JPWO2003021765A1 - 発振器及び通信機器 - Google Patents

Abstract

発振器１０は、温度補償回路３０及び４０と、周波数調整回路５０と、初期偏差補正回路６０とを備え、メモリ９０に記憶される制御データＤＣに基づいてスイッチＳＷ１〜４を制御することによって、これらの回路から出力される温度補償電圧Ｖ１、温度補償電圧Ｖ２、周波数調整電圧Ｖ３及び初期偏差補正電圧Ｖ４を選択的に加算して制御電圧ＶＡとして電圧制御発振回路２０に供給する。

Description

技 術 分 野
本発明は、携帯電話機などの通信機器に用いられる発振器及びこの発振器を使用した通信機器に関し、特に機能を変更可能な発振器及びこの発振器を具備した通信機器に関する。
技 術 背 景
一般に、水晶発振器は、ＳＰＸＯ（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐａｃｋａｇｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）、ＶＣＸＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）、ＴＣＸＯ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）などの機能で分類されている。ここで、ＳＰＸＯは、温度補償をしていない水晶発振器であり、ＴＣＸＯ（温度補償発振器）は、周囲温度が変化しても出力周波数が変化しないように温度補償を行う水晶発振器であり、ＶＣＸＯ（電圧制御発振器）は、外部からの制御電圧に応じて出力周波数を可変する水晶発振器である。また、ＴＣＸＯにＶＣＸＯの機能を追加した水晶発振器をＶＣ−ＴＣＸＯと呼んでいる。このＶＣ−ＴＣＸＯは、携帯電話機などに適用され、携帯電話機が基地局からの信号を基準にさらに正確に周波数を調整するＡＦＣ（Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）機能を実現する際などに用いられる。
従来、発振器の製造メーカーは、これらの発振器を市場や顧客の要求に応じてそれぞれ開発することによって、顧客の要求を満足する発振器を製造して供給している。
しかしながら、従来はＴＣＸＯやＶＣＸＯなどの開発をそれぞれ独立して行うことが一般的であり、共通部分についても別々に開発していたため、開発効率が悪かった。また、別々に開発するため、共通部品が多いにも関わらず、別々の製造ラインを設ける必要や、部品を別々に在庫管理する必要があった。
一方、近年では、情報社会化への高まりを背景として、電子機器の処理能力の向上や通信速度の高速化の必要性から、これら発振器には、より広い動作温度範囲への対応や、低位相雑音への要求が増えつつある。
発 明 の 開 示
本発明の目的は、開発効率を高め、在庫管理を容易にするために、必要とする機能の設定や機能変更が可能な発振器及びこの発振器を使用した通信機器を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、振動子を有し、供給される制御電圧に応じて出力信号の周波数が変化する電圧制御発振回路と、前記振動子の周波数温度特性を近似した３次曲線モデルに従って、前記振動子の周波数温度特性を温度補償するための第１温度補償電圧を出力する第１の温度補償回路と、前記振動子の周波数温度特性を近似した１次直線モデルに従って、前記振動子の周波数温度特性を温度補償するための第２温度補償電圧を出力する第２の温度補償回路と、前記第１温度補償電圧と前記第２温度補償電圧の加算電圧、若しくは、前記第２温度補償電圧のいずれかを前記制御電圧として前記電圧制御発振回路に供給する選択手段とを備える発振器を提供する。
この発振器の構成によれば、第２温度補償電圧に基づいて電圧制御発振回路の出力信号の周波数を制御することによって、出力信号の周波数温度特性を、振動子単体の周波数温度特性を回転したような特性に温度補償することができる。さらに、第１温度補償電圧と第２温度補償電圧の加算電圧に基づいて電圧制御発振回路の出力信号の周波数を制御することによって、出力信号の周波数温度特性を、さらに広い温度範囲で目的の周波数偏差内に収まる特性に温度補償することができる。このため、選択手段が、第１温度補償電圧と第２温度補償電圧の加算電圧、若しくは、第２温度補償電圧のいずれかを制御電圧として電圧制御発振回路に供給することによって、この発振器の使用目的に合わせて出力信号の周波数温度特性を調整することができる。
また、本発明は、前記選択手段が、前記第１温度補償電圧を出力するか否かを選択するためのスイッチと、前記スイッチを介して供給された前記第１温度補償電圧と、前記第２温度補償電圧とを加算して前記制御電圧として出力する加算回路と、前記スイッチを制御するための制御データを記憶するメモリと、外部からの調整用制御データに基づいて前記メモリに制御データを記憶させるとともに、前記メモリに記憶された制御データに基づいて前記スイッチを制御する制御回路とを有する、発振器を提供する。
この発振器の構成によれば、制御回路がメモリに記憶された制御データに基づいてスイッチを制御することによって加算回路から出力される制御電圧が変更するので、出力信号の周波数温度特性を広い温度範囲で目的の周波数偏差内に収まる特性にするか否かを簡易に選択することができる。また、制御回路は外部からの調整用制御データに基づいてメモリに制御データを記憶するので、この発振器の製造後、任意の時期にこの発振器の周波数温度特性を設定することができる。
また、本発明は、前記選択手段が、制御データを記憶するメモリと、前記第１温度補償電圧と、前記第２温度補償電圧とを加算して前記制御電圧として出力する加算回路と、外部からの調整用制御データに基づいて前記メモリに制御データを記憶させるとともに、前記メモリに記憶された制御データに基づいて前記第２の温度補償回路の駆動を制御する制御回路とを有する、発振器を提供する。
