JP2022063159A - Oscillation circuit for OCXO - Google Patents

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator

Abstract

To provide an oscillation circuit having small clock frequency deviation with respect to changes in an environmental temperature.SOLUTION: The present invention provides an oscillation circuit for an OCXO which includes: a temperature sensor generating an output voltage that is a linear function of a temperature; a non-inverting amplifier and an inverting amplifier to which the output of the temperature sensor is input; an MOS transistor having a gate to which the output of the non-inverting amplifier is input; an MOS transistor having a gate to which the output of the inverting amplifier is input; a resistance to which the sum of drain currents of the two MOS transistors flow; a constant voltage source connected to the sources of the two MOS transistors; a buffer amplifier circuit for the voltage of the resistance; and a VCXO using the output of the buffer amplifier circuit as a control voltage. The oscillation circuit for an OCXO is characterized in that the sum of the drain currents is adjusted to have approximate secondary characteristics of the temperature by a constant voltage source connected to the sources of the MOS transistors.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、第五世代の通信システム(5G呼ばれている。)で必要とされる周波数の安定した基準クロック信号を発生するOCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator、恒温槽付水晶発振器)用温度補償回路に関する。 The present invention is a temperature compensation circuit for OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator) that generates a stable reference clock signal with a frequency required for a fifth generation communication system (called 5G). Regarding.

近年の通信速度の高速化および通信技術の高度化に伴い、通信用基準クロックの周波数安定度に関する規格が日々厳しくなってきている。環境温度変化に対する周波数安定性の規格もその一つである。そこで、環境温度変化に対して周波数変動が極めて少ないクロック信号を得るために、ATカット振動子やSCカット振動子を恒温槽に入れて動作させるOCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)が使われてきている。OCXOにおいては、発振器の周波数温度特性(周波数偏差)がゼロとなる温度(これを、ゼロ温特温度と呼ぶ)に恒温槽の温度を設定することにより、発振器の出力であるクロック信号の周波数(発振周波数とも記述する。)の安定化を図っている。近年はOCXOに対して小型化の要求が高まっており、外部環境の温度変化に対して小型化した恒温槽内部の温度を正確に一定に保持することが困難になってきている。恒温槽内の多少の温度変化があっても、極めて安定な周波数信号を得るためには、恒温槽の温度変動による発振周波数の変動を打ち消す温度補償回路を発振回路に組み込む必要がある。従来、このための温度補償発振器として、所謂TCXO(温度補償水晶発振器)が使用されてきたが、TCXOは広範囲の温度変化に対し温度補償することを目的として開発されたもので(たとえば、特許文献1)、極めて小さな温度変化の下で正確な温度補正をするOCXOには不向きである。 With the recent increase in communication speed and sophistication of communication technology, the standards regarding the frequency stability of the communication reference clock are becoming stricter every day. The frequency stability standard for changes in environmental temperature is one of them. Therefore, OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator), which operates an AT-cut oscillator or SC-cut oscillator in a constant temperature bath, has been used in order to obtain a clock signal whose frequency fluctuation is extremely small with respect to changes in environmental temperature. .. In OCXO, the frequency of the clock signal, which is the output of the oscillator, is set by setting the temperature of the constant temperature bath to the temperature at which the frequency temperature characteristic (frequency deviation) of the oscillator becomes zero (this is called the zero temperature special temperature). It is also described as the oscillation frequency.) To stabilize it. In recent years, there has been an increasing demand for miniaturization of OCXO, and it has become difficult to keep the temperature inside the miniaturized constant temperature bath accurately and constant with respect to temperature changes in the external environment. In order to obtain an extremely stable frequency signal even if there is a slight temperature change in the constant temperature bath, it is necessary to incorporate a temperature compensation circuit into the oscillation circuit that cancels the fluctuation of the oscillation frequency due to the temperature fluctuation of the constant temperature bath. Conventionally, a so-called TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) has been used as a temperature compensating oscillator for this purpose, but the TCXO has been developed for the purpose of temperature compensating for a wide range of temperature changes (for example, Patent Documents). 1) It is not suitable for OCXOs that perform accurate temperature correction under extremely small temperature changes.

特開2011-023944JP-A-2011-023944

図5(a)は、水晶発振器のゼロ温特温度(ここでは、90℃)付近の温度における発振周波数偏差の温度特性を示す図である。ゼロ温特温度では周波数偏差をゼロ(0)に設定しても、ゼロ温特温度(90℃)から2℃ずれると80ppb程度の周波数偏差となり、5℃ずれると500ppb程度の周波数偏差となる。このことは、恒温槽の設定温度を発振器のゼロ温特温度に合わせることができたとしても、-40℃から80℃までの広い環境温度の変化に対してOCXOのパッケージ内部の温度に例えば2℃の変動があると80ppbの周波数偏差が発生することを意味している。また、恒温槽の設定温度と発振器のゼロ温特温度に合わせ誤差があればさらに大きな周波数偏差が生ずることを意味している。5G以降の高速通信に使用する発振器に対しては、発振器のゼロ温特温度(ここでは、90℃)に恒温槽の温度を正確に合せ込む必要がある。この温度合せ込みは量産時に大きな問題となっている。さらに近年のOCXOパッケージに対する小型化の要求などから、-40℃から80℃までの広い環境温度の変化に対してパッケージ内部の温度を一定に保つことは極めてむずかしくなってきている。このような背景から、ゼロ温特温度から温度範囲±5℃以内で、クロック信号の周波数偏差が20ppb以下、好適には10ppb以下を実現するOCXO用温度補償回路への要求が高まってきている。 FIG. 5A is a diagram showing the temperature characteristics of the oscillation frequency deviation at a temperature near the zero temperature special temperature (here, 90 ° C.) of the crystal oscillator. Even if the frequency deviation is set to zero (0) at the zero temperature special temperature, the frequency deviation is about 80 ppb when the frequency deviation is 2 ° C. from the zero temperature special temperature (90 ° C.), and the frequency deviation is about 500 ppb when the frequency deviation is 5 ° C. This means that even if the set temperature of the constant temperature bath can be adjusted to the zero temperature special temperature of the oscillator, the temperature inside the OCXO package will be, for example, 2 for a wide environmental temperature change from -40 ° C to 80 ° C. It means that a frequency deviation of 80 ppb occurs when the temperature fluctuates. It also means that if there is an error in matching the set temperature of the constant temperature bath and the zero temperature special temperature of the oscillator, a larger frequency deviation will occur. For an oscillator used for high-speed communication of 5G or later, it is necessary to accurately adjust the temperature of the constant temperature bath to the zero temperature special temperature (here, 90 ° C.) of the oscillator. This temperature adjustment has become a big problem in mass production. Furthermore, due to recent demands for miniaturization of OCXO packages, it has become extremely difficult to keep the temperature inside the package constant against a wide change in environmental temperature from -40 ° C to 80 ° C. Against this background, there is an increasing demand for OCXO temperature compensation circuits that realize a clock signal frequency deviation of 20 ppb or less, preferably 10 ppb or less within a temperature range of ± 5 ° C. from the zero temperature special temperature.

