JP2023073611A - 回路装置及び発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】広い温度範囲での発振周波数の適正な温度補償と周波数制御電圧による発振周波数の制御とを両立して実現できる回路装置等の提供。
【解決手段】回路装置２０は、振動子１０を発振させる発振回路３０と、温度センサー４８の温度検出結果に基づいて発振回路３０の発振周波数を温度補償する温度補償電圧ＶＣＰを出力する温度補償回路４０と、発振周波数の周波数制御電圧ＶＦＣを出力する周波数制御回路５０を含む。発振回路３０は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第１可変容量回路３１と負特性である第２可変容量回路を含む。温度補償回路４０は、温度補償電圧ＶＣＰを容量制御電圧として第１可変容量回路３１に供給し、周波数制御回路５０は周波数制御電圧ＶＦＣを容量制御電圧として第２可変容量回路３２に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回路装置及び発振器等に関する。

水晶振動子等の振動子を発振させる回路装置では、発振周波数を調整するための可変容量回路が設けられる。例えば特許文献１には、振動子の発振動作を行う発振部と、第１、第２の可変容量回路と、第１、第２の温度補償電圧生成回路と、周波数制御電圧生成回路を備えた電圧制御発振器が開示されている。この電圧制御発振器では、第１の温度補償電圧生成回路が、温度センサーからの検出信号に基づいて、第１の可変容量回路の容量を制御する第１の温度補償電圧を生成し、周波数制御電圧生成回路が、第２の可変容量回路の容量を制御する周波数制御電圧を生成する。そして第２の温度補償電圧補正回路が、周波数制御電圧によって生じる温度補償量の変化を補正する第２の温度補償電圧を生成する。

特開２０１７－１１２５５７号公報

しかしながら、特許文献１の電圧制御発振器の可変容量回路の電圧容量特性は全て正特性であった。このため広い温度範囲での発振周波数の適正な温度補償と、周波数制御電圧による発振周波数の制御とを両立して実現することが困難であった。

本開示の一態様は、振動子を発振させる発振回路と、温度センサーの温度検出結果に基づいて、前記発振回路の発振周波数を温度補償する温度補償電圧を出力する温度補償回路と、前記発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路と、を含み、前記発振回路は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第１可変容量回路と、前記容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第２可変容量回路と、を含み、前記温度補償回路は、前記温度補償電圧を前記容量制御電圧として前記第１可変容量回路に供給し、前記周波数制御回路は、前記周波数制御電圧を前記容量制御電圧として前記第２可変容量回路に供給する回路装置に関係する。

本開示の他の態様は、振動子と、回路装置と、を含み、前記回路装置は、前記振動子を発振させる発振回路と、温度センサーの温度検出結果に基づいて、前記発振回路の発振周波数を温度補償する温度補償電圧を出力する温度補償回路と、前記発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路と、を含み、前記発振回路は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第１可変容量回路と、前記容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第２可変容量回路と、を含み、前記温度補償回路は、前記温度補償電圧を前記容量制御電圧として前記第１可変容量回路に供給し、前記周波数制御回路は、前記周波数制御電圧を前記容量制御電圧として前記第２可変容量回路に供給する発振器に関係する。

本実施形態の回路装置、発振器の構成例。 本実施形態の回路装置、発振器の詳細な構成例。 第１可変容量回路の正特性の電圧容量特性の説明図。 第２可変容量回路の負特性の電圧容量特性の説明図。 振動子の周波数温度特性の例。 負特性の第２可変容量回路を用いる場合の温度補償電圧の温度特性の例。 正特性の第１可変容量回路を用いる場合の温度補償電圧の温度特性の例。 発振回路の第１構成例。 発振回路の第２構成例。 第１可変容量回路の説明図。 第１可変容量回路の電圧容量特性の説明図。 第１可変容量回路の電圧容量特性の説明図。 第２可変容量回路の説明図。 第２可変容量回路の電圧容量特性の説明図。 第２可変容量回路の電圧容量特性の説明図。 温度補償回路の構成例。 Ａ級動作の増幅回路の構成例。 ＡＢ級動作の増幅回路の構成例。 周波数制御回路の構成例。 第１可変容量回路、第２可変容量回路の容量の大小関係の説明図。 第１可変容量回路、第２可変容量回路の容量の大小関係の説明図。 発振器の第１構造例。 発振器の第２構造例。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲の記載内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが必須構成要件であるとは限らない。

１．回路装置
図１に本実施形態の回路装置２０の構成例を示す。本実施形態の回路装置２０は発振回路３０と温度補償回路４０と周波数制御回路５０を含む。また本実施形態の発振器４は振動子１０と回路装置２０を含む。振動子１０は回路装置２０に電気的に接続されている。

振動子１０は、電気的な信号により機械的な振動を発生する素子である。振動子１０は、例えば水晶振動片などの振動片により実現できる。例えば振動子１０は、カット角がＡＴカットやＳＣカットなどの厚みすべり振動する水晶振動片、音叉型水晶振動片、又は双音叉型水晶振動片などにより実現できる。例えば振動子１０は、恒温槽を備えない温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）に内蔵されている振動子であってもよいし、恒温槽を備える恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）に内蔵されている振動子であってもよい。なお本実施形態の振動子１０は、例えば厚みすべり振動型、音叉型又は双音叉型以外の振動片や、水晶以外の材料で形成された圧電振動片などの種々の振動片により実現することも可能である。例えば振動子１０として、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振子や、シリコン基板を用いて形成されたシリコン製振動子としてのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動子等を採用することも可能である。

回路装置２０は、ＩＣ（Integrated Circuit）と呼ばれる集積回路装置である。例えば回路装置２０は、半導体プロセスにより製造されるＩＣであり、半導体基板上に回路素子が形成された半導体チップである。図１では回路装置２０は、発振回路３０、温度補償回路４０、周波数制御回路５０を含み、温度センサー４８を含むこともできる。発振回路３０は第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２を含む。

発振回路３０は振動子１０を発振させる回路である。例えば発振回路３０は、振動子１０を発振させることで発振信号を生成する。発振信号は発振クロック信号である。例えば発振回路３０は、振動子１０の一端及び他端に電気的に接続される発振用の駆動回路と、キャパシターや抵抗などの受動素子により実現できる。駆動回路は、例えばＣＭＯＳのインバーター回路やバイポーラートランジスターにより実現できる。駆動回路は、発振回路３０のコア回路であり、駆動回路が、振動子１０を電圧駆動又は電流駆動することで、振動子１０を発振させる。発振回路３０としては、例えばインバーター型、ピアース型、コルピッツ型、又はハートレー型などの種々のタイプの発振回路を用いることができる。なお本実施形態における接続は電気的な接続である。電気的な接続は、電気信号が伝達可能に接続されていることであり、電気信号による情報の伝達が可能となる接続である。電気的な接続は受動素子等を介した接続であってもよい。

また発振回路３０は第１可変容量回路３１と第２可変容量回路３２を含む。第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２は、例えば振動子１０の一端及び他端の少なくとも一方での容量を変化させる回路であり、第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２の容量の調整により、発振回路３０の発振周波数を調整できるようになっている。第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２は、例えばバラクター等の可変容量素子により実現できる。例えば第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２の各々は、少なくとも１つの可変容量素子により構成される。

温度補償回路４０は、発振回路３０の発振周波数の温度補償を行う回路である。例えば温度補償回路４０は、温度センサー４８の温度検出結果に基づいて、発振回路３０の発振周波数を温度補償する温度補償電圧ＶＣＰを出力する。温度検出結果は、温度検出信号であり、例えば温度検出電圧である。温度補償は、例えば温度変動による発振周波数の変動を抑制して補償する処理である。即ち温度補償回路４０は、温度変動があった場合にも発振周波数が一定になるように、発振回路３０の発振周波数の温度補償を行う。

温度センサー４８は温度を検出するセンサーである。具体的には温度センサー４８は、環境の温度に応じて変化する温度依存電圧を、温度検出電圧として出力する。例えば温度センサー４８は、温度依存性を有する回路素子を利用して温度検出信号である温度検出電圧を生成する。具体的には温度センサー４８は、例えばＰＮ接合の順方向電圧が有する温度依存性を用いることで、温度に依存して電圧が変化する温度検出電圧を出力する。なお図１では温度センサー４８が回路装置２０に設けられているが、温度センサー４８が回路装置２０の外部に設けられ、外部から入力された温度検出電圧などの温度検出信号に基づいて温度補償回路４０が温度補償を行うような変形実施も可能である。また温度センサー４８としてデジタル方式の温度センサー回路を用いる変形実施も可能である。この場合には温度検出データをＤ／Ａ変換して温度検出電圧を生成すればよい。

