JP4223268B2

JP4223268B2 - 非線形関数発生回路及びこれを用いた温度補償発振器

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Publication number: JP4223268B2
Application number: JP2002335451A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　　誠
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: JP2004172877A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非線形関数発生回路を産業上の技術分野とし、特に水晶発振器の三次関数となる周波数温度特性の補償に適した三次関数発生回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）水晶発振器は周波数及び時間の基準源として、電子機器に広く採用される。この中でも、水晶発振器の周波数温度特性を補償した温度補償発振器は温度変化の大きい環境下で使用される特に携帯型の通信機器に適用される。このようなものの一つに、水晶発振器の周波数温度特性に応答して補償電圧を発生し、周波数温度特性を補償する三次関数発生回路がある。
【０００３】
（従来技術の一例）第１０図は温度補償発振器の概略的なブロック図である。
温度補償発振器は電圧制御発振器１と補償電圧発生回路２とからなる。電圧制御発振器１は水晶振動子３を含む発振回路４と、発振閉ループＰ内に挿入されて水晶振動子３に直列に接続した電圧可変容量素子５からなる。図中の符号６は高周波阻止抵抗、Ｖccは電源電圧、Ｖregは定電圧である。
【０００４】
発振回路４は、第１１図の曲線イに示すようにＡＴカットとした水晶振動子３に起因した周波数温度特性を有する。周波数温度特性即ち温度に依存して変化する発振周波数ｆ(T)は、常温約２５℃近傍に変曲点を有する三次関数となり、次式（１）に近似する。但しｆ0は常温２５℃での発振周波数、Ｔは周囲温度、ａ及びｂは周波数温度特性に応じた３次及び１次関数項の係数である。なお、（１）式を３次関数項、１次関数項及び定数項毎に図示すると第１２図の曲線ａｂｃとなり、これらを合成（加算）すると周波数温度特性の三次曲線イになる。
ｆ(T)＝ａ（Ｔ−25）³ｆ0＋ｂ（Ｔ−25）ｆ0＋ｆ0・・・・（１）
【０００５】
補償電圧発生回路２は三次関数発生回路を備えて、周波数温度特性とは逆特性となる補償電圧Ｖc(T)を発生し（前第１１図の曲線ロ）、電圧可変容量素子５に印加する。これにより、電圧可変容量素子５の容量が変化して水晶振動子から見た負荷容量も変化し、発振回路４の周波数温度特性を相殺して温度補償する。
【０００６】
三次関数発生回路７は、第１３図に示したように、基本的には（２）式に対応して、三次関数項、一次関数項及び定数項発生部７（ａｂｃ）からなり、これらを合成回路８によって合成して補償電圧Ｖc(T)を得る。
Ｖc(T)＝Ａ（Ｔ−25）³＋Ｂ（Ｔ-25）＋Ｖco・・・・（２）
【０００７】
三次及び一次関数項発生部７（ａｂ）は、周囲温度に応答した温度センサ９からの温度検出電圧に基づいて前述した三次及び一次関数項の曲線（ａｂ）とは逆関数とする補償電圧Ｖca、Ｖcbを発生する（第１４図）。定数項発生部７ｃは発振回路４の公称周波数（常温時の発振周波数）ｆ0を決定する基準電圧Ｖcoを供給する。
【０００８】
三次関数項発生部７ａは、後述するように一般には常温２５℃近傍を基準として独立的に動作する高温部と低温部三次発生部からなる。一次関数項発生部７ｂは直線的に増加する温度検出電圧を例えば差動増幅器等によって増幅して生成される。
