CN1266828C - 近似3次函数发生装置以及使用了该装置的温度补偿晶体振荡电路及其温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种近似3次函数发生装置，该装置独立地控制不同次数的变量使得仅发生3次成分，以及使用了该装置的温度补偿晶体振荡电路，其中，温度检测电路(1)和近似3次函数发生装置(2)构成温度补偿电路，并且温度补偿电路的输出被提供到压控晶体振荡电路(100)中进行晶体振子的温度补偿。近似3次函数发生装置(2)具有4个差动放大器(15A～15D)，这些差动放大器的每一个在一个输入端被提供输入信号(V_IN)，在另一个输入端被提供恒定电平信号，三个差动放大器的三个恒定电平信号的电平相互不同。差动放大器(15A～15C)被提供电平顺序升高的恒定电平信号，差动放大器(15D)被提供与差动放大器(15B)相同电平的恒定电平信号。把差动放大器(15B)的反相输出特性取为与其它的差动放大器相反的特性以便在差动放大器(15A～15C)中发生3次成分。包含在3次成分中的1次成分用由差动放大器(15D)发生的近似1次输出抵消使得仅发生没有1次成分的3次成分。把3次成分、独立于3次成分而产生的1次成分以及常数成分相加，使得能够独立地控制不同次数的变量。

Description

近似3次函数发生装置以及使用了该装置 的温度补偿晶体振荡电路及其温度补偿方法

技术领域

本发明涉及例如在温度补偿晶体振荡器中使用的近似3次函数发生装置以及使用了该装置的温度补偿晶体振荡电路及其温度补偿方法。

背景技术

作为这种近似3次函数发生装置，例如有记载在本发明人以前提出的日本特开平9-55624号公报中的技术。

该以往例输入共同的1次输入信号和电平不同的恒定电平信号，通过在具有一对MOS型场效应晶体管的3组差动放大器的输入一侧输入共同的1次输入信号和电平不同的恒定电平信号，把从它们的输出一侧得到的正相输出以及反相输出分别进行相加运算，构成近似3次曲线发生电路。

然而，在上述以往的近似3次函数发生装置中，虽然能够发生近似3次函数，但是存在着不能够任意独立地控制其变量这样的未解决的课题。

即，3次函数的一般形式可以用下述(1)式表示。

f(x)＝a₃x³+a₂x²+a₁+a₀                (1)

该(1)式通过变量变换，可以改写为下述(2)式。

f(x)＝a₃’(x-x₀)³+a₁’(x-x₀)+a₀’     (2)

a₃＝a₃’

a₂＝-3a₃’x₀

a₁＝3a₃’x₀ ²+a₁’

a₀＝a₀’-a₃x₀ ³-a₁’x₀

在上述以往例中，由于使用3个差动放大器发生近似3次函数，因此所输出的近似3次曲线成为图15所示的，如果用公式表示则成为下述(3)式。

f(x)＝α{a₃”(x-x₀)³+a₁”(x-x₀)}+a”

                                    (3)

该(3)式包括上述(2)式中的第2项成分，存在着不能够独立地控制该(2)式中的变量a₃’以及a₁’这样未解决的课题。

特别是，在把上述近似3次函数发生装置使用在压控晶体振荡电路的温度补偿用时需要发生补偿晶体振荡器的温度特性的近似3次函数，存在着不能够构成正确的温度补偿晶体振荡电路这样的未解决的问题。

发明的公开

本发明是着眼于上述以往例的未解决课题而产生的，目的在于提供仅正确地输出上述(2)式中的第1项成分的同时，能够独立控制各变量的近似3次函数发生装置。

另外，本发明的第2个目的在于提供使用近似3次函数发生装置可以进行正确的温度补偿的温度补偿晶体振荡电路。

进而，本发明的第3个目的在于提供温度补偿晶体振荡电路的温度补偿方法。

为了达到上述第1目的，方案1的近似3次函数发送装置的特征在于具备具有分别输入共同的输入信号以及电平顺序升高的预定电平的恒定电平信号，对于这些信号输出正相或者反相输出信号的输入输出特性的同时，具有把输出信号限制为由预定的最大值以及最小值确定的范围的限幅功能的第1放大器、第2放大器以及第3放大器；具有输入上述共同的输入信号以及与上述第2放大器相同电平的恒定电平信号，对于这些信号输出正相或者反相输出信号的输入输出特性的同时，具有把输出信号限制为由预定的最大值以及最小值确定的范围的限幅功能的第4放大器；以及在上述第1放大器至第4放大器上分别供给预定电平的恒定电平信号的恒定电平信号发生电路；上述第1，第3以及第4放大器的输出特性设定为相同极性，相对于上述第1，第3以及第4放大器的输出特性上述第2放大器的输出特性设定为相反特性，通过把上述第1放大器，第2放大器，第3放大器以及第4放大器的输出信号进行相加运算，发生不包括1次成分的3次函数成分。

在该方案1的发明中，通过设置与第1、第3以及第4放大器相反特性的第2放大器，能够仅发生由第1放大器、第2放大器以及第3放大器形成的上述(2)式中第1项的不包括1次成分的3次成分，能够独立控制(2)式中的第1项以及第2项的变量。

