JPH11154824A - 温度補償型発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発振器において、サーミスタや複雑な温度補
償回路を用いることなく、高周波でも周波数安定度の高
い温度補償型発振器を得ること。 【解決手段】 コルピッツ発振回路の形態を有する発振
器において、増幅素子８の出力部容量性リアクタンス回
路３に温度補償コンデンサ１０を用いることにより、電
気的機械振動子５を含む、入出力帰還部誘導性リアクタ
ンス回路１の温度変動を補償し、周波数安定度を向上さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発振器、特にコル
ピッツ発振回路形態の発振器に係り、周波数安定度を向
上させるために発振器の温度補償を行う温度補償型発振
器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、周波数安定度の高い発振器を
実現するために、一般的には電気的機械振動子の極めて
高い周波数選択度と、高い温度安定性を利用し、発振器
を構成していた。例えば、−１０℃〜＋７０℃の温度範
囲では、ＡＴカットの水晶振動子で共振周波数の周波数
安定度が、±５ｐｐｍ以下の値が実現できるようになっ
た。

【０００３】しかし、単体としては、上記のように高い
周波数安定度を有する水晶振動子をコンデンサ、インダ
クタンス、トランジスタなどの他の部品と組み合わせ
て、水晶発振回路として構成し、特に温度補償を施さな
い場合は、上記コンデンサ、インダクタンス、トランジ
スタなどの部品が持つ温度係数により、水晶発振器の周
波数安定度として、実際には±２０ｐｐｍ程度の値が一
般的である。この比較的低い周波数安定度を向上する方
法として、従来はサーミスタ等を用いて温度補償を行っ
たり、恒温層付きの発振器を適用することにより、±１
ｐｐｍ以下の周波数安定度を実現していた。サーミスタ
を用いて温度補償を行う例として、特開平５−３０４４
１７号公報に示される温度補償型水晶発振器が知られて
いる。

【０００４】図６は、上記従来例の温度補償型水晶発振
器の構成を示したものである。この温度補償型水晶発振
器では、水晶振動子Ｘと、その一端に接続した高温及び
低温領域温度補償回路部からなる温度補償回路３７と、
この温度補償型水晶発振器に接続したコルピッツ発振回
路３８とからなる。高温領域温度補償回路はコンデンサ
Ｃ１に並列的に接続したサーミスタＴＨ１、抵抗Ｒ１、
コンデンサＣ１に並列的に接続されたサーミスタＴＨ３
からなり、低温領域温度補償回路はコンデンサＣ２、サ
ーミスタＴＨ２、抵抗Ｒ２を並列に接続して構成する。
低温領域ではサーミスタＴＨ１，ＴＨ３が高抵抗値とな
り、コンデンサＣ１、Ｃ２を介して補償を行う。高温領
域では、サーミスタＴＨ２が低抵抗値となり、コンデン
サＣ１，Ｃ２、サーミスタＴＨ１，ＴＨ２、抵抗Ｒ１を
介して補償を行う。つまり、サーミスタＴＨ１，ＴＨ
２，ＴＨ３により温度補償回路３３の容量値を変動させ
ることで発振周波数を補償する構成となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来、
発振器の温度補償を行うにあたって、様々な温度補償用
の部品及び回路を追加する必要があり、回路規模の増大
と設計技術の複雑、高度化を招いていた。また、従来の
温度補償型水晶発振器では、周波数安定度を上げること
を主とした発振器であり、回路規模、コスト、サイズ、
機能などの面で制限がある。例えば、電圧制御型水晶発
振器において、図６に示す従来例の温度補償回路を採用
すると、可変容量ダイオードと直列に、容量が接続され
ることになり、十分な周波数可変制御範囲が取れず、周
波数安定度との両立性を実現することが困難であった。
また、クロックオシレータ等では特別な温度補償回路を
適用することによってコストアップやサイズアップなど
につながる問題があった。

【０００６】また、各種装置の動作速度の高速化に伴
い、ディジタル回路でのクロック位相雑音特性について
も重要な問題となってきているが、従来の温度補償型発
振器では、熱雑音の発生源となるサーミスタを適用して
いることから、サーミスタの持つ熱雑音により水晶発振
器の位相雑音の劣化を招いていた。一般的には、発振周
波数が高くなるほど位相雑音特性を低減するのが困難で
あることから、水晶発振器で高次のオーバートーン発振
回路を適用して１００ＭＨｚ以上の高周波の発振回路を
構成した場合、温度補償を行うことで位相雑音特性の劣
化を招いていた。

