(57)【要約】  【課題】  関数発生回路の出力電圧について、広い温度範囲の全てに渡って低ノイズ性を確保する。  【解決手段】  低温域、常温域、高温域の各温度領域に対応させて、低温用温度センサ１１１、常温用温度センサ１１２、高温用温度センサ１１３を独立して設ける。各温度センサ１１１〜１１３は、例えば、低ノイズ特性を持つカレントミラーを用いた電流減算方式の電流生成回路で構成し、それぞれの温度領域において、温度センサのノイズを効果的に抑制できるように、各温度センサ１１１〜１１３の抵抗の温度係数及び抵抗値等の温度特性を最適な設計とする。各温度センサ１１１〜１１３の各出力電流Ｂ１０１〜Ｂ１０３は、Ｉ／Ｖ変換器１３０で電圧ｙ１、ｙ３、ｙ５に変換され、これらが結合回路１４０で結合されて、折れ線近似された３次関数的に変化する電圧ＶＳが生成される。この電圧ＶＳにおいて、広い温度範囲に渡って低ノイズレベルの電圧が生成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度に対して３次関数的に変化する電圧を生成する関数発生回路であって、
所定の温度範囲を区分した複数の温度領域のうち、少なくとも２つの温度領域に対応してそれぞれ設けられ、各温度領域毎に温度に対して略線形の変化を示す電流を出力する複数の温度センサと、
前記複数の温度センサのそれぞれの出力電流を電圧に変換する電流−電圧変換器と、
前記電流−電圧変換器から出力される電圧を結合し、温度に対して３次関数的に変化する電圧を生成し出力する結合回路と、
を備える関数発生回路。
【請求項２】
請求項１に記載の関数発生回路であって、
前記複数の温度センサの各々は、
温度に対して一定の定電圧を第１の電流及び第２の電流にそれぞれ変換する温度係数の異なる第１及び第２の電圧−電流変換回路と、前記第１の電流を反転して第３の電流を生成するカレントミラー回路と、前記第２の電流と第３の電流との差を示す第４の電流を生成する減算回路とを備えて構成される関数発生回路。
【請求項３】
請求項２に記載の関数発生回路であって、
前記第１及び第２の電圧−電流変換回路は、それぞれ温度係数の異なる第１及び第２の抵抗素子を備え、これらの抵抗素子の温度係数を含む温度特性は、各温度センサが対応する温度領域に合わせて設定されたものである関数発生回路。
【請求項４】
温度に対して３次関数的に変化する電圧を生成する関数発生回路であって、
所定の温度範囲を３つに区分した温度領域のうち、低温度領域の温度変化を示す電流を出力する低温域温度センサと、
前記３つに区分した温度領域のうち、常温度領域の温度変化を示す電流を出力する常温域温度センサと、
前記３つに区分した温度領域のうち、高温度領域の温度変化を示す電流を出力する高温域温度センサと、
前記３つの温度センサのそれぞれの出力電流を電圧に変換する電流−電圧変換器と、
前記電流−電圧変換器から出力される電圧を結合し、温度に対して３次関数的に変化する電圧を生成し出力する結合回路と、
を備える関数発生回路。
【請求項５】
請求項４に記載の関数発生回路であって、
低温度で前記低温域温度センサを動作させる第１のスイッチ手段と、
常温度で前記常温域温度センサを動作させる第２のスイッチ手段と、
高温度で前記高温域温度センサを動作させる第３のスイッチ手段と、
を備える関数発生回路。
【請求項６】
電圧制御型水晶発振器と、
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の関数発生回路と、
前記関数発生回路の出力に基づいて前記電圧制御型水晶発振器の制御電圧を生成する制御電圧発生回路と、
を備える温度補償型水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度補償型水晶発振器において水晶発振周波数の温度変動を補正する回路等に用いられる所定の関数の電圧を発生する関数発生回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信機器等の電子機器においては、周波数あるいは時間の基準信号を発生する水晶発振器を備えている。特に、携帯電話機等の通信機器では、小型かつ高精度の水晶発振器が必須であり、温度変化に対しても安定した発振周波数が得られる発振器が望まれ、周囲温度の変化に対して発振周波数が変化しないＴＣＸＯ（Temperature Compensated Crystal Oscillator、温度補償型水晶発振器）が多用されている。
【０００３】
