JP5918546B2 - 温度補償型水晶発振器 - Google Patents
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Description
従来の温度補償型水晶発振器(TCXO:Temperature Compensated Crystal Oscillator)は、電圧制御発振器に温度補償回路を付加して、周囲温度の変化による周波数の変動を少なくしたものである。
そして、従来の温度補償型水晶発振器では、電源供給直後に周波数がドリフト(変動又はふらつき)することがあり、特に電源投入による発熱によって周波数ドリフト特性が変化するようになっていた。
しかし、温度補償型水晶発振器における周波数ドリフト特性は、うねりを持った特性となっているため、従来の手段では補償することができなかった。
周波数ドリフト特性について図17を参照しながら説明する。図17は、高温(+85℃)における周波数ドリフト特性を示す図である。尚、図17では、縦軸の周波数(Freq.)をLinearで、横軸の時間(Time(s))をLogで表している。
電源投入後に、周波数ドリフトが発生するが、図17において太い波線部分で囲んだ所がうねり部分を示している。
尚、関連する先行技術として、特開平10−224148号公報「圧電発振器」(東洋通信機株式会社)[特許文献1]、特開平07−254818号公報「電圧制御発振器」(株式会社東芝他)[特許文献2]、特開2003−258551号公報「発振回路の温度補償回路およびその温度補償方法」(セイコーエプソン株式会社)[特許文献3]、特開2008−271355号公報「表面実装用の温度補償水晶発振器」(日本電波工業株式会社)[特許文献4]、特開平09−018234号公報「温度補償圧電発振器」(セイコーエプソン株式会社)[特許文献5]、特開平07−162233号公報「ディジタル温度補償水晶発振器」(株式会社明電舎他)[特許文献6]、特開平11−355044号公報「電圧制御発振器」(ミツミ電機株式会社)[特許文献7]がある。
特許文献2には、電圧制御発振器において、温度ドリフト補償回路により制御電圧の制御特性のリニアリティ最良点に対する温度ドリフト補償を行うことが示されている。
特許文献4には、温度補償水晶発振器において、ICチップの起動時における発熱による検出温度と水晶片の動作温度との温度差に基づく温度補償電圧の補償誤差分を予め計測し、補償誤差分を補正する起動時補正電圧を電圧可変容量素子に印加することが示されている。
特許文献6には、ディジタル温度補償水晶発振器において、ICチップ内に温度補償回路を内蔵するために、スイッチ回路により電流を制御する構成が示されている。
特許文献7には、電圧制御発振器において、ICチップ内に容量可変回路を内蔵し、その回路を可変容量ダイオード、コンデンサ等で構成したことが示されている。
また、本発明は、第1の周波数ドリフト補償回路が出力する制御電圧によって得られる周波数補償特性は、第1の期間において急峻な立ち上がりとなるものであり、第2の周波数ドリフト補償回路が出力する制御電圧によって得られる周波数補償特性は、第2の期間においてなだらかに上昇するものであり、第3の周波数ドリフト補償回路が出力する制御電圧によって得られる周波数補償特性は、第3の期間においてなだらかに下降して安定化するものであることを特徴とする。
[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水晶発振器は、第1の周波数ドリフト補償回路、第2の周波数ドリフト補償回路、第3の周波数ドリフト補償回路によって第1の期間、第2の期間、第3の期間における周波数補償をそれぞれに行うと共にオフセット電圧の印加により、周波数ドリフト特性のうねりを補償し、時間経過と共にフラットな特性を実現できるものとしたものであり、周波数ドリフト特性のうねり特性を抑制できるものである。
本発明の実施の形態に係る温度補償型水晶発振器について図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 温度補償型水晶発振器の構成図である。
本発明の実施の形態に係る温度補償型水晶発振器(本発振器)は、図1に示すように、温度補償回路1と、AFC(Auto Frequency Control)回路2と、周波数ドリフト補償回路A3aと、周波数ドリフト補償回路B3bと、周波数ドリフト補償回路C3cと、加算器(Adder)4と、水晶振動子5と、インバータIC(Integrated Circuit)6と、電圧可変容量素子7a,7bと、バッファ(Buff1)8と、出力端子(OUTPUT1)9とを基本的に有している。
本発振器の各部について具体的に説明する。
温度補償回路1は、水晶振動子5の周辺の温度を検出し、検出した温度に応じて温度補償の制御電圧(温度補償制御電圧)を加算器4に出力する。
AFC(Auto Frequency Control)回路2は、出力端子9から特定の周波数を発振させるための制御電圧(発振周波数制御電圧)を加算器4に出力する。
