JPH01220505A - 発振器、特にその温度制御を制御することにより周波数が制御された表面音響波発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 産業上の利用分計 この発明は、特に°’ＳＡＷ”として既知の表面波共振
子より成る型の電気的発振器、特にその温度制御を制御
することにより周波数が制御された表面音響波発振器に
関する。

これらの発振器は、多（の場合水晶製である基板上に取
付けた２対の櫛歯噛合状のＴｉ極を持つ少なくとも１つ
のＳＡＷ共振子を持ち、その電極間に表面音波が伝播し
かつ１つの通電回路が前記電極に接続されているもので
ある。

ＳＡＷ発ｍ器は、多くの超高周波の応用を持ち、また高
いスペクトル純度と言う利点を持つ。例えば、１００と
１０００Ｍセとの同の周波数領域において、容積波水晶
発振器に比べて２０　ｄＢより大きい位相ノイズ利得が
これらの発振により与えられる。

この発明が解決できる問題は、発振器、また特にＳＡＷ
発振器の周波数設定の問題である。

ＳＡＷの周波数は、多くの寸法上の間！１！（特にｆｆ
ｔｉｆａ噛合いの電極の隣接するフィンガーの同の）、
また基板の弾性係数に依存する。

基準温度におけるＳＡＷの最初の周波数設定は、ＳＡＷ
の品質係数（電気的過電圧）が高いので、尚ますます、
多数の線が引かれたマスクの寸法精度に依存する。その
上に、発振型回路により付与できる付属の電気的設定は
、一方では、ＳＡＷの周波数のばらつきより不足し、さ
らに他方では、品質係数が高ければ高いほど、ますます
不十分な修正を与える。

その結果は、最終的には、ＳＡＷの共振子は構造上、周
波数が不正確となり、また、その品質係数が高いので電
気的制御による調整がますます難しくなり、分別的作業
を必要とする上に、許容できないほどの廃棄率を生じる
と言うことになる。

実例によれば、過電圧３０，０００の２００Ｍ七ＳＡＷ
共振子は、構造上、±２０　ｋＨｚの不正確をもつが、
一方、電気的リセットは±１０　ｋ）ｔｚにすぎない。

これに長期ドリフトが１年±５ｋｌ（ｚであり、温度が
寸法係数だけでなく基板の弾性常数に、影響するので、
温度係数をも加えなければならない。

ＳＡＷを調温の蔽いの中に入れるのを避けるために、基
板の特殊な結晶学的切断（例えばＵ　Ｓ　Ａ４　４００
６４０．４６０２　１８２および４　６０９　８４３を
参照せよ）を用いることによるか、または基板の特殊な
構造によるか（ＵＳＡ４　６２２　８５５）、または相
互の温度補償を行うため数個のＳＡＷを連繋させること
により（ＢＦ７８　１５４２９）、その本来の温度係数
を最小化することが、すでに提案されている。基板の温
度に対してサーボ制御されかつその周波数を可能なリセ
ット範囲に制御するために適応させた、そのほかの電気
回路も提案されている（ＵＳＡ４　４９１９３１．　４
　　４８９　２８９）　　。

発明の概要 この発明は、これに対して、１つの共振子、その共振子
を活かすための通電した回路、さらに基準周波数に対し
て出力周波数を設定する手段を持つ発振器を提但し、前
記手段が、共振子と熱的に結合された加熱部材と、発振
器の出力周波数と基準周波数との同の差の関数として加
熱部材を制御する少くとも１つのサーボ制御ループとを
、前記発振器において包含する。より望ましい実施例に
おいては、前記サーボ制御ループ（熱的設定のループ）
は、周波数の近似を行うと共に微細調整を行う少（とも
１つの従来の電気的設定ループと連繋した、積分型制御
ループを形成し、その熱的設定ループは、結果の周波数
を電気的設定ループのロック・オン領域に持ち込むある
値に、温度を依存させるものである。

特に有利な実施例においては、電気的設定は少くとも１
つの半積分型制御ループを用いる。

この発明は、特にＳＡＷ発振発振間するものであるが、
共振子の特性が純粋な電気的設定では容易に発振器の丸
めた周波数を与え得ないようなものである場合は、従来
の容積波発振器にもこの発明が適用できることは、注記
する。