水晶発振器の発振周波数は、水晶発振子に起因する３次関数成分を持つ温度特性を有しており、この温度特性を補償することで、高精度な水晶発振器が実現される。温度補償型水晶発振器の温度補償方法の１つとして、ＶＣＸＯ（Voltage Compensated Crystal Oscillator、電圧制御型水晶発振器）に周波数調整素子として可変容量ダイオード（バラクタダイオード）を接続し、水晶発振子の温度特性と逆の特性を持つ温度補償用の関数を用意して、この関数に基づき周囲温度に応じて算出される制御電圧を可変容量ダイオードに印加することによって、温度変化による周波数の変動が規定値以下となるように補償する方法がある。
【０００４】
水晶発振子の温度特性とは逆の特性を持つ制御電圧を発生させるための回路の一つとして、温度補償の対象となる温度範囲を複数の領域に区分し、それらの温度領域毎に、温度に対して一次関数的（線形）に変化する電圧を生成し、それらを滑らかに結合して制御電圧を発生させる、いわゆる折れ線近似方式の関数発生回路がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
温度補償型水晶発振器の温度補償の対象となる温度範囲は、例えば、−３０℃〜＋８５℃と極めて広範囲であり、このような広い温度範囲に渡って、水晶発振器の発振周波数を高精度に制御する必要がある。このためには、関数発生回路により発生する制御電圧の低ノイズ性を広い温度範囲に渡って確保する必要がある。
【０００６】
従来の折れ線近似方式の関数発生回路の設計では、制御電圧をいかに所望の関数に近似させるかに主眼があり、制御電圧の全温度範囲に渡る低ノイズ性を確保する、という観点からの検討があまりなされていなかった。したがって、特に高温域や低温域において、制御電圧のノイズレベルが上昇する場合があり、要求される温度補償の精度を広い温度範囲に渡って確保できないことがあった。
【０００７】
【特許文献１】国際公開第９９／０３１９５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、広い温度範囲の全てに渡って低ノイズ性を確保することが可能な関数発生回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の関数発生回路は、温度に対して３次関数的に変化する電圧を生成する関数発生回路であって、所定の温度範囲を区分した複数の温度領域のうち、少なくとも２つの温度領域に対応してそれぞれ設けられ、各温度領域毎に温度に対して略線形の変化を示す電流を出力する複数の温度センサと、前記複数の温度センサのそれぞれの出力電流を電圧に変換する電流−電圧変換器と、前記電流−電圧変換器から出力される電圧を結合し、温度に対して３次関数的に変化する電圧を生成し出力する結合回路と、を備えるものである。
【００１０】
上記構成により、複数の温度領域に対応して独立した温度センサを設けることによって、各温度領域毎に、温度センサのノイズを最も効果的に抑制できるように、最適な設計をすることが可能である。このため、関数発生回路の出力電圧に関し、広い温度範囲の全てに渡って低ノイズ性を確保することができる。
【００１１】
また、本発明の一態様として、上記の関数発生回路であって、前記複数の温度センサの各々は、温度に対して一定の定電圧を第１の電流及び第２の電流にそれぞれ変換する温度係数の異なる第１及び第２の電圧−電流変換回路と、前記第１の電流を反転して第３の電流を生成するカレントミラー回路と、前記第２の電流と第３の電流との差を示す第４の電流を生成する減算回路とを備えて構成されるものも含まれる。
【００１２】
上記構成により、温度に対して一定の定電圧が温度係数の異なる第１及び第２の電圧−電流変換回路により第１の電流及び第２の電流にそれぞれ変換され、第１の電流をカレントミラー回路により反転することによって第１の電流に重畳しているノイズ成分の位相が反転して現れる第３の電流が生成され、減算回路により第２の電流と第３の電流との差をとることによって、周囲温度の変化に追従して変化するノイズ成分が抑制された第４の電流が生成される。この場合、第２の電流と第３の電流との差をとる際に、各電流に重畳するノイズ成分は自動的に相殺され、出力電流におけるノイズ成分は十分に抑圧される。複数の温度センサについて、例えば出力電流のノイズ特性がそれぞれの温度領域において同等な特性となるよう最適に設計することで、関数発生回路の出力電圧において広い温度範囲に渡ってほぼフラットで低いノイズ特性を確保できる。また、カレントミラーを利用した電流減算方式の回路であるため、構成が簡単であり、かつ、無駄な電流消費が発生しないため、回路の低消費電力化を図ることが可能となる。
【００１３】
また、本発明の一態様として、上記の関数発生回路であって、前記第１及び第２の電圧−電流変換回路は、それぞれ温度係数の異なる第１及び第２の抵抗素子を備え、これらの抵抗素子の温度係数を含む温度特性は、各温度センサが対応する温度領域に合わせて設定されたものであるものも含まれる。
