(57)【要約】【課題】制御電圧入力端に印加される制御電圧に応じて、精度高く出力周波数を制御することができる発振器を提供すること。【解決手段】直流電圧である周波数調整用の制御電圧がその間に供給される制御電圧入力端及びグランド端と、前記入力端及びグランド端の間に接続され、前記制御電圧に基づいて出力周波数が調整される発振回路と、前記発振回路と前記グランド端とを接続するグランド用線路と、前記入力端と前記発振回路との間に設けられた演算増幅器を含み、前記グランド用線路の電圧降下による制御電圧の変動を抑えるための電圧安定化回路と、を備え、前記電圧安定化回路は、前記入力端と前記グランド用線路における発振回路の近傍である第１の位置との間の電圧に、前記第１の位置と前記グランド用線路におけるグランド端の近傍である第２の位置との間の電圧を加算するように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧である周波数調整用の制御電圧がその間に供給される制御電圧入力端及びグランド端と、
前記入力端及びグランド端の間に接続され、前記制御電圧に基づいて出力周波数が調整される発振回路と、
前記発振回路と前記グランド端とを接続するグランド用線路と、
前記入力端と前記発振回路との間に設けられた演算増幅器を含み、前記グランド用線路の電圧降下による制御電圧の変動を抑えるための電圧安定化回路と、を備え、
前記電圧安定化回路は、前記入力端と前記グランド用線路における発振回路の近傍である第１の位置との間の電圧に、前記第１の位置と前記グランド用線路におけるグランド端の近傍である第２の位置との間の電圧を加算するように、前記入力端と前記第１の位置と前記第２の位置とが前記演算増幅器に接続されて構成されたことを特徴とする発振器。
【請求項２】
前記発振回路の発振部である圧電振動子の温度を一定化するためのヒーター回路を備え、
前記ヒーター回路は前記グランド用線路を介して前記グランド端に接続されていることを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項３】
前記電圧安定化回路は、前記制御電圧入力端が負側の入力端に接続されると共に前記第１の位置が正側の入力端に接続された第１の演算増幅器を含む反転回路と、この反転回路の出力端と前記第２の位置とが負側の入力端に接続されると共に前記第１の位置が正側の入力端に接続された第２の演算増幅器を含む加算回路と、を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
直流電圧である周波数調整用の制御電圧が供給される発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振器は、外部からアナログの直流制御電圧が印加される制御端子を備え、当該制御電圧によって発振出力周波数が制御されるＥＦＣ（Electronic Frequency Control:周波数制御）機能を備える発振回路を有するように構成されることが知られている。
【０００３】
図３には、恒温槽付き水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）１０のブロック図を示している。図中３は前記ＥＦＣが行われるように構成された発振回路である。この発振回路３には、発振部を構成する圧電振動子として、水晶振動子が含まれる。図中１２はヒーター回路である。発振回路３及びヒーター回路１２は、基板上に設けられる。前記水晶振動子の周囲温度が変化すると、ヒーター回路１２に供給される電流が変化し、前記水晶振動子の周囲温度が一定化されるように制御される。図中１３は前記制御端子（制御電圧入力端）である。
【０００４】
ＯＣＸＯ１０の製造コストを下げる目的及びＯＣＸＯ１０の大型化を防ぐ目的から、ＯＣＸＯ１０を外部装置に接続するために設けられる端子の数は限られる。図中１５は当該端子のうちの一つであり、ＯＣＸＯ１０の外部のグランド１６に接続される接地端子（グランド端）である。図中１７は、グランド用線路であり、１８はＯＣＸＯ１０の内部グランドである。これらグランド用線路１７及び内部グランド１８は、前記基板に設けられるパターンにより構成される。上記の理由から、ヒーター回路１２及び発振回路３に対して接地端子１５は共通に設けられている。つまり、発振回路３と接地端子１５とが、グランド用線路１７により互いに接続され、ヒーター回路１２も前記グランド用線路１７を介して、前記接地端子１５に接続されている。
