JP2007318397A

JP2007318397A - 電圧制御型発振器及びその周波数制御方法

Info

Publication number: JP2007318397A
Application number: JP2006145043A
Authority: JP
Inventors: Takashi Otsuka; 崇大塚
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2007-12-06
Also published as: US20080001678A1

Abstract

【課題】ｆ−VG特性の感度が温度により変化しない電圧制御型発振器を提供する。
【解決手段】圧電振動子４と、圧電振動子４に並列接続された増幅器１と、圧電振動子４に並列接続された負荷容量であって、第１、第２のＭＯＳトランジスタ５，６が直列接続された負荷容量と、第１，第２のＭＯＳトランジスタ５，６のゲート端子（制御端子１）に共通の第１制御信号を供給する第１制御信号発生回路７と、XTBAR端子と第２のＭＯＳトランジスタ６のドレイン端子の間にDCカット容量８を設け、第２のＭＯＳトランジスタ６のドレイン端子に高周波除去抵抗１０を介して接続している制御端子２に第２制御信号を供給する第２制御信号発生回路９とを有する電圧制御型発振器である。
【選択図】図２

Description

本発明は、電圧制御型発振器及びその周波数制御方法に関する。

携帯電話等の基準周波数源として使用されている温度補償型水晶発振器は、水晶振動子（圧電振動子）が持つ温度特性をキャンセルし、温度に対する発振周波数の変化が少ない特性を有する水晶発振器である。これは、水晶振動子のもつ温度特性をキャンセルするような3次関数の温度特性に近似された制御電圧を電圧制御型発振器の制御端子に印加することで実現している。近年、GPS（Global Positioning System）を搭載した携帯電話用などでは、その温度補償精度が±0.5ppm以内という、より高精度な発振器が求められている。

電圧制御型発振器の従来例を図１に示す。増幅器１はNPNトランジスタを用いている。可変容量素子はMOSトランジスタ５，６のゲート酸化膜容量の切り替わりを利用しており、MOSトランジスタ５，６のドレイン端子に振幅を持った発振信号を印加することにより、図１３に示すようにゲート電圧の変化に対して直線的に容量値が変化する特性を持つ（例えば、特許文献１参照）。

この可変容量素子のゲート端子電圧を制御することにより、発振ループ内の負荷容量値を変化させて周波数を制御することができる。図１の構成の他にMOSトランジスタの容量の切り替わりを利用した可変容量であれば同様の動作が可能である。例えば、図４、図５、図６のような構成も可能である。

次に図１の電圧制御型発振器の周波数ｆ−制御電圧VG特性について説明する。図８が可変容量値C、周波数ｆ、感度（df/dVG）−制御電圧VG特性を示したものである。図１のように増幅器１がNPNトランジスタで構成されている場合、XT端子の上限はNPNトランジスタのVBE（約0.7V）で決定され、XTBAR端子の下限はNPNトランジスタの飽和電圧（約0.2V）で決定される。

そのため図7のようにXT端子とXTBAR端子の動作電圧が異なり、XT端子側のMOSトランジスタ５とXTBAR側のMOSトランジスタ６がそれぞれ異なる制御電圧VGの範囲で動作する。前者によるｆ−VG特性と後者によるそれとが重なり合うことで、total特性の直線性が確保できる制御電圧の範囲、すなわち、制御電圧のダイナミックレンジを広くとることができる。このダイナミックレンジ内では感度は一定となり、電圧による発振器の制御が可能となる。
特開２００３−３１８４１７号公報

しかしながら、増幅器１がNPNトランジスタで構成されている場合、XT端子の発振波形の上限は図７に示すように温度により変化する。これは、NPNトランジスタのVBEの温度特性（-2mV/℃）により、XT端子の発振振幅をクランプ（固定）する電位が温度により変化するためである。

このとき、図１０に示すようにXT端子側のMOSトランジスタ５とXTBAR側のMOSトランジスタ６によるｆ−VG特性が重なり合う制御電圧範囲が、温度により異なる。その結果、total特性のｆ−VG特性の傾きが温度により異なる。これは、制御電圧VGに対する周波数の感度が温度により変化することを意味する。