【００１４】
上記構成により、複数の温度センサのそれぞれにおいて、対応する温度領域に合わせて抵抗素子の温度特性を設定することで、各温度領域毎に効果的にノイズ成分を低減でき、関数発生回路の出力電圧において広い温度範囲の全てに渡って低ノイズ性を確保することが可能となる。
【００１５】
また、本発明の関数発生回路は、温度に対して３次関数的に変化する電圧を生成する関数発生回路であって、所定の温度範囲を３つに区分した温度領域のうち、低温度領域の温度変化を示す電流を出力する低温域温度センサと、前記３つに区分した温度領域のうち、常温度領域の温度変化を示す電流を出力する常温域温度センサと、前記３つに区分した温度領域のうち、高温度領域の温度変化を示す電流を出力する高温域温度センサと、前記３つの温度センサのそれぞれの出力電流を電圧に変換する電流−電圧変換器と、前記電流−電圧変換器から出力される電圧を結合し、温度に対して３次関数的に変化する電圧を生成し出力する結合回路と、を備えるものである。
【００１６】
上記構成により、低温域、常温域、高温域の３つの温度領域に対応して温度センサを独立して設けることによって、低温域及び高温域においても温度センサにおけるノイズ成分を効果的に抑制可能となる。このため、関数発生回路の出力電圧に関し、広い温度範囲の全てに渡って低ノイズ性を確保することができる。
【００１７】
また、本発明の一態様として、上記の関数発生回路であって、低温度で前記低温域温度センサを動作させる第１のスイッチ手段と、常温度で前記常温域温度センサを動作させる第２のスイッチ手段と、高温度で前記高温域温度センサを動作させる第３のスイッチ手段と、を備えるものも含まれる。
【００１８】
上記構成により、低温度においては低温域温度センサを、常温度においては常温域温度センサを、高温度においては高温域温度センサをそれぞれ動作させることにより、さらなる低消費電流化を図ることができる。
【００１９】
また、本発明の温度補償型水晶発振器は、電圧制御型水晶発振器と、上記いずれかの関数発生回路と、前記関数発生回路の出力に基づいて前記電圧制御型水晶発振器の制御電圧を生成する制御電圧発生回路と、を備えるものである。
【００２０】
上記構成により、広い温度範囲に渡って低ノイズ性が確保された関数発生回路の出力電圧を用いて、電圧制御型水晶発振器を制御することによって、発振周波数を広い温度範囲に渡って安定化させることができ、高性能な温度補償型水晶発振器を実現できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、広い温度範囲の全てに渡って低ノイズ性を確保することが可能な関数発生回路を提供できる効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本実施形態では、関数発生回路の一例として、温度補償型水晶発振器に用いる折れ線近似方式の３次関数発生回路の構成例を示す。
【００２３】
図１は本発明の実施形態に係る関数発生回路及び温度補償型水晶発振器の構成を示すブロック図である。温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）は、折れ線近似方式の３次関数発生回路１００と、１次関数発生回路１５０と、制御電圧発生回路１６０と、電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７０とを備えて構成される。電圧制御型水晶発振器１７０は、水晶振動子１８０が接続された発振回路１７２と、水晶振動子１８０の発振周波数を調整するための周波数可変容量ダイオード１７４とを有して構成される。
【００２４】
３次関数発生回路１００は、温度特性を持たない定電流を生成する基準電流源１１０と、低温用温度センサ１１１と、常温用温度センサ１１２と、高温用温度センサ１１３と、各温度センサ１１１〜１１３から出力される電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換器１３０と、Ｉ／Ｖ変換器１３０から出力される電圧を滑らかに結合して温度に対して３次関数的に変化する電圧ＶＳを生成する結合回路１４０とを有して構成される。
【００２５】
基準電流源１１０は、例えば、低ノイズのバンドギャップ回路にて温度に対して一定の電圧を生成し、この電圧を温度特性がキャンセルされた合成抵抗で電流に変換して定電流を生成するもの等により構成される。低温用温度センサ１１１、常温用温度センサ１１２、高温用温度センサ１１３は、それぞれ基準電流源１１０から出力される定電流Ａ１０１、Ａ１０２、Ａ１０３に基づき、温度に対して線形に変化する電流Ｂ１０１、Ｂ１０２、Ｂ１０３を生成し出力するものである。
