JPH08506466A - Tcxo回路において修正温度補償信号を供給する方法および装置 - Google Patents

Tcxo回路において修正温度補償信号を供給する方法および装置

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JPH08506466A JP7515069A JP51506995A JPH08506466A JP H08506466 A JPH08506466 A JP H08506466A JP 7515069 A JP7515069 A JP 7515069A JP 51506995 A JP51506995 A JP 51506995A JP H08506466 A JPH08506466 A JP H08506466A
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Abstract

(57)【要約】 修正温度補償信号(110)は、温度補償水晶発振器(TCXO)回路(100)において次のように供給される。温度依存電流発生器(104)は、振幅が周辺温度の変化に応答して変化する温度補償信号(108)を生成する。この温度補償信号(108)は、複数の離散的な周波数調整値(212)に基づいてスケーリングされ、修正温度補償信号(110)となる。

Description

【発明の詳細な説明】 TCXO回路において修正温度補償信号を供給する 方法および装置 発明の分野 本発明は、一般に、温度補償水晶発振器(TCXO:temperature compensate d crystal oscillator)回路に関し、さらに詳しくは、TCXO回路において修 正温度補償信号(modified temperature compensation signal)を供給する方法 および装置に関する。 発明の背景 温度補償水晶発振器(TCXO)回路は、発振器回路および温度補償回路から なることが知られる。発振器回路は、圧電水晶(piezoelectric crystal)を含 み、コルピッツ型(Colpitts),ピアス型(Pierce)またはハートレー型(Hart ley)発振器など、さまざまな既知の発振器トポロジ(topology)の1つである 。選択される発振器回路のトポロジにかかわらず、理想的には、発振器回路は、 所定の中央周波数で極めて狭帯域幅の交流(AC)信号を発生する。従って、発 振器回路は、水晶を利用して、発振器回路の動 作周波数で、高い品質係数(Q)の同調共振回路(tuned,resonant circuit) を提供する。水晶の高いQは、発振器の所望の狭帯域周波数応答を満たし、この 周波数応答は、低いQの離散的インダクタを利用して達成できない。 また周知なように、水晶は、周波数特性が周辺温度の変化に応答する回路素子 である。例えば、水晶の共振周波数は、圧電材料の物理的形状,ブランク配向( blank orientation)(すなわち、カット・タイプや角度),弾性係数および密 度に依存する。圧電材料のこれらの特性は、周辺温度変動中に変化するので、水 晶の共振周波数もそれに応じて変化する。 温度に対する水晶の共振周波数の変化を制限する試みとして、所望の温度範囲 において実質的に平坦な周波数対温度特性を提供するように、水晶カットが一般 に選択される。3次元周波数対温度特性を有するATカット水晶は、補償される と、−30゜C〜+85゜Cの温度範囲で平坦な周波数対温度特性を一般に提供 する。同様に、より限られた温度範囲(例えば、−10゜C〜+50゜C)で、 平坦な周波数対温度特性を提供するためGTカット水晶も利用できる。 水晶の共振周波数は温度の関数として変化するので、発振器の出力信号周波数 も温度の関数として変化する。−30゜C〜+85゜Cの温度範囲では、発振器 の出力信号周波数は、発振器に対して補償を行わなければ、一般的なA Tカット水晶で約+/−20ppm(parts per million)の変化が生じること がある。例えば、共振周波数が10MHzのATカット水晶を利用する未補償発 振器回路は、出力信号周波数が最大200Hz変化すると予測できる。 発振器周波数の変化を低減するため、TCXOは温度補償回路を利用して、温 度変化による周波数のずれを補償する。発振器回路の温度補償は、水晶と直列に 温度依存リアクタンス(temperature dependent reactance)を入れることによ って一般に達成される。