JP2016082472A - 発振器及びそのキャリブレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度特性を補償する発振器を提供する。【解決手段】水晶振動子と、水晶振動子に接続される第１制御端子及び第２制御端子と、予め定められた温度を検出し、第１温度信号を生成する第１温度検出回路と、第１温度信号に基づき、第１制御端子に入力され、水晶振動子の発振周波数を制御する第１制御信号を生成する温度補償信号生成部と、水晶振動子の発振周波数を制御する周波数制御信号に基づき、第２制御端子に入力され、水晶振動子の発振周波数を制御する第２制御信号を生成する可変ゲイン増幅器と、予め定められた温度を検出し、第２温度信号を生成する第２温度検出回路と、第２温度信号に基づき、可変ゲイン増幅器のゲインを制御するゲイン調整信号を生成するゲイン調整信号生成部とを備える発振器を提供する。【選択図】図８

Description

本発明は、発振器及びそのキャリブレーション方法に関する。

近年、携帯電話の基地局やＳｔｒａｔｕｍ３仕様を要求される伝送装置では周波数安定度がより高精度な発振器（例えばＳｔｒａｔｕｍ３では±０．２８ｐｐｍ以内）が要求される。周波数安定度の要求レベルは更に高くなり、恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ：Ｏｖｅｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）と同等の安定度を求められるケースもある。

これらの用途において基準クロック源として使用されている温度補償型水晶発振器は、電圧制御型発振器の制御信号によって水晶振動子又は圧電振動子が持つ温度特性を制御することで、温度に対する水晶発振周波数の変化を小さくする。例えば、切断角度で切り出される水晶からなる水晶振動子（ＡＴカット）の温度特性は、３次関数で近似され、その温度特性を打ち消すような制御信号を発生させ、温度補償を行っている。また、オフセット周波数と温度特性の経年変化を調整するために、周波数制御（ＡＦＣ：Ａｕｔｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）を行う場合がある。この場合、一般的に、ＡＦＣ制御信号は外部から入力され、その入力電圧は温度に依らない。
特許文献１ 国際公開第２０１１／０７７７０５号

一般的に、ＡＦＣ入力を０にして温度補償調整を行う。その後、オフセット周波数調整のためＡＦＣを行う。ＡＦＣで発生するオフセット周波数が温度に依らず一定であれば、ＡＦＣ時に温度補償精度は劣化しない。しかし実際には、発振器の等価容量が温度によって異なり、発振器感度に温度特性をもつため、ＡＦＣ時の温度補償精度は劣化する。温度補償は、発振器の等価容量に温度特性をもたせて実現していることから、ＡＦＣ時に温度補償精度を劣化しないようにするのは難しい。

本発明の第１の態様においては、水晶振動子と、水晶振動子に接続される第１制御端子及び第２制御端子と、予め定められた温度を検出し、第１温度信号を生成する第１温度検出回路と、第１温度信号に基づき、第１制御端子に入力され、水晶振動子の発振周波数を制御する第１制御信号を生成する温度補償信号生成部と、水晶振動子の発振周波数を制御する周波数制御信号に基づき、第２制御端子に入力され、水晶振動子の発振周波数を制御する第２制御信号を生成する可変ゲイン増幅器と、予め定められた温度を検出し、第２温度信号を生成する第２温度検出回路と、第２温度信号に基づき、可変ゲイン増幅器のゲインを制御するゲイン調整信号を生成するゲイン調整信号生成部とを備える発振器を提供する。

本発明の第２の態様においては、周波数制御信号として予め定められた一定値を入力し、水晶振動子の発振周波数が予め定められた発振周波数に一致するような第１制御信号を各温度において第１制御端子に入力した状態で、周波数制御信号に対応し、目標となる発振周波数に、水晶振動子の発振周波数が一致するようなゲイン調整信号を可変ゲイン増幅器に入力し、各温度においてゲイン調整信号生成部から出力されるゲイン調整信号を測定し、出力されるゲイン調整信号と、入力されたゲイン調整信号が、各温度において一致するようにゲイン調整信号生成部の設定値を調整する発振器の調整方法を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

従来の発振器１００の構成例を示す。 近似ｎ次関数生成回路２０の構成例を示す。 第１ゲイン可変回路３０の構成例を示す。 オフセット周波数調整時における周波数の温度特性の理想的な値を示す。 オフセット周波数調整時における周波数の温度特性の実際の値を示す。 発振器１００の発振周波数ｆと等価容量Ｃ_ＣＬとの関係を示す。 発振器２００の構成例を示す。 発振器２００の具体的な構成例を示す。 第２ゲイン可変回路６０の構成例を示す。 ゲイン調整信号生成部８０及び第２温度検出回路９０の構成例を示す。 ゲイン調整信号生成部８０及び第２温度検出回路９０の構成例を示す。 発振器３００の構成例を示す。 第１ゲイン可変回路３０、第２ゲイン可変回路６０、及びゲイン増幅回路１１０の構成例を示す。 発振器４００の構成例を示す。 ゲイン調整信号生成部１２０及び第２温度検出回路９０の構成例を示す。 温度補償調整シーケンスの一例を示す。 ゲイン温度特性調整シーケンスの一例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、従来の発振器１００の構成例を示す。発振器１００は、発振部１０、近似ｎ次関数生成回路２０及びゲイン可変回路３０を備える。

発振部１０は、近似ｎ次関数生成回路２０及びゲイン可変回路３０から入力された第１制御信号Ｖ１及び第２制御信号Ｖ２に応じた周波数で発振する。発振部１０は、水晶振動子ＳＳ、帰還抵抗Ｒ、増幅器Ａ、第１制御素子１１、第２制御素子１２、第１制御端子１３及び第２制御端子１４を有する。