この発振器の構成によれば、制御回路がメモリに記憶された制御データに基づいて第２の温度補償回路の駆動を制御することによって加算回路から出力される制御電圧が変更するので、出力信号の周波数温度特性を広い温度範囲で目的の周波数偏差内に収まる特性にするか否かを簡易に選択することができる。また、制御回路は外部からの調整用制御データに基づいてメモリに制御データを記憶するので、この発振器の製造後、任意の時期にこの発振器の周波数温度特性を設定することができる。
また、上記目的を達成するために、本発明は、振動子を有し、供給される制御電圧に応じて出力信号の周波数が変化する電圧制御発振回路と、前記振動子の周波数温度特性を近似した３次曲線モデルに従って、前記振動子の周波数温度特性を温度補償するための第１温度補償電圧を出力する第１の温度補償回路と、前記振動子の周波数温度特性を近似した１次直線モデルに従って、前記振動子の周波数温度特性を温度補償するための第２温度補償電圧を出力する第２の温度補償回路と、前記第１温度補償電圧と前記第２温度補償電圧の加算電圧、若しくは、前記第１温度補償電圧、または、前記第２温度補償電圧のいずれかを前記制御電圧として前記電圧制御発振回路に供給する選択手段とを備える発振器を提供する。
この発振器の構成によれば、選択手段が、第１温度補償電圧と第２温度補償電圧の加算電圧、若しくは、第１温度補償電圧、または、第２温度補償電圧のいずれかを制御電圧として電圧制御発振回路に供給するので、この発振器の使用目的に合わせて出力信号の周波数温度特性を調整することができる。
また、本発明は、前記選択手段が、前記第１温度補償電圧を出力するか否かを選択するための第１のスイッチと、前記第２温度補償電圧を出力するか否かを選択するための第２のスイッチと、前記第１のスイッチを介して供給された前記第１温度補償電圧と、前記第２のスイッチを介して供給された前記第２温度補償電圧とを加算して前記制御電圧として出力する加算回路と、前記第１及び第２のスイッチを制御するための制御データを記憶するメモリと、外部からの調整用制御データに基づいて前記メモリに制御データを記憶させるとともに、前記メモリに記憶された制御データに基づいて前記第１及び第２のスイッチを制御する制御回路とを有する、発振器を提供する。
この発振器の構成によれば、制御回路がメモリに記憶された制御データに基づいて第１及び第２のスイッチを制御することによって加算回路から出力される制御電圧を変更するので、出力信号の周波数温度特性を広い温度範囲で目的の周波数偏差内に収まる特性にするか否かを簡易に選択することができる。また、制御回路は外部からの調整用制御データに基づいてメモリに制御データを記憶するので、この発振器の製造後、任意の時期にこの発振器の周波数温度特性を設定することができる。
また、本発明は、前記選択手段が、制御データを記憶するメモリと、前記第１温度補償電圧と、前記第２温度補償電圧とを加算して前記制御電圧として出力する加算回路と、外部からの調整用制御データに基づいて前記メモリに制御データを記憶させるとともに、前記メモリに記憶された制御データに基づいて前記第１及び第２の温度補償回路の駆動を制御する制御回路とを有する、発振器を提供する。
この発振器の構成によれば、制御回路がメモリに記憶された制御データに基づいて第１及び第２の温度補償回路の駆動を制御することによって加算回路から出力される制御電圧が変更するので、出力信号の周波数温度特性を広い温度範囲で目的の周波数偏差内に収まる特性にするか否かを簡易に選択することができる。また、制御回路は外部からの調整用制御データに基づいてメモリに制御データを記憶するので、この発振器の製造後、任意の時期にこの発振器の周波数温度特性を設定することができる。
また、本発明は、上述した各態様のいずれかに記載の発振器において、前記第１の温度補償回路は、予め設定された温度範囲でのみ前記第１温度補償電圧を出力し、前記温度範囲は、前記第２温度補償電圧だけで前記出力信号の周波数偏差が所定の周波数偏差内に収まる温度範囲を少なくとも除く温度範囲である発振器を提供する。
この発振器の構成によれば、第１の温度補償回路が、第２温度補償電圧だけで出力信号の周波数偏差が所定の周波数偏差内に収まらない温度範囲で第１温度補償電圧を出力するので、第１の温度補償電回路の消費電力を低減することができる。
また、本発明は、外部から供給されるコントロール電圧を変換して周波数調整電圧を出力する周波数調整回路をさらに備え、前記選択手段は、前記周波数調整電圧を出力するか否かを選択するための第３のスイッチをさらに有し、前記制御回路は、さらに、前記メモリに記憶された制御データに基づいて前記第３のスイッチを制御し、前記加算回路は、さらに、前記第３のスイッチを介して供給された前記周波数調整電圧を加算して前記制御電圧として出力する発振器を提供する。
この発振器の構成によれば、外部から供給されるコントロール電圧を変換した周波数調整電圧を、加算回路から出力される制御電圧に含めることができるので、外部から出力信号の周波数を制御することが可能となる。また、制御回路がメモリに記憶された制御データに基づいて周波数調整電圧を制御電圧に含めるか否かを選択するので、外部から出力信号の周波数を制御するか否かを制御データ記憶時に設定することができる。
また、本発明は、前記出力信号の周波数の初期偏差を補正するための初期偏差補正電圧を出力する初期偏差補正回路をさらに備え、前記選択手段は、前記初期偏差補正電圧を出力するか否かを選択するための第４のスイッチをさらに有し、前記制御回路は、さらに、前記メモリに記憶された制御データに基づいて前記第４のスイッチを制御し、前記加算回路は、さらに、前記第４のスイッチを介して供給された前記初期偏差補正電圧を加算して前記制御電圧として出力する発振器を提供する。