この発明の利点は勿論、その他の特徴を、以下の説明に
よって明らかにする。

第１図の発振Ｎ１は、それ自体は公知の型のものでもよ
いが、出力１０、その周波数Ｆの電気的制御のための端
子１１、さらに抵抗１２により記号で示され、その中を
流れる電流を制御する端子１３に接続された１つの電気
的加熱手段とを有する。第４図は、非制限的例として、
この発明を適用するＳＡＷ発振器を示す。

さらに望ましいのは、その加熱手段は、発振器のケース
に接着した有利なパワー・トランジスターとし、さらに
その熱放散は熱伝達時間定数を近似的に決定することを
可能とする制御電流の関数として線型としたものである
。（１つの抵抗システムは、制御信号の二次関数となる
電力を放散するが、サーボ制御ループのゲインを決定す
ることを可能としない）。

周波数信号Ｆは、増幅器２０において増幅され、さらに
この回路の出力２１に供給されまた増＠器２２を通して
２つの２重にバランスしたミキサー２３−２４の第１人
力に付加されるが、このミキサーはスタッガード・イン
ピーダンスを持った“位相検出器”型であれば有利であ
る（例えば、ポートＬＯおよびＲＦについて５０オーム
、ボートＩＦに対して５００オーム）。

例として、”Ｍｉｅｒｏｃｉｒｅｕｉｔ　Ｌａｂｏｒａ
ｔｏｒｉｓｓ”が実用化したファミリーＲＰＤのコンポ
ーネントを使ってもよい。

これらのミキサーの２つの入力は、２００Ｍ１ｂの周波
数により直角位相でドライブされ、例えば説明する例で
は、ＩＯＭＩ（ｚに等しくとった基準周波数の、それぞ
れのレート２，５および２を持つ３つの倍率器２６−２
６−２７で形成する連鎖の中の低ノイズ乗法によって得
られる。

乗法連鎖の出力は、増幅Ｍ２Ｂおよび９０°／３ｄＢ型
のハイブリッド・カプラー２９を通じてこのミキサーを
ドライブする。

Ｆと基準２００　ＭＨｚとの同の周波数誤差ΔＦの方向
によって、ミキサーの１つの出力正弦波（Ｓｉｎｕｓｏ
ｉｄｓ）を、他方のそれに対して、周期の４分の１だけ
、位相を進めるかまたは遅らせる。

２つのヒステレシス・コンパレーター３０，３１は、前
記正弦波を、フリップ・フロップ３２の入力ＨおよびＤ
にそれぞれ付加される矩形波に形成するようクリップす
る。その後この後者は、そのＱおよび莫出力において、
前記の方向に応じてロジック・レベルｌまたは０を生成
する。

１つのトランスコンダクタンスＫｎ増＠Ｈ３３は、その
入力によりＱおよびｑ出力に接続され、また、これが一
定の期間および振幅のまた端子３３０に付加されたΔＦ
に比例する周波数の短い矩形波によ吟作動可能とされた
とき、その流れる方向がこのエラーの符号によって決ま
る、ΔＦに比例する平均電流を送９出す。

これらの短い矩形波（波形は第２図の、！りは、自己の
入力Ｈにおいてコンパレーター３０の出力矩形波（波形
は第２図のりを受は取るユニバイブレーク３４のＱ出力
において生成される。

信号！は、更に、周波数Ｆと基準２００Ｍ七との同の差
を代表し、すなわちその周期はΔＦに逆比例する。

（Ｈ％　、は、さらに、第２のユニバイブレーク３５の
入力１１とフリップ・フロップ３６の入力Ｈとに付加さ
れろ。

サーボ制御（第２図のφＡ）のいわゆる近似フェーズに
おいては、ΔＦは比較的に大きく、ユニバイブレータ−
３５を再トリップする時定数は、これが恒常的に再トリ
ップされる、Ｌうに選ばれた（第２図の波形旦）。その
結果は、フリップ・フロップ３６のＱ出力（第２図の信
号差）はその後ロジック・レベル１に常に位置すると言
うことである。

他方では、１／ΔＦがユニバイブレーク−３５の自然周
期より大さ（なったとき、フリップ・）１コツプのＱ出
力は、レベルＯに移行する（第２図のサーボ制御の最終
フェーズのφＦ）。

