(57)【要約】【課題】ＴＣＸＯなどの温度補償電圧発生装置及び温度補償調整工程の簡略化と、温度補償電圧回路で発生するノイズの低減を目的とする。【解決手段】課題を解決するために本発明は、二次関数式で表される周波数温度特性を持つ水晶振動子と、これを温度補償する二次関数発生回路を用いた温度補償型発振器により課題を解決する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次関数発生回路を用いて二次関数の周波数温度特性を持った水晶振動子を温度補償した発振器。
【請求項２】
温度検出回路からの出力信号を二次関数発生回路に入力し、温度に対応して得られた補償信号を、補償信号ゲイン増幅器で増幅した信号と、定電圧発生回路から発生する信号をゲイン増幅器で増幅した信号とを、加算回路で加算して得られる補償信号をＶＣＸＯ回路に入力して温度補償する二次関数発生回路による温度補償回路。
【請求項３】
請求項２に記載のゲイン増幅器は、予めプログラムされたコントローラにより制御することを特徴とする二次関数発生回路による温度補償回路。
【請求項４】
請求項２に記載の二次関数発生回路は、次式の二次関数近似値を持つことを特徴とする二次関数発生回路を有する温度補償回路。
ｆ（Ｔ）＝Ａ２Ｔ２＋Ａ１Ｔ＋Ａ０  ・・・（数式１）
に表すことができると仮定すると、上式（数式１）は同時に
ｆ（Ｔ）＝‘Ａ２（Ｔ−Ｔｍ）２＋‘  Ａ０  ・・・（数式２）
に変形できることから、
Ａ２＝‘Ａ２
Ａ１＝−２‘Ａ２Ｔｍ
Ａ０＝−‘Ａ２Ｔｍ２＋‘Ａ０
また、‘Ａ２＝Ａ２
Ｔｍ＝−Ａ１／２Ａ２
‘Ａ０＝Ａ０＋（Ａ２１／４Ａ２２）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周囲温度の変化にかかわらず、発振周波数を一定値に維持することができる温度補償水晶発振器（以下、「ＴＣＸＯ」等の温度補償圧電発振器）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水晶振動子の一端に増幅器を接続し、その出力を水晶振動子のもう一端側に帰還させて振動を助長させる帰還ループを構成することで出力周波数が得られ、この回路構成を集積化し例えばＣ−ＭＯＳ構造を採用したものにＣ−ＭＯＳ  ＩＣ水晶発振器がある。
【０００３】
更に発振器の水晶振動子負荷容量部に温度補償回路を付加し電圧を発生させ水晶振動子の持つ温度特性をキャンセル（補償）した発振器構成の温度補償型発振器として広く用いられている。
この温度補償回路中に三次関数発生装置を用いてＡＴカット板水晶振動子の持つ三次で近似される温度特性をキャンセルする温度補償を行ったものがある。
【０００４】
【特許文献１】
国際公開番号  ＷＯ９８／５６２１０５号公報
（名称：近似３次関数発生装置及びこれを使用した温度補償型水晶発振回路並びに温度補償方法）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の補償方法ではＡＴカット板水晶振動子の周波数温度特性に近似される
三次式ｄｆ／ｆ＝＝ａＴ３＋ｂＴ２＋ｃＴ＋ｄ
を、三次関数発生装置を含む温度補償回路によって
ＶＣ（Ｔ）＝ａ（Ｔ−Ｔｍ）３＋ｃ（Ｔ−Ｔｍ）＋ｄ
で表される補償電圧式に置き換えられている。
この方法では生産上、既に±２．０×ｌ０６（温度範囲は−３０〜＋８０℃程度として）程度の周波数温度補償精度が得られているため、本発明では近似次数を減らしながらも同程度の温度補償精度・方法を維持し、補償電圧電圧調整工程の簡略化、あるいは温度補償回路を横成している増幅器から発生するノイズによるＣ／Ｎ特性の改善、回路の簡素化を行なうものである。
【０００６】
これらを解決するためには、まず水晶振動子の周波数温度特性をより簡単に表せるものに変更する必要があった。つまリ二次関数式で表される温度特性
ｄｆ／ｆ＝ａＴ２＋ｂＴ＋ｃ
を有する水晶振動子で、例えばＢＴカット板水晶振動子あるいはＡＴカット板水晶振動子のカットアングル（切断角）を変更したものがこれにあたる。
【０００７】
