JP2021122094A - 恒温槽型水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度補正回路より生じるノイズの影響による周波数短期安定度の低下を抑制する。【解決手段】恒温槽型水晶発振器は、発振信号を発生する発振回路１２と、発振回路１２を加熱する発熱部１１と、温度によって変化する温度補償電圧を発生する温度補償電圧発生部１４と、を有し、発振回路１２は、温度補償電圧に基づいて容量値が変化する可変容量素子１２５を有し、温度補償電圧発生部１４は、電源とグランドの間に直列に設けられた温度センサー１４２及び温度センサー１４５と、温度センサー１４２と並列に接続された可変抵抗器１４３と、温度センサー１４５と並列に接続された固定抵抗器１４６と、を有し、温度センサー１４２及び温度センサー１４５の周辺の温度の変化、及び可変抵抗器１４３の抵抗値に基づいて温度補償電圧を変化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、恒温槽型水晶発振器に関する。

従来、発振回路を恒温槽に収容した恒温槽型水晶発振器が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載の恒温槽型水晶発振器においては、周波数安定性を向上させるために、恒温槽に収容された発振回路に印加する電圧を温度によって変化させる温度補正回路が設けられている。

特開２０１４−１９７７５１号公報

しかし、多数の能動素子が使用された温度補正回路は多くのノイズを発生させる。そのため、このような温度補正回路を設けると、恒温槽型水晶発振器における出力信号の短期安定度を劣化させてしまう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、温度補正回路より生じるノイズの影響による周波数短期安定度の低下を抑制することができる恒温槽型水晶発振器を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様の恒温槽型水晶発振器は、発振信号を発生する発振回路と、前記発振回路を加熱する発熱部と、温度によって変化する温度補償電圧を発生する温度補償電圧発生部と、を有し、前記発振回路は、前記温度補償電圧に基づいて容量値が変化する第１可変容量素子を有し、前記温度補償電圧発生部は、電源とグランドの間に直列に設けられた第１温度センサー及び第２温度センサーと、前記第１温度センサーと並列に接続された可変抵抗器と、前記第２温度センサーと並列に接続された抵抗器と、を有し、前記第１温度センサー及び前記第２温度センサーの周辺の温度の変化、及び前記可変抵抗器の抵抗値に基づいて前記温度補償電圧を変化させる。

本発明の第２の態様の恒温槽型水晶発振器は、発振信号を発生する発振回路と、前記発振回路を加熱する発熱部と、温度によって変化する温度補償電圧を発生する温度補償電圧発生部と、を有し、前記発振回路は、前記温度補償電圧に基づいて容量値が変化する第１可変容量素子を有し、前記温度補償電圧発生部は、電源とグランドの間に直列に設けられた温度センサーと、前記温度センサーと並列に接続された可変抵抗器と、前記電源と前記グランドの間において前記温度センサー及び前記可変抵抗器により構成される並列回路と直列に設けられた抵抗器と、を有し、前記温度センサーの周辺の温度の変化、及び前記可変抵抗器の抵抗値に基づいて前記温度補償電圧を変化させる。

前記恒温槽型水晶発振器は、前記第１可変容量素子の一端に印加される周波数調整電圧を発生する周波数調整電圧発生部をさらに有し、前記第１可変容量素子の他端には前記温度補正電圧が印加されてもよい。

前記発振回路は、前記第１可変容量素子と直列に接続された第２可変容量素子をさらに有し、前記恒温槽型水晶発振器は、前記第２可変容量素子に印加する周波数調整電圧を発生する周波数調整電圧発生部をさらに有してもよい。

前記発振回路は、前記第１可変容量素子と前記第２可変容量素子との間に、直流電流を阻止するためのコンデンサをさらに有してもよい。

前記発振回路は、前記第２可変容量素子と前記コンデンサとの接続点と、グランドと、の間に設けられた抵抗器をさらに有してもよい。

本発明によれば、補正回路より生じるノイズの影響による恒温槽型水晶発振器の周波数安定度の低下を抑制することができるという効果を奏する。

本実施形態に係る恒温槽型水晶発振器の構成を示す図である。 温度変化に伴う温度調整電圧の変化を模式的に示す図である。 第１変形例に係る恒温槽型水晶発振器の構成を示す図である。

図１は、本実施形態に係る恒温槽型水晶発振器１の構成を示す図である。恒温槽型水晶発振器１は、発熱部１１により加熱される発振回路１２と、周波数調整電圧発生部１３と、温度補償電圧発生部１４と、を有する。

