JP5034772B2 - 温度補償圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電発振器に関し、特に簡易な温度補償回路を用いて圧電振動子の温度補償を行い、且つＩＣ化に適した温度補償圧電発振器に関する。

圧電発振器は周波数安定度、小型軽量、低価格等の優れた点を有するため、通信機器や電子機器等の多くの分野で用いられ、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圧電発振器（ＴＣＸＯ）は、携帯電話等に広く用いられている。圧電発振器の回路構成は、周知のようにピアース型発振回路、コルピッツ型発振回路が多く用いられているが、基本的回路構成は同じであり、交流接地点がピアース型発振回路の場合はエミッタ接地、コルピッツ型発振回路の場合はコレクタ接地の違いである。

特許文献１には本願出願人による温度補償発振器が開示されている。図２１はその温度補償発振器の回路構成の一例であり、コルピッツ発振回路ＯＳＣ１と、直流阻止用容量Ｃ３と、温度補償回路Ｃｏｍｐと、水晶振動子Ｘｔａｌと、を直列に接続した回路で、典型的なコルピッツ型発振回路を用いて構成した温度補償水晶発振器である。図２１に示すように、コルピッツ発振回路ＯＳＣ１は、トランジスタＴｒ１のコレクタを電源ＶＣＣに接続し、ベースにはブリーダー抵抗Ｒ１、Ｒ２を介してバイアス電圧を供給し、ベースとエミッタ間に容量Ｃ１を接続する。さらに、トランジスタＴｒ１のエミッタと接地間にエミッタ抵抗Ｒｅと、容量Ｃ２とを並列接続し、発振出力はエミッタから容量Ｃｏを介して取り出す。なお、トランジスタＴｒ１のコレクタはバイパスコンデンサＣｃを介して高周波的に接地されている。

図２１に示す温度補償発振器は、トランジスタＴＲ１のベースに直流阻止用容量Ｃ３を介して温度補償回路Ｃｏｍｐを接続し、該温度補償回路Ｃｏｍｐに水晶振動子Ｘｔａｌが接続されている。温度補償回路Ｃｏｍｐは、低温部補償用のＭＯＳ容量素子ＭＬと容量Ｃ４との直列接続回路と、高温部補償用のＭＯＳ容量素子ＭＨと、を並列接続した回路からなり、低温用ＭＯＳ容量素子ＭＬと、高温用ＭＯＳ容量素子ＭＨとは極性が互いに逆向で並列接続されている。
低温用ＭＯＳ容量素子ＭＬのバックゲートと容量Ｃ４との接続点に、低温部制御電圧ＶＬが抵抗Ｒ４を介して供給され、高温用ＭＯＳ容量素子ＭＨのゲートには抵抗Ｒ５を介して高温部制御電圧ＶＨが供給される。そして、低温用ＭＯＳ容量素子ＭＬのゲートと、高温用ＭＯＳ容量素子ＭＨのバックゲートとの接続点に、抵抗Ｒ６を介して基準電圧Ｖｒｅｆが供給される。周知のように、ＭＯＳ容量素子はバックゲートＢＧと、ゲートＧとの間に印加する電圧により、容量が変化する素子である。例えば、バックゲートＢＧを基準としてゲートＧ電圧を低い値から高い値へと変化させると、その容量がほぼ直線的に大きくなり、十分に低い、あるいは高い電圧では、容量値は飽和し、共に一定値に近づく容量素子である。
特開２００４−３４３７３３公報

しかしながら、特許文献１に開示されている温度補償回路では、２個のＭＯＳ容量素子を用いて、低温域、高温域をそれぞれ温度補償するように構成されているため、図２２（ａ）に示すような周波数温度特性、即ち常温近傍で周波数温度特性がほぼ平坦になるＡＴカット水晶振動子は補償できるが、低温、高温の両端部における温度補償が不十分であるという問題があった。さらに、所定の角度のＡＴカット水晶素板を得るため人工水晶を切断すると、得られた水晶素板の角度分布は所定の角度を中心として正規分布となる。そのため、図２２（ａ）の周波数温度特性を呈する切断角度のみを使用すると、それ以外の切断角度、例えば周波数温度特性が図２２（ｂ）に示すように、極大値、極小値を有する三次曲線、あるいは同図（ｃ）に示すような温度に対して右肩上がりを呈する一般的な切断角度の水晶素板が無駄になるという問題もあった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、広温度範囲で補償精度の改善と、ＩＣ化に適した温度補償圧電発振器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、圧電振動子と、第１のＭＯＳ容量素子と第２のＭＯＳ容量素子と第３のＭＯＳ容量素子を有する周波数温度補償回路と、を備えた温度補償圧電発振器であって、前記第１のＭＯＳ容量素子の一方の端子及び前記第２のＭＯＳ容量素子の一方の端子に基準電圧を供給した構成と、前記第１のＭＯＳ容量素子の他方の端子に、温度変化に対して電圧が変化する特性を有する第１の制御電圧を供給した構成と、前記第２のＭＯＳ容量素子の他方の端子に、温度変化に対して電圧が変化する特性を有する第２の制御電圧を供給した構成と、前記第３のＭＯＳ容量素子の一方の端子に前記第１の制御電圧を供給し、前記第３のＭＯＳ容量素子の他方の端子に前記第２の制御電圧を供給した構成と、を備えたことを特徴とする。
このように温度補償圧電発振器を構成すると、周波数温度特性が極大値、極小値を有する三次曲線の圧電振動子を補償することが可能となり、且つ低温域、常温域、高温域を、温度に対して直線的に変化する２つの電圧を利用してそれぞれ別々に温度補償するので、広温度範囲に亘り、精度よく補償することができるという効果がある。

