JP2015056728A - Oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
直流電圧である周波数調整用の制御電圧が供給される発振器に関する。 The present invention relates to an oscillator to which a control voltage for frequency adjustment which is a DC voltage is supplied.
発振器は、外部からアナログの直流制御電圧が印加される制御端子を備え、当該制御電圧によって発振出力周波数が制御されるEFC(Electronic Frequency Control:周波数制御)機能を備える発振回路を有するように構成されることが知られている。 The oscillator has a control terminal to which an analog DC control voltage is applied from the outside, and is configured to have an oscillation circuit having an EFC (Electronic Frequency Control) function in which the oscillation output frequency is controlled by the control voltage. It is known that
図3には、恒温槽付き水晶発振器(OCXO:Oven Controlled Crystal Oscillator)10のブロック図を示している。図中3は前記EFCが行われるように構成された発振回路である。この発振回路3には、発振部を構成する圧電振動子として、水晶振動子が含まれる。図中12はヒーター回路である。発振回路3及びヒーター回路12は、基板上に設けられる。前記水晶振動子の周囲温度が変化すると、ヒーター回路12に供給される電流が変化し、前記水晶振動子の周囲温度が一定化されるように制御される。図中13は前記制御端子(制御電圧入力端)である。
FIG. 3 shows a block diagram of a crystal oscillator (OCXO: Oven Controlled Crystal Oscillator) 10 with a thermostatic bath. In the figure, reference numeral 3 denotes an oscillation circuit configured to perform the EFC. The oscillation circuit 3 includes a crystal resonator as a piezoelectric resonator constituting the oscillation unit. In the figure, 12 is a heater circuit. The oscillation circuit 3 and the
OCXO10の製造コストを下げる目的及びOCXO10の大型化を防ぐ目的から、OCXO10を外部装置に接続するために設けられる端子の数は限られる。図中15は当該端子のうちの一つであり、OCXO10の外部のグランド16に接続される接地端子(グランド端)である。図中17は、グランド用線路であり、18はOCXO10の内部グランドである。これらグランド用線路17及び内部グランド18は、前記基板に設けられるパターンにより構成される。上記の理由から、ヒーター回路12及び発振回路3に対して接地端子15は共通に設けられている。つまり、発振回路3と接地端子15とが、グランド用線路17により互いに接続され、ヒーター回路12も前記グランド用線路17を介して、前記接地端子15に接続されている。
For the purpose of reducing the manufacturing cost of the OCXO 10 and preventing the OCXO 10 from becoming large, the number of terminals provided for connecting the OCXO 10 to an external device is limited. In the figure,
ところで近年、発振器としては±数ppmオーダーで発振周波数を可変できるように要求されることがある。また、発振器を上記のようなOCXO10として構成した場合、周波数温度特性として数ppb以下の誤差で周波数を出力できる性能を有することが求められる場合がある。しかし、前記グランド用線路17の直流抵抗分により、内部グランド18の電圧レベルには微小な変動が生じる。それによって見かけ上の発振回路3へ入力される制御電圧Vcが変動してしまう。つまり、グランド用線路17の電圧降下によって、発振回路3へ供給される制御電圧が変動し、結果として発振器の周波数温度特性の劣化が生じてしまう。
Incidentally, in recent years, an oscillator may be required to be able to vary the oscillation frequency on the order of ± several ppm. When the oscillator is configured as the
この電圧降下について、さらに詳しく説明する。前記グランド用線路17の直流抵抗分Rgに、発振回路3及びヒーター回路12からグランドリターン電流Igが流れることで、内部グランド18の電圧レベルがIg×Rg=Vg分上がったことになるので、発振回路3に入力される制御電圧Vcが見かけ上、Vg分低下してしまう。
This voltage drop will be described in more detail. Since the ground return current Ig flows from the oscillation circuit 3 and the
前記電流Igはヒーター回路12へ供給される電流により変化する。水晶振動子の周囲温度が低いときには、ヒーター回路12に供給される電流が大きくなり、前記電流Igも大きくなる。そうなると、前記Vgも大きくなる。即ち、水晶振動子の周囲温度により、発振回路3に入力される前記制御電圧Vcが変動する。そのために発振器の発振周波数が、所望の発振周波数からずれてしまう。
The current Ig varies depending on the current supplied to the
