JPS641969B2 - - Google Patents
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- JPS641969B2 JPS641969B2 JP14364379A JP14364379A JPS641969B2 JP S641969 B2 JPS641969 B2 JP S641969B2 JP 14364379 A JP14364379 A JP 14364379A JP 14364379 A JP14364379 A JP 14364379A JP S641969 B2 JPS641969 B2 JP S641969B2
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
- H03L1/00—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
- H03L1/02—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
- H03L1/028—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only of generators comprising piezoelectric resonators
Landscapes
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
Description
本発明はAT板水晶振動子を使用する水晶発振
器の広温度範囲に亘る温度補償に関するものであ
る。AT板水晶振動子を用いて発振器を作り、例
えば−30〜+70℃の広温度範囲における周波数安
定度を±3×10-6以内に維持しようとする場合
は、従来は電圧制御水晶発振器とサーミスタを用
いた温度―電圧変換回路を組み合わせて温度補償
を行なう方法を採用するのが一般であつた。
しかしこの従来の方法では感度の高い電圧可変
容量ダイオードや温度安定度の優れた基準電圧発
生回路が必要であるため高価となり、さらに回路
構成が複雑になるために小型化に一定の限界を生
じるなどの欠点があつた。
一方第1図は従来から低温部補償回路として知
られた簡易な温度補償回路であつて、例えばこれ
を第11図のTC部に挿入して用いるものである
が、この補償回路は低価格化、小型化に有利であ
る反面、−30〜+70℃の広温度範囲に亘り水晶発
振器の特性を一様に補償することはとても不可能
である。本発明はこの第1図の系統の温度補償回
路に属するものであるが、上述の欠点を一掃して
小型化、低価格化を共に実現するものである。
本発明の温度補償回路は、第1図に示す補償回
路を2箇互に直列に接続して第2図の如く構成す
るものであつて、補償範囲を常温以下の低温部と
常温以上の高温部に分けて、それぞれを各箇の補
償回路に分担させて温度補償を行なうことを特徴
とする。以下図を用いてその説明を行なう。
従来にも本発明と同様な構成をもつて水晶発振
器の温度特性を補償するものがあり、例えば文献
(特公昭45−2404号)があるが、その開示する内
容は温度―周波数特性が放物線状に変化するBT
板水晶振動子の温度補償を行なうものであり、そ
のため補償用回路には互いに逆の抵抗―温度特性
を有する二つの抵抗素子(第2図のRP(T)を用いて
いる。これに対し本発明は3次曲線を示すAT板
水晶振動子の温度補償を対象とするものであつて
後述のように、抵抗素子RP(T)の抵抗―温度特性が
共に正となるところに大きい相違点を持つてい
る。
第1図の補償回路をそれと等価な直列回路に変
換したものが第3図である。第3図のRS(T)および
CS(T)は温度Tに於ける等価直列抵抗および等価直
列容量であつてそれぞれ以下に示す式(1)、(2)で表
わされる。すなわちコンデンサCPおよびCS(T)によ
るリアクタンスをXP=1/ωCPおよびXS(T)=1/
ωCS(T)で表現すれば
RS(T)=RP(T)/1+(RP(T)/XP)2 …(1)
XS(T)=XP/1+(XP/RP(T))2 …(2)
サーミスタRP(T)の基準温度点25℃(本発明の常
温即ち基準温度点は25℃を中心にしてほゞ±10℃
の範囲で選ぶことができる)における抵抗値を
RP(O)としてこれで(1)および(2)式の規準化を行なう
と、次の(3)および(4)式が得られる。
RS(T)/RP(O)=β(T)/1+β(T) 2/b2 …(3)
XS(T)/XP=1/1+b2/β(T) 2 …(4)
ただし β(T)=RP(T)/RP(O)
b=XP/RP(O)とする。
この(3)、(4)式により実際に数値計算を行なつた
ものを第4図に(3)式を点線で、(4)式を実線で示
す。(第4図の横軸β(T)はサーミスタRP(T)の各温度
における抵抗比であるがサーミスタの抵抗値は負
の温度係数をもつ、従つて横軸β(T)の右方向に行
くほど温度は低くなることと対応する)。
さてこの第2,3図の補償回路を発振ループ
(即ち第11図のTC部)に挿入したときに得られ
る温度補償の効果を第4図をもちいて考察する場
合、発振周波数とは直接関係をもたないRS(T)/
RP(O)(点線の曲線)は無視することができ、XS(T)
の変化の度合いだけが直接発振周波数に変化を与
えるので、専らXS(T)/XPの実線の曲線だけに注
目すればよい。曲線はbをパラメータとして描か
れているが、これをみるとb=1の近辺のXS(T)/
XP曲線がβ(T)=1の位置で大きく立上るため常温
25℃付近の温度補償に適し、またb=10の近辺の
曲線が殊に低温部の温度補償に適し、更にb=
0.1の近辺の曲線が殊に高温部の温度補償に適し
ていることがわかる。また高、低温の温度補償は
これを同時に、しかも互に他と無関係に行いうる
ことがわかる。以上は、第1図の補償回路を用い
る本発明の温度補償の基本原理となる。
本発明はすでに前述したように第1図の補償回
路を2個直列に接続して構成した第2図の如き補
償回路を用いる。第5図は本発明の水晶発振器の
等価回路である。YはAT板水晶振動子をシンボ
ルで示したもの、付記したγは水晶振動子Yの容
量比、COは電極間容量である。なおこの第5図
では、発振周波数に関係を持たないループゲイン
に関する部分は省略してある。この第5図の発振
回路の発振周波数を、水晶振動子の直列共振周
波数Sからの偏差量△=―SをSで割つた式
で示すと周知の(5)式を得る。なおこの(5)式中の
CLは補償回路側の回路の全体の直列容量とする。
△/S=CO/2γ(CO+CL …(5)
さて、温度補償を行なうにはこの式のCLを水
晶振動子の温度特性を相殺する方向に温度に従つ
て変化させる必要があるが、本発明に用いるAT
板水晶振動子の周波数温度特性は第6図に示す
AT板水晶振動子の特性曲線61〜64のうち曲
線がすべて斜線内に入つているような振動子が適
している。この理由は(4)式および第4図のXS(T)/
XP曲線から見てもわかるようにそのリアクタン
スが温度の変化に対して負特性を持つて変化して
いる(容量値は正特性)ためであり、このXS(T)/
XPを(5)式のCLにあてはめて考えてみると、本発
明の温度補償は低温部では発振周波数を上昇さ
せ、反対に高温部では下げる方向にのみ作用する
ことになるからである。
温度Tにおける周波数の偏差量を△(T)/S、
負荷容量をCL(T)として、(5)式を変形すると
CL(T)=(1/2γ・△(T)/S―1)CO …(6)
となる。さらに基準温度TOにおける周波数の偏
差量を△(O)/S=CO/2γ(CO+CL(O))、そのとき
の負
荷容量をCL(O)とし、温度Tにおける偏差量と基準
温度TOにおける偏差量の差を補償周波数量とよ
ぶことにし、これをM(T)とおけば
M(T)=△(T)/S―△(O)/S
△(T)/S=M(T)+△(O)/=M(T)+CO/2γ(
CO+CL(O)
…(7)
となり(7)式の右辺の第2項はSを含まない式とな
つてくる。
次に(6)式に(7)式を代入すると、
CL(T)={CO+CL(O)/2γM(T)(CO+CL(O)+CO―1}
CO…(8)
となるが、この(8)式は温度Tにおいて補償周波数
量M(T)を得るに必要な負荷容量(補償容量)CL(T)
を求める式である。
一方(4)式を変形し、CS(T)で表現すれば
CS(T)=(1+b2/β(T) 2)CP …(9)
となる。ここで(8)式と(9)式を用いて、第5図の発
振回路における本発明の補償回路条件、つまり素
子値RP(T),CPを計算するためには、高、低温の
2箇の補償回路の1つを単純に固定コンデンサ、
すなわち第7図のCaの如く見たてゝ第7図の等
価回路を解析する方法が簡単である。この場合、
すでに前述しているように補償回路の1つは常温
以下の低温部、他の1つは常温以上の高温部に補
償範囲を限定してそれぞれ計算を行ない、後でこ
の2者を合成した総合の補償特性を吟味しても大
きい誤差を生ずることはない。
第7図において、CS(T)とCL(T)の関係を求めると
CL(T)=CaCS(T)/Ca+CS(T)
