JP2012156920A - 温度補償型水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】出力周波数の位相雑音特性を向上させることができる温度補償型水晶発振器を提供する。
【解決手段】温度補償電圧発生部（温度補償回路）１と電圧制御発振器（ＶＣＯ）３との間に、温度補償電圧発生部１からの出力信号を２つに分岐して、一方を遅延する遅延回路と、他方の信号から直流成分を除去する直流成分除去回路と、直流除去された信号の位相を反転する位相反転回路と、位相反転された信号を遅延された一方の信号と加算合成する加算部とを有するノイズ除去回路２を設け、温度補償電圧発生部１で発生した位相雑音の逆位相となる信号を、位相雑音を含む温度補償電圧発生部１からの出力に加算して、位相雑音が除去された温度補償電圧をＶＣＯ３に印加する温度補償型水晶発振器である。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度補償型水晶発振器に係り、特に出力周波数の位相雑音を低減することができる温度補償型水晶発振器に関する。

［先行技術の説明］
電圧によるリアクタンス可変素子を含む発振器としては、電圧制御型発振器（ＶＣＯ；Voltage Controlled Oscillator）、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ；Temperature Compensated Crystal Oscillator）等がある。特に、圧電素子である水晶振動子を用いたＴＣＸＯは広く使用されている。

［従来のＴＣＸＯの構成：図６］
従来の温度補償型水晶発振器の概略構成について図６を用いて説明する。図６は、従来の温度補償型水晶発振器の概略構成を示す説明図である。
図６に示すように、従来の温度補償型水晶発振器は、温度補償電圧発生部１と、電圧制御型発振器３とを備えた構成である。

温度補償電圧発生部１は、検出された温度に応じて制御電圧の補償を行う直流の温度補償電圧（Ｖdc）を生成する。
電圧制御型発振器３は、発振回路３１と、リアクタンス可変素子３２とを備えている。そして、リアクタンス可変素子３２の容量に応じた制御電圧が発振回路３２に印加され、制御電圧に応じた発振周波数が出力される。電圧制御発振器の出力特性には、温度依存性があり、一定の制御電圧を印加しても温度によって出力周波数が異なる場合がある。

上記構成の温度補償型水晶発振器では、温度補償電圧発生部１で温度に対して電圧制御発振器３の出力周波数を一定に保つように生成された温度補償電圧を、電圧制御発振器３に印加することにより、電圧制御発振器３では、温度補償された制御電圧に応じた発振周波数が得られ、温度が変動しても一定の出力周波数が得られるものである。
これにより、周囲の温度変化に関わらず出力周波数を安定させることができるものである。

［位相雑音］
ところで、上記構成の温度補償型水晶発振器では、温度補償電圧発生部１で位相雑音が発生する。つまり、温度補償電圧発生部１で発生する電圧は、Ｖdc（温度補償電圧）＋Ｖac（ノイズ）となる。
また、電圧制御発振器の発振回路３１そのものからも位相雑音が発生する。

［関連技術］

尚、温度制御型水晶振動子に関する技術としては、特開２００９−２７３０８７号公報「圧電発振器」（エプソントヨコム株式会社、特許文献１）がある。
特許文献１には、圧電発振器において、正特性の温度センサと負特性の温度センサの出力を合成して、温度センサ出力の雑音を除去することや、温度センサの出力電圧に位相反転した電圧を加算することが記載されている。

特開２００９−２７３０８７号公報

しかしながら、従来の温度補償型水晶発振器では、温度補償回路（温度補償電圧発生回路）において発生した位相雑音を含む温度補償電圧がそのまま電圧制御発振器に印加されるため、出力周波数の位相雑音特性が劣化してしまうという問題点があった。

