JP5103230B2 - 電圧制御型弾性表面波発振器 - Google Patents

Description

本発明は、弾性表面波（Surface Acoustic Wave : 以下ＳＡＷと称する。）発振子の周囲温度の変化に伴う周波数変動を補償する電圧制御型弾性表面波発振器に関する。

ＳＡＷ発振子は、周囲温度が変化すると発振周波数が変化する周波数温度特性を有し、発振周波数が温度変化に対して上に凸の曲線に沿って変化することが知られており、前記曲線は、二次曲線で近似して表すことができる。ＳＡＷ発振子の発振周波数は、ある温度において極大値を有し、この極大値を示す温度（頂点温度）より低くなるほど、また高くなるほど、低下する特性を有している。そして、このＳＡＷ発振子の周波数温度特性は、電子機器の一般的な使用温度範囲である−４０℃〜８５℃における許容変動幅を超えており、具体的には１００ｐｐｍを超えており、そのまま使用すると、電子機器が誤作動するなど正常な動作を期待できない。

このため、従来においては、電圧に比例して発振周波数が変化するＳＡＷ発振回路を形成するとともに、差動回路でＳＡＷ発振子の周囲温度に対して、周波数温度特性を示す二次関数と線対称な下に凸の二次関数で表される制御電圧を発生させて、温度変化による発振周波数の変化を相殺している。

また、ＳＡＷ発振器の発振周波数を検出し、検出した発振周波数を温度表示電圧に換算し、この温度表示電圧に基づいて発生させた制御電圧をＳＡＷ発振器に付与して、発振周波数の温度変動を抑制することが提案されている（特許文献１）。

特開平５−２８３９３４号公報

ところが、従来の差動回路を用いて発振周波数の温度変化を相殺する構成によると、動作条件において発生するノイズ量がばらつくので、ノイズの影響で安定した動作を期待できないという欠点がある。また、特許文献１に記載の構成によると、高精度の補償が困難で、発振周波数の変動幅がｐｐｍレベルの制御電圧を得ることができないという欠点がある。本発明は、このような欠点を解消した電圧制御型ＳＡＷ発振器を提供することを目的とする。

本発明に係る電圧制御型ＳＡＷ発振器は、周波数温度特性が二次関数で近似される弾性表面波発振子を有し、制御電圧によって出力周波数が制御される発振回路と、この発振回路に前記制御電圧を供給する温度補償電圧発生部とを備えてなる電圧制御型弾性表面波発振器であって、前記温度補償電圧発生部は、弾性表面波発振子の周囲温度を検出し、検出温度の上昇に対応して一定の変化率で減少する出力電圧を生成する温度検出部と、この温度検出部の出力電圧が、あらかじめ設定された基準温度に達しない温度に対応する範囲では、温度上昇に対応して一定の変化率で減少する出力電流を生成し、前記出力電圧が、前記基準温度以上の温度対応する範囲では、零である出力電流を生成する非反転増幅回路と、前記温度検出部の出力電圧が、前記基準温度に達しない温度対応する範囲では、零である出力電流を生成し、前記基準温度以上の温度対応する範囲では温度上昇に対応して一定の変化率で増加する出力電流を生成する反転増幅回路と、これら非反転増幅回路及び反転増幅回路の各出力電流から二乗特性で変化する電流を生成する一対の関数発生回路と、これら各関数発生回路で生成された二乗特性で変化する電流を加算する加算部と、この加算された二乗特性で変化する電流を上に凸の二乗特性で変化する電圧に変換する電流―電圧変換回路と、この変換された電圧から、弾性表面波発振子の周波数温度特性を示す二次関数と線対称な、下に凸の二乗特性で変化する制御電圧を生成する反転増幅回路とからなるものである。

上述の構成において、基準温度に対する温度検出部の出力電圧値は１対１の対応関係にあるので、反転増幅回路及び非反転増幅回路の参照電圧を、前記基準温度に対応する前記出力電圧値と同一として、前記参照電圧によって発振周波数が極大を示す基準温度（頂点温度）を設定すると好適である。また、上述の構成において、反転増幅回路及び非反転増幅回路の利得を調整して、ＳＡＷ発振子の温度に依存した発振周波数の変化率に合うように前記各増幅回路の出力電流の変化率を設定すると好適である。さらに、上述の構成において、制御電圧を生成する反転増幅回路の参照電圧が、入力電圧を反転する電圧レベルとなるので、この参照電圧によってＳＡＷ発振子の周波数温度特性の頂点温度に対応する最低制御電圧を設定すると好適である。さらにまた、上述の構成において、一対の関数発生回路のそれぞれの後段に、発振回路の制御電圧変化に対する発振周波数変化の直線性を改善するための電流補正回路を設けると好適である。

