JP2010166438A - Piezoelectric oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水晶振動子の発振周波数の温度補償を行う圧電発振器に関し、特に温度補償機能とAFC(Auto Frequeny Control)機能を備えた圧電発振器に関する。 The present invention relates to a piezoelectric oscillator that performs temperature compensation of the oscillation frequency of a crystal resonator, and more particularly, to a piezoelectric oscillator having a temperature compensation function and an AFC (Auto Frequency Control) function.
図4は従来の温度補償型水晶発振器の回路構成を示す説明図である。図示のように温度補償型水晶発振器1は、インバーター素子を用いた発振回路2と、電圧可変容量素子に印加する温度補償電圧を発生する温度補償回路3と、可変容量素子を用いたAFC回路4と、を付加している。温度補償回路3は、1次電圧発生回路と3次電圧発生回路とで構成されており、水晶振動子自身が持つ本来の周波数温度特性を打ち消すために、発振回路2内の可変容量素子に温度補償電圧を印加して、例えば水晶振動子の3次曲線の温度特性を打ち消すように周波数を可変させて発振周波数を安定化させている。IC化された発振器では、AFC回路4をオペアンプで構成している。すなわちオペアンプの抵抗値を制御することで外部制御電圧のゲインを任意に変更し、ICの電気的特性にばらつきを補正すると共に、ユーザーの任意の仕様に合わせたAFC特性が得られるように調整することができる。このAFC回路4は、ユーザーが使用する機能であり、外部制御電圧に対して所望の周波数可変が求められる。AFC機能は、ユーザーごとに、外部制御電圧範囲や、必要とする周波数可変幅が異なっている。
このような温度補償回路とAFC回路を備えた水晶発振器が特許文献1、2に開示されている。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a circuit configuration of a conventional temperature compensated crystal oscillator. As shown in the figure, a temperature compensated crystal oscillator 1 includes an oscillation circuit 2 using an inverter element, a temperature compensation circuit 3 that generates a temperature compensation voltage to be applied to the voltage variable capacitance element, and an AFC circuit 4 using a variable capacitance element. And are added. The temperature compensation circuit 3 includes a primary voltage generation circuit and a tertiary voltage generation circuit. In order to cancel the original frequency temperature characteristic of the crystal resonator itself, a temperature is applied to the variable capacitance element in the oscillation circuit 2. By applying a compensation voltage, for example, the frequency is varied so as to cancel the temperature characteristic of the cubic curve of the crystal resonator, thereby stabilizing the oscillation frequency. In the oscillator formed as an IC, the AFC circuit 4 is composed of an operational amplifier. In other words, the gain of the external control voltage is arbitrarily changed by controlling the resistance value of the operational amplifier, the variation in the electrical characteristics of the IC is corrected, and the adjustment is performed so as to obtain the AFC characteristics according to the user's arbitrary specifications. be able to. The AFC circuit 4 is a function used by the user, and a desired frequency variation is required for the external control voltage. The AFC function has different external control voltage ranges and required frequency variable widths for each user.
Patent Documents 1 and 2 disclose a crystal oscillator including such a temperature compensation circuit and an AFC circuit.
図5は、従来の温度補償型水晶発振器のAFC特性を示す説明図である。同図の横軸は外部制御電圧(V)を示し、縦軸は発振周波数の偏差(ppm)を示している。従来の温度補償型水晶発振器に温度補償回路とAFC回路が共存する温度補償型水晶発振器の場合、常温においてAFC回路を最適設計しても、図示のように、その温度特性を確認すると温度によってAFC特性の傾きが変化してしまう。これは温度補償電圧により温度補償用の可変容量素子が容量変化するので、この可変容量の変化の影響を受けて、予め設定された可変容量素子の感度に影響を及ぼしてしまうためである。そうするとAFC回路により変化する発振周波数の変化量が変わってしまう。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing the AFC characteristics of a conventional temperature compensated crystal oscillator. In the figure, the horizontal axis indicates the external control voltage (V), and the vertical axis indicates the oscillation frequency deviation (ppm). In the case of a temperature compensated crystal oscillator in which a temperature compensated crystal oscillator and an AFC circuit coexist in a conventional temperature compensated crystal oscillator, even if the AFC circuit is optimally designed at room temperature, as shown in FIG. The slope of the characteristic changes. This is because the temperature compensation variable capacitance element undergoes capacitance change due to the temperature compensation voltage, and therefore the sensitivity of the preset variable capacitance element is affected by the change in the variable capacitance. Then, the amount of change of the oscillation frequency that is changed by the AFC circuit changes.
