JPH04123613U - 温度補償型水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】全てのＡＴカット水晶振動子でも使用できる温
度補償型発振回路を提供するものである。 【構成】ＡＴカットされた水晶振動子の一端に増幅器を
接続し、他端に、該水晶振動子の特性曲線を補正する温
度補償用コンデンサを接続し、さらに、コンデンサと負
の温度特性をもつサーミスタの並列接続した低温領域補
償回路及び高温領域補償回路とを接続したことを特徴と
する温度補償型水晶発振器。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、特性曲線のバラツキの大きなＡＴカットされた水晶振動子の温度補 償範囲を可能にする温度補償型水晶発振器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

ＡＴカットされた水晶振動子に対して、低温領域から高温領域まで温度補償可 能な温度補償型水晶発振器として、図４に示すように、ＡＴカットされた水晶振 動子４１の一端に増幅器４２を接続し、他端にコンデンサと負の温度特性をもつ サーミスタの並列接続した低温領域補償回路４３及び高温領域補償回路４４とを 接続した温度補償型水晶発振器が既に知られていた（特公昭６４−１９６９号公 報参照）。

【０００３】 これにより、低温領域から高温領域にわたる広い温度領域で、安定した温度補 償が可能な水晶水晶発振器が達成される。

【０００４】

【従来技術の課題】

しかしながら、上述の温度補償型水晶発振器で温度補償可能な水晶振動子は、 その固有周波数−温度特性が図２のＶ、Ｗ、Ｘのように、基準点Ｏに対して第１ 象限と第３象限にのみに特性が存在する、即ち単調増加の３次曲線の特性の水晶 振動子に限られ、例えば、３次の曲線の極大値、極小値が第２象限又は第４象限 にある特性Ｙ、Ｚは、補償の対象外の水晶振動子とされていた。

【０００５】 このため、上述の単調増加の３次の曲線の特性の水晶振動子を得るために、水 晶基板から特別な角度でカットされた水晶振動子が使用され、高価で且つ入手困 難など種々の問題点があった。

【０００６】 本考案は上述の問題に鑑みて案出されたものであり、その目的は、３次関数の 周波数−温度特性曲線の極大値、極小値が第２象限又は第４象限にある、一般的 な水晶振動子においても、低温領域から高温領域までの広い温度領域で温度補償 可能な温度補償型水晶発振器である。

【０００７】

【問題点を解決するための具体的な手段】

上述の問題点を本考案が提案する具体的な手段は、ＡＴカットされた水晶振動 子の一端に増幅器を接続し、他端に、該水晶振動子の特性曲線を補正する温度補 償用コンデンサを接続し、さらに、コンデンサと負の温度特性をもつサーミスタ の並列接続した低温領域補償回路及び高温領域補償回路とを接続したことを特徴 とする温度補償型水晶発振器である。

【０００８】

【作用】

上述の構成の温度補償型水晶発振器によれば、水晶振動子の固有周波数−温度 特性曲線を、水晶振動子の他端に接続した温度補償用コンデンサで、単調増加の ３次曲線にその傾きを補正する。このように単調増加の周波数−温度特性を有す る水晶振動子及び温度補償用コンデンサを、低温領域補償回路及び高温領域補償 回路とが直列的に接続された温度補償回路で温度補償をおこなう。

【０００９】 これにより、従来では、広い温度範囲で温度補償が不可能であった水晶振動子 であっても、簡単に温度補償が可能となり、特別な角度で水晶基板をカットする 必要はなく、その実用性は究めて大きなものとなる。

【００１０】

【実施例】

以下、本考案の温度補償型水晶発振器を図面を用いて説明する。図１は温度 補償型水晶発振器の回路図である。

【００１１】 図において、１はＡＴカットされた水晶振動子、２は増幅回路、３は温度補償 用コンデンサ、４は低温領域補償回路、５は高温領域補償回路である。

【００１２】 水晶振動子１は、水晶原石からＡＴ方向に切断された水晶辺に電極を形成した ものであり、基本周波数が１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚである。

