JP3577244B2 - 電圧制御型の水晶発振器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水晶発振器を利用分野とし、特に電圧制御による温度補償型の水晶発振器（温度補償発振器とする）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）温度補償発振器は、携帯電話等の動的環境下での使用が頻繁な電子機器に周波数及び時間の基準源として、広く知られている。近年では、小型化・低廉化は勿論として、位相雑音等の電気的特性の向上が求められている。
【０００３】
（従来技術の一例）第４図はこの種の一従来例を説明する電圧制御による温度補償発振器の回路ブロック図である。
温度補償発振器は、水晶振動子１を有する発振回路２と、水晶振動子１に接続した電圧可変容量素子としての可変容量ダイオード３と、補償電圧発生回路４とからなる。なお、図中の符号ＶＣＣは電圧源であり、ＶＯＵＴは発振出力である。水晶振動子１は例えばＡＴカットとし、周波数温度特性（温度特性とする）を周波数偏差Δｆ／ｆで示したように３次曲線とする（第５図曲線イ）。
【０００４】
発振回路２は例えばコルピッツ型として、水晶振動子１に起因した温度特性となる。可変容量ダイオード３は、逆方向電圧を印加されて端子間の容量が変化する。補償電圧発生回路４は、水晶振動子１とは逆特性となる３次曲線の補償電圧Ｖｃ（第５図曲線ロ）を発生し、高周波阻止抵抗５を経て可変容量ダイオード３に印加する。
【０００５】
このようなものでは、水晶振動子１（水晶発振器）の温度特性に応答した補償電圧によって可変容量ダイオード３の容量が変化する。したがって、水晶振動子１から見た回路側の直列容量（負荷容量）も変化するので、水晶振動子１の温度特性による周波数変化を相殺して温度補償する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の温度補償発振器では、定電圧源等を使用して三次曲線となる補償電圧（直流電圧）を生成するが、全くの直流成分のみとはならず、交流成分となる雑音を含み、これによって位相雑音特性を悪化させる問題があった。
【０００７】
このことから、第６図に示したようにコンデンサ６と抵抗７からなるローパスフィルタ８を用いて、交流成分（雑音成分）を除去することが考えられた。しかし、この場合には、水晶発振器の起動時に、コンデンサ６と抵抗７の時定数により、中点Ａでの電位が補償電圧に安定するまで時間がかかる。したがって、水晶発振器の起動特性を悪化させる問題を生ずる。
【０００８】
そこで、本発明者等はローパスフィルタ８の抵抗７に、発振器の起動時に抵抗７の端子間を短絡して瞬時に開放するスイッチング素子９を並列に設ける提案をした（第６図、特願平１０−３７７０５２号及び同１１−４３２６２号）。このようにすれば、後述するように発振器の起動時には、スイッチング素子９により、補償電圧はローパスフィルタ８のコンデンサ６に高速（瞬時）に充電される。したがって、コンデンサ６と抵抗７の中点Ａにおける電位を補償電圧と同電位にするので、起動特性を良好にする。
【０００９】
一方、近年では、一層の小型化により、ローパスフィルタ８のコンデンサ６は誘電率の高い材料からなるセラミックコンデンサを使う必要に迫られている。しかし、このようなものでは、第７図の等価回路に示したように、コンデンサの公称容量１７の他に誘電緩和現象により、寄生抵抗１８及び寄生容量１９が発生する。そして、これらの寄生素子１８、１９によって、端子間の電位が安定するまで時間がかかる（要するに時定数が大きい）。したがって、起動遅延を招く。これに対し、ポリスチレン等を用いた誘電率の小さい材料からなるフィルムコンデンサは時定数が小さく、電位の安定は早くて起動遅延を防止する。しかし、素子が大きく小型化には適さない問題があった。
