JPH0918234A - 温度補償圧電発振器 - Google Patents

温度補償圧電発振器

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JPH0918234A
JPH0918234A JP8061493A JP6149396A JPH0918234A JP H0918234 A JPH0918234 A JP H0918234A JP 8061493 A JP8061493 A JP 8061493A JP 6149396 A JP6149396 A JP 6149396A JP H0918234 A JPH0918234 A JP H0918234A
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temperature
circuit
frequency
power supply
piezoelectric oscillator
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Manabu Oka
学 岡
Kazunari Ichise
和成 市瀬
Masayuki Kikushima
正幸 菊島
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Seiko Epson Corp
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L1/00Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
    • H03L1/02Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
    • H03L1/022Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature
    • H03L1/026Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature by using a memory for digitally storing correction values
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
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    • H03L1/02Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
    • H03L1/028Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only of generators comprising piezoelectric resonators

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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
  • Logic Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 IC化および製造後の調整作業が容易で、か
つ、可変リアクタンス素子などを外付けすることなく周
波数温度特性を補償することができる、温度補償圧電発
振器を提供する。 【解決手段】 温度補償圧電発振器1は、周波数温度特
性を有する圧電振動子9と、圧電振動子9を発振させる
とともに、印加電源電圧VDD(T)の変化に応じて発
振周波数を変化させる発振回路8と、圧電振動子9の周
囲温度Tを検出する温度検出回路2と、温度検出回路2
の検出温度に応じて、周波数温度特性を変化させる印加
電源電圧VDD(T)を、発振回路8に供給する可変電
源回路15と、を備えていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、通信機器等の周波
数基準源に用いられる温度補償圧電発振器に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、温度による周波数変化を補償する
圧電発振回路として、図22(a)に示すようなアナロ
グ型の温度補償圧電発振器が用いられてきた。このよう
な回路構成のものは、例えば特公昭64−1969に開
示されている。同図に示すように、この温度補償圧電発
振器100は、圧電振動子9と、圧電振動子9を発振さ
せるコルピッツ型発振回路108と、その周波数温度特
性を補償する温度補償回路網101とを備えている。
【0003】温度補償回路網101は、同図(b)に示
すように、高温温度補償回路101aと、低温温度補償
回路101bとを直列に接続して構成される。高温温度
補償回路101aは、サーミスタRTH(T) と高温側温
度特性調整用抵抗RCHとを直列に接続し、これらに並列
にコンデンサCH を接続して構成され、また、低温温度
補償回路101bは、サーミスタRTL(T) 、低温側温
度特性調整用抵抗RCLおよびコンデンサCL を並列に接
続して構成される。これらの構成により、温度補償回路
網101は、圧電振動子9の持つ周波数温度特性、例え
ばATカット水晶振動子の3次特性(図3参照)を補償
するように、コルピッツ型発振回路108のリアクタン
ス特性を変化させ、圧電振動子9の周波数温度特性を相
殺することによって、コルピッツ型発振回路108の出
力fout の周波数、すなわち温度補償圧電発振器100
の発振周波数を所定範囲内に維持している。そして、こ
れらの回路は、図23に示すように、回路基板143の
表裏に半田付けされ、樹脂ベース144に搭載されて、
金属カバー145により封入される。
【0004】図24は、従来の温度補償圧電発振器の他
の一例を示しており、発振器の温度による周波数変化の
補償をディジタル的に行う温度補償圧電発振器の構成を
示すものである。同図に示すように、この温度補償圧電
発振器200は、周囲(環境)温度Tを検出してその検
出温度に対応した電圧Vsens(T) を出力する温度検出回
