JP3310550B2 - 温度補償水晶発振器およびその特性最適化方法 - Google Patents
温度補償水晶発振器およびその特性最適化方法Info
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- JP3310550B2 JP3310550B2 JP20238196A JP20238196A JP3310550B2 JP 3310550 B2 JP3310550 B2 JP 3310550B2 JP 20238196 A JP20238196 A JP 20238196A JP 20238196 A JP20238196 A JP 20238196A JP 3310550 B2 JP3310550 B2 JP 3310550B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は水晶発振器の発振周
波数の温度補償に関する。
波数の温度補償に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子機器の周波数あるいは時間の基準と
して、従来から水晶振動子を利用した水晶発振器が用い
られている。特に近年は、携帯電話をはじめとする移動
体通信用の水晶発振器の需要がますます増加している。
水晶振動子としては、周波数温度係数がほぼ零となるよ
うな種々の方位を有するものが知られているが、特に、
厚み滑り振動させたときの温度係数がほぼ零となるＡＴ
板（ＡＴカット水晶振動子）が多用されている。
して、従来から水晶振動子を利用した水晶発振器が用い
られている。特に近年は、携帯電話をはじめとする移動
体通信用の水晶発振器の需要がますます増加している。
水晶振動子としては、周波数温度係数がほぼ零となるよ
うな種々の方位を有するものが知られているが、特に、
厚み滑り振動させたときの温度係数がほぼ零となるＡＴ
板（ＡＴカット水晶振動子）が多用されている。
【０００３】一方、最近の電子機器では、機器の小型・
軽量化が求められ、高信頼性かつ高精度であることが望
まれている。このため、例えば水晶振動子を用いた水晶
発振器の発振周波数も高度に安定であることが望まれ、
特に温度変化に対して発振周波数が安定なことが要求さ
れている。
軽量化が求められ、高信頼性かつ高精度であることが望
まれている。このため、例えば水晶振動子を用いた水晶
発振器の発振周波数も高度に安定であることが望まれ、
特に温度変化に対して発振周波数が安定なことが要求さ
れている。
【０００４】上述したように、水晶振動子としては、周
波数温度係数がほぼ零となるようなものが用いられてい
る。しかし、完全に零ではない。例えば厚み滑り水晶振
動子は、ほぼ３次曲線状の周波数−温度特性を有し、例
えば−３０℃〜＋７０℃の温度変化に対して数十ｐｐｍ
の周波数変化を呈する。この程度の周波数変化でも、高
精度の電子機器では重大な問題となる。このため、形状
が小型で、消費電力が低く、発振周波数のより安定な水
晶発振器が望まれている。
波数温度係数がほぼ零となるようなものが用いられてい
る。しかし、完全に零ではない。例えば厚み滑り水晶振
動子は、ほぼ３次曲線状の周波数−温度特性を有し、例
えば−３０℃〜＋７０℃の温度変化に対して数十ｐｐｍ
の周波数変化を呈する。この程度の周波数変化でも、高
精度の電子機器では重大な問題となる。このため、形状
が小型で、消費電力が低く、発振周波数のより安定な水
晶発振器が望まれている。
【０００５】小型かつ低消費電力の温度補償水晶発振器
としては、大きく分けて、アナログ制御方式とディジタ
ル方式とが知られている。また、アナログ制御方式に
は、直接補償形のものと、間接補償形のものとが知られ
ている。
としては、大きく分けて、アナログ制御方式とディジタ
ル方式とが知られている。また、アナログ制御方式に
は、直接補償形のものと、間接補償形のものとが知られ
ている。
【０００６】アナログ制御方式のうち間接補償形のもの
は、サーミスタにコンデンサを並列に接続した温度補償
回路を１個または２個、水晶発振子に直列に接続して、
温度変化による温度補償回路の等価直列容量の変化を利
用して温度補償を行う。また、直接補償形のものは、水
晶振動子に直列に接続した可変容量ダイオードに抵抗と
サーミスタとからなる回路網で発生させた制御電圧を与
え、間接補償形の場合と同様に等価直列容量の変化を利
用して温度補償を行う。
は、サーミスタにコンデンサを並列に接続した温度補償
回路を１個または２個、水晶発振子に直列に接続して、
温度変化による温度補償回路の等価直列容量の変化を利
用して温度補償を行う。また、直接補償形のものは、水
晶振動子に直列に接続した可変容量ダイオードに抵抗と
サーミスタとからなる回路網で発生させた制御電圧を与
え、間接補償形の場合と同様に等価直列容量の変化を利
用して温度補償を行う。
【０００７】アナログ制御方式では、滑らかな温度特性
が得られ、良好な雑音特性が得られる。しかし、個々の
発振器および水晶振動子毎に電気的な回路定数を決定す
る必要があるため、水晶発振器を実際に恒温槽に入れて
温度を変化させながら発振周波数の変化を測定し、この
測定を回路定数の異なる部品に交換して繰り返す必要が
ある。このため、調整は面倒で、しかも長時間を要す
る。また、いったん実装した回路部品を異なる定数の回
路部品と交換する作業も極めて面倒であった。
が得られ、良好な雑音特性が得られる。しかし、個々の
発振器および水晶振動子毎に電気的な回路定数を決定す
る必要があるため、水晶発振器を実際に恒温槽に入れて
温度を変化させながら発振周波数の変化を測定し、この
測定を回路定数の異なる部品に交換して繰り返す必要が
ある。このため、調整は面倒で、しかも長時間を要す
る。また、いったん実装した回路部品を異なる定数の回
路部品と交換する作業も極めて面倒であった。
【０００８】一方、ディジタル制御方式では、温度特性
を補償するためのデータをあらかじめＲＯＭに記憶して
おき、温度センサにより測定された周囲温度に応じて、
水晶振動子に直列に接続した可変容量ダイオードに制御
電圧を与える。したがって、調整の自動化は容易であ
る。しかし、周波数がディジタル的に制御されるため、
