JP2011109227A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度変動による周波数ずれを補正容易とし、選択された発振周波数で高安定な発振状態及び位相雑音を低減した水晶発振器を提供する。
【解決手段】 システム機器処理部に基準信号を提供する水晶発振器であって、３次以上のオーバトーン水晶振動子11と、水晶振動子１１に接続し、発振周波数をシステム機器処理部２に出力する発振回路１２と、発振回路１２からの発振周波数を可変に分周するための分周比の情報を記憶するメモリ１７と、発振回路１２とシステム機器処理部２との間に設けられ、発振回路からの発振周波数をメモリ１７からの分周比の情報に従って分周する可変分周器とを有する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば水晶振動子の周波数温度特性に起因した周波数温度特性を補正する温度情報を有するＧＰＳ対応型を含むシステム機器用の水晶発振器に係り、特に、発振周波数を高安定として位相雑音を小さくした水晶発振器に関する。

［従来の技術：図４］
水晶発振器は、例えば、図４に示したように、少なくとも発振回路を集積化したＩＣチップ２０と励振電極及び引出電極の形成された水晶片１１Ａとを例えばセラミック容器２１からなる１パッケージ内に収容して一体化されたディスクリー部品とする。
例えば、セラミック容器２１の内底面にＩＣチップ２０の回路形成面を、引出電極の延出した水晶片１１Ａの一端部両側を内壁段部に固着し、開口端面を金属カバー２２によって封止する。図中の符号２３は導電性接着剤、同２４は実装端子である。

このようなものの一つに、ＩＣチップ２０に発振回路のみならず、温度補償機構を集積化した温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）がある。
これは、特に水晶片１１Ａの密閉封入された水晶振動子１１の周波数温度特性に起因する周波数変化を補正して、周囲温度に拘らず、安定な発振周波数を供給するものとして知られる。その一つに、温度制補償機構からの温度補償電圧を電圧可変容量素子（バリキャップダイオード）に印加して周波数温度特性を相殺（補償）する所謂間接型がある。

通常では、周波数温度特性による周波数変化とは別個となる例えばエージング特性（経時変化特性）による公称周波数（ユーザが求める発振周波数、例えば常温２５℃での水晶発振器周波数）からの周波数変化は、基地局等からの基準周波数に基づいたＡＦＣ(自動周波数制御)回路)よって補正される。ＡＦＣ回路は温度補償水晶発振器の搭載されるシステム機器（例えば、携帯電話機等）のベースバンド部等のデジタル信号処理部に設けられる。

そして、ベースバンド部等のデジタル信号処理部で検出された周波数ずれを信号処理部にフィードバックし、信号処理部でデジタル的に補正する。あるいは、温度補償水晶発振器の実装端子（外部端子）に設けたＡＦＣ端子に自動周波数制御電圧が印加され、例えば温度補償電圧の印加される電圧可変容量素子に重畳する「所謂ＶＣＴＣＸＯ（Voltage controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator）」。これらにより、温度補償水晶発振器の発振周波数を温度のみならずエージング特性による周波数変化をも補正して安定な発振周波数を供給する。

近年では、水晶発振器内でのＩＣチップ２０内の温度補償機構による直接的な温度補償に代えて、水晶発振器内には例えば水晶振動子の周波数温度特性や温度センサによる水晶振動子の動作温度等の温度補償に関する温度情報のみを備えたものがある。
そして、これらの温度情報を水晶発振器が搭載されたシステム機器側が読み出し、水晶発振器の外部で温度補償することか提案されている。これにより、ＩＣチップ２０内の負荷を軽減するとともに、外部にて高精度の温度補償を可能にする。尚、エージング特性等による周波数変化は外部の信号処理部内のＡＦＣ回路にて処理される。

［先行技術］
尚、温度情報のみを有する水晶発振器に関連する先行技術として、特開平０９−３２１５３９号公報（特許文献１）、特開平１１−０６５６９４号公報（特許文献２）、特開２００３−３２４３１８号公報（特許文献３）、特開平０４−３６１４１７（特許文献４）、特許第３０００６７３号公報（特許文献５）がある。

