JP2004048643A - 温度補償型圧電発振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】振動子電流を制御することにより、２つ以上の負荷容量可変機能を備える発振器では従来にない大きな可変範囲を得ることができると共に、高い温度安定度を得ることができる温度補償型圧電発振器を提供する。
【解決手段】この温度補償方式は、所定の周波数で励振される圧電素子を備えた水晶振動子１１、及び圧電素子に電流を流して圧電素子を励振させる図示しない発振用増幅器、を有する発振回路１２と、水晶振動子１１の電流を制御する振動子電流制御回路１３と、前記圧電振動子１１の温度特性を補償する温度補償電圧発生回路１５と、発振回路１２の発振周波数を外部可変１６から可変する外部可変用可変容量ダイオード１７と、を備えて構成される。尚、振動子電流制御回路１３は、振動子電流制御用可変容量ダイオード１４と、コンデンサ１〜３により構成される。
【選択図】 図１
【解決手段】この温度補償方式は、所定の周波数で励振される圧電素子を備えた水晶振動子１１、及び圧電素子に電流を流して圧電素子を励振させる図示しない発振用増幅器、を有する発振回路１２と、水晶振動子１１の電流を制御する振動子電流制御回路１３と、前記圧電振動子１１の温度特性を補償する温度補償電圧発生回路１５と、発振回路１２の発振周波数を外部可変１６から可変する外部可変用可変容量ダイオード１７と、を備えて構成される。尚、振動子電流制御回路１３は、振動子電流制御用可変容量ダイオード１４と、コンデンサ１〜３により構成される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度補償型圧電発振器に関し、さらに詳しくは、陸上移動体通信分野及び衛星通信分野の基準周波数として使用される圧電発振器の温度補償方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話に代表される陸上移動帯通信は利用範囲が拡大の一途を辿っている。それに伴い、携帯電話の普及もすさまじく技術開発競争が激化しており、携帯電話に使用される水晶発振器も小型化・ローコスト化、更に高性能化が要求されている。水晶振動子は図２３に示す様に、周囲温度の変化に対し発振周波数が３次曲線的に変化する。このため高い安定度を得るために発振回路には振動子の温度特性を相殺するための温度補償回路を設けており、そして温度補償方式には直接温度補償方式、間接温度補償方式があるが、いずれの方式においても発振回路の負荷容量を可変し温度補償を行うのが一般的である。また現在の発振器はＰＬＬ回路（位相同期回路）等と接続して使用するため、外部より電圧を印加し周波数を可変する機能（Ｖｃｏｎｔ）の付加が必須である。即ち、発振回路内に負荷容量を可変し周波数を変化させるための可変機能を２つ以上設けることになる。これらの機能は必然的に可変範囲に干渉を起こすことになる。例えば、温度補償量として付加容量の変化により１００ｐｐｍを必要としている場合、そこに２０ｐｐｍの外部可変を行うと全体の付加容量に対する温度補償回路の付加容量の比率が代わるので、付加容量の変化に対する周波数変化量が変化し、９９ｐｐｍの温度補償量となる場合があり、温度特性を１ｐｐｍ悪化させることになってしまう。
【０００３】
図２４に従来の外部可変機能付温度補償型水晶発振器のブロック図を示す。
温度補償電圧発生部１１６は補償関数電圧を発生し、可変容量ダイオード１１４に印加する。同ダイオードの容量変化に基づき発振回路の負荷容量が変化し、これにより水晶振動子１１１の発振周波数の温度特性がフラットになるように制御されるので、発振器の周波数温度特性を優れたものにする。この場合、外部可変（Ｖｃｏｎｔ）１１７より電圧を入力して可変容量ダイオード１１５へ印加することにより周波数を可変する。このことにより発振周波数が変化するだけでなく、温度補償量にも影響を与える。
温度補償量と外部可変量には振動子の容量比（γ＝Ｃ０／Ｃ１）に強い関係があることを下記に示す。
１．基礎理論
式（１）に水晶発振器の発振時の直列共振周波数からのオフセット周波数偏差を示す。
図２５に式（１）が示す発振周波数等価ブロック図を示す。
式（２）に示すようにＣＬをＣｘとＣｙとＣｃの３つの直列用量に分離したものが図２６である。
例えばＣｘは温度補償容量、Ｃｙは周波数調整又は外部可変容量、Ｃｃは発振回路容量とすることができる。ここで、Ｃ０＝０（Ｏｐｅｎ）とすると、（３）式の変換が可能となる。
則ち、Ｃｘ、Ｃｙ、Ｃｃそれぞれの容量に対して直列共振周波数からのシフト量がそれぞれ加算されるため、それぞれの容量変化に対し、周波数偏差が抑圧等の干渉を受けることがない。
しかしながら、水晶振動子等の圧電素子は振動を促すための電極を必要とするため必ず電極間容量：Ｃ０を省くことはできない。
（１）式及び（２）より（４）式を得る。
【０００４】
図２７にｃ＝２５、ｙ＝２０、３０、８０とし、ｘを可変、Ｆ（ｘ、ｙ、ｃ）のシミュレーション図を示す。また図２８に同図の拡大図を示す。この図から、ｘが小さい領域で感度が大きく正規化周波数偏差の変化量が大きいことが分る。
図２９はγ＝２００、即ち最大化偏幅１／２γ＝２５００ｐｐｍとした場合の周波数偏差ＤＬ（ｘ、ｙ、ｃ）とＳｘを示す図である。図３０はｘ＝１０とした場合のＤＬを基準とする周波数偏差を示す図である。図３１はｙ＝３０でｘ＝１０とした場合のＤＬ曲線からのずれ、即ちｙ＝３０でｘ＝１０、ｙ＝８０でｘ＝１０の各曲線のｘの値に対するＤＬの差を示す図である。即ちこれはｘの値に対する基準曲線からのずれであり、即ち干渉量となる。この図から明らかなように、ｘの値が小さい程各曲線の偏差が大きくなることを示している。
図３２の縦軸は図３１の基準曲線からのずれの偏差を示し、横軸は図３０のｘ＝１０を基準とし、ｙ＝３０とした場合の周波数偏差、即ちＤＬの値を示す。図３２の場合、ｘ（可変容量１）にて−４０ｐｐｍ周波数を下げ、それからｙ（可変容量２）にて３０ｐｐｍ周波数を上げると、約１ｐｐｍ程歪む、−１００ｐｐｍ周波数を下げると、２．８ｐｐｍほど歪むことになる。
このことは、２つの可変を含む発振器、即ちＯＣＸＯ（高安定発振器）への温度補償機能付加、またＶＣＸＯ（電圧制御発振器）への温度補償機能付加、ＴＣＸＯ（温度補償発振器）へのＶｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔ（電圧制御機能）付加等について考慮すべき事項であることがわかる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記図２４のように周波数の外部制御機能と温度補償機能等の負荷容量を可変するために、２つ以上の負荷容量可変機能を備える発振器には相互の可変が可変量あるいは補償量に歪みを与えるという大きな課題がある。
