JPH10290157A - 水晶発振回路の温度補償方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水晶発振器との温度特性のランク合わせのた
めの部品管理、製造管理を不要にし確実に温度補償が行
える温度補償方法及び装置を提供する。 【解決手段】 水晶発振器１０１の実装チップに当該水
晶発振器１０１の温度特性ランクを判定するランク判定
端子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃを設ける。上記チッ
プを実装した状態でランク判定部２０５により上記ラン
ク判定端子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃを通じて水晶
発振器１０１のランクを判定し、かつ温度センサ２０１
の検知信号に基づき温度判定部２０３で温度を判定す
る。演算／制御部２０４は、上記判定ランク及び判定温
度に基づき温度特性メモリ２０６内の温度特性を検索
し、上記判定ランクの上記判定温度に対応した補正量に
対応する制御信号をＤ／Ａ変換回路（Ｄ／Ａ）２０９を
通じて可変用容量素子ＶＣ１に印加することによりその
容量を調整し発振周波数を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水晶振動子を用い
た発振回路の発振周波数を安定化するための自動周波数
制御回路に関し、詳しくは、水晶振動子毎にその温度特
性を認識して発振周波数を制御することにより発振回路
の温度補償を確実に行うための温度補償方法及び装置の
改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】無線機に用いられる発振器の代表的なも
のとして、水晶振動子を発振源とする水晶発振器が知ら
れている。一般に、水晶発振器は、水晶振動子のカッテ
ィングの精度等により、温度対発振周波数の特性に関し
て例えば図６に示すようなばらつきを生じる。このよう
な水晶発振器Ｘ１，Ｘ２毎の温度特性のばらつきは、こ
れら水晶発振器Ｘ１，Ｘ２を含む発振回路の周波数の安
定化を妨げ、運用上の大きな支障となるのは言うまでも
ない。

【０００３】そこで、水晶発振器の発振周波数を安定化
させるための最も一般的な方法としては、水晶振動子の
単品での特性改善を図る方法が考えられる。しかしなが
ら、この方法では、水晶振動子のカッティング精度を高
めるのにコストがかかり、希望に沿う特性改善を図るに
は製造コストの高騰を免れなかった。そこで、より現実
的な方法としては、その水晶発振器が実装される水晶発
振回路の温度特性により当該水晶発振器の発振周波数を
安定化させる方法があった。

【０００４】図７は、この方法を適用して成る従来の水
晶発振回路の回路構成を示したものである。この回路で
は、可変容量素子Ｃ2の容量変化により発振周波数の初
期調整を行った後、トランジスタＴr、コンデンサＣ3，
Ｃ4，Ｃ1等の部品により水晶発振器１０１の温度特性を
打ち消すように発振回路定数や温度特性を決定するよう
にしている。

【０００５】この水晶発振回路の場合、コンデンサＣ
2，Ｃ3，Ｃ4，Ｃ1等の各部品の温度特性を水晶発振器１
０１の温度特性に合わせることが原則となる。もし間違
えて水晶発振器１０１の温度特性に合致しない部品を実
装してしまうと、該実装状態で改めて水晶発振器の１０
１の温度試験をしないと温度特性が分からなくなる。し
かも、一度実装したチップ部品についてはその特性は全
く分からなかった。

【０００６】換言すれば、この回路においては、水晶発
振器１０１の温度特性に合わせて適切な部品を実装しな
ければ正確な温度補償が望めない。このことは、水晶発
振器１０１と他の回路部品のランク合わせが不可欠であ
り、このランク合わせのためには各回路部品に水晶発振
器１０１のランクと照合するためのランク識別部を設け
る必要性があることを意味している。これにより、この
種の従来回路では、部品管理や製造管理が極めて煩雑な
ものとなっていた。

