JP2008294623A - 温度補償型水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、発振信号に混入する位相ノイズを抑圧することができ、回路規模が大きくなることを防止できる温度補償型水晶発振器を提供することを目的とする。
【解決手段】温度を検出する温度センサ２１と、温度センサで得た温度検出信号を供給され温度の１次関数で表される１次成分電圧を発生する１次成分発生回路２３と、温度検出信号を供給され温度の３次関数及び４次関数で表される３次４次成分電圧を発生する３次４次成分発生回路２４と、オフセット電圧を発生するオフセット発生回路と２５、１次成分電圧と３次４次成分電圧とオフセット電圧を混合して温度補償電圧を得るミキサ回路２６と、温度補償電圧を供給されて水晶振動子２８の温度補償を行って発振周波数を安定化する発振回路２７とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度補償型水晶発振器に関し、水晶振動子の温度補償を行って発振周波数を安定化する温度補償型水晶発振器に関する。

図５は、従来の温度補償型水晶発振器の一例のブロック構成図を示す。同図中、温度補償回路１０は、温度センサ１１とＴ０調整回路１２と１次成分発生回路１３と３次成分発生回路１４とオフセット発生回路１５とミキサ回路１６から構成されている。

温度センサ１１は、例えば負の温度係数を持ち温度検出電圧を出力する。Ｔ０調整回路１２は温度センサ１１の出力する温度検出電圧の中心温度を所定値（例えば２５°Ｃ程度）に調整する。

１次成分発生回路１３は、温度検出電圧を供給され温度Ｔａに対し１次関数で表される１次成分電圧を発生する。また、３次成分発生回路１４は、温度検出電圧を供給され温度Ｔａに対し３次関数で表される３次成分電圧を発生する。オフセット発生回路１５は、オフセット電圧を発生する。

ミキサ回路１６は上記１次成分電圧と３次成分電圧と、更に、オフセット電圧を加算混合して図６（Ａ）に示す温度特性の温度補償電圧を発生する。

電圧制御型発振回路１７は温度補償回路１０と共に半導体集積回路化されている。電圧制御型発振回路１７は、水晶振動子１８のインダクタンス成分を用いて発振するコルピッツ発振回路を構成しており、温度補償回路１０から供給される温度補償電圧により、図６（Ｂ）に示す温度特性の水晶振動子１４の温度補償を行うことで発振周波数を安定化している。

なお、特許文献１には、６個の差動増幅器と定レベル信号発生回路とカレントミラー回路と各差動増幅器の出力電流を加算する加算用抵抗を有し、入力信号に対して高精度の５次関数成分の出力電流を得る近似ｎ次関数成分発生装置及び温度補償水晶発振回路が記載されている。
国際公開ＷＯ２００４／０２５８２４号パンフレット

図５の従来回路では、温度補償回路１０及び電圧制御型発振回路１７を構成する半導体集積回路のばらつきや水晶振動子１４のばらつきにより、発振周波数を完全に温度補償することができなかった。このため、発振周波数の温度特性は、図７（Ａ）又は図７（Ｂ）に示すように低温部と高温部に補償しきれない４次成分が±０．５ｐｐｍ程度残留してしまうという問題があった。この４次成分のために、温度補償型水晶発振器が出力する発振信号に位相ノイズが生じるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、発振信号に混入する位相ノイズを抑圧することができ、回路規模が大きくなることを防止できる温度補償型水晶発振器を提供することを目的とする。

本発明の温度補償型水晶発振器は、温度を検出する温度センサ（２１）と、
前記温度センサで得た温度検出信号を供給され温度の１次関数で表される１次成分電圧を発生する１次成分発生回路（２３）と、
前記温度検出信号を供給され温度の３次関数及び４次関数で表される３次４次成分電圧を発生する３次４次成分発生回路（２４）と、
オフセット電圧を発生するオフセット発生回路と（２５）、
前記１次成分電圧と前記３次４次成分電圧と前記オフセット電圧を混合して温度補償電圧を得るミキサ回路（２６）と、
前記温度補償電圧を供給されて水晶振動子（２８）の温度補償を行って発振周波数を安定化する発振回路（２７）とを有することにより、発振信号に混入する位相ノイズを抑圧することができ、回路規模が大きくなることを防止できる。