路2と、電圧Vsens(T) をディジタル値の温度データに
変換するA/D変換器52と、その温度データに対応し
た温度特性補償データを出力するデータ記憶回路204
と、温度特性補償データを制御電圧Vcont(T) に変換し
て出力するD/A変換器253と、発振回路119とを
備え、周囲温度Tに応じた制御電圧Vcont(T) が発振回
路119に入力されるように構成されている。温度特性
補償データは、温度補償圧電発振器200の製造後の調
整作業時に、外部から接続されるf0・温度特性調整回
路11と、内部のデータ入出力回路10とを介して、デ
ータ記憶回路204内に予め記憶される。
【0005】図24および図25に示すように、発振回
路119には、さらに、圧電振動子9と、定電圧回路3
と、f0調整回路7と、可変リアクタンス素子202
と、出力バッファ12が接続されている。f0調整回路
7は、データ記憶回路204内の周波数設定データに基
づき基準周波数f0を調整するための回路であり、その
周波数設定データは、圧電振動子9の製造ばらつきによ
る周波数偏差を調節するためのデータとして、温度特性
補償データと同様に、f0・温度特性調整回路11とデ
ータ入出力回路10により、データ記憶回路204内に
予め記憶される。可変リアクタンス素子202は、制御
電圧Vcont(T) によりリアクタンス特性を変化させ、圧
電振動子9の持つ周波数温度特性を相殺するための素子
であり、温度補償圧電発振器200の発振周波数は、こ
の可変リアクタンス素子202の作用によって所定範囲
内に維持される。そして、この温度補償圧電発振器20
0は、図26に示すように、圧電振動子9と、可変リア
クタンス素子202と、これら以外の回路をIC化した
温度補償発振器IC241のみの構成とすることがで
き、この3個の部品を、リードフレーム242上に搭載
して、プラスチック一体モールド240とすることもで
きる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記の温度補償圧電発
振器100や温度補償圧電発振器200では、周波数温
度特性の補償のために、すなわち、高精度の周波数特性
を得るために、周囲温度Tに応じてリアクタンスを精度
良く変化させる必要があり、そのための回路または素子
を、発振回路108または119に外付けしている。
【0007】一般に、上記の温度補償圧電発振器100
では、CMOSと比べて広い周波数特性を得られるバイ
ポーラトランジスタが用いられ、それに合わせて、抵抗
値が大きくかつ高精度の抵抗やサーミスタ、および、容
量が大きくかつ高精度のコンデンサなどが用いられる。
しかし、これらは一般にIC化が困難な部品であるた
め、温度補償圧電発振器100では、これらの部品とし
て個別の部品を使用せざるを得ず、これにより、部品点
数が多くなってしまい、小型化できないという欠点があ
る。また、各部品を回路基板143に半田付けするた
め、リフロー実装などは不可能である。さらに、温度特
性の調整を行う際には、温度特性調整用抵抗RCH,RCL
を仮付けし、個々の製品について温度特性を確認後、補
償の度合いに応じた温度特性調整用抵抗RCHおよびRCL
に付け替える必要があるため、調整作業が極めて煩雑で
あり、このことが、生産性を低下させコストを上昇させ
る一因となっている。
【0008】一方、温度補償圧電発振器200では、デ
ータ記憶回路204内に温度特性補償データや周波数設
定データを予め記憶させることによって、周波数特性の
調整作業が容易であり、また、圧電振動子9と、可変リ
アクタンス素子202と、温度補償発振器IC241の
みの構成とすることができ、ある程度の小型化は可能で
ある。しかしながら、この温度補償圧電発振器200に
おいても、バリキャップダイオードなどに代表される可
変リアクタンス素子202が必要とされ、この可変リア
クタンス素子も、上記の温度補償圧電発振器100の各
部品と同様に、一般にCMOS_IC内に構成すること
は困難であり、また、無理に構成しても、外付けの可変
リアクタンス素子に比べ、直線性や可変範囲などの特性
が大きく劣るため、周波数温度特性を精度良く補償する
ことは困難である。
【0009】また、f0調整回路7と同等の回路を、可
変リアクタンス素子202の代用とすることも考えられ
るが、初期設定となる素子のばらつきの補償と異なり、
検出された周囲温度Tに応じて変化すると、温度特性補
償データのビットの過渡的な変化によるノイズが発生し
てしまうため、実用的ではない。すなわち、温度補償圧
電発振器200では、外付けの可変リアクタンス素子2
02が必須の構成要素となってしまい、その分だけ、小
型化が進まず、部品及び実装コストがかかる原因となっ
ている。
【0010】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたものであり、IC化および製造後の調整作
業が容易で、かつ、可変リアクタンス素子などを外付け
することなく周波数温度特性を補償することができる、
温度補償圧電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】請求項1の温度補償圧電
発振器は、周波数温度特性を有する圧電振動子と、前記
圧電振動子を発振させるとともに、印加電源電圧の変化
に応じて発振周波数を変化させる発振回路と、前記圧電
振動子の周囲温度を検出する温度検出回路と、前記温度
検出回路の検出温度に応じて、前記周波数温度特性を変
化させる前記印加電源電圧を、前記発振回路に供給する
可変電源回路と、を備えていることを特徴とする。
【0012】この構成によれば、周囲温度に応じて圧電
振動子の発振周波数が変化しても、その周囲温度に応じ
て発振回路に供給する印加電源電圧を変化させ、その印
加電源電圧の変化に応じて発振周波数を変化させること
ができるため、圧電振動子の周波数温度特性を相殺する
ように変化させることによって、発振器全体としての発
振周波数を所定範囲内に維持することができる。また、
印加電源電圧を変化させることによって、周波数温度特
性を補償するため、従来のような可変リアクタンス素子
などを発振回路に外付けする必要がなくなる。したがっ
て、温度補償圧電発振器内の各回路素子をCMOSプロ
セス等で構成し易くなり、この結果、IC化が容易にな