これを可能にするためには温度補償回路に二次関数発生装置を用いる必要があるため、回路構成は図１のようになる。
そしてこのとき表される補償電圧近似式はＶＣ（Ｔ）＝ａ（Ｔ−Ｔｍ）２＋ｃとなる。
これらの結果から、本発明は補償精度の維持と補償電圧調整工程の簡略化、あるいは温度補償回路を簡素化することによるノイズ低減を可能にする温度補償圧電発振器を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで上記の課題を解決するために本発明は、二次曲線の温度特性を持つ水晶振動子を用いて、二次関数発生回路により温度補償を行なう。この方法により近似式の次数を低減することによる、素子の簡略化による補償回路の縮小化と発振回路内で発生するノイズの低滅を実現することができる。
【０００９】
上述する二次関数発生回路により温度補償をする一般式としては、水晶の持つ温度特性の二次曲線（図５（ａ））に対して、次式の近似式による温度補償特性の温度補償を行うものである。水晶振動子の周波数温度特性が
ｆ（Ｔ）＝Ａ２Ｔ２＋Ａ１Ｔ＋Ａ０  ・・・（数式１）
に表すことができると仮定すると、上式（数式１）は同時に
ｆ（Ｔ）＝‘Ａ２（Ｔ−Ｔｍ）２＋‘  Ａ０  ・・・（数式２）
に変形できることから、
Ａ２＝‘Ａ２
Ａ１＝−２‘Ａ２Ｔｍ
Ａ０＝−‘Ａ２Ｔｍ２＋‘Ａ０
また、‘Ａ２＝Ａ２
Ｔｍ＝−Ａ１／２Ａ２
‘Ａ０＝Ａ０＋（Ａ２１／４Ａ２２）
と各係数を表すことができる。
このことから（数式２）の各係数を補償電圧にあてはめることで温度補償が可能になると考えられる。
【００１０】
本発明は、上式の二次関数の近似式と、それを実現するために、温度検出回路からの出力を二次関数発生回路に入力し、温度に対応した補正信号が、該二次関数発生回路からの信号をゲイン増幅器で（正／負に）ゲイン増幅し、定電圧発生回路の信号をゲイン増幅器で（正／負に）ゲイン増幅し、前記二次関数発生回路からの信号をゲイン増幅した信号と加算回路にて加算したＶＣＸＯ回路を含んだ二次関数発生回路を有する温度補償回路構成を特徴とし、従来の技術に記述する課題を解決するのである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従ってこの発明の実施例を説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。図１は本発明の温度補償回路のＶＣＸＯの動作ブロック図を示す。本発明はＴＣＸＯの温度制御する回路構成の一部に、温度検出回路からの出力を二次関数発生回路に入力し、温度に対応した補正信号が、該二次関数発生回路からの信号をゲイン増幅器を介した信号と、定電圧発生回路の信号をゲイン増幅器を介した信号とを加算回路にて加算したＶＣＸＯ回路を含んだ二次関数発生回路を有する温度補償回路を構成する。このときゲイン増幅器でのゲイン制御は予めプログラムされたコントローラからの制御信号に応じて決定する。
【００１２】
また、上記のＶＣＸＯの温度補償については、水晶の持つ温度特性が二次関数（例えばＢＴカット板の水晶振動板）の場合で温度補償を平坦化するための回路として、周囲温度変化に対する温度補償を行うものである。従って、二次関数の近似値を以下の数式で暫定的に決定し、その二次関数の近似値を持つ温度特性をキャンセルする方向で温度制御するＴＣＸＯである。
【００１３】
上記図１のブロック図で、温度検出回路における温度検出回路出力と温度変化との関係は図３に示すような温度変化に対して直線的に電圧が変化していることを前提とする。また、二次関数発生回路出力電圧と温度検出回路出力との関係特性グラフは図４に示すような二次関数的な特性を持っている。このことから、二次で表される温度特性を持つ水晶振動板の温度変化を平坦化する補償電圧を発生させることができる。
【００１４】
前述する二次関数発生回路により温度補償をする一般式としては、水晶の持つ温度特性の二次曲線に対して、次式の近似式による温度補償特性の温度補償を行うものである。（図５（ｂ）参照）
ｆ（Ｔ）＝Ａ２Ｔ２＋Ａ１Ｔ＋Ａ０  ・・・（数式１）
に表すことができると仮定すると、上式（数式１）は同時に