さらに具体的な一例を説明すると、前記制御電圧Vcの可変範囲が0〜3.3V(中心が1.65V)であり、OCXO10の出力周波数の変化が±5ppmである場合、前記制御電圧Vcが330μV変化すると、出力周波数が1ppb変化する。このOCXO10において、仮に前記直流抵抗分Rgが10mΩで、前記電流Igが、ヒーター回路12の動作により150mAから500mAまで変化する場合、前記Vgは1.5mVから5mVまで変化する。このようにVgが5mV−1.5mV=3.5mV変化することによって、前記制御端子13に印加される制御電圧Vcが一定であっても、出力周波数が約10.6ppb変動してしまう。
More specifically, when the variable range of the control voltage Vc is 0 to 3.3 V (center is 1.65 V) and the change in the output frequency of the
このような事情から、上記したように数ppb以下の誤差で、周波数を出力できる周波数温度特性を持つOCXOを構成することが難しかった。また、ヒーター回路12を設けないように発振器を構成する場合も、前記直流抵抗Rgによって発振回路3に正確に所望の電圧を供給できないので、当該発振器の発振周波数が所望の値からずれてしまうという問題がある。特許文献1、2には、このような問題を解決できる手法については記載されていない。また、特許文献3では、温度センサからの温度情報に基づいたデジタル的な温度補償値を、A/Dコンバータによってデジタル変換した周波数制御入力にデジタル的に加算して制御する構成の発振器が記載されているが、構成が複雑になるという問題がある。
Under such circumstances, it has been difficult to construct an OCXO having frequency temperature characteristics capable of outputting a frequency with an error of several ppb or less as described above. Further, when the oscillator is configured not to include the
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、制御電圧入力端に印加される制御電圧に応じて、精度高く出力周波数を制御することができる発振器を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an oscillator capable of controlling an output frequency with high accuracy according to a control voltage applied to a control voltage input terminal. is there.
本発明の発振器は、直流電圧である周波数調整用の制御電圧がその間に供給される制御電圧入力端及びグランド端と、
前記入力端及びグランド端の間に接続され、前記制御電圧に基づいて出力周波数が調整される発振部と、
前記発振部と前記グランド端とを接続するグランド用線路と、
前記入力端と前記発振部との間に設けられた演算増幅器を含み、前記グランド用線路の電圧降下による制御電圧の変動を抑えるための電圧安定化回路と、を備え、
前記電圧安定化回路は、前記入力端と前記グランド用線路における発振部の近傍である第1の位置との間の電圧に、前記第1の位置と前記グランド用線路におけるグランド端の近傍である第2の位置との間の電圧を加算するように、前記入力端と前記第1の位置と前記第2の位置とが前記演算増幅器に接続されて構成されたことを特徴とする。
The oscillator of the present invention has a control voltage input terminal and a ground terminal to which a control voltage for frequency adjustment, which is a DC voltage, is supplied,
An oscillating unit connected between the input end and the ground end, the output frequency of which is adjusted based on the control voltage;
A ground line connecting the oscillation unit and the ground end;
Including an operational amplifier provided between the input end and the oscillating unit, and a voltage stabilizing circuit for suppressing fluctuations in the control voltage due to a voltage drop in the ground line,
The voltage stabilizing circuit is in the vicinity of the ground end of the first position and the ground line to a voltage between the input terminal and a first position that is in the vicinity of the oscillation unit of the ground line. The input terminal, the first position, and the second position are connected to the operational amplifier so as to add a voltage between the second position and the second position.
本発明の発振器においては、制御電圧入力端と発振回路との間に、グランド用線路の電圧降下による制御電圧の変動を抑えるための電圧安定化回路が設けられている。それによって、発振器の出力周波数を精度高く制御することができる。 In the oscillator according to the present invention, a voltage stabilization circuit is provided between the control voltage input terminal and the oscillation circuit to suppress the fluctuation of the control voltage due to the voltage drop of the ground line. Thereby, the output frequency of the oscillator can be controlled with high accuracy.