近似ｎ次関数生成回路２０は、発振部１０の温度特性を一定にするために、第１制御信号Ｖ１を第１制御端子１３に出力する。一般的に、水晶振動子ＳＳの周波数は、環境温度の変化に応じて変動する。例えば、水晶振動子ＳＳの周波数は、環境温度の変化により、予め定められた基準周波数から第１周波数オフセットだけずれる。この場合、第１制御信号Ｖ１は、第１周波数オフセットを補償するように決定される。

例えば、近似ｎ次関数生成回路２０は、第１制御信号Ｖ１として、環境温度に応じた第１補正値を決定する。ここで、第１補正値とは、第１周波数オフセットで動作すべく、第２制御信号Ｖ２が入力された発振部１０の温度特性を一定とするような補正値である。第１補正値は、予め定められた温度毎に測定されてよい。なお、本例の環境温度は、近似ｎ次関数生成回路２０の温度であるが、発振器１００の内部のいずれかの環境温度、もしくは、発振器１００の外部の温度であってもよい。

本明細書において、「温度特性」とは、温度の変化に対する発振部１０の発振周波数特性を示す。また、「温度特性が一定」とは、温度の変化によらず発振周波数が略一定となることを示す。また、「略一定」とは、近似ｎ次関数生成回路２０による補正前に比べて、発振部１０の発振周波数の変動が９０％程度減少することを指してよい。

第１ゲイン可変回路３０は、入力された周波数制御信号に応じて発振部１０の発振周波数を調整する。周波数制御信号は、発振部１０の目標とする発振周波数に応じた信号である。例えば、本例の周波数制御信号は、外部より入力された入力電圧Ｖ_ｉｎである。第１ゲイン可変回路３０は、入力電圧Ｖ_ｉｎを増幅した第２制御信号Ｖ２を生成する。第２制御信号Ｖ２は、第２制御端子１４を介して第２制御素子１２に入力され、発振部１０の発振周波数を制御する。

水晶振動子ＳＳは、水晶パラメータ及び発振器パラメータに応じた発振周波数で振動する。水晶振動子ＳＳの入力端子Ｖａ及び出力端子Ｖｂは、第１制御素子１１及び第２制御素子１２にそれぞれ接続される。

帰還抵抗Ｒは、水晶振動子ＳＳと並列に接続される抵抗である。帰還抵抗Ｒは、水晶振動子ＳＳの出力端子Ｖｂ側から、信号を水晶振動子ＳＳの入力端子Ｖａに帰還させて、水晶振動子ＳＳの入力と出力のＤＣ動作点を定める。

増幅器Ａは、水晶振動子ＳＳと並列に接続されて、負性抵抗を発生し、水晶振動子ＳＳの振動を継続させる。例えば、増幅器Ａは、ＣＭＯＳインバータにより構成される。

第１制御素子１１は、近似ｎ次関数生成回路２０の出力する第１制御信号Ｖ１に基づいて、水晶振動子ＳＳの発振周波数を制御する。第１制御素子１１は、入力された電圧に応じて容量が変化する第１可変容量素子ＭＡ１及び第１可変容量素子ＭＢ１を備える。

第１可変容量素子（ＭＡ１、ＭＢ１）は、それぞれＭＯＳトランジスタで構成される。第１可変容量素子ＭＡ１において、ゲート端子が第１制御端子１３を介して近似ｎ次関数生成回路２０に、ソース端子が水晶振動子ＳＳの入力端子Ｖａに接続される。第１可変容量素子ＭＢ１において、ゲート端子が第１制御端子１３を介して近似ｎ次関数生成回路２０に、ソース端子が水晶振動子ＳＳの出力端子Ｖｂに接続される。第１可変容量素子（ＭＡ１、ＭＢ１）のゲート端子には、近似ｎ次関数生成回路２０から第１制御信号Ｖ１が入力される。

第２制御素子１２は、第１ゲイン可変回路３０の出力する第２制御信号Ｖ２に基づいて水晶振動子ＳＳの発振周波数を制御する。第２制御素子１２は、入力された電圧に応じて容量が変化する第２可変容量素子ＭＡ２及び第２可変容量素子ＭＢ２を備える。

第２可変容量素子（ＭＡ２、ＭＢ２）は、それぞれＭＯＳトランジスタで構成される。第２可変容量素子ＭＡ２において、ゲート端子が第２制御端子１４を介して第１ゲイン可変回路３０に、ソース端子が水晶振動子ＳＳの入力端子Ｖａに接続される。第２可変容量素子ＭＢ２において、ゲート端子が第２制御端子１４を介して第１ゲイン可変回路３０に、ソース端子が水晶振動子ＳＳの出力端子Ｖｂに接続される。第２可変容量素子（ＭＡ２、ＭＢ２）のゲート端子には、第１ゲイン可変回路３０から第２制御信号Ｖ２が入力される。

可変容量素子（ＭＡ１、ＭＡ２、ＭＢ１、ＭＢ２）を構成するＭＯＳトランジスタのバルクには基準電圧（例えば接地電位）が印加される。本例の可変容量素子（ＭＡ１、ＭＡ２、ＭＢ１、ＭＢ２）を構成するＭＯＳトランジスタのドレイン端子は接続対象を持たないが、ドレイン端子をソース端子と接続してよい。

なお、本例の発振部１０は、４つの可変容量素子（ＭＡ１、ＭＡ２、ＭＢ１、ＭＢ２）を備えることにより、水晶振動子ＳＳの発振周波数を調整した。しかしながら、発振部１０は、少なくとも１つの可変容量素子を有すれば、水晶振動子ＳＳの発振周波数を調整できる。例えば、発振部１０は、入力端子Ｖａに接続された２つの可変容量素子（ＭＡ１、ＭＡ２）を有するが、出力端子Ｖｂに接続された２つの可変容量素子（ＭＢ１、ＭＢ２）を有さない構成であってよい。更には、２つの可変容量素子（ＭＡ１、ＭＡ２）、（ＭＢ１、ＭＢ２）を共通化し、第１制御信号Ｖ１と第２制御信号Ｖ２を加算した制御信号を入力とする構成をとってもよい。