∴CS(T)=−CL(T)Ca/CL(T)―Ca …(10)
となる。(8)式および(10)式により温度T1,T2にて
必要な水晶振動子の補償容量がそれぞれCS(T1),
CS(T2)と求まれば、(9)式から次式が成立する。
CS(T1)=(1+b2/β1 2)CP …(11)
CS(T2)=(1+b2/β2 2)CP …(12)
この(11)、(12)式をCPおよびbについて解けば必
要な素子値RP(O),CPが次式の如く得られる。
∴CP=CS(T2)β2 2―CS(T1)β1 2/β2 2―β1 2…(14)
∴RP(O)=XC/b=1/ωCPb …(15)
さて次にはこれらの計算式を用いて第8図に示
す曲線Aを補償するに必要な補償回路の素子値を
実際に計算してみる。なお第8図の曲線Aは周波
数12.8MHzにおける水晶振動子の温度特性の実
測例である。
先ず低温部補償回路の設計として、温度0℃を
T1、温度−30℃をT2とし、このT1,T2における
前述の補償周波数量M(T)を、第8図の曲線Aから
それぞれM1=+4.3×10-6、M2=+26×10-6とす
る。低温部補償回路に用いるサーミスタのB定数
が3000〓のものを使用するとして、第9図よりサ
ーミスタの抵抗比β(T)をそれぞれβ1=2.5、β2=9.8
とする(第9図はサーミスタの温度対抵抗比のグ
ラフである)。さらに補償を行なう水晶振動子の
γはγ=217、COはCO=4.25PFと実際的数値を用
い、基準温度点TOをTO=+25℃とし、このとき
のCL(O)はCL(O)=100PFとする。なお周波数は
12.8MHzとする。表1にはこれらの数値および
計算して得た素子値CP,RP(O)をまとめてある。
なお高温部補償回路は、前述のように固定コンデ
ンサCaと単純化し、Ca=101PFとして計算して
ある。
次には、同様に高温部補償回路の設計を行なう
のであるが、高温部の場合は温度+25℃をT1、
温度+70℃をT2とした方が計算による誤差が少
なくてすむ。このT1を基準温度点TOに等しくす
る理由は、CL(O)がCL(O)=100PFの場合、低温部補
償回路のCS(O)は(9)式に表1のCP、bおよびβ=1
を代入して計算するとCS(O)=9602PFとなつて、
CL(O)≪CS(O)であるためにCL(O)は高温部補償回路の
CS(O)により殆んど決定されるからである。従つて
M1=0従つてこのときのβ1=1とし以下低温部
補償回路の設計と同様に、M2=−12×10-6、β2
=0.21とする。なお高温部補償回路に用いるサー
ミスタのB定数はB=3550〓とし、低温部補償回
路はCa=9602PFと固定して計算を行なう。
表1にこれらの数値および計算した結果をまと
めてある。
The present invention relates to temperature compensation over a wide temperature range of a crystal oscillator using an AT plate crystal resonator. When creating an oscillator using an AT plate crystal resonator and trying to maintain frequency stability within ±3×10 -6 over a wide temperature range of -30 to +70°C, conventionally, a voltage controlled crystal oscillator and a thermistor were used. Generally, a method was adopted in which temperature compensation was performed by combining a temperature-voltage conversion circuit using However, this conventional method requires a highly sensitive voltage variable capacitance diode and a reference voltage generation circuit with excellent temperature stability, making it expensive. Furthermore, the circuit configuration becomes complex, which puts certain limits on miniaturization. There were some shortcomings. On the other hand, Fig. 1 shows a simple temperature compensation circuit conventionally known as a low-temperature section compensation circuit, for example, which is used by inserting it into the TC section of Fig. 11, but this compensation circuit has been made low-cost. Although it is advantageous for miniaturization, it is extremely impossible to uniformly compensate the characteristics of the crystal oscillator over a wide temperature range of -30 to +70°C. The present invention belongs to the temperature compensation circuit of the system shown in FIG. 1, and is intended to eliminate the above-mentioned drawbacks and achieve both miniaturization and cost reduction. The temperature compensation circuit of the present invention is configured as shown in FIG. 2 by connecting two compensation circuits shown in FIG. It is characterized in that the temperature compensation is performed by dividing the temperature compensation circuit into two parts and assigning each part to each part of the compensation circuit. The explanation will be given below using the figures. Conventionally, there are devices that compensate for the temperature characteristics of a crystal oscillator with a configuration similar to the present invention, for example, there is a document (Japanese Patent Publication No. 45-2404), but the content disclosed is that the temperature-frequency characteristics are parabolic. BT changing to
This is to compensate for the temperature of the plate crystal resonator, and therefore the compensation circuit uses two resistive elements (R P(T) in Figure 2) with opposite resistance-temperature characteristics. The present invention is aimed at temperature compensation of an AT plate crystal resonator exhibiting a cubic curve, and as will be described later, there is a major difference in that the resistance-temperature characteristics of the resistance element R P(T) are both positive. Figure 3 shows the compensation circuit in Figure 1 converted into an equivalent series circuit.R S(T) and
