JPH1093343A - 圧電発振回路の温度補償方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は圧電発振回路の温度補償方法に関す
るもので、温度補償が容易に行えるようにすることを目
的とする。 【解決手段】 本発明は、周囲の温度を検知する温度セ
ンサ１と、周波数決定素子となる水晶振動子１４と、直
流の制御電圧によりリアクタンスが変化する可変容量ダ
イオード１１と、前記水晶振動子１４および前記可変容
量ダイオード１１を帰還ループ内に含む電圧制御水晶発
振器４と、前記温度センサ１からの出力に応じて前記可
変容量ダイオード１１に所望の制御電圧を発生させる電
圧発生回路７を具備した圧電発振回路において、前記電
圧発生回路７の出力制御電圧は、前記圧電発振回路の出
力周波数が温度に対して一定となる第一の電圧曲線に、
温度に対して所望の傾きと切片で線形に変化する補正電
圧を加算して得られる第二の電圧曲線を複数の直線で近
似した電圧とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として携帯電話
などの移動体通信システムなどに用いることができる圧
電発振回路の温度補償方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話などの移動体通信の需要
は、ますます増大している。それに伴って、移動体通信
の基準周波数源となる温度補償水晶発振器の需要も増大
している。温度補償水晶発振器は、周波数決定素子とし
て周波数安定度の高い水晶振動子を用い、さらに温度に
対してもｐｐｍのオーダーで周波数を安定化させる温度
補償回路を具備した発振器である。つまり水晶発振器
は、その使用雰囲気温度によって発振周波数が変動する
ので、その温度補償を行う必要性がある。

【０００３】そこで、従来の一つの方式として、温度補
償水晶発振器を温度制御庫内にいれ、その庫内をたとえ
ば−３０℃から＋８０℃までの１１０℃を４℃ずつ温度
上昇させ、その都度温度補正データをメモリ内に設けた
３２行の一行毎に入力することによって温度補償が行え
る構成としていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の方式は、１
１０℃の温度範囲で４℃おきに庫内温度を調整し、補正
データを抽出し、さらにメモリに書き込む作業が必要
で、その工程はきわめて煩雑なものであった。また、メ
モリからは量子化されたデータが周期的に出力されてア
ナログ変換されるために、発振周波数の純度（Ｃ／Ｎ）
が劣化するという課題があった。

【０００５】そこで、本発明は、調整作業の簡素化を図
り、高性能な圧電発振回路を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そして、この目的を達成
するために、本発明は、周囲の温度を検知する温度セン
サと、周波数決定素子となる圧電振動子と、直流の制御
電圧によりリアクタンスが変化する可変リアクタンス素
子と、前記圧電振動子および前記可変リアクタンス素子
を帰還ループ内に含む発振回路と、前記温度センサから
の出力に応じて前記可変リアクタンス素子に所望の制御
電圧を供給する電圧発生回路を具備した圧電発振回路に
おいて、前記電圧発生回路の出力制御電圧として、前記
圧電発振回路の出力周波数が温度に対して略一定となる
第一の電圧曲線に、温度に対して所望の傾きと切片で線
形に変化する補正電圧を加算して得られる第二の電圧曲
線を複数の直線で近似した電圧としたことを特徴とした
構成であって、この構成であれば、直線近似なので離散
的な温度補償データのみで温度補償が行えるとともに、
曲線を簡便かつ最適な形で温度補償ができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、周囲の温度を検知する温度センサと、周波数決定素
子となる圧電振動子と、直流の制御電圧によりリアクタ
ンスが変化する可変リアクタンス素子と、前記圧電振動
子および前記可変リアクタンス素子を帰還ループ内に含
む発振回路と、前記温度センサからの出力に応じて前記
可変リアクタンス素子に所望の制御電圧を発生させる電
圧発生回路を具備した圧電発振回路において、前記電圧
発生回路の出力制御電圧として、前記圧電発振回路の出
力周波数が温度に対して略一定となる第一の電圧曲線
に、温度に対して所望の傾きと切片で線形に変化する補
正電圧を加算して得られる第二の電圧曲線を複数の直線
で近似した電圧としたことを特徴とした構成であって、
この構成であれば、直線近似なので離散的な温度補償デ
ータのみで温度補償が行えるとともに、曲線を簡便かつ
最適な形で温度補償ができる。

