专利名称：温度补偿型压电振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用了石英等压电元件的振荡器，特别是涉及可用简单的电路构成进行频率的温度补偿、并且适合于IC化的温度补偿型压电振荡器。
背景技术：
近年来，在使用了压电元件，例如石英振子的振荡器中，频率稳定度自不待言，而随着小型化、低价格化等的要求趋严，更随着通信方式的数字化取得进展，希望提高以往不成为问题的噪声比特性(C/N特性)。振荡器的输出频率出于种种原因发生变化，但即使对频率的稳定度较高的石英振荡器而言，频率随环境温度、电源电压和输出负载等条件的变化而发生变动，与这些对应的方法可以说有各种各样。例如，有一种温度补偿石英振荡器(以下，称为TCXO)，就温度变化而言，将温度补偿电路加到石英振荡器中去，使振荡环路中的负载电容改变，针对温度变化来控制上述负载电容以抵消石英振子固有的温度-频率特性。
图15(a)是由同一申请人研究出的TCXO的电路图。本例中示出的TCXO是将隔直流用固定电容元件C3、温度补偿电路61和石英振子X与科尔皮兹振荡电路60串联连接的电路。该温度补偿电路61由低温部补偿用MOS电容元件ML与灵敏度调整用固定电容元件C4的串联连接电路跟高温部补偿用MOS电容元件MH并联连接而成，低温用MOS电容元件ML与高温用MOS电容元件MH形成互不相同极性的方向。另外，在低温用MOS电容元件ML的阳极端子侧与固定电容元件C4的连接中点，低温部控制电压信号VL经输入电阻R4供给，在高温用MOS电容元件MH的栅极端子侧经输入电阻R5供给高温部控制电压信号VH。而且，在该低温用MOS电容元件ML的栅极端子侧和高温用MOS电容元件MH的阳极端子侧经输入电阻R6供给基准电压信号VREF。
图15(b)是TCXO的温度补偿电压的图。本发明的TCXO的温度补偿利用MOS变容二极管(varactor)进行振子X的频率温度补偿。由于MOS型变容二极管的电容相对于温度变化的变化接近于3次函数，所以仅仅在加到MOS型变容二极管的电压相对于温度变化呈1次函数变化的情况下可实现温度补偿。但是，由于石英振子的频率温度特性在固体间有分散性，所以MOS电容变化进行温度补偿时不一定是理想的补偿曲线，由于温度补偿精度不太好，所以需要具有高的频率稳定度的基准振荡源，例如作为GPS接收机用的基准振荡器就没有足够的性能。
图16(b)是表示图15的TCXO的温度特性的图。图16(a)的实线62表示石英振子X的温度特性，虚线63表示用15(b)所示的控制电压控制温度补偿电路61时的相对于温度变化的频率可变特性。从该图可知，在用图15(b)所示的控制电压控制温度补偿电路61时，由于无法对使频率的曲线状的变化成为必需的部分中的曲率进行微调，所以为了对石英振子X的温度特性62进行补偿，无法实现理想的补偿控制(得不到补偿曲线)，温度补偿后的温度特性的精度仅为±2ppm。
特願2003-122420在专利文献1公开的现有技术中，由于MOS型变容二极管的非线性的电容变化接近于3次函数，所以加到MOS型变容二极管的电压只用简单的1次函数即可实现温度补偿，但由于不是理想的补偿曲线，所以温度补偿精度不太好。
另外，高温部的MOS变容二极管MH在低温下没有频率灵敏度，是理想的，但实际上稍具频率灵敏度，高温的控制电压VH在低温部也会受到影响。从而，在要求高精度的频率稳定度的产品的情况下，存在必须筛选具有特定的频率温度特性的石英振子等使频率调整变得复杂的问题。
发明内容
本发明是鉴于这样的课题而进行的，其目的在于，提供一种由于利用MOS型变容二极管的非线性的电容变化，使温度补偿电路的补偿电容曲线接近于理想曲线，从而将高次函数特性与线性控制电压的特性进行合成，以提高温度补偿精度的TCXO。
另一目的是，为了使低温部和高温部的控制电压受到的影响不一致，令低温部的控制电压在常温以上为恒定值，高温部的控制电压在常温以下为恒定值，即使是高精度产品的情况，频率的调整也变得容易。
为了解决这样的课题，本发明的第一方面是一种温度补偿型压电振荡器，由电流流过压电元件以进行激励的振荡电路、隔直流用固定电容元件、补偿因温度变化造成的振荡频率的变化的频率温度补偿电路、以及具备了受规定的频率激励的压电元件的压电振子串联连接而成，其特征在于所述频率温度补偿电路包括温度补偿用电压发生部，该温度补偿用电压发生部基于通过温度检测部变化了的参数来产生电压，该温度检测部的参数随环境温度而变化，所述温度补偿用电压发生部包括低温控制电压发生部和高温控制电压发生部，该低温控制电压发生部产生以所述压电元件的温度特性的常温为中心，补偿低温侧的温度特性的电压，该高温控制电压发生部产生补偿高温侧的温度特性的电压，所述低温控制电压发生部包括低温1次电压生成单元、低温高次电压生成单元和低温电压合成单元，该低温1次电压生成单元生成相对于温度呈线性变化的电压，该低温高次电压生成单元相对于由该低温1次电压生成单元所生成的电压的低温侧的温度生成具有高次次数的电压，该低温电压合成单元将由所述低温1次电压生成单元和低温高次电压生成单元所生成的电压进行合成，所述高温控制电压发生部包括高温1次电压生成单元、高温高次电压生成单元和高温电压合成单元，该高温1次电压生成单元生成相对于温度呈线性变化的电压，该高温高次电压生成单元相对于由该高温1次电压生成单元所生成的电压的高温侧的温度生成具有高次次数的电压，该高温电压合成单元将由所述高温1次电压生成单元和高温高次电压生成单元所生成的电压进行合成。