另外，方案2的近似3次函数发生装置的特征在于具备由把在1次输入电压信号上加入了可变电压信号的加法输入电压供给为1次输入电压的具有上述方案1的结构的3次成分发生电路，以及把其正相和反相输出信号差动放大后输入的可变增益放大器构成的3次成分发生单元；输入上述加法输入电压并发生1次成分的1次成分发生单元；输入恒定电压信号并发生常数成分的常数发生单元；以及把上述3次成分发生单元、1次成分发生单元以及常数发生单元的输出信号进行相加运算的加法电路。

在该方案2的发明中，由于具有包含方案1的结构的3次成分发生单元，1次成分发生单元和常数发生单元，并且把它们的输出进行相加运算，因此能够正确地发生上述(2)式的3次函数，而且能够独立地控制各变量。

进而，方案3的近似3次函数发生装置的特征在于在上述方案1或者2的发明中，上述第4放大器对于上述第2放大器的反相输出特性设定为斜率相反而且输出信号的最大值以及最小值的幅度大于该第2放大器的幅度。

在方案3的发明中，在用第1至第3放大器发生的可以近似3次函数的输入电压范围内能够发生大致1次的近似直线，能够可靠地抵消包含在3次成分中的1次成分。

进而，方案4的近似3次函数发生装置的特征在于上述第1放大器～第4放大器由具有一对MOS型场效应晶体管的差动放大器构成。

在该方案4的发明中，能够用CMOS构成3次函数发生装置，能够谋求高集成度以及低功耗。

进而，方案5的温度补偿晶体振荡电路的特征在于具有温度检测电路；由输入该温度检测电路的检测信号的上述方案1～4的任一项中记述的近似3次函数发生装置构成的温度补偿电路；以及输入由该温度补偿电路发生的近似3次函数的压控晶体振荡电路。

在该方案5的发明中，用温度补偿电路的近似3次函数发生装置可以像上述那样发生抵消了包含在3次成分中的1次成分的正确的3次函数，由此能够正确地补偿压控晶体振荡电路中的晶体振荡器的温度特性。

另外，方案6的温度补偿方法的特征在于在进行温度补偿晶体振荡电路的温度补偿调整时，在所希望的温度补偿范围内的多个温度，在预定的温度环境内测定温度补偿电路的输出电压V_Cout的同时，测定从上述压控晶体振荡电路输出的振荡频率与预先设定的选定频率一致的、输入压控晶体振荡电路的输入电压V_Cin，把被测定的各个温度的输入电压V_Cin以及输出电压V_Cout分别作为温度的函数用以下的公式近似，

V_Cin(T)＝α₃(T-T₀)³+α₁(T-T₀)+α₀

V_Cout(T)＝β₃(T-T₀’)³+β₁(T-T₀’)+β₀

并且进行调整使得温度补偿电路的系数β₀，β₁，β₃以及T₀’与依存于压控晶体振荡电路的晶体振子的***α₀，α₁，α₃以及T₀一致。

在该方案6的发明中，通过在所希望的温度补偿范围内的多个温度，分别测定温度补偿电路的输出电压V_Cout以及压控晶体振荡电路的输入电压V_Cin，把它们作为温度的函数用3次函数式进行近似，调整温度补偿电路的系数使得与依存于压控振荡电路中的晶体振子的系数一致，从而能够通过1次温度扫描进行温度补偿的调整。

如以上所述，如果依据方案1的发明，则由于构成为具备具有分别输入共同的输入信号以及电平顺序升高的预定电平的预定电平信号，对于这些信号输出正相或者反相输出信号的输入输出特性的同时，具有把输出信号限制为由预定的最大值以及最小值确定的范围的限幅功能的第1放大器、第2放大器以及第3放大器；输入上述共同的输入信号以及与上述第2放大器相同电平的恒定电平信号，对于这些信号输出正相或者反相输出信号的输入输出特性的同时具有把输出信号限制为预定的最大值以及最小值的限幅功能的第4放大器；以及向上述第1放大器～第4放大器分别供给预定电平的恒定电平信号的恒定电平信号发生电路；并且上述第1、第3以及第4放大器的输出特性设定为相同极性，相对于上述第1、第3以及第4放大器的输出特性上述第2放大器的输出特性设定为相反特性，通过把上述第1放大器、第2放大器、第3放大器以及第4放大器的输出信号进行相加运算发生不包括1次成分的3次函数成分，因此可以得到能够仅输出不包括3次函数中1次成分的3次成分，能够独立地控制3次函数的各变量的效果。

如果依据方案2的发明，则由于具备由把在1次输入电压信号上加入了可变电压信号的加法输入电压供给为1次输入电压的具有上述方案1的结构的3次成分发生电路，以及把其正相以及反相输出信号差动放大后输入的可变增益放大器构成的3次成分发生单元；输入上述加法输入电压并发生1次成分的1次成分发生单元；输入恒定电压信号并发生常数成分的常数发生单元；以及把上述3次成分发生单元、1次成分发生单元以及常数发生单元的输出信号进行相加运算的加法电路，因此可以得到通过独立控制把一般形式的3次函数进行变量变换时的3次成分、1次成分以及常数成分的各变量，能够把任意的3次函数实现为电压形式的输入输出这样的效果。