温度依存リアクタンスは、周辺温度の変化によって生じ る水晶リアクタンスの変化を相殺するように選択される。一般に、温度依存リア クタンスは、バラクタ・ダイオード(varactor diode)からなり、その印加電圧 は、必要な補償リアクタンスの量に応じて温度補償回路によって決定される。こ の温度補償では、発振器の出力信号周波数は周辺温度の変化に対して実質的に一 定のままであり、その結果、発振器回路の実質的に平坦な周波数対温度特性が得 られる。例えば、前述の10MHz発振器回路の出力信号周波数変化は、温度補 償により+/−20ppmから+/−1ppm(すなわち10Hz)に改善でき る。 温度影響の他に、水晶の周波数は老化(aging)によって経時変化する。一般 に、老化は、水晶における応力緩和(stress relief)や、水晶に対するまたは 水晶からの質量伝達(mass transfer)によって生じる。この現象を補償す るため、発振器回路は老化に対抗または相殺するように調整される。老化補正は 、発振器の負荷リアクタンスを所定の量だけ変えて、それにより発振器回路を新 たな負荷リアクタンス点で強制的に動作させることによって一般に行われる。新 たな負荷リアクタンスへの動作は、発振器回路の周波数応答に本質的に影響を与 え、老化した発振器の出力信号周波数を補正する結果となる。老化調整を行うた め、バラクタ,可変コンデンサまたは可変インダクタが一般に用いられる。老化 調整は、温度補償回路から実質的に独立する。 TCXOの老化調整および温度補償を独立して行うことにより、トリム効果( trim effect)として知られる結果が得られる。水晶老化は、発振器回路の負荷 リアクタンス(すなわち、水晶の負荷容量)を変えることによって補正されるの で、温度補償発振器回路は、老化調整後に異なる負荷で動作する。水晶の負荷容 量の変化は、水晶の周波数感度に影響を与え、そのため温度補償回路によって施 される補正量にも影響を与える。 水晶の周波数感度は、次式によって与えられる。 水晶感度=(ωCm)/{2[C0/C1+1]2}×106[ppm/oh m] ただし、 Cmは、水晶の動容量(crystal motional capacitance); C0は、水晶の静容量(static capacitance); C1は、負荷容量(load capacitance);および ωは、角周波数(angular frequency)である。 従って、老化調整中の水晶の負荷容量(C1)の変化は、温度補償回路によって 提供される実質的に平坦な周波数対温度特性を乱す。この乱れは、トリム効果( trim effect)として知られる。トリム効果は、安定性の低い発振器(例えば、 5ppm以上)では深刻な問題とはならないが、安定性の高い発振器(例えば、 1ppm以下)への需要が高まるにつれて、トリム効果は発振器の安定性能に対 して大きな影響を及ぼす。 従来の方法は、トリム効果のジレンマを2つの個別の手法で解決することを試 みた。第1の手法は、水晶の静容量(C0)を中和し、それにより負荷容量の関 数としての一定の水晶感度を生成する手法である。水晶の静容量は、水晶に並列 にインダクタを入れることによって一般に中和される。一般に、この手法では、 並列インダクタを組み込むことにより発振器回路内に生じる帰還路の数が増加す るので、望ましくないスプリアス応答(spurious response)が生じやすい発振 器回路が得られる。さらに、途方もなく大きいインダクタンスを一般に必要とす るので、この手法は基 本モード水晶(fundamental-mode crystal)では実際的ではない。第2の手法は 、出力信号波形からビットを追加または削除するなど、TCXO回路に対して外 部の補償を利用することにより、発振器の出力信号周波数を温度補償する。この 補償手法は、米国特許第4,160,183号および第4,872,765号で 説明されるようなデュアル・モード発振器で用いると優れた性能を発揮するが、 かなり複雑・高価な手順であり、手ごろな価格の製品には適さない。 従って、従来技術の欠点によって制限されない、TCXO回路のトリム効果を 低減する方法および装置が必要とされる。特に、広い範囲の動作パラメータで利 用でき、かつ外部補償回路を必要とせずに所望の老化調整を利用する補償方法は 、従来技術に対する改善である。 図面の簡単な説明 第1図は、本発明による温度補償水晶発振器回路を示す。 第2図は、本発明によるスケーリング・デバイスおよび制御装置を示す。 第3図は、本発明による別のスケーリング・デバイスおよび制御装置を示す。 