また、水晶振動子の発振周波数は大きく負荷容量、周囲温度、及び振動子電流の３つの要素で可変できる。この中で、負荷容量可変による周波数の可変は最も多く使用されている。また高安定発振器では振動子、及び周辺回路の温度を一定にすることにより高い安定度を得ている。しかし振動子電流を使用して可変するという例はほとんど無く、一部の高安定発振器にて経年変化改善のため振動子電流を抑圧する回路を設けているに過ぎない。
そこで、本発明では振動子電流による周波数制御が負荷容量の可変量にほとんど影響を与えないことを利用して、振動子電流を制御することにより、水晶振動子の周波数温度特性を補償しようとするものである。
本発明は、かかる課題に鑑み、振動子電流を制御することにより、２つ以上の負荷容量可変機能を備える発振器では従来にない大きな可変範囲を得ることができると共に、高い温度安定度を得ることができる温度補償型圧電発振器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、所定の周波数で励振される圧電素子を備えた圧電振動子、及び前記圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる発振用増幅器、を有する発振回路と、前記圧電振動子の電流を制御する振動子電流制御部と、前記圧電振動子の温度特性を補償する温度補償回路と、外部電圧により前記発振回路の負荷容量を可変して発振周波数を可変する可変容量ダイオードと、を備え、前記温度補償回路は、前記圧電振動子の温度特性を補償する関数電圧を発生し、該関数電圧を前記振動子電流制御部に入力することにより、前記振動子電流を制御して前記発振回路の発振周波数を可変して前記圧電振動子の温度特性を補償し、前記外部電圧により前記可変容量ダイオードの印加電圧を可変することにより、前記発振回路の発振周波数を可変することを特徴とする。
従来の発振器は、ＰＬＬ回路（位相同期回路）等と接続して使用するため、発振回路内に負荷容量を可変し周波数を変化させるための可変機能を２つ以上設けることになる。これらの機能は必然的に可変範囲に干渉を起こすことになる。そこで本発明では、温度補償回路により関数電圧を発生して振動子電流を制御することにより、発振回路の発振周波数を可変として圧電振動子の温度特性を補償し、周波数の可変は発振器の負荷容量を、外部電圧を印加することにより容量が可変となる可変容量ダイオードを使用するものである。
かかる発明によれば、振動子電流を制御することにより、温度特性を補償するので、２つ以上の負荷容量可変機能を備える発振器において大きな可変範囲を得ることができると共に、相互の可変範囲に干渉を与えることなく高い温度安定度を得ることができる。
請求項２は、所定の周波数で励振される圧電素子を備えた圧電振動子、及び前記圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる発振用増幅器、を有する発振回路と、前記圧電振動子の電流を制御する振動子電流制御部と、前記圧電振動子の温度特性を補償する温度補償回路と、外部電圧により前記発振回路の負荷容量を可変して発振周波数を可変する可変容量ダイオードと、を備え、前記温度補償回路は、前記圧電振動子の温度特性を補償する関数電圧を発生し、該関数電圧を前記可変容量ダイオードに印加して前記発振回路の負荷容量を可変することにより、前記発振回路の発振周波数を可変して前記圧電振動子の温度特性を補償し、前記外部電圧により前記振動子電流制御部に入力する電圧を可変することにより、前記発振回路の発振周波数を可変することを特徴とする。
請求項１では、温度特性を補償する温度補償回路を振動子電流制御部に接続して温度補償を行うが、本発明では、温度補償回路で発生した関数電圧を可変容量ダイオードに印加することにより、発振周波数を可変して温度補償を行うものである。また、周波数の可変は外部電圧を振動子電流制御部に印加することにより行うものである。
かかる発明によれば、請求項１と同様の作用効果を奏する。
【０００７】
請求項３は、前記発振回路の負荷に、負荷容量を可変することにより前記発振回路の発振周波数を可変するリアクタンス素子を更に挿入することを特徴とする。
発振回路の負荷容量を可変することにより、温度補償電圧を印加したときの周波数偏差の勾配が変化する。言い換えると、負荷容量を可変することにより発振周波数を変えることができる。
かかる発明によれば、発振周波数を可変するリアクタンス素子を更に挿入したので、発振周波数を簡単な回路構成で変更することができる。
請求項４は、前記発振回路の負荷に、負荷容量を可変することにより前記発振回路の発振周波数を可変する可変リアクタンス素子を更に挿入し、当該発振器外部より前記可変リアクタンス素子の容量を可変することにより前記発振回路の発振周波数を制御可能とすることを特徴とする。
リアクタンス素子を可変トリマのように任意にその容量が可変できれば、外部からそのトリマを可変して発振周波数を制御できる。
かかる発明によれば、リアクタンス素子を可変トリマのように任意に可変できる可変リアクタンス素子を使用するので、外部から容易に発振周波数を制御することができる。
請求項５は、負荷容量を可変することにより発生する補償歪みを補正する補正用可変容量ダイオードを更に備え、前記補正用可変容量ダイオードは、前記温度補償回路により発生する関数電圧により前記振動子電流制御部の負荷容量を可変することにより発生する補償歪みを補正するように働くとすることを特徴とする。
かかる発明によれば、補正用可変容量ダイオードを振動子電流制御部に備えるので、負荷容量を可変することにより発生する補償歪みを補正して、印加電圧に対する周波数偏差を更に低減することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
一般に水晶振動子は水晶の応力・歪みとの関係が非直線であるため、その振動子電流によって共振周波数が下記のように変化することが確かめられている。
この発振時の振動子電流を制御する方法として、一部の高安定水晶発振器（ＯＣＸＯ）でＡＧＣ回路を経年変化改善のために挿入しているが、回路的に複雑であり実用的ではない。
ここでは、同一出願人による特願２００２−２６５０００公報に記載されている回路を用いることで、振動子電流が制御可能であることを利用して温度補償シミュレーションを行う。
【０００９】
図１は、本発明の温度補償方式のブロック図である。この温度補償方式は、所定の周波数で励振される圧電素子を備えた水晶振動子１１、及び圧電素子に電流を流して圧電素子を励振させる図示しない発振用増幅器、を有する発振回路１２と、水晶振動子１１の電流を制御する振動子電流制御回路１３と、前記圧電振動子１１の温度特性を補償する温度補償電圧発生回路１５と、発振回路１２の発振周波数を外部可変電圧１６にて可変される外部可変用可変容量ダイオード１７と、を備えて構成される。尚、振動子電流制御回路１３は、振動子電流制御用可変容量ダイオード１４と、コンデンサ１〜３により構成される。