量子化ノイズが発生する。ディジタル制御方式の温度補
償水晶発振器がディジタル通信の用途に使われたとき
は、位相の不連続な変化によりビットエラーを生じる可
能性がある。
を補償するためのデータをあらかじめＲＯＭに記憶して
おき、温度センサにより測定された周囲温度に応じて、
水晶振動子に直列に接続した可変容量ダイオードに制御
電圧を与える。したがって、調整の自動化は容易であ
る。しかし、周波数がディジタル的に制御されるため、
量子化ノイズが発生する。ディジタル制御方式の温度補
償水晶発振器がディジタル通信の用途に使われたとき
は、位相の不連続な変化によりビットエラーを生じる可
能性がある。
【０００９】アナログ制御方式とディジタル制御方式の
長所および短所を考慮し、温度センサの検出温度に対し
て非線形関数を発生し、この関数を制御信号として、水
晶振動子に直列に接続された可変容量素子の静電容量を
調整することが考えられている。例えばＡＴカット水晶
振動子を用いる場合であれば、その発振周波数の温度特
性は３次関数で近似することができ、それを補償するた
めの関数もまた３次関数で与えられる。このような３次
関数を発生する回路は、半導体集積回路により容易に実
現できる。
長所および短所を考慮し、温度センサの検出温度に対し
て非線形関数を発生し、この関数を制御信号として、水
晶振動子に直列に接続された可変容量素子の静電容量を
調整することが考えられている。例えばＡＴカット水晶
振動子を用いる場合であれば、その発振周波数の温度特
性は３次関数で近似することができ、それを補償するた
めの関数もまた３次関数で与えられる。このような３次
関数を発生する回路は、半導体集積回路により容易に実
現できる。
【００１０】水晶発振器および水晶振動子の温度特性の
バラツキに対しては、温度補償のための関数の各次数の
係数および定数をＰ−ＲＯＭ（Programable Read Only
Memory、書き込み可能な読出専用メモリ）に格納してお
き、このＰ−ＲＯＭに格納する値を変更することで対応
する。
バラツキに対しては、温度補償のための関数の各次数の
係数および定数をＰ−ＲＯＭ（Programable Read Only
Memory、書き込み可能な読出専用メモリ）に格納してお
き、このＰ−ＲＯＭに格納する値を変更することで対応
する。
【００１１】温度特性のバラツキに対し、非線形関数を
発生する半導体回路の回路素子をレーザトリミングによ
って調整したり、外付けの抵抗を調整することも考えら
れる。しかし、レーザトリミングでは調整装置が大がか
りになり、しかも調整は１度しか行うことができない。
また、外付けの抵抗を調整するものでは、作業の自動化
は難しく、可変抵抗などの形状の大きな部品を用いる必
要がある。したがって、これらは実用的ではない。
発生する半導体回路の回路素子をレーザトリミングによ
って調整したり、外付けの抵抗を調整することも考えら
れる。しかし、レーザトリミングでは調整装置が大がか
りになり、しかも調整は１度しか行うことができない。
また、外付けの抵抗を調整するものでは、作業の自動化
は難しく、可変抵抗などの形状の大きな部品を用いる必
要がある。したがって、これらは実用的ではない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】温度補償のための関数
の各次数の係数および定数を格納するＰ−ＲＯＭとして
は、関数を発生する半導体回路と同一プロセスで同一チ
ップ上に形成することができ、かつチップ面積が小さく
て製造コストが安価であることが望ましい。このような
観点からすると、いったん書き込んだデータを消去して
再びデータを書き込むことができるＰ−ＲＯＭの利用は
困難であり、データの書き込みを１度だけ行うことので
きる、いわゆるワンタイムＰ−ＲＯＭを用いざるを得な
い。
の各次数の係数および定数を格納するＰ−ＲＯＭとして
は、関数を発生する半導体回路と同一プロセスで同一チ
ップ上に形成することができ、かつチップ面積が小さく
て製造コストが安価であることが望ましい。このような
観点からすると、いったん書き込んだデータを消去して
再びデータを書き込むことができるＰ−ＲＯＭの利用は
困難であり、データの書き込みを１度だけ行うことので
きる、いわゆるワンタイムＰ−ＲＯＭを用いざるを得な
い。
【００１３】しかしながら、ワンタイムＰ−ＲＯＭは、
データの書き換えを行うことができないため、発振器を
組み立てた後に充分に温度特性を測定して係数および定
数を書き込むようにしても、必ずしも満足できる温度補
償特性を得られるとは限らない。このため、いったん不
適当なデータを書き込んでしまうと、その発振器は必要
な温度補償特性の得られない不良製品となってしまう。
データの書き換えを行うことができないため、発振器を
組み立てた後に充分に温度特性を測定して係数および定
数を書き込むようにしても、必ずしも満足できる温度補
償特性を得られるとは限らない。このため、いったん不
適当なデータを書き込んでしまうと、その発振器は必要
な温度補償特性の得られない不良製品となってしまう。
【００１４】本発明は、このような課題を解決し、半導
体集積回路を用いて温度補償のための関数を発生し、そ
の関数の係数および定数を発振回路の温度特性に応じて
Ｐ−ＲＯＭに書き込むことにより補償特性の調整が容易
で、しかも正確な温度補償を行うことができる温度補償
水晶発振器を提供することを目的とする。
体集積回路を用いて温度補償のための関数を発生し、そ
の関数の係数および定数を発振回路の温度特性に応じて
Ｐ−ＲＯＭに書き込むことにより補償特性の調整が容易
で、しかも正確な温度補償を行うことができる温度補償
水晶発振器を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の温度補償水晶発
振器は、水晶振動子を用いた水晶発振回路と、この水晶
発振回路に接続され制御電圧の印加により容量が変化し
て水晶発振回路の発振周波数を調整する可変容量素子
と、この可変容量素子に周囲温度に応じた制御電圧を印
加して温度変化による前記水晶発振回路の発振周波数の
変動を補償する温度補償手段とを備えた温度補償水晶発