【００１３】 増幅回路２は、水晶振動子１の一端に接続されるものであり、トランジスタＴ ｒ、コンデンサＣ₁ 、Ｃ₂ 、Ｃ₃ 、抵抗Ｒ₁ 〜Ｒ₄ から構成されている。即ちこ の増幅回路２では水晶振動子１の発振を増幅するとともに、増幅回路２のコンデ ンサＣ₁ 、Ｃ₂ によって、コルピッツ発振回路における水晶振動子１の一方の入 出力コンデンサ成分を形成している。

【００１４】 温度補償用コンデンサ３は、水晶振動子１の他端に接続され、水晶振動子１が 有する固有周波数−温度特性を、所定傾きを有する周波数−温度特性に補正する ものである。この温度補償用コンデンサ３の温度係数、容量を水晶振動子１の固 有周波数−温度特性に応じて適宜設定すれば、水晶振動子１と温度補償用コンデ ンサ３とを直列接続した周波数−温度特性が、基準点に対して第１象限及び第３ 象限のみを通る単調増加の３次の曲線に補正できる。

【００１５】 低温領域補償回路４は、コンデンサＣ₄ と負の特性サーミスタＴｈ₁ と可変抵 抗Ｒ₅ とを並列に接続して構成されている。低温領域補償回路４によって、水晶 振動子１及び温度補償用コンデンサ３の低温領域、例えば２０℃以下の周波数− 温度特性を傾きを補正する働きをする。即ち、図２の第３象限に単調増加する特 性の傾きを小さくして、平坦化する。

【００１６】 高温領域補償回路５は、コンデンサＣ₅ と負の特性サーミスタＴｈ₂ とを並列 に接続して構成されている。高温領域補償回路５によって、水晶振動子１及び温 度補償用コンデンサ３の高温領域、例えば２０℃以上の周波数−温度特性を傾き を補正する働きをする。即ち、図２の第１象限に存在する単調増加の傾きを小さ くして、平坦化する。

【００１７】 上述の温度補償型水晶発振器によれば、先ず、水晶振動子１の固有周波数−温 度特性の３次曲線を温度補償用コンデンサ３で、単調増加の３次曲線に補正して 、次の段階で、低温領域の補償、高温領域の補償を行うものである。即ち、図２ の特性図において、特性Ｙ、Ｚのような特性を、特性Ｖ、Ｗ、Ｘのように変換し て、この状態で低温領域から高温領域までの補償を行う。

【００１８】 次に、水晶振動子１を見掛け上単調増加の周波数−温度特性に補正する温度補 償用コンデンサ３の設定について説明する。

【００１９】 まず、設定手順として、 水晶振動子１の等価回路の直列共振周波数ｆｓ、等価並列容量Ｃ_O 、等価並列 容量Ｃ₁ を求める。 水晶振動子１の周波数−温度特性より近似した３次式の３乗の項の係数ａ、２ 乗の項の係数ｂ、１乗の項の係数ｃ及び基準温度Ｔ_O を求める。 水晶振動子１の基準温度Ｔ_O における負荷容量Ｃ_L0を決定する。 水晶振動子１の温度による周波数変動が零になるように、温度補償用コンデン サ３の負荷容量Ｃ_L の所定温度特性を求める。 この特性の極小点、極大点となる温度、負荷容量、傾きを求める。 基準温度Ｔ_O において、Ｃ_T0なる容量値で、温度係数ｋｃのコンデンサと、温 度係数零のＣ_A なる容量値のコンデンサとの直列回路が、で求めた温度で、そ の容量値と温度傾きが等しいとして、容量値Ｃ_T0、温度係数ｋｃを決定する。 先の負荷容量Ｃ_L の所望値からの温度特性を差し引いた新しい負荷容量Ｃ
_Ｌ を求める。

