JP2015201840A - 発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力周波数について高い安定度を有したＯＣＸＯを提供すること。【解決手段】ＯＣＸＯである発振装置１Ａにおいて、第２の容器４２内部にういた状態で支持された第１の容器４１内部に水晶振動子１０、２０、発振回路１、２、温度検出部５３及びヒータ回路５０を設けると共に、ヒータ回路５０に供給される電源電圧を安定化するための電圧安定化回路６を、第２の容器４２内部にて前記第１の容器４１から離間して設ける。従ってヒータ回路５０に供給される電源電圧が安定化し、また電圧安定化回路６がヒータ回路５０の発熱の影響を受けにくいので、結果として環境温度にかかわらず安定した発振周波数の出力が得られる。【選択図】図２

Description

本発明は、振動子例えば水晶振動子が置かれる温度を検出し、温度検出結果に基づいて出力周波数の安定化を行う発振装置に関する。

例えば水晶振動子を用いた発振装置として、恒温槽付き発振装置であるＯＣＸＯ（Oven Controlled Xtal Oscillator）は、水晶振動子が置かれる雰囲気をヒータにより一定の温度に加熱し、これにより水晶振動子の温度が外部の温度変化に左右されないように構成されている。そしてヒータの温度制御の高精度化を目指した技術として、二つの水晶振動子を温度センサーとして用い、二つの水晶振動子の周波数差を利用して計算した温度検出値に相当する信号値を求め、この信号値に基づいてヒータの出力電力を制御する手法が知られている（特許文献１）。

一方、発振装置の温度に対する周波数、例えば基地局から端末に電波を送信するシステムにおいては、基地局だけでなく中継局においても、より一層高い安定性が要求されている。特許文献２には、電圧レギュレータを用いて温度補償型水晶発振器１を駆動することが記載されているが、本発明の構成については記載されていない。

特開２０１３−５１６７６号 特開２０００−２６１２４８号

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、ヒータ回路を用いて振動子が置かれる雰囲気の温度安定化を図る発振装置において、ヒータ回路の発熱量を安定化させて安定した発振周波数を出力できる技術を提供することにある。

本発明の発振装置は、
振動子に接続された発振回路と、前記振動子が置かれる雰囲気の温度を一定化するためのヒータ回路と、を備えた発振装置において、
第１の容器内に当該第１の容器の内壁から浮いた状態で第１の支持部材により支持された第１の基板と、
この第１の基板に各々設けられた、振動子、発振回路、前記第１の容器内の温度を検出するための温度検出部、この温度検出部の温度検出値により供給電力が制御されるヒータ回路と、
前記第１の容器を、その内部空間に収容すると共にその内壁から浮いた状態で支持部を介して支持する第２の容器と、
前記第２の容器内にて前記第１の容器から離間して設けられ、前記ヒータ回路に供給する電源電圧を安定化するための電圧安定化回路と、を備えたことを特徴とする。

本発明は、ＯＣＸＯにおいて、第２の容器内に浮いた状態で支持された第１の容器内に振動子、発振回路、温度検出部及びヒータ回路を設けると共に、ヒータ回路に供給する電源電圧を安定化するための電圧安定化回路を、第２の容器内にて前記第１の容器から離間して設けている。従ってヒータ回路に供給される電圧が安定化し、また電圧安定化回路がヒータ回路の発熱の影響を受けにくいので、結果として環境温度にかかわらず安定した発振周波数の出力が得られる。

本発明に係る発振装置の全体構成を示すブロック図である。 上記の発振装置の一部の回路の詳細を示すブロック図である。 周辺機器の温度変化と発振装置の発振周波数の変動率との関係を模式的に示す周波数特性図である。 発振装置の構成を示す縦断側面図である。 前記発振装置の要部を示す上面概略図である。 本発明の発振装置と比較例である発振装置との実験結果を示したグラフである。

図１は本発明の実施形態に係る発振装置１Ａの全体を示すブロック図である。発振装置１Ａには、第１の水晶振動子１０、第２の水晶振動子２０と、これらの水晶振動子を発振させる第１の発振回路１、第２の発振回路２が含まれる。第１の発振回路１、第２の発振回路２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１、第２の発振回路２の後段側には、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路部２００及びＤＳＰ（Digital Signal Processor）ブロック５が設けられている。ＰＬＬ回路部２００は、図１ではブロックとして略記しているが、図２に示すようにＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）２０１を含む回路から構成されている。ＤＤＳ２０１の動作クロックは、第１の発振回路１から出力される発振出力を用いている。ＤＤＳ２０１に入力される設定周波数に対応するディジタル値は、後述の加算部５８から出力される値である。