【００１０】
ちなみに、ローパスフィルタ８のカットオフ周波数を８Ｈｚとし、ＬＳＩ内にローパスフィルタ８を形成しようとすると、寸法的制約から抵抗７は数ＭΩまでしかできない。例えば抵抗７を２ＭΩとすると、コンデンサ６は１００００ｐＦの容量が必要となる。したがって、コンデンサ６はＬＳＩ内には形成できず、ディスクリートとして外付となる。
【００１１】
なお、このときの、セラミックコンデンサの寄生抵抗１８は約１００ＭΩ、寄生容量１９は約５００ｐＦになる。したがって、前述のように時定数が大きくなって、セラミックコンデンサの電位が安定するには時間がかかり、起動特性に遅延を生ずる。
【００１２】
そして、１００００ｐＦを得るチップ型のフィルムコンデンサは、最も小さいものでも２．０（長さ）×１．２５（幅）×１．０（厚み）ｍｍである。これに対し、セラミックコンデンサは０．６×０．３×０．３ｍｍであり、容積比で１／４６となる。したがって、小型化の進む特に携帯電話などでは、セラミックコンデンサは有用となる。
【００１３】
（発明の目的）本発明は、位相雑音を軽減し、しかも起動特性を良好として小型化を促進する温度補償発振器を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、周波数制御電圧の入力端と電圧可変容量素子との間にコンデンサと抵抗からなるローパスフィルタを挿入し、発振器起動時に抵抗の端子間を短絡して開放するスイッチング素子を設け、ローパスフィルタのコンデンサに半導体の順方向降下電圧を印加し、ローパスフィルタのコンデンサの基準温度時における両端電圧を同電位に設定したことを基本的な解決手段とする。
【００１５】
【作用】
本発明では、ローパスフィルタ及びスイッチング素子によって、位相雑音及び起動特性を良好とし、さらにローパスフィルタのコンデンサの基準温度における両端を同電位にしたので、コンデンサ自体による起動遅延を防止する。そして、コンデンサには半導体の順方向降下電圧を印加したので、電源電圧中の雑音を排除する。以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１６】
【実施例】
第１図は、本発明の一実施例を説明する温度補償発振器の回路ブロック図である。なお、前従来例図と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
温度補償発振器は、前述同様に水晶振動子１を有して温度特性を３次曲線とした発振回路２、発振回路２の負荷容量を変化させる可変容量ダイオード３、発振回路２からの高周波を阻止する高周波阻止抵抗５及び可変容量ダイオード３に補償電圧を印加する補償電圧発生回路４、及び補償電圧発生回路４と高周波阻止抵抗５との間に設けた前述のスイッチング素子９を有するローパスフィルタ８とからなる。
【００１７】
そして、この実施例では、ローパスフィルタ８は、抵抗７の一端を補償電圧発生回路４の出力端に接続し、直列接続したコンデンサ６と抵抗７の接続点（中点Ａ）を高周波阻止抵抗５に接続する。なお、抵抗７はＬＳＩ中に形成され、コンデンサ６は誘電率の高いチップ型のセラミックコンデンサからなる。
【００１８】
コンデンサ６の他端は、一端がアース接地した分割抵抗１４（ａｂ）の中点Ｂに接続する。分割抵抗１４（ａｂ）の中点Ｂは、コンデンサ６と抵抗７の中点Ａの電圧と同電位に設定される。但し、中点Ａでの電圧は温度に伴う補償電圧によって変化するので、ここでは公称周波数を得る基準温度（通常では常温２５℃）での値とする。一般には、常温における中点Ａの電圧は１．２Ｖ程度あり、温度変化によって約±０．１Ｖの電圧が付加され、これにより温度補償する。
【００１９】
