JP2013038765A - 恒温槽付水晶発振器の温度制御回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 PNP型のパワートランジスタTr1のコレクタ側とサーミスタTH側を金属の共通パターン8を用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタTr1のエミッタに接続するヒーター抵抗HRを流れる電流を制限するPNP型の電流制限用トランジスタTr2を設けて、熱源をパワートランジスタTr1の一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタTr1のコレクタの熱を共通接続するサーミスタTH(センサー7)に伝導する恒温槽付水晶発振器の温度制御回路である。
【選択図】 図1
Description
恒温槽付水晶発振器は、水晶振動子の動作温度を一定に維持することから、周波数温度特性に依存した周波数変化を引き起こすことなく、高安定の発振周波数が得られるものである。
水晶振動子は、恒温槽に収納され、恒温槽は、温度制御回路によってその槽内の温度を一定に保持するよう制御される。
従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路について図8を参照しながら説明する。図8は、従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路の回路図である。
従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路は、図8に示すように、基本的に、サーミスタTHと、差動増幅器(OPAMP)IC10と、パワートランジスタTr1と、ヒーター抵抗HRとを有している。
ヒーター抵抗HRの一端には、電源電圧DCが印加され、ヒーター抵抗HRの他端はパワートランジスタTr1のコレクタに接続され、パワートランジスタTr1のエミッタはグランド(GND)に接地されている。
また、抵抗R2の一端にも、電源電圧DCが印加され、抵抗R2の他端が抵抗R3の一端に接続され、抵抗R3の他端が接地されている。
また、差動増幅器IC10には、図示はしていないが、駆動用として電源電圧DCが印加され、GNDにも接続している。
更に、差動増幅器IC10の出力端子と−端子とを、抵抗R5を介して接続している。
そして、差動増幅器IC10の出力端子は、パワートランジスタTr1のベースに接続されている。
サーミスタTHは、温度によって抵抗値が変化する感温素子であり、水晶振動子の動作温度を検出する。
差動増幅器IC10は、一方の入力端子(−端子)に、サーミスタTHと抵抗R1との間の電圧が抵抗R4を介して入力されると共に差動増幅器IC10の出力が抵抗R5を介して帰還して入力され、他方の入力端子(+端子)に、抵抗R2と抵抗R3との間の電圧が入力されて、2入力端子の電圧の差分を増幅し、出力する。
ヒーター抵抗HRは、流れる電流に応じて発熱する。
ここで、パワートランジスタTr1とヒーター抵抗HRが熱源となっている。
そのため、3つの部分を極力近くに配置して、樹脂等の絶縁物を介して設置していた。
但し、その絶縁物は、熱伝導率が一般に低く、シリコン樹脂を例に挙げると、性能の良いものでも約2W/m・k程度である。
しかしながら、パワートランジスタTr1とヒーター抵抗HRの熱源は、周囲温度の変化によって発熱量に差があることが知られている。
温度制御回路において流れる電流に対する発熱量について図9を参照しながら説明する。図9は、発熱量を示すグラフである。図9において、横軸が電流で縦軸が発熱量である。
図9に示すように、パワートランジスタTr1の発熱量とヒーター抵抗HRの発熱量とは異なっており、両者を合計した発熱量が熱源の発熱量となる。
従って、周囲の温度が変化すると、パワートランジスタTr1の発熱量とヒーター抵抗HRの発熱量で差が生じることになる。
尚、関連する先行技術として、特開平11−317622号公報「水晶発振器用温度制御回路」(東洋通信機株式会社)[特許文献1]、特開2004−207870号公報「圧電振動子収納用パッケージおよびこれを用いた恒温型発振器」(京セラ株式会社)[特許文献2]、特開2005−117093号公報「温度制御回路とこれを用いた高安定水晶発振器」(東洋通信機株式会社)[特許文献3]、特許第4855087号公報「恒温型の水晶発振器」(日本電波工業株式会社)[特許文献4]がある。
そこで、図10に示すように、温度制御回路において、電流制限回路を追加した構成が考えられる。
電流制限回路を備えた温度制御回路について図10を参照しながら説明する。図10は、電流制限回路を備えた温度制御回路の回路図である。
図10の温度制御回路は、図8の回路において、電流制限用トランジスタTr2を設け、トランジスタTr2のコレクタが、差動増幅器IC10の出力が入力されるパワートランジスタTr1のベースに接続し、トランジスタTr2のベースが、パワートランジスタTr1のエミッタに接続されると共に、抵抗R6を介して接地されている。また、トランジスタTr2のエミッタは接地されている。
