(57)【要約】【課題】圧電発振器の温度補償精度、小型化、低消費電流等を満たすと共に、位相雑音特性を改善した温度補償型圧電発振器を得る。【解決手段】温度を検出する温度センサ６と、温度センサ６の温度検出結果に応じて複数の補償電圧を発生する補償電圧発生回路７と、少なくとも圧電振動子ＸとＭＯＳ容量素子を備え、補償電圧発生回路７からの補償電圧をＭＯＳ容量素子に印加することにより所定の発振周波数で発振する発振する圧電発振器５と、温度センサ６の出力に基づいて、補償電圧発生回路７から出力される複数の補償電圧の何れかを選択し、選択した補償電圧に重畳するノイズを除去するノイズ除去回路８とを備えるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの温度検出結果に基づいて複数の補償電圧を発生する補償電圧発生回路と、
少なくとも、圧電振動子とＭＯＳ容量素子を備え、前記補償電圧発生回路からの補償電圧を前記ＭＯＳ容量素子に印加することにより所定の発振周波数で発振する圧電発振回路と、
前記補償電圧発生回路から出力される複数の補償電圧のうち、前記温度センサの温度検出結果に基づいて何れかの補償電圧を少なくとも一つ選択し、前記選択した補償電圧に重畳するノイズを除去するノイズ除去回路と、
を備えることを特徴とする温度補償型圧電発振器。
【請求項２】
前記ノイズ除去回路は、前記温度センサの温度検出結果に基づき前記複数の補償電圧の中から何れか一つを選択して出力する選択回路と、前記選択回路から出力された補償電圧に重畳するノイズを除去する容量素子と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の温度補償型圧電発振器。
【請求項３】
前記補償電圧発生回路は二つの補償電圧を発生するものであって、前記ノイズ除去回路は、前記温度センサの信号を２値化した信号に基づいて前記選択回路により選択を行うことを特徴とする請求項２に記載の温度補償型圧電発振器。
【請求項４】
前記選択回路は、ヒステリシス特性を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の温度補償型圧電発振器。
【請求項５】
前記圧電振動子以外の回路がＩＣ化されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の温度補償型圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の通信機器に用いられる温度補償型圧電発振器に関し、特に電子回路で発生したベースバンドノイズを抑圧した低位相雑音化を図るのに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電発振器は周波数安定度、小型軽量、低価格等により携帯電話等の通信機器から水晶時計のような民生機器まで、多くの分野で用いられている。中でも圧電振動子の周波数温度特性を補償した温度補償型圧電発振器（ＴＣＸＯ）は、周波数安定度を必要とする携帯電話等に広く用いられている。
このうち、サーミスタの抵抗温度特性を利用したデスクリートタイプの温度補償型圧電発振器（以下、直接型ＴＣＸＯと称する）は、一般的な間接型ＴＣＸＯのように温度補償電圧を必要としないため、ベースバンドノイズが発振回路に重畳せず、位相雑音特性に優れている。しかし、直接型ＴＣＸＯはデスクリート部品で回路を構成することから、小型化に限界があり、今日では圧電振動子以外をＩＣ化した間接型ＴＣＸＯが主流となっている。
【０００３】
