JP5556928B2 - 温度補償電圧発生回路、温度補償型発振回路 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動子の発振周波数の温度補償を行う温度補償電圧発生回路、及びこれを接続した温度補償型発振回路に関する。

圧電振動子を用いた発振回路は、安定した発振周波数を得ることができることから、数々の電子機において、時間、或いは周波数の基準として広く用いられている。しかし、圧電振動子は温度変化によってその発振周波数が変化するという温度特性を有しており、ＡＴカット圧電振動子の周波数の温度特性は、ほぼ３次曲線を示し、２５℃前後の変曲点温度Ｔ０を境に温度による周波数変化Δｆを生じることは周知の事実である。

図８はＡＴカット圧電振動子の周波数偏差の温度特性の一例を示す特性図であり、Ａ〜Ｄは各々カット角度の異なるＡＴカット圧電振動子の周波数偏差の温度特性を示している。
一般にＡＴカット圧電振動子の周波数偏差（Δｆ／ｆ_０）［ｐｐｍ］は以下の式で表される。

ここで、ｆ_０は基準周波数、αはカットのばらつきに依存する３次係数であって、その値は９×１０^−５〜１０×１０^−５となる。またβはカットの角度に依存する１次係数であり、その値は−２×１０^−１〜−４×１０^−１となる。なお、Ｔは温度「℃」を表す。

ところで、ＧＰＳ（全地球測位システム）の機能を搭載した携帯電話端末などの高精度の電子機器の分野においては、［数１］の式に示す周波数偏差（Δｆ／ｆ_０）の許容範囲が非常に狭く、例えば、−３０℃〜８５℃の温度範囲では周波数偏差（Δｆ／ｆ_０）は０．５ｐｐｍ以内であることが要求される。したがって図８に示したＡ〜Ｄの特性の圧電振動子はいずれも許容範囲外となる。

そこで、高精度の電子機器の分野においては、通常ＡＴカット圧電振動子を含む発振回路に温度補償電圧発生回路を設けて温度補償型水晶発振器を構成し周波数偏差の変動が許容範囲に収まるように制御している。

図９は従来の温度補償型発振回路を示すブロック図であり、１０５はバラクターダイオード、１０６はＡＴカット水晶振動子、１０７は発振回路、１０８は発振回路１０７の出力端子、１０９は１次電圧発生回路、１１０は３次電圧発生回路であって、１次電圧発生回路１０９と３次電圧発生回路１１０により温度補償電圧発生回路１１１を構成している。さらに１１２は記憶デバイス、１１３はＡＦＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路、１１４はＡＦＣ回路の入力端子である。

バラクターダイオード１０５は、そのアノード端子とカソード端子間に逆電圧を印加し、かつその印加電圧を変えることによりアノード端子とカソード端子間の等価容量値が変化する性質を有している。

温度補償型水晶発振器においては、１次電圧発生回路１０９と３次電圧発生回路１１０とで構成される温度補償電圧発生回路１１１により発生した補償電圧をバラクターダイオード１０５に印加して等価容量値を変化させ、等価容量値の変化によって生じる発振ループの周波数変化をＡＴカット水晶振動子１０６の周波数の温度特性を相殺するように作用させている。温度補償電圧発生回路１１１にはＰＲＯＭやＥＥＰＲＯＭなどの記憶デバイス１１２が備えられており、ＡＴカット圧電振動子１０６の種類ごとに、多数の温度点についてその温度特性を測定し、それぞれの温度点においてその発振周波数が最も基準周波数ｆ_０に近づくような補償電圧を出力するように、３次係数αと１次係数βの値を算出して、記憶デバイス１１２に格納してある。

このようにして温度補償型水晶発振器は、電子機器が使用される温度範囲、例えば−３０℃〜８５℃といった温度範囲においてＡＴカット圧電振動子の周波数偏差（Δｆ／ｆ_０）を０．５ｐｐｍ以内に収めるように温度補償が行われている。なお、基準周波数ｆ_０、変曲点温度Ｔ_０の調整値も記憶デバイス１２に格納させて、さらに発振周波数の高精度化を図る手法もよく用いられている。

図９におけるＡＦＣ回路１１３は、入力端子１１４に印加される制御電圧値に応じてバラクターダイオード１０５のアノード端子への印加電圧を変化させてその等価容量値を変化させ、等価容量値の変化によって生じる発振ループの周波数変化によって、温度補償型水晶発振器の発振周波数を変化させている。

温度補償に関しては、通常、ＡＦＣ回路１１３の可変可能範囲のほぼセンタ値の電圧を出力している状態において行われ、温度補償後は入力端子１１４への印加電圧値に対して周波数を可変することのできるＶＣＴＣＸＯ（電圧制御型温度補償水晶発振器）として機能する。ＶＣＴＣＸＯは、使用される電子機器においてＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を構成する場合に、精度の高い基準発振源としてよく使用される。

特開２００２−２１７６４３号公報

ところで温度補償電圧は、ＡＦＣ回路１１３に入力される制御電圧値が圧電振動子において基本周波数ｆ_０で発振する基準電圧値である場合に、最も温度補償が有効に行われるように（発振周波数が温度によらず一定になるように）調整されている。しかし、ＡＦＣ回路１１３に入力される制御電圧値が基準電圧値と異なる値が入力された場合、すなわち基本周波数ｆ_０以外の周波数で発振回路を発振させる場合は、発振回路側の等価容量値が変化するため、必要とされる温度補償電圧は基本周波数ｆ_０を基準とする温度補償電圧とは異なった値となる。よって、この状態で温度変化が起きた場合に発振回路側に印加される基本周波数ｆ_０を基準とした温度補償電圧が入力されると、温度補償が不足したり、あるいは温度補償となるが効きすぎてしまうといった現象が起こり、精度の高い温度補償が実現できないという問題を有していた。