对于用线性的控制电压进行温度补偿的现有方式而言，为了尽可能使MOS型变容二极管的特性接近于石英振子的特性，本发明将线性的控制电压与具有高次次数的电压进行合成。即，分别包括既针对低温侧在低温侧的温度下生成具有高次次数的电压，又针对高温侧在高温侧的温度下生成具有高次次数的电压的高次电压生成单元，通过与线性的控制电压进行合成，生成低温侧和高温侧的控制电压，施加到温度补偿电路上。
本发明的第二方面是一种温度补偿型压电振荡器，由电流流过压电元件以进行激励的振荡电路、隔直流用固定电容元件、补偿因温度变化造成的振荡频率的变化的频率温度补偿电路、以及具备了受规定的频率激励的压电元件的压电振子串联连接而成，其特征在于所述频率温度补偿电路包括温度补偿用电压发生部，该温度补偿用电压发生部基于通过温度检测部变化了的参数来产生电压，该温度检测部的参数随环境温度而变化，所述温度补偿用电压发生部包括低温控制电压发生部和高温控制电压发生部，该低温控制电压发生部产生以所述压电元件的温度特性的常温为中心，补偿低温侧的温度特性的电压，该高温控制电压发生部产生补偿高温侧的温度特性的电压，所述低温控制电压发生部包括第1低温1次电压生成单元、第2低温1次电压生成单元和低温电压合成单元，该第1低温1次电压生成单元生成相对于温度按第1斜率呈线性变化的电压，该第2低温1次电压生成单元生成相对于温度按第2斜率呈线性变化的电压，该低温电压合成单元将由所述第1低温1次电压生成单元和第2低温1次电压生成单元所生成的电压进行合成，所述高温控制电压发生部包括第1高温1次电压生成单元、第2高温1次电压生成单元和高温电压合成单元，该第1高温1次电压生成单元生成相对于温度按第1斜率呈线性变化的电压，该第2高温1次电压生成单元生成相对于温度按第2斜率呈线性变化的电压，该高温电压合成单元将由所述第1高温1次电压生成单元和第2高温1次电压生成单元所生成的电压进行合成。
对于用线性的控制电压进行温度补偿的现有方式而言，为了尽可能使MOS型变容二极管的特性接近于石英振子的特性，本发明将2种线性的控制电压进行合成。即，既生成针对低温侧斜率不同的2种线性的控制电压，又生成针对高温侧斜率不同的2种线性的控制电压，通过分别合成这2种线性的控制电压，生成低温侧和高温侧的控制电压，并施加到温度补偿电路上。
本发明的第三方面是一种温度补偿型压电振荡器，由电流流过压电元件以进行激励的振荡电路、隔直流用固定电容元件、补偿因温度变化造成的振荡频率的变化的频率温度补偿电路、以及具备了受规定的频率激励的压电元件的压电振子串联连接而成，其特征在于所述频率温度补偿电路包括温度补偿用电压发生部，该温度补偿用电压发生部基于通过温度检测部变化了的参数来产生电压，该温度检测部的参数随环境温度而变化，所述温度检测部包括第1传感器电压发生电路、第2传感器电压发生电路和第3传感器电压发生电路，该第1传感器电压发生电路产生从低温起随温度上升而线性上升的电压，第2传感器电压发生电路产生从低温起随温度上升而线性下降的电压，第3传感器电压发生电路产生与由所述第1传感器电压发生电路所产生的电压具有同一斜率并加上规定的箝位电压而得到的电压，所述温度补偿用电压发生部包括低温控制电压发生部和高温控制电压发生部，该低温控制电压发生部产生以所述压电元件的温度特性的常温为中心，补偿低温侧的温度特性的电压，该高温控制电压发生部产生补偿高温侧的温度特性的电压，所述低温控制电压发生部包括低温1次电压生成单元、低温高次电压生成单元和低温电压合成单元，该低温1次电压生成单元基于所述第2传感器电压生成呈线性变化的电压，该低温高次电压生成单元基于所述第2传感器电压和所述第3传感器电压，相对于由所述低温1次电压生成单元所生成的电压的低温侧的温度生成具有高次次数的电压，该低温电压合成单元将由所述低温1次电压生成单元和低温高次电压生成单元所生成的电压进行合成，所述高温控制电压发生部包括高温1次电压生成单元、高温高次电压生成单元和高温电压合成单元，该高温1次电压生成单元基于所述第2传感器电压生成呈线性变化的电压，该高温高次电压生成单元基于所述第1传感器电压和所述第2传感器电压，相对于由所述高温1次电压生成单元所生成的电压的高温侧的温度生成具有高次次数的电压，该高温电压合成单元将由所述高温1次电压生成单元和高温高次电压生成单元所生成的电压进行合成。
为了生成更准确的高次电压，本发明通过将3种传感器电压输入到高次电压生成单元(差分放大器)中，生成高次电流，并将该电流变换成电压，与1次电压生成单元所生成的电压进行合成来产生控制电压。
本发明的第四方面的特征在于上述低温高次电压生成单元和高温高次电压生成单元可变更具有高次次数的电压的次数。
