JP3921362B2

JP3921362B2 - 温度補償水晶発振器

Info

Publication number: JP3921362B2
Application number: JP2001229827A
Authority: JP
Inventors: 九一久保; 文雄浅村
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: US6737928B2; JP2003046335A; US20030020556A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は温度補償水晶発振器（以下、温度補償発振器とする）を産業上の技術分野とし、特に位相雑音を低減した温度補償発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）温度補償発振器は水晶振動子に起因した水晶発振器の周波数温度特性を補償して周波数安定度を高めることから、例えば携帯電話等の移動体通信機器に周波数の基準源として採用される。そして、近年では、デジタル通信時等の通話品質を確保するため、特に位相雑音を小さくしたものが求められる。
【０００３】
（従来技術の一例）第３図は一従来例を説明する温度補償発振器の回路図である。
温度補償発振器は水晶発振器と温度補償機構とからなり、これらはＩＣチップ内に集積化される。水晶発振器はインダクタとしての水晶振動子１の両端側に、発振用コンデンサを兼ねた電圧可変容量素子２（ａｂ）を接続してなる。水晶振動子１は例えばＡＴカットとして周波数温度特性（温度特性とする）を三次曲線とする。
【０００４】
電圧可変容量素子２（ａｂ）は水晶振動子１と共振回路を形成し、ここではアノードを基準電位としてのアース電位に接地する。水晶振動子１の端子間には、帰還抵抗３を有し、共振回路の共振周波数を増幅する反転（インバータ）増幅器４が接続する。要するに、水晶発振器の発振閉ループ内に電圧可変容量素子２を挿入してなる。図中の符号５は直流阻止のコンデンサである。なお、水晶発振器の温度特性は水晶振動子に起因して同様の三次曲線（関数）となる。
【０００５】
温度補償機構は、例えばＩＣチップ内に設けた抵抗の温度抵抗特性を利用して周囲温度に応答した小レベルの温度検出信号を形成し、これを元にして増幅したりして定電圧源から温度補償電圧Ｖcを生成する。温度補償電圧Ｖcは、第４図に示したように、水晶発振器の温度特性に応答して基準値Ｖcoに三次関数が重畳した電圧とする。
【０００６】
このようなものでは、温度補償機構からの温度補償電圧Ｖcが電圧可変容量素子２（ａｂ）のカソードに印加されると、電圧可変容量素子の端子間の容量が変化する。したがって、水晶振動子１から見た直列等価容量も変化するので、水晶発振器の温度特性に応答した補償電圧Ｖcとすることにより、同温度特性を補償して平坦にする。
【０００７】
なお、温度補償電圧Ｖcは＋電圧としてカソードに対して逆電圧が印加され、これにより電圧可変容量素子２の端子間容量が電圧に反比例して小さくなる。要するに、電圧可変容量素子２のアノード・カソード間を通電させることなく、逆電圧によって端子間の容量を変化させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の水晶発振器では、温度補償電圧Ｖcをカソードに印加することによって、次の問題があった。すなわち、第５図に示したように、発振出力（高周波電圧、上限値Ｖmax、下限値Ｖmin）は、温度補償電圧Ｖｃを中心値としてこれに重畳する。したがって、電圧可変容量素子２のアノードに対してカソードを正（＋）に維持するには、発振出力の下限値Ｖminがアノードの電位（ここでは０Ｖ）よりも大きくしなければならない。
【０００９】
したがって、補償電圧Ｖc（基準値Ｖco）は、発振出力の振幅レベルに応じて即ち振幅レベルの半値（Ｖmax＋Ｖmin）／２をオフセット電圧として上乗せした電圧値にする必要がある。しかし、温度補償電圧Ｖcは、前述のように抵抗の温度特性による小レベルの温度検出信号に基づいてこれを増幅して定電圧源から生成される。そして、定電圧源から生成される電圧は高いほど雑音を多く含む。これらのことから、温度補償電圧Ｖc（基準値Ｖco）は発振出力に応じて電圧を高くするので、雑音成分を多く含んで位相雑音特性を低下させる問題があった。
【００１０】