そこで本発明は、従来技術の問題点を解決するため、温度補償機能とAFC機能を備えた回路構成において、AFC機能が温度補償の影響を受けにくくする事を実現した圧電発振器を提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the problems of the prior art, the present invention provides a piezoelectric oscillator that realizes that the AFC function is less affected by the temperature compensation in the circuit configuration having the temperature compensation function and the AFC function. It is aimed.
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
〔適用例1〕圧電振動子と、発振用増幅回路と、電圧制御型の第1及び第2の可変容量素子と、を備えた発振回路と、前記第1の可変容量素子の値を増減制御して前記発振回路の周波数温度特性を補償するための温度補償電圧を出力する温度補償電圧発生回路と、前記温度補償電圧に応じて前記第2の可変容量素子の値を変化させる出力電流を供給する電圧調整手段と、前記第2の可変容量素子の値を制御するための周波数制御電圧を外部制御電圧に応じて出力する第2のオペアンプを有する増幅回路と、を備え、前記電圧調整手段は、前記外部制御電圧に基づく電圧と固定電圧の差分に基づき発生した前記出力電流を前記第2のオペアンプに供給するものであって、前記温度補償電圧に応じて基準電流を制御した差動増幅回路を備えたことを特徴とする圧電発振器。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[Application Example 1] An oscillation circuit including a piezoelectric vibrator, an oscillation amplifier circuit, and voltage-controlled first and second variable capacitance elements, and increase / decrease control of the value of the first variable capacitance element A temperature compensation voltage generating circuit for outputting a temperature compensation voltage for compensating the frequency temperature characteristic of the oscillation circuit, and an output current for changing the value of the second variable capacitance element in accordance with the temperature compensation voltage. And an amplifier circuit having a second operational amplifier that outputs a frequency control voltage for controlling the value of the second variable capacitance element according to an external control voltage. A differential amplifier circuit for supplying the output current generated based on a difference between a voltage based on the external control voltage and a fixed voltage to the second operational amplifier, and controlling a reference current in accordance with the temperature compensation voltage Having Piezoelectric oscillator, characterized.
これにより温度補償電圧による発振回路の負荷容量が変化し、AFC回路用の可変容量値の可変感度が変化しても温度補償電圧に応じた出力電流を用いて周波数制御電圧を微調整することができる。よって温度変化に係らずゲイン変動の小さなAFC特性が得られる。またAFC電圧または温度補償電圧を出力する可変容量素子を独立に設けて、個々に電圧設定することができる。 As a result, the load capacitance of the oscillation circuit due to the temperature compensation voltage changes, and even if the variable sensitivity of the variable capacitance value for the AFC circuit changes, the frequency control voltage can be finely adjusted using the output current according to the temperature compensation voltage. it can. Therefore, an AFC characteristic with small gain fluctuation can be obtained regardless of temperature change. Moreover, the variable capacitance element which outputs an AFC voltage or a temperature compensation voltage can be provided independently, and the voltage can be set individually.