特許文献１には、ＡＦＣ（Auto Frequency Control）回路が発振回路から出力される周波数について、周波数誤差分より周波数ズレを演算してＣＰＵに出力し、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が周波数ズレに対応する補正値をＡ／Ｄコンバータに加え、発振回路に出力した値を温度センサから出力される値に対応する値としてメモリに格納するデジタル制御型発振回路が示されている。

特許文献２には、水晶発振回路の温度特性を予め測定しておき、各温度域における発振周波数の標準値からのすれ値を周波数変動テーブルとしてメモリに記憶保持しておき、測定された周囲温度から周波数変動テーブルを検索し、水晶発振回路からの出力周波数のずれ量を読み出し、標準値からのずれを計算し、時刻情報に加算又は減算して標準値からの時刻の進遅を補正するソフトウェア時計の補正方式が示されている。

特許文献３には、温度センサが圧電振動子の近傍の温度を測定し、制御回路がメモリから圧電水晶発振器の温度特性に基づく近似曲線係数とオフセットデータを出力する圧電水晶発振器であり、圧電水晶発振器に接続するＣＰＵが周波数偏差を計算する近似式に測定温度、近似曲線係数等を代入して周波数偏差を演算し、周波数偏差の分だけ信号を探索する周波数範囲をオフセットする受信装置が示されている。

特許文献４には、可変周波数水晶発振器において、水晶振動子、分周器から出力される周波数をマルチプレクサで選択することが記載されている。
特許文献５には、自動周波数制御装置において、不正確な基準発振器周波数を一定の正確な周波数に分周するため、第２の多重アキュムレータ分数Ｎ分周システムを利用して、正確なクロックは無線装置の論理部と、無線装置の任意のオフセット・シンセサイザの基準入力とに与えられ、第２分数Ｎ分周システムは、第１分数Ｎ分周システムの自動周波数制御プログラミングに基づいてプログラムされることが記載されている。

特開平０９−３２１５３９号公報 特開平１１−０６５６９４号公報 特開２００３−３２４３１８号公報 特開平０４−３６１４１７号公報 特許第３０００６７３号公報

しかしながら、特許文献１〜４で示される温度情報のみを有したいずれの水晶発振器でも、デジタル処理において最も重要視される要素の一つである例えば変調及び復調性を悪化させる位相雑音については全く言及されていない問題があった。すなわち、後述の着目点で説明する高Ｑとするオーバトーン振動及び発振周波数の分周による位相雑音の向上については全く言及されていない問題があった。
また、特許文献５は、水晶発振器の外部で分周するもので、水晶発振器自体で、オーバトーン振動及び発振周波数の分周を行うものではない。

［水晶振動子の周波数温度特性：図５］
その一方、従来例の温度補償水晶発振器（間接型）では、前述したように電圧可変容量素子に温度補償電圧を印加して、水晶振動子（誘導性）から見た発振回路側の直列等価容量（負荷容量）を変化させ、周波数温度特性による周波数変化を相殺して温度補償する。水晶振動子の周波数温度特性は例えばＡＴカットとすると、図５に示すように、常温２５℃に変曲点を有して例えば低温側に極大値を、高温側に極大値を有する３次曲線となる。

［水晶振動子の基本波振動とオーバトーン振動：図６］
この場合、例えば図６（ａ）（ｂ）に示したように、電圧可変容量素子は温度制御電圧Ｖcに対して容量Ｃが「同図（ａ）」、水晶発振器は容量Ｃに対して発振周波数ｆoが「同図（ｂ）」、概ね、反比例して減少する。一般には、制御電圧Ｖcに対して周波数偏差Δｆ／ｆが直線的に変化する領域を使用する「図６（ｃ）」。
尚、図６中のΔｆ／ｆoは周波数偏差であり、ｆoは例えば発振時における水晶振動子の振動周波数（発振周波数）、Δｆは振動周波数ｆoからの変化分である。