【０００９】
【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、上記構成の三次関数発生回路では、高温部及び低温部三次発生部ともに三次関数項の係数Ａを変化させて、温度電圧特性を調整する。したがって、高温部及び低温部の温度電圧特性は全体的に変化するので、部分的な調整が困難な問題があった。
【００１０】
また、水晶振動子３（水晶発振器）の周波数温度特性は完全な三次曲線とはならず、切断角度のずれ等によって完全な三次曲線から微妙に変化する。そして、変化の割合は温度範囲が広いほど大きくなる。したがって、部分的な調整を必要とする。
【００１１】
（発明の目的）本発明は温度電圧特性の調整を容易にした非線形発生回路及びこれを用いた温度補償発振器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（着目点）本発明はカレントミラー回路の出力特性に着目した。カレントミラー回路は基準電流源と対称電流源からなる。基準電流源は、ベースに直結した第１トランジスタのコレクタを負荷抵抗を経て第１電源に接続してエミッタを基準電位に接地する。対称電流源は第２トランジスタのコレクタを負荷抵抗を経て第２電源に接続してエミッタを接地する。そして、基準電流源と対称電流源とのベースを共通接続する。
【００１３】
このようなものでは、第１と第２トランジスタのエミッタと基準電位との間にオフセット電圧を設けると、対称電流源の第２電源電圧に対する電流特性は遅れて起動する。本発明はこの点に着目した。
【００１４】
（解決手段）本発明の請求項１では、第１トランジスタと第２トランジスタのベース同士が共通接続するとともに各エミッタが共通接続されて基準電位に接地し、前記第１と第２トランジスタのコレクタが負荷抵抗を経て第１と第２電源に接続して、前記第１トランジスタのコレクタとベースが直結した基準電流源と対称電流源からなるカレントミラー回路を備え、前記カレントミラー回路は複数からなるとともに前記複数のカレントミラー回路は前記第１と第２トランジスタのコレクタが前記第１と第２電源とを共通として並列接続され、前記複数のカレントミラー回路は前記エミッタと前記基準電位との間の０電圧を含むオフセット電圧を異ならせ、前記第１電源としての温度センサからの温度検出電圧に対する非線形となる合成出力電流を、前記複数のカレントミラー回路の前記第２電源に並列接続した前記第２トランジスタのコレクタから得た構成とする。これにより、複数のカレントミラー回路のオフセット電圧を可変することにより、第２電源電圧に対する出力電流特性を部分的に制御できる。
【００１５】
請求項２では、前記複数のカレントミラー回路の少なくとも一つは前記基準電流源に対してスイッチングによって並列に接続する複数の前記対称電流源を設けた構成とする。これにより、出力電流特性を更に制御できる。
【００１６】
請求項３では、前記非線形関数は三次関数の三次関数項とする。これにより、周知の一次関数項及び定数項発生回路とともに三次関数を発生できる。
【００１７】
請求項４では、少なくとも請求項１の非線形発生回路を用いて、前記温度検出電圧に応じた補償電圧を生成し、前記補償電圧を発振閉ループ内の水晶振動子に直列に接続した電圧可変容量素子に印加し、前記発振回路の周波数温度特性を補償した構成とする。これにより、発振回路の周波数温度特性に応じて部分的な調整を可能にする。以下本発明の一実施例を温度補償発振器を例として説明する。
【００１８】
【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特に三次関数項発生部のブロック図である。なお、前従来例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。