ATカット振動子やSCカット振動子はゼロ温特温度変化点近傍の温度では、温度変動幅の二乗に比例した周波数変動特性を示している。本発明は、温度変動の二乗に比例した周波数補償回路を有する発振回路を提供する。すなわち、温度補償回路を有するOCXO用発振回路であり、具体的には、以下の特徴を有する。
(1)本発明は、温度の一次関数となる出力電圧を発生する温度センサ、前記温度センサの出力を入力とする非反転増幅器および反転増幅器、前記非反転増幅器の出力がゲートに入力されるMOSトランジスタ、前記反転増幅器の出力がゲートに入力されるMOSトランジスタ、前記2つのMOSトランジスタのドレイン電流の和が流入する抵抗、前記電流により発生した抵抗の電圧を受けるバッファーアンプ回路、並びに前記バッファーアンプ回路の出力を制御電圧としたVCXO(電圧制御水晶発振器)を含むことを特徴とするOCXO(恒温槽付水晶発振器)用発振回路である。
The AT-cut oscillator and the SC-cut oscillator show frequency fluctuation characteristics proportional to the square of the temperature fluctuation width at the temperature near the zero temperature special temperature change point. The present invention provides an oscillation circuit having a frequency compensation circuit proportional to the square of the temperature fluctuation. That is, it is an oscillator circuit for OCXO having a temperature compensation circuit, and specifically, it has the following features.
(1) In the present invention, a temperature sensor that generates an output voltage that is a linear function of temperature, a non-inverting amplifier and an inverting amplifier that input the output of the temperature sensor, and a MOS in which the output of the non-inverting amplifier is input to the gate. A transistor, a MOS transistor in which the output of the inverting amplifier is input to the gate, a resistor in which the sum of the drain currents of the two MOS transistors flows in, a buffer amplifier circuit that receives the voltage of the resistor generated by the current, and the buffer amplifier circuit. It is an oscillator circuit for OCXO (crystal oscillator with a constant temperature bath) characterized by including VCXO (voltage control crystal oscillator) which used the output of (voltage control) as a control voltage.

(2)本発明は、(1)に加えて、ゼロ温特温度(周波数偏差がゼロとなる温度)において、前記非反転増幅器の入力電圧と出力電圧が等しく、また前記反転増幅器の入力電圧と出力電圧も等しく、さらに前記非反転増幅器の出力電圧の温度特性直線と前記反転増幅器の出力電圧の温度特性直線はゼロ温特温度において交差するとともに、前記非反転増幅器と前記反転増幅器の増幅率が可変となっていることを特徴とする。 (2) In addition to (1), the present invention has the same input voltage and output voltage of the non-inverting amplifier at zero temperature special temperature (temperature at which the frequency deviation becomes zero), and also with the input voltage of the inverting amplifier. The output voltage is also the same, and the temperature characteristic straight line of the output voltage of the non-inverting amplifier and the temperature characteristic straight line of the output voltage of the inverting amplifier intersect at the zero temperature special temperature, and the amplification factors of the non-inverting amplifier and the inverting amplifier are high. It is characterized by being variable.

(3)本発明は、(1)および/または(2)に加えて、前記ドレイン電流の和が凡そ温度の2次特性となるように前記MOSトランジスタのソース電圧を調節するための定電圧源を有し、前記VCXOの制御電圧は前記抵抗の電圧と前記抵抗に直列接続した定電圧源からの電圧の加算値から生成されており、前記2つのMOSトランジスタは、両方ともPMOSトランジスタであるか、または両方ともNMOSトランジスタあり、前記2つのMOSトランジスタは、MOSのドレイン電流特性が同じであることを特徴とする。 (3) In addition to (1) and / or (2), the present invention is a constant voltage source for adjusting the source voltage of the MOS transistor so that the sum of the drain currents has a secondary characteristic of the temperature. The control voltage of the VCXO is generated from the sum of the voltage of the resistor and the voltage from the constant voltage source connected in series with the resistor. , Or both, and the two MOS transistors are characterized by having the same drain current characteristics of the MOS.

本発明のOCXO用発振回路に用いる温度補償回路は、個別の水晶発振回路の周波数温度特性に合わせて周波数補正回路のパラメータ調整ができるため、補正後のクロック周波数偏差を10ppb~20ppb以下に非常に小さくすることができる。特に、ATカット振動子やSCカット振動子はゼロ温特温度の近傍では温度変動の二乗に比例した周波数変動を示すが、MOSトランジスタの飽和領域におけるドレイン電流がゲート・ソース間電圧と二乗の関係にあることを利用した本発明の温度補償回路は水晶振動子の周波数偏差の温度特性と非常に良い一致を示すことから、簡単な回路で合わせ誤差を非常に小さくすることができる。この結果、近年の高速通信等でも周波数偏差の極めて小さな発振器を提供することができる。 In the temperature compensation circuit used in the OCXO oscillation circuit of the present invention, the parameters of the frequency correction circuit can be adjusted according to the frequency temperature characteristics of the individual crystal oscillation circuits, so that the corrected clock frequency deviation is extremely reduced to 10 ppb to 20 ppb or less. It can be made smaller. In particular, AT-cut oscillators and SC-cut oscillators show frequency fluctuations proportional to the square of temperature fluctuations in the vicinity of the zero temperature special temperature, but the drain current in the saturation region of the MOS transistor is the relationship between the gate-source voltage and the square. Since the temperature compensation circuit of the present invention utilizing the above shows a very good match with the temperature characteristic of the frequency deviation of the crystal oscillator, the matching error can be made very small by a simple circuit. As a result, it is possible to provide an oscillator having an extremely small frequency deviation even in high-speed communication in recent years.

図1は、本発明の周波数補正温度補償回路の一例を示す図で、PMOSトランジスタのVG-ID(ゲート・ソース間電圧-ドレイン電流)特性を利用したOCXO用温度補償回路である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the frequency correction temperature compensation circuit of the present invention, and is a temperature compensation circuit for OCXO using the VG-ID (gate-source voltage-drain current) characteristic of the polyclonal transistor. 図2は、本発明の第2の実施例を示す図であり、NMOSトランジスタのVG-ID(ゲート・ソース間電圧-ドレイン電流)特性を利用したOCXO用温度補償回路である。FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention, and is a temperature compensation circuit for OCXO that utilizes the VG-ID (gate-source voltage-drain current) characteristic of the NOTE transistor. 図3は、VCXOの周波数可変特性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a frequency variable characteristic of the VCXO. 図4は、図1の温度補償回路に示される主要端子における電圧や電流の温度特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing temperature characteristics of voltage and current at the main terminals shown in the temperature compensation circuit of FIG. 図5は、本発明におけるクロック信号の周波数偏差を低減する方法を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a method of reducing the frequency deviation of the clock signal in the present invention. 図6は、図1の温度補償回路におけるPMOSトランジスタのソース電圧Vが変化したときの周波数偏差(合わせ誤差)を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a frequency deviation (matching error) when the source voltage VE of the MIMO transistor in the temperature compensation circuit of FIG . 1 changes. 図7は、本発明の温度補償回路を持つOCXO用発振回路を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an oscillator circuit for OCXO having the temperature compensation circuit of the present invention. 図8は、水晶振動子の周波数温度特性を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the frequency temperature characteristics of the crystal unit.