如果依据方案3的发明，则由于上述第4放大器对于上述第2放大器的反相输出特性设定为斜率相反而且输出信号的最大值以及最小值的幅度大于该第2放大器的幅度，因此可以得到在可以近似用第1至第3放大器发生的3次函数的输入电压范围内能够发生大致1次的近似直线，能够可靠地抵消包含在3次成分中的1次成分这样的效果。

如果依据方案4的发明，则由于上述第1放大器～第4放大器由具有一对MOS型场效应晶体管的差动放大器构成，因此可以得到能够把总体做成CMOS结构，能够谋求高集成度，低功耗这样的效果。

如果依据方案5的发明，则由于具有温度检测电路；由输入该温度检测电路的检测信号的上述方案1～4的任一项中记述的近似3次函数发生装置构成的温度补偿电路；以及输入由该温度补偿电路发生的近似3次函数的压控晶体振荡电路，因此可以得到通过用温度补偿电路的近似3次函数发生装置能够像上述那样发生抵消了包含在3次成分中的1次成分的正确的3次函数，能够正确地补偿压控晶体振荡电路中的晶体振荡器的温度特性这样的效果。

如果依据方案6的发明，则由于通过在所希望的温度补偿范围内的多个温度，分别测定温度补偿电路的输出电压V_Cout以及压控晶体振荡电路的输入电压V_Cin，把它们作为温度的函数用3次函数式进行近似，调整温度补偿电路的系数使得与依存于压控振荡电路中的晶体振子的系数一致，因此可以得到能够通过一次温度扫描进行温度补偿的调整这样的效果。

附图的简单说明

图1是示出本发明一实施例的框图。

图2是示出图1的3次成分兼常数成分发生单元一例的电路图。

图3是示出图2的3次成分发生电路一例的电路图。

图4是示出图1的恒定电压发生电路一例的电路图。

图5是图1的温度检测电路的输出波形图。

图6是示出图1的1次成分发生单元一例的电路图。

图7是用于说明图3的3次成分发生电路动作的基本电路图。

图8是图7的输出波形图。

图9是示出图3的3次成分发生电路的基本的3次成分发生单元的电路图。

图10是示出用于说明图3的3次成分发生电路动作的各差动放大器的反相输出特性的特性曲线图。

图11是用于说明图3的3次成分发生电路动作的输出波形图。

图12是示出图3的第4差动放大器的输入输出特性的波形图。

图13是用于说明图1的3次函数发生装置动作的输出波形图。

图14是晶体振子的温度特性图。

图15是以往的3次函数发生装置的输出波形图。

符号的说明：1……温度检测电路，2……近似3次函数发生装置，100……压控晶体振荡器，3……加法器，4……3次成分兼常数成分发生单元，5……1次成分发生单元，7……加法电路，8……3次成分发生电路，11……差动放大器，12……可变增益放大器，14……电流镜电路，15A～15D……差动放大器，TrA₁～TrA₂……MOS场效应晶体管，16A，16B……输出电压相加用电阻，17……恒定电平发生电路，18……恒定电压发生电路，VR……可变电阻，20……正相放大器

用于实施发明的最佳形态

以下，根据附图说明本发明实施例。

图1是示出把本发明适用于温度补偿晶体振荡器中的一实施例的框图。

图中，1是相对于温度变化模拟输出电压以1次函数变化的温度检测电路，由从该温度检测电路1输出的模拟电压构成的温度检测值作为输入信号V_IN输入到近似3次函数发生装置2，发生补偿晶体的温度特性的控制电压，把该电压供给到压控晶体振荡器(VCXO)100。

这里，温度检测电路1以及近似3次函数发生装置2构成温度补偿电路，其中近似3次函数发生装置2是发生上述(2)式的3次函数的装置，由在输入信号V_IN上加入可变电压V₀’的加法器3，输入该加法器3的加法输出V_S并且根据该输出发生上述(2)式中的第1项的3次成分以及常数成分的3次成分兼常数成分的发生单元4和仅发生上述(2)式中第2项的1次成分的1次成分发生单元5，把3次成分发生单元4、1次成分发生单元5的输出信号进行相加运算的加法电路7构成。

而且，3次成分兼常数成分发生单元4如图2所示，由仅发生3次成分的作为狭义的近似3次函数发生装置的3次成分发生电路8，其正相输出信号P_OUT以及反相输出信号N_OUT分别经过缓冲电路9以及10被输入的差动放大电路11，输入该差动放大电路11的输出的可变增益放大器电路12构成。

这里，3次成分发生电路8如图3所示，具备包含有把源极连接到正电源端子V_DD，把栅极以及漏极相互连接并经过定电流源13接地的P沟道MOS型场效应晶体管Tr0以及把各栅极连接到该场效应晶体管Tr0的栅极上而且与场效应晶体管Tr0相同晶体管尺寸的4个P沟道MOS场效应晶体管Tr1～Tr4的电流镜电路14，构成从该电流镜电路14供给恒定电流的第1至第4放大器的4个差动放大器15A～15D，作为把这些差动放大器15A～15D的输出电压进行相加运算的加法器的具有相同电阻值的16A、16B，以及由供给各差动放大器15A～15D不同的恒定电平的参考恒定电压V_REFL、V_REFM以及V_REFH的恒定电压发生电路构成的恒定电平发生电路17。