低温、高温高次电压生成单元在由差分放大器构成的情况下，通过变更插入到差分放大器中的电阻器的值来改变放大率。其结果是，电流的放大率曲线发生变化，最终电流特性相对于温度发生变化，可看上去使高次次数发生变化。
本发明的第五方面的特征在于上述低温控制电压发生部生成在高温部中其电压比常温附近恒定的电压，上述高温控制电压发生部生成在低温部中其电压比常温附近恒定的电压。
由于高温部的MOS变容二极管在低温下没有频率灵敏度，因此即使控制电压发生变动也没有问题，但实际上稍具频率灵敏度，高温的控制电压VH在低温部也会受到影响。从而，为了使低温部和高温部的控制电压受到的影响不一致，令低温部的控制电压在常温以上为恒定值，高温部的控制电压在常温以下为恒定值。
按照本发明的第一方面，由于将高次次数的控制电压与低温和高温时各自的1次控制电压进行合成，生成低温控制电压、高温控制电压，所以可使MOS型变容二极管的特性接近于石英振子的特性。
另外，在本发明的第二方面，由于准备2种1次的控制电压，并将它们合成，生成低温控制电压、高温控制电压，所以在简化控制的同时，可使MOS型变容二极管的特性接近于石英振子的特性。
另外，在本发明的第三方面，由于准备3种由温度传感器产生的传感器电压，基于这些传感器电压的组合，通过生成低温、高温时的1次控制电压和高次次数的电压并进行合成，生成低温部和高温部的控制电压，所以可使MOS型变容二极管的特性更接近于石英振子的特性。
另外，在本发明的第四方面，由于低温高次电压生成单元和高温高次电压生成单元可变更具有高次次数的电压的次数，所以可从外部对次数进行调整，可将MOS型变容二极管的特性微调成石英振子的特性。
另外，在本发明的第五方面，由于使低温部的控制电压在常温以上为恒定值，高温部的控制电压在常温以下为恒定值，所以可使低温部和高温部的控制电压的影响度减少。
图1是构成本发明第一实施方式的温度补偿型压电振荡器的一部分的温度补偿电压发生电路的功能方框图。
图2(a)～(h)是表示温度(temp)与控制电压(V)的关系的图。
图3(a)～(c)是表示图2的温度补偿电压发生电路100的温度特性的图。
图4(b)、(f)、(k)、(m)是表示进一步改善了图3的合成电路6、7的输出的温度(temp)与控制电压(V)的关系的图，(A)是构成本发明第一实施方式的温度补偿型压电振荡器的一部分的频率温度补偿电路的变形功能方框图，(B)是表示MOS变容二极管的电压-电容特性的图。
图5(a)～(d)是表示通过计算机仿真计算了本发明第一实施方式的温度补偿电压发生电路100的补偿特性的结果的图。
图6是构成本发明第二实施方式的温度补偿型压电振荡器的一部分的温度补偿电压发生电路的功能方框图。
图7(a)～(e)是表示图6的功能方框图的电压A、B、vh、VH的各波形的图。
图8(a)～(d)是表示图6的温度补偿型压电振荡器200的温度特性的图。
图9是表示通过计算机仿真计算了本发明第二实施方式的频率温度补偿电路200的补偿特性的结果的图。
图10(b)、(e)、(d)、(f)是表示进一步改善了图6的合成电路31、32的输出的温度(temp)与控制电压(V)的关系的图。
图11是构成本发明第三实施方式的温度补偿型压电振荡器的一部分的温度补偿电压发生电路的功能方框图。
图12(a)是表示温度传感器51的传感器输出电压的一例的图，(b)是表示产生各传感器电压的电路的一例的图。
图13是说明图11的高温高次电流发生电路52和低温高次电流发生电路56的工作的图。
图14是表示高温高次电流的次数调整后的特性例的图。
图15(a)、(b)是作为专利文献1由同一申请人申请的温度补偿型压电振荡器的电路图。
图16是表示图15的温度补偿型压电振荡器的温度特性的图。
其中，符号说明为1温度传感器；2高温1次电压增益调整电路；3高温高次电压增益调整电路；4低温1次电压增益调整电路；5低温高次电压增益调整电路；6合成电路；7合成电路；8高温箝位电压；9低温箝位电压；10二极管；11二极管；81温度传感器(温度检测部)；82高温1次电压增益调整电路(高温1次电压生成单元)；83高温高次电压增益调整电路(高温高次电压生成单元)；84低温1次电压增益调整电路(低温1次电压生成单元)；85低温高次电压增益调整电路(低温高次电压生成单元)；86合成电路(高温电压合成单元)；87合成电路(低温电压合成单元)；100温度补偿电压发生电路；110温度补偿电压发生电路具体实施方式
以下，应用图示的实施方式详细地说明本发明。但是，本实施方式中所述的构成要素、种类、组合、形状、其相对配置等除非特定的记述，本发明的范围并非仅仅限定于此，仅不过是说明例而已。