前記温度補償型水晶発振器において、
前記３次４次成分発生回路（２４）は、
前記温度検出信号電圧を第１基準電圧と差動増幅する第１差動回路（Ｑ１，Ｑ２）と、
前記温度検出信号電圧を第１基準電圧より低い第２基準電圧と差動増幅する第２差動回路（Ｑ３，Ｑ４）と、
前記温度検出信号電圧を第２基準電圧より低い第３基準電圧と差動増幅する第３差動回路（Ｑ５，Ｑ６）と、
前記温度検出信号電圧を第３基準電圧より低い第４基準電圧と差動増幅する第４差動回路（Ｑ７，Ｑ８）と、
前記第１乃至第４差動回路における前記温度検出信号を供給されるトランジスタ（Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７）の出力電圧と、前記第１乃至第４差動回路における前記第１乃至第４基準電圧を供給されるトランジスタ（Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８）の出力電圧とを差動増幅する第５差動回路（３６）とを有し、
前記第１及び第４差動回路それぞれに、前記温度検出信号を供給されるトランジスタ（Ｑ１，Ｑ７）のエミッタ抵抗と前記第１又は第４基準電圧を供給されるトランジスタ（Ｑ２，Ｑ８）のエミッタ抵抗を可変設定する抵抗可変回路を設けた構成とすることができる。

前記温度補償型水晶発振器において、
前記抵抗可変回路は、直列接続された複数の抵抗（Ｒ１〜Ｒ３０）と、前記複数の抵抗それぞれと並列接続され個別にオン／オフ制御される複数のスイッチ（Ｓ１〜Ｓ１８）とよりなる構成とすることができる。

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

本発明によれば、発振信号に混入する位相ノイズを抑圧することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の温度補償型水晶発振器の一実施形態のブロック構成図を示す。同図中、温度補償回路２０は、温度センサ２１とＴ０調整回路２２と１次成分発生回路２３と３次４次成分発生回路２４とオフセット発生回路２５とミキサ回路２６から構成されている。

温度センサ２１は、例えば負の温度係数を持ち温度検出電圧を出力する。Ｔ０調整回路２２は温度センサ２１の出力する温度検出電圧の中心温度を所定値（例えば２５°Ｃ程度）にするよう調整する。

１次成分発生回路２３は、Ｔ０調整回路２２から温度検出電圧を供給され温度Ｔａに対し１次関数で表される１次成分電圧を発生する。また、３次４次成分発生回路２４は、Ｔ０調整回路２２から温度検出電圧を供給され温度Ｔａに対し３次関数及び４次関数で表される３次４次成分電圧を発生する。オフセット発生回路２５は、オフセット電圧を発生する。

ミキサ回路２６は上記１次成分電圧と３次４次成分電圧と、更に、オフセット電圧を加算混合して温度補償電圧を発生する。

電圧制御型発振回路２７は温度補償回路２０と共に半導体集積回路化されている。電圧制御型発振回路２７は、水晶振動子２８のインダクタンス成分を用いて発振するコルピッツ発振回路を構成しており、温度補償回路１０から供給される温度補償電圧により、水晶振動子２８の温度補償を行うことで発振周波数を安定化している。

図２は、３次４次成分発生回路２４の一実施形態の回路構成図を示す。同図中、端子３１にはＴ０調整回路２２より中心温度を調整した温度検出電圧が供給され、この温度検出電圧はｐｎｐトランジスタＱ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ７、それぞれのベースに供給される。

トランジスタＱ１はｎｐｎトランジスタＱ２と共に差動回路を構成している。トランジスタＱ２のベースには基準電圧Ｖｒｅｆ１が供給されている。トランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタはそれぞれ抵抗Ｒａ，Ｒｂを介して電原Ｖｃｃに接続されている。

トランジスタＱ１のエミッタは直列接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５を介して定電流源３２の一端に接続され、トランジスタＱ２のエミッタは直列接続された抵抗Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９，Ｒ１０を介して定電流源３２の一端に接続されており、定電流源３２の他端は接地されている。

抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５それぞれと並列にスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が設けられ、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は図示しないＥＥＰＲＯＭから各１ビットの制御信号が供給され、各スイッチは制御信号が「１」のときオンし、「０」のときオフする。

これと同様に、抵抗Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９，Ｒ１０それぞれと並列にスイッチＳ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８が設けられ、スイッチＳ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８は図示しないＥＥＰＲＯＭから各１ビットの制御信号が供給され、各スイッチは制御信号が「１」のときオンし、「０」のときオフする。

トランジスタＱ３はｎｐｎトランジスタＱ４と共に差動回路を構成している。トランジスタＱ４のベースには基準電圧Ｖｒｅｆ２が供給されている。トランジスタＱ３，Ｑ４のコレクタはそれぞれ抵抗Ｒａ，Ｒｂを介して電原Ｖｃｃに接続されている。

トランジスタＱ３のエミッタは抵抗Ｒ１１を介して定電流源３３の一端に接続され、トランジスタＱ４のエミッタは定電流源３３の一端に接続されており、定電流源３３の他端は接地されている。

トランジスタＱ５はｎｐｎトランジスタＱ６と共に差動回路を構成している。トランジスタＱ６のベースには基準電圧Ｖｒｅｆ３が供給されている。トランジスタＱ５，Ｑ６のコレクタはそれぞれ抵抗Ｒａ，Ｒｂを介して電原Ｖｃｃに接続されている。