尚、上述した特許文献１の圧電発振器では、温度センサのみを対象として温度センサからの出力電圧について温度補償を行うものであり、温度センサを含む温度補償電圧発生回路全体の出力についての温度補償を行う構成ではない。
また、特許文献１には、発振回路そのもので発生する位相雑音を除去することは全く記載されていない。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、出力周波数の位相雑音を低減することが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。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、温度補償回路と、電圧制御発振器とを備える温度補償型水晶発振器であって、温度補償回路と電圧制御発振器との間にノイズを除去する第１のノイズ除去回路を設け、第１のノイズ除去回路は、温度補償回路から出力された信号について直流成分を除去して交流成分を抽出する直流成分除去回路と、抽出された交流成分の位相を反転させる位相反転回路と、温度補償回路から出力された信号を遅延させる遅延回路と、位相反転回路からの出力と遅延回路からの出力を加算して電圧制御発振器に出力する加算器とを有することを特徴としている。

また、本発明は、上記温度補償型水晶発振器において、第１のノイズ除去回路における遅延回路をオペアンプで構成したことを特徴としている。

また、本発明は、上記温度補償型水晶発振器において、第１のノイズ除去回路の遅延回路におけるオペアンプのパラメータを変更することで、遅延時間を調整可能としたことを特徴としている。

また、本発明は、上記温度補償型水晶発振器において、ノイズ除去回路における直流成分除去回路をコンデンサで構成し、位相反転回路をオペアンプで構成し、遅延回路をオペアンプで構成したことを特徴としている。

また、本発明は、上記温度補償型水晶発振器において、電圧制御発振器の出力段に、ノイズを除去する第２のノイズ除去回路を設け、第２のノイズ除去回路が、電圧制御発振器から出力された信号から電圧制御発振器の出力周波数成分を除去して他の周波数成分を抽出するバンドストップフィルタと、抽出された周波数成分の位相を反転させる位相反転回路と、電圧制御発振器から出力された信号を遅延させる遅延回路と、位相反転回路からの出力と遅延回路からの出力を加算する加算器とを有することを特徴とする。

また、本発明は、上記温度補償型水晶発振器において、第２のノイズ除去回路における遅延回路をオペアンプで構成したことを特徴としている。

また、本発明は、上記温度補償型水晶発振器において、第２のノイズ除去回路の遅延回路におけるオペアンプのパラメータを変更することで、遅延時間を調整可能としたことを特徴としている。

本発明によれば、温度補償回路と、電圧制御発振器とを備える温度補償型水晶発振器であって、温度補償回路と電圧制御発振器との間にノイズを除去する第１のノイズ除去回路を設け、第１のノイズ除去回路が、温度補償回路から出力された信号について直流成分を除去して交流成分を抽出する直流成分除去回路と、抽出された交流成分の位相を反転させる位相反転回路と、温度補償回路から出力された信号を遅延させる遅延回路と、位相反転回路からの出力と遅延回路からの出力を加算して電圧制御発振器に出力する加算器とを有する温度補償型水晶発振器としているので、第１のノイズ除去回路によって温度補償回路の出力に含まれる位相雑音成分を相殺して、位相雑音を含まない温度補償電圧を電圧制御発振器に印加することができ、発振器出力の位相雑音特性を向上させることができる効果がある。

本発明によれば、電圧制御発振器の出力段に、ノイズを除去する第２のノイズ除去回路を設け、第２のノイズ除去回路が、電圧制御発振器から出力された信号から電圧制御発振器の出力周波数成分を除去して他の周波数成分を抽出するバンドストップフィルタと、抽出された周波数成分の位相を反転させる位相反転回路と、電圧制御発振器から出力された信号を遅延させる遅延回路と、位相反転回路からの出力と遅延回路からの出力を加算する加算器とを有する上記温度補償型水晶発振器としているので、第２のノイズ除去回路によって電圧制御発振器の出力に含まれる位相雑音成分を相殺して、位相雑音を含まない電圧制御発振器の発振周波数を出力することができ、発振器出力の位相雑音特性を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、第１、第２のノイズ除去回路における遅延回路をオペアンプで構成し、オペアンプのパラメータを変更することで、遅延時間を調整可能とした温度補償型水晶発振器としているので、運用開始後であっても随時遅延時間を調整することができ、位相雑音を確実に除去できる効果がある。