発熱部１１は、発熱体（不図示）及び発熱体の発熱量を制御する制御回路（不図示）を有している。当該制御回路が温度に応じて発熱体の発熱量を調整することにより、水晶振動子１２１を含む発振回路１２はほぼ一定の温度に保たれる。発振回路１２は、発熱部１１により内部が一定の温度に維持される恒温槽に収容されていてもよい。

発振回路１２は、所定の発振周波数の発振信号を発生する回路である。発振回路１２は、水晶振動子１２１と、コンデンサ１２２と、負性抵抗１２３と、コンデンサ１２４と、可変容量素子１２５と、コンデンサ１２６と、可変容量素子１２７と、固定抵抗器１２８と、を有する。

水晶振動子１２１の一端はコンデンサ１２２に接続されており、他端は出力端子（ＯＵＴ）とコンデンサ１２４とに接続されている。水晶振動子１２１は、発振信号をコンデンサ１２４に入力するとともに、出力端子から出力する。水晶振動子１２１と出力端子との間に増幅器が設けられていてもよい。

負性抵抗１２３は、発振回路１２が発振するための起電力を生じさせる回路を含んでいる。負性抵抗１２３は、例えば増幅回路等の半導体素子を含む。

コンデンサ１２４は、水晶振動子１２１と接続されている側と反対側の端子が可変容量素子１２７のカソードに接続されている。コンデンサ１２４と可変容量素子１２７のカソードとの接続点には、周波数調整電圧発生部１３から出力される周波数調整電圧Ｖｆが印加される。

可変容量素子１２５は、コンデンサ１２６とグランド端子（ＧＮＤ）との間に設けられている。可変容量素子１２５のカソードはコンデンサ１２６の一端に接続されており、温度補償電圧発生部１４から出力される温度補償電圧Ｖｔが印加される。可変容量素子１２５のアノードはグランドに接続されているので、可変容量素子１２５のカソードとアノードとの間の電位差は温度補償電圧Ｖｔとなる。

可変容量素子１２５は、例えばバリキャップダイオードであり、温度補償電圧Ｖｔに基づいて容量値を変化させる第１可変容量素子である。具体的には、温度補償電圧Ｖｔが大きくなると可変容量素子１２５の容量値が小さくなり、温度補償電圧Ｖｔが小さくなると可変容量素子１２５の容量値が大きくなる。可変容量素子１２５の容量値が変化することにより、発振回路１２が発生する発振信号の周波数は、温度補償電圧Ｖｔの値によって変化する。

コンデンサ１２６は、可変容量素子１２５のカソードと可変容量素子１２７のアノードとの間に設けられている。コンデンサ１２６は、可変容量素子１２５と可変容量素子１２７との間に直流電流が流れることを阻止するために設けられている。

可変容量素子１２７は、例えばバリキャップダイオードであり、コンデンサ１２６を介して可変容量素子１２５と直列に接続されている。可変容量素子１２７は、周波数調整電圧Ｖｆに基づいて容量値を変化させる第２可変容量素子である。周波数調整電圧Ｖｆが大きくなると可変容量素子１２７の容量値が小さくなり、周波数調整電圧Ｖｆが小さくなると可変容量素子１２７の容量値が大きくなる。可変容量素子１２７の容量値が変化することにより、発振回路１２が発生する発振信号の周波数は、周波数調整電圧Ｖｆの値によって変化する。

可変容量素子１２７のアノードは、固定抵抗器１２８を介してグランドに接続されている。また、可変容量素子１２７のアノードは、コンデンサ１２６の一端にも接続されている。可変容量素子１２７のアノードの電位はグランド電位なので、可変容量素子１２７のカソードとアノードとの間の電位差は周波数調整電圧Ｖｆとなる。

固定抵抗器１２８は、可変容量素子１２７のアノードとグランドとの間に設けられている。固定抵抗器１２８は、可変容量素子１２５のアノードと可変容量素子１２７のアノードとが結合することを防ぐために設けられている。

周波数調整電圧発生部１３は、第２可変容量素子である可変容量素子１２７に印加する周波数調整電圧Ｖｆを発生する。周波数調整電圧発生部１３は、固定抵抗器１３１と、可変抵抗器１３２と、固定抵抗器１３３と、を有する。

固定抵抗器１３１の一端は、電源端子（ＶＣＣ）に接続されており、電源電圧が印加される。固定抵抗器１３１の他端は可変抵抗器１３２及び固定抵抗器１３３に接続されている。