この発振器の構成によれば、出力信号の周波数の初期偏差を補正するための初期偏差補正電圧を、加算回路から出力される制御電圧に含めることができるので、初期偏差を補正することが可能となる。また、制御回路がメモリに記憶された制御データに基づいて初期偏差補正電圧を制御電圧に含めるか否かを選択するので、初期偏差補正を行わないように設定すれば、振動子自体の評価試験などを実装状態で行うことができる。
また、本発明は、前記第１の温度補償回路の後段に配置され、前記第１温度補償電圧のノイズを除去する第１のフィルタと、前記第２の温度補償回路の後段に配置され、前記第２温度補償電圧のノイズを除去する第２のフィルタとをさらに備える発振器を提供する。
この発振器の構成によれば、第１及び第２のフィルタによって第１及び第２温度補償電圧に含まれるノイズが除去されるので、この発振器の周波数温度特性を精度良く温度補償することが可能となる。
また、本発明は、上述した各態様のいずれかに記載の発振器を内蔵し、前記発振器の出力信号に基づいて動作する通信機器を提供する。
上述した如く、この発振器は、使用目的に合わせて出力信号の周波数温度特性が調整できるので、通信機器に要求される高い温度補償精度、周波数調整機能及び低消費電力化を満たすことができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照し本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は、かかる実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内で種々の変更が可能である。
［１］第１実施形態
［１−１］第１実施形態の全体構成
図１は、本発明の第１実施形態に係る発振器の原理構成図である。
この発振器１０は、電圧制御発振回路２０と、温度補償回路３０及び４０と、周波数調整回路５０と、初期偏差補正回路６０と、加算回路７０と、制御回路８０と、メモリ９０と、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４とから構成されている。
電圧制御発振回路２０は、水晶振動子やセラミック振動子などの圧電振動子２１を発振させる発振回路２２と、入力抵抗２３と圧電振動子２１との中間接続点に接続される可変容量ダイオード（以下、バリキャップという）２４と、バッファ回路２５とから構成される。そして、バリキャップ２４の容量が入力抵抗２３を介して印加される制御電圧ＶＡに応じて変化することによって出力端子ＯＵＴから出力される発振信号Ｓｏｕｔの周波数が変化する。
温度補償回路３０は、圧電振動子２１の周波数温度特性を近似する３次曲線モデルに従って、圧電振動子２１の周波数温度特性を温度補償するための温度補償電圧Ｖ１を出力する回路である。この温度補償回路３０を使用することによって、発振信号Ｓｏｕｔの周波数を広い温度範囲で目的の周波数偏差内にすることができる。例えば、圧電振動子２１がＡＴカット振動子などの周波数温度特性がほぼ３次曲線で近似される圧電振動子の場合には、図２に示すように、圧電振動子２１単体の周波数温度特性ｆａを、基準温度（周波数偏差ｆ／ｆ０を求める際の周波数ｆ０の温度Ｔ０（例えば、２５℃））を中心とする広い温度範囲で周波数偏差が小さい周波数温度特性ｆｂに温度補償することができる。
温度補償回路４０は、圧電振動子２１の周波数温度特性を近似する１次直線モデルに従って、圧電振動子２１の周波数温度特性を温度補償するための温度補償電圧Ｖ２を出力する回路である。すなわち、この温度補償回路は、図３に示すように、圧電振動子２１がＡＴカット振動子などの周波数温度特性ｆａがほぼ３次曲線で近似される圧電振動子の場合には、この周波数温度特性ｆａのほぼ変曲点Ａ、Ｂ間において近似した１次直線となる周波数温度特性Ｌｆａを温度補償するための温度補償電圧Ｖｃ２を出力する。これにより、この温度補償回路４０を使用することによって、図３に示すように、圧電振動子２１単体の周波数温度特性ｆａを、基準温度Ｔ０を中心に回転したような周波数温度特性ｆｃに温度補償することができる。従って、基準温度Ｔ０を中心とする温度Ｔ１〜温度Ｔ２の範囲で目的の周波数偏差内に収まるように温度補償することができる。
このように、必要とされる周波数温度特性に応じて、温度補償回路３０と４０から出力される温度補償電圧Ｖ１及びＶ２のいずれかを選択したり、両方を選択したりするなど、用途に応じて柔軟に対応できる。
周波数調整回路５０は、周波数調整端子ＶＣに印加された外部からのコントロール電圧Ｖｃに応じて発振信号Ｓｏｕｔの周波数を変更させるための周波数調整電圧Ｖ３を出力する回路である。
また、初期偏差補正回路６０は初期偏差補正電圧Ｖ４を出力する回路である。この初期偏差補正電圧Ｖ４は、圧電振動子２１の周波数ばらつきにより生じる発振器１０から出力される発信信号Ｓｏｕｔの初期の周波数ばらつきを補正するものである。
また、この発振器１０において、上述した温度補償回路３０及び４０と、周波数調整回路５０と、初期偏差補正回路６０とが、それぞれスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４を介して加算回路７０に接続されている。加算回路７０は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を介して選択される温度補償電圧Ｖ１、温度補償電圧Ｖ２、周波数調整電圧Ｖ３及び初期偏差補正電圧Ｖ４を加算した出力電圧を制御電圧ＶＡとして電圧制御発振回路２０に出力する。
