JPH1117450A - 温度補償型水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の温度補償型水晶発振器は、ＡＦＣ回路
と温度補償回路とが互いに影響を及ぼしあい、周波数精
度が規格から外れたり、ＡＦＣ回路が仕様を満足できな
くなったりする。 【解決手段】 温度補償信号発生回路３と、外部周波数
制御信号を比例変換する比例変換回路５と、信号合成回
路７と、周波数調整回路９とを備え、温度補償信号と外
部周波数制御信号との合成信号で水晶発振回路１を制御
する構成の温度補償型水晶発振器とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、携帯電話機などの
通信機器に搭載用の温度補償型水晶発振器の構成に関す
るものであり、とくに外部周波数制御信号による周波数
調整機能を有する温度補償型水晶発振器の構成に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】通信機器に搭載用の温度補償型水晶発振
器とは、１０ＭＨｚ帯のＡＴカット水晶振動子を振動源
として、これに何らかの周波数調整回路を用いて温度補
償回路を構成し、ＡＴカット水晶振動子の３次曲線の温
度特性を打ち消すことにより発振周波数を安定化させる
ものである。

【０００３】基準温度、通信用水晶振動子の場合は、通
常２５℃における発振周波数はｆゼロと呼ばれるが、温
度補償型水晶発振器に使用されるＡＴカット水晶振動子
には製造ばらつきにともなうｆゼロのばらつきが存在す
るため、温度補償回路とは別にｆゼロ調整回路も設ける
必要がある。

【０００４】さらにＡＴカット水晶振動子には、エージ
ングと称せられるｆゼロの経時変化も存在するため、携
帯電話の仕様によっては、外部周波数制御信号によって
ｆゼロのずれを補正する回路も設ける必要がある。この
回路は、通常ＡＦＣ（Ａｕｔｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路と呼ばれている。

【０００５】この外部周波数制御信号は、グランドレベ
ル（低電位側の電源）を基準とする電圧信号として温度
補償型水晶発振器に入力されるから、ＡＦＣ回路は電圧
制御型の可変容量素子で構成するのが一般的である。

【０００６】またｆゼロ調整回路も、トリマコンデンサ
やスイッチ付きキャパシタアレイなどの可変容量素子で
構成するのが一般的である。

【０００７】つまり、ＡＦＣ機能を有する温度補償型水
晶発振器の一般的な構成は、温度補償回路の他に、可変
容量素子からなるｆゼロ調整回路とＡＦＣ回路とが、水
晶発振回路に並列に接続している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】水晶発振回路に並列に
可変容量素子からなるいくつかの周波数調整回路が接続
している構成の温度補償型水晶発振器においては、それ
ぞれの周波数調整回路の周波数調整幅が、他の周波数調
整回路の状態によって影響を受けてしまうという問題点
がある。

【０００９】このうちｆゼロ調整回路と他の周波数調整
回路との関係については、温度補償型水晶発振器の製造
段階における調整の範疇であり、しかも一度ｆゼロ調整
を行った後は基本的に変更することはないから、あまり
問題とはならない。

【００１０】これにたいして、ＡＴカット水晶振動子の
エージングの程度や温度補償型水晶発振器が使用される
温度は予測不可能であるから、ＡＦＣ回路と温度補償回
路との関係は大きな問題となる。

【００１１】ＡＦＣ回路の仕様は、たとえば１．５Ｖプ
ラスマイナス１Ｖという外部周波数制御信号に対し、プ
ラスマイナス１０ないし１２ｐｐｍの周波数変化がある
ことというものである。

【００１２】このような仕様を満足させるように、温度
補償型水晶発振器の製造メーカーは基準温度でＡＦＣ回
路の調整を行っている。

【００１３】しかしながら、携帯電話機は様々な温度で
使用されるものであり、ＡＦＣ回路の調整を行った際の
温度補償回路の容量値と、携帯電話機を使用中の温度補
償回路の容量値とでは、大きな差が生じる場合がある。

【００１４】こういう場合は、調整段階に比べて水晶発
振回路の負荷容量が変化するため、外部周波数制御信号
に対するＡＦＣ回路の容量変化率が変化してしまい、仕
様を満足しなくなることがある。

【００１５】逆にエージングの程度によっては、外部周
波数制御信号によってＡＦＣ回路の容量値を出荷段階の
値から大きく変えざるを得なくなる。その場合は温度補
償回路が影響を受けてしまい、周波数精度が規格から外
れてしまうことがある。

