説明

温度補償型圧電発振器

【課題】圧電発振器の温度補償精度、小型化、低消費電流等を満たすと共に、位相雑音特性を改善した温度補償型圧電発振器を得る。
【解決手段】温度を検出する温度センサ6と、温度センサ6の温度検出結果に応じて複数の補償電圧を発生する補償電圧発生回路7と、少なくとも圧電振動子XとMOS容量素子を備え、補償電圧発生回路7からの補償電圧をMOS容量素子に印加することにより所定の発振周波数で発振する発振する圧電発振器5と、温度センサ6の出力に基づいて、補償電圧発生回路7から出力される複数の補償電圧の何れかを選択し、選択した補償電圧に重畳するノイズを除去するノイズ除去回路8とを備えるようにした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、各種の通信機器に用いられる温度補償型圧電発振器に関し、特に電子回路で発生したベースバンドノイズを抑圧した低位相雑音化を図るのに好適なものである。
【背景技術】
【0002】
近年、圧電発振器は周波数安定度、小型軽量、低価格等により携帯電話等の通信機器から水晶時計のような民生機器まで、多くの分野で用いられている。中でも圧電振動子の周波数温度特性を補償した温度補償型圧電発振器(TCXO)は、周波数安定度を必要とする携帯電話等に広く用いられている。
このうち、サーミスタの抵抗温度特性を利用したデスクリートタイプの温度補償型圧電発振器(以下、直接型TCXOと称する)は、一般的な間接型TCXOのように温度補償電圧を必要としないため、ベースバンドノイズが発振回路に重畳せず、位相雑音特性に優れている。しかし、直接型TCXOはデスクリート部品で回路を構成することから、小型化に限界があり、今日では圧電振動子以外をIC化した間接型TCXOが主流となっている。
【0003】
また、間接型TCXOは、補償電圧発生回路で生成した電圧を可変容量素子に印加して、その容量を変化させ、圧電振動子の周波数温度特性を補償する圧電発振器である。圧電振動子にATカット水晶振動子を用いる場合は、その周波数温度特性が3次曲線を呈することから、補償電圧も3次曲線となる電圧を生成する必要がある。しかし、この補償方法は、位相雑音特性の面からみると補償電圧から発生するベースバンドノイズが発振回路に重畳するため、TCXOの位相雑音特性が劣化するという問題があった。
【0004】
特許文献1には、補償方式を変えて位相雑音の低減化を図ったTCXOが開示されている。この補償方式では可変容量素子の非線形な領域を使用することで、補償電圧には線形の電圧を用いることが可能となり、位相雑音の低減化が実現できる。つまり、可変容量素子が線形、補償電圧が非線形という従来の方式と逆の補償方式である。
図4は、特許文献1に開示された温度補償型圧電発振器の回路構成であり、温度補償発振器30は、圧電振動子X、MOS型容量素子及び増幅回路を有するコルピッツ型水晶発振器31と、温度センサ32と、補償電圧発生回路33と、を備えている。コルピッツ型水晶発振器31の圧電振動子Xと接地間に接続される可変容量回路は、低温補償用のMOS型容量素子MLと高温補償用のMOS型容量素子MHとが、共に同一極性方向に直列に接続され、更に直流阻止用の容量C3を介して接地されている。そして、低温補償用容量素子ML、高温補償用容量素子MHには夫々抵抗R4、R5を介して低温用補償電圧VL、高温用補償電圧VHが供給され、容量素子ML、MHの接点には抵抗R3を介して基準電圧Vrefが印加されるように構成されている。MOS容量素子のゲート電圧と容量との関係の一例は、周知のように図5に示すようなゲート電圧−容量特性を呈する。
【0005】
例えば、低温用補償電圧VLは、25℃以下の範囲では0.5V〜3Vの範囲で一次的に変化し、且つ25℃以上ではほぼ一定の0.5Vとなるような電圧とする。また高温度補償電圧VHは、25℃以上の範囲では0.5V〜3Vの範囲で一次的に変化し、且つ25℃以下ではほぼ一定の0.5Vとなるような電圧とする。この補償方式の補償電圧は、低温用補償電圧、高温用補償電圧と2つの補償電圧を必要とするが、温度に対して直線的に変化する線形電圧を生成すればよく、回路構成が簡素化され、ベースバンドノイズを低減することができる。