また、間接型ＴＣＸＯは、補償電圧発生回路で生成した電圧を可変容量素子に印加して、その容量を変化させ、圧電振動子の周波数温度特性を補償する圧電発振器である。圧電振動子にＡＴカット水晶振動子を用いる場合は、その周波数温度特性が３次曲線を呈することから、補償電圧も３次曲線となる電圧を生成する必要がある。しかし、この補償方法は、位相雑音特性の面からみると補償電圧から発生するベースバンドノイズが発振回路に重畳するため、ＴＣＸＯの位相雑音特性が劣化するという問題があった。
【０００４】
特許文献１には、補償方式を変えて位相雑音の低減化を図ったＴＣＸＯが開示されている。この補償方式では可変容量素子の非線形な領域を使用することで、補償電圧には線形の電圧を用いることが可能となり、位相雑音の低減化が実現できる。つまり、可変容量素子が線形、補償電圧が非線形という従来の方式と逆の補償方式である。
図４は、特許文献１に開示された温度補償型圧電発振器の回路構成であり、温度補償発振器３０は、圧電振動子Ｘ、ＭＯＳ型容量素子及び増幅回路を有するコルピッツ型水晶発振器３１と、温度センサ３２と、補償電圧発生回路３３と、を備えている。コルピッツ型水晶発振器３１の圧電振動子Ｘと接地間に接続される可変容量回路は、低温補償用のＭＯＳ型容量素子ＭＬと高温補償用のＭＯＳ型容量素子ＭＨとが、共に同一極性方向に直列に接続され、更に直流阻止用の容量Ｃ３を介して接地されている。そして、低温補償用容量素子ＭＬ、高温補償用容量素子ＭＨには夫々抵抗Ｒ４、Ｒ５を介して低温用補償電圧ＶＬ、高温用補償電圧ＶＨが供給され、容量素子ＭＬ、ＭＨの接点には抵抗Ｒ３を介して基準電圧Ｖｒｅｆが印加されるように構成されている。ＭＯＳ容量素子のゲート電圧と容量との関係の一例は、周知のように図５に示すようなゲート電圧−容量特性を呈する。
【０００５】
例えば、低温用補償電圧ＶＬは、２５℃以下の範囲では０．５Ｖ〜３Ｖの範囲で一次的に変化し、且つ２５℃以上ではほぼ一定の０．５Ｖとなるような電圧とする。また高温度補償電圧ＶＨは、２５℃以上の範囲では０．５Ｖ〜３Ｖの範囲で一次的に変化し、且つ２５℃以下ではほぼ一定の０．５Ｖとなるような電圧とする。この補償方式の補償電圧は、低温用補償電圧、高温用補償電圧と２つの補償電圧を必要とするが、温度に対して直線的に変化する線形電圧を生成すればよく、回路構成が簡素化され、ベースバンドノイズを低減することができる。
【特許文献１】特開２００１−６０８２８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、近年、温度補償型圧電発振器の位相雑音に関する客先要求は一段と厳しくなり、特許文献１で開示されている温度補償型圧電発振器の補償方式でも、位相雑音特性に関する要求仕様を満たさないという問題があった。これは温度補償型圧電発振器の発振周波数の高周波化の要求もあり、周知のように周波数が２倍になると理論的には位相雑音は６ｄＢ劣化するからである。
位相雑音を低減するには、補償電圧発生回路から生じる補償電圧ノイズを低減するか、発振回路の周波数可変感度を下げる方法がある。しかし、補償電圧ノイズを低減するには、補償電圧発生回路の電流を増やすことが必要であったり、ＩＣを構成する素子のサイズを大きくする必要があるなど、ＴＣＸＯの小型化、低消費電流化の要求に逆行することになる。また、発振回路の周波数可変感度を下げる方法では、周波数の温度補償量に影響を及ぼし、使用できる振動子が制限されるなど、位相雑音特性以外の問題が生じる虞がある。