JP2009092449A - 温度センサ回路と温度補償型圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧化に適した、ノイズの少ない温度センサ回路を得る。
【解決手段】トランジスタＴｒ１と、第１の抵抗である抵抗Ｒ１と第２の抵抗である抵抗Ｒ２とを直列に接続した直列回路により構成される。直列回路を構成する抵抗Ｒ１の一端はトランジスタＴｒ１のコレクタに、直列回路を構成する抵抗Ｒ２の一端が基準電源にそれぞれ接続されている。そして、トランジスタＴｒ１のベースが抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点に接続され、トランジスタＴｒ１のエミッタが接地されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に低電圧で駆動できると共に、温度に対する電圧感度の優れた温度センサ回路と、それを用いた温度補償型圧電発振器に関する。

近年、圧電発振器は周波数安定度、小型軽量、低価格等により携帯電話等の通信機器から水晶時計のような民生機器まで、多くの分野で用いられている。中でも圧電振動子の周波数温度特性を補償した温度補償型圧電発振器（ＴＣＸＯ）は、周波数安定度を必要とする携帯電話等に広く用いられている。
特許文献１には、温度センサに基づいて所要の電圧を発生させる電圧発生回路を備えた温度補償水晶発振器が開示されている。その温度センサは、図９（ａ）に示すように、複数のダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３・・Ｄｎを直列接続した回路の一方の端部を接地し、他方の端部に抵抗Ｒ５１を介して電源Ｖｃｃに接続して構成した温度センサである。温度センサのダイオードＤ１のアノードと、抵抗Ｒ５１との接続点を出力ＯＵＴとし、そこから出力電圧を取り出す。温度変化に対するダイオードの接合電位差の変化を利用したもので、抵抗Ｒ５１の一方の端に直流電圧を加えた場合に、出力ＯＵＴより温度変化に対応する電圧変化を取り出すことができる。図９（ａ）のようにｎ個のダイオードを直列に接続することにより、温度に対する出力電圧の感度が、１個のダイオードの場合のｎ倍となり、同図（ｂ）に示すように温度にほぼ比例した電圧が得られる。

また、図９（ｃ）に示すように、サーミスタＴＨと抵抗Ｒ５３との直列接続回路の抵抗Ｒ５３の一方の端子を接地し、サーミスタＴＨの他方の端子を抵抗Ｒ５２を介して電源Ｖｃｃに接続した温度センサが開示されている。温度に対するサーミスタＴＨの抵抗値の変化を利用したものである。サーミスタＴＨと抵抗Ｒ５２との接続点を出力ＯＵＴとし、ここより出力電圧を得る。
特開平６−２７６０２０号公報

しかしながら、図９（ａ）に示すような感温素子にダイオードを用いた温度センサでは、ダイオードを多段に接続するため、電源電圧Ｖｃｃが高くなり、最近の低電圧化の要求には適さないという問題があった。また、図９（ｃ）に示すように感温素子にサーミスタＴＨを用いた温度センサでは、温度に対する出力電圧の直線性が良好ではないという問題があった。また、図９（ｄ）に示すように感温素子に１個のダイオードを用い、出力電圧を増幅器で増幅した温度センサでは、増幅器から発生するノイズが温度補償型圧電発振器の出力に影響を及ぼすという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、低電圧化に適し、ノイズの少ない温度センサ回路と、これを用いた温度補償型圧電発振器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の温度センサ回路は、トランジスタと、第１の抵抗と第２の抵抗との直列接続により構成され、一端が前記トランジスタのコレクタに、他端が電源にそれぞれ接続された直列回路と、を備え、前記トランジスタのベースが前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との接続点に接続され、前記トランジスタのエミッタが接地されていることを特徴とする。
このように構成すると、低電圧化に適した温度センサ回路が得られると共に、トランジスタをダイオードとして利用するのでノイズの少ない温度センサ回路を構成できるという利点がある。