好適な実施例の説明 一般に、本発明は、温度補償水晶発振器(TCXO)回路において修正された 温度補償信号を供給する方法および装置に関する。これは、温度依存電流発生器 (temperature dependent current generator)を利用して、周辺温度の変化に 応答して振幅が変化する温度補償信号を供給することによって達成される。温度 補償信号は、複数の離散的な周波数調整値に基づいてスケーリングされ、修正温 度補償信号を生成する。このように修正温度補償信号を生成することにより、T CXO回路を補償することに伴うトリム効果は、外部補償回路を必要とせずに大 幅に低減される。 本発明は、第1図ないし第3図を参照して詳しく説明できる。第1図は、本発 明による、発振器回路102,温度依存電流発生器104,スケーリング・デバ イス107および周波数調整回路112を含むTCXO回路100を示す。好適 な実施例では、発振器回路102は、周知のピアス・トポロジ(Pierce topolog y)を採用し、圧電デバイス(例えば、水晶120),2つのバラクタ・ダイオ ード121,122,インバータ123,2つの結合コンデンサ124,125 および帰還抵抗器126を含む。温度依存電流発生器104は、好ましくは、Mo torola Inc.に譲渡された米国特許第4,254,382号 ”Crystal Oscilla tor Temperature Compensating Circuit”に おいて詳説されるように、電流ミラー,電流ソースおよび温度依存差動増幅器の 組み合わせによって構成される。スケーリング・デバイス107および周波数調 整回路112については以下で詳しく説明する。 TCXO回路100の修正温度補償は、本発明によって次のように行われる。 直流(DC)供給電圧(VS)は、DC電力を温度依存電流発生器104および スケーリング・デバイス107に供給する。本明細書で規定されるように参考と して含まれる米国特許第4,254,382号で詳しく説明されるように、温度 依存電流発生器104は、電流ソース(source)/シンク(sink)基準電圧10 6および温度補償信号108を生成し、これらは次にスケーリング・デバイス1 07に供給される。好ましくは、温度補償信号108は、振幅が周辺温度変化に 応答して変化する電流である。ただし、別の実施例では、温度補償信号108は 、温度依存電圧でもよい。温度補償信号108の選択は、スケーリング・デバイ ス107の構成に依存する。以下の説明では、温度補償信号108はDC電流で あると想定する。 スケーリング・デバイス107は、周波数調整回路112のメモリ116に格 納された離散的な周波数調整値に応答して、温度補償信号108をスケーリング し、修正温度補償信号110を生成する。老化補正値または周波数オフセット値 でもよい、離散的な周波数調整値は、以下で詳しく説明する制御装置118を介 してスケーリング・デバイ スに伝えられる。 スケーリング・デバイス107を出ると、好ましくは、修正温度補償信号11 0は、修正温度補償信号110を、発振器回路102の入力に位置する2つの抵 抗器117,128に印加することにより、バイアス電圧に変換される。抵抗器 128の両端で発生するバイアス電圧は、バラクタ・ダイオード121に印加さ れ、温度依存リアクタンス(すなわち、バラクタ・ダイオード121のリアクタ ンスは、印加される温度依存電圧に応答して変化する)を生成する。好適な実施 例では、印加バイアス電圧に応答してバラクタ・ダイオード121によって与え られるリアクタンス変化の量は、水晶120の温度依存周波数応答およびバラク タ・ダイオード121,122の温度依存リアクタンスを補正するのに十分大き い。従って、バイアス電圧をバラクタ・ダイオード121に印加することによっ て、発振器周波数は周辺温度の変化に対しても実質的に一定に維持される。 修正温度補償信号110を受けるだけでなく、発振器回路は、周波数調整回路 112からトリム調整信号114も受ける。トリム調整信号114とは、周辺温 度から独立し、かつメモリ116に常駐する離散的な周波数調整値に応答して、 周波数調整回路112によって生成される電圧である。好適な実施例では、トリ ム調整信号114は、抵抗器129を介してバラクタ・ダイオード122に印加 される。トリム調整信号114は、離散的な周波数調整値の変化に 応答して、バラクタ・ダイオード122のリアクタンスを変える。