このブロック図の概略動作は、温度補償電圧発生回路１５が、水晶振動子１１の温度特性を補償する関数電圧を発生し、この関数電圧を振動子電流制御回路１３に印加することにより、この振動子電流制御回路１３は水晶振動子１１の振動子電流を制御して発振回路１２の発振周波数を可変とすることにより、水晶振動子１１の温度特性を補償するものである。
図２は実施回路例を示す図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。ここでは、各定数を以下のように設定した。
Ｒ１＝３９０Ω、Ｒ２＝１ｋΩ、Ｒ３／Ｒ４＝１０ｋΩ、Ｒ５＝２０ｋΩ、Ｒ６／Ｒ７＝１００ｋΩ、Ｃ０＝可変、Ｃ１／Ｃ２＝２７ｐＦ、Ｃ３＝１００ｐＦ、Ｃ４＝１０ｐＦ、Ｃ５／Ｃ６＝１００００ｐＦ、Ｃ７＝０ｐＦ、Ｃ８／Ｃ９＝０．１μＦ、ＴＲ１／ＴＲ２＝２ＳＣ３７３２、Ｄ１＝ＭＡ２Ｓ３０４、Ｘｔａｌ＝２６ＭＨｚ・Ａｔ−Ｃｕｔ１ｓｔ、ＶＣＣ＝５Ｖｄｃ、ＶＤ＝直流電源、Ｖ．Ｖ＝高周波電圧計、Ｆｒｅｑ．Ｃ．＝周波数カウンター
発振回路はカスコード接続のコルピッツ発振回路であり、トランジスタＴＲ１のコレクタとトランジスタＴＲ２のエミッタ間に、挿入接続した振動子電流制御回路１３に発振出力を供給する。また、振動子電流制御回路１３には抵抗Ｒ６、Ｒ７を介して温度補償電圧発生回路１５を接続して、関数電圧を供給する。
【００１０】
図３は本発明の温度補償電圧発生回路１５の回路図と振動子電流制御回路１３の回路図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。また下記に温度補償電圧発生回路１５のシミュレーション時の定数を示す。
Ｒ１・３・４＝１０ｋΩ、Ｒ２＝６．５Ω、Ｒ５＝可変調整、Ｄ１＝１Ｓ９５３、ＩＣ１＝ＴＣ７５Ｓ５１ＦＵ
Ｒ１０＝１０ｋΩ、Ｒ１１＝３０ｋΩ、ＩＣ２＝ ＴＣ７５Ｓ５１ＦＵ
Ｒ１２＝１０ｋΩ、Ｒ１３＝１４０ｋΩ、ＩＣ３＝ ＴＣ７５Ｓ５１ＦＵ
Ｒ１４＝１０ｋΩ、Ｒ１５＝１４０ｋΩ、ＩＣ４＝ ＴＣ７５Ｓ５１ＦＵ
Ｒ６＝９．６ｋΩ、Ｒ７＝１１．１ｋΩ、 Ｒ８＝１１．３ｋΩ、Ｒ９＝８ｋΩ、
Ｒ１６・１７・１８・２１・２２＝１００ｋΩ、Ｒ１９・２０＝２００ｋΩ、Ｄ２＝ＭＡ２Ｓ３０４、Ｃ３・４・５＝０．１μＦ
Ｘｔａｌ＝１３ＭＨｚ、γ＝２４０、Ｃ０＝１．３５ｐＦ、Ｃｐ＝４０ｐＦ、Ｃｓ＝３５ｐＦ
Ｖｃｃ＝３．０Ｖ、
【００１１】
図４はＣ０＝２０ｐＦとし、ＶＤの電圧を可変することにより、可変容量ダイオードＤ１への印加電圧を可変する。縦軸はＶＤ＝１Ｖとしたときの周波数を基準とする偏差を示し、横軸はＶＤ、可変容量ダイオードＤ１への印加電圧を示す。
同様に図５はＣ０＝１２ｐＦ、図６はＣ０＝４３ｐＦとした場合の結果を示す。各図よりＤ１への印加電圧に対し発振周波数及び振動子電流も同様な変化をしていることがわかる。
振動子電流は（７）式で求める。
図７はＶＤの変化に対する各Ｃ０をパラメーターとする振動子電流の変化を示す。この図から振動子電流の変化はほとんどＣ０の値によらないことが解る。
図８はＶＤの変化に対する各Ｃ０をパラメーターとする周波数偏差を示す。この図から明らかに、Ｃ０の値により僅かであるが変化量が異なることが解る。
図９は、可変容量ダイオードＤ１：ＭＡ２Ｓ３０４の印加電圧対容量変化特性を示すものであり、実測データ及びその近似関数を示す図である。この図から近似関数に良く一致していることが解る。
図１０は、可変容量ダイオードＤ１の容量変化に対する振動子電流を示す図である。この図から、容量Ｃ０の変化に殆ど影響されないことが解る。
図１１は、可変容量ダイオードＤ１の容量変化に対する周波数偏差を示す。但しＶＤ＝１Ｖｄｃ、ＣＶ＝２６ｐＦを基準とする。また各Ｃ０をパラメータとした近似関数を示す。
図１２は容量：Ｃ０を可変した場合の発振周波数変化を示す図である。但しＣ０＝２０ｐＦを基準とする。またＤ１容量は、ＶＤ＝１Ｖｄｃ、即ちＣＶ＝２６ｐＦとする。この結果よりＣ０＝１２ｐＦ〜Ｃ０＝４３ｐＦまで可変すると周波数偏差として約２８０ｐｐｍの変化を得る。
【００１２】
図１３は本回路定数でのシミュレーション結果を示す図である。図の各記号は図３の各記号の電圧変化を示す。
［ａ］は演算増幅器ＩＣ１の出力で温度変化に対し単調減少を示す。
［ｂ］は演算増幅器ＩＣ２の出力で振動子の変曲点近傍の変化を補償する、０℃近くより５０℃近くまで単調増加を示す。
［ｃ］は演算増幅器ＩＣ３の出力で振動子の低温度側を補償する、−３０℃近くから−１０℃近くまで単調増加を示す。
［ｄ］は演算増幅器ＩＣ４の出力で振動子の高温度側を補償する、６５℃近くから９０℃近くまで単調増加を示す。
図１４に同じく、図３の温度補償電圧発生回路１５の各部の電圧変化を示す。［ｅ］は［ｂ］とＶｃｃを合成した電圧変化を示す。［ｆ］は［ｃ］と［ｄ］を合成した電圧変化を示す。［ＶＤ］は可変容量ダイオードのカソード・アノード間の電圧変化を示す。
【００１３】
図１５は、図１１に基づき、振動子電流制御用可変容量ダイオード：Ｄ１の変化による発振周波数偏差に従い、温度補償をシミュレーションした結果である。
即ち、温度補償電圧発生回路１５からの補償電圧を振動子電流制御用可変容量ダイオード：Ｄ１で受け振動子電流制御回路１３の容量変化とする。図１１より、Ｃ０をパラメータとする容量変化対周波数偏差の関係式より、振動子の温度特性を適切に補償する並列容量Ｃ７及びＣ８・Ｃ９を設定する。本シミュレーションでは、１．Ｃ０＝２０ｐＦに設定、Ｃ７＝５ｐＦ、Ｃ８／Ｃ９＝６６ｐＦに設定することにより温度補償シミュレーションを行う。その結果、−３０℃〜＋８５℃で温度補償特性±２ｐｐｍ以下を得る。
２．上記設定のまま、「即ち、Ｃ７＝５ｐＦ、Ｃ８／Ｃ９＝６６ｐＦに設定したまま、」Ｃ０＝１２ｐＦ、及びＣ０＝４３ｐＦに変更する。その結果Ｃ０＝１２ｐＦでは０℃近傍で周波数約０．８ｐｐｍ上昇、５５℃近傍では周波数約０．８ｐｐｍ低下する。また、Ｃ０＝４３ｐＦでは０℃近傍で周波数約１ｐｐｍ低下、５５℃近傍では周波数約１ｐｐｍ上昇する。
更に、図１２のＣ０対周波数偏差結果よりＣ０＝２０ｐＦ→Ｃ０＝１２ｐＦの負荷容量可変により＋１５０ｐｐｍ上昇、Ｃ０＝２０ｐＦ→Ｃ０＝４３ｐＦに負荷容量可変によりー１３０ｐｐｍ低下する。
即ち、従来の負荷容量可変だけによる温度補償と外部可変では得ることのできない結果である。
図１６は、本発明の温度補償方式の他の例のブロック図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図１６が図１と異なる点は、温度補償電圧発生回路１５と外部可変１６の位置が異なる点である。即ち、外部可変１６により振動子電流制御回路１３を制御し、温度補償電圧発生回路１５により可変容量ダイオード１７を可変して温度補償している。
以上のように、本発明は水晶振動子の温度特性を補償するための周波数変化を振動子電流を制御することにより行い、外部制御により周波数を可変する必要がある場合は従来通り負荷容量可変とする。
