JP3058425B2 - Temperature compensated oscillator - Google Patents

Temperature compensated oscillator

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九一 久保
務 山川
浩 吉田
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明は、温度変化による発振周波数の変化を補償す
る温度補償発振器に係わり、特にバイアス電圧値に応じ
て発振周波数を微調整するバイアス回路の改良に関す
る。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a temperature-compensated oscillator that compensates for a change in oscillation frequency due to a temperature change, and more particularly to an improvement in a bias circuit that finely adjusts an oscillation frequency according to a bias voltage value. About.

(発明の技術的背景とその問題点) 近時、周波数、時間等の基準として水晶発振器が広く
用いられている。ところで水晶発振器に用いる水晶振動
子は一般に温度係数を持ち、温度の変化によって周波数
も変化する。たとえば、数MHzないし十数MHz程度の周波
数で使用する一般的なATカットの水晶振動子は、第3図
に示すような略3次曲線状の温度係数を示し、その特性
は切断角度に応じて微細に変化し、変極点は25℃前後に
なる。
(Technical Background of the Invention and Problems Thereof) In recent years, a crystal oscillator has been widely used as a reference for frequency, time, and the like. By the way, a crystal oscillator used for a crystal oscillator generally has a temperature coefficient, and the frequency changes with a change in temperature. For example, a general AT-cut crystal unit used at a frequency of about several MHz to several tens of MHz has a substantially cubic curve-like temperature coefficient as shown in FIG. 3, and its characteristics depend on the cutting angle. The inflection point is around 25 ° C.

一方、電子機器の高精度化がすすむにつれて水晶発振
器にあっても発振周波数は、より安定であることを要求
される傾向にある。
On the other hand, as the accuracy of electronic devices increases, the oscillation frequency tends to be required to be more stable even in a crystal oscillator.

このような要求を満たす水晶発振器としては発振回路
を恒温槽に収納したものがある。しかしながら恒温槽を
用いたものでは形状が大型化し、消費電力も大きく、電
源の投入時に周波数が安定化するまでに時間がかかり、
しかも部品は70℃程度の比較的高温度にさらされるため
に信頼性にも問題がある。
As a crystal oscillator that satisfies such demands, there is one in which an oscillation circuit is housed in a thermostat. However, in the case of using a thermostat, the shape becomes large, the power consumption is large, and it takes time until the frequency is stabilized when the power is turned on.
In addition, since parts are exposed to a relatively high temperature of about 70 ° C., there is a problem in reliability.

このために水晶振動子に、たとえばバリキャップ等の
電圧容量変換素子を接続し、サーミスタ等の温度検出素
子の検出温度に応じて補償電圧発生回路により補償電圧
を生成し、この補償電圧を上記バリキャップに印加して
温度補償を行うものがある。
For this purpose, a voltage-capacitance conversion element such as a varicap is connected to the crystal oscillator, and a compensation voltage is generated by a compensation voltage generation circuit in accordance with the temperature detected by a temperature detection element such as a thermistor. In some cases, temperature compensation is performed by applying a voltage to the cap.

第2図は従来のこの種の温度補償発振器の一例を示す
ブロック図で、いわゆるコルピッツ型の水晶発振器1の
水晶振動子2に直列に電圧容量可変素子3、たとえばバ
リキャップを接続している。そしてサーミスタ等の温度
センサ4の検出温度信号を補償電圧発生回路5に与えて
温度補償電圧を得て上記バリキャップ3に印加する。と
ころでこのような温度補償発振器では、水晶振動子の経
時変化等により周波数がわずかに変化した場合、発振周
波数を目的周波数に正確に一致させるために微細な調整
を行えるようにする必要がある。このため上記バリキャ
ップ3に高抵抗6を介してバイアス入力端子7からバイ
アス電圧Vbを印加するようにしている。
FIG. 2 is a block diagram showing an example of this type of conventional temperature-compensated oscillator. A variable voltage capacity element 3, for example, a varicap, is connected in series to a crystal oscillator 2 of a so-called Colpitts-type crystal oscillator 1. Then, a temperature signal detected by a temperature sensor 4 such as a thermistor is supplied to a compensation voltage generating circuit 5 to obtain a temperature compensation voltage and apply it to the varicap 3. By the way, in such a temperature-compensated oscillator, when the frequency slightly changes due to the aging of the crystal oscillator or the like, it is necessary to perform fine adjustment so that the oscillation frequency exactly matches the target frequency. Therefore, a bias voltage Vb is applied to the varicap 3 from the bias input terminal 7 via the high resistance 6.

