(57)【要約】【課題】発振回路及び水晶振動子の各温度特性に基づく高精度の温度補償を行う発振装置を提供すること。【解決手段】発振装置は、水晶振動子を発振させる、可変容量素子を備えた発振部と、水晶振動子と可変容量素子の各温度特性による発振部の発振周波数の変動を補償する温度補償部と、温度補償部を制御する制御部を備える。温度補償部は、電圧レベルが異なる３つの制御信号を出力する第１制御信号出力部と、１次の温度特性を有する電圧レベルの基準信号を出力する第２制御信号出力部と、第１制御信号と基準信号を比較して低温度領域での第１信号を出力する第１比較部と、第２制御信号と基準信号を比較して高温度領域での第２信号を出力する第２比較部と、第３制御信号と基準信号を比較して常温度領域での第３信号を出力する第３比較部と、第１信号の電流値を制御する第１電流制御部と、第２信号の電流値を制御する第２電流制御部と、第１〜第３信号を合成する信号合成部を有する。【選択図】図１
2009124401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子を発振させる、可変容量素子を備えた発振部と、
前記水晶振動子及び前記可変容量素子の各温度特性による前記発振部の発振周波数の変動を補償する温度補償部と、
前記温度補償部を制御する制御部と、を備えた発振装置であって、
前記温度補償部は、
周囲温度に依存しない、電圧レベルがそれぞれ異なる３つの制御信号を出力する第１の制御信号出力部と、
前記周囲温度に依存する、１次関数に近似される温度特性を有する電圧レベルの基準制御信号を出力する第２の制御信号出力部と、
前記第１の制御信号出力部から出力された第１の制御信号と前記第２の制御信号出力部から出力された前記基準制御信号を比較して、低温度領域での前記周囲温度に依存する第１の信号を出力する第１の比較部と、
前記第１の制御信号出力部から出力された第２の制御信号と前記第２の制御信号出力部から出力された前記基準制御信号を比較して、高温度領域での前記周囲温度に依存する第２の信号を出力する第２の比較部と、
前記第１の制御信号出力部から出力された第３の制御信号と前記第２の制御信号出力部から出力された前記基準制御信号を比較して、常温度領域での前記周囲温度に依存する第３の信号を出力する第３の比較部と、
前記第１の比較部から出力された前記第１の信号の電流値を制御する第１の電流制御部と、
前記第２の比較部から出力された前記第２の信号の電流値を制御する第２の電流制御部と、
前記第１の比較部から出力され、前記第１の電流制御部によって電流値が制御された前記第１の信号、前記第２の比較部から出力され、前記第２の電流制御部によって電流値が制御された前記第２の信号、及び前記第３の比較部から出力された前記第３の信号を合成する信号合成部と、を有し、
前記制御部は、前記第１の制御信号出力部を制御して前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号の各電圧レベルを調整し、前記第１の電流制御部及び前記第２の電流制御部を制御して前記第１の信号及び前記第２の信号の各電流値を調整することを特徴とする発振装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発振装置であって、
前記温度補償部の前記信号合成部で合成された信号が前記発振部の前記可変容量素子に印加されることを特徴とする発振装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発振装置であって、
前記第２の制御信号出力部はダイオードを有し、
前記基準制御信号の電圧レベルは前記ダイオードの順方向電圧であることを特徴とする発振装置。
【請求項４】
請求項１に記載の発振装置であって、
前記第１の比較部から出力される前記第１の信号及び前記第２の比較部から出力される前記第２の信号は極性が同じであることを特徴とする発振装置。
【請求項５】
請求項１に記載の発振装置であって、
前記制御部は、前記第１の制御信号電圧レベルの調整、前記第２の制御信号の電圧レベルの調整、前記第１の信号の電流値の調整、及び前記第２の信号の電流値の調整をそれぞれ独立に行うことを特徴とする発振装置。
【請求項６】
請求項１に記載の発振装置であって、
前記制御部は、前記第１の制御信号電圧レベルの調整及び前記第２の制御信号の電圧レベルの調整を連動して行うことを特徴とする発振装置。
【請求項７】
請求項１に記載の発振装置であって、
前記制御部は、前記第１の信号の電流値の調整及び前記第２の信号の電流値の調整を連動して行うことを特徴とする発振装置。
【請求項８】
請求項１に記載の発振装置であって、
前記第１の制御信号出力部は、直列に接続された複数の抵抗を有し、
前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号の各電圧レベルは、選択可能な複数の分圧比の中から前記制御部によって選択された分圧比に基づく電圧レベルであることを特徴とする発振装置。
【請求項９】
請求項１に記載の発振装置であって、
前記第１の電流制御部及び前記第２の電流制御部は、ミラー比を変更可能なカレントミラー回路によって構成され、
