JP5119826B2 - 補償電圧回路及び温度補償型圧電発振器 - Google Patents
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Description
特許文献1には、関数発生回路を備えた温度補償水晶発振器が開示されている。図10は、その温度補償水晶発振器の機能ブロック図であり、定電圧回路32と、温度センサ回路33と、水晶振動子の温度特性を補償するため制御電圧Vcを生成する制御回路34と、電圧制御水晶発振器(VCXO)35と、制御回路34が出力する制御電圧Vcに対し、VCXO35が出力する発振周波数を最適化するため、制御電圧Vcの温度特性を補償する温度補償パラメータを記憶するROM/RAM回路36と、を備えている。
制御回路34は、MAX回路34aとMIN回路34bとからなる。定電圧回路32と温度センサ回路33とによって生成される制御電圧y1、制御電圧y2及び制御電圧y3を、制御回路34aに入力すると、その内の最大電圧値を選択して制御電圧y6として出力する。また、同様に生成される制御電圧y4及び制御電圧y5並びにMAX回路34aからの制御電圧y6を、制御回路34bに入力すると、その内の最小電圧値を選択して制御電圧y7を出力する。この制御電圧y7が温度補償用の制御電圧Vcとなる。
また、特許文献2に開示された補償電圧も3本の直線からなる折れ線であり、直線と直線とのつなぎ目では電圧の変化は急激であり、所望の補償電圧と生成される補償電圧の誤差が大きいという問題と、上記の折れ線状の補償電圧を用いた温度補償型圧電発振器の出力には、周波数ディップ(周波数が急激に変化する現象)が発生するという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、簡単な回路構成で直線と直線とのつなぎ目を滑らかにし、温度補償精度を改善した補償電圧回路及び温度補償型圧電発振器を提供することにある。
このように補償電圧回路を構成すると、温度に対する補償電圧特性は、直線と直線との交点近傍が滑らかな曲線で連なる補償電圧特性となり、この補償電圧回路を温度補償型圧電発振器に適用すると、周波数の補償精度も改良され、周波数ディップも抑制できるという効果がある。
このように補償電圧回路を構成すると、ゲイン調整用増幅器のゲインを変えることにより補償電圧特性の傾斜部を上下することが可能となり、傾斜部の勾配を変える演算増幅器のゲイン調整と相まって補償電圧特性を所望の特性に近似することができるという効果がある。
また本発明の補償電圧回路は、温度センサとトランジスタのゲート(第3端子)との間にゲイン調整を行うゲイン調整用増幅器を設けるようにした。
このように補償電圧回路を構成すると、ゲイン調整用増幅器のゲインを変えることにより、特に補償電圧特性の平坦部の特性を、温度に対し単調増加、平坦、単調減少と変えることが可能となり、補償電圧特性の近似の精度を向上させることができるという効果がある。
このように補償電圧回路を構成すると、複数のゲイン調整用増幅器のゲインを夫々調整することにより補償電圧特性の曲線部をより微細に調整することが可能となり、演算増幅器のゲイン調整と相まって、補償電圧特性を所望の特性に近づけることができるという効果がある。
また本発明の補償電圧回路は、補償電圧発生部は、さらにダイオードを備え、演算増幅器の出力ラインにダイオードのカソード端子を接続し、ダイオードのアノード端子に基準電圧に印加したことを特徴とする。
このように補償電圧回路を構成すると、補償電圧回路の出力電圧を基準電圧で決まるクリップ電圧に保持することができるという利点がある。
このように補償電圧回路を構成すると、補償電圧回路にNチャネルMOS FETを用いるか、PチャネルMOSFETを用いるかで、逆特性の補償電圧特性を構成することができ、補償電圧回路の応用範囲を広げることができるという効果がある。
また本発明の補償電圧回路は、補償電圧発生部を2個有し、一方の補償電圧発生部のトランジスタをNチャネルMOSFET、他方の補償電圧発生部のトランジスタをPチャネルMOSFETとした。
このように補償電圧回路を構成すると、一方の補償電圧回路で3次曲線を呈する圧電振動子の低温から常温までの範囲を補償し、他方の補償電圧回路で常温から高温までの範囲を補償できるという効果がある。
また本発明の温度補償型圧電発振器は、本発明の補償電圧回路を備えた温度補償型圧電発振器を構成する。
このように温度補償型圧電発振器を構成すると、発振周波数の補償精度が改善されると共に、周波数ディップの抑圧が可能になるという効果がある。
補償電圧回路1は、圧電振動子Xの周囲の温度を感知する温度センサ11と、温度センサ11の温度検知結果に応じて補償電圧を発生する補償電圧発生部12と、を備える。補償電圧発生部12は、例えば演算増幅器OP、可変抵抗R1、R2及びトランジスタTrと、を備えている。