C S (T) is an equivalent series resistance and an equivalent series capacitance at temperature T, and are expressed by the following equations (1) and (2), respectively. In other words, the reactance due to capacitors C P and C S(T) is expressed as X P = 1/ωC P and X S(T) = 1/
Expressed as ωC S(T) , R S(T) = R P(T) /1+(R P(T) /X P ) 2 …(1) X S(T) = X P /1+(X P /R P(T) ) 2 ...(2) Thermistor R P(T) 's reference temperature point is 25°C (ordinary temperature, that is, the reference temperature point of the present invention is approximately ±10°C around 25°C)
) can be selected within the range of
When formulas (1) and (2) are normalized using this as R P(O) , the following formulas (3) and (4) are obtained. R S(T) /R P(O) =β (T) /1+β (T) 2 /b 2 …(3) X S(T) /X P =1/1+b 2 /β (T) 2 …( 4) However, β (T) = R P(T) / R P(O) b = X P / R P(O) . Figure 4 shows the actual numerical calculations performed using equations (3) and (4), with equation (3) shown as a dotted line and equation (4) shown as a solid line. (The horizontal axis β (T) in Figure 4 is the resistance ratio of the thermistor R P (T) at each temperature, but the resistance value of the thermistor has a negative temperature coefficient, so it is (This corresponds to the fact that the further you go, the lower the temperature becomes.) Now, when we use Figure 4 to consider the temperature compensation effect obtained when the compensation circuits in Figures 2 and 3 are inserted into the oscillation loop (i.e., the TC section in Figure 11), we find that there is no direct relationship with the oscillation frequency. R S(T) /
R P(O) (dotted curve) can be ignored and X S(T)
Since only the degree of change in directly changes the oscillation frequency, it is only necessary to pay attention to the solid curve of X S(T) /X P. The curve is drawn using b as a parameter, and when you look at it, you can see that X S(T) / around b=1
Since the X P curve rises significantly at the position of β (T) = 1,
It is suitable for temperature compensation around 25℃, and the curve around b=10 is especially suitable for temperature compensation in low temperature areas, and furthermore, b=
It can be seen that the curve around 0.1 is particularly suitable for temperature compensation in high temperature areas. It can also be seen that high and low temperature compensation can be performed simultaneously and independently of each other. The above is the basic principle of temperature compensation of the present invention using the compensation circuit shown in FIG. As already mentioned above, the present invention uses a compensation circuit as shown in FIG. 2, which is constructed by connecting two compensation circuits in FIG. 1 in series. FIG. 5 is an equivalent circuit of the crystal oscillator of the present invention. Y is a symbol of an AT plate crystal resonator, the appended γ is the capacitance ratio of the crystal resonator Y, and C O is the interelectrode capacitance. Note that in FIG. 5, the portion related to the loop gain, which has no relation to the oscillation frequency, is omitted. If the oscillation frequency of the oscillation circuit shown in FIG. 5 is expressed by dividing the amount of deviation Δ= −S by S from the series resonance frequency S of the crystal resonator, the well-known equation (5) is obtained. Furthermore, in this formula (5),
C L is the entire series capacitance of the circuit on the compensation circuit side. △ / S = C O /2γ (C O + C L …(5) Now, in order to perform temperature compensation, it is necessary to change C L in this equation according to the temperature in a direction that cancels out the temperature characteristics of the crystal resonator. However, the AT used in the present invention
The frequency-temperature characteristics of a plate crystal resonator are shown in Figure 6.
