JP3152228B2 - 水晶発振子の温度補償装置および水晶発振器 - Google Patents

水晶発振子の温度補償装置および水晶発振器

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JP3152228B2 JP27312199A JP27312199A JP3152228B2 JP 3152228 B2 JP3152228 B2 JP 3152228B2 JP 27312199 A JP27312199 A JP 27312199A JP 27312199 A JP27312199 A JP 27312199A JP 3152228 B2 JP3152228 B2 JP 3152228B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路上
に形成された可変容量コンデンサを含む水晶発振子の温
度補償装置および水晶発振器に関する。
【0002】
【従来の技術】 従来の可変容量コンデンサは、特開昭
62−76801の様にメモリからの出力を直並列変換
し、その出力を充放電回路により大きな時定数をもたせ
てコンデンサアレイをスイッチングするものであった。
これにより発振器出力の純度(C/N比)を改善しようと
するものであった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし前述の従来技術
では、半導体集積回路上に大きな時定数をもった充放電
回路を作ることは難しく、また高精度化のためにコンデ
ンサアレイの各容量を小さくし、数を増やしてゆくとFE
Tスイッチに寄生する容量が、コンデンサアレイの容量
値に対して無視できなくなり、コンデンサアレイのオン
/オフ時の容量比が小さくなっていた。この結果、広い
温度範囲で発振周波数を調整できないという問題点を有
する。またコンデンサアレイの数を増やせば、それに応
じて補正メモリ容量が増大し、コストアップになるとい
う問題点を有する。そこで本発明では、このような問題
点を解決するもので、その目的とするところは、コンデ
ンサアレイの切換えスイッチングノイズが少なく、一方
容量のオン/オフ比が大きく、しかも少ないメモリ容量
で微調ができる可変容量コンデンサを提供することにあ
る。また、二次、三次曲線を描く水晶振動子の温度特性
にも対応して、なめらかに温度補償を行うことにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の水晶発振子の温
度補償装置は、一方の電極が水晶振動子に接続された温
度補償用のコンデンサと、前記コンデンサの他方の電極
と電源との間に接続されるスイッチ素子と、前記スイッ
チ素子のゲートに印加する電圧を出力するD/A変換器
と、温度センサの出力値に応じたデジタル値を出力する
A/D変換器と、前記デジタル値に基づき、所定の温度
補償のためのデジタル情報を前記D/A変換器に対し出
力するデジタル情報変換手段と、を備えた水晶発振子の
温度補償装置であって、前記デジタル情報変換手段は、
水晶振動子の温度補償情報を記憶する記憶回路を有し、
前記デジタル値の上位ビットによって特定された前記記
憶回路のアドレスに格納されている温度補償情報を前記
D/A変換器に出力し、水晶振動子の温度−周波数特性
の変曲点付近の前後において前記デジタル値の下位ビッ
トの順序を反転させて前記D/A変換器に出力すること
を特徴とする。また、前記デジタル情報変換手段は排他
的論理和の論理回路を備え、前記デジタル値の下位ビッ
トは該論理回路によって反転されることを特徴とする。
更に、本発明の水晶発振器は上記記載の水晶発振子の温
度補償装置を含むことを特徴とする。
【0005】
【作用】本発明の上記構成によれば、前述したようにデ
コーダ4やA/D変換器2の入力は、温度センサ回路から
供給される。すなわち水晶振動子や半導体センサからの
出力を電圧−周波数変換器やA/D変換器を介して、アナ
ログ量をデジタル量に変換する。この変換されたディジ
タル情報のうち上位ビットを温度補正情報が格納されて
いる記憶回路(ROM)3のアドレス信号31として与
え、下位ビット32をD/A変換器7の入力として与え
る。この下位ビット32は順序を反転させD/A変換器7
に与えられる。これにより、二次、三次曲線を描く水晶
振動子の温度特性にも対応したなめらかな温度補償を行
うことができる。
【0006】
【実施例】 図1は、本発明の可変容量コンデンサを水
晶発振回路のドレイン容量として用いた場合の一例を示
す図である。また図4は、図1の主要部の具体的実施例
を示したもので、同じ構成要素に対しては、同一番号を
付けてある。図4は、相補型MOSトランジスタ(CMOS)
を用いた半導体集積回路を前提に図示してあるが、本発
明はこれに限定されるものではない。本発明が従来技術
と大きく異なるところは、コンデンサスイッチであるFE
Tスイッチのゲー卜にD/Aコンバータを介して、複数の
電位を与える点にある。これについて図1に基づいて説
明する。
【0007】ディジタル形温度補償水晶発振器として
は、温度センサ1の出力を何らかのA/D変換器2を介し
て、ディジタル化された温度情報を得る必要がある。こ