図２は、近似ｎ次関数生成回路２０の構成例を示す。近似ｎ次関数生成回路２０は、第１温度検出回路５０及び温度補償信号生成部４０を備える。

第１温度検出回路５０は、発振器１００において予め定められた部分の環境温度を検出する。本例の環境温度は、近似ｎ次関数生成回路２０の温度である。例えば、第１温度検出回路５０は、第１温度信号として、第１温度センサ電圧Ｖ_{ｔｓｅｎｓ}を生成する。第１温度センサ電圧Ｖ_{ｔｓｅｎｓ}は、温度補償信号生成部４０に入力される。

温度補償信号生成部４０は、入力された第１温度センサ電圧Ｖ_{ｔｓｅｎｓ}に基づいて、第１制御信号Ｖ１を生成する。温度補償信号生成部４０は、関数生成部４１及び電圧加算器４２を備える。

関数生成部４１は、発振部１０が予め定められた発振周波数で発振するような第１制御信号Ｖ１を生成するために、複数次の関数を生成する。関数生成部４１は、１次成分発生回路４１ａ、２次成分発生回路４１ｂ、３次成分発生回路４１ｃ、４次成分発生回路４１ｄ及び５次成分発生回路４１ｅを備える。関数生成部４１は、１次成分発生回路４１ａ〜５次成分発生回路４１ｅの全てを備える必要はなく、少なくとも１次成分発生回路４１ａ〜５次成分発生回路４１ｅのいずれか一つを備えていればよい。

１次成分発生回路４１ａ〜５次成分発生回路４１ｅには、それぞれ第１温度センサ電圧Ｖ_{ｔｓｅｎｓ}が入力される。１次成分発生回路４１ａ〜５次成分発生回路４１ｅは、第１温度センサ電圧Ｖ_{ｔｓｅｎｓ}を次数に応じてべき乗し、且つ、正または負の値の予め定められた係数を乗算した電圧を生成する。１次成分発生回路４１ａ〜５次成分発生回路４１ｅにおける各係数は、温度毎に生成すべき第１補正値により定められる。なお、１次成分発生回路４１ａ〜５次成分発生回路４１ｅにおける各係数は可変に設定される。これにより、第１温度検出回路５０が検出した環境温度と、第１制御信号Ｖ１との関係が可変に設定できる。

電圧加算器４２は、関数生成部４１が生成した各次数の信号を加算する。これにより、電圧加算器４２が出力する信号は、１次から５次までの任意の次数を有する温度依存の第１制御信号Ｖ１となる。

図３は、第１ゲイン可変回路３０の構成例を示す。第１ゲイン可変回路３０は、オペアンプ３１、抵抗３２及び可変帰還抵抗３３を備えることにより、反転増幅回路を構成する。即ち、オペアンプ３１の反転入力端子は、抵抗３２の一端に接続され、オペアンプ３１の反転入力端子と出力端子には、オペアンプ３１と並列に可変帰還抵抗３３が接続される。第１ゲイン可変回路３０は、入力電圧Ｖ_ｉｎを任意のゲインで増幅した第２制御信号Ｖ２を、第２制御端子１４に出力する。

図４及び図５は、オフセット周波数調整時における周波数の温度特性の理想的な値（図４）と実際の値（図５）を示す。横軸は温度を、縦軸は周波数ｆを示す。本例では、基準周波数をｆ_０として、第１周波数オフセットのオフセット量を０とする。また、第２周波数オフセットによってオフセットされた周波数をｆ_１とする。つまり、ｆ_０は、オフセットの調整がされていない状態（ＶＡＦＣセンター時）の周波数を示す。オフセットとは、ＶＡＦＣセンター時の基準周波数からの変化量を指す。ＶＡＦＣとは、ＡＦＣ用の電圧を指す。例えば、ＶＡＦＣは、第１ゲイン可変回路３０に入力される入力電圧Ｖ_ｉｎである。

図４は、オフセット調整後の理想的な周波数の温度特性を示す。発振器１００は、近似ｎ次関数生成回路２０が出力する第１制御信号Ｖ１により、発振部１０の発振周波数が温度によらずｆ_０で一定となるように調整する。つまり、発振部１０の温度特性が一定となるような第１制御信号Ｖ１を検出する。そして、第１ゲイン可変回路３０からの第２制御信号Ｖ２によって発振周波数ｆをｆ_０からｆ_１に変更した場合も、上述した第１制御信号Ｖ１により発振部１０を制御する。理想的には、発振周波数がｆ_１に変化した場合であっても、図４に示すように、温度（Ｔ_ａ、Ｔ_０、Ｔ_ｂ）のいずれにおいても、周波数の変化量（ΔｆＬ_ａ、ΔｆＬ_０、ΔｆＬ_ｂ）がそれぞれ等しくなり、発振部１０の発振周波数の温度特性がｆ_１で一定となることが好ましい。

図５は、オフセット調整後の実際の周波数の温度特性を示す。実際には、発振周波数ｆをｆ_０からｆ_１に変更した場合に、発振周波数の変更前と同一の第１制御信号Ｖ１を用いると、温度（Ｔ_ａ、Ｔ_０、Ｔ_ｂ）における、周波数の変化量（ΔｆＬ_ａ、ΔｆＬ_０、ΔｆＬ_ｂ）は互いに異なる値となる。そのため、オフセット調整後の周波数ｆが一定の周波数ｆ_１とならない。つまり、ＶＡＦＣセンター時に周波数ｆの温度特性を調整しても、オフセット調整後は、温度特性が劣化して、発振器１００の温度特性を精度よく補償できない。

図６は、発振器１００の発振周波数ｆ（縦軸）と等価容量Ｃ_ＣＬ（横軸）との関係を示す。図６より、発振器１００の等価容量Ｃ_ＣＬが増加するに伴い、発振器１００の発振周波数ｆが減少するが、減少の傾きは一定でないことが分かる。

