JP2010062747A

JP2010062747A - 温度補償型広可変電圧制御発振回路

Info

Publication number: JP2010062747A
Application number: JP2008225034A
Authority: JP
Inventors: Hideo Hashimoto; 英雄橋本
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】周波数調整用の容量を水晶振動子の周囲温度に対応して可変にする温度補償用の容量として伸長コイルに並列接続としたことにより、高周波においても変調特性を損なわず、発振周波数を一定に保つよう制御できる温度補償型広可変電圧制御発振回路を提供する。
【解決手段】水晶振動子X1 の周囲温度の変化に対応して発振周波数を一定に保持する容量に相当する電圧値に変換する温度補償制御回路１１と、当該温度補償制御回路１１によって設定される容量に従って伸長コイルLに並列に接続される容量を可変とする容量変更手段１２とを有する温度補償回路１を設けた温度補償型広可変電圧制御発振回路である。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度補償型広可変電圧制御発振回路に係り、特に、近年の低電圧化に対応した、高周波における変調特性を損なわない温度補償型広可変電圧制御発振回路に関する。

電圧制御発振回路は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop：位相ロックド・ループ）トラッキングフィルターとして使用されるが、要求性能として、第１に周波数制御域の広可変化、第２に温度特性の高精度化が要求されるようになっている。

上記第１の特性と第２の特性は、相反する特性であり、広可変化を目指すと温度特性が悪化し、温度特性をよくする（例えば、温度補償発振器［ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator］にする）と、広可変量が取りにくくなるというジレンマが生じていた。

また、ＴＣＸＯにすると、電圧制御入力の周波数特性が一様でなくなり、温度により変化してしまう問題があった。
また、ＴＣＸＯでは、サーミスタとコンデンサを並列接続する補償方法もあるが、高周波回路ではその周波数特性が伸びなく使用が制限されるものである。

［従来の具体的回路：図４］
次に、従来の電圧制御発振回路の具体的回路について図４を参照しながら説明する。図４は、従来の電圧制御発振回路の具体的回路図である。
従来の水晶発振回路の具体的回路は、図４に示すように、水晶振動子Ｘ1 の一端には並列接続のコイルＬ1 及び可変コンデンサＣv が接続され、更に、電圧ＶD が印加される抵抗Ｒ1 が直列接続され、可変容量ダイオードＤ1 のカソード側が抵抗Ｒ1 とコイルＬ1 及び可変コンデンサＣv との間の点に接続し、可変容量ダイオードＤ1 のアノード側が接地されている。

また、水晶振動子Ｘ1 の他端は、ＮＰＮ型トランジスタＱのベースＢに接続し、トランジスタＱのコレクタＣには電源電圧Ｖccが印加されると共に、電源電圧Ｖccが直列接続の抵抗Ｒ2 と抵抗Ｒ3 によって分圧され、抵抗Ｒ2 と抵抗Ｒ3 との間の点がトランジスタＱのベースＢに接続している。

また、トランジスタＱのベースＢには、直列接続のコンデンサＣ1 ，Ｃ2 の一端が接続し、他端が接地されている。
また、トランジスタＱのエミッタＥには、抵抗Ｒ4 を介して接地されており、エミッタＥと抵抗Ｒ4 の間の点が、コンデンサＣ1 ，Ｃ2 の間の点に接続され、更にコンデンサを介して発振出力を出力端子ＯＵＴから出力している。

尚、関連する先行技術として、特開平０５−２５１９３２号公報（特許文献１／出願人：株式会社明電舎）と、特開平１０−１４５１４０号公報（特許文献２／出願人：株式会社明電舎）がある。

特許文献１には、温度補償形水晶発振器において、温度変化に応じて変化する制御電圧によって可変される電圧可変容量素子３１ａとサーミスタ３２ａ，３２ｃ、コンデンサ３２ｂ，３２ｄによって水晶振動子３３の周波数変動が制御されることが記載されている。これにより、制御電圧で可変される可変容量素子部を備えたデジタル温度補償を加えることで、水晶振動子の周波数の安定度を高めることができるものである。

また、特許文献２には、水晶発振回路において、周波数ジャンプを抑圧するために、水晶振動子２と温度補償部３との間に抵抗Ｒを直列接続し、水晶振動子のドライブレベルを小さくすることが記載されている。