A resonator in which all of the characteristic curves 61 to 64 of the AT plate crystal resonator are within the diagonal lines is suitable. The reason for this is that X S(T) /
As can be seen from the X P curve, this is because the reactance changes with negative characteristics with respect to temperature changes (the capacitance value has positive characteristics), and this X S(T) /
Applying X P to C L in equation (5), the temperature compensation of the present invention increases the oscillation frequency in low-temperature areas, and conversely works only in the direction of lowering it in high-temperature areas. . The frequency deviation amount at temperature T is △ (T) / S ,
When the load capacity is set as C L(T) and equation (5) is transformed, C L(T) = (1/2γ・△ (T) / S −1) C O …(6). Furthermore, let the frequency deviation amount at the reference temperature T O be △ (O) / S = C O /2γ (C O + C L(O) ), and the load capacity at that time be C L (O) , and the deviation amount at the temperature T. The difference between the deviation amount at the reference temperature T O is called the compensation frequency amount, and if this is set as M (T) , then M (T) = △ (T) / S - △ (O) / S △ (T) / S =M (T) +△ (O) /=M (T) +C O /2γ(
C O +C L(O) ...(7) The second term on the right side of equation (7) becomes an equation that does not include S. Next, substituting equation (7) into equation (6), C L(T) = {C O +C L(O) /2γM (T) (C O +C L(O) +C O -1}
C O ...(8) This equation (8) is the load capacity (compensation capacity) C L(T) required to obtain the compensation frequency amount M (T) at the temperature T.
This is the formula to find. On the other hand, if equation (4) is transformed and expressed as C S(T) , C S(T) = (1+b 2 /β (T) 2 ) C P (9). Here, using equations (8) and (9), in order to calculate the compensation circuit conditions of the present invention in the oscillation circuit of FIG. 5, that is, the element values R P (T) and C P , it is necessary to Simply replace one of the two compensation circuits with a fixed capacitor,
In other words, it is easy to analyze the equivalent circuit in FIG. 7 from the perspective of Ca in FIG. in this case,
As mentioned above, one of the compensation circuits performs calculations by limiting the compensation range to the low-temperature section below room temperature, and the other to the high-temperature section above room temperature. Even if we carefully examine the compensation characteristics of In Figure 7, the relationship between C S(T) and C L(T) is calculated as follows: C L(T) = CaC S(T) /Ca+C S(T) ∴C S(T) = −C L(T ) Ca/C L(T) -Ca …(10) According to equations (8) and (10), the compensation capacitances of the crystal resonator required at temperatures T 1 and T 2 are C S (T1) and C S (T1) , respectively.
If C S(T2) is found, the following equation is established from equation (9). C S(T1) = (1+b 2 /β 1 2 )C P …(11) C S(T2) = (1+b 2 /β 2 2 )C P …(12) These equations (11) and (12) By solving for C P and b, the required element values R P (O) and C P can be obtained as shown in the following equation. ∴C P =C S(T2) β 2 2 -C S(T1) β 1 2 /β 2 2 -β 1 2 ...(14) ∴R P(O) =X C /b=1/ωC P b (15) Now, using these calculation formulas, we will actually calculate the element values of the compensation circuit required to compensate for curve A shown in FIG. 8. Note that curve A in FIG. 8 is an example of actually measured temperature characteristics of a crystal resonator at a frequency of 12.8 MHz. First, when designing the low-temperature section compensation circuit, we set the temperature to 0℃.
Let T 1 and temperature -30°C be T 2 , and the above-mentioned compensation frequency amount M (T) at T 1 and T 2 can be calculated from curve A in FIG. 8 as M 1 =+4.3×10 -6 and M 2 = +26×10 -6 . Assuming that a thermistor with a B constant of 3000 is used in the low-temperature compensation circuit, the resistance ratio β (T) of the thermistor is determined from Fig. 9 as β 1 = 2.5 and β 2 = 9.8, respectively.
(Figure 9 is a graph of the temperature versus resistance ratio of the thermistor). Furthermore, using practical values such as γ = 217 for the crystal oscillator to be compensated and C O = 4.25PF for C O , and setting the reference temperature point T O = +25°C, at this time C L(O) Let C L(O) = 100PF. Furthermore, the frequency is
Set to 12.8MHz. Table 1 summarizes these numerical values and the calculated element values C P and R P (O) .
Note that the high temperature compensation circuit is simplified as a fixed capacitor Ca as described above, and is calculated as Ca=101PF. Next, we will design the high temperature section compensation circuit in the same way, but in the case of the high temperature section, the temperature +25℃ is T 1
If the temperature +70℃ is used as T 2 , there will be less error in calculations. The reason why T 1 is made equal to the reference temperature point T O is that when C L ( O) = 100PF, C S (O) of the low-temperature section compensation circuit is expressed in equation (9) as shown in Table 1. C P , b and β=1
Substituting and calculating, C S(O) = 9602PF,
Since C L(O) ≪C S(O) , C L(O) is the value of the high temperature section compensation circuit.