本発明によれば、反転増幅回路及び非反転増幅回路を低ノイズに設計することが可能なので、電圧制御型ＳＡＷ発振器における低ノイズで安定した動作を得ることができるとともに、ＳＡＷ発振子の周波数温度特性を示す二次関数と線対称な、下に凸の二乗特性で変化する制御電圧を得ることができるという効果を奏する。

以下、本発明に係る電圧制御型ＳＡＷ発振器の好適な実施形態の回路構成を添付図面の図１及び図２に基づいて説明する。図１は本発明に係る電圧制御型ＳＡＷ発振器を示す回路図で、電圧制御型ＳＡＷ発振器は、ＳＡＷ発振回路１と、温度補償電圧発生部２と、メモリ３とからなる。

図１に示すように、ＳＡＷ発振回路１のＳＡＷ発振子１０１は、オペアンプからなる反転増幅回路１０２の帰還抵抗１０３と並列に入力端及び出力端に接続されている。前記反転増幅回路１０２の入力端はコンデンサ１０４と可変容量ダイオード１０５とを介して接地され、出力端はコンデンサ１０６と可変容量ダイオード１０７とを介して接地されている。コンデンサ１０４と可変容量ダイオード１０５との中間点に抵抗１０８が接続され、コンデンサ１０６と可変容量ダイオード１０７との中間点に抵抗１０９が接続され、これら抵抗１０８，１０９にはそれぞれ発振周波数制御端子１１０が接続されている。また、前記反転増幅回路１０２の出力端には出力端子１１１が接続され、出力端とＳＡＷ発振子１０１との間には、コイル１１２と抵抗１１３が並列接続されている。

可変容量ダイオード１０５，１０７には、それぞれ抵抗１０８，１０９を介して発振周波数制御信号である制御電圧ＶＣが温度補償電圧発生部２から入力され、制御電圧の電圧値が上昇すると前記各可変容量ダイオード１０５，１０７の容量値は減少し、発振周波数は高くなる。なお、コイル１１２は発振周波数の変動量を大きくするためのもので、抵抗１１３は不要な周波数の発振を抑制するためのものである。

続いて、温度補償電圧発生部２の回路構成を図２に基づいて説明する。図２に示すように、温度補償電圧発生部２は、温度検出部２０１と、温度検出部２０１の出力電圧がそれぞれ入力されるオペアンプからなる電圧−電流変換用の反転増幅回路２０２及び非反転増幅回路２０３と、これら増幅回路２０２，２０３の出力電流が各別に入力される一対の関数発生回路２０４，２０５と、各関数発生回路２０４，２０５の出力電流を発振回路１の制御電圧変化に対する発振周波数変化の直線性を改善するために補正する電流補正回路２０６，２０７と、補正した電流を加算する加算部２０８と、加算部２０８の出力電流を電圧に変換する電流―電圧変換回路２０９と、変換した補正済の電圧から制御電圧ＶＣを生成する反転増幅回路２１０とからなる。

温度検出部２０１は、ＳＡＷ発振子１０１の周囲温度を検出するもので、図３に示すように、温度上昇につれて所定の傾きで直線的に減少する出力電圧を生成する。したがって、基準温度を決定すれば、これに対する出力電圧は特定されるので、ＳＡＷ発振子１０１の発振周波数が極大値を示す頂点温度を基準温度として、あらかじめ頂点温度、例えば１５℃における出力電圧を測定し、この電圧値をメモリ３に書き込んでおく。温度検出部２０１は、例えば、ダイオード接続した一対のトランジスタを直列に接続して形成することができる。

反転増幅回路２０２は、参照電圧ｖｒｅｆ＿Ｔｏとして、あらかじめメモリ３に書き込まれた温度検出部２０１の頂点温度に対応する出力電圧が与えられる。この反転増幅回路２０２は、図５に示すように、温度検出部２０１の出力電圧が、前記基準温度である頂点温度（図示例では１５℃）に達しない温度に対応する範囲、換言すると参照電圧ｖｒｅｆ＿Ｔｏよりも低い範囲では、零である出力電流を生成し、前記基準温度以上の温度に対応する範囲、換言すると参照電圧ｖｒｅｆ＿Ｔｏ以上の範囲では、温度上昇につれて所定の傾きで直線的に増加する出力電流を生成する。