また本発明は、前記周波数温度補償回路が、前記第１のＭＯＳ容量素子に前記第３のＭＯＳ容量素子を直列接続した構成と、該直列接続した構成に前記第２のＭＯＳ容量素子を並列接続した構成と、を備えたことを特徴とする。
このように温度補償圧電発振器を構成すると、周波数温度特性が三次曲線を呈する圧電振動子を適切に補償することができ、且つ低温域、常温域、高温域をそれぞれ別々に温度補償するので広温度範囲に亘り、精度よく補償することができるという効果がある。

また本発明は、前記周波数温度補償回路が、前記第１のＭＯＳ容量素子に第１の容量素子を直列接続した構成と、該直列接続した構成に前記第２のＭＯＳ容量素子を並列接続した構成と、該並列接続した構成に前記第３のＭＯＳ容量素子を直列接続した構成と、を備えたことを特徴とする。
このように温度補償圧電発振器を構成すると、周波数温度特性が三次曲線を呈する圧電振動子を適切に補償することができ、且つ低温域、常温域、高温域をそれぞれ別々に温度補償するので広温度範囲に亘り、精度よく補償することができるという効果がある。

また本発明は、前記周波数温度補償回路が、前記第１のＭＯＳ容量素子に第１の容量素子を直列接続した第１の構成と、前記第３のＭＯＳ容量素子に第２の容量素子を直列接続した第２の構成と、前記第１の構成と前記第２の構成と前記第２のＭＯＳ容量素子を並列接続した構成と、を備えたことを特徴とする。
このように温度補償圧電発振器を構成すると、周波数温度特性が三次曲線を呈する圧電振動子を適切に補償することができ、且つ低温域、常温域、高温域をそれぞれ別々に温度補償するので広温度範囲に亘り、精度よく補償することができるという効果がある。

また本発明は、前記第２の構成が、前記第３のＭＯＳ容量素子と前記第２の容量素子と第３の容量素子を直列接続した構成であることを特徴とする。
このように温度補償圧電発振器を構成すると、周波数温度特性が三次曲線を呈する圧電振動子を適切に補償することができ、且つ低温域、常温域、高温域をそれぞれ別々に温度補償するので広温度範囲に亘り、精度よく補償することができるという効果がある。

また本発明は、前記第３のＭＯＳ容量素子の一方の端子に第１の増幅器を介して前記第１の制御電圧を供給した構成と、前記第３のＭＯＳ容量素子の他方の端子に第２の増幅器を介して前記第２の制御電圧を供給した構成と、を備えたことを特徴とする。
このように温度補償圧電発振器を構成すると、第３のＭＯＳ容量素子のゲート及びバックゲートに印加する電圧を、第１の増幅器及び第２の増幅器により適宜設定できるので、周波数温度特性が三次曲線を呈する圧電振動子を、特に常温域において適切に補償することができ、且つ低温域、常温域、高温域をそれぞれ別々に温度補償するので広温度範囲に亘り、精度よく補償することができるという効果がある。

また本発明は、前記第３のＭＯＳ容量素子の一方の端子に、第１の基準電圧または前記第１の制御電圧のいずれか一方を選択して供給する構成と、前記第３のＭＯＳ容量素子の他方の端子に、第２の基準電圧または前記第２の制御電圧のいずれか一方を選択して供給する構成と、を備えたことを特徴とする。
このように温度補償圧電発振器を構成すると、第３のＭＯＳ容量素子のゲート及びバックゲートに印加する電圧を選択してそれぞれ、第１の制御電圧及び第２の制御電圧とすることができるので、周波数温度特性が三次曲線を呈する圧電振動子を適切に補償することができ、且つ低温域、常温域、高温域をそれぞれ別々に補償するので広温度範囲に亘り、精度よく補償することができるという効果がある。また、第３のＭＯＳ容量素子のゲート及びバックゲートに印加する電圧を選択して、それぞれ第１の基準電圧及び第２の基準電圧に設定することができるので、第３のＭＯＳ容量素子は固定容量となり、常温近傍が平坦な圧電振動子を補償することができるという効果がある。