【０００８】本発明の請求項２に記載の発明は、まず温
度に対して圧電発振回路の出力周波数が略一定となる第
一の電圧曲線を検出し、この第一の電圧曲線に、温度に
対して所望の傾きと切片で線形に変化する電圧を加算し
て第二の電圧曲線を算出し、この第二の電圧曲線を複数
の直線で近似したことを特徴とする請求項１に記載の圧
電発振回路の温度補償方法であって、この方法で温度補
償を行えば、電圧曲線を理想的に直線近似することがで
きる。

【０００９】本発明の請求項３に記載の発明は、第二の
電圧曲線を近似する複数の直線の交点を、前記第二の電
圧曲線上にしたことを特徴とする請求項１もしくは２に
記載の圧電発振回路の温度補償方法であって、この方法
によれば、近似する複数の直線を算出するに簡単で高速
となる。

【００１０】本発明の請求項４に記載の発明は、電圧補
償回路の中に記憶回路が含まれ、その中に前記可変リア
クタンス素子に出力する制御電圧を所望の値とするため
のデータを記憶させたことを特徴とする請求項１から３
の何れか一つに記載の圧電発振回路の温度補償方法であ
って、記憶装置を搭載することによって、モジュール品
として構成することができる。

【００１１】本発明の請求項５に記載の発明は、第二の
電圧曲線を直線で近似する際に、３本から８本の直線を
用いて近似したことを特徴とする請求項１から４の何れ
か一つに記載の圧電発振回路の温度補償方法であって、
上記の本数で直線近似をすれば、メモリ容量も大きくな
らず、かつ高性能な温度補償特性が得られる。

【００１２】本発明の請求項６に記載の発明は、圧電振
動子として、水晶振動子を用いたことを特徴とする請求
項１から５の何れか一つに記載の圧電発振回路の温度補
償方法であって、水晶振動子を用いることにより、信号
純度の優れた発振回路について簡便でかつ高性能な温度
補償方法を得ることができる。

【００１３】本発明の請求項７に記載の発明は、第一の
電圧曲線に加算するための補正電圧直線の温度に対する
傾きを正としたことを特徴とする請求項１から６の何れ
か一つに記載の圧電発振回路の温度補償方法であって、
このように構成することによって、温度に対して正の３
次曲線をもつ圧電素子（たとえば水晶振動子）に対し
て、最適な直線近似を行うことができる。

【００１４】本発明の請求項８に記載の発明は、第一の
電圧曲線に加算するための補正電圧直線の温度に対する
切片を負としたことを特徴とする請求項１から７の何れ
か一つに記載の圧電発振回路の温度補償方法であって、
温度に対して特性の編曲点が０℃より高い温度にある圧
電素子（たとえば水晶振動子）に対して、最適な直線近
似を行うことができる。

【００１５】本発明の請求項９に記載の前記第一の電圧
曲線に加算するための補正電圧直線の温度に対する傾き
ｆを、近似する直線の本数をｘとして、概ね ｆ（ｘ）＝−０．１３ｘ＋１．１８ なる関数で表される値としたことを特徴とする請求項１
から８の何れか一つに記載の圧電発振回路の温度補償方
法であって、特に水晶振動子を用いた場合、上記の補正
電圧直線を用いることによって、簡便にかつ高性能な温
度補償方法を得ることができる。

【００１６】本発明の請求項１０に記載の発明は、第一
の電圧曲線に加算するための補正電圧直線の温度に対す
る切片ｇを、近似する直線の本数をｙとして、概ね ｇ（ｙ）＝４．７９ｙ−３９．６９ なる関数で表される値としたことを特徴とする請求項１
から９の何れか一つに記載の圧電発振回路の温度補償方
法であって、特に水晶振動子を用いた場合、上記の補正
電圧直線を用いることによって、簡便にかつ高性能な温
度補償方法を得ることができる。

【００１７】本発明の請求項１１に記載の発明は、第二
の電圧曲線を近似する複数の直線それぞれを、前記温度
センサの出力を正または負に増幅もしくは減衰するアン
プを用いて形成したことを特徴とする請求項１から１０
の何れか一つに記載の圧電発振回路の温度補償方法であ
って、上記の構成とすることにより、デジタル信号をア
ナログ変換することなく周波数を制御することになるの
で、デジタル雑音や量子化誤差による性能の劣化がな
い。

