JP2016052098A - Oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発振器に関する。特に、水晶発振回路を恒温槽に挿入することにより高安定化が図られた温度制御型水晶発振器(OCXO:Oven Controlled Xtal Oscillator)に関する。 The present invention relates to an oscillator. In particular, the present invention relates to a temperature controlled crystal oscillator (OCXO) that is highly stabilized by inserting a crystal oscillation circuit into a thermostat.
電子機器の正確な動作を支えるため、電子機器には、一定の周期の安定した発振信号を供給し続けるタイミングデバイスが用いられている。このようなタイミングデバイスとして、水晶振動子を用いたタイミングデバイスが古くから知られており、水晶発振器として広く普及している。 In order to support an accurate operation of an electronic device, a timing device that continuously supplies a stable oscillation signal having a constant period is used in the electronic device. As such a timing device, a timing device using a crystal resonator has been known for a long time, and is widely used as a crystal oscillator.
ここで、一般的な水晶発振器の一例を図7に示す。水晶発振器1は、発振回路2の水晶振動子(不図示)を発振させることで得られた発振信号を増幅回路4で増幅して出力する。このとき、発振回路2からは、発振信号とともに不要な雑音成分も出力されるため、不図示の水晶振動子により構成される水晶フィルタ3を用いて不要な雑音成分を除去する。
An example of a general crystal oscillator is shown in FIG. The
ところで、発振回路2及び水晶フィルタ3の水晶振動子が所定の周波数温度特性を有していることから、水晶発振器1から出力される発振信号の周波数は、水晶振動子の周囲の温度によって異なる。そこで、従来より、水晶発振器1にヒーター回路を設け、このヒーター回路の発熱部にて発振回路2及び水晶フィルタ3の水晶振動子の周囲温度を一定に保つ温度制御型水晶発振器(所謂OCXO)が知られている(例えば、特許文献1参照)。
By the way, since the crystal oscillators of the
この温度制御型水晶発振器によれば、外気の温度に影響されることなく安定的に一定の周波数の発振信号を出力することができるものの、発振回路2の温度特性と水晶フィルタ3の温度特性とが異なる温度領域では、発振回路2から出力される発振信号の発振周波数と、水晶フィルタ3の中心周波数とがずれてしまい、以下に示す問題が生じてしまう。
According to this temperature-controlled crystal oscillator, an oscillation signal having a constant frequency can be output stably without being affected by the temperature of the outside air, but the temperature characteristics of the
ここで、図8は、発振回路2の周波数温度特性の一例を示す図であり、図9は、水晶フィルタ3の周波数温度特性の一例を示す図である。図8に示すように、発振回路2では、高温時に発振周波数fa0の発振信号を出力する一方で、低温時には発振周波数fa0よりも低い発振周波数fa1の発振信号を出力する。同様に、図9に示すように、水晶フィルタ3では、高温時に中心周波数fb0以外の離調周波数を減衰する一方で、低温時には中心周波数fb0よりも低い中心周波数fb2以外の離調周波数を減衰する。
Here, FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the frequency temperature characteristic of the
このとき、水晶発振器1では、周波数が安定する高温時において、発振回路2から出力される発振信号の発振周波数fa0と、水晶フィルタ3を通過する中心周波数fb0とが略一致するよう設計される一方で、温まる前の低温時では、発振回路2が出力する発振周波数fa1と、水晶フィルタ3を通過する中心周波数fb2とが一致するとは限らない。
At this time, the
なお、発振周波数faと水晶フィルタ3の中心周波数fbとがずれることのないように、発振回路2の水晶振動子と水晶フィルタ3の水晶振動子とに同じヒーター回路を適用することも考えられるが、許容される消費電力やばらつきの関係で、図11に示すように同じ温度傾斜とならず、結果、温度安定時においても発振周波数faと中心周波数fbとがずれてしまうこともある。
Note that the same heater circuit may be applied to the crystal resonator of the
発振周波数faと中心周波数fbとがずれる結果、図10に示すように、発振回路2から出力された発振信号自体が水晶フィルタ3によって減衰されてしまい、図12に示すように、水晶発振器1の起動直後の低温時において、出力される信号レベルが一時的に著しく低下してしまうことになる。
As a result of the deviation of the oscillation frequency fa and the center frequency fb, the oscillation signal itself output from the
このような信号レベルの低下は、水晶フィルタ3のフィルタ特性を急峻にするとより顕著となるが、フィルタ特性が急峻でないとしても、発振回路2及び水晶フィルタ3において温度特性の異なる水晶振動子(例えば、SCカットの水晶振動子と、ATカットの水晶振動子)を用いた場合、起動時からの温度制御を合せたとしても、そもそもの周波数偏差、温度特性が異なるため、周波数のずれが発生し、信号レベルの低下を防ぐことはできない。
Such a decrease in signal level becomes more conspicuous when the filter characteristics of the
水晶発振器1から出力される信号レベルが低下した場合、水晶発振器1を基準信号源として使用している回路、装置では、基準信号が断となることで一時的であったとしても同期がはずれてしまうため、低温起動時における信号レベルの低下を防止する仕組みが求められる。
When the signal level output from the
本発明は、このような要望に鑑みてなされたものであり、内部温度が低温の状態であっても、信号レベルを低下させることのない発振器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a demand, and an object of the present invention is to provide an oscillator that does not lower the signal level even when the internal temperature is low.