【００１９】
温度補償発振器は、前述したように発振閉ループに水晶振動子３及び電圧可変容量素子５を有する電圧制御発振器と、三次関数項、一次関数項及び定数項発生部７（ａｂｃ）からなる三次関数発生回路７を有する補償電圧発生回路２を備えてなる（前第１０図及び第１３図参照）。なお、一次関数項及び定数項発生部７（ｂｃ）は周知なのでその説明は省略する。
【００２０】
三次関数項発生部７ａは温度センサ９からの温度検出電圧Ｖc1を受けて常温２５℃以上で動作する高温部三次関数項発生部（高温部三次発生部とする）１０と、温度検出電圧Ｖc1を反転した温度検出反転電圧Ｖc1rを受けて常温２５℃以下で動作する低温部三次関数項発生部（低温部三次関数発生部とする）１１とからなる。温度検出電圧Ｖc1は、第２図に示したように例えば温度に対して一次関数的に増加する電圧とし、温度検出反転電圧Ｖc1rは反転回路１２を経て一次関数的に減少する電圧とする。
【００２１】
ここでは、温度補償範囲を例えば常温２５℃を中心として高温側を＋８０℃、低温側を−３０℃とする。そして、温度センサ９による温度検出電圧Ｖc1を常温２５℃ではＶ25、＋８０℃ではＶ80、−３０℃ではＶ-30とする。
【００２２】
高温部及び低温部三次発生部１０、１１は、第３図に示したように、それぞれ第１、第２及び第３カレントミラー回路１３（ａｂｃ）を、第１及び第２電源１４（ａｂ）を共通電源として並列に接続してなる。第１〜第３カレントミラー回路１３（ａｂｃ）はいずれも基準電流源１５ａと対称電流源１５ｂからなる。基準電流源及び対称電流源１５（ａｂ）は負荷抵抗１７を経て第１及び第２電源１４（ａｂ）に接続する。
【００２３】
第１電源１４ａは温度検出電圧Ｖc1又は温度検出反転電圧Ｖc1rであり、第２電源１４ｂは定電圧である。但し、温度に対して一次関数的に増加する温度検出電圧Ｖc1は高温部三次発生部１０で、一次関数的に減少する温度検出反転電圧は低温部三次発生部１１で使用される。
【００２４】
第１カレントミラー回路１３ａは第１と第２トランジスタ１６（ａｂ）のエミッタを共通接続して基準電位（アース電位）に接地する。第２と第３カレントミラー回路１３（ｂｃ）は、第１と第２トランジスタ１６（ａｂ）の共通接続されたエミッタと基準電位との間に直流電圧としたオフセット電圧ＶE1、ＶE2を設けてなる。オフセット電圧ＶE1は例えば0.1Ｖ、ＶE2は0.2Ｖとする。
【００２５】
このようなものでは、先ず高温部三次発生部１０を例にすると、第１電源１４ａ（温度検出電圧Ｖc1）からの温度検出電流Iａが分流して、第１〜第３カレントミラー回路１３（ａｂｃ）の各基準電流源１５ａに基準電流Ｉ1として流入する。したがって、第１〜第３カレントミラー回路１３（ａｂｃ）の各対称電流源１５ｂには基準電流Ｉ1とほぼ同値の対称電流Ｉ2（ａｂｃ）を生じる。
【００２６】
この場合、第１カレントミラー回路１３ａの第１及び第２トランジスタ１６（ａｂ）のエミッタは基準電位としてのアース電位に直接に接地される。そして、トランジスタはベース・エミッタ間に順方向降下電圧約0.6Ｖを有する。したがって、対称電流源１５ｂには、第４図に示したように、第１及び第２トランジスタ１６（ａｂ）は順方向降下電圧の電圧降下後の0.6Ｖ（Ａ点）以降に指数関数的に増加する対称電流Ｉ2ａが生じる。
【００２７】
また、第２カレントミラー回路１３ｂはオフセット電圧ＶE1として0.1Ｖが印加される。したがって、基準及び対称電流源１５（ａｂ）には、第１及び第２トランジスタ１６（ａｂ）の順方向降下電圧0.6Ｖとオフセット電圧ＶE2（0.1Ｖ）との合計電圧0.7Ｖ（Ｂ点）の電圧降下後以降に指数関数的に増加する対称電流Ｉ2ｂが生じる。