なお、一般的には第3図に示すグラフのようにバイア
ス電圧Vbの可変幅を最も効率よく利用するためにバイア
ス電圧Vbの可変幅の略中点電位Vb0において目的周波数f
0となるように設計される。
Generally, as shown in the graph of FIG. 3, in order to use the variable width of the bias voltage Vb most efficiently, the target frequency f is set at approximately the midpoint potential Vb0 of the variable width of the bias voltage Vb.
Designed to be zero.

このようにすればバイアス入力端子7に与える電圧に
応じて発振周波数を微細に調整することができ、所定の
目的周波数に正確に合わせ込むことが可能となる。
In this way, the oscillation frequency can be finely adjusted according to the voltage applied to the bias input terminal 7, and can be accurately adjusted to a predetermined target frequency.

しかしながらこのようなものでは、厳密にはバイアス
入力端子7に接続する電圧源の内部抵抗が変化すると補
償電圧発生回路5の補償電圧による温度補償特性が変化
し所望の補償特性が得られなくなる。したがってバイア
ス入力端子7には所定の特性の可変可能な定電圧源を接
続する必要があり実際の取扱はきわめて面倒であった。
However, in such a case, strictly speaking, if the internal resistance of the voltage source connected to the bias input terminal 7 changes, the temperature compensation characteristic of the compensation voltage generating circuit 5 due to the compensation voltage changes, and a desired compensation characteristic cannot be obtained. Therefore, it is necessary to connect a variable voltage source having a predetermined characteristic to the bias input terminal 7, and the actual handling is extremely troublesome.

またバイアス入力端子7をオープンにした場合は、発
振周波数はバイアス電圧Vbによる周波数の可変幅の略下
端の周波数になり、しかも所定の温度補償特性も得られ
なくなる。
When the bias input terminal 7 is left open, the oscillation frequency becomes substantially the lower end of the variable width of the frequency by the bias voltage Vb, and a predetermined temperature compensation characteristic cannot be obtained.

また、このようなバイアス入力端子を有する比較的高
級な仕様の温度補償発振器と、バイアス入力端子を設け
ない比較的簡単な仕様の発振器とは同じ発振周波数であ
っても温度補償回路の構成を異ならせる必要がある。こ
のために同じ発振器であってもバイアス入力端子の有無
に応じて別々の温度補償回路を必要とする問題もあっ
た。
In addition, a relatively high-grade temperature-compensated oscillator having such a bias input terminal and a relatively simple-specification oscillator without a bias input terminal have different temperature compensation circuit configurations even at the same oscillation frequency. Need to be done. For this reason, there is also a problem that different temperature compensating circuits are required depending on the presence or absence of the bias input terminal even for the same oscillator.

このために、温度補償用の電圧容量変換素子と、バイ
アス用の電圧容量変換素子とを各別に設けたものもあ
る。しかしながら、このようなものでは電気的な構成が
複雑になり発振周波数に影響を及ぼす素子の数が多くな
り高精度の温度補償を行うことは難しくなる問題があっ
た。
For this reason, there is a device in which a voltage-capacitance conversion element for temperature compensation and a voltage-capacity conversion element for bias are separately provided. However, such a configuration has a problem in that the electrical configuration becomes complicated, the number of elements that affect the oscillation frequency increases, and it becomes difficult to perform high-precision temperature compensation.

