JP2018157352A - 恒温槽付水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】恒温槽付水晶発振器の発振周波数の安定度を改善する。
【解決手段】恒温槽付水晶発振器１００は、水晶振動子１１を加熱する熱を発生させるトランジスタ１５と、恒温槽の内部温度に基づいてトランジスタ１５に印加する熱制御電圧を変化させる熱制御電圧発生部と、水晶振動子１１に接続された可変容量素子１３と、可変容量素子１３に印加する容量制御電圧を発生する第２電圧発生部と、を有する。第２電圧発生部は、内部温度が基準温度以上である場合に、熱制御電圧が増加するにつれて容量制御電圧を増加させ、内部温度が基準温度未満である場合に、熱制御電圧が増加するにつれて容量制御電圧を減少させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶振動子の周辺温度を一定に保つための恒温槽と水晶振動子の発振回路とを備える恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）に関する。

水晶振動子は、水晶に固有の周波数温度特性に基づいて、温度に応じて振動周波数が変化する。そこで、水晶振動子の周辺の温度を一定に保つために、恒温槽に水晶振動子を格納した恒温槽付水晶発振器が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１５−６５５１１号公報

特許文献１に記載された恒温槽付水晶発振器は、部品の個体差によるばらつきを低減するために、可変容量素子を水晶振動子に接続し、発熱指示電圧により可変容量素子の容量を変化させることで、温度によって水晶振動子の発振周波数を微調整するように構成されている。このような構成により、恒温槽近傍の温度が一定に保たれるとともに、温度に応じて発振周波数を微調整できるので、出力周波数が安定する。

水晶振動子の温度−周波数特性が、温度によって発振周波数が単調増加又は単調減少する特性である場合であれば、従来のように、発熱指示電圧により可変容量素子の容量を変化させることで水晶振動子の温度−周波数特性を相殺して、温度による周波数変動を抑制することができた。しかしながら、水晶振動子の発振周波数が単調増加又は単調減少ではなく、温度−周波数特性に変曲点が存在する場合、発熱指示電圧により可変容量素子の容量を変化させてしまうと、周波数偏差が増大してしまう場合があるという問題があった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、恒温槽付水晶発振器の発振周波数の安定度を改善することを目的とする。

本発明の恒温槽付水晶発振器は、水晶振動子を加熱する熱を発生させる熱発生部と、前記恒温槽の内部温度に基づいて前記熱発生部に印加する熱制御電圧を変化させる第１電圧発生部と、前記水晶振動子に接続された可変容量素子と、前記可変容量素子に印加する容量制御電圧を発生する第２電圧発生部と、を有する。そして、前記第２電圧発生部は、前記内部温度が基準温度以上である場合に、前記熱制御電圧が増加するにつれて前記容量制御電圧を増加させ、前記内部温度が前記基準温度未満である場合に、前記熱制御電圧が増加するにつれて前記容量制御電圧を減少させる。

前記第２電圧発生部は、前記熱制御電圧が増加するにつれて増加する第１容量制御電圧を発生する第１増幅回路と、前記熱制御電圧が増加するにつれて減少する第２容量制御電圧を発生する第２増幅回路と、前記第１容量制御電圧及び前記第２容量制御電圧から選択した前記容量制御電圧を出力する選択部と、を有してもよい。

前記選択部は、前記内部温度に基づいて前記第１容量制御電圧及び前記第２容量制御電圧から選択した前記容量制御電圧を出力してもよい。

前記選択部は、前記内部温度が閾値以上である場合に前記第１容量制御電圧を選択し、前記内部温度が前記閾値未満である場合に前記第２容量制御電圧を選択してもよい。

本発明によれば、恒温槽付水晶発振器の発振周波数の安定度を改善することができるという効果を奏する。

恒温槽付水晶発振器の構成を示す。 制御部の動作について説明するための図である。

図１は、本実施形態に係る恒温槽付水晶発振器１００の構成を示す図である。恒温槽付水晶発振器１００は、恒温槽に収容された水晶振動子１１と、発振回路１２と、可変容量素子１３とを有する。

発振回路１２は、水晶振動子１１を発振させることにより発振信号を生成する。可変容量素子１３は、印加される電圧（以下、容量制御電圧という）に応じて容量を変化させることができる素子であり、水晶振動子１１に接続されている。可変容量素子１３は、例えばバリキャップダイオードであり、容量制御電圧が高ければ高いほど容量が小さくなる。

恒温槽付水晶発振器１００は、恒温槽の内部温度を一定に保つための構成として、ヒータ抵抗１４と、トランジスタ１５と、第１電圧発生部１６と、基準電圧発生部１７とを有する。ヒータ抵抗１４は、トランジスタ１５により供給される電流によって熱を発生する。ヒータ抵抗１４は水晶振動子１１の近傍に設けられており、水晶振動子１１を加熱することができる。

トランジスタ１５は、ヒータ抵抗１４に電流を流すことで熱を発生させる熱発生部として機能する。トランジスタ１５は、第１電圧発生部１６から入力されるゲート電流に基づいてヒータ抵抗１４を流れる電流の大きさを変化させる。第１電圧発生部１６から入力されるゲート電流は、後述するように、水晶振動子１１の周辺温度によって変化するように構成されている。したがって、トランジスタ１５は、温度に応じてヒータ抵抗１４を流れる電流の大きさを変化させることができる。