振器において、温度補償手段は、周囲温度に対して前記
可変容量素子に印加すべき制御電圧が近似されたあらか
じめ定められた次数の非線形関数を発生する関数発生回
路と、この非線形関数の係数および定数を前記水晶発振
回路およびその使用している水晶振動子に対応して記憶
する記憶手段とを含み、この記憶手段は、限られた回数
のデータの書き込みが可能な読出専用メモリと、この読
出専用メモリと切り替えて選択的に利用されるランダム
・アクセス・メモリとを含むことを特徴とする。
振器は、水晶振動子を用いた水晶発振回路と、この水晶
発振回路に接続され制御電圧の印加により容量が変化し
て水晶発振回路の発振周波数を調整する可変容量素子
と、この可変容量素子に周囲温度に応じた制御電圧を印
加して温度変化による前記水晶発振回路の発振周波数の
変動を補償する温度補償手段とを備えた温度補償水晶発
振器において、温度補償手段は、周囲温度に対して前記
可変容量素子に印加すべき制御電圧が近似されたあらか
じめ定められた次数の非線形関数を発生する関数発生回
路と、この非線形関数の係数および定数を前記水晶発振
回路およびその使用している水晶振動子に対応して記憶
する記憶手段とを含み、この記憶手段は、限られた回数
のデータの書き込みが可能な読出専用メモリと、この読
出専用メモリと切り替えて選択的に利用されるランダム
・アクセス・メモリとを含むことを特徴とする。
【００１６】水晶発振回路にＡＴカット水晶振動子を用
いる場合には、非線形関数として３次関数を用いる。
いる場合には、非線形関数として３次関数を用いる。
【００１７】関数発生回路、読出専用メモリおよびラン
ダム・アクセス・メモリを同一チップ上に形成すること
が望ましい。
ダム・アクセス・メモリを同一チップ上に形成すること
が望ましい。
【００１８】この温度補償水晶発振器の特性を最適化す
るには、ランダム・アクセス・メモリに非線形関数の係
数および定数を設定して温度補償水晶発振器の周囲温度
を変化させることにより温度補償特性を測定し、この測
定をランダム・アクセス・メモリに設定する係数および
定数を変化させて繰り返し、この繰り返し測定により得
られた最適値を読出専用メモリに書き込む。
るには、ランダム・アクセス・メモリに非線形関数の係
数および定数を設定して温度補償水晶発振器の周囲温度
を変化させることにより温度補償特性を測定し、この測
定をランダム・アクセス・メモリに設定する係数および
定数を変化させて繰り返し、この繰り返し測定により得
られた最適値を読出専用メモリに書き込む。
【００１９】また、温度変化を繰り返すのではなく、ラ
ンダム・アクセス・メモリに複数組の係数および定数を
設定しておき、１回の温度変化で特性を最適化すること
もできる。すなわち、周囲温度を変化させながら係数お
よび定数の組毎に温度補償水晶発振器の発振周波数を測
定し、この測定結果から数値解析を行って最適な係数お
よび定数を求め、得られた最適な係数および定数を読出
専用メモリに書き込んでもよい。
ンダム・アクセス・メモリに複数組の係数および定数を
設定しておき、１回の温度変化で特性を最適化すること
もできる。すなわち、周囲温度を変化させながら係数お
よび定数の組毎に温度補償水晶発振器の発振周波数を測
定し、この測定結果から数値解析を行って最適な係数お
よび定数を求め、得られた最適な係数および定数を読出
専用メモリに書き込んでもよい。
【００２０】このようにして、水晶発振器が組み立てら
れた後に、温度補償特性の調整を正確に行うことができ
る。本発明の温度補償水晶発振器は、温度センサにより
検出された周囲温度に基づいて温度特性を補償するので
正確な補正が可能であり、アナログ非線形関数を用いる
ので量子ノイズの発生もない。また、ランダム・アクセ
ス・メモリを用いることで温度補償特性の調整を自動化
することができ、限られた回数のデータの書き込みが可
能な読出専用メモリ、特にワンタイムＰ−ＲＯＭを用い
ることで、１チップへの集積化が容易である。
れた後に、温度補償特性の調整を正確に行うことができ
る。本発明の温度補償水晶発振器は、温度センサにより
検出された周囲温度に基づいて温度特性を補償するので
正確な補正が可能であり、アナログ非線形関数を用いる
ので量子ノイズの発生もない。また、ランダム・アクセ
ス・メモリを用いることで温度補償特性の調整を自動化
することができ、限られた回数のデータの書き込みが可
能な読出専用メモリ、特にワンタイムＰ−ＲＯＭを用い
ることで、１チップへの集積化が容易である。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態を示す図
であり、トランジスタを用いたコルピッツ型の水晶発振
回路に本発明を実施した例を示す。
であり、トランジスタを用いたコルピッツ型の水晶発振
回路に本発明を実施した例を示す。
【００２２】この温度補償水晶発振器は、コルピッツ型
の発振回路１と、この発振回路１の入力に接続された水
晶振動子２とを備え、これらが水晶発振回路を構成す
る。ここでは、水晶振動子２としてＡＴ板を用いるもの
とする。水晶発振回路の入力には、水晶振動子２に直列
に、制御電圧の印加により容量が変化してこの水晶発振
回路の発振周波数を調整する可変容量素子３を備える。
この可変容量素子３としては、例えば可変容量ダイオー
ド（バリキャップダイオード）を用いる。この温度補償
水晶発振器はさらに、可変容量素子３に周囲温度に応じ
た制御電圧を印加して温度変化による発振回路１の発振
周波数の変動を補償するため、３次関数発生回路４、温
度センサ５、Ｐ−ＲＯＭ６およびＲＡＭ７を備える。
の発振回路１と、この発振回路１の入力に接続された水
晶振動子２とを備え、これらが水晶発振回路を構成す
る。ここでは、水晶振動子２としてＡＴ板を用いるもの
とする。水晶発振回路の入力には、水晶振動子２に直列
に、制御電圧の印加により容量が変化してこの水晶発振
回路の発振周波数を調整する可変容量素子３を備える。
この可変容量素子３としては、例えば可変容量ダイオー
ド（バリキャップダイオード）を用いる。この温度補償
水晶発振器はさらに、可変容量素子３に周囲温度に応じ
た制御電圧を印加して温度変化による発振回路１の発振