【００２０】 一般に水晶振動子の発振周波数は以下の（１）式で示される。

【００２１】

【数１】

【００２２】 水晶振動子の温度特性は、直列共振周波数ｆｓ_（Ｔ） で代表し、Ｃ_O 、Ｃ₁
は温 度に対して不変と仮定する。一般にＡＴカットされた水晶振動子の周波数−温度 特性は３次の曲線（３次式ｅ）で近似されるので、周囲温度Ｔの直列共振周波数 ｆｓ_(T) は基準温度Ｔ_O とすれば、（２）式で表される。尚、ｆｓ₍₀₎ は基準温 度Ｔ_O における共振周波数である。

【００２３】

【数２】

【００２４】

【数３】

【００２５】 ここで、ａ、ｂ、ｃは比例定数である。

【００２６】 （２）を（１）に代入すると、次の（４）式となる。

【００２７】

【数４】

【００２８】 つぎに、負荷容量の所望温度特性について考察する。

【００２９】 （４）において、周囲温度Ｔ＝Ｔ_O において、ｆｓ_(T) ＝ｆ₍₀₎ 、ｅ＝０である から、ｆ₍₀₎ は（５）式で表される。

【００３０】

【数５】

【００３１】 周囲温度Ｔが変動しても周波数の温度変化がない。即ちｆｓ_(T) ＝ｆ₍₀₎ で一定 であるように、ＣL _(T) を変化させれば、水晶振動子の温度補償が理想的に行わ れることになる。この時の負荷容量ＣL _(T) 温度特性値が求める所望値である。 （４）式＝（５）式として計算すると、（６）式となる。

【００３２】

【数６】

【００３３】 （６）式を温度Ｔで微分すると（７）式となる。

【００３４】

【数７】

【００３５】 この（７）式の極値（極大値または極小値）を求めるが、（２）式をＴで２回 微分して、極値として計算すると、（９）式となる。

【００３６】

【数８】

【００３７】

【数９】

【００３８】 （９）式において、零とおいて、ＴをＴ’として求める。

【００３９】

【数１０】

【００４０】 ここで、Ｔ’は温度に対する周波数の変化率が極大又は極小となる温度をしめ している。

【００４１】 このＴ’を（３）式のＴの微分式に代入して、ｅ_XNを（１１）式で示す。

【００４２】

【数１１】

【００４３】 次に、（６）式、（７）式に（１０）式を代入して、極値の温度における負荷 容量ＣL _(T')とその傾きｄＣL _(T')／ｄＴを計算する。

【００４４】

【数１２】

【００４５】

【数１３】

【００４６】 即ち、基準温度Ｔ_O での負荷容量ＣL _O なる水晶振動子で、周波数の温度変動 を零にするには、（６）式で示すような負荷容量が必要であり、その温度変化の 割合の極値は（１３）式で、その温度は（１０）式のＴ’で、容量値は（１２） 式で与えられる。

【００４７】 次に、温度補償用コンデンサ３による傾き補正について説明する。

【００４８】 温度補償用コンデンサ３の温度係数をＫｃとすると、温度特性ＣＴ_(T) は（１ ４）式となる。

【００４９】

【数１４】

【００５０】 ここで、温度補償用コンデンサ３が温度係数Ｋｃのコンデンサと温度係数が零の 固定コンデンサＣA の直列回路で考え、その総合の容量を水晶振動子１の負荷容 量ＣL _(T) と考えと、（１５）式となる。