【０００７】その他、水晶発振器の周波数制御の例とし
ては、ＴＣＸＯ（温度制御水晶発振器）のように、サー
ミスタやポジスタ等を用いて温度補償を行うものも知ら
れていた。しかしながら、この種の従来装置では、水晶
発振器の温度特性を判定しその温度特性毎に周波数を制
御するといった機能を有していなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の水
晶発振器の自動周波数制御方法としては、・水晶発振器
と他の部品の温度特性に関するランク合わせを行って、
水晶発振器の温度特性のばらつきを打ち消すように回路
定数を決定する。

【０００９】・ＴＣＸＯのように、温度センサや回路の
温度特性で温度補償を行う。

【００１０】等の方法が一般的であったが、前者の方法
では、水晶発振器の温度特性のばらつきに応じて回路部
品の温度特性を管理する必要性から部品管理、製造管理
が繁雑化し、後者の方法では水晶発振器の温度特性のば
らつきに対して製造方法、工程が複雑になるという問題
点があった。

【００１１】本発明は上記問題点を除去し、水晶発振器
と他の回路部品の温度特性のランク合わせを不要にして
部品管理、製造管理を容易化すると共に、水晶発振器の
温度特性のばらつきに対しても温度補償を確実に行える
水晶発振回路の温度補償方法及び装置を提供することを
目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、水晶振動子を実装したチップ上
に当該水晶振動子の温度特性ランクを示すランク判定端
子を設けると共に、前記チップを水晶発振回路に実装し
た状態で、前記ランク判定端子を通じて前記チップ内の
水晶振動子の温度特性ランクを判定し、該判定された温
度特性ランクに応じて前記水晶発振回路の発振周波数を
制御することを特徴とする。

【００１３】また、請求項２の発明は、上記請求項１の
発明において、温度に対する補正制御量の関係を温度特
性として前記温度特性ランク別に予め記憶しておくと共
に、前記温度特性ランクと共に温度を判定し、該判定さ
れたランク及び温度に対応する補正制御量を前記温度特
性から検索し、当該補正制御量に基づき前記水晶発振回
路内の可変容量素子の容量調整を行うことにより前記発
振周波数を制御することを特徴とする。

【００１４】また、請求項３の発明は、上記請求項１の
発明において、ランク判定端子は、前記チップのＧＮＤ
端子に接続される複数の端子から成り、当該各端子と前
記ＧＮＤ端子間の接続パターンが当該チップ内の水晶振
動子の温度特性ランクと対応付けられていることを特徴
とする。

【００１５】また、請求項４の発明は上記請求項３の発
明においては、前記チップの実装時に前記ランク判定端
子にそれぞれ当接する複数の対面端子を設け、該対面端
子を通じて前記ランク判定端子の接続パターンを認識す
ることにより前記温度特性ランクの判定を行うことを特
徴とする。

【００１６】請求項５の発明は、水晶振動子を実装する
と共に、該実装した水晶振動子の温度特性ランクを示す
ランク判定端子を有する水晶振動子チップと、前記チッ
プを水晶発振回路に実装した状態で、前記ランク判定端
子を通じて前記チップ内の水晶振動子の温度特性ランク
を判定するランク判定手段と、前記ランク判定手段によ
り判定された温度特性ランクに応じて前記水晶発振回路
の発振周波数を制御する制御手段とを具備することを特
徴とする。

【００１７】また、請求項６の発明は、上記請求項５の
発明において、温度を判定する温度判定手段と、温度に
対する補正制御量の関係を示す温度特性を前記温度特性
ランク別に記憶する温度特性記憶手段と、前記水晶発振
回路の発振周波数を調整する可変容量素子とを具備し、
前記制御手段は、前記ランク判定手段及び前記温度判定
手段により判定されたランク及び温度に対応する補正制
御量を前記温度特性から検索し、当該補正制御量に基づ
き前記可変容量素子の容量調整を行うことにより前記発
振周波数を制御することを特徴とする。

【００１８】また、請求項７の発明は、上記請求項５の
発明において、ランク判定端子は、前記チップのＧＮＤ
端子に接続される複数の端子から成り、当該各端子と前
記ＧＮＤ端子間の接続パターンが当該チップ内の水晶振
動子の温度特性ランクと対応付けられていることを特徴
とする。

