JP2008300977A - 温度補償型水晶発振器および発振器の温度補償方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】補償精度の高い温度補償型水晶発振器および発振器の温度補償方法を提供する。
【解決手段】発振振動子１１を含む発振回路２１と、温度検出部１６と、発振回路２１の発振ループに接続された電圧可変容量素子１３，１４と、温度検出部１６で検出された温度データを受けて温度変化を補償した補償電圧を電圧可変容量素子１３，１４に印加する温度補償回路１８と、を有し、温度補償回路１８は、温度検出部の測定データの補間を３次スプライン関数で行って補償電圧を生成する。
【選択図】図２
【解決手段】発振振動子１１を含む発振回路２１と、温度検出部１６と、発振回路２１の発振ループに接続された電圧可変容量素子１３，１４と、温度検出部１６で検出された温度データを受けて温度変化を補償した補償電圧を電圧可変容量素子１３，１４に印加する温度補償回路１８と、を有し、温度補償回路１８は、温度検出部の測定データの補間を３次スプライン関数で行って補償電圧を生成する。
【選択図】図２
Description
本発明は、水晶等の振動子を用いた温度補償型水晶発振器および発振器の温度補償方法に関するものである。
水晶振動子は、携帯電話やＧＰＳ等の通信において、基準周波数を得るための発振素子として用いられている。
水晶振動子の発振周波数は非常に高精度であるが、それでもわずかに温度特性をもっており、通常のＡＴカット水晶振動子の場合は３次曲線のカーブを描く。
この３次曲線をキャンセルするような制御を加えることにより、温度変化を補償した発振器を温度補償型水晶発振器（TCXO）という。
水晶振動子の発振周波数は非常に高精度であるが、それでもわずかに温度特性をもっており、通常のＡＴカット水晶振動子の場合は３次曲線のカーブを描く。
この３次曲線をキャンセルするような制御を加えることにより、温度変化を補償した発振器を温度補償型水晶発振器（TCXO）という。
温度補償方式には大きく分けてアナログ方式とＬＳＩ方式があるが、主流となっているのは小型化に有利なＬＳＩ方式である。
ＬＳＩは温度補償回路と発振回路で構成され、温度補償回路にもいくつかの方法が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
ＬＳＩは温度補償回路と発振回路で構成され、温度補償回路にもいくつかの方法が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
最も代表的な温度補償回路は、ＬＳＩ内部で３次曲線の電圧を発生して電圧制御型発振器（VCXO）の発振周波数をコントロールする方法を採用している。
３次曲線を発生させるために、ＬＳＩ内部には温度計（１次電圧）を内蔵し、ＤＣ電圧（０次電圧）、２乗回路や３乗回路で作った２次電圧・３次電圧をそれぞれ合成する。そして、合成する際の係数をパラメータとすることで、図１に示すように、自由に３次曲線を描くことができる。
式で表すと、次のようになる。
３次曲線を発生させるために、ＬＳＩ内部には温度計（１次電圧）を内蔵し、ＤＣ電圧（０次電圧）、２乗回路や３乗回路で作った２次電圧・３次電圧をそれぞれ合成する。そして、合成する際の係数をパラメータとすることで、図１に示すように、自由に３次曲線を描くことができる。
式で表すと、次のようになる。
［数１］
V＝A(T-T0)3 + B(T-T0)2 + C(T-T0) + D
V＝A(T-T0)3 + B(T-T0)2 + C(T-T0) + D
いまでは、この式のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つのパラメータを調整することで、比較的精度良く水晶振動子の温度特性を補償できた。
特開２００２−１９８７３６号公報
しかし、ＴＣＸＯ（温度補償型水晶発振器）の小型化にともない水晶振動子も小型化し、温度特性もバラツキが大きくなってきた。このため、３次曲線で補正しきれず、精度を確保することが難しくなってきた。
本発明は、補償精度の高い温度補償型水晶発振器および発振器の温度補償方法を提供することにある。