【００１８】以下本発明の一実施形態を、図面を参照し
ながら説明する。図１において、１は温度センサで、２
は電圧増幅器、３は電圧加算器、４は電圧によって周波
数を変化させることができる電圧制御水晶発振器（以後
ＶＣＸＯと記す）、５は制御量を記憶しているメモリ、
６はデジタル／アナログ変換器（以後Ｄ／Ａ変換器と記
す）、７はオフセット電圧を発生させる電圧発生回路で
ある。温度センサ１からは、温度情報としてメモリ５に
その出力がなされ、メモリ５にて温度情報に基づいてデ
ジタル信号が出力される。そのデジタル信号はＤ／Ａ変
換器６によって、アナログ量、たとえば抵抗や電圧など
に変換され、電圧増幅器２ならびに電圧発生回路７に出
力される。電圧増幅器２はＤ／Ａ変換器６の出力に応じ
て、温度センサ１の出力電圧を所定の増幅率で増幅し、
電圧加算器３に出力される。また、Ｄ／Ａ変換器６の出
力によってオフセット量を調整する電圧発生回路７の出
力電圧がきまり、電圧加算器３に出力される。電圧加算
器３は、電圧増幅器２からの出力電圧ならびに電圧発生
回路７からの出力電圧を加算し、ＶＣＸＯ４に出力す
る。上記の温度センサ１、電圧増幅器２、電圧加算器
３、ＶＣＸＯ４、メモリ５、Ｄ／Ａ変換器６および電圧
発生回路７がモジュール化されて、温度補償水晶発振器
を構成している。

【００１９】前記ＶＣＸＯ４は図２に示すように、前記
電圧加算器３の出力が印加される制御端子９、緩衝抵抗
１０、可変容量ダイオード１１、ＤＣカット用コンデン
サ１２、帰還コンデンサ１３、水晶振動子１４、能動素
子１５、帰還抵抗１６、出力端子１７とにより構成され
ている。

【００２０】また、温度センサ１は図３に示すように、
３つの直列接続されたダイオード１８と抵抗１９とＤＣ
３Ｖの印加端子２０と出力端子２１とにより構成され、
ダイオード１８のジャンクション電圧が温度によって変
動するので、出力端子２１からの出力は図４に示すよう
に直線的に下降するようになっている。

【００２１】ここで、ＶＣＸＯ４より得られる周波数偏
差は、用いる水晶振動子１４の周波数偏差によって決ま
る。通常用いられる水晶振動子１４は、ＡＴカットと呼
ばれる角度で切り出したものである。ＡＴカット水晶振
動子の温度特性を図５に示す。図５に示すように、ＡＴ
カット水晶振動子の温度特性は、温度に対してほぼ三次
曲線となることが知られている。従って、ＶＣＸＯ４よ
り得られる特性も同様に三次曲線となり、周波数を温度
に対して一定にするために制御端子９に印加する制御電
圧はその逆特性となる。その様子を図６に示す。図６に
おいては、Ａ〜Ｃはそれぞれ発振出力周波数が±０ｐｐ
ｍ、＋１ｐｐｍおよび−１ｐｐｍとなるときの制御電圧
も示している。

【００２２】図６に示した制御電圧を発生させるため
に、本発明の構成では図６の曲線を複数の直線で近似す
る方式をとる。すなわち、図１に示した温度センサ１に
温度に対し出力電圧が線形に変化する回路、たとえば、
図３に示すような回路を用い、その出力を電圧増幅器で
傾きや切片を最適化して複数本の直線を生成するのであ
る。ただしここで、図６に示す曲線を単純に直線で近似
すると、図７に示すようになる。一般に、曲線の直線近
似は、近似する直線のつなぎ目（折れ曲がるところ）
が、近似される曲線上にあると、非常に簡便な数式で得
られ、下記（数１）から求められる。すなわち座標（ｘ
１，ｙ１）と（ｘ２，ｙ２）が近似される曲線上にある
とすると、

【００２３】

【数１】

【００２４】がその２座標を通る直線の式となる。以
下、本発明では（数１）の式を用いて近似する直線を求
めることにする。

【００２５】図７は、一例として５本の直線で近似した
場合を示している。図７から、与えられる直線は、曲線
の内側を通る事が理解される。すなわち、曲線が下側に
凸の領域（概−２５℃以下）では、近似する直線が曲線
の上側を通り、また曲線が上側に凸の領域（概−２５℃
以上）では、近似する直線が曲線の下側を通っているの
である。

【００２６】そこで、本発明では与えられた理想制御曲
線（図６）に、所定の補正直線を加えて、その加えた後
の曲線に対して直線近似を行うことにした。それを示し
たのが、図８である。図８において、Ａ線は図６および
図７でも示した理想制御曲線であり、Ａ線に温度をｔ、
加算電圧（補正電圧）をＶａｄｄとして（数２）とな
る。