また本発明は、前記圧電振動子が水晶振動子であり、該水晶振動子の周波数温度特性が常温近傍で平坦な特性、変曲点を挟んで極大値及び極小値を有する特性、あるいは温度増加に対して右肩上がりの特性の何れにも対応するよう構成されている。
このように温度補償圧電発振器を構成すると、ＡＴカット基板を所定の精度で切断して構成される水晶振動子を効率よく利用できるという効果がある。

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は本発明に係る第１の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図である。温度補償圧電発振器は、発振回路ＯＳＣと、圧電振動子Ｘｔａｌと、第１の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ１と、容量Ｃ３と、を直列接続して構成した温度補償圧電発振器である。発振回路ＯＳＣは、トランジスタＴｒ１のコレクタを、抵抗Ｒ１を介して電源ＶＣＣに接続し、ベースとコレクタ間には抵抗Ｒ２を接続し自己バイアス回路とする。トランジスタＴｒ１のベースとエミッタ間に容量Ｃ１を接続し、エミッタと接地間にエミッタ抵抗Ｒ３と、容量Ｃ２とを並列接続したコルピッツ型発振回路である。該コルピッツ型発振回路ＯＳＣも、図２１のコルピッツ型発振回路ＯＳＣ１（電流帰還バイアス）と同様に周知の回路であるので、その動作の説明を省略する。また、圧電振動子Ｘｔａｌとしては、例えば周波数温度特性が図２２（ｂ）に示すように、極大値、極小値を有し、三次曲線を呈する一般的なＡＴカット水晶振動子を用い、容量Ｃ３には通常の容量を用いる。

第１の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ１は、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１と第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３とを直列接続した回路に、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１と極性を逆にした第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２を並列接続した回路である。そして、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のゲートと第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のバックゲートとの接続点に、抵抗Ｒ４を介して電圧値が一定である基準電圧Ｖｒｅｆを供給する。第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のバックゲートと第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のゲートとの接続点に、抵抗Ｒ５を介して第１制御電圧ＶＬを供給すると共に、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のバックゲートと第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のゲートとの接続点に、抵抗Ｒ６を介して第２制御電圧ＶＨを供給する。ここで、基準電圧Ｖｒｅｆ、第１制御電圧ＶＬ及び第２制御電圧ＶＨは、図示しない周知の回路から供給するものとする。

図２は、ＭＯＳ容量素子のバックゲートの電圧を基準とし、バックゲート−ゲート間の電圧差Ｖｄと容量Ｃの関係を示す電圧差Ｖｄ−容量Ｃ特性の一例である。図３は温度補償に用いる基準電圧Ｖｒｅｆ、第１制御電圧ＶＬ及び第２制御電圧ＶＨと、温度Ｔとの関係を示した一例である。基準電圧Ｖｒｅｆは温度に関わらず常に一定であり、第１制御電圧ＶＬと温度Ｔとの関係は図３の実線で示すように、低温と常温の間では直線的に減少し、常温と高温の間では最小値のまま一定値となるように回路構成（図示しない）を行う。また、第２制御電圧ＶＨと温度Ｔとの関係は、図３の破線で示すように低温と常温の間では最小値のまま一定であり、常温と高温との間では直線的に増加するように回路構成（図示しない）を行う。
温度Ｔが低温から高温に変化するときに、図１に示す第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１の容量Ｃがどのように変化するかについて説明する。第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のバックゲートには第１制御電圧ＶＬが、ゲートには基準電圧Ｖｒｅｆが印加されている。第１制御電圧ＶＬが図３に示すように変化する場合、バックゲート−ゲート間の電圧差Ｖｄは、温度が低温から常温に変化するとき電圧差Ｖｄは０Ｖ近傍から直線的に大きくり、常温近辺で最大となって、常温より高温までは最大値を維持する。この電圧差Ｖｄの変動を図２の電圧差Ｖｄ−容量Ｃ特性に当てはめると、容量Ｃの変化は図２のαで示した領域の変動に相当する。つまり、図１に示す第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１の容量Ｃと温度Ｔとの関係は、図４（ａ）に示した曲線のようになる。

