JP5205827B2 - 発振周波数制御方法及び発振器 - Google Patents

Description

本発明は、発振周波数制御方法及び発振器に関し、特に温度が変化したときに、高い応答性を持って正確に発振周波数を調整する発振周波数制御方法及び発振器に関する。

近年、携帯電話やＧＰＳ（Ｇｒｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）のニーズが広まり、それらに使用されている発振器の発振周波数に、より厳しい周波数精度が求められている。また、発振器の温度が変動したときにも、温度変化に対して応答性よく発振周波数を調整することにより、発振周波数の変動を極力抑えた発振器のニーズも高まっている。

発振周波数の精度が高く、温度が変化したときにも発振周波数の変動を抑えることができる発振器として、温度補償型水晶発振器がよく用いられている。従来の技術では、温度センサを用いて測定した温度に基づき、発振器に接続した可変容量素子に与える制御電圧を制御する温度補償水晶発振器が記載されている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、水晶振動子に接続された可変容量素子の静電容量を調整することにより温度補償している。

図１９に、水晶発振器の温度と発振周波数の偏差の関係の一例を示す。図２０に、従来の温度補償型水晶発振器の例を示す。図１９、図２０を用いて、水晶発振器の温度特性、及び従来の温度補償型水晶発振器の構造、動作について説明する。図１９のように、水晶発振器の発振周波数の偏差は、温度補償をしていないとき、温度特性１９０１のように変化する。水晶振動子４０１は発振器で使用されたとき、水晶振動子４０１に固有の発振周波数（以降、「固有周波数」という。）で発振する。固有周波数は温度によって変化するため、水晶振動子４０１は、ある温度、例えば常温である２５°等のときに、所望の周波数になるように製作される。基準温度のときの固有周波数を、以降「基準周波数」という。以降、その温度における実際の発振周波数から基準周波数を引いた周波数を、「周波数偏差」という。温度補償型水晶発振器は、図１９のような発振周波数の温度特性１９０１を補償し、温度変化に対して極力発振周波数が変化しないようにした水晶発振器である。すなわち、温度補償型水晶発振器は、補償特性１９０２のような周波数変化を発生するように、水晶発振器の所定のパラメータを制御する。このとき、温度補償型水晶発振器の温度補償後の温度特性は、補償後特性１９０３のようになり、温度変化に対する発振周波数の変化が極めて小さくなる。

次に、従来の温度補償型水晶発振器の構造及び動作について説明する。図２０のように、温度補償型水晶発振器は、水晶発振部１０１、温度センサ２００１、温度補償部１０３、発振周波数変更部１０４を備える。発振部１０１は、水晶振動子４０１、インバータ４０２、帰還抵抗４０３、コンデンサ４０４、４０５を備える。インバータ４０２は、その出力が帰還抵抗４０３によって入力に帰還されることにより、反転増幅器として動作する。コンデンサ４０４、４０５は、発振部１０１を水晶振動子４０１の固有周波数で安定して発振させるために接続されている。

発振周波数変更部１０４は、可変容量ダイオード４０６、コンデンサ４０７を備える。可変容量ダイオード４０６は、パラメータ制御信号１０７によって静電容量（以降、単に「容量」という。）を変化させることができる。コンデンサ４０７は、直流電圧であるパラメータ制御信号１０７をカットし、可変容量ダイオード４０６の容量成分のみを発振部１０１に伝えるためのものである。従って、コンデンサ４０７のインピーダンスが発振周波数の調整範囲、すなわち基準周波数付近において十分小さくなるように、コンデンサ４０７の容量は大きめの値が選択される。

温度補償型水晶発振器は、まず温度センサ２００１を用いて温度を測定する。そして、温度特性１９０１を打ち消すように、温度補償部１０３が発振周波数変更部１０４を制御し、発振周波数を調整する。すなわち、温度補償部１０３が、補償特性１９０２のように各温度に対応した周波数補正を行う。具体的には、温度補償部１０３が、周波数の補正量に応じて発振周波数制御信号１０７を発生し、可変容量ダイオード４０６を変化させ、発振部１０１の発振周波数を変化させる。これにより、温度特性１９０１と温度特性１９０２が打ち消しあい、補償後特性１９０３のように、温度変化に対する発振周波数の変化が極めて小さい温度補償型水晶発振器が実現する。このように、現在の温度を検知することで、温度に依存する周波数偏差を抑えるように機能するのが、従来の温度補償型水晶発振器である。

上述のように、水晶発振部１０１の発振周波数を制御する方法については、水晶振動子４０１に接続する容量を制御する方法がよく知られている。図２１は、一般的なコルピッツ型の水晶発振器における、水晶振動子に接続される外付け容量Ｃ１、Ｃ２の値と発振周波数との関係の例を示すグラフである。このように、Ｃ１、Ｃ２を変化させることにより、発振周波数を変化させることができる。特許文献１に記載の水晶発振器でも、水晶振動子に接続された容量を変化させることにより発振周波数を変化させている。

一方、温度センサを使用せず、温度特性補正素子を水晶振動子に直列に接続し、水晶振動子の周波数温度特性を補正する水晶発振器もある（例えば、特許文献２）。

特開２００５−３４７９２９号公報 （第５、６頁、図１） 特開２００４−３６４０８２号公報 （第４−５頁、図１）

上記の各公知技術にはそれぞれ問題がある。

図２０及び特許文献１に記載の温度補償型水晶発振器では、温度補償型水晶発振器の温度が急激に変化すると、温度センサ２００１の温度と、水晶振動子４０１との温度に差が生じる。なぜなら、温度センサ２００１は水晶振動子４０１の水晶片自体の温度を測定することができないためである。水晶振動子４０１は水晶片から成っており、水晶片が機械的に振動することにより所定の周波数で発振する。そのため、水晶振動子４０１に温度センサを直接に接触させることはできない。従って、水晶振動子４０１の温度変化に正確に対応したパラメータ制御信号１０７を発生させることができず、発振器出力信号１０５の周波数が正しく制御できないという問題がある。

