JP2015119212A - 発振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】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。
【解決手段】直流電圧である周波数調整用の前記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回路と、前記発振回路と前記グランド端とを接続する第1のグランド用線路と、前記発振回路の発振部である圧電振動子の温度を一定化するためのヒーター回路と、前記第1のグランド用線路とは独立して設けられる第2のグランド用線路と、を備えるように発振器を構成する。前記第2のグランド用線路の一端は前記ヒーター回路に接続され、他端は前記第1のグランド用線路におけるグランド端の近傍の接続点、あるいは前記グランド端に接続されるように構成される。
【選択図】図3
【解決手段】直流電圧である周波数調整用の前記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回路と、前記発振回路と前記グランド端とを接続する第1のグランド用線路と、前記発振回路の発振部である圧電振動子の温度を一定化するためのヒーター回路と、前記第1のグランド用線路とは独立して設けられる第2のグランド用線路と、を備えるように発振器を構成する。前記第2のグランド用線路の一端は前記ヒーター回路に接続され、他端は前記第1のグランド用線路におけるグランド端の近傍の接続点、あるいは前記グランド端に接続されるように構成される。
【選択図】図3
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。
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。
図12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11はヒーター回路である。発振回路3及びヒーター回路11は、後述の基板21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11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12は前記制御端子である。この制御端子12に印加される前記制御電圧Vcが、前記発振回路3を構成するアナログ・デジタルコンバータ(ADC)13により、デジタル値に変換されて、後段の回路に入力され、発振周波数が制御される。図中14は、制御端子12とADC13とを接続するための導電路であり、基板21のパターンにより構成される。
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の外部のグランドに接続される接地端子である。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。上記の理由から、ヒーター回路11及び発振回路3に対して、これらの回路をOCXO10の外部に接地するための端子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11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。
図13は、OCXO10の側面図であり、図中22は基板21を覆うケースである。図13は、前記基板21の上面概略図である。図中23は、基板21の内部に設けられたグランドパターンであり、上記のグランド用線路17及び内部グランド18を構成する。図中24は、ヒーター回路11及びADC13に各々設けられるピンであり、前記グランドパターン23に接続される。図14では、ヒーター回路11及びADC13以外の回路部品の図示の図示と、グランドパターン23及び導電路14以外のパターンの図示とについて省略している。
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OCXO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、前記グランドパターン23の直流抵抗分により、当該グランドパターン23の電圧レベルに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、グランドパターン23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。
この電圧降下について、さらに詳しく説明する。前記グランドパターン23の直流抵抗分Rgに、発振回路3及びヒーター回路11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。
前記電流Igはヒーター回路11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11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。
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11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12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。
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。特許文献1には、基板に搭載される実装部品を、当該基板に個別に形成されたグランドパターン上に設けるクロック変換器について記載されているが、上記の問題を解決出来るものではない。
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。
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回路と、
前記発振回路と前記グランド端とを接続する第1のグランド用線路と、
前記発振回路の発振部である圧電振動子の温度を一定化するためのヒーター回路と、
