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。 The temperature compensated oscillator according to the present invention has been described with reference to the embodiments. However, the above embodiments are merely examples for carrying out the present invention, and the present invention is not limited thereto. It is apparent from the above description that various modifications of these embodiments are within the scope of the present invention, and that various other embodiments are possible within the scope of the present invention.
本発明は、回路構成が簡潔で小型化に適し調整も容易で、より大きな温度補償能力を有する温度補償型発振器を提供する。 The present invention provides a temperature compensated oscillator having a simple circuit configuration, suitable for miniaturization, easy adjustment, and greater temperature compensation capability.
11 電源
13 可変電圧発生回
15 温度検出回路
23 第1の電源線
31 第1のゲート電圧発生回路
33 第2のゲート電圧発生回路
35 第2の電源線
41 PチャネルMOSトランジスタ
45,49,59,63 抵抗素子
51,61 出力端
53 NチャネルMOSトランジスタ
71 制御電圧発生回路
83,89,103,109 MIS型可変容量コンデンサ
121 周波数調整回路
123 水晶振動子
131 水晶発振回路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記制御電圧発生回路は、前記温度検出回路から出力された出力電圧に基づいて非直線電圧を出力する第1および第2の能動素子を有し、
該第1および第2の能動素子は何れも、前記電源からの電力供給を行なう第1および第2の電源線間に抵抗素子を介して挿入されており、
前記第1の能動素子の出力端は前記制御電圧の第1の出力端とされ、前記第2の能動素子の出力端は前記制御電圧の第2の出力端とされていることを特徴とする温度補償型発振器。 A power source, a crystal oscillation circuit, a temperature detection circuit that detects a temperature in the vicinity of the crystal oscillation circuit and generates an output voltage, and an output voltage from the temperature detection circuit is input to obtain a third-order voltage as a control voltage. A control voltage generation circuit that generates, and a frequency adjustment circuit that receives the control voltage from the control voltage generation circuit and adjusts the oscillation frequency of the crystal oscillation circuit,
The control voltage generation circuit includes first and second active elements that output a non-linear voltage based on the output voltage output from the temperature detection circuit,
Each of the first and second active elements is inserted through a resistance element between first and second power supply lines for supplying power from the power supply,
The output terminal of the first active element is a first output terminal of the control voltage, and the output terminal of the second active element is a second output terminal of the control voltage. Temperature compensated oscillator.
該MOSトランジスタの各々は、前記温度検出回路からの出力電圧がゲートに入力され、ドレインは前記2本の電源線の少なくとも一方に前記抵抗素子を介して接続されていることを特徴とする請求項1に記載の温度補償型発振器。 The first and second active elements are both MOS transistors,
2. The MOS transistor according to claim 1, wherein an output voltage from the temperature detection circuit is input to a gate, and a drain is connected to at least one of the two power supply lines via the resistance element. 2. The temperature compensated oscillator according to 1.
該複数の電圧可変容量素子には、前記第1の出力端から出力された制御電圧と、前記第2の出力端から出力された制御電圧とが、振り分けられて印加されることを特徴とする請求項1または2に記載の温度補償型発振器。 The frequency adjustment circuit has a plurality of voltage variable capacitance elements constituting a load capacitance of the crystal oscillation circuit,
A control voltage output from the first output terminal and a control voltage output from the second output terminal are distributed and applied to the plurality of voltage variable capacitance elements. The temperature compensated oscillator according to claim 1 or 2.
該制御電圧発生回路は、前記第1の3次項電圧発生回路で発生する3次項電圧の第1の制御電圧と、前記第2の3次項電圧発生回路で発生する3次項電圧の第2の制御電圧と、前記温度検出回路の出力電圧に基づいて発生する1次項電圧の第3の制御電圧と、前記可変電圧発生回路の出力電圧に基づいて発生する0次項電圧の第4の制御電圧と、外部入力電圧の第5の制御電圧と、を前記周波数調整回路に出力し、
該周波数調整回路は、前記第1乃至第5の制御電圧に基づいて、前記水晶発振回路の発振周波数を制御することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の温度補償型発振器。 The control voltage generation circuit includes first and second third-order voltage generation circuits and a variable voltage generation circuit,
The control voltage generation circuit includes a first control voltage of a third-order voltage generated by the first third-order voltage generation circuit and a second control of a third-order voltage generated by the second third-order voltage generation circuit. A third control voltage of a first-order voltage generated based on the voltage, an output voltage of the temperature detection circuit, and a fourth control voltage of a zero-order term voltage generated based on the output voltage of the variable voltage generation circuit; Outputting a fifth control voltage of the external input voltage to the frequency adjustment circuit;
The temperature compensation type according to any one of claims 1 to 3, wherein the frequency adjustment circuit controls an oscillation frequency of the crystal oscillation circuit based on the first to fifth control voltages. Oscillator.
前記第1の制御電圧が前記第1の電圧可変容量素子の一方の電極へ印加される一方、前記第2の制御電圧が前記第2の電圧可変容量素子の一方の電極へ印加され、
前記第4の制御電圧と前記第5の制御電圧は相互に分別されて前記第1の電圧可変容量素子の他方の電極と前記第2の電圧可変容量素子の他方の電極とへ振り分けられて印加されることを特徴とする請求項4に記載の温度補償型発振器。
The frequency adjustment circuit is a voltage variable capacitance element that constitutes a load capacitance of the crystal oscillation circuit, and includes first and second voltage variable capacitance elements whose capacitance values are changed by the first to fifth control voltages. Prepared,
The first control voltage is applied to one electrode of the first voltage variable capacitor, while the second control voltage is applied to one electrode of the second voltage variable capacitor;
The fourth control voltage and the fifth control voltage are separated and applied to the other electrode of the first voltage variable capacitance element and the other electrode of the second voltage variable capacitance element. The temperature compensated oscillator according to claim 4, wherein the temperature compensated oscillator is provided.
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