【００２８】
また、第３カレントミラー回路１３ｃはオフセット電圧ＶE2として0.2Ｖが印加される。したがって、基準及び対称電流源１５（ａｂ）には第１及び第２トランジスタ１６（ａｂ）の順方向降下電圧0.6Ｖとオフセット電圧ＶE2（0.2Ｖ）との合計電圧0.8Ｖ（Ｃ点）の電圧降下後以降に指数関数的に増加する対称電流Ｉ2ｃが生じる。
【００２９】
このように、第１〜第３カレントミラー回路１３（ａｂｃ）の各対称電流源１５ｂの第１電源１４ａ（温度検出電圧Ｖc1）に対する対称電流Ｉ2（ａｂｃ）は、第１カレントミラー回路１３ａの対称電流Ｉ2ａを基準として第２及び第３カレントミラー回路１３（ｂｃ）の対称電流Ｉ2（ｂｃ）が順次にオフセット電圧ＶE（12）分だけ遅れて起動する。
【００３０】
そして、これらの各対称電流Ｉ2（ａｂｃ）は加算されて、合成出力電流Ｉbを得る。これを式で表現すると（３）式になる。但しＩsはトランジスタの飽和電流、ｑは電荷、Ｔはボルツマン定数である。
Ib＝I2ａ＋I2ｂ＋I2ｃ
＝Isexp(qVbe/kT)＋Isexp{q(Vbe-0.1)/kT}＋Isexp{q(Vbe-0.2)/kT}(３)
【００３１】
このようなことから、第１カレントミラー回路１３ａの対称電流Ｉ2ａの立ち上がり時であるＡ点（0.6Ｖ）を基準として、第２及び第３カレントミラー回路１３（ｂｃ）のオフセット電圧ＶE（12）を可変して立ち上がり時Ｂ、Ｃ点を異ならせることにより、Ｂ点及びＣ点以降の合成出力電流Ｉｂを制御できる。したがって、高温部三次発生部１０は常温約２５℃以上における周波数温度特性の三次関数項に応答した温度検出電圧Ｖc1に対する電流特性を得る。
【００３２】
次に、低温部三次発生部１１を例にすると、第１〜第３カレントミラー回路１３（ａｂｃ）の基準電流源１５（ａｂｃ）の電源１４（ａ）は、温度に対して一次関数的に減少する温度検出反転電圧Ｖc1ｒとなる（前第２図）。したがって、常温２５℃の電圧Ｖ25から温度補償範囲である低温側の電圧Ｖ-30方向を見ると、第５図に示したように、第１〜第３カレントミラー回路１３（ａｂｃ）における対称電流Ｉ2（ａｂｃ）は高温部三次発生部１０での動作と全く同様になる。
【００３３】
すなわち、第１〜第３カレントミラー回路１３（ａｂｃ）の基準電流源１５ａが接続する第１電源１４ａは、温度検出電圧Ｖc1を反転した温度検出反転電圧Ｖc1rとする。そして、常温２５℃を基準として低温側を見れば、温度検出反転電圧Ｖc1rは低温側に向かって増加する電圧となる。
【００３４】
したがって、第１〜第３カレントミラー回路１３（ａｂｃ）の第１電源１４ａ（温度検出電圧Ｖc1r）に対する対称電流Ｉ2（ａｂｃ）は、第１カレントミラー回路１３ａの対称電流Ｉ2ａを基準として第２及び第３カレントミラー回路１３（ｂｃ）の対称電流Ｉ2（ｂｃ）が順次にオフセット電圧ＶE（12）分だけ遅れて起動する。
【００３５】
したがって、低温部三次発生部１１の各対称電流Ｉ2（ａｂｃ）及び合成出力電流Ｉbの温度検出反転電圧Ｖc1rに対する電流特性は常温２５℃を中心として、オフセット電圧を同じとすれば高温部三次発生部の特性とは線対称になる。そして、この場合でも同様に、Ｂ点及びＣ点以降の合成出力電流Ｉbはオフセット電圧ＶE（1、2）を可変することにより、周波数温度特性に合わせて制御（調整）できる。
【００３６】
なお、低温部三次発生部１１の合成出力電流Ibは反転回路１３によって第４象限に反転される。例えば第６図に示したように、定数項による電流Icoから合成出力電流Ibを減じて「同図（a）」、反転合成電流Ibrが得られる「同図（ｂ）」。
【００３７】