前記第1のグランド用線路とは独立して設けられ、その一端が前記ヒーター回路に接続され、その他端が前記第1のグランド用線路におけるグランド端の近傍の接続点かあるいは前記グランド端に接続される第2のグランド用線路と、
を備えたことを特徴とする。
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第1のグランド用線路と、
前記発振回路の発振部である圧電振動子の温度を一定化するためのヒーター回路と、
前記第1のグランド用線路とは独立して設けられ、その一端が前記ヒーター回路に接続され、その他端が前記第1のグランド用線路におけるグランド端の近傍の接続点かあるいは前記グランド端に接続される第2のグランド用線路と、
を備えたことを特徴とする。
本発明の発振器においては、制御電圧が入力される発振回路とグランド端とを接続する第1のグランド用線路と、前記第1のグランド用線路とは独立して設けられる第2のグランド用線路と、を備える。前記第2のグランド用線路の一端はヒーター回路に接続され、他端は前記第1のグランド用線路におけるグランド端の近傍の接続点、あるいは当該グランド端に接続される。このような構成によって、前記ヒーター回路からグランド端に流れる電流により、前記制御電圧が変動することが抑えられる。その結果として、発振器の出力周波数を精度高く制御することができる。
図1は本発明の実施の形態に係るOCXO40の側面図であり、図2はOCXO40のブロック図である。このOCXO40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。このOCXO40は、第1の基板であるメイン基板41と、第2の基板であるベース基板42とを備えている。そして支持部材である導電性のピン43により、メイン基板41は、ベース基板42から浮いた状態で支持されている。このような構成によってOCXO40の大型化を防いでいる。
前記メイン基板41は、図12〜図14で説明したOCXO10の基板21に相当するものであり、その表面にヒーター回路11、発振回路3を構成するADC13が設けられている。そして、これらヒーター回路11、発振回路3を覆うようにケース22が設けられている。前記ケース22及びメイン基板41は、ヒーター回路11の発熱により、その内部の温度が一定に制御される恒温槽を形成する。
図3、図4は、夫々メイン基板41の表面、裏面の概略図である。図3においてADC13以外の発振回路3の回路部品の図示は省略している。メイン基板41の裏面には、端子44〜49が設けられている。メイン基板41は上記のOCXO10の基板21と異なり、その内部にグランドパターン51、52を備えている。グランドパターン51、52は互いに独立して構成されており、即ち短絡されていない。ヒーター回路11、ADC13は夫々ピン24によりグランドパターン51、52に接続されている。端子44はグランドパターン51に、端子45はグランドパターン52に夫々接続されている。なお、各図において各グランドパターン51、52は、1枚の板状に示しているが、実際にはメイン基板41の内部に複数に積層されたパターンにより構成されている。
端子46は直流の制御電圧Vcの入力端子であり、図示しないメイン基板41内部のパターンとメイン基板41の表面のパターン14とによりADC13に接続される。端子47には、電源電圧Vccが印加される。端子48はメイン基板41に設けられる各回路(図では省略している)の接地端子である。端子49はケース22の接地端子であり、メイン基板41に設けられる図示しないパターンを介してケース22に接続され、ケース22を接地させる役割を有する。
図5、図6は、ベース基板42の表面、裏面を夫々示している。ベース基板42の表面には、メイン基板41の端子44〜49に各々対応する端子54〜59が設けられている。そして、端子44〜49と、端子54〜59とが前記ピン43により互いに電気的に接続されている。ベース基板42の表面にはグランドパターン61、62、63が形成されている。グランドパターン61は端子54と端子58とを接続し、グランドパターン62は、端子55と端子58とを接続し、グランドパターン63は端子57と、端子58とを接続するように構成されている。グランドパターン61、62、63は、各端子54、55、57から端子58に至るまでは互いに独立して形成されており、端子58がこれらのグランドパターンの接続点を構成する。便宜上、端子58を共通端子58と記載する。
ベース基板42の裏面には、前記端子54〜59に重なるように端子64〜69が設けられている。ベース基板42の内部を厚さ方向に形成される導電路60により端子54〜59と、端子64〜69とは互いに接続されている。図7は、端子58と端子68とを接続する前記導電路60を示している。便宜上、端子68を外部接地端子と記載する。ベース基板42が、外部装置に取付けられることにより、この外部接地端子68はOCXO40の外部のグランドに接続される。
図2を参照して説明すると、外部装置の電源から制御電圧Vcが、ベース基板42の端子66、56、ピン43、メイン基板41の端子46を介してADC13に供給される。ADC13に供給された電流は、メイン基板41のグランドパターン52、端子45、ピン43、ベース基板42の端子55、グランドパターン62、共通端子58、及び外部接地端子68を介してOCXO40の外部のグランドへ流れる。即ち、ベース基板42の端子66、68が、OCXO40への制御電圧Vcを入力するための正端子、負端子に各々相当する。
また、後述する経路でヒーター回路11に供給された電流は、メイン基板41のグランドパターン51、端子44、ピン43、ベース基板42の端子54、グランドパターン61、共通端子58、及び外部接地端子68を介して前記外部のグランドへ流れる。ケース22を流れる電流は、端子49、ピン43、端子57、グランドパターン63、共通端子58及び外部接地端子68を介して前記外部のグランドへ流れる。
図7は、グランドパターン61、62、63の接続点である共通端子58と、外部接地端子68とを示している。上記のように導電路60によりこれらの端子58、68が接続されている。本発明の効果を得るために、共通端子58は外部接地端子68の直近に設けられる。前記導電路60の長さL1は1mm以下とされる。また、外部接地端子68から共通端子58に至るまでの抵抗値をR1、外部接地端子68からADC13に至るまでの抵抗値をR2とする(図8参照)。R1/R2の値は、0.1以下とされる。