図1を参照しながら、本発明の実施の形態に係るOCXO20について説明する。このOCXO20の各部において、背景技術の項目で説明したOCXO10の各部と同様に構成された部分に関しては、OCXO10の各部に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。図中21はOCXO20の電源端子であり、電源電圧Vccが印加される。
The
図2に発振回路3の詳細な構成の一例を示す。発振回路3には、第1の水晶振動子31、第2の水晶振動子32と、これらの水晶振動子を発振させる第1の発振回路31A、第2の発振回路32Aとが含まれる。第1の発振回路31A及び第2の発振回路32Aの後段側には、周波数差検出部33、補正値演算部34、加算部35、PLL回路部36、ローパスフィルタ(LPF)37及び水晶電圧制御発振器(VCXO)38が接続されている。また、発振回路3はアナログ−デジタル変換器(ADC)39を備えており、当該ADC39に発振回路3の外部から制御電圧Vcが供給される。
FIG. 2 shows an example of a detailed configuration of the oscillation circuit 3. The oscillation circuit 3 includes a
前記PLL回路部36は、第1の発振回路31Aからの発振出力をクロック信号とし、デジタル値である周波数設定信号に基づいて生成されるパルス信号とVCXO38からの帰還パルスとの位相差に相当する信号をアナログ化し、そのアナログ信号を積分してローパスフィルタ37に出力する。VCXO38の出力がOCXO20の発振出力である。
The
第1の発振回路31Aからの発振出力f1と第2の発振回路32Aからの発振出力f2との周波数差ΔFに対応する値は、水晶振動子31、32が置かれている雰囲気の温度に対応し、温度検出値ということができる。なお、説明の便宜上f1、f2は、夫々第1の発振回路31A及び第2の発振回路32Aの発振周波数をも表しているものとする。周波数差検出部33は、この例では、{(f2−f1)/f1}−{(f2r−f1r)/f1r}の値を取り出しており、この値が温度に対して比例関係にある温度検出値に相当する。f1r及びf2rは、夫々基準温度例えば25℃における第1の発振回路31Aの発振周波数及び第2の発振回路32Aの発振周波数である。
The value corresponding to the frequency difference ΔF between the oscillation output f1 from the
補正値演算部34は、前記温度検出値と、予め作成した周波数補正値との関係と、に基づいて周波数補正値を算出する。前記周波数補正値は、第1の水晶振動子31の温度が目標温度から変動した時に、その変動分、つまり前記クロック信号の温度変動分を補償するための値である。加算部35には、周波数補正値と前記ADC39によりアナログ値からデジタル値に変換された制御電圧Vcとが入力され、互いに加算されて、周波数設定信号が設定される。そして、この周波数設定信号が加算部35からPLL回路部36へ入力される。制御電圧Vcを変更することで、加算部35からPLL回路部36に出力される周波数設定信号が変化する。それによってOCXO20の発振出力周波数が変化する。
The
より詳しくは、PLL回路部36は、DDS(Direct Digital Synthesizer)回路部、分周器及び位相比較部を備える。前記DDS回路部から出力される鋸波に基づいて参照クロックが形成され、VCXO38の出力を分周した出力信号と前記参照用クロックとの位相を位相比較部にて比較し、比較結果がLPF37に出力される。LPF37からの出力によりVCXO38の出力が制御される。前記DDS回路部は、第1の発振回路31Aから出力される周波数信号を基準クロックとして用い、目的とする周波数の鋸波を出力するための制御電圧が入力されている。しかし前記基準クロックの周波数が温度特性をもっているため、この温度特性をキャンセルするために、前記DDS回路部に入力される前記制御電圧は、前記加算部35からの周波数補正値に対応する信号に加算されている。このようにOCXO20はTCXOとしても構成されており、ヒーター回路12の作用と、この補正値演算部34による周波数補正とによる二重の温度対応が行われた、高い精度で出力を安定させることができる装置として構成されている。
More specifically, the
前記温度検出値と周波数補正値との関係は図示しないメモリに格納されている。例えば(f2−f2r)/f2r=OSC2、(f1−f1r)/f1r=OSC1とすると、水晶振動子の生産時に(OSC2−OSC1)と温度との関係を実測により取得し、この実測データから、温度に対する周波数変動分を相殺する補正周波数曲線を導き出し、最小二乗法により9次の多項近似式係数を導き出している。そして多項近似式係数を予め前記メモリに記憶しておき、補正値演算部34は、これら多項近似式係数を用いて、補正値の演算処理を行っている。
The relationship between the temperature detection value and the frequency correction value is stored in a memory (not shown). For example, when (f2-f2r) / f2r = OSC2 and (f1-f1r) / f1r = OSC1, the relationship between (OSC2-OSC1) and temperature is obtained by actual measurement at the time of production of the crystal unit. A correction frequency curve that cancels the frequency variation with respect to the temperature is derived, and a ninth-order polynomial approximate expression coefficient is derived by the least square method. Then, polynomial approximation formula coefficients are stored in advance in the memory, and the correction