この問題を解決するため特許文献１において、３次電圧発生回路と１次電圧発生回路とで構成される温度補償電圧発生回路より発生した補償電圧をバラクターダイオードに印加して等価容量値を変化させ、等価容量の変化によって生じる発振ループの周波数変化を水晶発振子の周波数の温度特性と相殺させる構成の水晶発振器の温度補償電圧発生回路において、前記３次電圧発生回路の３次係数と前記１次電圧発生回路の１次係数の値を、それぞれ周波数制御回路の出力電圧値に応じて変化させる制御手段を備え、前記制御手段は前記３次電圧発生回路と前記１次電圧発生回路との出力電圧を制御するゲインコントロールアンプを備えた構成が開示されている。このような構成とすることにより、出力電圧値に応じて３次電圧及び１次電圧の値を変化させることができるので、上述の温度補償不足及び温度過補償を低減することができる。しかし、この場合３次電圧発生回路の３次係数αと、１次電圧発生回路の１次係数βを個々に調整するためにはゲインコントロールアンプが複数個必要であり、さらに高次の係数を調整するためには、高次の係数の調整用のゲインコントロールアンプが必要となる。そしてそれぞれのゲインコントロールアンプで発生した雑音が合成されるため、発振回路の低位相雑音化が困難となる。
そこで本発明は上記問題点に着目し、低位相雑音化が容易で周波数調整可能な温度補償電圧発生装置、温度補償型発振回路を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の 形態、または適用例として実現することが可能である。
第１の形態に係る温度補償型発振回路は、温度補償された発振周波数を可変制御し、前 記可変制御の状態と前記温度補償の制御状態とから、前記可変制御状態の変化に応じて生 じる前記温度補償の補償量の変化を補償する手段を備えている温度補償型発振回路におい て、振動子、発振周波数の温度補償をする電圧制御型の第１可変容量素子、前記発振周波 数を可変制御する周波数制御回路、及び前記周波数制御回路に接続され前記発振周波数を 調整する電圧制御型の第２可変容量素子を有し、前記第１可変容量素子の一端に前記第１ 可変容量素子の容量を制御する前記温度補償のための温度補償電圧を出力する第１温度補 償電圧発生回路と、前記温度補償電圧と前記周波数制御回路の出力とによって生成された 前記補償量を調整する補助温度補償電圧を前記第１可変容量素子の他端に出力する第２温 度補償電圧発生回路と、を有していることを特徴とする。
第２の形態に係る温度補償型発振回路は、第１の形態に係る温度補償型発振回路におい て、前記第１温度補償電圧発生回路は、前記振動子の発振周波数の温度特性に対応して温 度変化により３次関数的に変化する３次電圧を生成する３次電圧生成回路を有するととも に前記３次電圧に基づいて前記温度補償電圧を出力することにより、前記補助温度補償電 圧が温度変化により３次関数的に変化することを特徴とする。
［適用例１］発振周波数の温度補償をする電圧制御型の可変容量素子の一端に、前記可変容量素子の容量を制御する温度補償電圧を出力する第１温度補償電圧発生回路と、前記発振周波数を制御する周波数制御回路の出力と前記温度補償電圧とによって生成された補助温度補償電圧を前記可変容量素子の他端に出力する第２温度補償電圧発生回路と、を有することを特徴とする温度補償電圧発生回路。
［適用例２］適用例１に記載の温度補償電圧発生回路において、前記第１温度補償電圧発生回路は、振動子の発振周波数の温度特性に対応して温度変化により３次関数的に変化する３次電圧を生成する３次電圧生成回路を有するとともに前記３次電圧に基づいて前記温度補償電圧を出力することにより、前記補助温度補償電圧が温度変化により３次関数的に変化することを特徴とする温度補償電圧発生回路。
［適用例３］温度補償された発振周波数を可変制御し、前記可変制御の状態と前記温度補償の制御状態とから、前記可変制御状態の変化に応じて生じる前記温度補償の補償量の変化を補償する手段を備えていることを特徴とする温度補償型発振回路。
［適用例４］適用例３に記載の温度補償型発振回路において、振動子、発振周波数の温度補償をする電圧制御型の第１可変容量素子、前記発振周波数を可変制御する周波数制御回路、及び前記周波数制御回路に接続され前記発振周波数を調整する電圧制御型の第２可変容量素子を有し、前記第１可変容量素子の一端に前記第１可変容量素子の容量を制御する前記温度補償のための温度補償電圧を出力する第１温度補償電圧発生回路と、前記温度補償電圧と前記周波数制御回路の出力とによって生成された前記補償量を調整する補助温度補償電圧を前記第１可変容量素子の他端に出力する第２温度補償電圧発生回路と、を有していることを特徴とする温度補償型発振回路。
［適用例５］適用例４に記載の温度補償型発振回路において、前記第１温度補償電圧発生回路は、前記振動子の発振周波数の温度特性に対応して温度変化により３次関数的に変化する３次電圧を生成する３次電圧生成回路を有するとともに前記３次電圧に基づいて前記温度補償電圧を出力することにより、前記補助温度補償電圧が温度変化により３次関数的に変化することを特徴とする温度補償型発振回路。

温度補償電圧には１次電圧、３次電圧のみならず、より高次の温度特性を示す電圧を加えることが可能である。さらに、第１可変容量素子には温度補償電圧と補助温度補償電圧との差分の電圧が印加されることになる。温度補償電圧のゲインとＡＦＣ回路の出力電圧によって補助温度補償電圧を出力することができるので、増幅回路は１つでまかなうことができ、低位相雑音化が容易な温度補償電圧発生回路となる、また第１温度補償電圧発生装置から第１可変容量素子に印加される温度補償電圧を変動させることなく、出力電圧に応じて変動する補助温度補償電圧により第１可変容量素子に掛かる電圧を調整することができ、ＡＦＣ回路からの出力電圧が変化した場合も良好な温度特性を維持することができる。また温度補償に用いる第１可変容量素子の印加電圧範囲を広くとることができ、第１可変容量素子の線形応答領域を従来よりもさらに有効に利用することができる。さらには第１可変容量とそのＣ−Ｖ特性を広く利用することができるので、補償電圧の範囲を広げて発振器側の温度補償の感度を落とすことができ、低位相雑音化を図ることが可能となる。