異なる周波数オフセットを有する各周波数（ｆ_ａ、ｆ_０、ｆ_ｂ）において、発振器１００の等価容量Ｃ_ＣＬをΔＣＬだけ小さくした場合、各周波数（ｆ_ａ、ｆ_０、ｆ_ｂ）の発振周波数ｆの変化量（ΔｆＬ_ａ、ΔｆＬ_０、ΔｆＬ_ｂ）は互いに異なる値となる。このため、周波数オフセットを変更すると、第１制御信号Ｖ１で補償される周波数の大きさが変動してしまい、温度特性を過大または過小に補償することになる。即ち、オフセット調整後の温度特性が劣化する原因は、第１制御信号Ｖ１の温度特性により、発振器１００の等価容量Ｃ_ＣＬが異なるため第２制御端子から見た発振器感度が変化することである。また、そもそもの発振器１００の感度に温度特性を有することも原因の一つである。

上記のような温度特性の劣化は、数ｐｐｍ程度の周波数安定度を要求される温度補償型発振器においては影響が少ない。しかしながら、例えば、０．５ｐｐｍ以下のような、高い周波数安定度が要求される携帯電話の基地局又はＳｔｒａｔｕｍ３規格の伝送装置等の温度補償型発振器においては好ましくない。一例として、Ｓｔｒａｔｕｍ３では±０．２８ｐｐｍ以内の周波数安定度が要求される。更に近年では、ＯＣＸＯと同程度の周波数安定度が要求される場合もある。

図７は、発振器２００の構成例を示す。発振器２００は、第１ゲイン可変回路３０の代わりにゲイン温度特性調整用の第２ゲイン可変回路６０を備える点で発振器１００と異なる。

第２ゲイン可変回路６０は、発振部１０が第２制御信号Ｖ２の感度に温度特性を有する場合に生じる温度特性の劣化を補償する。第２ゲイン可変回路６０は、検出した環境温度に基づいて、第２制御信号Ｖ２を生成する。例えば、第２ゲイン可変回路６０は、第２制御信号Ｖ２として、第２補正値を生成し、第２制御端子１４に出力する。

第２補正値は、第１制御信号Ｖ１が入力された発振部１０の温度特性を一定とするような補正値である。即ち、第２補正値は、第１補正値に対応する第１制御信号Ｖ１を第１制御端子１３に入力している状態で、発振部１０の温度特性を一定にする第２制御信号Ｖ２である。つまり、第２補正値の各温度における測定時において、第１制御端子１３には、各温度における第１補正値に応じた第１制御信号Ｖ１が入力される。具体的には、入力電圧Ｖ_ｉｎとバイアス電圧Ｖ_ｂiasの差をゲイン可変回路によって決定されるゲインだけ増幅して第２制御信号Ｖ２を発生する。

図８は、発振器２００の具体的な構成例を示す。本例の第２ゲイン可変回路６０は、可変ゲイン増幅器（ＶＧＡ）７０、ゲイン調整信号生成部８０及び第２温度検出回路９０を備える。

第２温度検出回路９０は、発振器２００において予め定められた部分の環境温度を検出する。本例の第２温度検出回路９０が検出する環境温度は、第２ゲイン可変回路６０の温度である。第２温度検出回路９０が検出する環境温度は、第１温度検出回路５０が検出する環境温度と同一の部分であっても異なる部分であってもよい。例えば、第２温度検出回路９０は、第２温度信号として、第２温度センサ電圧Ｖ_{ｔｓｅｎｓ}を生成する。第２温度センサ電圧Ｖ_{ｔｓｅｎｓ}は、ゲイン調整信号生成部８０に入力される。後述するように第１オフセット周波数を発生する入力電圧Ｖ_ｉｎとバイアス電圧Ｖ_ｂiasを同じにすることで、第２ゲイン可変回路６０のゲインを調整してゲインが変わったとしても、第２ゲイン可変回路６０によって、増幅された信号が０であるため、第２制御信号Ｖ２の電位は変わらない。これにより、第２ゲイン可変回路６０は、近似ｎ次関数生成回路２０とは独立して温度特性を補償する。独立して温度特性を補償することにより、近似ｎ次関数生成回路２０が温度補償をした後に、第２ゲイン可変回路６０がＡＦＣを行っても、温度補償精度が劣化しにくくなる。

ゲイン調整信号生成部８０は、第２温度センサ電圧Ｖ_{ｔｓｅｎｓ}に基づいて、ゲイン調整信号を生成する。また、ゲイン調整信号生成部８０は、生成した温度依存電流を可変ゲイン増幅器７０に出力する。例えば、ゲイン調整信号は、環境温度を変数とする５次関数によって定められた温度依存電流である。

可変ゲイン増幅器７０は、ゲイン調整信号生成部８０からの温度依存電流に応じたゲインで、入力電圧Ｖ_ｉｎを増幅する。可変ゲイン増幅器７０は、増幅した信号を第２制御信号Ｖ２として第２制御端子１４に出力する。

図９は、第２ゲイン可変回路６０の構成例を示す。本例の可変ゲイン増幅器７０は、シングルで入力された入力電圧Ｖ_ｉｎを、シングルのまま（差動信号を生成しないで）増幅して出力する。可変ゲイン増幅器７０は、ミラー回路７３、オペアンプ７１及び抵抗７２を備える。

ミラー回路７３は、第１ＭＯＳトランジスタＭＯＳ１、第２ＭＯＳトランジスタＭＯＳ２、第１トランジスタＴｒ１、第２トランジスタＴｒ２を備える。第１トランジスタＴｒ１のベース端子には入力電圧Ｖ_ｉｎが、第２トランジスタＴｒ２のベース端子にはバイアス１がそれぞれ入力される。本例のバイアス１は、可変バイアスであり、入力電圧Ｖ_ｉｎが基準電圧時にゲイン可変回路の差動入力が０となるように設定される。