这里，差动放大器15A具有分别经过电阻RA₁以及RA₂串联连接到电流镜电路14的场效应晶体管Tr1的漏极上的P沟道MOS型场效应晶体管TrA₁以及TrA₂，在晶体管Trx₁的栅极上供给输入信号V_IN的同时，在晶体管TrA₂的栅极上供给来自恒定电平发生电路17的参考恒定电压V_REFL，晶体管Trx₁的漏极经过构成加法器的一方的电阻16A接地，晶体管TrA₂的漏极经过构成加法器的另一方的电阻16B接地。

差动放大器15B也同样，具有分别经过电阻RB₁以及RB₂串联连接到电流镜电路14的场效应晶体管Tr2的漏极上的P沟道MOS型场效应晶体管TrB₁以及TrB₂，在晶体管TrB₁的栅极上供给输入信号V_IN的同时，在晶体管TrB₂的栅极上供给来自恒定电平发生电路17的参考恒定电压V_REFM，但与差动放大器15A相反，晶体管TrB₁的漏极经过构成加法器的另一方的电阻16B接地，晶体管TrB₂的漏极经过构成加法器的一方的电阻16A接地，与其它的差动放大器15A、15C以及15D例如从反相输出特性观看设定为相反特性。

差动放大器15C与差动放大器15A相同，具有分别经过电阻RC₁以及RC₂串联连接到电流镜电路10的场效应晶体管Tr3的漏极上的P沟道MOS型场效应晶体管TrC₁以及TrC₂，在晶体管TrC₁的栅极上供给输入信号V_IN的同时，在晶体管TrC₂的栅极上供给来自恒定电平发生电路17的参考恒定电压V_REFH，晶体管TrC₁的漏极经过构成加法器的一方的电阻16A接地，晶体管TrC₂的漏极经过构成加法器的另一方的电阻16B接地。

差动放大器15D也与差动放大器15A以及15C相同，具有分别经过电阻RD₁以及RD₂串联连接到电流镜电路10的场效应晶体管Tr4的漏极上的P沟道MOS型场效应晶体管TrD₁以及TrD₂，在晶体管TrD₁的栅极上供给输入信号V_IN的同时，在晶体管TrD₂的栅极上供给来自恒定电平发生电路17的参考恒定电压V_REFM，而与上述各差动放大器15A～15C不同，晶体管TrD₁的漏极经过构成加法器的另一方的电阻16B接地，晶体管TrD₂的漏极经过构成加法器的一方的电阻16A接地。

而且，从构成加法器的电阻16A与场效应晶体管TrA₁、TrB₂、TrC₁、TrD₁的连接点引出正相输出端子t_P，同样从电阻16B与场效应晶体管TrA₂、TrB₁、TrC₂、TrD₂的连接点引出反相输出端子t_N。

另外，在恒定电平发生电路17中发生的供给到各差动放大器15A～15C的参考恒定电压V_REFH～V_REFL的大小设定为V_REFL＜V_REFM＜V_REFH，差动放大器15D也与差动放大器15B相同，被供给相同电压的参考恒定电压V_REFM。

这里，如图2所示，该3次成分发生电路8的正相输出信号P_OUT以及反相输出信号N_OUT经过缓冲电路9以及10供给到差动放大器11的正相输入一侧以及反相输入一侧，该差动放大器11的输出信号供给到构成可变增益放大器12的在负反馈电路上***了可变电阻12a的运算放大器12b的反相输入一侧，在该运算放大器12b的正相输入一侧以及差动放大器11的正相输入一侧分别供给任意设定的来自恒定电压发生电路18的偏置电压V_OFF，由此能够从运算放大器12b得到用下式表示的不包括1次成分而仅有3次成分以及常数成分的输出V_AOUT。

VA_OUT＝b₃(V_IN-V₀)³+V_OFF          (5)

这里，V₀＝V_REFM-V₀’，变量b₃由3次成分发生电路8的增益以及可变增益放大器12的增益决定。

另外，作为恒定电压发生电路18，如图4所示，具有运算放大器30；在其输出一侧经过电阻31集电极以及基极相连接，发射极连接到负输出端子t_N的被连接成二极管的双极型晶体管Q₁；同样在运算放大器30的输出一侧经过电阻32、33集电极以及基极相连接，发射极连接到负输出端子t_N的被连接成二极管的双极型晶体管Q₂；并具有电阻32、33的连接点连接在运算放大器30的反相输入一侧，电阻31以及晶体管Q1的连接点连接在运算放大器30的正相输入一侧，从运算放大器30的输出一侧引出正相输出端子t_P的带隙基准电压电路的结构。

该带隙基准电压电路中，加到电阻33两端的晶体管Q₂以及Q₁的基极-发射极间电压的差ΔV_BE用下述(6)式表示。

ΔV_BE＝V_Tln{(I₁/I₂)(I_S2/I_S1)}

＝V_Tln{(R₂/R₁)(I_S2/I_S1)}                (6)

这里，V_T是热电压，I₁是流过电阻31的电流值，I₂是流过电阻32的电流值，I_S1是表示晶体管Q₁的正方向有源区的传递特性的常数，I_S2是表示晶体管Q₂的正方向有源区的传递特性的常数，R₁是电阻31的电阻值，R₂是电阻32的电阻值。

