JP6537645B2 - 恒温槽付水晶発振器の温度制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、恒温槽付水晶発振器の温度制御回路に係り、特に電源電圧の変動の影響を抑え、安定した温度制御を行って出力周波数を安定させることができる温度制御回路に関する。

［先行技術の説明：図３］
恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ；Oven Controlled Crystal Oscillator）は、恒温槽内に水晶振動子等の発振素子と、温度制御回路等の周辺回路とを収納し、恒温槽内部の温度を一定に保持することにより、外部の温度変化の影響を抑え、出力周波数の安定化を図るものである。

従来の恒温槽付水晶発振器に用いられる温度制御回路の例について図３を用いて説明する。図３は、従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路の例を示す回路図である。
図３に示すように、従来のＯＣＸＯの温度制御回路は、基本的に、サーミスタ（ＴＨ）と、オペアンプ１０と、パワートランジスタＴｒ１と、ヒータ抵抗ＨＲと、電源電圧Ｖｃｃと、安定化電源Ｖｒｅｇとを備えている。

従来の温度制御回路の各部及び接続関係について具体的に説明する。
サーミスタＴＨは、温度によって抵抗値が変化する感温素子であり、発振素子の温度を検出し、温度に応じた電圧を出力する。
サーミスタＴＨの一端には、抵抗Ｒ１を介して安定化電源Ｖｒｅｇが印加され、他端が接地されている。また、サーミスタＴＨの一端は、抵抗Ｒ４を介してオペアンプ１０のマイナス（−）端子（反転入力端子）に入力されている。

サーミスタＴＨに並列に設けられた直列接続の抵抗Ｒ２とＲ３の一端に、安定化電源Ｖｒｅｇが印加され、他端が接地されると共に、抵抗Ｒ２とＲ３の間の点がオペアンプ１０のプラス（＋）端子（非反転入力端子）に接続され、基準電圧となっている。

更に、オペアンプ１０の出力は、抵抗Ｒ６を介してパワートランジスタＴｒ１のベースに入力されると共に、抵抗Ｒ５を介してオペアンプ１０の−端子に帰還している。

ヒータ抵抗ＨＲは、流れる電流に応じて発熱する。
ヒータ抵抗ＨＲの一端には、電源電圧Ｖｃｃが印加され、ヒータ抵抗ＨＲの他端は、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続され、パワートランジスタＴｒ１のコレクタは接地されている。
パワートランジスタＴｒ１はＰＮＰ型のトランジスタであり、ベースには、Ｒ６を介してオペアンプ１０の出力が印加されている。
尚、パワートランジスタＴｒ１として、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いてもよい。

上記構成の温度制御回路においては、オペアンプ１０において、基準電圧とサーミスタからの水晶振動子の温度に応じた電圧との差分が増幅されて出力され、当該差分の電圧がパワートランジスタＴｒ１のベースに印加されて、ベース−エミッタ間の電圧に応じて電流が流れ、ヒータ抵抗ＨＲとパワートランジスタＴｒ１が発熱して恒温槽内の温度を一定に保つものである。

［電源電圧の変動］
ところで、図３に示した温度制御回路のように、パワートランジスタＴｒ１としてＰＮＰ型のトランジスタを用いた場合、電源電圧Ｖｃｃが急激に変動すると、パワートランジスタＴｒ１のベース−エミッタ間の電圧が急激に変化し、それに伴ってヒータ抵抗に流れる電流が一時的に大きく変動して、恒温槽の温度制御が不安定になることがあった。

［従来の電源変動特性：図４］
従来の温度制御回路における電源変動特性の例について図４を用いて説明する。図４は、従来の温度制御回路における電源変動特性例を示す特性図である。
図４に示すように、電源電圧（Ｖｃｃ）が変動する場合、変化するタイミングで温度制御回路の消費電流値が急激に変動しており、急峻な立ち下りや立ち上がりが認められる。これは、一時的にオーブンの制御が崩れ、不安定になっていることを示している。

［関連技術］
尚、恒温槽付水晶発振器の温度制御回路に関する従来技術としては、特開２００１−１１７６４５号公報「温度制御回路」（東洋通信機株式会社、特許文献１）、特開２００５−１６５６３０号公報「温度制御回路とそれを用いた恒温槽型圧電発振器」（東洋通信機株式会社、特許文献２）、特開２０１２−２５３６６０号公報「恒温槽付水晶発振器」（日本電波工業株式会社、特許文献３）、特開２０１２−２５７１９５号公報「恒温槽付水晶発振器の温度制御回路」（日本電波工業株式会社、特許文献４）がある。

特許文献１には、温度制御回路において、電源電圧の変動に応じて変動する差動増幅器の出力をトランジスタのベースに入力し、エミッタ出力の一部を差動増幅器の入力にネガティブフィードバックすることが記載されている。