〔適用例2〕前記増幅回路が前記外部制御電圧を入力抵抗を介して入力信号とした第1のオペアンプと、前記第1の出力信号を入力信号とする前記第2のオペアンプと、前記第1のオペアンプの帰還抵抗と、を備え、前記外部制御電圧が供給される前記差動増幅回路の第1のトランジスターのベースを前記第1のオペアンプの帰還抵抗の間に接続したことを特徴とする適用例1に記載の圧電発振器。
これにより直列抵抗からなる分圧回路を別途設ける必要がなく、発振器の全体構成を簡略化させることができる。
Application Example 2 The first operational amplifier in which the amplifier circuit uses the external control voltage as an input signal via an input resistor, the second operational amplifier that uses the first output signal as an input signal, and the first And a feedback resistor of the first operational amplifier, wherein the base of the first transistor of the differential amplifier circuit to which the external control voltage is supplied is connected between the feedback resistors of the first operational amplifier. The piezoelectric oscillator described in Example 1.
As a result, it is not necessary to separately provide a voltage dividing circuit composed of a series resistor, and the overall configuration of the oscillator can be simplified.
〔適用例3〕前記差動増幅回路の前記外部制御電圧と前記固定電圧が供給される前記第1及び第2のトランジスターのエミッタに抵抗を備えたことを特徴とする適用例1または適用例2に記載の圧電発振器。
これにより差動増幅回路に入力する外部制御電圧の入力幅を広くとることができ、ゲイン調整を容易に行うことができる。
Application Example 3 Application Example 1 or Application Example 2 in which a resistor is provided in the emitters of the first and second transistors to which the external control voltage and the fixed voltage of the differential amplifier circuit are supplied. A piezoelectric oscillator according to 1.
As a result, the input width of the external control voltage input to the differential amplifier circuit can be widened, and gain adjustment can be easily performed.
本発明の圧電発振器の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図1は本発明の圧電発振器の構成概略を示す図である。図示のように本発明の圧電発振器10は、発振回路20と、温度補償電圧発生回路30と、増幅回路40と、電圧調整手段50とを主な構成要件としている。
Embodiments of a piezoelectric oscillator according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a piezoelectric oscillator according to the present invention. As shown in the figure, the
発振回路20は、発振用増幅回路を形成する帰還抵抗22とインバーター素子24と、圧電振動子26と電圧制御型の複数の可変容量素子28とから構成されている。可変容量素子28は、一例としてMOS型の電圧可変容量素子を適用することができ、この場合、MOS型の電圧可変容量素子のゲート端子の電位とバックゲート端子の電位とを制御して容量値を制御するものとなる。第2の可変容量素子28bのゲート端子は、コンデンサーC1を介してインバーター素子24の入力端側に接続し、第1の可変容量素子28aのゲート端子は、コンデンサーC2を介してインバーター素子24の出力端側に接続され、第1及び第2の可変容量素子28a,28bのバックゲート端子は接地されている。そして第2の可変容量素子28bのゲート端子とコンデンサーC1の間の接続点に抵抗R1を介して、後述する増幅回路50からのAFC電圧(周波数制御電圧)が供給される。一方、第1の可変容量素子28aのゲート端子とコンデンサーC2の間の接続点に抵抗R2を介して、後述する温度補償電圧発生回路30からの温度補償電圧(Vcomp)が供給される。
The
温度補償電圧発生回路30は、1次電圧発生回路32と3次電圧発生回路34と温度センサー36から構成されている。1次電圧発生回路32及び3次電圧発生回路34には、温度センサー36の出力信号を入力している。1次電圧発生回路32及び3次電圧発生回路34の出力信号を加算器により合成した温度補償電圧を第1の可変容量素子28aへ印加して、水晶振動子の温度特性を打ち消すように第1の可変容量素子28aの値(容量値)を制御して発振周波数を制御するようにしている。
The temperature compensation