周波数制御回路５０は、発振回路３０の発振周波数を制御する回路である。具体的には周波数制御回路５０は、発振周波数の周波数制御電圧ＶＦＣを出力する。例えば周波数制御回路５０は、外部から入力される制御電圧に基づいて周波数制御電圧ＶＦＣを生成して出力する。或いは周波数制御回路５０は、外部から入力される制御データをＤ／Ａ変換することで得られた制御電圧に基づいて周波数制御電圧ＶＦＣを生成してもよい。このような周波数制御回路５０を設けることで、発振回路３０の発振周波数を所望の周波数に設定する制御を実現できるようになる。例えば温度補償回路４０と周波数制御回路５０を設けることで、発振周波数の温度補償を行いながら、発振周波数を、外部からの制御電圧や制御データに応じた所望の周波数に設定できるようになる。

そして発振回路３０は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第１可変容量回路３１と、容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第２可変容量回路３２を含む。例えば第１可変容量回路３１と第２可変容量回路３２は、容量制御電圧に対する容量の変化特性の正負の極性が異なっている。容量の変化特性が正特性とは、例えば後述の図３で説明するように、容量制御電圧が上昇するにつれて容量が増加する変化特性である。容量の変化特性が負特性とは、例えば後述の図４で説明するように、容量制御電圧が増加するにつれて容量が減少する変化特性である。容量は容量値と言うこともできる。

そして本実施形態では図１に示すように、温度補償回路４０は、温度補償電圧ＶＣＰを容量制御電圧として第１可変容量回路３１に供給する。また周波数制御回路５０は、周波数制御電圧ＶＦＣを容量制御電圧として第２可変容量回路３２に供給する。そして第１可変容量回路３１は正特性の可変容量回路であるため、温度補償回路４０からの温度補償電圧ＶＣＰが上昇すると、第１可変容量回路３１の容量は増加し、温度補償電圧ＶＣＰが低下すると、第１可変容量回路３１の容量は減少する。また第２可変容量回路３２は負特性の可変容量回路であるため、周波数制御回路５０からの周波数制御電圧ＶＦＣが上昇すると、第２可変容量回路３２の容量は減少し、周波数制御電圧ＶＦＣが低下すると、第２可変容量回路３２の容量は増加する。このように温度補償回路４０からの温度補償電圧ＶＣＰが容量制御電圧として供給される正特性の第１可変容量回路３１を発振回路３０に設けることで、例えば温度が上昇すると第１可変容量回路３１の容量が増加して、発振回路３０の発振周波数が低下するようになる。これにより、例えば高温領域において振動子１０の発振周波数が上昇する場合に、第１可変容量回路３１の容量が増加することで、発振周波数の増加を相殺する温度補償を実現できるようになる。そして発振回路３０に正特性の第１可変容量回路３１を設けることで、例えば温度補償回路４０の温度補償電圧ＶＣＰの出力アンプとして例えばＡ級動作の増幅回路を用いることなども可能になる。従って、出力アンプとしてＡＢ級動作の増幅回路を設ける場合に比べて回路の小規模化を図りながら、広い温度範囲での発振周波数の適正な温度補償が可能になる。また周波数制御回路５０からの周波数制御電圧ＶＦＣが容量制御電圧として供給される負特性の第２可変容量回路３２を発振回路３０に設けることで、周波数制御電圧ＶＦＣが上昇すると、第２可変容量回路３２の容量が減少して、発振回路３０の発振周波数が上昇するようになる。従って、周波数制御電圧ＶＦＣにより発振周波数を可変に制御できるようになる。この結果、温度補償回路４０による広い温度範囲での発振周波数の適正な温度補償を実現しながら、周波数制御電圧ＶＦＣに基づく発振周波数の制御を実現できるようになる。例えば周波数制御回路５０に増幅回路を必ずしも設けなくても済むようになるため、回路の小規模化も図れるようになる。

図２に本実施形態の回路装置２０、発振器４の詳細な構成例を示す。図２では、回路装置２０は、発振回路３０、温度補償回路４０、温度センサー４８、周波数制御回路５０、ロジック回路６０、不揮発性メモリー７０、出力回路８０、電源回路９０を含む。また発振器４は、振動子１０と回路装置２０を含む。振動子１０は回路装置２０に電気的に接続されている。例えば振動子１０及び回路装置２０を収納するパッケージの内部配線、ボンディグワイヤー又は金属バンプ等を用いて、振動子１０と回路装置２０は電気的に接続されている。なお回路装置２０、発振器４は図２の構成には限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したり、一部の構成要素を他の構成要素に置き換えるなどの種々の変形実施が可能である。

また回路装置２０はパッドＰＶＤＤ、ＰＧＮＤ、ＰＸ１、ＰＸ２、ＰＶＣ、ＰＣＫを含む。パッドは、半導体チップである回路装置２０の端子である。例えばパッド領域では、絶縁層であるパシベーション膜から金属層が露出しており、この露出した金属層により回路装置２０の端子であるパッドが構成される。パッドＰＶＤＤ、ＰＧＮＤは、各々、電源パッド、グランドパッドである。外部の電源供給デバイスからの電源電圧ＶＤＤがパッドＰＶＤＤに供給される。パッドＰＧＮＤは、グランド電圧であるＧＮＤが供給されるパッドである。ＧＮＤはＶＳＳと呼ぶこともでき、グランド電圧は例えば接地電位である。本実施形態ではグランドを、適宜、ＧＮＤと記載する。例えばＶＤＤは高電位側電源に対応し、ＧＮＤは低電位側電源に対応する。パッドＰＸ１、ＰＸ２は、振動子１０の接続用のパッドである。パッドＰＶＣは、制御電圧ＶＣの入力用のパッドであり、パッドＰＣＫはクロック信号ＣＫの出力用のパッドである。パッドＰＶＤＤ、ＰＧＮＤ、ＰＶＣ、ＰＣＫは、各々、発振器４の外部接続用の外部端子である端子ＴＶＤＤ、ＴＧＮＤ、ＴＶＣ、ＴＣＫに電気的に接続される。例えばこれらの各パッドと各端子は、パッケージの内部配線、ボンディグワイヤー又は金属バンプ等を用いて電気的に接続される。

発振回路３０は、パッドＰＸ１、ＰＸ２を介して振動子１０に電気的に接続される。パッドＰＸ１、ＰＸ２は、振動子接続用のパッドである。発振回路３０の発振用の駆動回路は、パッドＰＸ１とパッドＰＸ２の間に設けられる。発振回路３０は第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２を含む。そして第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２がパッドＰＸ１、ＰＸ２の少なくとも一方に電気的に接続されることで、発振回路３０の負荷容量を可変に調整できるようになる。

温度補償回路４０は、例えば多項式近似によるアナログ方式の温度補償を行う。例えば振動子１０の周波数温度特性を補償する温度補償電圧ＶＣＰが多項式により近似される場合に、温度補償回路４０は、当該多項式の係数情報に基づいてアナログ方式の温度補償を行う。アナログ方式の温度補償は、例えばアナログ信号である電流信号や電圧信号の加算処理等により実現される温度補償である。例えば、高次の多項式により温度補償電圧ＶＣＰが近似される場合、多項式の０次係数、１次係数、高次係数が、それぞれ０次補正データ、１次補正データ、高次補正データとして、例えば不揮発性メモリー７０等により実現される記憶部に記憶される。高次係数は例えば１次より大きい高次の次数の係数であり、高次補正データは、高次係数に対応する補正データである。例えば３次多項式により温度補償電圧ＶＣＰが近似される場合には、多項式の０次係数、１次係数、２次係数、３次係数が、０次補正データ、１次補正データ、２次補正データ、３次補正データとして記憶部に記憶される。そして温度補償回路４０は、０次補正データ～３次補正データに基づいて温度補償を行う。この場合に２次補正データや２次補正データに基づく温度補償については省略してもよい。また例えば５次多項式により温度補償電圧ＶＣＰが近似される場合には、多項式の０次係数、１次係数、２次係数、３次係数、４次係数、５次係数が、０次補正データ、１次補正データ、２次補正データ、３次補正データ、４次補正データ、５次補正データとして記憶部に記憶される。そして温度補償回路４０は、０次補正データ～５次補正データに基づいて温度補償を行う。この場合に２次補正データ又は４次補正データや、２次補正データ又は４次補正データに基づく温度補償については省略してもよい。また多項式近似の次数は任意であり、例えば５次よりも大きい次数の多項式近似を行うようにしてもよい。また０次補正を温度センサー４８が行うようにしてもよい。