る。
【0013】請求項1の温度補償圧電発振器において、
前記可変電源回路は、前記周波数温度特性を相殺するた
めの温度特性補償データを、周囲温度に対応して記憶す
るデータ記憶手段を有し、前記データ記憶手段から前記
検出温度に応じて読みだした該当する温度特性補償デー
タに基づいて、前記印加電源電圧を変化させることが、
好ましい。
【0014】この構成によれば、検出した周囲温度に応
じて温度特性補償データを読み出し、その温度特性補償
データに基づいて印加電源電圧を変化させることができ
るため、圧電振動子の周波数温度特性を相殺するための
印加電源電圧を、容易に生成することができる。
【0015】請求項1の温度補償圧電発振器において、
前記可変電源回路は、前記周波数温度特性が、周囲温度
T、1次係数A、2次係数B、および3次係数Cを用い
て、関数f(T)=A(T−25)+B(T−25)2
+C(T−25)3で近似できるときに、前記1次係数
A、前記2次係数Bおよび前記3次係数Cに係る周波数
の変化のうち、少なくとも1つの周波数の変化を相殺す
るように設定された温度特性補償データを記憶するデー
タ記憶手段を有し、前記データ記憶手段から読みだした
前記温度特性補償データに基づいて、前記関数f(T)
に従った周波数の変化を相殺するように、前記印加電源
電圧を変化させることが、好ましい。
【0016】この構成によれば、温度特性補償データを
読み出し、その温度特性補償データに基づいて、1次係
数A、2次係数B、および3次係数Cに係る周波数の変
化のうち、少なくとも1つの周波数の変化を相殺するよ
うな印加電源電圧を、容易に生成することができる。
【0017】請求項3の温度補償圧電発振器において、
前記温度特性補償データは、前記周辺温度T、乗算係数
Gおよび加算係数Hから成る一次関数V(T)=G
(T)+Hの、前記乗算係数Gおよび前記加算係数Hを
有し、前記可変電源回路は、前記乗算係数Gおよび前記
加算係数Hを読み出すとともに、前記一次関数V(T)
に基づいて、前記1次係数Aに係る周波数の変化を相殺
するように、前記印加電源電圧を変化させることが、好
ましい。
【0018】この構成によれば、温度特性補償データと
して記憶された乗算係数Gと加算係数Hを読み出し、そ
の乗算係数Gおよび加算係数Hに基づいて、1次係数A
に係る周波数の変化を相殺するような印加電源電圧を、
容易に生成することができる。また、この場合、データ
記憶手段に記憶する温度特性補償データは、最低限、乗
算係数Gと加算係数Hだけですむため、記憶容量の少な
いデータ記憶手段を使用することができ、これにより、
温度補償圧電発振器を、より小型化することが可能にな
る。
【0019】請求項2ないし4のいずれかの温度補償圧
電発振器において、前記データ記憶手段に対して、当該
温度補償圧電発振器の外部からデータを入力可能なデー
タ入力手段を、さらに備えていることが好ましい。
【0020】この構成によれば、温度補償圧電発振器の
製造後に、温度特性補償データなどのデータを外部から
入力することができるため、内部の各回路素子を入れ換
えること無く、製造ばらつきなどによる回路特性の違い
を個別に調整することができる。すなわち、温度補償圧
電発振器をIC化して大量生産等が可能になり、低コス
ト化が図れるとともに、製造後の調整作業を容易に行う
ことができる。
【0021】請求項2ないし5のいずれかの温度補償圧
電発振器において、前記データ記憶手段は、前記圧電振
動子の基準温度における基準発振周波数を補正するよう
に設定された周波数設定データを、さらに有し、前記可
変電源回路は、前記データ記憶手段から読みだした周波
数設定データに基づいて、前記基準発振周波数を補正す
ることが、好ましい。
【0022】例えば、製造ばらつきなどにより、温度補
償圧電発振器に使用された圧電振動子の基準発振周波数
がずれている場合がある。この構成によれば、そのよう
な場合にも、その圧電振動子の特性に応じた周波数設定
データに基づいて、基準発振周波数のズレを容易に補正
することができ、これにより、発振周波数の精度を高く
することができる。また、温度補償圧電発振器の製造後
に、この周波数設定データを変更できるようにすれば、
IC化して大量生産した場合でも、製造後の発振周波数
の調整作業を容易に行うことができる。
【0023】請求項1または4の温度補償圧電発振器に
おいて、前記可変電源回路は、前記検出温度の上昇に応
じて、前記印加電源電圧を上昇させることが、好まし
い。
【0024】一般に、発振回路は、高温において発振余
裕度が減少し、発振停止電圧が上昇する傾向がある。こ
の構成によれば、周囲温度の上昇に応じて、印加電源電
圧を上昇させるので、高温においても発振余裕度を確保
することが可能になる。
【0025】請求項1ないし7のいずれかの温度補償圧
電発振器において、前記可変電源回路は、前記印加電源
電圧の変化範囲を制限するリミッタ回路を、さらに備え
ていることが好ましい。
【0026】この構成によれば、リミッタ回路によっ
て、発振回路に供給する印加電源電圧を所定の変化範囲
内に制限することができる。
【0027】請求項8の温度補償圧電発振器において、
前記変化範囲は、上限が、当該温度補償圧電発振器自体
に供給される電源電圧より低い電圧に設定されているこ
とが、好ましい。
【0028】この構成によれば、リミッタ回路によっ
て、発振回路に供給する印加電源電圧を、温度補償圧電
発振器の電源電圧より低い電圧に制限するため、この温
度補償圧電発振器の電源電圧の変動に対して強い、より
安定化した発振器とすることができる。
【0029】請求項8または9の温度補償圧電発振器に
おいて、前記変化範囲は、下限が、前記発振回路の発振
停止電圧より高い電圧に設定されていることが、好まし
い。この構成によれば、リミッタ回路によって、発振回
路に供給する印加電源電圧を発振停止電圧より高い 電
圧に制限するため、発振が停止することのない安定した
温度補償圧電発振器とすることができる。
【0030】請求項1ないし10のいずれかの温度補償
圧電発振器において、前記圧電振動子を除く構成部品
が、ワンチップIC化されていることが好ましい。
【0031】この構成によれば、温度補償圧電発振器を
小型化することができ、大量生産が可能になる。
