JP6112829B2 - 恒温槽付水晶発振器の温度制御回路 - Google Patents
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Description
従来、外気温度の変化の影響を小さくするために、恒温槽内に水晶振動子及び周辺回路を収納した恒温槽付水晶発振器(OCXO:Oven Controlled Crystal Oscillator)がある。
恒温槽付水晶発振器は、広い温度範囲にわたって温度に影響される部品を恒温槽中で温度制御することにより、発振周波数の安定化を図ったものである。
従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路について、図3を参照しながら説明する。図3は、従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路の回路図である。
従来のOCXOの温度制御回路は、図3に示すように、サーミスタ(NTC)1と、第1〜4の抵抗(R1 ,R2 ,R3 ,R4 )2〜5と、オペアンプ6と、帰還抵抗としての第5の抵抗(R5 )7と、第6の抵抗(R6 )8と、NPN型のパワートランジスタ(Tr)9と、ヒーター抵抗としての第7の抵抗(R7 )10とから構成されている。
従来のOCXOの温度制御回路では、サーミスタ1の一端と第3の抵抗4の一端には定電圧が印加され、サーミスタ1の他端には第1の抵抗2の一端が接続され、第1の抵抗2の他端が接地されている。
また、第3の抵抗4の他端には、第4の抵抗5の一端が接続され、第4の抵抗5の他端が接地されている。
また、第3の抵抗4の他端と第4の抵抗の一端を接続する線がオペアンプ6の(+)端子に接続されている。
第7の抵抗10の一端には電源電圧(Vcc)が印加され、第7の抵抗10の他端はパワートランジスタ9のコレクタに接続され、パワートランジスタ9のエミッタが接地されている。
従来のOCXOの温度制御回路では、恒温槽内に設けられたサーミスタ1で温度検出を行い、検出温度に応じた電流が流れ、第2の抵抗3を介してオペアンプ6の(−)端子に変動した電圧が入力される。
また、第3の抵抗4と第4の抵抗5により基準電圧が(+)端子に入力され、オペアンプ6に入力される電圧の差分電圧が第6の抵抗8を介してパワートランジスタ9のベースに入力される。
尚、関連する先行技術として、特表2009−540409号公報「1V〜10Vインタフェース用の温度補償電流発生器」(オスラム ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング)[特許文献1]、特開2011−041393号公報「出力遮断回路および電子機器」(富士通テン株式会社)[特許文献2]がある。
特許文献2には、出力遮断回路において、トランジスタQ3に対して、電流を制限するトランジスタQ2のエミッタに抵抗を挿入することが示されている。
要するに、低温側での温度制御範囲に影響を与えることになり、OCXOの設計で十分注意が必要になる。
[実施の形態の概要]
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の温度制御回路は、サーミスタで検出された温度に応じた電圧と標準電圧との差分をオペアンプで増幅し、オペアンプからの出力を制御電圧としてPNP型パワートランジスタのベースに入力してヒーター抵抗を発熱させると共に、パワートランジスタのエミッタに入力される電流を制限するPNP型電流制限用トランジスタを設け、当該電流制限用トランジスタのエミッタに温度によって抵抗値が変化する抵抗を接続したものであり、これにより、起動時のパワートランジスタの消費電流は周囲温度が変化してもほとんど変わらず、安定時の消費電流は直線領域が増えて広範囲での温度制御を実現できるものである。
つまり、温度が高くなると、電流制限用トランジスタのエミッタに設けられる抵抗の抵抗値が高くなって、エミッタ電圧VE が降下するが、電流制限用トランジスタの電流増幅率hFEが高くなるため、温度が上昇しても電流制限用トランジスタのベース電圧VB の上昇を抑えることになるので、ベース電圧VB を一定に保つことができる。