第１電圧発生部１６は、トランジスタ１５に入力するゲート電流を発生する差動増幅回路である。第１電圧発生部１６は、後述する基準電圧発生部１７が発生する基準電圧と恒温槽の内部温度に応じて変化する制御電圧との差に基づいて、トランジスタ１５に印加する熱制御電圧を発生する。第１電圧発生部１６は、演算増幅器１６１と、抵抗１６２と、抵抗１６３とを有する。

基準電圧発生部１７は、第１電圧発生部１６に入力する電圧を発生する。基準電圧発生部１７は、抵抗１７１と、抵抗１７２と、サーミスタ１７３と、抵抗１７４とを有する。抵抗１７１及び抵抗１７２は、温度によらず抵抗値がほぼ一定である。抵抗１７１及び抵抗１７２は、電源とグランドとの間に直列に接続されており、抵抗１７１と抵抗１７２との接続点において、演算増幅器１６１の正側入力端子に印加する基準電圧を発生する。

サーミスタ１７３は、温度によって抵抗値を変化させる可変抵抗素子である。サーミスタ１７３は、水晶振動子１１の近傍に設けられており、水晶振動子１１の周辺温度が上昇すると抵抗値が小さくなる。抵抗１７４は、温度によらず抵抗値がほぼ一定である。

サーミスタ１７３と抵抗１７４は、電源とグランドとの間に直列に接続されており、サーミスタ１７３と抵抗１７４との接続点において、演算増幅器１６１の負側入力端子に接続された抵抗１６２に印加する、恒温槽の内部温度に応じて変化する制御電圧を発生する。サーミスタ１７３が、温度の上昇に伴って抵抗値が小さくなるので、抵抗１６２に印加される制御電圧は、温度の上昇に伴って大きくなる。

第１電圧発生部１６は、抵抗１６２に印加される制御電圧が大きければ大きいほど、発生する熱制御電圧が小さくなり、トランジスタ１５に入力するゲート電流が小さくなる。その結果、温度の上昇にともなって、トランジスタ１５が出力する電流が小さくなり、ヒータ抵抗１４による加熱量が減少する。以上の構成により、恒温槽付水晶発振器１００においては、水晶振動子１１の周辺温度が上昇するとヒータ抵抗１４による加熱量が減少することで、水晶振動子１１の周辺温度を一定に保つことができる。

恒温槽付水晶発振器１００は、水晶振動子１１の発振周波数を変化させるために可変容量素子１３に印加する容量制御電圧を発生する第２電圧発生部として、抵抗２１と、抵抗２２と、第１増幅器２３と、第２増幅器２４と、スイッチ２５と、制御部２６とを有する。これらのデバイスから構成される第２電圧発生部は、恒温槽の内部温度が基準温度以上である場合に、第１電圧発生部１６が発生する熱制御電圧が増加するにつれて容量制御電圧を増加させる。また、第２電圧発生部は、内部温度が基準温度未満である場合に、熱制御電圧が増加するにつれて容量制御電圧を減少させる。

抵抗２１及び抵抗２２は、電源とグランドとの間で直列に接続されており、抵抗２１と抵抗２２との接続点において、第１増幅器２３及び第２増幅器２４の基準電圧を発生する。

第１増幅器２３は、熱制御電圧が増加するにつれて増加する第１容量制御電圧を発生する第１増幅回路である。第１増幅器２３は、例えば非反転増幅回路である。第１増幅器２３は、第１電圧発生部１６が出力する熱制御電圧と、抵抗２１及び抵抗２２が発生する基準電圧との差分値に基づく第１容量制御電圧を発生する。

第２増幅器２４は、熱制御電圧が増加するにつれて減少する第２容量制御電圧を発生する第２増幅回路である。第１増幅器２３は、例えば反転増幅回路である。第１増幅器２３は、第１電圧発生部１６が出力する熱制御電圧と、抵抗２１及び抵抗２２が発生する基準電圧との差分値に基づく第２容量制御電圧を発生する。

スイッチ２５及び制御部２６は、第１容量制御電圧及び第２容量制御電圧から選択した容量制御電圧を出力する選択部として機能する。スイッチ２５は、制御部２６の制御に基づいて、第１容量制御電圧及び第２容量制御電圧のうち、いずれか一つの電圧を出力する半導体スイッチである。

制御部２６は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、不図示のメモリに記憶されたプログラムを実行することにより、スイッチ２５が第１容量制御電圧及び第２容量制御電圧のどちらの電圧を出力するかを制御する。制御部２６は、恒温槽の内部温度に基づいて第１容量制御電圧及び第２容量制御電圧から、スイッチ２５に出力させる容量制御電圧を選択する。

図２は、制御部２６の動作について説明するための図である。図２（ａ）は、スイッチ２５及び制御部２６が機能しない場合における水晶振動子１１の温度−周波数特性を示しており、図２（ｂ）は、スイッチ２５及び制御部２６が機能した場合における水晶振動子１１の温度−周波数特性を示している。

