JP2008294622A - 水晶発振回路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、発振信号に混入する位相ノイズを抑圧することができる水晶発振回路を提供することを目的とする。
【解決手段】温度センサで得た温度検出信号を供給され温度の１次関数で表され最大のダイナミックレンジ幅を持つ第１の１次成分電圧を発生する第１の１次成分発生回路４３と、温度検出信号の１次関数で表され第１の１次成分電圧とは異なる特性の第２の１次成分電圧を発生する第２の１次成分発生回路４２と、温度検出信号を供給され温度の３次関数で表され最大のダイナミックレンジ幅を持つ３次成分電圧を発生する３次成分発生回路４４と、温度検出信号の０次関数で表される０次成分電圧を発生する０次成分発生回路４１と、第１の１次成分電圧と３次成分電圧を加算する加算回路４５と、加算回路の出力する加算電圧と０次成分電圧と第２の１次成分電圧を混合して温度補償電圧を得るミキサ回路４６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶発振回路に関し、水晶振動子の温度補償を行って発振周波数を安定化する水晶発振回路に関する。

図５は、従来の水晶発振回路の一例の回路構成図を示す。同図中、半導体集積回路１０内の温度補償回路１１は、周囲温度に応じて水晶振動子ＸＴＡＬの温度特性を補償する温度補償電圧を発生する。また、ＡＦＣ調整回路１２はＡＦＣ調整電圧を発生する。温度補償回路１１は温度補償電圧にＡＦＣ調整電圧を加算して電圧制御型発振回路（ＶＣＸＯ）１３に供給する。半導体集積回路１０の外部には水晶振動子（ＸＴＡＬ）１４が設けられている。水晶振動子１４の両端は半導体集積回路１０内の電圧制御型発振回路１３に接続されている。

温度補償回路１１は、例えば負の温度係数を持ち温度検出電圧を出力する温度センサ２０と、０次成分電圧を発生する０次成分発生回路２１と、温度センサ２０からの温度検出電圧を供給されて温度Ｔａの１次関数で表される１次成分電圧，温度Ｔａの３次関数で表される３次成分電圧それぞれを発生する１次成分発生回路２３，３次成分発生回路２２と、上記の０次成分電圧，１次成分電圧，３次成分電圧及びＡＦＣ調整電圧を加算混合して温度補償電圧ＶＴＣを発生し電圧制御型発振回路１３に供給するミキサ回路２４から構成されている。

３次成分発生回路２２は図６（Ａ）に実線で示すように温度Ｔａに対し３次関数で表される３次成分電圧を発生し、また、１次成分発生回路２３は図６（Ｂ）に実線で示すように温度Ｔａに対し１次関数で表される１次成分電圧を発生する。なお、３次成分発生回路２２，１次成分発生回路２３は図示しない上位装置から分圧比を設定される分圧部を内蔵しており、１次成分電圧、３次成分電圧それぞれを分圧して図中破線で示す値として出力する。

ミキサ回路２４は上記１次成分電圧と３次成分電圧と、更に、０次成分電圧とＡＦＣ調整電圧を加算して図６（Ｃ）に示す温度特性の温度補償電圧ＶＴＣを発生する。

電圧制御型発振回路１３は、水晶振動子１４のインダクタンス成分を用いて発振するコルピッツ発振回路を構成しており、温度補償回路１１により水晶振動子１４の温度補償を行うことで発振周波数を安定化している。

なお、特許文献１には、温度検出回路と近似３次曲線発生回路と定電圧発生回路とプログラマブルゲイン増幅器と加算器からなり、電圧制御水晶発振器の制御電圧を得る温度補償水晶発振器が記載されている。
特開平９−５５６２４号公報

図５の従来回路では、３次成分発生回路２２の出力する図６（Ａ）に示す３次成分電圧のダイナミックレンジ幅をＶαとし、１次成分発生回路２３の出力する図６（Ｂ）に示す１次成分電圧のダイナミックレンジ幅をＶβとする。ミキサ回路２４は図６（Ｃ）に示すダイナミックレンジ幅Ｖγの温度補償電圧ＶＴＣを出力する。なお、ダイナミックレンジ幅Ｖα，Ｖβは例えば最大１．４Ｖである。