This is because it is mostly determined by C S(O) . Accordingly
M 1 =0 Therefore, in this case, β 1 =1, and as in the design of the low temperature section compensation circuit, M 2 = -12×10 -6 , β 2
=0.21. The B constant of the thermistor used in the high temperature compensation circuit is set to B=3550〓, and the calculation is performed with Ca=9602PF fixed as the low temperature compensation circuit. Table 1 summarizes these numerical values and calculated results.
【表】
以上の如くして得られた素子値を用いて−30〜
+80℃の温度範囲において得られるM(T)を表2に
まとめ、さらにこれらの補償回路を本発明の如く
用いて第8図の曲線Aの高、低温部を補償した結
果を同図の曲線Bとして記載した。[Table] Using the element values obtained as above, −30 to
The M (T) obtained in the temperature range of +80°C is summarized in Table 2, and the results of compensating for the high and low temperature parts of curve A in Figure 8 using these compensation circuits as in the present invention are shown in the curve in the same figure. It was written as B.
【表】
本発明による補償法は第8図の曲線Bにみられ
るように、AT板水晶振動子の周波数温度特性
を、−30〜+80℃の広温度範囲において±1.5×
10-6以下に補償する能力を持つている。これは第
1図の補償回路だけでは到底実現できない温度補
償の効果である。
本発明の特長は、2箇の独立した補償回路を直
列に接続して、直接水晶振動子に接続することに
より低温部及び高温部の両部においてともに温度
補償の効果が得られるようにしたところにある。
この高、低温部の補償を互に独立して動作をさ
せるための設計条件は、並列コンデンサのリアク
タンスとサーミスタの常温における抵抗値との比
つまり(13)式のbが低温部補償回路においては
b>6、高温部補償回路においてはb<0.1にし
なければならない。その理由は第4図のXS(T)/
XP曲線のb=0.1およびb=7の曲線で説明する
と、b=0.1では低温部において、b=7では高
温部においてそれぞれリアクタの変化が少なく互
に発振周波数に影響を与えることがないからであ
る。このことは表2の低温および高温部のM(T)を
見ればさらに明白となろう。
次には補償回路の感度調整方法について説明を
行なう。
第2図に示す本発明の補償回路では水晶振動子
のγやCOが製造のバラツキによつて変化する場
合や、温度特性がその振動板のカツトアングルに
よつて例えば第6図の如く様々に変化する場合に
は個々にRP、CPを選定してその都度補償回路の
設計を行なう必要がありこのままでは殊に低価格
を要求される水晶発振器の生産には適しない。こ
れを補なう手段としてサーミスタの感度調整を行
なうために、低温部用補償回路においてはサーミ
スタと並列に調整用抵抗を挿入し、高温部用補償
回路においてはサーミスタと直列に調整用抵抗を
挿入する。第10図にはその抵抗を挿入した補償
回路を示した。これらの調整用抵抗を可変抵抗器
やPINダイオード等の半導体デバイスの等価抵抗
でも代用できることは周知である。このような調
整用抵抗の挿入によれば低温または高温部におい
て大きい感度調整が可能となる一方常温近辺では
その影響が殆んどないと云う効果が得られる。低
温部と高温部において感度調整用抵抗の挿入方法
が異なる理由を第4図のXS(T)/XS曲線で説明す
ると、低温部においては(b=7曲線)サーミス
タに並列に抵抗を挿入することによつて、bが大
きくなり感度が低下するが、常温以上ではリアク
タンスが飽和しているため周波数の変化は少な
い。一方高温部においては(b=0.1曲線)サー
ミスタに直列に抵抗を挿入することによつて、b
が小さくなり感度が低下するが、常温以下ではリ
アクタンスが飽和しているため周波数の変化は少
ないからである。このようにサーミスタの感度調
整を低温および高温部においてそれぞれ独立して
行ないうることは工業上極めて有益である。
さて第10図における低温部補償回路(Lの部
分)および高温部補償回路(Hの部分)のCS(T)を
(9)式を導いたのと同要領でそれぞれ求めるときは
(16)、(17)式を得る。
CS(T)={1+(a+β(T) 2)/β(T) 2・b2/a2}CP
…(16)
CS(T)={1+b2/(a+β(T) 2)}CP …(17)
ただしRC/RP(O)=aとする。
従つてあらかじめ適宜設計選定されたbおよび
CPを用いそれにRCを添加して所望の任意のCS(T)
を得るためのaの値を(16)、(17)式よりそれぞ
れ求めて見ると、
となる。CS(T)CPおよびa>0の条件を満足する
範囲内で感度調整用RCの値は低温部においては
(18)式、高温部においては(19)式によつて決
定されることになる。
このRCの実際的な使用方法は、このRCを可変
抵抗器で代用し、基準温度TOにおける発振周波
数に、温度T2における発振周波数が一致するよ
うに可変抵抗器を調整するのが確実であり簡単で
もある。表3には前に設計を行なつた(表1)補
償回路にRCを添加した場合の補償周波数量M(T)を
前述のa値別に記載した。この表3のM(T)をみる
とき、サーミスタに並列または直列挿入した調整
用抵抗により、低温部(または高温部)において
大きく感度調整がなされていることおよび+25℃
以上の高温部(または+25℃以下の低温部)にお
いてその影響が殆んど現れないことがわかる。[Table] As shown in curve B in Figure 8, the compensation method according to the present invention improves the frequency-temperature characteristics of the AT plate crystal resonator by ±1.5× over a wide temperature range of -30 to +80°C.