ＤＤＳ２０１から出力される周波数信号は、位相比較器２０２の一方の入力端に入力される。後述の電圧制御発振器２０５から出力される周波数信号は、分周器２０６にて分周され、位相比較器２０２の他方の入力端に入力される。位相比較器２０２は、両者の周波数信号の位相の差分を検出してチャージポンプ２０３に入力される。チャージポンプ２０３からの出力はループフィルタにより積分され、その積分値が電圧制御発振器２０５に制御電圧として入力される。即ち、ＰＬＬ回路部２００は、ＤＤＳ２０１にて参照周波数となる周波数信号を生成し、この基準の周波数信号を用いてＰＬＬを構成していることになる。

ＤＳＰブロック５は、温度検出部５３、ＰＩ演算部５４、ＰＷＭ（Pulse with Modulation）部５５、１次補正部５６、９次補正部５７及び加算部５８を含んでいる。温度検出部５３は、第１の発振回路１からの発振出力ｆ１及び第２の発振回路２からの発振出力ｆ２の差分（ｆ１−ｆ２）に応じたディジタル値ΔＦを演算する。ΔＦは水晶振動子１０及び２０が置かれている雰囲気の温度に対応する値であることから、ΔＦは温度検出値ということができる。温度検出部５３の後段には、図示していないが、温度検出値ΔＦが設定温度からどれだけ離れているかについて、演算する回路が設けられており、この回路は例えば温度検出値と設定温度との差分を求める。ＰＩ演算部５４は、この差分値をＰＩ（微分、積分）してＰＷＭ部５５に入力される。ＰＷＭ部５５は、ＰＩ演算部５４から出力されるディジタル値をアナログ信号に変換するためのものである。従ってＰＷＭ部５５に代えてＤ／Ａ（ディジタル／アナログ）部を用いてもよい。

ＰＷＭ部５５の後段には、ヒータ回路５０が設けられ、ヒータ回路５０の出力はＰＷＭ部５５の出力により制御される。ヒータ回路５０は、後述するように第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０の近傍に設けられる。ヒータ回路５０はパワートランジスタを備え、電圧安定化回路６からパワートランジスタのコレクタに電圧が供給される。そしてＰＷＭ部５５からの制御電圧によりパワートランジスタのベース電圧が制御されてパワートランジスタの供給電力が調整される。従って、ＰＩ演算部５４の出力は、ヒータ回路５０を制御するための制御信号ということができる。

そしてＰＩ演算部５４の出力であるディジタル値は、水晶振動子１０、２０の発振周波数の変化に応じて変化することから、水晶振動子１０、２０が置かれている雰囲気の温度に対応する値でもある。このため、ＰＩ演算部５４の出力を１次補正部５６に入力し、一次補正部５６においては、ＰＩ演算値に係数を乗算し、その乗算値を後述の周波数設定値の補正値としている。

一方、温度検出部５３にて得られた既述のΔＦは、９次補正部５７に入力される。９次補正部５７では、温度検出値ΔＦに基づいて９次の温度特性曲線から、周波数設定値に対する周波数補正値を算出する。この周波数補正値は、ＤＤＳ２０１の動作クロックの周波数が温度により変化しようとする変動分を補償するためのものである。この例では、第１の水晶振動子１０における周波数と温度との関係を９次関数で近似している。ここで図１中、符号７で示される部位は、レジスタである。このレジスタ７には外部メモリ８２から読み出された周波数設定値がディジタル値として書き込まれており、この周波数設定値は加算部５８に出力される。加算部５８では、この周波数設定値に９次補正部５７からの補正値と１次補正部５６からの補正値とが加算される。

９次補正部５７からの補正値により、第１の水晶振動子１０の発振周波数について、温度変動に対応する変化分が補正されることになる。しかしＰＬＬ回路部２００やＤＤＳ２０１などの周辺機器についても温度により特性が変わることから、９次補正部５７からの補正値だけでは、電圧制御発振器２０５から得られる発振周波数の温度補償を高精度に行うことはできない。そこで、周辺機器の特性が温度により変化する分を補償するために、１次補正部５６にて得られた補正値を加算部５８にて周波数設定値に加算している。