(発明の目的) 本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、バイ
アス源の直流特性によって温度補償特性を損なうことが
なく、バイアス電圧を印可すればその値に応じて周波数
を微細に調整でき、発振周波数を微細に調整する必要の
ない場合には端子をオープンにすれば自動的にバイアス
電圧による可変範囲の略中心の周波数に設定可能で所定
の温度補償特性を得られる温度補償発振器を提供するこ
とを目的とするものである。
(Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above circumstances, and does not impair the temperature compensation characteristics due to the DC characteristics of the bias source. If a bias voltage is applied, the frequency can be finely adjusted according to the value. A temperature-compensated oscillator that can be adjusted, and if it is not necessary to finely adjust the oscillation frequency, the terminal can be opened and the frequency can be automatically set to the approximate center frequency of the variable range by the bias voltage to obtain a predetermined temperature compensation characteristic. The purpose is to provide.

(発明の概要) 本発明は、発振周波数を制御する電圧容量変換素子に
温度補償電圧を印加して温度補償を行う発振器におい
て、発振周波数の微調整を行うバイアス回路は入力をバ
イアス入力端子に接続し出力を上記電圧容量変換素子に
与える高入力インピーダンス増幅器と、この高入力イン
ピーダンス増幅器の入力を上記バイアス電圧の可変範囲
の略中点電位にプルアップするプルアップ回路とからな
ることを特徴とするものである。
(Summary of the Invention) The present invention provides an oscillator that performs temperature compensation by applying a temperature compensation voltage to a voltage-capacitance conversion element that controls an oscillation frequency. In the oscillator, a bias circuit that finely adjusts the oscillation frequency has an input connected to a bias input terminal. A high input impedance amplifier for providing an output to the voltage-capacitance conversion element, and a pull-up circuit for pulling up the input of the high input impedance amplifier to a substantially middle point potential in the variable range of the bias voltage. Things.

(実施例) 以下、本発明の一実施例を、第1図に示すブロック図
を参照して詳細に説明する。
Embodiment An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the block diagram shown in FIG.

図中11は、温度センサで、たとえば温度変化に応じて
抵抗値が変化するサーミスタである。そして12は温度セ
ンサ11から検出温度に応じた温度信号を与えられて温度
補償電圧Vtを生成する補償電圧発生回路である。そして
補償電圧発生回路12から出力する温度補償電圧Vtは抵抗
13を介して電圧容量変換素子14に印加してその静電容量
を制御する。
In the figure, reference numeral 11 denotes a temperature sensor, for example, a thermistor whose resistance value changes according to a temperature change. Reference numeral 12 denotes a compensation voltage generation circuit that receives a temperature signal according to the detected temperature from the temperature sensor 11 and generates a temperature compensation voltage Vt. The temperature compensation voltage Vt output from the compensation voltage generation circuit 12 is a resistor
The voltage is applied to the voltage-capacitance conversion element 14 via 13 to control the capacitance.

この電圧容量変換素子14は、たとえばコルピッツ型の
水晶発振回路15の水晶振動子16に直列に接続し、その発
振周波数を微細に可変し、温度変化による発振周波数の
変化を補償する。
This voltage capacity conversion element 14 is connected in series to a crystal oscillator 16 of a Colpitts-type crystal oscillation circuit 15, for example, and finely varies its oscillation frequency to compensate for a change in the oscillation frequency due to a temperature change.