前記第１の信号及び前記第２の信号の各電流値は、選択可能な複数のミラー比の中から前記制御部によって選択されたミラー比に基づく電流値であることを特徴とする発振装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の発振装置であって、
前記低温度領域は、前記第１の制御信号と前記基準制御信号の交点の温度と、前記第３の制御信号と前記基準制御信号の交点の温度の中点から低温域に設定され、
前記高温度領域は、前記第２の制御信号と前記基準制御信号の交点の温度と、前記第３の制御信号と前記基準制御信号の交点の温度の中点から高温域に設定され、
前記常温度領域は、前記低温度領域と前記高温度領域の間の領域に設定されることを特徴とする発振装置。
【請求項１１】
水晶振動子と、当該水晶振動子を発振させる請求項１〜１０のいずれか一項に記載の発振装置と、を備えたことを特徴とする発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子を利用した温度補償型の発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の携帯型電子機器には、基準クロック信号を生成するための小型で高精度な水晶発振装置が必須である。但し、水晶発振装置で用いられる水晶振動子の発振周波数は、ｎ次成分（ｎは３以上の実数）を持つ温度特性を有する。すなわち、横軸が周囲温度Ｔａ、縦軸が発振周波数ｆのグラフである図９（ａ）に示すように、温度補償を行なわない水晶発振装置の発振周波数ｆは、極大値と極小値の差が１０ｐｐｍ〜３０ｐｐｍ程度のｎ次曲線１０１Ａとなる。なお、周囲温度Ｔａは−３０℃〜＋８０℃程度を想定している。したがって、横軸が周囲温度Ｔａ、縦軸が制御電圧Ｖｃのグラフである図９（ｂ）に示す理想的な制御電圧曲線１０２Ａを生成し、当該曲線１０２Ａによって示される制御電圧Ｖｃを水晶発振装置の出力信号に重畳すれば、図９（ｃ）に示すように、ｄｆ／ｄＴａ＝０となって発振周波数ｆは実質的に温度に依存しなくなる。
【０００３】
このように、水晶発振装置における温度補償方法には、例えば、水晶発振装置に周波数調整素子である可変容量ダイオードを接続し、この可変容量ダイオードに水晶振動子の温度特性を補償するための近似ｎ次の温度特性を持つ制御電圧を印加して、発振周波数の温度特性を安定させる手法がある。但し、実際には、図９（ｂ）に示す理想的な制御電圧Ｖｃを発生させることは技術的に難しいため、一般には、擬似的な３次の温度特性を持つ制御電圧を様々な方法で発生させ、発振周波数の温度補償を行なっている。
【０００４】
図１０は、特許文献１に開示された温度補償機能付き水晶発振装置を示すブロック図である。図１０に示す温度補償機能付き水晶発振装置１０は、周囲温度に依存しない所定電圧値を生成して出力する第１のアナログ信号生成回路としての定電圧回路１２と、周囲温度に比例した電圧値を生成して出力する第２のアナログ信号生成回路としての温度センサ回路１３と、定電圧回路１２からの定電圧出力と温度センサ回路１３からの温度に比例した電圧出力を受け、周囲温度の全温度領域にわたって水晶振動子の温度特性を補償するための負の３次曲線を連続した直線を用いて折れ線近似を行なう制御電圧Ｖｃを生成する制御回路１４と、制御回路１４からの制御電圧Ｖｃを受け、該制御電圧Ｖｃにより発振周波数が所定値に制御される電圧制御水晶発振回路（以下「ＶＣＸＯ」という。）１５と、制御回路１４が出力する制御電圧Ｖｃに対して、ＶＣＸＯ１５が出力する発振周波数を最適化するために該制御電圧Ｖｃの温度特性を補償する温度補償用係数を記憶するＲＯＭ／ＲＡＭ回路１６とを備える。ここで、周囲温度は、ＶＣＸＯ１５の温度でも、水晶発振装置１０の温度でもよい。
【０００５】
水晶発振装置１０では、周囲温度のとり得る範囲が低温側から高温側にかけて連続する第１の温度領域、第２の温度領域、第３の温度領域、第４の温度領域及び第５の温度領域に順次分割されてなる５つの温度領域のそれぞれに対応する制御信号ｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４，ｙ５が定電圧回路１２と温度センサ回路１３で生成される。その制御信号ｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４，ｙ５が制御回路１４が有するＭＡＸ回路１４ａ及びＭＩＮ回路１４ｂに入力されることにより、周囲温度に依存した３次関数に近似される制御信号ｙ７が生成される。
【０００６】
図１０に示した水晶発振装置１０では、温度補償用係数を記憶するＲＯＭ／ＲＡＭ回路１６によって調整された制御信号ｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４，ｙ５がＭＡＸ回路１４ａ及びＭＩＮ回路１４ｂに入力され制御信号ｙ７が出力されるため、ＭＡＸ回路１４ａ及びＭＩＮ回路１４ｂの特性から、制御信号ｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４，ｙ５の温度特性における比例係数によっては温度補償回路の出力に温度補償用係数を精度良く反映できない可能性があるという課題がある。