増幅回路40は、第1及び第2のオペアンプ42,44で構成されている。第1のオペアンプ42は、抵抗Ra,Rbと反転増幅回路を構成している。第1のオペアンプ42の非反転入力端子には固定電圧(VREF1)が供給される。第2のオペアンプ44は、抵抗Rc,Rdと反転増幅回路を構成している。第2のオペアンプ54の非反転入力端子には固定電圧(VREF2)が供給される。このような構成の前記増幅回路40は、AFC機能の役割を成し、調整されたAFC電圧を第2の可変容量素子28bへ出力させている。
The
電圧調整手段50は、差動増幅回路52と、分圧回路54と、電圧電流変換回路56とから構成されている。
差動増幅回路52は、第1及び第2のPNPトランジスターTr1a,Tr1bと、第1及び第2のNPNトランジスターTr2a,Tr2bとから構成されている。
The voltage adjusting means 50 includes a
The
第1及び第2のPNPトランジスターTr1a,Tr1bは、エミッタが電源入力(VDD)端子60と接続し、ベースを互いに接続し、第1のPNPトランジスターTr1aのコレクタとベースを接続し、カレントミラー回路を構成している。
The first and second PNP transistors Tr1a and Tr1b have emitters connected to the power supply input (VDD)
第1及び第2のNPNトランジスターTr2a,Tr2bは、コレクタを第1及び第2のPNPトランジスターTr1a,Tr1bのコレクタと接続している。第1のNPNトランジスターTr2aのベースは、後述する分圧回路54を介して外部制御電圧端子70に接続させている。第2のNPNトランジスターTr2bのベースは、固定電圧VREF3が供給される。また第1及び第2のNPNトランジスターTr2a,Tr2bのエミッタには、それぞれ抵抗R3,R4を介して後述する電圧電流変換回路56のカレントミラーを構成する第4のNPNトランジスターTr3bのコレクタに接続している。
The first and second NPN transistors Tr2a and Tr2b have collectors connected to the collectors of the first and second PNP transistors Tr1a and Tr1b. The base of the first NPN transistor Tr2a is connected to the external
差動増幅回路52の外部制御電圧と固定電圧が供給される第1及び第2のNPNトランジスターTr2a,Tr2bのエミッタに抵抗R3,R4を備えたことにより、差動増幅回路52に入力する外部制御電圧の入力幅を広くとることができ、ゲイン調整を容易に行うことができる。
Since the resistors R3 and R4 are provided at the emitters of the first and second NPN transistors Tr2a and Tr2b to which the external control voltage and the fixed voltage of the
また第2のPNPトランジスターTr1bのコレクタと第2のNPNトランジスターTr2bのコレクタの間と、第2のオペアンプの抵抗Rc,Rd間とを接続し、出力電流(Iout)を第2のオペアンプ44へ供給している。
Further, the collector of the second PNP transistor Tr1b and the collector of the second NPN transistor Tr2b are connected between the resistors Rc and Rd of the second operational amplifier, and the output current (Iout) is supplied to the second
分圧回路54は、一端を外部制御電圧入力端子70と増幅回路40との間に接続させてあり、他端を差動増幅回路52の第1のNPNトランジスターTr2aのベースに接続させている。分圧回路54は、複数の抵抗を直列接続して形成し、外部制御電圧を所定電圧に調整している。
One end of the
電圧電流変換回路56は、供給された電圧に応じた電流を発生させる回路である。本実施形態では、具体的に温度補償電圧発生回路30から出力された温度補償電圧が変換回路の入力側に入力されて、温度補償電圧に応じた電流に変換している。電圧電流変換回路56は、カレントミラー接続された第3及び第4のNPNトランジスターTr3a,Tr3bを有するカレントミラー回路を介して差動増幅回路52の第1及び第2のNPNトランジスターTr2a,Tr2bのエミッタと接続している。
このような構成により差動増幅回路52は、電圧電流変換回路56から温度補償電圧に応じた電流を基準電流としている。
The voltage-
With such a configuration, the
上記構成による本発明の圧電発振回路の動作について以下説明する。図2はAFC電圧(VAFC)と外部制御電圧(VCONT)の関係を示すグラフである。同グラフの横軸は外部制御電圧(VCONT)を示し、縦軸はAFC電圧(VAFC)を示す。破線は補正前のAFC特性を示し、実線は補正後のAFC特性を示している。 The operation of the piezoelectric oscillation circuit of the present invention having the above configuration will be described below. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the AFC voltage (VAFC) and the external control voltage (VCONT). The horizontal axis of the graph shows the external control voltage (VCONT), and the vertical axis shows the AFC voltage (VAFC). A broken line indicates the AFC characteristic before correction, and a solid line indicates the AFC characteristic after correction.