本発明の目的は、周波数の温度変化の少ないクロック信号を生成する発振回路を提供することである。図8は、温度補償をしていないATカットとSCカットの水晶発振回路の周波数温度特性を示す図である。横軸に温度、縦軸に周波数変化量(周波数偏差Δf/f)を示す。図8(a)において、6個の3次の曲線群で示されるものはATカット水晶振動子の周波数温度特性であり、水晶の切断角度をパラメータにしたものである。ATカット型振動子の温度特性は、図8に示すように3次曲線であるが、90℃近傍にゼロ温特温度を有する曲線はその温度近傍では温度のほぼ2次曲線となっている。90℃近傍にゼロ温特温度を有し上に凸の曲線は、SCカット水晶振動子の周波数温度特性であり、これも温度の2次曲線となっている。図8(a)から分かるように、ATカット型振動子の温度特性は、極大または極小を示す温度近傍において、温度変動に対する周波数変化は最も小さい。またSCカット型振動子の温度特性は、極大を示す温度近傍において、温度変動に対する周波数変化は最も小さい。このように水晶振動子を極大または極小を示す温度の前後において使用すれば、温度変化に対する周波数変化を小さくすることができる。 An object of the present invention is to provide an oscillation circuit that generates a clock signal with a small change in frequency temperature. FIG. 8 is a diagram showing the frequency temperature characteristics of the AT-cut and SC-cut crystal oscillator circuits without temperature compensation. The horizontal axis shows the temperature, and the vertical axis shows the amount of frequency change (frequency deviation Δf / f). In FIG. 8A, what is shown by a group of six cubic curves is the frequency temperature characteristic of the AT-cut crystal oscillator, and the cutting angle of the crystal is used as a parameter. The temperature characteristic of the AT-cut type oscillator is a cubic curve as shown in FIG. 8, but the curve having a zero temperature special temperature near 90 ° C. is a substantially quadratic curve of the temperature near the temperature. The upwardly convex curve having a zero temperature special temperature near 90 ° C. is the frequency temperature characteristic of the SC cut crystal oscillator, which is also a quadratic curve of the temperature. As can be seen from FIG. 8A, the temperature characteristic of the AT-cut type oscillator has the smallest frequency change with respect to temperature fluctuation in the vicinity of the temperature showing the maximum or minimum. Further, regarding the temperature characteristics of the SC cut type oscillator, the frequency change with respect to the temperature fluctuation is the smallest in the vicinity of the temperature showing the maximum. By using the crystal oscillator in this way before and after the temperature indicating the maximum or minimum, the frequency change with respect to the temperature change can be reduced.

たとえば、図8(b)に示すように、極小値になる温度が90℃で、かつそのときの周波数変化量(Δf/f)がゼロとなるATカット型振動子、または極大値になる温度が90℃で、かつそのときの周波数変化量(Δf/f)がゼロとなるSCカット型振動子を用いて、90℃付近で水晶振動子を動作させれば、周波数変化量(Δf/f)が小さい発振器を作成できる。この特徴を利用しているのがOCXO発振器である。 For example, as shown in FIG. 8B, an AT-cut type oscillator in which the temperature at which the minimum value is 90 ° C. and the frequency change amount (Δf / f) at that time is zero, or the temperature at which the maximum value is reached. If the crystal oscillator is operated at around 90 ° C. using an SC cut type oscillator whose frequency is 90 ° C. and the frequency change amount (Δf / f) at that time is zero, the frequency change amount (Δf / f) ) Can be created as a small oscillator. The OCXO oscillator utilizes this feature.

しかし、5Gの時代を迎え、OCXOに対しても小型化の要求が高まってきている。OCXOを小型化した場合には外部の温度変化に対しパッケージ内部の温度を一定に保持することは困難であり、OCXO内の温度変化として例えば90℃±2℃を想定すると、既述したように80ppb程度の周波数変化を余儀なくされる。しかし、5Gの高速通信では、基準クロックを発生する発振回路は極めて僅かな(たとえば、20ppb以下、望ましくは10ppb以下)の周波数変化で安定に動作をすることが要求されている。本発明は、10ppb以下の周波数温度変化を達成するOCXO発振器を提供するものである。 However, in the age of 5G, there is an increasing demand for miniaturization of OCXO. When the OCXO is miniaturized, it is difficult to keep the temperature inside the package constant against external temperature changes, and assuming that the temperature change inside the OCXO is, for example, 90 ° C ± 2 ° C, as described above. The frequency is forced to change by about 80 ppb. However, in 5G high-speed communication, the oscillation circuit that generates the reference clock is required to operate stably with a very small frequency change (for example, 20 ppb or less, preferably 10 ppb or less). The present invention provides an OCXO oscillator that achieves a frequency temperature change of 10 ppb or less.

図7は、本発明の温度補償回路を持つOCXO用発振回路を示す図である。恒温槽(OVEN)パッケージ内には、温度補償回路、温度補償回路の出力電圧を制御電圧Vcとして使用するVCXO(電圧制御水晶発振器)、水晶振動子を所定の温度に保持する熱源(Heater)と熱源制御用IC(Heater Control IC)が収納されており、VCXO回路からクロック信号が出力される。本図においてVCXO回路は、2個のインバータ、帰還抵抗Rf、制限抵抗Rd、コンデンサCc、Cpg、Cpd、バイアス抵抗Rv、バリキャップ(Varicap)等から構成され、VCXO回路の制御電圧Vcは温度補償回路(Temperature Compensation Circuit)から供給される。これらのVCXO回路および温度補償回路は1つのIC(発振用IC:OSC IC)に組み込まれている。本発明は、このような温度補償回路を持つOCXO回路である FIG. 7 is a diagram showing an oscillator circuit for OCXO having the temperature compensation circuit of the present invention. In the constant temperature bath (OVEN) package, there are a temperature compensation circuit, a VCXO (voltage controlled crystal oscillator) that uses the output voltage of the temperature compensation circuit as the control voltage Vc, and a heat source (Heater) that keeps the crystal oscillator at a predetermined temperature. A heat source control IC (Heater Control IC) is housed, and a clock signal is output from the VCXO circuit. In this figure, the VCXO circuit is composed of two inverters, a feedback resistor Rf, a limiting resistor Rd, a capacitor Cc, Cpg, Cpd, a bias resistor Rv, a varicap, etc., and the control voltage Vc of the VCXO circuit is temperature compensated. It is supplied from the circuit (Temperature Compensation Circuit). These VCXO circuits and temperature compensation circuits are incorporated in one IC (oscillation IC: OSC IC). The present invention is an OCXO circuit having such a temperature compensation circuit.