【００１９】また、請求項８の発明は、上記請求項７の
発明において、前記チップの実装時に前記ランク判定端
子にそれぞれ当接する複数の対面端子を設け、該対面端
子を通じて前記ランク判定端子の接続パターンを認識す
ることにより前記温度特性ランクの判定を行うことを特
徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明
に係わる自動周波数制御回路の一実施の形態を示す回路
図であり、水晶発振回路部１０と、この水晶発振回路部
１０の発振周波数の温度補償を行う温度補償回路部２０
により構成される。

【００２１】水晶発振回路部１０は、水晶振動子を用い
た水晶発振器１０１及びこの水晶発振器１０１の発振周
波数を調整するための可変容量素子ＶＣ1、ＶＣ2等を初
めとして、同図に示すような各回路素子を具備して構成
される。他方、温度補償回路部２０は、温度センサ２０
１、Ａ／Ｄ変換回路（Ａ／Ｄ）２０２、温度判定部２０
３、演算／制御部２０４、ランク判定部２０５、温度特
性メモリ２０６、メモリ２０７、Ｄ／Ａ変換回路（Ｄ／
Ａ）２０８及び２０９を具備して構成される。

【００２２】この自動周波数制御回路において、水晶発
振回路部１０に実装される水晶発振器１０１は、例えば
図２（ａ）に示す様なチップ部品に水晶振動子を実装
し、かつ当該チップ上の所定位置に水晶振動子との接続
端子を形成した構成を基本とし、更に、該チップ上の別
の位置に、同図（ｂ）及び（ｃ）に示す如く、該水晶発
振器１０１内の水晶振動子の温度特性ランクを判定する
ためのランク判定端子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃを
設けて構成される。

【００２３】このランク判定端子１０１ａ，１０１ｂ，
１０１ｃには、以下の如く、当該チップ内に実装された
水晶振動子の温度特性ランクが対応付けられている。例
えば、水晶発振器１０１はその中に実装される水晶振動
子のカッティング精度等にとって、水晶発振器１０１
（Ｘ１〜Ｘｎ）毎に、図３（ａ）に示すような温度特性
のばらつきを生じるのが一般的である。本発明では、こ
れら各水晶発振器１０１の温度特性を、同図（ｂ）に示
す如く、Ａ，Ｂ，…等にランク分けすると共に、当該各
水晶発振器１０１の実装チップ上の上記ランク判定端子
１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃに対して、各々の水晶発
振器１０１の温度特性ランクに対応した加工を施す。具
体的には、図２（ｂ）及び（ｃ）に示す如く、チップ上
に、上記３つのランク判定端子１０１ａ，１０１ｂ，１
０１ｃが当該チップ上のＧＮＤ端子に接続されたパター
ン線路を形成しておき、このパターン線路を、当該チッ
プ（水晶発振器１０１）の温度特性ランクに合わせたパ
ターンで切断する。

【００２４】他方、ランク判定部２０５は、例えば図４
に示す如く、水晶発振器１０１の実装時、この水晶発振
器１０１上のランク判定端子１０１ａ，１０１ｂ，１０
１ｃにそれぞれ当設する３つの端子２０５１ａ，２０５
１ｂ，２０５１ｃと、これら各端子２０５１ａ，２０５
１ｂ，２０５１ｃにそれぞれ接続されるゲート回路２０
５２ａ，２０５２ｂ，２０５２ｃを具備して構成され
る。

【００２５】かかる構成のランク判定部２０５では、上
記水晶発振器１０１の実装時、上記端子２０５１ａ，２
０５１ｂ，２０５１ｃに当接するランク判定端子１０１
ａ，１０１ｂ，１０１ｃがＧＮＤ端子に接続されたもの
である時には、これら各端子２０５１ａ，２０５１ｂ，
２０５１ｃに対応するゲート回路２０５２ａ，２０５２
ｂ，２０５２ｃからレベル「０」に対応する出力を発生
し、また上記端子２０５１ａ，２０５１ｂ，２０５１ｃ
に当接するランク判定端子１０１ａ，１０１ｂ，１０１
ｃがＧＮＤ端子から遮断されたものである時には、これ
ら各端子２０５１ａ，２０５１ｂ，２０５１ｃに対応す
るゲート回路２０５２ａ，２０５２ｂ，２０５２ｃから
レベル「１」に対応する出力を発生する。