【０００７】本発明の一つの目的は、部品あるいは回路
を増やすことなく、小型で簡素な構成の温度補償型発振
器を提供することである。

【０００８】本発明の他の目的は、熱雑音源になるサー
ミスタを用いることなく、電圧制御型発振器や高周波発
振器でも、周波数安定度や位相雑音特性に優れた温度補
償型発振器を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した本発明の目的
は、コルピッツ発振回路形態の発振器において、増幅素
子の出力部容量性リアクタンス回路を、温度補償コンデ
ンサ等の温度補償リアクタンス素子を用いて構成し、増
幅素子の入出力帰還部誘導性リアクタンス回路の持つ温
度変動を補償することにより、実現できる。

【００１０】上記した温度補償コンデンサの具体例とし
ては、温度補償型セラミックコンデンサがあり、一般的
には、数種類の温度係数のセラミックコンデンサから適
切な温度係数のセラミックコンデンサを選定することに
より、容易に得られる。

【００１１】以下、本発明を図に示す実施の形態により
具体的に説明する。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の一例
を示したものであり、高次オーバートーン発振方式を適
用した電圧制御型水晶発振器に、温度補償コンデンサを
適用し，温度補償を可能とした、温度補償型発振器の構
成を示したものである。なお，本回路図では、説明の簡
略化のためにバイアス回路は省略してある。

【００１３】本回路では、水晶振動子が基本共振周波数
の奇数次の高調波でも共振することを利用し、基本共振
周波数ｆｏの水晶振動子７を用いて、この水晶振動子７
の５次の高調波の共振周波数５ｆｏで発振させるため
に、共振周波数選択回路３を適用し、基本波、３次、７
次、９次などの共振周波数で発振しないように構成して
いる。共振周波数選択回路３は、目的の発振周波数５ｆ
ｏで安定発振を得るリアクタンス値を持つ回路である。
従って、それ以外の基本波、３次、７次、９次などの共
振周波数では、安定発振を得ることのできないリアクタ
ンス値となる。

【００１４】このリアクタンス値の設定を、バルクハウ
ゼンの発振回路に置き換えて考察する。図２に示すバル
クハウゼンの発振回路において、式１の発振条件を満た
す周波数で発振する。

【００１５】Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＝０ …（式１） 図１の回路もそうであるが、高周波発振回路では、一般
的に、Ｘ１，Ｘ２のリアクタンスは容量性であり、Ｘ３
のリアクタンスは誘導性である、コルピッツ発振回路形
式が用いられる。以下、コルピッツ発振器の基本形を前
提として動作を説明する。

【００１６】図１の発振回路においては、可変容量ダイ
オード５、インダクタンス６、水晶振動子７を含むリア
クタンス回路１が、図２のリアクタンスＸ３に相当し、
コンデンサ２がリアクタンスＸ１に相当し、インダクタ
９、コンデンサ１０を含むリアクタンス回路３が、図２
のリアクタンスＸ２に相当する。厳密にはトランジスタ
８のエミッタ・ベース間容量などの寄生素子のリアクタ
ンスも関係あるが、説明の簡略化のために省略する。

【００１７】式１の発振条件を満たす周波数が、５ｆｏ
であり、その他の基本波、３次、７次、９次などの共振
周波数では発振周波数を満たさないように共振周波数選
択回路３のリアクタンスＸ２を設定すればよい。例え
ば、図１に示すようなＬＣ並列共振回路を適用し、その
共振周波数を、５ｆｏと３ｆｏの間に設定し、かつ５ｆ
ｏのリアクタンスＸ２が式１の発振条件を満たせる値に
設定する。この場合、ｆｏ，３ｆｏの周波数では、リア
クタンスＸ２が誘導性となり、式１の発振条件は満たす
ことは不可能であり、発振条件が得られない。それ以外
の高調波では、５ｆｏでのリアクタンスＸ２とあまり変
らないことから、リアクタンスＸ２が大きすぎ安定発振
条件を達成しにくい条件となっている。ただし、前述の
説明はあくまで基本概念であり、現実には水晶振動子の
共振周波数以外にも、周辺回路や寄生素子で構成された
共振周波数も存在するため、当然ながらそれらを考慮に
含めた上でシミュレーション等で最適化する必要があ
る。また、可変容量ダイオード５の容量値を電圧制御端
子４の電圧を可変制御することで変動させ、リアクタン
スＸ３を変動させることで発振周波数を可変制御する電
圧制御型発振器の構成となっている。