図1は、水晶発振回路の周波数偏差を10ppb以下まで低減する本発明の周波数補正温度補償回路の一例を示す図である。PMOSトランジスタのVG-ID(ゲート・ソース間電圧-ドレイン電流)特性を利用したOCXO用温度補償回路である。図1に示す回路は、温度センサ11、温度センサ11の出力からOP(オペ)アンプ14とOP(オペ)アンプ19を使ってBTR端子からV(BTR)電圧を生成する演算増幅回路、V(BTR)電圧を入力とするOPアンプ28からなる非反転増幅器およびOPアンプ27からなる反転増幅器、OPアンプ28のBT出力がゲートに入力されるPMOSトランジスタ31、OPアンプ27のBTA出力がゲートに入力されるPMOSトランジスタ33、これらの2つのPMOSトランジスタ31、33のソースに接続された定電圧源32、これらの2つのPMOSトランジスタ31、33のドレイン電流の和が流入する抵抗35と抵抗35に直列接続された定電圧源34、抵抗35と定電圧源34の電圧の和VTOが入力されるバッファーアンプ回路36および/または反転増幅器41から構成されている。バッファーアンプ回路36の出力V(VT)あるいは反転増幅器41の出力Vcが、VCXO(電圧制御水晶発振器)の制御電圧として使われる。図3はVCXOの周波数可変特性を示す図であり、横軸に制御電圧および縦軸に周波数偏差を取っている。VCXOの発振周波数は制御電圧に対し図3に示すように直線的に変化する特性を有する。一方、制御電圧一定の下で、VCXOの発振周波数はそのゼロ温特温度近傍で温度に対し2次特性となっているので、その周波数の温度変化を打ち消すためには、制御電圧Vc或いはV(VT)は温度の2次関数となっていなければならない。以下、Vc及びV(VT)が、温度の2次関数となっていること、これらの電圧を制御電圧としたOCXOの発振周波数は温度変化に対して10ppb以下の変動に抑えられることを順次説明する。 FIG. 1 is a diagram showing an example of a frequency correction temperature compensation circuit of the present invention that reduces the frequency deviation of the crystal oscillator circuit to 10 ppb or less. This is a temperature compensation circuit for OCXO that utilizes the VG-ID (gate-source voltage-drain current) characteristics of a polyclonal transistor. The circuit shown in FIG. 1 is an arithmetic amplifier circuit, V ( BTR) A non-inverting amplifier consisting of an OP amplifier 28 and an inverting amplifier consisting of an OP amplifier 27 that input voltage, a PMOS transistor 31 in which the BT output of the OP amplifier 28 is input to the gate, and a BTA output of the OP amplifier 27 input to the gate. PMOS transistor 33, a constant voltage source 32 connected to the source of these two PMOS transistors 31, 33, and a series of resistors 35 and a resistor 35 into which the sum of the drain currents of these two PMOS transistors 31, 33 flows. It is composed of a connected constant voltage source 34, a buffer amplifier circuit 36 to which a sum VTO of the voltage of the resistor 35 and the constant voltage source 34 is input, and / or an inverting amplifier 41. The output V (VT) of the buffer amplifier circuit 36 or the output Vc of the inverting amplifier 41 is used as the control voltage of the VCXO (voltage controlled crystal oscillator). FIG. 3 is a diagram showing the frequency variable characteristics of the VCXO, in which the control voltage is shown on the horizontal axis and the frequency deviation is shown on the vertical axis. The oscillation frequency of the VCXO has a characteristic that it changes linearly with respect to the control voltage as shown in FIG. On the other hand, under a constant control voltage, the oscillation frequency of the VCXO has a secondary characteristic with respect to the temperature near its zero temperature special temperature. Therefore, in order to cancel the temperature change at that frequency, the control voltage Vc or V ( VT) must be a quadratic function of temperature. Hereinafter, it will be explained sequentially that Vc and V (VT) are quadratic functions of temperature, and that the oscillation frequency of OCXO using these voltages as a control voltage can be suppressed to a fluctuation of 10 ppb or less with respect to a temperature change. do.

本発明の温度補償回路で使用する温度センサ(T sensor)11は温度の一次関数となる電圧を出力する。このような温度センサは、たとえばバンドギャップレファレンス回路から容易に作製できる。温度センサ出力Vtempは温度感度アップと後段回路に対する駆動能力確保のためOPアンプ14と抵抗13、15と定電圧源12で構成される非反転増幅器に入力される。当該非反転増幅器の出力端子BTOには温度センサ出力Vtempが増幅された電圧V(BTO)が出力される。尚、本回路においては温度センサ出力Vtemp、V(BTO)は接地基準の電圧を想定している。V(BTO)を接地基準から電源基準の電圧に変換するため、反転増幅器19と抵抗16、17、18、21からなる電圧基準変換回路に接続する。即ち、電圧基準変換回路によって、その出力端子BTRからのVDD-V(BTO)の電圧V(BTR)が出力される。電圧V(BTR)は次段の非反転増幅器28と反転増幅器27に入力される。尚、V(BTO)またはV(BTR)の出力をする部分までを温度センサ回路と考えることもできる。 The temperature sensor 11 used in the temperature compensation circuit of the present invention outputs a voltage that is a linear function of temperature. Such a temperature sensor can be easily manufactured from, for example, a bandgap reference circuit. The temperature sensor output Vtemp is input to a non-inverting amplifier composed of an OP amplifier 14, resistors 13, 15 and a constant voltage source 12 in order to increase the temperature sensitivity and secure the drive capability for the subsequent circuit. The voltage V (BTO) in which the temperature sensor output Vtemp is amplified is output to the output terminal BTO of the non-inverting amplifier. In this circuit, the temperature sensor outputs Vtemp and V (BTO) are assumed to be grounded reference voltages. In order to convert V (BTO) from the ground reference voltage to the power supply reference voltage, it is connected to a voltage reference conversion circuit consisting of an inverting amplifier 19 and resistors 16, 17, 18 and 21. That is, the voltage reference conversion circuit outputs VDD—V (BTO) voltage V (BTR) from the output terminal BTR. The voltage V (BTR) is input to the non-inverting amplifier 28 and the inverting amplifier 27 in the next stage. It should be noted that the part up to the part that outputs V (BTO) or V (BTR) can be considered as a temperature sensor circuit.

OPアンプ28、定電圧源22(電圧Vr1)、抵抗23、24からなる非反転増幅器にV(BTR)が入力されると、OPアンプ28のオフセット電圧がない場合、出力電圧V(BT)<出力端子BTにおける電圧>は
V(BT)=(1+R2/R1)(V(BTR)-Vr1)+Vr1
となる。このように非反転増幅器の出力電圧V(BT)は、定電圧源22(電圧Vr1)や抵抗R1、R2により調節でき、増幅率も可変可能である。本発明の温度補償回路では、水晶発振器のゼロ温特温度(周波数偏差がゼロとなる温度、たとえば90℃)において、非反転増幅器の出力電圧V(BT)がその入力電圧V(BTR)と等しくなるようにVr1を調節する(Vr1をV(BTR)に合わせることと同じ)。こうすることで、R1或いはR2による増幅率の調節に対してゼロ温特温度のV(BT)値を変動しないようにでき、個々の水晶発振器の温度特性のバラツキに対し温度補正の調整が容易になる。
When V (BTR) is input to the non-inverting amplifier consisting of the OP amplifier 28, the constant voltage source 22 (voltage Vr1), and the resistors 23 and 24, if there is no offset voltage of the OP amplifier 28, the output voltage V (BT) < Voltage at output terminal BT>
V (BT) = (1 + R2 / R1) (V (BTR) -Vr1) + Vr1
Will be. As described above, the output voltage V (BT) of the non-inverting amplifier can be adjusted by the constant voltage source 22 (voltage Vr1) and the resistors R1 and R2, and the amplification factor can also be changed. In the temperature compensation circuit of the present invention, the output voltage V (BT) of the non-inverting amplifier is equal to the input voltage V (BTR) of the crystal oscillator at the zero temperature special temperature (temperature at which the frequency deviation becomes zero, for example, 90 ° C.). Adjust Vr1 so that it becomes (same as adjusting Vr1 to V (BTR)). By doing so, it is possible to prevent the V (BT) value of the zero temperature special temperature from fluctuating when the amplification factor is adjusted by R1 or R2, and it is easy to adjust the temperature compensation for variations in the temperature characteristics of individual crystal oscillators. become.