第１トランジスタＴｒ１のコレクタ端子及びエミッタ端子は、第１ＭＯＳトランジスタＭＯＳ１のドレイン端子及びゲイン調整信号生成部８０にそれぞれ接続される。第１ＭＯＳトランジスタＭＯＳ１及び第２ＭＯＳトランジスタＭＯＳ２のドレイン端子は基準電圧Ｖ_ｒｅｆとなる。第１ＭＯＳトランジスタＭＯＳ１及び第２ＭＯＳトランジスタＭＯＳ２のゲート端子は、第１ＭＯＳトランジスタＭＯＳ１のドレイン端子に接続される。これによりカレントミラー回路が構成される。

第２ＭＯＳトランジスタＭＯＳ２のドレイン端子は、第２トランジスタＴｒ２のコレクタ端子及びオペアンプ７１の反転入力端子が接続される。第２トランジスタＴｒ２のエミッタ端子は、ゲイン調整信号生成部８０に接続される。

第１ＭＯＳトランジスタＭＯＳ１及び第１トランジスタＴｒ１には、入力電圧Ｖ_ｉｎに応じた電流Ｉ_１が流れる。第２ＭＯＳトランジスタＭＯＳ２には、電流Ｉ_１をミラーした電流Ｉ_２が流れる。第１ＭＯＳトランジスタＭＯＳ１及び第２ＭＯＳトランジスタＭＯＳ２の特性が同じ場合、電流Ｉ_１及び電流Ｉ_２は等しくなる。

ゲイン調整信号生成部８０は、入力電圧Ｖ_ｉｎに対する出力電流Ｉ_ｏｕｔのゲインを、環境温度に応じて調整する。具体的には、ゲイン調整信号生成部８０は、ミラー回路７３に出力するテール電流を環境温度に応じて微調して、ミラー回路７３のゲインを制御する。

ミラー回路７３は、ゲイン調整信号生成部８０が生成したテール電流に応じたゲインで出力電流Ｉ_ｏｕｔを生成する。出力電流Ｉ_ｏｕｔは、第２ＭＯＳトランジスタＭＯＳ２に流れる電流Ｉ_２と、第２トランジスタＴｒ２に流れる電流Ｉ_２'の差分となる。また、ゲイン調整信号生成部８０は、電流Ｉ_１と電流Ｉ_２'の和の大きさを規定するテール電流を、環境温度に応じて微調して出力電流Ｉ_ｏｕｔを調整する。出力電流Ｉ_ｏｕｔは、入力電圧Ｖ_ｉｎとバイアス電圧Ｖ_ｂiasの差及びテール電流の積に比例する。

オペアンプ７１は、出力電流Ｉ_ｏｕｔを増幅して第２制御端子１４に出力する。オペアンプ７１の反転入力端子には、ミラー回路７３からの出力電流Ｉ_ｏｕｔが入力される。オペアンプ７１は、オペアンプ７１と並列となるように、出力端子と反転入力端子に接続された抵抗７２と、増幅回路を構成する。

図１０は、ゲイン調整信号生成部８０の構成例を示す。本例のゲイン調整信号生成部８０は、関数生成部８１、電圧加算器８２及びＶ−Ｉ変換回路８３を備える。

関数生成部８１は、発振部１０を予め定められた発振周波数で発振させる第２制御信号Ｖ２を生成するために、複数次の関数を生成する。関数生成部８１は、１次成分発生回路８１ａ、２次成分発生回路８１ｂ、３次成分発生回路８１ｃ、４次成分発生回路８１ｄ及び５次成分発生回路８１ｅを備える。関数生成部８１は、１次成分発生回路８１ａ〜５次成分発生回路８１ｅの全てを備える必要はなく、少なくとも１次成分発生回路８１ａ〜５次成分発生回路８１ｅのいずれか一つを備えていればよい。

１次成分発生回路８１ａ〜５次成分発生回路８１ｅには、第２温度検出回路９０が検出した第２温度センサ電圧Ｖ_{ｔｓｅｎｓ}が入力される。１次成分発生回路８１ａ〜５次成分発生回路８１ｅは、入力された第２温度センサ電圧Ｖ_{ｔｓｅｎｓ}を、次数に応じてべき乗し、且つ、正または負の値の予め定められた係数を乗算した電圧を生成する。１次成分発生回路８１ａ〜５次成分発生回路８１ｅにおける各係数は、温度毎に生成すべき第２補正値に応じて定められる。なお、１次成分発生回路８１ａ〜５次成分発生回路８１ｅにおける各係数は可変に設定される。これにより、第２温度検出回路９０が検出した環境温度と、可変ゲイン増幅器７０のゲインとの関係が可変に設定できる。

電圧加算器８２は、関数生成部８１が生成した各次数の信号を加算した信号を生成する。これにより、電圧加算器８２が出力する信号は、１次から５次までの任意の次数を有する温度依存の信号となる。

Ｖ−Ｉ変換回路８３は、電圧加算器８２で加算された電圧を電流に変換して、温度依存電流を生成する。Ｖ−Ｉ変換回路８３は、変換した温度依存電流をミラー回路７３のテール電流として可変ゲイン増幅器７０に出力する。可変ゲイン増幅器７０に入力されたテール電流は、環境温度に依存しており、温度補償後のＡＦＣ動作時に生じる周波数温度特性のずれを補償するために用いられる。

図１１は、ゲイン調整信号生成部８０のより具体的な構成例を示す。本例のゲイン調整信号生成部８０は、関数可変部８４及び記憶部８９を有する点で図１０に記載のゲイン調整信号生成部８０と異なる。

関数可変部８４は、関数生成部８１が出力した各電圧を調整する複数のボリューム１〜５（８４ａ〜８４ｅ）を備える。ボリューム１〜５（８４ａ〜８４ｅ）は、関数生成部８１の１次成分発生回路８１ａ〜５次成分発生回路８１ｅのそれぞれと接続される。ボリューム１〜５（８４ａ〜８４ｅ）は、関数生成部８１が出力した電圧値をそれぞれ調整することにより、関数生成部８１が生成する関数における各次数の係数を調整する。各ボリューム１〜５（８４ａ〜８４ｅ）は、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）で調整されてよい。

