JP2007067787A - 弾性表面波共振子の温度補償方法および温度補償型弾性表面波発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 大規模な回路を必要とせずに比較的精度のよい温度補償をできるようにする。
【解決手段】 周波数温度特性が二次関数で表される弾性表面波共振子の周囲温度を検出し、周囲温度に対応した制御電圧を発生する。制御電圧は、周波数温度特性の頂点温度Ｔｐに対して低温側の領域において、温度の変化に対応させて勾配の異なる直線ａと直線ｂとに沿って変化させる。制御電圧は、頂点温度Ｔｐに対して高温側の領域において、温度の変化に対応させて勾配の異なる直線ａと直線ｂとに沿って変化させる。
【選択図】 図８

Description

本発明は、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）共振子の周囲温度の変化に伴う周波数変動を補償する弾性表面波共振子の温度補償方法および温度補償型弾性表面波発振器に関する。

弾性表面波共振子は、使用温度環境が変化すると共振周波数（以下、単に周波数ということがある）が変化する周波数温度特性を有する。弾性表面波共振子の周波数温度特性は、図１０に示したように、共振周波数が温度の変化に対して上に凸の曲線に沿って変化する。この曲線は、通常、二次曲線によって近似して表すことができる。この図１０に示した周波数温度特性は、横軸が温度で、縦軸が弾性表面波共振子の共振周波数を示している。

図１０に示されているように、弾性表面波共振子の共振周波数は、ある温度において極大値を有し、周波数が極大値を示す温度（頂点温度と呼ばれる）より低くなるほど、または高くなるほど周波数が低下する特性を示す。この弾性表面波共振子の周波数温度特性は、電子機器の使用温度範囲における許容できる周波数変動幅を超えており、そのまま使用したのでは電子機器が誤動作するなど、電子機器を正常に動作させることが困難となる。そこで、図１１に示したように、電圧に比例して周波数が変化する発振回路を形成するとともに、弾性表面波共振子の周囲温度を検出し、図１２に示したような制御電圧を発生させて発振回路に供給する温度補償方法がとられている。すなわち、弾性表面波共振子の周囲温度に対して、周波数温度特性を示す関数と線対称の関数で表される制御電圧を発生させ、温度変化による周波数変動を相殺するようにしている。

また、特許文献１には、弾性表面波発振器の共振周波数を検出し、検出した周波数を温度表示電圧に換算し、得られた温度表示電圧に基づいて制御電圧を発生させて発振器に与えて共振周波数の温度による変動を抑制するようにしている。
特開平５−２８３９３４号公報

従来の周波数温度特性に対応させて、温度変化に対して二次曲線に沿って制御電圧を発生させる温度補償方法は、回路構成が複雑で大型、高価となる。また、特許文献１に記載の温度補償方法は、精度のよい補償が困難で、周波数の変動幅がｐｐｍレベルの制御電圧（温度補償電圧）を得ることが困難で、またＩＣ化することが難しい。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、大規模な回路を必要とせずに比較的精度のよい温度補償をできるようにすることを目的としている。
また、本発明は、温度補償の回路を容易にＩＣ化できるようにすることを目的としている。

弾性表面波共振子は、電子機器に要求されている一般的な使用温度範囲、例えば−４０℃〜＋８０℃の温度範囲において、周波数の変動幅が１００ｐｐｍを超える。発明者の研究によると、周波数温度特性を温度補償するための制御電圧を複数の直線によって近似させて発生させても、二次曲線に沿って変化させる理想的な制御電圧に対して大きく乖離することがなく、通常の電子機器に充分に使用できる精度の温度補償をすることができることがわかった。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明に係る弾性表面波共振子の温度補償方法は、周波数温度特性が二次関数で表される弾性表面波共振子の周囲温度を検出し、前記周囲温度に対応した制御電圧を発生する弾性表面波共振子の温度補償方法であって、前記制御電圧は、前記周波数温度特性の頂点温度に対して低温側および高温側のそれぞれの温度領域において、前記頂点温度との差に応じて勾配の異なる複数の直線に沿って変化させることを特徴としている。