OPアンプ27、定電圧源26(電圧Vr2)抵抗25、29からなる反転増幅器にV(BTR)が入力されると、OPアンプ27のオフセット電圧がない場合、出力電圧V(BTA)<出力端子BTAにおける電圧>は
V(BTA)=-(R4/R3)(V(BTR)-Vr2)+Vr2
となる。このように反転増幅器の出力電圧V(BTA)は、定電圧源26(電圧Vr2)や抵抗R3、R4により調節でき、増幅率も可変可能である。本発明の温度補償回路では、ゼロ温特温度(周波数偏差がゼロとなる温度、たとえば90℃)において、反転増幅器の出力電圧V(BTA)がその入力電圧V(BTR)と等しくなるようにVr2を調節する(Vr2をV(BTR)に合わせることと同じ)。これにより、R3或いはR4による増幅率の調節に対して水晶発振器のゼロ温特温度のV(BTA)の値は一定にできるため、水晶発振器の温度特性に対し温度補正感度の調整が容易になる。尚、OPアンプ28とOPアンプ27のオフセット電圧が共にゼロの場合は
V(BTR)=V(BT)= Vr1 = V(BTA)= Vr2
となるが、一般にOPアンプ28とOPアンプ27は異なるオフセット電圧を持つため、Vr1の定電圧源22とVr2の定電圧源26は別々に用意する必要がある。
When V (BTR) is input to the inverting amplifier consisting of the OP amplifier 27 and the constant voltage source 26 (voltage Vr2) resistors 25 and 29, if there is no offset voltage of the OP amplifier 27, the output voltage V (BTA) <output terminal Voltage in BTA>
V (BTA) =-(R4 / R3) (V (BTR) -Vr2) + Vr2
Will be. In this way, the output voltage V (BTA) of the inverting amplifier can be adjusted by the constant voltage source 26 (voltage Vr2) and the resistors R3 and R4, and the amplification factor can also be changed. In the temperature compensation circuit of the present invention, Vr2 so that the output voltage V (BTA) of the inverting amplifier becomes equal to the input voltage V (BTR) at the zero temperature special temperature (temperature at which the frequency deviation becomes zero, for example, 90 ° C.). (Same as adjusting Vr2 to V (BTR)). As a result, the value of V (BTA) of the zero temperature special temperature of the crystal oscillator can be made constant with respect to the adjustment of the amplification factor by R3 or R4, so that the temperature correction sensitivity can be easily adjusted with respect to the temperature characteristics of the crystal oscillator. .. If the offset voltage of both the OP amplifier 28 and the OP amplifier 27 is zero,
V (BTR) = V (BT) = Vr1 = V (BTA) = Vr2
However, since the OP amplifier 28 and the OP amplifier 27 generally have different offset voltages, it is necessary to separately prepare the constant voltage source 22 of Vr1 and the constant voltage source 26 of Vr2.

非反転増幅器の出力V(BT)はPMOSトランジスタ31のゲートに入力され、PMOSトランジスタ31のドレイン電流ia1を制御する。また、PMOSトランジスタ31のソース側には定電圧源32によりバックゲート電圧(V)が印加され、ドレイン電流の動作領域を決めている。Vの調節などによりPMOSトランジスタ31を飽和領域で動作させることができれば、ドレイン(飽和)電流ia1は、ゲート電圧(ゲート・ソース間電圧Vgs)およびPMOSトランジスタの閾値電圧(Vtp)から、
ia1≒K(Vgs-Vtp)
となる(Kは比例定数で、いわゆるK値)。ここで、ゲート電圧(Vgs)はV(BT)-Vで、温度の一次関数となっているので、ドレイン電流ia1は、温度の2次関数となる(Vgs‐Vtp>0の時)。
The output V (BT) of the non-inverting amplifier is input to the gate of the MIMO transistor 31 and controls the drain current ia1 of the MIMO transistor 31. Further, a back gate voltage ( VE ) is applied to the source side of the MIMO transistor 31 by the constant voltage source 32, and the operating region of the drain current is determined. If the MIMO transistor 31 can be operated in the saturation region by adjusting VE, the drain (saturation) current ia1 can be determined from the gate voltage (gate-source voltage Vgs) and the threshold voltage (Vtp) of the MIMO transistor.
ia1 ≒ K (Vgs-Vtp) 2
(K is a constant of proportionality, so-called K value). Here, since the gate voltage (Vgs) is V (BT) -VE and is a linear function of temperature, the drain current ia1 is a quadratic function of temperature (when Vgs-Vtp> 0).

同様に、反転増幅器27の出力V(BTA)はPMOSトランジスタ33のゲートに入力されて、PMOSトランジスタ33のドレイン電流ia2を制御する。また、PMOSトランジスタ33のソース側には定電圧源32によりバックゲート電圧(V)が印加され、ドレイン電流の動作領域を決めている。Vの調節などによりPMOSトランジスタ33を飽和領域で動作させることができれば、ドレイン(飽和)電流ia2は、ゲート電圧(ゲート・ソース間電圧Vgs)およびPMOSトランジスタの閾値電圧(Vtp)から、
ia2≒K(Vgs-Vtp)
となる。ここで、ゲート電圧(Vgs)はV(BTA)―Vであり、温度の一次関数となっているので、ドレイン電流ia2は、温度の2次関数となる(Vgs‐Vtp>0の時)。尚、PMOSトランジスタ31と33の閾値の違いを補正したい場合は、それぞれのPMOSトランジスタのソースには別々の定電圧源により異なるVE電圧を与えるようにすればよい。
Similarly, the output V (BTA) of the inverting amplifier 27 is input to the gate of the MIMO transistor 33 to control the drain current ia2 of the MIMO transistor 33. Further, a back gate voltage ( VE ) is applied to the source side of the MIMO transistor 33 by the constant voltage source 32, and the operating region of the drain current is determined. If the MIMO transistor 33 can be operated in the saturation region by adjusting VE, the drain (saturation) current ia2 can be determined from the gate voltage (gate-source voltage Vgs) and the threshold voltage (Vtp) of the MIMO transistor.
ia2 ≒ K (Vgs-Vtp) 2
Will be. Here, since the gate voltage (Vgs) is V (BTA) -VE and is a linear function of temperature, the drain current ia2 is a quadratic function of temperature (when Vgs-Vtp> 0). .. If it is desired to correct the difference between the threshold values of the MIMO transistors 31 and 33, different VE voltages may be applied to the sources of the respective MIMO transistors by different constant voltage sources.

以上説明したVtemp、V(BTR)、V(BT)、V(BTA)の電圧の温度特性を図4(a)に示す。ここで、図4は、図1の温度補償回路に示される主要端子における電圧や電流の温度特性を示す図である。V(BT)とV(BTA)は、どちらも温度の一次関数となる出力電圧であり、ゼロ温特温度で交差する傾きが互いに逆の直線である(ゼロ温特温度における電圧に対して対称関係になっている)。VEの電圧を調節すると、ゼロ温特温度よりも低い温度ではia1は殆ど流れないが、電流ia2は流れ、ゼロ温特温度よりも高い温度ではia2が殆ど流れずに電流ia1が流れるようになる。従って、2つのPMOSトランジスタ31および33のドレイン(飽和)電流の和(ia1+ia2)は凡そ温度の2次関数(2次特性)となる。この様子を図4(b)に示した。ここで<凡そ>は、たとえば、実際のMOSトランジスタにおいてはサブスレッショルド領域(閾値電圧以下の領域)で完全にドレイン(飽和)電流はゼロにならないことから、厳密な2次関数からは少しのずれが生じることを意味する。ゼロ温特温度でのia1、ia2の電流値をVで調節することで電流の和(ia1+ia2)を温度の2次特性に近づけることができる。 FIG. 4A shows the temperature characteristics of the voltages of Vtemp, V (BTR), V (BT), and V (BTA) described above. Here, FIG. 4 is a diagram showing the temperature characteristics of voltage and current at the main terminals shown in the temperature compensation circuit of FIG. Both V (BT) and V (BTA) are output voltages that are linear functions of temperature, and the slopes that intersect at the zero temperature special temperature are straight lines that are opposite to each other (symmetric with respect to the voltage at the zero temperature special temperature). It has a relationship). When the voltage of V E is adjusted, ia1 hardly flows at a temperature lower than the zero temperature special temperature, but the current ia2 flows, and at a temperature higher than the zero temperature special temperature, ia2 hardly flows and the current ia1 flows. Become. Therefore, the sum of the drain (saturation) currents (ia1 + ia2) of the two MIMO transistors 31 and 33 is approximately a quadratic function (quadratic characteristic) of the temperature. This situation is shown in FIG. 4 (b). Here, <about> is a slight deviation from the strict quadratic function because, for example, in an actual MOS transistor, the drain (saturation) current does not completely become zero in the subthreshold region (region below the threshold voltage). Means that By adjusting the current values of ia1 and ia2 at the zero temperature special temperature with VE, the sum of the currents (ia1 + ia2) can be brought closer to the secondary characteristic of the temperature.