【００２６】
また、結合回路１４０は、Ｉ／Ｖ変換器１３０から出力される周囲温度に対して線形に変化する電圧（ｙ１、ｙ３、ｙ５）及び定電圧（ｙ２、ｙ４）を滑らかに結合し、折れ線近似された３次関数の電圧、すなわち水晶振動子１８０の温度特性と逆の特性を持つ所定の３次関数に近似した電圧を生成するものである（図３参照）。
【００２７】
従来の折れ線近似方式の３次関数発生回路では、折れ線近似による３次関数の形状を所望の３次関数に正確に近似させることに主眼が置かれていた。一方、本実施形態では、温度補償の対象となる広範な温度範囲において、低ノイズ特性、すなわち、ノイズレベルが低くかつ全温度範囲においてノイズレベルがほぼ同等であるフラットなノイズ特性を実現することを重視する。そこで、本実施形態では、折れ線近似方式において各温度領域に対応して生成する折れ線中の各線分が、本来独立していて相互依存性がない点に着目し、各線分を生成するための温度センサをそれぞれの温度領域毎に独立して設け、それぞれを最適設計する。
【００２８】
すなわち、本実施形態の３次関数発生回路では、低温域、常温域、高温域のそれぞれの温度領域に対応して、個別に低温用温度センサ１１１、常温用温度センサ１１２、高温用温度センサ１１３を設け、各温度領域において効果的にノイズ成分を抑制できるように各温度センサ１１１〜１１３を設計する。これにより、全温度範囲に渡って低ノイズ特性を実現する。また、各温度センサ１１１〜１１３の特性を揃えることで、フラットな低ノイズ特性を実現する。
【００２９】
図２は本実施形態の関数発生回路の回路構成例を示す回路図である。この図２は、図１に示される各温度センサ１１１〜１１３を中心に関数発生回路の具体的な回路構成を示したものである。
【００３０】
定電流源１１０は、定電流Ｉ０を送出するローノイズ定電流源ＩＳ１、カレントミラーの入力側トランジスタＱ１０、抵抗Ｒ１により構成される。常温用センサ１１２は、カレントミラーの出力側トランジスタＱ１１、Ｑ１４と、温度係数が異なる２つの電圧−電流変換用抵抗Ｒ２、Ｒ５と、カレントミラーを構成する負荷トランジスタＱ１２、Ｑ１３と、温度検出感度を向上させるための、温度係数が異なる２つの抵抗Ｒ３、Ｒ４とを備えて構成される。
【００３１】
また、低温用センサ１１１も同様に、カレントミラーの出力側トランジスタＱ１５、Ｑ１８と、温度係数が異なる２つの電圧−電流変換用抵抗Ｒ６、Ｒ９と、カレントミラーを構成する負荷トランジスタＱ１６、Ｑ１７と、温度検出感度を向上させるための、温度係数が異なる２つの抵抗Ｒ７、Ｒ８とを備えて構成される。また、高温用センサ１１３も同様に、カレントミラーの出力側トランジスタＱ１９、Ｑ２２と、温度係数が異なる２つの電圧−電流変換用抵抗Ｒ１０、Ｒ１３と、カレントミラーを構成する負荷トランジスタＱ２０、Ｑ２１と、温度検出感度を向上させるための、温度係数が異なる２つの抵抗Ｒ１１、Ｒ１２とを備えて構成される。
【００３２】
また、常温用センサ１１２は、トランジスタＱ１１、Ｑ１４のエミッタ抵抗Ｒ２、Ｒ５とグランドとの間に、常温時にオンしてこの常温用センサ１１２を動作させるスイッチ手段の一例に相当するスイッチＳ１、Ｓ２を備えている。低温用センサ１１１は、トランジスタＱ１５、Ｑ１８のエミッタ抵抗Ｒ６、Ｒ９とグランドとの間に、低温時にオンしてこの低温用センサ１１１を動作させるスイッチ手段の一例に相当するスイッチＳ３、Ｓ４を備えている。高温用センサ１１３は、トランジスタＱ１９、Ｑ２２のエミッタ抵抗Ｒ１０、Ｒ１３とグランドとの間に、高温時にオンしてこの高温用センサ１１３を動作させるスイッチ手段の一例に相当するスイッチＳ５、Ｓ６を備えている。さらに、これらのスイッチＳ１〜Ｓ６のオンオフを制御する制御部１１５を備えている。この構成を用いて、低温時、常温時、高温時の各温度状態においてそれぞれ対応する温度域の温度センサのみを動作させることにより、回路の消費電力を低減することができる。
【００３３】
Ｉ／Ｖ変換器１３０は、ローノイズ基準電圧源１６と、このローノイズ電圧源１６の出力電圧Ｖref が非反転端子に与えられる３つのボルテージフォロワ１０、１２、１４と、３つの電圧−電流変換用抵抗Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６とにより構成される。この電圧−電流変換用抵抗Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６は、それぞれ温度センサ１１２、１１１、１１３に接続されている。
【００３４】