周波数制御回路５０は、外部からの制御電圧ＶＣが入力される。例えばマイクロコンピューターや各種ＩＣにより実現される外部のシステムからの制御電圧ＶＣが、端子ＴＶＣ、パッドＰＶＣを介して周波数制御回路５０に入力される。一例としては、回路装置２０の発振回路３０が電圧制御発振器として機能して、外部のシステムによりＰＬＬのフィードバックループが形成される。そして周波数制御回路５０は、外部からの制御電圧ＶＣに応じた周波数制御電圧ＶＦＣを出力する。例えば周波数制御回路５０は、制御電圧ＶＣをゲイン調整した周波数制御電圧ＶＦＣを出力する。なおデジタルの制御データを不図示のインターフェース回路を介して回路装置２０に入力し、この制御データをＤ／Ａ変換した制御電圧ＶＣを周波数制御回路５０に入力するようにしてもよい。

ロジック回路６０は制御回路であり、種々の制御処理を行う。例えばロジック回路６０は、回路装置２０の全体の制御を行ったり、回路装置２０の動作シーケンスの制御を行う。またロジック回路６０は、発振回路３０の制御のための各種の処理を行ったり、温度センサー４８、出力回路８０又は電源回路９０の制御を行ったり、或いは不揮発性メモリー７０の情報の読み出しや書き込みの制御を行う。ロジック回路６０は、例えばゲートアレイ等の自動配置配線によるＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）の回路により実現できる。

不揮発性メモリー７０は、電源を供給しなくても情報の記憶を保持するメモリーである。例えば不揮発性メモリー７０は、電源を供給しなくても情報を保持できると共に、情報の書き換えが可能なメモリーである。不揮発性メモリー７０は、回路装置２０の動作等に必要な種々の情報を記憶する。不揮発性メモリー７０は、ＦＡＭＯＳメモリー（Floating gate Avalanche injection MOS memory）又はＭＯＮＯＳメモリー（Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon memory）により実現されるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等により実現できる。そして不揮発性メモリー７０は、温度補償回路４０の温度補償に用いられる１次補正データや高次補正データなどの補正データを記憶する。

出力回路８０は、発振回路３０の発振信号に基づくクロック信号ＣＫを出力する。例えば出力回路８０は、発振回路３０からの発振クロック信号である発振信号をバッファリングして、クロック信号ＣＫとして、パッドＰＣＫに出力する。そして、このクロック信号ＣＫが発振器４のクロック出力の端子ＴＣＫを介して外部に出力される。例えば出力回路８０は、シングルエンドのＣＭＯＳの信号形式でクロック信号ＣＫを出力する。なお出力回路８０が、ＣＭＯＳ以外の信号形式でクロック信号ＣＫを出力するようにしてもよい。また発振回路３０の後段に、発振信号の周波数を逓倍した周波数のクロック信号ＣＫを生成するＰＬＬ回路等のクロック信号生成回路を設け、出力回路８０が、このクロック信号生成回路により生成されたクロック信号ＣＫをバッファリングして出力するようにしてもよい。

電源回路９０は、パッドＰＶＤＤからの電源電圧ＶＤＤやパッドＰＧＮＤからグランド電圧ＧＮＤが供給されて、回路装置２０の内部回路用の種々の電源電圧を内部回路に供給する。例えば電源回路９０は、電源電圧ＶＤＤをレギュレートしたレギュレート電源電圧を、発振回路３０等の回路装置２０の各回路に供給する。

図３は、第１可変容量回路３１の正特性の電圧容量特性の説明図であり、図４は、第２可変容量回路３２の負特性の電圧容量特性の説明図である。電圧容量特性は容量制御電圧ＶＣＣに対する容量Ｃの特性である。なお図３、図４では電圧容量特性を模式的に表しており、実際には図３、図４に示すような１次の特性ではなく、変化範囲の中央付近において傾きが最大となる変曲点を有する特性になる。

図３に示すように第１可変容量回路３１には、容量制御電圧ＶＣＣとして温度補償電圧ＶＣＰが入力される。そして第１可変容量回路３１の正特性の電圧容量特性では、温度補償電圧ＶＣＰが上昇すると、容量Ｃが増加し、これにより発振回路３０の発振周波数ｆが低下するようになる。一方、図４に示すように第２可変容量回路３２には、容量制御電圧ＶＣＣとして周波数制御電圧ＶＦＣが入力される。そして第２可変容量回路３２の負特性の電圧容量特性では、周波数制御電圧ＶＦＣが上昇すると、容量Ｃが減少し、これにより発振周波数ｆが上昇するようになる。

図５は振動子１０の周波数温度特性である。具体的には例えばＡＴカットの水晶の振動子１０の周波数温度特性である。図５に示すように振動子１０は、３次曲線で近似される周波数温度特性を有している。このような振動子１０に対して、電圧容量特性が負特性である第２可変容量回路３２を用いて容量を調整する場合には、温度補償回路４０は、例えば図６に示すような温度特性の温度補償電圧ＶＣＰを出力する必要がある。このようにすれば、振動子１０の発振周波数が高温範囲において図５のＡ１に示すように上昇した場合に、図６のＡ２に示すように温度補償回路４０から出力される温度補償電圧ＶＣＰが低くなる。これにより、負特性の第２可変容量回路３２の容量が大きくなり、振動子１０の発振周波数の上昇が相殺されることで、発振周波数を一定に保つ温度補償を実現できる。

しかしながら、図６のＡ２に示す高温範囲において、温度補償電圧ＶＣＰを十分に低下させるためには、温度補償回路４０の出力アンプの低電圧側の動作範囲を広げる必要がある。このため、温度補償回路４０の出力アンプとして、後述の図１７に示すＡ級動作の増幅回路では、低電圧側の動作範囲を広げるのが難しく、後述の図１８に示すようなＡＢ級動作の増幅回路を用いる必要があり、回路が複雑化し、回路規模が増加してしまう。

一方、振動子１０に対して、電圧容量特性が正特性である第１可変容量回路３１を用いて容量を調整する場合には、温度補償回路４０は、例えば図７に示すような温度特性の温度補償電圧ＶＣＰを出力すればよい。このようにすれば、振動子１０の発振周波数が高温範囲において図５のＡ１に示すように上昇した場合に、図７のＡ３に示すように温度補償回路４０から出力される温度補償電圧ＶＣＰが高くなる。これにより、正特性の第１可変容量回路３１の容量が大きくなり、振動子１０の発振周波数の上昇が相殺されることで、発振周波数を一定に保つ温度補償を実現できるようになる。

この場合に図７のＡ３に示す高温範囲において、温度補償回路４０では、高い電圧の温度補償電圧ＶＣＰを出力するために、その出力アンプの高電圧側の動作範囲を広げる必要がある。この点、後述の図１７に示すＡ級動作の増幅回路であっても、出力部を構成するＰ型の駆動トランジスターが十分なオン状態になることで、図７のＡ３に示すような高い電圧の温度補償電圧ＶＣＰも適正に出力することができる。従って、図１８に示すようなＡＢ級動作の増幅回路を、温度補償回路４０の出力アンプとして用いなくても済むようになり、回路の小規模化や簡素化を実現することが可能になる。

このように本実施形態の温度補償回路４０は、温度補償電圧ＶＣＰを出力するＡ級動作の増幅回路を含むことができる。Ａ級動作の増幅回路は、例えば差動入力を有する差動部と、差動部に接続される出力部とを含み、出力部が、高電位側電源ノードと低電位側電源ノードの間に直列接続されるＰ型の駆動トランジスターと電流源用のトランジスターを有する増幅回路である。このようにすることで、広い温度範囲での発振周波数の適正な温度補償を、ＡＢ級動作の増幅回路と比べて回路規模が小さく簡素な構成のＡ級動作の増幅回路を含む温度補償回路４０により実現できるようになり、適正な温度補償と回路の小規模化を両立して実現することが可能になる。

例えば振動子１０は、図５に示すような３次曲線で近似される周波数温度特性を有する。例えば振動子１０は、３次多項式等の多項式で近似される周波数温度特性を有している。そして振動子１０は、図５のように温度補償されない状態において、Ａ１に示す動作温度範囲の上限における発振周波数ｆｈが、Ａ４に示す発振周波数の極大値ｆａよりも大きい振動子となっている。動作温度範囲は、発振器４や回路装置２０において仕様特性を満たすことができる温度範囲である。