【００２７】

【数２】

【００２８】加算電圧を加えたのがＢ線であり、さらに
Ｂ線について図７と同じ手法で５本の直線で近似したの
がＣ線である。ここで、重要なことは、Ｃ線がＢ線に対
しての直線近似であるにも関わらず、結局Ａ線にとって
最適な直線近似となっていることである。本発明では、
上記の加算電圧Ｖａｄｄは、図１において電圧発生回路
７より発生させることができ、さらに、図１では示して
いないが、温度センサ１が温度に対して線形に変化する
電圧を発生する場合には、その出力を利用して、適当に
増幅もしくは減衰させて用いることができる。

【００２９】上記の内容をさらに詳しく調べていくと、
（数２）におけるｔの係数と近似に用いる直線の本数に
重要な関係があることがわかった。その内容について以
下説明する。

【００３０】補正電圧直線の傾きａと近似に用いる直線
の本数の関係を図９（ａ）、補正電圧直線の切片ｂと近
似に用いる直線の本数の関係を図９（ｂ）にそれぞれ示
す。両図とも直線の本数が増大すれば、指数関数的にａ
もｂも０に漸近していくが、現実的な本数として３から
８本の直線で近似する際には、ａおよびｂと近似する直
線の本数Ｌとの関係は、それぞれ（数３）および（数
４）となる。

【００３１】

【数３】

【００３２】

【数４】

【００３３】上記の本発明の方法を用いて、近似する直
線を３から８本とした際の対温度周波数安定度の結果
を、図１０（ａ）〜（ｆ）に示す。なお、比較のため各
図において、（数３）および（数４）から得られる補正
電圧を用いない場合も示した。補正電圧を用いると、用
いないときに比べ、最大周波数偏差範囲が小さくなって
いることがわかり、より高性能化が図れる。

【００３４】上記したように、近似する直線の本数に応
じて理想制御電圧に所望の補正電圧直線を加算し、その
結果得られた曲線に対して直線近似を行うことによっ
て、大きなメモリ５が不要で、簡便にかつ高性能な温度
補償圧電発振器を得ることが可能になるのである。

【００３５】なお、電圧増幅器２としては、構成手段の
一例として図１１に示すような演算増幅器を用いること
ができる。反転増幅器２２の入力端子２３に温度センサ
１の出力端子２１を接続する。帰還抵抗として、ｎ組の
抵抗（Ｒ１，Ｒ２……Ｒｎ）とスイッチ（Ｓｗ１，Ｓｗ
２……Ｓｗ３）が接続されており、どのスイッチＳｗ１
〜Ｓｗｎをオンにするかで出力端子２４に現れる電圧の
傾きを変化させることができる。また、スイッチＳｗ１
〜Ｓｗｎの状態を記憶する方法は、ＥＥＰＲＯＭやフラ
ッシュメモリ、ヒューズＲＯＭ等を用いることができ
る。なお２３ａは基準端子で、出力される電圧のオフセ
ット量を調整するためのものである。ヒューズＲＯＭを
用いるときには、図１２に示すようなマルチプレクサー
を用いるのがよい。図１２に示すマルチプレクサーはス
イッチ制御端子２６によって電圧印加端子２５の接続先
を変更することができ、所望のヒューズ（Ｒ１，Ｒ２，
Ｒｎ）に接続した後、過剰電圧を電圧印加端子２５に印
加してヒューズ（Ｒ１，Ｒ２，Ｒｎ）を焼き切ることに
する。このようにすることによって、外部へ引き出す端
子の数を減らすことができる。また、最適な組み合わせ
を予め知る方法として、スイッチ（Ｓｗ１，Ｓｗ２，Ｓ
ｗｎ）を用いることが有効である。すなわち、ヒューズ
（Ｒ１，Ｒ２，Ｒｎ）に直列にデジタル信号によりｏｎ
／ｏｆｆできるスイッチ（Ｓｗ１，Ｓｗ２，Ｓｗｎ）を
接続することによって、ヒューズ（Ｒ１，Ｒ２，Ｒｎ）
で焼き切る前に最適なスイッチの状態を知ることができ
る。

【００３６】

【発明の効果】上記したように、本発明によれば、理想
制御電圧曲線を近似する直線の本数に応じて補正電圧直
線を加算し、得られる曲線に対して直線近似を行う圧電
発振器の温度補償方式であり、補正電圧直線ならびに直
線近似の方法が簡便な数式で得られるので、簡便でかつ
高性能な温度補償された圧電発振回路を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の回路構成を示すブロック
図