周波数の変動を補償するため、３次関数発生回路４、温
度センサ５、Ｐ−ＲＯＭ６およびＲＡＭ７を備える。
【００２３】３次関数発生回路４は、温度センサ５によ
り検出された周囲温度に対し、Ｐ−ＲＯＭ６またはＲＡ
Ｍ７から与えられる３次関数の各次数の項の係数および
定数に応じた３次関数を発生し、可変容量素子３に制御
信号Ｖc として与える。Ｐ−ＲＯＭ６は、レーザトリミ
ング、ツェナーザッピング、電流トリミング等により１
度だけデータの書き込みが可能ないわゆるワンタイムＰ
−ＲＯＭであり、いったん書き込まれたデータは電源の
供給を断たれても保持される。そして、このＰ−ＲＯＭ
６と並列に、かつこのＰ−ＲＯＭ６と切り替えて選択的
に利用できるように、ＲＡＭ７が設けられる。このＲＡ
Ｍ７はシリアルデータを復調してラッチ回路で固定化し
た出力を取り出す回路であり、Ｉ2 Ｌ技術あるいはＢｉ
−ＣＭＯＳ技術を用いてリニア集積回路により実現でき
る。このＲＡＭ７は、電源が供給されている間はデータ
の書き込みおよび読み出しを任意に行うことができる
が、電源の供給を断たれると書き込んだデータは失われ
てしまう。３次関数発生回路４、Ｐ−ＲＯＭ６およびＲ
ＡＭ７は、コスト、容積等の観点から、同一チップ上に
形成することが望ましい。
り検出された周囲温度に対し、Ｐ−ＲＯＭ６またはＲＡ
Ｍ７から与えられる３次関数の各次数の項の係数および
定数に応じた３次関数を発生し、可変容量素子３に制御
信号Ｖc として与える。Ｐ−ＲＯＭ６は、レーザトリミ
ング、ツェナーザッピング、電流トリミング等により１
度だけデータの書き込みが可能ないわゆるワンタイムＰ
−ＲＯＭであり、いったん書き込まれたデータは電源の
供給を断たれても保持される。そして、このＰ−ＲＯＭ
６と並列に、かつこのＰ−ＲＯＭ６と切り替えて選択的
に利用できるように、ＲＡＭ７が設けられる。このＲＡ
Ｍ７はシリアルデータを復調してラッチ回路で固定化し
た出力を取り出す回路であり、Ｉ2 Ｌ技術あるいはＢｉ
−ＣＭＯＳ技術を用いてリニア集積回路により実現でき
る。このＲＡＭ７は、電源が供給されている間はデータ
の書き込みおよび読み出しを任意に行うことができる
が、電源の供給を断たれると書き込んだデータは失われ
てしまう。３次関数発生回路４、Ｐ−ＲＯＭ６およびＲ
ＡＭ７は、コスト、容積等の観点から、同一チップ上に
形成することが望ましい。
【００２４】図２は温度補償していない水晶発振回路の
周波数温度特性の一例を示す。横軸は温度、縦軸はこの
特性の変曲点の周波数ｆに対する周波数偏移の割合Δｆ
／ｆを示す。この特性は、理想３次曲線で近似すること
ができる。また、その３次曲線の係数および定数に修正
を加えれば、発振周波数そのものを同様の式で表すこと
ができる。一般にＡＴカット水晶振動子を用いた水晶発
振器の発振周波数ｆxは、近似的に周囲温度Ｔの３次関
数により、 ｆx ＝αx（Ｔ−Ｔ0x）3 ＋βx（Ｔ−Ｔ0x）＋γx …（１） と表される。ここで、αx 、βx 、γx は個々のＡＴカ
ット水晶振動子に固有の定数であり、βx は水晶振動子
の切断角度に依存する。また、Ｔ0xは変曲点温度であ
り、通常は２５℃前後である。
周波数温度特性の一例を示す。横軸は温度、縦軸はこの
特性の変曲点の周波数ｆに対する周波数偏移の割合Δｆ
／ｆを示す。この特性は、理想３次曲線で近似すること
ができる。また、その３次曲線の係数および定数に修正
を加えれば、発振周波数そのものを同様の式で表すこと
ができる。一般にＡＴカット水晶振動子を用いた水晶発
振器の発振周波数ｆxは、近似的に周囲温度Ｔの３次関
数により、 ｆx ＝αx（Ｔ−Ｔ0x）3 ＋βx（Ｔ−Ｔ0x）＋γx …（１） と表される。ここで、αx 、βx 、γx は個々のＡＴカ
ット水晶振動子に固有の定数であり、βx は水晶振動子
の切断角度に依存する。また、Ｔ0xは変曲点温度であ
り、通常は２５℃前後である。
【００２５】図３は可変容量素子３に印加する制御電圧
Ｖc に対する発振周波数の変化の割合Δｆ／ｆを示す。
可変容量素子３として可変容量ダイオードを用いた場
合、印加する制御電圧Ｖc に対する発振周波数の関係は
ほぼ直線的である。すなわち、定数Ｆv に対して、発振
周波数の変化Δｆと制御電圧変化ΔＶc との関係は、 Δｆ＝Ｆv ・ΔＶc …（２） で表される。発振周波数が目標周波数ｆ0 となるように
補償するためには、 ｆx ＋Δｆ＝αx（Ｔ−Ｔ0x）3 ＋βx（Ｔ−Ｔ0x）＋γx ＋Ｆv・ΔＶc ＝ｆ0 …（３） の関係が必要である。したがって、必要な補償電圧ΔＶ
c は、周囲温度Ｔの３次関数により、 ΔＶc ＝α（Ｔ−Ｔ0）3 ＋β（Ｔ−Ｔ0）＋γ …（４） と表される。ただし、 α＝−αx／Ｆv、β＝−βx／Ｆv、γ＝−（γx−ｆ0）／Ｆv 、 Ｔ0 ＝Ｔ0x …（５） である。
Ｖc に対する発振周波数の変化の割合Δｆ／ｆを示す。
可変容量素子３として可変容量ダイオードを用いた場
合、印加する制御電圧Ｖc に対する発振周波数の関係は
ほぼ直線的である。すなわち、定数Ｆv に対して、発振
周波数の変化Δｆと制御電圧変化ΔＶc との関係は、 Δｆ＝Ｆv ・ΔＶc …（２） で表される。発振周波数が目標周波数ｆ0 となるように
補償するためには、 ｆx ＋Δｆ＝αx（Ｔ−Ｔ0x）3 ＋βx（Ｔ−Ｔ0x）＋γx ＋Ｆv・ΔＶc ＝ｆ0 …（３） の関係が必要である。したがって、必要な補償電圧ΔＶ
c は、周囲温度Ｔの３次関数により、 ΔＶc ＝α（Ｔ−Ｔ0）3 ＋β（Ｔ−Ｔ0）＋γ …（４） と表される。ただし、 α＝−αx／Ｆv、β＝−βx／Ｆv、γ＝−（γx−ｆ0）／Ｆv 、 Ｔ0 ＝Ｔ0x …（５） である。
【００２６】図４は３次関数発生回路４の出力電圧の温
度特性例を示す。３次関数発生回路４は、周囲温度Ｔに
対して理想３次曲線に近似する電圧を出力する。この電
圧は、 Ｖc ′＝α′(Ｔ−Ｔ0′）3 ＋β′(Ｔ−Ｔ0′）＋γ′ …（６） で表される。この式のα′、β′、γ′、Ｔ0 ′を
（５）式のα、β、γ、Ｔ0に一致させれば、最適な温
度補償が得られる。ただし、３次関数発生回路４は半導
体回路により作られているため、パラメータα′、
β′、γ′、Ｔ0 ′にはバラツキが生じる。また、水晶