まず差動増幅回路52の第1のPNPトランジスターTr1a,1bからなるカレントミラー回路では、それぞれのトランジスターに同じ電流が流れる。
また外部制御電圧入力端子70から入力された外部制御電圧が分圧回路54に供給される。分圧回路54では外部制御電圧を所定の電圧に調整している。所定電圧に調整された外部制御電圧が第1のNPNトランジスターTr2aのベースに供給される。一方、第2のNPNトランジスターTr2bのベースには固定電圧VREF3が供給される。
First, in the current mirror circuit including the first PNP transistors Tr1a and 1b of the
An external control voltage input from the external control
また温度補償電圧発生回路30からの温度補償電圧が電圧調整手段50の電圧電流変換回路56に供給される。電圧電流変換回路56では、供給された温度補償電圧に応じた電流を発生し、カレントミラー回路を構成する第4のNPNトランジスターTr3bのベースに供給される。第4のNPNトランジスターTr3bのベースには、基準電流として温度補償電圧に応じた電流が供給される。
Further, the temperature compensation voltage from the temperature compensation
外部制御電圧を分圧した電圧Vinと、固定電圧VREF3が等しい場合には、外部制御電圧が基準値である基準状態のときであり、第1及び第2のNPNトランジスターTr2a,Tr2bのベース電圧が等しくなる。そうすると出力電流Ioutが全く流れない状態となる。この場合、外部制御電圧のみの信号が増幅回路40により増幅されてAFC電圧となり、第2の可変容量素子28bへ供給される。
When the voltage Vin obtained by dividing the external control voltage is equal to the fixed voltage VREF3, this is a reference state in which the external control voltage is a reference value, and the base voltages of the first and second NPN transistors Tr2a and Tr2b are Will be equal. As a result, the output current Iout does not flow at all. In this case, the signal of only the external control voltage is amplified by the
次に、外部制御電圧を分圧した電圧Vinが、固定電圧VREF3よりも低い場合には(Vin<VREF3)、第1のNPNトランジスターTr2aの電圧が、第2のトランジスターTr2bの電圧よりも小さい状態となる。結果的に第1のNPNトランジスターTr2aのコレクタ電流が、第2のトランジスターTr2bのコレクタ電流よりも小さい状態となる。そうすると増幅回路の第2のオペアンプ44側からの差分の電流が差動増幅回路52内へ流れ込むことになる。よって図2のAに示すように足りない電流分を補おうとして第2のオペアンプ44では、ゲインが上がることになる。
Next, when the voltage Vin obtained by dividing the external control voltage is lower than the fixed voltage VREF3 (Vin <VREF3), the voltage of the first NPN transistor Tr2a is smaller than the voltage of the second transistor Tr2b. It becomes. As a result, the collector current of the first NPN transistor Tr2a is smaller than the collector current of the second transistor Tr2b. As a result, a difference current from the second
一方、外部制御電圧を分圧した電圧Vinが、固定電圧VREF3よりも高い場合には(Vin>VREF3)、第1のNPNトランジスターTr2aのコレクタ電流が、第2のトランジスターTr2bのコレクタ電流よりも大きい状態となる。そうすると差動増幅回路52により第2のオペアンプ44へ出力電流として送り込むことになる。よって図2のBに示すように第2のオペアンプ44では、ゲインが下がることになる。また温度補償電圧に応じて変化する基準電流が大きくなった場合、AFC電圧はC、Dのように傾きが変わるのでAFC特性の傾きを調整することができる。
On the other hand, when the voltage Vin obtained by dividing the external control voltage is higher than the fixed voltage VREF3 (Vin> VREF3), the collector current of the first NPN transistor Tr2a is larger than the collector current of the second transistor Tr2b. It becomes a state. Then, the
図3は圧電発振器の変形例の構成概略を示す図である。図3は説明の便宜上、増幅回路20と電圧調整手段50のみを示している。変形例の圧電発振器10Aと図1に示す圧電発振器10との構成上の相違は、分圧回路を削除して、第1のオペアンプ42の複数の帰還抵抗の間と差動増幅回路52の第1のNPNトランジスターTr2aのベースを接続した構成である。その他の構成は図1に示す圧電発振器と同一の構成であり、その詳細な説明を省略する。
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a modification of the piezoelectric oscillator. FIG. 3 shows only the