従って、バラ クタ・ダイオード122は容量性負荷を水晶120に与えるので、トリム調整信 号114の変化により、水晶の負荷リアクタンスに温度から独立した変化が生じ る。この負荷リアクタンス変化は、特定の老化係数(aging factor)または所望 の周波数オフセットに応答して,水晶の周波数感度を変更する。 修正温度補償信号110およびトリム調整信号114を受けると、発振器回路 102は、両方の信号110,114に依存する周波数で交流信号を生成する。 発振器回路102の動作は当技術分野で周知であり、よって本発明の理解を助け る場合を除いて、さらに詳しく説明しない。修正温度補償信号110に対する老 化依存性を導入することにより、本発明は、発振器出力信号の連続的な周波数補 正を可能にし、老化の影響および周辺温度の変化を同時に考慮できる。従って、 本発明は、従来のトリム効果補償回路に比べて実質的小さい回路面積しか必要と せずに、老化および周辺温度変化の総合的な影響を考慮する単一の補償段階で、 発振器回路の信号周波数を調整することにより、従来技術のトリム効果ジレンマ を解消する。 第2図は、本発明によるスケーリング・デバイス107,周波数調整回路11 2および制御装置118の好適な実施例を示す。好適なスケーリング・デバイス は、複数の電流ミラー・デバイス(3つを図示)を含む分割された電流ミ ラー107−1からなる。複数の電流ミラー・デバイスは、複数の電流ソース2 04〜206および複数の電流シンク204−1〜206−1によって構成され る。各電流ソース204〜206は、それぞれの電流シンク204−1〜206 −1と実質的に同一である。制御装置118は、周波数調整回路112のメモリ 116に常駐する離散的な周波数調整値(A0〜An)212の選択された部分に 基づいて、複数の電流ミラー・デバイスを起動するために用いられる複数のデジ タル・スイッチ207〜209によって構成される。好ましくは、周波数調整回 路112は、離散的な周波数調整値212を格納する8ビットのラッチ・レジス タ211と、トリム調整信号114を与える周波数調整デジタル/アナログ変換 器(DAC)213を含む。 温度補償信号108および電流ソース/シンク基準電圧106が分割された電 流ミラー107−1に入ると、電流ソース/シンク基準電圧106は、電流ソー ス成分106−1と電流シンク成分106−2とからなる。電流ソース成分10 6−1は、基準電圧として分割された電流ミラーの電流ソース204〜206に 印加される。同様に、電流シンク成分106−2は、基準電圧として分割された 電流ミラーの電流シンク204−1〜206−1に印加される。 それぞれのデジタル・スイッチ207〜209によって起動されると、各電流 ソース204〜206は、温度依存電流発生器104に常駐する出力電流ソース によって供給 される電流に比例する電流を供給する。例えば、好適な実施例では、一般的なA Tカット水晶の最大未補償周波数対温度偏移は+/−20ppmで、予想老化オ フセットは+/−10ppmで、電流ソース204〜206は、温度依存電流発 生器の出力電流ソースによって供給される全電流のそれぞれ0.57%,1.1 4%および2.28%を供給するように選択できる。同様に、各電流シンク20 4−1〜206−1は、温度依存電流発生器104に常駐する出力電流シンクに よって沈められる電流に比例する電流を沈める。各電流ソース204〜206に よって供給され、各電流シンク204−1〜206−1によって沈められる電流 の割合は、予想される老化オフセットおよび水晶周波数温度補償について許容可 能なトリム効果の量に依存する。 温度補償信号108は、制御装置118をなすデジタル・スイッチ207〜2 09の開閉によって分割電流ミラー107−1を通過する際に修正される。上で 簡単に述べたように、デジタル・スイッチ207〜209の開閉は、周波数調整 回路112のメモリ116に格納された離散的な周波数調整値212に依存する 。好適な実施例では、スイッチ起動は、8ビット・ラッチ・レジスタ211の3 つの最上位ビット(すなわち、An〜An-2)にのみ依存する。従って、3つの最 上位ビットがすべてバイナリ0の場合、すべて3つのデジタル・スイッチ207 〜209は開となり、温度補償信号108は修正されずに分割電流ミラーを通過 する。この結果、最小値であり、かつ温度補償信号108と実質的に等しい修正 温度補償信号110が得られる。一方、3つの最上位ビットがすべてバイナリ1 の場合、すべて3つのデジタル・スイッチ207〜209は閉となり、温度補償 信号108はすべて3つの電流ミラー・デバイスによって修正される。