さらにまた、ユニバイブレーク−３４は１再トリツプさ
れることを停止する。

近似フェーズの間、ユニバイブレーク−３４からの矩形
彼旦は増幅器３３を作動可能とし、一方、制御された、
インバーター３７は、信号差により位置１に置かれる。

最終フェーズの間は、信号差はレベル０にあり、これが
インバータ３７を位置０に置く。

今ミキｎＪ−２４を考察すれば、その出力は、−方では
・　１′ランスコンダクタンス演演算幅器３８の入力に
、また他方では、位置０にあるときはインバーター３７
、またレジスター４０を通じて増’に’Ｘ　Ｊ　３９の
入力に、接続されろことが分る。

増幅″？ｆＪ３９は、その入力と出力との間にレジスタ
ー４１おＪびコンデンサ−４２を持ちまた加熱手段の熱
的時定数を考慮して、積分型制御と共にサーボ制御の一
部を形成する；すなわち端子１３に付加される３９の出
力信号は、加熱手段の貝のｒ□Ａ的定数において、この
アセンブリーが、インバーターの出力において集められ
た修正電圧の純粋な積分関数である基板温度を恒常的に
送出させるようなものとする。乙の修正信号自体は、近
似フｌ−ズ増１１１Ｗ　Ｍ　３３か、またはミキサー２
４から送られ、まｔコそれ自体は、瞬間的周波数エラー
ΔＦの関数である。この純粋積分関数は、直列取付のレ
ジスター４１およびコンデンサー４２から形成されまた
加熱手段の端子時定数に等しい時定数を定めろ二ｍ極、
増幅器３９の端子に接続することによって得られろ。

３８の入力は、コンデンサー４４と並列にあるレジスタ
ー４３によって、その出力に接続される。

レジスター４５は、ミキサー２４の出力をアースに接続
させることに、１す、増幅器３８が作動不能にされたと
き、この回路により直接端子１３に伝達される比例制御
信号を、並列回路４３−４４に、付加させる。

増幅８３Ｂは、作動可能とされたとき、その出力は端子
１１に接続されているが、回路４３−４４と協同して、
半積分制御を持つサーボ制御ループの一部を形成する。

発振器１に含まれる共振子は、最初は周囲温度において
、温度係数の符号に応じて基準周波数（すなわち、連鎖
２Ｂ−２６−２７の乗法レートを乗じた基本的基準周波
数）より小さいまたは大きい周波数を生成するようセッ
トされていて、そのため、既に説明したように、スイッ
チ・オンと共に１つのエラー信号がミキサー２３および
２４の各々の出力端子に現われろ。

この積分制御ループは、加熱手段１１を稼動させること
によりエラーΔＦを修正することに寄与する。例えば正
の温度係数を持つ共振子に対しては、結果は、出力周波
数は上昇して、１１において接続された２つの電気的設
定ループのアッセンブリーが、基準値に合せる周波数の
ｔ！ＩＩｗｉ設定を行うための行動に移るような値に到
達すると言うことである。

熱的設定ループの真の定数は、数秒よりも大きいと言う
ことが注目されよう。実例によれば、このループは３ｄ
Ｂにおいてｏ、　ｏ　５　Ｈｚオーダーのカット・オフ
周波数を持つｔ！ろう。例えばこの比例制御ループは、
６０Ｈｚｌと達するがしかし低ゲインの高いカット・オ
フ周波数を持ち、そのために半債分制陣ループの実際上
の可成りの利点を持っており、これは例えば０．１から
１０１ｈに至るサーボ制御の帯域をカバーする。

かくして形成されｔニサーボ制御のゲイン／周波数レス
ポンス曲線は、位相ノイズ並びにサーボ制御の安定に関
する限り、最終的に最適特性を持っている。

作動中には、サーボ制御の近似・フェーズの間、信号差
はレベル１にあり、そのため、インバーター３７は位置
１にあることが分っｒこ；また、増幅器３８はその制御
入力３８０により作動可能とされ、−力増幅＠３３は回
路３９−４２へΔＦに比例する電流を送るどとが推定さ
れろ。換言すれば、債分制御ループはその後稼動に入り
、またユニバイブレータ−３４を通してミキサー２３に
より供給されるが、−万事積分型ループは稼動外とされ
ろ。

°比例制御ループはユニバイブレータ−３４を通じて稼
動に入るが、しかしそのサーボ制御に対スる効果は無視
できる程度である。

最終フェーズ中は、信号差はレベル０にあり・そのため
インバーター３７は位＠０にありまた増幅器３８は作動
可能とされる。その後この３つのループは、稼動中であ
り、またミキサー２４によって直接に供給される。