【００１６】すなわち、従来技術の温度補償型水晶発振
器の構成においては、とくにＡＦＣ回路と温度補償回路
とが互いに影響を及ぼしあい、周波数精度が規格から外
れたり、ＡＦＣ回路が仕様を満足できなくなったりする
という課題がある。

【００１７】〔発明の目的〕本発明の目的は、温度補償
と外部周波数調整とが互いに影響を及ぼすことがない構
成の温度補償型水晶発振器を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明による温度補償型水晶発振器の構成は、下記
の通りとする。

【００１９】すなわち、ＡＴカット水晶振動子からなる
水晶発振回路と、この水晶発振回路のｆゼロ調整回路
と、温度補償信号発生回路と、温度補償信号と外部周波
数制御信号との合成信号を出力する信号合成回路と、信
号合成回路の制御下にあって水晶発振回路に接続する周
波数調整回路とを備えることを特徴とする。

【００２０】そしてこの温度補償型水晶発振器におい
て、信号合成回路は、温度補償信号を入力とし外部周波
数制御信号を比例変換する信号を反転ポイントとする反
転増幅器からなることを特徴とする。

【００２１】あるいはまた、ＡＴカット水晶振動子から
なる水晶発振回路と、温度補償信号発生回路と、ｆゼロ
調整信号発生回路と、温度補償信号とｆゼロ調整信号と
外部周波数制御信号との合成信号を出力する信号合成回
路と、信号合成回路の制御下にあって水晶発振回路に接
続する周波数調整回路とを備えることを特徴とする。

【００２２】あるいはまた、ＡＴカット水晶振動子から
なる水晶発振回路と、温度補償信号発生回路と、ｆゼロ
調整信号発生回路と、温度補償信号とｆゼロ調整信号と
外部周波数制御信号との合成信号を出力する信号合成回
路と、信号合成回路の制御下にある第１の周波数調整回
路と第２の周波数調整回路とを備え、第１の周波数調整
回路と第２の周波数調整回路とは、ＡＴカット水晶振動
子の異なる端子にそれぞれ接続することを特徴とする。

【００２３】〔作用〕本発明の温度補償型水晶発振器
は、信号合成という方法により、温度補償と外部周波数
調整とが互いに影響を及ぼすことがない構成を実現して
いる。

【００２４】その信号合成の際に、温度補償信号と外部
周波数制御信号とを合成して１つの合成信号とすること
が本発明の目的を達成する条件であり、ｆゼロ調整信号
は合成の対象に含めてもよいし、除外してもよい。

【００２５】温度補償信号と外部周波数制御信号との合
成は、反転増幅器を用いて温度補償信号を外部周波数制
御信号が平行移動させるという回路構成にすれば、容易
に実現可能である。

【００２６】さらにこの合成信号にｆゼロ調整信号を合
成することも、反転増幅器を用いれば容易に実現可能で
ある。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を使用して本発明の温
度補償型水晶発振器における最適な実施形態を説明す
る。本発明の温度補償型水晶発振器は、ＡＴカット水晶
振動子からなる水晶発振回路と、この水晶発振回路のｆ
ゼロ調整回路と、温度補償信号発生回路と、温度補償信
号と外部周波数制御信号との合成信号を出力する信号合
成回路と、信号合成回路の制御下にあって水晶発振回路
に接続する周波数調整回路とを備えている。

【００２８】以下図面を用いて、本発明の最適な実施の
形態を詳述する。まず本発明の第１の実施の形態を説明
する。図１は、本発明の第１の実施の形態における温度
補償型水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【００２９】〔第１の実施の形態の説明：図１、図２〕
図１のブロック図に示すように、ＡＴカット水晶振動子
からなる水晶発振回路１にｆゼロ調整回路１１と周波数
調整回路９とが接続する。

【００３０】そして、温度補償信号発生回路３が出力す
る温度補償信号と、比例変換回路５により外部周波数制
御信号Ａを比例変換する信号とを合成する信号合成回路
７を設け、この信号合成回路７が周波数調整回路９に接
続する。

【００３１】ｆゼロ調整回路１１や周波数調整回路９
は、たとえば可変容量回路などで構成する。

【００３２】ｆゼロ調整回路１１は、温度補償型水晶発
振器の調整段階で一度調整した後はその調整を変更する
ことはない。したがって、ｆゼロ調整回路１１を可変容
量で構成するとしても、実質的には固定容量とみなして
差し支えない。

【００３３】固定容量とみなせるのであるから、ｆゼロ
調整回路１１の調整後に他の回路を調整するならば、ｆ
ゼロ調整回路１１が他の回路に及ぼす影響は考えなくて
もよい。