補償電圧回路1は、図1(a)に示すように、温度センサ10の出力ラインを、可変抵抗R1を介して演算増幅器OPの反転入力端子(−)に接続すると共に、基準電圧V1を非反転入力端子(+)に印加し、演算増幅器OPの反転入力端子と出力端子Aとを可変抵抗R2(帰還抵抗)を介して接続する。そして、トランジスタTrのゲート端子(第3端子)に基準電圧Vrefを印加し、ドレイン端子(第1端子)を演算増幅器OPの反転入力端子に、ソース端子(第2端子)を演算増幅器OPの出力端子Aに接続する。なお、補償電圧回路1の出力電圧Vaは、抵抗Rを介して圧電発振器10の可変容量素子Cに印加される。
まず、図1(c)のα領域の動作について説明する。このα領域においては温度センサ11の出力電圧Vsが、そのまま演算増幅器OPによって反転増幅されるため、演算増幅器OPの出力電圧Vaとしては、図1(b)のα領域に対応した出力が得られる。このとき、トランジスタTrのゲート電圧VGATE(=Vref)がソース電圧VSOURCEよりも低い状態にあるため、トランジスタTrはOFF状態であり、トランジスタTrのドレイン−ソース間は非導通の状態となっている。
ここで、トランジスタTr(NチャネルMOSFET)の動作について補足説明する。ゲート−ソース間の電圧をVGSとすると、VGSが一定電圧VT(しきい値電圧)よりも小さいときにはトランジスタTrはOFF状態となり、ドレイン−ソース間は非導通となる。逆に大きいとON状態となり、ドレイン−ソース間が導通する。つまり、VGS<VTならばトランジスタTrはOFF状態、VGS>VTならばトランジスタはON状態となることが知られている。なお、しきい値電圧VTは、MOSFETの特性によって決まるトランジスタ固有の一定電圧であり、半導体の製造プロセスによって決まる値である。
次に、図1(b)、(c)のγ領域の動作について説明する。このγ領域においては、VGS>VTであり、トランジスタTrがONする領域である。このとき、トランジスタTrのソース−ドレイン間が導通するので、温度センサ11の出力電圧Vsが増加しても、VGSはVTを少し超えたところで急激にクリップされた状態となり、ほぼ一定電圧となる。
図1(d)は、補償電圧回路1の可変抵抗R1、R2を可変させて、演算増幅器OPのゲインを調整したときの温度に対する補償電圧Vaの特性で、傾斜部の所定の位置を中心として傾斜が回転するように変化する。また、図1(e)は基準電圧V1を変えることにより、補償電圧Va特性の傾斜部を図に示すように上下に移動(リファレンス調整と称す)することができる。
図3は、第3の実施の形態の補償電圧回路3の構成を示す図であり、図1(a)の補償電圧回路1と異なる点は、温度センサ11の出力を、ゲイン調整用増幅器AMPを介してトランジスタTrのゲートに接続した点である。ゲイン調整用増幅器AMPの出力電圧(トランジスタTrのゲート入力電圧)をVT1とする。
約20℃以上の温度では、ゲート入力電圧VT1の温度特性に応じて、補償電圧Vaの温度特性が変化することが、シミュレーションにより明らかになった。図4(a)に示すように、ゲート入力電圧VT1が温度の増加に対し単調に減少する電圧であると、補償電圧Vaは図4(a)のγで示す温度範囲のように、温度の増加に伴い減少する特性を示す。また、ゲート入力電圧VT1が温度の増加に対し一定である電圧であると、補償電圧Vaは図4(b)のγで示す温度範囲のように、温度の増加に対しほぼ一定の特性を示す。また、ゲート入力電圧VT1が温度の増加に対し単調に増加する電圧であると、補償電圧Vaは図4(c)のγで示す温度範囲のように、温度の増加に対し増加する特性を示す。
補償電圧回路4は、補償電圧発生部12として、演算増幅器OP、可変抵抗R1、R2、n個のトランジスタTr1〜Trn、基準電圧V1、ゲインが調整可能なn個の増幅器AMP1〜AMPnを備える。
温度センサ11の出力ラインを、可変抵抗R1を介して演算増幅器OPの反転入力端子に接続すると共に、基準電圧V1を非反転入力端子に印加し、演算増幅器OPの反転入力端子と出力端子Aとを可変抵抗R2(帰還抵抗)を介して接続する。そして、温度センサ11の出力ラインを第i(i=1〜n)の増幅器AMPiの入力ラインに接続し、この増幅器AMPiの出力ラインを第iのトランジスタTriのゲート端子(第3端子)に接続する。第iのトランジスタTriのドレイン端子(第1端子)を演算増幅器OPの反転入力端子に、ソース端子(第2端子)を演算増幅器OPの出力に接続して補償電圧回路4を構成する。すなわち、n個のトランジスタTr1〜Trnの並列接続したものを、演算増幅器OPの反転入力端子と出力端子とに接続した構成とする。