非反転増幅回路２０３は、参照電圧ｖｒｅｆ＿Ｔｏとして、反転増幅回路２０２と同様に、あらかじめメモリ３に書き込まれた温度検出部２０１の頂点温度に対応する出力電圧が与えられる。この非反転増幅回路２０３は、図４に示すように、温度検出部２０１の出力電圧が、基準温度である頂点温度（図示例では１５℃）に達しない温度に対応する範囲、換言すると参照電圧ｖｒｅｆ＿Ｔｏよりも低い範囲では、温度上昇につれて所定の傾きで直線的に減少する出力電流を生成し、前記基準温度以上の温度に対応する範囲、換言すると参照電圧ｖｒｅｆ＿Ｔｏ以上の範囲では、零になる出力電流を生成する。

反転増幅回路２０２及び非反転増幅回路２０３は、例えば特開２００５−１５０９８２に開示されている、負帰還回路の抵抗値を変えて利得を調整するオペアンプを用いた増幅回路を使用することができる。反転増幅回路２０２及び非反転増幅回路２０３は、参照電圧ｖｒｅｆ＿Ｔｏを変更することにより、図４と図５を合成した図６に示すように、基準温度である頂点温度を変更することができる。すなわち、図６において、点線で示すのが頂点温度が１５℃の場合、実線で示すのが頂点温度が３０℃の場合である。また、反転増幅回路２０２及び非反転増幅回路２０３は、例えばその負帰還回路の抵抗値を変えて、利得を調整することにより、温度変化に対する出力電流の変化率を変えて、図７に示すように、図４、図5に示す直線の傾きを変えることができる。この利得調整を行うためのデータ、例えば、前記負帰還回路の抵抗値もあらかじめメモリ３に書き込まれる。

反転増幅回路２０２及び非反転増幅回路２０３の各出力電流は、変化率が一定で直線的に変化するが、これら各出力電流がそれぞれ関数発生回路２０４，２０５に入力されると、各関数発生回路２０４，２０５は直線的変化の入力電流を二乗特性で変化する電流として出力する。前記各関数発生回路２０４，２０５は、公知のトランスリニア回路を用いて構成することができる。これら各関数発生回路２０４，２０５で生成された二乗特性で変化する電流は、例えばトランスリニア回路からなる各電流補正回路２０６，２０７にそれぞれ入力し、発振回路１の制御電圧変化に対する発振周波数変化の直線性を改善されて、加算部２０８で加算され、図８に示す二乗特性で変化する電流となる。

この加算部２０８で加算された補正済の電流は、電流―電圧変換回路２０９に入力し、この電流―電圧変換回路２０９で上に凸の二乗特性で変化する電圧に変換され（図９参照）、反転増幅回路２１０に入力する。この反転増幅回路２１０は、電流―電圧変換回路２０９から入力した上に凸の二乗特性で変化する電圧ＶＣｉｎを、図９に示すように、下に凸の二乗特性で変化する制御電圧ＶＣに反転増幅して出力する。

反転増幅回路２１０の参照電圧ｖｒｅｆ＿ｆｏを変えることによって、図１０に示すように、上下反転する電圧レベルを変えてＳＡＷ発振子１０１の周波数温度特性の頂点温度に対応する最低制御電圧値を設定することができる。すなわち、前記参照電圧ｖｒｅｆ＿ｆｏが反転増幅回路２１０における上下反転の電圧レベルを示すものであり、この参照電圧ｖｒｅｆ＿ｆｏの値もあらかじめメモリ３に書き込まれる。このように最低制御電圧値を適宜設定することによって、弾性表面波発振子１０１の周波数温度特性を示す二次関数と線対称な、下に凸の二乗特性で変化する制御電圧をより確実に生成することができる。

以上のように、本実施形態によれば、ＳＡＷ発振子１０１の周波数温度特性をあらかじめ測定して、頂点温度に対応する温度検出部２の出力電圧と、周波数温度特性が近似する二次関数の変化率に対応する出力電流の変化を得るための各増幅回路２０２，２０３の負帰還回路の抵抗値と、頂点温度に対応する最低制御電圧値を得るための反転基準となる電圧値とを、メモリ３に書き込んで、前記出力電圧値を各増幅回路２０２，２０３の参照電圧ｖｒｅｆ＿Ｔｏの値として設定し、前記抵抗値で各増幅回路２０２，２０３の利得を設定し、前記電圧値を反転増幅回路２１０の参照電圧ｖｒｅｆ＿ｆｏの値として設定することにより、ＳＡＷ発振子１０１の周波数温度特性が近似する上に凸の二次関数と線対称な下に凸の二乗特性で変化する制御電圧を生成することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、一対の関数発生回路２０４，２０５の後段にそれぞれ設けた電流補正回路２０６，２０７は必ずしも設ける必要はなく、また、温度検出部２０１の出力をオペアンプからなるインピーダンス変換回路を介して各増幅回路２０２，２０３に入力するようよう構成してもよい。