周波数ドリフト補償回路(A,B,C)3a,3b,3cは、実施の形態において特徴的な構成であり、うねり補償のために、後述する時間t1 ,t2 ,t3 に応じてそれぞれ発振器の周波数ドリフト特性を補償する制御電圧(周波数ドリフト補償制御電圧)を水晶振動子5及びインバータIC6の両端に出力する。
周波数ドリフト補償回路(A,B,C)3a,3b,3cの各々の機能、周波数ドリフト補償回路3の具体的な構成及び補償動作については後述する。
尚、加算器4における加算は、各入力電圧を重み付けして加算するようにしてもよい。
インバータIC(Integrated Circuit)6は、水晶振動子5の発振周波数を増幅し、位相を反転させてバッファ8に出力する。
具体的には、電圧可変容量素子7aのバリキャップダイオードD1 のアノード側に抵抗R1 とコンデンサC3 の並列回路の一端が接続され、他端が接地されている。
また、電圧可変容量素子7bのバリキャップダイオードD2 のアノード側に抵抗R2 とコンデンサC4 の並列回路の一端が接続され、他端が接地されている。
出力端子9は、本発振器の発振信号を出力する端子である。
図2は、うねり補償に必要な周波数特性を示す図である。図2では、縦軸の周波数(Freq.)はLinearで、横軸の時間(Time(s))をLogで表している。
図2に示すように、電源投入後の時間経過に伴う周波数変動は、その特徴をt1 ,t2 ,t3 の時間(期間)領域に分ける(区分する)ことができる。
時間t1 領域では、周波数が急峻に立ち上がり、時間t2領域では、穏やかに上昇し、時間t3領域では、穏やかに下降して時間T1 以降は安定化していることが分かる。
そこで、図3は、時間t1 領域の補償特性を示した図であり、図4は、時間t2 領域の補償特性を示した図であり、図5は、時間t3 領域の補償特性を示した図である。また、図6は、オフセット(Offset)分の補正特性を示した図である。各図は、縦軸の周波数(Freq.)がLinearで、横軸の時間(Times(s))がLogで表している。
そして、図3〜6の補償特性を足し合わせると、図2に示した特性を実現できる。
次に、周波数ドリフト補償回路について図7を参照しながら説明する。図7は、周波数ドリフト補償回路の回路図例である。
周波数ドリフト補償回路は、図7に示すように、固定電圧が一端に供給される抵抗31と、抵抗31の他端に一端が接続するコンデンサ32と、コンデンサ32の他端が接地され、抵抗31の他端とコンデンサ32の一端との間の点の電圧を入力し、増幅する増幅器(AMP)33とから構成されている。
固定電圧及び抵抗31の値及びコンデンサ32の値及び増幅器(AMP)33のゲインを調整することにより、周波数ドリフト特性を補償する電圧を増幅器33から出力するものである。
周波数ドリフト補償回路からの出力電圧について図8、図9を参照しながら説明する。図8は、周波数ドリフト補償回路出力電圧(Linear)を示す図であり、図9は、周波数ドリフト補償回路出力電圧(Log)を示す図である。
図8では、縦軸に電圧を、横軸の時間をLinearで示しており、図9では、縦軸に電圧を、横軸の時間をLogで示している。
図9に示した電圧をバリキャップダイオードD1 ,D2 のカソード側に入力した場合の補償周波数特性を図10に示す。図10は、カソード入力の補償周波数特性を示す図である。
また、図9に示した電圧をバリキャップダイオードD1 ,D2 のアノード側に入力した場合の補償周波数特性を図11に示す。図11は、アノード入力の補償周波数特性を示す図である。
周波数ドリフト補償回路B3bは、期間t2 の補償周波数の電圧をバリキャップダイオードD1 ,D2 のカソード側に出力する。
周波数ドリフト補償回路C3cは、期間t3 の補償周波数の電圧をバリキャップダイオードD1 ,D2 のアノード側に出力する。
補償特性の調整として、周波数ドリフト補償回路における固定電圧又は増幅器(AMP)33のゲインを調整することにより、図12における矢印方向(縦方向)に電圧レベルが調整できる。図12は、電圧レベルの調整を示す図である。
また、補償特性の調整として、周波数ドリフト補償回路におけるコンデンサ(C)と抵抗(R)を調整することにより、図13における矢印方向(横方向)に時定数が調整できる。図13は、時定数の調整を示す図である。
尚、t1 の期間については早い時間であり、周波数の早期安定化においては重要性が低いこともあり、ICチップの面積の縮小化などのために周波数ドリフト補償回路A3aを省略してもよい。
本発振器(TCXO)をパッケージ化した場合で、t1 〜t3 調整部の抵抗とコンデンサをパッケージの外に設けた例を示すものである。図14は、本発振器をパッケージ化した場合にt1 〜t3 調整部をパッケージ外に設けるようにしたものである。但し、固定電圧、AMPはパッケージ内に内蔵されている。
このように、うねり調整を行う回路部分を、パッケージの外部に出すことにより、大きな時定数の調整が可能となるものである。