前記第２温度補償電圧発生回路が、入力電圧と、基準温度において前記発振回路を基準周波数で発振させる基準電圧と、が入力され、前記入力電圧と前記基準電圧との差分の正負をエンコードしたバイナリデータを出力するエンコーダーと、前記温度補償電圧を反転増幅して出力する第１増幅回路と、前記第１増幅回路の出力を反転増幅して前記補助温度補償電圧を前記第１可変容量素子の他端に出力する第２増幅回路と、前記第１増幅回路に並列に接続され、前記入力電圧に応じて前記第１増幅回路の増幅度を調整する調整回路と、前記第１増幅回路の出力側、及び前記第２増幅回路の出力側にそれぞれ接続された複数の第１入力端子、前記第１可変容量素子に接続した第１出力端子を備え、入力される前記バイナリデータによって前記複数の第１入力端子のうちの１つを選択して前記第１出力端子に接続可能な第１マルチプレクサーと、を有しており、前記自動周波数制御回路が、前記入力電圧を反転増幅して出力する第３増幅回路と、前記第３増幅回路の出力を反転増幅して得られる出力電圧を前記第２可変容量素子に出力する第４増幅回路と、前記第３増幅回路の出力側、及び前記第４増幅回路の出力側にそれぞれ接続した複数の第２入力端子、前記調整回路に接続した第２出力端子を備え、入力される前記バイナリデータによって前記複数の第２入力端子のうちの１つを選択して前記第２出力端子に接続可能な第２マルチプレクサーと、を有していることを特徴とする温度補償型発振回路。

これにより、補助温度補償電圧は入力電圧の値と基準電圧の値との大小関係によりその温度特性を反転させることができる。さらに入力電圧の値が基準電圧の値から離れるほど、補助温度補償電圧の増幅度は高くなる。よって補助温度補償電圧を入力電圧に追従して変化させることにより、第１可変容量素子の発振回路に対する温度補償の感度を安定化させ、第１可変容量素子を用いた温度補償を効果的に行うことができる温度補償型発振回路となる。

前記第１可変容量素子と、前記第２可変容量素子は前記振動子に対して並列に接続されており、前記バイナリデータは、前記入力電圧の値が前記基準電圧の値より高い場合、前記第１マルチプレクサーが、前記第２増幅回路の出力側と接続した第１入力端子と前記第１出力端子とを接続するデータであり、前記第２マルチプレクサーが、前記第３増幅回路の出力側と接続した第２入力端子と前記第２出力端子とを接続するデータであることを特徴とする温度補償型発振回路。

第１可変容量素子と第２可変容量素子が振動子に対して並列に接続された発振回路において、入力電圧が基準電圧より高く制御した場合、第２可変容量素子の容量が小さくなるため、第１可変容量素子に印加される温度補償電圧の発振回路全体に対する温度補償の感度が高くなり、過補償の状態となる。しかしこの場合、第２温度補償電圧発生回路が温度補償電圧と同相の補助温度補償電圧を第１可変容量素子に出力するため、第１可変容量素子に印加される電位差の温度特性の振幅を少なくして過補償の状態を抑制することができる。

前記第１可変容量素子と、前記第２可変容量素子は前記振動子に対して並列に接続されており、前記バイナリデータは、前記入力電圧の値が前記基準電圧の値より低い場合、前記第１マルチプレクサーが、前記第１増幅回路の出力側と接続した第１入力端子と前記第１出力端子とを接続するデータであり、前記第２マルチプレクサーが、前記第４増幅回路の出力側と接続した第２入力端子と前記第２出力端子とを接続するデータであることを特徴とする温度補償型発振回路。

第１可変容量素子と第２可変容量素子が振動子に対して並列に接続された発振回路において、入力電圧を基準電圧より低く制御した場合、第２可変容量素子の容量が大きくなるため、第１可変容量素子に印加される温度補償電圧の発振回路全体に対する温度補償の感度が低くなり、補償不足の状態となる。しかしこの場合、第２温度補償電圧発生回路が温度補償電圧と逆相の補助温度補償電圧を第１可変容量素子に出力するため、第１可変容量素子に印加される電位差の温度特性の振幅を大きくして補償不足の状態を抑制することができる。

前記第１可変容量素子と、前記第２可変容量素子は前記振動子に対して直列に接続され、前記第２温度補償電圧発生回路と前記エンコーダーとの間にはインバーターが介装されており、前記バイナリデータは、前記入力電圧の値が前記基準電圧の値より高い場合、前記第１マルチプレクサーが、前記第１増幅回路の出力側と接続した第１入力端子と前記第１出力端子とを接続するデータであり、前記第２マルチプレクサーが、前記第３増幅回路の出力側と接続した第２入力端子と前記第２出力端子とを接続するデータであることを特徴とする温度補償型発振回路。

第１可変容量素子と第２可変容量素子が直列に接続された発振回路において、入力電圧を基準電圧より高く制御した場合、第２可変容量素子の容量が小さくなるため、第１可変容量素子に印加される温度補償電圧の発振回路全体に対する温度補償の感度が低くなり、補償不足の状態となる。しかしこの場合、第２温度補償電圧発生回路が温度補償電圧と逆相の補助温度補償電圧を第１可変容量素子に出力するため、第１可変容量素子に印加される電位差の温度特性の振幅を大きくして補償不足の状態を抑制することができる。

前記第１可変容量素子と、前記第２可変容量素子は前記振動子に対して直列に接続され、前記第２温度補償電圧発生回路と前記エンコーダーとの間にはインバーターが介装されており、前記バイナリデータは、前記入力電圧の値が前記基準電圧の値より低い場合、前記第１マルチプレクサーが、前記第２増幅回路の出力側と接続した第１入力端子と前記第１出力端子とを接続するデータであり、前記第２マルチプレクサーが、前記第４増幅回路の出力側と接続した第２入力端子と前記第２出力端子とを接続するデータであることを特徴とする温度補償型発振回路。

第１可変容量素子と第２可変容量素子が振動子に対して直列に接続された発振回路において、入力電圧を基準電圧より低く制御した場合、第２可変容量素子の容量が大きくなるため、第１可変容量素子に印加される温度補償電圧の発振回路全体に対する温度補償の感度が高くなり、過補償の状態となる。しかしこの場合、第２温度補償電圧発生回路が温度補償電圧と同相の補助温度補償電圧を第１可変容量素子に出力するため、第１可変容量素子に印加される電位差の温度特性の振幅を小さくして過補償の状態を抑制することができる。