図３は、１次補正部５６による設定周波数の補正の役割を概略的に示すグラフであり、縦軸に電圧制御発振器２０５の出力周波数の変動率を取り、横軸に外気温をとったグラフである。点線ａは、周辺機器の特性が温度により変化することに起因する電圧制御発振器２０５の出力周波数の変動率（基準温度における出力周波数とそのときの温度における出力周波数との差分を基準温度における出力周波数で割った値）を示している。鎖線ｂは、一次補正部５６から外気温に対応する周波数補正値を出力したときにおける、電圧制御発振器２０５の出力周波数の変動率を示している。このグラフから分かるように、点線ａと鎖線ｂとが相殺され、周辺機器の特性が温度により変化しても、電圧制御発振器２０５の出力周波数は安定する。

こうして加算部５８からの出力値が最終的に周波数設定値となり、ＰＬＬ回路部２００のＰＬＬにおける参照周波数を決定することになる。ＤＳＰブロック５、ＰＬＬ回路部２００、レジスタ７、及び分周器２０６は一つの集積回路部（ＬＳＩ）３００内に形成されている。また外部メモリ８２には発振装置１Ａを動作させるための各パラメータが格納されており、例えば発振装置１Ａの電源立ち上げ時に発振装置１Ａ内のレジスタ７内に当該パラメータが読み込まれる。

以上述べたように、ＯＣＸＯである発振装置１ＡはＴＣＸＯとしても構成されており、ヒータ回路５０の作用と温度検出値に基づく周波数補正とによる二重の温度対応が行われた、高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。

更に、発振装置１Ａは、ＬＤＯ（低電圧ドロップアウトレギュレータ）からなる電圧安定化回路６を備えている。外部の電源６０からの電圧は電圧安定化回路６により安定化され、当該安定化された電圧は、ＬＳＩ３００及びヒータ回路５０に供給される。

図４は発振装置１Ａ全体の縦断側面図であり、図５は発振装置１Ａにおける後述する第４の基板３４の上面概略図である。これらの図を用いて発振装置１Ａの立体構成について説明する。

発振装置１Ａは、外容器に相当する例えば角型の第２の容器４２を備えている。第２の容器４２の内部には、第２の容器４２の底部から上方に伸び出す支持部である導電性のピン６２により、第２の基板３２が浮いた状態にて支持されている。第２の基板３２からは支持部である導電性のピン６３が上方に向かって伸び出しており、導電性のピン６３により内容器に相当する第１の容器４１が支持されている。即ち、第１の容器４１は第２の基板３２から浮いた状態で支持されていることになる。

第１の容器４１の内部には、第１の容器４１の底部から上方に伸び出す支持部である導電性のピン６４により、第１の基板３１が浮いた状態にて支持されている。第１の基板３１において、第２の基板３２が配置されている側の面とは反対側の面を上面（一面）と呼ぶことにすると、第１の基板３１の中央部の上面側（一面側）及び下面側（他面側）に夫々水晶振動子１０及び２０が設けられている。第１の基板３１の上面側には、更に複数のヒータ回路５０が第１の水晶振動子１０を取り巻くように、ピン６４群の内側に設けられ、ヒータ回路５０の群より外側に、第３の水晶振動子１００が設けられている。第３の水晶振動子１００は、電圧制御発振器２０５に含まれる水晶振動子である。

第１の基板３１の下面側には、ヒータ回路５０の群と対応する位置よりも内側に、ＬＳＩ３００が設けられている。また、ヒータ回路５０の群と対応する位置から離間した位置に、ループフィルタ２０４及び外部メモリ８２が設けられている。
また、電圧安定化回路６は、第２の基板３２における下面（第１の容器４１と対向する面とは反対側の面に設けられている。

このような構成の発振装置においては、外部温度が第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０の周波数差に対応する値ΔＦとして検出され、このΔＦに基づいてヒータ回路５０の出力電力が制御され、第１の水晶振動子１０の温度が設定温度に維持されようとする。またΔＦに基づいて、ＰＬＬ回路部２００内の参照クロックの周波数に対応する設定値が補正される。更にヒータ回路部５０の制御値に相当するＰＩ演算部５４の出力値に基づいて既述のようにして前記設定値が更に補正される。

そして電源６０の電源電圧が変動しても、電圧安定回路６により電圧が安定化され、安定化した電圧がヒータ回路５０やＰＬＬ回路部２００やＤＳＰブロック５に供給される。

上述した実施形態においては、ＯＣＸＯである発振装置１Ａにおいて、第２の容器４２内部に浮いた状態にて支持された第１の容器４１内部に水晶振動子１０、２０、発振回路１、２、温度検出部５３及びヒータ回路５０を設けると共に、ヒータ回路５０に供給される電源電圧を安定化するための電圧安定化回路６を、第２の容器４２内部にて第１の容器４１から離間した位置に設けている。従って、ヒータ回路５０に供給される電圧が安定化する。そして電圧安定化回路６がヒータ回路５０の発熱の影響を受けにくいことから、結果として発振装置１Ａが置かれた環境温度にかかわらず安定した発振周波数の出力を得ることができる。

