JP4524326B2 - 水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は、水晶を用いた発振器に係り、特に、温度補償発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）又は電圧制御温度補償発振器（ＶＣ−ＴＣＸＯ：Voltage Controlled - TCXO）において高安定で、安価かつ小型化を実現した水晶発振器に関する。

［従来の技術］
従来は、温度補償発振器（ＴＣＸＯ）又は電圧制御温度補償発振器（ＶＣ−ＴＣＸＯ）の内部にて温度補償を実施し、実装されたシステム機器（例えば、携帯電話機等）のベースバンド部等のデジタル信号処理部で検出された周波数ずれを信号処理部にフィードバックし、または、ＶＣ−ＴＣＸＯの周波数制御電圧にフィードバックするよう制御されるようになっていた。

［先行技術］
尚、関連する先行技術として、特開平０９−３２１５３９号公報（特許文献１）、特開平１１−０６５６９４号公報（特許文献２）、特開２００３−３２４３１８号公報（特許文献３）がある。

特許文献１には、ＡＦＣ回路が発振回路から出力される周波数について、周波数誤差分より周波数ズレを演算してＣＰＵに出力し、ＣＰＵが周波数ズレに対応する補正値をＡ／Ｄコンバータに加え、発振回路に出力した値を温度センサから出力される値に対応する値としてメモリに格納するデジタル制御型発振回路が示されている。

特許文献２には、水晶発振回路の温度特性を予め測定しておき、各温度域における発振周波数の標準値からのすれ値を周波数変動テーブルとしてメモリに記憶保持しておき、測定された周囲温度から周波数変動テーブルを検索し、水晶発振回路からの出力周波数のずれ量を読み出し、標準値からのずれを計算し、時刻情報に加算又は減算して標準値からの時刻の進遅を補正するソフトウェア時計の補正方式が示されている。

特許文献３には、温度センサが圧電振動子の近傍の温度を測定し、制御回路がメモリから圧電発振器の温度特性に基づく近似曲線係数とオフセットデータを出力する圧電発振器であり、圧電発振器に接続するＣＰＵが周波数偏差を計算する近似式に測定温度、近似曲線係数等を代入して周波数偏差を演算し、周波数偏差の分だけ信号を探索する周波数範囲をオフセットする受信装置が示されている。

特開平０９−３２１５３９号公報 特開平１１−０６５６９４号公報 特開２００３−３２４３１８号公報

しかしながら、上記従来の発振器内部で温度補償を行う回路では、温度補償回路及びそのための可変容量素子を必要とし、回路を小型化できず、高価であるという問題点があった。

また、特許文献１では、デジタル制御型発振回路内で、ＡＦＣ回路が周波数ズレを演算し、ＣＰＵが対応する補正値を求めるようになっているので、発振回路内の回路規模が増大し、高安定状態での発振を実現できないという問題点があった。

また、特許文献２では、温度を測定する温度センサを備えているものの、水晶発振回路内部ではなく外部に設けられ、更に、特許文献２では、水晶発振回路を部品として単体で流通させることはできず、コンピュータ全体として設計しなければならず、水晶発振回路を任意に組み込んで全体回路を設計できず、設計の自由度が阻害されるという問題点があった。

また、特許文献３では、圧電発振器から提供される測定温度、温度特性に基づく近似曲線係数とオフセットデータにより、信号処理回路におけるＧＰＳ衛星から受信する測位信号を捕捉する周波数範囲を変更しようとするものではあるが、発振器から出力されるクロック等の基準信号を高安定なものにしつつ、当該基準信号に含まれる周波数ずれを信号処理回路で容易に補正させることができないという問題点があった。

更に、特許文献３も、特許文献２と同様に、ＧＰＳ衛星から受信する測位信号を捕捉する周波数範囲を変更するための受信装置全体として設計しなければならず、水晶発振回路を任意に組み込んで全体回路を設計できず、設計の自由度が阻害されるという問題点があった。