【０００７】
図１１は、特許文献１に開示された水晶発振装置が備える温度補償回路を示すブロック図である。図１１に示す温度補償回路が有する関数生成回路は、図１０に示した制御回路１４と略同一の構成を有する。すなわち、関数生成回路は、定電圧回路１２及び温度センサ回路１３の出力信号に応じて、所定温度範囲内で３次の温度特性係数αに対応した３次制御電圧αＶｃを生成するＭＡＸ／ＭＩＮ回路１４Ａと、所定温度範囲内で１次の温度特性係数βに対応した１次制御電圧βＶｃを生成する１次特性回路１７と、所定温度範囲内で０次の温度特性係数γに対応した、すなわち、所定温度範囲内で温度に依存しない０次制御電圧γＶｃを生成する０次特性回路１８と、温度センサ回路１３の出力信号に応じて変曲点温度Ｔｉの値を調整して、ＭＡＸ／ＭＩＮ回路１４Ａ及び１次特性回路１７に信号を出力するＴｉ調整回路１９とを備える。
【０００８】
図１１に示した関数生成回路は、図１０に示した水晶発振装置１０が有する課題を改善すべく構成されている。すなわち、図１１に示した関数生成回路を水晶発振装置１０に適用すると、制御信号ｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４，ｙ５に対してＭＡＸ回路／ＭＩＮ回路１４Ａで３次の温度特性係数調整及び変曲点係数調整が行われた３次制御電圧αＶｃを生成する。
【０００９】
また、１次特性回路１７で１次の温度特性係数調整が行われた１次制御電圧βＶｃが出力され、０次特性回路１８で０次の温度特性係数調整が行われた０次制御電圧γＶｃが出力される。これらの制御電圧αＶｃ、βＶｃ、γＶｃを加算することにより、温度補償用係数を精度良く反映した制御信号Ｖｃを出力できる。
【００１０】
しかし、上記温度補償用係数を精度良く反映した制御信号Ｖｃを用いても、図１０に示した電圧制御水晶発振回路（ＶＣＸＯ）１５の温度特性が影響したり、水晶振動子の温度特性に３次以上の温度特性係数が存在するため、基本周波数変動誤差±０．５ｐｐｍ以内という高い精度を満足できない。
【００１１】
図１２は、特許文献１に開示された水晶発振装置における温度補償用係数変化に対する制御電圧Ｖｃの特性変化を示す図である。制御電圧Ｖｃは、下記式（１）に示す３次関数に近似される温度特性を有する。
Ｖｃ＝αｃ（Ｔ−Ｔｃ）３＋βｃ（Ｔ−Ｔｃ）＋γｃ  …（１）
（但し、Ｔは周囲温度、αｃは３次の係数、βｃは１次の係数、γｃは０次の係数、Ｔｃは制御電圧Ｖｃを示す関数の変曲点である。）
【００１２】
図１２（ａ）は、式（１）における３次の温度補償用係数αｃの変化による制御電圧Ｖｃの特性変化を示す図である。図１２（ｂ）は、式（１）における１次の温度補償用係数βｃの変化による制御電圧Ｖｃの特性変化を示す図である。図１２（ｃ）は、式（１）における０次の温度補償用係数γｃの変化による制御電圧Ｖｃの特性変化を示す図である。図１２（ｄ）は、式（１）における変曲点の温度補償用係数Ｔｃの変化による制御電圧Ｖｃの特性変化を示す図である。
【００１３】
図１３（ａ）は、図１１に示した関数生成回路が生成する制御電圧Ｖｃの特性を示す図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示す制御電圧Ｖｃと理想制御電圧の差を示す図である。図１３（ｃ）は、温度補償後の出力周波数のｆ０との誤差である基本周波数変動誤差Δｆを示す図である。
【００１４】
図１３（ａ）に示した制御電圧Ｖｃは近似３次関数生成を目的とした関数生成回路の出力信号であるが、理想３次曲線と比較すると多少の誤差がある。その要因は、半導体ＩＣ製造工程における拡散バラツキやＩＣチップ内のレイアウトによる誤差等が考えられる。制御信号Ｖｃの誤差ΔＶｃ、電圧制御水晶発振回路１５における理想１次近似からの誤差、水晶振動子における理想３次近似からの誤差により、基本周波数変動誤差Δｆは約±１ｐｐｍ程度となる。
【００１５】
【特許文献１】特許第３１６０２９９号明細書
【特許文献２】特開平８−２８８７４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ＧＰＳ機能が搭載された電子機器が備える水晶発振装置には、基本周波数変動誤差Δｆが±０．５ｐｐｍ以内の精度が必要とされる。しかし、上記説明した温度補償機能付き水晶発振装置のように、３次以下の関数生成回路を用いて水晶振動子の温度特性を近似すると、基本周波数変動誤差Δｆが±０．５ｐｐｍ以内の精度を満足できない。また、電圧制御水晶発振回路の温度特性による影響も無視できない。
【００１７】
また、上記説明した水晶発振装置は、温度補償用の制御電圧を生成するための折れ線近似にＡ／Ｄ変換を用いているため、量子化ノイズが発生し、周波数飛びから原理的に免れられない。また、クロック信号生成回路が必要であるためにクロックノイズが混入する。電子機器内で用いられる水晶発振装置は、電子機器内でさまざまな機器と混在して用いられるため、水晶発振装置から発生するノイズが他の機器に影響し、電子機器の特性の劣化及び誤動作の原因となる。そのため、低ノイズの水晶発振装置が望ましい。