第１実施形態に係る温度補償型発振回路の模式図である。 第１実施形態を構成する発振回路を構成する可変容量素子の模式図である。 第１実施形態を構成する第２温度補償電圧発生回路の回路図である。 第１実施形態を構成するＡＦＣ回路の回路図である。 第１実施形態に係る温度補償型発振回路の温度補償の模式図である。 第２実施形態に係る温度補償型発振回路の模式図である。 補助温度補償電圧を印加した場合の温度補償の状態を示す実験データである。 ＡＴカット圧電振動子の周波数偏差の温度特性の一例を示す特性図である。 従来の温度補償型発振回路を示すブロック図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

第１実施形態に係る温度補償型発振回路１０を図１に示す。温度補償型発振回路１０は、発振回路１２、温度補償電圧発生回路２９（第１温度補償電圧発生回路３０、第２温度補償電圧発生回路４４）、ＡＦＣ回路５４、エンコーダー３８を有する。

発振回路１２は、圧電振動子１４としてＡＴカット振動子（厚みすべり振動子）を用い、これと増幅回路とを組み合わせた例えばインバーター型発振回路であり、圧電振動子１４に両端それぞれに第１可変容量素子１６、第２可変容量素子１８が並列に接続されている。また各可変容量素子の両端には直流成分を遮断するためのキャパシタ２０、２２が接続されている。第１可変容量素子１６及び第２可変容量素子１８は、ＭＯＳトランジスタをバラクターダイオードとして用いている。本実施形態において用いられる各可変容量素子は例えば図２に示すような２つの形態がある。

図２（ａ）はキャパシタ２４と直列にＮ型のＭＯＳトランジスタ２６を接続した構成であり、Ａ端子１６ａ、１８ａはキャパシタ２０に接続され、Ｂ端子１６ｂ、１８ｂはキャパシタ２２と接続される。Ｂ端子１６ｂはさらに第２温度補償電圧発生回路４４と接続され、Ｂ端子１８ｂはさらにＡＦＣ回路５４に接続される。

ＭＯＳトランジスタ２６のドレイン（Ｄ）端子２６ａはキャパシタ２４と接続され、ソース（Ｓ）端子２６ｂはキャパシタ２２に接続され、バックゲート（Ｂ）端子２６ｃはソース（Ｓ）端子２６ｂと接続され、ゲート（Ｇ）端子１６ｃは、第１温度補償電圧発生回路３０に接続されて温度補償電圧が印加され、ゲート（Ｇ）端子１８ｃにはバックゲート（Ｂ）端子２６ｃよりも高い電圧であって所定の一定バイアスが印加される。このときゲート（Ｇ）端子１６ｃ、１８ｃに掛かる電圧を上昇させるとＡ端子１６ａ、１８ａ−Ｂ端子１６ｂ、１８ｂ間のＣ−Ｖ（容量−印加電圧）曲線は、ＭＯＳトランジスタ２６のオン抵抗が小さくなって容量が線形に上昇し、その後キャパシタ２４の容量値付近まで上昇させるとＣ−Ｖ特性は飽和状態（非線形）となる。

図２（ｂ）はＰ型のＭＯＳトランジスタ２８のみを用いた構成であり、Ａ端子１６ａ、１８ａはキャパシタ２０に接続され、Ｂ端子１６ｂ、１８ｂはキャパシタ２２に接続される。図２（ｂ）において、ＭＯＳトランジスタ２８のドレイン（Ｄ）端子２８ａ、ソース（Ｓ）端子２８ｂを接続して接地し、バックゲート（Ｂ）端子２８ｃをキャパシタ２２に接続し、ゲート（Ｇ）端子１６ｃをキャパシタ２０及び第１温度補償電圧発生回路の出力側にそれぞれ接続し、ゲート（Ｇ）端子１８ｃにはバックゲート（Ｂ）端子２８ｃよりも高い電圧であって所定の一定バイアスが印加される。ゲート（Ｇ）端子１６ｃ、１８ｃに電圧を印加して上昇させていくとサブストレート（基板）上に形成されたＮウェル領域に形成される空乏層が次第に拡大し、Ａ端子１６ａ、１８ａ−Ｂ端子１６ｂ、１８ｂ間の容量が次第に大きくなる。そしてある程度電圧を上げていくと帯電する電荷の量が飽和し、容量が飽和する。ＭＯＳトランジスタ２８の容量は、ＭＯＳトランジスタ２８のゲート長Ｌやゲート幅Ｗ、酸化膜の厚み等に依存する。

第１温度補償電圧発生回路３０は、温度センサ３２、前記温度センサ３２に並列に接続された１次電圧生成回路３４及び３次電圧生成回路３６、前記１次電圧生成回路３４から出力される１次電圧と前記３次電圧生成回路３６から出力される３次電圧とを加算して得られる温度補償電圧を第１可変容量素子１６及び第２温度補償電圧発生回路４４に出力する加算回路を有する。１次電圧生成回路３４及び３次電圧生成回路３６は、基準温度（２５℃）において発振回路１２が基準周波数ｆ_０で発振し、温度変化による圧電振動子１４の発振周波数の温度依存性を相殺する温度特性を有する１次電圧、３次電圧を示すデータを格納した記憶領域（不図示）をそれぞれ有し、温度センサ３２から得た温度データをもとに、圧電振動子１４の温度特性を相殺するためのデータを記憶領域から読み出して１次電圧、３次電圧を生成して出力する。このような温度補償を行うことにより発振回路１２の発振周波数は温度変化が起きてもほぼ一定の周波数で発振することができる。なお、本実施形態においては、１次電圧と３次電圧を用いているが、より高次の電圧を生成させる回路を、１次電圧生成回路３４及び３次電圧生成回路３６に並列に接続してもよい。