結合回路１４０は、低温域と常温域の温度特性を示す電圧を生成するための結合回路１４０ａと、常温域と高温域の温度特性を示す電圧を生成するための結合回路１４０ｂとにより構成される。
【００３５】
一方の結合回路１４０ａは、温度センサ１１１〜１１３からのｙ１〜ｙ３の各電圧のうちの最も高いレベルの電圧を選択する、ピーク検出用のトランジスタＱ１〜Ｑ３と、定電流Ｉ１を生成する定電流源ＩＳ３と、バイアス用定電流源ＩＳ２（定電流Ｉ２（＝Ｉ１／２）を生成する）及びレベルシフトダイオードＱ７で構成されるレベルシフト回路とを備える。他方の結合回路１４０ｂは、温度センサ１１１〜１１３からのｙ４〜ｙ６の各電圧のうちの最も低いレベルの電圧を選択する、ボトム検出用のトランジスタＱ５〜Ｑ６と、定電流Ｉ３を生成する定電流源ＩＳ４と、バイアス用定電流源ＩＳ５（定電流Ｉ４（＝Ｉ３／２）を生成する）及びレベルシフトダイオードＱ８で構成されるレベルシフト回路とを備える。
【００３６】
上記のような関数発生回路によって、図３に示すような折れ線近似された３次関数的に変化する温度特性を持つ電圧が生成され、結合回路１４０より出力される。実際には、各線分の結合点は角張らずに滑らかに結合される。
【００３７】
次に、温度センサ１１１〜１１３の基本的な動作とノイズ抑制効果について、図４を用いて説明する。
【００３８】
図４は本実施形態における温度センサの構成を示す回路図であり、図２の回路から常温用温度センサ１１２に関係する部分（結合回路１４０を除く）を抜き出して示したものである。なお、低温用温度センサ１１１及び高温用温度センサ１１３に関しても、構成、動作、及びノイズ抑制効果は常温用温度センサ１１２と同じであり、ここでは代表して常温用温度センサ１１２によって説明を行う。
【００３９】
この図４に示す構成の温度センサ１１２では、カレントミラーを用いた電流減算回路によって、周囲温度に対して線形に変化する電流が生成され、その電流生成過程において、定電流源ＩＳ１で生じたノイズが相殺されて抑圧される効果を有する。また、温度係数の異なる２つの電圧−電流変換用抵抗Ｒ２、Ｒ５により、周囲温度に対して線形に変化する２つの電流を生成するだけでなく、同様に電源（Ｖｃｃ）側にも温度係数の異なる２つの抵抗Ｒ３、Ｒ４を設け、周囲温度に対応して線形に変化する２つの電流間の差を拡大することで、検出感度が向上する効果を有する。
【００４０】
なお、図２及び図４において、抵抗の表記として２種類の表記（すなわち、白抜きの長方形の表記と、斜線が施された長方形の表記）を行い、異なる種類の抵抗（温度係数が異なる抵抗）であることを明確に示している。
【００４１】
図５は本実施形態の温度センサにおいて用いる抵抗の温度特性を示す図である。図４において、白抜きの長方形の表記の抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ４は、図５（ａ）に示すような、抵抗値Ｒが、周囲温度Ｔａに対して単調減少または比較的緩やかに単調増加する抵抗（負または小さな正の温度係数を持つ抵抗）である。
【００４２】
一方、図４において、斜線が施された長方形の表記の抵抗Ｒ３、Ｒ５は、図５（ｂ）に示すような、抵抗値Ｒが、周囲温度Ｔａに対して急激に単調増加する抵抗（大きな正の温度係数を持つ抵抗）である。このような温度特性の差は、例えば、拡散抵抗のシート抵抗値を変化させることで実現することができる。
【００４３】
ここで、図５（ａ）、（ｂ）に示される、抵抗値Ｒの温度に対する変化を示す特性線を重ね合わせると、ある温度において２つの特性線は交わり、より高温になると、図５（ｂ）の特性を持つ抵抗の抵抗値の方が大きくなり、その抵抗値の差は温度上昇に比例して増大する。一方、２つの特性線が交わる温度より低い温度範囲では、逆に、図５（ａ）の特性を持つ抵抗値の方が大きくなり、その抵抗値の差は温度の低下に比例して増大する。このように、２つの特性線が交わる点を境として、２つの抵抗の抵抗値の差は周囲温度Ｔａに比例して増大する。
【００４４】
したがって、図４の常温用温度センサ１１２では、周囲温度の変化に伴う抵抗Ｒ２、Ｒ５の抵抗値の変化を電流の変化に変換し、さらに、その電流の変動幅を拡大した上で、両電流の差を取ることで、周囲温度Ｔａに比例して変化する電流を高感度で生成し、これを電流／電圧変換抵抗Ｒ１４で電圧に変換して、周囲温度Ｔａに対して線形に変化する電圧ｙ３を生成する。
【００４５】
以下、常温用温度センサ１１２の動作を具体的に説明する。カレントミラーＱ１０、Ｑ１１、Ｑ１４の入力側トランジスタＱ１０に流れる電流はＩ０である。一方、カレントミラーの出力側トランジスタＱ１１の出力電流は、Ｉ０×Ｒ１／Ｒ２となる。なお、Ｒ１、Ｒ２は、抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値も同時に表しているものとし、以下の説明でも同様である。ここで、Ｒ１＝Ｒ２とする。また、カレントミラーの出力側トランジスタＱ１４の出力電流は、Ｉ０×Ｒ１／Ｒ５（＝Ｉ０×Ｒ２／Ｒ５）となる。