この問題が発生する理由について、図１９、図２２を用いてさらに詳細に説明する。図２２（ａ）は、従来の温度補償型水晶発振器の温度及び水晶振動子４０１の温度変化を示す。図２２（ｂ）は、従来の温度補償型水晶発振器の発振周波数の偏差の時間経過を示す。

まず初期状態で、温度補償型水晶発振器の温度がＴ１であり、温度補償前には周波数Ｆ１で発振しているものとする。このときの周波数偏差ΔＦ１は、
ΔＦ１＝Ｆ０−Ｆ１
である。ここで、Ｆ０は基準周波数、Ｆ１は温度がＴ１のときの発振周波数である。このとき、発振周波数はΔＦ１だけ補償され、発振周波数はＦ０に補償される。

この状態において、時刻ｔ１に温度補償型水晶発振器の温度がＴ１からＴ２へ急に変化したと仮定する。温度補償型水晶発振器の温度は、図２２（ａ）の温度変化２２０１のように変化する。温度補償型水晶発振器の温度の変化は、水晶振動子４０１には速やかに伝わらないため、水晶振動子４０１の温度は、図２２（ａ）の温度変化２２０２のように変化する。水晶振動子４０１の温度は時刻ｔ１においてＴ１のままとなっており、徐々にＴ２に近づいていく。

ところが、温度補償部１０３の温度はＴ２に変化しているため、ΔＦ２だけ周波数が補償される。従って、発振周波数Ｆ２’は、
Ｆ２’＝Ｆ１＋ΔＦ２＝Ｆ０−ΔＦ１＋ΔＦ２
＝Ｆ０＋（ΔＦ２−ΔＦ１）
となる。このときの周波数偏差ΔＦ２’は、
ΔＦ２’＝ΔＦ２−ΔＦ１であり、
０ではない。つまり、本来、水晶振動子４０１の発振周波数は、ΔＦ１だけ補償されるべきところが、時刻ｔ２において、一旦ΔＦ２だけ調整されてしまうために、周波数偏差が生じることになる。

その後、水晶振動子４０１の温度もＴ２に近づいてゆき、水晶振動子４０１の温度がＴ２に一致した時刻ｔ３で、周波数偏差は０になる。以上の周波数偏差の時間的な変化を、図２２（ｂ）に示す。このように、従来の温度補償型水晶発振器には、一旦誤まった周波数に調整されるという問題があった。

上記のように、誤った周波数に調整される根本原因は、温度自体を測定し、その温度に基づき周波数を調整していることにある。温度を測定するためには、温度センサを用いる必要がある。ところが、温度センサによって測定することができる温度は温度センサ近傍の温度である。測定された温度は発振器や水晶振動子自体の温度には厳密には一致しない。本来は、温度変化により実際に発振器や水晶振動子が受けた影響を検知して、温度補償を行うことが望ましい。なぜなら、温度センサ近傍の温度が変化しても、発振器や水晶振動子の温度が変化していないならば、温度補償を行う必要はないためである。このように、従来の温度補償型水晶発振器は、温度を測定し、それに基づき温度補償を行っているため、温度による発振周波数への影響を、正確に補償することができないという問題がある。

従来の温度補償型水晶発振器には、その他にも、温度センサ２００１の消費電流の問題がある。すなわち、温度センサとして一般的にダイオードやサーミスタが用いられるが、これらの温度センサはバイアスが必要な素子であり、常時電流を消費する。また、温度センサの電源の雑音の影響も受けるため、温度補償部１０３から発振周波数変更部１０４へのパラメータ制御信号１０７に雑音が混入する。そのため、温度補償型水晶発振器の出力に位相雑音が発生し、信号の品質が劣化する可能性がある。

特許文献２に記載の温度補償型水晶発振器では、サーミスタの温度特性を利用して温度補償を行っている。しかし、水晶振動子の温度特性を正確に打ち消すような温度特性をサーミスタに持たせることは困難である。なぜなら、水晶振動子とサーミスタは異なる材料で形成された素子であるから、両方の温度特性を厳密に一致させることは困難であるためである。従って、従来の温度補償型水晶発振器には、周波数偏差が残ることは避けられないという問題がある。
（発明の目的）
本発明は上記のような技術的課題に鑑みて行われたもので、温度によって変化する発振周波数を、応答性良く、正確に、所定の基準周波数に調整し、発振周波数を一定に保つことができる発振周波数の制御方法及び発振器を提供することを目的とする。

本発明の発振周波数制御方法は、発振周波数及び出力信号の振幅が温度に依存して変化する水晶振動子を備え、所定の発振周波数制御信号を用いて発振周波数の変更が可能な発振器の発振周波数制御方法であって、振幅を測定する工程、振幅に基づき発振周波数制御信号を制御し、発振周波数を変更する工程を備え、発振器は、サーミスタを備えることにより、水晶振動子の温度変化による振幅の変動にサーミスタの温度変化による振幅の変動が加算され、振幅が温度に依存して変化する量を増加させていることを特徴とする。

本発明の発振器は、発振周波数及び出力信号の振幅が温度に依存して変化する水晶振動子を備え、所定の発振周波数制御信号を用いて発振周波数の変更が可能な発振器であって、振幅を測定する振幅測定部と、振幅に基づき発振周波数制御信号を制御し、発振周波数を変更する温度補償部を備え、発振器は、サーミスタを備えることにより、水晶振動子の温度変化による振幅の変動にサーミスタの温度変化による振幅の変動が加算され、振幅が温度に依存して変化する量を増加させていることを特徴とする。

発振周波数制御信号を制御するとき、予め記憶された、振幅と周波数制御信号との対応情報に基づき制御してもよい。

発振周波数制御信号を制御するとき、発振周波数制御信号を用いて発振器が備える可変容量素子の静電容量を制御し、発振周波数を変更してもよい。その可変容量素子は、接続される固定静電容量の個数を変更することにより静電容量の変更が可能な可変容量素子であって、発振周波数制御信号を用いて個数を変更してもよい。