次に、図１に示す第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２の容量Ｃと、温度Ｔとの関係について説明する。第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のバックゲート−ゲート間の電圧差Ｖｄは負（ゲート電圧よりバックゲート電圧が高い）の値であり、温度が低温から常温まで変化するときに電圧差Ｖｄは負の一定値となる。温度が常温から高温に変化すると電圧差Ｖｄの絶対値は直線的に小さくなる。この電圧差Ｖｄの変動を図２の曲線に当てはめると、βで示した領域の変化に相当する。つまり、図１に示す第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２の容量Ｃと温度Ｔとの関係は、図４（ｂ）に示した曲線のようになる。
次に、図１に示す第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３の容量Ｃと温度Ｔとの関係について説明する。第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のバックゲートには第２制御電圧ＶＨが、ゲートには第１制御電圧ＶＬが印加されている。第１及び第２制御電圧ＶＬ、ＶＨが温度Ｔの変化に対し図３に示したように変化する場合、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のバックゲート−ゲート間の電圧差Ｖｄは、温度Ｔが低温から常温まで変化すると正の値で直線的に減少し、温度Ｔが常温から高温まで変化すると負の値、でその絶対値は直線的に増加する。この電圧差Ｖｄの変動を図２に当てはめると、図２の曲線の中央部（直線部分）に相当する。つまり、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３の容量Ｃと温度Ｔとの関係は、図４（ｃ）に示した曲線のようになる。

図５は温度Ｔと周波数偏差ｄｆ／ｆとの関係を示す図である。温度Ｔの変化に対して周波数が変化しない理想的な圧電振動子Ｘｉを仮定し、この圧電振動子Ｘｉの負荷容量として、図４（ａ）〜（ｃ）に示すような温度特性の容量Ｃを直列接続するものとする。このときの周波数温度特性は、図５（ａ）〜（ｃ）に示すような周波数温度特性となる。図１に示す第１の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ１のように、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１と第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３とを直列接続した回路に、第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２を並列接続して構成した回路を、圧電振動子Ｘｉの負荷容量とした場合の周波数温度特性は、図５（ｄ）に示すような特性となる。つまり、低温では第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１の呈する温度特性が主であり、常温近傍の温度では第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３の温度特性が主となり、高温では第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２の温度特性が主となって、図５（ｄ）に示すような周波数温度特性となる。この特性は、図２２（ｂ）に示した通常のＡＴカット水晶振動子の周波数温度特性の逆特性に相当する。従って、圧電振動子Ｘｉの代わりに周波数温度特性が図２２（ｂ）に示すようなＡＴカット水晶振動子を用いれば、温度による周波数変化が補償され、広温度範囲で平坦の温度補償水晶発振器が得られる。

以上の説明は、図１の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ１の温度特性を定性的に説明をしたが、実際の設計では、図２に示すＭＯＳ容量素子の電圧差Ｖｄ−容量Ｃ曲線、図３に示す基準電圧Ｖｒｅｆ、第１制御電圧ＶＬ及び第２制御電圧ＶＨと、温度Ｔとの関係を数式で表し、シミュレータを用いて温度補償圧電発振器の周波数温度特性が所望の偏差内に収斂するまで繰り返し求める。この場合、トランジスタＴｒ１の温度特性等も考慮される。
本発明の特徴は、電圧生成回路から供給される、温度に対して直線的に変化する２つの電圧、即ち第１制御電圧ＶＬ、第２制御電圧ＶＨを用い、ＭＯＳ容量素子の特定領域の容量変化を利用して、低温、常温、高温の３つ領域の周波数温度補償を行うところにある。従って、広い温度範囲で良好な補償が可能であり、且つ補償回路は簡素となるのでＩＣ化が容易であるという利点がある。

図６は、第２の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図であって、発振回路ＯＳＣと、圧電振動子Ｘｔａｌと、第２の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ２と、容量Ｃ３と、を直列接続して温度補償圧電発振器を構成する。発振回路ＯＳＣ、圧電振動子Ｘｔａｌ、容量Ｃ３は、図１に示した第１の実施例の温度補償圧電発振器と同様であるので、以下、周波数温度補償回路を中心に説明する。第２の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ２は、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１と第１容量Ｃ４とを直列接続した回路に第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１と極性を逆にした第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２を並列接続した回路と、第２ＭＯＳ容量素子と同じ極性の第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３と、を直列接続した回路である。そして、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のゲートと前記第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のバックゲートとの接続点に、抵抗Ｒ４を介して電圧値が一定である基準電圧Ｖｒｅｆを供給する。更に、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のバックゲートと第１容量Ｃ４との接続点に抵抗Ｒ５を介して第１制御電圧ＶＬを供給すると共に、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のゲートに抵抗Ｒ８を介して第１制御電圧ＶＬを供給する。第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のバックゲートと第１容量Ｃ４と第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のゲートとの接続点に、抵抗Ｒ７を介して第２制御電圧ＶＨを供給する構成となっている。