【００２６】これにより、ランク判定部２０５では、水
晶発振回路部１０に実装された水晶発振器１０１上のラ
ンク判定端子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃを通じて例
えば図４（ａ）に示す（０，０，０）や、同図（ｂ）に
示す（１，０，０）等の３ビットの出力を得ることがで
き、演算／制御部２０４は上記出力に基づき実装中の水
晶発振器１０１の温度特性ランクを判定することができ
る。

【００２７】このように、本発明では、図２に示す構成
の水晶発振器１０１及び図４に示す構成のランク判定部
２０５を設けたことにより、水晶発振器１０１上のラン
ク判定端子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃに関するＧＮ
Ｄ端子との接続パターンに応じて、３ビット分の数の温
度特性ランクの認識を実現している。

【００２８】また、本発明の自動周波数制御回路では、
上記水晶発振器１０１の温度特性ランクに関連して、温
度特性メモリ２０６に、温度に対する補正制御量の関係
を温度特性データとして温度特性ランク別に記憶してい
る。この温度特性データは、例えば、温度特性ランクＡ
の場合は、ｎ℃で補正量αという具合に、水晶発振器１
０１の温度特性ランク毎の温度対補正制御量を規定した
データである。

【００２９】演算／制御部２０４は、ランク判定部２０
５から得たランク判定出力と温度判定部２０３により判
定された温度とに基づき温度特性メモリ２０６に記憶さ
れている温度特性データを検索し、例えば、判定ランク
がＡで判定温度がｎ℃の場合には、この時の周波数安定
化に必要な上記補正量αに該当するデータを演算し、こ
れをＤ／Ａ変換回路（Ｄ／Ａ）２０８を通じて可変容量
素子ＶＣ１に印加することにより、上記補正量αを打ち
消すように当該ＶＣ１の容量を可変制御する。

【００３０】以下、図１における自動周波数制御回路の
動作についてより詳しく説明する。この回路において、
温度センサ２０１により周囲温度を検知し、その検知信
号をＡ／Ｄ変換回路（Ａ／Ｄ）２０２によりアナログ信
号からデジタル信号に変換して温度判定部２０３に入力
する。温度判定部２０３は、上記温度センサ２０１の検
知信号からこの時の温度を判定し、該判定温度を演算／
制御部２０４に通知する。

【００３１】この温度判定部２０３での温度判定は、例
えば温度センサ２０１の特性テンプレートか、該温度セ
ンサ２０１の検知信号のΔＶ／ΔＴ値及び基準温度での
初期値から判定することができる。例えば、メモリ２０
７に温度センサ２０１のΔＶ／ΔＴ値を保持し、かつ初
期値（例えば、２５℃のセンサ値）をメモリすること
で、温度判定が可能となる。

【００３２】他方、ランク判定部２０５は、水晶発振器
１０１の実装チップ上のランク判定端子１０１ａ，１０
１ｂ，１０１ｃを通じ、上述した如くの方法により当該
水晶発振器１０１の温度特性ランクの判定を行い、該ラ
ンク判定結果を演算／制御部２０４に通知する。

【００３３】ランク判定がなされかつ温度判定がなされ
た後、演算／制御部２０４は、上記判定温度に対応した
初期調整用の制御電圧データを生成し、これをＤ／Ａ変
換回路（Ｄ／Ａ）２０９を通じて可変容量素子ＶＣ２に
与えることにより、当該判定温度に対応する発振周波数
の初期調整を行う。