このようにすることにより、それぞれの干渉がなくなるため、特に外部可変による周波数変化を大きくすることができる。また外部可変による温度補償量への干渉が少ないため優れた温度特性を得ることもできる。このことは、これからの水晶発振器あるいは圧電発振器の機能拡大に大きく貢献することが予測される。
【００１４】
図１７は図８に示す結果、即ち負荷容量の値による振動子電流制御可変容量ダイオードＤ１への印加電圧による周波数偏差の相違（負荷容量可変による補償歪み）を補正する回路を示す図である。本発明による振動子電流制御方式の制御量はコレクタ・エミッタ間容量とエミッタ・ＧＮＤ間容量の比で決まり、コレクタ・エミッタ間容量に対しエミッタ・ＧＮＤ間容量が小さいほど制御量は大きくなる。
このことより、外部電圧Ｖｃの可変により可変リアクタンス素子（可変容量ダイオードＤ２）を制御し、負荷容量を可変することで周波数を可変すると同時に、エミッタ・ＧＮＤ間に可変リアクタンス素子（可変容量ダイオードＤ３）を挿入し、外部電圧Ｖｃにより同ダイオードの容量を可変することにより、可変容量ダイオードＤ２を制御するに伴う負荷容量可変による補償歪みを補正することができる。この場合、負荷容量を小さくし周波数を高く可変することと、エミッタ・ＧＮＤ間の容量を小さくし補償量を増加し、歪み補正を行うことが、更に負荷容量を小さくすることであり、補正歪み制御が周波数可変と同一制御でできることは大きな効果である。
図１８は振動子に直列に接続するコンデンサＣ０に対し下記の対策を行い測定した結果である。
Ｃ０＝２０ｐＦ…エミッタ・ＧＮＤ間容量：Ｃ２＝２７ｐＦを基準とし、Ｃ０＝１２ｐＦ…エミッタ・ＧＮＤ間容量：Ｃ２＝１８ｐＦ、Ｃ０＝４３ｐＦ…エミッタ・ＧＮＤ間容量：Ｃ２＝３０ｐＦ、として、補正歪みを行い、振動子電流制御可変容量ダイオードＤ１への印加電圧による周波数偏差を示した。
補正前図８の結果では、補正前ＶＤ＝２Ｖｄｃに対し 相違量（歪み量）＝約８ｐｐｍに対し、補正後ＶＤ＝２Ｖｄｃでは、相違量（歪み量）＝約２ｐｐｍとなり、これが歪み（Ｄ１印加電圧対周波数偏差特性における容量Ｃ０の依存性）改善となる。
図１９は歪み補正を行った場合の振動子電流制御可変容量ダイオードＤ１への容量変化による周波数偏差の関係を示す図である。
図２０は補正歪みを行った場合の温度特性シミュレーション結果を示す図である。
図２１は図１５の温度特性シミュレーション、即ち歪み補正前の結果を示す図である。
以上の結果から明らかなように、補正前の歪み量＝約１．６ｐｐｍが補正を行うことにより、歪み補正後＝約０．４ｐｐｍに改善、約１／４になることを示している。
【００１５】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項１の発明によれば、振動子電流を制御することにより、温度特性を補償するので、２つ以上の負荷容量可変機能を備える発振器において大きな可変範囲を得ることができると共に、相互の可変範囲に干渉を与えることなく高い温度安定度を得ることができる。
また請求項２では、請求項１と同様の作用効果を奏する。
また請求項３では、発振周波数を可変するリアクタンス素子を更に挿入したので、発振周波数を簡単な回路構成で変更することができる。
また請求項４では、リアクタンス素子を可変トリマのように任意に可変できる可変リアクタンス素子を使用するので、外部から容易に発振周波数を制御することができる。
また請求項５では、補正用可変容量ダイオードを振動子電流制御部に備えるので、負荷容量を可変することにより発生する補償歪みを補正して、印加電圧に対する周波数偏差を更に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の温度補償方式のブロック図である。
【図２】本発明の温度補償方式の回路実施例の図である。
【図３】本発明の温度補償方式の実施回路例（補償電圧発生回路）の図である。
【図４】本発明の実施回路例−１、Ｄ１印加電圧対周波数偏差＆振動子電流を示す図である。
【図５】本発明の実施回路例−２、Ｄ１印加電圧対周波数偏差＆振動子電流を示す図である。
【図６】本発明の実施回路例−３、Ｄ１印加電圧対周波数偏差＆振動子電流を示す図である。
【図７】本発明の実施回路例−４、Ｄ１印加電圧対振動子電流を示す図である。
【図８】本発明の実施回路例−５、Ｄ１印加電圧対周波数偏差を示す図である。
【図９】本発明の可変容量ダイオードＤ１：ＭＡ２Ｓ３０４の測定結果と近似関数を示す図である。
【図１０】本発明の実施回路例−６、Ｄ１可変容量対振動子電流を示す図である。
【図１１】本発明の実施回路例−７、Ｄ１可変容量対周波数偏差を示す図である。
【図１２】本発明の実施回路例−８、Ｃ０可変容量対周波数偏差を示す図である。
【図１３】本発明の実施回路例−９、温度補償電圧発生回路シミュレーション結果−１を示す図である。
【図１４】本発明の実施回路例−１０、温度補償電圧発生回路シミュレーション結果−２を示す図である。
【図１５】本発明の実施回路例−１１振動子の温度特性と温度補償周波数偏差及び補償のシミュレーション結果を示す図である。
【図１６】本発明の温度補償方式他の例のブロック図である。
【図１７】温度補償方式の歪み補正回路実施例を示す図である。
【図１８】発明回路（歪み補正回路付き）実施例−１２Ｄ１印加電圧対周波数偏差を示す図である。
【図１９】発明回路（歪み補正回路付き）実施例−１３Ｄ１可変容量対周波数偏差を示す図である。
【図２０】発明回路（歪み補正回路付き）実施例−１４温度補償のシミュレーション結果を示す図である。
【図２１】発明回路実施例−１５温度補償のシミュレーション結果を示す図である。
【図２２】発明温度補償方式（歪み補正回路付き）のブロック図である。
【図２３】Ａｔ−Ｃｕｔ振動子の切断角度の相違による温度特性シミュレーションを示す図である。
【図２４】従来温度補償方式のブロック図である。
【図２５】共振周波数等価ブロック図−１である。
【図２６】共振周波数等価ブロック図−２である。
【図２７】Ｆ（ｘ、ｙ、ｃ）＆Ｓｘシミュレーション図である。
【図２８】Ｆ（ｘ、ｙ、ｃ）＆Ｓｘシミュレーション拡大図である。
【図２９】Ｄ（ｘ、ｙ、ｃ）＆Ｓｘシミュレーション図である。
【図３０】Ｄ（ｘ、ｙ、ｃ）＆Ｓｘシミュレーション図である。
【図３１】ΔＦ（ｘ、ｙ、ｃ）シミュレーション図である。
【図３２】ΔＦ（ｘ、ｙ、ｃ）＆Ｆシミュレーション図である。
【符号の説明】
１１ 水晶振動子、１２ 発振回路、１３ 振動子電流制御回路、１４ 振動子電流制御用可変容量ダイオード、１５ 温度補償電圧発生回路、１６ 外部可変、１７ 外部可変用可変容量ダイオード、１８ 出力回路、１９ ＧＮＤ