本発明の第1の態様においては、発振回路から出力された発振信号を増幅回路で増幅して出力する発振器を提供する。この発振器は、前記発振回路から出力された前記発振信号を前記増幅回路に伝送する第1伝送路と、前記発振回路から出力された前記発振信号を前記増幅回路に伝送する、前記第1伝送路とは異なる第2伝送路と、前記第1伝送路に設けられ、前記発振信号の発振周波数のうちの不要周波数成分を減衰する水晶フィルタと、前記第1伝送路及び前記第2伝送路を、発振器内部の温度に基づき切り替える切替部と、を備える。 In a first aspect of the present invention, an oscillator is provided that amplifies an oscillation signal output from an oscillation circuit by an amplification circuit and outputs the amplified signal. The oscillator includes a first transmission path that transmits the oscillation signal output from the oscillation circuit to the amplification circuit, and a first transmission path that transmits the oscillation signal output from the oscillation circuit to the amplification circuit. A second transmission line different from the above, a crystal filter that is provided in the first transmission line and attenuates an unnecessary frequency component of the oscillation frequency of the oscillation signal, and the first transmission line and the second transmission line, A switching unit that switches based on the temperature inside the oscillator.
また、前記第1伝送路に、温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタを備えることとしてもよい。 The first transmission line may be provided with a thermistor whose resistance value changes according to temperature.
また、前記サーミスタは、温度上昇に応じて抵抗値が減少するNTCサーミスタであり、前記NTCサーミスタは、前記水晶フィルタが設けられた前記第1伝送路に設けられていることとしてもよい。 The thermistor may be an NTC thermistor whose resistance value decreases as the temperature rises, and the NTC thermistor may be provided in the first transmission line provided with the crystal filter.
また、前記発振信号の発振周波数のうちの主要周波数成分の減衰量が、低温時において前記水晶フィルタよりも少ないバンドパスフィルタを、前記第2伝送路に備えることとしてもよい。 The second transmission line may be provided with a band-pass filter in which the attenuation amount of the main frequency component of the oscillation frequency of the oscillation signal is lower than that of the crystal filter at a low temperature.
また、前記第1伝送路に、前記発振回路と前記水晶フィルタとの間のインピーダンスを整合させる第1整合回路と、前記水晶フィルタと前記増幅回路との間のインピーダンスを整合させる第2整合回路と、を備えることとしてもよい。 A first matching circuit for matching impedance between the oscillation circuit and the crystal filter in the first transmission line; and a second matching circuit for matching impedance between the crystal filter and the amplifier circuit; It is good also as providing.
本発明によれば、内部温度が低温の状態に信号レベルが低下してしまうことを防止できる。 According to the present invention, it is possible to prevent the signal level from being lowered when the internal temperature is low.
<第1実施形態>
図1Aは、第1実施形態に係る水晶発振器1の機能構成図であり、図1Bは、水晶発振器1の具体的な構成の一例を示す図である。なお、従来の水晶発振器1(図7)と同じ構成については、同一の符号を付している。
水晶発振器1は、温度制御型水晶発振器(所謂OCXO)であり、図1Aに示すように、発振回路2と、水晶フィルタ3と、増幅回路4と、第1伝送路5と、第2伝送路6と、切替部7、8と、を含んで構成される。
<First Embodiment>
FIG. 1A is a functional configuration diagram of the
The
発振回路2は、不図示の水晶振動子及びヒーター回路を有し、水晶振動子を発振させることで発振信号を出力する。発振回路2は、図8に示すように、発振回路2の水晶振動子の温度特性に応じた発振周波数の発振信号を出力する。
例えば、水晶振動子が図2に示す周波数−温度特性を有する場合、水晶振動子がヒーター回路により所定の温度(+80℃付近)に保たれることにより、発振回路2は、安定した発振周波数の発振信号を出力する。なお、起動時のように、ヒーター回路による温度制御がなされていない場合、+80℃を基準として考えると、発振回路2からは、+25℃起動時は約−15ppm、−40℃起動時に約−140ppm低い発振周波数の発振信号が出力されることになる。
The
For example, when the crystal resonator has the frequency-temperature characteristics shown in FIG. 2, the
図1に戻り、水晶フィルタ3は、発振回路2から発振信号とともに出力される不要周波数成分を減衰し、増幅回路4に伝送する。水晶フィルタ3は、図9に示すように、水晶フィルタ3の水晶振動子の温度特性に応じた温度特性を有し、水晶発振器1が安定する温度領域において、発振回路2の発振周波数fa0と略一致する中心周波数fb0の発振信号を透過し、中心周波数fb0以外の離調周波数を減衰する。
なお、水晶発振器1が安定する温度領域とは、例えば、発振回路2の水晶振動子の周辺温度が約+80℃付近の温度領域である。
Returning to FIG. 1, the
Note that the temperature region in which the
増幅回路4は、入力された発振信号を増幅し、出力する。ここで、本実施形態の水晶発振器1では、増幅回路4には、水晶フィルタ3を介して不要周波数成分が除去された発振信号、又は水晶フィルタ3を介することなく伝送された発振信号が入力されることになる。
The
第1伝送路5は、発振回路2から出力された発振信号を増幅回路4に伝送する伝送路であり、第2伝送路6は、第1伝送路5とは別に設けられた伝送路である。第1伝送路5には、水晶フィルタ3が設けられている一方で、第2伝送路6には、水晶フィルタ3は設けられていない。
The
切替部7、8は、発振回路2から出力された発振信号を増幅回路4に伝送する伝送路を、第1伝送路5又は第2伝送路6の間で切り替える。ここで、本実施形態の水晶発振器1では、切替部7、8は、伝送路を切り替えることで、発振回路2の温度特性と水晶フィルタ3の温度特性とのずれによる信号レベルの低下を防止することとしている。そのため、切替部7、8は、伝送路の切り替えを、水晶発振器1内部の温度に基づいて行う。
The switching
図7から図12を参照して上述したように、水晶発振器1では、低温起動時に発振回路2の出力周波数の温度特性と水晶フィルタ3の温度特性とがずれ、高温時に発振回路2の温度特性と水晶フィルタ3の温度特性とが一致する。そこで、切替部7、8は、水晶発振器1内部の温度が低温の場合に、発振信号を増幅回路4に伝送する伝送路を第2伝送路6に切り替え、水晶発振器1内部の温度が高温の場合に、発振信号を増幅回路4に伝送する伝送路を第1伝送路5に切り替える。
As described above with reference to FIGS. 7 to 12, in the
続いて、図1Bを参照して、水晶発振器1の具体的な構成の一例について説明する。
図1Bに示すように、第1伝送路5には、水晶フィルタ3に加え、第1整合回路51と、第2整合回路52と、NTCサーミスタ71と、NTCサーミスタ72とが設けられ、第2伝送路6には、第3整合回路61が設けられる。
Next, an example of a specific configuration of the
As shown in FIG. 1B, in addition to the
第1整合回路51は、発振回路2と水晶フィルタ3との間に設けられ、発振回路2と水晶フィルタ3との間のインピーダンスを整合させる。第2整合回路52は、水晶フィルタ3と増幅回路4との間に設けられ、水晶フィルタ3と増幅回路4との間のインピーダンスを整合させる。第3整合回路61は、発振回路2と増幅回路4との間に設けられ、発振回路2と増幅回路4との間のインピーダンスを整合させる。
第1整合回路51、第2整合回路52及び第3整合回路61は、不図示のインダクタとコンデンサとで構成され、入力側回路の出力インピーダンスと、出力側回路の入力インピーダンスとを所望の値に整合させる。
The
The
なお、図1Bでは、第1整合回路51を、発振回路2と水晶フィルタ3との間のNTCサーミスタ71よりも下流に設けることとしているが、第1整合回路51は、発振回路2と水晶フィルタ3との間のNTCサーミスタ71の上流に設けることとしてもよい。同様に、図1Bでは、第2整合回路52をNTCサーミスタ72の上流に設けることとしているが、第2整合回路52は、水晶フィルタ3と増幅回路4との間のNTCサーミスタ72の下流に設けることとしてもよい。