また、本発明の温度センサ回路は、温度センサ回路を複数備え、これらを順次縦続的に接続したものであって、温度センサ回路の数をｎ（ｎは２以上の整数）としたとき、２≦ｉ≦ｎを満足する全ての整数ｉについて、第ｉ−１番目の温度センサ回路を構成するトランジスタのコレクタと、第ｉ番目の温度センサ回路を構成するトランジスタのエミッタとを接続し、ｉ−１番目の温度センサ回路を構成する直列回路の他端と、第ｉ番目の温度センサ回路を構成する直列回路の他端とを接続し、且つ第１番目の温度センサ回路を構成するトランジスタのエミッタのみを接地したことを特徴とする。
このように構成すると、温度センサ回路の出力電圧の温度感度が十分に高くなると共に、低電圧化したノイズも少ない温度センサ回路が得られるという効果がある。

また本発明の温度センサ回路は、電源が基準電圧を出力する基準電源であることを特徴とする。このように構成すると、精度の高い温度センサ回路を実現することが可能になる。
また本発明の温度センサ回路は、電源が温度上昇に伴って電圧レベルが上昇する可変電源であることを特徴とする。このように構成すると、低電圧化、低ノイズという効果に加え、出力電圧の温度に対する変化が大きくなり、温度感度が改善されるという利点がある。
また、本発明の温度センサ回路は、直列回路は、電源と接続される第２の抵抗の抵抗値が変更可能に構成されていることを特徴とする。
このように構成すると、低電圧化、低ノイズという効果に加え、温度センサ回路の出力電圧を後段の補償電圧発生回路に必要とする電圧に調整することができるという効果がある。

また、本発明の温度センサ回路は、直列回路が、電流源と抵抗との直列接続されたものであることを特徴とする。このように構成すると、低電圧化、低ノイズという効果に加え、電源電圧の変動に影響されない温度センサ回路を構成することができるという効果がある。
また、本発明の温度補償型圧電発振器は、本発明の温度センサ回路と、温度センサ回路の温度検出結果に基づいて温度補償電圧を発生する温度補償電圧発生回路と、を備えたことを特徴とする。
このように温度補償型圧電発振器を構成すると、高感度、低ノイズの温度センサを用いることにより、補償電圧回路のゲインを抑えることが可能となり、補償電圧の低ノイズ化、温度補償型圧電発振器の位相雑音の改善が図られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る温度センサの構成を示す回路図である。
この図に示す温度センサ回路１は、トランジスタＴｒ１と、第１の抵抗である抵抗Ｒ１と第２の抵抗である抵抗Ｒ２とを直列に接続した直列回路により構成される。直列回路を構成する抵抗Ｒ１の一端はトランジスタＴｒ１のコレクタに、直列回路を構成する抵抗Ｒ２の一端が基準電源にそれぞれ接続されている。そして、トランジスタＴｒ１のベースが抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点に接続され、トランジスタＴｒ１のエミッタが接地されている。
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した温度センサ回路１のトランジスタＴｒ１のベース−エミッタ間電圧Ｖ_BE1の温度特性を破線で示し、出力電圧Ｖｏｕｔを実線で示した図である。出力電圧Ｖｏｕｔは温度（Ｔｅｍｐ）の上昇に応じてほぼ直線的に減少する特性である。そして、本実施の形態の温度センサ回路１では抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点を、トランジスタＴｒ１のベースに接続することにより、トランジスタＴｒ１をダイオードとして用いている。

図２は、第２の実施の形態に係る温度センサ回路の構成を示す回路図である。
温度センサ回路２は、温度センサ部Ｃ１と温度センサ部Ｃ２により構成される。温度センサ部Ｃ１は、図１（ａ）に示した温度センサ回路１と同様に構成される。温度センサ部Ｃ２は、トランジスタＴｒ２と、２つの抵抗Ｒ３、Ｒ４との直列回路とにより構成され、トランジスタＴｒ２のコレクタに抵抗Ｒ３の一方の端子を接続し、他方の端子とベースとを接続し、抵抗Ｒ３の他方の端子に抵抗Ｒ４の一方の端子を接続し、他方の端子を基準電圧Ｖｒｅｆに接続する。そして、温度センサ回路Ｃ１の出力と、温度センサ回路Ｃ２のトランジスタＴｒ２のエミッタと、を接続し、トランジスタＴｒ２のコレクタから出力を取り出すように構成されている。