本発明の発振周波数の制御方法及び発振器は、発振器の出力の振幅を測定し、その結果に基づき発振周波数を制御する。そのため、発振器自体の温度変化による発振周波数への影響を的確に検知することができるので、発振周波数を応答性良く、正確に調整することができるという効果がある。

また、温度センサを使用しないため、温度センサを動作させるために必要となるバイアス電流等、温度測定に要する消費電流を削減することができる。そして、温度測定の結果に影響を与える、温度センサの電源部分のノイズの影響を考慮する必要がないという効果もある。

図１を用いて、本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明の最良の実施形態の温度補償型発振器のブロック図である。図２は、本発明の最良の実施形態の温度補償型発振器の発振周波数及び発振出力の振幅の発振部の温度に対する温度依存性の例を示すグラフである。図３は、本発明の最良の実施形態の温度補償型発振器における、発振出力振幅と周波数補正量の関係を示すグラフである。

図１のように、本実施形態の温度補償型発振器は、発振部１０１、振幅測定部１０２、温度補償部１０３、発振周波数変更部１０４を備える。

発振部１０１は、発振器の温度に依存する発振周波数で発振し、発振出力信号１０５を出力する。ここで、所定の「基準温度」における発振周波数を「基準周波数」と定義する。「基準温度」は任意の温度であり、例えば、常温として摂氏２５°と定めればよい。温度補償型発振器は、発振部１０１の温度が基準温度ではない温度になり、発振周波数が基準周波数から変化したときに、発振周波数を基準周波数に近づけるように制御する発振器である。

振幅測定部１０２は、発振出力信号１０５の振幅を測定し、振幅情報信号１０６を出力する。

温度補償部１０３は、振幅情報信号１０６に基づき、発振周波数変更部１０４に、発振周波数制御信号１０７を出力する。

発振周波数変更部１０４は、発振周波数制御信号１０７に基づき、発振部１０１の発振周波数を変更する。発振周波数制御信号１０７と、発振周波数変更部１０４により変更された発振周波数との関係は、予め設計により、あるいは実験的に求めておく。

発振周波数変更部１０４による発振周波数の変更方法の具体例としては、発振部１０１に接続した、発振周波数に影響を与えることができる素子の値を変える方法がある。素子の例としては、可変容量ダイオード、コンデンサ、抵抗、インダクタがある。あるいは、発振部１０１と発振周波数変更部１０４とで電圧制御発振器（ＶＣＯ）を構成し、発振周波数制御信号１０７をＶＣＯの発振周波数制御電圧として変化させることによって、発振周波数を変更する方法もある。
（最良の実施形態の動作）
図２のように、発振周波数ｆ及び発振出力信号１０５の振幅Ｖ（以降、「発振振幅」という。）は、発振部１０１の温度Ｔに依存して変化する。初期段階では、発振部１０１は、基準温度Ｔ０において、基準周波数ｆ０で発振し、そのときの発振振幅は基準振幅Ｖ０となっている。そして、発振部１０１の温度ＴがＴ０から上昇しＴ１になったとき、発振周波数はｆ１に上昇し、発振振幅はＶ１に減少する。逆に、温度ＴがＴ０から下降しＴ２になったときには、発振周波数はｆ２に下降し、発振振幅はｖ２に増加する。

発振周波数と発振振幅が、温度によって変化する原因は、発振部１０１を構成する能動素子、受動素子が、通常、温度特性を持っていることにある。例えば、水晶発振器であれば、水晶振動子自体が温度特性を持っているために、発振周波数も温度特性を持つ。また、発振器の増幅器を構成する能動素子が温度特性を持つため、増幅率も温度特性を持ち、発振振幅も温度特性を持つ。このように、発振周波数と発振振幅が、温度特性を持つことは一般的であると考えてよい。

そこで、発振周波数と発振振幅の温度特性を利用し、発振振幅に基づき発振周波数を調整することにより、発振部１０１の温度変化による発振周波数の変化を補償することができる。すなわち、図３のように、発振振幅がＶ１のときには、発振周波数をｆ０になるようにΔｆ１＝ｆ１−ｆ０だけ上昇（Δｆ１は負の値なので、実際には下降させる）させることにより温度補償が可能である。そして、発振振幅がＶ２のときには、発振周波数をΔｆ２＝ｆ２−ｆ０だけ上昇させることにより温度補償が可能である。

上述のように、発振周波数制御信号１０７と発振周波数との関係は予め求めることができるので、温度補償部１０３が発振周波数制御信号１０７を出力することにより、発振周波数を任意の値に変更することができる。従って、温度補償部１０３は、振幅情報信号１０６に基づき発振周波数制御信号１０７を出力することにより、発振周波数を必要な量だけ上昇あるいは下降させ、発振周波数を基準周波数ｆ０に調整することができる。

振幅情報信号１０６と発振周波数制御信号１０７との対応関係を温度補償部１０３内に記憶させておき、その情報に基づき温度補償部１０３が発振周波数制御信号１０７を出力してもよい。

このようにして、本温度補償型発振器の発振部１０１の温度が変化し、発振周波数が基準周波数でない値に変化したときに、再び基準周波数で発振するように調整することができる。
（最良の実施形態の効果）
以上のように、本温度補償型発振器は、温度センサを備えるのではなく、発振振幅を測定することにより温度変化による発振部への影響を検知し、発振周波数を調整する。このように、発振部自体の温度変化を直接検知するので、発振周波数を正確に基準周波数に調整することができる。従って、発振周波数の安定した温度補償型発振器を実現することができる。

また、温度センサを使用しないので、例えばセンサに流すバイアス電流を消費することがなく、かつセンサ部の電源雑音の影響を受けない。そのため、発振器の出力波形の位相雑音特性を良好に保つことができる。

さらに、温度変化による発振器への影響を正確に検知することができるので、高価な恒温槽を用いて温度依存性のない発振器を構成する必要はなく、発振器のコストを低減することができる。