振動子２についてもバラツキがあり、特にβx は切断角
度により比較的大きく変化する。そこで、３次関数発生
回路４のパラメータα′、β′、γ′、Ｔ0 ′をＰ−Ｒ
ＯＭ６あるいはＲＡＭ７に書き込み、その値によりバラ
ツキを調整する。
度特性例を示す。３次関数発生回路４は、周囲温度Ｔに
対して理想３次曲線に近似する電圧を出力する。この電
圧は、 Ｖc ′＝α′(Ｔ−Ｔ0′）3 ＋β′(Ｔ−Ｔ0′）＋γ′ …（６） で表される。この式のα′、β′、γ′、Ｔ0 ′を
（５）式のα、β、γ、Ｔ0に一致させれば、最適な温
度補償が得られる。ただし、３次関数発生回路４は半導
体回路により作られているため、パラメータα′、
β′、γ′、Ｔ0 ′にはバラツキが生じる。また、水晶
振動子２についてもバラツキがあり、特にβx は切断角
度により比較的大きく変化する。そこで、３次関数発生
回路４のパラメータα′、β′、γ′、Ｔ0 ′をＰ−Ｒ
ＯＭ６あるいはＲＡＭ７に書き込み、その値によりバラ
ツキを調整する。
【００２７】Ｐ−ＲＯＭ６とＲＡＭ７とは、この温度補
償水晶発振器の動作モードにしたがって切り替えられ
る。この動作モードには、この温度補償水晶発振器の温
度特性を調整するときに用いられるエミュレーションモ
ードと、この温度補償水晶発振器を出荷した後に用いら
れる通常動作モードとがある。エミュレーションモード
では、最適な温度補償が得られる３次関数の係数および
定数（パラメータα′、β′、γ′、Ｔ0 ′）を見出す
ために、ＲＡＭ７に記憶されたデータを用いる。これに
対して通常動作モードでは、あらかじめＰ−ＲＯＭ６に
記憶されたデータを用いる。このデータが最適であれ
ば、最良の温度特性が得られる。
償水晶発振器の動作モードにしたがって切り替えられ
る。この動作モードには、この温度補償水晶発振器の温
度特性を調整するときに用いられるエミュレーションモ
ードと、この温度補償水晶発振器を出荷した後に用いら
れる通常動作モードとがある。エミュレーションモード
では、最適な温度補償が得られる３次関数の係数および
定数（パラメータα′、β′、γ′、Ｔ0 ′）を見出す
ために、ＲＡＭ７に記憶されたデータを用いる。これに
対して通常動作モードでは、あらかじめＰ−ＲＯＭ６に
記憶されたデータを用いる。このデータが最適であれ
ば、最良の温度特性が得られる。
【００２８】Ｐ−ＲＯＭ６へのデータの書き込みは、温
度補償水晶発振器を組み立てた状態で、以下のように行
う。すなわち、組み立てられた温度補償水晶発振器を例
えば恒温槽に入れ、ＲＡＭ７に３次関数の係数および定
数を書き込み、雰囲気温度を変化させて温度補償特性を
測定する。ＲＡＭ７には任意に書き込みおよび読み出し
ができるので、必要とする温度補償特性が得られるま
で、何度でも係数および定数の変更を行うことができ、
その都度、温度補償特性の測定を行う。そして、最適な
係数および定数が得られたら、それらの係数および定数
をＰ−ＲＯＭ６に書き込む。このようにすれば、温度補
償水晶発振器を組み立てた状態で温度補償特性の調整を
行うこときができ、温度特性に影響を与えるすべての要
因を含んで温度補償特性を調整でき、最適な温度補償曲
線を得るための係数および定数を容易に見い出すことが
できる。したがって、正確な温度補償を容易に行うこと
ができ、高性能の製品を安価に提供することができる。
度補償水晶発振器を組み立てた状態で、以下のように行
う。すなわち、組み立てられた温度補償水晶発振器を例
えば恒温槽に入れ、ＲＡＭ７に３次関数の係数および定
数を書き込み、雰囲気温度を変化させて温度補償特性を
測定する。ＲＡＭ７には任意に書き込みおよび読み出し
ができるので、必要とする温度補償特性が得られるま
で、何度でも係数および定数の変更を行うことができ、
その都度、温度補償特性の測定を行う。そして、最適な
係数および定数が得られたら、それらの係数および定数
をＰ−ＲＯＭ６に書き込む。このようにすれば、温度補
償水晶発振器を組み立てた状態で温度補償特性の調整を
行うこときができ、温度特性に影響を与えるすべての要
因を含んで温度補償特性を調整でき、最適な温度補償曲
線を得るための係数および定数を容易に見い出すことが
できる。したがって、正確な温度補償を容易に行うこと
ができ、高性能の製品を安価に提供することができる。
【００２９】すなわち、本実施形態では、目的周波数ｆ
0 を発生させる制御電圧Ｖc および補償回路の出力電圧
Ｖc ′を測定する必要なしに、周波数測定のみで温度特
性の調整が可能である。したがって、従来の間接補償法
のように補償電圧を外部から入出力する端子を設ける必
要がなく、量産性を向上させるための多数個取り基板を
導入する場合に都合がよい。
0 を発生させる制御電圧Ｖc および補償回路の出力電圧
Ｖc ′を測定する必要なしに、周波数測定のみで温度特
性の調整が可能である。したがって、従来の間接補償法
のように補償電圧を外部から入出力する端子を設ける必
要がなく、量産性を向上させるための多数個取り基板を
導入する場合に都合がよい。
【００３０】図５は最適な係数および定数を得るための
作業をコンピュータにより自動化した例を示す。この例
では、温度補償水晶発振器１０を恒温槽１１に入れ、コ
ンピュータ１２から温度補償水晶発振器１０内のＲＡＭ
に３次関数の係数および定数を書き込み、コンピュータ
１２の制御により恒温槽１１内の温度を変化させ、周波
数測定器１３により温度補償水晶発振器１０の発振周波
数を測定する。この構成において、コンピュータ１２
に、ＲＡＭへの係数および定数の書き込み、温度補償特
性の測定、係数および定数の最適化の手順をプログラム
しておくことにより、まったく人手を介することなく自
動化することができる。
作業をコンピュータにより自動化した例を示す。この例
では、温度補償水晶発振器１０を恒温槽１１に入れ、コ
ンピュータ１２から温度補償水晶発振器１０内のＲＡＭ
に３次関数の係数および定数を書き込み、コンピュータ
１２の制御により恒温槽１１内の温度を変化させ、周波
数測定器１３により温度補償水晶発振器１０の発振周波
数を測定する。この構成において、コンピュータ１２
に、ＲＡＭへの係数および定数の書き込み、温度補償特