記憶部８９は、可変ゲイン増幅器７０のゲインを調整する調整値を保存する。記憶部８９は、関数可変部８４に接続される。例えば、記憶部８９が記憶した調整値は、複数のボリューム１〜５（８４ａ〜８４ｅ）のそれぞれに入力される。これにより、関数可変部８４は、関数生成部８１が出力した各電圧を、記憶部８９に記憶された調整値に基づく係数で調整できる。

電圧加算器８２は、関数可変部８４からの出力を加算して、１次〜５次の関数電圧を生成する。電圧加算器８２は、オペアンプ８５、抵抗（８６ａ、８６ｂ、８６ｃ、８６ｄ、８６ｅ）及び帰還抵抗８６ｆを備えて、加算増幅回路を形成する。

抵抗（８６ａ〜８６ｅ）は、それぞれ、ボリューム１〜５（８４ａ〜８４ｅ）に直列に接続される。抵抗（８６ａ〜８６ｅ）は、互いに並列に配置されてオペアンプ８５の反転入力端子に接続される。

オペアンプ８５の正転入力端子は、アナロググラウンドに接続される。また、オペアンプ８５の出力端子及び反転入力端子間には、オペアンプ８５と並列に帰還抵抗８６ｆが配置される。これにより、電圧加算器８２は、関数可変部８４の出力した各電圧を加算して、Ｖ−Ｉ変換回路８３に出力する。

Ｖ−Ｉ変換回路８３は、電圧加算器８２が加算した電圧を電流に変換して、ミラー回路７３のテール電流として可変ゲイン増幅器７０に出力する。Ｖ−Ｉ変換回路８３は、オペアンプ８７、抵抗８８、第３トランジスタＴｒ３及び第４トランジスタＴｒ４を備える。

オペアンプ８７の反転入力端子には、電圧加算器８２が加算した電圧が入力される。オペアンプ８７の出力端子は、第３トランジスタＴｒ３及び第４トランジスタＴｒ４のベース端子に接続される。また、オペアンプ８７の正転入力端子には、第３トランジスタＴｒ３のコレクタ端子の電圧が入力される。第３トランジスタＴｒ３及び第４トランジスタＴｒ４のエミッタ端子は、グラウンドに接続される。

第３トランジスタＴｒ３のコレクタ端子は、抵抗８８を介して基準電圧Ｖ_ｒｅｆに接続される。つまり、オペアンプ８７、第３トランジスタＴｒ３及び抵抗８８は、電圧加算器８２から入力された電圧を電流に変換する回路である。一方、第３トランジスタＴｒ３及び第４トランジスタＴｒ４は、変換された電流をミラーしたミラー電流を生成して、可変ゲイン増幅器７０に出力する。

図１２は、発振器３００の構成例を示す。本例の発振器３００は、第１ゲイン可変回路３０及びゲイン増幅回路１１０を更に備える点で発振器２００と異なる。

ゲイン増幅回路１１０は、入力電圧Ｖ_ｉｎを増幅して、第１ゲイン可変回路３０に出力する。また、ゲイン増幅回路１１０は、第２ゲイン可変回路６０と並列に設けられる。つまり、第１ゲイン可変回路３０には、第２ゲイン可変回路６０及びゲイン増幅回路１１０から、それぞれ増幅された信号が入力される。第１ゲイン可変回路３０には、第２ゲイン可変回路６０もしくはゲイン増幅回路１１０から選択的に信号が入力されてよい。

図１３は、図１２に示した第１ゲイン可変回路３０、第２ゲイン可変回路６０及びゲイン増幅回路１１０の構成例を示す。本例の第２ゲイン可変回路６０は、図９に示した第２ゲイン可変回路６０と同一の構成である。

本例のゲイン増幅回路１１０は、オペアンプ１１１、抵抗１１２及び帰還抵抗１１３を備え、反転増幅回路として動作する。入力電圧Ｖ_ｉｎは、抵抗１１２を介して、オペアンプ１１１の反転入力端子に入力される。オペアンプ１１１の正転入力端子は、アナロググラウンドに接続される。オペアンプ１１１の出力端子と反転入力端子の間には、オペアンプ１１１と並列に帰還抵抗１１３が設けられる。

第１ゲイン可変回路３０は、第２ゲイン可変回路６０の出力とゲイン増幅回路１１０の出力とを加算する加算回路である。第１ゲイン可変回路３０は、第２ゲイン可変回路６０及びゲイン増幅回路１１０の出力がそれぞれ入力される、抵抗３２及び抵抗３４を並列に備える。オペアンプ３１の反転入力端子には、抵抗を介して合成された、第２ゲイン可変回路６０及びゲイン増幅回路１１０の出力が入力される。

図１４は、発振器４００の構成例を示す。本例の発振器４００は、ゲイン調整信号生成部８０の代わりにゲイン調整信号生成部１２０を備える点で、図８に示した発振器２００と異なる。図８に示した発振器２００と同様の符号を有する構成は、発振器２００の場合と同様に機能する。

ゲイン調整信号生成部１２０は、第２温度検出回路９０が生成した第２温度センサ電圧Ｖ_{ｔｓｅｎｓ}に基づいて、温度依存電流を生成する。また、ゲイン調整信号生成部１２０は、生成した温度依存電流を可変ゲイン増幅器７０に出力する。本例のゲイン調整信号生成部１２０は、可変ゲイン増幅器７０が出力した第２制御信号Ｖ２にさらに基づいて温度依存電流を生成する。これにより、ゲイン調整信号生成部１２０は、第２ゲイン可変回路６０の温度補償精度を上げることができる。

図１５は、ゲイン調整信号生成部１２０の構成例を示す。本例のゲイン調整信号生成部１２０は、図１１に示したゲイン調整信号生成部８０の構成に加えて、更に、判定回路１２１及びマルチプレクサ１２４を備える。