次に、図４、図５、図６、図７、図８、図９を用いて、本発明の第１の実施例の温度補償型発振器について説明する。第1の実施例の温度補償型発振器は、現在広く用いられているコルピッツ型の温度補償型水晶発振器である。図４は、第１の実施例の温度補償型水晶発振器のブロック図である。図５は、第１の実施例の温度補償型水晶発振器の発振周波数及び発振振幅の、発振部の温度に対する温度依存性の例を示すグラフである。図６は、第１の実施例の温度補償型水晶発振器の発振振幅と発振周波数の補正量の関係の例を示すグラフである。図７は、第１の実施例の温度補償型発振器における、可変容量ダイオードの容量値と発振周波数の関係を示すグラフである。図８は、第１の実施例の温度補償型発振器における、発振周波数制御信号と可変容量ダイオードの容量値の関係を示すグラフである。図９は、第１の実施例の温度補償型発振器における、発振振幅と周波数変更信号の関係を示すグラフである。

図４のように、本実施例の温度補償型水晶発振器は、発振部１０１、振幅測定部１０２、温度補償部１０３、発振周波数変更部１０４を備える。

発振部１０１は、水晶振動子４０１、インバータ４０２、帰還抵抗４０３、コンデンサ４０４、４０５を備える。インバータ４０２は、その出力が帰還抵抗４０３によって入力に帰還されることにより、反転増幅器として動作する。コンデンサ４０４、４０５は、発振部１０１を水晶振動子４０１の固有周波数で安定して発振させるために接続されている。

本温度補償型水晶発振器では、基準温度Ｔ０における水晶振動子４０１の固有周波数が、発振器としての基準周波数ｆ０となる。本温度補償型水晶発振器は、発振部１０１の温度Ｔが変化し発振周波数ｆが変化したときに、発振周波数ｆを基準周波数ｆ０に近づけるように制御する。

振幅測定部１０２は、発振部１０１の発振出力信号１０５の振幅を測定し、振幅情報信号１０６を出力する。振幅測定部１０２の具体的な処理内容には、例えば、発振出力信号１０５を整流し、さらに低周波成分のみを取り出し、振幅情報信号１０６として出力するような処理である。

温度補償部１０３は、振幅情報信号１０６に基づき、発振周波数変更部１０４を制御するためのパラメータ制御信号１０７を発生する。パラメータ制御信号１０７は直流の電圧である。

発振周波数変更部１０４は、パラメータ制御信号１０７によって容量を制御することができる回路又は素子である。従って、発振周波数変更部１０４の構造、動作原理は特に限定されない。第１の実施例の発振周波数変更部１０４は、可変容量ダイオード４０６、コンデンサ４０７を備える。前述のように、コンデンサ４０７は、直流電圧であるパラメータ制御信号１０７をカットし、可変容量ダイオード４０６の容量成分のみを発振部１０１に伝えるためのものである。従って、発振周波数の調整範囲において、コンデンサ４０７のインピーダンスは可変容量ダイオード４０６のインピーダンスよりも十分小さい。
（実施例１の動作）
始めに、発振部１０１の発振周波数を変化させる方法について説明する。図２１のように、コルピッツ型水晶発振器では、発振器の入力側又は出力側に接続された２個の外付けコンデンサの、一方又は両方の値を変化させることにより、発振周波数を調整することができる。第１の実施例では、コンデンサ４０４とそれに並列に接続された可変容量ダイオード４０６との合成コンデンサが入力側の外付けコンデンサに相当する。また、コンデンサ４０５が出力側の外付けコンデンサに相当する。

そこで、第１の実施例では、入力側のコンデンサの容量を変化させることにより、発振周波数を調整する。このとき、コンデンサ４０７は、基準周波数付近において十分インピーダンスが低いものとして無視できるので、可変容量ダイオード４０６の容量のみを変化させればよい。

次に、発振部１０１の温度変化を検出する方法について説明する。発振部１０１の温度が変化すると、図５のように発振周波数及び発振振幅が変化する。始めにその理由について説明する。

水晶振動子４０１は、発振状態では等価的に、インダクタンス（等価インダクタンス）と抵抗（等価直列抵抗）が直列に接続された素子として動作する。発振周波数は、この等価インダクタンスと、外付け容量を含めた発振器の容量に依存し変化する。また、発振時の発振出力信号の振幅も、等価直列抵抗等に依存し変化する。そして、等価インダクタンス及び等価直列抵抗は温度依存性を持っている。そのため、発振部１０１の温度が変化することにより、水晶振動子４０１の温度が変化し、等価インダクタンス及び等価直列抵抗が変化すると、発振周波数及び発振出力信号の振幅が変化する。そして、水晶発振器の発振周波数へ与える影響は、図１９のように、水晶振動子４０１の温度特性によるものが最も大きい。

なお、本実施例では、発振部１０１全体の温度は均一であり、水晶振動子４０１の温度もその温度に等しいものとしている。しかし、発振部１０１全体の温度が均一でなく、水晶振動子４０１の温度と異なる箇所があったとしても、発振周波数及び発振振幅には、水晶振動子４０１の温度変化による影響を含めた影響が現れる。そのため、発振振幅に基づき発振周波数を調整することで、水晶振動子４０１の温度変化による影響を含めて温度補償することができる。

図５（ａ）は発振部１０１の温度Ｔと発振周波数ｆの関係の例を示す。このように、発振部１０１の温度が基準温度Ｔ０から上昇しＴ１になると、発振周波数がｆ１に下降する。水晶振動子の温度がＴ０から下降しＴ２になると、発振周波数はｆ２に上昇する。従って、温度補償を行うためには、温度Ｔ１では発振周波数をΔｆ１だけ上昇させ、温度Ｔ２ではΔｆ２だけ下降させればよい。なお、温度Ｔの上昇に対して発振周波数ｆは単調に増加しないので、基準温度Ｔ０以外でも、発振周波数ｆが基準周波数ｆ０になる温度が存在する。すなわち、温度Ｔ３、Ｔ４において、発振周波数ｆは基準周波数ｆ０になる。温度Ｔ３、Ｔ４では温度補償の必要はない。

図５（ｂ）は発振部１０１の温度Ｔと発振振幅Ｖの関係の例を示す。このように、発振部１０１の温度が基準温度Ｔ０から上昇しＴ１になると、発振振幅がＶ１に減少する。水晶振動子の温度がＴ０から下降しＴ２になると、発振振幅はＶ２に増加する。

