JPH10322128A

JPH10322128A - 圧電発振器の温度補償装置

Info

Publication number: JPH10322128A
Application number: JP9125351A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Satou; 祐己佐藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1997-05-15
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は信号安定性が高く、且つ調整作業の
簡単な圧電発振器の温度補償装置を提供することを目的
とするものである。【解決手段】本発明は、温度センサ１と、前記温度セ
ンサ１の第１のアナログ出力値を第２のアナログ出力値
に変換するアナログ／アナログ変換器（Ａ／Ａ変換器）
２と、前記Ａ／Ａ変換器２の第２のアナログ出力値が供
給される第１の入力端子を有する電圧加算器３と、前記
温度センサ１の第１のアナログ出力値を第３のアナログ
出力値に変換するとともに第３のアナログ出力値を電圧
加算器３の第２の入力端子に供給する可変手段５と、前
記電圧加算器３の出力が供給される電圧制御発振器４と
を備えた圧電発振器の温度補償装置である。

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
発振器の温度補償装置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−３０〜
＋８０℃の広い温度に対してもｐｐｍ（１００万分の
１）のオーダーで周波数を安定化させる温度補償装置を
具備した発振器である。

【０００３】以下に、図１３を参照しながら上記した従
来の温度補償水晶発振器の温度補償装置について説明す
る。

【０００４】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。

【０００５】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〜＋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。

【０００６】

【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）
が劣化するという重大な課題があった。

【０００７】そこで、本発明は信号安定度が高く、且つ
調整作業の簡素な圧電発振器の温度補償装置を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、温度センサと、前記温度センサの第１のア
ナログ出力値を第２のアナログ出力値に変換するアナロ
グ／アナログ変換器と、前記アナログ／アナログ変換器
の第２のアナログ出力値が供給される第１の入力端子を
有する電圧加算器と、前記温度センサの第１のアナログ
出力値を第３のアナログ出力値に変換するとともに第３
のアナログ出力値を電圧加算器の第２の入力端子に供給
する可変手段と、前記電圧加算器の出力が供給される電
圧制御発振器とを備えた圧電発振器の温度補償装置であ
って、この構成であれば、温度センサからの第１のアナ
ログ信号によって電圧制御発振器の発振制御を行うの
で、発振特性の安定化を図ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、温度センサと、前記温度センサの第１のアナログ出
力値を第２のアナログ出力値に変換するアナログ／アナ
ログ変換器と、前記アナログ／アナログ変換器の第２の
アナログ出力値が供給される第１の入力端子を有する電
圧加算器と、前記温度センサの第１のアナログ出力値を
第３のアナログ出力値に変換するとともに第３のアナロ
グ出力値を電圧加算器の第２の入力端子に供給する可変
手段と、前記電圧加算器の出力が供給される電圧制御発
振器とを備えた圧電発振器の温度補償装置であって、こ
の構成によれば、温度センサからの第１のアナログ信号
によって電圧制御発振器の発振制御を行うので、発振特
性の安定化を図ることができる。

【００１０】請求項２に記載の発明は、電圧制御発振器
は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を備え、温度センサの出力
電圧を前記電圧発生回路の入力電圧として用い、前記電
圧発生回路の出力制御電圧として、入力電圧ＶｉｎがＶ
ｉｎ１→Ｖｉｎ２→Ｖｉｎ３→Ｖｉｎ４→Ｖｉｎ５→Ｖ
ｉｎ６（但しＶｉｎ１＜Ｖｉｎ２＜Ｖｉｎ３＜Ｖｉｎ４
＜Ｖｉｎ５＜Ｖｉｎ６である）と変化したときに、Ｖｉ
ｎ１からＶｉｎ３およびＶｉｎ４からＶｉｎ６までの入
力電圧に対する出力電圧の変化率がＶｉｎ３からＶｉｎ
４までの入力電圧に対する出力電圧の変化率に比べて小
さくなる第１の差動増幅器の出力電圧およびＶｉｎ１か
らＶｉｎ２およびＶｉｎ５からＶｉｎ６までの入力電圧
に対する出力電圧の変化率がＶｉｎ２からＶｉｎ５まで
の入力電圧に対する出力電圧の変化率に比べて大きくな
る第２の差動増幅器の出力電圧とを入力電圧とする第３
の差動増幅器の出力を用い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。