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度補償型圧電発振器に関し、さらに詳しくは、陸上移動体通信分野及び衛星通信分野の基準周波数として使用される圧電発振器の温度補償方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話に代表される陸上移動帯通信は利用範囲が拡大の一途を辿っている。それに伴い、携帯電話の普及もすさまじく技術開発競争が激化しており、携帯電話に使用される水晶発振器も小型化・ローコスト化、更に高性能化が要求されている。水晶振動子は図２３に示す様に、周囲温度の変化に対し発振周波数が３次曲線的に変化する。このため高い安定度を得るために発振回路には振動子の温度特性を相殺するための温度補償回路を設けており、そして温度補償方式には直接温度補償方式、間接温度補償方式があるが、いずれの方式においても発振回路の負荷容量を可変し温度補償を行うのが一般的である。また現在の発振器はＰＬＬ回路（位相同期回路）等と接続して使用するため、外部より電圧を印加し周波数を可変する機能（Ｖｃｏｎｔ）の付加が必須である。即ち、発振回路内に負荷容量を可変し周波数を変化させるための可変機能を２つ以上設けることになる。これらの機能は必然的に可変範囲に干渉を起こすことになる。例えば、温度補償量として付加容量の変化により１００ｐｐｍを必要としている場合、そこに２０ｐｐｍの外部可変を行うと全体の付加容量に対する温度補償回路の付加容量の比率が代わるので、付加容量の変化に対する周波数変化量が変化し、９９ｐｐｍの温度補償量となる場合があり、温度特性を１ｐｐｍ悪化させることになってしまう。
【０００３】
図２４に従来の外部可変機能付温度補償型水晶発振器のブロック図を示す。
温度補償電圧発生部１１６は補償関数電圧を発生し、可変容量ダイオード１１４に印加する。同ダイオードの容量変化に基づき発振回路の負荷容量が変化し、これにより水晶振動子１１１の発振周波数の温度特性がフラットになるように制御されるので、発振器の周波数温度特性を優れたものにする。この場合、外部可変（Ｖｃｏｎｔ）１１７より電圧を入力して可変容量ダイオード１１５へ印加することにより周波数を可変する。このことにより発振周波数が変化するだけでなく、温度補償量にも影響を与える。
温度補償量と外部可変量には振動子の容量比（γ＝Ｃ０／Ｃ１）に強い関係があることを下記に示す。
１．基礎理論
式（１）に水晶発振器の発振時の直列共振周波数からのオフセット周波数偏差を示す。
式（２）に示すようにＣＬをＣｘとＣｙとＣｃの３つの直列用量に分離したものが図２６である。
しかしながら、水晶振動子等の圧電素子は振動を促すための電極を必要とするため必ず電極間容量：Ｃ０を省くことはできない。
（１）式及び（２）より（４）式を得る。
図２７にｃ＝２５、ｙ＝２０、３０、８０とし、ｘを可変、Ｆ（ｘ、ｙ、ｃ）のシミュレーション図を示す。また図２８に同図の拡大図を示す。この図から、ｘが小さい領域で感度が大きく正規化周波数偏差の変化量が大きいことが分る。
図２９はγ＝２００、即ち最大化偏幅１／２γ＝２５００ｐｐｍとした場合の周波数偏差ＤＬ（ｘ、ｙ、ｃ）とＳｘを示す図である。図３０はｘ＝１０とした場合のＤＬを基準とする周波数偏差を示す図である。図３１はｙ＝３０でｘ＝１０とした場合のＤＬ曲線からのずれ、即ちｙ＝３０でｘ＝１０、ｙ＝８０でｘ＝１０の各曲線のｘの値に対するＤＬの差を示す図である。即ちこれはｘの値に対する基準曲線からのずれであり、即ち干渉量となる。この図から明らかなように、ｘの値が小さい程各曲線の偏差が大きくなることを示している。
図３２の縦軸は図３１の基準曲線からのずれの偏差を示し、横軸は図３０のｘ＝１０を基準とし、ｙ＝３０とした場合の周波数偏差、即ちＤＬの値を示す。図３２の場合、ｘ（可変容量１）にて−４０ｐｐｍ周波数を下げ、それからｙ（可変容量２）にて３０ｐｐｍ周波数を上げると、約１ｐｐｍ程歪む、−１００ｐｐｍ周波数を下げると、２．８ｐｐｍほど歪むことになる。
このことは、２つの可変を含む発振器、即ちＯＣＸＯ（高安定発振器）への温度補償機能付加、またＶＣＸＯ（電圧制御発振器）への温度補償機能付加、ＴＣＸＯ（温度補償発振器）へのＶｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔ（電圧制御機能）付加等について考慮すべき事項であることがわかる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記図２４のように周波数の外部制御機能と温度補償機能等の負荷容量を可変するために、２つ以上の負荷容量可変機能を備える発振器には相互の可変が可変量あるいは補償量に歪みを与えるという大きな課題がある。
また、水晶振動子の発振周波数は大きく負荷容量、周囲温度、及び振動子電流の３つの要素で可変できる。この中で、負荷容量可変による周波数の可変は最も多く使用されている。また高安定発振器では振動子、及び周辺回路の温度を一定にすることにより高い安定度を得ている。しかし振動子電流を使用して可変するという例はほとんど無く、一部の高安定発振器にて経年変化改善のため振動子電流を抑圧する回路を設けているに過ぎない。
そこで、本発明では振動子電流による周波数制御が負荷容量の可変量にほとんど影響を与えないことを利用して、振動子電流を制御することにより、水晶振動子の周波数温度特性を補償しようとするものである。
本発明は、かかる課題に鑑み、振動子電流を制御することにより、２つ以上の負荷容量可変機能を備える発振器では従来にない大きな可変範囲を得ることができると共に、高い温度安定度を得ることができる温度補償型圧電発振器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、所定の周波数で励振される圧電素子を備えた圧電振動子、及び前記圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる発振用増幅器、を有する発振回路と、前記圧電振動子の電流を制御する振動子電流制御部と、前記圧電振動子の温度特性を補償する温度補償回路と、外部電圧により前記発振回路の負荷容量を可変して発振周波数を可変する可変容量ダイオードと、を備え、前記温度補償回路は、前記圧電振動子の温度特性を補償する関数電圧を発生し、該関数電圧を前記振動子電流制御部に入力することにより、前記振動子電流を制御して前記発振回路の発振周波数を可変して前記圧電振動子の温度特性を補償し、前記外部電圧により前記可変容量ダイオードの印加電圧を可変することにより、前記発振回路の発振周波数を可変することを特徴とする。
従来の発振器は、ＰＬＬ回路（位相同期回路）等と接続して使用するため、発振回路内に負荷容量を可変し周波数を変化させるための可変機能を２つ以上設けることになる。これらの機能は必然的に可変範囲に干渉を起こすことになる。そこで本発明では、温度補償回路により関数電圧を発生して振動子電流を制御することにより、発振回路の発振周波数を可変として圧電振動子の温度特性を補償し、周波数の可変は発振器の負荷容量を、外部電圧を印加することにより容量が可変となる可変容量ダイオードを使用するものである。