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、周波数の温度補償精度、小型化、低消費電流等を満たしながら、位相雑音特性を改善した温度補償型圧電発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の温度補償型圧電発振器は、温度を検出する温度センサと、前記温度センサの温度検出結果に基づいて複数の補償電圧を発生する補償電圧発生回路と、少なくとも、圧電振動子とＭＯＳ容量素子を備え、前記補償電圧発生回路からの補償電圧を前記ＭＯＳ容量素子に印加することにより所定の発振周波数で発振する圧電発振回路と、前記補償電圧発生回路から出力される複数の補償電圧のうち、前記温度センサの温度検出結果に基づいて何れかの補償電圧を少なくとも一つ選択し、前記選択した補償電圧に重畳するノイズを除去するノイズ除去回路と、を備えることを特徴とする。
このような本発明によれば、ノイズ除去回路によりベースバンドノイズの少ない温度補償型圧電発振器を実現することができる。
【０００８】
本発明の温度補償型圧電発振器は、前記ノイズ除去回路は、前記温度センサの温度検出結果に基づき前記複数の補償電圧の中から何れか一つを選択して出力する選択回路と、前記選択回路から出力された補償電圧に重畳するノイズを除去する容量素子と、を備えることを特徴とする。
このような本発明によれば、ノイズ除去回路によりベースバンドノイズの少ない温度補償型圧電発振器を実現することができる。
【０００９】
また本発明の温度補償型圧電発振器は、前記補償電圧発生回路は二つの補償電圧を発生するものであって、前記ノイズ除去回路は、前記温度センサの信号を２値化した信号に基づいて前記選択回路により選択を行うことを特徴とする。
このような本発明によれば、温度に連動して選択回路を確実に動作させることが可能となる。
【００１０】
本発明の温度補償型圧電発振器は、選択回路が、ヒステリシス特性を有することを特徴とする。
このような本発明によれば、選択回路の切替温度付近における温度変化に対し、切替スイッチのばたつきを防止することが可能となり、スイッチ動作を安定にすることができる。
【００１１】
本発明の温度補償型圧電発振器は、圧電振動子以外の回路がＩＣ化されていることを特徴とする。
このような本発明によれば、温度補償型圧電発振器は大幅に小型化されると共に、良好な周波数温度特性を有し、ベースバンドノイズの少ない温度補償型圧電発振器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る温度補償型圧電発振器の構成を示した図である。
この図１に示すように、本実施の形態に係る温度補償型圧電発振器１は、圧電発振回路５、温度センサ６、補償電圧発生回路７、及びノイズ除去回路８を備える。
圧電発振器５は、圧電振動子Ｘ、ＭＯＳ容量素子、増幅回路を有するコルピッツ型水晶発振器である。圧電発振回路５では、抵抗Ｒ１を介してトランジスタＴｒのコレクタを電源Ｖｃｃに接続し、抵抗Ｒｅを介してトランジスタＴｒのエミッタを接地し、トランジスタＴｒのベース−接地間に容量Ｃ１、Ｃ２の直列接続回路を接続する。更に、容量Ｃ１、Ｃ２の直列接続回路の中点とトランジスタＴｒのエミッタとを接続し、コレクタとベース間を抵抗Ｒ２で接続する。
そして、低温補償用ＭＯＳ型容量素子ＭＬと高温補償用ＭＯＳ型容量素子ＭＨとは、共に同一極性方向に直列に接続し、さらにその直列回路の一方の端子は一端が接地された直流阻止用の容量Ｃ３の他端に接続し、他方の端子は圧電振動子Ｘを介してトランジスタＴｒのベースに接続する。更に、低温補償用ＭＯＳ型容量素子ＭＬと高温補償用ＭＯＳ型容量素子ＭＨとの接点に、抵抗Ｒ３を介して基準電圧Ｖｒｅｆを印加するようにしている。なお、圧電発振器５の出力はトランジスタのエミッタから容量Ｃｏを介して出力する。
【００１３】
低温補償用ＭＯＳ型容量素子ＭＬと圧電振動子Ｘとの接点には、抵抗Ｒ４を介して低温補償電圧ＶＬが、高温補償用ＭＯＳ型容量素子ＭＨと容量Ｃ３の接点には抵抗Ｒ５を介して高温補償電圧ＶＨが、補償電圧発生回路７から供給される。