そして、水晶振動子の基本波振動「図６（ｂ）（ｃ）の曲線イ」では制御電圧Ｖcに対する傾斜が急で感度が高いとともに可変量（可変幅）も大きく、オーバトーン振動「同図の曲線ロ」では傾斜が緩やかで感度が低く可変量も少なくなる。
このことから、温度補償水晶発振器では、水晶振動子のオーバトーン振動を採用すると、制御電圧Ｖcによる周波数変化が少なくて周波数温度特性による周波数変化を相殺（補償）できず、制御電圧Ｖcによる周波数変化が大きい基本波振動を採用せざるを得ない問題がった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、特に選択された出力周波数でのＱを高めて位相雑音を向上し、さらには温度情報を備えた水晶発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、システム機器処理部に基準信号を提供する水晶発振器であって、３次以上のオーバトーン水晶振動子と、水晶振動子に接続し、発振周波数をシステム機器処理部に出力する発振回路と、発振回路からの発振周波数を可変に分周するための分周比の情報を記憶するメモリと、発振回路とシステム機器処理部との間に設けられ、発振回路からの発振周波数を前記メモリからの分周比の情報に従って分周する可変分周器とを有することを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、可変分周器が、発振回路からの発振周波数を多段に分周する多段分周器と、多段分周器の各分周出力をメモリに記憶した分周比の情報に基づいて選択してシステム機器処理部に出力するマルチプレクサとを有することを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、水晶振動子の周囲の温度を検出する温度センサを有し、メモリが、水晶振動子の温度特性に基づいて発振周波数の周波数ずれを補正するための情報を記憶し、システム機器処理部に周波数ずれを補正するための情報を提供することを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、マルチプレクサとシステム機器処理部との間に、マルチプレクサからの選択された分周出力の発振周波数を入力し、システム機器処理部に発振周波数を出力すると共に、出力側の負荷の影響を抑えるバッファを設けたことを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、発振回路と多段分周器との間に、多段分周器における負荷の影響を抑えるバッファを設けたことを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、メモリが、周波数ずれを補正するための情報として、温度の値に対応する周波数ずれ量をテーブルとして記憶し、当該テーブル内容をシステム機器処理部に出力することを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、メモリが、周波数ずれを補正するための情報として、温度の値に対応する周波数ずれ量を演算する演算式の係数を記憶し、当該演算式の係数をシステム機器処理部に出力することを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、マルチプレクサが、電源投入時又は製品出荷時にメモリに記憶された分周比の情報が設定されることを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、水晶振動子以外の構成部分を集積化して集積回路に納めたことを特徴とする。

本発明によれば、システム機器処理部に基準信号を提供する水晶発振器において、発振回路が、３次以上のオーバトーン水晶振動子に接続し、メモリに記憶された発振周波数を可変に分周するための分周比の情報に従って発振回路からの発振周波数を可変分周器で分周する水晶発振器を基本構成とする。

したがって、水晶振動子をオーバトーン振動とするとともに発振周波数を分周して出力とするので、オーバトーン振動と分周とによる位相雑音低減の相乗効果によって、位相雑音特性を向上できる。また、分周器を可変とするので、位相雑音特性を良好とした任意の分周周波数（出力周波数）を得られる。付言すると、オーバトーン振動とするのでＱが大きいことから発振周波数の安定度も高まる。

尚、本発明の請求項１では、発明の背景で示した温度情報を有することは限定されていないが、これは例えば特許文献５に示されるように、周波数温度特性による周波数変化を含めて、水晶発振器の外部となるシステム機器のＡＦＣ回路によって補正することが可能であることによる。また、請求項２以降の効果については発明を実施するための最良の形態で述べる通りである。