【００４６】
トランジスタＱ１１の出力電流は、カレントミラーＱ１２、Ｑ１３で折り返される際に、Ｒ３／Ｒ４倍に増幅される。よって、トランジスタＱ１３の出力電流は、Ｉ０×（Ｒ１／Ｒ２）×（Ｒ３／Ｒ４）＝Ｉ０×Ｒ３／Ｒ４となる。したがって、トランジスタＱ１３の出力電流からトランジスタＱ１４の出力電流を減算すると、Ｉ０×（Ｒ３／Ｒ４）−Ｉ０×（Ｒ２／Ｒ５）となる。ここで、例えば、Ｒ３／Ｒ４が１より大きいとき（つまり、Ｒ３＜Ｒ４のとき）は、逆に、Ｒ２／Ｒ５は１より小さくなり（つまり、Ｒ５＞Ｒ２となり）、両電流の差分が拡大されるため、温度の検出感度が向上する。
【００４７】
ここで、図４の回路において、定電流源ＩＳ１にノイズＡ（図４の左側に一点鎖線で囲って示されている。ノイズＢ、Ｃについても同様である）が発生した場合を考える。
【００４８】
このノイズＡの位相は、カレントミラーＱ１０、Ｑ１１、Ｑ１４の出力側トランジスタＱ１１のベース−コレクタ間で位相が反転し、その位相反転したノイズＢが、トランジスタＱ１３のエミッタに現れる。一方、カレントミラーの出力側トランジスタＱ１４のエミッタに現れるノイズＣは、ノイズＡと同相である。したがって、ノイズＢとノイズＣは逆位相となる。
【００４９】
このとき、ノイズＢの影響により、瞬間的に抵抗Ｒ４の両端電圧が増大し、トランジスタＱ１３の電流（押し出し電流）が増大した場合を想定する。この場合、ノイズＣにより、抵抗Ｒ１５の両端電圧も増大し、トランジスタＱ１４の出力電流（吸い込み電流）も増大する。したがって、ノイズは相殺され、電流減算の結果として得られる出力電圧ｙ１に現れるノイズＤは、十分に抑圧されることになる。
【００５０】
ただし、ノイズが完全にキャンセルされるのは、Ｒ２＝Ｒ５、Ｒ３＝Ｒ４の場合だけであり、各抵抗の抵抗値が異なる場合には、完全なノイズキャンセルはできない。そこで、本実施形態では、図４の回路の出力電圧ｙ３が、電流−電圧変換の基準となる基準電圧（Ｖref ）と等しくなる温度（図３のＴ３（＝２７℃））において、Ｒ２＝Ｒ５、Ｒ３＝Ｒ４となるように、常温用温度センサ１１２を設計する。
【００５１】
このように各抵抗の温度係数及び抵抗値等の温度特性を設計することで、常温域において、最もバランスよくノイズを抑制することができる。つまり、温度Ｔ３（＝２７℃）において、ノイズが完全にキャンセルされ、温度Ｔ３（＝２７℃）の周辺の温度範囲においても、低いノイズレベルを維持できる。
【００５２】
低温用温度センサ１１１も同様の設計とし、出力電圧ｙ１が電流−電圧変換の基準となる基準電圧（Ｖref ）と等しくなる温度（図３のＴ１（＝−３０℃））において、Ｒ６＝Ｒ９、Ｒ７＝Ｒ８となり、ノイズが完全にキャンセルされるように設計する。また、高温域温度センサ１１３も同様の設計とし、出力電圧ｙ５が電流−電圧変換の基準となる基準電圧（Ｖref ）と等しくなる温度（図３のＴ５（＝＋８５℃））において、Ｒ１０＝Ｒ１３、Ｒ１１＝Ｒ１２となり、ノイズが完全にキャンセルされるように設計する。
【００５３】
このように、各温度センサ１１１〜１１３を、それぞれの温度領域において最適設計することで、各温度センサのノイズ特性を揃えることができる。これにより、広い温度範囲に渡って、３次関数発生回路の出力電圧の低ノイズ性を確保できる。
【００５４】
また、各温度センサ１１１〜１１３は、カレントミラーを利用した電流減算方式の回路で構成されるため、回路構成が簡単であり、また、低電流を流したりする必要がなく、無駄な電流消費が発生しないため、回路の消費電力を低減できる。
【００５５】
次いで、図２に示した結合回路１４０ａ、１４０ｂの動作について説明する。結合回路１４０ａは、電圧ｙ１〜ｙ３の中から最も高い電圧（ピーク電圧）を選択し、これを電圧として出力する。また、結合回路１４０ｂは、電圧ｙ４〜ｙ６の中から最も低い電圧（ボトム電圧）を選択して出力する。これにより、折れ線近似された電圧ＶＳを得ることができる。
【００５６】
結合回路１４０ａにおいて、トランジスタＱ１〜Ｑ３のエミッタ電圧は、ｙ１〜ｙ３の中のピーク電圧からベース−エミッタ間電圧（約０．７Ｖ）を引いた電圧でクランプされる。そして、レベルシフトダイオードＱ７で、ベース−エミッタ間の電圧降下を補償することにより、電圧ｙ６（電圧ｙ１〜ｙ３の中の最も高い電圧である）が得られる。また、結合回路１４０ｂにおいても、同様に、トランジスタＱ４〜Ｑ５でｙ４〜ｙ６の中の最大の電圧を選択し、レベルシフトダイオードＱ８でベース−エミッタ間の電圧降下を補償する。この結果として、図３に示すような折れ線近似された３次関数の電圧が得られる。
