JP4314988B2

JP4314988B2 - 温度補償型圧電発振器

Info

Publication number: JP4314988B2
Application number: JP2003409532A
Authority: JP
Inventors: 好明松本
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2023-12-08
Also published as: JP2005175633A

Description

本発明は温度補償型ＳＡＷ発振器に関し、特にＳＡＷ振動子の二次の周波数温度特性を補償するための回路を設けたＳＡＷ発振器に関する。

近年、圧電発振器は周波数安定度、小型軽量、低価格等により通信機器や電子機器の多くの分野で用いられおり、中でも圧電振動子の周波数温度特性を補償した所謂温度補償型圧電発振器は、周波数の安定度を必要とする携帯電話等には不可欠のものである。また、最近、普及がめざましいリモートキーレス・エントリーシステムは、車や住居の鍵の開閉を容易にすると共に、送信信号を暗号化することでセキュリティ性も合わせ持つため、広く用いられるようになった。このリモートキーレス・エントリーシステムにも送信信号の精度を向上させるため、温度補償された圧電発振器が用いられているものがある。

図５は特開２００３−１９８２５０号公報に開示された温度補償型圧電発振器の回路構成を示す図であって、ＳＡＷ振動子Ｙ１と、コイルＬと容量ＣとサーミスタＴｈとからなるタンク回路ＴＵと、増幅回路ＡＭＰ１と、位相回路θと、増幅回路ＡＭＰ２とから構成されている。ＳＡＷ振動子Ｙ１、タンク回路ＴＵ、増幅回路ＡＭＰ１、位相回路θにより正帰還ループが形成されて発振が開始し、その発振周波数が増幅器ＡＭＰ２介して出力される。増幅器ＡＭＰ２は発振ループと出力との間の影響を低減するために設けたバッファ回路である。

図５に示した温度補償型圧電発振器の特徴はタンク回路ＴＵの動作にある。サーミスタＴｈの抵抗値は、周知のように、温度の上昇に応じて小さくなる特性を有するので、タンク回路ＴＵは、温度が低い場合は温度変化による伝達位相量の変化量が小さいのに対し、温度が高い場合は温度の変化による伝達位相量の変化が大きくなる。つまり、タンク回路ＴＵを発振ループ内に設けることにより、広い温度範囲で発振周波数の温度変化を低減するが、特に高温域での温度変化を大幅に低減することが可能であると記述されている。

図６は特開２００３−２０４２６０号公報に開示された温度補償型圧電発振器の回路構成を示す図であって、温度補償型圧電発振回路（ＴＣＸＯ）、位相比較回路、低域フィルタ、電圧制御型ＳＡＷ発振回路（ＶＣＳＯ）及び分周回路を備えている。ＴＣＸＯからはクロック信号Ｓ１出力され、位相比較回路に供給される。一方、分周回路はＶＣＳＯから出力されるクロック信号Ｓ４を分周して分周信号Ｓ５を出力する。分周回路の分周比１／Ｎは基準温度において分周信号Ｓ５の周波数がＴＣＸＯから出力されるクロック信号Ｓ１の周波数に等しくなる分周比に設定される。位相比較回路はクロック信号Ｓ１とクロック信号Ｓ５とを比較して得られた位相差信号Ｓ２を出力する。低域フィルタは位相差信号Ｓ２を平滑したものを制御信号Ｓ３としてＶＣＳＯに供給する。図６の回路構成により所謂ＰＬＬ回路が構成され、数百ＭＨｚから数ＧＨｚの高周波数帯で高い周波数安定度を満たす温度補償型圧電発振器が構成できる。
特開２００３−１９８２５０号公報特開２００３−２０４２６０号公報

解決しようとする問題点は、図５に示す回路を用いて構成した温度補償型ＳＡＷ発振器では、高精度のリモートキーレス・エントリーシステムに使用するには周波数安定度が十分ではなく、図６に示す回路を用いて構成した温度補償型ＳＡＷ発振器では、周波数安定度は十分であるものの上記システムに用いるには高価になり過ぎ、使用できない点である。