また、特許文献２には、温度制御回路において、電力用ＦＥＴのドレインと差動増幅器ＩＣの＋入力間にコンデンサＣ７を接続し、コンデンサＣ７による積分回路によって電力用ＦＥＴのドレイン電流の急激な変化を抑えることが記載されている。

特許文献３には、恒温槽付水晶発振器において、感度調整用の抵抗を設けて、水晶振動子ごとのＺＴＣ（ゼロ温度係数点）温度の違いに対応して周囲温度の変化による制御目標の温度の変化を防止することが記載されている。

特許文献４には、温度制御回路において、第１のデジタルポテンショメータが水晶振動子の頂点温度を調整し、第２のデジタルポテンショメータが第１のデジタルポテンショメータの温度傾斜を打ち消すよう、それぞれ抵抗値を可変とすることが記載されている。

特開２００１−１１７６４５号公報 特開２００５−１６５６３０号公報 特開２０１２−２５３６６０号公報 特開２０１２−２５７１９５号公報

上述したように、パワートランジスタとしてＰＮＰ型トランジスタを用いた従来の温度制御回路では、電源電圧の変動に応じてパワートランジスタのエミッタ電圧が変動し、それに伴って、ベース−エミッタ間の電圧が変動して恒温槽の温度制御が不安定になってしまうという問題点があった。

尚、特許文献１，２は、電源電圧の変動によって変化したトランジスタ出力を用いて差動増幅器にフィードバックする構成となっており、パワートランジスタの出力を用いずに、電源電圧を直接オペアンプに反映させることは記載されていない。同様に、特許文献３，４にも記載されていない。

本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、電源電圧の変動によりＰＮＰ型パワートランジスタのベース−エミッタ間の電圧が変動するのを抑え、安定した温度制御を実現し、周波数特性を向上させることができる温度制御回路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、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て検出温度に相当する電圧を出力するサーミスタと、基準電圧が入力されるプラス端子と、サーミスタが接続するマイナス端子とを有し、当該両端子に入力される電圧の差分を出力するオペアンプと、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ＰＮＰ型パワートランジスタのエミッタに接続するヒータ抵抗と、一端が電源電圧に接続し、他端が接地され、電源電圧の一部を、前記オペアンプのプラス端子に入力される基準電圧に加算するブリッジ抵抗回路とを備えたことを特徴としている。

また、本発明は、上記温度制御回路において、ブリッジ抵抗回路が、第１の抵抗と第２の抵抗の直列回路で構成され、第１の抵抗と第２の抵抗との間の点が、オペアンプのプラス端子に接続されることを特徴としている。

また、本発明は、上記温度制御回路において、第１の抵抗と第２の抵抗との間の点と、オペアンプのプラス端子とが第３の抵抗を介して接続されていることを特徴としている。

本発明によれば、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て検出温度に相当する電圧を出力するサーミスタと、基準電圧が入力されるプラス端子と、サーミスタが接続するマイナス端子とを有し、当該両端子に入力される電圧の差分を出力するオペアンプと、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ＰＮＰ型パワートランジスタのエミッタに接続するヒータ抵抗と、一端が電源電圧に接続し、他端が接地され、電源電圧の一部を、前記オペアンプのプラス端子に入力される基準電圧に加算するブリッジ抵抗回路とを備えた温度制御回路としているので、電源電圧が変動した場合に、ＰＮＰ型パワートランジスタのベース電圧をエミッタ電圧と同方向に変化させて、ベース−エミッタ間の電圧を一定に保持することができ、電源電圧が急激に変化しても、安定した温度制御を行って出力周波数信号を安定させることができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る温度制御回路の回路図である。 本温度制御回路の電源変動特性例を示す特性図である。 従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路の例を示す回路図である。 従来の温度制御回路における電源変動特性例を示す特性図である。

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の出力を、ＰＮＰ型パワートランジスタのベースに入力して、エミッタにヒータ抵抗を接続した温度制御回路で、電源電圧の一部をブリッジ抵抗回路を介してオペアンプの基準電圧に加算するものであり、電源電圧が変動した場合に、ＰＮＰ型パワートランジスタのベース電圧をエミッタ電圧と同方向に変化させることにより、ベース−エミッタ間の電圧を一定に保持することができ、電源電圧が急激に変化しても、安定した温度制御を行って出力周波数を安定させることができるものである。

［実施の形態に係る温度制御回路：図１］
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について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る温度制御回路の回路図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る温度制御回路（本温度制御回路）は、図３に示した従来の温度制御回路と同様の基本的な部分として、サーミスタ（ＴＨ）と、オペアンプ１０と、ＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１と、ヒータ抵抗ＨＲと、電源電圧Ｖｃｃと、安定化電源Ｖｒｅｇとを備えている。
そして、本温度制御回路の特徴として、抵抗Ｒ１１，抵抗Ｒ１２，抵抗Ｒ１３から成るブリッジ抵抗回路１１を備えている。