図2に戻って、共通端子58と外部接地端子68とをこのような位置関係とする理由を説明する。ADC13から端子58を介して外部接地端子68へ流れる電流Ieは、例えば10mAである。グランドパターン52の抵抗Reが5mΩであるものとする。グランドパターン61の抵抗Rebが5mΩであるものとする。ピン43の抵抗は小さく、無視できるものとすると、端子62からヒーター回路11までの導電路に発生する電圧Veは0.2mVである。また、ヒーター回路11から端子58を介して外部接地端子68へ流れる電流Igは、150mA〜500mAの範囲で変動する。グランドパターン51の抵抗Rgが5mΩであるものとする。グランドパターン61の抵抗Rgbが5mΩであるものとする。ピン43の抵抗成分は小さく、無視できるものとすると、端子58からヒーター回路11までの導電路において発生する電圧Vgは、1.5mV〜5mVの範囲で変動する。
図12〜図14で説明したOCXO10では、ヒーター回路11、ADC13が共通のグランドパターン23に接続されているため、ヒーター回路11及びADC13から供給される電流をOCXO10の外部のグランドに流すために共通化されている導電路(グランドパターン23により構成される導電路)が比較的長い。既述したように、このように共通化されている導電路をヒーター回路11から電流が流れることによって、この導電路の電圧レベルが変動し、その結果としてADC13に供給される制御電圧Vcも変動する。
しかし、このOCXO40では、上記のように前記共通端子58と外部接地端子68とが互いに近接する、つまり互いに近傍に位置するように設けられ、ヒーター回路11とADC13とで外部のグランドに電流を流すために共用化されている導電路(この場合、導電路60)の長さが短い。従って、この導電路60の抵抗は低く抑えられ、ヒーター回路11から外部接地端子68へ供給される電流が変動しても、当該導電路60における電圧の変動が小さいので、当該電圧の変動を無視することができる。つまり、ADC13に入力される制御電圧Vcは、前記グランドパターン52、62に生じる電圧Veの影響のみを受け、グランドパターン51、61に生じる電圧Vgの影響を受けない。既述したように前記電圧Veの値は例えば0.2mVと小さいため、ADC13には、ほぼ設定値に等しい制御電圧Vcを供給することができる。なお、ケース22に接続されるグランドパターン63の抵抗値Rcは例えば5mΩである。このグランドパターン63に生じる電圧も、グランドパターン63が前記共通端子58に接続されることから、グランドパターン51、61に生じる電圧Vgと同様に、グランドパターン52、62に生じる電圧Veに影響を与えない。
続いて、図9を参照しながら発振回路3の構成の一例について説明する。発振回路3には、第1の水晶振動子81、第2の水晶振動子82と、これらの水晶振動子を発振させる第1の発振回路81A、第2の発振回路82Aとが含まれる。
第1の発振回路81A、82Aは、例えばコルピッツ型の発振回路により構成される。第1の発振回路81A及び第2の発振回路82Aの後段側には、周波数差検出部83、補正値演算部84、加算部85、PLL回路部86、ローパスフィルタ(LPF)87及び水晶電圧制御発振器(VCXO)88が接続されている。
第1の発振回路81A、82Aは、例えばコルピッツ型の発振回路により構成される。第1の発振回路81A及び第2の発振回路82Aの後段側には、周波数差検出部83、補正値演算部84、加算部85、PLL回路部86、ローパスフィルタ(LPF)87及び水晶電圧制御発振器(VCXO)88が接続されている。
前記PLL回路部86は、第1の発振回路81A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VCXO88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87に出力する。VCXO88の出力がOCXO40の発振出力である。
第1の発振回路81Aからの発振出力f1と第2の発振回路82A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81、82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81A及び第2の発振回路82A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83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81Aの発振周波数及び第2の発振回路82Aの発振周波数である。
補正値演算部84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81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85には、周波数補正値と前記ADC13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85からPLL回路部86へ入力される。制御電圧Vcを変更することで、加算部85からPLL回路部86に出力される周波数設定信号が変化する。それによってOCXO40の発振出力周波数が変化する。
より詳しくは、PLL回路部86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、VCXO88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LPF87に出力される。LPF87からの出力によりVCXO88の出力が制御される。前記DDS回路部は、第1の発振回路81A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85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OCXO40はTCXOとしても構成されており、ヒーター回路11の作用と、この補正値演算部84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。