制御回路８０は、メモリ９０に記憶された制御データＤＣに基づいて発振器１０全体を制御する。具体的には、制御回路８０は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン／オフ制御や、周波数調整回路５０を構成する後述するスイッチのオン／オフ制御や、初期偏差補正回路６０を構成する後述するスイッチのオン／オフ制御を行う。また、制御回路８０は、データ入力端子Ｄから入力される制御データＤＣをメモリ９０に記憶したり、データ入力端子Ｄから入力された温度補正データを温度補償回路３０及び４０を構成する後述する温度補償データメモリに記憶したりする。なお、図１においては、説明を判りやすくするため、データ入力端子Ｄを１つしか示していないが、実際にはデータ入力端子Ｄは複数設けられている。
［１−２］発振回路の構成
図４は、発振回路２２の回路図である。発振回路２２は、定電圧電源ＶＲＥＧと圧電振動子２１との間に直列接続された第１バイアス抵抗Ｒ１及び第２バイアス抵抗Ｒ２と、圧電振動子２１と第１バイアス抵抗Ｒ１との中間接続点に一端が接続され、他端が接地された第３バイアス抵抗Ｒ３と、第１バイアス抵抗Ｒ１と第２バイアス抵抗Ｒ２との中間接続点にベース端子が接続されたＮＰＮトランジスタＱ１と、圧電振動子２１と第２バイアス抵抗Ｒ２との中間接続点にベース端子が接続され、ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタ端子とコレクタ端子が接続されたＮＰＮトランジスタＱ２と、定電圧電源ＶＲＥＧに一端が接続され、ＮＰＮトランジスタＱ１のコレクタ端子に他端が接続されたコレクタ抵抗Ｒｃと、を備えている。
なお、定電圧電源ＶＲＥＧは発振器１０に供給される高電位側電源を基に定電圧回路（図示せず）により作り出される電圧であり、高電位側電源の変動や周囲の温度変化に対して安定な電圧である。
さらに、発振回路２２は、コレクタ抵抗ＲｃとＮＰＮトランジスタＱ１の中間接続点に一端が接続され、他端が出力端子ＯＵＴに接続され、発振周波数Ｓｏｕｔの直流成分を除去するためのＤＣカット用コンデンサＣｄｃと、ＮＰＮトランジスタＱ２のエミッタ端子に一端が接続され、他端が接地されたエミッタ抵抗Ｒｅと、ＮＰＮトランジスタＱ２のベース端子と圧電振動子２１の中間接続点に一端が接続され、ＮＰＮトランジスタＱ２のエミッタ端子とエミッタ抵抗Ｒｅの中間接続点に他端が接続された第１発振用コンデンサＣａと、ＮＰＮトランジスタＱ２のエミッタ端子とエミッタ抵抗Ｒｅの中間接続点に一端が接続され、他端が接地された第２発振用コンデンサＣｂとから構成されている。なお、図４において、波線によって囲まれる領域は、発振回路２２などの構成部品をワンチップＩＣで構成する場合にワンチップＩＣに含まれる部分を示している。なお、定電圧回路がさらにＩＣに内蔵される場合もある。
［１−３］温度補償回路の構成
図５は、温度補償回路３０のブロック図である。温度補償回路３０は、温度センサ３１と、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換回路３２と、データ変換回路３３と、ディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換回路３４とから構成されている。この温度補償回路３０においては、温度センサ３１が出力する温度依存電圧Ｖｔ１が、Ａ／Ｄ変換回路３２によりアナログ／ディジタル変換される。そして、データ変換回路３３にてメモリ９０に記憶された温度補償回路３０用データ（温度補償用データ）ＤＭ４ａに基づいてデータ変換される。さらに、Ｄ／Ａ変換回路３４にてディジタル／アナログ変換されて、温度補償電圧Ｖ１として出力される。従って、温度補償回路３０においては、温度補償回路３０用データＤＭ４ａが、圧電振動子２１の周波数温度特性を近似する３次曲線モデルに従って、圧電振動子２１の周波数温度特性を温度補償するように予め作成される。これにより、圧電振動子２１の３次曲線となる周波数温度特性を温度補償可能とする温度補償電圧Ｖ１が出力される。
また、図６は、温度補償回路４０のブロック図である。温度補償回路４０は、温度センサ４１と、２つのディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換回路４２、４３と、可変利得増幅器４４とから構成されている。
ここで、Ｄ／Ａ変換回路４２、４３は、メモリ９０に記憶されている温度補償回路４０用データ（温度補償用データ）ＤＭ４ｂに含まれるオフセット設定データ及びゲイン設定データをそれぞれディジタル／アナログ変換してオフセット電圧Ｖａおよびゲイン設定電圧Ｖｂを可変利得増幅器４４に出力する。
可変利得増幅器４４は、定電圧電源ＶＲＥＧに印加される電源電圧によって動作する差動増幅器の構成になっており、温度センサが出力する温度依存電圧Ｖｓ２の傾きであるゲインをゲイン設定電圧Ｖｂによって変更する。そして、可変利得増幅器４４は、その基準温度（例えば、２５℃）のときの電位が所定電位となるように、温度依存電圧Ｖｓとオフセット電圧Ｖａとの差分によって補正し、温度補償電圧Ｖ２として出力する。図７は、この温度補償回路４０の温度と温度補償電圧Ｖ２との関係を示す図であり、３種類の制御特性Ｖ２ａ、Ｖ２ｂ、Ｖ２ｃを例示している。上述したように、この温度補償回路４０は一次関数の制御特性を持てばよいので、制御特性の変更は、傾きや切片が変更されるように温度補償データを変更すればよい。
［１−４］周波数調整回路の構成
図８は、周波数調整回路５０を制御回路８０と共に示す回路図である。周波数調整回路５０は、周波数調整端子ＶＣに一端が接続され、他端がスイッチＳＷ３に接続された第１抵抗回路５１と、一端が第１抵抗回路５１とスイッチＳＷ３の中間接続点に接続され、他端が接地された第２抵抗回路５２とから構成されている。第１抵抗回路５１は、周波数調整端子ＶＣに一端が接続され、他端がスイッチＳＷ３に接続された第１ベース抵抗Ｒ１−１と、第１抵抗回路５１の抵抗値を可変するための選択される抵抗素子として機能する（ｎ−１）個の抵抗Ｒ１−ｋ（ｋ＝２〜ｎ）と、選択された抵抗Ｒ１−１〜Ｒ１−ｎのいずれかと第１ベース抵抗Ｒ１−１とを並列に接続させるためのスイッチＳ１−ｋとから構成されている。この場合において、抵抗Ｒ１−１〜Ｒ１−ｎの抵抗値は全て同一であってもよいし、異なるようにしてもよい。