特開平０５−２５１９３２号公報特開平１０−１４５１４０号公報

近年のデジタル通信網の制御周波数安定度において、ストレータムIIIは、４．７ｐｐｍの安定度の規格が設けられ、ストレータムIVにおいては、３２ｐｐｍの安定度を要求されている。
そして、ストレータムIII〜IV規格のＩＴＵ−Ｔ CLOCK Option（G.813）をカバーするには、２０ｐｐｍの安定度が必要とされている。
つまり、近年の駆動電圧の低電圧化に対して高周波においても変調特性を損なわないようにすることが難しい状況となっている。

例えば、上記２０ｐｐｍの安定度の依存は、水晶振動子の温度特性が大部分を占めているため、−４０〜＋８５℃の広範囲の温度範囲を安定的に確保することが難しいものであった。

また、従来の電圧制御水晶発振回路での温度補償は、せいぜい温度変化を有するコンデンサ（ＵＪ，ＷＫ等）を用いることであったが、近年、温度補償用コンデンサは０温度特性しか作らなくなり、それらコンデンサを入手することが困難となってきている。

つまり、図４における可変コンデンサＣ1 は、水晶振動子Ｘ1 の周囲温度の変化に対応して容量を可変とするものであるが、その温度変化に適正に容量を変化させる可変コンデンサを得ることが困難であるという問題点があった。

また、特許文献１では、温度補償素子部３２とは別の電圧可変容量素子３１ａによって、水晶振動子３３の入力側の容量を可変にするものであって、伸長コイルと温度補償用の周波数調整用コンデンサの並列接続を水晶振動子の入力側に接続する構成とはなっていないものである。

また、特許文献２では、周波数調整部４と温度補償部３を別々に設けて周波数調整と温度補償を別々に行うようにしており、温度補償部３で周波数調整も同時に行うものでなく、回路構成を簡略化できるものとはなっていない。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、周波数調整用の容量を水晶振動子の周囲温度に対応して可変にする温度補償用の容量として伸長コイルに並列接続としたことにより、高周波においても変調特性を損なわず、発振周波数を一定に保つよう制御できる温度補償型広可変電圧制御発振回路を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、発振周波数を発生させる水晶振動子と、当該発振周波数を増幅して出力するトランジスタとを有する温度補償型広可変電圧制御発振回路であって、水晶振動子の一端には第１の抵抗と伸長コイルが直列に接続されて電圧が印加されると共に、長身コイルに温度補償回路が並列に接続され、水晶振動子の他端はトランジスタのベースに接続され、可変容量ダイオードのカソード側が第１の抵抗と伸長コイルの間の点に接続され、可変容量ダイオードのアノード側が接地され、トランジスタのコレクタには電源電圧が印加され、第２の抵抗の一端には電源電圧が印加され、第２の抵抗の他端はトランジスタのベースに接続され、第３の抵抗の一端がトランジスタのベースに接続されると共に他端が接地され、直列接続の第１のコンデンサと第２のコンデンサの一端がトランジスタのベースに接続されると共に他端が接地され、第４の抵抗の一端がトランジスタのエミッタに接続されると共に他端が接地され、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間の点がトランジスタのエミッタに接続され、エミッタには出力端子が設けられ、温度補償回路が、水晶振動子の周囲温度に応じて水晶振動子で発生する発振周波数を一定に保持するよう、伸長コイルに並列に接続される容量を変更する回路としたことを特徴とする。

本発明は、上記温度補償型広可変電圧制御発振回路において、温度補償回路が、水晶振動子の周囲温度に応じて変更する容量を特定するための電圧に変換する温度補償制御回路と、特定された電圧に応じた容量に変更する容量変更手段とを有することを特徴とする。

本発明は、上記温度補償型広可変電圧制御発振回路において、容量変更手段が、第３のコンデンサ、第４のコンデンサ、ダイオード、抵抗を有し、第３のコンデンサの一端が伸長コイルと第１の抵抗との間に接続されると共に、第３のコンデンサの他端がダイオードのカソード側に接続され、第４のコンデンサの一端が伸長コイルと水晶振動子との間に接続されると共に、第４のコンデンサの他端がダイオードのアノード側と抵抗の一端との間に接続され、抵抗の他端が接地され、温度補償制御回路から供給される電圧が第３のコンデンサとダイオードの間に印加されることを特徴とする。

本発明は、上記温度補償型広可変電圧制御発振回路において、温度補償制御回路が、電圧が印加される複数の抵抗と、異なる温度特性を備える複数のサーミスタとを備え、水晶振動子の周囲温度に応じて複数のサーミスタの抵抗値が可変となって容量変更手段へ供給する電圧が可変となることを特徴とする。