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84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。
さらに、周波数差検出部83から前記温度検出値がヒーター制御回路89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89は、水晶振動子81,82及びヒーター回路11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11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11が発熱する。ヒーター回路11に供給される電力が大きいほど、ヒーター回路11の発熱量が大きく、ヒーター回路11から既述のグランドパターン51、61に流れる電流が大きくなる。
水晶振動子81、82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11からグランドパターン51、61を流れる電流が大きくなり、これらのパターン51、61の抵抗成分による電圧Vgが大きくなる。水晶振動子81、82の周囲温度が比較的高いと、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11からグランドパターン51、61を流れる電流が小さくなり、これらのパターン51、61の抵抗成分による電圧Vgが小さくなる。しかしこのように電圧Vgが変動しても、上記のように制御電圧Vcの変動が抑えられるので、OCXO40の発振出力周波数の変動が抑えられる。即ち、OCXO40においては、温度による周波数特性の低下が抑えられる。
ところで、ADC13を備えていないOCXOにも本発明を適用することができる。例えば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、を含むようにコルピッツ発振回路を構成し、当該発振回路に制御電圧Vcが供給されるように構成される。この発振回路においては、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し、当該発振回路の共振点が変化し、当該発振回路からの出力周波数が変化する。このような構成においても本発明を適用して前記制御電圧Vcが安定化されることで、前記出力周波数が安定化される。
ところで、既述したようにヒーター回路11から外部接地端子68に向かって流れる電流の導電路と、ADC13から外部接地端子68に向かって流れる電流の導電路と、において共通化されている導電路の長さが比較的短ければ、本発明の効果が得られる。つまり上記のパターンの形成例は一例であり、上記のようにパターンを形成することに限られない。図10ではベース基板42表面において、共通端子58の上流側でグランドパターン61とグランドパターン62とが接続されている例を示している。パターン61、62の接続点をPで示し、この接続点Pは、外部接地端子68の近傍に設けられている。この接続点Pについて詳しく述べると、パターン62に対するパターン61の延長線の交点である。図中に接続点Pから導電路60までの距離をA1として示している。つまり、この図10の例では前記距離A1と図7に示した導電路60の長さL1との合計が1mm以下になるように構成されている。
また、グランドパターン61、62は、外部接地端子68で互いに接続されている、つまり前記パターン61、62の接続点が、外部接地端子68に一致していてもよい。図11の断面斜視図はそのような例を示している。この図11の例では共通端子58が設けられておらず、グランドパターン61の端部、グランドパターン62の端部はベース基板42の表面から裏面へ向かって各々独立して伸びており、外部接地端子68に接続されている。また、上記のように複数枚の基板を積層することにも限られない。例えばメイン基板41でグランドパターン51、52を接続し、この接続点とメイン基板41の裏面の端子45とが接続されるように構成する。そして、前記接続点が当該端子45の近傍に設けられるような構成としてもよい。
11 ヒーター回路
13 ADC
3 発振回路
40 OCXO
41 メイン基板
42 ベース基板
43 ピン
51、52、61、62、63 グランドパターン
58 共通端子
68 外部接地端子
81A、81B 水晶振動子
13 ADC
3 発振回路
40 OCXO
41 メイン基板
42 ベース基板
43 ピン
51、52、61、62、63 グランドパターン
58 共通端子
68 外部接地端子
81A、81B 水晶振動子
Claims (5)
- 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回路と、
前記発振回路と前記グランド端とを接続する第1のグランド用線路と、
前記発振回路の発振部である圧電振動子の温度を一定化するためのヒーター回路と、
前記第1のグランド用線路とは独立して設けられ、その一端が前記ヒーター回路に接続され、その他端が前記第1のグランド用線路におけるグランド端の近傍の接続点、あるいは前記グランド端に接続される第2のグランド用線路と、
を備えたことを特徴とする発振器。 - 前記第2のグランド用線路の両端は、前記第1のグランド用線路におけるグランド端の近傍の接続点と前記ヒーター回路とを各々接続し、
前記接続点から前記グランド端までの線路長さが1mm以下であることを特徴とする請求項1記載の発振器。 - 前記第1のグランド用線路及び前記第2のグランド用線路は、互いに別体の第1の基板及び第2の基板に跨って設けられることを特徴とする請求項1または2記載の発振器。
- 前記第1の基板は、前記第2の基板上に積層されて設けられ、前記接続点及びグランド端は、第2の基板に設けられることを特徴とする請求項3記載の発振器。
- 前記第1の基板は、前記第1のグランド用線路及び前記第2のグランド用線路を構成する支持部材により、前記第2の基板から浮くように設けられることを特徴とする請求項4記載の発振器。
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