【０００５】
ところで近年、発振器としては±数ｐｐｍオーダーで発振周波数を可変できるように要求されることがある。また、発振器を上記のようなＯＣＸＯ１０として構成した場合、周波数温度特性として数ｐｐｂ以下の誤差で周波数を出力できる性能を有することが求められる場合がある。しかし、前記グランド用線路１７の直流抵抗分により、内部グランド１８の電圧レベルには微小な変動が生じる。それによって見かけ上の発振回路３へ入力される制御電圧Ｖｃが変動してしまう。つまり、グランド用線路１７の電圧降下によって、発振回路３へ供給される制御電圧が変動し、結果として発振器の周波数温度特性の劣化が生じてしまう。
【０００６】
この電圧降下について、さらに詳しく説明する。前記グランド用線路１７の直流抵抗分Ｒｇに、発振回路３及びヒーター回路１２からグランドリターン電流Ｉｇが流れることで、内部グランド１８の電圧レベルがＩｇ×Ｒｇ＝Ｖｇ分上がったことになるので、発振回路３に入力される制御電圧Ｖｃが見かけ上、Ｖｇ分低下してしまう。
【０００７】
前記電流Ｉｇはヒーター回路１２へ供給される電流により変化する。水晶振動子の周囲温度が低いときには、ヒーター回路１２に供給される電流が大きくなり、前記電流Ｉｇも大きくなる。そうなると、前記Ｖｇも大きくなる。即ち、水晶振動子の周囲温度により、発振回路３に入力される前記制御電圧Ｖｃが変動する。そのために発振器の発振周波数が、所望の発振周波数からずれてしまう。
【０００８】
さらに具体的な一例を説明すると、前記制御電圧Ｖｃの可変範囲が０〜３．３Ｖ（中心が１．６５Ｖ）であり、ＯＣＸＯ１０の出力周波数の変化が±５ｐｐｍである場合、前記制御電圧Ｖｃが３３０μＶ変化すると、出力周波数が１ｐｐｂ変化する。このＯＣＸＯ１０において、仮に前記直流抵抗分Ｒｇが１０ｍΩで、前記電流Ｉｇが、ヒーター回路１２の動作により１５０ｍＡから５００ｍＡまで変化する場合、前記Ｖｇは１．５ｍＶから５ｍＶまで変化する。このようにＶｇが５ｍＶ−１．５ｍＶ＝３.５ｍＶ変化することによって、前記制御端子１３に印加される制御電圧Ｖｃが一定であっても、出力周波数が約１０．６ｐｐｂ変動してしまう。
【０００９】
このような事情から、上記したように数ｐｐｂ以下の誤差で、周波数を出力できる周波数温度特性を持つＯＣＸＯを構成することが難しかった。また、ヒーター回路１２を設けないように発振器を構成する場合も、前記直流抵抗Ｒｇによって発振回路３に正確に所望の電圧を供給できないので、当該発振器の発振周波数が所望の値からずれてしまうという問題がある。特許文献１、２には、このような問題を解決できる手法については記載されていない。また、特許文献３では、温度センサからの温度情報に基づいたデジタル的な温度補償値を、Ａ／Ｄコンバータによってデジタル変換した周波数制御入力にデジタル的に加算して制御する構成の発振器が記載されているが、構成が複雑になるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平７-２６３９５７号公報
【特許文献２】特開２０１２−１５６９４６号公報
【特許文献３】ＵＳ２００６／０１１９４３７  Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、制御電圧入力端に印加される制御電圧に応じて、精度高く出力周波数を制御することができる発振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発振器は、直流電圧である周波数調整用の制御電圧がその間に供給される制御電圧入力端及びグランド端と、
前記入力端及びグランド端の間に接続され、前記制御電圧に基づいて出力周波数が調整される発振部と、
前記発振部と前記グランド端とを接続するグランド用線路と、
前記入力端と前記発振部との間に設けられた演算増幅器を含み、前記グランド用線路の電圧降下による制御電圧の変動を抑えるための電圧安定化回路と、を備え、