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の温度制御回路(本温度制御回路)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恒温槽付水晶発振器の温度制御回路の回路図である。
本温度制御回路は、図1に示すように、サーミスタ(NTC)1と、第1〜4の抵抗(R1 ,R2 ,R3 ,R4 )2〜5と、オペアンプ6と、帰還抵抗としての第5の抵抗(R5 )7と、第6の抵抗(R6 )8と、第8,9の抵抗(R8 ,R9 )11,12と、オペアンプ13と、帰還抵抗としての第10の抵抗(R10)14と、第11の抵抗(R11)15と、パワートランジスタ(Tr1)9と、ヒーター抵抗としての第7の抵抗(R7 )10と、電流制限用トランジスタ(Tr2)16と、第12〜14の抵抗(R12,R13,R14)17〜19とから構成されている。
サーミスタ1は、恒温槽内に設けられ、恒温槽内の温度を検出して、検出温度に相当する電圧を出力する温度検出手段である。
本温度制御回路において、パワートランジスタ9と電流制限用トランジスタ16は、PNP型トランジスタである。
オペアンプ6とオペアンプ13の2段にしているのは、増幅率(ゲイン)を向上させるためである。
この第14の抵抗19を電流制限用トランジスタ16のエミッタ側に挿入することで、起動時の電流制限用トランジスタ16のベース電圧(VB )をほぼ一定にでき、その結果、起動時のパワートランジスタ9の消費電流は周囲温度が変化してもほとんど変わらない。これにより、安定時のパワートランジスタ9の消費電流は直線領域が増えて広範囲での温度制御が可能となった。
本温度制御回路では、サーミスタ1の一端と第3の抵抗4の一端、第8の抵抗11の一端には定電圧が印加され、サーミスタ1の他端には第1の抵抗2の一端が接続され、第1の抵抗2の他端が接地されている。
また、第3の抵抗4の他端には、第4の抵抗5の一端が接続され、第4の抵抗5の他端が接地されている。
更に、第8の抵抗11の他端には、第9の抵抗12の一端が接続され、第9の抵抗12の他端が接地されている。
また、第3の抵抗4の他端と第4の抵抗の一端を接続する線がオペアンプ6の(+)端子に接続されている。
また、第8の抵抗11の他端と第9の抵抗12の一端を接続する線がオペアンプ13の(+)端子に接続されている。
第7の抵抗10の一端には電源電圧(Vcc)が印加され、第7の抵抗10の他端はパワートランジスタ9のエミッタに接続され、パワートランジスタ9のコレクタが接地されている。
また、電流制限用トランジスタ16のコレクタは、第13の抵抗18を介してパワートランジスタ9のベースと第11の抵抗15とを接続する線に接続されている。
更に、電流制限用トランジスタ16のエミッタには第14の抵抗19を介して電源電圧が印加されている。
本温度制御回路では、サーミスタ1で温度検出を行い、検出温度に応じた電流が流れ、第2の抵抗3を介してオペアンプ6の(−)端子に変動した電圧が入力される。
また、第3の抵抗4と第4の抵抗5により基準電圧(第1の基準電圧)がオペアンプ6の(+)端子に入力され、(−)端子と(+)端子に入力される電圧の差分電圧が第6の抵抗8を介してオペアンプ13の(−)端子に入力される。
尚、オペアンプ6に入力される第1の基準電圧とオペアンプ13に入力される第2の基準電圧とは、異なる電圧値を用いるようにしている。
また、パワートランジスタ9のエミッタに流れる電流が小さくなると、電流制限用トランジスタ16のベースに印加される電圧が小さくなって、電流制限用トランジスタ16のエミッタとコレクタとを流れる電流が少なくなり、第7の抵抗10を流れる電流が制限されない。
電源を投入して、電流制限用トランジスタ16が冷えている状態から暖まるにつれ、第14の抵抗(エミッタ抵抗)19の温度が、起動時から時間経過に伴い上昇し、第14の抵抗19の抵抗値が高くなり、電流制限用トランジスタ16のエミッタに掛かる電圧が降下する。
そのため、安定時の消費電流は直線領域が増えて、広範囲での温度制御が可能である。
第14の抵抗(電流制限用トランジスタ16のエミッタ抵抗)19は、温度変化に対して抵抗値が変化する素子を用いる。