第２抵抗回路５２は、一端が第１抵抗回路５１とスイッチＳＷ３の中間接続点に接続され、他端が接地された第２ベース抵抗Ｒ２−１と、第２抵抗回路５２の抵抗値を可変するために、選択される抵抗素子として機能する（ｎ−１）個の抵抗Ｒ２−ｋ（ｋ＝２〜ｎ）と、選択された抵抗Ｒ２−１〜Ｒ２−ｎのいずれかと第２ベース抵抗Ｒ２−１とを並列に接続させるためのスイッチＳ２−ｋとから構成されている。この場合において、抵抗Ｒ２−１〜Ｒ２−ｎの抵抗値は全て同一であってもよいし、異なるようにしてもよい。さらに互いに異ならせる場合には、抵抗Ｒ２−１〜Ｒ２−ｎの抵抗値を予め設定した第２ベース抵抗Ｒ２−１の抵抗値の２^Ｘ倍（Ｘ＝２以上の整数）となるように設定すれば広範囲の抵抗値を設定することが可能である。
この場合において第１抵抗回路５１の合成抵抗値ＲＳ１、第２抵抗回路５２の合成抵抗値ＲＳ２とすると、周波数調整端子ＶＣにコントロール電圧Ｖｃが供給されたときの周波数調整電圧Ｖ３は以下の式で表される。
Ｖ３＝ＲＳ２／（ＲＳ１＋ＲＳ２）・Ｖｃ
すなわち、図９に示すように、第１抵抗回路５１の合成抵抗値ＲＳ１及び第２抵抗回路５２の合成抵抗値ＲＳ２を組み合わせることによって、周波数調整に伴う周波数調整端子ＶＣの入力抵抗値（入力インピーダンス）の変化をほぼ一定にすることができるため、周波数調整端子ＶＣの前段の回路設計が容易となる。加えて、この周波数調整回路５０によれば、能動素子を使用せずに周波数制御特性を可変することができ、出力信号Ｓｏｕｔの位相ノイズが増加しないという効果が得られる。
［１−５］初期偏差補正回路の構成
図１０は、初期偏差補正回路６０を制御回路８０と共に示す回路図である。
初期偏差補正回路６０は、定電圧電源ＶＲＥＧに一端が接続され、他端が抵抗Ｒ３を介してスイッチＳＷ４に接続されたベース抵抗Ｒ３−１と、初期偏差補正回路６０の抵抗値を可変するために、選択される抵抗素子として機能する（ｍ−１）個の抵抗Ｒ３−ｉ（ｉ＝２〜ｍ）と、選択された抵抗Ｒ３−ｉ〜Ｒ３−ｍのいずれかとベース抵抗Ｒ３−１とを並列に接続させるためのスイッチＳ３−ｉとから構成されている。
また、この初期偏差補正回路６０において、発振器１０の初期ばらつきに対応してスイッチが制御されて抵抗値が設定される。スイッチＳ３−２〜Ｓ３−ｍからなる第３抵抗回路６１の合成抵抗をＲＳ３とすると、初期偏差補正電圧Ｖ４は以下の式で表される。
Ｖ４＝Ｒ３／ＲＳ３・ＶＲＥＧ
すなわち、第３抵抗回路６１のスイッチＳ３−２〜Ｓ３−ｍが制御回路８０によって制御されることにより、初期偏差補正回路６０は定電圧電源ＶＲＥＧに印加される電源電圧の電圧レベルを変換し、初期偏差補正電圧Ｖ４として出力する。これにより、圧電振動子２１のばらつきなどによって生じる出力信号Ｓｏｕｔの周波数ずれを補正することができる。
［１−６］各スイッチの具体的構成
スイッチＳＷ１〜ＳＷ４、スイッチＳ１−１〜Ｓ１−ｎ、スイッチＳ２−１〜Ｓ２−ｎ、スイッチＳ３−２〜Ｓ３−ｍは、この発振器１０をＩＣ化する場合には、使用する半導体製造プロセスにより、例えば、以下のような構成が考えられる。
ｉ 半導体製造プロセスとして、バイポーラプロセスを用いる場合には、スイッチを、バイポーラトランジスタ構成とする。
ｉｉ 半導体製造プロセスとして、ＣＭＯＳプロセスを用いる場合には、スイッチを、ＭＯＳトランジスタ構成とする。
ｉｉｉ 高周波対応のＩＣの半導体製造プロセスとして盛んに使用されているバイポーラ＆ＣＭＯＳ混在プロセス（Ｂｉ−ＣＭＯＳプロセス）を用いる場合には、スイッチは、バイポーラトランジスタ構成及びＭＯＳトランジスタ構成のいずれをも採用することが可能である。ただし、低消費電流化の観点からはトランジスタをオンするために定常的に電流を流す必要がないＭＯＳトランジスタ構成とする方が有利である。
［１−７］メモリ
メモリ９０は、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ＰＲＯＭ）などの書き込みや書き換え可能なメモリが適用される。そして、図１１に示すように、メモリ９０には、制御データＤＣとして、モード設定データＤＭ１、周波数調整データＤＭ２、初期偏差補正データＤＭ３、そして温度補償回路３０用データＤＭ４ａ、温度補償回路４０用データＤＭ４ｂが所定領域に記憶される。ここで、初期偏差補正データＤＭ３は、初期偏差補正回路６０の第３抵抗回路６１内のスイッチの制御状態を示すデータ、初期偏差補正データＤＭ３ｂは、最終補正部６２内のスイッチの制御状態を示すデータ、温度補償回路３０用データＤＭ４ａ及び温度補償回路４０用データＤＭ４ｂは、それぞれ温度補償回路３０、４０の温度補償用データである。
モード設定データＤＭ１は、この発振器１０の動作モードを設定するためのデータであり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の制御状態を示すデータである。本実施形態においては、図１２に示すように、動作モードとして、ＶＣ−ＴＣＸＯモード、ＴＣＸＯモード、ＶＣＸＯモード、ＳＰＸＯモード、試験モードの５つの動作モードが用意されており、いずれか１つの動作モードに対応するモード設定データＤＭ１がメモリ９０に記憶される。
ここで、発振器１０の動作モードについて説明すると、ＶＣ−ＴＣＸＯモードは、この発振器１０をＶＣ−ＴＣＸＯとして機能させる動作モードであり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を全てオン状態にすることによって設定される。