（発明の目的）本発明は位相雑音特性を良好に維持した温度補償発振器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、周波数温度特性を有する水晶発振器の発振閉ループ内に電圧可変容量素子を挿入し、前記電圧可変容量素子に温度補償電圧を印加して前記周波数温度特性を補償してなる温度補償水晶発振器において、前記電圧可変容量素子のアノードには前記温度補償電圧を印加し、前記電圧可変容量素子のカソードには前記電圧可変容量素子に対して逆電圧となる固定電圧を印加してなり、前記固定電圧は前記温度補償電圧の上限値に発振出力の振幅レベルの半値を加えた電圧値以上であって、しかも、定電圧源に接続した抵抗とダイオードの直列回路からなり、前記直列回路の接続点から供給された電圧である構成とする。
【００１２】
【作用】
本発明では、電圧可変容量素子のアノードに温度補償電圧を印加するので、カソードに印加する固定電圧を相対的に大きくすれば逆電圧とする。したがって、高周波電圧（発振出力）の振幅レベルを考慮することなく、温度補償電圧を設定できる。これにより、温度補償電圧にはオフセット電圧（Ｖmax＋Ｖmin）／２を不要としてその値を小さくできるので、これに含まれる雑音を小さくする。以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１３】
【実施例】
第１図は本発明の一実施例を説明する温度補償発振器の回路図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
温度補償発振器は、前述したように、水晶振動子１及び帰還抵抗３を有する反転増幅器４等からなる水晶発振器の発振閉ループ内に、アノードを接地した水晶振動子１を挿入してなる。図中の符号７（ａｂ）は直流阻止のコンデンサである。
【００１４】
この実施例では、電圧可変容量素子２（ａｂ）のアノードに、基準電圧Ｖcoに三次曲線が重畳した補償電圧Ｖcを印加する（前第４図）。また、カソードには固定電圧Ｖoを印加する。固定電圧Ｖoは、少なくとも補償電圧Ｖcの上限値に高周波電圧の振幅レベルの半値（Ｖmax＋Ｖmin）／２（前述のオフセット電圧）を加えた値よりも、高い電圧とする。
【００１５】
そして、ここでは、固定電圧Ｖoは、定電源Ｖdに抵抗８と二個のダイオード９（ａｂ）の直列回路を接続し、その中点（接続点）から供給される。言わば、定電圧源Ｖdからの電圧を抵抗８とダイオード９（ａｂ）で分圧する。
【００１６】
このような構成であれば、電圧可変容量素子２（ａｂ）のアノードに温度補償電圧Ｖcを印加するので、これをカソードに印加する場合に比較して電圧値を小さくできる。すなわち、電圧可変容量素子２に対して逆電圧を印加するに際し、前述したオフセット電圧（Ｖmax＋Ｖmin）／２を上乗せする必要がないので、この分温度補償電圧Ｖc（基準値Ｖco）を小さくできる。したがって、定電圧源から温度補償電圧Ｖcを生成する際、雑音を低減できる。
【００１７】
また、アノード側の固定電圧Ｖoは定電圧源Ｖdを抵抗８とダイオード９（ａｂ）の分圧によって生成する。すなわち、ダイオード９（ａｂ）の順方向降下電圧分の電圧（0.7×2V）を得る。したがって、定電圧源Ｖdの雑音成分はダイオードを経て基準電位に流入するので、雑音を除去した電圧になる（参照：特開平2001−44758号公報）。なお、ここでは、ダイオードは２個として1.4Ｖを得たが、必要な電圧に応じて複数個を直列接続すればよい。
【００１８】
これらのことから、本実施例では電圧可変容量素子２のカソードに印加する固定電圧Ｖoには雑音を除去した電圧を印加し、しかもアノードに補償電圧Ｖcを印加する。したがって、補償電圧Ｖcにオフセット電圧（Ｖmax＋Ｖmin）／２を上乗せしなくてよいので、温度補償電圧Ｖc（基準値Ｖco）を小さくして雑音成分を小さくできる。したがって、位相雑音特性を改善できる。
【００１９】
【第２実施例】
第２図は本発明の第２実施例を説明する温度補償発振器の回路図である。なお、前第１実施例と同一部分の説明は省略又は簡略する。
前第１実施例では電圧可変容量素子２（ａｂ）のカソードに固定電圧Ｖoを印加したが、第２実施例では固定電圧Ｖoとして周波数制御電圧Ｖaを印加する。周波数制御電圧Ｖaは、自動周波数制御（ＡＦＣ）回路から供給される。ＡＦＣ回路は温度補償発振器が搭載されるセット基板に形成され、例えば基地局からの基準信号を受信する。そして、基準信号に応答して、温度補償発振器の基準発振周波数（常温時の発振周波数）を制御する。
【００２０】