【００１１】請求項３に記載の発明は、前記第１および
第２の差動増幅器において、帰還抵抗値の切り替えのた
めのスイッチを設けたことを特徴とした構成であって、
この構成であれば簡便な回路で差動増幅器の増幅率をコ
ントロールすることができる。

【００１２】請求項４に記載の発明は、温度に対して線
形に電圧変化する線形電圧発生回路を具備し、前記第３
の差動増幅器の出力電圧と前記線形電圧発生回路の出力
電圧とを加算もしくは除算する回路を具備したことを特
徴とした構成であって、この構成であれば圧電振動子、
特に水晶振動子の単体での狭心周波数温度特性のバラツ
キや、発振回路を構成する帰還容量もしくはトランジス
タなどの周辺回路の温度特性のバラツキを簡便な回路で
吸収することができ、より安価で高性能高安定なものと
することができる。

【００１３】請求項５に記載の発明は、前記線形電圧発
生回路に出力電圧の入力電圧に対する傾きを調整する機
能を具備したことを特徴とした構成であって、この構成
であれば、前記線形電圧発生回路のばらつきを吸収する
ことができ、生産性が良好でより安価で高性能高安定な
ものとすることができる。

【００１４】請求項６に記載の発明は、前記線形電圧発
生回路の出力電圧の入力電圧に対する傾きを調整する手
段として、演算増幅器の帰還抵抗の値を変化させる方法
を用いたことを特徴とした構成であって、この構成であ
れば、簡便な構成で前記線形電圧発生回路のばらつきを
吸収して、生産性が良好でより安価で高性能高安定なも
のとすることができる。

【００１５】請求項７に記載の発明は、前記線形電圧発
生回路の出力電圧の入力電圧に対する傾きを調整する手
段として、抵抗分圧回路を用いて前記抵抗分圧回路の構
成抵抗の値を変化させる方法を用いたことを特徴とした
構成であって、この構成であれば、簡便な構成で前記線
形電圧発生回路の出力電圧を所望の傾きに加工すること
ができ、特に圧電素子として水晶振動子を用いた場合に
は、振動子の特性のばらつきや発振回路などのばらつき
を吸収して、生産性が良好でより安価で高性能高安定な
ものとすることができる。

【００１６】請求項８に記載の発明は、前記抵抗を可変
とする方法として、ヒューズロムを用いたことを特徴と
した構成であって、この構成であれば、簡便な構成で、
しかも確実に抵抗を可変することができ、可変後の抵抗
値を喪失することもない。

【００１７】請求項９に記載の発明は、前記抵抗を可変
とする方法として、抵抗に直列もしくは並列接続された
スイッチを用いたことを特徴とした構成であって、この
構成であれば、回路の集積化が容易で、所望のスイッチ
ングとすることで、最適な回路構成が容易にできる。

【００１８】請求項１０に記載の発明は、メモリを具備
し、前記メモリに格納されたデータにより前記スイッチ
の動作をコントロールすることを特徴とする構成であっ
て、この構成であれば、トランジスタや帰還容量などの
回路素子や圧電振動子の特性に応じて、抵抗値を最適設
定することができ、生産性が良好で、より安価で、高性
能高安定なものとすることができる。

【００１９】請求項１１に記載の発明は、周囲の温度を
感知する温度センサとして、少なくとも一つの半導体の
ダイオード構造と、抵抗を直列に接続した回路を用いた
ことを特徴とした構成であり、この構成であれば、温度
に対して線形に変化する電圧が得られる。

【００２０】請求項１２に記載の発明は、圧電素子とし
て水晶を用いたことを特徴とした構成であり、この構成
であれば、Ｑ（周波数先鋭度）が高く、より周波数安定
性のよいものとなる。

【００２１】以下本発明の一実施の形態を、図面を参照
しながら説明する。図１は、本発明の一実施の形態とし
て、圧電素子に水晶を用いた温度補償水晶発振器の回路
ブロック図である。

【００２２】図１において、１は温度センサで、２はア
ナログ／アナログ変換器（Ａ／Ａ変換器）、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（ＶＣＸＯ）、５は電圧を変換す
る可変手段である。温度センサ１からの出力は、Ａ／Ａ
変換器２および可変手段５に出力されている。Ａ／Ａ変
換器２の出力および可変手段５の出力は、電圧加算器３
で電圧加算されて、ＶＣＸＯ４に出力されている。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。また、切り出し角度に
よって温度特性の様子が変化し、その様子も図５中に示
してある。