图1是构成本发明第一实施方式的温度补偿型压电振荡器的一部分的温度补偿电压发生电路的功能方框图。该温度补偿电压发生电路110包括参数随环境温度变化的温度传感器(温度检测部)81；生成相对于温度呈线性变化的电压的高温1次电压增益调整电路(高温1次电压生成单元)82；生成相对于由该高温1次电压增益调整电路82所生成的电压的高温侧的温度具有高次次数的电压的高温高次电压增益调整电路(高温高次电压生成单元)83；将由高温1次电压增益调整电路82和高温高次电压增益调整电路83所生成的电压进行合成的合成电路(高温电压合成单元)86；生成相对于温度呈线性变化的电压的低温1次电压增益调整电路(低温1次电压生成单元)84；生成相对于由该低温1次电压增益调整电路84所生成的电压的低温侧的温度具有高次次数的电压的低温高次电压增益调整电路(低温高次电压生成单元)85；以及将由低温1次电压增益调整电路84和低温高次电压增益调整电路85所生成的电压进行合成的合成电路(低温电压合成单元)87。
图2是表示温度(temp)与控制电压(V)的关系的图。再有，本发明的控制电压是用于控制图15所示的结构的频率温度补偿电路61，下同。图2(a)、(e)是现有技术的高温侧控制电压和低温侧控制电压，图2(b)、(f)是本发明的高温侧控制电压和低温侧控制电压。即，作为高温侧的控制电压VH，由高温1次电压增益调整电路82生成图2(d)的1次电压(相对于温度上升呈1次函数上升的电压)，由高温高次电压增益调整电路83生成图2(c)的高次电压(相对于温度上升呈指数函数上升的电压)，由合成电路86将这些电压进行合成，如图2(b)所示，VH被合成为当温度在高温侧时在1次电压上叠加有(i)那样的高次电压(相对于温度上升呈1次函数+指数函数上升的电压)。另外，作为低温侧的控制电压VL，由低温1次电压增益调整电路84生成图2(h)的1次电压(相对于温度下降呈1次函数上升的电压)，由低温高次电压增益调整电路85生成图2(g)的高次电压(相对于温度下降呈指数函数上升的电压)，由合成电路87将这些电压进行合成，如图2(f)所示，VL被合成为当温度在低温侧时在1次电压上叠加有(j)那样的高次电压(相对于温度下降呈1次函数+指数函数上升的电压)。
图3是说明包括了图1的温度补偿电压发生电路110作为VH、VL的发生源的图16所示的温度补偿型石英振荡器的温度特性的图。图3(a)所示的实线13表示石英振子X的频率温度特性，虚线12表示温度补偿电压发生电路110的频率控制的特性。从该图可知，在对石英振子X的频率温度特性的曲线部分严格地进行温度补偿时，在基于MOS变容二极管的电容-一次电压特性的频率控制量中，产生不足频率控制量的部分，此时在温度补偿电压发生电路110中通过利用上述的高次电压来控制补偿电压的可变量，可补足其不足部分，从而如图3(a)所示，为了抵消石英振子X的频率温度特性13，得到充分的频率控制特性12，按照仿真的结果，温度补偿后的温度特性的精度在±0.5ppm的范围内，得到频率稳定度高的TCXO。
再有，在图1所示的频率温度补偿电路的情况下，由于如图2(b)、(f)所示，在整个温度范围内，高温侧的控制电压VH和低温侧的控制电压VL是可变的，故即使在25℃以下的低温侧的温度范围内，高温侧MOS变容二极管MH的可变电容特性相对于电压变化也有轻微灵敏度特性，由此，高温侧的控制电压VH的电压变化造成的影响尽管轻微，但还是发生了，而如果加进因该高温侧的控制电压VH的可变而生成的频率变动来设定低温高次电压增益调整电路，则对因石英振子X以外的影响造成的频率温度特性，也可通过低温侧的控制电压VL所作的频率控制来补偿。
即，使高温侧的控制电压VH所作的频率控制成为必要的温度范围在常温以上，如图2(b)所示，当常温时的高温侧的控制电压VH的值为V1’＝V1+Vref时，如果是在图3(c)所示的高温侧补偿用的MOS变容二极管MH的电压一电容特性在电压V1以下的范围内为恒定值的理想情形，则即使在常温以下的温度范围内高温侧的控制电压VH发生变动，MOS变容二极管MH的电容在电压V1以下的电压范围(为电压V1以下的温度范围)内也不变，从而低温时的高温侧的温度补偿电压VH的可变造成的影响消失，但在实际的MOS变容二极管MH的电压一电容特性中，即使在电压V1的附近，由于具有轻微的电容变化特性(图3(c)所示的Δc)，故即使在低温时，高温侧的控制电压VH的电压变化造成的频率可变也轻微地发生。
从而，此时，只要在低温时，就加进在石英振子X的频率温度特性以外，高温侧的控制电压VH的可变所产生的频率变动也得到补偿的情况，设定低温高次电压增益调整电路，另外，在高温时，加进低温侧的控制电压VL的可变所产生的频率变动得到补偿的情况，设定高温高次电压增益调整电路，由此，可使TCXO的频率温度特性高度稳定。
图4(A)是本发明的另一实施例的频率温度补偿电路的功能方框图，图4(k)、(m)是表示温度(temp)与控制电压(V)的关系作为图4(A)所示的温度补偿电压发生电路100的合成电路6、7的输出特性的图。图4(b)、(f)表示图2(b)、(f)所示的合成电路6、7的输出特性，图4(k)是表示用高温箝位电压8和二极管10从常温附近箝住低温侧的控制电压的特性的图，图4(m)是表示用低温箝位电压9和二极管11从常温附近箝住高温侧的控制电压的特性的图。