本発明の第１の観点の温度補償型水晶発振器は、発振振動子を含む発振回路と、温度検出部と、上記発振回路の発振ループに接続された電圧可変容量素子と、上記温度検出部で検出された温度データを受けて温度変化を補償した補償電圧を上記電圧可変容量素子に印加する温度補償回路と、を有し、上記温度補償回路は、上記温度検出部の測定データの補間を３次スプライン関数で行って上記補償電圧を生成する。
好適には、上記温度補償回路は、温度区分で分けて、温度区分ごとにそれぞれ別の３次関数で補正して上記補償電圧を生成する。
好適には、３次スプライン関数は、区分ごとに異なる補間関数を繋げたもので、それぞれの補間関数は３次多項式により形成される。
好適には、３次スプライン関数は、少なくとも、測定点を通る、関数の境界で一次導関数が連続である、関数の境界で二次導関数が連続である、という条件を満足する。
好適には、３次スプライン関数は、全区分の両端で二次導関数ゼロである、という条件をさらに満足する。
本発明の第２の観点は、発振回路の発振ループに接続された電圧可変容量素子を有し、当該電圧可変容量素子に印加する電圧を温度補償する発振器の温度補償方法であって、測定データの補間を３次スプライン関数で行って上記補償電圧を生成する。
本発明によれば、補償精度の高い温度補償型水晶発振器および発振器の温度補償方法を実現できる。
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る温度補償型水晶発振器の構成例を示すブロック図である。
本温度補償型水晶発振器１０は、図２に示すように、水晶振動子１１、発振用素子としてのインバータ１２、電圧可変容量素子１３，１４、出力バッファとしてのインバータ１５、温度センサ１６、メモリ１７、および温度補償回路１８を有する。
これらの構成要素のうち、水晶振動子１１を除く、発振用素子としてのインバータ１２、電圧可変容量素子１３，１４、出力バッファとしてのインバータ１５、温度センサ１６、メモリ１７、および温度補償回路１８は一つのチップ（ＬＳＩ）２０に集積化されている。
これらの構成要素のうち、水晶振動子１１を除く、発振用素子としてのインバータ１２、電圧可変容量素子１３，１４、出力バッファとしてのインバータ１５、温度センサ１６、メモリ１７、および温度補償回路１８は一つのチップ（ＬＳＩ）２０に集積化されている。
水晶振動子１１の一端は端子Ｔ１を介してインバータ１２の入力端子およびインバータ１５の入力端子に接続され、他端は端子Ｔ２を介してインバータ１２の出力端子に接続さている。インバータ１５の出力Ｔ端子が端子Ｔ３に接続されている。
インバータ１２と１５の入力端子同士および端子Ｔ１の接続点によりノードＮＤ１１が形成され、インバータ１２の出力端子と端子Ｔ２との接続点によりノードＮＤ１２が形成されている。
電圧可変容量素子１３の一端がノードＮＤ１１に接続され、電圧可変容量素子１４の一端がノードＮＤ１２に接続されている。
そして、電圧可変容量素子１３および電圧可変容量素子１４の他端が、温度補償回路１８の補償電圧ＶＴの出力端に接続されている。
インバータ１２と１５の入力端子同士および端子Ｔ１の接続点によりノードＮＤ１１が形成され、インバータ１２の出力端子と端子Ｔ２との接続点によりノードＮＤ１２が形成されている。
電圧可変容量素子１３の一端がノードＮＤ１１に接続され、電圧可変容量素子１４の一端がノードＮＤ１２に接続されている。
そして、電圧可変容量素子１３および電圧可変容量素子１４の他端が、温度補償回路１８の補償電圧ＶＴの出力端に接続されている。
温度補償型水晶発振器１０において、水晶振動子１１とインバータ１２により発振回路（発振ループ）２１が形成される。
温度補償回路１８は、温度センサ１６による周囲温度に依存した補償電圧ＶＴを発生し、電圧制御発振器としての電圧可変容量素子１３，１４に印加する。この温度補償回路１８の具体的な構成および機能については、後で詳述する。
電圧可変容量素子１３，１４は、補償電圧ＶＴによって端子間容量が変化する。その結果、水晶振動子１１からみた回路側の直列等価容量（負荷容量）が変化することから、温度に応答して発振周波数も変化し、結局、温度補償される。
この温度補償された発振信号は、インバータ１５を介して端子Ｔ３から出力される。