Has the ability to compensate below 10 -6 . This is a temperature compensation effect that cannot be achieved by the compensation circuit shown in FIG. 1 alone. The feature of the present invention is that by connecting two independent compensation circuits in series and directly connecting them to the crystal resonator, a temperature compensation effect can be obtained in both the low temperature section and the high temperature section. It is in. The design condition for making the high and low temperature compensation operate independently of each other is that the ratio of the reactance of the parallel capacitor to the resistance value of the thermistor at room temperature, that is, b in equation (13), is b>6, and b<0.1 in the high temperature section compensation circuit. The reason is X S(T) / in Figure 4.
Explaining this using the curves b = 0.1 and b = 7 of the X P curve, when b = 0.1, there is little change in the reactor in the low temperature section, and when b = 7, there is little change in the reactor in the high temperature section, so they do not affect each other's oscillation frequency. It is. This becomes even clearer when looking at M (T) in the low temperature and high temperature sections of Table 2. Next, a method for adjusting the sensitivity of the compensation circuit will be explained. In the compensation circuit of the present invention shown in Fig. 2, the γ and CO of the crystal resonator may change due to manufacturing variations, and the temperature characteristics may vary depending on the cut angle of the diaphragm, as shown in Fig. 6. , it is necessary to select R P and C P individually and design a compensation circuit each time, and this is not suitable for the production of crystal oscillators, which require a particularly low price. To compensate for this, in order to adjust the sensitivity of the thermistor, an adjustment resistor is inserted in parallel with the thermistor in the low-temperature compensation circuit, and an adjustment resistor is inserted in series with the thermistor in the high-temperature compensation circuit. do. FIG. 10 shows a compensation circuit in which the resistor is inserted. It is well known that the equivalent resistance of a semiconductor device such as a variable resistor or a PIN diode can be substituted for these adjustment resistors. By inserting such an adjusting resistor, it is possible to make a large sensitivity adjustment at low or high temperatures, while having almost no effect near room temperature. The reason why the method of inserting the sensitivity adjustment resistor is different in the low-temperature section and the high-temperature section can be explained using the X S(T) /X S curve in Figure 4. By inserting it, b increases and the sensitivity decreases, but since the reactance is saturated above room temperature, there is little change in frequency. On the other hand, in the high temperature section (b = 0.1 curve), by inserting a resistor in series with the thermistor, b
This is because the reactance is saturated at temperatures below room temperature, so there is little change in frequency, although the sensitivity decreases. It is extremely useful industrially to be able to independently adjust the sensitivity of the thermistor at low and high temperatures. Now, C S(T) of the low-temperature part compensation circuit (part L) and the high-temperature part compensation circuit (part H) in Figure 10.
If we calculate each in the same way as we derived equation (9), we obtain equations (16) and (17). C S(T) = {1+(a+β (T) 2 )/β (T) 2・b 2 /a 2 }C P
…(16) C S(T) = {1+b 2 /(a+β (T) 2 )}C P …(17) However, R C /R P(O) = a. Therefore, b and which are appropriately designed and selected in advance
Any desired C S(T) by using C P and adding R C to it
The value of a to obtain is obtained from equations (16) and (17), respectively. becomes. Within the range that satisfies the conditions of C S(T) C P and a>0, the value of R C for sensitivity adjustment is determined by equation (18) in the low temperature section and equation (19) in the high temperature section. It turns out. The practical way to use this R C is to substitute a variable resistor for this R C and adjust the variable resistor so that the oscillation frequency at a temperature T 2 matches the oscillation frequency at a reference temperature T O. It's both reliable and easy. In Table 3, the amount of compensation frequency M (T) when R C is added to the compensation circuit designed previously (Table 1) is listed for each of the above-mentioned a values. When looking at M (T) in Table 3, it can be seen that the sensitivity is greatly adjusted in the low temperature section (or high temperature section) by the adjustment resistor inserted in parallel or series with the thermistor, and that the sensitivity is greatly adjusted at +25℃.
It can be seen that this effect hardly appears in the high temperature area above (or the low temperature area below +25°C).
【表】【table】
【表】
最後に、本発明の装置の出力レベルの安定化に
ついて説明を行なう。第11図は本発明の具体的
な回路図である。この回路は抵抗R3を短絡すれ
ば、曲型的なコレクタ接地型のコルピツツ回路に
なる。この回路において従来行なわれているよう
に発振出力をトランジスタTRのエミツタからコ
ンデンサC4を介して出力端子OUT Bから取り出
すときは、前述の補償回路の直列抵抗値RS(T)の変
化が直接発振レベルに影響するので好ましくな
い。そのRS(T)値を表1に記載した素子値の条件で
(1)式により−30〜+80℃の温度範囲で計算したの
が表4である。表4に示す総合のRS(T)値をみると
き−30℃においては+25℃のときの1.32倍、+80
℃においては+25℃のときの2.85倍となりこのた
め出力レベルは第12図の曲線Bのように大きく
変動するのである。[Table] Finally, stabilization of the output level of the device of the present invention will be explained. FIG. 11 is a specific circuit diagram of the present invention. If the resistor R3 is shorted, this circuit becomes a curved collector-grounded Colpitts circuit. When taking out the oscillation output from the emitter of the transistor TR through the capacitor C4 and from the output terminal OUTB as conventionally done in this circuit, the change in the series resistance value R S(T) of the compensation circuit described above is directly This is not preferable because it affects the oscillation level. The R S(T) value is calculated under the conditions of the element values listed in Table 1.