例えば図５に示す振動子１０の３次の周波数温度特性において、Ａ４に示すように温度Ｔａで発振周波数が極大値ｆａとなり、Ａ５に示すように温度Ｔｂにおいて発振周波数が極小値ｆｂになっている。そして振動子１０の３次の周波数温度特性は、温度Ｔａと温度Ｔｂの間の例えば２５℃付近に変曲点を有している。このため、動作温度範囲の低温側の温度範囲に比べて高温側の温度範囲が広くなっている。例えば動作温度範囲が－４０℃～１２５℃である場合には、高温側の温度範囲は２５℃～１２５℃となり、低温側の温度範囲である－４０℃～２５℃よりも広くなる。動作温度範囲が－４０℃～１００℃である場合も同様である。そして図５のＡ１に示す発振周波数ｆｈは、動作温度範囲の上限での発振周波数であり、例えば１２５℃～１００℃での発振周波数である。このため図５では、動作温度範囲の上限における発振周波数ｆｈが発振周波数の極大値ｆａよりも大きいという関係が成り立つ。このように動作温度範囲の上限における発振周波数ｆｈが発振周波数の極大値ｆａよりも大きい振動子１０では、高温側の温度範囲が低温側の温度範囲に比べて広くなる。

従って、温度補償電圧ＶＣＰが入力される可変容量回路として、負特性の第２可変容量回路３２を用いると、図６のＡ２に示すように動作温度範囲の上限において温度補償電圧ＶＣＰを十分に低下させるために、温度補償回路４０の出力アンプの低電圧側の動作範囲を広げる必要があり、ＡＢ級動作の増幅回路が必要になる。これに対して本実施形態では、温度補償電圧ＶＣＰが入力される可変容量回路として、正特性の第１可変容量回路３１を用いている。従って、温度補償回路４０の出力アンプとしてＡ級動作の増幅回路を用いても、図７のＡ３に示すように動作温度範囲の上限において温度補償電圧ＶＣＰを十分に上昇させることが可能になり、適正な温度補償と回路の小規模化を両立して実現することが可能になる。

２．発振回路
次に発振回路３０の詳細について説明する。図８に発振回路３０の第１構成例を示す。図８の発振回路３０は、駆動回路ＤＶと、抵抗ＲＡと、第１可変容量回路３１と、第２可変容量回路３２を含む。また発振回路３０は、温度補償電圧ＶＣＰの供給ノードと低電位側電源ノードとの間に設けられたキャパシターＣＢ５と、周波数制御電圧ＶＦＣの供給ノードと低電位側電源ノードとの間に設けられたキャパシターＣＢ６を含むことができる。低電位側の電源ノードは例えばグランドノードである。駆動回路ＤＶは、振動子１０の一端が、その入力ノードであるノードＮ１にパッドＰＸ１を介して接続され、振動子１０の他端が、その出力ノードであるノードＮ２にパッドＰＸ２を介して接続される。駆動回路ＤＶの出力から入力への帰還素子となる抵抗ＲＡは、一端がノードＮ１に接続され、他端がノードＮ２に接続される。図８では、第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２は、振動子１０の一端がパッドＰＸ１を介して接続されるノードＮ１と、振動子１０の他端がパッドＰＸ２を介して接続されるノードＮ２の両方に設けられている。但しノードＮ１、Ｎ２の一方のノードのみに第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２を設けてもよい。

図８では第１可変容量回路３１はトランジスターＴＲ１により構成され、第２可変容量回路３２はトランジスターＴＲ２により構成される。トランジスターＴＲ１、ＴＲ２は、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型の可変容量素子であり、ＭＯＳのバラクターとも呼ばれる。図８では第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２は、各々、Ｎ型のトランジスターＴＲ１、ＴＲ２により構成されている。ＭＯＳ型の可変容量素子は、ＭＯＳのトランジスターのソースとドレインとが短絡され、短絡されたソース及びドレインとゲートとの間に生じる静電容量が、容量制御電圧により可変に制御される容量素子である。

なお、以下では第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２の各々が、ＭＯＳ型の可変容量素子である１つのトランジスターにより構成される場合を主に例にとり説明するが、並列に設けられる２つ以上のトランジスターにより構成してもよい。また第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２を構成するトランジスターとして、Ｐ型のトランジスターを用いる変形実施も可能である。また以下では、ノードＮ１に設けられる第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２の構成を主に例にとり説明する。ノードＮ２に接続される第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２の構成は同様であるため、詳細な説明を省略する。

ノードＮ１側の第１可変容量回路３１のトランジスターＴＲ１は、ゲートに、温度補償回路４０からの温度補償電圧ＶＣＰに供給され、ソース及びドレインが、ノードＮ１に接続される。これにより図３に示すような正特性の電圧容量特性の可変容量回路が実現され、温度補償電圧ＶＣＰが上昇するとノードＮ１の負荷容量が増加し、温度補償電圧ＶＣＰが低下するとノードＮ１の負荷容量が減少するようになる。従って、温度補償電圧ＶＣＰが上昇すると発振周波数が低下し、温度補償電圧ＶＣＰが低下すると発振周波数が上昇するようになる。この結果、図５に示す振動子１０の３次の周波数温度特性に対して、図７に示す温度補償電圧ＶＣＰにより発振周波数の増減を相殺して、発振周波数を一定にする温度補償を実現できるようになる。

ノードＮ１側の第２可変容量回路３２のトランジスターＴＲ２は、ソース及びドレインに、周波数制御回路５０からの周波数制御電圧ＶＦＣが供給され、ゲートが、ノードＮ１に接続される。これにより図４に示すような負特性の電圧容量特性の可変容量回路が実現され、周波数制御電圧ＶＦＣが上昇するとノードＮ１の負荷容量が減少し、周波数制御電圧ＶＦＣが低下するとノードＮ１の負荷容量が増加するようになる。従って、周波数制御電圧ＶＦＣが上昇すると発振周波数が上昇し、周波数制御電圧ＶＦＣが低下すると発振周波数が低下するようになる。従って、外部からの制御電圧ＶＣに基づき発振回路３０の発振周波数の制御が可能な電圧制御型の温度補償発振器であるＶＣ－ＴＣＸＯの実現が可能になる。

図９に発振回路３０の第２構成例を示す。なお発振回路３０は図８、図９の構成には限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したり、一部の構成要素を他の構成要素に置き換えるなどの種々の変形実施が可能である。

図９の第２構成例では、ノードＮ１側の第１可変容量回路３１はトランジスターＴＲ１により構成され、ノードＮ１側の第２可変容量回路３２はトランジスターＴＲ２により構成されている。そして第１可変容量回路３１は、ＤＣカット用のキャパシターＣＢ１を介してノードＮ１に電気的に接続され、第２可変容量回路３２は、ＤＣカット用のキャパシターＣＢ２を介してノードＮ１に電気的に接続されている。また図９では基準電圧ＶＲ１、ＶＲ２を生成する基準電圧生成回路３４が設けられている。なおノードＮ２側の第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２はキャパシターＣＢ３、ＣＢ４を介してノードＮ２に接続されているが、これらの可変容量回路はノードＮ１側の第１可変容量回路３１、第２可変容量回路３２と同様の構成であるため詳細な説明は省略する。

第１可変容量素子であるトランジスターＴＲ１と、キャパシターＣＢ１は、基準電圧ＶＲ１の供給ノードとノードＮ１との間に直列に設けられる。具体的には、一端がノードＮ１に接続されるキャパシターＣＢ１の他端が、トランジスターＴＲ１のゲートに接続され、トランジスターＴＲ１のソース及びドレインに基準電圧ＶＲ１が供給される。そして温度補償回路４０は、キャパシターＣＢ１とトランジスターＴＲ１の接続ノードに対して、抵抗ＲＢ１を介して温度補償電圧ＶＣＰを供給している。

第２可変容量素子であるトランジスターＴＲ２と、キャパシターＣＢ２は、基準電圧ＶＲ２の供給ノードとノードＮ１との間に直列に設けられる。具体的には、一端がノードＮ１に接続されるキャパシターＣＢ２の他端が、トランジスターＴＲ２のソース及びドレインに接続され、トランジスターＴＲ２のゲートに基準電圧ＶＲ２が供給される。また周波数制御回路５０は、キャパシターＣＢ２とトランジスターＴＲ２の接続ノードに対して、抵抗ＲＢ２を介して周波数制御電圧ＶＦＣを供給している。

なお図９では、第１可変容量回路３１を、並列に設けられた複数のトランジスターＴＲ１により構成し、第２可変容量回路３２を、並列に設けられた複数のトランジスターＴＲ２により構成してもよい。この場合には第１可変容量回路３１を構成する複数のトランジスターＴＲ１のソース及びドレインに対して、異なる電圧の複数の基準電圧ＶＲ１を供給すればよい。また第２可変容量回路３２を構成する複数のトランジスターＴＲ２のゲートに対して、異なる電圧の複数の基準電圧ＶＲ２を供給すればよい。このようにすれば、複数のトランジスターＴＲ１の異なる電圧容量特性を重ね合わせることで、第１可変容量回路３１のトータルの容量のリニアリティー特性を改善できる。また複数のトランジスターＴＲ２の異なる電圧容量特性を重ね合わせることで、第２可変容量回路３２のトータルの容量のリニアリティー特性を改善できる。