【００３４】さて、従来の構成の温度補償型水晶発振器
において、温度補償回路とＡＦＣ回路とが互いに影響を
及ぼす理由は、温度補償回路とＡＦＣ回路という２つの
調整回路が独立に水晶発振回路に接続しているためであ
る。

【００３５】このような構成の場合は、一方の調整回路
の値が変化すると、水晶発振回路の負荷容量が変化して
しまい、他方の調整回路の容量変化率と、その調整回路
の容量変化による周波数変化率とが影響を受けてしま
う。

【００３６】そこで温度補償回路とＡＦＣ回路とを独立
に設けるのではなしに、図１に示すように、信号合成回
路７によって温度補償信号と外部周波数制御信号Ａの比
例変換信号とを１つの信号に合成し、この合成信号で周
波数調整回路９を制御する構成とする。

【００３７】この信号合成の仕方は、周波数調整回路９
の特性を考慮して行う必要がある。

【００３８】すなわち、周波数調整回路９の入力信号に
対する水晶発振回路１の発振周波数の変化が直線的であ
るならば、温度補償信号発生回路３が出力する温度補償
信号を、外部周波数制御信号Ａが平行移動させるという
手段によって信号合成を行えばよい。

【００３９】また、周波数調整回路９の入力信号に対す
る水晶発振回路１の発振周波数の変化が直線からずれる
特性であるならば、外部周波数制御信号Ａが温度補償信
号を平行移動させながら、温度に対する温度補償信号の
変化率をも調整するという手段によって信号合成を行え
ばよい。

【００４０】どちらの場合も、反転増幅器を使用するこ
とで実現できるが、前者の方が回路構成が簡単である。
また、可変容量ダイオードやＭＯＳ型コンデンサなどの
ように、入力信号のかなりの範囲において発振周波数の
変化がほぼ直線とみなしうる可変容量素子が存在するか
ら、わざわざ後者のような複雑な信号合成方法を選ぶ必
要はない。

【００４１】周波数調整回路９の入力信号に対する水晶
発振回路１の発振周波数の変化が直線的であれば、温度
補償信号を平行移動させたとしても、温度補償範囲や周
波数精度が変化することはないし、外部周波数制御信号
Ａによる周波数制御は、温度補償信号に影響されること
なく保たれるのである。

【００４２】したがって、図１に示す構成により、温度
補償と外部周波数調整とが互いに影響を及ぼすことがな
い温度補償型水晶発振器を実現することができる。

【００４３】ところで、図１に示す第１の実施の形態に
おいては、外部周波数制御信号Ａを直接信号合成に用い
るのでなしに、外部周波数制御信号Ａを比例変換する比
例変換回路５を設け、その比例信号を合成に用いてい
る。その理由は下記の通りである。

【００４４】すなわち、最近の一般的な携帯電話の仕様
においては、温度補償型水晶発振器に供給される電源電
圧は３Ｖであり、外部周波数制御信号Ａは１．５Ｖプラ
スマイナス１Ｖであるから、この電圧幅２Ｖの外部周波
数制御信号Ａをそのまま信号合成に用いるとすると、合
成信号の中で温度補償信号に許容される電圧幅は１Ｖだ
けになってしまう。

【００４５】しかしながら、特殊な温度特性のＡＴカッ
ト水晶振動子を使用するのでない限り、一般的には温度
補償のために必要な周波数調整幅の方が、エージングを
補正するための周波数調整幅よりも広いから、合成信号
に含まれる温度補償信号の割合は、外部周波数制御の割
合よりも多くする必要がある。

【００４６】このように、温度補償信号の割合を外部周
波数制御の割合よりも多くするためには、外部周波数制
御信号Ａを比例変換して、その電圧幅を電源電圧の半分
以下に縮小しなければならない。これが比例変換回路５
を設ける理由である。

【００４７】なお、外部周波数制御信号Ａの比例縮小
は、たとえば抵抗分割などを利用することにより容易に
実現できる。

【００４８】ところで、信号合成回路７は反転増幅器で
実現できると述べたが、その１つの実施例を図２に示
す。

【００４９】〔実施例１：図２〕図２は、図１に示す周
波数調整回路９が、その制御信号に対して水晶発振回路
１の発振周波数を直線的に変化させる特性である場合
の、信号合成回路７の一例を示す回路図である。

【００５０】図２に示すように、オペアンプ１３と抵抗
とで反転増幅器を構成し、その入力は温度補償信号Ｂと
し、反転ポイントは外部周波数制御信号の比例信号Ａ’
とする。

【００５１】反転増幅器の特性上、反転ポイントである
外部周波数制御信号の比例信号Ａ’が変化すれば、その
変化量の２倍だけ、温度補償信号Ｂの反転信号が平行移
動する。