【0032】請求項11の温度補償圧電発振器におい
て、前記ワンチップICが、前記圧電振動子と共にモー
ルドされていることが、好ましい。
【0033】この構成によれば、温度補償圧電発振器全
体を、例えば、プラスティックなどの樹脂で一体モール
ドすることによって、より全体を小型化し易く、大量生
産ができるとともに、取扱いの容易な温度補償圧電発振
器とすることができる。
【0034】請求項11の温度補償圧電発振器におい
て、前記ワンチップICが、前記圧電振動子と共にパッ
ケージに収納されていることが、好ましい。
【0035】この構成によれば、例えば、セラミックな
どのパッケージに温度補償圧電発振器全体を収納するこ
とによって、請求項12の温度補償圧電発振器と同様
に、より小型化、大量生産化できるとともに、取扱いの
容易な温度補償圧電発振器とすることができる。
【0036】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明の一実施形態に係る温度補償圧電発振器について説明
する。
【0037】図1は、本実施形態の温度補償圧電発振器
を示すブロック図であり、この温度補償圧電発振器1
は、同図に示すように、温度検出回路2と、発振回路8
と、圧電振動子9と、出力バッファ12と、可変電源回
路15と、データ入出力回路(データ入力手段)10と
を備え、温度補償圧電発振器1の製造後の調整作業時
に、f0・温度特性調整回路11と接続できるように構
成されている。
【0038】圧電振動子9は、図2に示すように、その
両面の電極が、発振回路8の接点Gおよび接点D、すな
わち、CMOSインバータ33のゲートおよびドレイン
に接続されている。この圧電振動子9は、一般的なAT
カット水晶振動子から成り、図3のカーブ(a)で示さ
れるような周波数−温度特性を有している。この周波数
−温度特性は、多項式の近似により、 △f/f0=A(T−25)+B(T−25)2 +C(T−25)3 …(1) と表される。ここで、Tは周囲温度を、f0は25
[℃](以下「基準温度」と略称する)における発振周
波数(以下「基準周波数」と略称する)を、△f/f0
は周波数偏差を表している。
【0039】そこで、以下に説明する温度補償圧電発振
器1の各構成要素は、目標とする周波数−温度特性を、
図3の(b)の枠に示す−10〜+60[℃]の温度範
囲で±2.5[ppm]以内(以下「目標範囲内」と略
称する)とするために、式(1)の1次係数Aによる周
波数偏差△f/f0の変化、すなわち、周囲温度Tに対
する周波数偏差△f/f0の目標範囲内での右下がりの
変化、を相殺するように設定される。
【0040】発振回路8は、図2に示すように、CMO
Sインバータ33と、そのドレインからゲートへの負帰
還抵抗Rfと、CMOSインバータ33の入力側、すな
わちゲート側のリアクタンス特性を決定するコンデンサ
Cgと、出力側、すなわちドレイン側のリアクタンス特
性を決定するコンデンサCdとを備えている。また、図
1および図2に示すように、CMOSインバータ33に
は、その電源電圧(印加電源電圧)VDD(T)を供給
する、可変電源回路15の温度関数電源電圧発生回路6
が接続され、そのゲート側の接点Gには、基準周波数f
0を調整するf0調整回路7が接続され、そのドレイン
側の接点Dには、出力の駆動能力を強化し、発振回路8
とのアイソレーションを確保するための出力バッファ1
2が接続されている。
【0041】この発振回路8では、電源電圧VDD
(T)が変化すると、CMOSインバータ33内部の端
子間容量などの電源依存のリアクタンス成分が変化し、
これにより、発振回路8全体のリアクタンス特性が変化
する。この結果、発振回路8は、図4に示すような周波
数−電源電圧特性を有しており、出力fout の周波数偏
差△f/f0は、電源電圧VDD(T)に対して右上が
り、すなわち電源電圧VDD(T)に比例するように変
化する。温度補償圧電発振器1では、この発振回路8の
周波数特性を利用することによって、すなわち、発振回
路8に供給する電源電圧VDD(T)を周囲温度Tに比
例して増加させ、圧電振動子9の周波数偏差△f/f0
の右下がりの変化を相殺することによって、温度補償を
行っている。可変電源回路15は、図1に示すように、
定電圧回路3と、データ記憶回路(データ記憶手段)4
と、関数発生回路5と、温度関数電源電圧発生回路6
と、f0調整回路7とを備えている。定電圧回路3は、
関数発生回路5の基準電圧Vreg を発生する回路であ
り、温度補償圧電発振器1の電源電圧による電圧変動の
小さい電圧源で構成される。
【0042】データ記憶回路4は、EEPROMに代表
される不揮発性の半導体メモリから成り、温度補償圧電
発振器1の製造後には、図1に示すように、温度補償圧
電発振器1の外部のf0・温度特性調整回路11が、デ
ータ入出力回路10を介して接続される。この状態で、
データ記憶回路4には、図5に示すように、圧電振動子
9の周波数−温度特性を変更するためのオフセット設定
データ(加算係数)21およびゲイン設定データ(乗算
係数)22から成る温度特性補償データと、基準周波数
f0の調整のための周波数設定データ23とが書き込ま
れ、格納される。
【0043】ゲイン設定データ22は、後述の制御電圧
Vcont(T) の、周囲温度Tの変化に対する傾きを決定す
るデータであり(図10参照)、例えば、3ビットの
(000)2 〜(111)2 のいずれかを示すビットデ
ータから成る。また、オフセット設定データ21は、制
御電圧Vcont(T) の、ゲイン、すなわち傾きが変化した
ときの、基準温度における電位のズレを補正するための
データであり、例えば、そのズレを5ビットの分解能で
示すビットデータから成る。そして、周波数設定データ
23は、発振回路8の基準温度における発振周波数の、
設定すべき基準周波数f0からのズレを補正するための
データであり、後述のスイッチ素子群32−1〜nのス
イッチの数nに合わせてnビットの、例えば、n=8ビ
ットのビットデータから成る。
【0044】これらの設定データ21、22および23
は、温度補償圧電発振器1に使用された圧電振動子9の
素子のばらつきによる差分を補正するように、f0・温
度特性調整回路11によって、それぞれの素子の周波数