温度が上昇するにつれて、ゲート入力電圧Vtiの高いものからトランジスタTriが次々にONし、そのゲート入力電圧Vtiによるソース電流が流れ、補償電圧Vaを得る。従って、補償電圧Vaは、折れ線状に接続された特性となる。しかも、温度と補償電圧Vaとの関係を表す直線と直線との接続点の近傍は、滑らかな曲線を呈するのが本発明の特徴である。このように、ゲインの調整できる複数の増幅器AMPiと、複数のトランジスタTriを用いることにより、補償電圧Vaの温度特性をより滑らかにすることが可能とり、ひいては、温度補償型圧電発振器の温度特性を滑らかにし、周波数ディップの発生を抑圧する効果がある。
図7(a)に示す補償電圧回路6のうち、ゲイン調整用増幅器AMP2、可変抵抗R3、R4、演算増幅器OP2、及びトランジスタTr2(PチャネルMOSFET)を備えた第2の補償電圧発生部は、図2に示した補償電圧回路2とほぼ同じ回路構成であるが、ゲイン調整用増幅器AMP2が反転増幅器であり、トランジスタTr2がPチャネルMOSFETである点が異なる。
この場合、第2の補償電圧発生部の補償電圧Va2の特性は、図7(d)に示すような特性となる。従って、演算増幅器OP1の出力電圧Va1と、演算増幅器OP2の出力電圧Va2とを加算器Kに入力することにより、加算器Kの出力電圧、即ち補償電圧回路6の補償電圧Va3は、図7(e)示すような負の3次曲線を呈する特性となる。このような補償電圧Va3は、3次曲線を呈する圧電振動子の補償電圧として用いることにより、可変容量素子を1個のみ有する発振回路の温度補償を行うことができる。
また、温度補償回路は、例えば低温用MOS容量素子MLと容量C14との直列回路に、高温用MOS容量素子MHを並列接続し、低温用MOS容量素子MLのゲートに容量C15の一方の端子を接続し、他方の端子を接地する。
更に、低温用MOS容量素子MLと高温用MOS容量素子MHとの接続点に基準電圧Vref8を印加する。補償電圧回路6の演算増幅器OP1の補償電圧Va1を、抵抗R14を介して低温用MOS容量素子MLのバックゲートに接続し、演算増幅器OP2の補償電圧Va2を、抵抗R15を介して高温用MOS容量素子MHのゲートに接続して、温度補償型圧電発振器を構成する。
以上説明したように、本発明の補償電圧回路6から生成される滑らかな補償電圧を、温度補償回路に印加することにより、圧電振動子の周波数補償精度が改善されると共に、補償電圧の直線同士の接続部が滑らかに形成されているので、周波数ディップの発生を抑圧することができるという効果がある。
Claims (7)
- 温度センサと、
トランジスタ、前記温度センサの出力信号を増幅する演算増幅器およびゲイン調整を行うゲイン調整用増幅器を有している補償電圧発生部と、を備え、
前記温度センサの出力信号端子ならびに前記トランジスタの第1端子と前記演算増幅器の反転入力端子が接続されており、かつ前記トランジスタの第2端子と前記演算増幅器の出力端子が接続されており、
前記出力信号端子と前記トランジスタの第3端子との間に前記ゲイン調整用増幅器が接続されており、前記温度センサの温度検知結果に応じた補償電圧を発生することを特徴とする補償電圧回路。 - 前記トランジスタは複数のトランジスタを並列接続したものであって、前記複数のトランジスタのそれぞれの第1端子が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、前記複数のトランジスタのそれぞれの第2端子が前記演算増幅器の出力端子に接続されたものであることを特徴とする請求項1記載の補償電圧回路。
- 前記トランジスタの第1端子が前記トランジスタのドレイン端子であり、前記トランジスタの第2端子が前記トランジスタのソース端子であり、前記トランジスタの第3端子が前記トランジスタのゲート端子である、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の補償電圧回路。
- 前記補償電圧発生部は、さらにダイオードを備え、前記演算増幅器の出力信号を前記ダイオードのカソード端子に供給し、前記ダイオードのアノード端子に基準電圧に印加したことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の補償電圧回路。
- 前記トランジスタは、NチャネルMOSFET又はPチャネルMOSFETであることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の補償電圧回路。
- 前記補償電圧発生部を2個有し、一方の前記補償電圧発生部の前記トランジスタをNチャネルMOSFET、他方の前記補償電圧発生部の前記トランジスタをPチャネルMOSFETとしたことを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の補償電圧回路。
- 請求項1乃至6の何れかの補償電圧回路を備えたことを特徴とする温度補償型圧電発振器。
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