図５（ａ）、（ｂ）から、発振部１０１の温度変化による発振周波数の変化を、発振振幅の変化によって検知することができることがわかる。図６は、図５（ａ）、（ｂ）から求めた、発振振幅と発振周波数の補正量の関係を示す。このように、まず発振振幅を求め、求めた振幅の大きさに基づき、発振周波数を調整すればよい。そのためには、発振振幅と発振周波数制御信号１０７との関係を求めればよい。

図７は、発振部１０１の温度毎の、可変容量ダイオード４０６の容量の値（以降、単に「容量値」という。）Ｃと発振周波数の関係を示すグラフである。発振周波数ｆは、発振部１０１の温度が基準温度Ｔ０のとき、基準周波数ｆ０に調整されている。このときの容量値をＣ０とする。ここで、発振部１０１の温度がＴ０からＴ１に上昇すると、発振周波数はｆ１に下降する。このとき、容量値はＣ０のままである。この状態で、容量値をＣ１に減少させると、発振周波数をｆ０にΔｆ１だけ上昇させることができる。発振部１０１の温度がＴ２に下降したときも同様であり、容量値をＣ２に増加させることにより、発振周波数をｆ０にΔｆ２だけ下降させることができる。

図８は、発振周波数制御信号１０７の値ＶＣと、容量値Ｃの関係を示すグラフである。Ｃ１は温度Ｔ１のときの発振周波数をｆ１からΔｆ１だけ上昇させｆ０にすることができる容量値であり、Ｃ２は温度Ｔ２のときの発振周波数をｆ２からΔｆ２だけ下降させｆ０にすることができる容量値である。図８より、容量値をＣ１、Ｃ２にするためのＶＣ１、ＶＣ２、すなわち、発振周波数をそれぞれΔｆ１だけ上昇、Δｆ２だけ下降させるためのＶＣ１、ＶＣ２を求めることができる。

よって、図６、図８より、発振振幅Ｖと発振周波数制御変更信号１０７の大きさＶＣの関係を求めることができる。図９は、図７、図８より求めた、発振振幅Ｖと、パラメータ制御信号１０７の大きさＶＣの関係を示すグラフである。

以上が本発明の温度補償型水晶発振器における温度補償の原理である。実際には、温度補償を行うために、発振部１０１の温度Ｔや可変容量ダイオードの容量値Ｃを求める必要はない。すなわち、まず温度Ｔを基準温度Ｔ０にして、発振周波数ｆが基準周波数ｆ０になるように発振周波数制御信号の値ＶＣを調整する。その状態で温度Ｔを変化させ、各温度における発振周波数ｆを基準周波数ｆ０に調整するために設定すべきＶＣを求めればよい。

図９に示す対応関係で、発振振幅に対応させて、発振周波数制御信号１０７の大きさを変化させる方法には種々の方法がある。例えば、振幅情報信号１０６を入力信号とする折れ線回路を用いて、図９に示す対応関係で発振周波数制御信号１０７を出力してもよい。折れ線近似回路は、オペアンプ、ダイオード等を用いて構成することが可能であり、当業者には周知の回路である。あるいは、振幅情報信号１０６と発振周波数制御信号１０７の大きさの対応関係を予めメモリに記憶させ、記憶された情報に基づき、発振周波数制御信号１０７を出力してもよい。この方法については、第２の実施例として後述する。

なお、本実施例では、発振出力信号１０５の振幅を測定することにより、発振部１０１の温度変化を検知している。これは、発振部１０１の出力がインバータ４０１に駆動されているため、インピーダンスが低く、信号を取り出すのに適しているためである。しかし、振幅発振部１０１の入力側の振幅（インバータ４０２への入力振幅）も温度に依存して変化するので、入力側の振幅を測定して温度変化を検知してもよい。

また、第１の実施例では、水晶発振器の形式の例としてコルピッツ型を用いたが、水晶発振器の形式は特に限定されない。容量、電圧等、所定のパラメータを用いて周波数を変化させることができる水晶発振器であれば、その他の形式の水晶発振器であっても、本発明を適用することができる。
（実施例１の効果）
以上のように、本発明の第１の実施例の温度補償型発振器は、温度センサを使用せず、発振器の出力振幅を測定し、温度変化を検知する。発振器の出力の変化を検知するので、実際に発振に関わっている水晶振動子を含め、発振器全体の温度変化による影響を直接検知することができる。そのため、正確な温度補償が可能であり、温度補償型発振器の温度が変化した場合でも、発振周波数を基準周波数で一定に保つことができる。特に、温度補償型発振器の温度が急激に変化し、発振器内部の水晶振動子の温度変化との間に時間的なずれが生じる場合でも、正確に発振周波数を一定に保つことができる。

また、温度センサを使用するための消費電流が不要であり、温度センサの電源雑音の影響を受けないために、出力波形の位相雑音が改善する。

さらに、温度変化による発振器への影響を正確に検知することができるので、高価な恒温槽を用いて温度依存性のない水晶発振器を構成する必要はなく、発振器のコストを低減することができる。

そして、発振部には、一般的な形式であるコルピッツ型水晶発振器を使用し、周波数を調整するための素子として可変容量ダイオードを使用することができる。そのため、水晶発振器の特徴である高い精度に加え、温度補償機能も備える発振器を、容易に、また安価に実現することができる。

本発明の温度補償型発振器は、さらに精密に温度補償を行なうことができる。図１０は、第２の実施例の温度補償型水晶発振器のブロック図である。図１０を参照して、本実施例の温度補償型水晶発振器について説明する。温度補償部１０３以外の構成は、図４の第１の実施例の温度補償型水晶発振器と同様である。そこで、温度補償部１０３の構成及び動作を中心に説明し、その他の部分については説明を省略する。

