JP2007243594A

JP2007243594A - 温度補償型水晶発振器

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Publication number: JP2007243594A
Application number: JP2006062997A
Authority: JP
Inventors: Hisato Takeuchi; 久人竹内; Keigo Shingu; 圭悟新宮; Kei Nagatomo; 圭長友
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2007-09-20
Also published as: US20070222532A1

Abstract

【課題】発振回路の出力周波数を制御する３次関数制御電圧の電圧ノイズを低減した温度補償型水晶発振器を提供する。
【解決手段】水晶振動子と、発振周波数制御装置を備えた増幅器と、水晶の発振周波数の温度補償回路と、で構成される温度補償型水晶発振器であって、前記温度補償回路の補償電圧のリファレンス電圧を、ダイオードの順方向電圧を使用して生成することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電圧可変容量素子を用いた温度補償型水晶発振器に関する。

従来の水晶発振回路の発振周波数は、水晶振動子の物理的構造から温度に対して３次関数の変動をすることが知られている。現在の温度補償型水晶発振器（以下ＴＣＸＯ）は、温度センサとして、バンドギャップリファレンスＶｔに比例した電流を使用したものや、抵抗の温度特性を使用したものを用いるのが主流である。このような温度センサを利用して３次関数特性を実現している。例えば、特許文献１及び２に開示された回路によれば、温度センサで作られた電流及び電圧を３次関数として合成する際に、レギュレータを抵抗分割して構成した電圧をリファレンスとして用いている。

図１４は、従来のＴＣＸＯの一例を説明するための図である。図１４の構成によれば、バンドギャップ電圧Ｖｔに比例した電流（即ち、温度に比例した電流）と定電流ＩＣＯＮＳＴを差し引いた電流を電圧に変換して、水晶に合ったバイアスを出力するように調整する。

図１５は、従来のＴＣＸＯの他の例を説明するための図である。図１５のＴＣＸＯでは、２種類の温度係数の異なる抵抗を利用して温度センサを構成している。このＴＣＸＯでは、温度センサ１、１次関数回路２及び３次関数回路３によって、１次関数特性と、更に１次関数特性＋３次関数特性をセンサ電流で作る。そして、レギュレータ電圧の抵抗分割した電圧をリファレンスバッファアンプ４でバッファして制御電圧の基準（レファレンス）を作り、温度センサ電流を抵抗で電圧に変換して、水晶に合ったバイアスを出力するように調整する。

特許第３１２９９７４号公報第５頁〜第１２頁図１特許第３１２９２４０号公報第６頁〜第９頁図１

ところで、ＴＣＸＯの位相ノイズには主に２種類あり、その和でノイズが決定される。１つは発振制御素子を含む発振回路単体の位相ノイズであり、もう１つは発振回路の出力周波数を制御する３次関数制御電圧の電圧ノイズである。

このうち、図１５に示すＢ点における３次関数制御電圧ノイズを低減させることが重要である。Ｂ点のノイズを分析すると、温度センサからのノイズとリファレンス電圧のノイズに分けることができる。ところが、従来の回路構成では、リファレンスにレギュレータの抵抗分割の電圧をバッファして構成すると、バッファ出力としてレギュレータのノイズが支配的となる。このため、制御電圧を低減させるために電流を増加させる必要があり、その結果トランジスタサイズを大きくせねばならず、低電流、小型化の面で課題が生じていた。

図１６は、従来の３次関数発生回路の特性図である。図に示すように、３次電圧出力は、１次関数成分の出力と３次関数成分の出力の和で構成されている。ここで、１次関数の従来の構成では、温度センサにより−８ｍＶ／℃程度の傾きを実現していた。しかしながら、この温度センサに起因するノイズが、位相ノイズに影響を与えていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、発振制御電圧のノイズを低減した温度補償型水晶発振器を提供することを目的とする。