图4(A)是产生对本发明第二实施方式的温度补偿型压电振荡器供给的补偿电压的温度补偿电压发生电路的变形功能方框图。该温度补偿电压发生电路100包括参数随环境温度变化的温度传感器(温度检测部)1；生成对温度呈线性变化的电压的高温1次电压增益调整电路(高温1次电压生成单元)2；生成相对于由该高温1次电压增益调整电路2所生成的电压的高温侧的温度具有高次次数的电压的高温高次电压增益调整电路(高温高次电压生成单元)3；高温1次电压增益调整电路(高温电压合成单元)6；将合成电路6的输出箝位在规定的电平的高温箝位电压(发生电路)8；二极管10；生成相对于温度呈线性变化的电压的低温1次电压增益调整电路(低温1次电压生成单元)4；生成相对于由该低温1次电压增益调整电路4所生成的电压的低温侧的温度具有高次次数的电压的低温高次电压增益调整电路(低温高次电压生成单元)5；将由低温1次电压增益调整电路4和低温高次电压增益调整电路5所输出的电压进行合成的合成电路(低温电压合成单元)7；将合成电路7的输出箝位在规定的电平的低温箝位电压(发生电路)9；以及二极管11。
接着，说明图4(A)所示的温度补偿电压发生电路100的工作。
图4(A)所示的温度补偿电压发生电路100中的高温1次电压增益调整电路2接受温度传感器1的温度信息，输出图2(d)所示的1次函数电压，另外，高温高次电压增益调整电路3接受温度传感器1的温度信息，输出图2(c)所示的高温用高次函数电压。
此外，合成电路6对高温1次电压增益调整电路2的输出电压与高温高次电压增益调整电路3的输出电压进行合成，输出图4(b)所示的输出电压VH’。
此时，输出电压VH’在常温下的电压值为V1’，在常温以下，随着温度的降低，电压值呈1次函数降低，另外，在常温以上，呈现随着温度的上升，具有呈指数函数上升的部分的变化特性。
而且，通过将高温箝位电压(发生电路)8的输出电压的值设定为V1’的值，在合成电路6的输出电压的值低于V1’的状态(低于常温的低温条件)下，由于二极管10的端子间为正向偏置，故高温箝位电压(发生电路)8的输出电压的值V1’为高温侧的控制电压VH的值。
从而，高温侧的控制电压VH的值如图4(k)所示，在常温以下的温度范围内为V1，在常温以上的温度范围内，从常温至所希望的温度呈1次函数上升，并且从所希望的温度至更高的温度呈现指数函数的电压上升特性。
另一方面，图4(A)所示的温度补偿电压发生电路100中的低温1次电压增益调整电路4接受温度传感器1的温度信息，输出图2(h)所示的1次函数电压，另外，低温高次电压增益调整电路5接受温度传感器1的温度信息，输出图2(g)所示的低温用高次函数电压。
此外，合成电路7对低温1次电压增益调整电路4的输出电压与低温高次电压增益调整电路5的输出电压进行合成，输出图4(f)所示的输出电压VL’。
此时，输出电压VL’在常温下的电压值为V2’，在常温以上，随着温度的上升，电压值呈1次函数降低，另外，在常温以下，呈现随着温度的降低，具有呈指数函数上升的部分的变化特性。
而且，通过将低温箝位电压(发生电路)9的输出电压的值设定为V2’的值，在合成电路7的输出电压的值高于V2’的状态(高于常温的高温条件)下，由于二极管11的端子间为正向偏置，故低温箝位电压(发生电路)9的输出电压的值V2’为高温侧的控制电压VL的值。
从而，低温侧的控制电压VL的值如图4(m)所示，在常温以上的温度范围内为V2’，在常温以下的温度范围内，从常温至所希望的温度呈1次函数上升，并且从所希望的温度至更低的温度呈现指数函数的电压上升特性。
如上所述，由于例如在低温状态下无需MOS变容二极管MH所作的温度补偿，故按照图4(B)所示的MOS变容二极管的电压-电容特性稳定的点来设定MOS变容二极管MH端子间电压V1＝VH-Vref，但即使是该电压-电容特性稳定的点，实际上还是具有轻微的电压灵敏度特性。
因此，在图1所示的实施例中，由这样的MOS变容二极管MH的不良的电压灵敏度特性造成的频率变动与低温侧的温度补偿功能相对应，而在图4(A)所示的实施例中，通过在常温以下使高温部的控制电压VH为恒定值，可减少低温下的高温部的控制电压的影响度，从而在低温时在低温侧的温度控制中可简化调整工序等，并且在高温时如果有的话，可简化高温侧的温度控制中的调整工序等。
图5(d)是表示对具备了图4(A)所示的温度补偿电压发生电路100的TCXO的补偿特性进行计算机仿真的结果的图，图5(b)是表示对具备了现有的温度补偿电路的TCXO的频率温度特性进行计算机仿真的结果的图。从这些图可知，采取图5(b)的现有的温度补偿电路，在-30℃～+85℃的范围内，变动在±2ppm内，与此相对照，在本发明中，如图5(d)所示，在相同的温度范围内，频率偏差量落在±0.5ppm内，可得到高的频率稳定度。
再有，图5(a)、(c)是应进行温度补偿的石英振子X的频率温度特性。