本発明の実施の形態に係る水晶発振器の構成ブロック図である。 基本波と３倍波の周波数温度特性図である。 水晶発振器における発振回路及び水晶振動子の回路を示す図である。 従来例を説明する温度補償水晶発振器の断面図である。 従来例を説明する水晶振動子の周波数温度特性図である。 従来例を説明する特性図で、同図（ａ）は電圧可変容量素子の電圧容量特性図、同図（ｂ）は容量に対する発振周波数の変化特性図、同図（ｃ）は制御電圧に対する周波数変化特性図である。 本発明の着目点であるオーバトーン振動を説明する水晶片の断面図である。 本発明の着目点である分周前後の位相雑音特性図で、同図（ａ）は分周前、同図（ｂ）は分周後の位相雑音特性図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器は、システム機器処理部に基準信号を提供する水晶発振器であって、３次以上のオーバトーン水晶振動子と、水晶振動子に接続して発振周波数をシステム機器処理部に出力する発振回路と、水晶振動子の周囲の温度を検出する温度センサと、水晶振動子の温度特性に基づいて発振周波数の周波数ずれを補正するための情報と分周比の情報を記憶し、システム機器処理部に周波数ずれを補正するための情報を提供するメモリと、発振回路とシステム機器処理部との間に設けられ、メモリに記憶した分周比の情報に基づいて発振回路からの発振周波数を可変分周する可変分周器とを有する。

そして、ここでの可変分周器は発振回路からの発振周波数を多段分周する多段分周器と、多段分周器の各分周器からの分周出力をメモリに記憶した分周比の情報に基づいて選択するマルチプレクサとを有するものであり、周波数温度特性の補償を可能として、可変分周器によって選択されたオーバトーン振動による発振周波数の安定度が高く（即ちＱが大きい）、しかもオーバトーン振動と分周とによる相乗効果によって位相雑音が小さい発振状態を実現できるものである。

要するに、本発明の実施の形態に係る水晶発振器は、温度補償機構を外部のシステム機器処理部に行わせるようにしたことで、オーバトーン振動とした水晶振動子（オーバトーン振動子）が使用可能となり、しかも、発振回路からの発振周波数を多段分周器で分周して任意の分周出力をマルチプレクサで選択することで、利用者が希望する発振周波数（出力分周周波数）が得られる。したがって、オーバトーン振動と多段分周器との相乗効果によって位相雑音特性を向上させることがでる。そして、水晶振動子の温度特性に基づいた発振周波数の周波数ずれを補正するための情報をメモリから提供すると共に水晶振動子の周囲の温度を温度センサで検出して提供するので、システム機器処理部での温度補償の動作を容易にする。

［水晶発振器の全体：図１］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る水晶発振器の構成ブロック図である。
本発明の実施の形態に係る水晶発振器（本水晶発振器）１は、図１に示すように、システム機器処理部２に接続するもので、内部構成としては、水晶振動子１１と、発振回路（ＯＳＣ）１２と、多段分周器（Ｄｉｖ）１３と、マルチプレクサ（Multiplexer）１４と、バッファ（Buffer）１５と、温度センサ１６と、メモリ（ＰＲＯＭ：Programmable Read Only Memory）１７とを基本的に有している。

また、システム機器処理部２は、マイクロプロセッサ又はゲートアレイ等で構成され、無線通信機器ではベースバンドＩＣ等の演算処理部が相当する。
尚、システム機器処理部２は、水晶発振器１を組み込むお客様が任意に設計するものであり、水晶発振器１からは、周波数変動を補正するために必要な情報、信号を提供するようになっている。

［水晶発振器の各部］
次に、本水晶発振器の各部について具体的に説明する。
［水晶振動子１１］
水晶振動子１１は、３次以上のオーバトーン水晶振動子である。３次以上のオーバトーン水晶振動子を用いたのは、高安定（高いＱ）状態で水晶発振器を動作させると同時に、位相雑音を小さくするためである。ここでは、水晶振動子は３オーバトーン振動とし、振動周波数を基本は振動（約３５ＭＨｚ、水晶片１１Ａの厚み約０．０４８ｍｍ）の３倍となる１０４ＭＨｚとする。なお、基本波振動で１０４ＭＨｚとする場合は、水晶片１１Ａの厚みは約 ０．０１６ｍｍとなり、３次オーバトーン振動の厚み（０．０４８ｍｍ）の約３倍となる。