このようになっている本発明は、温度変化に対して制御電圧が二次曲線で表されるように変化するのと異なり、複数の直線で表せるように変化するため、回路構成が簡単となり、小型化することができる。しかも、制御電圧を温度に対して複数の直線に沿って変化させると、理想的な制御電圧との乖離が小さく、比較的精度のよい周波数の温度補償を行なうことが可能である。

複数の直線は、低温側および高温側のそれぞれの温度領域について２つであってよい。直線を制御電圧の頂点温度に対して一側の温度領域において３つ以上の直線によって近似することも可能である。しかし、直線を頂点温度の片側において３つ以上にすると、回路が大型化するばかりでなく、各直線を接続する処理に手間がかかる。したがって、制御電圧を近似する直線は、頂点温度の一側において２つであってよい。

各温度領域の直線の１つは、頂点温度において原点を通るようにしてよい。制御電圧の温度の変化に対応して変化させる直線の１つが頂点温度において原点を通るようにすると、回路構成を比較的簡素にできる。また、直線は、二次関数と線対称の関数の接線とすることができる。制御電圧の温度の変化に対応して変化させる直線が、周波数温度係数を表す二次関数と線対称の二次関数の接線とした場合、弾性表面波共振子の使用温度範囲によっては、原点を通る直線を使用した場合よりも精度のよい温度補償をできることがある。

そして、本発明に係る温度補償型弾性表面波発振器は、弾性表面波共振子の周囲温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部の検出温度に基づいて、前記弾性表面波共振子の二次関数で表される周波数温度特性の頂点温度に対して低温側および高温側のそれぞれの温度領域において、前記頂点温度との差に応じて勾配の異なる複数の直線に沿った制御電圧を出力する制御電圧発生部と、前記弾性表面波共振子を備え、前記制御電圧発生部の出力した制御電圧に対応した周波数の電気信号を出力する発振回路部と、を有することを特徴としている。このようになっている本発明は、温度補償の回路を簡素にでき、小さくすることができる。また、比較的精度のよい温度補償をすることができる。

温度検出部は、ダイオード接続したトランジスタによって形成することができる。温度検出部をトランジスタによって構成することにより、サーミスタなどと異なり、温度補償部を制御電圧発生部とともに、容易にＩＣ化することができる。

本発明に係る弾性表面波共振子の温度補償方法および温度補償型弾性表面波発振器の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る温度補償型弾性表面波発振器の回路図である。図１において、温度補償型弾性表面波発振器（以下、単に温度補償発振器という）１０は、温度補償電圧発生部１２と電圧制御発振回路部１４とを主な構成要素としている。温度補償電圧発生部１２は、詳細を後述する温度検出部１６と制御電圧発生部１８とから構成してある。温度検出部１６は、弾性表面波共振子２０の周囲温度を検出し、検出温度に対応した電圧を出力する。制御電圧発生部１８は、温度検出部１６の検出温度に応じて、複数の直線に沿って変化する制御電圧を出力する。温度補償電圧発生部１２は、制御電圧発生部１８の出力端子が抵抗Ｒ５を介して電圧制御発振回路部１４に接続してある。

電圧制御発振回路部１４は、増幅回路を構成しているトランジスタＴｒを備えている。トランジスタＴｒのベースには、伸張コイルＬ２を介して弾性表面波共振子２２の一方の端子が接続してある。弾性表面波共振子２２の他方の端子は、容量素子である可変容量ダイオードＤ１のカソードに接続してある。可変容量ダイオードＤ１のアノードは、接地される。可変容量ダイオードＤ１は、アノードとカソードとの間に印加される電圧によって容量値が変化し、電圧制御発信回路部１４の共振周波数を変化させる。そして、可変容量ダイオードＤ１のカソードは、抵抗Ｒ５を介して前記した温度補償電圧発生部１２が接続してある。したがって、温度補償電圧発生部１２において、温度変化に応じた温度補償電圧である制御電圧を発生させることにより、可変容量ダイオードＤ１の容量値を変化させ、電圧制御発振回路部１４の発振周波数を変えることができる。伸張コイルＬ２は、電圧制御発振回路部１４の発振周波数の変動量を大きくするもので、不要な周波数の発振を押さえるために抵抗Ｒ４が並列に接続してある。