第２の実施例の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ２が、図１に示した第１の実施例と異なる点は、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３を第１容量Ｃ４で置換し、並列回路から第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３を外に出し、直列接続とした構成である。第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のゲートには基準電圧Ｖｒｅｆが、バックゲートには第１制御電圧ＶＬが印加され、温度Ｔと容量Ｃとの関係は図４（ａ）の温度Ｔ−容量Ｃ特性と同様になる。第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２については図１と同様である。第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のゲートには第１制御電圧ＶＬが、バックゲートには第２制御電圧ＶＨが印加され、温度Ｔと容量Ｃとの関係は図４（ｃ）の温度Ｔ−容量Ｃ特性と同様になる。

図７は、第３の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図であって、発振回路ＯＳＣと、圧電振動子Ｘｔａｌと、第３の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ３と、容量Ｃ３と、を直列接続して温度補償圧電発振器を構成する。第３の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ３は、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１と第１容量Ｃ４とを直列接続した回路と、第２容量Ｃ５と第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３と直列接続した回路と、第１ＭＯＳ容量素子と極性を逆にした第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２と、をそれぞれ並列接続した回路である。そして、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のゲートと第２容量Ｃ５と第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のバックゲートとの接続点に、抵抗Ｒ４を介して電圧値が一定である基準電圧Ｖｒｅｆを供給する。第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のバックゲートと第１容量Ｃ４との接続点に、抵抗Ｒ５を介して第１制御電圧ＶＬを供給すると共に、第２容量Ｃ５と第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のゲートとの接続点に、抵抗Ｒ９を介して第１制御電圧ＶＬを供給する。さらに、第１容量Ｃ４と、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のバックゲートと、第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のゲートと、の接続点に抵抗Ｒ７を介して第２制御電圧ＶＨを供給する構成の温度補償回路である。
図７に示す第３の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ３は、第１及び第２ＭＯＳ容量素子Ｍ１、Ｍ２の並列接続回路に、第２容量Ｃ５を直列接続した第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３を並列接続して構成した周波数温度補償回路である。第１及び第２ＭＯＳ容量素子Ｍ１、Ｍ２を含む回路は図６と同じ回路構成である。第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のゲートには第１制御電圧ＶＬが、バックゲートには第２制御電圧ＶＨが印加され、温度Ｔと容量Ｃとの関係は図４（ｃ）の温度Ｔ−容量Ｃ特性と同様になる。

図８は第４の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図であって、発振回路ＯＳＣと、圧電振動子Ｘｔａｌと、第４の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ４と、容量Ｃ３と、を直列接続して構成した温度補償発振器であり、第４の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ４は、図７に示した周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ３の第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３に直列に第３容量Ｃ９を接続した回路である。
即ち、第４の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ４は、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１と第１容量Ｃ４との直列接続回路と、第２容量Ｃ８と第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３と第３容量Ｃ９との直列接続回路と、第１ＭＯＳ容量素子と極性を逆にした第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２と、をそれぞれ並列接続した回路である。そして、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のゲートと第２容量Ｃ８と第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のバックゲートとの接続点に、抵抗Ｒ４を介して電圧値が一定である基準電圧Ｖｒｅｆを供給する。さらに、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のバックゲートと第１容量Ｃ４との接続点に、抵抗Ｒ５を介して第１制御電圧ＶＬを供給すると共に、第２容量Ｃ８と第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のゲートとの接続点に、抵抗Ｒ９を介して第１制御電圧ＶＬを供給する。さらに、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のバックゲートと第３容量Ｃ９との接続点に、抵抗Ｒ１３を介して第２制御電圧ＶＨを供給し、第１容量Ｃ４と第３容量Ｃ９と第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のゲートとの接続点に、抵抗Ｒ７を介して第２の制御線圧ＶＨを供給する構成の温度補償回路である。