而且，由于与流过电阻33的电流相同的电流也流过电阻32，因此电阻32的电压降V_R2可以用下述(7)式表示。

V_R2＝(R₂/R₂)ΔV_BE

＝(R₂/R₃)V_Tln{(R₂/R₁)(I_S2/I_S1)}

                            (7)

如从该(7)式所知，如果电阻的温度系数是0，则电流I₁以及I₂都与温度成比例，从输出端子t_P以及t_N输出的输出电压V_OUT用下述(8)式表示。

V_OUT＝V_BE1+(R₂/R₃)V_Tln{(R₂/R₁)(I_S2/I_S1)}

＝V_BE1+KV_T                   (8)

这里，V_BE1是晶体管Q₁的基极-发射极间电压，K是常数。

从而，由于使得在具有温度依存性的晶体管Q₁的基极-发射极间电压V_BE1上加上相反特性的KV_T，因此根据(R₂/R₁)、(R₂/R₃)以及(I_S2/I_S1)的比决定常数K的值，由此与温度变化无关能够发生恒定电压。

另外，作为温度检测电路1，如上述带隙基准电压电路的晶体管Q₂以及Q₁的基极-发射极间电压V_BE的差ΔV_BE用上述(7)式所表示的那样，对于温度变化线性地进行变化，因此采用该基极-发射极间电压差ΔV_BE，由此不使用对于温度电阻成二次函数变化的热敏电阻，如图5所示，能够输出对于温度的增加以1次函数增加的模拟电压构成的温度检测值。

另外，1次成分发生单元5如图6所示，由在加法器3与参考恒定电压输入端子t_R之间连接的可变电阻VR，以及该可变电阻VR的滑动触点连接正相输入一侧，恒定参考电压输入端子t_R经过电阻R₁供给到反相输出一侧而且输出信号经过电阻R₂反馈到反相输入一侧的正相放大器20构成，参考恒定电压输入端子t_N上供给上述3次成分发生电路8的参考恒定电压V_REFM。

如果依据该1次成分发生单元5，则用正相放大器20把输入信号V_IN与参考恒定电压V_REFM及可变电压V₀’的差相减后的值进行放大，该正相放大器20的输出电压VB_OUT可以用下式表示

VB_OUT＝b₁(V_IN-V₀)+V_REFM           (9)

这里，V₀＝V_REFM-V₀’，变量b₁由可变电阻VR的设定值以及正相放大器20的增益决定。

其次，说明上述实施例的动作。

首先，说明近似3次函数发生装置2的动作。

3次成分发生电路8，为了简化其电路动作的说明，如图7所示，对于一个差动放大器15A进行说明。在输入电压V_IN比参考电压V_REFL充分小的状态下，流过场效应晶体管Tr1的电流成为全部流过场效应晶体管TrA₁的电流，如果把电流镜电路14的恒定电流值记为I₀，则流过场效应晶体管TrA₁的电流成为I_A1＝I₀，流过场效应晶体管TrA₂的电流成为I_A2＝0。因此，输出端子t_P以及t_N的输出电压P_OUT以及N_OUT如图8的虚线图示以及实线图示那样，如果把电阻16A、16B的电阻值记为R_S，则成为I₀R_S以及0。

从该状态出发，增加输入电压V_IN，如果超过了从参考恒定电压V_REFL减去电阻RA₁中的电压降部分I₀·R_A的值V_AL，则输出电压P_OUT逐渐平滑地减少，与此对称，输出电压N_OUT逐渐平滑地增加，如果输入电压V_IN成为与参考恒定电压V_REFL相等，则两个输出电压P_OUT以及N_OUT成为相等，进而如果输入电压V_IN上升，则输出电压P_OUT维持减少的倾向，输出电压N_OUT维持增加的倾向，如果成为在参考恒定电压V_REFL上加上了电阻RA₂的电压降部分I₀·R_A的值V_AH以上，则输出电压P_OUT成为0，而输出电压N_OUT成为I₀·R_B。

其结果，在图8的输出特性中，仅由电阻RA₁以及RA₂的电阻值R_A和电流镜电路10的恒定电流值I₀决定的晶体管的特性的部分，成为仅是V_REFL±I₀·R_A附近的平滑的输出变化。

从而，在图3的3次成分发生电路8中，如图9所示，如果考察第4差动放大器15D以外的电路，则在输入电压V_IN比参考恒定电压V_REFL充分小时(V_IN《V_REFL)，如上述那样在差动放大器15A中，流过场效应晶体管Tr1的电流全部流过场效应晶体管TrA₁，作为其结果成为I_A1＝I₀，I_A2＝0，同样在差动放大器15B、15C中，成为I_B1＝I_C1＝I₀，I_B2＝I_C2＝0，流过构成加法器的电阻16A以及16B的电流I_P以及I_N分别成为I_P＝2I₀以及I_N＝0。

而且，如果增加输入电压V_IN，则与此相对应在场效应晶体管TrA₂中开始流过电流的同时，流过场效应晶体管TrA₁的电流开始减少，如果输入电压V_IN达到参考恒定电压V_REFL，则成为I_A1＝I_A2＝I₀/2，对于其它的差动放大器15B以及15C由于不发生状态变化，作为其结果，输出电流I_N以及I_P成为I_N＝I_P＝3I₀/2，进而如果输入电压V_IN升高，由于成为I_A1＝0，I_A2＝I₀，因此作为其结果，输出电流I_P以及I_N成为I_P＝I₀，I_N＝2I₀。