さらに、トランジスタＴｒのベースは、直列接続したコンデンサＣ１、Ｃ２と、コンデンサＣ１、Ｃ２に並列な抵抗Ｒ２とを介して接地される。コンデンサＣ１、Ｃ２の中間点は、トランジスタＴｒのエミッタに接続してある。このエミッタは、また抵抗Ｒ３を介して接地される。そして、トランジスタＴｒのコレクタとベースとの間には、コイルＬ１と帰還抵抗Ｒ１とが直列に接続してある。そして、コイルＬ１と帰還抵抗Ｒ１との中間点は、コンデンサＣ３を介して接地される。なお、トランジスタＴｒのコレクタは、カップリングコンデンサＣ４を介して出力端子に接続してある。

温度補償電圧発生部１２は、実施形態の場合、図２に示したようになっており、ＩＣ化してある。そして、温度検出部１６は、実施形態の場合、ダイオード接続した一対のトランジスタＱ１、Ｑ２を直列に接続して形成してある。すなわち、トランジスタＱ１、Ｑ２は、ベースが自らのコレクタに接続してある。温度検出部１６のトランジスタＱ１は、コレクタが抵抗Ｒ６を介して直流電源２２の＋側に接続してある。直流電源２２の−側は、接地される。トランジスタＱ２は、コレクタがトランジスタＱ１のエミッタに接続してあり、エミッタが接地される。そして、温度検出部１６は、図３に示したように、温度Ｔの変化に対して直線的に変化する電圧ＶＢＥがトランジスタＱ１のコレクタから出力される。この電圧ＶＢＥは、約−２ｍＶ／℃の特性を有している。

制御電圧発生部１８は、Ｖ字電流発生部２４、低温動作部２６、高温動作部２８、電流電圧変換部３０を備えている。Ｖ字電流発生部２４は、弾性表面波共振子２０の周波数温度特性の頂点温度を中心とした所定の温度範囲においてＶ字状の電流を発生する。低温動作部２６は、頂点温度より低温側の温度領域において、所定温度より低い温度のときに動作し、温度の低下に伴って直線状に変化する電流を発生する。また、高温動作部２８は、頂点温度より高温側の温度領域において、所定温度より高い温度のときに動作し、温度の上昇に伴って直線状に変化する電流を発生する。電流電圧変換部３０は、電流量の大きさを電圧の大きさに変換する。

Ｖ字電流発生部２４は、オペアンプ３２と２つのカレントミラー回路３４、３６を有している。オペアンプ３２は、非反転入力端子が温度検出部１６を構成しているトランジスタＱ１のコレクタに接続してあり、反転入力端子が抵抗Ｒ７を介して直流電源３８の＋側に接続してある。また、オペアンプ３２の出力端子は、トランジスタＱ３、Ｑ４のベースに接続してある。トランジスタＱ３、Ｑ４のエミッタは、オペアンプ３２の反転入力端子と同様に、抵抗Ｒ７を介して直流電源３８の＋側に接続してある。直流電源３８の−側は、接地される。そして、トランジスタＱ３のコレクタは、カレントミラー回路３４を形成しているトランジスタＱ５、Ｑ６のベースに接続してあるとともに、トランジスタＱ５のコレクタに接続してある。トランジスタＱ５、Ｑ６のエミッタは、直流電源２２の＋側に接続してある。また、トランジスタＱ６のコレクタは、電流電圧変換部３０を形成しているオペアンプ４０の非反転入力端子に接続してある。

一方、トランジスタＱ４のコレクタは、カレントミラー回路３６を形成しているトランジスタＱ７、Ｑ８のベースに接続してあるとともに、トランジスタＱ７のコレクタに接続してある。これらのトランジスタＱ７、Ｑ８のエミッタは接地される。そして、トランジスタＱ８のコレクタは、電流電圧変換部３０を形成しているオペアンプ４０の反転入力端子に接続してある。