［基本波に対する３倍波とした温度特性の有用性：図２］
ここで、基本波の水晶振動子と３倍波の水晶振動子（３次オーバトーン水晶振動子）の周波数温度特性曲線について図２を参照しながら説明する。図２は、基本波と３倍波の周波数温度特性図である。図２では、横軸が温度を示し、縦軸が周波数変化率（周波数偏差Δｆ／ｆo）を示している。

水晶振動子では、その主振動と主振動以外の不要振動との結合により、図２に示すように、温度に対して不連続な周波数変化を示すことがある。しかしながら、基本波（Fundamental mode）に比べて、３倍波（3rd overtone mode）では、そのような不連続な周波数変化が現れることが希であり、良好な周波数温度特性を持つ水晶振動子を得ることが容易である。

［発振回路（ＯＳＣ）１２］
発振回路（ＯＳＣ）１２は、水晶振動子１１と接続して所望の周波数で発振させ、分周器１３に出力する。この場合、発振周波数は水晶振動子の３次オーバトーンの振動周波数とほぼ同一となるが、厳格には、水晶振動子（インダクタ成分）の端子間から見た回路側の負荷容量によって振動周波数（但し、直列共振周波数）よりも若干高くなる。ここでは、便宜的に３次オーバトーンの振動周波数と同じ約１０４ＭＨｚとする。

［多段分周器（Ｄｉｖ）１３］
多段分周器（Ｄｉｖ）１３は、発振回路１２から入力された周波数信号を多段に分周してバッファ１５に出力する。具体的には、多段分周器１３は、１／２分周器１３ａと、１／２分周器１３ｂと、１／２分周器１３ｃと、…、１／２分周器１３ｎとを備え、各１／２分周器からの出力をマルチプレクサ１５に出力している。尚、発振回路１２と多段分周器１３との間に、バッファを設けるようにしてもよい。

［マルチプレクサ（Multiplexer）１４］
マルチプレクサ１４は、多段分周器１３の各１／２分周器からの出力を入力し、メモリ１７から読み取った分周比選択データ（分周比の情報）によりいずれかの１／２分周器からの出力を選択してバッファ１５に出力する。ここでは、発振周波数１０４ＭＨｚを２番目の１／２分周器１３ｂによって４分周した２６ＭＨｚとし、これを水晶発振器の出力周波数とする。

［バッファ（Buffer）１５］
バッファ（Buffer）１５は、システム機器処理部２での負荷の影響を受けないようにすると共に、所望の出力振幅を得るために設けられた増幅器である。バッファ１５からの出力信号（Osc Out）は、システム機器処理部２に対するクロックとして利用されるものである。

［温度センサ１６］
温度センサ１６は、水晶振動子１１の周囲の温度を測定し、測定した温度の値（Temp Out）をデジタル値又はアナログ値でシステム機器処理部２に出力する。つまり、温度センサ１６は、温度補償用の温度情報を提供する。尚、温度の値がアナログ値であれば、システム機器処理部２に入力されてデジタル信号に変換される。

ここで、水晶発振器の周波数安定度を決定する主要因は、一般に水晶振動子１１であって発振回路１２よりも影響度は高いものである。これは、発振周波数が水晶振動子１１から発振回路１２側を見た時の負荷容量に左右されるが、発振回路１２の負荷容量の変動による水晶発振器１の周波数変動よりも水晶振動子１１自体の周波数温度特性の方が大きいからである。

［メモリ１７］
メモリ１７は、予め水晶振動子１１の温度特性に関する情報を記憶しており、システム機器処理部２にその情報を出力する。メモリ１７内の情報は、予め実測によって取得し、必要に応じて数値計算を加え、本水晶発振器１の出荷前にその温度特性に応じて設定しておく。メモリ１７に記憶される温度特性に関する情報としては、温度に対応した周波数ずれの補正量をテーブル（補正量テーブル）で記憶するもの、温度特性に対応して周波数ずれを算出する式（補正式）の係数を記憶するものがある。