図２における横軸は、水晶振動子１１の周辺温度を示しており、縦軸は水晶振動子１１の発振周波数を示している。ここでは、水晶振動子１１の周辺温度が閾値温度Ｔｔｈ以上である場合に、水晶振動子１１の発振周波数が単調増加し、水晶振動子１１の周辺温度が閾値温度Ｔｔｈ未満である場合に、水晶振動子１１の発振周波数が単調減少することを想定している。

制御部２６は、サーミスタ１７３と抵抗１７４との接続点に接続されており、サーミスタ１７３と抵抗１７４との接続点の制御電圧に基づいて恒温槽の内部温度を検出する。制御部２６は、制御電圧が所定の閾値電圧以上である場合、すなわち内部温度が閾値温度以上である場合、スイッチ２５に第１容量制御電圧を選択させる。第１容量制御電圧は、内部温度が高くなり熱制御電圧が減少するにつれて小さくなる。したがって、内部温度が高くなるにつれて可変容量素子１３の容量が大きくなり、水晶振動子１１の発振周波数が低くなる。その結果、図２（ｂ）に示すように、閾値温度以上における温度−周波数特性の傾きが小さくなる。

制御部２６は、制御電圧が所定の閾値電圧未満である場合、すなわち内部温度が閾値温度未満である場合、スイッチ２５に第２容量制御電圧を選択させる。第２容量制御電圧は、内部温度が低くなり熱制御電圧が増加するにつれて小さくなる。したがって、内部温度が低くなるにつれて可変容量素子１３の容量が大きくなり、水晶振動子１１の発振周波数が低くなる。その結果、図２（ｂ）に示すように、閾値温度未満における温度−周波数特性の傾きが小さくなる。

なお、制御部２６は、恒温槽の内部温度に基づいて、第１増幅器２３及び第２増幅器２４のゲインを制御してもよい。このようにすることで、制御部２６は、水晶振動子１１の温度−周波数特性が非線形に変化する場合に、温度によって発振周波数の補正量を変化させることができるので、より高い精度で発振周波数の変動を抑制することができる。

［本実施形態の恒温槽付水晶発振器１００による効果］
以上説明したように、本実施形態の恒温槽付水晶発振器１００においては、制御部２６が、恒温槽の内部温度が基準温度以上である場合に、熱制御電圧が増加するにつれて、可変容量素子１３に印加する容量制御電圧を増加させ、内部温度が基準温度未満である場合に、熱制御電圧が増加するにつれて容量制御電圧を減少させる。このようにすることで、恒温槽付水晶発振器１００は、水晶振動子１１の温度−周波数特性に変曲点が含まれる温度領域で水晶振動子１１が使用される場合であっても、温度変化に伴う水晶振動子１１の発振周波数の変動を抑制し、発振周波数の安定度を改善することができるという効果を奏する。

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、多様な変更又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。

１１ 水晶振動子
１２ 発振回路
１３ 可変容量素子
１４ ヒータ抵抗
１５ トランジスタ
１６ 第１電圧発生部
１７ 基準電圧発生部
２１、２２ 抵抗
２３ 第１増幅器
２４ 第２増幅器
２５ スイッチ
２６ 制御部
１００ 恒温槽付水晶発振器
１６１ 演算増幅器
１６２、１６３、１７１、１７２、１７４ 抵抗
１７３ サーミスタ

Claims (4)

1. 恒温槽を有する恒温槽付水晶発振器であって、
   水晶振動子を加熱する熱を発生させる熱発生部と、
   前記恒温槽の内部温度に基づいて前記熱発生部に印加する熱制御電圧を変化させる第１電圧発生部と、
   前記水晶振動子に接続された可変容量素子と、
   前記可変容量素子に印加する容量制御電圧を発生する第２電圧発生部と、
   を有し、
   前記第２電圧発生部は、前記内部温度が基準温度以上である場合に、前記熱制御電圧が増加するにつれて前記容量制御電圧を増加させ、前記内部温度が前記基準温度未満である場合に、前記熱制御電圧が増加するにつれて前記容量制御電圧を減少させる、
   恒温槽付水晶発振器。
2. 前記第２電圧発生部は、
   前記熱制御電圧が増加するにつれて増加する第１容量制御電圧を発生する第１増幅回路と、
   前記熱制御電圧が増加するにつれて減少する第２容量制御電圧を発生する第２増幅回路と、
   前記第１容量制御電圧及び前記第２容量制御電圧から選択した前記容量制御電圧を出力する選択部と、
   を有する、
   請求項１に記載の恒温槽付水晶発振器。
3. 前記選択部は、前記内部温度に基づいて前記第１容量制御電圧及び前記第２容量制御電圧から選択した前記容量制御電圧を出力する、
   請求項２に記載の恒温槽付水晶発振器。
4. 前記選択部は、前記内部温度が閾値以上である場合に前記第１容量制御電圧を選択し、前記内部温度が前記閾値未満である場合に前記第２容量制御電圧を選択する、
   請求項２又は３に記載の恒温槽付水晶発振器。

Images