温度特性に合わせて設定された後、データ記憶回路4に
格納される。そして、f0・温度特性調整回路11は、
これらのデータの設定後に、すなわち製造後の調整作業
終了後に、温度補償圧電発振器1との電気的接続を切断
される。
【0045】f0調整回路7は、図2に示すように、発
振回路8の接点Gに接続され、圧電振動子9の基準周波
数f0の製造ばらつきを補正するために、CMOSイン
バータ33のゲート側のコンデンサCgによる負荷容量
を変化させ、発振回路8のリアクタンス特性を変化させ
ることによって、発振回路8の基準周波数f0の調整を
行う。このf0調整回路7は、同図に示すように、複数
のn個(例えば、n=8個)のコンデンサ群31−1〜
31−n(31−8)と、それらに直列にそれぞれ接続
されたスイッチ素子群32−1〜32−n(32−8)
から成り、このスイッチ素子群32−1〜nのON/O
FFの状態が、データ記憶回路4の周波数設定データ2
3により制御される。すなわち、周波数設定データ23
の値に応じて、発振回路8のゲート−接地間(図中のA
−B間)の容量を変化させることにより、発振回路8の
基準周波数f0の調整を行う。
【0046】温度検出回路2は、半導体のP−N接合の
順方向電圧特性を利用した温度センサを有しており、周
囲温度Tを検出して、その検出温度の情報を温度依存電
圧Vsens(T) として出力するように構成される。この温
度依存電圧Vsens(T) は、図9に示すように、周囲温度
Tに対してリニアに変化する特性を有している。
【0047】関数発生回路5は、図6に示すように、2
つのD/A変換器24および25と、可変利得増幅器2
0とを備え、定電圧回路3からの基準電圧Vreg と、温
度検出回路2からの温度依存電圧Vsens(T) と、図4
のデータ記憶回路4のオフセット設定データ21および
ゲイン設定データ22に基づいて、制御電圧Vcont
(T)を生成し、後述の温度関数電源電圧発生回路6に
出力するように構成される
【0048】。
【0050】D/A変換器24および25は、図7に示
すように、R−2Rラダー抵抗型D/A変換器の構成に
なっていて、データ記憶回路4のオフセット設定データ
21およびゲイン設定データ22を、それぞれアナログ
のオフセット設定電圧Voおよびゲイン設定電圧Vgに
変換して、可変利得増幅器20に出力する。可変利得増
幅器20は、図8(a)に示すように、定電圧回路3か
らの基準電圧Vreg によって動作する差動増幅器の構成
になっていて、温度検出回路2からの温度依存電圧Vse
ns(T) の傾きであるゲインを、ゲイン設定電圧Vgに
よって変更するとともに、その基準温度のときの電位が
所定電位となるように、温度依存電圧Vsens(T) とオフ
セット設定電圧Voとの差分によって補正し、制御電圧
Vcont(T) として温度関数電源電圧発生回路6に出力
する。
【0049】温度依存電圧Vsens(T) は、前述したよう
に、図9のリニアな特性を有しているため、関数発生回
路5では、図10に示すように、それぞれにリニアな特
性を有し、基準温度のときの電位が同一で、かつ、相互
にゲイン(傾き)の異なる複数の温度特性のうちの1つ
を、データ記憶回路4の3ビットのゲイン設定データ2
2に従って、制御電圧Vcont(T) の温度特性として選択
できるようになっている。すなわち、同図に示すよう
に、ゲイン設定データ22の設定値が(000)2 の場
合は、温度に対する制御電圧Vcont(T) の温度変化率が
極めて小さく、(001)2 、……、(111) 2と、
ゲイン設定データ22の設定値が大きくなるのに伴っ
て、制御電圧Vcont(T) の温度変化率が増加するため、
データ記憶回路4に格納するゲイン設定データ22とオ
フセット設定データ21を変更することによって、出力
電圧Vcont(T) の傾きを段階的に変化させることができ
る。
【0050】温度関数電源電圧発生回路6は、図11に
示すように、差動増幅器28および制御トランジスタ2
9と、リミッタ回路30とを備え、差動増幅器28と制
御トランジスタ29により、所定の電圧変化範囲内で、
制御電圧Vcont(T) に比例した電源電圧VDD(T)を
生成するとともに、リミッタ回路30により、電源電圧
VDD(T)が所定変化範囲外まで変化しないように構
成される。このリミッタ回路30は、電源電圧VDD
(T)の変化範囲を制限することによって、電源電圧V
DD(T)が温度補償圧電発振器1の電源電圧付近まで
上昇したときの、発振回路8の周波数−電源電圧特性の
悪化を防ぐとともに、発振停止電圧まで低下することに
よる発振回路8の発振停止を防止している。
【0051】これにより、図10の制御電圧Vcont(T)
の温度特性と比べて、電源電圧VDD(T)は、図12
に示すように、上限電圧および下限電圧でカットされた
ような温度特性を有している。また、一般に、発振回路
8は高温において発振余裕度が減少し、発振停止電圧が
上昇する傾向があるが、電源電圧VDD(T)は、所定
変化範囲内において、制御電圧Vcont(T) に比例して変
化するため、低温時より高温時の方が高電圧となり、こ
れにより、高温時の発振回路8の発振余裕度を確保する
ことができる。
【0052】温度補償圧電発振器1の製造後には、その
調整作業として、前述したように、図5のデータ記憶回
路4内のオフセット設定データ21、ゲイン設定データ
22、および周波数設定データ23の設定が、f0・温
度特性調整回路11を接続して行われる。この場合、同
一の圧電振動子9に対して、ゲイン設定データ22の設
定を変更すると、図12の電源電圧VDD(T)の温度
特性と、前述の図4の発振回路8の周波数特性の組み合
わせにより、温度補償圧電発振器1の出力fout の周波
数−温度特性は、図13に示すように、ゲート設定デー
タ22の変更に応じて変化する。すなわち、ゲイン設定
データ22の設定を変更することにより、温度補償圧電
発振器1の周波数−温度特性を変化させることができ
る。
【0053】したがって、このゲイン設定データ22を
適切に設定することにより、圧電振動子9の素子のばら
つきによる周波数−温度特性の差異を吸収し、かつ、十
分な温度補償が可能となる。例えば、圧電振動子9が、
図14のカーブ(a)(図2と同一)に示すような周波