また、メモリ１７には、マルチプレクサ１４における分周比を決定する分周比選択データ（分周比の情報）が記憶されており、マルチプレクサ１４からの読み出しに応じて分周比選択データを提供する。ここで、メモリ１７は、ＥＰＲＯＭ（Electrically Programmable Read Only Memory）又はＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）であってもよい。

また、本水晶発振器１において、水晶振動子１１以外の構成部分を集積化して集積回路で構成するようにしてもよい。

［実施の形態の動作］
メモリ１７には、分周比を決定する分周比選択データが記憶されており、本水晶発振器１の電源投入時にマルチプレクサ１４に当該分周比選択データが設定される。尚、電源投入時ではなく、製品出荷時にマルチプレクサ１４に設定されるようにしてもよい。

本水晶発振器１では、３次オーバトーン水晶振動子１１の振動周波数（基本波３５ＭＨｚの３倍）に依存した発振回路１２から得られる発振周波数（１０４ＭＨｚ）は、多段分周器１３で分周され、マルチプレクサ１４で特定の分周比（この例では１／４）の周波数信号を選択し、バッファ１５を介してシステム機器処理部２に１／４分周とした２６ＭＨｚが出力される。

また、本水晶発振器１では、温度センサ１６が水晶振動子１１の周囲の温度を検出し、当該検出した温度の数値をシステム機器処理部２に出力すると共に、メモリ１７から補正量テーブルの内容若しくは補正式の係数を用いて補正式により得られた値をシステム機器処理部２に出力する。

システム機器処理部２は、本水晶発振器１のバッファ１５から入力される信号（Osc Out）と、温度センサ１６からの温度の値（Temp Out）と、メモリ１７からの補正量テーブル又は補正式の係数を用いて周波数ずれの補正量を取得し、システム機器処理部２内で演算及び信号処理することにより周波数ずれの補正処理を行う。

［水晶発振器の構成：図３］
上記水晶発振器における発振回路及び水晶振動子の回路について図３を参照しながら説明する。図３は、水晶発振器における発振回路及び水晶振動子の回路を示す図である。図５に示すように、水晶発振器における発振回路及び水晶振動子は、典型的なコルピッツ型の帰還増幅回路を示している。

図３では、水晶振動子Ｘの両端の信号をＣ₁ ，Ｃ₂ のコンデンサで分圧し、一方を発振用トランジスタＴｒのベース端子に、他方をトランジスタＴｒのエミッタ端子に接続している。尚、Ｒ_A ，Ｒ_B はトランジスタＴｒのベース端子に固定バイアスを与えるためのブリーダ抵抗であり、Ｒ_E はエミッタに接続された負帰還抵抗であり、Ｒ_C はコレクタに接続された負帰還抵抗である。

［発明の着目点：オーバトーン振動による位相雑音：図７］
本発明の着目点について説明する。上記実施の形態に係る発振器は、当該着目点に基づいて発明されたものである。
水晶振動子例えばＡＴカット等の厚みすべり振動系では、振動周波数は厚みに反比例して決定され、厚みが小さいほど振動周波数は高く、厚みが大きいほど低くなる。そして、水晶振動子の基本波振動に対して奇数倍となる振動周波数（共振周波数）のオーバトーン振動が存在する。

0066 従って、ＡＴカットとして振動周波数を同一の例えば１０ＭＨｚとすると、基本波振動は水晶片１１Ａの厚みを約０．１７ｍｍとし「図７（ａ）」、オーバトーン振動（但し、３次オーバトーン）は０．５１ｍｍとなり「同図（ｂ）」、オーバトーン振動は基本波振に対して概ね３倍の厚みとなって大きくとなる。