エンコーダー３８は、ユーザー側が発振回路１２の発振周波数を所定の値に調整する第２可変容量素子１８の容量を調整するＡＦＣ回路の入力電圧４０と、基準電圧４２との大小関係を１ビットのバイナリデータに変換するものであり、いわばコンパレータ（比較器）である。エンコーダー３８は入力電圧４０と基準電圧４２とを入力し、入力電圧４０が基準電圧４２より高い場合は電圧Ｌ（０）のバイナリデータを出力し、逆に低い場合は電圧Ｈ（１）のバイナリデータを出力する。このバイナリデータは後述の第１マルチプレクサー５２、及び第２マルチプレクサー６０に入力される。なお、入力電圧４０と基準電圧４２とが一致する場合は、電圧Ｈ（１）、電圧Ｌ（０）のどちらかの信号を出力するように設計すればよい。本実施形態おいて、基準温度（２５℃）において発振回路１２を基準周波数ｆ_０で発振させる場合には、後述の第２温度補償電圧発生回路４４、及びＡＦＣ回路には基準電圧４２（例えばＶ_ＤＤ／２）の値とほぼ同じ値の入力電圧４０が入力されるものとする。

図３に第２温度補償電圧発生回路４４の回路図を示す。図３に示すように、第２温度補償電圧発生回路４４は、第１温度補償電圧発生回路３０から出力される温度補償電圧を反転増幅して出力する第１増幅回路４６と、前記第１増幅回路４６の後段に接続され、前記第１増幅回路４６の出力を電圧利得１で反転増幅して得られる補助温度補償電圧を前記第１可変容量素子１６の一端（Ｂ端子１６ｂ）に出力する第２増幅回路４８と、前記第１増幅回路４６に並列に接続され、前記入力電圧４０に応じて前記第１増幅回路４６の増幅度を調整する調整回路５０と、前記第１増幅回路４６の出力側、及び前記第２増幅回路４８の出力側にそれぞれ接続された複数の第１入力端子５２ａと、前記第１可変容量素子１６のＢ端子１６ｂに接続した第１出力端子５２ｂと、を有し、入力される前記バイナリデータによって前記第１出力端子５２ｂと接続する前記複数の第１入力端子５２ａのうちの１つを選択可能な第１マルチプレクサー５２と、を有している。

第１増幅回路４６及び第２増幅回路４８は、それぞれ参照電圧（ｒｅｆ．）を中心として入力電圧４０と参照電圧（ｒｅｆ．）との差分を反転増幅するものである。よって第１増幅回路４６に入力される温度補償電圧は、第１増幅回路４６から出力すると温度特性が反転して逆相となり、第２増幅回路４８から出力すると温度特性が再び反転して同相となる。

第１増幅回路４６と並列に接続された調整回路５０は、Ｎ型のＭＯＳトランジスタ５０ａによって形成され、ドレイン（Ｄ）端子５０ｂは第１増幅回路４６を構成する抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２との間に接続され、ソース（Ｓ）端子５０ｃは第２増幅回路４８を構成する抵抗Ｒ３の前段に接続され、バックゲート端子（不図示）はソース（Ｓ）端子５０ｃに接続されている。またゲート（Ｇ）端子５０ｄは後述のＡＦＣ回路５４の第２マルチプレクサー６０の第２出力端子６０ｂに接続されている。例えば、ゲート（Ｇ）端子５０ｄに印加する電圧が低下させていくと、Ｎ型のＭＯＳトランジスタ５０ａのＶＧＳ（ゲート・ソース間電圧）が下がっていきトランジスタのオン抵抗が大きくなるため、第１増幅回路４６の増幅度が増加する。よって、調整回路５０は入力電圧４０に応じて第１増幅回路４６の増幅度を調整するのものとなり、第１増幅回路４６の増幅度は、調整回路５０のゲート（Ｇ）端子５０ｄに掛かる電圧（増幅度補正信号）により調整することができる。

第１マルチプレクサー５２は、エンコーダー３８から電圧Ｌ（０）の信号が入力されると第２増幅回路４８の出力側に接続した第１入力端子５２ａ（ＳＷ１）と第１出力端子５２ｂとを接続し、電圧Ｈ（１）の信号が入力されると第１増幅回路４６の出力側に接続した第１入力端子５２ａ（ＳＷ２）と第１出力端子５２ｂとを接続する。

第１可変容量素子１６のゲート（Ｇ）端子１６ｃ及びＢ端子１６ｂにそれぞれ、温度補償電圧及び補助温度補償電圧が印加された場合、第１可変容量素子１６には近似的に温度補償電圧と補助温度補償電圧との差分の電圧が印加されることになる。よって補助温度補償電圧が温度補償電圧と同様の（同相の）温度特性を有する場合は、第１可変容量素子１６による温度補償特性の振幅は小さくなり、第１可変容量素子１６の温度補償を抑制する方向に作用させることになる。一方、補助温度補償電圧が温度補償電圧の温度特性を反転させた（逆相にした）温度特性を有する場合には、第１可変容量素子１６による温度補償特性の振幅は大きくなり、第１可変容量素子１６の温度補償を増大させる方向に作用させることになる。

ここで、入力電圧４０が基準電圧４２より低い場合は、発振回路１２全体の等価容量に対する第１温度補償温度発生回路３０の感度が低下して補償不足となるが、第２温度補償回路発生回路４４は温度補償電圧と逆相となる補助温度補償電圧を第１可変容量素子１６のＢ端子１６ｂに出力することになるため、第１可変容量素子１６において温度補償特性の振幅を大きくする方向に作用させて補償不足を補うことができる。一方、入力電圧４０が基準電圧４２より高い場合は、発振回路１２全体の等価容量に対する第１温度補償電圧発生回路３０の感度が増大して過補償となるが、第２温度補償電圧発生回路４４は温度補償電圧が同相となる補助温度補償電圧を第１可変容量素子１６のＢ端子１６ｂに出力することになるため、第１可変容量素子１６において温度補償特性の振幅を小さくする方向に作用させて過補償を抑制することができる。

図４にＡＦＣ回路５４の回路図（図４（ａ））、及び増幅度補正信号６４の入力電圧依存性（図４（ｂ））を示す。図４（ａ）に示すように、ＡＦＣ回路５４は、発振回路１２の発振周波数を所定の値に調整する出力電圧６２を第２可変容量素子１８のＢ端子１８ｂに出力するとともに、第２温度補償電圧発生回路４４中の第１増幅回路４６の増幅度を補正する増幅度補正信号６４を調整回路５０のゲート（Ｇ）端子５０ｄに出力するものである。