【００１８】
また、上記説明したように、水晶振動子の温度特性は一般的に３次関数に近似されるが、より精度良く関数近似するためには、さらに大きい次数を考慮して近似する必要がある。また、可変容量素子を備えた電圧制御水晶発振回路の温度特性も１次関数で近似しているが、１次関数との誤差が無視できない精度となるため、同様により精度良く関数近似する必要がある。すなわち、電圧制御水晶発振回路及び水晶振動子の各温度特性に基づく温度補償を実現する必要がある。したがって、水晶発振装置で用いられる関数生成回路は、３次以下の関数に近似される制御電圧の生成ではなく、４次以上の関数に近似される制御電圧の生成を、電源電流特性やノイズ特性等の他の諸特性を悪化させることなく実現する必要がある。
【００１９】
本発明の目的は、発振回路及び水晶振動子の各温度特性に基づく高精度の温度補償を低ノイズで行うことのできる発振装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、水晶振動子を発振させる、可変容量素子を備えた発振部と、前記水晶振動子及び前記可変容量素子の各温度特性による前記発振部の発振周波数の変動を補償する温度補償部と、前記温度補償部を制御する制御部と、を備えた発振装置であって、前記温度補償部は、周囲温度に依存しない、電圧レベルがそれぞれ異なる３つの制御信号を出力する第１の制御信号出力部と、前記周囲温度に依存する、１次関数に近似される温度特性を有する電圧レベルの基準制御信号を出力する第２の制御信号出力部と、前記第１の制御信号出力部から出力された第１の制御信号と前記第２の制御信号出力部から出力された前記基準制御信号を比較して、低温度領域での前記周囲温度に依存する第１の信号を出力する第１の比較部と、前記第１の制御信号出力部から出力された第２の制御信号と前記第２の制御信号出力部から出力された前記基準制御信号を比較して、高温度領域での前記周囲温度に依存する第２の信号を出力する第２の比較部と、前記第１の制御信号出力部から出力された第３の制御信号と前記第２の制御信号出力部から出力された前記基準制御信号を比較して、常温度領域での前記周囲温度に依存する第３の信号を出力する第３の比較部と、前記第１の比較部から出力された前記第１の信号の電流値を制御する第１の電流制御部と、前記第２の比較部から出力された前記第２の信号の電流値を制御する第２の電流制御部と、前記第１の比較部から出力され、前記第１の電流制御部によって電流値が制御された前記第１の信号、前記第２の比較部から出力され、前記第２の電流制御部によって電流値が制御された前記第２の信号、及び前記第３の比較部から出力された前記第３の信号を合成する信号合成部と、を有し、前記制御部は、前記第１の制御信号出力部を制御して前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号の各電圧レベルを調整し、前記第１の電流制御部及び前記第２の電流制御部を制御して前記第１の信号及び前記第２の信号の各電流値を調整する発振装置を提供する。
【００２１】
上記発振装置では、前記温度補償部の前記信号合成部で合成された信号が前記発振部の前記可変容量素子に印加される。
【００２２】
上記発振装置では、前記第２の制御信号出力部はダイオードを有し、前記基準制御信号の電圧レベルは前記ダイオードの順方向電圧である。
【００２３】
上記発振装置では、前記第１の比較部から出力される前記第１の信号及び前記第２の比較部から出力される前記第２の信号は極性が同じである。
【００２４】
上記発振装置では、前記制御部は、前記第１の制御信号電圧レベルの調整、前記第２の制御信号の電圧レベルの調整、前記第１の信号の電流値の調整、及び前記第２の信号の電流値の調整をそれぞれ独立に行う。
【００２５】
上記発振装置では、前記制御部は、前記第１の制御信号電圧レベルの調整及び前記第２の制御信号の電圧レベルの調整を連動して行う。
【００２６】
上記発振装置では、前記制御部は、前記第１の信号の電流値の調整及び前記第２の信号の電流値の調整を連動して行う。
【００２７】
上記発振装置では、前記第１の制御信号出力部は、直列に接続された複数の抵抗を有し、前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号の各電圧レベルは、選択可能な複数の分圧比の中から前記制御部によって選択された分圧比に基づく電圧レベルである。
【００２８】
上記発振装置では、前記第１の電流制御部及び前記第２の電流制御部は、ミラー比を変更可能なカレントミラー回路によって構成され、
前記第１の信号及び前記第２の信号の各電流値は、選択可能な複数のミラー比の中から前記制御部によって選択されたミラー比に基づく電流値である。
【００２９】
上記発振装置では、前記低温度領域は、前記第１の制御信号と前記基準制御信号の交点の温度と、前記第３の制御信号と前記基準制御信号の交点の温度の中点から低温域に設定され、前記高温度領域は、前記第２の制御信号と前記基準制御信号の交点の温度と、前記第３の制御信号と前記基準制御信号の交点の温度の中点から高温域に設定され、前記常温度領域は、前記低温度領域と前記高温度領域の間の領域に設定される。