本発明は、圧電振動子を有する電圧制御型圧電発振器と、前記電圧制御型圧電発振器に温度補償用の電圧を供給する温度補償電圧生成回路とを備えた温度補償型圧電発振器であって、前記温度補償電圧生成回路は、温度によって電圧出力が変動する温度検出回路と、第１及び第２の演算増幅器と、第１及び第２のカレントミラー回路と、第１及び第２の定電圧源と、第１及び第２の抵抗と、第１及び第２のトランジスタとを少なくとも備えており、前記第１の演算増幅器の正側入力には前記温度検出回路が接続され、前記第１の演算増幅器の負側入力には前記第１の抵抗を介して前記第１の定電圧源が接続され、前記第１の演算増幅器の出力は、前記第１のトランジスタのベースおよび前記第２のトランジスタのベースに接続され、前記第１のトランジスタのコレクタは、前記第１のカレントミラー回路の入力側回路に接続され、前記第２のトランジスタのコレクタは、前記第２のカレントミラー回路の入力側回路に接続され、前記第１の演算増幅器の前記負側入力と前記第１の抵抗との接続点は、前記第１のトランジスタのエミッタおよび前記第２のトランジスタのエミッタに接続され、前記第１のカレントミラー回路の出力側回路は、前記第２のカレントミラー回路の前記入力側回路に接続され、前記第２のカレントミラー回路の出力側回路は、前記第２の演算増幅器の負側入力に接続され、前記第２の演算増幅器の正側入力には前記第２の定電圧源が接続され、前記第２の演算増幅器の出力が前記第２の抵抗を介して前記第２の演算増幅器の前記負側入力に接続され、前記第２の演算増幅器の出力が前記温度補償電圧生成回路の出力となるよう構成され、前記第１の演算増幅器の前記負側入力と前記第１の抵抗との前記接続点の電圧が前記第１の定電圧源の電圧より大きい場合、前記第１のカレントミラー回路の前記入力側回路から前記第１のトランジスタを介して電流が供給され、前記接続点の前記電圧が前記第１の定電圧源の電圧より小さい場合、前記第１の定電圧源から前記第２のトランジスタを介して前記第２のカレントミラー回路の前記入力側回路に電流が供給される温度補償型圧電発振器である。

本発明の温度補償型圧電発振器は、Ｖ字型特性する温度補償電圧生成回路を備えているため、周波数の温度補償もＶ字型特性とすることができるので、二次の周波数温度特性を有するＳＡＷ振動子と共に用いれば、高い周波数安定度の発振器を構成できるという利点と、温度補償電圧生成回路は容易にＩＣ化が可能であり、温度補償型圧電発振器のコストを大幅に低減できるという利点がある。

図１は本発明に係る温度補償型ＳＡＷ発振器の実施の形態を示す回路図であって、温度変化を電圧変化に変換する温度補償回路αと、生成電圧を容量に変換する電圧−容量変換回路βと、ＳＡＷ振動子と増幅器とからなるコルピッツ型発振回路γと、該発振回路γを制御（ＯＮ／ＯＦＦ）する回路とから構成される。図１に示すコルピッツ型発振回路γは、トランジスタＴｒのコレクタ−ベース間の誘導性素子として、ベース−接地間にＳＡＷ振動子Ｙ１、容量Ｃ３及びバラクタダイオードＤｖの直列接続素子を用いる。さらに、ベース−接地間に容量Ｃ１とＣ２との直列接続素子を接続すると共に、エミッタ−アース間に抵抗Ｒ２を挿入し、容量Ｃ１、Ｃ２の中点とエミッタとを接続して構成する。
また、電圧容量変換回路βは図１に示すように、抵抗Ｒ４の両端子にバラクタダイオードＤｖと容量Ｃ４との一端をそれぞれ接続し、他の端子を接地したπ型回路で、該回路と前記コルピッツ型発振回路γとにより電圧制御型発振回路が構成される。

図２は、図１にブロック図で示した温度補償回路α（温度補償電圧生成回路）の構成を詳細に示す図であって、温度補償電圧生成回路αは、温度によって電圧出力が変動する温度検出回路と、第１及び第２の演算増幅器Ｕ１、Ｕ２と、第１及び第２のカレントミラー回路Ｍ１、Ｍ２と、第１及び第２の定電圧源Ｖ１、Ｖ２とを備えている。
第１の差動増幅器Ｕ１の＋入力には、図２に示すように一方の端子を電源Ｖｃｃに接続した抵抗Ｒ２の他方の端子を接続すると共に、ダイオードＤ１、Ｄ２を直列接続した複合ダイオードＤの一方の端子を接続し、Ｄの他方の端子は接地した温度検出回路を接続する。第１の差動増幅器Ｕ１の−入力端子には抵抗Ｒ１を介して第１の定電源Ｖ１の＋側と接続し、電源Ｖ１の−側を接地する。そして、第１の差動増幅器Ｕ１の出力とトランジスタＱ１のベースを接続し、トランジスタＱ１のエミッタとＵ１の−入力端子とを接続する。第１のカレントミラー回路Ｍ１のトランジスタＱ３のコレクタと前記トランジスタＱ１と接続すると共に、トランジスタＱ３のコレクタとベースを導通する。トランジスタＱ１のベースとトランジスタＱ５のベースを接続すると共に、エミッタと第１の差動増幅器Ｕ１の−入力端子とを接続する。