図３は、図２に示した温度センサ回路２におけるトランジスタＴｒ１のベース−エミッタ電圧Ｖ_BE1と、トランジスタＴｒ２のベース−エミッタ電圧Ｖ_BE2との温度特性を夫々破線で示し、温度センサ回路Ｃ１の出力電圧Ｖ１と、温度センサ回路２の出力電圧Ｖｏｕｔとを夫々実線にて示した図である。なお、トランジスタＴｒ１のコレクタ電流をＩｃとすると、出力電圧Ｖ１は、Ｖ１＝Ｖ_BE1−Ｒ１×Ｉｃとなる。この図３より温度センサ回路２の出力特性は、図１の出力特性に比べ温度センサ感度が２倍程度大きくなっている。
このように構成される第２の実施の形態に係る温度センサ回路２は、温度感度の改善と低電圧化を図ることができると共に、トランジスタのベース−エミッタ電圧を用いているので、出力電圧Ｖｏｕｔは低ノイズであるといった特徴がある。

ここで、トランジスタＴｒ２に流れるエミッタ電流は、トランジスタＴｒ１のコレクタに流れ、温度センサ部Ｃ２に流れる電流が多少変動しても、トランジスタＴｒ１のベース−エミッタ電圧Ｖ_BE1は殆ど変動しないので、温度センサ部Ｃ１の出力電圧Ｖ１は温度センサ部Ｃ２の変動の影響を殆ど受けない。よって、このセンサ回路は温度センサ部Ｃ１と温度センサ部Ｃ２とを独立に設計することができる。
また、温度センサ回路２のベース−エミッタ電圧と抵抗を流れる電流がそれぞれ温度特性を持つため、ダイオードの順方向電圧のみを利用した従来の温度センサ回路に比べて、より高い温度感度の出力電圧が得られる。また、抵抗Ｒ１の電圧降下により、出力電圧の動作点（常温時の出力電圧値）が高くならないように設定することができるので、次段回路の入力電圧を最適化し易いという利点もある。つまり、常温時の電圧を飽和点からより離れた最適なポイントに設定できるため、高温時或いは低温時においていずれの出力電圧も飽和させずに、使用温度範囲において最大の温度感度が得られるのである。
なお、ダイオードの順方向電圧のみを利用した従来の温度センサ回路においては、温度感度を高くするには常温時の出力電圧自体をある程度高く設定しなければならず、温度感度の向上と低電圧化とを同時に図ることはできない。また、本実施例は演算増幅器等を用いていないので回路構成が簡単になり、ＬＳＩ構成上、チップ面積を小さくできるという利点もある。

図４は、第３の実施の形態に係る温度センサ回路の構成を示す回路図である。
この図３に示す温度センサ回路３は、複数の温度センサ部Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３・・・を縦続接続して構成したものである。
この実施例では、温度センサ部Ｃ１の出力（コレクタ）と、２番目の温度センサ部Ｃ２のエミッタとを接続し、更に温度センサ部Ｃ２のコレクタと、３番目の温度センサ部Ｃ３のエミッタとを接続し、以下同様にｉ−１番目の温度センサ部Ｃｉ−１（図示せず）のトランジスタのコレクタと、ｉ番目の温度センサ部Ｃｉ（図示せず）のトランジスタのエミッタを順次接続したものであって、最終段（ｎ番目）の温度センサ部Ｃｎ（図示せず）のトランジスタＴｒｎ（図示せず）のコレクタから出力を取り出すようにしている。ここで、縦続接続する温度センサの数をｎ（ｎは２以上の整数）とし、ｉは２≦ｉ≦ｎを満足する全ての整数である。
このように構成される第３の実施の形態に係る温度センサ回路３は、上記した第２の実施の形態に係る温度センサ回路２の効果に加えて、出力電圧は段数分だけ感度が増加するので、低電圧化に適している。
なお、これまで説明した本実施の形態の温度センサ回路では、高精度の温度センサとして機能させるために電源電圧として基準電圧Ｖｒｅｆを印加するようにしていたが、基準電圧Ｖｒｅｆに変えて電源電圧Ｖｃｃ等の固定電圧を用いて温度センサ回路を構成してもよい。この場合は基準電圧発生回路を省略することができ、回路構成を簡素化できる。