本発明の実施の形態に係る温度補償型水晶発振器の概略構成を示す説明図である。 ノイズ除去回路２の構成を示すブロック図である。 図２に示したノイズ除去回路２のａ点〜ｄ点における信号波形の例を示す模式説明図である。 本実施の形態に係る温度補償型水晶発振器の別の構成を示す構成ブロック図である。 第２のノイズ除去回路４の構成を示すブロック図である。 従来の温度補償型水晶発振器の概略構成を示す説明図である。

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温度補償型水晶発振器は、温度補償電圧発生部と電圧制御発振器（ＶＣＯ）との間に、温度補償電圧発生部からの出力信号を２つに分岐して、一方を遅延する遅延回路と、他方の信号から直流成分を除去する直流成分除去回路と、直流除去された信号の位相を反転する位相反転回路と、位相反転された信号を遅延された一方の信号と加算合成する加算部とを有するノイズ除去回路を設けた構成であり、温度補償電圧発生部で発生した位相雑音の逆位相となる信号を、位相雑音を含む温度補償電圧発生部からの出力に加算して、位相雑音が除去された温度補償電圧を生成してＶＣＯに印加することができ、出力周波数の位相雑音特性を向上させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る温度補償型水晶発振器は、上記構成に加えて、電圧制御発振器の出力段に、別のノイズ除去回路とバッファとを備えたものであり、温度補償電圧の位相雑音だけでなくＶＣＯの発振回路で発生する位相雑音も除去して、出力周波数の位相雑音特性を一層良好にすることができるものである。

［実施の形態の温度補償型水晶発振器の構成：図１］
本発明の実施の形態に係る温度補償型水晶発振器の構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る温度補償型水晶発振器の概略構成を示す説明図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る温度補償型水晶発振器（本ＴＣＸＯ）は、図６に示した従来のＴＣＸＯと同様の温度補償電圧発生部１と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）３とを備え、温度補償電圧発生部１とＶＣＯ３との間に本ＴＣＸＯの特徴部分であるノイズ除去回路２が設けられている。
尚、温度補償電圧発生部１は、特許請求の範囲に記載した温度補償回路に相当し、ノイズ除去回路２は、第１のノイズ除去回路に相当している。

ノイズ除去回路２は、温度補償電圧発生部１からの温度補償電圧に含まれる位相雑音を除去してＶＣＯ３に印加するものである。ノイズ除去回路２の構成については後述する。
ＶＣＯ３の構成は従来と同様であり、詳細な説明は省略するが、発振回路３１とリアクタンス可変素子３２とを備えている。

そして、上記構成部分は、全てワンチップに集積され、ＩＣとして構成されている。
また、当該ＩＣには、温度補償電圧発生部１におけるパラメータ（例えば、検出温度に対応する温度補償電圧値）やノイズ除去回路２における各種パラメータを記憶するメモリと、当該メモリに対する入出力を制御する入出力制御部が設けられている。
そして、入出力制御部が、メモリから適切なパラメータを読み出して、温度補償電圧発生部１やノイズ除去回路２の各部にパラメータを設定する。

［ノイズ除去回路２の構成：図２］
次に、ノイズ除去回路２の構成について図２を用いて説明する。図２は、ノイズ除去回路２（第１のノイズ除去回路２）の構成を示すブロック図である。
図２に示すように、ノイズ除去回路２は、分岐部２０と、遅延回路２１と、直流成分除去回路（ＤＣｃｕｔ）２２と、位相反転回路２３と、加算部２４とを備えている。