かかる発明によれば、振動子電流を制御することにより、温度特性を補償するので、２つ以上の負荷容量可変機能を備える発振器において大きな可変範囲を得ることができると共に、相互の可変範囲に干渉を与えることなく高い温度安定度を得ることができる。
請求項２は、所定の周波数で励振される圧電素子を備えた圧電振動子、及び前記圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる発振用増幅器、を有する発振回路と、前記圧電振動子の電流を制御する振動子電流制御部と、前記圧電振動子の温度特性を補償する温度補償回路と、外部電圧により前記発振回路の負荷容量を可変して発振周波数を可変する可変容量ダイオードと、を備え、前記温度補償回路は、前記圧電振動子の温度特性を補償する関数電圧を発生し、該関数電圧を前記可変容量ダイオードに印加して前記発振回路の負荷容量を可変することにより、前記発振回路の発振周波数を可変して前記圧電振動子の温度特性を補償し、前記外部電圧により前記振動子電流制御部に入力する電圧を可変することにより、前記発振回路の発振周波数を可変することを特徴とする。
請求項１では、温度特性を補償する温度補償回路を振動子電流制御部に接続して温度補償を行うが、本発明では、温度補償回路で発生した関数電圧を可変容量ダイオードに印加することにより、発振周波数を可変して温度補償を行うものである。また、周波数の可変は外部電圧を振動子電流制御部に印加することにより行うものである。
かかる発明によれば、請求項１と同様の作用効果を奏する。
【０００７】
請求項３は、前記発振回路の負荷に、負荷容量を可変することにより前記発振回路の発振周波数を可変するリアクタンス素子を更に挿入することを特徴とする。
発振回路の負荷容量を可変することにより、温度補償電圧を印加したときの周波数偏差の勾配が変化する。言い換えると、負荷容量を可変することにより発振周波数を変えることができる。
かかる発明によれば、発振周波数を可変するリアクタンス素子を更に挿入したので、発振周波数を簡単な回路構成で変更することができる。
請求項４は、前記発振回路の負荷に、負荷容量を可変することにより前記発振回路の発振周波数を可変する可変リアクタンス素子を更に挿入し、当該発振器外部より前記可変リアクタンス素子の容量を可変することにより前記発振回路の発振周波数を制御可能とすることを特徴とする。
リアクタンス素子を可変トリマのように任意にその容量が可変できれば、外部からそのトリマを可変して発振周波数を制御できる。
かかる発明によれば、リアクタンス素子を可変トリマのように任意に可変できる可変リアクタンス素子を使用するので、外部から容易に発振周波数を制御することができる。
請求項５は、負荷容量を可変することにより発生する補償歪みを補正する補正用可変容量ダイオードを更に備え、前記補正用可変容量ダイオードは、前記温度補償回路により発生する関数電圧により前記振動子電流制御部の負荷容量を可変することにより発生する補償歪みを補正するように働くとすることを特徴とする。
かかる発明によれば、補正用可変容量ダイオードを振動子電流制御部に備えるので、負荷容量を可変することにより発生する補償歪みを補正して、印加電圧に対する周波数偏差を更に低減することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
一般に水晶振動子は水晶の応力・歪みとの関係が非直線であるため、その振動子電流によって共振周波数が下記のように変化することが確かめられている。
ここでは、同一出願人による特願２００２−２６５０００公報に記載されている回路を用いることで、振動子電流が制御可能であることを利用して温度補償シミュレーションを行う。
【０００９】
図１は、本発明の温度補償方式のブロック図である。この温度補償方式は、所定の周波数で励振される圧電素子を備えた水晶振動子１１、及び圧電素子に電流を流して圧電素子を励振させる図示しない発振用増幅器、を有する発振回路１２と、水晶振動子１１の電流を制御する振動子電流制御回路１３と、前記圧電振動子１１の温度特性を補償する温度補償電圧発生回路１５と、発振回路１２の発振周波数を外部可変電圧１６にて可変される外部可変用可変容量ダイオード１７と、を備えて構成される。尚、振動子電流制御回路１３は、振動子電流制御用可変容量ダイオード１４と、コンデンサ１〜３により構成される。
このブロック図の概略動作は、温度補償電圧発生回路１５が、水晶振動子１１の温度特性を補償する関数電圧を発生し、この関数電圧を振動子電流制御回路１３に印加することにより、この振動子電流制御回路１３は水晶振動子１１の振動子電流を制御して発振回路１２の発振周波数を可変とすることにより、水晶振動子１１の温度特性を補償するものである。
図２は実施回路例を示す図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。ここでは、各定数を以下のように設定した。
Ｒ１＝３９０Ω、Ｒ２＝１ｋΩ、Ｒ３／Ｒ４＝１０ｋΩ、Ｒ５＝２０ｋΩ、Ｒ６／Ｒ７＝１００ｋΩ、Ｃ０＝可変、Ｃ１／Ｃ２＝２７ｐＦ、Ｃ３＝１００ｐＦ、Ｃ４＝１０ｐＦ、Ｃ５／Ｃ６＝１００００ｐＦ、Ｃ７＝０ｐＦ、Ｃ８／Ｃ９＝０．１μＦ、ＴＲ１／ＴＲ２＝２ＳＣ３７３２、Ｄ１＝ＭＡ２Ｓ３０４、Ｘｔａｌ＝２６ＭＨｚ・Ａｔ−Ｃｕｔ１ｓｔ、ＶＣＣ＝５Ｖｄｃ、ＶＤ＝直流電源、Ｖ．Ｖ＝高周波電圧計、Ｆｒｅｑ．Ｃ．＝周波数カウンター
発振回路はカスコード接続のコルピッツ発振回路であり、トランジスタＴＲ１のコレクタとトランジスタＴＲ２のエミッタ間に、挿入接続した振動子電流制御回路１３に発振出力を供給する。また、振動子電流制御回路１３には抵抗Ｒ６、Ｒ７を介して温度補償電圧発生回路１５を接続して、関数電圧を供給する。
【００１０】
図３は本発明の温度補償電圧発生回路１５の回路図と振動子電流制御回路１３の回路図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。また下記に温度補償電圧発生回路１５のシミュレーション時の定数を示す。
Ｒ１・３・４＝１０ｋΩ、Ｒ２＝６．５Ω、Ｒ５＝可変調整、Ｄ１＝１Ｓ９５３、ＩＣ１＝ＴＣ７５Ｓ５１ＦＵ
Ｒ１０＝１０ｋΩ、Ｒ１１＝３０ｋΩ、ＩＣ２＝ ＴＣ７５Ｓ５１ＦＵ
Ｒ１２＝１０ｋΩ、Ｒ１３＝１４０ｋΩ、ＩＣ３＝ ＴＣ７５Ｓ５１ＦＵ
Ｒ１４＝１０ｋΩ、Ｒ１５＝１４０ｋΩ、ＩＣ４＝ ＴＣ７５Ｓ５１ＦＵ
Ｒ６＝９．６ｋΩ、Ｒ７＝１１．１ｋΩ、 Ｒ８＝１１．３ｋΩ、Ｒ９＝８ｋΩ、
Ｒ１６・１７・１８・２１・２２＝１００ｋΩ、Ｒ１９・２０＝２００ｋΩ、Ｄ２＝ＭＡ２Ｓ３０４、Ｃ３・４・５＝０．１μＦ
Ｘｔａｌ＝１３ＭＨｚ、γ＝２４０、Ｃ０＝１．３５ｐＦ、Ｃｐ＝４０ｐＦ、Ｃｓ＝３５ｐＦ
Ｖｃｃ＝３．０Ｖ、
【００１１】