ＡＦＣ回路５４は、入力電圧を反転増幅して出力する第３増幅回路５６と、前記第３増幅回路５６の後段に接続され、前記第３増幅回路５６の出力を電圧増幅１で反転増幅して得られる前記出力電圧を前記第２可変容量素子１８のＢ端子１８ｂに出力する第４増幅回路５８と、前記第３増幅回路５６の出力側、及び前記第４増幅回路５８の出力側にそれぞれ接続した複数の第２入力端子６０ａと、前記調整回路５０に接続した第２出力端子６０ｂとを有し、入力される前記バイナリデータによって前記第２出力端子６０ｂと接続する前記複数の第２入力端子６０ａのうちの１つを選択可能な第２マルチプレクサー６０と、を有している。

第３増幅回路５６及び第４増幅回路５８は、それぞれ所定のバイアス電圧（ｒｅｆ．）を基準とし、入力電圧４０との差分を反転増幅するものである。よって第３増幅回路５６に入力される入力電圧４０において、第３増幅回路５６からの出力は入力電圧４０を増加させると減少し、第４増幅回路５８からの出力は入力電圧４０を増加させると増加する。なお、第３増幅回路５６の増幅度は可変抵抗ＶＲにより調整可能で、これによりＡＦＣ回路５４の入力感度を調整している。

第２マルチプレクサー６０は、エンコーダー３８から電圧Ｌ（０）の信号が入力されると第３増幅回路５６の出力側に接続した第２入力端子６０ａ（ＳＷ１）と第２出力端子６０ｂとを接続し、電圧Ｈ（１）の信号が入力されると第４増幅回路５８の出力側に接続した第２入力端子６０ａ（ＳＷ２）と第２出力端子６０ｂとを接続する。

よって、第２マルチプレクサー６０から出力され調整回路５０のゲート端子５０ｄに入力される増幅度補正信号６４は、図４（ｂ）に示すように、入力電圧４０をゼロから上昇させていくとそれに従い上昇するが、入力電圧４０の値が基準電圧の値を超えると第２マルチプレクサー６０の接続が切り替わるため逆に減少することになる。したがって入力電圧４０をゼロから上昇させると増幅度補正信号６４が大きくなるため調整回路５０のＮ型ＭＯＳトランジスタ５０ａのＶＧＳは大きくなってオン抵抗が次第に減少していき、入力電圧４０の値が基準電圧４２の値と一致するとそのＶＧＳは最大となり、入力電圧４０の値が基準電圧４２の値を超えると増幅度補正信号６４が小さくなって調整回路５０のＮ型ＭＯＳトランジスタ５０ａのＶＧＳは再び小さくなってオン抵抗が増加していくため、第１増幅回路４６の増幅度は入力電圧４０の値が基準電圧４２の値と同じときが最も小さく、入力電圧４０の値が基準電圧４２の値より離れるほど大きくなる。

よって、第２温度補償電圧発生回路４４から出力される補助温度補償電圧は、入力電圧４０の値が基準電圧４２の値と同じ場合が最も振幅の小さい状態となり、入力電圧４０の値を基準電圧４２の値より小さくしていくと、補助温度補償電圧は温度補償電圧と同相でその振幅を大きくしていき、入力電圧４０の値を基準電圧４２の値より大きくしていくと、補助温度補償電圧は温度補償電圧と逆相でその振幅を大きくしていくことになる。

したがって、本実施形態に係る温度補償型発振回路１０を構成する温度補償電圧発生回路２９を端的にみると、圧電振動子１４と、前記圧電振動子１４の発振周波数の温度補償を行う第１可変容量素子１６と、前記発振周波数を所定の値に調整する第２可変容量素子１８と、を有する発振回路１２と、前記第２可変容量素子１８に接続され、前記第２可変容量素子１８の容量を制御するＡＦＣ回路５４と、に接続される温度補償電圧発生回路２９であって、前記温度補償電圧発生回路２９は、前記第１可変容量素子１６の一端（ゲート（Ｇ）端子１６ｃ）に接続され、前記第１可変容量素子１６の容量を制御する温度補償電圧を出力する第１温度補償電圧発生回路３０と、入力側が、前記第１温度補償電圧発生回路３０及び前記ＡＦＣ回路５４に接続され、出力側が前記第１可変容量素子１６の一端の反対側の他端（Ｂ端子１６ｂ）に接続され、入力された前記温度補償電圧と前記ＡＦＣ回路５４の出力とによって生成された補助温度補償電圧を前記第１可変容量素子１６に出力する第２温度補償電圧発生回路４４と、を有する構成となる。

図５に本実施形態に係る温度補償型発振回路１０の温度補償の模式図を示す。図５（ａ）は入力電圧の値と基準電圧の値が同じ場合、図５（ｂ）が補償不足を抑制する場合、図５（ｃ）が過補償を抑制する場合の模式図である。本実施形態において、図５（ａ）に示すように、入力電圧４０の値を基準電圧４２の値と同じとした場合、温度補償電圧による温度補償は最も効率よく行われているため、補助温度補償電圧は温度補償電圧と同相であるか逆相であるかを問わず、その温度特性の振幅は最小となっている。なお、上述のように入力電圧４０の値を基準温度の値と同じとした場合に補助温度補償電圧が温度補償電圧と同相となるか逆相となるかはエンコーダー３８の設計による。

入力電圧４０の値を基準電圧４２の値より下げていくと、第２可変容量回路１８のバックゲート側のＢ端子（１８ｂ）の電圧が下がり、第２可変容量素子１８の電位差としては増える方向となるので容量は増加する。したがって、第１可変容量素子１６に印加される温度補償電圧の発振回路全体に対する温度補償の感度が低くなって温度補償が不足する状態となり、入力電圧４０の値が基準電圧４２の値からはなれるほど顕著となる。

しかし、このとき第１マルチプレクサー５２において第１増幅回路４６からの出力が選択され補助温度補償電圧は温度補償電圧と逆相の出力となるため、第１可変容量素子１６に係る電位差において、温度補償による振幅を増大させる形となる。よって温度補償電圧の発振回路１２に対する温度補償の感度を増大させて温度補償を効果的に行うことができる。さらに補助温度補償電圧は入力電圧４０の値が基準電圧４２の値より離れるほど、その温度特性の振幅を大きくすることになるので、補助温度補償電圧を入力電圧４０に追従して変化させて第１可変容量素子１６の発振回路１２に対する温度補償の感度を安定化させ、第１可変容量素子１６による発振回路１２の温度補償を効果的に行うことができる。