従来は、３次成分発生回路２２，１次成分発生回路２３は内蔵の分圧部を使用して水晶振動子１４に最適のダイナミックレンジ幅の１次成分電圧と３次成分電圧を設定し、ミキサ回路２４において所定ゲイン（例えば２倍）で増幅を行って温度補償電圧ＶＴＣ（ダイナミックレンジ幅Ｖγ）を得ている。

しかし、ミキサ回路２４で増幅を行っているため、ミキサ回路２４で発生するノイズが温度補償電圧ＶＴＣに混入し、このノイズ成分のために、水晶発振回路が出力する発振信号に位相ノイズが生じるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、発振信号に混入する位相ノイズを抑圧することができる水晶発振回路を提供することを目的とする。

本発明の水晶発振回路は、温度を検出する温度センサ（４０）と、
前記温度センサで得た温度検出信号を供給され温度の１次関数で表され最大のダイナミックレンジ幅を持つ第１の１次成分電圧を発生する第１の１次成分発生回路（４３）と、
前記温度検出信号の１次関数で表され前記第１の１次成分電圧とは異なる特性の第２の１次成分電圧を発生する第２の１次成分発生回路（４２）と、
前記温度検出信号を供給され温度の３次関数で表され最大のダイナミックレンジ幅を持つ３次成分電圧を発生する３次成分発生回路（４４）と、
前記温度検出信号の０次関数で表される０次成分電圧を発生する０次成分発生回路（４１）と、
前記第１の１次成分電圧と前記３次成分電圧を加算する加算回路（４５）と、
前記加算回路の出力する加算電圧と前記０次成分電圧と前記第２の１次成分電圧を混合して温度補償電圧を得るミキサ回路（４６）と、
前記温度補償電圧を供給されて水晶振動子の温度補償を行って発振周波数を安定化する発振回路（３３）とを有することにより、発振信号に混入する位相ノイズを抑圧することができる。

前記水晶発振回路において、
前記０次成分発生回路（４１），前記加算回路（４５），前記第２の１次成分発生回路（４２）それぞれは、生成した０次成分電圧，加算電圧，第２の１次成分電圧それぞれを分圧する分圧部（５２）を有する構成とすることができる。

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

本発明によれば、発振信号に混入する位相ノイズを抑圧することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の水晶発振回路の一実施形態の回路構成図を示す。同図中、半導体集積回路３０内の温度補償回路３１は、周囲温度に応じて水晶振動子ＸＴＡＬの温度特性を補償する温度補償電圧を発生する。また、ＡＦＣ調整回路３２はＡＦＣ調整電圧を発生する。温度補償回路３１は温度補償電圧にＡＦＣ調整電圧を加算して電圧制御型発振回路（ＶＣＸＯ）３３に供給する。半導体集積回路３０の外部には水晶振動子（ＸＴＡＬ）３４が設けられている。水晶振動子３４の両端は半導体集積回路３０内の電圧制御型発振回路３３に接続されている。

温度補償回路３１は、例えば負の温度係数を持つＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタであり温度検出電圧を出力する温度センサ４０と、０次成分電圧を発生する０次成分発生回路４１と、温度センサ４０からの温度検出電圧を供給されて温度Ｔａの１次関数で表される１次成分電圧を発生する１次成分発生回路４２，４３と、温度検出電圧を供給されて温度Ｔａの３次関数で表される３次成分電圧を発生する３次成分発生回路４４と、１次成分発生回路４３の出力する３次成分電圧と３次成分発生回路４４の出力する３次成分電圧を加算する加算回路４５と、上記の０次成分電圧，１次成分電圧，加算回路４５の出力電圧及びＡＦＣ調整電圧を加算混合して温度補償電圧ＶＴＣとして電圧制御型発振回路３３に供給するミキサ回路４６から構成されている。

０次成分発生回路４１は０次成分としてのオフセット電圧を発生する。

１次成分発生回路４２は温度Ｔａに対し１次関数で表される１次成分電圧を発生する。１次成分発生回路４２は後述の加算回路と同様の分圧部を有しており、上位装置から設定される制御信号に応じて１次関数の傾きの極性を正又は負に設定すると共に、制御信号に応じて分圧比を調整して、図３（Ｂ）の実線から一点鎖線に示す範囲で傾きを設定された１次成分電圧を発生する。

