JP2015228551A - Surface acoustic wave oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は弾性表面波素子を用いた発振器、特に温度補償が可能な弾性表面波発振器の構成に関する。 The present invention relates to an oscillator using a surface acoustic wave element, and more particularly to a configuration of a surface acoustic wave oscillator capable of temperature compensation.
従来から、携帯電話等の無線通信機器や有線通信機器等には、弾性表面波(Surface acoustic wave:SAW)発振器が広く採用されており、このSAW発振器は、例えば図5に示される構成となっている。
図5(A)において、SAW発振器は、SAW素子1、このSAW素子1からの位相を調整する移相器2及び増幅回路(AMP)3を備え、この増幅回路3の出力をSAW素子1へ帰還させる帰還回路を構成してなる。
Conventionally, surface acoustic wave (SAW) oscillators have been widely used in wireless communication devices such as mobile phones and wired communication devices, and the SAW oscillator has a configuration shown in FIG. 5, for example. ing.
5A, the SAW oscillator includes a SAW element 1, a
図5(B)に示されるように、SAW素子1は、水晶等の圧電性基板に櫛形電極(IDT:Inter Digital Transducer)を形成してなり、中心周波数f1 の周波数帯の信号を通過させるフィルタ特性も有する。 As shown in FIG. 5B, the SAW element 1 has a comb-shaped electrode (IDT: Inter Digital Transducer) formed on a piezoelectric substrate such as quartz, and passes a signal in a frequency band of the center frequency f1. It also has characteristics.
このような構成によれば、上記移相器2は、SAW素子1の出力信号をある固定値の位相φp[rad]だけ進めて(或いは遅らせて)、増幅回路3に出力し、この増幅回路3の出力をSAW素子1へ帰還させることで、発振動作が行われる。
ここで、増幅回路3のゲインをGe[dB]、SAW素子1のゲインをGsaw[dB]、移相器2のゲインをGp[dB]とし、増幅回路3によって位相がφe[rad]進み(或いは遅れる)、SAW素子1によって位相がφsaw[rad]進む(或いは遅れる)とすると、発振条件は次のように表すことができる。
Gsaw+Ge+Gp≧ 0、かつφsaw +φe+φp= 2nπ(nは正数)
According to such a configuration, the
Here, the gain of the
Gsaw + Ge + Gp ≧ 0 and φsaw + φe + φp = 2nπ (n is a positive number)
ところで、上記SAW素子1の位相特性は、温度によって変動することが知られており、この温度による位相変動は、SAW素子1を構成する圧電材料(基板)の種類によってもその変動幅が変わってしまうという問題がある。従って、SAW発振器において温度変動をなくすためには、温度変動の少ない発振用SAW素子1が必要であり、水晶等の温度安定性の優れた圧電材料を用いることが要請される。 By the way, it is known that the phase characteristic of the SAW element 1 varies depending on the temperature. The variation width of the phase variation due to the temperature also varies depending on the type of the piezoelectric material (substrate) constituting the SAW element 1. There is a problem of end. Therefore, in order to eliminate the temperature fluctuation in the SAW oscillator, the oscillation SAW element 1 with a small temperature fluctuation is required, and it is required to use a piezoelectric material having excellent temperature stability such as crystal.
しかしながら、発振用SAW素子1の圧電材料として水晶を用いた場合、電気機械結合係数が小さいために狭帯域発振器しか実現できないという問題があった。
また、発振用SAW素子1の製造のばらつき等により、発振周波数のばらつきが発生し、このために歩留まりも非常に悪いという不都合がある。
However, when quartz is used as the piezoelectric material of the oscillating SAW element 1, there is a problem that only a narrow-band oscillator can be realized because the electromechanical coupling coefficient is small.
In addition, the oscillation frequency varies due to variations in the manufacturing of the oscillation SAW element 1, and thus the yield is very poor.
