(57)【要約】【課題】回路面積を縮小し、高精度の温度補償された発振周波数調整回路を実現でき、また、調整回路を簡単にすることで、低消費電力化を可能とし、かつ、周波数調整工数を低減することが可能な発振周波数調整回路を提供すること。【解決手段】水晶振動子９を発振させる発振回路１と、該発振回路１の発振容量を不揮発性メモリ回路３に記憶された値により対応した容量に切替える第１の周波数調整回路２と、前記発振回路１から出力される発振周波数を分周する分周回路４と、該分周回路４の分周数を不揮発性メモリ回路３に記憶された値により対応した分周数に変える第２の周波数調整回路５とを有する。さらに、温度に対応した電圧を出力する温度センサー回路７と、該温度センサー回路７のアナログ値をデジタル値に変換するＡＤ変換回路６を有し、該デジタル値をアドレスとして不揮発性メモリ回路３に記憶された値を読み出す。【選択図】図１
2007208584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子を発振させる発振回路と、該発振回路の発振容量を不揮発性メモリ回路に記憶された値により対応した容量に切替える第１の周波数調整回路と、前記発振回路から出力される発振周波数を分周する分周回路と、該分周回路の分周数を不揮発性メモリ回路に記憶された値により対応した分周数に変える第２の周波数調整回路とを有することを特徴とする周波数調整回路。
【請求項２】
請求項１記載の周波数調整回路において、
さらに、温度に対応した電圧を出力する温度センサー回路と、該温度センサー回路のアナログ値をデジタル値に変換するＡＤ変換回路を有し、該ＡＤ変換回路の変換結果である前記デジタル値をアドレスとして前記不揮発性メモリ回路に記憶された値を読み出すようにしたことを特徴とする周波数調整回路。
【請求項３】
請求項２記載の周波数調整回路において、
前記分周回路の分周段から得られるタイミング信号に応じて、前記温度センサー回路、前記ＡＤ変換回路、前記不揮発性メモリ回路、前記第１の周波数調整回路、および前記第２の周波数調整回路のうちの一部あるいは全部の動作または非動作を選択する手段を有することを特徴とする周波数調整回路。
【請求項４】
請求項１記載の周波数調整回路において、
前記第１の周波数調整回路は、それぞれ異なる容量と、該容量と前記発振回路の接続をＯＮまたはＯＦＦさせる複数のトランスミッションゲートとを備え、前記不揮発性メモリ回路に記憶された値により対応する容量を備えたトランスミッションゲートをＯＮ、またはＯＦＦさせるようにしたことを特徴とする周波数調整回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子等の圧電振動子を用いた発振回路の温度補償技術に係り、特に、高精度な発振周波数を有する温度補償型発振回路における周波数調整回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発振回路における温度変化を補償するための周波数調整回路に係る従来技術としては、例えば、特開２００３−１１５７２０号公報「温度補償型発振器とその調整方法及び温度補償型発振用集積回路」（特許文献１）や特開２００４−７２２８９号公報（特許文献２）「周波数調整回路」が公知である。
【０００３】
図３は、特開２００３−１１５７２０号公報（特許文献１）に開示された温度補償型発振器の構成図である。
【０００４】
特許文献１に開示された温度補償型発振器は、同図に示すように、温度に応じたアナログ信号を出力する温度センサー回路１０１と、該温度センサー回路１０１からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１０２と、該Ａ／Ｄ変換器１０２からのデジタル信号をアドレスとして補償データが読み出されるメモリ回路１０３と、補償データに応じて発振回路１０５に複数の容量素子を選択的に接続する容量アレイ１０４と、水晶振動子等の振動子を発振動作させて発振出力信号を発生し、前記容量アレイ１０４を前記発振出力信号の周波数調整要素とした前記発振回路１０５と、外部から入力される外部基準周波数信号と前記発振出力信号との周波数を比較する周波数比較回路１０６と、周波数比較回路１０６の周波数比較結果に基づき、各ビットの値が順次決定される逐次比較レジスタ回路１０７と、上記メモリ回路１０３から読み出される補償データと前記逐次比較レジスタ回路１０７から出力されるデジタル信号とを選択的に前記容量アレイ１０４に供給するスイッチ１０８と、前記容量アレイ１０４に接続された電圧可変容量素子（バリキャップダイオード）１０９と、前記温度センサー回路１０１のアナログ信号に応じて前記電圧可変容量素子１０９の容量を制御する制御電圧を発生する制御電圧発生回路１１０を備え、前記逐次比較レジスタ回路１０７から出力されるデジタル信号を、前記スイッチ１０８を介して前記容量アレイ１０４へ供給して前記デジタル信号に応じて前記複数の容量素子を前記発振回路１０５に接続し、前記発振回路１０５に発振動作を行なわせ、前記周波数比較回路１０６による比較動作毎の比較結果に基づき前記逐次比較レジスタ回路１０７の各ビットの値を順次決定して前記発振出力信号の周波数を変更し、前記発振回路１０５の発振出力信号の周波数が特定周波数と一致したときの前記逐次比較レジスタ回路１０７から出力されるデジタル信号を、そのときの前記温度センサー回路１０１の検出温度に対応して前記Ａ／Ｄ変換器１０２から出力されるデジタル信号にてアドレス可能な前記検出温度に対応した前記補償データとして前記メモリ回路１０３に書き込み、当該書込み動作を温度ステップ毎に行なうようにしたものである。
【０００５】
次に、上記温度補償型発振器における温度補償について説明する。
一般的に通常の時計用途の周波数発振回路は音叉型の３２７６８Ｈｚ水晶を使用しており、周波数温度特性ΔｆTは、次の二次方程式で近似できる。
ΔｆＴ＝α（θＴ−θＸ）２
ここで、θＸは任意の温度、θＴは頂点温度であり、２次関数の係数αと共に個々の水晶によって異なる。係数αは、一般的には−０．０３５×１０−６（１／℃）、θＴは一般的には±２０ｐｐｍ（１ｐｐｍは１００万分の１）程度である。
【０００６】
一方、水晶発振回路の発振周波数ｆ０は、次のように表される。
ｆ０＝ｆＳ(１＋１／(２Ｃ０／Ｃ１(１＋ＣＬ／Ｃ０)))
ここで、ｆＳ、Ｃ０、Ｃ１は、それぞれ水晶の共振周波数、等価並列容量、等価直列容量、ＣＬは発振回路の負荷容量を表している。
【０００７】
この式から、負荷容量ＣＬを温度に応じて可変とすれば、周波数を調整でき温度補償ができることがわかる。−４０℃〜８５℃の温度範囲を考えると前記近似式より最大約−２０ｐｐｍ〜１５０ｐｐｍの周波数偏差の補正が必要である。
【０００８】
一方、負荷容量ＣＬの標準値７ｐＦを中心に考えると前記の補正のためには、負荷容量ＣＬを０．６ｐＦ〜１２．７ｐＦの間でコントロール必要がある。
【０００９】
現在、一般に行われているのは、例えば図３に示す発振回路１０５の負荷容量ＣＬに相当する容量アレイ１０４を、図５に示すような容量素子２３１〜２３５からなる容量アレイで構成し、スイッチング素子２２４〜２２８をオンまたはオフすることによって該容量素子２３１〜２３５を選択的に帰還抵抗（Ｒ１）２２２および発振用インバータ回路２２１からなる発振回路（図３の発振回路１０５に相当）に接続することによって、実質的に負荷容量ＣＬをコントロールする方法であった。図５において、２２９，２３０は固定容量素子、２３６〜２４０はオペアンプである。
【００１０】
図５におけるスイッチング素子２２４〜２２８は、図３における温度センサー回路１０１が出力するアナログ信号をＡ／Ｄ変換回路１０２にてデジタル信号に変換し、このデジタル信号をアドレスとしてメモリ回路１０３（図５における不揮発性メモリ回路２０３に相当）から補正データを読み出し、この補正データに応じてオンまたはオフされる。
【００１１】
一定の温度ステップ毎に補正するため、温度範囲が広くなると範囲の両端での誤差が大きくなる。これを小さくしようとすると、温度ステップ幅を小さくしなければならない。温度ステップ幅を小さくするためには、図５に示す構成の容量アレイの最小コントロール単位も小さくする必要があり、メモリ回路１０３（図５における不揮発性メモリ回路２０３に相当）のビット数の増加につながる。
【００１２】
図３に示すように、電圧可変容量素子（バリキャップダイオード）１０９を温度センサー回路１０１の出力に応じた制御電圧発生回路１１０でコントロールする方法があるが、その場合は、補償回路の複雑さを招き、また、容量アレイ１０４を本調整で使用しているため、面積の増大および作成段階での容量のバラツキは抑えられない。
【００１３】