In FIG. 1B, the
NTCサーミスタ71,72は、温度上昇に応じて抵抗値が減少するサーミスタであり、伝送路を切り替える切替部7、8として機能する。即ち、NTCサーミスタ71,72は、発振回路2の温度特性と水晶フィルタ3の温度特性とのずれが大きい低温起動時において高い抵抗値となり、低温時の伝送路を第2伝送路6に切り替える。また、NTCサーミスタ71,72は、発振回路2の温度特性と水晶フィルタ3の温度特性とが略一致する高温時において低い抵抗値となり、高温時の伝送路を第1伝送路5に切り替える。
The NTC thermistors 71 and 72 are thermistors whose resistance value decreases as the temperature rises, and function as switching
以上、本実施形態の水晶発振器1の構成について説明した。このような構成の水晶発振器1では、発振器内部の温度が低温である場合、伝送路が第2伝送路6に切り替えられるため、発振信号は、水晶フィルタ3を介することなく増幅回路4に入力される。
ここで、低温時に水晶フィルタ3を介して発振信号を伝送した場合、図3の破線で示すように、発振信号は、水晶フィルタ3により減衰されて増幅回路4に入力される。このとき、低温時では、発振回路2の発振周波数fa1と水晶フィルタ3の中心周波数fb2とがずれるため、図4の破線で示すように、水晶発振器1から出力される発振信号の信号レベルが著しく低下してしまう。
The configuration of the
Here, when an oscillation signal is transmitted through the
この点、本実施形態の水晶発振器1では、低温時には、水晶フィルタ3が設けられていない第2伝送路6を介して発振信号を伝送するため、図3の実線に示すように、発振信号は、減衰されることなく増幅回路4に入力されることになる。その結果、図4の実線に示すように、低温での起動直後であっても、水晶発振器1から出力される発振信号の信号レベルは、低下しない。
また、水晶発振器1では、内部温度が高温になると、切替部7により発振信号の伝送路が第2伝送路6から第1伝送路5に切り替わる。高温時では、発振回路2の発振周波数fa0と水晶フィルタ3の中心周波数fb0とが略一致するため、水晶フィルタ3の減衰特性を得つつ、十分な信号レベルの発振信号を得ることができる。
In this regard, in the
In the
<第2実施形態>
続いて、本発明の水晶発振器1の第2実施形態について説明する。第1実施形態の水晶発振器1では、低温時には水晶フィルタ3を設けていない第2伝送路6を介して発振信号を伝送するため、発振周波数faの近傍の雑音特性の改善効果を得ることができない。水晶発振器1を起動した直後には、発振回路2の出力周波数自体が安定していないため、信号レベルが確保でき、水晶発振器1から出力される信号が断とならない限り問題がないものの、低温時においても一定の雑音特性の改善効果を得たい場合がある。
第2実施形態の水晶発振器1は、このような場合に好適に利用され、図5に示すように、第2伝送路6にバンドパスフィルタ62を更に備える。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the
The
バンドパスフィルタ62は、発振信号の発振周波数faのうちの主要周波数成分の減衰量が、低温時において水晶フィルタ3よりも少ないフィルタである。具体的には、低温時において発振回路2から発振周波数fa1の発振信号が出力される場合(図8参照)、発振周波数fa1の減衰量が水晶フィルタ3よりも少ないフィルタである。
バンドパスフィルタ62の具体的な構成は任意であるが、一例として、図6に示すように、フィルタの減衰特性が、水晶フィルタ3よりも緩やかなフィルタを用いることで、本発明に係るバンドパスフィルタ62を実現することができる。もちろん、減衰特性が水晶フィルタ3と同様に急峻なフィルタであっても、低温時の中心周波数fbが、発振回路2の発振周波数fa1と略一致するよう調整されたフィルタであれば、本発明に係るバンドパスフィルタ62を実現することができる。
The
The specific configuration of the band-
なお、詳細については省略するが、第2伝送路6にバンドパスフィルタ62を設けた場合、バンドパスフィルタ62の両端に整合回路を設けることが好ましい。即ち、発振回路2とバンドパスフィルタ62との間に一の整合回路を設けることで、発振回路2とバンドパスフィルタ62との間のインピーダンスを整合させ、バンドパスフィルタ62と増幅回路4との間に別の整合回路を設けることで、バンドパスフィルタ62と増幅回路4との間のインピーダンスを整合させる。
Although details are omitted, when a
以上説明した、第2実施形態の水晶発振器1によれば、低温時に発振信号を伝送する第2伝送路6にバンドパスフィルタ62を設けているため、低温起動時であっても発振周波数の近傍の雑音特性を一定程度改善することができる。
According to the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
例えば、上記実施形態では、温度変化に応じて抵抗値が変化するサーミスタにより、切替部7、8を実現することとしている。この点、切替部7、8は、内部温度に応じて第1伝送路5と第2伝送路6とを切り替えることができれば足り、他の構成により実現することとしてもよい。一例として、第1伝送路5と第2伝送路6とを切り替えるスイッチと、内部温度を測定する温度センサとを設け、温度センサが測定した内部温度に基づいてスイッチを制御することで、第1伝送路5と第2伝送路6とを切り替えることとしてもよい。