【特許文献1】特開2001−60828公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、近年、温度補償型圧電発振器の位相雑音に関する客先要求は一段と厳しくなり、特許文献1で開示されている温度補償型圧電発振器の補償方式でも、位相雑音特性に関する要求仕様を満たさないという問題があった。これは温度補償型圧電発振器の発振周波数の高周波化の要求もあり、周知のように周波数が2倍になると理論的には位相雑音は6dB劣化するからである。
位相雑音を低減するには、補償電圧発生回路から生じる補償電圧ノイズを低減するか、発振回路の周波数可変感度を下げる方法がある。しかし、補償電圧ノイズを低減するには、補償電圧発生回路の電流を増やすことが必要であったり、ICを構成する素子のサイズを大きくする必要があるなど、TCXOの小型化、低消費電流化の要求に逆行することになる。また、発振回路の周波数可変感度を下げる方法では、周波数の温度補償量に影響を及ぼし、使用できる振動子が制限されるなど、位相雑音特性以外の問題が生じる虞がある。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、周波数の温度補償精度、小型化、低消費電流等を満たしながら、位相雑音特性を改善した温度補償型圧電発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の温度補償型圧電発振器は、温度を検出する温度センサと、前記温度センサの温度検出結果に基づいて複数の補償電圧を発生する補償電圧発生回路と、少なくとも、圧電振動子とMOS容量素子を備え、前記補償電圧発生回路からの補償電圧を前記MOS容量素子に印加することにより所定の発振周波数で発振する圧電発振回路と、前記補償電圧発生回路から出力される複数の補償電圧のうち、前記温度センサの温度検出結果に基づいて何れかの補償電圧を少なくとも一つ選択し、前記選択した補償電圧に重畳するノイズを除去するノイズ除去回路と、を備えることを特徴とする。
このような本発明によれば、ノイズ除去回路によりベースバンドノイズの少ない温度補償型圧電発振器を実現することができる。
【0008】
本発明の温度補償型圧電発振器は、前記ノイズ除去回路は、前記温度センサの温度検出結果に基づき前記複数の補償電圧の中から何れか一つを選択して出力する選択回路と、前記選択回路から出力された補償電圧に重畳するノイズを除去する容量素子と、を備えることを特徴とする。
このような本発明によれば、ノイズ除去回路によりベースバンドノイズの少ない温度補償型圧電発振器を実現することができる。
【0009】
また本発明の温度補償型圧電発振器は、前記補償電圧発生回路は二つの補償電圧を発生するものであって、前記ノイズ除去回路は、前記温度センサの信号を2値化した信号に基づいて前記選択回路により選択を行うことを特徴とする。
このような本発明によれば、温度に連動して選択回路を確実に動作させることが可能となる。
【0010】
本発明の温度補償型圧電発振器は、選択回路が、ヒステリシス特性を有することを特徴とする。
このような本発明によれば、選択回路の切替温度付近における温度変化に対し、切替スイッチのばたつきを防止することが可能となり、スイッチ動作を安定にすることができる。
【0011】
本発明の温度補償型圧電発振器は、圧電振動子以外の回路がIC化されていることを特徴とする。
このような本発明によれば、温度補償型圧電発振器は大幅に小型化されると共に、良好な周波数温度特性を有し、ベースバンドノイズの少ない温度補償型圧電発振器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明の実施の形態に係る温度補償型圧電発振器の構成を示した図である。
この図1に示すように、本実施の形態に係る温度補償型圧電発振器1は、圧電発振回路5、温度センサ6、補償電圧発生回路7、及びノイズ除去回路8を備える。
圧電発振器5は、圧電振動子X、MOS容量素子、増幅回路を有するコルピッツ型水晶発振器である。圧電発振回路5では、抵抗R1を介してトランジスタTrのコレクタを電源Vccに接続し、抵抗Reを介してトランジスタTrのエミッタを接地し、トランジスタTrのベース−接地間に容量C1、C2の直列接続回路を接続する。更に、容量C1、C2の直列接続回路の中点とトランジスタTrのエミッタとを接続し、コレクタとベース間を抵抗R2で接続する。
そして、低温補償用MOS型容量素子MLと高温補償用MOS型容量素子MHとは、共に同一極性方向に直列に接続し、さらにその直列回路の一方の端子は一端が接地された直流阻止用の容量C3の他端に接続し、他方の端子は圧電振動子Xを介してトランジスタTrのベースに接続する。更に、低温補償用MOS型容量素子MLと高温補償用MOS型容量素子MHとの接点に、抵抗R3を介して基準電圧Vrefを印加するようにしている。なお、圧電発振器5の出力はトランジスタのエミッタから容量Coを介して出力する。
