JP2015228551A - 弾性表面波発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度安定性が低い圧電材料からなる発振用ＳＡＷ素子を用いても、良好な温度補償ができ、また外付け温度センサを用いることなく、小型化を可能とする。
【解決手段】ＳＡＷ素子１０は、発振用ＳＡＷ素子１０ａと、温度変化に基づく周波数変動を信号レベル変動に変換するレベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂからなり、検波回路１４は、レベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂから得られたレベル変動をＤＣ電圧として出力し、温度補償用移相器１２において、上記ＤＣ電圧により発振信号の位相を調整することで、発振周波数の温度補償が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は弾性表面波素子を用いた発振器、特に温度補償が可能な弾性表面波発振器の構成に関する。

従来から、携帯電話等の無線通信機器や有線通信機器等には、弾性表面波（Surface acoustic wave：ＳＡＷ）発振器が広く採用されており、このＳＡＷ発振器は、例えば図５に示される構成となっている。
図５（Ａ）において、ＳＡＷ発振器は、ＳＡＷ素子１、このＳＡＷ素子１からの位相を調整する移相器２及び増幅回路（ＡＭＰ）３を備え、この増幅回路３の出力をＳＡＷ素子１へ帰還させる帰還回路を構成してなる。

図５（Ｂ）に示されるように、ＳＡＷ素子１は、水晶等の圧電性基板に櫛形電極（ＩＤＴ：Inter Digital Transducer）を形成してなり、中心周波数ｆ1 の周波数帯の信号を通過させるフィルタ特性も有する。

このような構成によれば、上記移相器２は、ＳＡＷ素子１の出力信号をある固定値の位相φｐ［ｒａｄ］だけ進めて（或いは遅らせて）、増幅回路３に出力し、この増幅回路３の出力をＳＡＷ素子１へ帰還させることで、発振動作が行われる。
ここで、増幅回路３のゲインをＧｅ［ｄＢ］、ＳＡＷ素子１のゲインをＧsaw［ｄＢ］、移相器２のゲインをＧｐ［ｄＢ］とし、増幅回路３によって位相がφｅ［ｒａｄ］進み（或いは遅れる）、ＳＡＷ素子１によって位相がφsaw［ｒａｄ］進む（或いは遅れる）とすると、発振条件は次のように表すことができる。
Ｇsaw＋Ｇｅ＋Ｇｐ≧ ０、かつφsaw ＋φｅ＋φｐ＝ ２ｎπ（ｎは正数）

特開平１−２８４００２号公報

ところで、上記ＳＡＷ素子１の位相特性は、温度によって変動することが知られており、この温度による位相変動は、ＳＡＷ素子１を構成する圧電材料（基板）の種類によってもその変動幅が変わってしまうという問題がある。従って、ＳＡＷ発振器において温度変動をなくすためには、温度変動の少ない発振用ＳＡＷ素子１が必要であり、水晶等の温度安定性の優れた圧電材料を用いることが要請される。

しかしながら、発振用ＳＡＷ素子１の圧電材料として水晶を用いた場合、電気機械結合係数が小さいために狭帯域発振器しか実現できないという問題があった。
また、発振用ＳＡＷ素子１の製造のばらつき等により、発振周波数のばらつきが発生し、このために歩留まりも非常に悪いという不都合がある。

一方、従来では、上記特許文献１（特開平１−２８４００２号公報）に示されるように、周囲温度を検出する外付けの温度センサを設け、この温度センサで検出された温度変化に応じて、位相調整器にて発振周波数のずれを調整し、確実な温度補償を行うことも開示されている。
しかし、上記のように外付けの温度センサを備えるＳＡＷ発振器は、小型化には適さない構造であり、近年の小型携帯用通信機器への採用が困難である。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度安定性が低い圧電材料からなる発振用弾性表面波素子を用いても、良好な温度補償ができ、また外付け温度センサを用いることなく、装置の小型化が可能となる弾性表面波発振器を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の弾性表面波発振器は、発振機能を有すると共に、温度変化に基づく周波数変動を信号レベル（振幅）変動に変換する機能を持つ弾性表面波素子と、この弾性表面波素子から得られた信号レベル変動をＤＣ（直流）電圧として出力する検波回路と、この検波回路からの検波出力に基づき、発振信号の位相を調整する温度補償用移相器と、を設け、上記温度補償用移相器の位相制御により発振周波数の温度補償を行うことを特徴とする。

上記の構成によれば、例えば発振用の弾性表面波素子とレベル変換用の弾性表面波素子が設けられ、発振用弾性表面波素子からの出力信号において、温度変化により発振周波数が変動すると、この周波数の変動がレベル（振幅）の変動に変換されて、レベル変換用弾性表面波素子から得られる。このレベル変動は、検波回路にてＤＣ電圧へ変換され、温度補償用移相器では、上記ＤＣ電圧により位相が調整されることになり、この結果、発振周波数が温度補償される。

本発明の弾性表面波発振器によれば、温度安定性が低い圧電材料からなる発振用弾性表面波素子を用いた場合でも、温度変化に対する良好な温度補償ができ、温度安定性の高い通信機器が得られる。また、水晶の発振用弾性表面波素子を用いた従来の狭帯域発振器を採用する必要もなく、製造ばらつきが原因の発振周波数のばらつきにも対応することが可能になるという効果がある。
更に、外付けの温度センサを用いないので、装置の小型化が可能であり、小型携帯用通信機器への適用が容易となるという利点がある。

本発明に係る実施例の弾性表面波発振器の構成を示す回路図である。 実施例の弾性表面波発振器のＳＡＷ素子の構成を示す図である。 実施例の温度補償用移相器の構成を示す回路図である。 実施例の動作を示す波形図である。 従来の弾性表面波発振器の構成を示し、図（Ａ）は回路図、図（Ｂ）はＳＡＷ素子の図である。