ここで、パワートランジスタTr1と電流制限用トランジスタTr2は、NPN型トランジスタとなっている。
また、パワートランジスタTr1のコレクタに電位が掛かっている状態であるため、パワートランジスタTr1のコレクタ側とサーミスタTHを電気的に直接接続させることはできず、更なる熱伝達効率の向上が望まれている。
また、特許文献3では、温度センサの感度を大きくできるものではあるが、熱源をパワートランジスタとし、そのパワートランジスタとサーミスタとを直接接続する構成とはなっていないものである。
そのため、温度センサーと水晶振動子とに温度差により、無駄な発熱や温度不安定の要因となっていた。
また、熱抵抗が大きくなると、出力が変動するハンチング現象が発生するため、制御の設計が難しくなっていた。
以上の問題点を解決するために、図11の回路が提案されている。図11は、改善した恒温槽制御回路の回路図である。
図11に示すように、改善した恒温槽制御回路は、図8の回路と基本的に同様であり、相違するのは、水晶振動子のダミー端子がサーミスタTHと抵抗R20との間の点に金属カバーを介して接続している点である。
しかしながら、水晶振動子と熱源との間の熱抵抗、温度センサーと熱源との間の熱抵抗に対しては、電気的に接続できないという理由から、熱抵抗が任意の値を持ち、上述した影響を完全に解消されないものである。
尚、特許文献4は、図11の回路に相当するもので、水晶振動子、温度センサー、熱源を電気的に接続できないことによる影響を解消できないものとなっている。
[実施の形態の概要]
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の温度制御回路は、PNP型のパワートランジスタのコレクタ側とサーミスタの一端を金属の共通パターンを用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタのエミッタに接続するヒーター抵抗を流れる電流を制限するPNP型の電流制限用トランジスタを設けるようにしたものであり、熱源をパワートランジスタ一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタのコレクタの熱を共通接続するサーミスタに効率的に伝導できるため、熱応答性を向上させ、温度特性の優れた発振器を実現できるものである。
また、本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器は、金属カバー内を真空封止することで、外部への放熱を防止して、最小限の熱で内部を一定の温度に保持できるものである。
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第1の温度制御回路について図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恒温槽付水晶発振器の第1の温度制御回路の回路図である。
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第1の温度制御回路(第1の回路)は、図1に示すように、基本的に、サーミスタTHと、差動増幅器(OPAMP)IC10と、パワートランジスタTr1と、ヒーター抵抗HRと、電流制限用トランジスタTr2とを有している。
そして、パワートランジスタTr1と電流制限用トランジスタTr2が、NPN型トランジスタではなく、PNP型トランジスタとなっている。
ヒーター抵抗HRの一端には、電源電圧DCが印加され、ヒーター抵抗HRの他端はパワートランジスタTr1のエミッタに接続され、パワートランジスタTr1のコレクタはグランド(GND)に接地されている。
また、抵抗R2の一端には電源電圧DCが印加され、抵抗R2の他端が抵抗R3の一端に接続され、抵抗R3の他端がGNDに接地されている。
更に、差動増幅器IC10の出力端子と入力端子(−端子)とを、抵抗R5を介して帰還して接続している。
そして、差動増幅器IC10の出力端子は、パワートランジスタTr1のベースに接続されている。
尚、図示していないが、差動増幅器IC10には、動作のために電源電圧DCが印加され、またGNDに接続している。
[サーミスタTH]
サーミスタTHは、温度によって抵抗値が変化する感温素子であり、水晶振動子の動作温度を検出する。
本実施の形態では、サーミスタTHの他端がパワートランジスタTr1のコレクタとグランドレベルで共通のGND層に接続される点に特徴がある。
これにより、熱応答性の高い恒温槽付水晶発振器を構成できる。
差動増幅器IC10は、一方の入力端子(−端子)に、抵抗R1とサーミスタTHとの間の電圧が抵抗R4を介して入力されると共に差動増幅器IC10の出力が抵抗R5を介して帰還して入力され、他方の入力端子(+端子)に、抵抗R2と抵抗R3との間の電圧が入力されて、2入力端子の電圧の差分を増幅して出力する。
パワートランジスタTr1は、PNP型トランジスタであり、ベースに差動増幅器IC10の出力が入力され、ベースへの印加電圧に応じてエミッタとコレクタとの間に電流を流すことで、ヒーター抵抗HRにも電流を流すようになっている。