【００３０】
本発明は、水晶振動子と、当該水晶振動子を発振させる上記発振装置と、を備えた発振器を提供する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る発振装置によれば、温度補償部から出力される近似ｎ次関数（ｎは３以上の整数）の制御信号に含まれる高次成分を、制御部による前記第１の制御信号出力部、前記第１の電流制御部及び前記第２の電流制御部の制御によって調整することができるため、発振回路及び水晶振動子の各温度特性による発振周波数のバラツキを広い温度領域で高精度に補償することができる。また、制御信号に含まれる高次成分の調整は、第１の制御信号出力部の制御による近似ｎ次関数の極値、及び第１の電流制御部及び第２の電流制御部の制御による近似ｎ次関数の微分係数を変化させることによって行われるため、各次のノイズが合成されることはない。したがって、温度補償を低ノイズで行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３３】
（第１の実施形態）
図１は、一実施形態の温度補償型水晶発振装置を示すブロック図である。図１に示すように、温度補償型水晶発振装置（以下「ＴＣＸＯ」という。）は、レギュレータ回路２１と、温度補償回路５８と、制御部５１０と、電圧制御発振回路（以下「ＶＣＯ」という。）５９とを備える。温度補償回路５８は、定電圧回路５１と、温度センサ回路５２と、近似ｎ次関数生成回路５３と、１次関数生成回路５４と、０次関数生成回路５５と、変曲点調整回路５６と、加算器６１とを有する。また、ＶＣＯ５９は、増幅器６３と、可変容量素子６４とを有する。
【００３４】
レギュレータ回路２１は、電源電圧Ｖｃｃから安定化した定電圧を生成し、温度補償回路５８の定電圧回路５１とＶＣＯ５９の増幅器６３に供給する。温度補償回路５８は、周囲温度に応じて発振周波数の温度補償を行うための制御信号Ｖｃを生成する。制御部５１０は、制御信号Ｖｃの温度特性を調整するための温度補償用係数を記憶して、温度補償回路５８を制御する。温度補償回路５８によって生成された制御信号ＶｃはＶＣＯ５９に入力される。ＶＣＯ５９は、接続された水晶振動子５７を発振させて端子Ｆｏｕｔから発振信号を出力する。なお、制御信号ＶｃはＶＣＯ５９の可変容量素子６４に印加され、可変容量素子６４は、制御信号Ｖｃに応じた増幅器６３の負荷容量となる。
【００３５】
温度補償回路５８が有する近似ｎ次関数生成回路５３は、定電圧回路５１及び温度センサ回路５２からの各出力信号に応じて、ｎ次の温度特性係数に対応する近似ｎ次関数制御信号Ｖｎを生成する。また、１次関数生成回路５４は、定電圧回路５１及び温度センサ回路５２からの各出力信号に応じて、周囲温度に依存する１次関数制御信号Ｖ１を生成する。また、０次関数生成回路５５は、定電圧回路５１からの出力信号に応じて、周囲温度に依存しない０次関数制御信号Ｖ０を生成する。
【００３６】
変曲点調整回路５６は、近似ｎ次関数生成回路５３で生成される近似ｎ次関数制御信号Ｖｎの変曲点温度Ｔｉの値を調整する。加算器６１は、近似ｎ次関数生成回路５３が生成した制御信号Ｖｎ、１次関数生成回路５４が生成した制御信号Ｖ１、及び０次関数生成回路５５が生成した制御信号Ｖ０を加算して、制御信号Ｖｃを出力する。温度補償回路５８から出力された制御信号ＶｃはＶＣＯ５９に入力される。
【００３７】
図２は、図１に示した温度補償型水晶発振装置に設けられた温度補償回路５８が有する近似ｎ次関数生成回路５３の内部構成を示すブロック図である。図２に示す近似ｎ次関数生成回路５３は、低温度領域コンパレータ１１１と、高温度領域コンパレータ１１２と、常温度領域コンパレータ１１３と、低温微分係数可変回路１１４と、高温微分係数可変回路１１５と、信号合成回路１１６とを備える。
【００３８】
低温度領域コンパレータ１１１は、定電圧回路５１から出力された制御信号ＶＬと温度センサ回路５２から出力された制御信号Ｖｓを比較して、その大小関係に応じた制御信号ＩＬを出力する。高温度領域コンパレータ１１２は、定電圧回路５１から出力された制御信号ＶＨと温度センサ回路５２から出力された制御信号Ｖｓを比較して、その大小関係に応じた制御信号ＩＨを出力する。常温度領域コンパレータ１１３は、定電圧回路５１から出力された制御信号Ｖｃと温度センサ回路５２から出力された制御信号Ｖｓを比較して、その大小関係に応じた制御信号Ｉｃを出力する。
【００３９】
なお、定電圧回路５１から出力される制御信号ＶＬ，ＶＨ，Ｖｃの電圧レベルはそれぞれ異なる。図３は、定電圧回路５１を示す回路図（ａ）及び出力電圧ＶＬ，ＶＨ，Ｖｃの温度特性を示す図（ｂ）である。図３（ａ）に示すように、定電圧回路５１は、直列に接続された複数の抵抗を有し、制御信号ＶＬ，ＶＨ，Ｖｃの電圧は分圧比によって決定される。また、定電圧回路５１は、３つの異なる分圧比から１つの分圧比を選択するスイッチ部を２つ有する。２つのスイッチ部の一方は制御信号ＶＬの電圧レベルを選択するために設けられ、他方は制御信号ＶＨの電圧レベルを選択するために設けられている。２つのスイッチ部は、制御部５１０からの信号（ＶＬ制御信号、ＶＨ制御信号）によって制御される。