2つのPMOSトランジスタ31および33のそれぞれのドレイン(飽和)電流は端子VTOで合流し、抵抗35を介して定電圧源34(電圧Voff)に流れる。端子VTOの電圧V(VTO)は電圧Voffと抵抗35にかかる電圧の和になる。抵抗35にかかる電圧はドレイン(飽和)電流の和(ia1+ia2)に比例するから、電圧V(VTO)もまた温度に関して2次特性を持つ。この電圧V(VTO)は、OPアンプ36のボルテージフォロワ(バッファーアンプ)回路に入力されると、端子VTから出力(出力電圧V(VT)=V(VTO))され、OPアンプ41、定電圧源39と抵抗37、38からなる反転増幅器で反転され、端子VCから出力(出力電圧Vc)される。出力電圧V(VT)とVcの温度特性を図4(c)に示した。VCXOが制御電圧入力に対して図3に示したような周波数可変特性を有する場合、出力電圧V(VT)は周波数温度特性が上に凸(ゼロ温特温度で周波数が極大値)となっているSCカットのような水晶振動子の周波数補正に使用し、出力電圧Vcは周波数温特が下に凸(ゼロ温特温度で周波数が極小値)となっているATカットのような水晶振動子の周波数補正に使用すれば、発振周波数の温度特性を低減できる。尚、Voff電圧及び定電圧源39のVI電圧は、OPアンプ36、OPアンプ41のバイアス電圧としての役割の他、ゼロ温特温度での発振回路の周波数の合せ込み(この合せ込みは微調用である。)の役割も果たしている。 The drain (saturation) currents of the two MIMO transistors 31 and 33 merge at the terminal VTO and flow to the constant voltage source 34 (voltage Voff) via the resistor 35. The voltage V (VTO) of the terminal VTO is the sum of the voltage Voff and the voltage applied to the resistance 35. Since the voltage applied to the resistor 35 is proportional to the sum of the drain (saturation) currents (ia1 + ia2), the voltage V (VTO) also has a secondary characteristic with respect to temperature. When this voltage V (VTO) is input to the voltage follower (buffer amplifier) circuit of the OP amplifier 36, it is output from the terminal VT (output voltage V (VT) = V (VTO)), and the OP amplifier 41 has a constant voltage. It is inverted by an inverting amplifier consisting of a source 39 and resistors 37 and 38, and is output from the terminal VC (output voltage Vc). The temperature characteristics of the output voltages V (VT) and Vc are shown in FIG. 4 (c). When the VCXO has the frequency variable characteristics as shown in FIG. 3 with respect to the control voltage input, the frequency temperature characteristics of the output voltage V (VT) are convex upward (the frequency is the maximum value at the zero temperature special temperature). Used for frequency correction of crystal oscillators such as SC cut, the output voltage Vc is a crystal oscillator such as AT cut whose frequency temperature characteristic is convex downward (the frequency is the minimum value at zero temperature special temperature). If it is used for frequency correction, the temperature characteristics of the oscillation frequency can be reduced. The Voff voltage and the VI voltage of the constant voltage source 39 serve as the bias voltage of the OP amplifier 36 and the OP amplifier 41, and also adjust the frequency of the oscillation circuit at the zero temperature special temperature (this adjustment is for fine adjustment). It also plays the role of.).

図5は、図8(b)のようなAT水晶振動子を用いた発振器の発振周波数(クロック周波数)の温度特性を図4で説明した温度補償回路の出力電圧Vcを用いて発振周波数の温度補償をする一例を示している。その手順を以下のStep1~Step3に示す。
Step1 OCXOをゼロ温特温度(90℃)にしてVoff電圧或いはVI電圧を調節して発振周波数を狙い値に設定する。(図5(a)ではこの周波数調整後の周波数偏差を基準としたグラフである。)
Step2 OCXO発振回路の温度を85℃に設定し、OPアンプ27の反転増幅器のゲインを抵抗29或いは抵抗25の調節によりVcを変化させ、発振周波数が狙い値(ゼロ温特温度での設定値と同じ)になるよう合せ込む。前記したVr2の合せ込みがされていれば、本調節はゼロ温特温度のVcの変化を伴わないので、Step1のゼロ温特温度での発振周波数には影響しない。
Step3 OCXO発振回路の温度を94.5℃に設定してOPアンプ28の非反転増幅器のゲインを抵抗24或いは抵抗23の調節によりによりVcを変化させ、発振周波数が狙い値(ゼロ温特温度での設定値)になるよう合せ込む。本調節は前記したVr1の合せ込みがされていれば、Step1のゼロ温特温度での発振周波数には影響しない。
FIG. 5 shows the temperature characteristics of the oscillation frequency (clock frequency) of the oscillator using the AT crystal oscillator as shown in FIG. 8B, using the output voltage Vc of the temperature compensation circuit described in FIG. 4 to obtain the temperature of the oscillation frequency. An example of compensation is shown. The procedure is shown in Steps 1 to 3 below.
Step1 Set OCXO to zero temperature special temperature (90 ° C) and adjust Voff voltage or VI voltage to set the oscillation frequency to the target value. (Fig. 5 (a) is a graph based on the frequency deviation after this frequency adjustment.)
Step2 Set the temperature of the OCXO oscillator circuit to 85 ° C, change the Vc of the gain of the inverting amplifier of the OP amplifier 27 by adjusting the resistor 29 or the resistor 25, and set the oscillation frequency to the target value (the set value at the zero temperature special temperature). Match so that it becomes the same). If the above-mentioned Vr2 is adjusted, this adjustment does not involve a change in Vc at the zero temperature special temperature, and therefore does not affect the oscillation frequency at the zero temperature special temperature in Step 1.
Step3 Set the temperature of the OCXO oscillation circuit to 94.5 ° C, change the Vc by adjusting the gain of the non-inverting amplifier of the OP amplifier 28 by adjusting the resistor 24 or the resistor 23, and set the oscillation frequency to the target value (at zero temperature special temperature). (Set value of). This adjustment does not affect the oscillation frequency at the zero temperature special temperature in Step 1 as long as the above-mentioned Vr1 is adjusted.

図5(b)はStep2、Step3の合せ込みをした後の回路による周波数補正量の温度特性を示している。図5(c)は図5(a)と図5(b)を同じグラフ上に描いた図である。これら二つの特性はほぼ重なっているが、多少のずれがある。その理由は、本来温度の3次特性的であるAT水晶発振器の周波数特性を温度の2次関数で補正していることや、その温度補正特性がMOSトランジスタのドレイン電流特性を利用していて完全な2次関数になっていないことに起因している。図5(d)は水晶発振器の周波数の温度特性と補正回路の温度補正特性の差を拡大して描いた図で、周波数補正後の周波数温度特性を示している。85℃、90℃、94.5℃で周波数合せ込みをした<合せ>で示される曲線は、OCXO内部の温度が85℃から95℃の間で、周波数補正前に500ppbあった周波数偏差(図5(a))が周波数補正後に5ppb以下に抑えられていることを示している。STEP2及びSTEP3での周波数合せ込みの温度を90℃に近づければ、その温度範囲近傍での周波数偏移をさらに小さくできることは言うまでもない。 FIG. 5B shows the temperature characteristics of the frequency correction amount by the circuit after the combination of Step 2 and Step 3. FIG. 5 (c) is a diagram in which FIGS. 5 (a) and 5 (b) are drawn on the same graph. These two characteristics almost overlap, but there is a slight difference. The reason is that the frequency characteristic of the AT crystal oscillator, which is originally the third-order characteristic of temperature, is corrected by the quadratic function of temperature, and the temperature correction characteristic is completely using the drain current characteristic of the MOS transistor. This is because it is not a quadratic function. FIG. 5D is an enlarged view of the difference between the frequency temperature characteristic of the crystal oscillator and the temperature correction characteristic of the correction circuit, and shows the frequency temperature characteristic after frequency correction. The curve shown by <matching> with frequency tuning at 85 ° C, 90 ° C, and 94.5 ° C shows the frequency deviation of 500 ppb before frequency correction when the temperature inside the OCXO was between 85 ° C and 95 ° C (Fig.). It is shown that 5 (a)) is suppressed to 5 ppb or less after frequency correction. Needless to say, if the temperature of the frequency adjustment in STEP 2 and STEP 3 is brought close to 90 ° C., the frequency deviation in the vicinity of the temperature range can be further reduced.