図５は、本発明の第４の実施の形態に係る温度センサ回路の構成を示す回路図である。この図５に示す温度センサ回路４は、図２に示した温度センサ回路２と同様の回路構成とされるが、基準電圧Ｖｒｅｆに代えて、温度の増加に対して直線的に増加する電圧ＶＴを印加するように構成した点が異なる。図５（ｂ）は温度に対し直線的に増加する電圧を発生する回路を示す図であり、ダイオードＤａのカソード側を接地し、アノード側に抵抗Ｒ１２を接続し、基準電圧Ｖｒを印加する。ダイオードＤａのアノード側と演算増幅器ＯＰの反転端子（−）とを抵抗Ｒ１３を介して接続し、非反転端子（＋）に電圧Ｖ０を加え、演算増幅器ＯＰの出力と反転端子（−）とを抵抗Ｒ１１にて接続して回路を構成する。
図５（ｃ）は、同図（ｂ）の出力電圧ＶＴの温度特性を示す図で、温度の上昇に応じて電圧ＶＴも上昇する。
このように温度センサ回路に、温度に対し直線的に増加する電圧ＶＴを用いることにより、図２に示した温度センサ回路２よりも温度感度が高い温度センサ回路を構成することが可能となる。
なお、第４の実施の形態では温度センサ部の段数が２段の場合を例示したが、多段の回路構成を用いると温度感度が更に改善される。

図６は、第５の実施の形態に係る温度センサの構成を示す回路図である。図２に示した温度センサ回路２の回路構成と異なる点は、抵抗Ｒ２に変えてスイッチＳ２１と抵抗Ｒ２１との並列回路、スイッチＳ２２と抵抗Ｒ２２との並列回路、スイッチＳ２ｉ（ｉ＝１〜ｎ）と抵抗Ｒ２ｉ（ｉ＝１〜ｎ）との並列回路、を順次直列接続して抵抗値を変更可能に構成していると共に、抵抗Ｒ４に代えて、スイッチＳ４１と抵抗Ｒ４１との並列回路、スイッチＳ４２と抵抗Ｒ４２との並列回路、スイッチＳ４ｉ（ｉ＝１〜ｎ）と抵抗Ｒ４ｉ（ｉ＝１〜ｎ）との並列回路、を順次直列接続して抵抗値を変更可能に構成した点である。スイッチＳ２ｉ、Ｓ４ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、図示しない制御回路（メモリ回路）からの信号により適宜ＯＮ、ＯＦＦして抵抗値を可変し、温度センサ回路の感度を最適に調節することができる。抵抗値を小さくして電流を流せば温度感度を高めることが出来る。また、出力電圧と温度感度の調整機能としても利用できる。
なお、第５の実施の形態では回路の段数が２段の場合を例示したが、多段の回路構成を用いると温度感度が更に改善される。

図７は、第６の実施の形態に係る温度センサ回路の構成を示す回路図である。
図２に示した温度センサ回路２の回路構成と異なる点は、抵抗Ｒ２、Ｒ４と、基準電圧Ｖｒｅｆに代えて、夫々定電流源Ｉ１、Ｉ２と電源電圧Ｖｃｃとを用いて構成した点である。定電流源を用いることで電源電圧の変動に影響されない温度センサ回路を構成することができ、そのうえ、低電圧動作が可能となる。
なお、第６の実施の形態では回路の段数が２段の場合を例示したが、多段の回路構成を用いると温度感度が更に改善される。