そして17は高入力インピーダンス増幅器で、たとえば
演算増幅器の反転入力を出力に接続した、いわゆる増幅
率が1倍のボルテージホロワ回路である。そしてこの高
入力インピーダンス増幅器17の入力を外部からの制御電
圧を与えるバイアス入力端子18に接続するとともに抵抗
20を介して上記制御電圧の可変範囲の略中点電位の電圧
Vnにプルアップしている。そして高入力インピーダンス
増幅器17の出力、すなわちバイアス電圧Vbを抵抗19を介
して上記電圧容量変換素子14に印加する。
Reference numeral 17 denotes a high input impedance amplifier, for example, a so-called voltage follower circuit in which the inverting input of the operational amplifier is connected to the output, that is, the amplification factor is 1. The input of this high input impedance amplifier 17 is connected to a bias input terminal 18 for applying an external control voltage,
The voltage at approximately the midpoint of the variable range of the control voltage via 20
Pulled up to Vn. Then, the output of the high input impedance amplifier 17, that is, the bias voltage Vb is applied to the voltage-capacitance conversion element 14 via the resistor 19.

このような構成であれば、温度センサ11の検出温度に
応じた補償電圧Vtを補償電圧発生回路12で得て電圧容量
変換素子14に印加して温度補償を行うことができる。そ
して上記補償電圧発生回路12の出力Vt及び高入力インピ
ーダンス増幅器17の出力Vbは、それぞれ抵抗13、19を介
して電圧容量変換素子14に印加するようにしているの
で、これらの電圧Vt、Vbはそれぞれ一定の割合を乗じた
値が独立に、相互に影響されることなく、加算して電圧
容量変換素子に印加される。したがって、バイアス入力
端子18がオープンで制御電圧が印加されない場合は、高
入力インピーダンス増幅器17の入力は上記中点電位とな
り、自動的に制御電圧による周波数可変幅の略中心周波
数となる。またバイアス入力端子18に制御電圧を与えれ
ばその値に応じて発振周波数を微細に調整することがで
きる。
With such a configuration, the compensation voltage Vt corresponding to the temperature detected by the temperature sensor 11 can be obtained by the compensation voltage generation circuit 12 and applied to the voltage-capacitance conversion element 14 to perform temperature compensation. The output Vt of the compensation voltage generating circuit 12 and the output Vb of the high input impedance amplifier 17 are applied to the voltage-capacitance conversion element 14 via the resistors 13 and 19, respectively, so that these voltages Vt and Vb are The values obtained by multiplying the respective constant ratios are independently added without being influenced by each other and applied to the voltage-capacitance conversion element. Therefore, when the bias input terminal 18 is open and the control voltage is not applied, the input of the high input impedance amplifier 17 becomes the above-mentioned midpoint potential, and automatically becomes the approximate center frequency of the frequency variable width by the control voltage. When a control voltage is applied to the bias input terminal 18, the oscillation frequency can be finely adjusted according to the value.

しかして補償電圧発生回路12とバイアス入力端子18と
は高入力インピーダンス増幅器17によって直流的に切り
放されているのでバイアス入力端子18に接続される回路
の内部インピーダンスによって温度補償特性が損なわれ
ることもない。
However, since the compensation voltage generation circuit 12 and the bias input terminal 18 are cut off in a DC manner by the high input impedance amplifier 17, the temperature compensation characteristic may be impaired by the internal impedance of the circuit connected to the bias input terminal 18. Absent.

さらにバイアス入力端子を有する比較的高級な仕様の
温度補償発振器と、バイアス入力端子を設けない比較的
簡単な仕様の発振器とは同じ構成で製作でき共通の水晶
振動子を使用できるので機種を共通化できる利点もあ
る。
Furthermore, a relatively high-grade temperature-compensated oscillator with a bias input terminal and a relatively simple specification oscillator without a bias input terminal can be manufactured with the same configuration and a common crystal unit can be used. There are also benefits that you can do.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、たとえば上記高入力インピーダンス増幅器は演算増
幅器だけでなく電界効果トランジスタ等を用いて構成し
てもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the high input impedance amplifier may be configured using not only an operational amplifier but also a field effect transistor.