さらに、トランジスタＱ５のコレクタと、第１のカレントミラー回路Ｍ１のトランジスタＱ４のコレクタと、第２のカレントミラー回路Ｍ２のトランジスタＱ６のコレクタとを接続すると共に、トランジスタＱ６のコレクタとベースとを導通する。第２のカレントミラー回路Ｍ２のトランジスタＱ７のコレクタと第２の差動増幅器Ｕ２の−入力とを接続し、第２の定電源Ｖ２の＋側を第２の差動増幅器Ｕ２の＋入力に接続し、電源Ｖ２の−側を接地する。第２の差動増幅器Ｕ２の出力と−入力とを抵抗Ｒ３介して接続する。

図２に示す温度補償回路αの動作を図３、図４を用いて詳細に説明する。周知のように、圧電結晶を用いて構成したＳＡＷ共振子の温度−周波数特性（周波数温度特性とも言う）は一般に上に凸の逆Ｕ字型の曲線を呈する。例えば、図３の曲線Ａ（一点鎖線）は補償回路の無いＳＡＷ共振子を用いた発振回路の温度−周波数特性例であり、頂点温度Ｔｐを中心として低温になるに従って、あるいは高温になるに従って周波数が曲線的に低下する逆Ｕ字型曲線となる。そこで、本発明においては、図３の破線Ｂに示すように発振回路の周波数をＶ字型に制御することにより、曲線Ａの周波数変動を相殺して、図３の実線Ｃに示すような温度変化に対して周波数変動を少なくした特性を得ている。図４（ａ）は図２に示したダイオードＤ１、Ｄ２を直列接続した複合ダイオードＤの温度特性で、横軸は温度、縦軸は複合ダイオードＤの両端の呈する電圧Ｖｄである。この図より温度の上昇に伴い複合ダイオードＤの両端の呈する電圧Ｖｄは直線的に低下する。ここで、Ｔｐは図１に示すＳＡＷ振動子Ｙ１が呈する周波数温度特性の頂点温度Ｔｐである。温度Ｔｐで複合ダイオードＤの両端の呈する電圧Ｖｄの値をＶｄｐとする。ここで、第１の定電源Ｖ１の電圧を電圧Ｖｄｐと等しく設定する。
いま、温度補償型ＳＡＷ発振器の周囲温度Ｔが温度Ｔｐより低い場合を想定すると、電圧ＶｄすなわちＶ＋はＶｄｐより高い値となる。すると、差動増幅器の特性（差動増幅器の増幅度を無限大∞とすると、＋入力の電圧Ｖ＋と−入力の電圧Ｖ−が等しくなるように動作する）より、第１の差動増幅器Ｕ１の２つの入力端子はＶ＋＝Ｖ−となり、抵抗Ｒ１とトランジスタＱ１のエミッタと第１の演算増幅器の−入力との接続点ではＶ−＞Ｖｄｐとなるので、カレントミラー回路Ｍ１からトランジスタＱ１を通して電流Ｉ_Ｌが供給されることになる。カレントミラー回路の特性より同じ電流Ｉ_Ｌがカレントミラー回路Ｍ１のトランジスタＱ４を介して、トランジスタＱ６に供給される。これに応じ、カレントミラー回路Ｍ２のトランジスタＱ７にも電流Ｉ_Ｌが流れることになる。トランジスタＱ７に流れる電流Ｉ_Ｌは第２の差動増幅器Ｕ２の抵抗Ｒ３を介してトランジスタＱ７に供給されることになるから、第２の差動増幅器Ｕ２の出力電圧Ｖcontは電流Ｉ_Ｌに応じて変化することになる。

次に温度補償型ＳＡＷ発振器の周囲温度Ｔが温度Ｔｐより高い場合を想定すると、複合ダイオードＤの両端の電圧ＶｄはＶｄｐより下降し、Ｖ＋＝Ｖｄ＜Ｖ１となる。抵抗Ｒ１とトランジスタＱ１のエミッタの接続点の電圧Ｖ−はＶ−＝Ｖ＋＜Ｖ１となるので、電源Ｖ１からトランジスタＱ５を介して電流Ｉ_Ｈを供給する。該電流Ｉ_ＨがトランジスタＱ６に流れると、カレントミラー回路Ｍ２のトランジスタＱ７を介して電流Ｉ_Ｈが流れることになる。トランジスタＱ７に流れる電流Ｉ_Ｈは第２の差動増幅器Ｕ２の抵抗Ｒ３を介してトランジスタＱ７に供給される。この電流を供給すべく第２の差動増幅器Ｕ２の出力電圧Ｖcontが上昇することになる。ここで、温度ＴがＴｐと等しい場合にはカレントミラー回路Ｍ１、Ｍ２とも電流が流れないので、第２の差動増幅器Ｕ２の出力電圧Ｖcontは第２の定電源Ｖ２の電圧値がそのまま出力されることになる。つまり、図２に示す温度補償回路αの出力電圧Ｖcontの温度特性は、図４（ｂ）に示したように温度Ｔｐで最小電圧Ｖ２を呈するＶ字型の電圧特性となる