分割抵抗１４（ａｂ）の他端は、電圧生成源２０に接続する。電圧生成源２０は、電源Ｖｃｃとアースとの間に抵抗２１とカソード接地のダイオード２２（ａｂ）とを直列に接続する。ここでのダイオード２２（ａｂ）は２個直列接続する。そして、抵抗２１とダイオード２２（ａｂ）の中点Ｃに分割抵抗１４（ａｂ）の他端を接続してなる。そして、電源Ｖｃｃからの抵抗２１を経ての電流によって中点Ｃにダイオード２２（ａｂ）の各順方向降下電圧（０．７Ｖ）の和となる１．４Ｖを得る。
【００２０】
スイッチング素子９は、例えば第２図に示したように、ＣＭＯＳアナログスイッチ９ａを用い、その制御端子Ｘはコンパレータ１０の出力に接続する。コンパレータ１０のマイナス入力は抵抗１１とコンデンサ１２からなる時定数回路の接続点（中点）に接続し、プラス入力は基準電圧１３に接続する。
【００２１】
そして、ＣＭＯＳアナログスイッチ９ａの入出力端子ＹＺをローパスフィルタ８の抵抗７の端子間に接続する。このようなものでは、抵抗１１とコンデンサ１２の時定数等によって、電源投入時にＹＺ間が導通状態（ＯＮ抵抗）となり、その直後に遮断状態となる。
【００２２】
このような構成であれば、水晶発振器の起動時以降の動作状態においては、前述したようにローパスフィルタ８によって補償電圧の交流成分（雑音成分）は除去される。したがって、位相雑音特性を良好にする。
【００２３】
また、水晶発振器の起動時には、スイッチング素子９としてのＣＭＯＳアナログロスイッチ９ａのＯＮ抵抗によって、ローパスフィルタ８の抵抗７が短絡される。したがって、補償電圧発生回路４からの補償電圧の直流成分はローパスフィルタ８のコンデンサ６に急速充電され、中点Ａの電位を補償電圧と瞬時にして同電位にする。したがって、起動特性を良好にする。
【００２４】
さらに、コンデンサ６は両端の常温時の電圧が同電位に設定されるので、常温での起動時にはコンデンサ自体に時定数があっても、両端子間での電荷の移動がない。したがって、起動時における中点Ａでの電圧は、補償電圧（１．２Ｖ）がそのまま維持される。したがって、コンデンサ６による起動遅延を防止する。また、常温以外の起動であっても、常温での補償電圧（１．２Ｖ）に対して、両端子間の最大での電位差は約±０．１Ｖであり、常温時に対する起動遅延の変化は極めて小さい。
【００２５】
ちなみに、このようなものでは、起動時（常温）から発振周波数が安定するまでの時間は約３ｍｓｅｃであり、従来の約８４ｍｓｅｃに比較して大幅に改善できた。但し、安定周波数は、公称周波数の±０．１ｐｐｍ以内の周波数である。
【００２６】
また、フィルムコンデンサを使用したときの発振器の大きさは９×７×２ｍｍが最小限度であったが、セラミックコンデンサを使用することにより５×３．２×１．５ｍｍを実現でき、大幅な小型化が可能となった。
【００２７】
さらに、この実施例では、電圧生成源２０はダイオード２２（ａｂ）の順方向降下電圧（０．７Ｖ×２）を使用して、分割抵抗１４（ａｂ）に印加する。したがって、例えば分割抵抗１４（ａｂ）に電源Ｖｃｃからの電圧を直接に印加した場合に比較して位相ノイズを軽減する。
【００２８】
すなわち、電源Ｖｃｃからの電圧は雑音成分が多く含まれるため、中点Ｂでの分圧された電圧中にも同様に雑音を含む。これに対して、本実施例では、雑音成分はダイオード２２（ａｂ）と抵抗２１との分圧により非常に小さくなり、ダイオード２２（ａｂ）の順方向降下電圧のみが中点Ｃに得られる。なお、ダイオード２２（ａｂ）の抵抗値は抵抗２１に比較して極めて小さい。したがって、中点Ｃでの電圧中には雑音成分が除去されるので、位相雑音特性を良好に維持できる。
【００２９】
【他の事項】
上記実施例では、可変容量ダイオード３には補償電圧のみを印加したが、自動周波数制御（ＡＦＣ）回路等による周波数制御電圧ＶＦを例えばアノード側に印加してもよい（第３図）。但し、直流阻止のコンデンサ１６をアース側に接続する。
