JP4360389B2 - 温度補償発振器 - Google Patents
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Description
第2は間接型補償と称される方法であって、図13に示すように可変容量ダイオードを水晶振動子と直列に接続すると共に、補償回路を高周波阻止抵抗Rを介して可変容量ダイオードDの両端に接続したものである。この方法はサーミスタと抵抗とで構成される補償回路において発生する直流電圧を前記高周波阻止抵抗Rを介して上記可変容量ダイオードDに加え、その回路の周波数変化量が水晶振動子の温度特性と逆特性になるようにすることにより、水晶発振器の温度特性を補償するものである。
これらTCXOにより、携帯電話等の通信端末機用の基準周波数源に要求されている周波数安定度(例えば温度範囲-25〜75℃で±2〜2.5ppm)が実現されている。
また一方、AFC(自動周波数制御)や変調機能を持たせるために、可変容量素子を発振ループ中に備えたものも多用されており、上述した間接型TCXOやデジタル型TCXOにおいては、この可変容量素子を温度補償に流用するものも知られている。
本発明は、前記低温補償用のMOS容量素子と前記高温補償用のMOS容量素子が互いに並列に接続されたことを特徴とする。
更に、従来の直接型TCXOに比べれば、発振ループ中にサーミスタ等の抵抗成分が挿入されないから、発振維持のための消費電力が小さくて済むメリットや、該抵抗成分の変化に伴う発振レベル変動がないから、その補償回路も不要となり、回路構成が簡素化される。また、常温近傍の補償感度を殆どゼロに等しく設定できるから、最も使用頻度の高い常温近傍における発振信号のC/N悪化を防止することができる。即ち、常温近傍を含みその両側の所要温度範囲では、MOS容量素子の容量変化が僅少な領域を使用するものであるから、制御電圧信号中に雑音成分が混入した場合であっても、殆ど、発振出力には現われないことになり、高品質の発振信号を得ることができる。
図1は本発明の一実施例を示す回路図である。この例に示すTCXOは、典型的なコルピッツ型水晶発振器に本発明を適用したものである。即ち、発振増幅用トランジスタTR1のコレクタは電源に接続され、バイパスコンデンサCcを介して高周波的に接地され、ベースには抵抗R1、R2によって適宜バイアスされており、ベースとエミッタ間に第一のコンデンサC1が接続されると共に、エミッタと接地間には抵抗Reと第二のコンデンサC2とが並列接続され、発振出力は前記エミッタから直流阻止用コンデンサCoを介して取り出すように構成されている。更に、前記トランジスタTR1のベースには水晶振動子Xと低温補償用の第一のMOS容量素子MOS1と高温補償用の第二のMOS容量素子MOS2が共に同一極性方向に直列に挿入され、更に直流阻止用容量C3を介して接地されている。そして、前記二つのMOS容量素子には抵抗R3とR4を介して温度補償制御電圧Vcont1とVcont2とが温度センサTSENと制御回路contから供給され、更に二つのMOS容量素子の接続点には抵抗R5を介して基準電位Vref2が印加されるように構成されている。発振回路部分の動作については既に周知であるから説明を省略し、本発明の特徴である温度補償回路について詳細に説明する。
この例に示す回路は、同図に示すように低温補償用回路として、第一のMOS容量素子MOS1と直列に固定容量素子Cf1を接続し、高温用補償回路のMOS容量素子MOS2には並列に固定容量素子Cf2を接続したものである。更に、夫々の制御信号としてVcont1とVcont2を印加することは図1に示した例と同じであるが、二つのMOS容量素子の接続点には固定容量素子Cf1が挟まることになるので、MOS1のアノードとMOS2の夫々に抵抗R5-1、R5-2を介して同一基準電位Vref2を印加する。
この回路においても基本的動作は、上述した通りであるが、低温用MOS容量素子には直列に、高温用MOS容量素子には並列に固定容量素子を接続することによって、夫々補償特性曲線形状を任意に設定する自由度を与えたものである。
即ち、低温用補償回路として第一のMOS容量素子MOS1とコンデンサ(固定容量素子)Cf1とを直列に接続すると共に、高温用補償回路として第二のMOS容量素子MOS2とコンデンサ(固定容量素子)Cf2とを並列に接続したものである。このように固定容量素子と可変容量素子との直列回路及び並列回路の合成容量値は周知の通り次の式で求められる。
直列回路(低温用)Cs=Cf1・MOS1/(Cf1+MOS1)
並列回路(高温用)Cp=MOS2+Cf2
なお、本発明においてはMOS容量素子として図2に示すものに限定する必要が無いことは云うまでもないが、その他、MOS容量素子の接続方向を互いに逆にすること、あるいは低温用MOS容量素子と高温用MOS容量素子とを並列に接続することも可能である。更には、図示を省略するが、夫々の補償回路のMOS容量素子や固定容量素子に並列又は直列に他の固定容量素子あるいは可変容量素子を接続することによって、更に設計の自由度を向上させることもできる。更には、MOS容量素子に印加する制御電圧信号に、変調用信号を重畳すること、あるいは、受信機や送信機に使用する発振器において、所要の周波数信号に同期させるためやAFC機能を付加する手段として、前記MOS容量素子の制御信号にこれらの信号を重畳することも可能である。さらに、水晶振動子には製造誤差によって、温度特性に若干のばらつきが伴うことがあるが、これらを補正するための直流電圧信号をMOS容量素子に適宜重畳することも効果的であろう。