この回路の応用の実例として、共振子は、２００Ｍセの
周波数を発生するために、２５℃において当初１９９．
７２０　ＭＨｚ±２０　ｋＨｚに設定された１つのＳＡ
Ｗとされる。

このＳＡＷ共振子は、温度係数を最小となす結晶学的断
面を一般に有する従来の技術のものと反対に、高い温度
係数を与えるために選んだＹ切断（軸Ｙは基板に垂直で
、軸Ｘは伝拶方向とし、軸２は基板の幅方向とする）を
持つのが有利であり、これは、Ｔ１気的設定ループのロ
ック・オン領域に温度を戻すために温度に作用すること
により、周波数変化が制御されうろために、サーボｆｆ
、ＩＩ御領領域おいて周波数の単調な変化を生じさせる
。

実例として、この係数は＋２４１０−’／℃のオーダー
であろうが、そのため、Ｆ　＝　２００　Ｍｌｌｚに対
しては、周波数変化は４．８ｋＨｚ／℃となろ。僅か±
４°の温度変化がまた、ばらつきを補償する。

第２図は、この例で定めた共振子については、７５と９
２℃との同の温度に対して基準周波数に到達しうろこと
を示す。

垂直直線の線分ＣＥは、可能な電気的設定領域は、ばら
つきを補償するだけに対しては不充分であることを示す
。

第１図の回路をさらに徹底的に解析すれば、次の意見に
到達する。

近似フェーズにおけるサーボ制御をロック・オンする問
題は、位相周波数型のコンパレーターを用いれば解決す
ることができようし、これは、この回路を可成単純化で
き、と＼で（よ比例型出力を持つ周波数ディスクリミネ
ータ−の等価品を用いてこれを分解できろ。この等価品
は、位相検出藩２３．２４から形成され、実例としては
、フリップ・フロップ３２から形成される方向ディスク
リミネータ−を用いて、トランスコンダクタンス増幅！
３３が送出する（＝号の方向を、発信謂の出力信号をロ
ックオン領域に持ち込むために制御する。

この解決は、位相検出型は広い領域にわたってロック・
オンｔ！けを可能とはしないので、独創的である。位相
コンパレーターを用いる解決については、それは、全部
かまたはゼロかでない、比例型出力（こればいかなる行
き過ぎまたは振動も回避する）を用いて積分制御ループ
を作動させる利点を持つ。

説明した回路のもう１つの利点は、倍率器連鎖２６−２
６−２７を除き、これが全く周波数Ｆにおいて作動する
ことである。

位相周波数コンパレーターは、必然的に基本的基準周波
数の１０ＭＨｚで、少（とも指示されオーダーのＦの値
に対して、作動しょうが、この値に対しては、この型の
既知のコンポーネントは、２゜ＯＭＨｚと言う高い周波
数では作動し得ない。そこでこれは、周波数分周器を通
じて発振器の出力に接続されようが、また、これらの２
つのｖ！ｌは、最終のサーボ制御フェーズにおいて稼動
状態で残るので、これらは、１０　Ｍ）Ｉｚの基本的基
を周波数においてラインのスクトルを生成しようが、こ
れは、回路の残りからこれらを位相学的に分離すること
必要とする。説明しｒ二回路においては、乗法連鎖のみ
が分離されなければならない。と言うのは、最終のサー
ボ制御フェーズにおいて、論理回？３０，３２，３４お
よび３６．３６が安定状態で残るからである。事実上、
１つのフェースから他のものへ移行するとき、ミキサー
２４の出力電圧は殆どＯに近く、一方ミキサ−２３では
最大である。これらの状況下では、何の移行も（ご号ｇ
（こは現われない。

発振器１の望ましい実施例をここで第４図を参照して説
明する。

これは本質的に、反射モードで用いられたＳＡＷ共振子
１４、トランジスター１５により、また、直列に取付け
た２つのλ／４ライン・セクシｙンから、特に数Ｍ［し
および数百Ｍｌｂとの同の周波数に特に適した説明実施
例中で、形成されたパッシブ・リアクション・ネットワ
ークにより形成される発振を支えるネガティブ抵抗とよ
り成り、また前記の２つのλ／４ライン・セクションは
、そのサイズヲｉｇ＆少すセルタメニ、ＨＦ　／　Ｖ　
１１　Ｆ　／　Ｕ　ＨＦ　７　イールドにおいて、コン
デンサー１６０−１６１−１６２およびセルフ・インダ
クタンス１６３−１６４から形成されｎセルにより形成
されろ。