本発振器(TCXO)をパッケージ化した場合で、t1 調整部は比較的時定数が小さいため、IC内にt1 調整部を内蔵させ、t2 〜t3 調整部の抵抗とコンデンサをパッケージの外に設けた例を示すものである。図15は、本発振器をパッケージ化した場合にt2 〜t3 調整部をパッケージ外に設けるようにしたものである。但し、固定電圧、AMPはパッケージ内に内蔵されている。
また、別の周波数ドリフト補償回路について図16を参照しながら説明する。図16は、別の周波数ドリフト補償回路の回路図である。
別の周波数ドリフト補償回路は、図16に示すように、定電流源回路34とコンデンサ32が直列に接続され、コンデンサ32の他端は接地され、定電流源回路34とコンデンサ32との間の点の電圧が増幅器(AMP)33に入力端子に入力され、その入力端子にダイオード35のアノードが接続し、ダイオード35のカソードが接地している。
図16の回路では、抵抗を用いないで実現している。
また、定電流源回路34の電流を微小電流とすることで、大きな時定数が調整できる。
本発振器によれば、周波数ドリフト補償回路A3a、周波数ドリフト補償回路B3b、周波数ドリフト補償回路C3cによって期間t1 ,t2 ,t3 における周波数補償をそれぞれに行うと共に、更にオフセット電圧の印加によって、周波数ドリフト特性のうねりを補償し、時間経過と共にフラットな特性を実現でき、周波数ドリフト特性のうねり特性を抑制できる効果がある。
Claims (7)
- 水晶振動子と、前記水晶振動子に並列に接続される増幅器と、前記増幅器の入力側と出力側にバリキャップダイオードのカソード側が接続される電圧可変容量素子とを有する水晶発振器であって、
温度補償を行う制御電圧を出力する温度補償回路と、
周波数ドリフト特性の特徴によって電源投入後に周波数ドリフト特性が急峻に立ち下がる第1の期間、なだらかに下降する第2の期間、なだらかに上昇する第3の期間に区分し、前記第1の期間で周波数補償する制御電圧を前記電圧可変容量素子のバリキャップダイオードのカソード側に出力する第1の周波数ドリフト補償回路と、
前記第2の期間で周波数補償する制御電圧を前記電圧可変容量素子のバリキャップダイオードのカソード側に出力する第2の周波数ドリフト補償回路と、
前記第3の期間で周波数補償する制御電圧を前記電圧可変容量素子のバリキャップダイオードのアノード側に出力する第3の周波数ドリフト補償回路とを有することを特徴とする水晶発振器。 - 第1の周波数ドリフト補償回路が出力する制御電圧によって得られる周波数補償特性は、第1の期間において急峻な立ち上がりとなるものであり、
第2の周波数ドリフト補償回路が出力する制御電圧によって得られる周波数補償特性は、第2の期間においてなだらかに上昇するものであり、
第3の周波数ドリフト補償回路が出力する制御電圧によって得られる周波数補償特性は、第3の期間においてなだらかに下降して安定化するものであることを特徴とする請求項1記載の水晶発振器。 - 水晶振動子と、前記水晶振動子に並列に接続される増幅器と、前記増幅器の入力側と出力側にバリキャップダイオードのカソード側が接続される電圧可変容量素子とを有する水晶発振器であって、
温度補償を行う制御電圧を出力する温度補償回路と、
周波数ドリフト特性の特徴によって電源投入後に周波数ドリフト特性が急峻に立ち下がる第1の期間、なだらかに下降する第2の期間、なだらかに上昇する第3の期間に区分し、前記第2の期間で周波数補償する制御電圧を前記電圧可変容量素子のバリキャップダイオードのカソード側に出力する第2の周波数ドリフト補償回路と、
前記第3の期間で周波数補償する制御電圧を前記電圧可変容量素子のバリキャップダイオードのアノード側に出力する第3の周波数ドリフト補償回路とを有することを特徴とする水晶発振器。 - 第2の周波数ドリフト補償回路が出力する制御電圧によって得られる周波数補償特性は、第2の期間においてなだらかに上昇するものであり、
第3の周波数ドリフト補償回路が出力する制御電圧によって得られる周波数補償特性は、第3の期間においてなだらかに下降して安定化するものであることを特徴とする請求項3記載の水晶発振器。 - 周波数ドリフト補償回路は、抵抗の一端に定電圧が印加され、前記抵抗の他端とコンデンサの一端が接続され、前記コンデンサの他端が接地され、前記抵抗と前記コンデンサの間の電圧を増幅する増幅器を備えたものであり、
全体をパッケージ化した場合に、前記周波数ドリフト補償回路の前記抵抗と前記コンデンサを前記パッケージの外部に設けたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか記載の水晶発振器。 - 周波数ドリフト補償回路は、定電流源回路とコンデンサが直列に接続され、前記定電流源回路と前記コンデンサの間の電圧を増幅する増幅器を備え、前記増幅器の入力段にダイオードのアノードが接続され、前記ダイオードのカソードが接地されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか記載の水晶発振器。
- 全体をパッケージ化した場合に、コンデンサを当該パッケージの外部に設けたことを特徴とする請求項6記載の水晶発振器。
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