水晶振動子の持つ３次関数の温度特性をキャンセルするための3次関数に近似した制御電圧を電圧制御型発振器に印加した場合において、電圧制御型発振器の感度が温度変化により変化するため、水晶振動子の温度特性を補償する精度が悪化する場合がある。温度補償精度が悪化するのは、低温ではｆ−ＶＧ感度が高くなるため水晶の温度特性に対して過補償となり、高温ではｆ−ＶＧ感度が低くなるため水晶の温度特性に対して補償不足となるためである。また、感度の温度特性が変化することにより、発振器の周波数を制御するAFC（Automatic Frequency Control）特性の温度特性も悪化する。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、制御電圧VGに対する周波数fの感度（ｆ−VG特性の感度）が温度により変化しない電圧制御型発振器及びその周波数制御方法を提供することを目的としている。

本発明の電圧制御型発振器は、圧電振動子が接続される第１と第２の端子と、前記第１と第２の端子間に接続される増幅器と、前記第１と第２の端子のそれぞれにドレインが接続される第１と第２のＭＯＳトランジスタと、前記第１と第２のＭＯＳトランジスタの各ゲートに第１制御信号を供給する第１制御信号発生回路と、前記第２のＭＯＳトランジスタのドレインに第２制御信号を供給する第２制御信号発生回路と、を有する。

上記構成によれば、第２の制御信号に第１の端子における振幅上限の温度特性をキャンセルさせるような温度特性を持たせることにより、第1のMOSトランジスタと第2のMOSトランジスタによるｆ−VG特性が重なり合う制御電圧VGの範囲を温度変化時でも一定に保つことができ、total特性のｆ−VG特性の感度温度特性をキャンセルすることが可能となる。

また、本発明の電圧制御型発振器は、圧電振動子を有する。

上記構成によれば、第２の制御信号に増幅器の入力端における振幅上限の温度特性をキャンセルさせるような温度特性を持たせることにより、第1のMOSトランジスタと第2のMOSトランジスタによるｆ−VG特性が重なり合う制御電圧VGの範囲を温度変化時でも一定に保つことができ、total特性のｆ−VG特性の感度温度特性をキャンセルすることが可能となる。

また、本発明の電圧制御型発振器は、前記第１制御信号が、温度補償制御信号、外部電圧周波数制御信号、および、バラツキ補償制御信号の少なくともいずれか一つを含む信号であるものである。

また、本発明の電圧制御型発振器は、前記第２制御信号が、発振器感度の温度特性をキャンセルさせるための電圧信号であるものである。

また、本発明の電圧制御型発振器は、圧電振動子が接続される第１と第２の端子と、前記第１と第２の端子間に接続される増幅器と、前記第１の端子にドレインが接続される第１と第２のＭＯＳトランジスタと、前記第２の端子にドレインが接続される第３と第４のＭＯＳトランジスタと、前記第１と第３のＭＯＳトランジスタの各ゲートに第３制御信号を供給する第３制御信号発生回路と、前記第２と第４のＭＯＳトランジスタの各ゲートに第４制御信号を供給する第４制御信号発生回路と、前記第３と第４のＭＯＳトランジスタのドレインに第５制御信号を供給する第５制御信号発生回路と、を有する。

上記構成によれば、第５の制御信号に第１の端子における振幅上限の温度特性をキャンセルさせるような温度特性を持たせることにより、第1、２のMOSトランジスタと第３，４のMOSトランジスタによるｆ−VG特性が重なり合う制御電圧VGの範囲を温度変化時でも一定に保つことができ、total特性のｆ−VG特性の感度温度特性をキャンセルすることが可能となる。

上記構成によれば、第５の制御信号に増幅器の入力端における振幅上限の温度特性をキャンセルさせるような温度特性を持たせることにより、第1、２のMOSトランジスタと第３，４のMOSトランジスタによるｆ−VG特性が重なり合う制御電圧VGの範囲を温度変化時でも一定に保つことができ、total特性のｆ−VG特性の感度温度特性をキャンセルすることが可能となる。