温度センサ６は、例えばサーミスタやダイオードセンサーなどにより構成され、当該温度補償型圧電発振器１の周囲温度を検出する。
補償電圧発生回路７は温度センサ６の温度検出結果に基づいて低温補償電圧ＶＬと高温補償電圧ＶＨとを出力するが、例えば常温以下の低温部では低温補償電圧ＶＬが支配的であり、該電圧ＶＬと基準電圧Ｖｒｅｆとの差がＭＯＳ型容量素子ＭＬに印加されて、その容量を変化させて圧電振動子Ｘの周波数を補償する。一方、常温以上の高温部では高温補償電圧ＶＨが支配的となり、基準電圧Ｖｒｅｆと高温補償電圧ＶＨとの差がＭＯＳ型容量素子ＭＨに印加され、その容量を変化させて圧電振動子Ｘの周波数を補償する。
【００１４】
本実施の形態の温度補償型圧電発振器１は、補償電圧発生回路７の出力部に、ノイズ除去回路８を設けた点に特徴がある。ノイズ除去回路８は、選択回路を構成する制御回路９及び切替スイッチ（ＳＷ）１０と、フィルタ回路を構成する容量素子Ｃ５及び抵抗Ｒ６、Ｒ７により構成される。
抵抗Ｒ６は補償電圧発生回路７の低温補償電圧を出力する出力ラインに挿入され、抵抗Ｒ７は補償電圧発生回路７の高温補償電圧を出力する出力ラインに挿入される。
Ａ／Ｄ回路９は、温度センサ６の出力電圧に基づき切替スイッチ１０に切替信号を出力する。切替スイッチ１０は、接点Ａが抵抗Ｒ７の一端に接続され、接点Ｂが抵抗Ｒ６の一端に接続される。また接点Ｃは一方が接地された容量素子Ｃ５に接続される。
【００１５】
このように構成されるノイズ除去回路８では、温度センサ６の出力電圧に基づき制御回路９より切替信号が出力され、この切替信号により切替スイッチ１０が容量素子Ｃ５の接続先を抵抗Ｒ６、Ｒ７の何れか一方に選択するように動作する。例えば、常温以下の温度では、切替スイッチ１０が接点Ｂに接続され、容量素子Ｃ５は補償電圧発生回路７の低温補償電圧を出力する出力ラインに接続される。また、常温以上の温度では切替スイッチ１０は、接点Ａに接続され、容量素子Ｃ５は補償電圧発生回路７の高温補償電圧を出力する出力ラインに接続される。
【００１６】
図２（ａ）は、上記した制御回路の構成例を示した図である。
この図に示す制御回路９は、コンパレータ１１と、３つの抵抗Ｒ１０、Ｒ１１及びＲ１２により構成され、コンパレータ１１の出力端子と＋入力端子との間に抵抗Ｒ１２が接続されている。コンパレータ１１の−入力端子には、温度センサ６の出力電圧Ｖｓが抵抗Ｒ１０を介して入力され、コンパレータ１１の＋入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆ１が抵抗Ｒ１１を介して入力される。ここで、温度センサ６が常温のときに呈する出力電圧Ｖｓと同じ電圧を基準電圧Ｖｒｅｆ１する。
【００１７】
図２（ｂ）は、温度センサ６の温度−出力電圧特性を示した図、図２（ｃ）は、図２（ａ）に示す制御回路９の入力電圧−出力電圧特性を示した図である。
制御回路９の出力電圧レベル（ハイ電圧又はロー電圧）は、コンパレータの種類、電源電圧等で決まるが、そのハイ電圧をＶHI、ロー電圧をＶLOとすると、制御回路９から出力される出力電圧Ｖｃｎｔは、図２（ｃ）に示すヒステリシス特性を有し、その切替電圧Ｖ１、Ｖ２は、周知のように、基準電圧Ｖｒｅｆ１、ハイ電圧をＶHI、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２を用いて、
Ｖ１＝Ｖｒｅｆ１−（ＶHI＋Ｖｒｅｆ１）×Ｒ１１／（Ｒ１１＋Ｒ１２）・・（１）
Ｖ２＝Ｖｒｅｆ１−（ＶHI−Ｖｒｅｆ１）×Ｒ１１／（Ｒ１１＋Ｒ１２）・・（２）
と表すことができる。
【００１８】