さらに、周波数差検出部33から前記温度検出値がヒーター制御回路19に出力され、この温度検出値に基づいてヒーター制御回路19は、水晶振動子31,32及びヒーター回路12が置かれる恒温槽内の雰囲気が設定温度に保たれるように、前記ヒーター回路12に電力を供給し、この供給された電力に応じてヒーター回路12が発熱する。ヒーター回路12に供給される電力が大きいほど、ヒーター回路12の発熱量が大きく、ヒーター回路12から既述のグランド用線路17に流れる電流が大きくなる。
Furthermore, the temperature detection value is output from the frequency
図1に戻って説明を続ける。制御端子13と発振回路3との間には、電圧安定化回路4が設けられている。電圧安定化回路4は、既述したグランド用線路17の電圧降下に起因する発振回路3へ入力される制御電圧Vcの変動を抑制する。この電圧安定化回路4は、前段側(制御端子13側)に設けられる反転回路41と、後段側(発振回路3側)に設けられる加算回路42と、により構成される。電圧安定化回路4には、グランド用線路17から分岐した線路51、52が接続される。線路51はグランド用線路17における接地端子15の近傍の点Pと、加算回路42とを接続する。線路52については、その一端が前記グランド用線路17において発振回路3の近傍の点Qに接続され、その他端は分岐して反転回路41と加算回路42とに夫々接続される。つまり、接地端子15から見ると、点Pの方が点Qより近い位置に設定されている。前記ヒーター回路12は、これら点PQ間に接続される。
Returning to FIG. 1, the description will be continued. A voltage stabilization circuit 4 is provided between the
反転回路41は、抵抗Ra1、抵抗Ra2及び第1のオペアンプ(演算増幅器)OP1により構成されている。抵抗Ra1は、制御端子13とオペアンプOP1の−側の入力端との間に設けられる。抵抗Ra2は、オペアンプOP1の出力端と抵抗Ra1と前記−側の入力端との間とを接続する帰還路に設けられる帰還抵抗である。オペアンプOP1の+側の入力端には前記線路52が接続される。前記反転回路41の抵抗Ra1、Ra2は互いに同じ抵抗値を有する。それによって、反転回路41の出力端から出力される電圧は−(Vc−Vg)となる。
The inverting circuit 41 includes a resistor Ra1, a resistor Ra2, and a first operational amplifier (operational amplifier) OP1. The resistor Ra1 is provided between the
加算回路42は、抵抗Rb1、Rb2、Rb3及び第2のオペアンプOP2により構成されている。オペアンプOP2の+側の入力端には、前記線路52が接続されている。また、前記線路51がオペアンプOP2の−側の入力端に接続されており、線路51には抵抗Rbが設けられている。また、このオペアンプOP2の−側の入力端には、前記反転回路41のオペアンプOP1の出力端が抵抗Rbを介して接続されている。そして、オペアンプOP2の出力端と、オペアンプOP2の−側の入力端とを接続する帰還路に抵抗Rb3が設けられる。抵抗Rb1、Rb2、Rb3は、前記−側の入力端に互いに並列に設けられる。また、オペアンプOP2の出力端は、既述の発振回路3のADC39に接続される。
The adder circuit 42 includes resistors Rb1, Rb2, Rb3 and a second operational amplifier OP2. The
上記の線路51より、抵抗Rb1には見かけ上、前記グランド用線路17の直流抵抗分Rgによる内部グランド18のレベルの変動分Vgを差し引いた電圧(−Vg)が入力される。抵抗Rb2には、前記反転回路41の出力電圧である−(Vc−Vg)が入力される。加算回路42は、これら2つの入力電圧を加算し、極性反転して出力する。抵抗Rb1、Rb2、Rb3は、互いに同じ抵抗値を有しており、それによって加算回路42からは−{−(Vc−Vg)}+Vg}=Vcが出力される。即ち前記電圧(−Vg)が相殺され、Vcだけが残って発振回路3に出力される。
From the
このように、制御端子13と第1の位置である点Qとの間の電圧に、点Qと第2の位置である点Pとの間の電圧が加算されるように、制御端子13、点P及び点Qが電圧安定化回路4の各オペアンプOP1、OP2に接続される。即ち、電圧安定化回路4は、グランド用線路17の点PQ間における電圧降下による制御電圧Vcの変動の影響を防ぐ役割を有する。
In this way, the
水晶振動子31、32の周囲温度が比較的低いと、当該周囲温度を設定温度まで上昇させるために、ヒーター回路12からグランド用線路17を流れる電流(グランドリターン電流)が大きくなり、グランド用線路17の抵抗成分による当該グランド用線路17の電圧Vgが大きくなる。しかし上記のように電圧安定化回路4により、この電圧Vgの増加に関わらず発振回路3には制御電圧Vcが印加されるため、OCXO20の発振出力周波数の変動が抑えられ、制御端子13に印加される制御電圧Vcに応じた発振周波数が、図示しない出力端子から出力される。
When the ambient temperature of the
水晶振動子31、32の周囲温度が比較的高い場合、当該周囲温度を設定温度まで低下させるために、ヒーター回路12からグランド用線路17を流れる電流が小さくなり、グランド用線路17の抵抗成分による当該グランド用線路17の電圧Vgが小さくなる。この場合も上記のように電圧安定化回路4により、この電圧Vgの増加に関わらず発振回路3には制御電圧Vcが印加されるため、OCXO20の発振出力周波数の変動が抑えられる。
When the ambient temperature of the