また、本発明の電圧制御型発振器は、前記第３制御信号が、温度補償制御信号、外部電圧周波数制御信号、および、バラツキ補償制御信号の少なくともいずれか一つを含む信号であるものである。

また、本発明の電圧制御型発振器は、前記第４制御信号が、温度補償制御信号、外部電圧周波数制御信号、および、バラツキ補償制御信号の少なくともいずれか一つを含む信号であるものである。

また、本発明の電圧制御型発振器は、前記第５制御信号が、発振器感度の温度特性をキャンセルさせるための電圧信号であるものである。

また、本発明の周波数制御方法は、複数の制御端子を有する電圧制御型発振器の周波数制御方法であって、発振周波数を制御する第１制御信号の第1制御端子への供給と、発振器感度の温度特性をキャンセルさせるための第２制御信号の第２制御端子への供給と、を行う。

本発明の電圧制御型発振器によれば、第2制御信号または第5制御信号に温度特性を持たせることにより、第1のMOSトランジスタと第2のMOSトランジスタによるｆ−VG特性が重なり合う制御電圧VGの範囲を温度変化時でも一定に保つことが可能になる。したがって、total特性の周波数ｆ−制御電圧VG特性の感度の温度特性をキャンセルすることが可能となる。

さらに、温度により感度が変化しないため、水晶振動子の持つ３次関数の温度特性をキャンセルするために3次関数に近似した制御電圧を電圧制御型発振器に印加した際の温度補償精度を向上させることが可能となる。また、AFC特性の温度特性についても改善することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を説明する。

（実施の形態１）
図２は本発明の実施の形態１における電圧制御型発振器の概略構成を示す。図２に示す電圧制御型発振器は、圧電振動子４と、圧電振動子４が接続されるXT端子とXTBAR端子と、圧電振動子４に並列接続された増幅器１と、圧電振動子４に並列接続された負荷容量であって、第１、第２のＭＯＳトランジスタ５，６が直列接続された負荷容量と、第１，第２のＭＯＳトランジスタ５，６の各ゲート端子（制御端子１）に共通の第１制御信号を供給する第１制御信号発生回路７と、XTBAR端子と第２のＭＯＳトランジスタ６のドレイン端子との間に設けたDCカット容量８と、第２のＭＯＳトランジスタ６のドレイン端子に高周波除去抵抗１０を介して接続している制御端子２に第２制御信号を供給する第２制御信号発生回路９と、を有する。

ここで、第１制御信号発生回路７から供給される第１制御信号は、温度補償制御信号、外部電圧周波数制御信号、および、バラツキ補償制御信号の少なくともいずれか一つを含む信号であり、第２制御信号発生回路９から供給される第２制御信号は、発振器感度の温度特性をキャンセルさせるための電圧信号である。

図９に示すように、発振回路を構成しているNPNトランジスタ１のVBEの温度特性（-2mV/℃）により、XT端子の振幅上限は温度によって変化する（−４０℃〜９０℃で約Δ0.
26V）。第２のＭＯＳトランジスタ６のドレイン端子の振幅下限にこれをキャンセルする温度特性を持たせるために、制御端子２に接続している第2制御信号発生回路９は例えば-2mV/℃の温度特性を持った電圧を印加することにより、MOSトランジスタ６のドレイン端子のバイアスに-2mV/℃の温度特性を持たせる。実施の形態１の回路では、可変容量として使用しているMOSトランジスタ５，６の閾値の温度特性（約-2mV/℃）もキャンセルさせるために、およそ-4mV/℃の温度特性を持たせる必要がある。

本実施形態によれば、制御端子２に与える電圧にXT端子の振幅上限の温度特性をキャンセルさせるような温度特性を持たせることにより、第1のMOSトランジスタ５と第2のMOSトランジスタ６によるｆ−VG特性が重なり合う制御電圧VGの範囲を温度変化時でも一定に保つことができ、total特性のｆ−VG特性の感度温度特性をキャンセルすることが可能となる。