パワートランジスタTr1は、電流制限用トランジスタTr2の動作によって、ヒーター抵抗HRに流れる電流を制限することで、ヒーター抵抗HRを熱源にせず、パワートランジスタTr1だけが熱源となる。特に、パワートランジスタTr1のコレクタ(GND側)が発熱する。
ヒーター抵抗HRは、電源電圧DCが印加され、パワートランジスタTr1の動作によって、流れる電流に応じて発熱する。
但し、ヒーター抵抗HRは、電流制限用トランジスタTr2の動作によって流れる電流が制限されるので、電流制限回路を備えない従来の温度制御回路に比べて熱源にはならないものである。
従って、熱源をパワートランジスタTr1だけにすることができ、熱分散を防止できるものである。
電流制限用トランジスタTr2は、ヒーター抵抗HRの他端とパワートランジスタTr1のエミッタとを接続するライン上の点の電圧がベースに印加され、印加される電圧に応じて、電源電圧DCに接続するエミッタとパワートランジスタTr1のベースに接続するコレクタを流れる電流が制御される。
また、パワートランジスタTr1のエミッタに流れる電流が小さくなると、電流制限用トランジスタTr2のエミッタとコレクタを流れる電流も小さくなり、動作しなくなる。
次に、本実施の形態に係る第1のOCXOの構造について図2を参照しながら説明する。図2は、本実施の形態に係る第1のOCXOの断面説明図である。
本実施の形態に係るOCXO(第1のOCXO)は、図2に示すように、セラミック等の回路基板1上に水晶振動子2とパワートランジスタ3等が搭載され、回路基板1が金属ベース4に金属ピン5で固定されている。
水晶振動子2等の搭載面は、金属ベース4側に向くよう配置されている。
そして、金属ベース4を覆うように金属カバー6が取り付けられている。
第1のOCXOでは、金属カバー4内を真空にする真空封止を行うものである。
真空封止を用いれば、熱伝導は理論上ゼロになるか、外気の影響を無視できるものとなる。すなわち、周囲温度の影響を受けない発振器を製造することができ、温度特性のよい発振器を実現できる。
その熱が、空気から金属カバーに伝えられ、放熱しており、無駄な電力を消費している。
更に、近年の小型化により槽内の空気層も小さくなり、発熱部とカバーとの距離が近くなって、空気から安易に熱が逃げやすくなる傾向がある。
次に、第1のOCXOの構造について図3を参照しながら説明する。図3は、本実施の形態に係る第1のOCXOの平面説明図である。
第1のOCXOは、図3に示すように、回路基板1上にGNDに接続する共通パターン8が形成され、その共通パターン8の上に、水晶振動子2が形成され、パワートランジスタ3の一方の端子(コレクタ端子)とセンサー(サーミスタTH)7の一端が共通パターン8に接続している。
また、水晶振動子2のグランド端子(GND端子)を共通パターン8に接続して、水晶振動子2に効率的に熱を伝達するようにした方がよい。
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第2の温度制御回路について図4を参照しながら説明する。図4は、実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第2の温度制御回路の回路図である。
恒温槽付水晶発振器の第2の温度制御回路(第2の回路)は、図4に示すように、図1の回路と同様の構成となっているが、相違するのは、PNP型のパワートランジスタTr1の代わりに、パワートランジスタTr1′としてP型のパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOS電界効果型トランジスタ)を用いている点である。
パワートランジスタTr1′は、P型のパワーMOSFETであり、ゲートに差動増幅器IC10の出力が入力され、ゲートへの印加電圧に応じてドレインとソースとの間に電流を制御することで、ヒーター抵抗HRにも電流を流すようになっている。
パワートランジスタTr1′は、電流制限用トランジスタTr2の動作によって、ヒーター抵抗HRに流れる電流を制限することで、ヒーター抵抗HRを熱源にせず、パワートランジスタTr1′だけが熱源となる。特に、パワートランジスタTr1′のドレイン(GND側)が発熱する。
電流制限用トランジスタTr2は、ヒーター抵抗HRの他端とパワートランジスタTr1′のソースとを接続するライン上の点の電圧がベースに印加され、印加される電圧に応じて、電源電圧DCに接続するエミッタとパワートランジスタTr1′のゲートに接続するコレクタを流れる電流が制御される。
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第3の温度制御回路について図5を参照しながら説明する。図5は、本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第3の温度制御回路の回路図である。