Table 4 shows the results calculated using equation (1) in the temperature range of -30 to +80°C. When looking at the overall R S(T) value shown in Table 4, at -30°C, it is 1.32 times that at +25°C, +80
℃, it is 2.85 times that at +25℃, and therefore the output level fluctuates greatly as shown by curve B in FIG.
【表】
ところが、その解決方法として、第11図のよ
うに抵抗R3を置いてトランジスタTRのコレクタ
からコンデンサC5を介して発振出力を出力端子
OUT Aから取り出すときは、前述したRS(T)の変
化による出力レベルの変動は殆んど無くなり、出
力レベルは第12図の曲線Aのように極めて安定
したものとなる。これはこの場合の出力がトラン
ジスタのベース過入力時におけるコレクタ出力の
飽和効果を利用したものとなつているからであ
る。(なお第11図の発振回路における発振定常
時のベース入力は過入力になつているものと考え
られる。)
以上この発明は、上述したように極めて単純な
回路構成によつて、AT板を使用した水晶発振器
の周波数温度特性を、−30〜+80℃の広温度範囲
にわたり極めて強力に改善する特長をもちその効
果は著るしく、工業上極めて有用な発明というべ
きである。
なお、前述したように本発明の可変抵抗器RC
はこれを、ダイオード、トランジスタ等の半導体
抵抗素子で構成することが可能である。そしてこ
のときのそれらの抵抗素子の抵抗値は(ダイオー
ド又はトランジスタのベース・エミツタ間に流
す)直流電流値又は(FETのゲートに印加する)
直流電圧値によつて変化させることができる。
(ダイオードはPIN型を使用して好成績を納め
る)。
かゝる直流電流・電圧による水晶発振器の周波
数温度特性の補償の制御は、間接的な温度補償の
添加の可能性を示唆して興味がある。[Table] However, as a solution to this problem, as shown in Figure 11, a resistor R3 is placed and the oscillation output is connected to the output terminal from the collector of the transistor TR via the capacitor C5 .
When taking out the signal from OUT A, there is almost no fluctuation in the output level due to the change in R S (T) mentioned above, and the output level becomes extremely stable as shown by curve A in FIG. 12. This is because the output in this case utilizes the saturation effect of the collector output when the base of the transistor is overloaded. (It is believed that the base input in the oscillation circuit of FIG. 11 during steady oscillation is an excessive input.) As described above, this invention uses an AT board with an extremely simple circuit configuration. This invention has the feature of extremely strongly improving the frequency-temperature characteristics of a crystal oscillator, over a wide temperature range of -30 to +80°C, and its effects are remarkable, making it an extremely useful invention industrially. In addition, as mentioned above, the variable resistor R C of the present invention
This can be constructed from semiconductor resistance elements such as diodes and transistors. At this time, the resistance value of those resistive elements is the DC current value (to be passed between the base and emitter of the diode or transistor) or the value of the direct current (to be applied to the gate of the FET).
It can be changed by the DC voltage value.
(Using a PIN type diode achieves good results). Controlling the compensation of the frequency-temperature characteristics of a crystal oscillator using such direct current and voltage is of interest because it suggests the possibility of adding indirect temperature compensation.
第1図は従来低温部補償用として知られていた
温度補償回路、第2図は本発明の温度補償回路、
第3図は第1図を直列に等価変換した回路、第4
図は第3図のRS(T),XS(T)を計算したグラフ、第5
図は本発明の発振回路の等価回路図、第6図は
AT板水晶振動子の切断角度による温度特性のグ
ラフ、第7図は補償回路を設計するための等価回
路、第8図は水晶振動子の温度特性と補償後の特
性を示すグラフ、第9図はサーミスタの温度特性
を示すグラフ、第10図は補償感度調整用抵抗を
挿入した補償回路、第11図は本発明を実施した
場合の具体的な回路図、第12図は発振出力の温
度特性を示す実測のグラフを示す。
Y…水晶振動子、RP(T)…サーミスタ(及びその
抵抗値)、CP…コンデンサ、RC…可変抵抗器、CL
…負荷容量。
FIG. 1 shows a temperature compensation circuit conventionally known for compensating for low-temperature parts, and FIG. 2 shows a temperature compensation circuit of the present invention.
Figure 3 is a circuit equivalently converted into a series version of Figure 1.
The figure is a graph that calculated R S(T) and X S(T) in Figure 3, and
The figure is an equivalent circuit diagram of the oscillation circuit of the present invention, and Figure 6 is
A graph of temperature characteristics depending on the cutting angle of an AT plate crystal resonator, Fig. 7 is an equivalent circuit for designing a compensation circuit, Fig. 8 is a graph showing the temperature characteristics of a crystal resonator and characteristics after compensation, Fig. 9 is a graph showing the temperature characteristics of the thermistor, Fig. 10 is a compensation circuit in which a compensation sensitivity adjustment resistor is inserted, Fig. 11 is a specific circuit diagram when the present invention is implemented, and Fig. 12 is the temperature characteristics of the oscillation output. A graph of actual measurements is shown. Y...Crystal resonator, R P(T) ...Thermistor (and its resistance value), C P ...Capacitor, R C ...Variable resistor, C L
...Load capacity.