【００５７】
次に、本実施形態との対比のために、比較例を図６及び図７に示す。この比較例の３次関数発生回路は、常温用温度センサ１１２のみを備え、この常温用温度センサ１１２の出力電流（出力電圧ｙ３）を加工することで、低温域や高温域にも対応させる構成となっている。例えば、常温用温度センサ１１２の出力電流の向きを反転させたり、定電流を強制的に注入して温度軸上における特性線を平行移動させるといった加工を行うことで、低温域及び高温域における温度特性を示す電圧ｙ１、ｙ５を生成する。
【００５８】
図６は比較例の関数発生回路の構成を示すブロック図である。比較例の３次関数発生回路は、周囲温度に対して温度特性を持たない基準電流Ａ０１〜Ａ０３を生成する基準電流源１１０と、周囲温度（常温域）に比例して線形に変化する電流信号Ｂ０１〜Ｂ０３を生成する常温用温度センサ１１２と、低温域における温度特性を実現するための電流信号Ｂ１１を生成する低温用折れ線回路２００と、高温域における温度特性を実現するための電流信号Ｂ１３を生成する高温用折れ線回路２１０と、Ｉ／Ｖ変換器１３０と、結合回路１４０とを有して構成される。
【００５９】
図７は比較例の関数発生回路の回路構成例を示す回路図であり、図６に示される関数発生回路の具体的な回路構成を示したものである。なお、基準電流源１１０、常温用温度センサ１１２、Ｉ／Ｖ変換器１３０、結合回路１４０の構成は、図１と同じであるため、説明を省略する。
【００６０】
以下、低温用折れ線回路２００及び高温用折れ線回路２１０の回路構成と動作を説明する。低温用折れ線回路２００は、抵抗Ｒ２９と、トランジスタＱ３０（カレントミラーの出力側トランジスタ）と、カレントミラーを構成するトランジスタＱ３１、Ｑ３２と、抵抗Ｒ３０、Ｒ３１と、トランジスタＱ３３、Ｑ３４と、カレントミラーを構成するトランジスタＱ３５、Ｑ３６と、抵抗Ｒ３２、Ｒ３３とを備えて構成される。
【００６１】
トランジスタＱ３４は、定電流Ｉ５（＝Ｉ０）を常に流し、これにより、温度軸上で、電圧の温度特性を示す特性線を平行移動させる働きをする。また、常温用温度センサ１１２における出力段のトランジスタ（Ｑ１３、Ｑ１４）の各出力電流の向きは、低温用折れ線回路２００では、カレントミラー（Ｑ３０，Ｑ３１，Ｑ３２とＱ３３，Ｑ３５、Ｑ３６）を用いて反転される。これにより、電圧ｙ３による温度特性を示す特性線の傾きの正負（すなわち、電圧ｙ３の温度に対する変化の方向）を逆にすることができる。このように、常温域における電圧ｙ３に基づき、低温域における電圧ｙ１が生成される。
【００６２】
高温用折れ線回路２１０は、抵抗Ｒ３９と、トランジスタＱ４０（カレントミラーの出力側トランジスタ）と、カレントミラーを構成するトランジスタＱ４１、Ｑ４２と、抵抗Ｒ４０、Ｒ４１と、トランジスタＱ４３、Ｑ４４と、カレントミラーを構成するトランジスタＱ４７、Ｑ４８と、同じくカレントミラーを構成するトランジスタＱ４５、Ｑ４６と、抵抗Ｒ４２、Ｒ４３とを備えて構成される。
【００６３】
トランジスタＱ４８は、定電流Ｉ６（＝Ｉ０）を常に流し、これにより、温度軸上で、温度特性を示す特性線を平行移動させる働きをする。また、常温用温度センサ１１２における出力段のトランジスタ（Ｑ１３、Ｑ１４）の各出力電流の向きは、高温用折れ線回路２１０では、カレントミラー（Ｑ４０，Ｑ４１，Ｑ４２とＱ４３，Ｑ４５，Ｑ４６）を用いて反転される。これにより、電圧ｙ３による温度特性を示す特性線の傾きの正負を逆にすることができる。このように、常温域における電圧ｙ３に基づき、高温域における電圧ｙ５が生成される。
【００６４】
次に、図１及び図２に示した本実施形態の関数発生回路と図６及び図７に示した比較例との対比を行う。
【００６５】
比較例の関数発生回路では、常温用温度センサ１１２の出力電流の向きを反転させるためのカレントミラーと、前記出力電流の特性線を温度軸上で平行移動させるための定電流Ｉ５、Ｉ６を生成するトランジスタとを設ける必要があるため、回路の素子数が多く、構成が複雑となる。また、前記定電流Ｉ５、Ｉ６は、基準電流源１１０における基準電流Ｉ０に基づいて生成されており、基準電流Ｉ０のノイズによる変動がこの定電流Ｉ５、Ｉ６にも現れるため、このこともノイズ増加の原因となる。常温用温度センサ１１２は、高温域及び低温域ではエミッタ抵抗が等しくないため、ノイズが完全にキャンセルされず、ノイズ成分が増加する。さらに、前記定電流Ｉ５、Ｉ６を常に流す必要があるため、その分消費電力が増大する。
【００６６】