【0013】
低温補償用MOS型容量素子MLと圧電振動子Xとの接点には、抵抗R4を介して低温補償電圧VLが、高温補償用MOS型容量素子MHと容量C3の接点には抵抗R5を介して高温補償電圧VHが、補償電圧発生回路7から供給される。
温度センサ6は、例えばサーミスタやダイオードセンサーなどにより構成され、当該温度補償型圧電発振器1の周囲温度を検出する。
補償電圧発生回路7は温度センサ6の温度検出結果に基づいて低温補償電圧VLと高温補償電圧VHとを出力するが、例えば常温以下の低温部では低温補償電圧VLが支配的であり、該電圧VLと基準電圧Vrefとの差がMOS型容量素子MLに印加されて、その容量を変化させて圧電振動子Xの周波数を補償する。一方、常温以上の高温部では高温補償電圧VHが支配的となり、基準電圧Vrefと高温補償電圧VHとの差がMOS型容量素子MHに印加され、その容量を変化させて圧電振動子Xの周波数を補償する。
【0014】
本実施の形態の温度補償型圧電発振器1は、補償電圧発生回路7の出力部に、ノイズ除去回路8を設けた点に特徴がある。ノイズ除去回路8は、選択回路を構成する制御回路9及び切替スイッチ(SW)10と、フィルタ回路を構成する容量素子C5及び抵抗R6、R7により構成される。
抵抗R6は補償電圧発生回路7の低温補償電圧を出力する出力ラインに挿入され、抵抗R7は補償電圧発生回路7の高温補償電圧を出力する出力ラインに挿入される。
A/D回路9は、温度センサ6の出力電圧に基づき切替スイッチ10に切替信号を出力する。切替スイッチ10は、接点Aが抵抗R7の一端に接続され、接点Bが抵抗R6の一端に接続される。また接点Cは一方が接地された容量素子C5に接続される。
【0015】
このように構成されるノイズ除去回路8では、温度センサ6の出力電圧に基づき制御回路9より切替信号が出力され、この切替信号により切替スイッチ10が容量素子C5の接続先を抵抗R6、R7の何れか一方に選択するように動作する。例えば、常温以下の温度では、切替スイッチ10が接点Bに接続され、容量素子C5は補償電圧発生回路7の低温補償電圧を出力する出力ラインに接続される。また、常温以上の温度では切替スイッチ10は、接点Aに接続され、容量素子C5は補償電圧発生回路7の高温補償電圧を出力する出力ラインに接続される。
【0016】
図2(a)は、上記した制御回路の構成例を示した図である。
この図に示す制御回路9は、コンパレータ11と、3つの抵抗R10、R11及びR12により構成され、コンパレータ11の出力端子と+入力端子との間に抵抗R12が接続されている。コンパレータ11の−入力端子には、温度センサ6の出力電圧Vsが抵抗R10を介して入力され、コンパレータ11の+入力端子には、基準電圧Vref1が抵抗R11を介して入力される。ここで、温度センサ6が常温のときに呈する出力電圧Vsと同じ電圧を基準電圧Vref1する。
【0017】
図2(b)は、温度センサ6の温度−出力電圧特性を示した図、図2(c)は、図2(a)に示す制御回路9の入力電圧−出力電圧特性を示した図である。
制御回路9の出力電圧レベル(ハイ電圧又はロー電圧)は、コンパレータの種類、電源電圧等で決まるが、そのハイ電圧をVHI、ロー電圧をVLOとすると、制御回路9から出力される出力電圧Vcntは、図2(c)に示すヒステリシス特性を有し、その切替電圧V1、V2は、周知のように、基準電圧Vref1、ハイ電圧をVHI、抵抗R11、R12を用いて、
V1=Vref1−(VHI+Vref1)×R11/(R11+R12)・・(1)
V2=Vref1−(VHI−Vref1)×R11/(R11+R12)・・(2)
と表すことができる。
【0018】
いま、温度センサ6の周囲の温度が低温度範囲(常温、例えば25℃から−30℃の範囲)である場合には、温度センサ6の出力電圧Vsは基準電圧Vref1より高いので、制御回路9の出力電圧Vcntはロー電圧VLOになる。一方、温度センサ6が高温度範囲(常温から80℃の範囲)では、温度センサ6の出力電圧Vsは基準電圧Vref1より低くなるので、制御回路9の出力電圧Vcntはハイ電圧VHIになる。