Claims (1)
器に於いて、前記水晶振動子に直列に、ともにコ
ンデンサと負の温度特性をもつサーミスタの並列
回路で構成される、常温を基準とする低温部補償
用及び高温部補償用の2個の温度補償回路を、互
に直列に接続して挿入するとともに、前記コンデ
ンサ値と前記補償回路の等価直列容量値との比の
温度変化に対する変化量が、低温部補償回路では
常温以上に於いては僅少であるが低温に於いて大
きくなるように、又、高温部補償回路では常温以
下に於いては僅少であるが高温部に於いては大き
くなるように夫々前記コンデンサとサーミスタの
値を設定したことを特徴とする温度補償型の水晶
発振器。 2 前記温度補償回路のコンデンサのリアクタン
スと前記サーミスタの常温における抵抗値の比を
前記低温部補償回路においては6以上、前記高温
部補償回路においては0.1以下に選定することに
よつて互いに一方の温度補償領域において他方の
温度補償回路のリアクタンス変化がほぼ一定にな
るよう設定したことを特徴とする特許請求の範囲
第1項記載の温度補償型の水晶発振器。 3 前記温度補償回路の補償感度調整用として、
低温部補償回路においてはサーミスタに並列に抵
抗を挿入し、高温部補償回路においてはサーミス
タに直列に抵抗を挿入したことを特徴とする特許
請求の範囲第1項記載の温度補償型の水晶発振
器。 4 前記抵抗を可変抵抗器としたことを特徴とす
る特許請求の範囲第3項記載の温度補償型の水晶
発振器。 5 前記抵抗が直流電流又は直流電圧によりその
等価抵抗値を変化する半導体抵抗素子であること
を特徴とする特許請求の範囲第3項記載の温度補
償型の水晶発振器。 6 前記半導体抵抗素子がダイオードであること
を特徴とする特許請求の範囲第5項記載の温度補
償型の水晶発振器。 7 前記半導体抵抗素子がトランジスタであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第5項記載の温度
補償型の水晶発振器。 8 前記増幅器としてトランジスタを用い、かつ
該トランジスタのコレクタを等価的に接地した水
晶発振器に於いて、そのコレクタと接地間に抵抗
を挿入し、該コレクタから発振出力を導出したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第7項
記載いずれかの温度補償型の水晶発振器。[Claims] 1. In a crystal oscillator including an AT plate crystal oscillator and an amplifier, the crystal oscillator is connected in series to the crystal oscillator, both of which are composed of a parallel circuit of a capacitor and a thermistor having negative temperature characteristics. Two temperature compensation circuits, one for low-temperature part compensation and one for high-temperature part compensation, are connected and inserted in series, and the temperature is the ratio of the capacitor value to the equivalent series capacitance value of the compensation circuit. In the low-temperature compensation circuit, the amount of change is small at temperatures above room temperature, but increases at low temperatures, and in the high-temperature compensation circuit, the amount of change is small at temperatures below room temperature, but at high temperatures. A temperature compensated crystal oscillator, characterized in that the values of the capacitor and thermistor are set such that the values of the capacitor and thermistor become larger. 2. By selecting the ratio of the reactance of the capacitor of the temperature compensation circuit and the resistance value of the thermistor at room temperature to 6 or more in the low temperature compensation circuit and 0.1 or less in the high temperature compensation circuit, 2. The temperature compensated crystal oscillator according to claim 1, wherein the temperature compensated crystal oscillator is set so that the change in reactance of the other temperature compensation circuit is substantially constant in the compensation region. 3 For adjusting the compensation sensitivity of the temperature compensation circuit,
2. A temperature compensated crystal oscillator according to claim 1, wherein a resistor is inserted in parallel to the thermistor in the low temperature compensation circuit, and a resistor is inserted in series with the thermistor in the high temperature compensation circuit. 4. A temperature compensated crystal oscillator according to claim 3, wherein the resistor is a variable resistor. 5. The temperature-compensated crystal oscillator according to claim 3, wherein the resistor is a semiconductor resistance element whose equivalent resistance value changes with direct current or direct current voltage. 6. The temperature compensated crystal oscillator according to claim 5, wherein the semiconductor resistance element is a diode. 7. The temperature compensated crystal oscillator according to claim 5, wherein the semiconductor resistance element is a transistor. 8. A patent characterized in that, in a crystal oscillator that uses a transistor as the amplifier and whose collector is equivalently grounded, a resistor is inserted between the collector and the ground, and the oscillation output is derived from the collector. A temperature compensated crystal oscillator according to any one of claims 1 to 7.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14364379A JPS5668002A (en) | 1979-11-06 | 1979-11-06 | Quartz oscillator of temperature compensation type |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14364379A JPS5668002A (en) | 1979-11-06 | 1979-11-06 | Quartz oscillator of temperature compensation type |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5668002A JPS5668002A (en) | 1981-06-08 |
| JPS641969B2 true JPS641969B2 (en) | 1989-01-13 |
Family
ID=15343544
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14364379A Granted JPS5668002A (en) | 1979-11-06 | 1979-11-06 | Quartz oscillator of temperature compensation type |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5668002A (en) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6181208U (en) * | 1984-10-30 | 1986-05-29 | ||
| JPH0416490Y2 (en) * | 1986-06-26 | 1992-04-14 | ||
| JPS6367836U (en) * | 1986-10-17 | 1988-05-07 | ||
| JPH0441605Y2 (en) * | 1987-03-31 | 1992-09-30 | ||
| JPH0441606Y2 (en) * | 1987-03-31 | 1992-09-30 | ||
| JPH077888B2 (en) * | 1987-08-19 | 1995-01-30 | 日本電波工業株式会社 | Piezoelectric oscillator and manufacturing method thereof |
| EP0727876B1 (en) * | 1993-01-25 | 2004-07-14 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | A temperature compensated crystal oscillator |
-
1979
- 1979-11-06 JP JP14364379A patent/JPS5668002A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5668002A (en) | 1981-06-08 |
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