よって、特許文献３では、高安定な基準信号を提供しつつ、基準信号の補正を容易に行わせることができないという問題点があった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、温度変動による周波数ずれを補正容易とし、小型化を図ると共に高安定状態を実現する水晶発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、システム機器処理部に基準信号を提供する水晶発振器であって、３次以上のオーバトーン水晶振動子と、水晶振動子に接続し、発振周波数をシステム機器処理部に出力する発振回路と、水晶振動子近傍の温度を検出する温度センサと、水晶振動子の温度特性に基づいて発振周波数の周波数ずれを補正させるための情報を記憶し、周波数ずれの補正処理を行うシステム機器処理部に周波数ずれを補正させるための情報を提供するメモリとを有することを特徴とする。

本発明は、上記発振器において、分周器とシステム機器処理部との間に、分周器からの分周された発振周波数を入力し、システム機器処理部に発振周波数を出力すると共に、出力側の負荷の影響を抑えるバッファを設けたことを特徴とする。

本発明は、上記発振器において、発振回路と分周器との間に、分周器における負荷の影響を抑えるバッファを設けたことを特徴とする。

本発明は、上記発振器において、メモリが、周波数ずれを補正するための情報として、温度の値に対応する周波数ずれ量をテーブルとして記憶し、当該テーブル内容をシステム機器処理部に出力することを特徴とする。

本発明は、上記発振器において、メモリが、周波数ずれを補正するための情報として、温度の値に対応する周波数ずれ量を演算する演算式の係数を記憶し、当該演算式の係数をシステム機器処理部に出力することを特徴とする。

本発明は、上記発振器において、水晶振動子以外の構成部分を集積化して集積回路に納めたことを特徴とする。

本発明によれば、発振回路が、３次以上のオーバトーン水晶振動子に接続し、発振周波数をシステム機器処理部に出力し、温度センサが、水晶振動子の周囲の温度を検出し、メモリが、水晶振動子の温度特性に基づいて発振周波数の周波数ずれを補正させるための情報を記憶し、周波数ずれの補正処理を行うシステム機器処理部に周波数ずれを補正させるための情報を提供する水晶発振器としているので、温度変動による周波数ずれをシステム機器処理部で補正容易とし、小型化を図ると共に高安定状態を実現できる効果がある。

本発明の実施の形態に係る発振器の構成ブロック図である。 基本波と３倍波の周波数温度特性図である。 発振器における発振回路及び水晶振動子の回路を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る発振器は、システム機器処理部に基準信号を提供する水晶発振器であって、３次以上のオーバトーン水晶振動子と、水晶振動子に接続して発振周波数をシステム機器処理部に出力する発振回路と、水晶振動子の周囲の温度を検出する温度センサと、水晶振動子の温度特性に基づいて発振周波数の周波数ずれを補正するための情報を記憶し、システム機器処理部に周波数ずれを補正するための情報を提供するメモリとを有するものであり、温度変動による周波数ずれをシステム機器処理部において補正容易とし、小型化を図ると共に高安定状態を実現できるものである。

［発振器の全体：図１］
本発明の実施の形態に係る発振器について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る発振器の構成ブロック図である。
本発明の実施の形態に係る発振器（本発振器）１は、図１に示すように、システム機器処理部２に接続するもので、内部構成としては、水晶振動子１１と、発振回路（ＯＳＣ）１２と、分周器（Ｄｉｖ）１３と、バッファ（Buffer）１５と、温度センサ１６と、ＰＲＯＭ（Programmable Read Only Memory）のメモリ１７とを基本的に有している。

また、システム機器処理部２は、マイクロプロセッサ又はゲートアレイ等で構成され、無線通信機器ではベースバンドＩＣ等の演算処理部が相当する。
尚、システム機器処理部２は、発振器１を組み込むお客様が任意に設計するものであり、発振器１からは、周波数変動を補正するために必要な情報、信号を提供するようになっている。