この発振器はさらに、出力レベルの関数として可変であ
り、コンデンサー１７０によりパッシブ、ネットワーク
の入力に接続され、また出力レベルを制御する調整回路
により制御されろＰＩＮダイオード１７自身により形成
される１つのロード・レジスターより成る。この回路は
、信号を検出するダイオード１８、直流増幅トランジス
ター１８０、レジスター１８１、および１８２−１８５
および１８６、およびコンデンサー１８７より成る。

この制御は、ネットワークが与える１８０ａの位相シフ
トを修正することなく、全体のＴＬ流利１りを直線的に
調整することを可能とずろ。

この出力回路は、５０オームのレジスター１９で記号的
に表わしである。共振子１４のケースは、図示しない１
つのパワー・トランジスターに熱的に緊密に結合されて
おり、さらにこのアセンブリーは、図示しない熱的に絶
縁された蔽いの中に置かれ、その１つの壁は、共振子を
トランジスター１５のエミッターに接続するために、こ
の壁を通る１つのセルフ・インダクタンス１５を持つ。

可変容量のダイオード１４１は、端子１１（これは第１
図におけろ同じ引用番号を持つものと対応する）に付加
される信号により制御され、電気的な周波数の修正を行
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の望ましい実胞例（ζよるＳ　Ａ　
”ｖ’／発振器の総体的な線図であり：第２図は、線図
の種々の点における波形を示し：第３図は、この発明の
発振器に用いた２００Ｍ）Ｉｚ、ＳＡＷ共振子の周波数
のばらつきを示し：第４図は、このＳＡＷ発振ｉｇの望
ましい回路を示す。 １　発振器　１１　加熱手段　１４・・ＳＡＷ共振子２
２．２８，３３・・増幅器　２９・ハイブリソドカフラ
−３４・・・二二バイゾレーター　３６　・フリップ・
７０ツブ　３７・・インバーター　４０　レジスター特
許用ｍ人　シュラムバーガー　インダストリーズソシエ
テ　アノニム

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）１つの共振子を有する発振器において、前記共振
   子を作動させる通電回路および基準周波数により出力周
   波数の設定手段をもち、その手段が共振子に熱的に結合
   された加熱手段とその加熱手段を発振器の出力周波数と
   基準周波数との同の差の関数として制御する少くとも１
   つのサーボ制御ループとを含むことを特徴とする発振器
   。
2. （２）前記共振子が表面音響波型である請求項（１）記
   載の発振器。
3. （３）前記サーボ制御ループ（熱的設定ループ）が、周
   波数近似を行いかつ微細調整を行う少くとも１つの従来
   の電気的設定ループと連繋する１つの積分制御ループを
   構成し、その熱的設定ループが、結果としての周波数を
   電気的設定ループのロック・オン領域に持込ませる１つ
   の値に、温度を依存させることを特徴とする請求項（１
   ）記載の発振器。
4. （４）前記の電気的設定が少くとも１つの半積分制御ル
   ープを使うことを特徴とする請求項（３）記載の発振器
   。
5. （５）電気的設定が更に１つの比例制御ループを用いる
   ことを特徴とする請求項（４）記載の発振器。
6. （６）発振器を構成するサーボ制御ループが出力周波数
   に直接作用するミキサーを用いることにより微細な周波
   数調整を行うことを特徴とする請求項（３）記載の発振
   器。
7. （７）前記ミキサーが位相検出器型の二重バランスのミ
   キサーであることを特徴とする請求項（６）記載の発振
   器。
8. （８）熱的設定ループが比例的出力を持った周波数ディ
   スクリミネーターを使うことにより周波数近似を行う請
   求項（７）記載の発振器。
9. （９）前記周波数ディスクリミネーターが、基本的基準
   周波数の乗法により、周波数エラーの符号を判別するた
   めの手段によりまた前記周波数エラーに比例しかつその
   方向が前記符号の関数である電流を発生するための手段
   により得られた周波数により第１のミキサーと９０°の
   位相差においてドライブされる第２の二重バランスのミ
   キサーを第１のミキサーに加えて成ることを特徴とする
   請求項（８）記載の発振器。
10. （１０）前記共振子が、反射モードで作用し、一端には
    ネガティブ・リアクタンスにより装荷され、かつ他端で
    は、反射信号の位相シフトを決定する純粋なリアクティ
    ブ・負荷（可変容量ダイオード）により装荷されること
    を特徴とする請求項（２）記載の発振器。