判定回路１２１は、ゲイン調整信号生成部１２０に入力された第２制御信号Ｖ２と予め定められた基準値との関係を比較する。判定回路１２１は、第２制御信号Ｖ２と基準値との比較結果に基づいて、ＡＦＣゲインを＋側にすべきか−側にすべきかを判定し、判定信号を生成する。また、生成された判定信号は、マルチプレクサ１２４の制御端子に入力される。ＡＦＣゲインとは、周波数制御信号に対する第２制御信号Ｖ２の比を示す。なお、判定回路１２１は、周波数制御信号と基準値との関係を比較してもよい。例えば、基準値は、アナロググラウンドを示す。

記憶部８９は、ＡＦＣ＋側ＲＯＭ１２２及びＡＦＣ−側ＲＯＭ１２３を備える。記憶部８９は、判定回路１２１の判定結果に対応する複数の調整値を記憶する。ＡＦＣ＋側ＲＯＭ１２２は、ＡＦＣ＋側のゲイン調整信号をマルチプレクサ１２４の入力端子に出力する。また、ＡＦＣ−側ＲＯＭ１２３は、ＡＦＣ−側のゲイン調整信号をマルチプレクサ１２４の入力端子に出力する。なお、本例では、ＲＯＭの切り替えで説明したが、電圧発生部（図１５の関数生成部８１、電圧加算器８２、関数可変部８４）を複数持ち、電圧をスイッチなどで切り替えることによっても同様の効果が得られる。

マルチプレクサ１２４は、入力された判定信号に基づいて出力する信号を選択する。マルチプレクサ１２４は、判定回路１２１からの判定信号により、選択されたゲイン調整信号の何れかの信号を関数可変部８４に出力する。ゲイン調整信号は、ボリューム１〜５（８４ａ〜８４ｅ）のそれぞれに入力されてよい。これにより、ボリューム１〜５（８４ａ〜８４ｅ）のゲインを＋側と−側で調整できる。また、設定されたボリューム１〜５（８４ａ〜８４ｅ）のゲインは、記憶部８９に記憶されてよい。

本例のゲイン調整信号生成部１２０は、ＡＦＣゲインが、周波数制御信号０を境に、＋側と−側でずれている場合であっても、＋側と−側で別々にＡＦＣゲインを調整できる。したがって、ゲイン調整信号生成部１２０は、ＡＦＣゲイン調整の精度を上げることができ、ＡＦＣ起動時の温度補償精度の劣化をより小さくできる。

図１６は、第１補正値を測定する温度補償調整シーケンスの一例を示す。本例では、発振器２００を例に説明する。

ステップＳ１０１において、第２ゲイン可変回路６０に周波数制御信号として予め定められた一定値を入力する。本例の周波数制御信号を入力電圧Ｖ_ｉｎとすると、第２ゲイン可変回路６０に入力される入力電圧Ｖ_ｉｎは０に設定される。入力電圧Ｖ_ｉｎが０の場合、発振部１０の発振周波数が、オフセットの調整がされていない状態（ＶＡＦＣセンター時）の基準周波数に設定される。

ステップＳ１０２において、発振器２００の温度を任意の温度に設定する。ステップＳ１０２において設定された温度は、当該温度における近似ｎ次関数生成回路２０の温度特性の測定（ステップＳ１０４）が終わるまで一定に維持される。

ステップＳ１０３では、ＩＣ外部から第１制御端子１３に入力された第１外部制御信号を測定する。第１外部制御信号は、発振器２００の発振周波数の温度特性を補償する。例えば、ＩＣ外部から電圧を入力するモードでは、各温度における第１補正値の測定時に、ＩＣ外部から、第１制御端子１３に任意の外部電圧を入力する。ステップＳ１０３では、発振部１０の発振周波数が基準周波数となる第１外部制御信号を測定する。

ステップＳ１０４では、近似ｎ次関数生成回路２０が出力する第１制御信号Ｖ１をモニタし、温度特性を測定する。例えば、ＩＣ内部の電圧をモニタするモードでは、設定された温度における、近似ｎ次関数生成回路２０の設定値と、近似ｎ次関数生成回路２０が出力する第１制御信号Ｖ１との関係をモニタする。近似ｎ次関数生成回路２０の設定値とは、近似ｎ次関数生成回路２０が生成する関数の各次数における係数を指す。

ステップＳ１０５において、温度スイープが終了したか否かを判断する。温度スイープが終了していれば、ステップＳ１０６に進む。また、温度スイープが終了していなければ、ステップＳ１０２に戻り、次の温度を設定してステップＳ１０３からステップＳ１０５を繰り返す。例えば、温度スイープの範囲は、発振器２００において検出され得る温度域に応じて決定される。また、温度スイープの間隔が短いほど、温度補償精度は向上するが、発振器２００の使用環境もしくは必要な精度に応じてユーザーが任意に決定してよい。

ステップＳ１０６において、各温度における、誤差が最小となるような近似ｎ次関数生成回路２０の設定値を算出する。より具体的には、近似ｎ次関数生成回路２０の設定値は、ステップＳ１０３の第１外部制御信号と、ステップＳ１０４で近似ｎ次関数生成回路２０が出力する信号が等しくなるように設定される。なお、「信号が等しく」とは、比較された信号が略等しいことを意味する。また、「略等しい」とは、例えば、ユーザーが必要とする精度を満たす範囲であればよく、信号の値にずれが生じていてもよい。

図１７は、第２補正値を測定するゲイン温度特性調整シーケンスの一例を示す。ステップＳ２０１において、図１６で示した温度補償シーケンスに従い、近似ｎ次関数生成回路２０の最適コードを設定する。ここで、近似ｎ次関数生成回路２０の最適コードを設定するとは、第２ゲイン可変回路６０に入力電圧Ｖ_ｉｎとして０が入力された状態において、各温度において、第１補正値を設定することを指す。