【００５１】

【数１５】

【００５２】 さらに、（１５）式をＴで微分する。

【００５３】

【数１６】

【００５４】 先に求めた（１０）式を（１５）、（１６）式に代入する。

【００５５】

【数１７】

【００５６】

【数１８】

【００５７】 （１２）、（１３）式のＭ₁ 、Ｍ₂ と（１７）（１８）式を等しいと置き、Ｋｃ 、ＣＴ₍₀₎ を求める。

【００５８】

【数１９】

【００５９】

【数２０】

【００６０】 （１９）式を（２０）式に代入する。

【００６１】

【数２１】

【００６２】 （１９）式を（２１）式に代入する。

【００６３】

【数２２】

【００６４】 （１９）式を（２２）式に代入する。

【００６５】

【数２３】

【００６６】 （２２）式で与えられるＣＴ₍₀₎ に等しいか又は小さな容量値で、（２３）式で 与えられるＫｃに等しい温度係数をもつ温度補償用コンデンサを使用すれば、水 晶振動子１と温度補償用コンデンサ３との温度−周波数特性の３次曲線が単調増 加となり、基準温度Ｔ_O を原点として、第１象限及び第３象限を通る曲線となる 。

【００６７】 このように、水晶振動子１の温度−周波数特性を温度補償用コンデンサ３を接 続して第１象限及び第３象限を通る温度−周波数特性曲線に補正した後、特公昭 ６４−１９６９に開示された手法で、温度補償を行う。 例えば、水晶振動子の特性 直列共振周波数：１６．５８７ＭＨｚ 等価直列容量 ：１５．７ｆＦ 等価直列容量 ： ４ｐＦ 周波数−温度特性の３次曲線 ａ＝１．０４９×１０^-10 ｂ＝−５．４３×１０^-10 ｃ＝−３．０３１×１０^-7 基準温度 Ｔ_O ＝２５ 補償用コンデンサとして 容量値３３．３３１ｐＦ 温度係数Ｋｃ＝−１８４８．９４ＰＰＭ／℃ 低温領域温度補償回路４として、 サーミスタ基準抵抗 ７．０４７７５Ω 温度特性 ３０００ 並列容量 ９９．２９８１ｐＦ 高温領域温度補償回路５として、 サーミスタ基準抵抗 ９５７．５３２Ω 温度特性 ３５００ 並列容量 ９９．５２６６ｐＦ として、水晶発振器の温度補償をおこなった。

【００６８】 その結果を、図３に示す。

【００６９】 図において、線Ｓは補償後の周波数−温度特性であり、線Ｔは補償前の周波数 −温度特性であり、線Ｕは補償値である。

【００７０】 図３の線Ｔからあきらかなように、基準温度２５℃を原点として、第２象限、 第４象限を通過する周波数−温度特性を有する水晶振動子であっても、線Ｓのよ うに温度補償後には、−３０〜＋７５℃の温度範囲で、±１ＰＰＭの変動内に補 償が可能となる。

【００７１】 以上のように、本考案によれば、従来で温度補償が困難であった基準温度を原 点として、第２象限、第４象限を通過する周波数−温度特性を有する水晶振動子 であっても、温度補償用コンデンサ３の特性を適宜設定することによって、容易 に温度補償が可能となり、通常の水晶振動子１であっても、広い温度領域に渡っ て温度補償が可能となる。

【００７２】

【考案の効果】

以上のように、本考案よれば、一般的な水晶振動子においても、低温領域から 高温領域までの広い温度領域で温度補償可能な温度補償型水晶発振器となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の温度補償型発振回路の回路図である。

【図２】水晶振動子の温度−周波数との関係を示す特性
図である。

【図３】本考案の温度補償型発振回路による補償度合い
を示す特性図である。

【図４】従来の温度補償型発振回路の回路図である。

【符号の説明】

１、４１ 水晶振動子 ２、４２ 増幅回路 ３ 温度補償用コンデンサ ４、４３ 低温領域補償回路 ５、４４ 高温領域補償回路

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＡＴカットされた水晶振動子の一端に増
   幅器を接続し、他端に、該水晶振動子の特性曲線を補正
   する温度補償用コンデンサ及びコンデンサと負の温度特
   性をもつサーミスタとを並列接続した低温領域補償回
   路、高温領域補償回路を直列に接続したことを特徴とす
   る温度補償型水晶発振器。