本発明の温度補償型水晶発振器は、水晶振動子と、発振周波数制御装置を備えた増幅器と、前記水晶振動子の発振周波数の温度補償回路と、で構成される温度補償型水晶発振器であって、前記温度補償回路の補償電圧のリファレンス電圧を、ダイオードの順方向電圧を使用して生成することを特徴とする。
上記構成によれば、ダイオードの温度特性と良好なノイズ特性を利用してリファレンス電圧兼温度センサとして使用することにより、発振制御電圧のローノイズ化を行うことができる。

また、本発明の温度補償型水晶発振器は、水晶振動子と、発振周波数制御装置を備えた増幅器と、前記水晶振動子の発振周波数の温度補償回路と、で構成される温度補償型水晶発振器であって、前記温度補償回路の補償電圧を、１次成分と３次成分に分けて前記発振周波数制御装置に印加することを特徴とする。
上記構成によれば、温度補償回路の補償電圧を１次成分と３次成分に分けて発振周波数制御装置に印加することにより、発振制御電圧のローノイズ化を行うことができる。

また、本発明の温度補償型水晶発振器は、水晶振動子と、発振周波数制御装置を備えた増幅器と、前記水晶振動子の発振周波数の温度補償回路と、で構成される温度補償型水晶発振器であって、前記温度補償回路を、1次成分と３次成分に分けて構成する場合に、１次成分の補償電圧のリファレンス電圧を、ダイオードの順方向電圧を使用して生成することを特徴とする。
上記構成によれば、発振制御電圧のローノイズ化を行うことができる。

また、本発明の温度補償型水晶発振器は、水晶振動子と、発振周波数制御装置を備えた増幅器と、前記水晶振動子の発振周波数の温度補償回路と、で構成される温度補償型水晶発振器であって、前記温度補償回路を、1次成分と３次成分に分けて構成する場合に、３次成分の補償電圧のリファレンス電圧を、ダイオードの順方向電圧を使用して生成することを特徴とする。
上記構成によれば、発振制御電圧のローノイズ化を行うことができる。

また、本発明の温度補償型水晶発振器は、水晶振動子と、発振周波数制御装置を備えた増幅器と、前記水晶振動子の発振周波数の温度補償回路と、で構成される温度補償型水晶発振器であって、前記温度補償回路の補償電圧を１次成分と３次成分に分けて発振周波数制御装置に印加する場合に、１次成分と３次成分を、それぞれ、ダイオードの順方向電圧をリファレンス電圧として生成することを特徴とする。
上記構成によれば、発振制御電圧のローノイズ化を行うことができる。

本発明の温度補償型水晶発振器によれば、発振制御電圧のローノイズ化を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態における温度補償型水晶発振器について図面を参照しながら説明する。以下に説明する温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）は、水晶振動子と、発振周波数制御装置を備えた増幅器と、前記水晶振動子の発振周波数の温度補償回路と、で構成される。なお、従来技術と同様の回路構成については同じ符号を付す。

図１は、本発明の温度補償型水晶発振器における温度補償回路を構成する１次関数発生回路について説明するための図である。発振周波数制御装置に印加する制御電圧である３次電圧出力は、１次関数成分（１次成分）の出力と３次関数成分（３次成分）の出力の和で構成されている。本実施形態では、温度センサのみで１次関数を設計するのではなく、ノイズの良好なダイオードの順方向電圧を補償回路のリファレンスとして使用することにより、ノイズ低減の効果が得られる。例えば、図１に示すように−８ｍＶの内、−４ｍＶを温度センサで構成し、残りの−４ｍＶをダイオードを２個直列に接続し、その電圧をリファレンスとすることにより、ノイズの要因となる温度センサの影響を従来よりも小さくすることができるため、電圧ノイズの低減を行うことが可能である。