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第3の温度制御回路(第3の回路)は、図5に示すように、基本的に、サーミスタTHと、差動増幅器(OPAMP)IC10と、パワートランジスタTr1と、ヒーター抵抗HRと、電流制限用トランジスタTr2とを有している。
そして、パワートランジスタTr1と電流制限用トランジスタTr2が、NPN型トランジスタではなく、PNP型トランジスタとなっている。
尚、パワートランジスタTr1を図4に示したように、P型パワーMOSFETとしてもよい。
また、抵抗R1とコンデンサC2との間にコンデンサC1の一端が接続され、他端が接地されている。
そして、水晶振動子X3の出力が発振回路11に入力され、発振回路11の出力が出力端子(OUT PUT)に接続されている。
つまり、水晶振動子X3と、温度センサーであるサーミスタTHと、熱源であるパワートランジスタTr1とがグランドレベル(GNDレベル)で電気的に接続している。
特に、GNDレベルの接続を、電気的に熱伝導の高い銅パターンで直接接続する。これにより、水晶振動子X3、温度センサー、熱源の間における熱抵抗を限りなくゼロにすることができる。
尚、銅の熱伝導率は、403W/m・kであり、それと比べて、アルミが236403W/m・kであり、高熱伝導タイプのシリコンが2.4W/m・kである。
また、温度制御は、P(Proportional:比例)制御、PI(Proportional, Integral:比例・積分)制御、PID(Proportional, Integral, Derivative:比例・積分・微分)制御等を用いる。
温度制御回路は、ディスクリート部品及びASIC(Application Specific Integrated Circuit)等のIC内に構成可能とする。
次に、第2のOCXOの構造について図6を参照しながら説明する。図6は、本実施の形態に係る第2のOCXOの平面説明図である。
第2のOCXOは、図6に示すように、回路基板1上に、水晶振動子2が形成され、その近傍にサーミスタ13、更にパワートランジスタ3が配置され、水晶振動子2から遠い所にヒータ抵抗12が配置されている。
共通パターン8′は、銅等の金属パターンで形成されており、グランドレベルに接地されている。この共通パターン8′により水晶振動子2とパワートランジスタ3とサーミスタ13が物理的電気的に接続されるため、絶縁性の熱伝導シリコンに比べて熱伝導性がよく、熱応答性の高い発振器を実現できる。
第3の回路で使用される水晶振動子のパッケージについて図7を参照しながら説明する。図7は、表面実装型水晶振動子のパッケージの概略図である。
水晶振動子は、図7に示すように、SMD(Surface Mount Device:表面実装部品)のパッケージ品を使用し、端子には、水晶片に接続する端子イと端子ウと、金属カバー及び内部パッケージに接続する端子アと端子エで構成されている。
SMDパッケージ品で上記4端子があればよいが、それ以外の端子を備えていてもよい。また、端子アと端子エは、金属カバーケースを通じて接続しない構成でもよい。
金属カバーの材料としては、例えば、コバールを用いる。
第1の回路によれば、PNP型のパワートランジスタTr1のコレクタ側とサーミスタTH側を金属の共通パターン8を用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタTr1のエミッタに接続するヒーター抵抗HRを流れる電流を制限するPNP型の電流制限用トランジスタTr2を設けて、熱源をパワートランジスタTr1の一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタTr1のコレクタの熱を共通接続するサーミスタTH(センサー7)に効率的に伝導できるため、熱応答性を向上させ、温度特性の優れた発振器を実現できる効果がある。
第1のOCXOでは、金属カバー4内を真空にする真空封止を行うものである。
真空封止を用いれば、熱伝導は理論上ゼロになるか、外気の影響を無視できるものとなる。すなわち、周囲温度の影響を受けない発振器を製造することができ、温度特性のよい発振器を実現できる。
パワートランジスタTr1′は、P型のパワーMOSFETであり、ゲートに差動増幅器IC10の出力が入力され、ゲートへの印加電圧に応じてドレインとソースとの間の電流を制御することで、ヒーター抵抗HRにも電流を流すようになっている。
パワートランジスタTr1′は、電流制限用トランジスタTr2の動作によって、ヒーター抵抗HRに流れる電流を制限することで、ヒーター抵抗HRを熱源にせず、パワートランジスタTr1′だけが熱源となる。特に、パワートランジスタTr1′のドレイン(GND側)が発熱する。
つまり、水晶振動子X3と、温度センサーであるサーミスタTHと、熱源であるパワートランジスタTr1とがグランドレベル(GNDレベル)で電気的に接続している。
特に、GNDレベルの接続を、電気的に熱伝導の高い銅パターンで直接接続する。これにより、水晶振動子X3、温度センサー、熱源の間における熱抵抗を限りなくゼロにすることができる。
尚、銅の熱伝導率は、403W/m・kであり、それと比べて、アルミが236W/m・kであり、高熱伝導タイプのシリコンが2.4W/m・kである。