前記電圧安定化回路は、前記入力端と前記グランド用線路における発振部の近傍である第１の位置との間の電圧に、前記第１の位置と前記グランド用線路におけるグランド端の近傍である第２の位置との間の電圧を加算するように、前記入力端と前記第１の位置と前記第２の位置とが前記演算増幅器に接続されて構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の発振器においては、制御電圧入力端と発振回路との間に、グランド用線路の電圧降下による制御電圧の変動を抑えるための電圧安定化回路が設けられている。それによって、発振器の出力周波数を精度高く制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の水晶発振器の実施形態であるＯＣＸＯのブロック図である。
【図２】前記ＯＣＸＯの周波数信号出力回路の概略図である。
【図３】従来のＯＣＸＯのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１を参照しながら、本発明の実施の形態に係るＯＣＸＯ２０について説明する。このＯＣＸＯ２０の各部において、背景技術の項目で説明したＯＣＸＯ１０の各部と同様に構成された部分に関しては、ＯＣＸＯ１０の各部に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。図中２１はＯＣＸＯ２０の電源端子であり、電源電圧Ｖｃｃが印加される。
【００１６】
図２に発振回路３の詳細な構成の一例を示す。発振回路３には、第１の水晶振動子３１、第２の水晶振動子３２と、これらの水晶振動子を発振させる第１の発振回路３１Ａ、第２の発振回路３２Ａとが含まれる。第１の発振回路３１Ａ及び第２の発振回路３２Ａの後段側には、周波数差検出部３３、補正値演算部３４、加算部３５、ＰＬＬ回路部３６、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３７及び水晶電圧制御発振器（ＶＣＸＯ）３８が接続されている。また、発振回路３はアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３９を備えており、当該ＡＤＣ３９に発振回路３の外部から制御電圧Ｖｃが供給される。
【００１７】
前記ＰＬＬ回路部３６は、第１の発振回路３１Ａからの発振出力をクロック信号とし、デジタル値である周波数設定信号に基づいて生成されるパルス信号とＶＣＸＯ３８からの帰還パルスとの位相差に相当する信号をアナログ化し、そのアナログ信号を積分してローパスフィルタ３７に出力する。ＶＣＸＯ３８の出力がＯＣＸＯ２０の発振出力である。
【００１８】
第１の発振回路３１Ａからの発振出力ｆ１と第２の発振回路３２Ａからの発振出力ｆ２との周波数差ΔＦに対応する値は、水晶振動子３１、３２が置かれている雰囲気の温度に対応し、温度検出値ということができる。なお、説明の便宜上ｆ１、ｆ２は、夫々第１の発振回路３１Ａ及び第２の発振回路３２Ａの発振周波数をも表しているものとする。周波数差検出部３３は、この例では、{（ｆ２−ｆ１）／ｆ１}−{（ｆ２ｒ−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ}の値を取り出しており、この値が温度に対して比例関係にある温度検出値に相当する。ｆ１ｒ及びｆ２ｒは、夫々基準温度例えば２５℃における第１の発振回路３１Ａの発振周波数及び第２の発振回路３２Ａの発振周波数である。
【００１９】
補正値演算部３４は、前記温度検出値と、予め作成した周波数補正値との関係と、に基づいて周波数補正値を算出する。前記周波数補正値は、第１の水晶振動子３１の温度が目標温度から変動した時に、その変動分、つまり前記クロック信号の温度変動分を補償するための値である。加算部３５には、周波数補正値と前記ＡＤＣ３９によりアナログ値からデジタル値に変換された制御電圧Ｖｃとが入力され、互いに加算されて、周波数設定信号が設定される。そして、この周波数設定信号が加算部３５からＰＬＬ回路部３６へ入力される。制御電圧Ｖｃを変更することで、加算部３５からＰＬＬ回路部３６に出力される周波数設定信号が変化する。それによってＯＣＸＯ２０の発振出力周波数が変化する。
【００２０】