【００１８】次に、図１の発振回路における温度補償の
動作について説明する。なお簡略のために、リアクタン
スＸ１は温度係数を持たないものとする。リアクタンス
Ｘ３が正の温度係数を持つ回路であった場合において、
周波数変動を低減するためには、リアクタンスＸ２に同
等の温度係数を持たせれば温度補償を行うことが式１よ
り明らかである。ところで、リアクタンスＸ３は誘導性
であり、リアクタンスＸ２は容量性であることから、発
振周波数近傍では式２、式３のような表現が可能であ
る。

【００１９】Ｘ２＝−１／（ωＣ） …（式２） Ｘ３＝ωＬ …（式３） ただし、ωは角周波数、Ｃは容量値、Ｌはインダクタン
ス値である。

【００２０】したがって、リアクタンスＸ３が正の温度
係数を持つ場合、リアクタンスＸ２の絶対値も同様な正
の温度係数を持たせることで温度補償が可能である。そ
して、式２より正の温度係数を持たせるためには容量値
Ｃに負の温度係数を持たせれば良いことが分かる。した
がって、周波数選択回路３のコンデンサ１０に負の温度
係数を持たせた温度補償コンデンサを適用することで温
度補償を行うことが可能である。

【００２１】当然のことながら、コンデンサ１０の適用
によりリアクタンスＸ２が変動し発振条件に変動が生じ
るが、これらの変動量は数百ｐｐｍ／℃であり、例えば
−１０℃〜＋７０℃までの温度範囲で動作させた場合に
おいても、数 ％のリアクタンス値の変動であり発振条
件の著しい変動は生じないため、安定な発振は確保でき
る。また、回路の動作条件が著しく変動しないことか
ら、周波数可変制御範囲などの諸特性にも大きな影響を
及ぼさない。つまり、従来回路に温度補償コンデンサを
負荷することのみで発振回路の諸特性をほとんど変動さ
せることなく温度補償が行えるものである。当然のこと
ながら、トランジスタ８のベース・エミッタ間容量とコ
ンデンサ２の容量をリアクタンスＸ１に含めたとして
も、リアクタンスＸ１の持つ温度係数を、式１の条件に
より発振周波数の変動を小さくするように、温度補償コ
ンデンサ１０の温度係数を設定すればよい。

【００２２】図３は本発明の実施の形態の他の例を示し
たものであり、電圧制御型水晶発振器に温度補償コンデ
ンサを適用し温度補償を可能とした、温度補償型発振器
の構成を示したものである。なお本回路図では、簡略化
のためにバイアス回路は省略してある。

【００２３】本回路では、水晶振動子の基本共振周波数
で発振させる電圧制御型水晶発振器の構成となってい
る。本回路において、水晶振動子２１、可変容量ダイオ
ード１９、インダクタ２０を含むリアクタンス回路１５
が、図２のリアクタンスＸ３に相当し、コンデンサ１６
がリアクタンスＸ１に相当し、コンデンサ１７が、図２
のリアクタンスＸ２に相当する。この場合、リアクタン
スＸ３が正の温度係数を持つ特性であると、容量性のリ
アクタンスＸ２に負の温度係数を持たせるために、コン
デンサ１７に温度補償コンデンサを適用すればよい。

【００２４】図４は本発明の実施の形態のさらに他の一
例を示したものであり、高次オーバートーン発振方式を
適用した水晶発振器に温度補償コンデンサを適用し温度
補償を可能とした、温度補償型発振器の構成を示したも
のである。なお本回路図では、簡略化のためにバイアス
回路は省略してある。

【００２５】本回路では、図１の回路形式と同様に水晶
振動子の高次の共振周波数で発振させる水晶発振器であ
る。従って、電圧制御端子などのないクロックオシレー
タなどに適用するものである。本回路において、水晶振
動子２７、コンデンサ２６を含むリアクタンス回路２３
が、図２のリアクタンスＸ３に相当し、コンデンサ２４
がリアクタンスＸ１に相当し、コンデンサ３０、インダ
クタンス２９を含むリアクタンス回路２５がリアクタン
スＸ２に相当する。この場合においても、リアクタンス
Ｘ３が正の温度係数を持つ特性であると、リアクタンス
Ｘ２に負の温度係数を持たせるためにコンデンサ３０に
温度補償コンデンサを適用すればよい。