図１０に示すように、第１可変容量回路３１を構成するトランジスターＴＲ１は、ゲートに温度補償電圧ＶＣＰが供給され、ソース及びドレインに基準電圧ＶＲ１が供給される。これにより図１１に示すように、第１可変容量回路３１の電圧容量特性は、ゲート・ドレイン間電圧であるＶＧＤ＝ＶＣＰ－ＶＲ１に対して正特性の電圧容量特性になる。従って、図１２に示すように、第１可変容量回路３１の電圧容量特性は、温度補償電圧ＶＣＰに対しても正特性の電圧容量特性になる。具体的には図１２では、図１１に対して、Ｂ１に示すように基準電圧ＶＲ１だけシフトした正特性の電圧容量特性となる。

なお図１１、図１２においてＶｔｈはトランジスターＴＲ１のしきい値電圧である。前述したように電圧容量特性は、変化範囲の中央付近において傾きが最大になっており、図１１ではＶＧＤ＝Ｖｔｈのときに電圧容量特性の傾きが最大になる。一方、図１２では、ＶＣＰ＝Ｖｔｈ＋ＶＲ１のときに電圧容量特性の傾きが最大になる。

また図１３に示すように第２可変容量回路３２を構成するトランジスターＴＲ２は、ソース及びドレインに周波数制御電圧ＶＦＣが供給され、ゲートに基準電圧ＶＲ２が供給される。これにより図１４に示すように、第２可変容量回路３２の電圧容量特性は、ゲート・ドレイン間電圧であるＶＧＤ＝ＶＲ２－ＶＦＣに対して正特性の電圧容量特性になる。図１４においてＶｔｈはトランジスターＴＲ２のしきい値電圧である。従って、図１５に示すように、第２可変容量回路３２の電圧容量特性は、周波数制御電圧ＶＦＣに対しては負特性の電圧容量特性になる。具体的には図１５では、図１４に対して、極性が反転すると共にＢ２に示すように基準電圧ＶＲ２だけシフトした負特性の電圧容量特性となる。

３．温度補償回路
図１６に温度補償回路４０の構成例を示す。なお温度補償回路４０は図１６の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したり、一部の構成要素を他の構成要素に置き換えるなどの種々の変形実施が可能である。

温度補償回路４０は、温度を変数とする多項式近似によって温度補償電圧ＶＣＰを出力する回路である。この温度補償回路４０は電流生成回路４２と電流電圧変換回路４６を含む。電流生成回路４２は、温度センサー４８の温度検出結果に基づいて関数電流を生成する。例えば電流生成回路４２は、温度センサー４８からの温度検出結果である温度検出電圧ＶＴＳに基づいて、図５に示すような振動子１０の周波数温度特性を温度補償するための関数電流を生成する。そして電流電圧変換回路４６は、電流生成回路４２からの関数電流を電圧に変換して温度補償電圧ＶＣＰを出力する。具体的には電流電圧変換回路４６は、Ａ級動作の増幅回路ＡＭにより温度補償電圧ＶＣＰを出力する。

電流生成回路４２は、１次補正回路４３と高次補正回路４４を含む。１次補正回路４３は、温度検出電圧ＶＴＳに基づいて、１次関数を近似する１次電流を出力する。例えば１次補正回路４３は、多項式近似における多項式の１次係数に対応する１次補正データに基づいて１次関数電流を出力する。１次補正回路４３は、例えば演算増幅器、第１可変抵抗回路、第２可変抵抗回路、第３可変抵抗回路を含む。演算増幅器、第１可変抵抗回路及び第２可変抵抗回路は、正転増幅回路を構成する。正転増幅回路は、例えば基準電圧ＶＲＣを基準に温度検出電圧ＶＴＳを増幅する。正転増幅回路は、第３可変抵抗回路を介して電流電圧変換回路４６の入力ノードに１次電流を出力する。

高次補正回路４４は、温度検出電圧ＶＴＳに基づいて、高次関数を近似する高次電流を、電流電圧変換回路４６に出力する。例えば高次補正回路４４は、多項式近似における多項式の高次係数に対応する高次補正データに基づいて高次電流を出力する。一例としては、高次補正回路４４は、３次関数を近似する３次電流を出力する。この場合には高次補正回路４４は、温度検出電圧ＶＴＳに基づいて差動動作を行う第１差動回路と、第１差動回路の出力電圧と温度検出電圧ＶＴＳに基づいて差動動作を行うことで３次電流を出力する第２差動回路を含む。なお図１６では、温度センサー４８が、多項式の０次係数に対応する０次補正データに基づいて、温度検出電圧ＶＴＳのオフセット補正を行っている。即ち温度センサー４８は、０次補正データが示すオフセットの分だけ、温度検出電圧ＶＴＳのオフセットを調整する。温度検出電圧ＶＴＳのオフセット補正は、発振周波数の温度補償において０次補正に対応する。また高次補正回路４４は、４次以上の補正を行う補正回路を更に含んでもよい。例えば高次補正回路４４は、４次関数を近似する４次電流を出力する４次補正回路と、５次関数を近似する５次電流を出力する５次補正回路などを更に含んでもよい。

電流電圧変換回路４６は、１次電流と高次電流を加算すると共に、その加算電流を電流電圧変換することで温度補償電圧ＶＣＰを出力する。これにより、多項式関数を近似する温度補償電圧ＶＣＰが生成される。

電流電圧変換回路４６は、増幅回路ＡＭと抵抗ＲＣとキャパシターＣＣとを含む。増幅回路ＡＭは演算増幅器により実現される。抵抗ＲＣ及びキャパシターＣＣは、増幅回路ＡＭの出力端子と反転入力端子との間に並列接続される。増幅回路ＡＭの非反転入力端子には基準電圧ＶＲＣが入力される。これにより電流電圧変換回路４６は、例えばＡ級動作の増幅回路ＡＭにより温度補償電圧ＶＣＰを出力する。

このような構成の温度補償回路４０によれば、温度センサー４８の温度検出結果に基づき電流生成回路４２により生成された関数電流を、電流電圧変換回路４６により電圧に変換して温度補償電圧ＶＣＰとして出力できるようになる。そして電流電圧変換回路４６が、Ａ級動作の増幅回路ＡＭにより温度補償電圧を出力するため、広い温度範囲での発振周波数の適正な温度補償を行うための温度補償電圧ＶＣＰを、回路規模が小さく簡素な構成のＡ級動作の増幅回路ＡＭにより出力できるようになる。

図１７にＡ級動作の増幅回路ＡＭの構成例を示す。増幅回路ＡＭは差動部ＤＰと出力部ＱＰを含む。差動部ＤＰは、カレントミラー回路を構成するトランジスターＴＤ１、ＴＤ２と、差動対のトランジスターであるバイポーラートランジスターＢＰ１、ＢＰ２と、電流源用のバイポーラートランジスターＢＰ３を含む。トランジスターＴＤ１、ＴＤ２はゲートが共通接続されるＰ型のトランジスターである。バイポーラートランジスターＢＰ１のベースである反転入力端子には、電流生成回路４３からの電圧ＶＣＰ０が入力され、バイポーラートランジスターＢＰ２のベースである非反転入力端子には、基準電圧ＶＲＣが入力される。出力部ＱＰは、ＶＤＤノードとＧＮＤノードの間に直列に設けられるＰ型の駆動トランジスターＴＤ３と電流源用のバイポーラートランジスターＢＰ４を含む。また増幅回路ＡＭには位相補償用の抵抗ＲＤ及びキャパシターＣＤが設けられている。なおバイポーラートランジスターＢＰ１～ＢＰ４に代えてＭＯＳのトランジスターを用いるようにしてもよい。

一方、図１８にＡＢ級動作の増幅回路ＡＭの構成例を示す。図１７と異なるのは図１８では出力部ＱＰがＶＤＤノードとＧＮＤノードの間に直列に設けられるＰ型の駆動トランジスターＴＤ４とＮ型の駆動トランジスターＴＤ５を含む点である。また図１８では、駆動トランジスターＴＤ５のゲートを制御するためのスイッチ回路ＳＷとバイポーラートランジスターＢＰ５が設けられている。