特に、起動時に電流制限用トランジスタ16のエミッタとベースとの間の電位差が温度上昇と伴に小さくなるということは、つまり、電流制限用トランジスタ16が暖まるにつれて、電源電圧(Vcc)に対して電流制限用トランジスタ16のベースに印加される電圧が上昇することを意味しているから、第14の抵抗19は、ベースに印加される電圧の上昇を抑えるよう電圧降下させる抵抗を電流制限用トランジスタ16のエミッタ抵抗に用いる。
よって、電流制限用トランジスタ16が暖まるにつれて、電流制限用トランジスタ16のベースに印加される電圧が時間経過に伴い上昇する特性を打ち消すような電圧降下の特性を備える抵抗が、エミッタ抵抗として望ましい。
次に、本温度制御回路における起動時と安定時の温度と消費電流/制御電圧の特性について図2を参照しながら説明する。図2は、本温度制御回路の消費電流特性等を示す図である。
図2に示すように、黒い四角の実線は、温度に対するパワートランジスタ9の起動時の消費電流を示し、黒い四角の破線は、温度に対するパワートランジスタ9の安定時の消費電流を示している。
また、黒い三角の実線は、温度に対する電流制限用トランジスタ16の起動時の制御電圧(ベースに印加される電圧:VB )を示している。
よって、黒い四角の破線が示すように、パワートランジスタ9の安定時における消費電流特性は直線性を失わず、パワー不足とならずにOCXOの温度制御が可能である。
次に、図2との比較のために、電流制限用トランジスタにエミッタ抵抗が設けられていない温度制御回路における起動時と安定時の温度と消費電流/制御電圧の特性について図4を参照しながら説明する。図4は、電流制限用トランジスタのエミッタ抵抗が設けられていない消費電流特性等を示す図である。つまり、図4では、電流制限用トランジスタを備えるも、エミッタ抵抗が設けられていない温度制御回路を想定している。
また、黒い三角の実線は、温度に対する電流制限用トランジスタの起動時の制御電圧(ベースに印加される電圧:VBE)を示している。
よって、黒い四角の破線が示すように、パワートランジスタの安定時における消費電流特性は直線性を失い、周囲温度が0℃で非線形となり、パワー不足となって、−10℃〜−20℃を下回った場合、OCXOの温度制御が不能となる。
そのため、安定時の消費電流は直線領域が増えて、広範囲での温度制御が可能である。
本温度制御回路によれば、サーミスタ1で検出された温度に応じた電圧と標準電圧との差分をオペアンプ6,13で増幅し、オペアンプ13からの出力を制御電圧としてPNP型パワートランジスタ9のベースに入力してヒーター抵抗(第7の抵抗)10を発熱させると共に、パワートランジスタ9のエミッタに入力される電流を制限するPNP型電流制限用トランジスタ16を設け、電流制限用トランジスタ16のエミッタに温度によって抵抗値が変化する第14の抵抗19を設けるようにしているので、起動時に電流制限用トランジスタ16の温度が変化しても電流制限用トランジスタ16のベースに掛かる電圧は変化せず、安定時のパワートランジスタ9の消費電流は直線領域が増えて、広範囲での温度制御を行うことができる効果がある。
Claims (3)
- 恒温槽付水晶発振器の温度制御回路であって、
恒温槽内の温度を検出し、検出温度に相当する電圧を出力する温度検出手段と、
前記検出温度に相当する電圧と基準電圧との差分を出力するオペアンプと、
前記オペアンプからの出力をベースに入力するPNP型パワートランジスタと、
一端が電源電圧に接続し、他端が前記パワートランジスタのエミッタに接続するヒーター抵抗と、
ベースが前記パワートランジスタのエミッタに接続し、コレクタが前記パワートランジスタのベースに接続するPNP型電流制限用トランジスタと、
一端が電源電圧に接続し、他端が前記電流制限用トランジスタのエミッタに接続し、温度上昇に伴って抵抗値が高くなる抵抗とを有することを特徴とする温度制御回路。 - 電流制限用トランジスタのエミッタに接続される抵抗は、当該電流制限用トランジスタの起動時の温度上昇に伴って当該電流制限用トランジスタのベースに印加される電圧が大きくなるのを打ち消すように電圧降下させる抵抗であることを特徴とする請求項1記載の温度制御回路。
- オペアンプを複数多段に接続し、各オペアンプに入力される基準電圧をそれぞれ異なる値とすることを特徴とする請求項1又は2記載の温度制御回路。
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