図１に示すバラクタダイオードＤｖの印加電圧（Ｖcont）−容量特性は、図３（ｃ）に示すように電圧Ｖcontが増大するに応じて容量Ｃは減少する。いま、コルピッツ発振回路γの温度を一定にしておき、複合ダイオードＤの周囲温度Ｔのみを変化さるとすると、コルピッツ発振回路γの周波数温度特性は図３（ｄ）に示すように温度Ｔｐを最小値とするＶ字型周波数特性となる。
図４はＳＡＷ振動子のみの周波数温度特性Ａに、温度補償回路αによる周波数温度特性Ｂを加えることにより、温度補償後の本発明の温度補償型ＳＡＷ発振器の周波数温度特性Ｃが得られる。
また、上述した回路はＩＣ化が容易であり、温度補償型ＳＡＷ発振器のコストを大幅に低減できる利点がある。

本発明に係る温度補償型圧電発振器の回路構成を示した図である。温度補償回路（温度補償電圧生成回路）の詳細を示す回路図である。ＳＡＷ振動子のみの周波数温度特性と、温度補償型圧電発振器の周波数温度特性とを示す図である。（ａ）はダイオードの電圧−温度特性、（ｂ）は温度補償回路（温度補償電圧生成回路）の出力電圧−温度特性、（ｃ）はバラクターダイオードの容量−電圧特性、（ｄ）は補償回路のみの周波数温度特性である。従来の温度補償型圧電発振器の回路ブロック図である。従来の周波数安定度の高い温度補償型圧電発振器の回路ブロック図である。

符号の説明

Ｔｒ、Ｑ１、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７トランジスタ
Ｙ１圧電振動子
Ｄｖバラクタ・ダイオード
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４抵抗
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５容量
Ｖ１、Ｖ２電源
Ｄ１、Ｄ２ダイオード
Ｕ１、Ｕ２差動増幅器
Ｖcont 差動増幅器の出力電圧
Ｖｃｃ電源

Claims

圧電振動子を有する電圧制御型圧電発振器と、前記電圧制御型圧電発振器に温度補償用の電圧を供給する温度補償電圧生成回路とを備えた温度補償型圧電発振器であって、
前記温度補償電圧生成回路は、
温度によって電圧出力が変動する温度検出回路と、
第１及び第２の演算増幅器と、
第１及び第２のカレントミラー回路と、
第１及び第２の定電圧源と、
第１及び第２の抵抗と、
第１及び第２のトランジスタと
を少なくとも備えており、
前記第１の演算増幅器の正側入力には前記温度検出回路が接続され、
前記第１の演算増幅器の負側入力には前記第１の抵抗を介して前記第１の定電圧源が接続され、
前記第１の演算増幅器の出力は、前記第１のトランジスタのベースおよび前記第２のトランジスタのベースに接続され、
前記第１のトランジスタのコレクタは、前記第１のカレントミラー回路の入力側回路に接続され、
前記第２のトランジスタのコレクタは、前記第２のカレントミラー回路の入力側回路に接続され、
前記第１の演算増幅器の前記負側入力と前記第１の抵抗との接続点は、前記第１のトランジスタのエミッタおよび前記第２のトランジスタのエミッタに接続され、
前記第１のカレントミラー回路の出力側回路は、前記第２のカレントミラー回路の前記入力側回路に接続され、
前記第２のカレントミラー回路の出力側回路は、前記第２の演算増幅器の負側入力に接続され、
前記第２の演算増幅器の正側入力には前記第２の定電圧源が接続され、
前記第２の演算増幅器の出力が前記第２の抵抗を介して前記第２の演算増幅器の前記負側入力に接続され、
前記第２の演算増幅器の出力が前記温度補償電圧生成回路の出力となるよう構成され、
前記第１の演算増幅器の前記負側入力と前記第１の抵抗との前記接続点の電圧が前記第１の定電圧源の電圧より大きい場合、前記第１のカレントミラー回路の前記入力側回路から前記第１のトランジスタを介して電流が供給され、
前記接続点の前記電圧が前記第１の定電圧源の電圧より小さい場合、前記第１の定電圧源から前記第２のトランジスタを介して前記第２のカレントミラー回路の前記入力側回路に電流が供給されることを特徴とする温度補償型圧電発振器。
前記第１の定電圧源の電圧は、前記圧電振動子の二次の周波数温度特性の頂点温度における前記温度検出回路の両端の電圧と等しいことを特徴とする請求項１に記載の温度補償型圧電発振器。
前記圧電振動子は二次の周波数温度特性を有するＳＡＷ振動子であることを特徴とする請求項１に記載の温度補償型圧電発振器。