更に詳しく説明すれば、制御回路9の出力電圧Vcntは、温度センサ6の温度が低温度範囲(−30℃〜常温)にある場合、つまり、温度センサ6の出力電圧Vsが、温度センサ6が常温のときに呈する基準電圧Vref1より高い場合には、出力電圧Vcntはロー電圧VLOの状態である。温度が上昇して常温より高くなり、温度センサ6の出力電圧Vsは基準電圧Vref1より下がるが、温度センサ6の出力電圧Vsが式(1)で示す切替電圧V1に達するまで、制御回路9の出力電圧Vcntはロー電圧VLOの状態を継続する。温度センサ6の出力電圧Vsが切替電圧V1より低く成る際に、出力電圧Vcntはロー電圧VLOからハイ電圧VHIに急激に変化する。
【0019】
逆に、温度センサ6の温度が高温度範囲(常温〜80℃)ある場合には、温度センサ6の出力電圧Vsは基準電圧Vref1より低いため、制御回路9の出力電圧Vcntはハイ電圧VHIとなる。温度センサ6の温度が下降し、常温より低くなると、温度センサ6の出力電圧Vsは基準電圧Vref1より高くなるが、出力電圧Vsが式(2)で示す切替電圧V2に達するまで、A/D回路9の出力電圧Vcntはハイ電圧VHIの状態を継続する。
温度センサ6の出力電圧Vsが切替電圧V2より高くなる際にA/D回路9の出力電圧Vcntはハイ電圧VHIからロー電圧VLOに急激に変化する。つまり、A/D回路9の出力電圧Vcntは、温度センサ6の出力Vsに対してヒステリシス曲線を呈することになる。
【0020】
以上のように、制御回路9の入力電圧Vs−出力電圧Vcnt特性に、温度センサ6の電圧Vsに対して常温を中心としたヒステリシス特性を持たせる理由は次の通りである。本実施形態の温度補償型圧電発振器は、MOS容量素子の特性と関連して、常温近傍を境として、常温より低い場合には低温補償電圧VLがMOS容量素子MLの容量変化が大きくなるような電圧値となるため、温度補償の支配的となり、常温より高い場合には高温部補償電圧VHがMOS容量素子MHの容量変化が大きくなるような電圧値となるため、温度補償の支配的となる。ここで支配的とは、温度変化に対し補償電圧特性は1次関数であるが、電圧に対して容量変化が非線形であるMOS容量素子の、容量変化が急峻になる電圧が印加される状態になるため、発振周波数が大きく変化するいわゆる感度が高い状態であることを意味する。発振器の位相雑音はMOS容量素子の容量変化による周波数可変感度と、MOS容量素子に印加される電圧のベースバンドノイズで決まる。よって、支配的となる方の補償電圧に接続する抵抗の方に、容量素子C5を接続して、周知のRCローパスフィルタを構成し、ベースバンドノイズの除去を図ったのである。
【0021】
図3(a)は制御回路9の他の構成例を示した図である。
この図に示す制御回路9は、インバータ回路12を2段縦続接続し、一段目の入力に抵抗R15接続し、一段目の入力と2段目の出力とを抵抗R16で接続して構成するようにしている。この場合も、入力電圧Vs−出力電圧Vcnt特性が、図3(c)に示すようにヒステリシス特性を有する。但し、図3(c)に示す切替電圧V’1、V’2が、図2(c)に示した切替電圧V1、V2と異なる。
この場合、ヒステリシス電圧VH(切替電圧の差)は電源電圧VDD、抵抗R15、R16を用いて、式(3)のように表すことができる。
VH=(R15/R16)×VDD・・・(3)
そして、切替電圧V’1、V’2は、インバータ12のしきい値電圧Vthと、電源電圧VDD、抵抗R15、R16を用いて、
V’1=(Vth−(R15×VDD)/(R15+R16))×(R15+R16)/R16・・・(4)
V’2=Vth×(R15+R16)/R16・・・(5)
のように表すことができる。
【0022】
このように本実施の形態の温度補償型圧電発振器1は、補償電圧発生回路7の出力部にノイズ除去回路8を付加したことで、ベースバンドノイズの少ない圧電発振器を実現することができる。
またノイズ除去回路8は、制御回路9により温度センサ6の出力電圧を2値化し、2値化した信号に基づいて切替スイッチ10を切り替えるように構成しているので、切替スイッチ10の温度に対する切り替え動作の精度を大幅に向上することができる。
【0023】