すなわち、ＶＣ−ＴＣＸＯモードは、温度補償電圧Ｖ１、温度補償電圧Ｖ２、周波数調整電圧Ｖ３及び初期偏差補正電圧Ｖ４を加算回路７０に出力させることで、これらの加算電圧を制御電圧ＶＡとして電圧制御発振回路２０に供給する。
また、ＴＣＸＯモードは、この発振器１０をＴＣＸＯとして機能させる動作モードであり、スイッチＳＷ１、ＳＷ２及びＳＷ３をオン状態にし、スイッチＳＷ４をオフ状態にすることによって設定される。すなわち、ＴＣＸＯモードは、温度補償電圧Ｖ１、温度補償電圧Ｖ２及び初期偏差補正電圧Ｖ４の加算電圧を制御電圧ＶＡとして電圧制御発振回路２０に供給する。
ＶＣＸＯモードは、この発振器１０をＶＣＸＯとして機能させる動作モードであり、スイッチＳＷ３及びＳＷ４をオン状態にし、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフ状態にすることで設定される。すなわち、ＶＣＸＯモードは、周波数調整電圧Ｖ３及び初期偏差補正電圧Ｖ４の加算電圧を制御電圧ＶＡとして電圧制御発振回路２０に供給する。なお、ＶＣＸＯモードは、スイッチＳＷ２をオン状態にしてＶＣＸＯモードに１次直線の温度補償を付加したモードを追加することもできる。この場合、１次直線の温度特性の補正ができるため、前述のＶＣＸＯモードよりも、更に周波数温度特性を良くすることができる。ＳＰＸＯモードは、この発振器１０をＳＰＸＯとして機能させる動作モードであり、スイッチＳＷ４をオン状態にし、スイッチＳＷ１，ＳＷ２及びＳＷ３をオフ状態にすることにより設定される。すなわち、ＳＰＸＯモードは、初期偏差補正電圧Ｖ４を制御電圧ＶＡとして電圧制御発振回路２０に供給する。
試験モードは、製造業者側で圧電振動子２１の温度特性評価などを行うときに設定する動作モードであり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を全てオフ状態にすることによって設定される。これにより、圧電振動子２１と発振回路２２からなる水晶発振器単独での出力信号を出力端子ＯＵＴから出力でき、圧電振動子２１が実装された状態で電圧制御発振回路２０の評価試験を行うことができる。
このようにして、本実施形態に係る発振器１０は、温度補償回路３０及び４０と、周波数調整回路５０と、初期偏差補正回路６０とを備え、モード設定データＤＭ１に基づいてこれらの回路から出力される温度補償電圧Ｖ１、温度補償電圧Ｖ２、周波数調整電圧Ｖ３及び初期偏差補正電圧Ｖ４を選択的に加算して制御電圧ＶＡとして電圧制御発振回路２０に供給する。従って、発振器１０は、ＶＣ−ＴＣＸＯ、ＴＣＸＯ、ＶＣＸＯ、ＳＰＸＯのいずれの発振器としても使用することができる。これにより、ＶＣ−ＴＣＸＯ、ＴＣＸＯ、ＶＣＸＯ、ＳＰＸＯの開発を同時に行うことができるので、従来に比して開発効率を上げることができる。
また、この発振器１０は、データ入力端子Ｄを介して外部から制御データＤＣを入力してメモリ９０に記憶させることができるので、この発振器１０の製造後、任意の時期に、この発振器１０の動作モードや、コントロール電圧Ｖｃによる周波数制御特性、初期偏差量を調整することができる。これにより、発振器を種類毎に在庫管理する必要がなくなり、もちろん、製造ラインを別々に設ける必要もないので、量産効果を上げることができる。
［２］第２実施形態
第２実施形態に係る発振器１０が、第１実施形態に係る発振器１０と異なる点は、温度補償回路３０が、温度補償回路４０の温度補償電圧Ｖ２だけでは発振信号Ｓｏｕｔが予め定めた周波数偏差内に収まらない温度範囲でのみ温度補償電圧Ｖ１を出力する点である。具体的には、図１３に示すように、温度補償回路４０による温度補償後の発振信号Ｓｏｕｔの周波数温度特性ｆｃが目的の周波数偏差内に収まらない温度Ｔａ〜Ｔｂの範囲と、温度Ｔｃ〜Ｔｄの範囲でのみ温度補償回路３０の温度補償電圧Ｖ１が加算回路７０を介して電圧制御発振回路２０に供給される。この結果、さらに温度Ｔａ〜Ｔｂ及び温度Ｔｃ〜Ｔｄでの発振信号Ｓｏｕｔの周波数偏差が目的の周波数偏差内に収まる周波数温度特性ｆｃｃを得ることができ、さらに、温度ＴｂからＴｃの範囲内においては、温度補償回路３０からの温度補償電圧Ｖ１に含まれる雑音成分が制御電圧ＶＡに印加されないため、より低雑音とすることができる。
［３］第３実施形態
図１４は、第３実施形態に係る発振器の原理構成図である。
第３実施形態に係る発振器１０が、上述した各実施形態に係る発振器１０と大きく異なる点は、初期偏差補正回路６０ＡがスイッチＳＷ４を介して電圧制御発振回路２０のバリキャップ２４のアノード端子と接続されている点である。これに伴い、バリキャップ２４のアノード端子とスイッチＳＷ４の中間接続点はバイアス抵抗Ｒｘを介して接地されることとなる。
図１５は、初期偏差補正回路６０Ａを周辺構成と共に示す回路図である。
初期偏差補正回路６０Ａは、スイッチＳＷ４に一端が接続され、他端が接地され、固定接続容量素子として機能するベースコンデンサＣ０と、初期偏差補正回路６０Ａの容量値を可変するために、選択される容量素子として機能するＬ個のコンデンサＣｊ（ｊ＝１〜Ｌ）と、選択されたコンデンサＣ１〜ＣＬのいずれかをベースコンデンサＣ０に並列接続させるためのスイッチＳ４−ｊとから構成されている。この場合において、コンデンサＣ１〜ＣＬの容量値は全て同一であってもよいし、異なるようにしてもよい。さらに互いに異ならせる場合には、コンデンサＣ１〜ＣＬの容量値を予め設定した基本容量値の２Ｘ倍（Ｘ＝２以上の整数）となるように設定すれば広範囲の容量値を設定することが可能である。
この結果、初期偏差補正回路６０ＡのスイッチＳ４−１〜Ｓ４−Ｌが制御回路８０によって制御されことによって、出力信号Ｓｏｕｔの周波数が変化するので、圧電振動子２１のばらつきなどによって生じる周波数変動を補正することが可能である。