［発振器の各部］
次ぎに、本回路の各部について具体的に説明する。
［水晶振動子１１］
水晶振動子１１は、３次以上のオーバトーン水晶振動子である。３次以上のオーバトーン水晶振動子を用いたのは、高安定（高いＱ）状態で発振器を動作させるためである。

［基本波と３倍波の特性：図２］
ここで、基本波の水晶振動子と３倍波の水晶振動子（３次オーバトーン水晶振動子）の周波数温度特性曲線について図２を参照しながら説明する。図２は、基本波と３倍波の周波数温度特性図である。図２では、横軸が温度を示し、縦軸が周波数変化率を示している。

水晶振動子では、その主振動と主振動以外の不要振動との結合により、図２に示すように、温度に対して不連続な周波数変化を示すことがある。しかしながら、基本波（Fundamental mode）に比べて、３倍波（3rd overtone mode）では、そのような不連続な周波数変化が現れることが希であり、良好な周波数温度特性を持つ水晶振動子を得ることが容易である。

［発振回路（ＯＳＣ）１２］
発振回路（ＯＳＣ）１２は、水晶振動子１１と接続して所望の周波数で発振させ、分周器１３に出力する。

［分周器（Ｄｉｖ）１３］
分周器（Ｄｉｖ）１３は、発振回路１２から入力された周波数信号を分周してバッファ１５に出力する。
尚、発振回路１２と分周器１３との間に、バッファを設けるようにしてもよい。

［バッファ（Buffer）１５］
バッファ（Buffer）１５は、システム機器処理部２での負荷の影響を受けないようにすると共に、所望の出力振幅を得るために設けられた増幅器である。
バッファ１５からの出力信号（Osc Out）は、システム機器処理部２に対するクロックとして利用されるものである。

［温度センサ１６］
温度センサ１６は、水晶振動子１１の周囲の温度を測定し、測定した温度の値（Temp Out）をデジタル値又はアナログ値でシステム機器処理部２に出力する。つまり、温度センサ１６は、温度補償用の温度情報を提供する。
尚、温度の値がアナログ値であれば、システム機器処理部２に入力されてデジタル信号に変換される。

ここで、発振器の周波数安定度を決定する主要因は、一般に水晶振動子１１であって発振回路１２よりも影響度は高いものである。これは、発振周波数が水晶振動子１１から発振回路１２側を見た時の負荷に左右されるが、発振回路１２の負荷容量の変動による発振器１の周波数変動よりも水晶振動子１１自体の周波数温度特性の方が大きいからである。

［メモリ１７］
ＰＲＯＭのメモリ１７は、予め水晶振動子１１の温度特性に関する情報を記憶しており、システム機器処理部２にその情報を出力する。メモリ１７内の情報は、予め実測によって取得し、必要に応じて数値計算を加え、本発振器１の出荷前にその温度特性に応じて設定しておく。
メモリ１７に記憶される温度特性に関する情報としては、温度に対応した周波数ずれの補正量をテーブル（補正量テーブル）で記憶するもの、温度特性に対応して周波数ずれを算出する式（補正式）の係数を記憶するものがある。
ここで、メモリ１７は、ＥＰＲＯＭ（Electrically Programmable Read Only Memory）又はＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）であってもよい。

［本発振器におけるその他の構成］
尚、上記本発振器１において、必要がなければ分周器１３を取り除いた構成とすることもできる。
また、本発振器１において、水晶振動子１１以外の構成部分を集積化して集積回路で構成するようにしてもよい。

［実施の形態の動作］
本発振器１では、３次以上のオーバトーン水晶振動子１１を接続した発振回路１２から得られる発振周波数を出力し、分周器１３で分周され、バッファ１５を介してシステム機器処理部２に出力される。

また、本発振器１では、温度センサ１６が水晶振動子１１の周囲の温度を検出し、当該検出した温度の数値をシステム機器処理部２に出力すると共に、メモリ１７から補正量テーブルの内容若しくは補正式の係数を用いて補正式により得られた値をシステム機器処理部２に出力する。