より詳しくは、ＰＬＬ回路部３６は、ＤＤＳ（Direct  Digital  Synthesizer）回路部、分周器及び位相比較部を備える。前記ＤＤＳ回路部から出力される鋸波に基づいて参照クロックが形成され、ＶＣＸＯ３８の出力を分周した出力信号と前記参照用クロックとの位相を位相比較部にて比較し、比較結果がＬＰＦ３７に出力される。ＬＰＦ３７からの出力によりＶＣＸＯ３８の出力が制御される。前記ＤＤＳ回路部は、第１の発振回路３１Ａから出力される周波数信号を基準クロックとして用い、目的とする周波数の鋸波を出力するための制御電圧が入力されている。しかし前記基準クロックの周波数が温度特性をもっているため、この温度特性をキャンセルするために、前記ＤＤＳ回路部に入力される前記制御電圧は、前記加算部３５からの周波数補正値に対応する信号に加算されている。このようにＯＣＸＯ２０はＴＣＸＯとしても構成されており、ヒーター回路１２の作用と、この補正値演算部３４による周波数補正とによる二重の温度対応が行われた、高い精度で出力を安定させることができる装置として構成されている。
【００２１】
前記温度検出値と周波数補正値との関係は図示しないメモリに格納されている。例えば（ｆ２−ｆ２ｒ）／ｆ２ｒ＝ＯＳＣ２、（ｆ１−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ＝ＯＳＣ１とすると、水晶振動子の生産時に（ＯＳＣ２−ＯＳＣ１）と温度との関係を実測により取得し、この実測データから、温度に対する周波数変動分を相殺する補正周波数曲線を導き出し、最小二乗法により９次の多項近似式係数を導き出している。そして多項近似式係数を予め前記メモリに記憶しておき、補正値演算部３４は、これら多項近似式係数を用いて、補正値の演算処理を行っている。
【００２２】
さらに、周波数差検出部３３から前記温度検出値がヒーター制御回路１９に出力され、この温度検出値に基づいてヒーター制御回路１９は、水晶振動子３１，３２及びヒーター回路１２が置かれる恒温槽内の雰囲気が設定温度に保たれるように、前記ヒーター回路１２に電力を供給し、この供給された電力に応じてヒーター回路１２が発熱する。ヒーター回路１２に供給される電力が大きいほど、ヒーター回路１２の発熱量が大きく、ヒーター回路１２から既述のグランド用線路１７に流れる電流が大きくなる。
【００２３】
図１に戻って説明を続ける。制御端子１３と発振回路３との間には、電圧安定化回路４が設けられている。電圧安定化回路４は、既述したグランド用線路１７の電圧降下に起因する発振回路３へ入力される制御電圧Ｖｃの変動を抑制する。この電圧安定化回路４は、前段側（制御端子１３側）に設けられる反転回路４１と、後段側（発振回路３側）に設けられる加算回路４２と、により構成される。電圧安定化回路４には、グランド用線路１７から分岐した線路５１、５２が接続される。線路５１はグランド用線路１７における接地端子１５の近傍の点Ｐと、加算回路４２とを接続する。線路５２については、その一端が前記グランド用線路１７において発振回路３の近傍の点Ｑに接続され、その他端は分岐して反転回路４１と加算回路４２とに夫々接続される。つまり、接地端子１５から見ると、点Ｐの方が点Ｑより近い位置に設定されている。前記ヒーター回路１２は、これら点ＰＱ間に接続される。
【００２４】
反転回路４１は、抵抗Ｒａ１、抵抗Ｒａ２及び第１のオペアンプ（演算増幅器）ＯＰ１により構成されている。抵抗Ｒａ１は、制御端子１３とオペアンプＯＰ１の−側の入力端との間に設けられる。抵抗Ｒａ２は、オペアンプＯＰ１の出力端と抵抗Ｒａ１と前記−側の入力端との間とを接続する帰還路に設けられる帰還抵抗である。オペアンプＯＰ１の＋側の入力端には前記線路５２が接続される。前記反転回路４１の抵抗Ｒａ１、Ｒａ２は互いに同じ抵抗値を有する。それによって、反転回路４１の出力端から出力される電圧は−（Ｖｃ−Ｖｇ）となる。
【００２５】
加算回路４２は、抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ２、Ｒｂ３及び第２のオペアンプＯＰ２により構成されている。オペアンプＯＰ２の＋側の入力端には、前記線路５２が接続されている。また、前記線路５１がオペアンプＯＰ２の−側の入力端に接続されており、線路５１には抵抗Ｒｂが設けられている。また、このオペアンプＯＰ２の−側の入力端には、前記反転回路４１のオペアンプＯＰ１の出力端が抵抗Ｒｂを介して接続されている。そして、オペアンプＯＰ２の出力端と、オペアンプＯＰ２の−側の入力端とを接続する帰還路に抵抗Ｒｂ３が設けられる。抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ２、Ｒｂ３は、前記−側の入力端に互いに並列に設けられる。また、オペアンプＯＰ２の出力端は、既述の発振回路３のＡＤＣ３９に接続される。