可変抵抗器１３２は、恒温槽型水晶発振器１の外部からの操作又は外部から入力される信号に基づいて抵抗値を変化させることができる。可変抵抗器１３２は、例えばそれぞれ抵抗値が異なる複数の異なる抵抗器と、複数の抵抗器から外部から入力されるシリアル信号が示す設定値に対応する抵抗器を選択する回路とを有している。可変抵抗器１３２は、例えば信号入力端子（ＳＩＧ）から入力されるシリアル信号が示す設定値に基づいて抵抗値を変化させる。

固定抵抗器１３３は、コンデンサ１２４と可変容量素子１２７との接続点と、固定抵抗器１３１と可変抵抗器１３２との接続点との間に設けられている。固定抵抗器１３３は、固定抵抗器１３１と可変抵抗器１３２とによって電源電圧が分圧されることによって発生した周波数調整電圧Ｖｆを可変容量素子１２７に印加する。固定抵抗器１３３は、可変抵抗器１３２の抵抗値に基づいて変化する周波数調整電圧Ｖｆを可変容量素子１２７のカソードに印加する。

温度補償電圧発生部１４は、温度によって変化する温度補償電圧Ｖｔを発生する。温度補償電圧発生部１４は、固定抵抗器１４１と、温度センサー１４２（第１温度センサー）と、可変抵抗器１４３と、固定抵抗器１４４と、温度センサー１４５（第２温度センサー）と、固定抵抗器１４６と、固定抵抗器１４７と、を有する。固定抵抗器１４１、固定抵抗器１４４及び固定抵抗器１４６の抵抗値は任意であり、例えば０Ωであってもよい。

固定抵抗器１４１、温度センサー１４２、固定抵抗器１４４及び温度センサー１４５は、電源端子とグランド端子との間において直列に接続されている。可変抵抗器１４３は、温度センサー１４２と並列に設けられており、固定抵抗器１４６は温度センサー１４５と並列に設けられている。

温度センサー１４２及び温度センサー１４５は、周辺の温度の変化に応じて抵抗値を変化させる。温度センサー１４２及び温度センサー１４５は、例えば温度の上昇に伴って抵抗値が増加するＰＴＣサーミスタである。

可変抵抗器１４３は、恒温槽型水晶発振器１の外部からの操作又は外部から入力される信号に基づいて抵抗値を変化させることができる。可変抵抗器１４３は、例えばそれぞれ抵抗値が異なる複数の異なる抵抗器と、複数の抵抗器から外部から入力されるシリアル信号が示す設定値に対応する抵抗器を選択する回路とを有している。可変抵抗器１４３は、信号入力端子から入力されるシリアル信号が示す設定値に基づいて抵抗値を変化させる。

可変抵抗器１４３は、可変抵抗器１３２に入力されるシリアル信号と同一のシリアル信号の入力を受けてもよい。この場合、シリアル信号には、可変抵抗器１３２及び可変抵抗器１４３のそれぞれに割り当てられたアドレスが含まれる。可変抵抗器１４３は、シリアル信号に含まれている設定値のうち、可変抵抗器１４３のアドレスに関連付けられている設定値を取得し、取得した設定値に基づいて抵抗値を変化させる。同様に、可変抵抗器１３２は、シリアル信号に含まれている設定値のうち、可変抵抗器１３２のアドレスに関連付けられている設定値を取得し、取得した設定値に基づいて抵抗値を変化させる。このように、可変抵抗器１３２及び可変抵抗器１４３が同一のシリアル信号に基づいて抵抗値を変化させることで、恒温槽型水晶発振器１の端子数を最小限の数に抑えることができる。

固定抵抗器１４７は、温度センサー１４２と、可変抵抗器１４３と、固定抵抗器１４４との接続点に一端が接続されており、他端が可変容量素子１２５のカソードに接続されている。固定抵抗器１４７は、温度補償電圧Ｖｔを可変容量素子１２５のカソードに印加する。

温度補償電圧発生部１４は、温度センサー１４２及び温度センサー１４５の周辺の温度の変化、及び可変抵抗器１４３の抵抗値に基づいて温度補償電圧Ｖｔを変化させる。温度補償電圧Ｖｔは、温度センサー１４２及び温度センサー１４５の周辺の温度の変化に伴う抵抗値の変化に基づいて、可変抵抗器１４３の抵抗値に基づく変化率で変化する。ここで、変化率は、単位温度（例えば１℃）の温度変化に対する温度補償電圧Ｖｔの変化量の割合である。