ステップＳ２０２では、発振器２００を予め定められた温度に設定する。例えば、予め定められた温度は室温であるが、室温以外の任意の温度に設定してよい。

ステップＳ２０３では、室温における入力電圧Ｖ_ｉｎに対する発振周波数のゲイン特性（Ｇ_ｒｅｆ）を測定する。ステップＳ２０２において、室温以外の温度を選択した場合は、選択した任意の温度において、入力電圧Ｖ_ｉｎに対する発振部１０の発振周波数のゲイン特性を測定する。

ステップＳ２０４では、発振器２００の温度を任意の温度に設定する。発振器２００は、ステップＳ２０４において設定された温度は、当該温度におけるゲイン調整信号生成部８０の温度特性の測定（ステップＳ２０６）が終わるまで一定に維持される。

ステップＳ２０５では、ＩＣ外部から可変ゲイン増幅器７０に入力された電圧を測定する。例えば、ＩＣ外部から電圧を入力するモードでは、入力電圧Ｖ_ｉｎに対する発振周波数のゲイン特性がＧ_ｒｅｆとなるように、ゲイン調整信号生成部８０から可変ゲイン増幅器７０にゲイン調整信号を入力する。ゲイン特性がＧ_ｒｅｆとなった場合のゲイン調整信号が、ゲイン調整信号の補償値となる。

ステップＳ２０６では、ＩＣ内部の電圧をモニタするモードにおいて、補償する温度特性を測定する。例えば、ＩＣ内部の電圧をモニタするモードでは、ゲイン調整信号生成部８０が出力するゲイン調整信号を測定する。

ステップＳ２０７では、温度スイープが終了したか否かを判断する。温度スイープが終了していれば、ステップＳ２０８に進み、温度スイープが終了していなければステップＳ２０３に戻り、次の温度を設定してステップＳ２０３からステップＳ２０７を繰り返す。

ステップＳ２０８では、ゲイン調整信号生成部８０が出力したゲイン調整信号と、ゲイン調整信号の補償値とが、各温度において一致するように、第２ゲイン可変回路６０の設定値を調整する。より具体的には、ゲイン調整信号生成部８０が出力したゲイン調整信号と、ゲイン調整信号の補償値との誤差が最小となるような第２ゲイン可変回路６０の設定値を算出する。ここで、第２ゲイン可変回路６０の設定値とは、第２ゲイン可変回路６０が生成する関数の各次数における係数を指す。

本例のゲイン温度特性調整シーケンスでは、温度補償調整シーケンスの温度スイープが終了した後に実行される場合について説明した。しかしながら、温度特性調整シーケンスは、温度補償調整シーケンスの温度スイープが終了していなくとも、ステップＳ１０２で設定した各温度において、温度補償調整シーケンス及びゲイン温度特性調整シーケンスをそれぞれ実行してもよい。つまり、温度補償調整シーケンスの温度スイープとゲイン温度特性調整シーケンスの温度スイープとを共通にできるので、測定時間を短縮できる。なお、本例では、発振器２００を例に説明したが、発振器３００又は発振器４００を用いても同様にゲイン温度特性調整シーケンスを実行できる。この場合、ゲイン調整信号生成部８０をゲイン調整信号生成部１２０に適宜読み替えてよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０ 発振部、１１ 第１制御素子、１２ 第２制御素子、１３ 第１制御端子、１４ 第２制御端子、２０ 近似ｎ次関数生成回路、３０ 第１ゲイン可変回路、３１ オペアンプ、３２ 抵抗、３３ 可変帰還抵抗、３４ 抵抗、４０ 温度補償信号生成部、４１ 関数生成部、４２ 電圧加算器、５０ 第１温度検出回路、６０ 第２ゲイン可変回路

Claims (6)

1. 水晶振動子と、
   前記水晶振動子に接続される第１制御端子及び第２制御端子と、
   予め定められた温度を検出し、第１温度信号を生成する第１温度検出回路と、
   前記第１温度信号に基づき、前記第１制御端子に入力され、前記水晶振動子の発振周波数を制御する第１制御信号を生成する温度補償信号生成部と、
   前記水晶振動子の発振周波数を制御する周波数制御信号に基づき、前記第２制御端子に入力され、前記水晶振動子の発振周波数を制御する第２制御信号を生成する可変ゲイン増幅器と、
   予め定められた温度を検出し、第２温度信号を生成する第２温度検出回路と、
   前記第２温度信号に基づき、前記可変ゲイン増幅器のゲインを制御するゲイン調整信号を生成するゲイン調整信号生成部と
   を備える発振器。
2. 前記第２温度検出回路は、前記第１温度信号と独立に前記第２温度信号を検出する請求項１に記載の発振器。
3. 前記可変ゲイン増幅器のゲインを調整する調整値を保存する記憶部を備える
   請求項１又は２に記載の発振器。
4. 前記可変ゲイン増幅器は、前記周波数制御信号または前記第２制御信号の値と、予め定められた基準値との関係を判定する判定回路を備え、
   前記記憶部は、前記判定回路の判定結果に対応する複数の調整値を記憶する
   請求項３に記載の発振器。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の発振器の調整方法であって、
   前記周波数制御信号として予め定められた一定値を入力し、前記水晶振動子の発振周波数が予め定められた発振周波数に一致するような前記第１制御信号
   を各温度において前記第１制御端子に入力した状態で、
   前記周波数制御信号に対応し、目標となる前記発振周波数に、前記水晶振動子の発振周波数が一致するような前記ゲイン調整信号を前記可変ゲイン増幅器に入力し、
   各温度において前記ゲイン調整信号生成部から出力される前記ゲイン調整信号を測定し、
   前記出力されるゲイン調整信号と、前記入力されたゲイン調整信号が、各温度において一致するように前記ゲイン調整信号生成部の設定値を調整する
   発振器の調整方法。
6. 前記予め定められた一定値は０である請求項５に記載の発振器の調整方法。

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