一方、入力電圧４０の値を基準電圧の値より上げていくと、第２可変容量回路１８のバックゲート側のＢ端子（１８ｂ）の電圧が上がり、第２可変容量素子１８の電位差としては減る方向となるので容量は減少する。したがって、第１可変容量素子１６に印加される温度補償電圧の発振回路全体に対する温度補償の感度が高くなって温度補償が効き過ぎる状態となり、入力電圧４０の値が基準電圧４２の値からはなれるほど顕著となる。

しかし、このとき第１マルチプレクサー５２において第２増幅回路４８からの出力が選択され補助温度補償電圧は温度補償電圧と同相の出力となるため、第１可変容量素子１６に係る電位差において、温度補償による振幅を抑制させる形となる。よって温度補償電圧の発振回路１２に対する温度補償の感度を抑えて温度補償を効果的に行うことができる。さらに補助温度補償電圧は入力電圧４０の値が基準電圧４２の値より離れるほど、その温度特性の振幅を小さくすることになるので、補助温度補償電圧を入力電圧４０に追従して変化させて第１可変容量素子１６の発振回路１２に対する温度補償の感度を安定化させ、第１可変容量素子１６による温度補償を効果的に行うことができる。

第２実施形態に係る温度補償型発振回路７０を図６に示す。第２実施形態に係る温度補償型発振回路７０は基本的には第１実施形態と共通するが、発振回路７２中の第１可変容量素子７４と第２可変容量素子７６が直列に接続され、第２温度補正電圧発生回路４４とエンコーダー３８との間にインバーター７６が介装されている。

第２実施形態のように第１可変容量素子７４と第２可変容量素子７６を直列とした構成において、入力電圧４０の値を基準電圧４２の値から小さくしていくと、第２可変容量素子７６の容量が大きくなる。したがって第１可変容量素子１６に印加される温度補償電圧の発振回路全体に対する温度補償の感度が高くなって温度補償が効き過ぎる状態となり、入力電圧４０の値が基準電圧４２の値からはなれるほど顕著となる。

しかし、インバーター７６を第２温度補償電圧発生回路４４とエンコーダー３８との間に介装することにより、第１マルチプレクサー５２（第１実施形態参照）において第２増幅回路４８（第１実施形態参照）からの出力が選択され補助温度補償電圧は温度補償電圧と同相の出力となるため、第１可変容量素子７４に係る電位差において、温度補償による振幅を抑える形となる。よって温度補償電圧の発振回路７２に対する温度補償の感度を抑制させて温度補償を効果的に行うことができる。さらに補助温度補償電圧は入力電圧４０の値が基準電圧４２の値から離れるほど、その温度特性の振幅を小さくすることになるので、補助温度補償電圧を入力電圧４０に追従して変化させて第１可変容量素子７４の発振回路７２に対する温度補償の感度を安定化させ、第１可変容量素子による温度補償を効果的に行うことができる。

一方、入力電圧４０の値を基準電圧４２の値から大きくしていくと、第２可変容量素子７６の容量が小さくなる。したがって第１可変容量素子１６に印加される温度補償電圧の発振回路全体に対する温度補償の感度が低くなって温度補償が不足する状態となり、入力電圧４０の値が基準電圧７２の値からはなれるほど顕著となる。しかし、このときは上述の構成により、第１マルチプレクサー５２（第１実施形態参照）において第１増幅回路４６（第１実施形態参照）からの出力が選択され補助温度補償電圧は温度補償電圧と逆相の出力となるため、第１可変容量素子７４に係る電位差において、温度補償による振幅を増大させる形となる。よって温度補償電圧の発振回路７２に対する温度補償の感度を増大させて温度補償を効果的に行うことができる。さらに補助温度補償電圧は入力電圧４０の値が基準電圧４２の値より離れるほど、その温度特性の振幅を大きくすることになるので、補助温度補償電圧を入力電圧に追従して変化させて第１可変容量素子７４の発振回路７２に対する温度補償の感度を安定化させ、第１可変容量素子７４による温度補償を効果的に行うことができる。

本願発明者は本発明の第１実施形態に係る温度補償型発振回路１０の第１可変容量素子１６に補助温度補償電圧を印加した場合の温度補償の効果について調査した。図７にその調査結果を示す。いずれの場合も入力電圧４０を０．１Ｖ、０．９Ｖ、１．７Ｖに設定した場合の発振回路１２の温度依存性についてプロットしている。なお、温度補償の際の入力電圧４０は０．９Ｖで、このときに温度補償が最適になるようにしている。図７（ａ）に示すように第１可変容量素子１６に補助温度補償電圧を印加しない場合は、入力電圧４０を０．１Ｖに下げた場合においては補償不足の状態であり、逆に入力電圧４０を１．７Ｖに上げた場合では過補償の状態になっており、−３０℃〜８５℃の温度範囲において周波数偏差が０．５ｐｐｍ以上有することが分かる。一方、図７（ｂ）に示すように、補助温度補償電圧を印加した場合は、入力電圧４０をいずれの値にしたときも、補償不足、及び過補償の状態が抑制され、−３０℃〜８５℃の温度範囲において周波数偏差が０．５ｐｐｍ以内に収まっていることが分かる。

以上説明したように本発明に係る温度補償電圧発生回路２９及び温度補償型発振回路１０、７０によれば、温度補償電圧には１次電圧、３次電圧のみならず、より高次の温度特性を示す電圧を加えることが可能である。さらに、第１可変容量素子１６、７４には近似的に温度補償電圧と補助温度補償電圧との差分の電圧が印加されることになる。温度補償電圧をＡＦＣ回路５４の出力（増幅度補正信号６４）により補正して増幅することにより補助温度補償電圧を出力することができるので、増幅回路は１つでまかなうことができ、低位相雑音化が容易な温度補償電圧発生回路１０、７０となる、また第１温度補償電圧発生回路４４から第１可変容量素子１６、７４に印加される温度補償電圧を変動させることなく、ＡＦＣ回路５４の出力に応じて変動する補助温度補償電圧により第１可変容量素子１６、７４に掛かる電圧を調整することができ、ＡＦＣ回路５４からの出力電圧６２が変化した場合も良好な温度特性を維持することができる。また温度補償に用いる第１可変容量素子１６、７４の印加電圧範囲を広くとることができ、第１可変容量素子１６の線形応答領域を従来よりもさらに有効に利用することができる。さらには第１可変容量素子１６、７４のＣ−Ｖ特性を広く利用するこ補正をする者とができるので、補償電圧の範囲を広げて発振器側の温度補償の感度を落とすことができ、低位相雑音化を図ることが可能となる。