【００２６】したがって、ＶＣＸＯ４より得られる特性
も同様に三次曲線となるのだが、ここで重要なことは、
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ということである。
すなわち、この場合の温度に対して発振周波数が一定と
なる制御電圧曲線は図６に示したようになる。

【００２７】本発明においては、図６に示した理想的な
制御電圧曲線を、図７に示すように温度に対して直線的
に変化する数本の電圧で近似するのだが、近似に用いる
電圧を図８に示すごとき回路で実現することを最大の特
徴とする。その際に本発明においては、図８に示すごと
き回路を用いる。図８において、２０は抵抗、２１ａ〜
２１ｃはオペアンプ、２２は入力端子、２３はオフセッ
ト調節端子、２４は出力端子、２５ａ〜２５ｄはスイッ
チである。スイッチ２５ａ，２５ｂ，２５ｃおよび２５
ｄは、オペアンプ２１ａおよび２１ｂの増幅率を変化さ
せる役目をもつ。すなわち、各スイッチをオン（導通）
させると、帰還抵抗の値が小さくなり、出力電圧の傾き
の絶対値を小さくすることができる。

【００２８】図９において、図８の回路の動作の様子を
示す。図９において、横軸は入力端子２２に印加する入
力電圧Ｖｉｎ、縦軸はオペアンプ２１ａおよび２１ｂの
出力電圧（Ｖ１およびＶ２）および出力端子２４の出力
電圧Ｖｏｕｔを示す。また、スイッチ２５ａ，２５ｂ，
２５ｃおよび２５ｄは入力端子２２に印加する入力電圧
Ｖｉｎの値に対応してオン／オフ動作を行うようになっ
ている。その様子についても図９に示してある。すなわ
ち、スイッチ２５ａはＶｉｎがＶｉｎ３の値になったと
きにオンからオフに切り替わり、スイッチ２５ｂはＶｉ
ｎがＶｉｎ４になったときにオフからオンに、スイッチ
２５ｃはＶｉｎがＶｉｎ５になったときにオンからオフ
に、スイッチ２５ｄはＶｉｎがＶｉｎ２になったときに
オフからオンにそれぞれ切り替わるようになっている。
このような回路を用いることによって、Ｖ１とＶ２の差
動増幅器として動作するオペアンプ２１ｃの出力電圧Ｖ
ｏｕｔは図９実線で示したような特性となる。

【００２９】つまり、図８に示すごとき簡便な回路によ
り、図７に示す近似制御電圧を実現することができる。
また、抵抗２０の各値を最適化することにより、もしく
は抵抗とスイッチの組み合わせをさらにオペアンプの帰
還回路部（抵抗２０とスイッチ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ
および２５ｄが直列に接続された部）に並列に抵抗とス
イッチを接続することにより、水晶振動子および発振回
路の温度特性のばらつきを吸収することができ、量産性
がよく低コストなものとすることができる。

【００３０】また、さらに水晶振動子および発振回路の
温度特性のばらつきを吸収するもう一つの方法として、
本発明においては図３に示すごとき温度に対して線形に
電圧が変化する温度センサ回路を具備しており、この出
力電圧を用いて水晶振動子および発振回路の温度特性の
ばらつきを吸収することができる。次にこのことについ
て説明する。

【００３１】水晶振動子の温度特性のばらつきは、すな
わち切り出し角度のばらつきである。図１０に、図６で
示した切り出し角度がばらついたときの理想制御電圧曲
線の差を示す。前提としている切り出し角度に対して±
１’（１’は６０分の１度）のばらつきがあったとき、
その差は図１０からわかるように温度に対して線形であ
る。すなわち、標準状態で前提となる切り出し角度に対
する制御電圧を出力していれば、水晶振動子の温度特性
がばらついた時には、その補正のための電圧、すなわち
図１０に示した電圧を加算もしくは減算すれば良いので
ある。発振回路の温度特性のばらつきについては、通常
の温度範囲（−３０〜＋８０℃）程度であれば、高次の
温度微係数は無視でき線形成分にしかばらつきが生じな
いので、上記の内容に含んで考えることができる。この
ように、水晶振動子の温度特性さらには、発振回路の温
度特性のばらつきを吸収して、量産性を向上し、低コス
トを実現するため、本発明では、図１に示すように、温
度センサ１の出力を線形に可変する可変手段５とこの可
変手段５の出力電圧を加算する電圧加算器３を具備して
いるのである。