以下、図１に示した１次関数を発生させる１次関数発生回路の構成例を示す。

図２は、本発明の温度補償型水晶発振器における１次関数発生回路の構成図である。図に示す１次関数発生回路は、バンドギャップ電圧Ｖｔを利用した温度センサ１、１次関数回路２、及び、リファレンスバッファアンプ４に加え、互いに直列接続された２つのダイオードを含んで構成される。温度センサ１は一般的なバンドギャップリファレンス回路を利用している。そこで発生した温特のある電流（Ｖｔに比例した電流）をＰＮＰトランジスタのカレントミラーを用いてＩｔとして構成する。また、定電流源により温度特性の無い電流Ｉ０を構成し、常温付近でＩｔ−Ｉ０＝０となるよう調整する。このＩｔ−Ｉ０の電流を抵抗Ｒ１に入力させ、１次関数発生回路の出力として１次関数の特性を得る。ここで、リファレンスのバッファアンプの入力は２ダイオードになっていてローノイズになっている。しかも−４ｍＶ／℃の温度特性を有している。図１を参照して上述したように−８ｍＶを作る場合、２ダイオードの−４ｍＶと（Ｉｔ−Ｉ０）Ｒ１で作った−４ｍＶを足し合わせて構成すると、電圧ノイズの低減を図ることが出来る。Ｒ１を従来の１／２に設定することが出来るからである。

図３は、本発明の温度補償型水晶発振器における別の１次関数発生回路の構成図である。図に示す１次関数発生回路は、温度特性の違う抵抗を利用した温度センサ１、１次関数回路２、及び、リファレンスバッファアンプ４に加え、互いに直列接続された２つのダイオードを含んで構成される。温度センサ１は、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の温度特性差を利用した回路になっている。温特の無い電流Ｉ０をＮＰＮのカレントミラー回路に入力する。このときカレントミラー回路のエミッタ抵抗が、拡散抵抗とポリシリコン抵抗で異なっている。例えば、カレントミラー元のエミッタ抵抗がポリシリコンで、カレントミラー回路の出力のエミッタ抵抗が拡散抵抗であった場合、Ｉｔ２は負の温度特性をもつことになる。逆にＩｔ１は正の温度特性を持つ事になる。このように構成された１次関数回路２の出力を抵抗Ｒ１に入力することで、図２の場合と同様のローノイズの効果を得ることが出来る。

ところで、上述した１次関数とともに３次電圧出力を構成する３次関数特性の傾きは、ダイオードと異なる温度特性の傾きである。したがって、発振制御回路の可変容量素子に印加する極性を反対にすることにより、ダイオードと同じ傾きに変えることができる。すなわち、３次関数特性についても、１次関数の場合と同様に、ダイオードの温度特性と良好なノイズ特性を生かして電圧ノイズの低減を行うことが可能である。

［実施の形態１］
図４は、本発明の実施の形態１における温度補償型水晶発振器の制御電圧発生回路を示す構成図である。図に示す制御電圧発生回路は、図３に示した１次関数発生回路に、３次関数回路３を加えたもので、１次関数回路と３次関数回路のリファレンス電圧を、ダイオードを２個直列に繋いだ順方向電圧を使用して生成している。このときも例えば、１次回路の傾きを−４ｍＶ／℃に設計し、リファレンス電圧の温度特性も−４ｍＶ／℃にして、ＡＢ点での−８ｍＶ／℃を実現し、同時にローノイズを実現することができる。

図５は、本発明の実施の形態１における温度補償型水晶発振器の別の制御電圧発生回路を示す構成図である。図に示す制御電圧発生回路は、図２に示した１次関数発生回路に、３次関数回路３を加えたもので、１次関数回路と３次関数回路のリファレンス電圧を、ダイオードを２個直列に繋いだ順方向電圧を使用して生成している。このときも例えば、１次回路の傾きを−４ｍＶ／℃に設計し、リファレンス電圧の温度特性も−４ｍＶ／℃にして、ＡＢ点での−８ｍＶ／℃を実現し、同時にローノイズを実現することができる。

［実施の形態２］
図６は、本発明の実施の形態２における温度補償型水晶発振器の、電圧制御型発振器の構成を説明する図である。ＭＯＳバラクタのゲートだけでなく、ドレインにも制御電圧を印加することができるように容量を追加している。図に示すように、制御電圧（補償電圧）を、電圧制御回路１で生成した１次関数成分と、電圧制御回路２で生成した３次関数成分に分けて、発振制御回路に印加する。