上述の実施形態においては、電圧安定化回路６にて安定化された電圧は、ヒータ回路５０の群及びＬＳＩ３００の双方に供給されるものとしてきたが、ヒータ回路５０の群に電圧の供給を行う回路とＬＳＩ３００に電圧の供給を行う回路を別としてもよい。この場合、ヒータ回路５０の群に電圧を供給する回路のみに電圧安定化回路６を設ける構成としてもよい。

またさらに、上述の実施形態においては、ヒータ回路５０の群に安定化された電圧を供給するために電圧安定化回路６を用いるものとしてきたが、電圧安定化回路６の代替として、スイッチング電源を用いてもよい。
また第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０は、第１の基板３１の上面側に設けた共通の水晶振動子収納用の容器内に配置してもよいし、あるいは、共通の水晶振動片に領域を分けて、夫々の領域に第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０を形成しても良い。

上述の実施形態においては、水晶振動子を複数用いて周波数差を計測することにより温度を検出するものとしてきたが、これらの水晶振動子の代替として、サーミスタを用いて温度を検出するように構成しても同様の効果が得られる。
更に本発明の発振装置は、図１の回路構成に限られるものではなく、例えば加算部５８の後段のＰＬＬ回路部２００に代えて、電圧制御発振器を用いたものであってもよい。この場合には、加算部５８の出力は、当該電圧制御発振器の制御電圧として使用される。

図６は、本発明の効果を確認するために行った試験の結果を示している。図１の回路において、電圧制御発振器２０５の出力周波数を２０ＭＨｚに設定し、電源電圧を矩形状に±１％変化させた。図１では、縦軸に電圧制御発振器２０５の出力周波数の変動率をとり、横軸に経過時間をとっているが、理解を容易にするために、電圧の推移を実線ａにより重ねて表示している。点線ｂは、電圧安定化回路６を設けない場合の特性、鎖線ｃは、上述の実施形態を用いた場合の特性を示している。電圧安定化回路６を設けない場合には、周波数変動が最大±０．５ｐｐｂであるが、上述実施形態においては、周波数変動が最大±０．１ｐｐｂである。従って上述実施形態によれば、出力周波数の安定化が図られることが理解される。

１Ａ 発振装置
１ 第１の発振回路
２ 第２の発振回路
１０ 第１の水晶振動子
２０ 第２の水晶振動子
５ ＤＳＰブロック
５３ 温度検出部
５５ ＰＷＭ部
５６ 一次補正部
５０ ヒータ回路
６ 電圧安定化回路
７ レジスタ
８２ 外部メモリ
１００ 水晶振動子（ＶＣＸＯ）
２００ ＰＬＬ回路部
３００ 集積回路部（ＬＳＩ）
３１ 第１の基板
３２ 第２の基板
４１ 第１の容器
４２ 第２の容器

Claims (4)

1. 振動子に接続された発振回路と、前記振動子が置かれる雰囲気の温度を一定化するためのヒータ回路と、を備えた発振装置において、
   第１の容器内に当該第１の容器の内壁から浮いた状態で第１の支持部材により支持された第１の基板と、
   この第１の基板に各々設けられた、振動子、発振回路、前記第１の容器内の温度を検出するための温度検出部、この温度検出部の温度検出値により供給電力が制御されるヒータ回路と、
   前記第１の容器を、その内部空間に収容すると共にその内壁から浮いた状態で支持部を介して支持する第２の容器と、
   前記第２の容器内にて前記第１の容器から離間して設けられ、前記ヒータ回路に供給する電源電圧を安定化するための電圧安定化回路と、を備えたことを特徴とする発振装置。
2. 前記電圧安定化回路は、前記支持部に支持されている第２の基板に設けられていることを特徴とする請求項１記載の発振装置。
3. 前記電圧安定化回路は、前記第２の基板において前記第１の容器とは反対側の面に設けられていることを特徴とする請求項２記載の発振装置。
4. 前記温度検出部の温度検出値と温度設定値との差分を前記ヒータ回路の制御値として用いると共に、この差分に係数を乗じた値を、発振装置の周波数設定値の補正値として用いるように構成したことを特徴とする請求項１記載の発振装置。

Images