【図２】同電圧制御水晶発振器の回路図

【図３】同温度センサの回路図

【図４】図３に示した温度センサの特性図

【図５】同水晶振動子の温度特性図

【図６】同電圧制御水晶発振器の温度補償を行う際の理
想電圧曲線を示す特性図

【図７】図６に示した理想電圧曲線を単純な方法で５本
の直線で近似した様子を示す特性図

【図８】図６に示した理想制御電圧曲線に補正電圧直線
を加算した曲線について直線近似を行った様子を示す特
性図

【図９】（ａ）（ｂ）はそれぞれ補正電圧直線の傾きお
よび切片と近似に用いる直線の本数との関係を示す特性
図

【図１０】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ本発明の方法を用
いて温度補償したときの水晶発振器の周波数温度特性図

【図１１】本発明で用いることができる電圧増幅器の一
例を示す回路図

【図１２】本発明のメモリとして用いることができるマ
ルチプレクサの一例を示す回路図

【符号の説明】

１ 温度センサ ２ 電圧増幅器 ３ 電圧加算器 ４ ＶＣＸＯ ５ メモリ ６ Ｄ／Ａ変換器 ７ 電圧発生回路 ８ 温度補償水晶発振器

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周囲の温度を検知する温度センサと、周
   波数決定素子となる圧電振動子と、直流の制御電圧によ
   りリアクタンスが変化する可変リアクタンス素子と、前
   記圧電振動子および前記可変リアクタンス素子を帰還ル
   ープ内に含む発振回路と、前記温度センサからの出力に
   応じて前記可変リアクタンス素子に所望の制御電圧を供
   給する電圧発生回路を具備した圧電発振回路において、 前記電圧発生回路の出力制御電圧は、前記圧電発振回路
   の出力周波数が温度に対して略一定となる第一の電圧曲
   線に、温度に対して所望の傾きと切片で線形に変化する
   補正電圧を加算して得られる第二の電圧曲線を複数の直
   線で近似した電圧としたことを特徴とする圧電発振回路
   の温度補償方法。
2. 【請求項２】 まず温度に対して圧電発振回路の出力周
   波数が略一定となる第一の電圧曲線を検出し、この第一
   の電圧曲線に、温度に対して所望の傾きと切片で線形に
   変化する電圧を加算して第二の電圧曲線を算出し、この
   第二の電圧曲線を複数の直線で近似したことを特徴とす
   る請求項１に記載の圧電発振回路の温度補償方法。
3. 【請求項３】 第二の電圧曲線を近似する複数の直線の
   交点を、前記第二の電圧曲線上にしたことを特徴とする
   請求項１もしくは２に記載の圧電発振回路の温度補償方
   法。
4. 【請求項４】 電圧補償回路の中に記憶回路が含まれ、
   その中に前記可変リアクタンス素子に出力する制御電圧
   を所望の値とするためのデータを記憶させたことを特徴
   とする請求項１から３の何れか一つに記載の圧電発振回
   路の温度補償方法。
5. 【請求項５】 第二の電圧曲線を直線で近似する際に、
   ３本から８本の直線を用いて近似したことを特徴とする
   請求項１から４の何れか一つに記載の圧電発振回路の温
   度補償方法。
6. 【請求項６】 圧電振動子として、水晶振動子を用いた
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか一つに記載の
   圧電発振回路の温度補償方法。
7. 【請求項７】 第一の電圧曲線に加算するための補正電
   圧直線の温度に対する傾きを正としたことを特徴とする
   請求項１から６の何れか一つに記載の圧電発振回路の温
   度補償方法。
8. 【請求項８】 第一の電圧曲線に加算するための補正電
   圧直線の温度に対する切片を負としたことを特徴とする
   請求項１から７の何れか一つに記載の圧電発振回路の温
   度補償方法。
9. 【請求項９】 第一の電圧曲線に加算するための補正電
   圧直線の温度に対する傾きｆを、近似する直線の本数を
   ｘとして、概ね ｆ（ｘ）＝−０．１３ｘ＋１．１８ なる関数で表される値としたことを特徴とする請求項１
   から８の何れか一つに記載の圧電発振回路の温度補償方
   法。
10. 【請求項１０】 第一の電圧曲線に加算するための補正
    電圧直線の温度に対する切片ｇを、近似する直線の本数
    をｙとして、概ね ｇ（ｙ）＝４．７９ｙ−３９．６９ なる関数で表される値としたことを特徴とする請求項１
    から９の何れか一つに記載の圧電発振回路の温度補償方
    法。
11. 【請求項１１】 第二の電圧曲線を近似する複数の直線
    それぞれを、前記温度センサの出力を正または負に増幅
    もしくは減衰するアンプを用いて形成したことを特徴と
    する請求項１から１０の何れか一つに記載の圧電発振回
    路の温度補償方法。