いま、温度センサ６の周囲の温度が低温度範囲（常温、例えば２５℃から−３０℃の範囲）である場合には、温度センサ６の出力電圧Ｖｓは基準電圧Ｖｒｅｆ１より高いので、制御回路９の出力電圧Ｖｃｎｔはロー電圧ＶLOになる。一方、温度センサ６が高温度範囲（常温から８０℃の範囲）では、温度センサ６の出力電圧Ｖｓは基準電圧Ｖｒｅｆ１より低くなるので、制御回路９の出力電圧Ｖｃｎｔはハイ電圧ＶHIになる。
更に詳しく説明すれば、制御回路９の出力電圧Ｖｃｎｔは、温度センサ６の温度が低温度範囲（−３０℃〜常温）にある場合、つまり、温度センサ６の出力電圧Ｖｓが、温度センサ６が常温のときに呈する基準電圧Ｖｒｅｆ１より高い場合には、出力電圧Ｖｃｎｔはロー電圧ＶLOの状態である。温度が上昇して常温より高くなり、温度センサ６の出力電圧Ｖｓは基準電圧Ｖｒｅｆ１より下がるが、温度センサ６の出力電圧Ｖｓが式（１）で示す切替電圧Ｖ１に達するまで、制御回路９の出力電圧Ｖｃｎｔはロー電圧ＶLOの状態を継続する。温度センサ６の出力電圧Ｖｓが切替電圧Ｖ１より低く成る際に、出力電圧Ｖｃｎｔはロー電圧ＶLOからハイ電圧ＶHIに急激に変化する。
【００１９】
逆に、温度センサ６の温度が高温度範囲（常温〜８０℃）ある場合には、温度センサ６の出力電圧Ｖｓは基準電圧Ｖｒｅｆ１より低いため、制御回路９の出力電圧Ｖｃｎｔはハイ電圧ＶHIとなる。温度センサ６の温度が下降し、常温より低くなると、温度センサ６の出力電圧Ｖｓは基準電圧Ｖｒｅｆ１より高くなるが、出力電圧Ｖｓが式（２）で示す切替電圧Ｖ２に達するまで、Ａ／Ｄ回路９の出力電圧Ｖｃｎｔはハイ電圧ＶHIの状態を継続する。
温度センサ６の出力電圧Ｖｓが切替電圧Ｖ２より高くなる際にＡ／Ｄ回路９の出力電圧Ｖｃｎｔはハイ電圧ＶHIからロー電圧ＶLOに急激に変化する。つまり、Ａ／Ｄ回路９の出力電圧Ｖｃｎｔは、温度センサ６の出力Ｖｓに対してヒステリシス曲線を呈することになる。
【００２０】
以上のように、制御回路９の入力電圧Ｖｓ−出力電圧Ｖｃｎｔ特性に、温度センサ６の電圧Ｖｓに対して常温を中心としたヒステリシス特性を持たせる理由は次の通りである。本実施形態の温度補償型圧電発振器は、ＭＯＳ容量素子の特性と関連して、常温近傍を境として、常温より低い場合には低温補償電圧ＶＬがＭＯＳ容量素子ＭＬの容量変化が大きくなるような電圧値となるため、温度補償の支配的となり、常温より高い場合には高温部補償電圧ＶＨがＭＯＳ容量素子ＭＨの容量変化が大きくなるような電圧値となるため、温度補償の支配的となる。ここで支配的とは、温度変化に対し補償電圧特性は１次関数であるが、電圧に対して容量変化が非線形であるＭＯＳ容量素子の、容量変化が急峻になる電圧が印加される状態になるため、発振周波数が大きく変化するいわゆる感度が高い状態であることを意味する。発振器の位相雑音はＭＯＳ容量素子の容量変化による周波数可変感度と、ＭＯＳ容量素子に印加される電圧のベースバンドノイズで決まる。よって、支配的となる方の補償電圧に接続する抵抗の方に、容量素子Ｃ５を接続して、周知のＲＣローパスフィルタを構成し、ベースバンドノイズの除去を図ったのである。
【００２１】
図３（ａ）は制御回路９の他の構成例を示した図である。
この図に示す制御回路９は、インバータ回路１２を２段縦続接続し、一段目の入力に抵抗Ｒ１５接続し、一段目の入力と２段目の出力とを抵抗Ｒ１６で接続して構成するようにしている。この場合も、入力電圧Ｖｓ−出力電圧Ｖｃｎｔ特性が、図３（ｃ）に示すようにヒステリシス特性を有する。但し、図３（ｃ）に示す切替電圧Ｖ’１、Ｖ’２が、図２（ｃ）に示した切替電圧Ｖ１、Ｖ２と異なる。
この場合、ヒステリシス電圧ＶＨ（切替電圧の差）は電源電圧ＶＤＤ、抵抗Ｒ１５、Ｒ１６を用いて、式（３）のように表すことができる。