【００５２】これはすなわち、温度補償信号Ｂと外部周
波数制御信号の比例信号Ａ’とが合成されることを意味
する。

【００５３】外部周波数制御信号の比例信号Ａ’は、図
１に示す比例変換回路５が外部周波数制御信号Ａを比例
変換して出力するものであるから、結局温度補償信号Ｂ
と外部周波数制御信号Ａとが合成されることになる。こ
の合成信号が、周波数調整回路制御信号Ｃである。

【００５４】この周波数調整回路制御信号Ｃが、図１に
示す周波数調整回路９を制御することにより、外部周波
数制御信号Ａに影響されずに温度補償が行われ、また外
部周波数制御信号Ａによる周波数調整幅が、温度に影響
されることがなくなるのである。

【００５５】以上の第１の実施の形態の説明から明らか
なように、信号合成回路７を用いて温度補償信号と外部
周波数制御信号Ａとを合成し、その合成信号が周波数調
整回路９を制御することにより、温度補償と外部周波数
制御とが互いに影響を及ぼすことのない温度補償型水晶
発振器が実現できる。

【００５６】つぎに、本発明の第２の実施の形態を説明
する。図３は、本発明の第２の実施の形態における温度
補償型水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【００５７】〔第２の実施の形態の説明：図３〕図３の
ブロック図に示すように、ＡＴカット水晶振動子からな
る水晶発振回路１に周波数調整回路９が接続する。

【００５８】そして、温度補償信号発生回路３が出力す
る温度補償信号と、比例変換回路５によって外部周波数
制御信号Ａを比例変換する信号と、ｆゼロ調整信号発生
回路１５が出力するｆゼロ調整信号とを合成する信号合
成回路７を設け、この信号合成回路７が周波数調整回路
９に接続する。

【００５９】外部周波数制御とｆゼロ調整とは、温度と
無関係に、発振周波数をある基準値に合わせ込むもので
あるから、動作的にはまったく同一である。

【００６０】したがって、同一の動作を行うものが独立
して存在するよりは、外部周波数制御信号Ａとｆゼロ調
整信号とを合成して１つの信号として扱うほうが合理的
である。

【００６１】そこで、図３に示す第２の実施の形態にお
いては、ｆゼロ調整回路を独立に設けるのではなしに、
ｆゼロ調整信号発生回路１５を設けている。

【００６２】そして前述のように、温度補償と外部周波
数制御とが互いに影響を及ぼさないようにするために
は、温度補償信号と外部周波数制御信号Ａとを合成する
必要がある。

【００６３】そこで信号合成回路７は、温度補償信号と
外部周波数制御信号Ａの比例信号とｆゼロ調整信号との
３つの信号を合成し、この合成信号で周波数調整回路９
を制御している。

【００６４】３つの信号を合成する信号合成回路７は、
図２に示す反転増幅器を２つ使用することにより、容易
に実現できる。

【００６５】その際、まず外部周波数制御信号Ａとｆゼ
ロ調整信号とを合成し、その合成信号と温度補償信号と
を合成してもよいし、あるいはまず温度補償信号と外部
周波数制御信号Ａとを合成し、その合成信号とｆゼロ調
整信号とを合成してもよい。つまり、合成の順番は不問
である。

【００６６】ただし、どの信号を反転増幅器の入力と
し、どの信号を反転ポイントとするかについては注意を
要する。

【００６７】すなわち、温度補償信号は他の信号に比べ
て複雑であるから、温度補償信号を反転ポイントとする
ような合成は設計を困難にするので、避けた方がよい。

【００６８】つぎに、本発明の第３の実施の形態を説明
する。図４は、本発明の第３の実施の形態における温度
補償型水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【００６９】〔第３の実施の形態の説明：図４〕図４の
ブロック図に示すように、温度補償信号発生回路３が出
力する温度補償信号と、比例変換回路５により外部周波
数制御信号Ａを比例変換する信号と、ｆゼロ調整信号発
生回路１５が出力するｆゼロ調整信号とを合成する信号
合成回路７を設ける。この部分の構成は、第２の実施の
形態と同様である。

【００７０】そして、この信号合成回路７が制御する第
１の周波数調整回路１７と第２の周波数調整回路１９と
を設ける。

【００７１】この第１の周波数調整回路１７と第２の周
波数調整回路１９とが、ＡＴカット水晶振動子からなる
水晶発振回路１に接続する。

【００７２】その際、第１の周波数調整回路１７と第２
の周波数調整回路１９とは、ＡＴカット水晶振動子の異
なる端子にそれぞれ接続するようにする。これは発振の
安定性を考慮した構成である。