本実施例の温度補償型水晶発振器の温度補償部１０３は、温度補償制御部１００１、補償電圧記憶部１００２、電圧発生部１００３を備える。

温度補償制御部１００１は、振幅測定部１０２からの振幅情報信号１０６と補償電圧記憶部１００２の記憶内容に基づき、電圧発生部１００３に指示を与える。

補償電圧記憶部１００２は、水晶振動子４０１の温度特性を補償し周波数を調整するための情報を記憶する。記憶する情報は、発振出力信号１０５の振幅を示す振幅情報信号１０６の値と発振周波数制御信号１０７の値との対応関係を示す情報である。

補償電圧記憶部１００２が記憶する情報の内容について、具体的に説明する。第１の実施例を用いて説明したように、振幅情報信号１０６の値と発振周波数制御信号１０７の値との関係は図９のように求めることができる。従って、補償電圧記憶部１００２は、振幅情報信号１０６の値と発振周波数制御信号１０７の値との関係を記憶すればよい。具体的には、振幅情報信号１０６の値と発振周波数制御信号１０７の値を、数値の組として、データ・テーブルに記憶すればよい。数値の組の個数を多くするほど精密な温度補償が可能になるので、数値の組の個数は求められる精度に応じて決めればよい。

電圧発生部１００３は、温度補償制御部１００１からの指示に基づき、発振周波数制御信号１０７を出力する。
（実施２の動作）
まず始めに、最良の実施形態及び第1の実施例と同様に、第２の実施例の温度補償型水晶発振器においても、温度変化による発振部１０１の影響を、発振出力信号１０５の振幅レベルの測定により検知する。

温度補償制御部１００１は、発振振幅情報１０６及び補償電圧記憶部１００２が記憶する情報を参照し、電圧発生部１００３を制御する。すなわち、温度補償制御部１００１は、発振振幅情報１０６を参照し、発振振幅に対応した発振周波数制御信号１０７の値を補償電圧記憶部１００２の記憶情報から読み出す。そして、 温度補償制御部１００１は、電圧発生部１００３を用いて、発振周波数制御信号１０７を制御する。発振周波数制御信号１０７は、可変容量ダイオード４０６に印加される容量制御電圧として可変容量ダイオード４０６の容量値を制御する。このようにして、発振部１０１の発振周波数は、発振振幅に基づき制御される。
（実施例２の効果）
以上のように、第２の実施例の温度補償型水晶発振器では、発振周波数を調整するための情報を記憶しておき、その情報に基づき発振周波数を調整する。そのため、発振周波数が変動した場合でも、その変動に応じた正確な発振周波数の調整を行うことができるという効果がある。

温度の変化に対する発振振幅の変化が敏感であるほど、温度補償を迅速に、感度良く行うことができる。ところで、水晶発振器の発振振幅は、水晶振動子に直列に接続した抵抗（以降、「直列抵抗」という。）の値により変化する。水晶振動子に直列に接続した抵抗値と水晶発振器の発振振幅の関係の一例を図１１に示す。直列抵抗は、水晶発振器の増幅器の増幅率を低下させる効果がある。そのため、直列抵抗は、電源電圧以上になるような過大な発振振幅を減少させたり、意図した周波数以外で発振するような異常発振を防止したりするためによく用いられる。

そこで、第３の実施例では、発振器に温度依存性の大きな抵抗を接続し、温度の変化に対して発振振幅が大きく変化するようにした発振器を構成する。図１２は、第３の本実施例の温度補償型水晶発振器のブロック図である。すなわち、図１２のように、サーミスタ１２０１を水晶振動子４０１に直列に接続する。サーミスタ１２０１は、図１３のように接続してもよい。図１３の場合は、サーミスタ１２０１が発振部１０１の増幅器であるインバータ４０２の出力に直列に接続されることになる。そのため、増幅器の増幅率を変化させるので、発振振幅を変化させることができる。
（実施例３の動作）
図１２、図１３の温度補償型水晶発振器では、発振部１０１の温度が変化すると、サーミスタ１２０１の抵抗が大きく変化する。そのため、水晶振動子４０１の温度変化による発振振幅の変動に加え、サーミスタ１２０１の抵抗の変化よる振幅の変動が加算される。そのため、温度の変化に対して、発振振幅が敏感に変化するようになり、温度の変化を感度良く検知することができる。

なお、第３の実施例では、図５（ｂ）のように、発振部１０１の温度が上昇すると、発振振幅が減少するものとしている。そのため、温度が上昇したときには発振振幅をより減少させるために、図１４のように、温度が上昇したときには抵抗が増加するような温度特性をもつサーミスタ１２０１を用いる必要がある。
（実施例３の効果）
以上のように、第３の実施例の温度補償型水晶発振器では、温度に対して敏感に抵抗が変化する素子を発振部に接続する。そのため、発振振幅は、温度の変化に対して大きく変化する。そのため、温度補償型水晶発振器の温度補償の性能が高感度になるという効果がある。

第４の実施例では、発振周波数変更部１０４を、可変容量ダイオードではなく、複数の固定容量を用いた可変容量素子１５０８で構成している。図１５、図１６は、第４の実施例の温度補償型水晶発振器の回路図である。図１７は、第４の実施例の温度補償型水晶発振器の発振振幅と可変容量素子の値の関係を示すグラフである。

図１５の温度補償型水晶発振器では、発振周波数変更部１０４として、複数の固定容量１５０１、１５０２、１５０３を並列に接続した可変容量素子１５０８を用いている。そして、固定容量１５０１、１５０２、１５０３に接続したスイッチ１５０４、１５０５、１５０６をスイッチ制御信号１５０７により開閉することにより、可変容量素子１５０８の容量を変化させる。スイッチ１５０４、１５０５、１５０６は、一般的なアナログスイッチである。

ところで、前述のように、図７より、発振周波数をｆ１からΔｆ１だけ上昇させｆ０にすることができる容量値Ｃ１及び、発振周波数をｆ２からΔｆ２だけ下降させｆ０にすることができる容量値Ｃ２を求めることができた。よって、図６、図７より、発振振幅Ｖと周波数の調整に必要な容量の設定値Ｃの関係を求めることができる。図１７は、図６、図７より求めた、発振振幅Ｖと、容量値Ｃの関係を示すグラフである。