本発明にかかる電圧制御型ＳＡＷ発振器の一実施形態を示す回路図。 同じく温度補償電圧発生部の回路図。 同じく温度検出部の出力状態を示すグラフ。 同じく非反転増幅回路の出力状態を示すグラフ。 同じく反転増幅回路の出力状態を示すグラフ。 同じく頂点温度の変化による反転増幅回路と非反転増幅回路の出力状態を示すグラフ。 同じく利得の変化による反転増幅回路と非反転増幅回路の出力状態を示すグラフ。 同じく加算部の出力状態を示すグラフ。 同じく電流−電圧変換回路の出力とこれを反転増幅した反転増幅回路の出力である制御電圧を示すグラフ。 同じく参照電圧による反転レベルの変化による最低制御電圧の変化を示すグラフ。

符号の説明

１ ＳＡＷ発振器
２ 温度補償電圧発振部
３ メモリ
１０１ ＳＡＷ発振子
１０２ 反転増幅回路
１０５，１０７ 可変容量ダイオード
１１０ 発振周波数制御端子
２０１ 温度検出部
２０２ 反転増幅回路
２０３ 非反転増幅回路
２０４，２０５ 関数発生回路
２０６，２０７ 電流補正回路
２０８ 加算部
２０９ 電流−電圧変換回路
２１０ 反転増幅回路

Claims (5)

1. 周波数温度特性が二次関数で近似される弾性表面波発振子を有し、制御電圧によって出力周波数が制御される発振回路と、この発振回路に前記制御電圧を供給する温度補償電圧発生部とを備えてなる電圧制御型弾性表面波発振器であって、
   前記温度補償電圧発生部は、
   弾性表面波発振子の周囲温度を検出し、検出温度の上昇に対応して一定の変化率で減少する出力電圧を生成する温度検出部と、
   この温度検出部の出力電圧が、あらかじめ設定された基準温度に達しない温度に対応する範囲では、温度上昇に対応して一定の変化率で減少する出力電流を生成し、前記出力電圧が、前記基準温度以上の温度に対応する範囲では、零である出力電流を生成する非反転増幅回路と、
   前記温度検出部の出力電圧が、前記基準温度に達しない温度に対応する範囲では、零である出力電流を生成し、前記基準温度以上の温度に対応する範囲では温度上昇に対応して一定の変化率で増加する出力電流を生成する反転増幅回路と、
   これら非反転増幅回路及び反転増幅回路の各出力電流から二乗特性で変化する電流を生成する一対の関数発生回路と、
   これら各関数発生回路で生成された二乗特性で変化する電流を加算する加算部と、
   この加算された二乗特性で変化する電流を上に凸の二乗特性で変化する電圧に変換する電流―電圧変換回路と、
   この変換された電圧から、弾性表面波発振子の周波数温度特性を示す二次関数と線対称な、下に凸の二乗特性で変化する制御電圧を生成する反転増幅回路と
   からなることを特徴とする電圧制御型弾性表面波発振器。
2. 基準温度の設定は、非反転増幅回路及び反転増幅回路の各参照電圧を、発振周波数が極大を示す頂点温度に対応する温度検出部の出力電圧に設定して行うことを特徴とする請求項１記載の電圧制御型弾性表面波発振器。
3. 非反転増幅回路及び反転増幅回路の各出力電流の変化率は、弾性表面波発振子の温度に依存した発振周波数の変化率に合うように前記各増幅回路の利得を調整して設定することを特徴とする請求項１記載の電圧制御型弾性表面波発振器。
4. 制御電圧を生成する反転増幅回路の参照電圧によって、周波数温度特性の頂点温度に対応する最低制御電圧値を設定することを特徴とする請求項１記載の電圧制御型弾性表面波発振器。
5. 一対の関数発生回路のそれぞれの後段に、発振回路の制御電圧変化に対する発振周波数変化の直線性を改善するための電流補正回路を設けることを特徴とする請求項１記載の電圧制御型弾性表面波発振器。
   

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