図９は、第５の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図であって、発振回路ＯＳＣと、圧電振動子Ｘｔａｌと、第５の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ５と、容量Ｃ３と、を直列接続して構成した温度補償発振器である。第５の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ５は、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１と第１容量Ｃ６と第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３と第２容量Ｃ７とを直列接続した回路と、第１ＭＯＳ容量素子と極性を逆にした第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２と、を並列接続した回路構成である。そして、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のゲートと第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のバックゲートとの接続点に、抵抗Ｒ４を介して電圧値が一定である基準電圧Ｖｒｅｆを供給する。さらに、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のバックゲートと第１容量Ｃ６との接続点に抵抗Ｒ５を介して第１制御電圧ＶＬを供給すると共に、第１容量Ｃ６と第３容量素子Ｍ３のゲートとの接続点に、利得調整可能な第１増幅器Ａ１と抵抗Ｒ１０を介して第１制御電圧ＶＬを供給する。第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のバックゲートと第２容量Ｃ７との接続点に、同じく利得調整可能な第２増幅器Ａ２と抵抗Ｒ１１とを介して第２制御電圧ＶＨを供給し、第２容量Ｃ７と第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のゲートとの接続点に、抵抗Ｒ１２を介して第２制御電圧ＶＨを供給する構成の温度補償回路である。
第５の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ５の特徴は、常温近傍の周波数温度特性を補償する第３容量素子Ｍ３のゲートとバックゲートに、それぞれ第１及び第２増幅器Ａ１、Ａ２を介して第１及び第２制御電圧ＶＬ、ＶＨが供給されるので、バックゲート−ゲート間の電圧差Ｖｄを微細に調整することが可能となり、周波数温度特性の補償の精度が向上するという効果がある。

図１０は第６の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図であって、発振回路ＯＳＣと、圧電振動子Ｘｔａｌと、第６の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ６と、容量Ｃ３と、を直列接続して構成した温度補償発振器である。第６の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ６は、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１と第１容量Ｃ４との直列接続回路と、第２容量Ｃ８と第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３と第３容量Ｃ９との直列接続回路と、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１と極性を逆にした第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２と、をそれぞれ並列接続した回路である。そして、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のゲートと第２容量Ｃ８と第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のバックゲートとの接続点に、抵抗Ｒ４を介して電圧値が一定である基準電圧Ｖｒｅｆを供給する。第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のバックゲートと第１容量Ｃ４との接続点に、抵抗Ｒ５を介して第１制御電圧ＶＬを供給すると共に、第２容量Ｃ８と第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のゲートとの接続点に、利得調整可能な第１増幅器Ａ１と抵抗Ｒ１０とを介して第１制御電圧ＶＬを供給する。さらに、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のバックゲートと第３容量Ｃ９との接続点に、利得調整可能な第２増幅器Ａ２と抵抗Ｒ１１とを介して第２制御電圧ＶＨを供給し、第１容量Ｃ４と第３容量Ｃ９と第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のゲートとの接続点に、抵抗Ｒ７を介して第２制御電圧ＶＨを供給する構成の温度補償回路である。
第６の実施例の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ６は、第５の実施例の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ５とほぼ同じであるが、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３の両端に第１及び第２増幅器を介して、第１及び第２制御電圧ＶＬ、ＶＨが印加されるように構成された点が異なる。第１及び第２増幅器の利得を調整することにより第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のバックゲート−ゲート間の電圧差Ｖｄを微細に調整することが可能となり、常温近傍の周波数温度特性の補償精度が向上するという効果がある。

図１１は、第７の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図であって、発振回路ＯＳＣと、圧電振動子Ｘｔａｌと、第７の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ７と、容量Ｃ３と、を直列接続して構成した温度補償発振器である。第７の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ７は、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１と第１容量Ｃ４とを直列接続した回路に第１ＭＯＳ容量素子と極性を逆にした第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２を並列接続した回路と、第２容量Ｃ１０と第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２と同じ極性の第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３とを直列接続した回路と、を直列接続して構成した回路である。そして、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のゲートと第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のバックゲートとの接続点に、抵抗Ｒ４を介して電圧値が一定である基準電圧Ｖｒｅｆを供給する。さらに、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１のバックゲートと第１容量Ｃ４との接続点に、抵抗Ｒ５を介して第１制御電圧ＶＬを供給すると共に、第１容量Ｃ４と第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２のゲートと第２容量Ｃ１０との接続点に、抵抗Ｒ７を介して第２制御電圧ＶＨを供給する。第２容量Ｃ１０と第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のバックゲートと接続点に、利得調整可能な第２増幅器Ａ２と抵抗Ｒ１１とを介して第２制御電圧ＶＨを供給し、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のゲートに、利得調整可能な第１増幅器Ａ１と抵抗Ｒ１０とを介して第１制御電圧ＶＬを供給する構成の温度補償回路である。
第７の実施例の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ７は、図６に示した周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ２と基本的には同じであるが、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のバックゲートに第２容量Ｃ１０が直列接続され、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３のゲートとバックゲートとに、それぞれ第１及び第２増幅器Ａ１、Ａ２を介して第１及び第２制御電圧ＶＬ、ＶＨが印加される点が異なる。そのため、常温近傍の周波数温度補償が微細に行えるので補償精度が向上するという利点がある。