そして、合成回路８によって高温部三次発生部１０の出力電流Ibと合成され、第７図に示したように−３０〜＋８０℃の温度補償範囲をカバーする三次関数項の温度電流特性を得る。さらに、図示しない負荷抵抗を経て三次関数項の温度電圧特性（前第１４図の曲線Ｖca）を得て、一次関数項及び定数項の電圧Ｖcb及びＶcoを加算して補償電圧Ｖc(T)を得る。
【００３８】
このような構成であれば、常温を基準とした高温部及び低温部の周波数温度特性に応じた補償電圧Ｖc(T)を得ることができる。そして、オフセット電圧ＶEを可変することによって、補償電圧Ｖc(T)を部分的に調整できる。したがって、必ずしも三次関数とはならない周波数温度特性でも、これに応答した補償電圧Ｖc(T)を得られる。
【００３９】
そして、この補償電圧Ｖc(T)を前第１０図に示した電圧制御発振器の１の電圧可変容量素子５に印加すれば、水晶振動子３に起因した発振回路４の三次曲線となる周波数温度特性を例えば−３０〜＋７０℃にわたって補償できる。
【００４０】
【他の事項】
上記実施例では低温三次発生部１１は反転合成電流Ｉbrを得て高温部三次発生部１０の合成出力電流Iｂと加算して三次関数項の温度電流特性を得たが、高温部三次発生部１０の合成出力電流Iｂ、定数項電流Ico及び一次関数項電流Icbを加算した後に低温三次発生部の合成出力電流Iｂを減じてもよい。
【００４１】
また、低温三次発生部１０及び高温三次発生部１１の各合成出力電流Ibを反転を含めて電圧に変換した後、定数項電圧Ｖco及び一次関数項電圧Ｖcbと合成してもよい。要するに反転方法及び合成方法は任意に選択でき、高温部及び低温部の周波数温度特性に応答した電流が得られることが本発明の趣旨である。
【００４２】
上記実施例では、カレントミラー回路１３（ａｂｃ）はいずれも基準電流源１５ａに対して一つの対称電流源５ｂを設けたが、例えば第８図に示したようにしてもよい。すなわち、カレントミラー回路１３の対称電流源１５を並列に複数接続して電子スイッチ１８によって切り替えるようにしてもよい。
【００４３】
このようにすれば、第９図に示したように、例えばスイッチ１８ａを閉にすると、対称電流源１５が一つのときの電流特性（曲線イ）に対しても２倍の電流特性（同ロ）になる。そして、スイッチ１８ｂをも閉にすると、３倍の電流特性（同ハ）になる。し
たがって、電流特性を全体的に可変できる。そして、カレントミラー回路１３は数を増やすほどさらに微細な調整ができることはいうまでもない。
【００４４】
また、三次関数となる周波数温度特性を対象として説明したが、例えば低温部三次発生部１１での温度電流特性を反転することなく、高温部三次発生部１０の電流特性とを合成すれば放物線（二次関数）状の温度電流特性を得ることができる。したがって、例えば＋５度Ｘカットとした水晶振動子の周波数温度特性を補償できる。
【００４５】
また、常温２５℃を基準として高温部三次発生部１０及び低温部三次発生部１１としたが、常温２５℃以外を基準温度Ａ℃として温度電流特性を得ることができる。また、周波数温度特性の変曲点や極値等に応じて基準温度Ａを設定し、基準温度Ａより高温側のみの高温部補償や低温側のみの低温部補償ができる。すなわち、本発明では三次関数及び二次関数に拘わらず、非線形発生回路として利用できる。
【００４６】
なお、カレントミラー回路はトランジスタでの構成としたが、ＦＥＴでの構成としてもよい。この場合、コレクタはドレイン、ベースはゲート、エミッタはソースに相当し、本発明の技術的範囲から除外するものではない。
【００４７】
【発明の効果】