ここでは、周波数制御電圧Ｖaは、前述した定電圧源Ｖdに接続した抵抗８とダイオード９（ａｂ）の中点に分割抵抗１０（ａｂ）の一端を接続する。そして、分割抵抗１０（ａｂ）の他端に周波数制御電圧Ｖaを入力して、分割抵抗１０（ａｂ）の中点から高周波阻止抵抗６を経て電圧可変容量素子２（ａｂ）に、分圧された周波数制御電圧Ｖaoを印加する。なお、周波数制御電圧Ｖaはユーザーの仕様によって決定され、電圧可変容量素子２の定格内にするために分圧される。そして、分圧された周波数制御電圧Ｖaoの最低電圧は、補償電圧Ｖcの上限値にオフセット電圧（Ｖmax＋Ｖmin）／２を加えた値よりも高くする。
【００２１】
このような構成であれば、前述したように温度補償電圧Ｖcを電圧可変容量素子２のアノードに印加し、オフセット電圧（Ｖmax＋Ｖmin）／２を上乗せした周波数制御電圧Ｖaoをカソードに印加して、電圧可変容量素子２に逆電圧を印加する。したがって、温度補償電圧Ｖcをカソードに印加する場合に比較して、オフセット電圧分の電圧値を小さくできる。これにより、温度補償電圧Ｖc（基準値Ｖco）を生成する際、雑音成分を低減して、位相雑音特性を改善できる。
【００２２】
【他の事項】
上記実施例では、電圧可変容量素子２のカソードに印加する固定電圧Ｖoは温度補償電圧の上限値にオフセット電圧を加えた電圧以上としたが、電圧可変容量素子は順方向降下電圧Ｖt例えば約0.7Ｖを有する。したがって、実際には、固定電圧は順方向電圧Ｖtを差し引いた値とすればよい。
【００２３】
また、ダイオード９（ａｂ）の順方向降下電圧は約0.7Ｖとして説明したが、これは常温２５℃の値であり、実際には微小な温度特性を有する。したがって、この温度特性による周波数変化が無視できない場合には、水晶振動子１の温度特性を例えば切断角度を変えることによって予め補正しておけばよい。
【００２４】
また、水晶振動子１は水晶振動子１の両端側にそれぞれ設けたが、一端側でも適用できる。さらに、インバータ増幅器を用いたが、トランジスタ等を用いた増幅器であったとしても適用できる。また、固定電圧Ｖoは、ダイオードの順方向電圧を利用して低雑音の生成したが、例えば予め雑音の小さい固定電圧（電池）を使用してもよい。但し、実施例の方がＩＣ内部で生成できるので、小型化にとっては有利である。本発明は以上のようにその趣旨を逸脱しない範囲内で適宜変更自在とする。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、周波数温度特性を有する水晶発振器の発振閉ループ内に電圧可変容量素子を挿入し、前記電圧可変容量素子に温度補償電圧を印加して前記周波数温度特性を補償してなる温度補償水晶発振器において、前記電圧可変容量素子のアノードには前記温度補償電圧を印加し、前記電圧可変容量素子のカソードには前記電圧可変容量素子に対して逆電圧となる固定電圧を印加してなり、前記固定電圧は前記温度補償電圧の上限値に発振出力の振幅レベルの半値を加えた電圧値以上であって、しかも、定電圧源に接続した抵抗とダイオードの直列回路からなり、前記直列回路の接続点から供給された電圧とする。したがって、位相雑音特性を良好に維持した温度補償発振器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明する温度補償発振器の回路図である。
【図２】本発明の他の実施例を説明する温度水晶発振器の回路図である。
【図３】従来例を説明する温度補償電圧の特性図である。
【図４】従来例を説明する発振出力（振幅特性図）である。
【図５】従来例を説明する温度補償発振器の回路図である。
【符号の説明】
１水晶振動子、２電圧可変容量素子、３帰還抵抗、４インバータ増幅器、５、７直流阻止のコンデンサ、６高周波阻止抵抗、８、１０抵抗、９ダイオード．

Claims

周波数温度特性を有する水晶発振器の発振閉ループ内に電圧可変容量素子を挿入し、前記電圧可変容量素子に温度補償電圧を印加して前記周波数温度特性を補償してなる温度補償水晶発振器において、前記電圧可変容量素子のアノードには前記温度補償電圧を印加し、前記電圧可変容量素子のカソードには前記電圧可変容量素子に対して逆電圧となる固定電圧を印加してなり、前記固定電圧は前記温度補償電圧の上限値に発振出力の振幅レベルの半値を加えた電圧値以上であって、しかも、定電圧源に接続した抵抗とダイオードの直列回路からなり、前記直列回路の接続点から供給された電圧である温度補償水晶発振器。
前記固定電圧は前記温度補償電圧の上限値に発振出力の振幅レベルの半値を加えてしかも前記電圧可変容量素子の順方向降下電圧を差し引いた値以上の電圧である温度補償水晶発振器。
前記固定電圧は自動周波数制御回路からの周波数制御電圧である請求項１の温度補償水晶発振器。