以上は、水晶振動子の周波数温度特性（ｄｆ／ｆ−Ｔｅｍｐ）が、図２２（ｂ）に示すように温度の変化に対し、変曲点を挟んで極大値と極小値とを有する場合の周波数補償方法について説明した。周波数温度特性が図２２（ｃ）に示すように、温度の増加に対し、右肩上がりの特性を有する場合の周波数補償方法について、以下に説明する。
図１２は、本発明に係る第８の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図である。温度補償圧電発振器は、発振回路ＯＳＣと、圧電振動子Ｘｔａｌと、第８の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ’１と、容量Ｃ３と、を直列接続して構成した温度補償圧電発振器である。図１に示した第１の実施例の温度補償圧電発振器と異なる点は、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３の極性を逆にしたところである。図１２に示す第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３の両端に第１及び第２制御電圧ＶＬ、ＶＨを印加した場合の温度Ｔ−容量Ｃ特性は、図４（ｃ）に示す曲線を上下逆にした特性、つまり図１３（ａ）に示すように、温度の増加に対し容量が増大する特性となる。これを図５に示すように、周波数温度特性（温度Ｔ−周波数ｄｆ／ｆ）に変換すると、図１３（ｂ）に示すように温度Ｔの増加に対して右肩下がりの特性になる。既に説明したように、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３は常温を中心とした中温部の補償に関与し、第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１、第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２は夫々低温部、高温部の補償を担う。第１ＭＯＳ容量素子Ｍ１、第２ＭＯＳ容量素子Ｍ２の作用については、図１で説明した通りである。従って、図１２に示す周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ’１を用いることにより、図２２（ｃ）に示すような温度増加に対し右肩上がりの水晶振動子の補償を行うことができる。

図１４は、本発明に係る第９の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図である。図６に示した第２の実施例の温度補償圧電発振器と異なる点は、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３の極性を逆にしたところである。図１４に示す周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ’２ を用いることにより、図２２（ｃ）に示すような温度の増加に対し右肩上がりの水晶振動子の補償を行うことができる。
同様に、図１５〜図１９は、夫々第１０〜第１４の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図である。図１５〜図１９に示す温度補償圧電発振器の周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ’３〜 Ｃｏｍｐ’７が、図７〜図１１に示す周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ３〜 Ｃｏｍｐ７と異なる点は、夫々第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３の極性を逆にしたところである。第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３の極性を逆にすることにより、図２２（ｃ）に示すような温度の増加に対し右肩上がりの水晶振動子の補償を行うことができる。

図２０は、本発明に係る第１５の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図である。図１９に示した第１４の実施例の温度補償圧電発振器と異なる点は、第１、第２制御電圧ＶＬ、ＶＨと、第１、第２増幅回路Ａ１、Ａ２との接点に夫々第１、第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２を挿入すると共に、該第１、第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２に夫々第１、第２基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２を接続したところである。第１、第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２の動作を説明すると、第１、第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２が、夫々第１、第２制御電圧ＶＬ、ＶＨの側に接続されると、第１４の実施例の温度補償圧電発振器と同様に動作する。第１、第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２が、夫々第１、第２基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２に側に接続されると、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３は固定容量として機能する。つまり、第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３が担っていた常温を中心とした中温部の温度補償の機能はなくなり、図２２（ａ）に示すような、常温近傍で平坦な特性を有する水晶振動子の周波数を補償することになる。
また、第１、第２の増幅回路Ａ１、Ａ２の利得を調整することにより、図２２（ｃ）の右肩上がりの傾斜が急なものや、或いは傾斜が緩やかなものであっても、その傾斜の程度に応じて水晶振動子の周波数を補償することが可能になる。

なお、図２０において第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３の極性を逆にし、第１、第２の増幅回路Ａ１、Ａ２の利得を調整すれば、同様に図２２（ｂ）における常温近傍の傾斜の程度に応じて、水晶振動子の周波数を補償できることは言うまでもない。
図２０に示すような温度補償圧電発振器を、水晶振動子を除いてＩＣ化すると、１つのＩＣで水晶振動子の周波数温度特性が、図２２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような、常温近傍で平坦な特性、変曲点を挟んで極大値と極小値とを有する特性、右肩上がりの特性を、有する何れの特性の水晶振動子であっても周波数補償が可能になるという効果がある。