一方、水晶振動子１１は、図７（ａ）（ｂ）に示されるように、一般には励振電極１１Ｘを水晶片１１Ａの両主面に形成して厚みすべり振動を励起する。
従って、同一の基本波振動とすると、前述のように振動周波数が高くなるほど厚みが小さくなることから、水晶片１１Ａの厚みに対して励振電極１１Ｘの厚みは相対的に大きくなる。尚、励振電極１１Ｘは振動周波数（水晶片１１Ａの厚み）に拘らず、通電性等との観点から概ね一定の厚みとなる。

これにより、水晶片１１Ａの厚みが小さいほど、励振電極１１Ｘによる質量負荷によって厚みすべり振動が抑制され、基本波振動での振動周波数に対するＱ（＝ωＬ／Ｒ＝１／ωＣＲ＝１／Ｒ√Ｌ／Ｃ）が悪化する。
従って、前述した振動周波数を同一（例えば１０ＭＨｚ）として基本波振動と厚みすべり振動とのＱを比較すると、基本波振動よりも厚みが大きいオーバトーン振動のＱが大きくなる。従って、オーバトーン振動では基本波振動よりも、Ｑが大きくなる分、これに反比例する位相雑音も小さくなる。なお、Ｒ、Ｌ、Ｃは水晶振動子の等価回路中の等価直列抵抗、同インダクタ、同容量である。

［分周による位相雑音：図８］
図８（ａ）は、分周していない場合の発振周波数ｆｏの位相雑音特性を示す図であり、図８（ｂ）は、分周時ｆｏ´の位相雑音特性を示す図である。図８（ａ）（ｂ）において、縦軸が出力レベル（Ｖ）で、横軸が周波数（ＭＨｚ）を示している。

図８（ａ）において、周波数ｆｏの出力レベルＡに対して離調周波数１０Ｈｚ（周波数ｆ１）では出力レベルＢとすると、図８（ｂ）に示すように、分周（例えば、１／２分周）によって周波数ｆｏ´（周波数ｆｏ／２）の出力レベルＡに対して離調周波数５Ｈｚ（周波数ｆ１´＝ｆ１／２）のときに出力レベルＢとなる。
従って、１／２分周後の離調周波数が１０Ｈｚの出力レベルは、周波数が高くなる程、出力レベルが小さくなって、分周前の出力レベルＢより小さいＣとなるので、分周すると位相雑音が向上する。

［実施の形態の効果］
本水晶発振器によれば、回路内部で温度変動に応じた出力信号の周波数ずれを補正するのではなく、周波数ずれを含む出力信号を基準信号として出力し、水晶発振器内部の温度の値と水晶振動子の温度特性に関する情報を同時に提供することにより、システム機器処理部２内で入力信号を基準信号により信号処理を行うと共に、温度の値と温度特性に関する情報により周波数ずれを容易に補正させることができる効果がある。

そして、水晶発振器の内部にはオーバトーン振動の使用を妨げる電圧可変容量素子を用いた温度補償機構を有することなく、水晶発振器の外部となるシステム処理部にて温度補償する温度情報のみを有することに起因して、水晶振動子をオーバトーン振動として適用できる。したがって、水晶振動子のオーバトーン振動によって位相雑音が小さくＱの高い安定した発振周波数を得られる。

また、水晶振動子のオーバトーン振動による発振周波数（オーバトーン周波数）を可変分周器ここではマルチプレクサによって分周周波数を選択する多段型分周器によって、オーバトーン振動による発振周波数を分周する。したがって、分周段数に応じた任意の分周周波数を水晶発振器の出力として供給できるので、システム機器を設計する利用者の使い勝手を良好にする。

これらの場合、特に、本発明の着目点で述べたように、水晶振動子のオーバトーン振動及び分周による位相雑音の低減効果が相乗されるので、位相雑音特性をそれぞれが単独の場合よりもさらに向上できる。これにより、分周周波数（出力周波数）をクロック信号としてシステム処理部で用いた場合、変調及び復調性能を良好にできる。