【００４０】
また、温度センサ回路５２から出力される制御信号Ｖｓの電圧レベルは周囲温度によって変化する。図４は、温度センサ回路５２を示す回路図（ａ）及び出力電圧Ｖｓの温度特性を示す図（ｂ）である。図４（ａ）に示すように、温度センサ回路５２は、約−４ｍＶ／℃の１次の温度特性を持つダイオード２２を有する。なお、温度センサ回路５２は、バンドギャップリファレンスのＶｔに比例した電流を使用したセンサや、抵抗の温度特性を使用したセンサであっても良い。本実施形態では、図４（ｂ）に示すように、温度センサ回路５２から出力される制御信号Ｖｓの電圧レベルの温度特性は、負の１次関数によって表される。ダイオードの個数により、温度センサ回路５２の出力バイアス、及び１次の温度特性の傾きが変化する。
【００４１】
低温微分係数可変回路１１４は、制御部５１０から出力された低温制御信号に応じて、低温度領域コンパレータ１１１から出力された制御信号ＩＬの電流値を調整して、制御信号ＩＬ′を出力する。また、高温微分係数可変回路１１５は、制御部５１０から出力された高温制御信号に応じて、高温度領域コンパレータ１１２から出力された制御信号ＩＨの電流値を調整して、制御信号ＩＨ′を出力する。
【００４２】
信号合成回路１１６は、低温微分係数可変回路１１４から出力された制御信号ＩＬ′、常温度領域コンパレータ１１３から出力された制御信号Ｉｃ及び高温微分係数可変回路１１５から出力されたＩＨ′を合成して、近似ｎ次関数制御信号Ｖｎを出力する。図５は、近似ｎ次関数生成回路５３が有する信号合成回路１１６を示す回路図である。信号合成回路１１６では、入力された入力電圧Ｖｎｌ、Ｖｎｃの中で最大電圧を選択し、Ｖｎ１を出力する。その後、その電圧出力Ｖｎ１、Ｖｎｈの中で最小電圧を選択し、電圧出力Ｖｎを出力する。
【００４３】
図６は、温度補償回路５８が有する近似ｎ次関数生成回路５３によって生成される制御信号Ｖｎ及び各温度領域の原理を説明する図である。図６（ａ）に示すように、図３（ｂ）に示した定電圧回路５１の出力電圧ＶＬ，ＶＨ，Ｖｃと図４（ｂ）に示した温度センサ回路５２の出力電圧Ｖｓを比較して、これら電圧の交点を求める。次に、図６（ｃ）に示すように、出力電圧ＶＬと出力電圧Ｖｓとの交点ＰＬの温度ＴＰＬ、出力電圧Ｖｃと出力電圧Ｖｓとの交点Ｐｃの温度ＴＰｃ、及び出力電圧ＶＨと出力電圧Ｖｓとの交点ＰＨの温度ＴＰＨを求める。次に、温度ＴＰＬと温度ＴＰｃの中点から低温域を本実施形態における低温度領域に設定し、温度ＴＰＬと温度ＴＰｃの中点から温度ＴＰｃと温度ＴＰＨの中点までを本実施形態における常温度領域に設定し、温度ＴＰｃと温度ＴＰＨの中点から高温域を本実施形態における高温度領域に設定する。このようにして設定された各温度領域が、近似ｎ次関数生成回路５３が有する各コンパレータの動作温度範囲となる。
【００４４】
次に、図６（ｂ）に示すように、温度領域毎に、温度センサ回路５２の出力電圧Ｖｓと各温度領域の定電圧回路５１の出力電圧との差を出力する。すなわち、近似ｎ次関数生成回路５３が有する低温度領域コンパレータ１１１は、低温度領域で出力電圧Ｖｓと出力電圧ＶＬの差を出力し、常温度領域コンパレータ１１３は、常温度領域で出力電圧Ｖｓと出力電圧Ｖｃの差を出力し、高温度領域コンパレータ１１２は、高温度領域で出力電圧Ｖｓと出力電圧ＶＨの差を出力する。
【００４５】
上述したように、低温度領域コンパレータ１１１の出力は低温微分係数可変回路１１４を介し、高温度領域コンパレータ１１２の出力は高温微分係数可変回路１１５を介して信号合成回路１１６に入力される。低温微分係数可変回路１１４及び高温微分係数可変回路１１５は、図２に示したように、カレントミラー回路によって構成されており、カレントミラー回路の出力は正負反転して得られる。したがって、低温微分係数可変回路１１４を介した低温度領域コンパレータ１１１の出力及び高温微分係数可変回路１１５を介した高温度領域コンパレータ１１２の出力はそれぞれ正負反転されて信号合成回路１１６に入力される。信号合成回路１１６は、各温度領域の上記出力より、図６（ｂ）に示す近似３次曲線の制御信号Ｖｎを生成することができる。
【００４６】
水晶振動子５７は、下記式（２）に示すｎ次関数に近似される温度特性を有する。
Ｆｃ＝ａｎ（Ｔ−Ｔｘ）ｎ＋ａｎ−１（Ｔ−Ｔｘ）ｎ−１＋・・・＋ｂ（Ｔ−Ｔｘ）＋ｃ  …（２）
（但し、Ｆｃは水晶振動子５７の出力周波数、Ｔは周囲温度、ａｎはｎ次の係数、ｂは１次の係数、ｃは０次の係数、Ｔｘは出力周波数Ｆｃを示す関数の変曲点である。）
【００４７】
可変容量素子６４を有するＶＣＯ５９は、下記式（３）に示すｎ次関数に近似される温度特性を有する。
Ｆｄ＝ｄｎ（Ｔ−Ｔ１）ｎ＋ｄｎ−１（Ｔ−Ｔ１）ｎ−１＋・・・＋ｅ（Ｔ−Ｔ１）＋ｇ  …（３）
【００４８】
（但し、ＦｄはＶＣＯ５９の出力周波数、Ｔは周囲温度、ｄｎはｎ次の係数、ｅは１次の係数、ｇは０次の係数、Ｔ１は出力周波数Ｆｄを示す関数の変曲点である。）
【００４９】
上記式（２）及び式（３）より、水晶振動子５７と可変容量素子６４を備えたＶＣＯ５９全体の温度特性は、下記式（４）に示すｎ次関数に近似される。