ｆ（Ｔ）＝‘Ａ２（Ｔ−Ｔｍ）２＋‘  Ａ０  ・・・（数式２）
に変形できることから、
Ａ２＝‘Ａ２
Ａ１＝−２‘Ａ２Ｔｍ
Ａ０＝−‘Ａ２Ｔｍ２＋‘Ａ０
また、‘Ａ２＝Ａ２
Ｔｍ＝−Ａ１／２Ａ２
‘Ａ０＝Ａ０＋（Ａ２１／４Ａ２２）
と各係数を表すことができる。
このことから（数式２）の各係数を補償電圧にあてはめることで温度補償が可能になる。
【００１５】
上述図１のブロック図中二次関数発生回路を具体的な回路例に置き換えたのが、図２である。動作としては、温度検出回路は温度変化に対して１次の出力電圧（Ｖ１ｇ）を入力したものと定電圧発生回路からの電圧との差により差動増幅器を動作させ、二次関数的な出力を得るものである。
【００１６】
二次関数発生回路はカレントミラーを有した主に２つの差動増幅器（Ｄａ１、Ｄａ２とする）で構成され、１次に変化する電圧はＤａ１のＰＭＯＳ、Ｄａ２のＮＭＯＳに、Ｄａ１のＮＯＭＳ、Ｄａ２のＰＭＯＳには定電圧回路からの電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２をそれぞれ入力するものとする。最初Ｄａ１はＶ１ｇにたいして十分に高いため、ＮＭＯＳの出力最大、ＰＭＯＳの出力最小となっているがＶ１ｇ電圧の増加により、それぞれの出力は反転する。更にＶ１ｇが増加すると、Ｄａ１は飽和状態になってしまうが、Ｖｒ１＜Ｖｒ２であるためＤａ２がＮＭＯＳ最小、ＰＭＯＳ最大で動作し始める。
【００１７】
これらＮＭＯＳ、ＰＭＯＳの出力は二次的に動作する．また二次成分はゲイン増幅器で調整する。これが二次成分に相当する。そしてその一方で、定電圧回路からはオフセット電圧を供給し、同様にゲイン増幅器に入力する。実質的には定数に相当する。そして結果的には、二次関数で近似される温度補償電圧を生成することができる。また、この出力はプログラマブルゲイン増幅器により出力調整が可能である。
ｆ（Ｖｃ）＝’Ａ２（Ｔ−Ｔｍ）２＋’Ａ０
【００１８】
本発明では二次関数（曲線）を持つ圧電振動子として、水晶振動子を例に挙げているが、水晶振動子に限らずセラミック振動子などでも同様の効果を得ることができる。また、三次関数の温度特性曲線を持つ例えばＡＴカット板水晶振動子の温度補償を行う場合には、使用温度範囲にカットアングルをずらした図５（ｃ）
の温度特性を有する水晶振動子についても温度補償が可能である。また、本明細書の記載で「ゲイン増幅器で増幅し」としているが、増幅には正／負の増幅、いわゆる「調整」の意味を持つものである。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明の二次関数発生回路により、従来の三次曲線の温度特性を持つ水晶振動子を使用した場合と比較して、回路構成上三次関数近似が二次関数近似で温度補償できることで、回路上差動増幅器を減らすことが可能で、また同時に１次関数成分ゲイン増幅器も減らせるため回路内で発生するノイズの低減、補償回路の簡素化が可能となる。また、従来の温度補償電圧調整方法において、三次式で表される水晶温度特性の近似式を抽出するのに必要な温度測定ポイントは最低４点（例えば−３０、−１０、６０、８０℃）あるが、二次関数式を使用した場合、これが最低２点（例えば−３０、８０℃）に減らすことが可能であるため温度調整工程上の簡略化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＶＣＸＯ制御部の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明のＶＣＸＯ制御の回路例を示す回路図である。
【図３】本発明のＶＣＸＯ制御の温度検出回路における温度検出回路出力と温度変化との関係は示すグラフである。
【図４】本発明の二次関数発生回路出力と温度検出回路出力との関係を示すグラフである。
【図５】ＡＴカット板水晶振動子の温度特性を示す特性図である。
【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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