このように、OCXO20においては、発振回路3に供給される制御電圧Vcの変動が抑えられることで、その周波数温度特性が低下することが抑えられる。OCXO20として本発明の発振器の一例を説明したが、本発明の発振器はOCXO20において恒温槽及びヒーター回路12が設けられない構成、即ちTCXOとして構成されてもよい。その場合も、グランド用線路17における電圧降下の影響による発振回路3に入力される制御電圧Vcの変動を抑えることができる。従って、精度高く発振器の発振周波数を制御することができる。
As described above, in the
発振回路としては上記の発振回路3の構成に限られず、発振部である水晶振動子と、可変容量素子であるバリキャップダイオードと、を含む構成としてもよい。制御電圧Vcが変化することで、前記バリキャップダイオードの容量値が変化する。それによって、当該発振回路の共振点が変化し、発振回路からの出力周波数が変化する構成の発振回路を用いることができる。 The oscillation circuit is not limited to the configuration of the oscillation circuit 3 described above, and may include a crystal resonator that is an oscillation unit and a varicap diode that is a variable capacitance element. As the control voltage Vc changes, the capacitance value of the varicap diode changes. Accordingly, an oscillation circuit having a configuration in which the resonance point of the oscillation circuit changes and the output frequency from the oscillation circuit changes can be used.
13 制御端子
15 接地端子
17 グランド用線路
31、32 水晶振動子
3 発振回路
4 電圧安定化回路
41 反転回路
42 加算回路
13
Claims (3)
前記入力端及びグランド端の間に接続され、前記制御電圧に基づいて出力周波数が調整される発振回路と、
前記発振回路と前記グランド端とを接続するグランド用線路と、
前記入力端と前記発振回路との間に設けられた演算増幅器を含み、前記グランド用線路の電圧降下による制御電圧の変動を抑えるための電圧安定化回路と、を備え、
前記電圧安定化回路は、前記入力端と前記グランド用線路における発振回路の近傍である第1の位置との間の電圧に、前記第1の位置と前記グランド用線路におけるグランド端の近傍である第2の位置との間の電圧を加算するように、前記入力端と前記第1の位置と前記第2の位置とが前記演算増幅器に接続されて構成されたことを特徴とする発振器。 A control voltage input terminal and a ground terminal supplied with a control voltage for frequency adjustment, which is a DC voltage,
An oscillation circuit connected between the input end and the ground end, the output frequency of which is adjusted based on the control voltage;
A grounding line connecting the oscillation circuit and the ground end;
Including an operational amplifier provided between the input terminal and the oscillation circuit, and a voltage stabilization circuit for suppressing fluctuations in control voltage due to a voltage drop in the ground line,
The voltage stabilization circuit is in the vicinity of the ground end of the first position and the ground line to a voltage between the input end and a first position of the ground line near the oscillation circuit. An oscillator characterized in that the input terminal, the first position, and the second position are connected to the operational amplifier so as to add a voltage between the second position and the second position.
前記ヒーター回路は前記グランド用線路を介して前記グランド端に接続されていることを特徴とする請求項1記載の発振器。 A heater circuit for making the temperature of the piezoelectric vibrator that is an oscillation part of the oscillation circuit constant,
The oscillator according to claim 1, wherein the heater circuit is connected to the ground end via the ground line.
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