一方、従来では、上記特許文献1(特開平1−284002号公報)に示されるように、周囲温度を検出する外付けの温度センサを設け、この温度センサで検出された温度変化に応じて、位相調整器にて発振周波数のずれを調整し、確実な温度補償を行うことも開示されている。
しかし、上記のように外付けの温度センサを備えるSAW発振器は、小型化には適さない構造であり、近年の小型携帯用通信機器への採用が困難である。
On the other hand, conventionally, as shown in the above-mentioned Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 1-284002), an external temperature sensor for detecting the ambient temperature is provided, and according to the temperature change detected by this temperature sensor, It is also disclosed that a temperature adjuster is used to adjust the deviation of the oscillation frequency to perform reliable temperature compensation.
However, the SAW oscillator provided with the external temperature sensor as described above has a structure that is not suitable for miniaturization, and is difficult to adopt in recent small portable communication devices.
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度安定性が低い圧電材料からなる発振用弾性表面波素子を用いても、良好な温度補償ができ、また外付け温度センサを用いることなく、装置の小型化が可能となる弾性表面波発振器を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and the object thereof is to achieve good temperature compensation even when using an oscillation surface acoustic wave element made of a piezoelectric material having low temperature stability, and to provide an external temperature. An object of the present invention is to provide a surface acoustic wave oscillator that can be downsized without using a sensor.
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明の弾性表面波発振器は、発振機能を有すると共に、温度変化に基づく周波数変動を信号レベル(振幅)変動に変換する機能を持つ弾性表面波素子と、この弾性表面波素子から得られた信号レベル変動をDC(直流)電圧として出力する検波回路と、この検波回路からの検波出力に基づき、発振信号の位相を調整する温度補償用移相器と、を設け、上記温度補償用移相器の位相制御により発振周波数の温度補償を行うことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a surface acoustic wave oscillator according to claim 1 has an oscillation function and also has a function of converting frequency fluctuations based on temperature changes into signal level (amplitude) fluctuations. And a detection circuit that outputs the signal level fluctuation obtained from the surface acoustic wave element as a DC (direct current) voltage, and a temperature compensation phase shifter that adjusts the phase of the oscillation signal based on the detection output from the detection circuit The temperature compensation of the oscillation frequency is performed by phase control of the temperature compensation phase shifter.
上記の構成によれば、例えば発振用の弾性表面波素子とレベル変換用の弾性表面波素子が設けられ、発振用弾性表面波素子からの出力信号において、温度変化により発振周波数が変動すると、この周波数の変動がレベル(振幅)の変動に変換されて、レベル変換用弾性表面波素子から得られる。このレベル変動は、検波回路にてDC電圧へ変換され、温度補償用移相器では、上記DC電圧により位相が調整されることになり、この結果、発振周波数が温度補償される。 According to the above configuration, for example, the surface acoustic wave element for oscillation and the surface acoustic wave element for level conversion are provided, and in the output signal from the surface acoustic wave element for oscillation, The frequency variation is converted into a level (amplitude) variation and obtained from the surface acoustic wave element for level conversion. This level fluctuation is converted into a DC voltage by a detection circuit, and the phase is adjusted by the DC voltage in the temperature compensation phase shifter. As a result, the oscillation frequency is temperature compensated.
本発明の弾性表面波発振器によれば、温度安定性が低い圧電材料からなる発振用弾性表面波素子を用いた場合でも、温度変化に対する良好な温度補償ができ、温度安定性の高い通信機器が得られる。また、水晶の発振用弾性表面波素子を用いた従来の狭帯域発振器を採用する必要もなく、製造ばらつきが原因の発振周波数のばらつきにも対応することが可能になるという効果がある。
更に、外付けの温度センサを用いないので、装置の小型化が可能であり、小型携帯用通信機器への適用が容易となるという利点がある。
According to the surface acoustic wave oscillator of the present invention, even when an oscillating surface acoustic wave element made of a piezoelectric material having low temperature stability is used, it is possible to perform good temperature compensation for temperature change, and a communication device having high temperature stability can get. Further, there is no need to adopt a conventional narrow band oscillator using a surface acoustic wave element for crystal oscillation, and there is an effect that it is possible to cope with variations in oscillation frequency due to manufacturing variations.