【００３４】次に、演算／制御部２０４は、温度特性メ
モリ２０６から上記判定ランクに対応する温度特性を特
定すると共に、この温度特性中の上記判定温度に対応す
る補正量を読み出して、該補正量に対応した水晶発振回
路の周波数補正制御に必要な電圧値データを演算する。
そして、このデータをＤ／Ａ変換回路（Ｄ／Ａ）２０８
によりアナログ信号に変換して可変容量素子ＶＣ１に供
給してその容量を可変調整することにより、発振周波数
を制御する。この制御により、この時に実装している水
晶発振器１０１の温度特性に従った周波数変動が打ち消
され、発振周波数の安定化が図られる。

【００３５】図５は、図１における自動周波数制御回路
の変形例を示す回路図である。この変形例において、Ｄ
／Ａ変換回路（Ｄ／Ａ）３０１とＧＣＡ（ゲイン・コン
トロール・アンプ）３０２から成る部分以外は、図１に
示す回路構成と同じである。従って、当該変形例におい
ても、水晶発振器１０１を水晶発振回路部１０に実装し
た状態でそのランク判定端子１０１ａ，１０１ｂ，１０
１ｃを通じて当該水晶発振器１０１の温度特性ランクを
判定し、この判定された温度特性ランクに応じて可変容
量素子ＶＣ１の容量調整を行うことにより発振周波数の
制御が行える。

【００３６】更に、この変形例では、Ｄ／Ａ変換回路
（Ｄ／Ａ）３０１とＧＣＡ（ゲイン・コントロール・ア
ンプ）３０２から成る部分によりこの自動周波数制御回
路を実装して成る無線機の出力制御を行う。すなわち、
この変形例では、温度センサ２０１の検出信号に基づき
温度判定部２０３で温度判定した後、演算／制御部２０
４がＤ／Ａ変換回路（Ｄ／Ａ）３０１を介して制御信号
を与え、ＧＣＡ３０２のゲイン（ＶG）を変えることに
より、Ｊ端子での送信出力を制御する。今日の各種の無
線機においては、かかる構成によって成る送信出力制御
機能を備えたものもある。従って、この種の無線機で
は、当該送信出力制御機能に係わる既存の設備を利用
し、他にランク判定端子を設けた水晶発振器（チップ）
１０１や、ランク判定部２０５及び温度特性メモリ２０
６等のわずかの回路を追加するだけで、極めて安価に本
発明に係わる温度補償機能を実現できる。

【００３７】なお、上記実施の形態においては、ランク
判定の対象として水晶発振器のみを想定しているが、水
晶発振器以外の周辺部品についてもランク判定可能に構
成し、該判定された部品のランクに応じて発振周波数を
制御する構成としても良い。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
水晶振動子の実装チップ上に該水晶振動子の温度特性ラ
ンクを示すランク判定端子を設け、該チップを発振回路
に実装した状態で上記ランク判定端子を通じて当該水晶
振動子の温度特性ランクを判定し、この判定された温度
特性ランクに応じて可変容量素子の容量調整を行うこと
により発振周波数を制御するようにしたため、特殊な温
度補正用コンデンサの種別と水晶振動子のランク合わせ
をする必要が無く、しかも水晶振動子のランクは実装し
た状態で識別できるようになる。これにより、本発明で
は、温度補償のための部品管理が実質的に不要になると
共に、部品の製造も簡単になり、安価な構成ながら確実
に温度補償が行えるという優れた利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる自動周波数制御回路の一実施の
形態を示す回路図。