前述したように、図５に示す振動子１０の周波数温度特性を温度補償するために、電圧容量特性が負特性の第２可変容量回路３２を用いる場合には、温度補償回路４０は、図６に示すような温度特性の温度補償電圧ＶＣＰを出力する必要がある。この場合には図６のＡ２に示すように、動作温度範囲の上限において、温度補償回路４０の増幅回路ＡＭは十分に低い電圧を出力する必要がある。しかしながら、温度補償回路４０の出力アンプとして図１７に示すようなＡ級動作の増幅回路ＡＭを用いると、出力部ＱＰの電流源用のトランジスターであるバイポーラートランジスターＢＰ４により、図５のＡ２に示すような十分に低い電圧の温度補償電圧ＶＣＰを出力することは困難になる。即ち、電流源用のバイポーラートランジスターＢＰ４は定電流を流すトランジスターであるため、低電位電源側に大きな電流を引き込む能力がなく、十分に低い電圧の温度補償電圧ＶＣＰを出力するのは難しい。この場合に定電流を大きな電流にすれば、低い電圧を出力しやすくなるが、定電流を大きくすると消費電力が増加してしまう。従って、周波数温度特性を温度補償するために負特性の第２可変容量回路３２を用いる場合には、図１８に示すようなＡＢ級動作の増幅回路ＡＭなどを用いなければならなくなる。ＡＢ級動作の増幅回路ＡＭによれば、出力部ＱＰのＮ型の駆動トランジスターＴＤ５が十分なオン状態になることで、低い電圧の温度補償電圧ＶＣＰを出力できるようになるからである。しかしながら、このようなＡＢ級動作の増幅回路ＡＭを用いると、回路が複雑化したり回路規模が大きくなるという問題が生じる。例えばＡＢ級動作の増幅回路ＡＭでは、出力部ＱＰの駆動トランジスターのゲートにフィルター回路を設けることができない。そして出力部ＱＰの出力ノードに対してフィルター回路を設けると、ミラー効果が効かないため、Ａ級動作の増幅回路ＡＭと同じカットオフ周波数に設定するためには大きな容量のキャパシターが必要になってしまい、回路が大規模化する。

この点、本実施形態では、図５の振動子１０の周波数温度特性を温度補償するために、電圧容量特性が正特性の第１可変容量回路３１を用いている。このため温度補償回路４０は、図７に示すような温度特性の温度補償電圧ＶＣＰを出力することになる。この場合には図７のＡ３に示すように、動作温度範囲の上限において、温度補償回路４０の増幅回路ＡＭは十分に高い電圧を出力する必要がある。そして温度補償回路４０の出力アンプとして図１７に示すＡ級動作の増幅回路ＡＭを用いた場合にも、出力部ＱＰのＰ型の駆動トランジスターＴＤ３が十分なオン状態になることで、図７のＡ３に示すような高い電圧も容易に出力することが可能になる。従って、図１８に示すようなＡＢ級動作の増幅回路ＡＭを用いなくても済むようになるため、回路の簡素化や小規模化を図れるようになる。

４．周波数制御回路
次に周波数制御回路５０の詳細に説明する。図１９に周波数制御回路５０の構成例を示す。なお周波数制御回路５０は図１９の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したり、一部の構成要素を他の構成要素に置き換えるなどの種々の変形実施が可能である。

本実施形態の周波数制御回路５０は、外部から入力された制御電圧ＶＣを少なくとも１つの可変抵抗により分圧することで生成した電圧を周波数制御電圧ＶＦＣとして出力する。例えば周波数制御回路５０は、演算増幅器等により構成されるアンプを用いることなく、制御電圧ＶＣを可変抵抗により分圧することで、周波数制御電圧ＶＦＣを生成する。例えば周波数制御回路５０のゲイン調整にアンプを使用すると、回路規模が大きくなり、消費電力も増加すると共にトランジスターの増加に伴いノイズも増加する。この点、図１９の周波数制御回路５０は、制御電圧ＶＣを可変抵抗により分圧することで生成した電圧を周波数制御電圧ＶＦＣとして出力している。このようにすれば、回路規模が大きく消費電力やノイズが多いアンプを用いなくても、周波数制御電圧ＶＦＣによる発振周波数の制御が可能になるため、回路装置２０の小規模化や低消費電力化や低ノイズ化等を実現できるようになる。

具体的には図１９の周波数制御回路５０は、第１可変抵抗ＲＡ１と第２可変抵抗ＲＡ２と第３可変抵抗ＲＡ３と第４可変抵抗ＲＡ４を含む。第１可変抵抗ＲＡ１は、制御電圧ＶＣの入力ノードＮＡ１と周波数制御電圧ＶＦＣの出力ノードＮＡ２との間に設けられる。第２可変抵抗ＲＡ２は、周波数制御電圧ＶＦＣの出力ノードＮＡ２に一端が接続される。第３可変抵抗ＲＡ３は、基準電圧ＶＲＥＧの入力ノードＮＡ３と、第２可変抵抗ＲＡ２の他端が接続される接続ノードＮＡ４との間に設けられる。第４可変抵抗ＲＡ４は、接続ノードＮＡ４と低電位電源ノードＮＡ５との間に設けられる。低電位電源ノードＮＡ５は例えばＧＮＤノードである。

図１９の周波数制御回路５０において第１可変抵抗ＲＡ１、第２可変抵抗ＲＡ２、第３可変抵抗ＲＡ３、第４可変抵抗ＲＡ４に流れる電流ＩＡ１、ＩＡ２、ＩＡ３、ＩＡ４は下式（１）、（２）、（３）のように求められる。

これにより、第３可変抵抗ＲＡ３、第４可変抵抗ＲＡ４の電圧分割ノードである接続ノードＮＡ４での電圧ＶＭは下式（４）、（５）のように求められる。

従って、周波数制御電圧ＶＦＣは下式（６）、（７）のように求めることができる。

そして、周波数制御回路５０におけるゲインであるＧ＝ΔＶＦＣ／ΔＶＣは下式（８）のように表される。

上式（８）に示されるように本実施形態の周波数制御回路５０によれば、アンプを用いない小規模な回路構成で、制御電圧ＶＣに対する周波数制御電圧ＶＦＣのゲインＧを調整することが可能になる。例えば第１可変抵抗ＲＡ１～第４可変抵抗ＲＡ４の抵抗値を調整することで、周波数制御回路５０でのゲインＧを調整できるようになる。従って、回路規模が大きく消費電力やノイズの多いアンプを用いることなく、制御電圧ＶＣに対する周波数制御電圧ＶＦＣのゲインＧを任意の値に調整することが可能になる。

５．感度の設定
本実施形態では、第１可変容量回路３１による周波数電圧感度の絶対値を、第２可変容量回路３２による周波数電圧感度の絶対値よりも高くしている。例えば周波数電圧感度である感度ＫＶ＝ΔＦ／ΔＶは下式（９）のように表される。ＣＬは発振回路３０の全体の負荷容量であり、Ｃ０、Ｃ１は振動子１０の等価的な並列容量、直列容量である。

上式（９）から明らかなように、感度ＫＶの絶対値を高くすることで周波数変化であるΔＦを大きくできる。従って、温度補償用の第１可変容量回路３１による感度ＫＶの絶対値を、周波数制御用の第２可変容量回路３２による感度ＫＶの絶対値よりも高くすることで、温度補償用の第１可変容量回路３１による周波数変動幅を、周波数制御用の第２可変容量回路３２による周波数変動幅よりも広くすることが可能になる。例えば周波数変動幅は、温度補償側では±２０～３０ｐｐｍ程度、周波数制御側では±５～１５ｐｐｍ程度の変動幅が仕様等により要求されている。従って、第１可変容量回路３１による感度ＫＶの絶対値を、第２可変容量回路３２による感度ＫＶの絶対値よりも高くすることで、温度補償側の周波数変動幅を周波数制御側の周波数変動幅よりも広くすることが可能になり、仕様等による要求に応えることが可能になる。なお可変容量回路の感度の絶対値を高くするには、可変容量回路を構成するトランジスターのサイズを大きくすればよい。従って、第１可変容量回路３１による感度ＫＶの絶対値を、第２可変容量回路３２による感度ＫＶの絶対値よりも高くするためには、第１可変容量回路３１を構成するトランジスターＴＲ１のサイズを、第２可変容量回路３２を構成するトランジスターＴＲ２のサイズよりも大きくすればよい。なお以下では感度の絶対値を、適宜、単に感度と記載する。

例えば図２０は可変容量回路の電圧容量特性である。図２０のＤ２ではＤ１に比べて電圧容量特性における傾きを２倍にしている。即ち可変容量回路の容量電圧感度を２倍にしている。しかしながら、可変容量回路の電圧容量特性における傾きである容量電圧感度を２倍にしても、図２１に示すように感度ＫＶ＝ΔＦ／ΔＶは２倍にならない。即ち、上式（９）で表される感度ＫＶは、図２０のＤ１、Ｄ２に示すように電圧容量特性における傾きを２倍にしても、図２１のＤ３に示す感度の２倍にはならず、Ｄ４に示すように寄生容量の増加に伴う負荷容量ＣＬの増加分だけ感度が低下してしまい、Ｄ５に示す感度になる。