【００７３】水晶発振回路１を安定に発振させるために
は、ＡＴカット水晶振動子のそれぞれの端子に接続する
容量値が、ある程度近い値になるようバランスをとる方
がよい。

【００７４】図３に示す第２の実施の形態においては、
周波数調整回路７が１つだけであるので、ＡＴカット水
晶振動子のどちらか一方にしか接続できない。したがっ
て、本発明の目的を達成するという点では充分である
が、発振の安定性という点で、多少不利である。

【００７５】このような不利な点を解消するための構成
が、図４に示す第３の実施の形態である。

【００７６】図４に示すように、ＡＴカット水晶振動子
の異なる端子に接続する第１の周波数調整回路１７と第
２の周波数調整回路１９とは、信号合成回路７が出力す
る合成信号で同一に制御される。

【００７７】したがって、第１の周波数調整回路１７と
第２の周波数調整回路１９とを、同一特性で容量値が比
較的近い可変容量素子を用いて構成するならば、ＡＴカ
ット水晶振動子の両端の容量バランスは、合成信号の如
何によらず常に保たれる。

【００７８】そのため、水晶発振回路１を常に安定に発
振させることができる。

【００７９】また、ＡＴカット水晶振動子の両方の端子
で周波数を調整することは、同一の信号に対して周波数
調整幅が拡大できる。そのため、温度補償範囲を拡大で
きるという効果もある。

【００８０】あるいは、同一の周波数調整幅を得るため
に必要な信号の変化幅が小さくて済むから、入力に対す
る周波数変化の直線部分が多少小さい特性の可変容量素
子であっても使用することができ、選択の幅が広がると
いう利点もある。

【００８１】以上のように実施の形態に基づき本発明を
具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定
されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々
の変更が可能である。

【００８２】たとえば、図３に示す第２の実施の形態に
おいて、ＡＴカット水晶振動子の両端の容量バランスを
とるために、周波数調整回路７が接続していないＡＴカ
ット水晶振動子の端子に、固定容量を接続してもよい。

【００８３】

【発明の効果】以上の説明のように本発明では、温度補
償信号と外部周波数制御信号とを合成し、この合成信号
で周波数調整回路を制御することにより、温度補償と外
部周波数制御との相互の影響の排除が可能な温度補償型
水晶発振器を提供することができる。

【００８４】したがって、本発明の温度補償型水晶発振
器は、ＡＴカット水晶振動子のエージングによって周波
数精度が変化したりすることがなくなり、長期間にわた
って使用される携帯電話機に搭載するならば、その効果
は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における温度補償型
水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の温度補償型水晶発振器で使用する信号
合成回路の１つの実施例を示す回路図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態における温度補償型
水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態における温度補償型
水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 水晶発振回路 ３ 温度補償信号発生回路 ５ 比例変換回路 ７ 信号合成回路 ９ 周波数調整回路 １１ ｆゼロ調整回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＡＴカット水晶振動子からなる水晶発振
   回路と、 この水晶発振回路のｆゼロ調整回路と、 温度補償信号発生回路と、 温度補償信号と外部周波数制御信号との合成信号を出力
   する信号合成回路と、 信号合成回路の制御下にあって水晶発振回路に接続する
   周波数調整回路とを備えることを特徴とする温度補償型
   水晶発振器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の信号合成回路は、 温度補償信号を入力とし、外部周波数制御信号を比例変
   換する信号を反転ポイントとする反転増幅器からなるこ
   とを特徴とする温度補償型水晶発振器。
3. 【請求項３】 ＡＴカット水晶振動子からなる水晶発振
   回路と、 温度補償信号発生回路と、 ｆゼロ調整信号発生回路と、 温度補償信号とｆゼロ調整信号と外部周波数制御信号と
   の合成信号を出力する信号合成回路と、 信号合成回路の制御下にあって水晶発振回路に接続する
   周波数調整回路とを備えることを特徴とする温度補償型
   水晶発振器。
4. 【請求項４】 ＡＴカット水晶振動子からなる水晶発振
   回路と、 温度補償信号発生回路と、 ｆゼロ調整信号発生回路と、 温度補償信号とｆゼロ調整信号と外部周波数制御信号と
   の合成信号を出力する信号合成回路と、 信号合成回路の制御下にある第１の周波数調整回路と第
   ２の周波数調整回路とを備え、 第１の周波数調整回路と第２の周波数調整回路とは、Ａ
   Ｔカット水晶振動子の異なる端子にそれぞれ接続するこ
   とを特徴とする温度補償型水晶発振器。