システム機器処理部２は、本発振器１のバッファ１５から入力される信号（Osc Out）と、温度センサ１６からの温度の値と、メモリ１７からの補正量テーブル又は補正式の係数を用いて周波数ずれの補正量を取得し、システム機器処理部２内で演算及び信号処理することにより周波数ずれの補正処理を行う。

［発振器の構成：図３］
上記発振器における発振回路及び水晶振動子の回路について図３を参照しながら説明する。図３は、発振器における発振回路及び水晶振動子の回路を示す図である。
図３に示すように、発振器における発振回路及び水晶振動子は、典型的なコルピッツ型の帰還増幅回路を示している。

図３では、水晶振動子Ｘの両端の信号をＣ₁ ，Ｃ₂ のコンデンサで分圧し、一方を発振用トランジスタＴｒのベース端子に、他方をトランジスタＴｒのエミッタ端子に接続している。尚、Ｒ_A ，Ｒ_B はトランジスタＴｒのベース端子に固定バイアスを与えるためのブリーダ抵抗であり、Ｒ_E はエミッタに接続された負帰還抵抗であり、Ｒ_C はコレクタに接続された負帰還抵抗である。

［実施の形態の効果］
本発振器によれば、回路内部で温度変動に応じた出力信号の周波数ずれを補正するのではなく、周波数ずれを含む出力信号を基準信号として出力し、発振器内部の温度の値と水晶振動子の温度特性に関する情報を同時に提供することにより、システム機器処理部２内で入力信号を基準信号により信号処理を行うと共に、温度の値と温度特性に関する情報により周波数ずれを容易に補正させることができる効果がある。

また、本発振器によれば、基準信号の出力段にバッファ１５を設け、また、発振回路１２と分周器１３との間にバッファを設けるようにすれば、出力される基準信号がシステム機器処理部２の負荷の影響を受けにくくすることができる効果がある。

また、本発振器によれば、水晶振動子に３次以上のオーバトーンの水晶振動子１１を用いるようにしているので、高安定（高いＱ）状態で発振器を動作させることができる効果がある。

本発明は、温度変動による周波数ずれを補正容易とし、小型化を図ると共に高安定状態を実現する発振器に好適である。

１…発振器、 ２…システム機器処理部、 １１…水晶振動子、 １２…発振回路（ＯＳＣ）、 １３…分周器（Ｄｉｖ）、 １５…バッファ（Buff）、 １６…温度センサ、 １７…メモリ

Claims (6)

1. システム機器処理部に基準信号を提供する水晶発振器であって、
   ３次以上のオーバトーン水晶振動子と、
   前記水晶振動子に接続し、発振周波数を前記システム機器処理部に出力する発振回路と、
   前記水晶振動子の周囲の温度を検出する温度センサと、
   前記水晶振動子の温度特性に基づいて前記発振周波数の周波数ずれを補正させるための情報を記憶し、周波数ずれの補正処理を行う前記システム機器処理部に前記周波数ずれを補正させるための情報を提供するメモリと、
   前記発振回路と前記システム機器処理部との間に設けられ、前記発振回路からの発振周波数を分周する分周器とを有することを特徴とする水晶発振器。
2. 分周器とシステム機器処理部との間に、前記分周器からの分周された発振周波数を入力し、前記システム機器処理部に前記発振周波数を出力すると共に、出力側の負荷の影響を抑えるバッファを設けたことを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
3. 発振回路と分周器との間に、前記分周器における負荷の影響を抑えるバッファを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の水晶発振器。
4. メモリは、周波数ずれを補正させるための情報として、温度の値に対応する周波数ずれ量をテーブルとして記憶し、当該テーブル内容をシステム機器処理部に出力することを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
5. メモリは、周波数ずれを補正させるための情報として、温度の値に対応する周波数ずれ量を演算する演算式の係数を記憶し、当該演算式の係数をシステム機器処理部に出力することを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
6. 水晶振動子以外の構成部分を集積化して集積回路に納めたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の水晶発振器。

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