图6是构成本发明第三实施方式的温度补偿型压电振荡器的一部分的温度补偿电压发生电路的功能方框图。该频率温度补偿电路200包括输出与环境温度的变化对应的电信号的温度传感器(温度检测部)21；基于温度传感器21的温度检测信息生成与温度成正比关系的呈线性变化的电压的第1高温1次电压增益调整电路(第1高温1次电压生成单元)24；基于温度传感器21的温度检测信息生成与温度上升成正比关系的呈线性变化的电压的第2高温1次电压增益调整电路(第2高温1次电压生成单元)23；经二极管28对第2高温1次电压增益调整电路23的规定的温度以下的范围的电压进行箝位的第2高温电压增益箝位电压(第2高温1次电压生成单元)22；合成第1高温1次电压增益调整电路24的输出电压和由第2高温1次电压生成单元22控制的第2高温1次电压增益调整电路23的输出电压的高温合成电路(高温电压合成单元)31；在所希望的温度以下的范围内经二极管34将高温合成电路31的输出箝位在规定的电平的高温箝位电压发生部30；生成与温度上升成反比关系的呈线性变化的电压的第1低温1次电压增益调整电路(第1低温1次电压生成单元)25；生成与温度上升成反比关系的呈线性变化的电压的第2低温1次电压增益调整电路(第2低温1次电压生成单元)26；经二极管29对第2低温1次电压增益调整电路26的规定的温度以上的范围的电压进行箝位的第2低温电压增益箝位电压(第2低温1次电压生成单元)27；合成第1低温1次电压增益调整电路25的输出电压和由第2低温1次电压生成单元27控制的第2低温1次电压增益调整电路26的输出电压的低温合成电路(低温电压合成单元)32；以及经二极管35将低温合成电路32的输出箝位在规定的电平的低温箝位电压33。
图7是表示对图6的功能方框图的第1高温1次电压增益调整电路24的输出电压A、受第2高温1次电压生成单元22控制的第2高温1次电压增益调整电路23的输出电压B、高温合成电路31的输出电压vh、受高温箝位电压发生部30控制的高温合成电路31的输出电压VH的各温度变化的电压特性波形的图。如上所述，图7(a)的电压A是与温度上升成正比关系的呈线性增加的电压。输出电压B是用第2高温电压增益箝位电压22和二极管28把在来自第2高温1次电压增益调整电路23的整个使用温度中呈1次函数的上升特性的输出电压在TA℃(TA＞25)以下的范围内箝位成第2高温1次电压生成单元22的输出电压值的电压特性。由于图7(b)所示的输出电压vh是将图7(a)所示的输出电压A和B进行了合成的功率特性，所以至TA℃为止，为输出电压A的1次函数特性与电压B的1次函数特性之和的电压特性，在TA℃以下，为输出电压A的1次函数特性与电压B的0次函数特性之和的电压特性。图7(c)所示的电压VH是将电压vh的25℃以下的范围内的电压箝位成高温箝位电压发生部30的输出电压值的电压特性。再有，低温部处于第2低温1次电压生成单元27进行的箝位控制不足25℃的温度点(TB)以下的范围，由于电压V1和图7(d)所示的电压VL呈现图7(e)所示的电压特性，故省略其说明。
图9(a)是表示具备了图6所示的温度补偿电压发生电路200的TCXO的频率温度特性的图。实线41表示石英振子X的频率温度特性，虚线42表示温度补偿电压发生电路200和MOS变容二极管的频率可变特性。从该图可知，由于温度补偿电压发生电路200可将输出电压特性区隔为多个温度范围并加以调整，故可有效地调整用于补偿石英振子X的频率温度特性的虚线42所示的频率可变特性，其结果是，可使温度补偿后的温度特性的精度稳定在±0.5ppm以内。
再有，图9(b)是表示具备了本发明第二实施方式的温度补偿电压发生电路200的TCXO的补偿特性的计算机仿真结果的图，图16(b)是表示由现有的温度补偿电压进行的频率温度校正的TCXO的频率温度特性的计算机仿真结果的图。从该图可知，图16(b)的温度补偿结果在±2ppm内变动，与此相对照，在本发明中，由图9(b)可知，频率偏差落在±0.5ppm内，因而得到改善。
图11是用于产生对本发明第四实施方式的温度补偿型压电振荡器供给的控制电压的温度补偿电压发生电路的功能方框图。该温度补偿电压发生电路300包括通过参数随环境温度变化，产生第1～第3传感器电压(A、B、C)的温度传感器(温度检测部)51；基于第2传感器电压B生成与温度上升成正比关系的呈线性变化的电压的高温1次电压增益调整电路(高温1次电压生成单元)54；以第1传感器电压A和第2传感器电压B为输入电压，相对于高温侧的温度上升输出具有高次次数(呈指数函数的增加特性)的电流的高温高次电流发生电路(高温高次电流生成单元)52；将该输出电流变换成电压的增益调整电路(高温高次电压生成单元)53；将高温1次电压增益调整电路54和增益调整电路53的输出电压进行合成的高温合成电路(高温电压合成单元)58；经二极管61将高温合成电路58的输出电压箝位在规定的电平的高温箝位电压发生电路60；基于第2传感器电压B生成与温度上升成反比关系的呈线性变化的电压的低温1次电压增益调整电路(低温1次电压生成单元)55；以第3传感器电压C和第2传感器电压B为输入电压，相对于低温侧的温度下降输出具有高次次数(增加特性呈指数函数)的电流的低温高次电流发生电路(低温高次电流生成单元)56；将该输出电流变换成电压的增益调整电路(低温高次电压生成单元)57；将低温1次电压增益调整电路55和增益调整电路57的输出电压进行合成的低温合成电路(低温电压合成单元)59；以及经二极管63将低温合成电路59的输出电压箝位在规定的电平的低温箝位电压62。