Furthermore, since an external temperature sensor is not used, there is an advantage that the apparatus can be miniaturized and can be easily applied to a small portable communication device.
図1に、実施例の弾性表面波(SAW)発振器の構成が示され、図2に、図1のSAW素子の構成が示されている。
図1に示されるように、SAW発振器は、SAW素子10、温度補償用移相器12、従来と同様の移相器2及び増幅回路(AMP)3をループ状に配置することにより、上記SAW素子10への帰還回路を構成し、かつこのSAW素子10のレベルを検波し、検波出力を上記温度補償用移相器12へ入力する検波回路14を設けてなる。
FIG. 1 shows a configuration of a surface acoustic wave (SAW) oscillator according to the embodiment, and FIG. 2 shows a configuration of the SAW element of FIG.
As shown in FIG. 1, the SAW oscillator includes the
図2に示されるように、実施例のSAW素子10は、従来のSAW素子1と同様の構成の発振用SAW素子10aと、レベル変換用SAW素子10bとからなり、この発振用SAW素子10aは、増幅回路3からの信号を入力し、発振信号を温度補償用移相器12へ出力し、上記レベル変換用SAW素子10bは、上記増幅回路3からの信号を入力し、温度変化に基づく周波数変動を振幅レベル変動に変換したレベル出力を検波回路14へ出力する。
As shown in FIG. 2, the
即ち、上記レベル変換用SAW素子10bは、IDT(櫛型電極)の重み付けを調整(電極形状等を調整)することにより、周波数に対して傾斜を持つ振幅特性となるように設計される。具体的には、図4(C)に示されるように、例えば周波数が高くなる程、振幅レベルが右肩下がりとなる(周波数が高い程、損失が大きくなる)特性に設定する。なお、このレベル変換用SAW素子10bは、温度安定性を有することが必要であるため、圧電材料として温度安定性の優れた水晶を用いるのが好ましい。
That is, the level converting
また、上記移相器2は、従来と同様に、定常状態での周波数を調整し、上記検波回路14は、レベル変換用SAW素子10bから出力されたレベルの変動をDC(直流)電圧へ変換し、上記温度補償用移相器12は、DC電圧に基づき発振用SAW素子10aから入力された発振周波数の位相(移相量)を調整する。
Further, the
図3には、上記温度補償用移相器12の具体的構成が示されており、実施例の移相器12は、入力(IN)端子と出力(OUT)端子との間に、コンデンサC、抵抗R、バリキャップVD、コイルLを図のように接続してなり、端子12aから検波回路14からのDC電圧を入力するように構成される。
FIG. 3 shows a specific configuration of the temperature compensating
実施例は、以上の構成からなり、次にその動作について説明する。
まず、発振ループの増幅回路3からの信号は、発振用SAW素子10aに入力されると共に、分岐される形で、レベル変換用SAW素子10bにも入力される。周囲温度が変化して、発振ループの発振周波数が変動するとき、上記レベル変換用SAW素子10bからの出力レベルが変動する。
The embodiment has the above configuration, and the operation thereof will be described next.