进而如果增加输入电压V_IN，则开始在差动放大器15B的场效应晶体管TrB₂中流过电流的同时，场效应晶体管TrB₁的电流开始减少，如果输入电压V_IN达到参考恒定电压V_REFM，则成为I_S1＝I_S2＝I₀/2，输出电流I_P以及I_N再次成为I_N＝I_P＝3I₀/2。

进而，如果增加输出电压V_IN，成为I_P＝I₀，I_N＝2I₀以后，如果输入电压V_IN达到参考恒定电压V_REFH，则输出电流I_P以及I_N再次成为I_P＝I_N＝3I₀/2，进而如果增加输入电压V_IN，则成为I_P＝2I₀，I_N＝I₀。

从而，如果对于例如反相端子t_N一侧进行观察，则第1差动放大器15A的输出电流I_A2如图10中点划线所示，输入信号V_IN的电压在达到第1差动放大器15A的最小值V_AL以前的期间维持0，如果超过最小值V_AL则开始增加，如果达到参考恒定电压V_REFL则成为I₀/2，以后对应于输入信号V_IN的电压增加而增加，在最大值V_AH达到I₀而饱和。

另外，第2差动放大器15B的输出电流I_B1如图10中的虚线图示，直到达到第2差动放大器15B的最小值V_BL(本实施例中设定为与V_AH相等的值)之前维持I₀，如果超过最小值V_BL则随输入信号V_IN的电压增加而减少，在输入信号V_IN的电压达到参考恒定电压V_REFM时成为I₀/2，然后随输入信号V_IN的电压增加而减少，如果成为最大值V_BH则维持0。

进而，第3差动放大器15C的输出电流IC₂如图10中的实线图示，在输入信号V_IN的电压直到达到第3差动放大器15C的最小值V_CL(本实施例中设定为与V_BH相等的值)的期间维持0，如果超过最小值V_CL则开始增加，如果达到参考恒定电压V_REFH则成为I₀/2，然后随着输入信号V_IN的电压增加而增加，在最大值V_CH达到I₀而饱和。

因而，输出端子t_P以及t_N的输出电压P_OUT以及N_OUT由于电阻R16A和16B以及流过这些电阻的电流I_P和I_N，因此表示为P_OUT＝I_P·R_B，N_OUT＝I_N·R_B，通过电路常数的配合成为图11中用虚线图示的特性曲线L₁所示的平滑的3次曲线。

该图11所示的特性曲线L₁成为在3次函数上加入了负斜率的1次函数的曲线，这样就不仅仅表示上述(2)式中的第1项的3次成分。

因而，本实施例中，通过加入第4差动放大器15D，使得用该第4差动放大器15D发生抵消负斜率1次函数的正斜率1次函数。

即，第4差动放大器15D由于具有与第1以及第3差动放大器15B以及15C相同的结构，因此其输入输出特性如图12所示，通过加大电阻RD₁以及RD₂的电阻值，能够减小1次函数近似区域的斜率，同时扩展最小值V_DL以及最大值V_DH之间的宽度，能够加大1次函数近似区域，通过加大馈给电阻RD₁和RD₂的通电电流值也能够加大1次函数近似区域。

从而，通过调整第4差动放大器15D的电阻RD₁和RD₂的电阻值R_D以及通电电流值，使得输入输出特性如上述图10中的双点划线图示那样，通过使最小值V_DL与第1差动放大器15A的最小值V_AL一致，而且使最大值V_DH与第3差动放大器15C的最大值V_CH一致，成为能够用图11的点划线图示的1次近似了的特性曲线L₂，把该曲线加入到上述的特性曲线L₁上，由此如图11中实线图示的特性曲线L₃所示能够仅输出去除了1次函数成分的3次成分。

而且，3次成分发生电路8的正相输出信号P_OUT以及反相输出信号N_OUT分别经过缓冲电路9以及10供给到差动放大器11，把该差动放大器11的输出信号供给到可变增益放大器12，进而，通过在差动放大器11以及可变增益放大器12的正相输入一侧供给来自恒定电压电路18的偏置电压V_OFF，能够从可变增益放大器12得到用上述(5)式表示的去除了1次成分仅是3次成分以及常数成分的输出电压VA_OUT。

另一方面，在1次成分发生单元5中，由于输出用上述(6)式表示的仅是1次成分以及常数成分的输出电压VB_OUT，因此用加法电路7把该电压与3次成分发生单元4的输出电压VA_OUT进行相加运算，能够发生用下述(10)式表示的近似3次函数。

V_OUT＝b₃’(V_IN-V₀)³+b₁’(V_IN-V₀)+b₀’

                                          (10)

这里，通过调整可变电压V₀’能够任意设定V₀，3次成分的变量b₃’如上所述通过调整3次成分发生电路8的增益以及可变增益放大器12的增益能够进行调整，1次成分的变量b₁’能够通过调整1次成分发生单元5的可变电阻VR的电阻值以及正相放大器20的增益进行调整，进而对于常数b₀’能够根据在恒定电压电路18中设定的偏置电压V_OFF进行调整，能够独立地调整各变量，能够发生图13所示的任意的3次函数。