温度補償回路１８は、温度センサ１６による周囲温度に依存した補償電圧ＶＴを発生し、電圧制御発振器としての電圧可変容量素子１３，１４に印加する。この温度補償回路１８の具体的な構成および機能については、後で詳述する。
電圧可変容量素子１３，１４は、補償電圧ＶＴによって端子間容量が変化する。その結果、水晶振動子１１からみた回路側の直列等価容量（負荷容量）が変化することから、温度に応答して発振周波数も変化し、結局、温度補償される。
この温度補償された発振信号は、インバータ１５を介して端子Ｔ３から出力される。
以下、温度補償回路１８の具体的な機能について説明する。
本実施形態おいては、水晶振動子１１のバラツキに対応できるよう、温度補償回路１８においていくつかの温度区分に分割する。
既存の技術では、全ての温度範囲について１本の３次関数、すなわちＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの係数は一通りであったが、本実施形態においては、いくつかの温度区分に分割して、それぞれの温度区分で別々の係数を与える。
既存の技術では、全ての温度範囲について１本の３次関数、すなわちＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの係数は一通りであったが、本実施形態においては、いくつかの温度区分に分割して、それぞれの温度区分で別々の係数を与える。
たとえば、温度範囲を５つに分割した場合、係数はAi、Bi、Ci、Diとなり（i=1〜5）、パラメータは全部で２０個となる。パラメータは、たとえばメモリ１７に記憶される。
そして、温度センサ１６の検出温度に応じて、設定されている区分のうち検出温度に対応した区分の係数が読み出され、温度補償回路１８に与えられる。
そして、温度センサ１６の検出温度に応じて、設定されている区分のうち検出温度に対応した区分の係数が読み出され、温度補償回路１８に与えられる。
この方式を使った場合、１本の３次関数では補正しきれなかったバラツキ（３次関数からのズレ）も、複数本の３次関数で補正するため、補償精度が向上する。
また、本実施形態においては、複数本の３次関数の係数を計算するにあたり、３次スプライン関数を用いる。
３次スプライン関数は、区分ごとに異なる補間関数を繋げたもので、図３に示すように、それぞれの補間関数は次の３次多項式である。
３次スプライン関数は、区分ごとに異なる補間関数を繋げたもので、図３に示すように、それぞれの補間関数は次の３次多項式である。
［数２］
Sj(x) = aj(x-xj)3 + bj(x-xj)2 + cj(x-xj) + dj ( j=0,1,2 ... N-1 )
Sj(x) = aj(x-xj)3 + bj(x-xj)2 + cj(x-xj) + dj ( j=0,1,2 ... N-1 )
ここで、各Sj(x) は、以下の条件を満足するものである。
1. 測定点 ( xj, yj ) を通る ： Sj(xj) = Sj+1(xj)
2. 関数の境界で一次導関数が連続（境界で微分係数が等しい）： S'j(xj) = S'j+1(xj)
3. 関数の境界で二次導関数が連続 ： S''j(xj) = S''j+1(xj)
4. 全区域の両端で二次導関数ゼロ ： S''0(x0) = S'' N-1(xN) = 0
以上の条件から、３次スプライン関数で補間した曲線は、全ての測定点で誤差がなく、各区分での関数の切り替え時にも連続性が保たれるという特性をもつ。
いくつかの温度区分に分割して複数本の３次関数で補正する際、３次スプライン関数を用いれば、全ての測定点での誤差が理論上ゼロになるため補正精度が上がり、しかも図４に示すように、各温度区分切り替わりでなめらかな曲線が得られる。
いくつかの温度区分に分割して複数本の３次関数で補正する際、３次スプライン関数を用いれば、全ての測定点での誤差が理論上ゼロになるため補正精度が上がり、しかも図４に示すように、各温度区分切り替わりでなめらかな曲線が得られる。
ただし、上記4.の条件を入れると温度区分の端での補正精度が悪くなるため、別の条件を与えることも可能である。たとえば、両端で二次導関数はゼロではなく、隣の区分の二次導関数に等しいとするなどの方法が考えられる。