性の測定、係数および定数の最適化の手順をプログラム
しておくことにより、まったく人手を介することなく自
動化することができる。
【００３１】また、ＲＡＭに非線形関数の係数および定
数を複数組設定し、周囲温度を変化させながら係数およ
び定数の組毎に温度補償水晶発振器１０の発振周波数を
測定し、この測定結果から数値解析を行って最適な係数
および定数の値を求めることもできる。これについて、
式を用いて説明する。
数を複数組設定し、周囲温度を変化させながら係数およ
び定数の組毎に温度補償水晶発振器１０の発振周波数を
測定し、この測定結果から数値解析を行って最適な係数
および定数の値を求めることもできる。これについて、
式を用いて説明する。
【００３２】温度補償水晶発振器１０の発振周波数は、 ｆ＝ｆx＋Ｆv・Ｖc′ ＝αx（Ｔ−Ｔ0x）3 ＋βx（Ｔ−Ｔ0x）＋γx ＋Ｆv ・｛α′(Ｔ−Ｔ0′）3 ＋β′(Ｔ−Ｔ0′）＋γ′｝ …（７） で表される。ここで、 α′＝α0 （１＋Δα） β′＝β0 （１＋Δβ） γ′＝γ0 （１＋Δγ） Ｔ0 ′＝Ｔ00（１＋ΔＴ0 ） と置くと、（７）式は、 ｆ＝ａ1・Δα＋ａ2・ΔαΔＴ＋ａ3・Δα・ΔＴ2 ＋ａ4・Δα・ΔＴ3 ＋ａ5・ΔＴ0 ＋ａ6・ΔＴ0 2 ＋ａ7・ΔＴ0 3 ＋ａ8・Δβ＋ａ9・ΔβΔＴ0 ＋ａ10 …（８） という多項式で表現できる。この式から、一温度点につ
き係数および定数の組（パラメータα′、β′、γ′、
Ｔ0 ′）１０組以上について測定すれば、係数ａ1 〜ａ
10を求めることができる。同様にして、周囲温度４点以
上について係数ａ1 〜ａ10が求められる。このようにし
て、各温度点についての関数がわかり、さらにこの値が
周囲温度については３次関数であることから、４点での
測定値から周囲温度についての関数形も知ることがで
き、逐次近似による数値解析により最適な３次関数の係
数および定数を求めることができる。
き係数および定数の組（パラメータα′、β′、γ′、
Ｔ0 ′）１０組以上について測定すれば、係数ａ1 〜ａ
10を求めることができる。同様にして、周囲温度４点以
上について係数ａ1 〜ａ10が求められる。このようにし
て、各温度点についての関数がわかり、さらにこの値が
周囲温度については３次関数であることから、４点での
測定値から周囲温度についての関数形も知ることがで
き、逐次近似による数値解析により最適な３次関数の係
数および定数を求めることができる。
【００３３】以上の実施形態において、３次関数発生回
路４、Ｐ−ＲＯＭ６、ＲＡＭ７を同一チップ上に形成す
ることが困難な場合は、複数チップまたは複数素子に分
割してもよい。また、発振回路としてコルピッツ型を例
に説明したが、インバータを用いた回路や他の形式の回
路を用いても本発明を同様に実施できる。
路４、Ｐ−ＲＯＭ６、ＲＡＭ７を同一チップ上に形成す
ることが困難な場合は、複数チップまたは複数素子に分
割してもよい。また、発振回路としてコルピッツ型を例
に説明したが、インバータを用いた回路や他の形式の回
路を用いても本発明を同様に実施できる。
【００３４】
【実施例】図６は本発明の実施例を示す図であり、温度
補償水晶発振器の構造の一例を示す。この温度補償水晶
発振器は、ガラスエポキシ基板２１上に、水晶振動子２
２と、３次関数発生回路、Ｐ−ＲＯＭおよびＲＡＭから
なるＬＳＩ２３と、可変容量ダイオード、抵抗、コンデ
ンサおよび温度センサとが搭載され、これらがカバー２
４内に収められる。３次関数発生回路の発生する３次関
数の係数および定数については、水晶振動子２２とＬＳ
Ｉ２３とのバラツキを調整するように、その調整範囲
を、 α＝−０．７〜−１．４μＶ／℃3 、４ビット β＝０〜９ｍＶ／℃、６ビット γ＝０．７〜１．９Ｖ、８ビット Ｔ0 ＝９〜４６℃、５ビット とした。ここで、ビット数は、周囲温度−３０℃〜＋８
０℃において＋−１．５ｐｐｍを満たすように決定し
た。
補償水晶発振器の構造の一例を示す。この温度補償水晶
発振器は、ガラスエポキシ基板２１上に、水晶振動子２
２と、３次関数発生回路、Ｐ−ＲＯＭおよびＲＡＭから
なるＬＳＩ２３と、可変容量ダイオード、抵抗、コンデ
ンサおよび温度センサとが搭載され、これらがカバー２
４内に収められる。３次関数発生回路の発生する３次関
数の係数および定数については、水晶振動子２２とＬＳ
Ｉ２３とのバラツキを調整するように、その調整範囲
を、 α＝−０．７〜−１．４μＶ／℃3 、４ビット β＝０〜９ｍＶ／℃、６ビット γ＝０．７〜１．９Ｖ、８ビット Ｔ0 ＝９〜４６℃、５ビット とした。ここで、ビット数は、周囲温度−３０℃〜＋８
０℃において＋−１．５ｐｐｍを満たすように決定し
た。
【００３５】また、量産性を高めるために、温度補償水
晶発振器を１個ずつ作るのではなく、１枚のガラスエポ
キシ基板上に２０個分の温度補償水晶発振器部品を搭載
し、組立、調整、封止、調整および検査まで一括して行
った。すなわち、最適パラメータをＰ−ＲＯＭに書き込
んで温度特性検査を行うまで一括して処理し、その後に
各温度補償水晶発振器に分割して最終検査を行った。
晶発振器を１個ずつ作るのではなく、１枚のガラスエポ
キシ基板上に２０個分の温度補償水晶発振器部品を搭載
し、組立、調整、封止、調整および検査まで一括して行
った。すなわち、最適パラメータをＰ−ＲＯＭに書き込
んで温度特性検査を行うまで一括して処理し、その後に
各温度補償水晶発振器に分割して最終検査を行った。
【００３６】図７ないし図１１は試作した温度補償水晶
発振器の特性例を示す。図７は１３ＭＨｚにおける周波
数温度特性の代表例であり、従来のものと比較すると広
い温度範囲で良好な特性が得られている。図８は周波数
電源電圧特性を示す。広い範囲にわたって周波数が安定
していることがわかる。図９は消費電源電圧特性、図１
０は出力波形、図１１は位相ノイズ特性を示す。
発振器の特性例を示す。図７は１３ＭＨｚにおける周波
数温度特性の代表例であり、従来のものと比較すると広
い温度範囲で良好な特性が得られている。図８は周波数
電源電圧特性を示す。広い範囲にわたって周波数が安定
していることがわかる。図９は消費電源電圧特性、図１