ブリッジ抵抗回路１１以外の部分の接続関係は、図３と同じであるため、説明は省略する。
ブリッジ抵抗回路１１は、一端が電源電圧Ｖｃｃに接続される抵抗Ｒ１１と、一端が接地される抵抗Ｒ１２と、一端が抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３の間の点に接続される抵抗Ｒ１３とを備え、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３の他端が一点で接続された構成である。

そして、電源電圧Ｖｃｃが分岐されて、ブリッジ抵抗回路１１の抵抗Ｒ１１の一端に印加されている。
分岐された電源電圧Ｖｃｃは、抵抗Ｒ１１とＲ１２の間の点に接続された抵抗Ｒ１３を介して、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との間の点に入力されている。

図３で説明したように、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との間の点は、安定化電源Ｖｒｅｇに接続されると共にオペアンプ１０の＋端子に接続されており、基準電圧を供給している。
つまり、本温度制御回路では、基準電圧に、電源電圧Ｖｃｃを加算してオペアンプの＋端子に供給しているものである。

これにより、電源電圧Ｖｃｃが変動した場合には、それに応じてパワートランジスタＴｒ１のエミッタ電圧が変動するが、その変動分が基準電圧に加算されて、オペアンプ１０の出力に反映され、パワートランジスタＴｒ１のベースに入力されて、ベース電圧がエミッタ電圧と同じ方向に変動することになる。

そのため、電源電圧Ｖｃｃが変動しても、ＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１のベース−エミッタ間電圧を一定に保持することができ、ヒータ抵抗ＨＲに流れる電流量が大きく変動するのを防ぐことができるものである。

［本温度制御回路の特性：図２］
次に、本温度制御回路の電源変動特性と、本温度制御回路を用いた恒温槽付水晶発振器の周波数安定度について図２を用いて説明する。図２は、本温度制御回路の電源変動特性例を示す特性図である。
図２に示すように、本温度制御回路では、電源電圧Ｖｃｃが変動しても、消費電流の変動は小さく、急峻な立ち下りや立ち上がりは発生しない。
図４に示した従来の温度制御回路の特性と比較して、大幅に改善されており、オーブンの制御が安定していることを示している。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る温度制御回路によれば、オペアンプ１０が、抵抗Ｒ２及びＲ３の間の点から出力される基準電圧と、サーミスタからの温度に応じた電圧との差分を出力し、ＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１が、オペアンプ１０からの出力をベースに入力し、エミッタに接続するヒータ抵抗の電流を制御する温度制御回路であって、一端が電源電圧Ｖｃｃに接続し、抵抗Ｒ１１とＲ１２とが直列接続されたブリッジ抵抗回路１１を備え、ブリッジ抵抗回路１１の抵抗Ｒ１１とＲ１２の間の点が、抵抗Ｒ１３を介して、基準電圧を供給する抵抗Ｒ２とＲ３の間の点に接続された構成としているので、電源電圧Ｖｃｃが変動した場合に、ＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１のベース電圧をエミッタ電圧と同じ方向に変化させて、ベース−エミッタ間の電圧を一定に保持することができ、電源電圧Ｖｃｃが変動しても安定した温度制御を行って出力周波数を安定させることができる効果がある。

本発明は、電源電圧の変動の影響を抑え、安定した温度制御を行って出力周波数を安定させることができる温度制御回路に適している。

１０…オペアンプ、 １１…ブリッジ抵抗回路、 Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３…抵抗、 ＨＲ…ヒータ抵抗、 ＴＨ…サーミスタ、 Ｔｒ１…パワートランジスタ

Claims (3)

1. 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て検出温度に相当する電圧を出力するサーミスタと、
   基準電圧が入力されるプラス端子と、前記サーミスタが接続するマイナス端子とを有し、当該両端子に入力される電圧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ＰＮＰ型パワートランジスタのエミッタに接続するヒータ抵抗と、
   一端が前記電源電圧に接続し、他端が接地され、前記電源電圧の一部を、前記オペアンプのプラス端子に入力される基準電圧に加算するブリッジ抵抗回路とを備えたことを特徴とする温度制御回路。
2. ブリッジ抵抗回路が、第１の抵抗と第２の抵抗の直列回路で構成され、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との間の点が、オペアンプのプラス端子に接続されることを特徴とする請求項１記載の温度制御回路。
3. 第１の抵抗と第２の抵抗との間の点と、オペアンプのプラス端子とが第３の抵抗を介して接続されていることを特徴とする請求項２記載の温度制御回路。

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