このようになっているＶ字電流発生部２４は、カレントミラー回路３４のトランジスタＱ５、Ｑ６のコレクタに、図４に示したような電流が流れる。すなわち、トランジスタＱ５、Ｑ６のコレクタ電流は、温度検出部１６の検出した弾性表面波共振子２０の周囲温度が頂点温度Ｔｐのとき「０」で、頂点温度Ｔｐより低くなるに従って電流量が増大する。また、カレントミラー回路３６を構成しているトランジスタＱ７、Ｑ８のコレクタ電流は、温度検出部１６の検出温度が頂点温度Ｔｐより高くなるに従って増大する。トランジスタＱ６のコレクタ電流は、オペアンプ４０の非反転入力端子に入力され、トランジスタＱ８のコレクタ電流は、オペアンプ４０の反転入力端子に入力され、電流量に応じた電圧に変換される。なお、各トランジスタＱ６、Ｑ８のコレクタ電流の傾きは、カレントミラー回路３４、３６の設定によって任意に調整することができる。

低温動作部２６は、オペアンプ４２とカレントミラー回路４４とを主な構成要素としており、オペアンプ４２の非反転入力端子が温度検出部１６のトランジスタＱ１のコレクタに接続してある。オペアンプ４２の反転入力端子は、抵抗Ｒ８を介して直流電源４６の＋側に接続してある。また、オペアンプ４２の出力端子は、トランジスタＱ９のベースに接続してある。トランジスタＱ９のエミッタは、抵抗Ｒ８を介して直流電源４６の＋側に接続してある。直流電源４６の−側は、接地される。一方、トランジスタＱ９のコレクタは、カレントミラー回路４４を形成している一対のトランジスタＱ１０、Ｑ１１のベースに接続してあるとともに、トランジスタＱ１０のコレクタに接続してある。トランジスタＱ１０、Ｑ１１のエミッタは、直流電源２２の＋側に接続してある。そして、トランジスタＱ１１のコレクタは、オペアンプ４０の非反転入力端子に接続してある。

この低温動作部２６は、カレントミラー回路４４のトランジスタＱ１０、Ｑ１１のコレクタに、図６に示したような電流が流れる。すなわち、温度検出部１６の検出温度が頂点温度Ｔｐに対して予め定めた温度より低くなると、検出温度の低下に伴ってコレクタ電流が直線的に増大する。このコレクタ電流の勾配は、カレントミラー回路４４の設定によって調整することができる。また、コレクタ電流が流れ始める温度は、直流電源４６の電圧値を調整することにより、任意に設定することができる。

高温動作部２８は、低温動作部２６とほぼ同様に形成してある。すなわち、高温動作部２８は、オペアンプ４８とカレントミラー回路５０とを有する。オペアンプ４８は、非反転入力端子がトランジスタＱ１のコレクタに接続してあり、反転入力端子が抵抗Ｒ９を介して直流電源５２の＋側に接続してある。オペアンプ４８の出力端子は、トランジスタＱ１２のベースに接続してある。このトランジスタＱ１２のエミッタは、抵抗Ｒ９を介して直流電源５２の＋側に接続してある。直流電源５２の−側は、接地される。トランジスタＱ１２のコレクタは、カレントミラー回路５０を構成しているトランジスタＱ１３、Ｑ１４のベースに接続してあるとともに、トランジスタＱ１３のコレクタに接続してある。トランジスタＱ１３、Ｑ１４のエミッタは、接地される。また、トランジスタＱ１４のコレクタは、オペアンプ４０の反転入力端子に接続してある。