［４］第４実施形態
第４実施形態に係る発振器１０が、上述した各実施形態に係る発振器１０と異なる点は、図１６に示すように、発振回路２２にＣＭＯＳ構成のインバータＩＶ１及びＩＶ２を用いたＣＭＯＳ発振回路を適用した点である。なお、図１６において、波線によって囲まれる領域は、発振回路２２などの構成部品をワンチップＩＣで構成する場合にワンチップＩＣに含まれる部分を示している。
［５］第５実施形態
図１７は、第５実施形態に係る発振器の原理構成図である。第５実施形態に係る発振器１０が、上述した第１及び第２実施形態に係る発振器１０と異なる点は、温度補償回路３０及び４０の後段にフィルタ１００及び１０１を設け、温度補償電圧Ｖ１及びＶ２に含まれるノイズを除去して電圧制御発振回路２０（または加算回路７０）に出力するようにした点である。この結果、温度補償回路３０及び４０において（図５及び図６参照）、Ｄ／Ａ変換回路３４、４２、４３の分解能の影響などにより温度補償電圧Ｖ１、Ｖ２にステップ状のノイズが重畳してしまう場合があるが、フィルタ１０１及び１００によってこのノイズを除去できるため、温度補償精度を向上することができる。なお、温度補償回路３０または４０のうちノイズが大きい方の後段だけにフィルタを設けるようにしてもよい。また、この種のフィルタは、第３及び第４実施形態に係る発振器１０の温度補償回路３０及び４０の後段に設けるようにしてもよい。
［６］第６実施形態
図１８は、第６実施形態に係る発振器１０の構造の一例を示す図である。
上述の各実施形態においては、発振器１０を構成する構成部品の実装状態については、言及していなかった。しかし、本実施形態に係る発振器１０は、圧電振動子２１とＤＣカット用コンデンサＣｄｃ２４を除く構成部品をワンチップＩＣ１１０として構成し、さらに、ワンチップＩＣ１１０、圧電振動子２１及びＤＣカット用コンデンサＣｄｃ２４をモールド封止して構成されている。これにより、発振器１０を小型化できると共に、部品点数が削減して組立工数及び製造コストを一層削減することが可能となる。
［７］変形例
上述の第６実施形態においては、発振器１０をモールド封止して構成する場合について述べたが、図１９に示す変形例のように、発振器１０を、ワンチップＩＣ１１０、圧電振動子２１及びＤＣカット用コンデンサＣｄｃ２４をリッド１２０で封止したセラミックパッケージで構成してもよい。なお、図１９においては、ワンチップＩＣ１１０をワイヤーボンディングにより基板に接続しているが、フリップチップボンディング（ＦＣＢ）を使用してもよい。
上述の各実施形態においては、発振器１０を５つの動作モードに切替可能に構成する場合について述べたが、少なくとも２種類の動作モードに切替可能に構成すればよい。例えば、ＴＣＸＯモードとＶＣＸＯモードだけに切替可能に構成する場合は、図２０に示すように、どちらの動作モードでも使用する温度補償回路４０は加算回路７０に常に接続しておく構成にすればよい。なお、この図においては、初期偏差補正回路６０も加算回路７０に常に接続しておく構成にしている。
上述の各実施形態においては、制御回路８０がスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を制御することによって発振器１０の動作モードを設定する場合について述べたが、図２１に一例を示すように、制御回路８０が温度補償回路３０及び４０を駆動させるか否かを直接制御してもよい。
上述の各実施形態においては、発振器１０を使用する機器については特に言及していなかったが、携帯電話、ＰＨＳ、ページャなどの無線通信や有線通信を行う通信機器や、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、電子時計、プリンタなどの様々な電子機器に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施形態に係る発振器の原理構成図である。
図２は、圧電振動子の周波数温度特性ｆａと、温度補償後の周波数温度特性ｆｂを示す特性曲線図である。
図３は、圧電振動子の周波数温度特性ｆａを周波数温度特性ｆｃに温度補償する説明に供する特性曲線図である。
図４は、発振回路の回路図である。
図５は、温度補償回路のブロック図である。
図６は、他の温度補償回路のブロック図である。
図７は、温度補償回路の温度と温度補償電圧Ｖ２との関係を示す図である。
図８は、周波数調整回路を制御回路と共に示す回路図である。
図９は、周波数調整回路の入力抵抗値（入力インピーダンス）の変化を一定にする場合の説明に供する図である。
図１０は、初期偏差補正回路を制御回路と共に示す回路図である。
図１１は、メモリを周辺構成と共に示す図である。
図１２は、動作モードとスイッチの制御状態との関係を示す図である。
図１３は、第２実施形態に係る発振器の温度補償回路の説明に供する図である。
図１４は、第３実施形態に係る発振器の原理構成図である。
図１５は、第３実施形態に係る発振器の初期偏差補正回路を周辺構成と共に示す回路図である。
図１６は、第４実施形態に係る発振器の発振回路の回路図である。
図１７は、第５実施形態に係る発振器の原理構成図である。
図１８は、第６実施形態に係る発振器１０の構造の一例を示す図である。
図１９は、変形例に係る発振器の構造の一例を示す図である。
図２０は、変形例に係る発振器の原理構成図である。
図２１は、変形例に係る発振器の原理構成図である。

Claims (11)

1. 振動子を有し、供給される制御電圧に応じて出力信号の周波数が変化する電圧制御発振回路と、
   前記振動子の周波数温度特性を近似した３次曲線モデルに従って、前記振動子の周波数温度特性を温度補償するための第１温度補償電圧を出力する第１の温度補償回路と、