数−温度特性を有している場合には、ゲイン設定データ
22を(111)2 と設定することによって、図12の
(111)2 の温度特性の電源電圧VDD(T)が、周
囲温度Tに応じて発振回路8に供給される。これによ
り、図4の電源電圧VDD−周波数特性を有する発振回
路8が、圧電振動子9の図14のカーブ(a)の周波数
−温度特性を相殺するように、発振周波数を変化させ
る。この結果、温度補償圧電発振器1全体として、同図
のカーブ(c)に示すような周波数−温度特性となっ
て、同図の(b)の目標範囲内、すなわち、−10〜+
60[℃]で±2.5[ppm]以内の周波数−温度特
性とすることができる。この圧電振動子9と異なる周波
数−温度特性を有する圧電振動子に対しても、同様の方
法で、温度補償ができることは言うまでもない。
【0054】また、この温度補償圧電発振器1の上述し
た各構成要素は、圧電振動子9を除き、全てIC化が容
易な素子で構成されており、これらをまとめて、温度補
償圧電発振器IC41とすることができる。さらに、こ
の温度補償圧電発振器IC41を、図15に示すよう
に、圧電振動子9とともに、リードフレーム42上に搭
載して、プラスチック一体モールド40とすることもで
きる。これらの場合、温度補償圧電発振器1全体を、よ
り小型化でき、大量生産しやすくなるとともに、取扱い
の容易な温度補償圧電発振器1とすることができる。ま
た、この結果、IC化による信頼性の向上、および大量
生産による製造コストの削減等を図ることが可能にな
る。
【0055】以上に詳述したように、温度補償圧電発振
器1では、周囲温度に応じて圧電振動子9の発振周波数
が変化しても、その周囲温度Tに応じて電源電圧VDD
(T)を変化させ、その電源電圧VDD(T)の変化に
応じて発振周波数を変化させることができるため、圧電
振動子9の周波数温度特性を相殺して、温度補償圧電発
振器1全体としての発振周波数を所定範囲内に維持する
ことができる。また、電源電圧VDD(T)を変化させ
ることによって、周波数温度特性を補償するため、従来
のような可変リアクタンス素子などを発振回路8に外付
けする必要がなくなる。したがって、温度補償圧電発振
器1内の各回路素子をCMOSプロセス等で構成し易く
なり、この結果、IC化が容易になる。
【0056】また、この温度補償圧電発振器1では、デ
ータ記憶回路4に記憶する設定データとして、温度特性
補償データのゲイン設定データ(乗算係数)22および
オフセット設定データ(加算係数)と、周波数設定デー
タ23とを、使用された圧電振動子9の特性に合わせ
て、1組だけ有していればよいので、例えば、それぞ
れ、3ビット、5ビット、8ビットの合計で16ビット
だけですむため、図24の従来のディジタル型の温度補
償圧電発振器200に比べて極めて少なくでき、これに
より、温度補償圧電発振器IC41のICチップの小型
化、低コスト化が図れる。
【0057】また、この温度補償圧電発振器1では、温
度補償圧電発振器1の製造後に、温度特性補償データな
どの設定データを外部から入力することができるため、
内部の各回路素子を入れ換えること無く、製造ばらつき
などによる回路特性の違いを個別に調整することができ
る。これにより、温度補償圧電発振器IC41の大量生
産などが可能になり、低コスト化が図れるとともに、製
造後の調整作業を容易に行うことができる。
【0058】さらに、この温度補償圧電発振器1では、
リミッタ回路30によって、発振回路8の電源電圧を所
定の変化範囲内に制限することができる。この場合、温
度補償圧電発振器1の電源電圧より低い所定電圧に制限
することにより、温度補償圧電発振器1の電源電圧の変
動に対して強い、より安定化した発振器とすることがで
き、また、発振停止電圧より高い所定電圧に制限するこ
とにより、発振が停止することのない安定した温度補償
圧電発振器1とすることができる。
【0059】なお、図7および図8(a)に示したD/
A変換器25の構成は、R−2Rラダー抵抗型としてい
るが、ゲインを変更する方法としては、D/A変換器2
5の代わりに、図8(b)の破線内に示す、ディジタル
的に電流値を制御できる電流源群26−I1〜InをO
N/OFFすることによっても可能である。
【0060】また、関数発生回路5は、図6で示した構
成の他、図16に示すように、温度補償圧電発振器1の
外部からの制御電圧Vcによる周波数制御を行うための
回路、例えば、加算器27を付加しても実現できる。こ
の場合、同図(a)の加算器27は、外部からの制御電
圧Vcを、可変利得増幅器20へのオフセット設定電圧
Voに加減算することにより、制御電圧Vcont(T) を、
図17に示すように変化させ、これにより、発振回路8
の周波数−温度特性を全体的に上下に変位させることが
できる。したがって、この構成によれば、外部からの制
御電圧Vcにより、発振回路8の基準周波数f0を調整
することができ、図1および図2のf0調整回路7を省
略することができる。さらに、この加算器27を、図1
6(b)に示すように、可変利得増幅器20の出力側に
接続しても、同様の作用・効果が得られる。
【0061】また、本実施形態の温度補償圧電発振器1
では、可変電源回路15を、圧電振動子9の1次係数A
による周波数偏差△f/f0を補償する構成としたが、
圧電振動子9の2次係数Bや3次係数Cによる周波数偏
差△f/f0をも含めて、さらに広い周囲温度Tの範囲
で高精度な補償をすることも可能である。
【0062】図18は、そのような温度補償圧電発振器
の一例を示しており、本発明の別の一実施形態に係る温
度補償圧電発振器を示すブロック図である。この温度補
償圧電発振器50は、可変電源回路51の構成が、図1
の温度補償圧電発振器1の可変電源回路15の構成と異
なっており、その異なった部分の構成が、前述した図2
4の従来の温度補償圧電発振器200と同様の構成にな
っている。
【0063】すなわち、可変電源回路51は、図18に
示すように、温度検出回路2から入力される温度依存電
圧Vsens(T) をディジタル値の温度データに変換するA
/D変換器52と、その温度データに対応した温度特性
補償データを出力するデータ記憶回路54と、その温度
特性補償データを制御電圧Vcont(T) に変換して出力す