また、図４は、本願出願人が先に提案した別の従来技術である特開２００４−７２２８９号公報（特許文献２）に記載された周波数調整回路の構成図である。
【００１４】
特許文献２における温度補償回路は、図４に示すように、水晶振動子２０９および発振回路２０１の常温での発振周波数のバラツキを、不揮発性メモリ回路２０３に記憶させた補正データにて周波数調整回路（１）２０２の構成要素である容量アレイ（図５参照）にてスイッチング素子２２４〜２２８をオンまたはオフすることによって容量素子２３１〜２３５を選択的に帰還抵抗（Ｒ１）２２２および発振用インバータ回路２２１からなる発振回路（図４の発振回路２０１に相当）に接続し調整するようにしたものである。
【００１５】
また、温度センサー回路２０７の出力するアナログ信号をＡ／Ｄ変換回路２０６にてデジタル信号に変換し、このデジタル信号を周波数調整回路（２）２０５にて温度補償値へデコードし、この温度補償値を、発振回路２０１から出力される発振出力信号２１４により動作する分周回路２０４に入力することにより、分周回路２０４の分周数を可変にすることにより、温度に対する発振出力信号２１４の発振周波数−温度特性を補正するようにしている。
【００１６】
また、温度を補正するタイミングを分周回路２０４から得られる分周出力信号２１５を用いることにより、温度センサー回路２０７、Ａ／Ｄ変換器回路２０６、不揮発性メモリ回路、あるいは周波数調整回路部（２）２０５を間欠動作させ、省電力化を可能にしている。
【００１７】
すなわち、制御回路２０８は、分周回路２０４からのタイミング信号（１）２１０を受け取って、タイミング信号（３）２１２を周波数調整回路（２）２０５に、タイミング信号（２）をＡ／Ｄ変換回路２０６と温度センサー回路２０７に、それぞれ出力することにより、補正するタイミングを提供している。
しかし、この方法では、温度センサー回路からの温度データをそのまま補償値として使用するため、水晶固有の温度変化量のバラツキを精度よく調整することは困難である。
【００１８】
【特許文献１】特開２００３−１１５７２０号公報（特許文献１）
【特許文献２】特開２００４−７２２８９号公報（特許文献２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上記従来技術では、高精度に温度補償した周波数調整を行う場合、容量緩急回路のみで調整する構成、或いは、論理緩急回路のみで調整する構成である。一般的に水晶の常温バラツキは約±２０ｐｐｍ、温度変化量は約−１５０ｐｐｍとなり、前記容量緩急のみで調整する構成の場合、調整するための容量が調整精度分必要であり、例えば温度レンジで１２５度、調整ステップ約０．５℃とした場合、８ｂｉｔ構成となり、容量は２５６通りの構成となる。
【００２０】
また、容量の作成段階でのバラツキを考慮すると、容量バラツキ自体を補正するための容量、メモリ量、スイッチング素子の増加につながり、さらに面積が増大する。
【００２１】
また、２５６通りの容量が温度を伴って問題なく動作しているかを確認することは非常に困難である。
【００２２】
また、論理緩急のみで調整する場合、使用する水晶が３２７６８Ｈｚであるため、分周回路４の最小クロック１６３８４Ｈｚの１パルス分を補正しても約６１ｐｐｍ、１分に１回の調整で約１ｐｐｍの精度となってしまい精度が荒くなる。精度を上げるためには調整間隔を長くする必要があるが、温度変化に追従できなくなる恐れがある。
【００２３】
本発明の目的は、分周回路４の調整の簡単さ、および、発振周波数の調整範囲の広さを利用して粗調整を行い、さらに、発振回路の発振負荷容量の調整による微小調整、かつ、調整容量を削減することにより回路面積を縮小し、高精度の温度補償された発振周波数調整回路を実現でき、また、調整回路を簡単にすることで、低消費電力化を可能とし、かつ、周波数調整工数を低減することが可能な発振周波数調整回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の発振周波数調整回路は、上記目的を達成するために、発振周波数の調整手段を発振回路自体の調整と、分周回路による調整の２系統を有することにより、前者の調整手段を発振周波数の微調整に使用し、後者の調整手段を発振周波数の粗調整に使用するようにしたものである。この構成により、発振回路の出力周波数自体を調整することを可能にしており、高精度、かつ、低コストを実現することが可能としている。