そこで、温度補償部１０３は、図１７に基づき、振幅情報信号１０６が示す発振振幅の値に従ってスイッチ制御信号１５０７を制御し、可変容量素子１５０８の容量を変化させる。可変容量素子１５０８の容量は、発振振幅に従い、スイッチ１５０４、１５０５、１５０６の開閉状態により段階的に変化する。そのため、発振部１０１の発振周波数を段階的に変化させ、発振周波数を調整することができる。

なお、発振周波数の広い範囲において微調整をするためには、固定容量１５０１、１５０２、１５０３の値に大小を設ければよい。例えば、固定容量１５０１の容量をＣ’とし、固定容量１５０２の容量を２Ｃ’、固定容量１５０３の容量を４Ｃ’とすれば、発振周波数変更部１０４の容量は、Ｃ’から７Ｃ’まで、Ｃ’単位で変化させることができる。そして、すべての温度において許容することができる周波数偏差と同じ周波数だけ変化させることができるような容量をＣ’として選択すれば、発振周波数は容易に許容範囲内に調整することができる。本実施例では、固定容量の個数は３個としているが、さらに個数を増加させてもよい。

発振周波数の調整に必要な時間は、スイッチ制御信号１５０７の変化に対するスイッチ１５０４、１５０５、１５０６の応答遅れ分のみである。従って、周波数調整の応答性が極めて高い温度補償型水晶発振器を実現することができる。

また、スイッチ１５０４、１５０５、１５０６の開閉制御するスイッチ制御信号１５０７はデジタル信号である。従って、アナログ電圧を発生させる必要がないため、発振周波数変更部１０４の消費電流を低減させることができ、ノイズにも強い温度補償制御が可能である。

図１６の温度補償型水晶発振器の発振周波数変更部１０４では、複数の固定容量１６０１、１６０２、１６０３を直列に接続した可変容量素子１６０８を用いている。図１６の温度補償型水晶発振器でも、図１５の場合と同様に、固定容量１６０１、１６０２、１６０３に接続したスイッチ１６０４、１６０５、１６０６をスイッチ制御信号１６０７により開閉することにより、可変容量素子１６０８の容量を変化させる。可変容量素子の容量は、スイッチの開閉状態により段階的に変化するので、発振周波数も段階的に変化する。例えば、固定容量１６０１、１６０２、１６０３の容量をＣ’とすると、可変容量素子１６０８の容量は、Ｃ’、Ｃ’／２、Ｃ’／３と変化させることができる。

図１６の温度補償型水晶発振器と図１５の温度補償型水晶発振器とでは、可変容量素子の容量の変化幅が異なるので、必要に応じていずれかの方式を用いればよい。あるいは、並列接続の固定容量素子と直列接続の固定容量素子を組み合わせてもよい。
（実施例４の効果）
以上のように、第４の実施例の温度補償型水晶発振器では、複数の固定容量を並列又は直列に接続し、スイッチを用いて各固定容量を切断、短絡することにより、可変容量素子を実現している。そのため、デジタル制御が可能であり、温度補償を行なうための消費電力を低減し、また発振周波数のノイズによる影響を抑制することができる。また、スイッチの開閉により発振周波数を制御するので、応答性が高い温度補償型水晶発振器を実現することができる。

さらに、複数の固定容量の値を適切に定めることにより、広範囲の発振周波数の調整が可能で、かつ微調節も可能な温度補償型水晶発振器を実現することができる。

最良の実施の形態及び実施例は、各々他の実施例と組み合わせることができる。第２の実施例の温度補償型水晶発振器では、可変容量素子は可変容量ダイオード４０６で構成されている。第４の実施例の発振周波数変更部１０４は、可変容量素子１５０８で構成されている。図１８は、第２の実施例と第４の実施例を組み合わせた、第５の実施例の温度補償型水晶発振器の例のブロック図である。

可変容量ダイオード４０６には、無段階に容量を変化させることができるという特徴がある。また、可変容量素子１５０８には、段階的に容量を変化させることが可能で、さらにその段階を所望の容量値に設定できるという特徴がある。

そのため、例えば、可変容量ダイオード４０６の容量の可変範囲が限られていて、可変容量ダイオード４０６のみでは狭い範囲でしか温度補償できない場合に効果を奏する。すなわち、可変容量素子１５０８で段階的な荒い調整を行い、その上で微調整を可変容量ダイオード４０６を用いて行えばよい。
（実施例５の効果）
以上のように、実施例５の温度補償型水晶発振器は、可変容量素子を、可変容量ダイオードと複数の固定容量素子で構成した複合可変容量で構成している。そのため、広範囲の周波数偏差を温度補償することが可能で、さらに微調節も可能であるという効果がある。

最良の実施の形態及び第１乃至第５の実施例では、温度補償型の水晶発振器を用いて説明した。しかし、本発明の用途は、発振器の方式には特には限定されない。例えば、水晶発振器と同様の構成で、水晶振動子の代わりにセラミック発振子を用いた、いわゆる「セラミック発振器」にも本発明を適用することができる。温度補償を行う方法は、水晶発振器の場合と同じなので、説明は省略する。

また、発振中の水晶振動子は、等価的に、インダクタンスと負性抵抗が直列に接続された素子とみなすことができる。このことは、セラミック発振子についても同じである。そして、発振回路全体では、等価的にＬＣ発振器として発振動作を行っている。従って、本発明は、水晶発振器やセラミック発振器以外に、インダクタンス及びコンデンサを用いた通常のＬＣ発振器にも使用することができる。さらに近年では、水晶振動子に代わり、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）で共振器を形成し、発振器に用いたＭＥＭＳ発振器も登場している。本発明は、ＭＥＭＳ発振器にも適用することができる。

さらに、ＣＲ発振器についても、コンデンサの容量を制御することで温度依存性を低減することができるので、本発明を適用することができる。適用する方法は、ＣＲ発振器の発振周波数を決定しているコンデンサを可変容量素子に置き換え、その可変容量を本発明の方法で制御するのみでよい。あるいは、ＣＲ発振器のコンデンサに並列又は直列に、可変容量素子を接続してもよい。