０は出力波形、図１１は位相ノイズ特性を示す。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
水晶発振器が組み立てられた後に、温度補償特性の調整
を正確に行うことができる。本発明の温度補償水晶発振
器は、温度センサにより検出された周囲温度に基づいて
温度特性を補償するので正確な補正が可能であり、アナ
ログ非線形関数を用いるので量子ノイズの発生もない。
また、ＲＡＭを用いることで温度補償特性の調整を自動
化することができ、限られた回数のデータの書き込みが
可能な読出専用メモリ、特にワンタイムＰ−ＲＯＭを用
いることで、１チップへの集積化が容易である。したが
って、小型かつ軽量で高信頼性かつ高精度の温度補償水
晶発振器を安価に量産できる効果がある。
水晶発振器が組み立てられた後に、温度補償特性の調整
を正確に行うことができる。本発明の温度補償水晶発振
器は、温度センサにより検出された周囲温度に基づいて
温度特性を補償するので正確な補正が可能であり、アナ
ログ非線形関数を用いるので量子ノイズの発生もない。
また、ＲＡＭを用いることで温度補償特性の調整を自動
化することができ、限られた回数のデータの書き込みが
可能な読出専用メモリ、特にワンタイムＰ−ＲＯＭを用
いることで、１チップへの集積化が容易である。したが
って、小型かつ軽量で高信頼性かつ高精度の温度補償水
晶発振器を安価に量産できる効果がある。
【図１】本発明の実施形態を示す図。
【図２】温度補償していない水晶発振回路の周波数温度
特性の一例を示す図。
特性の一例を示す図。
【図３】可変容量素子に印加する制御電圧Ｖc に対する
発振周波数の変化の割合Δｆ／ｆを示す図。
発振周波数の変化の割合Δｆ／ｆを示す図。
【図４】３次関数発生回路の出力電圧の温度特性例を示
す図。
す図。
【図５】最適な係数および定数を得るための作業をコン
ピュータにより自動化した例を示す図。
ピュータにより自動化した例を示す図。
【図６】本発明の実施例を示す図であり、温度補償水晶
発振器の構造の一例を示す図。
発振器の構造の一例を示す図。
【図７】試作した温度補償水晶発振器の１３ＭＨｚにお
ける周波数温度特性を示す図。
ける周波数温度特性を示す図。
【図８】試作した温度補償水晶発振器の周波数電源電圧
特性を示す図。
特性を示す図。
【図９】試作した温度補償水晶発振器の消費電源電圧特
性を示す図。
性を示す図。
【図１０】試作した温度補償水晶発振器の出力波形を示
す図。
す図。
【図１１】試作した温度補償水晶発振器の位相ノイズ特
性を示す図。
性を示す図。
１ 発振回路 ２ 水晶振動子 ３ 可変容量素子 ４ ３次関数発生回路 ５ 温度センサ ６ Ｐ−ＲＯＭ ７ ＲＡＭ １０ 温度補償水晶発振器 １１ 恒温槽 １２ コンピュータ １３ 周波数測定器 ２１ ガラスエポキシ基板 ２２ 水晶振動子 ２３ ＬＳＩ ２４ カバー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 誠 埼玉県狭山市大字上広瀬1275番地の２ 日本電波工業株式会社 狭山事業所内 (72)発明者 松波 太郎 埼玉県狭山市大字上広瀬1275番地の２ 日本電波工業株式会社 狭山事業所内 (72)発明者 渋谷 修寿 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 竹内 久人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−155312（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−273546（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−226103（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−21720（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−202719（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−198807（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H03B 5/32
Claims (5)
- 【請求項１】 水晶振動子を用いた水晶発振回路と、 この水晶発振回路に接続され制御電圧の印加により容量
が変化して前記水晶発振回路の発振周波数を調整する可
変容量素子と、 この可変容量素子に周囲温度に応じた制御電圧を印加し
て温度変化による前記水晶発振回路の発振周波数の変動
を補償する温度補償手段とを備えた温度補償水晶発振器
において、 前記温度補償手段は、 温度センサにより検出された周囲温度に対して前記可変
容量素子に印加すべき制御電圧が近似された非線形関数
を発生する関数発生回路と、 この非線形関数の係数および定数を前記水晶発振回路お
よびその使用している水晶振動子に対応して記憶する記
憶手段とを含み、 この記憶手段は、温度特性を調整するときに用いられ、前記非線形関数の
係数および定数が繰り返しまたは複数組設定されるラン
ダム・アクセス・メモリと、 限られた回数のデータが書き込み可能であり、前記ラン
ダム・アクセス・メモリに設定された値を用いて行われ
た測定により得られた最適な係数および定数が書き込ま
れる読出専用メモリと を含むことを特徴とする温度補償
水晶発振器。 - 【請求項２】 前記水晶発振回路に用いられる水晶振動
子はＡＴ板であり、前記非線形関数は３次関数である請
求項１記載の温度補償水晶発振器。 - 【請求項３】 前記関数発生回路、前記読出専用メモリ
および前記ランダム・アクセス・メモリが同一チップ上
に形成された請求項１記載の温度補償水晶発振器。 - 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか記載の温度
補償水晶発振器の特性を最適化する方法において、 前記ランダム・アクセス・メモリに前記非線形関数の係
数および定数を設定して前記温度補償水晶発振器の周囲