【００２５】
以下、本発明に係る周波数調整回路の構成を請求項毎に具体的に述べる。
ａ）請求項１記載の発明は、水晶振動子を発振させる発振回路と、該発振回路の発振容量を不揮発性メモリ回路に記憶された値により対応した容量に切替える第１の周波数調整回路と、前記発振回路から出力される発振周波数を分周する分周回路と、該分周回路の分周数を不揮発性メモリ回路に記憶された値により対応した分周数に変える第２の周波数調整回路とを有することを特徴としている。
【００２６】
ｂ）請求項２記載の発明は、請求項１記載の周波数調整回路において、さらに、温度に対応した電圧を出力する温度センサー回路と、該温度センサー回路のアナログ値をデジタル値に変換するＡＤ変換回路を有し、該ＡＤ変換回路の変換結果である前記デジタル値をアドレスとして前記不揮発性メモリ回路に記憶された値を読み出すようにしたことを特徴としている。
【００２７】
ｃ）請求項３記載の発明は、請求項２記載の周波数調整回路において、前記分周回路の分周段から得られるタイミング信号に応じて、前記温度センサー回路、前記ＡＤ変換回路、前記不揮発性メモリ回路、前記第１の周波数調整回路、および前記第２の周波数調整回路のうちの一部あるいは全部の動作または非動作を選択する手段を有することを特徴としている。
【００２８】
ｄ）請求項４記載の発明は、請求項１記載の周波数調整回路において、前記第１の周波数調整回路は、それぞれ異なる容量と、該容量と前記発振回路の接続をＯＮまたはＯＦＦさせる複数のトランスミッションゲートとを備え、前記不揮発性メモリ回路に記憶された値により対応する容量を備えたトランスミッションゲートをＯＮ、またはＯＦＦさせるようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、高精度の発振周波数をもつ発振回路が可能となる。すなわち、２つの調整手段を有することにより、分周回路での粗調整、および、発振回路での微調整を行うことにより高精度の調整が可能になる。
【００３０】
また、分周回路での周波数調整の簡単化、省スペース化という利点を生かし、発振回路での発振負荷容量の低ｂｉｔ化による簡単化、省スペース化、および、発振負荷容量を減らすことによる充放電電流の低減化により、回路面積の低減、および、低消費電流化が可能となる。
【００３１】
また、ロジック回路で構成される分周回路を利用することによるテストの容易化、および、アナログ回路である発振回路の発振負荷容量の低ビット化によるテスト工数の削減により、調整工数を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
＜実施例＞
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
【００３３】
（全体構成）
図１は、本発明の実施形態を示す周波数調整回路のブロック図である。
本発明の実施形態は、図１に示すように、水晶振動子等の圧電振動子９を発振させる発振回路１と、該発振回路１の周波数を調整する周波数調整回路（１）２と、発振回路１より出力される発信出力信号１４を分周する分周回路４と、分周回路４の分周数を可変にすることにより分周出力信号１５の周波数を調整する周波数調整回路（２）５と、分周回路４から得られる複数の分周出力であるタイミング信号（１）１０を使用し、周波数調整回路の動作タイミングを決定する制御回路８と、制御回路８のタイミング信号（２）１１により動作する温度センサー回路７と、温度センサー回路７のアナログ出力である温度センサー出力信号１３をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路６と、Ａ／Ｄ変換回路６のデジタル出力を温度調整データ格納アドレス信号１８として指定されたアドレスの内容を前記周波数調整回路（１）２、および、周波数調整回路（２）５に出力する不揮発性メモリ回路３よりから構成される。
【００３４】
また、図２は、図１の容量緩急ブロック１６の詳細回路の一実施例を記載しており、水晶振動子９と、発振用インバータ回路２１と、帰還抵抗（Ｒ１）２２と、出力制限抵抗（Ｒ２）２３と、固定負荷容量２９，３０から構成される、一般的なコルピッツ型発振回路と、発振周波数の微調整用の発振負荷容量３１，３２，３４と、発振容量を接続，切断するトランスミッションゲート２４，２５，２７で構成される。
【００３５】