また補償電圧発生回路としてはアナログ的に補償電圧
を発生するものでも良いし、デジタル的に記憶素子から
補償データを読みだして補償するものでも良いことは勿
論である。
Also, the compensation voltage generation circuit may be of a type that generates a compensation voltage in an analog manner, or may be of a type that digitally reads out compensation data from a storage element and performs compensation.

(発明の効果) 以上詳述したように本発明によればバイアス電圧によ
って発振周波数を微細に調整することが可能でバイアス
源の特性が温度補償特性に影響することなく、しかも発
振周波数を調整する必要のない場合はバイアス入力端子
をオープンにすれば温度補償特性を損なうことなく目的
周波数に自動的に調定することができる温度補償発振器
を提供することができる。
(Effects of the Invention) As described above in detail, according to the present invention, the oscillation frequency can be finely adjusted by the bias voltage, and the characteristics of the bias source do not affect the temperature compensation characteristics, and the oscillation frequency is adjusted. If it is not necessary, by opening the bias input terminal, it is possible to provide a temperature-compensated oscillator that can automatically adjust to the target frequency without impairing the temperature compensation characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例を示すブロック図、 第2図は従来の温度補償発振器の一例を示すブロック
図、 第3図はバイアス電圧による周波数の調整を説明するグ
ラフである。 11……温度センサ 12……補償電圧発生回路 14……電圧容量変換素子 15……発振回路 16……水晶振動子 17……高入力インピーダンス増幅器 18……バイアス入力端子
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing an example of a conventional temperature-compensated oscillator, and FIG. 3 is a graph for explaining frequency adjustment by a bias voltage. 11… Temperature sensor 12… Compensation voltage generating circuit 14… Voltage capacity conversion element 15… Oscillation circuit 16… Crystal oscillator 17… High input impedance amplifier 18… Bias input terminal

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−108801(JP,A) 特開 平1−222491(JP,A) 実開 昭60−129758(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03B 5/00 - 5/42 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-1-108801 (JP, A) JP-A 1-22291 (JP, A) JP-A-60-129758 (JP, U) (58) Field (Int. Cl. 7 , DB name) H03B 5/00-5/42

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】温度を検出する温度センサと、この温度セ
ンサの検出出力に応じた温度補償電圧を出力する補償電
圧発生回路と、この補償電圧発生回路の出力に応じて静
電容量を制御される電圧容量変換素子と、この電圧容量
変換素子によって周波数を制御される圧電振動子と、こ
の圧電振動子と共に発振器を構成する発振回路と、上記
電圧容量変換素子に上記発振回路の発振周波数を所定周
波数に設定するバイアス電圧を印加するバイアス回路と
を具備するものにおいて、上記バイアス回路は入力をバ
イアス入力端子に接続し出力を上記電圧容量変換素子に
与える高入力インピーダンス増幅器と、上記補償電圧発
生回路及び高入力インピーダンス増幅器の各出力と上記
電圧容量変換素子との間に介挿した抵抗と、上記高入力
インピーダンス増幅器の入力を上記バイアス電圧の可変
範囲の略中点電位にプルアップするプルアップ回路とか
らなることを特徴とする温度補償発振器。
A temperature sensor for detecting a temperature, a compensation voltage generation circuit for outputting a temperature compensation voltage corresponding to a detection output of the temperature sensor, and a capacitance controlled according to an output of the compensation voltage generation circuit. A voltage-capacitance conversion element, a piezoelectric vibrator whose frequency is controlled by the voltage-capacity conversion element, an oscillating circuit that forms an oscillator together with the piezoelectric vibrator, A bias circuit for applying a bias voltage set to a frequency, wherein the bias circuit connects an input to a bias input terminal and provides an output to the voltage-capacitance conversion element, and the compensation voltage generation circuit And a resistor inserted between each output of the high input impedance amplifier and the voltage-capacitance conversion element, and Temperature compensated oscillator input of vessels characterized by comprising a pull-up circuit for pulling up a substantially middle point potential of the variable range of the bias voltage.
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