本発明は、第１トランジスタと第２トランジスタのベース同士が共通接続するとともに各エミッタが共通接続されて基準電位に接地し、前記第１と第２トランジスタのコレクタが負荷抵抗を経て第１と第２電源に接続して、前記第１トランジスタのコレクタとベースが直結した基準電流源と対称電流源からなるカレントミラー回路を備え、前記カレントミラー回路は複数からなるとともに前記複数のカレントミラー回路は前記第１と第２トランジスタのコレクタが前記第１と第２電源とを共通として並列接続され、前記複数のカレントミラー回路は前記エミッタと前記基準電位との間の０電圧を含むオフセット電圧を異ならせ、前記第１電源としての温度センサからの温度検出電圧に対する非線形となる合成出力電流を、前記複数のカレントミラー回路の前記第２電源に並列接続した前記第２トランジスタのコレクタから得た構成とする。したがって、温度電圧特性の調整を容易にした非線形発生回路及びこれを用いた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三次関数発生回路の特に三次関数項発生部のブロック図である。
【図２】本発明の一実施例を説明する温度検出及び反転電圧の特性図である。
【図３】本発明の一実施例を説明する三次関数項発生部に適用するカレントミラー回路の図である。
【図４】本発明の一実施例を説明する高温部三次発生回路の温度（電圧）−電流特性図である。
【図５】本発明の一実施例を説明する低温部三次発生回路の温度−電流特性図である。
【図６】本発明の一実施例を説明する電流反転特性の図である。
【図７】本発明の一実施例を説明する温度−電流特性図である。
【図８】本発明の他の実施例を説明するカレントミラー回路の図である。
【図９】本発明の他の実施例を説明する温度−電流特性図である。
【図１０】従来例を説明する温度補償発振器のブロック図である。
【図１１】従来例を説明する発振回路の周波数温度特性図及び温度電圧特性図である。
【図１２】従来例を説明する周波数温度特性の次数別特性図である。
【図１３】従来例を説明する三次関数発生回路のブロック図である。
【図１４】従来例を説明する温度−電圧特性の次数別特性図である。
【符号の説明】
１電圧制御発振器、２補償電圧発生回路、３水晶振動子、４発振回路、５電圧可変容量素子、６高周波阻止抵抗、７三次関数発生回路、８合成回路、９温度センサ、１０高温部三次発生部、１１低温部三次発生部、１２、１３反転回路、１４電源、１５ａ基準電流源、１５ｂ対称電流源、１６トランジスタ、１７負荷抵抗、１８電子スイッチ．

Claims

第１トランジスタと第２トランジスタのベース同士が共通接続するとともに各エミッタが共通接続されて基準電位に接地し、前記第１と第２トランジスタのコレクタが負荷抵抗を経て第１と第２電源に接続して、前記第１トランジスタのコレクタとベースが直結した基準電流源と対称電流源からなるカレントミラー回路を備え、前記カレントミラー回路は複数からなるとともに前記複数のカレントミラー回路は前記第１と第２トランジスタのコレクタが前記第１と第２電源とを共通として並列接続され、前記複数のカレントミラー回路は前記エミッタと前記基準電位との間の０電圧を含むオフセット電圧を異ならせ、前記第１電源としての温度センサからの温度検出電圧に対する非線形となる合成出力電流を、前記複数のカレントミラー回路の前記第２電源に並列接続した前記第２トランジスタのコレクタから得たことを特徴とする非線形関数発生回路。
前記複数のカレントミラー回路の少なくとも一つは前記基準電流源に対してスイッチングによって並列に接続する複数の前記対称電流源を設けた請求項１の非線形関数発生回路。
前記非線形関数は三次関数の三次関数項である請求項１の非線形発生回路。
少なくとも請求項１の非線形発生回路を用いて、前記温度検出電圧に応じた補償電圧を生成し、前記補償電圧を発振閉ループ内の水晶振動子に直列に接続した電圧可変容量素子に印加し、前記発振回路の周波数温度特性を補償した温度補償水晶発振器。