【００２６】図５は本発明の実施の形態の別の例を示し
たものであり、水晶発振器に温度補償コンデンサを適用
し温度補償を可能とした、温度補償型発振器の構成を示
したものである。なお本回路図では、簡略化のためにバ
イアス回路は省略してある。

【００２７】本回路は、水晶振動子の基本共振周波数で
発振させる水晶発振器の構成となっている。従って、電
圧制御端子などのないクロックオシレータなどに適用す
るものである。

【００２８】本回路において、水晶振動子３５、コンデ
ンサ３４を含むリアクタンス回路３１が、図２のリアク
タンスＸ３に相当し、コンデンサ３２が、図２のリアク
タンスＸ１に相当し、コンデンサ３３が、図２のリアク
タンスＸ２に相当する。この場合においても、リアクタ
ンスＸ３が正の温度係数を持つ特性であると、リアクタ
ンスＸ２に負の温度係数を持たせるために、コンデンサ
３３に温度補償コンデンサを適用すればよい。

【００２９】また、図１、図３、図４、図５の回路にお
いて、水晶振動子の代りに、他の周波数安定度の高い、
誘電体共振子、弾性表面波共振子、圧電共振子などの電
気的機械振動子を適用しても同様の効果が得られる。こ
の場合において、基本的な動作は同じであり、リアクタ
ンスＸ２に、リアクタンスＸ１，リアクタンスＸ３のリ
アクタンス値を補償するような温度補償コンデンサを適
用すれば良い。

【００３０】

【発明の効果】従来、例えば、１００ＭＨｚ程度の発振
周波数の電圧制御型水晶発振器で、５次オーバートーン
方式の発振回路を構成した場合、±１００ｐｐｍ以上の
広い周波数可変制御範囲を得ようとすると、−１０℃〜
＋７０℃の温度範囲では、可変容量ダイオードの温度係
数が＋５００ｐｐｍ／℃、インダクタが＋５００ｐｐｍ
／℃、コンデンサが０ｐｐｍ／℃といった一般的な部品
を使用した際に得られる、電圧制御型水晶発振器の中心
周波数での周波数安定度は、±２０ｐｐｍ程度の低い値
であった。これは、周波数可変制御範囲を大きくする
と、発振回路のＱが劣化するため、可変容量ダイオード
やコンデンサ、インダクタ、トランジスタなどの部品の
温度変動による特性変動を受け易くなるためである。

【００３１】これに対して、本発明の適用により、±１
００ｐｐｍ以上の周波数可変制御範囲を実現しても、周
波数安定度±５ｐｐｍ程度の値が得られる。

【００３２】また、本発明によれば、リアクタンス素子
に温度係数を持たせるだけであるので、基本回路のリア
クタンス素子を、所望の温度係数を持つ部品に変更する
ことのみで温度補償が行えるため、回路規模の増大を抑
えることができ、小型化が容易に実現できるようにな
る。

【００３３】さらに、本発明によれば、サーミスタを使
用しないため位相雑音特性も良好になる。特に、位相雑
音特性を低減するのが困難である高周波発振回路、例え
ば、水晶発振器で高次のオーバートーン発振回路を適用
して１００ＭＨｚ以上の高周波で発振回路を構成した場
合、位相雑音特性の劣化を低減した温度補償が可能にな
る。

【００３４】また、電圧制御型発振器の場合は、水晶振
動子などの共振素子に可変容量ダイオードを接続し、可
変容量ダイオードの容量変化により周波数可変制御を行
うが、十分な周波数可変制御範囲を得るためには、可変
容量ダイオードの容量変化による図２のリアクタンスＸ
３の変化を充分に得る必要がある。本発明ではリアクタ
ンスＸ３に相当する回路部には変更を加えず、リアクタ
ンスＸ２を変動させることにより温度補償を行うため、
周波数可変制御範囲の変動がほとんど生じない。つま
り、本発明においては温度補償を行うことにより、周波
数可変制御範囲、位相雑音特性などの他の性能劣化をほ
とんど招かない効果がある。