而且，3次成分发生电路8能够用CMOS晶体管构成电流镜电路10以及差动放大器15A～15D，能够谋求高集成度，低功耗。

而且，如上述实施例那样通过把本发明适用在温度补偿晶体振荡器中，包含在压控晶体振荡电路3中的晶体振子一般如果把横轴取为温度(℃)，把纵轴取为频率(ppm)，则具有图14所示的振荡频率的温度特性。该温度特性能够用下述(11)式近似。

Y＝α×(t-t₀)³+β×(t-t₀)+γ          (11)

这里，Y是输出频率，α是3次系数，β是温度特性的斜率，γ是频率偏移，t是环境温度，t₀是成为曲线Y的中心的温度(通常从25℃～30℃的范围)。

(11)式中的α、β、γ分别依存于晶体振子以及压控晶体振荡电路8的特性，特别是更多地依存于晶体振子，受到晶体振子的形状、尺寸等的影响。

另外，由于当前广泛使用的压控晶体振荡电路8的电压-频率特性用1次函数近似，因此相对于晶体振子温度的频率特性能够用对于温度的电压特性实现。

从而，在图1的实施例中，根据温度检测电路1的温度检测信号，用近似3次曲线发生装置2发生相当于(11)式中右边第1项、第2项以及第3项的电压，通过分别调整3次成分发生单元4中的3次成分发生电路8的增益以及/或者可变增益放大器12的增益以及恒定电压电路18的输出电压V_OFF，1次成分发生单元5中的可变电阻VR的电阻值以及/或者正相放大器20的增益，把3次项系数α，温度特性的斜率β以及频率偏移γ对于其标准值的固体间分散进行微调整，用加法电路7把微调整后的各个电压进行相加运算，能够得到图14的与晶体振子对于温度的频率特性相对应的压控晶体振荡电路8的控制电压，通过把该控制电压供给到压控晶体振荡电路8，能够正确地补偿包含在其中的晶体振子的温度依存特性。

更具体地讲，在把图1中的近似3次函数发生装置2与压控晶体振荡器(VCXO)100隔开的状态下，放入到恒温槽中，把该恒温槽的温度设定为希望进行温度补偿的温度范围内的任意温度。

恒温槽的温度稳定在设定温度的状态下，使压控晶体振荡器100的输入电压V_Cin发生变化，测定输出信号的频率成为与预先设定的频率一致的输入电压V_Cin1的同时，测定温度检测电路1以及3次函数发生装置2的温度补偿电路的输出电压V_Cout1。

通过使恒温槽的设定温度顺序上升为不同温度的同时反复多次(最好是4次以上)的测定处理，测定各设定温度下压控晶体振荡器100的输入电压V_Cin1～V_CinN的同时，测定3次函数发生装置2的输出电压V_CoutN。

接着，把测定的各输入电压V_Cin1～V_CinN以及输出电压V_Cout1～V_CoutN作为温度的函数，用下述(12)式以及(13)式近似。

V_Cin(T)＝α₃(T-T₀)³+α₁(T-T₀)+α₀           (12)

V_Cout(T)＝β₃(T-T₀’)³+β₁(T-T₀’)+β₀      (13)

这里，上述(12)式的α₃，α₁以及α₀对应于上述(11)式中的α，β以及γ，是依存于晶体振子的值。

而且，在近似3次函数发生装置2中，通过进行调整使得β₃＝α₃，β₁＝α₁，β₀＝α₀，T₀’＝T₀，能够仅通过一次温度扫描作业进行高精度的温度补偿。

这里，近似3次函数发生装置2的具体调整如下，上述(13)式中的3次函数曲线的中心温度T₀’根据在图1的加法电路3中施加的可变电压V₀’进行调整，常数β₀根据从图2中的恒定电压发生电路18输出的偏置电压V_OFF进行调整，1次项系数β₁根据图6所示的1次成分发生单元5的可变电阻VR进行调整，进而3次项系数β₃根据3次成份兼常数成分发生单元4中的图2所示的可变增益放大器12的可变电阻12a进行调整。

从而，在恒温槽中顺序地使温度上升四个台阶以上，分别测定各个温度下的温度补偿电路的输出电压即近似3次函数发生装置2的输出电压V_Cout以及压控晶体振荡电路100的输入电压V_Cin，根据这些测定结果调整近似3次函数发生装置2，由此能够通过一次温度扫描作业进行高精度的温度补偿。

另外，如果依据上述实施例，则能够由使用了双极型晶体管的模拟电路构成的带隙基准电压电路构成温度检测电路1以及近似3次函数发生装置2，同时，能够由电流镜电路14以及差动放大器15A～15D以及电阻16A、16B的模拟电路构成近似3次曲线发生电路2，因此除去晶体振子以外能够把所有的元件集成化。

另外，在上述实施例中，作为3次成分发生单元4，说明了使用P沟道MOS型场效应晶体管的情况，然而并不限定于此，也可以使用N沟道MOS型场效应晶体管，进而代替场效应晶体管使用双极型晶体管也能够得到上述相同的作用效果。