【図２】本発明で用いる水晶振動子実装チップの外観構
造を示す図。

【図３】本発明で用いる水晶振動子の温度特性及びその
ランク分けを説明する図。

【図４】本発明に係わる自動周波数制御回路のランク判
定部の回路図。

【図５】本発明に係わる自動周波数制御回路の変形例を
示す回路図。

【図６】水晶振動子における周波数対温度の特性のばら
つきを説明する図。

【図７】従来の水晶発振回路での発振周波数制御機能の
構成を示す回路図。

【符号の説明】

１０ 水晶発振回路部 １０１ 水晶発振器 １０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ ランク判定端子 ２０ 温度補償回路部 ２０１ 温度センサ ２０２ Ａ／Ｄ変換回路（Ａ／Ｄ） ２０３ 温度判定部 ２０４ 演算／制御部 ２０５ ランク判定部 ２０５１ａ，２０５１ｂ，２０５１ｃ 端子 ２０５２ａ，２０５２ｂ，２０５２ｃ ゲート回路 ２０６ 温度特性メモリ ２０７ メモリ ２０８，２０９，３０１ Ｄ／Ａ変換回路（Ｄ／Ａ） ３０２ ＧＣＡ（ゲイン・コントロール・アンプ）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水晶振動子を実装したチップ上に当該水
   晶振動子の温度特性ランクを示すランク判定端子を設け
   ると共に、前記チップを水晶発振回路に実装した状態
   で、前記ランク判定端子を通じて前記チップ内の水晶振
   動子の温度特性ランクを判定し、該判定された温度特性
   ランクに応じて前記水晶発振回路の発振周波数を制御す
   ることを特徴とする水晶発振回路の温度補償方法。
2. 【請求項２】 温度に対する補正制御量の関係を温度特
   性として前記温度特性ランク別に予め記憶しておくと共
   に、前記温度特性ランクと共に温度を判定し、該判定さ
   れたランク及び温度に対応する補正制御量を前記温度特
   性から検索し、当該補正制御量に基づき前記水晶発振回
   路内の可変容量素子の容量調整を行うことにより前記発
   振周波数を制御することを特徴とする請求項１記載の水
   晶発振回路の温度補償方法。
3. 【請求項３】 ランク判定端子は、前記チップのＧＮＤ
   端子に接続される複数の端子から成り、当該各端子と前
   記ＧＮＤ端子間の接続パターンが当該チップ内の水晶振
   動子の温度特性ランクと対応付けられていることを特徴
   とする請求項１記載の水晶発振回路の温度補償方法。
4. 【請求項４】 前記チップの実装時に前記ランク判定端
   子にそれぞれ当接する複数の対面端子を設け、該対面端
   子を通じて前記ランク判定端子の接続パターンを認識す
   ることにより前記温度特性ランクの判定を行うことを特
   徴とする請求項３記載の水晶発振回路の温度補償方法。
5. 【請求項５】 水晶振動子を実装すると共に、該実装し
   た水晶振動子の温度特性ランクを示すランク判定端子を
   有する水晶振動子チップと、 前記チップを水晶発振回路に実装した状態で、前記ラン
   ク判定端子を通じて前記チップ内の水晶振動子の温度特
   性ランクを判定するランク判定手段と、 前記ランク判定手段により判定された温度特性ランクに
   応じて前記水晶発振回路の発振周波数を制御する制御手
   段とを具備することを特徴とする水晶発振回路の温度補
   償装置。
6. 【請求項６】 温度を判定する温度判定手段と、温度に
   対する補正制御量の関係を示す温度特性を前記温度特性
   ランク別に記憶する温度特性記憶手段と、前記水晶発振
   回路の発振周波数を調整する可変容量素子とを具備し、
   前記制御手段は、前記ランク判定手段及び前記温度判定
   手段により判定されたランク及び温度に対応する補正制
   御量を前記温度特性から検索し、当該補正制御量に基づ
   き前記可変容量素子の容量調整を行うことにより前記発
   振周波数を制御することを特徴とする請求項５記載の水
   晶発振回路の温度補償装置。
7. 【請求項７】 ランク判定端子は、前記チップのＧＮＤ
   端子に接続される複数の端子から成り、当該各端子と前
   記ＧＮＤ端子間の接続パターンが当該チップ内の水晶振
   動子の温度特性ランクと対応付けられていることを特徴
   とする請求項５記載の水晶発振回路の温度補償装置。
8. 【請求項８】 前記チップの実装時に前記ランク判定端
   子にそれぞれ当接する複数の対面端子を設け、該対面端
   子を通じて前記ランク判定端子の接続パターンを認識す
   ることにより前記温度特性ランクの判定を行うことを特
   徴とする請求項７記載の水晶発振回路の温度補償装置。