図６に示す水晶発振器は、発振インバータと帰還抵抗、水晶振動子で構成され、水晶発振器の周波数を制御する為にＭＯＳトランジスタを可変容量として利用し、ＭＯＳトランジスタのゲートとドレインを制御して周波数を一定にする回路である。制御電圧を１次成分と３次成分とに分けて考えると、同図に示す様な特性となる。１次電圧は、図２，３を参照して説明した様に、ダイオードを利用してローノイズ化を図ることが出来る。一方、３次電圧のゲート入力時の波形は、ダイオードの温度特性の向きと異なるためダイオードのローノイズ特性と温度特性を活用し難い。そこで、３次電圧をドレインに入力することにより極性を反転させる。これにより、３次電圧は、高低温領域でダイオードと同じ温度特性の向きになるので、1次電圧と同じ様に高低温領域でダイオードを利用してローノイズ化を図ることが出来る。

上述したように、この構成によれば、温度補償回路の補償電圧を１次成分と３次成分に分けて発振周波数制御装置に印加することにより、発振制御電圧のローノイズ化を行うことができる。

図７は、本発明の実施の形態２における温度補償型水晶発振器の、電圧制御型発振器のｆ−Ｖ特性図であり、ＭＯＳバラクタのゲート電圧とドレイン電圧を独立に変化させた時の周波数ｆの変化を示している。極性が変転しており、傾きは絶対値で考えると等しい特性となっている。尚、図６に示す電圧制御型発振器の構成ではＭＯＳバラクタで記載しているが、ジャンクション容量のカソード、アノードでも同様の特性を得ることができる。

従来の、例えば図１４に示した回路においては、（１次成分と３次成分を合成した）制御電圧は、ＭＯＳトランジスタのゲートに入力される。一方、図６の構成では１次成分と３次成分を分割して入力するため、１次成分は従来のＭＯＳトランジスタのゲートへ入力し、３次成分は、ＭＯＳトランジスタのドレインに入力する。ドレインに入力する理由は、図８及び図９に示すように、３次特性とダイオード特性の向きを同じにするには従来の極性と反転させる必要があるためである。

図８は、本発明の実施の形態２における温度補償型水晶発振器の、１次関数制御電圧の特性図である。図に示すように、１次制御電圧は従来の特性と変化がない（図１６参照）。一方、図９は、本発明の実施の形態２における温度補償型水晶発振器の、３次関数制御電圧の特性図である。図に示すように、３次制御電圧は従来とは逆の特性を示している（図１６参照）。この構成により、１次成分と３次成分を分けて、ＭＯＳバラクタの極性の異なるノードにバイアスを印加することが可能である。このときの３次回路の構成は、例えば、前述の特許文献１に開示されている従来の関数発生回路を使用して構成することが可能である。

［実施の形態３］
図１０は、本発明の実施の形態３における温度補償型水晶発振器の、制御電圧発生回路を示す構成図である。抵抗を温度センサとして利用した場合の例である。１次関数と３次関数を、個別のリファレンス電圧を基準に構成している。１次関数のリファレンスは、ダイオードを利用して構成されている。また、３次関数の方のリファレンスは抵抗分割で構成されている。これにより１次関数側の制御電圧のローノイズ化を図ることができる。

［実施の形態４］
図１１は、本発明の実施の形態４における温度補償型水晶発振器の、制御電圧発生回路を示す構成図である。抵抗を温度センサとして利用した場合の例である。１次関数と３次関数を、個別のリファレンス電圧を基準に構成している。３次関数のリファレンスは、ダイオードを利用して構成されている。また、１次関数の方のリファレンスは抵抗分割で構成されている。これにより３次関数側の制御電圧のローノイズ化を図ることができる。