本発明は、上記温度補償型広可変電圧制御発振回路において、温度補償制御回路が、水晶振動子の周囲温度を検出して信号出力する温度センサと、温度センサからの信号をデジタル変換するアナログ／デジタル変換器と、デジタル変換された信号の値に対して予め水晶振動子で発生する発振周波数を一定に保持するよう、容量変更手段に印加される電圧値の関数値を記憶する記憶部と、アナログ／デジタル変換器からの信号を入力し、記憶部を参照して対応する電圧値の関数値を読み取って出力する関数発生回路と、関数発生回路からの出力をアナログ変換するデジタル／アナログ変換器とを有することを特徴とする。

本発明によれば、発振周波数を発生させる水晶振動子と、当該発振周波数を増幅して出力するトランジスタとを有する温度補償型広可変電圧制御発振回路において、水晶振動子の周囲温度に応じて水晶振動子で発生する発振周波数を一定に保持するよう、伸長コイルに並列に接続される容量を変更する温度補償回路を設けたものとしているので、水晶振動子の周囲温度に対応して高周波においても変調特性を損なわず、発振周波数を一定に保つよう制御できるという効果がある。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る温度補償型広可変電圧制御発振回路は、水晶振動子の周囲温度の変化に対応して発振周波数を一定に保持する容量に相当する電圧値に変換する温度補償制御回路と、当該温度補償制御回路によって設定される容量に従って伸長コイルに並列に接続される容量を可変とする容量変更手段とを有する温度補償回路を設け、高周波においても変調特性を損なわず、発振周波数を一定に保つよう制御できるものである。

［本回路：図１］
本発明の実施の形態に係る温度補償型広可変電圧制御発振回路について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る温度補償型広可変電圧制御発振回路の回路図である。
本発明の実施の形態に係る温度補償型広可変電圧制御発振回路（本回路）は、図１に示すように、水晶振動子Ｘ1 の一端には並列接続の伸長コイルＬ1 及び可変コンデンサＣv が接続され、更に、電圧ＶD が印加される抵抗Ｒ1 が直列接続され、可変容量ダイオードＤ1 のカソード側が抵抗Ｒ1 と伸長コイルＬ1 及び可変コンデンサＣv との間の点に接続し、可変容量ダイオードＤ1 のアノード側が接地されている。
尚、可変コンデンサＣv は、温度補償回路の一部を構成するものであり、伸長コイルＬ1 と並列接続で、抵抗Ｒ1 と水晶振動子Ｘ1 との間に設けられている。

［温度補償回路：図２］
次ぎに、本回路における温度補償回路１について図２を参照しながら説明する。図２は、本回路における温度補償回路の回路図である。
本回路における温度補償回路１は、図２に示すように、温度補償制御回路１１と、容量変更手段１２とから構成されている。
尚、図２の温度補償制御回路１１は、内部に温度センサの機能を備える構成となっている。

［温度補償制御回路（アナログ）１１］
温度補償制御回路１１は、電源電圧Ｖccが一端に印加される抵抗Ｒ′1 と、抵抗Ｒ′1 の他端に並列接続する抵抗Ｒ′2 とサーミスタＴＨ1 と、抵抗Ｒ′2 とサーミスタＴＨ1 を接続する線には、抵抗Ｒ′3 とサーミスタＴＨ2 が直列接続され、サーミスタＴＨ2 の他端が接地され、また、抵抗Ｒ′2 とサーミスタＴＨ1 を接続する線には、抵抗Ｒ′4 とサーミスタＴＨ3 が直列接続され、サーミスタＴＨ3 の他端が接地されている。
また、抵抗Ｒ′4 とサーミスタＴＨ3 を結ぶ線に抵抗Ｒ′5 の一端が接続され、その他端が容量変更手段１２に接続している。

ここで、サーミスタＴＨ1 〜ＴＨ3 は、異なる温度特性を備えるもので、温度センサとして一般的に利用されるＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）タイプを用い、温度上昇に対して抵抗値が減少して電流を流すものである。温度特性として電流を流す温度は、サーミスタＴＨ1 〜ＴＨ3 の順に高く設定されている。
また、抵抗Ｒ′1 〜Ｒ′5 は、サーミスタＴＨ1 〜ＴＨ3 の三つの温度特性に応じて抵抗値が設定され、全体として容量変更手段１２に容量変更のための電圧を提供している。