本発明の第１の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 ＭＯＳ容量素子の電圧差Ｖｄ−容量Ｃ特性を示す図。 温度Ｔと基準電圧Ｖｒｅｆ、第１及び第２制御電圧ＶＬ、ＶＨとの関係を示す図。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ温度Ｔと第１、第２及び第３ＭＯＳ容量素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が呈する容量Ｃとの関係を示す図。 （ａ）〜（ｃ）は第１、第２及び第３ＭＯＳ容量素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３それぞれによる周波数温度特性を示す図、（ｄ）は周波数温度補償回路Ｃｏｍｐ１の周波数温度特性を示す図。 第２の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第３の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第４の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第５の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第６の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第７の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第８の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第３ＭＯＳ容量素子Ｍ３の、（ａ）は温度Ｔ−容量Ｃ特性を示す図、（ｂ）は温度Ｔ−周波数偏差ｄｆ／ｆ特性を示す図。 第９の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第１０の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第１１の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第１２の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第１３の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第１４の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 第１５の実施例の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 従来の温度補償圧電発振器の構成を示す回路図。 ＡＴカット水晶振動子の、（ａ）は常温近傍が平坦な周波数温度特性を示す図、（ｂ）は変曲点を挟んで極大値と極小値とを有する周波数温度特性を示す図、（ｃ）は右肩上がりの周波数温度特性を示す図。

Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３…ＭＯＳ容量素子、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３…抵抗、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１０…容量、Ｔｒ１…トランジスタ、Ｘｔａｌ…圧電振動子、Ｖｒｅｆ…基準電圧、Ｖｒｅｆ１…第１基準電圧、Ｖｒｅｆ２…第２基準電圧、ＶＬ…第１制御電圧、ＶＨ…第２制御電圧、Ｖｃｃ…電源電圧、Ａ１、Ａ２…増幅器

Claims (8)

1. 圧電振動子と、第１のＭＯＳ容量素子と第２のＭＯＳ容量素子と第３のＭＯＳ容量素子を有する周波数温度補償回路と、を備えた温度補償圧電発振器であって、
   前記第１のＭＯＳ容量素子の一方の端子及び前記第２のＭＯＳ容量素子の一方の端子に基準電圧を供給した構成と、
   前記第１のＭＯＳ容量素子の他方の端子に、温度変化に対して電圧が変化する特性を有する第１の制御電圧を供給した構成と、
   前記第２のＭＯＳ容量素子の他方の端子に、温度変化に対して電圧が変化する特性を有する第２の制御電圧を供給した構成と、
   前記第３のＭＯＳ容量素子の一方の端子に前記第１の制御電圧を供給し、前記第３のＭＯＳ容量素子の他方の端子に前記第２の制御電圧を供給した構成と、を備えたことを特徴とする温度補償圧電発振器。
2. 前記周波数温度補償回路が、前記第１のＭＯＳ容量素子に前記第３のＭＯＳ容量素子を直列接続した構成と、該直列接続した構成に前記第２のＭＯＳ容量素子を並列接続した構成と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の温度補償圧電発振器。
3. 前記周波数温度補償回路が、前記第１のＭＯＳ容量素子に第１の容量素子を直列接続した構成と、該直列接続した構成に前記第２のＭＯＳ容量素子を並列接続した構成と、該並列接続した構成に前記第３のＭＯＳ容量素子を直列接続した構成と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の温度補償圧電発振器。
4. 前記周波数温度補償回路が、前記第１のＭＯＳ容量素子に第１の容量素子を直列接続した第１の構成と、前記第３のＭＯＳ容量素子に第２の容量素子を直列接続した第２の構成と、前記第１の構成と前記第２の構成と前記第２のＭＯＳ容量素子を並列接続した構成と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の温度補償圧電発振器。
5. 前記第２の構成が、前記第３のＭＯＳ容量素子と前記第２の容量素子と第３の容量素子を直列接続した構成であることを特徴とする請求項４記載の温度補償圧電発振器。
6. 前記第３のＭＯＳ容量素子の一方の端子に第１の増幅器を介して前記第１の制御電圧を供給した構成と、前記第３のＭＯＳ容量素子の他方の端子に第２の増幅器を介して前記第２の制御電圧を供給した構成と、を備えたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５の何れかに記載の温度補償圧電発振器。
7. 前記第３のＭＯＳ容量素子の一方の端子に、第１の基準電圧または前記第１の制御電圧のいずれか一方を選択して供給した構成と、
   前記第３のＭＯＳ容量素子の他方の端子に、第２の基準電圧または前記第２の制御電圧のいずれか一方を選択して供給した構成と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の温度補償圧電発振器。
8. 前記圧電振動子が水晶振動子であり、該水晶振動子の周波数温度特性が常温近傍で平坦な特性、変曲点を挟んで極大値及び極小値を有する特性、あるいは温度増加に対して右肩上がりの特性の何れにも対応することを特徴とする請求項７に記載の温度補償圧電発振器。

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