図２は、温度変化に伴う温度調整電圧Ｖｔの変化を模式的に示す図である。図２の横軸は温度であり、縦軸は温度調整電圧Ｖｔから、恒温槽型水晶発振器１の周辺温度が２５℃の状態における温度調整電圧Ｖｔの値であるＶ０を減算した値を示している。ここで、温度センサー１４２と温度センサー１４５とが同一の温度特性を有する素子であり、同一の温度で同じ抵抗値を示し、かつ可変抵抗器１４３の抵抗値が温度センサー１４２の抵抗値よりも大きい場合を例にして説明するが、温度センサー１４２の温度特性と温度センサー１４５の温度特性が異なっていてもよい。

可変抵抗器１４３の抵抗値が固定抵抗器１４６の抵抗値と同一である場合、固定抵抗器１４１、温度センサー１４２及び可変抵抗器１４３の合成抵抗値（以下、第１合成抵抗値という）と、固定抵抗器１４４、温度センサー１４５及び固定抵抗器１４６の合成抵抗値（以下、第２合成抵抗値という）とは同一である。したがって、この場合には、図２の破線Ａに示すように温度変化によらず温度補償電圧Ｖｔ−Ｖ０は一定であり、発振信号の発振周波数も一定となる。

可変抵抗器１４３の抵抗値が固定抵抗器１４６よりも小さい場合、温度変化に伴う温度センサー１４２の抵抗値の変化が第１合成抵抗値の変化に与える影響は、温度変化に伴う温度センサー１４５の抵抗値の変化が第２合成抵抗値の変化に与える影響よりも小さい。その結果、図２の一点鎖線Ｂに示すように、温度の上昇に伴って温度補償電圧Ｖｔ−Ｖ０が大きくなるので、発振周波数が高くなる。

一方、可変抵抗器１４３の抵抗値が固定抵抗器１４６よりも大きい場合、温度変化に伴う温度センサー１４２の抵抗値の変化が第１合成抵抗値の変化に与える影響は、温度変化に伴う温度センサー１４５の抵抗値の変化が第２合成抵抗値の変化に与える影響よりも大きい。その結果、図２の二点鎖線Ｃに示すように、温度の上昇に伴って温度補償電圧Ｖｔ−Ｖ０が小さくなるので、発振周波数が低くなる。このように、温度補償電圧発生部１４は、可変抵抗器１４３の抵抗値の変化によって、発振周波数の温度変化に伴う変化率を変化させることができる。

［第１変形例］
図３は、第１変形例に係る恒温槽型水晶発振器１の構成を示す図である。図３に示す恒温槽型水晶発振器１は、図１に示した恒温槽型水晶発振器１が有していた可変容量素子１２５及びコンデンサ１２６を有しないという点で異なり、他の点で同じである。

そして、温度補償電圧Ｖｔは、可変容量素子１２７と固定抵抗器１２８との接続点に印加される。その結果、可変容量素子１２７のカソードとアノードとの間の電位差は、周波数調整電圧Ｖｆと温度補償電圧Ｖｔとの電位差となる。この場合、温度補償電圧Ｖｔが大きくなればなるほど可変容量素子１２７の容量が大きくなり、発振信号の発振周波数が低くなる。恒温槽型水晶発振器１がこのような構成を有する場合であっても、恒温槽型水晶発振器１は、可変抵抗器１４３の抵抗値の変化によって、発振周波数の温度変化に伴う変化率を変化させることができる。

なお、恒温槽型水晶発振器１は、周波数調整電圧Ｖｆが可変容量素子１２７のアノードに印加され、温度補償電圧Ｖｔが可変容量素子１２７のカソードに印加されるように構成されていてもよい。

［第２変形例］
図１に示した例においては、温度センサー１４２及び温度センサー１４５の両方が温度変化に伴って抵抗値が変化する温度センサーであったが、温度センサー１４２及び温度センサー１４５のいずれか一方が温度センサーであり、他方が固定抵抗器であってもよい。例えば温度センサー１４２が温度センサーであり、温度センサー１４５が固定抵抗器である場合、温度センサー１４５は、電源端子とグランド端子の間において温度センサー１４２及び可変抵抗器１４３により構成される並列回路と直列に設けられる。