分岐部２０は、温度補償電圧発生部１からの温度補償電圧を２つに分岐する。
遅延回路２１は、オペアンプ又はＲＣ回路で構成され、分岐された一方の温度補償電圧を遅延させて、他方のルートを経由する信号と同じタイミングとなるよう同期させる。
本ＴＣＸＯでは、メモリに、予め遅延時間を調整するためのパラメータを複数記憶しておき、入出力制御部が、外部からの指示に基づいてメモリから適切なパラメータを読み出して遅延回路２１に設定することにより、遅延回路２１が特定の遅延時間だけ信号を遅延させるものとなる。そのため、運用開始後であっても、随時遅延回路２１の遅延時間の調整が可能となっている。
遅延回路２１をオペアンプで構成する場合、メモリに抵抗値に関するパラメータを記憶しておく。また、ＲＣ回路で構成する場合、可変コンデンサの容量をパラメータとして記憶しておき、遅延時間を調整する。

直流成分除去回路２２は、可変コンデンサで構成され、入力された信号の直流成分を除去して交流成分のみを抽出する。交流成分は、温度補償電圧発生部１で発生した位相雑音である。直流成分除去回路２２には、入出力制御部によって、入力される温度補償電圧信号に応じて適切な容量が設定される。メモリには、直流成分除去回路２２に設定する容量が予め複数記憶されている。

位相反転回路２３は、入力された信号の位相を反転する。つまり、位相反転回路は、直流成分除去回路２２で抽出された交流成分の位相を反転する。これにより、温度補償電圧発生部１で発生した位相雑音の反転信号が得られる。
位相反転回路２３は、オペアンプ等で構成され、上述したように、パラメータとして適切な抵抗値が設定され、それに応じて動作する。

尚、直流成分除去回路２２、位相反転回路２３のパラメータも、遅延回路２１と同様に運用後でも随時調整が可能となっている。
また、直流成分除去回路２２、位相反転回路２３の順に接続されているのは、先に直流除去を行ったほうが位相反転が容易なためである。

加算部２４は、遅延回路２１からの位相雑音を含む温度補償電圧信号と、位相反転回路２３からの反転された位相雑音信号とを加算合成する。これにより、位相雑音成分は相殺されて、位相雑音を含まない温度補償電圧が出力される。

［ノイズ除去回路２の動作：図２］
ノイズ除去回路２の動作について図２を用いて説明する。
温度補償電圧発生部１で生成された温度補償電圧信号には、本来の温度補償電圧である直流成分の他に交流成分である位相雑音が含まれている。
温度補償電圧信号は分岐部２０で２つに分岐され、分岐された一方の信号は遅延回路２１で一定時間遅延される。
分岐された他方の信号は、直流成分除去回路２２で直流成分が除去されて交流成分が抽出され、位相反転回路２３において位相反転されて、加算部２４で遅延回路２１からの信号と加算合成される。
そして、位相雑音を含まない温度補償電圧がノイズ除去回路２から出力されて、ＶＣＯに印加される。

［各点における信号波形：図２、図３］
次に、ノイズ除去回路２の各点における信号波形について図３を用いて説明する。図３は、図２に示したノイズ除去回路２のａ点〜ｄ点における信号波形の例を示す模式説明図である。
図３に示すように、図２のａ点の信号は、温度補償電圧発生部１からの出力信号を遅延したものであり、直流成分である温度補償電圧に交流成分である位相雑音が加算された波形となっている。

ｂ点では、直流成分除去回路２２により直流成分が除去されて、交流成分（ノイズ）のみの波形となる。
ｃ点では、ｂ点のノイズ波形の位相を反転した波形となっている。
そして、加算部２４でａ点の波形とｃ点の波形が加算され、ｄ点では、雑音成分を含まない直流のみの温度補償電圧信号が得られる。

［別の温度補償型水晶発振器：図４］
次に、本実施の形態に係る温度補償型水晶発振器の別の構成について説明する。
ＶＣＸＯ３の発振回路には、トランジスタや抵抗が用いられており、これにより位相雑音が発生する。そこで、別のＴＣＶＯでは、発振回路で発生する位相雑音も除去して、出力信号の位相雑音特性を一層良好にするようにしている。