図１に、実施例の弾性表面波（ＳＡＷ）発振器の構成が示され、図２に、図１のＳＡＷ素子の構成が示されている。
図１に示されるように、ＳＡＷ発振器は、ＳＡＷ素子１０、温度補償用移相器１２、従来と同様の移相器２及び増幅回路（ＡＭＰ）３をループ状に配置することにより、上記ＳＡＷ素子１０への帰還回路を構成し、かつこのＳＡＷ素子１０のレベルを検波し、検波出力を上記温度補償用移相器１２へ入力する検波回路１４を設けてなる。

図２に示されるように、実施例のＳＡＷ素子１０は、従来のＳＡＷ素子１と同様の構成の発振用ＳＡＷ素子１０ａと、レベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂとからなり、この発振用ＳＡＷ素子１０ａは、増幅回路３からの信号を入力し、発振信号を温度補償用移相器１２へ出力し、上記レベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂは、上記増幅回路３からの信号を入力し、温度変化に基づく周波数変動を振幅レベル変動に変換したレベル出力を検波回路１４へ出力する。

即ち、上記レベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂは、ＩＤＴ（櫛型電極）の重み付けを調整（電極形状等を調整）することにより、周波数に対して傾斜を持つ振幅特性となるように設計される。具体的には、図４（Ｃ）に示されるように、例えば周波数が高くなる程、振幅レベルが右肩下がりとなる（周波数が高い程、損失が大きくなる）特性に設定する。なお、このレベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂは、温度安定性を有することが必要であるため、圧電材料として温度安定性の優れた水晶を用いるのが好ましい。

また、上記移相器２は、従来と同様に、定常状態での周波数を調整し、上記検波回路１４は、レベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂから出力されたレベルの変動をＤＣ（直流）電圧へ変換し、上記温度補償用移相器１２は、ＤＣ電圧に基づき発振用ＳＡＷ素子１０ａから入力された発振周波数の位相（移相量）を調整する。

図３には、上記温度補償用移相器１２の具体的構成が示されており、実施例の移相器１２は、入力（ＩＮ）端子と出力（ＯＵＴ）端子との間に、コンデンサＣ、抵抗Ｒ、バリキャップＶＤ、コイルＬを図のように接続してなり、端子１２ａから検波回路１４からのＤＣ電圧を入力するように構成される。

実施例は、以上の構成からなり、次にその動作について説明する。
まず、発振ループの増幅回路３からの信号は、発振用ＳＡＷ素子１０ａに入力されると共に、分岐される形で、レベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂにも入力される。周囲温度が変化して、発振ループの発振周波数が変動するとき、上記レベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂからの出力レベルが変動する。

図４（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、例えば点線と一点鎖線との間の変動の場合、発振周波数の変動ｆｃをレベル変動Ａｃに変換する。即ち、所定の温度から高温へ変化し、図４の特性が実線から点線へ変化した場合、位相が進んで発振ループの発振周波数は、低帯域へシフトする。一方、レベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂの出力レベルは図４（Ｃ）のように上昇する。この上昇した電圧が、検波回路１４でＤＣ電圧へ変換された後、温度補償用移相器１２に供給されることで、位相が制御され、発振周波数が高域側にシフトし、温度補償される。逆に、低温へ変化し、図の実線から一点鎖線へ変化した場合は、発振周波数は高帯域へシフトし、レベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂの出力レベルは低下するが、ＤＣ電圧によって位相が制御されることで、発振周波数が低域側にシフトし、温度補償される。

実施例の構成によれば、以下の利点がある。
（１）発振用ＳＡＷ素子１０ａとして低損失広帯域素子の使用が可能であり、温度安定性の良い広帯域発振器が得られる。なお、広帯域発振器としては、ＳＡＷ発振器以外に誘電体発振器があり、これと比較しても、従来のＳＡＷ発振器は、温度安定性が低いという弱点があるが、この弱点が解消される。
（２）外付けの温度センサが不要であり、また発振用ＳＡＷ素子１０ａとレベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂを同一パッケージ内に搭載することで、小型化を図ることができる。なお、レベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂの出力は小信号でよいため、このレベル変換用ＳＡＷ素子１０ｂの損失が発振器性能へ影響を与えることはない。
（３）発振用ＳＡＷ素子１０ａの製造ばらつきによる歩留まりの影響を簡単な調整で回避できる。即ち、移相器２，１２の移相量調整により周波数調整が可能であり、実装での調整を不要とすることができる。また、定数調整若しくは可変素子使用で対応することも可能である。
（４）発振ループの損失が少ないため、高利得の増幅回路が不要で、飽和レベルを高く設定できる。

なお、実施例では、定常状態での周波数を調整する役割の移相器２を設けているが、温度補償用移相器１２にて移相器２の役割も兼ねることも可能である。
また、実施例では、ループ状の発振構成としたが、ＳＡＷ素子を共振子として使用したループ状でない発振構成に適用することも可能である。

１，１０…ＳＡＷ（弾性表面波）素子、
２…移相器、 ３…増幅回路（ＡＭＰ）、
１０ａ…発振用ＳＡＷ素子、
１０ｂ…レベル変換用ＳＡＷ素子
１２…温度補償用移相器、
１４…検波回路。

Claims (1)

1. 発振機能を有すると共に、温度変化に基づく周波数変動を信号レベル変動に変換する機能を持つ弾性表面波素子と、
   この弾性表面波素子から得られた信号レベル変動をＤＣ電圧として出力する検波回路と、
   この検波回路からの検波出力に基づき、発振信号の位相を調整する温度補償用移相器と、を設け、
   上記温度補償用移相器の位相制御により発振周波数の温度補償を行う弾性表面波発振器。

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