例えば周波数制御用の第２可変容量回路３２の感度ＫＶを高くすると、第２可変容量回路３２の寄生容量に起因する負荷容量ＣＬの増加に伴い、温度補償用の第１可変容量回路３１の感度ＫＶが低下してしまう。このため本実施形態では、温度補償用の第１可変容量回路３１の感度ＫＶの方を優先して高くして、周波数制御用の第２可変容量回路３２の感度ＫＶについては、温度補償側に比べて低くする。このようにすれば、第２可変容量回路３２のトランジスターサイズを小さくすることができ、回路の小規模化を図れると共に、第２可変容量回路３２の寄生容量に起因する第１可変容量回路３１の感度ＫＶの低下についても抑制することが可能になる。

６．発振器
図２２に本実施形態の発振器４の第１構造例を示す。発振器４は、振動子１０と、回路装置２０と、振動子１０及び回路装置２０を収容するパッケージ１５を有する。パッケージ１５は、例えばセラミック等により形成され、その内側に収容空間を有しており、この収容空間に振動子１０及び回路装置２０が収容されている。収容空間は気密封止されており、望ましくは真空に近い状態である減圧状態になっている。パッケージ１５により、振動子１０及び回路装置２０を衝撃、埃、熱、湿気等から好適に保護することができる。

パッケージ１５はベース１６とリッド１７を有する。具体的にはパッケージ１５は、振動子１０及び回路装置２０を支持するベース１６と、ベース１６との間に収容空間を形成するようにベース１６の上面に接合されたリッド１７とにより構成されている。そして振動子１０は、ベース１６の内側に設けられた段差部に端子電極を介して支持されている。また回路装置２０は、ベース１６の内側底面に配置されている。具体的には回路装置２０は、能動面がベース１６の内側底面に向くように配置されている。能動面は回路装置２０の回路素子が形成される面である。また回路装置２０の端子にバンプＢＭＰが形成されている。そして回路装置２０は、導電性のバンプＢＭＰを介してベース１６の内側底面に支持される。導電性のバンプＢＭＰは例えば金属バンプであり、このバンプＢＭＰやパッケージ１５の内部配線や端子電極などを介して、振動子１０と回路装置２０が電気的に接続される。また回路装置２０は、バンプＢＭＰやパッケージ１５の内部配線を介して、発振器４の外部端子１８、１９に電気的に接続される。外部端子１８、１９は、パッケージ１５の外側底面に形成されている。外部端子１８、１９は、外部配線を介して外部デバイスに接続される。外部配線は、例えば外部デバイスが実装される回路基板に形成される配線などである。これにより外部デバイスに対してクロック信号などを出力できるようになる。

なお図２２では、回路装置２０の能動面が下方に向くように回路装置２０がフリップ実装されているが、本実施形態はこのような実装には限定されない。例えば回路装置２０の能動面が上方に向くように回路装置２０を実装してもよい。即ち能動面が振動子１０に対向するように回路装置２０を実装する。

図２３に発振器４の第２構造例を示す。発振器４は、振動子１０と、回路装置２０と、振動子１０及び回路装置２０を収容するパッケージ１５を有し、パッケージ１５は、ベース１６とリッド１７を有する。ベース１６は、中間基板である第１基板６と、第１基板６の上面側に積層された略矩形フレーム形状の第２基板７と、第１基板６の底面側に積層された略矩形フレーム形状の第３基板８を有する。そして、第２基板７の上面にはリッド１７が接合され、第１基板６と第２基板７とリッド１７とにより形成された収容空間Ｓ１に、振動子１０が収容されている。例えば収容空間Ｓ１に振動子１０が気密封止されており、望ましくは真空に近い状態である減圧状態になっている。これにより、振動子１０を衝撃、埃、熱、湿気等から好適に保護することができる。また第１基板と第３基板８とにより形成された収容空間Ｓ２に、半導体チップである回路装置２０が収容されている。また第３基板８の底面には、発振器４の外部接続用の電極端子である外部端子１８、１９が形成されている。

また収容空間Ｓ１においては、振動子１０が、導電性の接続部ＣＤＣ１、ＣＤＣ２により、第１基板６の上面に形成された不図示の第１電極端子、第２電極端子に接続される。導電性の接続部ＣＤＣ１、ＣＤＣ２は、例えば金属バンプ等の導電性のバンプにより実現してもよいし、導電性の接着剤により実現してもよい。具体的には、例えば音叉型の振動子１０の一端に形成された不図示の第１電極パッドが、導電性の接続部ＣＤＣ１を介して、第１基板６の上面に形成された第１電極端子に接続される。そして第１電極端子は回路装置２０のパッドＰＸ１に電気的に接続される。また音叉型の振動子１０の他端に形成された不図示の第２電極パッドが、導電性の接続部ＣＤＣ２を介して、第１基板６の上面に形成された第２電極端子に接続される。そして第２電極端子は回路装置２０のパッドＰＸ２に電気的に接続される。これにより振動子１０の一端及び他端を、導電性の接続部ＣＤＣ１、ＣＤＣ２を介して、回路装置２０のパッドＰＸ１、ＰＸ２に電気的に接続できるようになる。また半導体チップである回路装置２０の複数のパッドには導電性のバンプＢＭＰが形成され、これらの導電性のバンプＢＭＰが、第１基板６の底面に形成された複数の電極端子に接続される。そして回路装置２０のパッドに接続された電極端子は、内部配線等を介して発振器４の外部端子１８、１９に電気的に接続される。

なお発振器４は、ウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）の発振器であってもよい。この場合には発振器４は、半導体基板と、半導体基板の第１面と第２面との間を貫通する貫通電極とを有するベースと、半導体基板の第１面に対して、金属バンプ等の導電性の接合部材を介して固定される振動子１０と、半導体基板の第２面側に再配置配線層等の絶縁層を介して設けられる外部端子を含む。そして半導体基板の第１面又は第２面に、回路装置２０となる集積回路が形成される。この場合には、振動子１０及び集積回路が配置された複数のベースが形成された第１半導体ウェハーと、複数のリッドが形成された第２半導体ウェハーとを貼りつけることで、複数のベースと複数のリッドを接合し、その後にダイシングソー等によって発振器４の個片化を行う。このようにすれば、ウェハレベルパッケージの発振器４の実現が可能になり、高スループット、且つ、低コストでの発振器４の製造が可能になる。

以上に説明したように本実施形態の回路装置は、振動子を発振させる発振回路と、温度センサーの温度検出結果に基づいて、発振回路の発振周波数を温度補償する温度補償電圧を出力する温度補償回路と、発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路とを含む。発振回路は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第１可変容量回路と、容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第２可変容量回路とを含む。そして温度補償回路は、温度補償電圧を容量制御電圧として第１可変容量回路に供給し、周波数制御回路は、周波数制御電圧を容量制御電圧として第２可変容量回路に供給する。

このように温度補償回路からの温度補償電圧が容量制御電圧として供給される正特性の第１可変容量回路を発振回路に設けることで、温度が上昇すると第１可変容量回路の容量が増加して、発振回路の発振周波数が低下し、温度が低下すると第１可変容量回路の容量が減少して、発振回路の発振周波数が上昇するようになる。これにより温度変化による発振周波数の変化を相殺して発振周波数を一定にする温度補償を実現できるようになる。また周波数制御回路からの周波数制御電圧が容量制御電圧として供給される負特性の第２可変容量回路を発振回路に設けることで、周波数制御電圧が上昇すると、第２可変容量回路の容量が減少して、発振回路の発振周波数が上昇し、周波数制御電圧が低下すると、第２可変容量回路の容量が増加して、発振回路の発振周波数が低下するようになる。従って、温度補償回路による広い温度範囲での発振周波数の適正な温度補償を実現しながら、周波数制御電圧に基づく発振周波数の制御を実現できるようになる。

また本実施形態では、温度補償回路は、温度補償電圧を出力するＡ級動作の増幅回路を含んでもよい。

このようにすれば、広い温度範囲での発振周波数の適正な温度補償を、ＡＢ級動作の増幅回路と比べて回路規模が小さく簡素な構成のＡ級動作の増幅回路を含む温度補償回路により実現できるようになる。

また本実施形態では、温度補償回路は、温度センサーの温度検出結果に基づいて関数電流を生成する電流生成回路と、関数電流を電圧に変換して温度補償電圧を出力する電流電圧変換回路と、を含み、電流電圧変換回路は、Ａ級動作の増幅回路により温度補償電圧を出力してもよい。