次に、第２制御信号発生回路の構成について説明する。温度補償発振器の場合、一般に温度センサーを内蔵しておりこの温度センサーの出力電圧から3次関数の補償電圧を作成している。本実施形態では、図１２に示すように、電流源３０とダイオード３１で構成される温度センサーの負の温度特性を持つ出力電圧を、増幅器32を介して電圧制御型発振器の制御端子２に印加することで、MOSトランジスタ６のドレイン端子のバイアスに温度特性を持たせることが可能となる。本実施の形態によれば、新たに温度センサー回路を追加することなく本発明を実現することが可能となる。

このように本実施形態の構成によれば、第2制御信号に温度特性を持たせることにより、図１１に示すように第1のMOSトランジスタ５と第2のMOSトランジスタ６によるｆ−VG特性が重なり合う制御電圧VGの範囲が温度変化時でも一定に保つことが可能になる。したがって、total特性の周波数ｆ−制御電圧VG特性の感度の温度特性をキャンセルすることが可能となる。

さらに、温度により感度が変化しないため、水晶振動子４の持つ３次関数の温度特性をキャンセルするために3次関数に近似した制御電圧を電圧制御型発振器に印加した際に温度補償精度を向上させることが可能となる。また、AFC特性の温度特性についても改善することが可能となる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における電圧制御型発振器の概略構成を示す。図３に示す電圧制御型発振器は、圧電振動子４と、圧電振動子４が接続されるXT端子とXTBAR端子と、圧電振動子４に並列接続された増幅器１と、圧電振動子４に並列接続された負荷容量であって、第１、第３のＭＯＳトランジスタ１１，１３が直列接続された負荷容量と、第２、第４のＭＯＳトランジスタ１２，１４が直列接続された負荷容量と、第１、第３のＭＯＳトランジスタ１１，１３の各ゲート端子（制御端子３）に共通の第３制御信号を供給する第３制御信号発生回路１５と、第２、第４のＭＯＳトランジスタ１２，１４の各ゲート端子（制御端子４）に共通の第４制御信号を供給する第４制御信号発生回路１６と、XTBAR端子と第３、４のＭＯＳトランジスタ１３，１４のドレイン端子との間に設けたDCカット容量１７と、第３、第４のＭＯＳトランジスタ１３，１４のドレイン端子に高周波除去抵抗１９を介して接続している制御端子５に共通の第５制御信号を供給する第５制御信号発生回路１８と、を有する。

ここで、第３制御信号発生回路１５から供給される第３制御信号、および第４制御信号発生回路１６から供給される第４の制御信号は、温度補償制御信号、外部電圧周波数制御信号、および、バラツキ補償制御信号の少なくともいずれか一つを含む信号であり、第５制御信号発生回路１８から供給される第５制御信号は、発振器感度の温度特性をキャンセルさせるための電圧信号である。

この場合も実施の形態1と同様に、第５制御信号として温度特性を持った電圧を発生する回路を構成する。第２のＭＯＳトランジスタ１２のドレイン端子の振幅下限にこれをキャンセルする温度特性を持たせるために、制御端子５に接続している第５制御信号発生回路１８は例えば-2mV/℃の温度特性を持った電圧を印加することにより、MOSトランジスタ６のドレイン端子のバイアスに-2mV/℃の温度特性を持たせる。

本実施形態では、制御端子５に与える電圧にXT端子の振幅上限の温度特性をキャンセルさせるような温度特性を持たせることにより、第1、２のMOSトランジスタ１１，１２と第３，４のMOSトランジスタ１３，１４によるｆ−VG特性が重なり合う制御電圧VGの範囲を温度変化時でも一定に保つことができ、total特性のｆ−VG特性の感度温度特性をキャンセルすることが可能となる。

第５制御信号発生回路１８の構成についても第2制御信号発生回路９と同様に、内蔵の温度センサーの負の温度特性を持つ出力電圧を、増幅器32を介して電圧制御型発振器の制御端子５に印加することで、MOSトランジスタ６のドレイン端子のバイアスに温度特性を持たせることが可能となる。また、電圧制御発振器の増幅器がPNP、NMOS、PMOSトランジスタで構成されていても考え方は同様であり、温度による振幅変化をキャンセルさせることが可能である。