Claims (9)
- 恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、
電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、
電源電圧が一端に供給される第1の抵抗と、
前記第1の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、
電源電圧が一端に供給される第2の抵抗と、
前記第2の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第3の抵抗と、
前記第1の抵抗の他端と前記サーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、前記第2の抵抗の他端と前記第3の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第4の抵抗を介して前記一方の入力端子に帰還して、前記他方の入力端子に入力される電圧と前記一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、
前記ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタと、前記差動増幅器の出力を入力するベースと、接地するコレクタとを備えるPNP型のパワートランジスタと、
電源電圧が供給されるエミッタと、前記ヒーター抵抗の他端と前記パワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベースと、前記パワートランジスタのベースに接続するコレクタとを備えるPNP型の電流制限用トランジスタとを有することを特徴とする温度制御回路。 - サーミスタの他端とパワートランジスタのコレクタとを共通の金属パターンで接続したことを特徴とする請求項1記載の温度制御回路。
- 恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、
電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、
電源電圧が一端に供給される第1の抵抗と、
前記第1の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、
電源電圧が一端に供給される第2の抵抗と、
前記第2の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第3の抵抗と、
前記第1の抵抗の他端と前記サーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、前記第2の抵抗の他端と前記第3の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第4の抵抗を介して前記一方の入力端子に帰還して、前記他方の入力端子に入力される電圧と前記一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、
前記ヒーター抵抗の他端が接続するソースと、前記差動増幅器の出力を入力するゲートと、接地するドレインとを備えるP型の電界効果型のパワートランジスタと、
電源電圧が供給されるエミッタと、前記ヒーター抵抗の他端と前記パワートランジスタのソースとの間の電圧を入力するベースと、前記パワートランジスタのゲートに接続するコレクタとを備えるPNP型の電流制限用トランジスタとを有することを特徴とする温度制御回路。 - サーミスタの他端とパワートランジスタのドレインとを共通の金属パターンで接続したことを特徴とする請求項3記載の温度制御回路。
- 請求項1乃至4のいずれか記載の温度制御回路と、水晶振動子とを備えたことを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
- 請求項2又は4記載の温度制御回路と、水晶振動子とを備え、共通の金属パターンに前記水晶振動子のグランド端子を接続したことを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
- 請求項2又は4記載の温度制御回路と、水晶振動子と、前記水晶振動子を覆う金属カバーとを備え、前記水晶振動子のグランド端子を前記金属カバーに接続し、共通の金属パターンに前記金属カバーを接続したことを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
- 共通の金属パターンが水晶振動子の金属カバーを覆うように形成されていることを特徴とする請求項7記載の恒温槽付水晶発振器。
- 温度制御回路と水晶振動子が形成された回路基板を金属カバーで封止する場合に、前記金属カバー内を真空にする真空封止を用いたことを特徴とする請求項5乃至8のいずれか記載の恒温槽付水晶発振器。
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