ところで、０次成分発生回路４１及びＡＦＣ調整回路３２にも後述の加算回路と同様の分圧部が設けられている。分圧部による調整は水晶振動子３４の個々の特性に応じて行われる。

１次成分発生回路４３は図６（Ｂ）の実線に示すように温度Ｔａに対し１次関数で表され最大のダイナミックレンジ幅Ｖβを持つ１次成分電圧を発生し、また、３次成分発生回路４４は図６（Ａ）に示すように温度Ｔａに対し３次関数で表され最大のダイナミックレンジ幅Ｖαを持つ３次成分電圧を発生する。なお、１次成分発生回路４３，３次成分発生回路４４は分圧部を内蔵していない。

図２に加算回路４５の一実施形態の回路構成図を示す。同図中、加算回路４５は、加算部５１と、分圧部５２から構成されている。加算部５１は、演算増幅器５３と抵抗Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ１２とよりなり、１次成分発生回路４３からの１次成分電圧は抵抗Ｒ１１を介して演算増幅器５３の反転入力端子に供給され、３次成分発生回路４４からの３次成分電圧は抵抗Ｒ１２を介して演算増幅器５３の反転入力端子に供給される。演算増幅器５３の非反転入力端子は基準電圧Ｖｒｅｆ２が印加され、演算増幅器５３の非反転入力端子と出力端子の間は抵抗Ｒ１０で接続されている。抵抗Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ１２の抵抗値は例えば同一とされており、演算増幅器５３は１次成分電圧と３次成分電圧を加算した図３（Ａ）に実線で示すような加算電圧を出力する。

分圧部５２は、演算増幅器５３の出力端子と加算回路４５の出力端子５５との間に直列接続された抵抗Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５，Ｒ１６と、一端を出力端子５５に接続され他端を接地された抵抗Ｒ１７と、抵抗Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５，Ｒ１６それぞれと並列に接続されたスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４よりなる。

スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４は図示しない上位装置より端子５４を介して４ビットの制御信号を供給されており、この制御信号によってオン／オフを制御される。スイッチＳＷ１〜ＳＷ４が全てオンの場合は演算増幅器５３の出力する加算電圧（図３（Ａ）に実線で示す特性）がそのまま出力端子５５から出力され、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のいずれかがオフの場合はオフのスイッチと並列の抵抗と抵抗Ｒ１７による分圧比で分圧された加算電圧（図３（Ａ）に破線で示す特性）が出力端子５５から出力される。

図１に示すミキサ回路４６は、演算増幅器４７と抵抗Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４とよりなり、０次成分発生回路４１からの０次成分電圧は抵抗Ｒ１を介して演算増幅器４７の反転入力端子に供給され、加算回路４５からの加算電圧は抵抗Ｒ２を介して演算増幅器４７の反転入力端子に供給され、１次成分発生回路４２からの１次成分電圧は抵抗Ｒ３を介して演算増幅器４７の反転入力端子に供給され、ＡＦＣ調整回路３２からのＡＦＣ調整電圧は抵抗Ｒ４を介して演算増幅器４７の反転入力端子に供給される。演算増幅器４７の非反転入力端子は基準電圧Ｖｒｅｆ１が印加され、演算増幅器５３の非反転入力端子と出力端子の間は抵抗Ｒ０で接続されている。

ミキサ回路４６は、０次成分発生回路４１からの０次成分電圧を混合比Ｒ０／Ｒ１とし、加算回路４５からの加算電圧を混合比Ｒ０／Ｒ２とし、１次成分発生回路４２からの１次成分電圧を混合比Ｒ０／Ｒ３とし、ＡＦＣ調整回路３２からのＡＦＣ調整電圧を混合比Ｒ０／Ｒ４として加算する。例えば抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値を抵抗Ｒ０の抵抗値の２倍とする。ミキサ回路４６は図３（Ｃ）に示す温度特性にオフセット（０次成分電圧とＡＦＣ調整電圧）を加えた温度補償電圧ＶＴＣを出力する。

電圧制御型発振回路３３は、水晶振動子３４のインダクタンス成分を用いて発振するコルピッツ発振回路を構成しており、温度補償回路１１により水晶振動子１４の温度補償を行うことで発振周波数を安定化して出力端子３５より出力する。