【００２６】
上記の線路５１より、抵抗Ｒｂ１には見かけ上、前記グランド用線路１７の直流抵抗分Ｒｇによる内部グランド１８のレベルの変動分Ｖｇを差し引いた電圧（−Ｖｇ）が入力される。抵抗Ｒｂ２には、前記反転回路４１の出力電圧である−（Ｖｃ−Ｖｇ）が入力される。加算回路４２は、これら２つの入力電圧を加算し、極性反転して出力する。抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ２、Ｒｂ３は、互いに同じ抵抗値を有しており、それによって加算回路４２からは−{−（Ｖｃ−Ｖｇ）}＋Ｖｇ}＝Ｖｃが出力される。即ち前記電圧（−Ｖｇ）が相殺され、Ｖｃだけが残って発振回路３に出力される。
【００２７】
このように、制御端子１３と第１の位置である点Ｑとの間の電圧に、点Ｑと第２の位置である点Ｐとの間の電圧が加算されるように、制御端子１３、点Ｐ及び点Ｑが電圧安定化回路４の各オペアンプＯＰ１、ＯＰ２に接続される。即ち、電圧安定化回路４は、グランド用線路１７の点ＰＱ間における電圧降下による制御電圧Ｖｃの変動の影響を防ぐ役割を有する。
【００２８】
水晶振動子３１、３２の周囲温度が比較的低いと、当該周囲温度を設定温度まで上昇させるために、ヒーター回路１２からグランド用線路１７を流れる電流（グランドリターン電流）が大きくなり、グランド用線路１７の抵抗成分による当該グランド用線路１７の電圧Ｖｇが大きくなる。しかし上記のように電圧安定化回路４により、この電圧Ｖｇの増加に関わらず発振回路３には制御電圧Ｖｃが印加されるため、ＯＣＸＯ２０の発振出力周波数の変動が抑えられ、制御端子１３に印加される制御電圧Ｖｃに応じた発振周波数が、図示しない出力端子から出力される。
【００２９】
水晶振動子３１、３２の周囲温度が比較的高い場合、当該周囲温度を設定温度まで低下させるために、ヒーター回路１２からグランド用線路１７を流れる電流が小さくなり、グランド用線路１７の抵抗成分による当該グランド用線路１７の電圧Ｖｇが小さくなる。この場合も上記のように電圧安定化回路４により、この電圧Ｖｇの増加に関わらず発振回路３には制御電圧Ｖｃが印加されるため、ＯＣＸＯ２０の発振出力周波数の変動が抑えられる。
【００３０】
このように、ＯＣＸＯ２０においては、発振回路３に供給される制御電圧Ｖｃの変動が抑えられることで、その周波数温度特性が低下することが抑えられる。ＯＣＸＯ２０として本発明の発振器の一例を説明したが、本発明の発振器はＯＣＸＯ２０において恒温槽及びヒーター回路１２が設けられない構成、即ちＴＣＸＯとして構成されてもよい。その場合も、グランド用線路１７における電圧降下の影響による発振回路３に入力される制御電圧Ｖｃの変動を抑えることができる。従って、精度高く発振器の発振周波数を制御することができる。
【００３１】
発振回路としては上記の発振回路３の構成に限られず、発振部である水晶振動子と、可変容量素子であるバリキャップダイオードと、を含む構成としてもよい。制御電圧Ｖｃが変化することで、前記バリキャップダイオードの容量値が変化する。それによって、当該発振回路の共振点が変化し、発振回路からの出力周波数が変化する構成の発振回路を用いることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１３              制御端子
１５              接地端子
１７              グランド用線路
３１、３２        水晶振動子
３                発振回路
４                電圧安定化回路
４１              反転回路
４２              加算回路
【図１】
2015056728.tif 000003
【図２】
2015056728.tif 000004
【図３】
2015056728.tif 000005