るD/A変換器53と、図1の可変電源回路15と同
じ、温度関数電源電圧発生回路6およびf0調整回路7
と、を備えている。
【0064】データ記憶回路54には、図19に示すよ
うに、圧電振動子9の周波数−温度特性を変更するため
の温度特性補償データ55と、前述の図5のデータ記憶
回路4と同じ周波数設定データ23とが格納される。温
度特性補償データ55は、A/D変換器52から入力さ
れる温度データに対応したアドレスに、すなわち、温度
検出回路2の検出温度に対応したアドレスに、周囲温度
Tに対応する補償データを並べて構成される。この補償
データは、各アドレスが示す各周囲温度Tのときの制御
電圧Vcont(T) の値を示しており、温度補償圧電発振器
50に使用された圧電振動子9の、例えば、図20に示
すような周波数−温度特性に応じて、各周囲温度Tのと
きの周波数偏差△f/f0を相殺し、ゼロに(図中の矢
印方向に)近づけるように、設定される。これらの設定
データ55および23の設定時期及び設定方法は、温度
補償圧電発振器1のオフセット設定データ21などと同
じである。
【0065】可変電源回路51では、温度検出回路2の
温度依存電圧Vsens(T) に応じて、該当する補償データ
をデータ記憶回路54から読み出し、その補償データを
D/A変換器53で制御電圧Vcont(T) に変換し、その
制御電圧Vcont(T) に応じて、温度関数電源電圧発生回
路6で電源電圧VDD(T)を変化させる。これによ
り、温度補償圧電発振器50では、圧電振動子9の周波
数−温度特性を相殺するように、発振回路8のリアクタ
ンス特性を変化させ、発振回路8の周波数−温度特性を
変化させる。例えば、図20の圧電振動子9の周波数−
温度特性、すなわち−40℃〜+80℃の温度範囲で約
±18[ppm]の周波数偏差△f/f0に対して、図
21に示すような周波数−温度特性、すなわち同温度範
囲で±0.3[ppm]に変化させることができる。
【0066】したがって、この温度補償圧電発振器50
では、圧電振動子9の1次係数Aによる周波数偏差△f
/f0ばかりでなく、2次係数Bや3次係数Cによる周
波数偏差△f/f0をも含めて、温度補償圧電発振器1
よりさらに広い周囲温度Tの範囲で、高精度な補償をす
ることができる。
【0067】なお、本発明は、上述した実施形態に限定
されることなく、種々の態様で実施することができる。
【0068】例えば、データ記憶回路4および54は、
前述のEEPROMなどの半導体メモリ以外に、一般的
な電気消去タイプや紫外線消去タイプ、ヒューズタイプ
等で構成しても良い。また、データ記憶回路4のオフセ
ット設定データ21や、データ記憶回路54の温度補償
データ55を、圧電振動子9の素子のばらつきによる基
準周波数f0のズレ分をも加味して設定することによ
り、周波数設定データ23およびf0調整回路7を省略
することもできる。また、図2のf0調整回路7は、C
MOSインバータ33のG(ゲート)側に接続している
が、D(ドレイン)側に接続しても、同様に、基準周波
数f0を調整できる。
【0069】また、温度検出回路2に使用する温度セン
サは、温度に対して1次の傾きを持つものならば良く、
例えば、半導体のスレッショルド電圧やP−Nジャンク
ションの順方向電圧あるいはサーミスタ等が同様に使用
できる。また、プラスチック一体モールド40の代わり
に、温度補償圧電発振器1や温度補償圧電発振器50の
全体を、セラミックなどのパッケージに収納することも
でき、小型化や大量生産などの同様の効果が得られる。
さらに、以上に説明した各周波数−温度特性や各設定デ
ータは、あくまで一例であり、圧電振動子の特性や各回
路素子の構成・製造プロセスなどの差異に応じて、所望
の周波数−温度特性が得られるよう、適宜、設定できる
ことは、言うまでもない。
【0070】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、細部の構成を任意に変更することが可能である。
【0071】
【発明の効果】以上のように、本発明の温度補償圧電発
振器は、発振回路の電源電圧を周囲温度に応じて変化さ
せることによって、周波数温度特性を補償するため、従
来のような可変リアクタンス素子などを発振回路に外付
けすることなく、周波数温度特性を補償することができ
るとともに、IC化および製造後の調整作業が容易にな
る、などの効果を有する。また、各請求項に示す構成に
よる効果等については、前述の課題を解決するための手
段の項に示されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る温度補償圧電発振器
を示すブロック図である。
【図2】発振回路の構成とその周辺回路との接続の一例
を示す図である。
【図3】ATカット水晶振動子から成る圧電振動子の周
波数−温度特性の一例を示す図である。
【図4】発振回路の周波数−電源電圧特性の一例を示す
図である。
【図5】データ記憶回路の設定データの一例を示すブロ
ック図である。
【図6】関数発生回路の構成の一例を示すブロック図で
ある。
【図7】D/A変換器の構成の一例を示す図である。
【図8】可変利得増幅器の回路構成の一例を示す図であ
る。
【図9】温度検出回路の出力電圧−温度特性の一例を示
す図である。
【図10】関数発生回路の出力電圧−温度特性の一例を
示す図である。
【図11】温度関数電源電圧発生回路の構成の一例を示
す図である。
【図12】温度関数電源電圧発生回路の出力電圧−温度
特性の一例を示す図である。
【図13】ゲイン設定データの設定変更に対応した温度
補償圧電発振器の周波数−温度特性の一例を示す図であ
る。
【図14】温度補償圧電発振器の温度補償後の周波数−
温度特性の一例を示す図である。
【図15】温度補償圧電発振器の構造の一例を示す斜視
図である。
【図16】関数発生回路の構成の別の一例を示すブロッ
ク図である。
【図17】図16の関数発生回路の出力電圧−温度特性
の一例を示す図である。
【図18】本発明の別の一実施形態を示す、図1と同様
の図である。
【図19】図18の温度補償圧電発振器に関する、図5
と同様の図である。
【図20】図18の温度補償圧電発振器に関する、図3
と同様の図である。
【図21】図18の温度補償圧電発振器に関する、図1