図４はＣ０＝２０ｐＦとし、ＶＤの電圧を可変することにより、可変容量ダイオードＤ１への印加電圧を可変する。縦軸はＶＤ＝１Ｖとしたときの周波数を基準とする偏差を示し、横軸はＶＤ、可変容量ダイオードＤ１への印加電圧を示す。
同様に図５はＣ０＝１２ｐＦ、図６はＣ０＝４３ｐＦとした場合の結果を示す。各図よりＤ１への印加電圧に対し発振周波数及び振動子電流も同様な変化をしていることがわかる。
振動子電流は（７）式で求める。
図８はＶＤの変化に対する各Ｃ０をパラメーターとする周波数偏差を示す。この図から明らかに、Ｃ０の値により僅かであるが変化量が異なることが解る。
図９は、可変容量ダイオードＤ１：ＭＡ２Ｓ３０４の印加電圧対容量変化特性を示すものであり、実測データ及びその近似関数を示す図である。この図から近似関数に良く一致していることが解る。
図１０は、可変容量ダイオードＤ１の容量変化に対する振動子電流を示す図である。この図から、容量Ｃ０の変化に殆ど影響されないことが解る。
図１１は、可変容量ダイオードＤ１の容量変化に対する周波数偏差を示す。但しＶＤ＝１Ｖｄｃ、ＣＶ＝２６ｐＦを基準とする。また各Ｃ０をパラメータとした近似関数を示す。
図１２は容量：Ｃ０を可変した場合の発振周波数変化を示す図である。但しＣ０＝２０ｐＦを基準とする。またＤ１容量は、ＶＤ＝１Ｖｄｃ、即ちＣＶ＝２６ｐＦとする。この結果よりＣ０＝１２ｐＦ〜Ｃ０＝４３ｐＦまで可変すると周波数偏差として約２８０ｐｐｍの変化を得る。
【００１２】
図１３は本回路定数でのシミュレーション結果を示す図である。図の各記号は図３の各記号の電圧変化を示す。
［ａ］は演算増幅器ＩＣ１の出力で温度変化に対し単調減少を示す。
［ｂ］は演算増幅器ＩＣ２の出力で振動子の変曲点近傍の変化を補償する、０℃近くより５０℃近くまで単調増加を示す。
［ｃ］は演算増幅器ＩＣ３の出力で振動子の低温度側を補償する、−３０℃近くから−１０℃近くまで単調増加を示す。
［ｄ］は演算増幅器ＩＣ４の出力で振動子の高温度側を補償する、６５℃近くから９０℃近くまで単調増加を示す。
図１４に同じく、図３の温度補償電圧発生回路１５の各部の電圧変化を示す。［ｅ］は［ｂ］とＶｃｃを合成した電圧変化を示す。［ｆ］は［ｃ］と［ｄ］を合成した電圧変化を示す。［ＶＤ］は可変容量ダイオードのカソード・アノード間の電圧変化を示す。
【００１３】
図１５は、図１１に基づき、振動子電流制御用可変容量ダイオード：Ｄ１の変化による発振周波数偏差に従い、温度補償をシミュレーションした結果である。
即ち、温度補償電圧発生回路１５からの補償電圧を振動子電流制御用可変容量ダイオード：Ｄ１で受け振動子電流制御回路１３の容量変化とする。図１１より、Ｃ０をパラメータとする容量変化対周波数偏差の関係式より、振動子の温度特性を適切に補償する並列容量Ｃ７及びＣ８・Ｃ９を設定する。本シミュレーションでは、１．Ｃ０＝２０ｐＦに設定、Ｃ７＝５ｐＦ、Ｃ８／Ｃ９＝６６ｐＦに設定することにより温度補償シミュレーションを行う。その結果、−３０℃〜＋８５℃で温度補償特性±２ｐｐｍ以下を得る。
２．上記設定のまま、「即ち、Ｃ７＝５ｐＦ、Ｃ８／Ｃ９＝６６ｐＦに設定したまま、」Ｃ０＝１２ｐＦ、及びＣ０＝４３ｐＦに変更する。その結果Ｃ０＝１２ｐＦでは０℃近傍で周波数約０．８ｐｐｍ上昇、５５℃近傍では周波数約０．８ｐｐｍ低下する。また、Ｃ０＝４３ｐＦでは０℃近傍で周波数約１ｐｐｍ低下、５５℃近傍では周波数約１ｐｐｍ上昇する。
更に、図１２のＣ０対周波数偏差結果よりＣ０＝２０ｐＦ→Ｃ０＝１２ｐＦの負荷容量可変により＋１５０ｐｐｍ上昇、Ｃ０＝２０ｐＦ→Ｃ０＝４３ｐＦに負荷容量可変によりー１３０ｐｐｍ低下する。
即ち、従来の負荷容量可変だけによる温度補償と外部可変では得ることのできない結果である。
図１６は、本発明の温度補償方式の他の例のブロック図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図１６が図１と異なる点は、温度補償電圧発生回路１５と外部可変１６の位置が異なる点である。即ち、外部可変１６により振動子電流制御回路１３を制御し、温度補償電圧発生回路１５により可変容量ダイオード１７を可変して温度補償している。
以上のように、本発明は水晶振動子の温度特性を補償するための周波数変化を振動子電流を制御することにより行い、外部制御により周波数を可変する必要がある場合は従来通り負荷容量可変とする。
このようにすることにより、それぞれの干渉がなくなるため、特に外部可変による周波数変化を大きくすることができる。また外部可変による温度補償量への干渉が少ないため優れた温度特性を得ることもできる。このことは、これからの水晶発振器あるいは圧電発振器の機能拡大に大きく貢献することが予測される。
【００１４】
図１７は図８に示す結果、即ち負荷容量の値による振動子電流制御可変容量ダイオードＤ１への印加電圧による周波数偏差の相違（負荷容量可変による補償歪み）を補正する回路を示す図である。本発明による振動子電流制御方式の制御量はコレクタ・エミッタ間容量とエミッタ・ＧＮＤ間容量の比で決まり、コレクタ・エミッタ間容量に対しエミッタ・ＧＮＤ間容量が小さいほど制御量は大きくなる。
このことより、外部電圧Ｖｃの可変により可変リアクタンス素子（可変容量ダイオードＤ２）を制御し、負荷容量を可変することで周波数を可変すると同時に、エミッタ・ＧＮＤ間に可変リアクタンス素子（可変容量ダイオードＤ３）を挿入し、外部電圧Ｖｃにより同ダイオードの容量を可変することにより、可変容量ダイオードＤ２を制御するに伴う負荷容量可変による補償歪みを補正することができる。この場合、負荷容量を小さくし周波数を高く可変することと、エミッタ・ＧＮＤ間の容量を小さくし補償量を増加し、歪み補正を行うことが、更に負荷容量を小さくすることであり、補正歪み制御が周波数可変と同一制御でできることは大きな効果である。
図１８は振動子に直列に接続するコンデンサＣ０に対し下記の対策を行い測定した結果である。
Ｃ０＝２０ｐＦ…エミッタ・ＧＮＤ間容量：Ｃ２＝２７ｐＦを基準とし、Ｃ０＝１２ｐＦ…エミッタ・ＧＮＤ間容量：Ｃ２＝１８ｐＦ、Ｃ０＝４３ｐＦ…エミッタ・ＧＮＤ間容量：Ｃ２＝３０ｐＦ、として、補正歪みを行い、振動子電流制御可変容量ダイオードＤ１への印加電圧による周波数偏差を示した。
補正前図８の結果では、補正前ＶＤ＝２Ｖｄｃに対し 相違量（歪み量）＝約８ｐｐｍに対し、補正後ＶＤ＝２Ｖｄｃでは、相違量（歪み量）＝約２ｐｐｍとなり、これが歪み（Ｄ１印加電圧対周波数偏差特性における容量Ｃ０の依存性）改善となる。
図１９は歪み補正を行った場合の振動子電流制御可変容量ダイオードＤ１への容量変化による周波数偏差の関係を示す図である。
図２０は補正歪みを行った場合の温度特性シミュレーション結果を示す図である。
図２１は図１５の温度特性シミュレーション、即ち歪み補正前の結果を示す図である。
以上の結果から明らかなように、補正前の歪み量＝約１．６ｐｐｍが補正を行うことにより、歪み補正後＝約０．４ｐｐｍに改善、約１／４になることを示している。