これに対し、本実施形態の関数発生回路は、各温度領域において正確に折れ線を生成することのみならず、広い温度範囲において低ノイズ性を確保するという、より高度な設計思想に基づいて構成したもので、構成が簡単でかつ高感度、低ノイズの温度センサ１１１〜１１３を各温度領域毎に独立して設け、各温度センサ１１１〜１１３を、それぞれの温度領域に適合するように抵抗の温度特性等を最適に設計する。これにより、所定の３次関数に折れ線近似された温度特性を持つ電圧として、全温度範囲においてノイズ成分が抑圧された出力電圧を得ることができる。また、本実施形態の関数発生回路は、回路構成が簡素化されているため、ＩＣ化に適しており、また余分な定電流を流す必要もなく、消費電力の点でも有利である。
【００６７】
図８は本実施形態の関数発生回路（図２）における出力電圧と、比較例の関数発生回路（図７）における出力電圧について、温度に対するノイズレベルの実測結果を比較して示した図である。図８において、特性線Ｃ１が本実施形態の関数発生回路の特性を示し、特性線Ｃ２が比較例の関数発生回路の特性を示している。
【００６８】
図８から明らかなように、比較例の場合、低温域、高温域共にノイズレベルが上昇し、特に、高温域におけるノイズ増加が著しい。すなわち、常温域に比べて、低温域や高温域ではノイズレベルが６ｄＢ〜８ｄＢも上昇する。
【００６９】
これに対し、本実施形態の場合、低温域や高温域において若干のノイズレベルの上昇は見られるものの、全温度領域において、ほぼフラットで低いノイズレベルの温度特性が実現されている。
【００７０】
したがって、本実施形態の関数発生回路を用いれば、広い温度範囲において低ノイズの水晶発振器の制御電圧を生成することができるため、温度補償型水晶発振器の発振周波数を広い温度範囲に渡って安定化させることができる。
【００７１】
以上説明したように、本実施形態では、低温域、常温域、高温域の各温度領域に対応させて、独立した３つの温度センサを設ける構成を採ることにより、それぞれの温度領域毎に温度センサのノイズレベルを最も効果的に抑制できるように最適な設計をすることができる。これにより、関数発生回路の出力電圧に関し、全温度範囲に渡って低ノイズ性を確保することができる。したがって、本実施形態の関数発生回路を温度補償型水晶発振器に搭載した場合、広い温度範囲に渡って安定した発振周波数を得ることができる。
【００７２】
また、３つの温度センサの構成と動作条件は同じであり、ノイズ特性が揃っているため、全温度範囲において低レベルでほぼフラットなノイズ特性を実現できる。また、各温度センサの回路構成を簡素化でき、半導体チップに実装する場合に大型化を招くことなく、回路の小型化を図れる。また、回路中で余分な電流を流す必要がないため、無駄な電流消費を抑制でき、回路の低消費電力化の点でも有利である。
【００７３】
なお、上述した実施形態では、低温域、常温域、高温域の各温度領域に対応させて３つの温度センサを設けたが、これに限定されるものではなく、適用する回路の構成や使用目的などに応じて、温度センサの対応温度領域や数などは適宜設定して構成することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、広い温度範囲の全てに渡って低ノイズ性を確保することが可能となる効果を有し、温度補償型水晶発振器において水晶発振周波数の温度変動を補正する回路等に用いられる所定の関数の電圧を発生する関数発生回路等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施形態に係る関数発生回路及び温度補償型水晶発振器の構成を示すブロック図
【図２】本実施形態の関数発生回路の回路構成例を示す回路図
【図３】本実施形態の関数発生回路で生成される出力電圧を説明するための模式図
【図４】本実施形態における温度センサの構成を示す回路図
【図５】本実施形態の温度センサにおいて用いる抵抗の温度特性を示す図
【図６】比較例の関数発生回路の構成を示すブロック図
【図７】比較例の関数発生回路の回路構成例を示す回路図
【図８】本実施形態と比較例のそれぞれの関数発生回路における出力電圧について、温度に対するノイズレベルの実測結果を比較して示した図
【符号の説明】
【００７６】
１００  ３次関数発生回路
１１０  基準電流源
１１１  低温用温度センサ
１１２  常温用温度センサ
１１３  高温用温度センサ
１３０  Ｉ／Ｖ変換器
１４０  結合回路
１５０  一次関数発生回路
１６０  制御電圧発生回路
１７０  電圧制御型水晶発振器
１８０  水晶振動子
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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