本実施形態では、加算回路４５の出力する加算電圧のダイナミックレンジ幅Ｖδが最大値となるように、１次成分発生回路４３のダイナミックレンジ幅Ｖαと３次成分発生回路４４のダイナミックレンジ幅Ｖβは最大とされている。

ここで、図６（Ａ）に示す１次成分電圧が最大値を示す温度においては図６（Ｂ）に示す３次成分電圧は最小値を示し、１次成分電圧が最小値を示す温度においては３次成分電圧は最大値を示しており、１次成分電圧と３次成分電圧の符号が異なっているために、両信号を加算すると相殺されることになる。

このため、１次成分発生回路４３のダイナミックレンジ幅Ｖαと３次成分発生回路４４のダイナミックレンジ幅Ｖβを最大とすることで、加算電圧のダイナミックレンジ幅Ｖδを従来に比して例えば２倍に増大することができる。

なお、図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にはダイナミックレンジ幅Ｖα，Ｖβ，Ｖδを従来と同程度とした場合の加算電圧（加算回路４５出力），１次成分電圧（１次成分発生回路４２出力），温度補償電圧（ミキサ回路４６出力）それぞれを対比のために示している。

ところで、１次成分発生回路４２が１次関数の傾きの極性を正又は負に設定すると共に、制御信号に応じて分圧比を調整して、図３（Ｂ）の実線から一点鎖線に示す範囲で傾きを設定された１次成分電圧を発生するようにしているのは、加算電圧のダイナミックレンジ幅Ｖδを従来に比して例えば２倍に増大しているのに対応しており、これにより所望の温度補償電圧特性を得ることができる。

加算電圧のダイナミックレンジ幅Ｖδを従来に比して例えば２倍に増大したことにより、ミキサ回路４６では加算電圧に対するゲインを例えば１／２にすることができ、ミキサ回路４６で発生するノイズが温度補償電圧ＶＴＣに混入することを例えば１／２に抑圧することができ、水晶発振回路が出力する発振信号の位相ノイズを抑圧することできる。

本発明の水晶発振回路の一実施形態の回路構成図である。 加算回路の一実施形態の回路構成図である。 加算回路，１次成分発生回路，ミキサ回路それぞれの出力信号の温度特性図である。 加算回路，１次成分発生回路，ミキサ回路それぞれの出力信号の温度特性図である。 従来の水晶発振回路の一例の回路構成図である。 １次成分発生回路，３次成分発生回路，ミキサ回路それぞれの出力信号の温度特性図である。

符号の説明

３０ 半導体集積回路
３１ 温度補償回路
３２ ＡＦＣ調整回路
３３ 電圧制御型発振回路（ＶＣＸＯ）
３４ 水晶振動子（ＸＴＡＬ）
４０ 温度センサ
４１ ０次成分発生回路
４２，４３ １次成分発生回路
４４ ３次成分発生回路
４５ 加算回路
４６ ミキサ回路
４７，５３ 演算増幅器
Ｒ０〜Ｒ１７ 抵抗

Claims (2)

1. 温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサで得た温度検出信号を供給され温度の１次関数で表され最大のダイナミックレンジ幅を持つ第１の１次成分電圧を発生する第１の１次成分発生回路と、
   前記温度検出信号の１次関数で表され前記第１の１次成分電圧とは異なる特性の第２の１次成分電圧を発生する第２の１次成分発生回路と、
   前記温度検出信号を供給され温度の３次関数で表され最大のダイナミックレンジ幅を持つ３次成分電圧を発生する３次成分発生回路と、
   前記温度検出信号の０次関数で表される０次成分電圧を発生する０次成分発生回路と、
   前記第１の１次成分電圧と前記３次成分電圧を加算する加算回路と、
   前記加算回路の出力する加算電圧と前記０次成分電圧と前記第２の１次成分電圧を混合して温度補償電圧を得るミキサ回路と、
   前記温度補償電圧を供給されて水晶振動子の温度補償を行って発振周波数を安定化する発振回路とを
   有することを特徴とする水晶発振回路。
2. 請求項１記載の水晶発振回路において、
   前記０次成分発生回路，前記加算回路，前記第２の１次成分発生回路それぞれは、生成した０次成分電圧，加算電圧，第２の１次成分電圧それぞれを分圧する分圧部を
   有することを特徴とする水晶発振回路。

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