のA/D変換器出力の上位ビット31は、温度補償情報が
格納されている記憶回路3のアドレス信号として入力さ
れ、下位ビット32は反転回路6を介してD/A変換器7
に入力される。記憶回路3の出力33は、(BCD)デコ
ーダ4を介してリニア変換器5に与えられる。メモリ容
量を減らすために記憶回路3は、各補正温度における補
正データをバイナリ・コードで記憶している。これを入
力するデコーダ4の出力は、どれか1つがアクティブ状
態となるものである。ちなみにデコーダ4やリニア変換
器5は、出力33が図1におけるデコーダ4やリニア変
換器の出力と等価なものであれるば省略できるものであ
る。デコーダ4の出力で直接FETスイッチをオン/オフ
したのでは、コンデンサアレイは、重み付けした容量値
をとる必要がある。そこで本発明では、リニア変換回路
を設けて、コンデンサアレイの各容量値は等しくても、
重み付け制御ができるようにした。こうすることによ
り、コンデンサアレイの総容量値が最小化でき、スイッ
チングノイズの低位均一化、補正の自由度を拡大するこ
とができる。
【0008】D/A変換器7の出力は、スイッチ制御回路
8を介してリニア変換器の出力で補正する値の中間を補
間するものである。本発明では、中間補間する際に、FE
Tスイッチのオン抵抗を変化させ、結果としてドレイン
配線28とGND間のCR時定数を変化させるものである。
【0009】図4において、信号D0、D1、D2、信号d0
d1、信号D/uは、図1の出力33、32、34に対応す
る。出力33、32のビット数は増減が可能である。さ
て図において、水晶振動子25は、発振増幅器27のゲ
ート・ドレイン間に接続される。さらにドレイン配線に
は、固定コンデンサ23とコンデンサアレイ20、2
1、22が接続され、コンデンサアレイは、スイッチ制
御回路からの信号によりGNDとの接続をオン/オフさ
れ、容量値を可変させる。コンデンサ・アレイのスイッ
チングは、一例として3ビット入力のデコーダ4の出力
とD/A変換器7の出力とを組合せて行われる。デコーダ
4の出力は、リニア変換回路5に入力され、コンデンサ
・アレイ10〜12の物理的配置に従って、コンデンサ
・アレイがオン・オフしている境界が必ず1つになるよ
うに変換される。すなわち入力D0〜D2の状態に従って、
デコーダ4の出力はどれか1つが“L”になり、他は
“H”となる。これがリニア変換器5に入力されると図
では、デコーダ4の出力が“L”になっているところに
該当するコンデンサ・アレイを境界として、そのコンデ
ンサ・アレイとその左側のコンデンサ・アレイはオン
(GNDと導通され)し、右側のコンデンサ・アレイはオ
フする。
【0010】前述したようにデコーダ4やA/D変換器2
の入力は、温度センサ回路から供給される。すなわち水
晶振動子や半導体センサからの出力を電圧−周波数変換
器やA/D変換器を介して、アナログ量をデジタル量に変
換する。この変換されたディジタル情報のうち上位ビッ
トを温度補正情報が格納されている記憶回路(ROM)3
のアドレス信号31として与え、下位ビット32をD/A
変換器7の入力として与える。この下位ビット32は、
水晶振動子の温度特性が二次曲線や三次曲線を描くの
で、この変曲点でなめらかな補正を行うために下位ビッ
トの順序を反転させる必要がある。これを実現するため
信号d0、d1は反転回路6を介してD/A変換器7に与えら
れる。EX−OR61、62で構成される反転回路6の反転
制御信号D/uは、記憶回路3もしくは記憶回路の出力を
演算した結果として与えられる。
【0011】図4では、コンデンサ・アレイの制御回路
は、A、B、Cの破線枠で示されるように規則正しい回路
ユニットとして構成される。以下ではこのユニットBに
関して説明する。ゲート84、85、86、トランスフ
ァゲー卜184、185、186から構成されるスイッ
チ制御回路は、デコーダ42とゲート53、54で構成
されるリニア制御回路の出力を受けて、NチャネルMOSト
ランジスタからなるFETスイッチ11のゲート電位を制
御する。スイッチ制御回路は、オフ電位(GND)とオン
電位(VDD)及びオフ電位とオン電位の中間電位VEE2
を伝える3つのトランスファゲートとそのゲート制御回
路からなる。デコーダ42の出力が“L”(アクティ
ブ)になっている場合は、D/A変換器の出力である中間
電位VEE2を伝え、その左側のアレイAでは、トランスフ
ァゲート181によりオン電位VDDを、右側のアレイ
C’ではトランスファゲート188によりオフ電位GNDを
伝える。これにより本発明ではFETスイッチ10、1
1、12は、可変抵抗として働くので、コンデンサ・ア
レイ部分の等価回路は、図2のようになる。図において
CXは寄生容量、RSはFETスイッチの抵抗、CAはアレイコ
ンデンサであり、ドレイン28からみた等価容量Cは、
【0012】
【数1】
【0013】で表わされ、FETスイッチのゲート電位Vg
に対して
【0014】
【数2】
【0015】であるので、図3に示す関係がある。ここ
で注目すべきことは、等価容量CがFETスイッチのスレッ
ショルド電圧VTH近辺で急激に変化することである。こ
のため単純な時定数回路でFETスイッチを制御したので
は、等価容量Cは急激に変化し、ドレイン28の電位が