Ｆ＝αｎ（Ｔ−Ｔ０）ｎ＋αｎ−１（Ｔ−Ｔ０）ｎ−１＋・・・＋β（Ｔ−Ｔ０）＋γ  …（４）
（但し、Ｆは水晶振動子を発振させたＶＣＯ５９の出力周波数、Ｔは周囲温度、αｎはｎ次の係数、βは１次の係数、γは０次の係数、Ｔ０は出力周波数Ｆを示す関数の変曲点である。）
【００５０】
本実施形態のＴＣＸＯ（温度補償型水晶発振装置）は、上記説明した温度特性を有した水晶振動子５７及び可変容量素子６４を含む回路全体の温度特性を温度補償回路５８で補償することにより、周囲温度の高低にかかわらず一定の発振周波数を出力する。上述したように、本実施形態の温度補償回路５８は、近似ｎ次関数生成回路５３、１次関数生成回路５４及び０次関数生成回路５５を有し、これらの回路で生成された制御信号をＶＣＯ５９の可変容量素子にを印加することにより、水晶振動子５７及び可変容量素子６４が持つ温度特性の温度補償を行っている。なお、ｎは３以上の整数である。
【００５１】
図７は、温度補償型水晶発振装置に設けられた温度補償回路５８が有する近似ｎ次関数生成回路５３の出力波形と定電圧回路５１の回路図とを示す。制御部５１０から出力されたＶＬ制御信号及びＶＨ制御信号によって、近似ｎ次関数生成回路５３が有する低温度領域コンパレータ１１１の入力信号ＶＬ及び高温度領域コンパレータ１１２の入力信号ＶＨをそれぞれ制御することで、各コンパレータの動作温度範囲を変化させ、近似ｎ次関数生成回路５３の出力信号の極値を変化させ、３次以上の係数を変化させる。なお、ＶＬ制御信号及びＶＨ制御信号は、制御部５１０がそれぞれ独立に制御しても、連動して制御しても良い。
【００５２】
図７（ｂ）に示す例は、定電圧回路５１の出力電圧ＶＬ，ＶＨを標準値に設定した場合を示す図である。図７（ａ）に示す例は、図７（ｂ）に示した例と比較して、定電圧回路５１の出力電圧ＶＬを高くし、出力電圧ＶＨを低く設定した場合を示す図である。また、図７（ｃ）に示す例は、図７（ｂ）に示した例と比較して、定電圧回路５１の出力電圧ＶＬを低くし、出力電圧ＶＨを高く設定した場合を示す図である。
【００５３】
図７（ａ）に示すように、出力電圧ＶＬを高く設定すると、図６に示した出力電圧ＶＬと出力電圧Ｖｓとの交点ＰＬが移動し、交点ＰＬの温度ＴＰＬが低くなるため、温度ＴＰＬと温度ＴＰｃの中点も低くなる。その結果、低温度領域及び常温度領域が変化して、近似ｎ次関数生成回路５３の出力信号の極大値が上がる。同様に、出力電圧ＶＨを低く設定すると、図６に示した出力電圧ＶＨと出力電圧Ｖｓとの交点ＰＨが移動し、交点ＰＨの温度ＴＰＨが高くなるため、温度ＴＰＨと温度ＴＰｃの中点も高くなる。その結果、高温度領域及び常温度領域が変化して、近似ｎ次関数生成回路５３の出力信号の極小値が下がる。
【００５４】
このように、定電圧回路５１の出力電圧ＶＬ，ＶＨを制御することによって、各コンパレータの動作温度範囲を変化させ、近似ｎ次関数生成回路５３の出力信号の極値を変化させることができるため、近似ｎ次関数生成回路５３の出力信号の３次以上の係数を変化させることができる。
【００５５】
図８は、温度補償型水晶発振装置に設けられた温度補償回路５８が有する近似ｎ次関数生成回路５３の出力波形と、近似ｎ次関数生成回路５３が有する低温微分係数可変回路１１４及び高温微分係数可変回路１１５の各回路図とを示す。制御部５１０から出力された低温制御信号及び高温制御信号によって、近似ｎ次関数生成回路５３が有する低温度領域コンパレータ１１１の出力信号ＩＬ及び高温度領域コンパレータ１１２の出力信号ＩＨをそれぞれ制御することで、近似ｎ次関数生成回路５３の出力信号の低温、高温それぞれの微分係数を変化させ、３次以上の係数を変化させる。なお、低温制御信号及び高温制御信号は、制御部５１０がそれぞれ独立に制御しても、連動して制御しても良い。
【００５６】
図８（ｂ）に示す例は、低温微分係数可変回路１１４及び高温微分係数可変回路１１５の設定が標準の場合を示す図である。図８（ａ）に示す例は、図８（ｂ）に示した例と比較して、低温微分係数可変回路１１４から出力される制御信号ＩＬ′の電流値及び高温微分係数可変回路１１５から出力される制御信号ＩＨ′の電流値を低くした場合を示す図である。また、図８（ｃ）に示す例は、図８（ｂ）に示した例と比較して、低温微分係数可変回路１１４から出力される制御信号ＩＬ′の電流値及び高温微分係数可変回路１１５から出力される制御信号ＩＨ′の電流値を高くした場合を示す図である。
【００５７】
図８（ａ）に示すように、低温微分係数可変回路１１４及び高温微分係数可変回路１１５におけるカレントミラー回路のミラー比を小さくすると、低温微分係数可変回路１１４から出力される制御信号ＩＬ′の電流値及び高温微分係数可変回路１１５から出力される制御信号ＩＨ′の電流値は小さくなるため、低温度領域及び高温度領域の制御信号Ｖｎを示す直線の傾きは小さくなる。一方、図８（ｃ）に示すように、低温微分係数可変回路１１４及び高温微分係数可変回路１１５におけるカレントミラー回路のミラー比を大きくすると、低温微分係数可変回路１１４から出力される制御信号ＩＬ′の電流値及び高温微分係数可変回路１１５から出力される制御信号ＩＨ′の電流値は大きくなるため、低温度領域及び高温度領域の制御信号Ｖｎを示す直線の傾きは大きくなる。なお、低温度領域及び高温度領域の制御信号Ｖｎを示す直線の傾きの変化は、制御信号Ｖｎの４次以上の成分の変化を意味する。