4と同様の図である。
【図22】従来のアナログ型の温度補償圧電発振器の一
例を示す図である。
【図23】図22の温度補償圧電発振器の構造の一例を
示す斜視図である。
【図24】従来のディジタル型の温度補償圧電発振器の
一例を示すブロック図である。
【図25】図24の温度補償圧電発振器の発振回路の構
成とその周辺回路との接続を示す図である。
【図26】図24の温度補償圧電発振器の構造の一例を
示す斜視図である。
【符号の説明】
1、50 …… 温度補償圧電発振器 2 温度検出回路 4、54 …… データ記憶回路(データ記憶手段) 7 f0調整回路 8 発振回路 9 圧電振動子 10 データ入出力回路(データ入力手段) 21 オフセット設定データ(温度特性補償データ、加
算係数) 22 ゲイン設定データ(温度特性補償データ、乗算係
数) 23 周波数設定データ 30 リミッタ回路 40 プラスチック一体モールド(モールド、パッケー
ジ) 41 温度補償圧電発振器IC(ワンチップIC) 55 温度特性補償データ

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周波数温度特性を有する圧電振動子と、 前記圧電振動子を発振させるとともに、印加電源電圧の
    変化に応じて発振周波数を変化させる発振回路と、 前記圧電振動子の周囲温度を検出する温度検出回路と、 前記温度検出回路の検出温度に応じて、前記周波数温度
    特性を変化させる前記印加電源電圧を、前記発振回路に
    供給する可変電源回路と、を備えていることを特徴とす
    る温度補償圧電発振器。
  2. 【請求項2】 前記可変電源回路は、 前記周波数温度特性を相殺するための温度特性補償デー
    タを、周囲温度に対応して記憶するデータ記憶手段を有
    し、 前記データ記憶手段から前記検出温度に応じて読みだし
    た該当する温度特性補償データに基づいて、前記印加電
    源電圧を変化させることを特徴とする、請求項1に記載
    の温度補償圧電発振器。
  3. 【請求項3】 前記可変電源回路は、 前記周波数温度特性が、周囲温度T、1次係数A、2次
    係数B、および3次係数Cを用いて、 関数f(T)=A(T−25)+B(T−25)2+C
    (T−25)3 で近似できるときに、 前記1次係数A、前記2次係数Bおよび前記3次係数C
    に係る周波数の変化のうち、少なくとも1つの周波数の
    変化を相殺するように設定された温度特性補償データを
    記憶するデータ記憶手段を有し、 前記データ記憶手段から読みだした前記温度特性補償デ
    ータに基づいて、前記関数f(T)に従った周波数の変
    化を相殺するように、前記印加電源電圧を変化させるこ
    とを特徴とする、請求項1に記載の温度補償圧電発振
    器。
  4. 【請求項4】 前記温度特性補償データは、 前記周辺温度T、乗算係数Gおよび加算係数Hから成る
    一次関数V(T)=G(T)+Hの、前記乗算係数Gお
    よび前記加算係数Hを有し、 前記可変電源回路は、 前記乗算係数Gおよび前記加算係数Hを読み出すととも
    に、前記一次関数V(T)に基づいて、前記1次係数A
    に係る周波数の変化を相殺するように、前記印加電源電
    圧を変化させることを特徴とする、請求項3に記載の温
    度補償圧電発振器。
  5. 【請求項5】 前記データ記憶手段に対して、当該温度
    補償圧電発振器の外部からデータを入力可能なデータ入
    力手段を、さらに備えていることを特徴とする、請求項
    2ないし4のいずれかに記載の温度補償圧電発振器。
  6. 【請求項6】 前記データ記憶手段は、 前記圧電振動子の基準温度における基準発振周波数を補
    正するように設定された周波数設定データを、さらに有
    し、 前記可変電源回路は、 前記データ記憶手段から読みだした周波数設定データに
    基づいて、前記基準発振周波数を補正することを特徴と
    する、請求項2ないし5のいずれかに記載の温度補償圧
    電発振器。
  7. 【請求項7】 前記可変電源回路は、 前記検出温度の上昇に応じて、前記印加電源電圧を上昇
    させることを特徴とする、請求項1または4に記載の温
    度補償圧電発振器。
  8. 【請求項8】 前記可変電源回路は、 前記印加電源電圧の変化範囲を制限するリミッタ回路
    を、さらに備えていることを特徴とする、請求項1ない
    し7のいずれかに記載の温度補償圧電発振器。
  9. 【請求項9】 前記変化範囲は、 上限が、当該温度補償圧電発振器自体に供給される電源
    電圧より低い電圧に設定されていることを特徴とする、
    請求項8に記載の温度補償圧電発振器。
  10. 【請求項10】 前記変化範囲は、 下限が、前記発振回路の発振停止電圧より高い電圧に設
    定されていることを特徴とする、請求項8に記載の温度
    補償圧電発振器。
  11. 【請求項11】 前記圧電振動子を除く構成部品が、ワ
    ンチップIC化されていることを特徴とする、請求項1
    ないし10のいずれかに記載の温度補償圧電発振器。
  12. 【請求項12】 前記ワンチップICが、前記圧電振動
    子と共にモールドされていることを特徴とする、請求項
    11に記載の温度補償圧電発振器。
  13. 【請求項13】 前記ワンチップICが、前記圧電振動
    子と共にパッケージに収納されていることを特徴とす
    る、請求項11に記載の温度補償圧電発振器。
JP8061493A 1995-04-27 1996-03-18 温度補償圧電発振器 Withdrawn JPH0918234A (ja)

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DE69601246T DE69601246T2 (de) 1995-04-27 1996-04-26 Temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator
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