３次スプライン関数による補間方法は、ＬＳＩ２０の温度補償回路１８が３次関数を発生させる方式ではない場合にも利用が可能である。
たとえば、１次関数で補間する場合、少ない測定点を直線補間するのでは補正精度が著しく悪いが（特に曲率の大きい区間）、補間点数を増やしていけば精度は向上する。それらの補間点を導き出す際に、測定点から３次スプライン関数で補間を行えば、測定点から誤差のない補間点が得られる。
たとえば、１次関数で補間する場合、少ない測定点を直線補間するのでは補正精度が著しく悪いが（特に曲率の大きい区間）、補間点数を増やしていけば精度は向上する。それらの補間点を導き出す際に、測定点から３次スプライン関数で補間を行えば、測定点から誤差のない補間点が得られる。
以上、温度補償回路１８の構成について説明した。
次に、上記構成による温度補償回路１８の動作について、図３および図４に関連付けて説明する。
次に、上記構成による温度補償回路１８の動作について、図３および図４に関連付けて説明する。
温度センサ１６の検出温度に応じて、設定されている区分のうち検出温度に対応した区分の係数が読み出され、温度補償回路１８に供給される。
そして、温度補償回路１８においては、複数本の３次関数の係数を計算するにあたり、３次スプライン関数が用いられる。
３次スプライン関数は、区分ごとに異なる補間関数を繋げたもので、それぞれの補間関数は所定の３次多項式で与えられる。
このとき、測定点 ( xj, yj ) を通る、関数の境界で一次導関数が連続（境界で微分係数が等しい）、関数の境界で二次導関数が連続である、全区域の両端で二次導関数ゼロである、という条件を満たす。
これにより３次スプライン関数で補間した曲線は、全ての測定点で誤差がなく、各区分での関数の切り替え時にも連続性が保たれるという特性をもつ。
このようにして温度補償された補償電圧ＶＴが発生され、電圧可変容量素子１３，１４に印加される。
電圧可変容量素子１３，１４は、補償電圧ＶＴによって端子間容量が変化する。その結果、水晶振動子１１からみた回路側の直列等価容量（負荷容量）が変化することから、温度に応答して発振周波数も変化し、結局、温度補償される。
この温度補償された発振信号は、インバータ１５を介して端子Ｔ３から出力される。
そして、温度補償回路１８においては、複数本の３次関数の係数を計算するにあたり、３次スプライン関数が用いられる。
３次スプライン関数は、区分ごとに異なる補間関数を繋げたもので、それぞれの補間関数は所定の３次多項式で与えられる。
このとき、測定点 ( xj, yj ) を通る、関数の境界で一次導関数が連続（境界で微分係数が等しい）、関数の境界で二次導関数が連続である、全区域の両端で二次導関数ゼロである、という条件を満たす。
これにより３次スプライン関数で補間した曲線は、全ての測定点で誤差がなく、各区分での関数の切り替え時にも連続性が保たれるという特性をもつ。
このようにして温度補償された補償電圧ＶＴが発生され、電圧可変容量素子１３，１４に印加される。
電圧可変容量素子１３，１４は、補償電圧ＶＴによって端子間容量が変化する。その結果、水晶振動子１１からみた回路側の直列等価容量（負荷容量）が変化することから、温度に応答して発振周波数も変化し、結局、温度補償される。
この温度補償された発振信号は、インバータ１５を介して端子Ｔ３から出力される。
以上説明したように、本実施形態によれば、発振振動子１１を含む発振回路２１と、温度センサ１６と、発振回路２１の発振ループに接続された電圧可変容量素子１３，１４と、温度センサ１６で検出された温度データを受けて温度変化を補償した補償電圧を電圧可変容量素子１３，１４に印加する温度補償回路１８と、を有し、温度補償回路１８は、温度検出部の測定データの補間を３次スプライン関数で行って補償電圧を生成し、この際、温度区分で分けて、温度区分ごとにそれぞれ別の３次関数で補正して上記補償電圧を生成する。また、３次スプライン関数は、区分ごとに異なる補間関数を繋げたもので、それぞれの補間関数は３次多項式により形成され、３次スプライン関数は、少なくとも、測定点を通る、関数の境界で一次導関数が連続である、関数の境界で二次導関数が連続である、という条件、また、さらに、３次スプライン関数は、全区分の両端で二次導関数ゼロである、という条件をさらに満足する、ことから以下の効果を得ることができる。