（発振周波数の調整）
以下、本発明の周波数調整の一実施例を、図１、および、図１の容量緩急ブロック１６の内容を記載した図２にて説明する。
【００３６】
水晶振動子９を接続した発振回路１は、該発振回路１が動作状態となることで水晶固有の発振周波数により発振を開始する。本説明では、時計用回路に一般的に使用される３２７６８Ｈｚの水晶振動子を接続している。
【００３７】
その際、トランスミッションゲート２４，２５，２７は全てオフするように設定され、発振周波数は、水晶固有の発振周波数と、該発振回路の回路定数、特に発振負荷容量２９、３０に依存する。該発振回路１より出力された発信出力信号１４は分周回路４に入力されることにより通常の分周動作を開始する。
【００３８】
通常分周動作をしている該発振回路１は、設定された任意の分周数でタイミング信号（１）１０を出力するよう構成されており、本説明では３２７６８Ｈｚを３２７６８回分周した１秒周期とする。１秒経過することにより該タイミング信号（１）が出力され、制御回路８に入力されることによりタイミング信号（２）１１が任意に設定されたタイミングで出力される。
【００３９】
該タイミング信号（２）１１が温度センサー回路７、および、Ａ／Ｄ変換回路６に入力されることにより、該温度センサー回路７は回路周辺の温度に伴ったアナログ出力信号である温度センサー出力信号１３を出力し、該温度センサー出力信号１３を該Ａ／Ｄ変換回路６は任意のデジタル値である温度調整データ格納アドレス信号１８に変換される。
【００４０】
該温度調整データ格納アドレス信号１８が入力された不揮発性メモリ３は、そのアドレスに格納されているデータを周波数調整回路（１）２、周波数調整回路（２）５にそれぞれ温度調整データ（１）１９、温度調整データ（２）２０として出力する。該周波数調整回路（１）２、該周波数調整回路（２）５は該制御回路８から出力される任意のタイミング信号（３）１２により動作開始する。なお、上記説明では、制御回路８からのタイミング信号に応じて、温度センサー回路、ＡＤ変換回路、不揮発性メモリ回路、第１の周波数調整回路、および第２の周波数調整回路の全ての動作／非動作を選択・制御するようにしているが、これら各回路全てを選択・制御しなくても、一部回路だけ選択・制御可能なようにしてもよい。
【００４１】
該周波数調整回路（１）２は該温度調整データ（１）１９の値により、該トランスミッションゲート２４，２５，２７をオン／オフし、該発振負荷容量３１、３２、３４を発振回路へ接続、非接続状態とする。
【００４２】
また、該周波数調整回路（２）５は該温度調整データ（２）２０の値により、該分周回路４の分周数を増加、或いは、減少するように調整する。該発振回路１と該分周回路４が取得した温度状態により調整され、高精度に補償された発振周波数を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態を示す周波数調整回路のブロック図である。
【図２】図１における容量緩急ブロック１６の詳細な部分構成図である。
【図３】従来における周波数調整回路のブロック図である。
【図４】従来における別の周波数調整回路のブロック図である。
【図５】図４の容量調整ブロックの詳細な部分構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１：発振回路
２：周波数調整回路（１）
３：不揮発性メモリ回路
４：分周回路
５：周波数調整回路（２）
６：Ａ／Ｄ変換回路
７：温度センサー回路
８：制御回路
９：水晶振動子
１０：タイミング信号（１）
１１：タイミング信号（２）
１２：タイミング信号（３）
１３：温度センサー出力信号
１４：発振出力信号
１５：分周出力信号
１６：容量緩急ブロック
１７：論理緩急ブロック
１８：温度調整データ格納アドレス信号
１９：温度調整データ（１）
２０：温度調整データ（２）
２１：発振用インバータ回路
２２：帰還抵抗Ｒ１
２３：出力制限抵抗Ｒ２
２４，２５，２７：トランスミッションゲート回路
３１，３２，３４：発振負荷回路
３６，３７，３９：インバータ回路
【図１】
2007208584.tif 000003
【図２】
2007208584.tif 000004
【図３】
2007208584.tif 000005
【図４】
2007208584.tif 000006
【図５】
2007208584.tif 000007