First, a signal from the
図4(A)〜(C)に示されるように、例えば点線と一点鎖線との間の変動の場合、発振周波数の変動fcをレベル変動Acに変換する。即ち、所定の温度から高温へ変化し、図4の特性が実線から点線へ変化した場合、位相が進んで発振ループの発振周波数は、低帯域へシフトする。一方、レベル変換用SAW素子10bの出力レベルは図4(C)のように上昇する。この上昇した電圧が、検波回路14でDC電圧へ変換された後、温度補償用移相器12に供給されることで、位相が制御され、発振周波数が高域側にシフトし、温度補償される。逆に、低温へ変化し、図の実線から一点鎖線へ変化した場合は、発振周波数は高帯域へシフトし、レベル変換用SAW素子10bの出力レベルは低下するが、DC電圧によって位相が制御されることで、発振周波数が低域側にシフトし、温度補償される。
As shown in FIGS. 4A to 4C, for example, in the case of a fluctuation between a dotted line and a one-dot chain line, the fluctuation fc of the oscillation frequency is converted into a level fluctuation Ac. That is, when the temperature changes from a predetermined temperature to a high temperature and the characteristic shown in FIG. 4 changes from a solid line to a dotted line, the phase advances and the oscillation frequency of the oscillation loop shifts to a low band. On the other hand, the output level of the level converting
実施例の構成によれば、以下の利点がある。
(1)発振用SAW素子10aとして低損失広帯域素子の使用が可能であり、温度安定性の良い広帯域発振器が得られる。なお、広帯域発振器としては、SAW発振器以外に誘電体発振器があり、これと比較しても、従来のSAW発振器は、温度安定性が低いという弱点があるが、この弱点が解消される。
(2)外付けの温度センサが不要であり、また発振用SAW素子10aとレベル変換用SAW素子10bを同一パッケージ内に搭載することで、小型化を図ることができる。なお、レベル変換用SAW素子10bの出力は小信号でよいため、このレベル変換用SAW素子10bの損失が発振器性能へ影響を与えることはない。
(3)発振用SAW素子10aの製造ばらつきによる歩留まりの影響を簡単な調整で回避できる。即ち、移相器2,12の移相量調整により周波数調整が可能であり、実装での調整を不要とすることができる。また、定数調整若しくは可変素子使用で対応することも可能である。
(4)発振ループの損失が少ないため、高利得の増幅回路が不要で、飽和レベルを高く設定できる。
The configuration of the embodiment has the following advantages.
(1) A low-loss broadband device can be used as the
(2) An external temperature sensor is not required, and the
(3) The influence of yield due to manufacturing variations of the
(4) Since the loss of the oscillation loop is small, a high gain amplifier circuit is unnecessary and the saturation level can be set high.
なお、実施例では、定常状態での周波数を調整する役割の移相器2を設けているが、温度補償用移相器12にて移相器2の役割も兼ねることも可能である。
また、実施例では、ループ状の発振構成としたが、SAW素子を共振子として使用したループ状でない発振構成に適用することも可能である。
In the embodiment, the
In the embodiment, the loop oscillation configuration is used. However, the present invention can be applied to a non-loop oscillation configuration using a SAW element as a resonator.
1,10…SAW(弾性表面波)素子、
2…移相器、 3…増幅回路(AMP)、
10a…発振用SAW素子、
10b…レベル変換用SAW素子
12…温度補償用移相器、
14…検波回路。
1,10 ... SAW (surface acoustic wave) element,
2 ...
10a: SAW element for oscillation,
10b ... Level
14: Detection circuit.
Claims (1)
この弾性表面波素子から得られた信号レベル変動をDC電圧として出力する検波回路と、
この検波回路からの検波出力に基づき、発振信号の位相を調整する温度補償用移相器と、を設け、
上記温度補償用移相器の位相制御により発振周波数の温度補償を行う弾性表面波発振器。 A surface acoustic wave element having an oscillation function and a function of converting frequency fluctuations based on temperature changes into signal level fluctuations;
A detection circuit that outputs a signal level variation obtained from the surface acoustic wave element as a DC voltage;
A temperature compensation phase shifter for adjusting the phase of the oscillation signal based on the detection output from the detection circuit;
A surface acoustic wave oscillator that performs temperature compensation of an oscillation frequency by phase control of the temperature compensation phase shifter.
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