ＴＣＸＯにおいて、水晶振動子の温度補正精度を上げるためには、測定点を増やして（温度ステップを細かくして）かつ、それらの測定点をなめらかにつなげた曲線を生成する必要がある。しかし、測定点を増やすと測定時間が長くなってしまうため、生産ラインでの工数アップとなり、コストに影響を与えてしまう。
これに対して、３次スプライン関数を用いれば、測定点は少ないまま（６ポイント程度）、なめらかで誤差の少ない曲線を導き出すことができる。この結果、補正精度の高いＴＣＸＯが実現可能となる。
また、温度区分数を多くしてゆけば、メモリすべきデータも多くなってしまうものの、あらゆる温度補償カーブが実現可能となり、補償精度も非常に高くなる。
本実施形態の温度補償型水晶発振器１０によれば、周波数偏差±１ｐｐｍ以下を実現できる。
したがって、携帯電話等の携帯装置や全方位測位システム（ＧＰＳ）の発振器として十分に適用可能である。
これに対して、３次スプライン関数を用いれば、測定点は少ないまま（６ポイント程度）、なめらかで誤差の少ない曲線を導き出すことができる。この結果、補正精度の高いＴＣＸＯが実現可能となる。
また、温度区分数を多くしてゆけば、メモリすべきデータも多くなってしまうものの、あらゆる温度補償カーブが実現可能となり、補償精度も非常に高くなる。
本実施形態の温度補償型水晶発振器１０によれば、周波数偏差±１ｐｐｍ以下を実現できる。
したがって、携帯電話等の携帯装置や全方位測位システム（ＧＰＳ）の発振器として十分に適用可能である。
１０・・・温度補償型水晶発振器、１１・・・水晶振動子、１２，１５・・・インバータ、１３，１４・・・電圧可変容量素子、１６・・・温度センサ、１７・・・メモリ、１８・・・温度補償回路、２０・・・ＬＳＩ、２１・・・発振回路。
Claims (10)
- 発振振動子を含む発振回路と、
温度検出部と、
上記発振回路の発振ループに接続された電圧可変容量素子と、
上記温度検出部で検出された温度データを受けて温度変化を補償した補償電圧を上記電圧可変容量素子に印加する温度補償回路と、を有し、
上記温度補償回路は、
上記温度検出部の測定データの補間を３次スプライン関数で行って上記補償電圧を生成する
温度補償型水晶発振器。 - 上記温度補償回路は、
温度区分で分けて、温度区分ごとにそれぞれ別の３次関数で補正して上記補償電圧を生成する
請求項１記載の温度補償型水晶発振器。 - ３次スプライン関数は、区分ごとに異なる補間関数を繋げたもので、それぞれの補間関数は３次多項式により形成される
請求項１記載の温度補償型水晶発振器。 - ３次スプライン関数は、少なくとも、測定点を通る、関数の境界で一次導関数が連続である、関数の境界で二次導関数が連続である、という条件を満足する
請求項３記載の温度補償型水晶発振器。 - ３次の自然スプライン関数は、全区分の両端で二次導関数ゼロである、という条件をさらに満足する
請求項４記載の温度補償型水晶発振器。 - 発振回路の発振ループに接続された電圧可変容量素子を有し、当該電圧可変容量素子に印加する電圧で温度補償する発振器の温度補償方法であって、
測定データの補間を３次スプライン関数で行って上記補償電圧を生成する
発振器の温度補償方法。 - 温度区分で分けて、温度区分ごとにそれぞれ別の３次関数で補正して上記補償電圧を生成する
請求項６記載の発振器の温度補償方法。 - ３次スプライン関数は、区分ごとに異なる補間関数を繋げたもので、それぞれの補間関数は３次多項式により形成される
請求項６記載の発振器の温度補償方法。 - ３次スプライン関数は、少なくとも、測定点を通る、関数の境界で一次導関数が連続である、関数の境界で二次導関数が連続である、という条件を満足する
請求項８記載の発振器の温度補償方法。 - ３次スプライン関数は、全区分の両端で二次導関数ゼロである、という条件をさらに満足する
請求項９記載の発振器の温度補償方法。
Priority Applications (1)
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