【００５８】
このように、低温微分係数可変回路１１４及び高温微分係数可変回路１１５におけるカレントミラー回路のミラー比を制御することによって、近似ｎ次関数生成回路５３の出力信号の低温、高温それぞれの微分係数を変化させることができるため、近似ｎ次関数生成回路５３の出力信号の３次以上の係数を変化させることができる。
【００５９】
上記説明した図７に示す極値制御及び図８に示す微分係数制御を複合的に使用することにより、近似ｎ次関数生成回路５３から出力されるｎ次係数を持つ制御信号の３次以上のそれぞれの係数を複合的に変化させることができる。このため、水晶振動子５７及び可変容量素子６４を含むＴＣＸＯから出力される信号の周波数の温度特性データを予め取得し、そのデータをもとに、極値制御のために制御部５１０から出力されるＶＬ制御信号及びＶＨ制御信号の各最適値と、微分係数制御のために制御部５１０から出力される低温制御信号及び高温制御信号の各最適値とを求めておけば、周囲温度に応じて最適な温度補償を行うことができる。
【００６０】
一方、温度補償回路５８で発生するノイズに関して、本実施形態の近似ｎ次関数生成回路５３による効果を説明する。国際公開第ＷＯ２００４／０２５８２４号パンフレットの図２に示される近似５次関数発生装置は、５次成分発生部、４次成分発生部、３次成分発生部及び１次成分発生部の各出力信号を合成する。この場合、各成分発生部の出力信号に含まれるノイズも合成されるため、低温、高温のノイズが悪化する。しかし、本実施形態の近似ｎ次関数生成回路は、ｎ次関数に近似される出力信号を、極値制御によって極値を変化させ、微分係数制御によって低温及び高温の各微分係数を変化させるため、このようなノイズの合成がない。したがって、本実施形態によれば、低ノイズで温度補償を行うことができる。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態のＴＣＸＯによれば、常温付近のノイズを悪化させず、低温及び高温付近のノイズの悪化を抑制しつつ、かつ、近似ｎ次関数の制御信号Ｖｎを制御した高精度な温度補償を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係る発振装置は、水晶振動子を利用した温度補償型発振装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】一実施形態の温度補償型水晶発振装置を示すブロック図
【図２】図１に示した温度補償型水晶発振装置に設けられた温度補償回路５８が有する近似ｎ次関数生成回路５３の内部構成を示すブロック図
【図３】定電圧回路５１を示す回路図（ａ）及び出力電圧ＶＬ，ＶＨ，Ｖｃの温度特性を示す図（ｂ）
【図４】温度センサ回路５２を示す回路図（ａ）及び出力電圧Ｖｓの温度特性を示す図（ｂ）
【図５】近似ｎ次関数生成回路５３が有する信号合成回路１１６を示す回路図
【図６】温度補償回路５８が有する近似ｎ次関数生成回路５３によって生成される制御信号Ｖｎ及び各温度領域の原理を説明する図
【図７】温度補償型水晶発振装置に設けられた温度補償回路５８が有する近似ｎ次関数生成回路５３の出力波形と定電圧回路５１の回路図
【図８】温度補償型水晶発振装置に設けられた温度補償回路５８が有する近似ｎ次関数生成回路５３の出力波形と、近似ｎ次関数生成回路５３が有する低温微分係数可変回路１１４及び高温微分係数可変回路１１５の各回路図
【図９】水晶発振装置の発振周波数の温度特性図
【図１０】特許文献１に開示された温度補償機能付き水晶発振装置を示すブロック図
【図１１】特許文献１に開示された水晶発振装置が備える温度補償回路を示すブロック図
【図１２】特許文献１に開示された水晶発振装置における温度補償用係数変化に対する制御電圧Ｖｃの特性変化を示す図
【図１３】図１１に示した関数生成回路が生成する制御電圧Ｖｃの特性を示す図（ａ）、図１３（ａ）に示す制御電圧Ｖｃと理想制御電圧の差を示す図（ｂ）、及び温度補償後の出力周波数のｆ０との誤差である基本周波数変動誤差Δｆを示す図（ｃ）
【符号の説明】
【００６４】
２１  レギュレータ回路
５１  定電圧回路
５２  温度センサ回路
５３  近似ｎ次関数生成回路
５４  １次関数生成回路
５５  ０次関数生成回路
５６  変曲点調整回路
５７  水晶振動子
５８  温度補償回路
５９  電圧制御発振回路（ＶＣＯ）
６３  増幅器
６４  可変容量素子
５１０  制御部
１１１  低温度領域コンパレータ
１１２  高温度領域コンパレータ
１１３  常温度領域コンパレータ
１１４  低温微分係数可変回路
１１５  高温微分係数可変回路
１１６  信号合成回路
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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