另外，在上述实施例中，说明了在3次成分兼常数成分发生电路8中，发生3次成分和常数成分的情况，然而并不限定于此，也可以通过在3次成分兼常数成分发生单元4中把恒定电压发生电路18分离开仅输出3次成分，另一方面，把恒定电压发生电路18的输出供给到具有与图6所示的1次成分发生单元5相同结构的常数成分发生单元中，在加法电路7中把该常数成分发生单元的输出电压与上述3次成分发生电路的输出信号以及1次成分发生电路5的输出信号进行相加运算，供给到压控晶体振荡器8。

进而，在上述实施例中，作为压控晶体振荡电路8，说明了晶体振子与C-MOS反相器串联的情况，然而并不限定于此，也可以把晶体振子与C-MOS反相器并联连接构成压控晶体振荡电路，进而，也可以采用代替C-MOS反相器使用了晶体管的压控晶体振荡电路。

进而，上述实施例中的3次成分发生电路8等的电路结构，代替电压基准可以采取电流基准，进而，代替基于P沟道MOSFET的A_DD基准也可以采取使用了N沟道MOSFET的接地基准。

Claims (10)

1.一种近似3次函数发生装置，特征在于：

具备

分别输入共同的输入信号以及电平顺序升高的预定电平的恒定电平信号、具有对于这些信号输出正相或者反相输出信号的输入输出特性并具有利用预定的最大值以及最小值来限制输出信号的限制器功能的第1放大器、第2放大器以及第3放大器；

输入上述共同的输入信号以及与上述第2放大器电平相同的恒定电平信号、具有对于这些信号输出正相或者反相输出信号的输入输出特性并具有利用预定的最大值以及最小值来限制输出信号的限制器功能的第4放大器；以及

向上述第1放大器至第4放大器分别供给预定电平的恒定电平信号的恒定电平信号发生电路，

其中，上述第1，第3以及第4放大器的输出特性设定为相同极性，上述第2放大器的输出特性设定为相对于上述第1，第3以及第4放大器的输出特性的相反特性，通过把上述第1放大器，第2放大器，第3放大器以及第4放大器的输出信号进行相加运算，发生不包括1次成分的3次函数成分。

2.如权利要求1中记述的近似3次函数发生装置，特征在于：

上述第4放大器对于上述第2放大器的反相输出特性设定为斜率相反而且输出信号的最大值以及最小值的幅度大于该第2放大器的幅度。

3.权利要求1所述的3次函数发生装置，特征在于：

上述第1放大器至第4放大器由具有一对MOS型场效应晶体管的差动放大器构成。

4.一种近似3次函数发生装置，特征在于：

具备

由把在1次输入电压信号上加上可变电压信号的加法输入电压作为1次输入电压供给的、具有上述权利要求1所述的结构的3次成分发生电路，以及把其正相和反相输出信号差动放大后输入的可变增益放大器构成的3次成分发生单元；

输入上述加法输入电压并发生1次成分的1次成分发生单元；

输入恒定电压信号并发生常数成分的常数发生单元；以及

把上述3次成分发生单元、1次成分发生单元以及常数发生单元的输出信号进行相加运算的加法电路。

5.如权利要求4中记述的近似3次函数发生装置，特征在于：

上述第4放大器对于上述第2放大器的反相输出特性设定为斜率相反而且输出信号的最大值以及最小值的幅度大于该第2放大器的幅度。

6.权利要求4或5所述的3次函数发生装置，特征在于：

上述第1放大器至第4放大器由具有一对MOS型场效应晶体管的差动放大器构成。

7.一种温度补偿晶体振荡电路，特征在于：

具有

温度检测电路；

输入该温度检测电路的检测信号的、如上述权利要求1～3的任一项中记述的近似3次函数发生装置；以及

输入由该近似3次函数发生装置发生的近似3次函数的压控晶体振荡电路。

8.一种温度补偿晶体振荡电路，特征在于：

具有

温度检测电路；

输入该温度检测电路的检测信号的、如上述权利要求4或5的任一项中记述的近似3次函数发生装置；以及

输入由该近似3次函数发生装置发生的近似3次函数的压控晶体振荡电路。

9.一种温度补偿晶体振荡电路，特征在于：

具有

温度检测电路；

输入该温度检测电路的检测信号的、如上述权利要求6记述的近似3次函数发生装置；以及

输入由该近似3次函数发生装置发生的近似3次函数的压控晶体振荡电路。

10.一种用于温度补偿晶体振荡电路的温度补偿方法，其特征在于：

所述温度补偿方法包括下述步骤：

在进行温度补偿晶体振荡电路的温度补偿调整时，在所希望的温度补偿范围内的多个温度T，在预定的温度环境内测定温度补偿电路的输出电压(V_Cout)的同时，测定从上述压控晶体振荡电路输出的振荡频率与预先设定的选定频率一致的、输入压控晶体振荡电路的输入电压V_Cin，把被测定的各个温度下的输入电压V_Cin以及输出电压V_Cout分别作为温度的函数按以下的公式进行近似，

V_Cin(T)＝α₃(T-T₀)³+α₁(T-T₀)+α₀

V_Cout(T)＝β₃(T-T₀’)³+β₁(T-T₀’)+β₀

并且进行调整使得上述温度补偿电路的系数β₀，β₁，β₃以及T₀’与上述压控晶体振荡电路的晶体振子所固有的系数α₀，α₁，α₃以及T₀相一致。

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