この結果 、最大値の修正温度補償信号110が得られる。従って、3つの最上位ビットを 利用することにより、8つのスイッチの組み合わせ(すなわち、23)が実現さ れ、各組み合わせは上記の例で提供される電流ソース/シンク割合に基づいて発 振器回路の信号周波数の0.11ppmの変更を可能にする。 所定の中央値を中心にして修正温度補償信号110を変更するための実質的に 対称的な範囲を提供するため、3つの最上位ビットは、最初に、それぞれバイナ リ0,バイナリ1およびバイナリ1によって構成されてもよい。このビット構成 は、デジタル・スイッチ208,209を閉にし、よって温度補償信号108と 、電流ソース205,206によって発生された電流との和に等しい修正温度補 償信号110を生成する。好適な実施例では、3つの最上位ビットの他の7つの 可能な値により、修正温度補償信号110はその公称値または中央値から+/− 2%変化することができる。 分割電流ミラー107−1と同様に、周波数調整DAC213は、8ビット・ ラッチ・レジスタ211における離 散的な周波数調整値212に応答して、トリム調整信号114(例えば、DC電 圧)を生成する。従って、離散的な周波数調整値212は、修正温度補償信号1 10およびトリム調整信号114に同時に影響を及ぼす。好適な実施例では、ト リム調整信号114は、8ビット・ラッチ・レジスタ211に常駐する離散的な 周波数調整値212の量子化アナログ値である。前述のように、トリム調整信号 114は、予想される水晶老化または所望の発振器周波数オフセットに応答して 、2つの水晶負荷リアクタンスのうち一方(すなわち、バラクタ・ダイオード1 22)を変更するために用いられる。他方の水晶負荷リアクタンス(すなわち、 バラクタ・ダイオード121)は、老化または周波数オフセットと、周辺温度変 化とに応答して、電圧変換された修正温度補償信号110によって調整される。 第3図は、本発明によるスケーリング・デバイス107の別の実施例を示す。 この別のスケーリング・デバイス107は、複数の抵抗性デバイス304〜30 6,304−1〜306−1(6つを図示)を含む、分割抵抗性デバイス107 −2からなる。対応する抵抗性デバイスの各対(例えば、304および304− 1)は、好ましくは、実質的に等しい抵抗を有する。各対の抵抗デバイスは、温 度補償信号108を受け、かつ修正温度補償信号110を供給するノードを中心 として対称的に配置される。複数の抵抗デバイス304〜306,304−1〜 306−1は、 好ましくは、抵抗器からなり、図示のように、供給電圧と接地との間で直列に接 続してもよい。この実施例では、第1図に示す抵抗器117,128は、それら の機能は分割抵抗デバイス107−2において抵抗器303,303−1によっ て本質的に実行されるので、不必要なことに留意されたい。さらに、第1図およ び第2図において提供される電流ソース/シンク基準電圧106は、好ましくは 分割抵抗デバイス107−2で用いられないことに留意されたい。 温度補償信号108が分割抵抗デバイス107−2に入ると、この信号は制御 装置118をなすデジタル・スイッチ307〜309の開閉によって修正される 。第2図を参照した説明と同様に、デジタル・スイッチ307〜309の起動は 、好ましくは、8ビット・ラッチ・レジスタ211における3つの最上位ビット の値212に依存する。各スイッチ307〜309が起動されると、電圧供給と 、温度補償信号108を受けるノードとの間の有効抵抗は低減される。よって、 ノードにおける電圧変化は、抵抗デバイス304〜306,304−1〜306 −1によって与えられる有効抵抗に比例した量だけ低下する。従って、修正温度 補償信号110は、温度補償信号108と、8ビット・ラッチ・レジスタ211 における3つの最上位ビットの値212とに依存する。第2図の分割電流ミラー 107−1についての説明と同様に、分割抵抗デバイス107−2は、 最初に、閉じたスイッチ308,309で構成され、修正温度補償信号110に ついて所定の公称電圧を供給することができる。 第3図に関する上記の説明は温度補償信号108がDC電流からなることに基 づくが、アナログ電圧にも適用可能であることに留意されたい。アナログ電圧( 例えば、DC電圧)は、マイクロプロセッサ方式のDACから供給でき、このD ACは、温度補償信号108をスケーリング・デバイス107に印加する前に、 温度依存電流発生器104の出力電流を電圧に変換する。