このようにすれば、温度センサーの温度検出結果に基づき電流生成回路により生成された関数電流を、電流電圧変換回路により電圧に変換して温度補償電圧として出力できるようになる。そして電流電圧変換回路は、Ａ級動作の増幅回路により温度補償電圧を出力するため、広い温度範囲での発振周波数の適正な温度補償を行うための温度補償電圧を、回路規模が小さく簡素な構成のＡ級動作の増幅回路により出力できるようになる。

また本実施形態では、振動子は、３次曲線で近似される周波数温度特性を有し、振動子は、温度補償されない状態において、動作温度範囲の上限における発振周波数が発振周波数の極大値よりも大きい振動子であってもよい。

このように動作温度範囲の上限における発振周波数が発振周波数の極大値よりも大きい振動子では、高温側の温度範囲が低温側の温度範囲に比べて広くなるが、本実施形態では、温度補償電圧が供給される可変容量回路として、正特性の第１可変容量回路を用いている。ため、動作温度範囲の上限において温度補償電圧を十分に上昇させることが可能になり、適正な温度補償を実現できるようになる。

また本実施形態では、周波数制御回路は、外部から入力された制御電圧を少なくとも１つの可変抵抗により分圧することで生成した電圧を周波数制御電圧として出力してもよい。

このようにすれば、回路規模が大きく消費電力やノイズが多いアンプを用いなくても、周波数制御電圧による発振周波数の制御が可能になり、回路の小規模化や低消費電力化等を実現できるようになる。

また本実施形態では、周波数制御回路は、制御電圧の入力ノードと周波数制御電圧の出力ノードとの間に設けられる第１可変抵抗と、出力ノードに一端が接続される第２可変抵抗と、基準電圧の入力ノードと、第２可変抵抗の他端が接続される接続ノードとの間に設けられる第３可変抵抗と、接続ノードと低電位電源ノードとの間に設けられる第４可変抵抗と、を含んでもよい。

このようにすれば、第１可変抵抗～第４可変抵抗の抵抗値を調整することで、回路規模が大きく消費電力やノイズの多いアンプを用いることなく、制御電圧に対する周波数制御電圧のゲインを調整できるようになる。

また本実施形態では、第１可変容量回路による周波数電圧感度の絶対値は、第２可変容量回路による周波数電圧感度の絶対値よりも高くてもよい。

このようにすれば、温度補償側の周波数変動幅を周波数制御側の周波数変動幅よりも広くして、適正な温度補償を実現できるようになる。

また本実施形態の発振器は、振動子と回路装置とを含む。そして回路装置は、振動子を発振させる発振回路と、温度センサーの温度検出結果に基づいて、発振回路の発振周波数を温度補償する温度補償電圧を出力する温度補償回路と、発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路とを含む。発振回路は、容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第１可変容量回路と、容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第２可変容量回路とを含む。そして温度補償回路は、温度補償電圧を容量制御電圧として第１可変容量回路に供給し、周波数制御回路は、周波数制御電圧を容量制御電圧として第２可変容量回路に供給する。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本開示の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本開示の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また本実施形態及び変形例の全ての組み合わせも、本開示の範囲に含まれる。また回路装置、発振器の構成・動作等も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

４…発振器、６…第１基板、７…第２基板、８…第３基板、１０…振動子、１５…パッケージ、１６…ベース、１７…リッド、１８…外部端子、１９…外部端子、２０…回路装置、３０…発振回路、３１…第１可変容量回路、３２…第２可変容量回路、３４…基準電圧生成回路、４０…温度補償回路、４２…電流生成回路、４３…１次補正回路、４４…高次補正回路、４６…電流電圧変換回路、４８…温度センサー、５０…周波数制御回路、６０…ロジック回路、７０…不揮発性メモリー、８０…出力回路、９０…電源回路、ＡＭ…増幅回路、ＢＰ１～ＢＰ５…バイポーラートランジスター、ＣＢ１～ＣＢ６、ＣＣ、ＣＤ…キャパシター、ＣＫ…クロック信号、ＤＰ…差動部、ＤＶ…駆動回路、ＩＡ１～ＩＡ４…電流、ＰＣＫ、ＰＧＮＤ、ＰＶＣ、ＰＶＤＤ、ＰＸ１、ＰＸ２…パッド、ＱＰ…出力部、ＲＡ、ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＣ、ＲＤ…抵抗、ＲＡ１～ＲＡ４…第１可変抵抗～第４可変抵抗、Ｓ１、Ｓ２…収容空間、ＴＤ１、ＴＤ２、ＴＲ１、ＴＲ２…トランジスター、ＴＤ３、ＴＤ４、ＴＤ５…駆動トランジスター、ＴＶＤＤ、ＴＧＮＤ、ＴＶＣ、ＴＣＫ…端子、ＶＣ…制御電圧、ＶＣＣ…容量制御電圧、ＶＣＰ…温度補償電圧、ＶＦＣ…周波数制御電圧、ＶＴＳ…温度検出電圧

Claims (10)

1. 振動子を発振させる発振回路と、
   温度センサーの温度検出結果に基づいて、前記発振回路の発振周波数を温度補償する温度補償電圧を出力する温度補償回路と、
   前記発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路と、
   を含み、
   前記発振回路は、
   容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第１可変容量回路と、
   前記容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第２可変容量回路と、
   を含み、
   前記温度補償回路は、
   前記温度補償電圧を前記容量制御電圧として前記第１可変容量回路に供給し、
   前記周波数制御回路は、
   前記周波数制御電圧を前記容量制御電圧として前記第２可変容量回路に供給することを特徴とする回路装置。
2. 請求項１に記載の回路装置において、
   前記温度補償回路は、
   前記温度補償電圧を出力するＡ級動作の増幅回路を含むことを特徴とする回路装置。
3. 請求項２に記載の回路装置において、
   前記温度補償回路は、
   前記温度センサーの前記温度検出結果に基づいて関数電流を生成する電流生成回路と、
   前記関数電流を電圧に変換して前記温度補償電圧を出力する電流電圧変換回路と、
   を含み、
   前記電流電圧変換回路は、Ａ級動作の前記増幅回路により前記温度補償電圧を出力することを特徴とする回路装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回路装置において、
   前記振動子は、３次曲線で近似される周波数温度特性を有し、
   前記振動子は、温度補償されない状態において、動作温度範囲の上限における前記発振周波数が前記発振周波数の極大値よりも大きい振動子であることを特徴とする回路装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回路装置において、
   前記周波数制御回路は、
   外部から入力された制御電圧を少なくとも１つの可変抵抗により分圧することで生成した電圧を前記周波数制御電圧として出力することを特徴とする回路装置。
6. 請求項５に記載の回路装置において、
   前記周波数制御回路は、
   前記制御電圧の入力ノードと前記周波数制御電圧の出力ノードとの間に設けられる第１可変抵抗と、
   前記出力ノードに一端が接続される第２可変抵抗と、
   基準電圧の入力ノードと、前記第２可変抵抗の他端が接続される接続ノードとの間に設けられる第３可変抵抗と、
   前記接続ノードと低電位電源ノードとの間に設けられる第４可変抵抗と、
   を含むことを特徴とする回路装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回路装置において、
   前記第１可変容量回路による周波数電圧感度の絶対値は、前記第２可変容量回路による周波数電圧感度の絶対値よりも高いことを特徴とする回路装置。
8. 振動子と、
   回路装置と、
   を含み、
   前記回路装置は、
   前記振動子を発振させる発振回路と、
   温度センサーの温度検出結果に基づいて、前記発振回路の発振周波数を温度補償する温度補償電圧を出力する温度補償回路と、
   前記発振周波数の周波数制御電圧を出力する周波数制御回路と、
   を含み、
   前記発振回路は、
   容量制御電圧に対する容量の変化特性が正特性である第１可変容量回路と、
   前記容量制御電圧に対する容量の変化特性が負特性である第２可変容量回路と、
   を含み、
   前記温度補償回路は、
   前記温度補償電圧を前記容量制御電圧として前記第１可変容量回路に供給し、
   前記周波数制御回路は、
   前記周波数制御電圧を前記容量制御電圧として前記第２可変容量回路に供給することを特徴とする発振器。
9. 請求項８に記載の発振器において、
   前記温度補償回路は、
   前記温度補償電圧を出力するＡ級動作の増幅回路を含むことを特徴とする発振器。
10. 請求項８又は９に記載の発振器において、
    前記振動子は、３次曲線で近似される周波数温度特性を有し、
    前記振動子は、温度補償されない状態において、動作温度範囲の上限における前記発振周波数が前記発振周波数の極大値よりも大きい振動子であることを特徴とする発振器。

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