【００３０】
また、電圧生成源２０による順方向降下電圧は分割抵抗１４（ａｂ）を経て印加したが、例えばコンデンサ６の両端電圧を１．４Ｖ等の同電位にする場合には、分割抵抗１４（ａｂ）は除去して直接に印加すればよい。
【００３１】
また、電圧可変容量素子は可変容量ダイオード３としたが、電圧に対して実質的に容量が変化する半導体素子であれば適用できる。また、温度補償発振器として説明したが、補償電圧に対応する周波数制御電圧を印加して発振周波数を制御する電圧制御型の水晶発振器にも適用できる。
【００３２】
また、スイッチング素子９はＣＭＯＳアナログスイッチ９ａを適用したが、これ以外の半導体素子を用いてもよく、要は電源投入時には導通状態としてその後に遮断状態するスイッチであればよい。また、中点Ｂの電位は分割抵抗１４（ａｂ）によって形成したが、例えばオペアンプを用いた低出力インピーダンスの定電圧源であってもよくその手段は任意である。
【００３３】
また、電圧生成源２０はダイオード２２（ａｂ）を２個直列接続して１．４Ｖを得たが、分割抵抗１４（ａｂ）の中点Ｂの電圧に基づき、必要に応じて個数及び電圧を設定できる。また、ダイオード２２の順方向降下電圧としたが、要は半導体のＰＮ接合部分の順方向降下電圧を使用すればよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、周波数制御電圧の入力端と電圧可変容量素子との間にコンデンサと抵抗からなるローパスフィルタを挿入し、発振器起動時に抵抗の端子間を短絡して開放するスイッチング素子を設け、ローパスフィルタのコンデンサに分割抵抗を接続して半導体の順方向降下電圧を印加し、ローパスフィルタのコンデンサの基準温度時における両端電圧を同電位に設定したので、位相雑音を軽減し、しかも起動特性を良好として小型化を促進する温度補償発振器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明する温度補償発振器のブロック回路図である。
【図２】本発明の一実施例を説明するスイッチング素子の図である。
【図３】本発明のさらに他の実施例を説明する温度補償発振器のブロック回路図である。
【図４】従来例を説明する温度補償発振器のブロック回路図である。
【図５】従来例を説明する水晶振動子（水晶発振器）温度特性及び補償電圧特性図である。
【図６】本出願人が先に提案した温度補償発振器のブロック回路図である。
【図７】従来例を説明するコンデンサの等価的な回路図である。
【符号の説明】
１ 水晶振動子、２ 発振回路、３ 可変容量ダイオード、４ 補償電圧発生回路、５ 高周波阻止抵抗、６、１２、１６ コンデンサ、７ 抵抗、８ ローパスフィルタ、９ スイッチング素子、１０ コンパレータ、１１、２１ 抵抗、１３ 基準電圧、１４（ａｂ） 分割抵抗、１７ 公称容量、１８、寄生抵抗、１９ 寄生容量、２０ 電圧生成源、２２ ダイオード．

Claims (2)

1. 電圧可変容量素子を水晶振動子に接続して、前記電圧可変容量素子に周波数制御電圧を印加してなる電圧制御型の水晶発振器において、前記周波数制御電圧の入力端と前記電圧可変容量素子との間にコンデンサと抵抗からなるローパスフィルタを挿入して、発振器起動時に前記抵抗の端子間を短絡して開放するスイッチング素子を設けるとともに、前記ローパスフィルタのコンデンサに半導体の順方向降下電圧を印加し、前記ローパスフィルタのコンデンサの基準温度時における両端電圧を同電位に設定したことを特徴とする電圧制御型の水晶発振器。
2. 請求項１において、前記順方向降下電圧は分割抵抗を経て前記コンデンサに印加したことを特徴とする電圧制御型の水晶発振器。

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