このようになっている高温動作部２８は、カレントミラー回路５０を構成しているトランジスタＱ１３、Ｑ１４のコレクタに、図７に示したような電流が流れる。すなわち、温度検出部１６の検出温度が頂点温度Ｔｐに対して予め定めた温度より大きくなると、検出温度の上昇に伴ってコレクタ電流が直線的に増大する。このコレクタ電流の勾配は、カレントミラー回路５０の設定によって調整することができる。また、コレクタ電流が流れ始める温度は、直流電源５２の電圧値を調整することにより、任意に設定することができる。なお、図４ないし図７において、電流の流れ込む向きをプラスとしている。

電流電圧変換部３０を形成しているオペアンプ４０は、前記したように、反転入力端子がトランジスタＱ８、Ｑ１４のコレクタに接続してある。また、オペアンプ４０は、非反転入力端子がトランジスタＱ６、Ｑ１１のコレクタに接続してあるとともに、直流電源３８の＋側に接続してある。オペアンプ４０の出力端子は、帰還抵抗Ｒ１０を介して反転入力端子に接続してある。そして、オペアンプ４０は、出力端子が制御電圧発生部１８の出力端子になっており、非反転入力端子または反転入力端子に入力した電流量に応じた電圧を制御電圧（温度補償電圧）として出力する。

上記のようになっている制御電圧発生部１８は、実施形態の場合、図８に示したような制御電圧を発生するように設定してある。制御電圧発生部１８は、温度検出部１６の検出した弾性表面波共振子２０の周囲温度が、弾性表面波共振子２０の周波数温度特性の頂点温度Ｔｐに対して低温側の温度領域の場合、温度変化に従って直線ａ、直線ｂのように変化する制御電圧を出力する。制御電圧は、頂点温度Ｔｐと、これより低い予め設定した温度ｔ１との間において直線ａに沿って変化する。そして、制御電圧は、温度検出部１６の検出温度がｔ１より低くなると直線ｂに沿って変化する。すなわち、制御電圧は、頂点温度Ｔｐと検出温度との差に応じて異なる勾配を有する直線に沿って変化する。

頂点温度Ｔｐに対して高温側の温度領域においても同様となっていて、制御電圧発生部１８は、頂点温度Ｔｐと予め設定した温度ｔ２の間において、直線ｃに沿って変化する制御電圧を出力し、温度ｔ２を超えると直線ｄに沿って変化する制御電圧を出力する。直線ａと直線ｃとは、頂点温度Ｔｐにおいて原点を通るようになっている。すなわち、検出温度が頂点温度Ｔｐであるとき、制御電圧は０である。

直線ａと直線ｂとの傾き、および２つの直線ａ、ｂが交差する温度ｔ１は、直線ａ、ｂの交点における制御電圧と、その温度における１点鎖線で示した理想的な制御電圧の変化する曲線Ｓ上の制御電圧との差ΔＶ１が最小となるように設定される。頂点温度Ｔｐの高温側においても同様で、ΔＶ２が最小となるように、直線ｃ、ｄの傾き、両者の交差する温度ｔ２が設定される。

このように、実施の形態においては、頂点温度Ｔｐより低温側または高温側の温度領域のそれぞれにおいて、温度補償をする制御電圧を温度の変化に対して、２つの直線に沿って変化させるようにしたことにより、温度補償回路を小型にすることができる。しかも、理想的な制御電圧との差がそれほど大きくない制御電圧を発生させることができ、比較的精度のよい温度補償を行なうことができる。また、実施形態においては、温度検出部１６を直列接続したトランジスタＱ１、Ｑ２によって構成したことにより、温度補償電圧発生部１２を容易にＩＣ化することができる。しかも、頂点温度の低温側と高温側において、別々に制御電圧を設定することができ、より精度の高い温度補償を行なうことができる。