【００１５】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項１の発明によれば、振動子電流を制御することにより、温度特性を補償するので、２つ以上の負荷容量可変機能を備える発振器において大きな可変範囲を得ることができると共に、相互の可変範囲に干渉を与えることなく高い温度安定度を得ることができる。
また請求項２では、請求項１と同様の作用効果を奏する。
また請求項３では、発振周波数を可変するリアクタンス素子を更に挿入したので、発振周波数を簡単な回路構成で変更することができる。
また請求項４では、リアクタンス素子を可変トリマのように任意に可変できる可変リアクタンス素子を使用するので、外部から容易に発振周波数を制御することができる。
また請求項５では、補正用可変容量ダイオードを振動子電流制御部に備えるので、負荷容量を可変することにより発生する補償歪みを補正して、印加電圧に対する周波数偏差を更に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の温度補償方式のブロック図である。
【図２】本発明の温度補償方式の回路実施例の図である。
【図３】本発明の温度補償方式の実施回路例（補償電圧発生回路）の図である。
【図４】本発明の実施回路例−１、Ｄ１印加電圧対周波数偏差＆振動子電流を示す図である。
【図５】本発明の実施回路例−２、Ｄ１印加電圧対周波数偏差＆振動子電流を示す図である。
【図６】本発明の実施回路例−３、Ｄ１印加電圧対周波数偏差＆振動子電流を示す図である。
【図７】本発明の実施回路例−４、Ｄ１印加電圧対振動子電流を示す図である。
【図８】本発明の実施回路例−５、Ｄ１印加電圧対周波数偏差を示す図である。
【図９】本発明の可変容量ダイオードＤ１：ＭＡ２Ｓ３０４の測定結果と近似関数を示す図である。
【図１０】本発明の実施回路例−６、Ｄ１可変容量対振動子電流を示す図である。
【図１１】本発明の実施回路例−７、Ｄ１可変容量対周波数偏差を示す図である。
【図１２】本発明の実施回路例−８、Ｃ０可変容量対周波数偏差を示す図である。
【図１３】本発明の実施回路例−９、温度補償電圧発生回路シミュレーション結果−１を示す図である。
【図１４】本発明の実施回路例−１０、温度補償電圧発生回路シミュレーション結果−２を示す図である。
【図１５】本発明の実施回路例−１１振動子の温度特性と温度補償周波数偏差及び補償のシミュレーション結果を示す図である。
【図１６】本発明の温度補償方式他の例のブロック図である。
【図１７】温度補償方式の歪み補正回路実施例を示す図である。
【図１８】発明回路（歪み補正回路付き）実施例−１２Ｄ１印加電圧対周波数偏差を示す図である。
【図１９】発明回路（歪み補正回路付き）実施例−１３Ｄ１可変容量対周波数偏差を示す図である。
【図２０】発明回路（歪み補正回路付き）実施例−１４温度補償のシミュレーション結果を示す図である。
【図２１】発明回路実施例−１５温度補償のシミュレーション結果を示す図である。
【図２２】発明温度補償方式（歪み補正回路付き）のブロック図である。
【図２３】Ａｔ−Ｃｕｔ振動子の切断角度の相違による温度特性シミュレーションを示す図である。
【図２４】従来温度補償方式のブロック図である。
【図２５】共振周波数等価ブロック図−１である。
【図２６】共振周波数等価ブロック図−２である。
【図２７】Ｆ（ｘ、ｙ、ｃ）＆Ｓｘシミュレーション図である。
【図２８】Ｆ（ｘ、ｙ、ｃ）＆Ｓｘシミュレーション拡大図である。
【図２９】Ｄ（ｘ、ｙ、ｃ）＆Ｓｘシミュレーション図である。
【図３０】Ｄ（ｘ、ｙ、ｃ）＆Ｓｘシミュレーション図である。
【図３１】ΔＦ（ｘ、ｙ、ｃ）シミュレーション図である。
【図３２】ΔＦ（ｘ、ｙ、ｃ）＆Ｆシミュレーション図である。
【符号の説明】
１１ 水晶振動子、１２ 発振回路、１３ 振動子電流制御回路、１４ 振動子電流制御用可変容量ダイオード、１５ 温度補償電圧発生回路、１６ 外部可変、１７ 外部可変用可変容量ダイオード、１８ 出力回路、１９ ＧＮＤ
Claims (5)
- 所定の周波数で励振される圧電素子を備えた圧電振動子、及び前記圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる発振用増幅器、を有する発振回路と、前記圧電振動子の電流を制御する振動子電流制御部と、前記圧電振動子の温度特性を補償する温度補償回路と、外部電圧により前記発振回路の負荷容量を可変して発振周波数を可変する可変容量ダイオードと、を備え、
前記温度補償回路は、前記圧電振動子の温度特性を補償する関数電圧を発生し、該関数電圧を前記振動子電流制御部に入力することにより、前記振動子電流を制御して前記発振回路の発振周波数を可変して前記圧電振動子の温度特性を補償し、前記外部電圧により前記可変容量ダイオードの印加電圧を可変することにより、前記発振回路の発振周波数を可変することを特徴とする温度補償型圧電発振器。 - 所定の周波数で励振される圧電素子を備えた圧電振動子、及び前記圧電素子に電流を流して前記圧電素子を励振させる発振用増幅器、を有する発振回路と、前記圧電振動子の電流を制御する振動子電流制御部と、前記圧電振動子の温度特性を補償する温度補償回路と、外部電圧により前記発振回路の負荷容量を可変して発振周波数を可変する可変容量ダイオードと、を備え、
前記温度補償回路は、前記圧電振動子の温度特性を補償する関数電圧を発生し、該関数電圧を前記可変容量ダイオードに印加して前記発振回路の負荷容量を可変することにより、前記発振回路の発振周波数を可変して前記圧電振動子の温度特性を補償し、前記外部電圧により前記振動子電流制御部に入力する電圧を可変することにより、前記発振回路の発振周波数を可変することを特徴とする温度補償型圧電発振器。 - 前記発振回路の負荷に、負荷容量を可変することにより前記発振回路の発振周波数を可変するリアクタンス素子を更に挿入することを特徴とする請求項１又は２に記載の温度補償型圧電発振器。
- 前記発振回路の負荷に、負荷容量を可変することにより前記発振回路の発振周波数を可変する可変リアクタンス素子を更に挿入し、当該発振器外部より前記可変リアクタンス素子の容量を可変することにより前記発振回路の発振周波数を制御可能とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度補償型圧電発振器。
- 負荷容量を可変することにより発生する補償歪みを補正する補正用可変容量ダイオードを更に備え、
前記補正用可変容量ダイオードは、前記温度補償回路により発生する関数電圧により前記振動子電流制御部の負荷容量を可変することにより発生する補償歪みを補正するように働くとす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。
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