このように本実施形態によれば、第5制御信号に温度特性を持たせることにより、図１１に示すように第１と第２のMOSトランジスタ１１，１２と第３と第４のMOSトランジスタ１３，１４によるｆ−VG特性が重なり合う制御電圧VGの範囲を温度変化時でも一定に保つことが可能になる。したがって、total特性の周波数ｆ−制御電圧VG特性の感度の温度特性をキャンセルすることが可能となる。

本発明は、制御電圧VGに対する周波数fの感度（ｆ−VG特性の感度）が温度により変化しない効果を有し、電圧制御型発振器及びその周波数制御方法等として有用である。

従来の電圧制御型発振器の概略構成を示す回路図本発明の実施の形態１における電圧制御型発振器の概略構成を示す回路図本発明の実施の形態２における電圧制御型発振器の概略構成を示す回路図電圧制御型発振器の可変容量構成例１を示す回路図電圧制御型発振器の可変容量構成例２を示す回路図電圧制御型発振器の可変容量構成例３を示す回路図従来回路を説明する発振波形を示す図電圧制御型発振器を説明するC-V特性、f-V特性、感度特性を示す図本実施の形態１、２を説明する発振波形を示す図従来回路を説明するｆ-V特性、感度特性を示す図本実施の形態１、２を説明するｆ-V特性、感度特性を示す図本実施の形態１、２の制御信号発生回路を説明するブロック図可変容量素子の動作を説明する図

符号の説明

１増幅器（NPNトランジスタ）
２，３０電流源
３帰還抵抗
４水晶振動子
５，６，１１，１２，１３，１４ＭＯＳトランジスタ
８，１７ＤＣカット容量
１０，１９高周波除去抵抗
３１ダイオード
３２増幅器

Claims

圧電振動子が接続される第１と第２の端子と、
前記第１と第２の端子間に接続される増幅器と、
前記第１と第２の端子のそれぞれにドレインが接続される第１と第２のＭＯＳトランジスタと、
前記第１と第２のＭＯＳトランジスタの各ゲートに第１制御信号を供給する第１制御信号発生回路と、
前記第２のＭＯＳトランジスタのドレインに第２制御信号を供給する第２制御信号発生回路と、
を有する電圧制御型発振器。
圧電振動子を有する請求項１記載の電圧制御型発振器。
前記第１制御信号は、温度補償制御信号、外部電圧周波数制御信号、および、バラツキ補償制御信号の少なくともいずれか一つを含む信号である請求項１または２記載の電圧制御型発振器。
前記第２制御信号は、発振器感度の温度特性をキャンセルさせるための電圧信号である請求項１または２記載の電圧制御型発振器。
圧電振動子が接続される第１と第２の端子と、
前記第１と第２の端子間に接続される増幅器と、
前記第１の端子にドレインが接続される第１と第２のＭＯＳトランジスタと、
前記第２の端子にドレインが接続される第３と第４のＭＯＳトランジスタと、
前記第１と第３のＭＯＳトランジスタの各ゲートに第３制御信号を供給する第３制御信号発生回路と、
前記第２と第４のＭＯＳトランジスタの各ゲートに第４制御信号を供給する第４制御信号発生回路と、
前記第３と第４のＭＯＳトランジスタのドレインに第５制御信号を供給する第５制御信号発生回路と、
を有する電圧制御型発振器。
圧電振動子を有する請求項５記載の電圧制御型発振器。
前記第３制御信号は、温度補償制御信号、外部電圧周波数制御信号、および、バラツキ補償制御信号の少なくともいずれか一つを含む信号である請求項５または６記載の電圧制御型発振器。
前記第４制御信号は、温度補償制御信号、外部電圧周波数制御信号、および、バラツキ補償制御信号の少なくともいずれか一つを含む信号である請求項５または６記載の電圧制御型発振器。
前記第５制御信号は、発振器感度の温度特性をキャンセルさせるための電圧信号である請求項５または６記載の電圧制御型発振器。
複数の制御端子を有する電圧制御型発振器の周波数制御方法であって、
発振周波数を制御する第１制御信号の第1制御端子への供給と、発振器感度の温度特性をキャンセルさせるための第２制御信号の第２制御端子への供給と、を行う周波数制御方法。