そして、温度補償型水晶発振器に周波数の電圧制御機能を付加した温度補償電圧制御型水晶発振器や、発振器を恒温槽に格納し発振器の温度変化そのものを抑制した恒温槽付水晶発振器にも適用可能である。

また、本発明の温度補償型発振器は、安定した周波数が必要な、通信機、計測器等、各種の電子機器に使用することができる。
（実施例６の効果）
以上のように、本発明の温度補償型発振器は、可変容量を備え、温度によりその可変容量の値を制御するので、容量を使用した各種の発振器に適用することができる。そのため、それらの発振器に対して、発振周波数の温度補償を行うことができる。

本発明の最良の実施の形態の温度補償型発振器のブロック図である。 本発明の最良の実施形態の温度補償型発振器の、発振周波数及び発振振幅の温度依存性を示すグラフである。 本発明の最良の実施形態の温度補償型発振器における、発振出力振幅と周波数補正量の関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施例の温度補償型水晶発振器のブロック図である。 第１の実施例の温度補償型水晶発振器の、発振周波数及び発振振幅の温度依存性を示すグラフである。 第１の実施例の温度補償型水晶発振器の、発振振幅と発振周波数の補正量の関係の例を示すグラフである。 第１の実施例の温度補償型発振器における、可変容量ダイオードの容量値と発振周波数の関係を示すグラフである。 第１の実施例の温度補償型発振器における、発振周波数制御信号と可変容量ダイオードの容量値の関係を示すグラフである。 第１の実施例の温度補償型発振器における、発振振幅と周波数変更信号の関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施例の温度補償型水晶発振器のブロック図である。 水晶振動子に接続された抵抗の値と発振振幅の関係の一例を示すグラフである。 本発明の第３の実施例の温度補償型水晶発振器のブロック図である。 本発明の第３の実施例の他の温度補償型水晶発振器のブロック図である。 サーミスタの抵抗の温度特性の一例を示すグラフである。 本発明の第４の実施例の温度補償型水晶発振器のブロック図である。 本発明の第４の実施例の他の温度補償型水晶発振器のブロック図である。 第４の実施例の温度補償型水晶発振器の発振振幅と可変容量素子の値の関係を示すグラフである。 本発明の第５の実施例の温度補償型水晶発振器のブロック図である。 水晶発振器の発振周波数の温度特性の一例を示すグラフである。 従来の温度補償型水晶発振器のブロック図である。 一般的なコルピッツ型の水晶発振器の、水晶振動子の外付け容量の値と発振周波数との関係の例を示すグラフである。 従来の温度補償型水晶発振器及び水晶振動子の温度変化、並びに周波数偏差の変化を示すグラフである。

符号の説明

１０１ 発振部
１０２ 振幅測定部
１０３ 温度補償部
１０４ 発振周波数変更部
４０１ 水晶振動子
４０２ インバータ
４０３ 帰還抵抗
４０４、４０５、４０７ コンデンサ
４０６ 可変容量ダイオード
１００１ 温度補償制御部
１００２ 補償電圧記憶部
１００３ 電圧発生部
１２０１ サーミスタ
１５０１、１５０２、１５０３、１６０１、１６０２、１６０３ 固定容量
１５０４、１５０５、１５０６、１６０４、１６０５、１６０６ スイッチ
１５０７、１６０７ スイッチ制御信号
１９０１ 温度特性
１９０２ 補償特性
１９０３ 補償後特性
２００１ 温度センサ
２２０１、２２０２ 温度変化

Claims (9)

1. 発振周波数及び出力信号の振幅が温度に依存して変化する水晶振動子を備え、所定の発振周波数制御信号を用いて前記発振周波数の変更が可能な発振器の発振周波数制御方法であって、
   前記振幅を測定する工程、
   前記振幅に基づき前記発振周波数制御信号を制御し、前記発振周波数を変更する工程を備え、
   前記発振器は、サーミスタを備えることにより、前記水晶振動子の温度変化による振幅の変動に前記サーミスタの温度変化による振幅の変動が加算され、前記振幅が温度に依存して変化する量を増加させていることを特徴とする発振周波数制御方法。
2. 予め記憶された、前記振幅と前記周波数制御信号との対応情報に基づき前記発振周波数制御信号を制御する工程を備えることを特徴とする請求項１記載の発振周波数制御方法。
3. 前記発振周波数制御信号を用いて前記発振器が備える可変容量素子の静電容量を制御し、前記発振周波数を変更する工程を備えることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の発振周波数制御方法。
4. 接続される固定静電容量の個数を変更することにより前記静電容量の変更が可能な前記可変容量素子に対して、前記発振周波数制御信号を用いて前記個数を変更する工程を備えることを特徴とする請求項３記載の発振周波数制御方法。
5. 発振周波数及び出力信号の振幅が温度に依存して変化する水晶振動子を備え、所定の発振周波数制御信号を用いて前記発振周波数の変更が可能な発振器であって、
   前記振幅を測定する振幅測定部と、
   前記振幅に基づき前記発振周波数制御信号を制御し、前記発振周波数を変更する温度補償部をさらに備え、
   前記発振器は、サーミスタを備えることにより、前記水晶振動子の温度変化による振幅の変動に前記サーミスタの温度変化による振幅の変動が加算され、前記振幅が温度に依存して変化する量を増加させていることを特徴とする発振器。
6. 前記温度補償部は、前記振幅と前記周波数制御信号との対応情報を記憶し、前記対応情報に基づき前記発振周波数制御信号を制御することを特徴とする請求項５記載の発振器。
7. 前記発振器は可変容量素子を備え、
   前記温度補償部は、前記発振周波数制御信号を用いて前記可変容量素子の静電容量を制御し、前記発振周波数を変更することを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載の発振器。
8. 前記可変容量素子は、接続される固定静電容量の個数を変更することにより前記静電容量の変更が可能であって、
   前記温度補償部は、前記発振周波数制御信号を用いて前記個数を変更することを特徴とする請求項７記載の発振器。
9. 請求項５乃至８のいずれかに記載の発振器を備えることを特徴とする電子機器。

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