【００３５】以上述べたように、本発明による温度補償
型発振器は、周波数選択度が高い電気的機械振動子など
を適用し、位相雑音特性の良好な電圧制御型発振器の周
波数安定度を向上させることを実現する場合に特に効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】高次オーバートーン発振方式を適用した電圧制
御型水晶発振器に温度補償コンデンサを用いた、本発明
の実施の形態による温度補償型発振器を示す回路図。

【図２】発振回路の基本形態であるバルクハウゼン発振
回路を示す回路図。

【図３】電圧制御型水晶発振器に温度補償コンデンサを
用いた、本発明の実施の形態による温度補償型発振器を
示す回路図。

【図４】高次オーバートーン発振方式を適用した水晶発
振器に温度補償コンデンサを用いた、本発明の実施の形
態による温度補償型発振器を示す回路図。

【図５】水晶発振器に温度補償コンデンサを用いた、本
発明の実施の形態による温度補償型発振器を示す回路
図。

【図６】サーミスタを用いた、従来の温度補償型発振器
を示すの回路図。

【符号の説明】

１、１５，２３，３１…入出力帰還部誘導性リアクタン
ス回路部、２，１６，２４，３２…コンデンサ、３，２
５…共振周波数選択回路、４，１８…電圧制御端子、
５，１９…可変容量ダイオード、６，９，２０，２９…
インダクタ、７，２１，２７，３５…水晶振動子、８，
１１，２２，２８，３６…トランジスタ(増幅素子)、１
０，１７，３０，３３…温度補償コンデンサ、１２，１
３，１４…リアクタンス回路、２６，３４…可変容量コ
ンデンサ、３７…温度補償回路、３８…コルピッツ発振
回路

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】増幅素子と、上記増幅素子の増幅入力側に
   接続された入力部容量性リアクタンス回路と、上記増幅
   素子の増幅出力側に接続された出力部容量性リアクタン
   ス回路と、上記増幅素子の増幅入力側及び増幅出力側間
   に接続された入出力帰還部誘導性リアクタンス回路とを
   具備するコルピッツ発振回路形態の発振器において、上
   記出力部容量性リアクタンス回路に、上記入出力帰還部
   誘導性リアクタンス回路の温度変動を補償し得る温度係
   数を持つリアクタンス素子を備えたことを特徴とする温
   度補償型発振器。
2. 【請求項２】請求項１に記載の温度補償型発振器におい
   て、入出力帰還部誘導性リアクタンス回路に、電気的機
   械振動子を用いたことを特徴とする温度補償型発振器。
3. 【請求項３】請求項１に記載の温度補償型発振器におい
   て、入出力帰還部誘導性リアクタンス回路に、水晶振動
   子を用いたことを特徴とする温度補償型発振器。
4. 【請求項４】請求項１に記載の温度補償型発振器におい
   て、入出力帰還部誘導性リアクタンス回路に、弾性表面
   波共振子を用いたことを特徴とする温度補償型発振器。
5. 【請求項５】請求項１に記載の温度補償型発振器におい
   て、入出力帰還部誘導性リアクタンス回路に、圧電共振
   子を用いたことを特徴とする温度補償型発振器。
6. 【請求項６】請求項１に記載の温度補償型発振器におい
   て、入出力帰還部誘導性リアクタンス回路に、誘電体共
   振子を用いたことを特徴とする温度補償型発振器。
7. 【請求項７】請求項１に記載の温度補償型発振器におい
   て、入出力帰還部誘導性リアクタンス回路に、マイクロ
   ストリップライン共振子を用いたことを特徴とする温度
   補償型発振器。
8. 【請求項８】請求項１ないし請求項７のいずれかに記載
   の温度補償型発振器において、出力部容量性リアクタン
   ス回路を、インダクタと、入出力帰還部誘導性リアクタ
   ンス回路の温度変動を補償し得る温度係数を有するコン
   デンサとの並列共振回路で構成したことを特徴とする温
   度補償型発振器。
9. 【請求項９】請求項１ないし請求項７のいずれかに記載
   の温度補償型発振器において、出力部容量性リアクタン
   ス回路を、入出力帰還部誘導性リアクタンス回路の温度
   変動を補償し得る温度係数を有するコンデンサにて構成
   したことを特徴とする温度補償型発振器。