また、補助温度補償電圧は入力電圧４０の値と基準電圧４２の値との大小関係によりその温度特性を反転させることができる。さらに入力電圧４０の値が基準電圧４２の値から離れるほど、補助温度補償電圧の増幅度は高くなる。よって補助温度補償電圧を入力電圧に追従して変化させることにより、第１可変容量素子１６、７４の発振回路１２、７２に対する温度補償の感度を安定化させ、第１可変容量素子１６を用いた温度補償を効果的に行うことができる温度補償型発振回路１０、７０となる。

第１実施形態に示すように、第１可変容量素子１６と第２可変容量素子１８が圧電振動子に対して並列に接続された発振回路において、入力電圧４０が基準電圧４２より高く制御した場合、第２可変容量素子の容量が小さくなるため、第１可変容量素子１６に印加される温度補償電圧の発振回路１２全体に対する温度補償の感度が高くなり、過補償の状態となる。しかしこの場合、第２温度補償電圧発生回路４４が温度補償電圧と同相の補助温度補償電圧を第１可変容量素子１６のＢ端子１６ｂに出力するため、第１可変容量素子１６に印加される電位差の温度特性の振幅を少なくして過補償の状態を抑制することができる。

一方、入力電圧４０を基準電圧４２より低く制御した場合、第２可変容量素子１８の容量が大きくなるため、第１可変容量素子１６に印加される温度補償電圧の発振回路１２全体に対する温度補償の感度が低くなり、補償不足の状態となる。しかしこの場合、第２温度補償電圧発生回路４４が温度補償電圧と逆相の補助温度補償電圧を第１可変容量素子１６のＢ端子１６ｂに出力するため、第１可変容量素子１６に印加される電位差の温度特性の振幅を大きくして補償不足の状態を抑制することができる。

第２実施形態に示すように、第１可変容量素子７４と第２可変容量素子７６が直列に接続された発振回路７２において、入力電圧４０を基準電圧４２より高く制御した場合、第２可変容量素子７６の容量が小さくなるため、第１可変容量素子７４に印加される温度補償電圧の発振回路１２全体に対する温度補償の感度が低くなり、補償不足の状態となる。しかしこの場合、第２温度補償電圧発生回路４４が温度補償電圧と逆相の補助温度補償電圧を第１可変容量素子１６のＢ端子１６ｂに出力するため、第１可変容量素子１６に印加される電位差の温度特性の振幅を大きくして補償不足の状態を抑制することができる。

一方、入力電圧４０を基準電圧４２より低く制御した場合、第２可変容量素子１８の容量が大きくなるため、第１可変容量素子７４に印加される温度補償電圧の発振回路７２全体に対する温度補償の感度が高くなり、過補償の状態となる。しかしこの場合、第２温度補償電圧発生回路４４が温度補償電圧と同相の補助温度補償電圧を第１可変容量素子１６のＢ端子１６ｂに出力するため、第１可変容量素子１６に印加される電位差の温度特性の振幅を小さくして過補償の状態を抑制することができる。

１０………温度補償型発振回路、１２………発振回路、１４………圧電振動子、１６………第１可変容量素子、１８………第２可変容量素子、２０………キャパシタ、２２………キャパシタ、２４………キャパシタ、２６………ＭＯＳトランジスタ、２８………ＭＯＳトランジスタ、２９………温度補償電圧発生回路、３０………第１温度電圧発生回路、３２………温度センサ、３４………１次電圧生成回路、３６………３次電圧生成回路、３８………エンコーダー、４０………入力電圧、４２………基準電圧、４４………第２温度補償電圧発生回路、４６………第１増幅回路、４８………第２増幅回路、５０………調整回路、５２………第１マルチプレクサー、５４………ＡＦＣ回路、５６………第３増幅回路、５８………第４増幅回路、６０………第２マルチプレクサー、６２………出力電圧、６４………増幅度補正信号、７０………温度補償型発振回路、７２………発振回路、７４………第１可変容量素子、７６………第２可変容量素子、７８………インバーター、１０５………バラクターダイオード、１０６………ＡＴカット水晶振動子、１０７………発振回路、１０８………出力端子、１０９………１次電圧発生回路、１１０………３次電圧発生回路、１１１………温度補償電圧発生回路、１１２………記憶デバイス、１１３………ＡＦＣ回路、１１４………入力端子。

Claims (2)

1. 温度補償された発振周波数を可変制御し、前記可変制御の状態と前記温度補償の制御状態とから、前記可変制御状態の変化に応じて生じる前記温度補償の補償量の変化を補償する手段を備えている温度補償型発振回路において、
   振動子、発振周波数の温度補償をする電圧制御型の第１可変容量素子、前記発振周波数 を可変制御する周波数制御回路、及び前記周波数制御回路に接続され前記発振周波数を調 整する電圧制御型の第２可変容量素子を有し、
   前記第１可変容量素子の一端に前記第１可変容量素子の容量を制御する前記温度補償の ための温度補償電圧を出力する第１温度補償電圧発生回路と、
   前記温度補償電圧と前記周波数制御回路の出力とによって生成された前記補償量を調整 する補助温度補償電圧を前記第１可変容量素子の他端に出力する第２温度補償電圧発生回 路と、を有していることを特徴とする温度補償型発振回路。
2. 請求項１に記載の温度補償型発振回路において、
   前記第１温度補償電圧発生回路は、前記振動子の発振周波数の温度特性に対応して温度変化により３次関数的に変化する３次電圧を生成する３次電圧生成回路を有するとともに前記３次電圧に基づいて前記温度補償電圧を出力することにより、前記補助温度補償電圧が温度変化により３次関数的に変化することを特徴とする温度補償型発振回路。

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