   前記振動子の周波数温度特性を近似した１次直線モデルに従って、前記振動子の周波数温度特性を温度補償するための第２温度補償電圧を出力する第２の温度補償回路と、
   前記第１温度補償電圧と前記第２温度補償電圧の加算電圧、若しくは、前記第２温度補償電圧のいずれかを前記制御電圧として前記電圧制御発振回路に供給する選択手段と
   を備えることを特徴とする発振器。
2. 前記選択手段は、
   前記第１温度補償電圧を出力するか否かを選択するためのスイッチと、
   前記スイッチを介して供給された前記第１温度補償電圧と、前記第２温度補償電圧とを加算して前記制御電圧として出力する加算回路と、
   前記スイッチを制御するための制御データを記憶するメモリと、
   外部からの調整用制御データに基づいて前記メモリに制御データを記憶させるとともに、前記メモリに記憶された制御データに基づいて前記スイッチを制御する制御回路とを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
3. 前記選択手段は、
   制御データを記憶するメモリと、
   前記第１温度補償電圧と、前記第２温度補償電圧とを加算して前記制御電圧として出力する加算回路と、
   外部からの調整用制御データに基づいて前記メモリに前記制御データを記憶させるとともに、前記メモリに記憶された制御データに基づいて前記第２の温度補償回路の駆動を制御する制御回路とを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
4. 振動子を有し、供給される制御電圧に応じて出力信号の周波数が変化する電圧制御発振回路と、
   前記振動子の周波数温度特性を近似した３次曲線モデルに従って、前記振動子の周波数温度特性を温度補償するための第１温度補償電圧を出力する第１の温度補償回路と、
   前記振動子の周波数温度特性を近似した１次直線モデルに従って、前記振動子の周波数温度特性を温度補償するための第２温度補償電圧を出力する第２の温度補償回路と、
   前記第１温度補償電圧と前記第２温度補償電圧の加算電圧、若しくは、前記第１温度補償電圧、または、前記第２温度補償電圧のいずれかを前記制御電圧として前記電圧制御発振回路に供給する選択手段と
   を備えることを特徴とする発振器。
5. 前記選択手段は、
   前記第１温度補償電圧を出力するか否かを選択するための第１のスイッチと、
   前記第２温度補償電圧を出力するか否かを選択するための第２のスイッチと、
   前記第１のスイッチを介して供給された前記第１温度補償電圧と、前記第２のスイッチを介して供給された前記第２温度補償電圧とを加算して前記制御電圧として出力する加算回路と、
   前記第１及び第２のスイッチを制御するための制御データを記憶するメモリと、
   外部からの調整用制御データに基づいて前記メモリに制御データを記憶させるとともに、前記メモリに記憶された制御データに基づいて前記第１及び第２のスイッチを制御する制御回路とを有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の発振器。
6. 前記選択手段は、
   制御データを記憶するメモリと、
   前記第１温度補償電圧と、前記第２温度補償電圧とを加算して前記制御電圧として出力する加算回路と、
   外部からの調整用制御データに基づいて前記メモリに制御データを記憶させるとともに、前記メモリに記憶された制御データに基づいて前記第１及び第２の温度補償回路の駆動を制御する制御回路とを有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の発振器。
7. 前記第１の温度補償回路は、予め設定された温度範囲でのみ前記第１温度補償電圧を出力し、
   前記温度範囲は、前記第２温度補償電圧だけで前記出力信号の周波数偏差が所定の周波数偏差内に収まる温度範囲を少なくとも除く温度範囲である
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の発振器。
8. 外部から供給されるコントロール電圧を変換して周波数調整電圧を出力する周波数調整回路をさらに備え、
   前記選択手段は、前記周波数調整電圧を出力するか否かを選択するための第３のスイッチをさらに有し、
   前記制御回路は、さらに、前記メモリに記憶された制御データに基づいて前記第３のスイッチを制御し、
   前記加算回路は、さらに、前記第３のスイッチを介して供給された前記周波数調整電圧を加算して前記制御電圧として出力する
   ことを特徴とする請求項２、３、５、６または７に記載の発振器。
9. 前記出力信号の周波数の初期偏差を補正するための初期偏差補正電圧を出力する初期偏差補正回路をさらに備え、
   前記選択手段は、
   前記初期偏差補正電圧を出力するか否かを選択するための第４のスイッチをさらに有し、
   前記制御回路は、さらに、前記メモリに記憶された制御データに基づいて前記第４のスイッチを制御し、
   前記加算回路は、さらに、前記第４のスイッチを介して供給された前記初期偏差補正電圧を加算して前記制御電圧として出力する
   ことを特徴とする請求項２、３、５、６、７または８に記載の発振器。
10. 前記第１の温度補償回路の後段に配置され、前記第１温度補償電圧のノイズを除去する第１のフィルタと、
    前記第２の温度補償回路の後段に配置され、前記第２温度補償電圧のノイズを除去する第２のフィルタと
    をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の発振器。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の発振器を内蔵し、前記発振器の出力信号に基づいて動作することを特徴とする通信機器。

Images