［容量変更手段１２］
容量変更手段１２は、ダイオードＤ2 のアノード側に抵抗Ｒ′6 の一端が接続し、抵抗Ｒ′6 の他端が接地され、ダイオードＤ2 のカソード側にコンデンサＣ3 の一端が接続され、コンデンサＣ3 の他端が接続端子Ａに接続している。

そして、ダイオードＤ2 のアノードと抵抗Ｒ′6 の一端を結ぶ線にコンデンサＣ4 の一端が接続し、コンデンサＣ4 の他端が接続端子Ａ′に接続している。
また、温度補償制御回路１１の抵抗Ｒ′5 の他端が、ダイオードＤ2 とコンデンサＣ3 を結ぶ線に接続している。

容量変更手段１２は、温度補償制御回路１１の抵抗Ｒ′5 から出力される電圧によって、コンデンサＣ3 とダイオードＤ2 との間の電圧が決まり、当該電圧の高低によってコンデンサＣ3 とコンデンサＣ4 の容量を可変にし、接続端子Ａと接続端子Ａ′との間で可変容量が付加されるようになっている。
尚、図２における接続端子Ａ，Ａ′は、図１の接続点Ａ，Ａ′に接続している。

例えば、抵抗Ｒ′5 からの電圧が高ければ、コンデンサＣ3 の容量は小さくなり、抵抗Ｒ′5 からの電圧が低ければ、コンデンサＣ3 の容量は大きくなる。
温度補償制御回路１１から供給される電圧は、周囲温度に応じて発振周波数を一定に保つよう容量変更手段１２の主にコンデンサＣ3 の容量が調整されるものである。

［別の温度補償制御回路（デジタル）１１：図３］
次ぎに、別の温度補償制御回路について図３を参照しながら説明する。図３は、別の温度補償制御回路の構成ブロック図である。
図２の温度補償制御回路１１はアナログ回路であるが、図３の別の温度補償制御回路１１は、デジタル回路で構成したもので、ＩＣ（Integrated Circuit）化したものである。

別の温度補償制御回路１１は、図３に示すように、温度センサ１１１から入力される水晶振動子Ｘ1 の周辺温度の値（例えば、温度に対応した電圧値）のアナログ値をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ）１１２と、温度に対応した値とその値に対応して容量変更手段１２に印加する電圧値の関数値を記憶する記憶部、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）１１３と、Ａ／Ｄ変換された温度に対応した値を読み込み、当該値に対応した電圧値の関数値をＲＯＭ１１２から読み取って出力する関数発生回路１１４と、関数発生回路１１４からのデジタルの関数値をアナログ変換するＤ／Ａ変換器（Ｄ／Ａ）１１５とから構成されている。

ここで、ＲＯＭ１１３に記憶された温度の値の関数値と容量変更手段１２に印加する電圧値との関係は、上記電圧値により容量変更手段１２で変更する容量を決定するものであり、当該変更される容量により周囲温度に応じて発振周波数を一定に保持するものとなっている。
つまり、上記電圧値は、周囲温度に応じて発振周波数を一定に保持するために、予め実験又はシミュレーション等によって設定されるものである。

別の温度補償制御回路１１の動作は、温度センサ１１１で水晶振動子Ｘ1 の周辺温度を検出し、検出された温度の値をＡ／Ｄ変換器１１２でデジタルに変換し、関数発生回路１１４がデジタル変換された温度の値に対応した容量変更手段１２に印加する電圧値の関数値をＲＯＭ１１３から読み取り、Ｄ／Ａ変換器１１５でアナログ変換して容量変更手段１２に出力する。
容量変更手段１２では、温度補償制御回路１１から出力される電圧によって容量を変更することで、発振周波数を一定に保つよう制御される。

［実施の形態の効果］
本回路によれば、コルピッツ型の温度補償型広可変電圧制御発振回路において、水晶振動子Ｘ1 の入力側に設けられた伸長コイルに、水晶振動子Ｘ1 の周囲温度に応じて発振周波数を一定に保持するために容量を可変にする温度補償回路１を並列接続し、周囲温度に応じた容量により発振振動子Ｘ1 の発振周波数を調整するようにしているので、高周波においても変調特性を損なわず、発振周波数を一定に保つよう制御できる効果がある。