図９は、他の実施形態に係る弾性表面波共振子の温度補償方法を説明する図であって、検出温度と制御電圧との関係を示したものである。この実施形態に係る温度補償方法は、まず、弾性表面波共振子の周波数温度特性を表す二次曲線を求める。次に、求めた周波数温度特性を温度補償する弾性表面波共振子の周囲温度に対する理想的な制御電圧の曲線Ｓを求める。この制御電圧を発生させる曲線Ｓは、周波数温度特性を表す二次曲線の線対称となる。その後、図２に示した制御電圧発生部１８を用いて、図９に示したように、曲線Ｓの接線ＳＴ１〜ＳＴ４に沿って制御電圧が発生するように設定する。これらの接線ＳＴ１〜ＳＴ４は、接線ＳＴ１と接線ＳＴ３とが交差する頂点温度Ｔｐにおける理想制御電圧との電圧差ΔＶｔｐと、各接線が交差する温度ｔ３、ｔ４における制御電圧と理想制御電圧との差が同じになるように、かつその電圧差が最小となるように接線と、接線が交差する温度が設定される。

なお、上記した実施形態は、本発明の一態様であって、本発明は実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、温度検出部１６をトランジスタにより構成した場合について説明したが、ダイオードによって構成してもよい。

本発明の実施の形態に係る温度補償型弾性表面波発振器の回路図である。 実施の形態に係る温度補償電圧発生部の詳細回路図である。 実施の形態に係る温度検出部の温度と出力電圧との関係を示す図である。 実施の形態に係る制御電圧発生部のＶ字電圧発生部が頂点温度の低温側において出力する電流の説明図である。 実施の形態に係る制御電圧発生部のＶ字電圧発生部が頂点温度の高温側において出力する電流の説明図である。 実施の形態に係る制御電圧発生部の低温動作部が出力する電流の説明図である。 実施の形態に係る制御電圧発生部の高温動作部が出力する電流の説明図である。 実施の形態に係る弾性表面波共振子の温度補償方法を説明する図である。 他の実施の形態に係る弾性表面波共振子の温度補償方法を説明する図である。 弾性表面波共振子の周波数温度特性を示す図である。 電圧制御発振回路の制御電圧と発振周波数との関係を示す図である。 弾性表面波共振子の温度と温度補償をするための制御電圧との関係を示す図である。

符号の説明

１０………温度補償型弾性表面波発振器、１２………温度補償電圧発生部、１４………電圧制御発振回路部、１６………温度検出部、１８………制御電圧発生部、２０………弾性表面波共振子、２４………Ｖ字電流発生部、２６………低温動作部、２８………高温動作部、３０………電流電圧変換部。

Claims (6)

1. 周波数温度特性が二次関数で表される弾性表面波共振子の周囲温度を検出し、前記周囲温度に対応した制御電圧を発生する弾性表面波共振子の温度補償方法であって、
   前記制御電圧は、前記周波数温度特性の頂点温度に対して低温側および高温側のそれぞれの温度領域において、前記頂点温度との差に応じて勾配の異なる複数の直線に沿って変化させることを特徴とする弾性表面波共振子の温度補償方法。
2. 請求項１に記載の弾性表面波共振子の温度補償方法において、
   前記複数の直線は、前記低温側および前記高温側のそれぞれの温度領域について２つであることを特徴とする弾性表面波共振子の温度補償方法。
3. 請求項２に記載の弾性表面波共振子の温度補償方法において、
   前記各温度領域の直線の１つは、前記頂点温度において原点を通ることを特徴とする弾性表面波共振子の温度補償方法。
4. 請求項１または２に記載の弾性表面波共振子の温度補償方法において、
   前記直線は、前記二次関数と線対称の関数の接線であることを特徴とする弾性表面波共振子の温度補償方法。
5. 弾性表面波共振子の周囲温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部の検出温度に基づいて、前記弾性表面波共振子の二次関数で表される周波数温度特性の頂点温度に対して低温側および高温側のそれぞれの温度領域において、前記頂点温度との差に応じて勾配の異なる複数の直線に沿った制御電圧を出力する制御電圧発生部と、
   前記弾性表面波共振子を備え、前記制御電圧発生部の出力した制御電圧に対応した周波数の電気信号を出力する発振回路部と、
   を有することを特徴とする温度補償型弾性表面波発振器。
6. 請求項５に記載の温度補償型弾性表面波発振器において、
   前記温度検出部は、トランジスタからなることを特徴とする温度補償型弾性表面波発振器。

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