トランジスタＱ５のエミッタは抵抗Ｒ１３を介して定電流源３４の一端に接続され、トランジスタＱ６のエミッタは定電流源３４の一端に接続されており、定電流源３４の他端は接地されている。

トランジスタＱ７はｎｐｎトランジスタＱ８と共に差動回路を構成している。トランジスタＱ８のベースには基準電圧Ｖｒｅｆ４が供給されている。トランジスタＱ７，Ｑ８のコレクタはそれぞれ抵抗Ｒａ，Ｒｂを介して電原Ｖｃｃに接続されている。

トランジスタＱ７のエミッタは直列接続された抵抗Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４，Ｒ２５を介して定電流源３５の一端に接続され、トランジスタＱ８のエミッタは直列接続された抵抗Ｒ２６，Ｒ２７，Ｒ２８，Ｒ２９，Ｒ３０を介して定電流源３５の一端に接続されており、定電流源３５の他端は接地されている。

抵抗Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４，Ｒ２５それぞれと並列にスイッチＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４が設けられ、スイッチＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４は図示しないＥＥＰＲＯＭから各１ビットの制御信号が供給され、各スイッチは制御信号が「１」のときオンし、「０」のときオフする。

これと同様に、抵抗Ｒ２７，Ｒ２８，Ｒ２９，Ｒ３０それぞれと並列にスイッチＳ１５，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１８が設けられ、スイッチＳ１５，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１８は図示しないＥＥＰＲＯＭから各１ビットの制御信号が供給され、各スイッチは制御信号が「１」のときオンし、「０」のときオフする。

トランジスタＱ１，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７のコレクタと抵抗Ｒａの接続点は差動回路３６の非反転入力端子に接続され、トランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８のコレクタと抵抗Ｒｂの接続点は差動回路３６の反転入力端子に接続されており、差動回路３６は端子３７から３次４次成分電圧を出力する。

ここで、Ｔ０調整回路２２の出力する温度検出電圧の温度特性を図３（Ａ）に実線で示す。この温度Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔａ３，Ｔａ４に対して基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３，Ｖｒｅｆ４それぞれが設定されている（Ｖｒｅｆ１>Ｖｒｅｆ２>Ｖｒｅｆ３>Ｖｒｅｆ４）。

検出温度がＴａ１近傍においては、トランジスタＱ１のコレクタ電流Ｉａ１が図３（Ｂ）に示すように流れ、トランジスタＱ２のコレクタ電流Ｉｂ２が図３（Ｃ）に示すように流れる。

検出温度がＴａ２近傍においては、トランジスタＱ３のコレクタ電流Ｉａ３が図３（Ｂ）に示すように流れ、トランジスタＱ４のコレクタ電流Ｉｂ４が図３（Ｃ）に示すように流れる。

検出温度がＴａ３近傍においては、トランジスタＱ５のコレクタ電流Ｉａ５が図３（Ｂ）に示すように流れ、トランジスタＱ６のコレクタ電流Ｉｂ６が図３（Ｃ）に示すように流れる。

検出温度がＴａ４近傍においては、トランジスタＱ７のコレクタ電流Ｉａ７が図３（Ｂ）に示すように流れ、トランジスタＱ８のコレクタ電流Ｉｂ８が図３（Ｃ）に示すように流れる。

これによって、差動回路３６は図３（Ｄ）に示す３次４次成分電圧を生成して端子３７から出力する。

ところで、トランジスタＱ１，Ｑ２の差動回路でスイッチＳ１〜Ｓ８のうちスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６をオフ、スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ７，Ｓ８をオンとした場合に、この差動回路は図３（Ｄ）に実線で示す３次成分を発生する。

これに対し、正の４次成分を付加したい場合には例えばスイッチＳ１，Ｓ２の少なくとも１つをオンさせることにより、図３（Ｄ）の検出温度がＴａ１近傍の領域で３次４次成分電圧は破線のように変化する。また、負の４次成分を付加したい場合には例えばスイッチＳ３，Ｓ４の少なくとも１つをオフさせることにより、図３（Ｄ）の検出温度がＴａ１近傍の領域で３次４次成分電圧は一点鎖線のように変化する。

更に、トランジスタＱ７，Ｑ８の差動回路でスイッチＳ１１〜Ｓ１８のうちスイッチＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１５，Ｓ１６をオフ、スイッチＳ１３，Ｓ１４，Ｓ１７，Ｓ１８をオンとした場合に、この差動回路は図３（Ｄ）に実線で示す３次成分を発生する。