本発明は、周波数調整用の容量を水晶振動子の周囲温度に対応して可変にする温度補償用の容量として伸長コイルに並列接続としたことにより、高周波においても変調特性を損なわず、発振周波数を一定に保つよう制御できる温度補償型広可変電圧制御発振回路に好適である。

本発明の実施の形態に係る温度補償型広可変電圧制御発振回路の回路図である。本回路における温度補償回路の回路図である。別の温度補償制御回路の構成ブロック図である。従来の電圧制御発振回路の具体的回路図である。

符号の説明

１…温度補償回路、１１…温度補償制御回路、１２…容量変更手段、１１１…温度センサ、１１２…Ａ／Ｄ変換回路、１１３…ＲＯＭ、１１４…関数発生回路、１１５…Ｄ／Ａ変換器、Ｃ…コンデンサ、Ｃv …可変容量、Ｄ…ダイオード、Ｌ…伸長コイル、Ｑ…トランジスタ、Ｒ…抵抗、ＴＨ…サーミスタ、Ｘ1 …水晶振動子

Claims

発振周波数を発生させる水晶振動子と、当該発振周波数を増幅して出力するトランジスタとを有する温度補償型広可変電圧制御発振回路であって、
前記水晶振動子の一端には第１の抵抗と伸長コイルが直列に接続されて電圧が印加されると共に、前記長身コイルに温度補償回路が並列に接続され、前記水晶振動子の他端は前記トランジスタのベースに接続され、
可変容量ダイオードのカソード側が前記第１の抵抗と前記伸長コイルの間の点に接続され、前記可変容量ダイオードのアノード側が接地され、
前記トランジスタのコレクタには電源電圧が印加され、
第２の抵抗の一端には電源電圧が印加され、前記第２の抵抗の他端は前記トランジスタのベースに接続され、
第３の抵抗の一端が前記トランジスタのベースに接続されると共に他端が接地され、
直列接続の第１のコンデンサと第２のコンデンサの一端が前記トランジスタのベースに接続されると共に他端が接地され、
第４の抵抗の一端が前記トランジスタのエミッタに接続されると共に他端が接地され、
前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの間の点が前記トランジスタのエミッタに接続され、前記エミッタには出力端子が設けられ、
前記温度補償回路が、水晶振動子の周囲温度に応じて水晶振動子で発生する発振周波数を一定に保持するよう、前記伸長コイルに並列に接続される容量を変更する回路としたことを特徴とする温度補償型広可変電圧制御発振回路。
温度補償回路は、水晶振動子の周囲温度に応じて変更する容量を特定するための電圧に変換する温度補償制御回路と、前記特定された電圧に応じた容量に変更する容量変更手段とを有することを特徴とする請求項１記載の温度補償型広可変電圧制御発振回路。
容量変更手段は、第３のコンデンサ、第４のコンデンサ、ダイオード、抵抗を有し、前記第３のコンデンサの一端が伸長コイルと第１の抵抗との間に接続されると共に、前記第３のコンデンサの他端が前記ダイオードのカソード側に接続され、前記第４のコンデンサの一端が前記伸長コイルと水晶振動子との間に接続されると共に、前記第４のコンデンサの他端が前記ダイオードのアノード側と前記抵抗の一端との間に接続され、前記抵抗の他端が接地され、温度補償制御回路から供給される電圧が前記第３のコンデンサと前記ダイオードの間に印加されることを特徴とする請求項２記載の温度補償型広可変電圧制御発振回路。
温度補償制御回路は、電圧が印加される複数の抵抗と、異なる温度特性を備える複数のサーミスタとを備え、水晶振動子の周囲温度に応じて前記複数のサーミスタの抵抗値が可変となって容量変更手段へ供給する電圧が可変となることを特徴とする請求項２又は３記載の温度補償型広可変電圧制御発振回路。
温度補償制御回路は、水晶振動子の周囲温度を検出して信号出力する温度センサと、前記温度センサからの信号をデジタル変換するアナログ／デジタル変換器と、前記デジタル変換された信号の値に対して予め前記水晶振動子で発生する発振周波数を一定に保持するよう、容量変更手段に印加される電圧値の関数値を記憶する記憶部と、前記アナログ／デジタル変換器からの信号を入力し、前記記憶部を参照して対応する電圧値の関数値を読み取って出力する関数発生回路と、前記関数発生回路からの出力をアナログ変換するデジタル／アナログ変換器とを有することを特徴とする請求項２又は３記載の温度補償型水晶発振回路。