【００３２】次にその回路の具体例の一つについて述べ
る。図１１は、温度センサの出力電圧を加工制御し、さ
らに電圧加算を行う回路であり、２６は温度センサの出
力バッファ、２７は差動演算器として動作するオペアン
プであり、抵抗２８および端子２９に印加する電圧によ
って、出力電圧の傾きおよびオフセットを調整すること
ができる。すなわち、水晶振動子および発振回路の温度
特性がばらついたときには、抵抗２８を調整することに
よってばらつきを吸収して安定化させることができる。
またこの際、図中には示していないが、抵抗２８を調整
する方法としてポテンショメータを用いたりすることも
できるが、半導体アナログスイッチやヒューズロムなど
を用いることにより回路の集積化に対応した構成とする
ことができる。

【００３３】また、必要に応じてオペアンプ２７をもう
一段重ねて出力特性を反転させる構成にしてもよい。さ
らに端子２９に図８の回路の出力電圧を入力し、そのま
ま加算器もしくは減算器として用いてよいことは明らか
である。

【００３４】上記した本発明の温度補償装置を用いた温
度補償水晶発振器の特性を図１２から図１３（ａ）に示
す。図１２は、本発明の温度補償水晶発振器の周波数温
度特性であり、−３０℃から＋８０℃の広い温度範囲に
わたりほぼ±０．５ｐｐｍの安定した特性が得られてい
る。また、図１３（ａ）には、本発明の温度補償水晶発
振器のノイズ特性を示す。比較のために図１３（ｂ）
に、従来のデジタル信号を用いたときの特性を示す。従
来のものではノイズピークがみられるが、本発明のもの
ではみられず良好な特性が得られていることが分かる。

【００３５】

【発明の効果】上記したように本発明によれば、温度セ
ンサからの第１のアナログ出力によって電圧制御発振器
の発振制御を行うので、温度に対する発振特性が安定す
る。

【００３６】また、本発明において特に重要なことは、
温度センサから得られる第１のアナログ電圧を一方では
Ａ／Ａ変換器を介して第２のアナログ電圧として取り出
し、他方では可変手段によってその使用する振動子に応
じた第３のアナログ電圧として取り出し、そして、これ
らの第２および第３のアナログ電圧を電圧加算器で加算
して電圧制御発振器の発振制御をしている、つまり、本
来、アナログ値で得られる温度センサの出力を全てアナ
ログ処理することにより電圧制御発振器を制御している
ので、発振特性が安定したものとすることができるとい
うことである。この点についてさらに具体的に説明する
ならば、温度センサで得られるアナログ出力をデジタル
変換して制御するものにおいては、デジタル値としての
量子誤差に起因するデジタルノイズを抑えることはでき
ない。このことについて考慮し、アナログ処理すること
によってこのような影響を受けず、安定化することがで
きるのである。

【００３７】また、さらに本発明では、理想制御電圧曲
線を直線で近似する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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の温度補償回路を用いた温度補償水晶発
振器の回路構成を示すブロック図