前述のように分圧回路は複数の抵抗を直列接続して形成することができ、本実施形態では、増幅回路20の第1のオペアンプ42の直列抵抗Ra、Rb、Rb’のうち抵抗Rb、Rb’の間と、第1のNPNトランジスターTr2aのベースを接続している。
As described above, the voltage dividing circuit can be formed by connecting a plurality of resistors in series. In this embodiment, among the series resistors Ra, Rb, and Rb ′ of the first
上記構成による変形例の圧電発振器10Aによれば、図1に示す分圧回路を第1のオペアンプの直列抵抗と代替することによって、分圧回路の構成を削除することができ、発振器の全体構成を簡略化させることができる。増幅回路40の帰還抵抗から外部制御電圧を差動増幅回路52へ入力させる構成であっても、図1の圧電発振器10と同様にAFC電圧を調整することができる。
According to the
1………温度補償水晶型発振器、2………発振回路、3………温度補償回路、4………AFC回路、10、10A………圧電発振器、20………発振回路、22………帰還抵抗、24………インバーター素子、26………圧電振動子、28………可変容量素子、30………温度補償電圧発生回路、32………1次電圧発生回路、34………3次電圧発生回路、36………温度センサー、40………増幅回路、42………第1のオペアンプ、44………第2のオペアンプ、50………電圧調整手段、52………差動増幅回路、54………分圧回路、56………電圧電流変換回路、60………電源入力端子、70………外部制御電圧入力端子。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ......... Temperature compensation crystal oscillator, 2 ......... Oscillation circuit, 3 ......... Temperature compensation circuit, 4 ......... AFC circuit, 10, 10A ......... Piezoelectric oscillator, 20 ...... Oscillation circuit, 22 ... ...... Feedback resistor, 24... Inverter element, 26... Piezoelectric vibrator, 28... Variable capacitance element, 30... Temperature compensation voltage generation circuit, 32. ...... Third-order
Claims (3)
前記第1の可変容量素子の値を増減制御して前記発振回路の周波数温度特性を補償するための温度補償電圧を出力する温度補償電圧発生回路と、
前記温度補償電圧に応じて前記第2の可変容量素子の値を変化させる出力電流を供給する電圧調整手段と、
前記第2の可変容量素子の値を制御するための周波数制御電圧を外部制御電圧に応じて出力する第2のオペアンプを有する増幅回路と、を備え、
前記電圧調整手段は、前記外部制御電圧に基づく電圧と固定電圧の差分に基づき発生した前記出力電流を前記第2のオペアンプに供給するものであって、前記温度補償電圧に応じて基準電流を制御した差動増幅回路を備えたことを特徴とする圧電発振器。 An oscillation circuit including a piezoelectric vibrator, an oscillation amplifier circuit, and voltage-controlled first and second variable capacitance elements;
A temperature compensation voltage generation circuit that outputs a temperature compensation voltage for compensating the frequency temperature characteristic of the oscillation circuit by increasing or decreasing the value of the first variable capacitance element;
Voltage adjusting means for supplying an output current for changing the value of the second variable capacitance element according to the temperature compensation voltage;
An amplification circuit having a second operational amplifier that outputs a frequency control voltage for controlling the value of the second variable capacitance element according to an external control voltage;
The voltage adjusting means supplies the output current generated based on a difference between a voltage based on the external control voltage and a fixed voltage to the second operational amplifier, and controls a reference current according to the temperature compensation voltage. A piezoelectric oscillator comprising the differential amplifier circuit.
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