図6は、図1の回路においてVEを0.74V、0.75V、0.76V、0.77Vとした時の周波数偏差(合わせ誤差)を示す図である。<X>、<Y>、<Z>の曲線グラフはそれぞれ温度補償前の発振周波数の温度特性、85℃と94.5℃で周波数補正した後の発振周波数の温度特性及び87.5℃と92.5℃で周波数補正した後の発振周波数の温度特性を示している。Vが0.75V±0.01Vの範囲にあれば、周波数偏差の温度変動幅は10ppb以下に抑えられている。即ち、Vの値に対し周波数偏差の温度特性は比較的鈍感であるので、Vの値はIC毎に決める必要はなく、MOSトランジスタの閾値電圧から事前に設定することも可能な電圧である。以上、図1に示した本発明の温度補償回路を用いたOCXO用発振回路は温度補償をしていない水晶発振回路の周波数変動を1/100程度まで抑えることができることを示した。 FIG. 6 is a diagram showing a frequency deviation (matching error) when V E is 0.74V, 0.75V, 0.76V, and 0.77V in the circuit of FIG. The curve graphs of <X>, <Y>, and <Z> show the temperature characteristics of the oscillation frequency before temperature compensation, the temperature characteristics of the oscillation frequency after frequency correction at 85 ° C and 94.5 ° C, and 87.5 ° C, respectively. The temperature characteristics of the oscillation frequency after frequency correction at 92.5 ° C. are shown. When VE is in the range of 0.75V ± 0.01V, the temperature fluctuation range of the frequency deviation is suppressed to 10 ppb or less. That is, since the temperature characteristic of the frequency deviation is relatively insensitive to the value of VE , it is not necessary to determine the value of VE for each IC, and the voltage can be set in advance from the threshold voltage of the MOS transistor. be. As described above, it has been shown that the OCXO oscillation circuit using the temperature compensation circuit of the present invention shown in FIG. 1 can suppress the frequency fluctuation of the crystal oscillation circuit without temperature compensation to about 1/100.

図2は、本発明の第2の実施例を示す図であり、NMOSトランジスタのVG-ID(ゲート・ソース間電圧-ドレイン電流)特性を利用したOCXO用温度補償回路である。基本構成は、図1で述べたPMOSトランジスタのVG-ID(ゲート・ソース間電圧-ドレイン電流)特性を利用したOCXO用温度補償回路と同様である。図2で示すOCXO用温度補償回路と図1の回路との大きな違いは、非反転増幅器54の出力電圧V(BTO)を電源電圧基準の電圧BTRに変換する回路は省略されていること、その代わりにNMOS電流がカレントミラー回路83、84によって折り返されてia1とia2になっていることであり、回路の動作原理は図1の回路と同じである。また、2つのNMOSトランジスタ71および73のMOS特性が同じであれば、ドレイン電流ia1とia2はゼロ温特温度に対してほぼ対称になる。また、Vgsは基板電圧(バックゲート電圧)を印加することにより調節することもできることも図1の回路と同様である。このように、本発明の温度補償回路は、PMOSトランジスタもNMOSトランジスタも使用でき、汎用性に富む。 FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention, and is a temperature compensation circuit for OCXO that utilizes the VG-ID (gate-source voltage-drain current) characteristic of the NOTE transistor. The basic configuration is the same as the temperature compensation circuit for OCXO using the VG-ID (gate-source voltage-drain current) characteristic of the polyclonal transistor described in FIG. The major difference between the OCXO temperature compensation circuit shown in FIG. 2 and the circuit of FIG. 1 is that the circuit that converts the output voltage V (BTO) of the non-inverting amplifier 54 into the voltage BTR based on the power supply voltage is omitted. Instead, the MIMO current is folded back by the current mirror circuits 83 and 84 to become ia1 and ia2, and the operating principle of the circuit is the same as that of the circuit of FIG. Further, if the MOS characteristics of the two NMOS transistors 71 and 73 are the same, the drain currents ia1 and ia2 are substantially symmetric with respect to the zero temperature special temperature. Further, Vgs can also be adjusted by applying a substrate voltage (backgate voltage), which is the same as the circuit of FIG. 1. As described above, the temperature compensation circuit of the present invention can use both the polyclonal transistor and the msgid transistor, and is highly versatile.

以上詳細に説明した様に、水晶振動子の周波数偏差の温度特性がゼロ温特温度近傍の温度で2次関数的な挙動を示すことから、本発明はMOSトランジスタが飽和領域で動作するときにドレイン電流がゲート電圧の二乗にほぼ比例するという特性を用いて、本発明の温度補償回路により補正した補正値は非常に良い近似で水晶振動子の周波数偏差の温度特性に合わせることができる。その結果、本発明の温度補償回路を用いて発生した制御電圧でVCXO発振器からのクロック信号の周波数偏差を10ppb程度以下に極めて小さくすることができ、5G~6Gの高速化通信にも適用できる。尚、本明細書において、明細書のある部分に記載し説明した内容について記載しなかった他の部分においても矛盾なく適用できることに関しては、当該他の部分に当該内容を適用できることは言うまでもない。さらに、前記実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施でき、本発明の権利範囲が前記実施形態に限定されないことも言うまでもない。 As described in detail above, since the temperature characteristic of the frequency deviation of the crystal oscillator behaves as a quadratic function at a temperature near the zero temperature special temperature, the present invention presents the present invention when the MOS transistor operates in the saturation region. Using the characteristic that the drain current is substantially proportional to the square of the gate voltage, the correction value corrected by the temperature compensation circuit of the present invention can be matched with the temperature characteristic of the frequency deviation of the crystal oscillator with a very good approximation. As a result, the frequency deviation of the clock signal from the VCXO oscillator can be made extremely small to about 10 ppb or less by the control voltage generated by using the temperature compensation circuit of the present invention, and it can be applied to high-speed communication of 5G to 6G. It goes without saying that the content can be applied to other parts of the specification without any contradiction even if the contents described and explained in a certain part of the specification are not described without any contradiction. Further, it is needless to say that the embodiment is an example and can be modified in various ways without departing from the gist, and the scope of rights of the present invention is not limited to the embodiment.