图12(a)是表示传感器电压A、B、C相对于温度传感器51的传感器的温度的一例的图，图12(b)是表示产生各传感器电压的温度传感器(温度检测部)51的一例的电路图。
温度传感器51按如下方式构成在经电阻将作为传感器65的二极管元件的阳极端与运算放大器(放大器)66的反相输入端子连接的同时，将该二极管元件的阴极端接地，将基准电压发生电路70的输出端与放大器66的非反相输入端子连接，在经反馈电阻连接放大器66的输出端与反相输入端的同时，将二极管D2的阳极端与放大电路66的输出端连接，经由电阻R1和电阻R2构成的串联电路将二极管D2的阴极端接地，以电阻R1与电阻R2的连接点为第1传感器电压A的输出端子A，进而将电阻R3的一端与放大电路66的输出端连接，在电阻R3的另一端与接地之间进行串联连接以形成2个二极管D3的正向连接，以二极管D3与电阻R3的连接点为第2传感器电压B的输出端子B，进而将电阻R4的一端与放大器66的输出端连接，将电阻R5的一端与电阻R4的另一端连接，将二极管D1正向连接在电阻R5的另一端与接地之间，以电阻R4与电阻R5的连接点为第3传感器电压C的输出端子C。
以下，说明温度传感器51的工作。
由于图12所示的传感器65是二极管元件，所以流过传感器65的电流进行随温度的上升按照成反比关系的呈1次函数下降的方式工作，故在放大器66的反相输入端施加随温度的上升成反比关系的呈1次函数下降的电压(至少在使用温度范围内，施加于反相输入端的电压的绝对值比基准电压值小)，随之在放大器66的输出端发生呈现随温度的上升成正比关系的呈1次函数上升的特性的输出电压。
而且，在端子A上产生基于二极管D2和电阻R1的串联电路与电阻R2的分压比的电压，在端子B上产生基于电阻R3与二极管D3的分压比的电压，在端子C上产生基于电阻R5和二极管D1的串联电路与电阻R4的分压比的电压。
此时，对于二极管D2、D1而言，通过利用进行随温度的上升端子间电流减少那样的工作(二极管D2、D1的端子间的阻抗增大)的二极管元件特有的温度特性，例如使随温度变化二极管D2和电阻R1的串联电路与电阻R2的电阻比随温度变化而变动，相应地微调放大器66的输出电压(传感器电压A)的变动特性(变动率)而备有的结构，但在电阻的只是设定条件下可进行调整时，不特别备有这些结构也没有关系。
另一方面，对于二极管D3而言，随温度上升使端子B的电位急剧下降，例如由于是串联连接了多个二极管的结构，因此通过适当地设定该二极管的连接数，可从输出端子B得到相对于图12(a)所示的温度上升其电压变化率具有负的斜率的传感器电压B。
而且，如果适当地设定电阻R1～R5和二极管D1～D3及其它电路元件，则如图12(a)所示，在不到25℃的温度TL下，传感器电压B与C的值一致，在高于25℃的温度TH下，可得到传感器电压A、B、C，使得传感器电压A与B的值一致。
图13是说明图11的高温高次电流发生电路52和低温高次电流发生电路56的电路图。现参照12(a)进行说明。高温高次电流发生电路52在高温侧利用了A、B的传感器电压。在比常温低的低温部，由于B的电压比A大得多，所以在电阻R4侧不流过电流，输出电流15thH为零。随着温度上升，传感器A、B间的电位差趋于消失，在R4侧电流开始流过，产生高温高次电流发生电路52的输出电流15thH。此时产生的电流可以以常温附近为中心近似成高次的函数。另外，进行调整，使得传感器A、B的电压变得相同时的温度TH在温度补偿范围的高温侧的端部。至于低温侧，也与高温侧同样地工作，进行调整，使得传感器B、C的交点TL在温度补偿范围的低温侧的端部。此处，通过使电阻R1～R4的电阻值发生变化，使电流特性相对于温度也发生变化，看上去函数的次数发生了变化，所以通过该电阻变化可调整高次次数。由此，可将MOS变容二极管的特性微调成石英振子的特性。
图14是表示高温高次电流的次数调整后的特性例的图。从该图可知，通过使电阻R1～R4的电阻值发生变化，使电流特性71相对于温度也发生变化，看上去函数的次数发生了变化。在该图中，示出了当改变为箭头的方向时，看上去的次数减少。
权利要求
1.一种温度补偿型压电振荡器，由电流流过压电元件以进行激励的振荡电路、隔直流用固定电容元件、补偿因温度变化造成的振荡频率的变化的频率温度补偿电路、以及具备了受规定的频率激励的压电元件的压电振子串联连接而成，其特征在于所述频率温度补偿电路包括温度补偿用电压发生部，该温度补偿用电压发生部基于通过温度检测部变化了的参数来产生电压，该温度检测部的参数随环境温度而变化，所述温度补偿用电压发生部包括低温控制电压发生部和高温控制电压发生部，该低温控制电压发生部产生以所述压电元件的温度特性的常温为中心，补偿低温侧的温度特性的电压，该高温控制电压发生部产生补偿高温侧的温度特性的电压，所述低温控制电压发生部包括低温1次电压生成单元、低温高次电压生成单元和低温电压合成单元，该低温1次电压生成单元生成相对于温度呈线性变化的电压，该低温高次电压生成单元相对于由该低温1次电压生成单元所生成的电压的低温侧的温度生成具有高次次数的电压，该低温电压合成单元将由所述低温1次电压生成单元和低温高次电压生成单元所生成的电压进行合成，所述高温控制电压发生部包括高温1次电压生成单元、高温高次电压生成单元和高温电压合成单元，该高温1次电压生成单元生成相对于温度呈线性变化的电压，该高温高次电压生成单元相对于由该高温1次电压生成单元所生成的电压的高温侧的温度生成具有高次次数的电压，该高温电压合成单元将由所述高温1次电压生成单元和高温高次电压生成单元所生成的电压进行合成。