また、固定抵抗器１４１、温度センサー１４２、可変抵抗器１４３、固定抵抗器１４４、温度センサー１４５、固定抵抗器１４６、及び固定抵抗器１４７の抵抗値は任意である。これらの素子の抵抗値及び特性の組み合わせごとに、温度補償電圧発生部１４は、さまざまな温度特性の温度補償電圧Ｖｔを発生することができる。

［恒温槽型水晶発振器１による効果］
このように、本実施形態に係る恒温槽型水晶発振器１においては、可変抵抗器１４３の抵抗値を変化させることにより、温度変化に伴う温度補償電圧Ｖｔの変化率（傾き）を変化させることができる。したがって、エージングにより発振回路１２の温度特性が変化した場合であっても、可変抵抗器１４３の抵抗値を変化させることにより、変化後の温度特性に合うように温度補償をすることができる。

特に、恒温槽型水晶発振器１においては、温度特性をわずかに変化させれば足りるため、恒温槽型水晶発振器１が有する温度補償電圧発生部１４が、演算増幅器及びトランジスタ等の能動素子を含まず、固定抵抗器、可変抵抗器及び温度センサーによって構成されている。したがって、温度補償電圧発生部１４は、多数の能動素子を含む従来の温度補正回路に比べてノイズの発生量が少ない。その結果、恒温槽型水晶発振器１は、ノイズの影響による周波数短期安定度の低下を抑制しつつ、温度補償をすることができる。

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ず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１ 恒温槽型水晶発振器
１１ 発熱部
１２ 発振回路
１３ 周波数調整電圧発生部
１４ 温度補償電圧発生部
１２１ 水晶振動子
１２２、１２４、１２６ コンデンサ
１２３ 負性抵抗
１２５、１２７ 可変容量素子
１２８、１３１、１３３、１４１、１４４、１４６、１４７ 固定抵抗器
１３２、１４３ 可変抵抗器
１４２、１４５ 温度センサー

Claims (6)

1. 発振信号を発生する発振回路と、
   前記発振回路を加熱する発熱部と、
   温度によって変化する温度補償電圧を発生する温度補償電圧発生部と、
   を有し、
   前記発振回路は、前記温度補償電圧に基づいて容量値が変化する第１可変容量素子を有し、
   前記温度補償電圧発生部は、
   電源とグランドの間に直列に設けられた第１温度センサー及び第２温度センサーと、
   前記第１温度センサーと並列に接続された可変抵抗器と、
   前記第２温度センサーと並列に接続された抵抗器と、
   を有し、
   前記第１温度センサー及び前記第２温度センサーの周辺の温度の変化、及び前記可変抵抗器の抵抗値に基づいて前記温度補償電圧を変化させる、恒温槽型水晶発振器。
2. 発振信号を発生する発振回路と、
   前記発振回路を加熱する発熱部と、
   温度によって変化する温度補償電圧を発生する温度補償電圧発生部と、
   を有し、
   前記発振回路は、前記温度補償電圧に基づいて容量値が変化する第１可変容量素子を有し、
   前記温度補償電圧発生部は、
   電源とグランドの間に直列に設けられた温度センサーと、
   前記温度センサーと並列に接続された可変抵抗器と、
   前記電源と前記グランドの間において前記温度センサー及び前記可変抵抗器により構成される並列回路と直列に設けられた抵抗器と、
   を有し、
   前記温度センサーの周辺の温度の変化、及び前記可変抵抗器の抵抗値に基づいて前記温度補償電圧を変化させる、恒温槽型水晶発振器。
3. 前記第１可変容量素子の一端に印加される周波数調整電圧を発生する周波数調整電圧発生部をさらに有し、
   前記第１可変容量素子の他端には前記温度補償電圧が印加される、
   請求項１又は２に記載の恒温槽型水晶発振器。
4. 前記発振回路は、前記第１可変容量素子と直列に接続された第２可変容量素子をさらに有し、
   前記恒温槽型水晶発振器は、前記第２可変容量素子に印加する周波数調整電圧を発生する周波数調整電圧発生部をさらに有する、
   請求項１又は２に記載の恒温槽型水晶発振器。
5. 前記発振回路は、前記第１可変容量素子と前記第２可変容量素子との間に、直流電流を阻止するためのコンデンサをさらに有する、
   請求項４に記載の恒温槽型水晶発振器。
6. 前記発振回路は、前記第２可変容量素子と前記コンデンサとの接続点と、グランドと、の間に設けられた抵抗器をさらに有する、
   請求項５に記載の恒温槽型水晶発振器。

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