なお、本実施例においては、補償電圧発生回路7が低温補償電圧と高温補償電圧の二つの補償電圧出力を備えた構成としたが、複数の補償電圧出力を備えるようにしても良い。例えば、低温補償領域と高温補償領域とをそれぞれ2分割し(温度領域を4分割し)、これらに対応した4つの補償電圧を補償電圧発生回路7から出力し、これら4つの補償電圧を加算或いは切り替えて圧電発振回路5へ供給するようにする。このとき、4つの補償電圧のうち何れか一つの補償電圧を4入力のスイッチ10で選択し、容量素子C5にてノイズ除去を行うようにしても良い。或いは、補償電圧発生回路7が複数の補償電圧を出力する構成とし、更にスイッチ10と容量素子C5とをもう一つ追加してもよい。このとき、複数の補償電圧のうち何れか二つの補償電圧を選択して、同時に二つの補償電圧のノイズ除去を行うようにする。このようにすれば、複数の補償電圧に対してはノイズ除去回路の数を極力抑えることができる。勿論、選択スイッチ10と容量素子C5の数は極力少ないほうが好ましい。
【0024】
また、これまで説明した本実施の形態の温度補償型圧電発振器は、圧電振動子X以外の回路を半導体上に集積化(IC化)することが可能であり、IC化した場合は、周波数温度特性が優れ、小型で且つ、ベースバンドノイズの少ない温度補償型圧電発振器を実現することができる。また2つの補償電圧に対し、1つのコンデンサで対応できるために、ICの小型化を実現できる。なお、ノイズ除去回路8の容量素子C5は、要求されるローパス特性から大きな容量となる場合には、外付けの容量を用いてもよい。なお、容量素子C5としてMOS容量でも良い
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明に係る温度補償型圧電発振器の構成を示す回路図。
【図2】(a)はA/D回路9を示す回路図、(b)は温度センサの温度Temp−出力電圧Vs特性図、(c)はヒシテリシス特性を示す図。
【図3】(a)は他のA/D回路9を示す回路図、(b)は温度センサの温度Temp−出力電圧Vs特性図、(c)はヒシテリシス特性を示す図。
【図4】従来の温度補償型圧電発振器の構成を示す回路図。
【図5】MOS型容量素子のゲート電圧−容量特性を示す図。
【符号の説明】
【0026】
1…温度補償型圧電発振器、5…圧電発振回路、6…温度センサ、7補償電圧発生回路、8…ノイズ除去回路、9…制御回路、10…切替スイッチ、11…コンパレータ、12…インバータ、Tr…トランジスタ、C…容量、R…抵抗

【特許請求の範囲】
【請求項1】
温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの温度検出結果に基づいて複数の補償電圧を発生する補償電圧発生回路と、
少なくとも、圧電振動子とMOS容量素子を備え、前記補償電圧発生回路からの補償電圧を前記MOS容量素子に印加することにより所定の発振周波数で発振する圧電発振回路と、
前記補償電圧発生回路から出力される複数の補償電圧のうち、前記温度センサの温度検出結果に基づいて何れかの補償電圧を少なくとも一つ選択し、前記選択した補償電圧に重畳するノイズを除去するノイズ除去回路と、
を備えることを特徴とする温度補償型圧電発振器。
【請求項2】
前記ノイズ除去回路は、前記温度センサの温度検出結果に基づき前記複数の補償電圧の中から何れか一つを選択して出力する選択回路と、前記選択回路から出力された補償電圧に重畳するノイズを除去する容量素子と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の温度補償型圧電発振器。
【請求項3】
前記補償電圧発生回路は二つの補償電圧を発生するものであって、前記ノイズ除去回路は、前記温度センサの信号を2値化した信号に基づいて前記選択回路により選択を行うことを特徴とする請求項2に記載の温度補償型圧電発振器。
【請求項4】
前記選択回路は、ヒステリシス特性を有することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の温度補償型圧電発振器。
【請求項5】
前記圧電振動子以外の回路がIC化されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の温度補償型圧電発振器。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2009−65419(P2009−65419A)
【公開日】平成21年3月26日(2009.3.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−231116(P2007−231116)
【出願日】平成19年9月6日(2007.9.6)
【出願人】(000003104)エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Fターム(参考)】