この場合、スケーリン グ・デバイス107は、分圧器構成の分割抵抗デバイス107−2、またはオペ アンプなどプログラム可能な電圧スケーリング素子でもよい。 本発明は、TCXO回路において修正温度補償信号を供給する方法および装置 を提供する。本発明により、TCXO回路に対して外部の回路を利用せずに、発 振器回路の老化および温度補償を同時に行うことができ、トリム効果を低減する 。従って、本発明は、安定性の高いTCXO回路の経済的な生産を促進し、この 利点は、従来のトリム効果を低減する方法における大きくて高価な外部回路では 容易に達成できない。さらに、本発明のTCXO回路は、特定の水晶発振器の発 振周波数を設定・維持するために周波数調整値を最初に求めるだけでよい。従っ て、本発明は、水晶老化または周波数オフセット調整に応答して発振器回路 の温度補償性能を維持し、従来のTCXO回路の場合のように、かかる調整に応 答して得られる発振器温度補償性能が劣化しない。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.温度補償水晶発振器(TCXO)であって: 周波数特性が周辺温度の変化に応答して変化する圧電デバイスを含む発振器回 路であって、前記発振器回路は、修正温度補償信号に少なくとも部分的に応答し て、周波数が変化する信号を生成する発振器回路; 前記周辺温度の変化に応答して電流レベルを与え、温度補償信号を生成する電 流発生器; 前記電流発生器および前記発振器回路に動作可能に結合され、複数の電流ミラ ー・デバイスを含む分割電流ミラーであって、前記複数の電流ミラー・デバイス は、前記電流発生器によって生成される前記電流レベルに比例する電流レベルを 与える分割電流ミラー; 離散的な周波数調整値を格納するメモリ手段;および 前記メモリ手段と前記分割電流ミラーとの間で動作可能に結合され、前記離散 的な周波数調整値に基づいて、少なくとも第1の前記複数の電流ミラー・デバイ スを選択子、前記温度補償信号を修正する制御手段; によって構成されることを特徴とするTCXO回路。 2.前記メモリ手段は、8ビット・ラッチ・レジスタからなり、前記離散的な周 波数調整値は、前記8ビット・ラッチ・レジスタの3つの最上位ビットに常駐す ることを特徴とする請求項1記載のTCXO回路。 3.前記離散的な周波数調整値は、複数の老化補正値からなることを特徴とする 請求項1記載のTCXO回路。 4.前記離散的な周波数調整値は、複数の周波数オフセット値からなることを特 徴とする請求項1記載のTCXO回路。 5.各前記複数の電流ミラー・デバイスは、電流ソースおよび電流シンクからな り、前記電流ソースおよび前記電流シンクは、前記電流発生器によって生成され る前記電流レベルに比例する電流レベルを与えることを特徴とする請求項1記載 のTCXO回路。 6.温度補償水晶発振器(TCXO)回路であって: 周波数特性が周辺温度の変化に応答して変化する圧電デバイスを含む発振器回 路であって、前記発振器回路は、修正温度補償信号に少なくとも部分的に応答し て、周波数が変化する信号を生成する発振器回路; 周辺温度の変化に応答して電流レベルを与え、温度補償信号を生成する電流発 生器; 前記電流発生器に動作可能に結合され、複数の抵抗性デバイスを含む、分割抵 抗デバイス; 離散的な周波数調整値を格納するメモリ;および 前記メモリと前記分割抵抗デバイスとの間で動作可能に結合され、前記離散的 な周波数調整値に基づいて、少なくとも第1の前記複数の抵抗性デバイスを選択 し、前記温度補償信号を修正する制御装置; によって構成されることを特徴とするTCXO回路。 7.前記メモリ手段は、8ビット・ラッチ・レジスタからなり、前記離散的な周 波数調整値は、前記8ビット・ラッチ・レジスタの3つの最上位ビットに常駐す ることを特徴とする請求項6記載のTCXO回路。 8.前記離散的な周波数調整値は、複数の老化補正値からなることを特徴とする 請求項6記載のTCXO回路。 9.前記離散的な周波数調整値は、複数の周波数オフセット値からなることを特 徴とする請求項6記載のTCXO回路。 10.前記複数の抵抗性デバイスは、抵抗器からなることを特徴とする請求項6 記載のTCXO回路。
JP7515069A 1993-11-29 1994-10-24 Tcxo回路において修正温度補償信号を供給する方法および装置 Pending JPH08506466A (ja)

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