これに対し、正の４次成分を付加したい場合には例えばスイッチＳ１１，Ｓ１２の少なくとも１つをオンさせることにより、図３（Ｄ）の検出温度がＴａ４近傍の領域で３次４次成分電圧は破線のように変化する。また、負の４次成分を付加したい場合には例えばスイッチＳ１３，Ｓ１４の少なくとも１つをオフさせることにより、図３（Ｄ）の検出温度がＴａ４近傍の領域で３次４次成分電圧は一点鎖線のように変化する。

この結果、３次４次成分発生回路２４において３次成分を発生するときミキサ回路２６は図４に実線で示す温度特性の温度補償電圧を発生する。また、３次４次成分発生回路２４において正の４次成分を付加した３次４次成分を発生するときミキサ回路２６は図４に破線で示す温度特性の温度補償電圧を発生する。更に、３次４次成分発生回路２４において負の４次成分を付加した３次４次成分を発生するときミキサ回路２６は図４に一点鎖線で示す温度特性の温度補償電圧を発生する。

ところで、図５に示す従来回路に４次成分発生回路を追加し、温度Ｔａに対し４次関数で表される４次成分電圧を発生してミキサ回路１６にて混合することも考えられるが、この場合には３次成分発生回路１４と回路規模（回路素子数）が同程度の４次成分発生回路が追加させるために、全体の回路規模（回路素子数）が大きくなる。

これに対し、上記実施形態では従来の３次成分発生回路１４に抵抗Ｒ２〜Ｒ５，Ｒ７〜Ｒ１０及びスイッチＳ１〜Ｓ８と、抵抗Ｒ２２〜Ｒ２５，Ｒ２７〜Ｒ３０及びスイッチＳ１１〜Ｓ１８を追加した簡単な構成であるため、回路規模（回路素子数）が大きくなることを防止できる。

本発明の温度補償型水晶発振器の一実施形態のブロック構成図である。 ３次４次成分発生回路２４の一実施形態の回路構成図である。 加算回路，１次成分発生回路，ミキサ回路それぞれの出力信号の温度特性図である。 加算回路，１次成分発生回路，ミキサ回路それぞれの出力信号の温度特性図である。 従来の温度補償型水晶発振器の一例のブロック構成図である。 温度補償電圧，水晶振動子それぞれの温度特性図である。 従来の発振周波数の温度特性図である。

符号の説明

２０ 温度補償回路
２１ 温度センサ
２２ Ｔ０調整回路
２３ １次成分発生回路
２４ ３次４次成分発生回路
２５ オフセット発生回路
２６ ミキサ回路
２７ 電圧制御型発振回路
２８ 水晶振動子
３２〜３５ 定電流源
３６ 差動回路
Ｑ１〜Ｑ８ ｐｎｐトランジスタ
Ｒａ，Ｒｂ，Ｒ１〜Ｒ３０ 抵抗
Ｓ１〜Ｓ１８ スイッチ

Claims (3)

1. 温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサで得た温度検出信号を供給され温度の１次関数で表される１次成分電圧を発生する１次成分発生回路と、
   前記温度検出信号を供給され温度の３次関数及び４次関数で表される３次４次成分電圧を発生する３次４次成分発生回路と、
   オフセット電圧を発生するオフセット発生回路と、
   前記１次成分電圧と前記３次４次成分電圧と前記オフセット電圧を混合して温度補償電圧を得るミキサ回路と、
   前記温度補償電圧を供給されて水晶振動子の温度補償を行って発振周波数を安定化する発振回路とを
   有することを特徴とする温度補償型水晶発振器。
2. 請求項１記載の温度補償型水晶発振器において、
   前記３次４次成分発生回路は、
   前記温度検出信号電圧を第１基準電圧と差動増幅する第１差動回路と、
   前記温度検出信号電圧を第１基準電圧より低い第２基準電圧と差動増幅する第２差動回路と、
   前記温度検出信号電圧を第２基準電圧より低い第３基準電圧と差動増幅する第３差動回路と、
   前記温度検出信号電圧を第３基準電圧より低い第４基準電圧と差動増幅する第４差動回路と、
   前記第１乃至第４差動回路における前記温度検出信号を供給されるトランジスタの出力電圧と、前記第１乃至第４差動回路における前記第１乃至第４基準電圧を供給されるトランジスタの出力電圧とを差動増幅する第５差動回路とを有し、
   前記第１及び第４差動回路それぞれに、前記温度検出信号を供給されるトランジスタのエミッタ抵抗と前記第１又は第４基準電圧を供給されるトランジスタのエミッタ抵抗を可変設定する抵抗可変回路を設けた
   ことを特徴とする温度補償型水晶発振器。
3. 請求項２記載の温度補償型水晶発振器において、
   前記抵抗可変回路は、直列接続された複数の抵抗と、前記複数の抵抗それぞれと並列接続され個別にオン／オフ制御される複数のスイッチとよりなる
   ことを特徴とする温度補償型水晶発振器。

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