2.一种温度补偿型压电振荡器，由电流流过压电元件以进行激励的振荡电路、隔直流用固定电容元件、补偿因温度变化造成的振荡频率的变化的频率温度补偿电路、以及具备了受规定的频率激励的压电元件的压电振子串联连接而成，其特征在于所述频率温度补偿电路包括温度补偿用电压发生部，该温度补偿用电压发生部基于通过温度检测部变化了的参数来产生电压，该温度检测部的参数随环境温度而变化，所述温度补偿用电压发生部包括低温控制电压发生部和高温控制电压发生部，该低温控制电压发生部产生以所述压电元件的温度特性的常温为中心，补偿低温侧的温度特性的电压，该高温控制电压发生部产生补偿高温侧的温度特性的电压，所述低温控制电压发生部包括第1低温1次电压生成单元、第2低温1次电压生成单元和低温电压合成单元，该第1低温1次电压生成单元生成相对于温度按第1斜率呈线性变化的电压，该第2低温1次电压生成单元生成相对于温度按第2斜率呈线性变化的电压，该低温电压合成单元将由所述第1低温1次电压生成单元和第2低温1次电压生成单元所生成的电压进行合成，所述高温控制电压发生部包括第1高温1次电压生成单元、第2高温1次电压生成单元和高温电压合成单元，该第1高温1次电压生成单元生成相对于温度按第1斜率呈线性变化的电压，该第2高温1次电压生成单元生成相对于温度按第2斜率呈线性变化的电压，该高温电压合成单元将由所述第1高温1次电压生成单元和第2高温1次电压生成单元所生成的电压进行合成。
3.一种温度补偿型压电振荡器，由电流流过压电元件以进行激励的振荡电路、隔直流用固定电容元件、补偿因温度变化造成的振荡频率的变化的频率温度补偿电路、以及具备了受规定的频率激励的压电元件的压电振子串联连接而成，其特征在于所述频率温度补偿电路包括温度补偿用电压发生部，该温度补偿用电压发生部基于通过温度检测部变化了的参数来产生电压，该温度检测部的参数随环境温度而变化，所述温度检测部包括第1传感器电压发生电路、第2传感器电压发生电路和第3传感器电压发生电路，该第1传感器电压发生电路产生从低温起随温度上升而线性上升的电压，第2传感器电压发生电路产生从低温起随温度上升而线性下降的电压，第3传感器电压发生电路产生与由所述第1传感器电压发生电路所产生的电压具有同一斜率并加上规定的箝位电压而得到的电压，所述温度补偿用电压发生部包括低温控制电压发生部和高温控制电压发生部，该低温控制电压发生部产生以所述压电元件的温度特性的常温为中心，补偿低温侧的温度特性的电压，该高温控制电压发生部产生补偿高温侧的温度特性的电压，所述低温控制电压发生部包括低温1次电压生成单元、低温高次电压生成单元和低温电压合成单元，该低温1次电压生成单元基于所述第2传感器电压生成呈线性变化的电压，该低温高次电压生成单元基于所述第2传感器电压和所述第3传感器电压，相对于由所述低温1次电压生成单元所生成的电压的低温侧的温度生成具有高次次数的电压，该低温电压合成单元将由所述低温1次电压生成单元和低温高次电压生成单元所生成的电压进行合成，所述高温控制电压发生部包括高温1次电压生成单元、高温高次电压生成单元和高温电压合成单元，该高温1次电压生成单元基于所述第2传感器电压生成呈线性变化的电压，该高温高次电压生成单元基于所述第1传感器电压和所述第2传感器电压，相对于由所述高温1次电压生成单元所生成的电压的高温侧的温度生成具有高次次数的电压，该高温电压合成单元将由所述高温1次电压生成单元和高温高次电压生成单元所生成的电压进行合成。
4.按照权利要求3所述的温度补偿型压电振荡器，其特征在于所述低温高次电压生成单元和高温高次电压生成单元可变更具有高次次数的电压的次数。
5.按照权利要求1、2或3中的任一项所述的温度补偿型压电振荡器，其特征在于所述低温控制电压发生部生成在高温部中其电压比常温附近恒定的电压，所述高温控制电压发生部生成在低温部中其电压比常温附近恒定的电压。
全文摘要
为了使MOS型变容二极管的非线性的电容变化接近于理想的3次函数，提供了一种将高次函数特性与线性的控制电压的特性进行合成以提高温度补偿精度的温度补偿型压电振荡器。该温度补偿电压发生电路(110)包括温度传感器(温度检测部)(81)；高温1次电压增益调整电路(高温1次电压生成单元)(82)；高温高次电压增益调整电路(高温高次电压生成单元)(83)；合成电路(高温电压合成单元)(86)；低温1次电压增益调整电路(低温1次电压生成单元)(84)；低温高次电压增益调整电路(低温高次电压生成单元)(85)；以及合成电路(低温电压合成单元)(87)。
文档编号H03B5/32GK1832332SQ20061005689
公开日2006年9月13日 申请日期2006年3月9日 优先权日2005年3月9日
发明者石川匡亨, 清原厚 申请人:爱普生拓优科梦株式会社