図８は、本実施形態の温度補償型圧電発振器の構成を示した図である。
この図８に示す温度補償型圧電発振器は、本発明の温度センサ回路１０と、１次電圧発生回路１２、２次電圧発生回路１３、３次電圧発生回路１３・・・ｎ次電圧発生回路１５、電圧加算器１７、及び圧電発振回路２０等を備えて構成される。このように構成される本実施の形態の温度補償型圧電発振器では、温度センサ回路１０を用いることにより、低電圧駆動の温度補償型圧電発振器を構成することが可能となる。高感度、低ノイズの温度センサを用いることにより、補償電圧回路のゲインを抑えることが可能となるので、補償電圧の低ノイズ化ができる。つまり、温度補償型圧電発振器の出力の位相雑音の改善が図られることになる。例えば、約１．８Ｖの電源電圧を用いる場合、図２のような２段構成とすると、温度センサの２５℃における出力電圧（温度センサの中心電圧）が、補償電圧回路の入力電圧として適当であり、制御し易い電圧とすることができる。

（ａ）は本発明の第１実施の形態に係る温度センサの構成を示す回路図、（ｂ）は出力電圧特性を示す図。 本発明の第２実施の形態に係る温度センサの構成を示す回路図。 本発明の第２実施の形態に係る温度センサの出力電圧特性を示す図。 本発明の第３実施の形態に係る温度センサの構成を示す回路図。 （ａ）は本発明の第４実施の形態に係る温度センサの構成を示す回路図、（ｂ）は印加電圧ＶＴを出力する回路構成図、（ｃ）は印加電圧ＶＴの温度特性を示す図。 本発明の第５実施の形態に係る温度センサの構成を示す回路図。 本発明の第６実施の形態に係る温度センサの構成を示す回路図。 温度補償型圧電発振器の構成を示す機能ブロック図。 （ａ）は従来の温度センサ、（ｂ）は（ａ）の出力電圧特性、（ｃ）、（ｄ）は従来の温度センサの構成を示した図。

符号の説明

１、２、３、４、５、６ 温度センサ回路、Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３ トランジスタ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ４１、Ｒ４２ 抵抗、Ｖｒｅｆ 基準電圧、Ｖｏｕｔ 出力電圧、Ｖ_BE1、Ｖ_BE2 ベース−エミッタ間電圧、ＯＰ 演算増幅器、Ｄａ ダイオード、Ｖ１、ＶＴ 電圧、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ４１、Ｓ４２ スイッチ

Claims (7)

1. トランジスタと、
   第１の抵抗と第２の抵抗との直列接続により構成され、一端が前記トランジスタのコレクタに、他端が電源にそれぞれ接続された直列回路と、を備え、
   前記トランジスタのベースが前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との接続点に接続され、前記トランジスタのエミッタが接地されていることを特徴とする温度センサ回路。
2. 前記温度センサ回路を複数備え、これらを順次縦続的に接続したものであって、
   前記温度センサ回路の数をｎ（ｎは２以上の整数）としたとき、２≦ｉ≦ｎを満足する全ての整数ｉについて、第ｉ−１番目の温度センサ回路を構成するトランジスタのコレクタと、第ｉ番目の温度センサ回路を構成するトランジスタのエミッタとを接続し、前記ｉ−１番目の温度センサ回路を構成する直列回路の他端と、前記第ｉ番目の温度センサ回路を構成する直列回路の他端とを接続し、且つ第１番目の温度センサ回路を構成するトランジスタのエミッタのみを接地したことを特徴とする請求項１記載の温度センサ回路。
3. 前記電源が基準電圧を出力する基準電源であることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度センサ回路。
4. 前記電源が温度上昇に伴って電圧レベルが上昇する可変電源であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の温度センサ回路。
5. 前記直列回路は、前記電源と接続される前記第２の抵抗の抵抗値が変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の温度センサ回路。
6. 前記直列回路は、電流源と抵抗とを直列接続したものであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の温度センサ回路。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の温度センサ回路と、
   該温度センサ回路の温度検出結果に基づいて温度補償電圧を発生する温度補償電圧発生回路と、を備えたことを特徴とする温度補償型圧電発振器。

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