温度を変化させることにより温度補償特性を測定し、 この測定を前記ランダム・アクセス・メモリに設定する
係数および定数を変化させて繰り返し、 この繰り返し測定により得られた最適値を前記読出専用
メモリに書き込むことを特徴とする温度補償水晶発振器
の特性最適化方法。 - 【請求項５】 請求項１ないし３のいずれか記載の温度
補償水晶発振器の特性を最適化する方法において、 前記ランダム・アクセス・メモリに前記非線形関数の係
数および定数を複数組設定し、 周囲温度を変化させながら前記係数および定数の組毎に
前記温度補償水晶発振器の発振周波数を測定し、 この測定結果から数値解析を行って最適な係数および定
数を求め、 得られた最適な係数および定数を前記読出専用メモリに
書き込むことを特徴とする温度補償水晶発振器の特性最
適化方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20238196A JP3310550B2 (ja) | 1996-01-23 | 1996-07-31 | 温度補償水晶発振器およびその特性最適化方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP949296 | 1996-01-23 | ||
| JP8-9492 | 1996-01-23 | ||
| JP20238196A JP3310550B2 (ja) | 1996-01-23 | 1996-07-31 | 温度補償水晶発振器およびその特性最適化方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09266409A JPH09266409A (ja) | 1997-10-07 |
| JP3310550B2 true JP3310550B2 (ja) | 2002-08-05 |
Family
ID=26344236
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20238196A Expired - Lifetime JP3310550B2 (ja) | 1996-01-23 | 1996-07-31 | 温度補償水晶発振器およびその特性最適化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3310550B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7253695B2 (en) | 2003-10-27 | 2007-08-07 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Function generating circuit and temperature characteristic controlling method for function generating circuit |
| JP2008028800A (ja) * | 2006-07-24 | 2008-02-07 | Epson Toyocom Corp | システム回路及びその設定方法 |
| JP2008113383A (ja) * | 2006-10-31 | 2008-05-15 | Kyocera Kinseki Corp | 温度補償型圧電発振器の検査方法 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1580891A3 (en) | 1997-07-11 | 2006-06-07 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Function generator |
| DE60142055D1 (de) * | 2000-08-31 | 2010-06-17 | Citizen Holdings Co Ltd | Temperaturkompensationsoszillator |
| JP4895690B2 (ja) | 2006-06-01 | 2012-03-14 | パナソニック株式会社 | 関数生成回路 |
| KR100966745B1 (ko) * | 2009-06-16 | 2010-06-29 | 엔셋주식회사 | 항온조 제어 수정 발진기 및 그 구동 방법 |
| CN106685413A (zh) * | 2017-02-27 | 2017-05-17 | 上海鸿晔电子科技股份有限公司 | 自寻拐点式恒温晶体振荡器 |
| CN114928355B (zh) * | 2022-07-20 | 2022-10-28 | 广东大普通信技术股份有限公司 | 基于晶体振荡器的电压补偿方法、装置、设备及存储介质 |
-
1996
- 1996-07-31 JP JP20238196A patent/JP3310550B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7253695B2 (en) | 2003-10-27 | 2007-08-07 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Function generating circuit and temperature characteristic controlling method for function generating circuit |
| JP2008028800A (ja) * | 2006-07-24 | 2008-02-07 | Epson Toyocom Corp | システム回路及びその設定方法 |
| JP2008113383A (ja) * | 2006-10-31 | 2008-05-15 | Kyocera Kinseki Corp | 温度補償型圧電発振器の検査方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09266409A (ja) | 1997-10-07 |
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