そして、ここでは、水晶発振器の出力周波数を２４ＭＨｚとして概ねで発振周波数となる３次オーバトーンの振動周波数を１０４ＭＨｚとし、さらに実際の水晶片１１Ａの厚みによる基本波振動を３５ＭＨｚとする。
要するに、３次オーバトーンの振動周波数（１０４ＭＨｚ）を分周による出力周波数（２６ＭＨｚ）の偶数倍として、これから算出した基本波振動（３５ＭＨｚ）での厚みに水晶片１１Ａが設定される。これらにより、分周比を偶数とした１／４に設定できるので、例えば分周比を１／３等の奇数分母とする場合よりも、多段分周器１３を容易に構成できる。

また、本水晶発振器によれば、基準信号の出力段にバッファ１５を設け、また、発振回路１２と多段分周器１３との間にバッファを設けるようにすれば、出力される基準信号がシステム機器処理部２の負荷の影響を受けにくくすることができる効果がある。

本発明は、選択された発振周波数で高安定な発振として、位相雑音特性が求められる例えばＧＰＳ対応の携帯電話等を含めたシステム機器（特にデジタル制御機器）のクロック信号原としての水晶発振器に好適である。

１…水晶発振器、 ２…システム機器処理部、 １１…水晶振動子、 １１Ａ…水晶片、 １１Ｘ…励振電極、 １２…発振回路（ＯＳＣ）、 １３…多段分周器、 １４…マルチプレクサ（Multiplexer）、 １５…バッファ（Buff）、 １６…温度センサ、 １７…メモリ、 ２０…ＩＣチップ、 ２１…セラミック容器、 ２２…金属カバー、 ２３…導電性接着剤、 ２４…実装端子

Claims (9)

1. システム機器処理部に基準信号を提供する水晶発振器であって、
   ３次以上のオーバトーン水晶振動子と、
   前記水晶振動子に接続し、発振周波数を前記システム機器処理部に出力する発振回路と、
   前記発振回路からの発振周波数を可変に分周するための分周比の情報を記憶するメモリと、
   前記発振回路と前記システム機器処理部との間に設けられ、前記発振回路からの発振周波数を前記メモリからの分周比の情報に従って分周する可変分周器とを有することを特徴とする水晶発振器。
2. 可変分周器は、
   発振回路からの発振周波数を多段に分周する多段分周器と、
   前記多段分周器の各分周出力をメモリに記憶した分周比の情報に基づいて選択してシステム機器処理部に出力するマルチプレクサとを有することを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
3. 水晶振動子の周囲の温度を検出する温度センサを有し、
   メモリは、前記水晶振動子の温度特性に基づいて前記発振周波数の周波数ずれを補正するための情報を記憶し、システム機器処理部に前記周波数ずれを補正するための情報を提供することを特徴とする請求項１又は２記載の水晶発振器。
4. マルチプレクサとシステム機器処理部との間に、前記マルチプレクサからの選択された分周出力の発振周波数を入力し、前記システム機器処理部に前記発振周波数を出力すると共に、出力側の負荷の影響を抑えるバッファを設けたことを特徴とする請求項２又は３記載の水晶発振器。
5. 発振回路と多段分周器との間に、前記多段分周器における負荷の影響を抑えるバッファを設けたことを特徴とする請求項２乃至４にいずれか記載の水晶発振器。
6. メモリは、周波数ずれを補正するための情報として、温度の値に対応する周波数ずれ量をテーブルとして記憶し、当該テーブル内容をシステム機器処理部に出力することを特徴とする請求項３記載の水晶発振器。
7. メモリは、周波数ずれを補正するための情報として、温度の値に対応する周波数ずれ量を演算する演算式の係数を記憶し、当該演算式の係数をシステム機器処理部に出力することを特徴とする請求項３記載の水晶発振器。
8. マルチプレクサは、電源投入時又は製品出荷時にメモリに記憶された分周比の情報が設定されることを特徴とする請求項２乃至７のいずれか記載の水晶発振器。
9. 水晶振動子以外の構成部分を集積化して集積回路に納めたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか記載の水晶発振器。

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