図４は、本実施の形態に係る温度補償型水晶発振器の別の構成を示す構成ブロック図である。
別の構成の温度補償型水晶発振器（別のＴＣＸＯ）は、上述したＴＣＸＯと同様の部分として、温度補償電圧発生部１と、第１のノイズ除去回路（ノイズ除去回路（１））２と、電圧制御型発振器（ＶＣＯ）３とを備え、更に、ＶＣＯ３の出力段に第２のノイズ除去回路（ノイズ除去回路（２））４と、バッファアンプ５とを備えた構成である。
尚、別のＴＣＸＯも、上述したＴＣＸＯと同様にＩＣとして構成されており、メモリ及び入出力制御部が設けられている。

温度補償電圧発生部１と、第１のノイズ除去回路（ノイズ除去回路（１））２と、電圧制御型発振器（ＶＣＸＯ）３は、上述したＴＣＸＯと同じものであり、第１のノイズ除去回路２が、温度補償電圧発生部１から出力される温度制御電圧信号から位相雑音を除去してＶＣＯ３に印加する構成となっている。

［第２のノイズ除去回路：図５］
第２のノイズ除去回路について図５を参照しながら説明する。図５は、第２のノイズ除去回路４の構成を示すブロック図である。
第２のノイズ除去回路４は、別のＴＣＸＯの特徴部分であり、ＶＣＯ３からの出力信号に含まれる位相雑音を除去して発振位相のゆらぎを防ぎ、正確な発振を実現する。
具体的には、第２のノイズ除去回路４は、図５に示すように、分岐部４０と、遅延回路４１と、バンドストップフィルタ４２と、位相反転回路４３と、加算部４４とを備えている。

分岐部４０は、発振回路３１からの出力信号を２つに分岐する。
遅延回路４１は、遅延回路２１と同様の構成であり、分岐された一方の信号を遅延させて、他方のルートを経由する信号と同期させる。
バンドストップフィルタ４２は、発振回路３１からの所定の出力周波数のみを通さないように帯域が選択されたフィルタである。発振器出力と位相雑音とは周波数が異なるため、位相雑音を通過させるものである。

位相反転回路４３は、位相反転回路２３と同様の構成であり、入力された信号の位相を反転する。つまり、位相反転回路４３は、位相雑音信号の位相を反転する。
加算部４４は、遅延回路４１からの位相雑音を含む発振器出力信号と、位相反転回路４３からの反転された位相雑音信号とを加算合成する。
これにより、発振器出力の位相雑音成分が相殺されて、位相雑音を含まない発振器出力が出力されるものである。

別のＴＣＸＯのメモリには、温度補償電圧発生部１における温度補償のパラメータと、第１のノイズ除去回路２における各種パラメータに加えて、第２のノイズ除去回路４におけるパラメータが記憶されている。
例えば、第２のノイズ除去回路４における遅延回路４１、位相反転回路４３のパラメータ、バンドストップフィルタ４２におけるフィルタ特性の係数等のパラメータもメモリに記憶されている。
そして、第２のノイズ除去回路４は、第１のノイズ除去回路２と同様に、メモリに記憶されているパラメータの内適切なものが入出力制御部によって設定されることにより、所望のノイズ除去特性が得られるようになっている。

また、バッファアンプ５は、第２のノイズ除去回路４から出力された出力周波数信号を安定させるものである。

これにより、別のＴＣＸＯでは、温度補償電圧に含まれる位相雑音だけでなく、発振回路そのものからの位相雑音も取り除くことができ、発振器出力の位相雑音特性を一層良好にすることができるものである。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る温度補償型水晶発振器によれば、温度補償電圧発生部１と電圧制御発振器（ＶＣＯ）３との間にノイズ除去回路２を設け、ノイズ除去回路２の分岐部２０が、温度補償電圧発生部１からの出力信号を２つに分岐し、遅延回路２１が、分岐された一方の信号を特定時間遅延し、直流成分除去回路２２が、分岐された他方の信号から直流成分を除去し、位相反転回路２３が、直流除去された信号の位相を反転し、加算部２４が、遅延回路２１からの出力と、位相反転回路２３からの出力とを加算することにより、位相雑音成分が相殺され、雑音を含まない温度補償電圧をＶＣＯ３に印加することができ、ＶＣＯ３の出力周波数の位相雑音特性を向上させることができる効果がある。