For example, in the above embodiment, the switching
1・・・水晶発振器、2・・・発振回路、3・・・水晶フィルタ、4・・・増幅回路、5・・・第1伝送路、51・・・第1整合回路、52・・・第2整合回路、6・・・第2伝送路、61・・・第3整合回路、7,8・・・切替部、71,72・・・NTCサーミスタ、
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記発振回路から出力された前記発振信号を前記増幅回路に伝送する第1伝送路と、
前記発振回路から出力された前記発振信号を前記増幅回路に伝送する、前記第1伝送路とは異なる第2伝送路と、
前記第1伝送路に設けられ、前記発振信号の発振周波数のうちの不要周波数成分を減衰する水晶フィルタと、
前記第1伝送路及び前記第2伝送路を、発振器内部の温度に基づき切り替える切替部と、
を備える発振器。 An oscillator that amplifies an oscillation signal output from an oscillation circuit and outputs the amplified signal,
A first transmission path for transmitting the oscillation signal output from the oscillation circuit to the amplification circuit;
A second transmission path different from the first transmission path for transmitting the oscillation signal output from the oscillation circuit to the amplifier circuit;
A crystal filter that is provided in the first transmission line and attenuates an unnecessary frequency component of the oscillation frequency of the oscillation signal;
A switching unit that switches between the first transmission line and the second transmission line based on the temperature inside the oscillator;
An oscillator comprising:
請求項1に記載の発振器。 The first transmission line is provided with a thermistor whose resistance value varies with temperature.
The oscillator according to claim 1.
前記NTCサーミスタは、前記水晶フィルタが設けられた前記第1伝送路に設けられている、
請求項2に記載の発振器。 The thermistor is an NTC thermistor whose resistance value decreases with increasing temperature,
The NTC thermistor is provided in the first transmission path in which the crystal filter is provided.
The oscillator according to claim 2.
請求項1から3のいずれかに記載の発振器。 The second transmission line is provided with a band-pass filter in which the attenuation amount of the main frequency component of the oscillation frequency of the oscillation signal is lower than that of the crystal filter at a low temperature.
The oscillator according to claim 1.
前記発振回路と前記水晶フィルタとの間のインピーダンスを整合させる第1整合回路と、
前記水晶フィルタと前記増幅回路との間のインピーダンスを整合させる第2整合回路と、
を備える請求項1から4のいずれかに記載の発振器。
In the first transmission line,
A first matching circuit for matching impedance between the oscillation circuit and the crystal filter;
A second matching circuit for matching impedance between the crystal filter and the amplifier circuit;
The oscillator according to claim 1, comprising:
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