本発明の温度補償回路は、恒温槽を用いたOCXO等の発振器に使用することで、環境温度の変化による恒温槽内部温度の変動に対して周波数変動の大幅な低減を可能とするOCXO発振器を提供できる。さらに、恒温槽の設定温度と水晶のゼロ温特温度の厳密な合せ込み(例えば合せ精度±0.1℃)をしなくとも狙いの周波数からのズレが殆どないため、量産性に優れたOCXO発振器を提供できる。 The temperature compensation circuit of the present invention is used for an OCXO or other oscillator using a constant temperature bath to provide an OCXO oscillator that can significantly reduce frequency fluctuations with respect to fluctuations in the internal temperature of the constant temperature bath due to changes in the environmental temperature. Can be provided. Furthermore, OCXO has excellent mass productivity because there is almost no deviation from the target frequency even if the set temperature of the constant temperature bath and the zero temperature special temperature of the crystal are not strictly adjusted (for example, the alignment accuracy is ± 0.1 ° C). An oscillator can be provided.

11温度センサ、12定電圧源、13抵抗、14OPアンプ、15抵抗、16抵抗、17抵抗、18抵抗、19OPアンプ、21抵抗、22定電圧源、23抵抗(抵抗R1)、24抵抗(抵抗R2)、25抵抗(抵抗R3)、26定電圧源、27OPアンプ、28OPアンプ、29抵抗(抵抗R4)、31PMOSトランジスタ、32定電圧源、33PMOSトランジスタ、34定電圧源、35抵抗、36ボルテージフォロワ(バッファーアンプ)回路、37抵抗、38抵抗、39定電圧源、41OPアンプ、51温度センサ、52定電圧源、53抵抗、54OPアンプ、55抵抗、62定電圧源、63抵抗(抵抗R1)、64抵抗(抵抗R2)、65抵抗(抵抗R3)、66定電圧源、67OPアンプ、68OPアンプ、69抵抗(抵抗R4)、71NMOSトランジスタ、72定電圧源、73NMOSトランジスタ、74定電圧源、75抵抗、76ボルテージフォロワ(バッファーアンプ)回路、77抵抗、78抵抗、79定電圧源、81OPアンプ、83カレントミラー回路、84カレントミラー回路 11 temperature sensor, 12 constant voltage source, 13 resistance, 14OP amplifier, 15 resistance, 16 resistance, 17 resistance, 18 resistance, 19OP amplifier, 21 resistance, 22 constant voltage source, 23 resistance (resistance R1), 24 resistance (resistance R2) ), 25 resistance (resistance R3), 26 constant voltage source, 27OP amplifier, 28OP amplifier, 29 resistance (resistance R4), 31PMOS transistor, 32 constant voltage source, 33PMOS transistor, 34 constant voltage source, 35 resistance, 36 voltage follower ( Buffer amplifier) circuit, 37 resistance, 38 resistance, 39 constant voltage source, 41OP amplifier, 51 temperature sensor, 52 constant voltage source, 53 resistance, 54OP amplifier, 55 resistance, 62 constant voltage source, 63 resistance (resistance R1), 64 Resistance (resistance R2), 65 resistance (resistance R3), 66 constant voltage source, 67OP amplifier, 68OP amplifier, 69 resistance (resistance R4), 71NMOS transistor, 72 constant voltage source, 73NMOS transistor, 74 constant voltage source, 75 resistance, 76 voltage follower (buffer amplifier) circuit, 77 resistance, 78 resistance, 79 constant voltage source, 81OP amplifier, 83 current mirror circuit, 84 current mirror circuit

Claims (9)

温度の一次関数となる出力電圧を発生する温度センサ、前記温度センサの出力を入力とする非反転増幅器および反転増幅器、前記非反転増幅器の出力がゲートに入力されるMOSトランジスタ、前記反転増幅器の出力がゲートに入力されるMOSトランジスタ、前記2つのMOSトランジスタのドレイン電流の和が流入する抵抗、前記2つのMOSトランジスタのソースに接続された定電圧源、前記抵抗の電圧のバッファーアンプ回路、並びに前記バッファーアンプ回路の出力を制御電圧としたVCXO(電圧制御水晶発振器)を含むことを特徴とするOCXO(恒温槽付水晶発振器)用発振回路。 A temperature sensor that generates an output voltage that is a linear function of temperature, a non-inverting amplifier and an inverting amplifier that input the output of the temperature sensor, a MOS transistor that inputs the output of the non-inverting amplifier to the gate, and an output of the inverting amplifier. Is the MOS transistor input to the gate, the resistance to which the sum of the drain currents of the two MOS transistors flows, the constant voltage source connected to the source of the two MOS transistors, the buffer amplifier circuit of the voltage of the resistance, and the above. An oscillation circuit for OCXO (crystal oscillator with a constant temperature bath), which includes a VCXO (voltage controlled crystal oscillator) whose control voltage is the output of the buffer amplifier circuit. ゼロ温特温度(周波数偏差がゼロとなる温度)において、前記非反転増幅器の入力電圧と出力電圧が等しくなっていることを特徴とする、請求項1に記載のOCXO用発振回路。 The oscillation circuit for OCXO according to claim 1, wherein the input voltage and the output voltage of the non-inverting amplifier are equal at a zero temperature special temperature (a temperature at which the frequency deviation becomes zero). ゼロ温特温度(周波数偏差がゼロとなる温度)において、前記反転増幅器の入力電圧と出力電圧が等しくなっていることを特徴とする、請求項1または2に記載のOCXO用発振回路。 The oscillation circuit for OCXO according to claim 1 or 2, wherein the input voltage and the output voltage of the inverting amplifier are equal at a zero temperature special temperature (a temperature at which the frequency deviation becomes zero). 前記非反転増幅器の出力電圧の温度特性直線と前記反転増幅器の出力電圧の温度特性直線はゼロ温特温度において交差するとともに、その交差する電圧レベルに対して大略対称の関係にあることを特徴とする、請求項1~3のいずれかの項に記載のOCXO用発振回路。 The feature is that the temperature characteristic straight line of the output voltage of the non-inverting amplifier and the temperature characteristic straight line of the output voltage of the inverting amplifier intersect at the zero temperature special temperature and have a substantially symmetric relationship with the intersecting voltage levels. The oscillator circuit for OCXO according to any one of claims 1 to 3. 前記非反転増幅器と前記反転増幅器の増幅率が可変となっていることを特徴とする、請求項1~4のいずれかの項に記載のOCXO用発振回路。 The oscillation circuit for OCXO according to any one of claims 1 to 4, wherein the amplification factors of the non-inverting amplifier and the inverting amplifier are variable. 前記ドレイン電流の和が凡そ温度の2次特性となるように前記MOSトランジスタのソースに接続された定電圧源の電圧を可変できるようにしたことを特徴とする、請求項1~5のいずれかの項に記載のOCXO用発振回路。 One of claims 1 to 5, wherein the voltage of the constant voltage source connected to the source of the MOS transistor can be changed so that the sum of the drain currents has a secondary characteristic of the temperature. The oscillation circuit for OCXO described in the section. 前記VCXOの制御電圧は前記抵抗の電圧と前記抵抗に直列接続した定電圧の加算値から生成されていることを特徴とする、請求項1~6のいずれかの項に記載のOCXO用発振回路。 The oscillator circuit for OCXO according to any one of claims 1 to 6, wherein the control voltage of the VCXO is generated from the sum of the voltage of the resistor and the constant voltage connected in series with the resistor. .. 前記2つのMOSトランジスタは、両方ともPMOSトランジスタであるか、または両方ともNMOSトランジスタであることを特徴とする、請求項1~7のいずれかの項に記載のOCXO用発振回路。 The oscillator circuit for OCXO according to any one of claims 1 to 7, wherein the two MOS transistors are both MOSFET transistors or both are nanotube transistors. 前記2つのMOSトランジスタは、MOS電流特性がほぼ同じであることを特徴とする、請求項8に記載のOCXO用発振回路。
The oscillator circuit for OCXO according to claim 8, wherein the two MOS transistors have substantially the same MOS current characteristics.
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