ＶＨ＝（Ｒ１５／Ｒ１６）×ＶＤＤ・・・（３）
そして、切替電圧Ｖ’１、Ｖ’２は、インバータ１２のしきい値電圧Ｖｔｈと、電源電圧ＶＤＤ、抵抗Ｒ１５、Ｒ１６を用いて、
Ｖ’１＝（Ｖｔｈ−（Ｒ１５×ＶＤＤ）／（Ｒ１５＋Ｒ１６））×（Ｒ１５＋Ｒ１６）／Ｒ１６・・・（４）
Ｖ’２＝Ｖｔｈ×（Ｒ１５＋Ｒ１６）／Ｒ１６・・・（５）
のように表すことができる。
【００２２】
このように本実施の形態の温度補償型圧電発振器１は、補償電圧発生回路７の出力部にノイズ除去回路８を付加したことで、ベースバンドノイズの少ない圧電発振器を実現することができる。
またノイズ除去回路８は、制御回路９により温度センサ６の出力電圧を２値化し、２値化した信号に基づいて切替スイッチ１０を切り替えるように構成しているので、切替スイッチ１０の温度に対する切り替え動作の精度を大幅に向上することができる。
【００２３】
なお、本実施例においては、補償電圧発生回路７が低温補償電圧と高温補償電圧の二つの補償電圧出力を備えた構成としたが、複数の補償電圧出力を備えるようにしても良い。例えば、低温補償領域と高温補償領域とをそれぞれ２分割し（温度領域を４分割し）、これらに対応した４つの補償電圧を補償電圧発生回路７から出力し、これら４つの補償電圧を加算或いは切り替えて圧電発振回路５へ供給するようにする。このとき、４つの補償電圧のうち何れか一つの補償電圧を４入力のスイッチ１０で選択し、容量素子Ｃ５にてノイズ除去を行うようにしても良い。或いは、補償電圧発生回路７が複数の補償電圧を出力する構成とし、更にスイッチ１０と容量素子Ｃ５とをもう一つ追加してもよい。このとき、複数の補償電圧のうち何れか二つの補償電圧を選択して、同時に二つの補償電圧のノイズ除去を行うようにする。このようにすれば、複数の補償電圧に対してはノイズ除去回路の数を極力抑えることができる。勿論、選択スイッチ１０と容量素子Ｃ５の数は極力少ないほうが好ましい。
【００２４】
また、これまで説明した本実施の形態の温度補償型圧電発振器は、圧電振動子Ｘ以外の回路を半導体上に集積化（ＩＣ化）することが可能であり、ＩＣ化した場合は、周波数温度特性が優れ、小型で且つ、ベースバンドノイズの少ない温度補償型圧電発振器を実現することができる。また２つの補償電圧に対し、１つのコンデンサで対応できるために、ＩＣの小型化を実現できる。なお、ノイズ除去回路８の容量素子Ｃ５は、要求されるローパス特性から大きな容量となる場合には、外付けの容量を用いてもよい。なお、容量素子Ｃ５としてＭＯＳ容量でも良い
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る温度補償型圧電発振器の構成を示す回路図。
【図２】（ａ）はＡ／Ｄ回路９を示す回路図、（ｂ）は温度センサの温度Ｔｅｍｐ−出力電圧Ｖｓ特性図、（ｃ）はヒシテリシス特性を示す図。
【図３】（ａ）は他のＡ／Ｄ回路９を示す回路図、（ｂ）は温度センサの温度Ｔｅｍｐ−出力電圧Ｖｓ特性図、（ｃ）はヒシテリシス特性を示す図。
【図４】従来の温度補償型圧電発振器の構成を示す回路図。
【図５】ＭＯＳ型容量素子のゲート電圧−容量特性を示す図。
【符号の説明】
【００２６】
１…温度補償型圧電発振器、５…圧電発振回路、６…温度センサ、７補償電圧発生回路、８…ノイズ除去回路、９…制御回路、１０…切替スイッチ、１１…コンパレータ、１２…インバータ、Ｔｒ…トランジスタ、Ｃ…容量、Ｒ…抵抗
【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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