そこで、例えば図10に示すように25℃以下の範囲では0.5V〜3Vの範囲を一次的に変化し且つ、25℃以上の範囲ではほぼ一定の電圧0.5Vを保つような制御電圧を低温用の温度補償制御電圧Vcont1として、更に、25℃以下の範囲では電圧0.5Vをほぼ一定に保ち且つ、25℃以上の範囲では0.5V〜3Vの範囲を一次的に変化するような制御電圧を高温用の温度補償制御電圧Vcont2として用いることにより高温領域では低温補償用MOS容量素子MOS2の端子間容量値を一定に保ち、低温領域では高温補償用MOS容量素子MOS2の端子間容量値を一定に保つよう制御することが可能となり、不要な容量変化を抑え、高精度に周波数温度補償制御を行うことができる。
即ち、図11は本発明に基づく温度補償発振器に用いる制御回路の実施例の回路図を示すものでありこの制御回路contの構成は以下の通りである。
電源Vccに温度センサであるダイオード1のアノード端を抵抗2を介して接続すると共に、ダイオード1のカソード端を接地し、ダイオード1のアノード端をオペアンプ3のプラス入力端子に接続すると共に、オペアンプ3のマイナス入力端子と出力端子とを抵抗4を介して接続し、更に、オペアンプ3のマイナス入力端子を抵抗5を介して基準電源V2に接続する。
オペアンプ7の出力端子をFET8のゲート端子及びFET9のゲート端子それぞれ接続し、更に、FET10とカレントミラー構成するFET11のドレイン端子及びゲート端子とFET8のソース端子とを接続する。
そして、FET10とFET11のソース端子を電源Vccラインに接続すると共に、FET10のドレイン端子をソースを接地したFET12のドレイン端子とゲート端子とに接続する。
そして更に、オペアンプ16のマイナス入力端子とFET9のソース端子とを接続すると共に、オペアンプ16のマイナス入力端子と出力端子とを抵抗17を介して接続し、更に、オペアンプ16のマイナス入力端子を抵抗18を介して接地に、オペアンプ14のマイナス入力端子を抵抗19を介して接地にそれぞれ接続するよう構成したものである。
先ず、例えば、基準電圧V2の値をV2=1.3Vとし、基準電圧V3の値をV3=0.5Vとし、温度25℃のときのダイオード1の端子間電圧を同温度時に作動増幅器であるオペンアンプ3の出力が1.3Vを出力するよう設定し、更に、作動増幅器であるオペアンプ14、16の増幅率を1倍とする。
このように設定された制御回路contは、温度がT<25℃の範囲で変化する場合、オペアンプ3の出力端子からは1.3V以上の電圧が出力されることによりコンパレータであるオペアンプ7の出力端子に0V(Lレベル信号)が発生し、これによりFET9がOFF動作となりオペアンプ16のマイナス入力端子に抵抗18を介して接地電位0Vが印加されるので高温補償電圧の出力端であるオペアンプ16の出力端子には図10に示す領域Aの0.5Vの電圧が発生する。
そして、このドレイン電流に基づく電圧がオペアンプ14のマイナス入力端子に印加されることから低温補償電圧の出力端であるオペアンプ14の出力端子には図10に示す領域Bの温度上昇に対して一次関数的に低下するような電圧が発生する。
そして、オペアンプ3の出力電圧が温度変化に対して反比例に変化するものであることから、高温補償電圧の出力端であるオペアンプ16の出力端子には図10に示す領域Cの温度上昇に対して一次関数的に増加するような電圧が発生する。
一方、オペアンプ7のHレベル信号出力によりFET8がOFF動作となるので、FET10〜13がOFF動作となり、この為、オペアンプ14のマイナス入力端子には抵抗19を介して接地電位0Vが印加されるので低温補償電圧の出力端であるオペアンプ14の出力端子には図10に示す領域Dの0.5Vの電圧が発生する。
Claims (2)
- 圧電振動子と、増幅器と、温度補償回路とを備えた温度補償発振器であって、
前記圧電振動子は、常温近傍では周波数の偏移が小さく、常温以上の高温領域では周波数が曲線的に上昇し、常温以下の低温領域では周波数が曲線的に低下する温度周波数特性を有し、
前記温度補償回路は、前記圧電振動子の低温領域の周波数偏移を補償する為の低温補償用のMOS容量素子と前記圧電振動子の高温領域の周波数偏移を補償する為の高温補償用のMOS容量素子とを含み、前記MOS容量素子を制御電圧により容量値が変化する電圧制御型の可変容量素子により構成すると共に、
前記低温補償用のMOS容量素子は、常温近傍及び常温以上の温度範囲において前記制御電圧の変化に対する容量値変化が僅少である部分と、常温から低温に向かう温度範囲において前記制御電圧の変化に対して容量値が曲線的に減少する部分とを使用したものであり、前記低温補償用のMOS容量素子の端子間の電圧を、常温近傍及び常温以上の温度範囲において一定電圧とし、且つ常温から低温に向かう温度範囲において温度の低下と共に直線的に変化する電圧としたものであって、
前記高温補償用のMOS容量素子は、常温近傍及び常温以下の温度範囲において前記制御電圧の変化に対する容量値変化が僅少である部分と、常温から高温に向かう温度範囲において前記制御電圧の変化に対して容量値が曲線的に増加する部分とを使用したものであり、前記高温補償用のMOS容量素子の端子間の電圧を、常温近傍及び常温以下の温度範囲において一定電圧とし、且つ常温から高温に向かう温度範囲において温度の上昇と共に直線的に変化する電圧としたものであって、
前記圧電振動子の低温領域と高温領域及び常温近傍域の周波数の偏移を補償すると共に、常温近傍域における発振信号の位相雑音特性の悪化を防止したことを特徴とする温度補償発振器。 - 前記低温補償用のMOS容量素子と前記高温補償用のMOS容量素子が互いに並列に接続されたことを特徴とする請求項1に記載の温度補償発振器。
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