［実施の形態５］
図１２及び図１３は、本発明の実施の形態５における温度補償型水晶発振器の、制御電圧発生回路を示す構成図である。抵抗を温度センサとして利用した場合の例である。１次関数と３次関数を、個別のリファレンス電圧を基準に構成している。１次関数と３次関数のリファレンスは、ダイオードを利用して構成されている。これにより１次関数と３次関数側の制御電圧のローノイズ化が図ることができる。尚、図１２はバッファアンプをそれぞれ設けた回路で、図１３は１つのバッファアンプに統一した回路である。

本発明の温度補償型水晶発振器は、発振制御電圧のノイズを低減できるという効果を有し、電圧可変容量素子を用いた温度補償型水晶発振器等に有用である。

本発明の温度補償型水晶発振器における温度補償回路を構成する１次関数発生回路について説明するための図本発明の温度補償型水晶発振器における１次関数発生回路の構成図本発明の温度補償型水晶発振器における別の１次関数発生回路の構成図本発明の実施の形態１における温度補償型水晶発振器の制御電圧発生回路を示す構成図本発明の実施の形態１における温度補償型水晶発振器の別の制御電圧発生回路を示す構成図本発明の実施の形態２における温度補償型水晶発振器の、電圧制御型発振器の構成図本発明の実施の形態２における温度補償型水晶発振器の、電圧制御型発振器のｆ−Ｖ特性図本発明の実施の形態２における温度補償型水晶発振器の、１次関数制御電圧の特性図本発明の実施の形態２における温度補償型水晶発振器の、３次関数制御電圧の特性図本発明の実施の形態３における温度補償型水晶発振器の、制御電圧発生回路を示す構成図本発明の実施の形態４における温度補償型水晶発振器の、制御電圧発生回路を示す構成図本発明の実施の形態５における温度補償型水晶発振器の、制御電圧発生回路を示す構成図本発明の実施の形態５における温度補償型水晶発振器の、制御電圧発生回路を示す構成図従来のＴＣＸＯの一例を説明するための図従来のＴＣＸＯの他の例を説明するための図従来の３次関数発生回路の特性図

符号の説明

１温度センサ
２１次関数発生回路
３３次関数発生回路
４リファレンスバッファアンプ
５３次回路用リファレンスバッファアンプ
６１次回路用リファレンスバッファアンプ

Claims

水晶振動子と、発振周波数制御装置を備えた増幅器と、前記水晶振動子の発振周波数の温度補償回路と、で構成される温度補償型水晶発振器であって、
前記温度補償回路の補償電圧のリファレンス電圧を、ダイオードの順方向電圧を使用して生成することを特徴とする温度補償型水晶発振器。
水晶振動子と、発振周波数制御装置を備えた増幅器と、前記水晶振動子の発振周波数の温度補償回路と、で構成される温度補償型水晶発振器であって、
前記温度補償回路の補償電圧を、１次成分と３次成分に分けて前記発振周波数制御装置に印加することを特徴とする温度補償型水晶発振器。
水晶振動子と、発振周波数制御装置を備えた増幅器と、前記水晶振動子の発振周波数の温度補償回路と、で構成される温度補償型水晶発振器であって、
前記温度補償回路を、1次成分と３次成分に分けて構成する場合に、１次成分の補償電圧のリファレンス電圧を、ダイオードの順方向電圧を使用して生成することを特徴とする温度補償型水晶発振器。
水晶振動子と、発振周波数制御装置を備えた増幅器と、前記水晶振動子の発振周波数の温度補償回路と、で構成される温度補償型水晶発振器であって、
前記温度補償回路を、1次成分と３次成分に分けて構成する場合に、３次成分の補償電圧のリファレンス電圧を、ダイオードの順方向電圧を使用して生成することを特徴とする温度補償型水晶発振器。
水晶振動子と、発振周波数制御装置を備えた増幅器と、前記水晶振動子の発振周波数の温度補償回路と、で構成される温度補償型水晶発振器であって、
前記温度補償回路の補償電圧を１次成分と３次成分に分けて発振周波数制御装置に印加する場合に、１次成分と３次成分を、それぞれ、ダイオードの順方向電圧をリファレンス電圧として生成することを特徴とする温度補償型水晶発振器。