ジャンプするため、コンデンサカップリングによるスイ
ッチングノイズが出力28に発生する。そこで本発明で
は、図3に示す等価容量が急激に変化する領域のゲート
電圧を図1のD/A変換器7を用いて発生する。図4にお
いて、FETスイッチトランジスタと同じチャネル長をも
ち同じ導電型のMOS卜ランジスタ161をスレッショル
ド電圧近くで定電流動作させ、そのゲート電圧をν0
位として使い、ν0からわずかに高い電位ν1、ν2は拡
散抵抗もしくはポリシリコン抵抗等の受動抵抗162、
163とMOS抵抗164を用いて発生させる。最高電位
ν3は、電源VDDに近い電位に設定する。電位ν0〜ν3
は、アナログスイッチ171〜178により選択され、
中間電位VEE1、VEE2としてトランスファゲートに与え
られる。電位ν0〜ν3は高抵抗を介して発生されるの
で、大きな時定数をもってFETスイッチのゲートに与え
られ、等価容量を一層なめらかに変化させる。ところで
コンデンサ・アレイのスイッチングが隣のアレイにシフ
トするときは、VEE電圧がν0からν3もしくはν3から
ν0に大きく変化するため、瞬間的にトランスファゲー
ト183、186、189を介してFETスイッチのゲー
ト電位を大きく変動させる場合がある。これを防止する
ために本発明では、中間電位としてVEE1とVEE2の2系
統用意し、トランスファゲート183、186、189
がオフしているときにν0とν3の電位変化をさせるよう
にデコーダ71の論理を構成してある。
【0016】なお、こうしたコンデンサ・アレイのスイ
ッチング回路のテストは、一般的なLSIテスターでは充
分テストできない。そこで本発明では、リニア制御回路
の出力とテスト信号TESTでオン/オフされるトランスフ
ァゲート91〜96を各アレイに設け、モニター端子MO
からFETスイッチのゲート電位をモニターできるように
した。FETスイッチのゲート電位は、デコーダ4の出力
がアクティブのユニットだけがMO端子に選択出力され
る。こうすることによりFETスイッチを制御する回路の
動作を確実にテストできるので、信頼性の高いコンデン
サアレイを得ることができる。
【0017】以上の説明では、コンデンサアレイを発振
増幅器の出力側に設けた例を示したが、入力側に設けて
も良いことは云うまでもない。さらに本発明は発振回路
への応用に限定されることなく、フィルタや同調装置等
コンデンサを用いてその時定数を利用する用途、コンデ
ンサ容量をプログラマブルに微調する必要がある電子回
路に広く応用できるものである。
【0018】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、二
次、三次曲線を描く水晶振動子の温度特性にも対応した
なめらかな温度補償を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の可変容量コンデンサの一実施例を示
すブロック図。
【図2】 コンデンサアレイ部の等価回路を示す図。
【図3】 スイッチ素子のゲート電位に対する等価容量
の変化を示す図。
【図4】 図1の具体的な回路例を示す図。
【符号の説明】
1・・・温度センサ 2・・・A/D変換器 3・・・記憶回路 4・・・デコーダ 5・・・リニア変換器 6・・・反転回路 7・・・D/A変換器 8・・・スイッチ制御回路 10、11、12・・・スイッチ素子群 20、21、22・・・コンデンサ群
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03B 5/30 - 5/42

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一方の電極が水晶振動子に接続された温
    度補償用のコンデンサと、 前記コンデンサの他方の電極と電源との間に接続される
    スイッチ素子と、 前記スイッチ素子のゲートに印加する電圧を出力するD
    /A変換器と、 温度センサの出力値に応じたデジタル値を出力するA/
    D変換器と、 前記デジタル値に基づき、所定の温度補償のためのデジ
    タル情報を前記D/A変換器に対し出力するデジタル情
    報変換手段と、を備えた水晶発振子の温度補償装置にお
    いて、 前記デジタル情報変換手段は、水晶振動子の温度補償情
    報を記憶する記憶回路を有し、前記デジタル値の上位ビ
    ットによって特定された前記記憶回路のアドレスに格納
    されている温度補償情報を前記D/A変換器に出力し、
    水晶振動子の温度−周波数特性の変曲点付近の前後にお
    いて前記デジタル値の下位ビットの順序を反転させて前
    記D/A変換器に出力することを特徴とする水晶発振子
    の温度補償装置。
  2. 【請求項2】 前記デジタル情報変換手段は排他的論理
    和の論理回路を備え、前記デジタル値の下位ビットは該
    論理回路によって反転されることを特徴とする水晶発振
    子の温度補償装置。
  3. 【請求項3】 請求項1乃至2に記載の水晶発振子の温
    度補償装置を含むことを特徴とする水晶発振器。
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