【図２】電圧制御水晶発振器の一例を示す回路図

【図３】本発明の温度補償装置を用いた温度補償水晶発
振器に用いる温度センサの一例を示す回路図

【図４】図３に示した温度センサの特性図

【図５】水晶振動子の共振周波数温度特性図

【図６】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図

【図８】本発明の電圧発生回路図

【図９】図８に示した電圧発生回路の入出力特性とスイ
ッチ動作の説明図

【図１０】水晶振動子の切り出し角度のばらつきを想定
し、ばらついたときの理想制御電圧の差を温度に対して
示した特性図

【図１１】本発明の温度センサ出力電圧の可変手段の回
路図

【図１２】本発明の温度補償水晶発振器の周波数温度特
性図

【図１３】（ａ）本発明の温度補償装置を用いた温度補
償水晶発振器のＣ／Ｎ特性図（ｂ）従来のデジタル式温度補償水晶発振器のＣ／Ｎ特
性図

【符号の説明】

１温度センサ２Ａ／Ａ変換器３電圧加算器４ＶＣＸＯ５可変手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度センサと、前記温度センサの第１の
アナログ出力値を第２のアナログ出力値に変換するアナ
ログ／アナログ変換器と、前記アナログ／アナログ変換
器の第２のアナログ出力値が供給される第１の入力端子
を有する電圧加算器と、前記温度センサの第１のアナロ
グ出力値を第３のアナログ出力値に変換するとともに第
３のアナログ出力値を電圧加算器の第２の入力端子に供
給する可変手段と、前記電圧加算器の出力が供給される
電圧制御発振器とを備えた圧電発振器の温度補償装置。
【請求項２】電圧制御発振器は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
路とを備え、温度センサの出力電圧を前記電圧発生回路
の入力電圧として用い、前記電圧発生回路の出力制御電
圧として、入力電圧ＶｉｎがＶｉｎ１→Ｖｉｎ２→Ｖｉ
ｎ３→Ｖｉｎ４→Ｖｉｎ５→Ｖｉｎ６（但しＶｉｎ１＜
Ｖｉｎ２＜Ｖｉｎ３＜Ｖｉｎ４＜Ｖｉｎ５＜Ｖｉｎ６で
ある）と変化したときに、Ｖｉｎ１からＶｉｎ３および
Ｖｉｎ４からＶｉｎ６までの入力電圧に対する出力電圧
の変化率がＶｉｎ３からＶｉｎ４までの入力電圧に対す
る出力電圧の変化率に比べて小さくなる第１の差動増幅
器の出力電圧およびＶｉｎ１からＶｉｎ２およびＶｉｎ
５からＶｉｎ６までの入力電圧に対する出力電圧の変化
率がＶｉｎ２からＶｉｎ５までの入力電圧に対する出力
電圧の変化率に比べて大きくなる第２の差動増幅器の出
力電圧とを入力電圧とする第３の差動増幅器の出力を用
いた請求項１に記載の圧電発振器の温度補償装置。
【請求項３】第１および第２の差動増幅器において、
帰還抵抗値の切り替えのためのスイッチを設けた請求項
１もしくは請求項２のいずれかに記載の圧電発振器の温
度補償装置。
【請求項４】温度に対して線形に電圧変化する線形電
圧発生回路を具備し、前記第３の差動増幅器の出力電圧
と前記線形電圧発生回路の出力電圧とを加算もしくは除
算する回路を具備した請求項１から請求項３の何れかに
記載の圧電発振器の温度補償装置。
【請求項５】線形電圧発生回路に出力電圧の入力電圧
に対する傾きを調整する機能を具備した請求項４に記載
の圧電発振器の温度補償装置。
【請求項６】線形電圧発生回路の出力電圧の入力電圧
に対する傾きを調整する手段として、演算増幅器の帰還
抵抗の値を変化させる方法を用いた請求項５に記載の圧
電発振器の温度補償装置。
【請求項７】線形電圧発生回路の出力電圧の入力電圧
に対する傾きを調整する手段として、抵抗分圧回路を用
いて前記抵抗分圧回路の構成抵抗の値を変化させる方法
を用いた請求項５に記載の圧電発振器の温度補償装置。
【請求項８】抵抗を可変とする方法として、ヒューズ
ロムを用いた請求項６もしくは請求項７のいずれかに記
載の圧電発振器の温度補償装置。
【請求項９】抵抗を可変とする方法として、抵抗に直
列もしくは並列接続されたスイッチを用いた請求項６も
しくは請求項７のいずれかに記載の圧電発振器の温度補
償装置。
【請求項１０】メモリを具備し、前記メモリに格納さ
れたデータにより前記スイッチの動作をコントロールす
る請求項９に記載の圧電発振器の温度補償装置。
【請求項１１】周囲の温度を感知する温度センサとし
て、少なくとも一つの半導体のダイオードと抵抗を直列
に接続した回路を用いた請求項１から請求項１０の何れ
かに記載の圧電発振器の温度補償装置。
【請求項１２】圧電素子として水晶を用いた請求項１
から請求項１１のいずれかに記載の圧電発振器の温度補
償装置。