また、本実施の形態に係る温度補償型水晶発振器の別の構成によれば、温度補償電圧発生部１と電圧制御発振器（ＶＣＯ）３との間に上記構成の第１のノイズ除去回路２を設け、更に、ＶＣＯ３の出力段に発振周波数に含まれる位相雑音を除去する第２のノイズ除去回路４を設けているので、ＶＣＯ３の発振回路３１で発生する位相雑音を除去して、発振周波数のゆらぎを無くし、正確な発振を実現することができる効果がある。

また、本実施の形態によれば、ＩＣに搭載されたメモリに第１のノイズ除去回路２及び第２のノイズ除去回路４におけるパラメータを記憶しておき、メモリに対する入出力を制御する入出力制御部が、外部からの指示により適切なパラメータを選択して第１のノイズ除去回路２、第２のノイズ除去回路４の各部に設定するようにしているので、各温度補償型水晶発振器に応じて適切なパラメータを設定して最適なノイズ除去を行うことができ、また、運用開始後であっても随時パラメータを調整可能であり、利便性を向上させることができる効果がある。

本発明は、出力周波数の位相雑音を低減することができる温度補償型水晶発振器に適している。

１...温度補償電圧発生部、 ２...（第１の）ノイズ除去回路、 ３...電圧制御発振器（ＶＣＯ）、 ４...第２のノイズ除去回路、 ５...バッファ、 ２０，４０...分岐部、 ２１，４１...遅延回路、 ２２...直流成分除去回路、 ２３，４３...位相反転回路、 ２４，４４...加算部、 ３１...発振回路、 ３２...リアクタンス可変素子、 ４２...バンドストップフィルタ

Claims (7)

1. 温度補償回路と、電圧制御発振器とを備える温度補償型水晶発振器であって、
   前記温度補償回路と前記電圧制御発振器との間にノイズを除去する第１のノイズ除去回路を設け、
   前記第１のノイズ除去回路は、前記温度補償回路から出力された信号について直流成分を除去して交流成分を抽出する直流成分除去回路と、前記抽出された交流成分の位相を反転させる位相反転回路と、前記温度補償回路から出力された信号を遅延させる遅延回路と、前記位相反転回路からの出力と前記遅延回路からの出力を加算して前記電圧制御発振器に出力する加算器とを有することを特徴とする温度補償型水晶発振器。
2. 第１のノイズ除去回路における遅延回路をオペアンプで構成したことを特徴とする請求項１記載の温度補償型水晶発振器。
3. 第１のノイズ除去回路の遅延回路におけるオペアンプのパラメータを変更することで、遅延時間を調整可能としたことを特徴とする請求項２記載の温度補償型水晶発振器。
4. 第１のノイズ除去回路における直流成分除去回路をコンデンサで構成し、位相反転回路をオペアンプで構成し、遅延回路をオペアンプで構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の温度補償型水晶発振器。
5. 電圧制御発振器の出力段に、ノイズを除去する第２のノイズ除去回路を設け、
   前記第２のノイズ除去回路は、前記電圧制御発振器から出力された信号から前記電圧制御発振器の出力周波数成分を除去して他の周波数成分を抽出するバンドストップフィルタと、前記抽出された周波数成分の位相を反転させる位相反転回路と、前記電圧制御発振器から出力された信号を遅延させる遅延回路と、前記位相反転回路からの出力と前記遅延回路からの出力を加算する加算器とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の温度補償型水晶発振器。
6. 第２のノイズ除去回路における遅延回路をオペアンプで構成したことを特徴とする請求項５記載の温度補償型水晶発振器。
7. 第２のノイズ除去回路の遅延回路におけるオペアンプのパラメータを変更することで、遅延時間を調整可能としたことを特徴とする請求項６記載の温度補償型水晶発振器。

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