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La présente invention-se rapporte à des oscilla- -tours à cristal et des oscillateurs contrôles par cristal et s'adresse plus.particulièrement à la stabilisation de fré- quence pour des oscillateurs travaillant dans des températures ambiantes variables.
Jusqu'à présent il n'a été possible que d'obtenir des limites de fréquence étroites dans des oscillateurs à cristal où la température ambiante ne varie pas de plus de 5 degrés centigrades dans n'importe quelle direction, en choi- sissant une température moyenne de fonctionnement égale à la partie approximativement horizontale de la courbe fréquence- température. Lorsque des limites de fréquence très étroites doivent être observées ou lorsque la température ambiante
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vare dans une large bande, il faut enfermer le cristal dans un four contrôlé thermiquement dont la température est plus grande que la limite supérieure de la tempéra- ture ambiante.
Quoique ce dispositif soit très satisfai- sant pour les conditions de fonctionnement les plus mau- vaises, en ce que la fréquence du cristal puisse, très ai- sément, être maintenue dans des limites étroites, la con- sommation de puissance d'un four peut, dans certaines cir- constances, constituer un désavantage sérieux, par exem- ple pour des équipements portatifs, et l'augmentation d'en- combrementpeut également être l'objet de critiques.
Le but de l'invention est de prévoir un dispo- sitif à utiliser dans un oscillateur à cristal ou dans un oscillateur contrôlé par cristal dans lequel la fréquence d'oscillation est maintenue dans des limites approximative- ment égales à un million, même avec de grandes variations de température ambiante, et dans lequel on peut utiliser un four contrôlé assez grossièrement ou, ce qui est préfé- rable, on peut éviter de devoir .enfermer l'unité dans un four contrôlé thermiquement.
Suivant l'invention, un oscillateur contient un cristal piézo-électrique et un circuit compensateur conte- nant un élément réactif et une résistance sensible à la température, dans lequel l'angle de phase de l'admittanoe de ce circuit compensateur change avec la température de fa- çon à maintenir la fréquence de l'oscillateur à peu-près constante.
On comprendra mieux l'invention à partir de la description de quelques modes d'exécution représentés au moyen d'exemples. La description se fera en liaison avec les dessins annexés, comprenant les figs. l à 10 où :
Les figs. 1 à 3 représentent 3 modes d'exécution de l'invention.
La fig. 4 représente les caractéristiques de tem- pérature du cristal.
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Les figs. 5 et 6 représentent des circuits équi- valents aux figs. 1 et 2 et utilisant des éléments inductifs.
Les figs.7 et 8 représentent des dispositifs dans lesquels les éléments déterminant la fréquence sont contenus dans le circuit à contre-réaction d'un ampli.
La fig.9 représente un dispositif utilisant des inductifs éléments réactifs/et capacitifs.
La fig.10 représente un dispositif pour anayutre type d'oscillateur.
L'invention est basée sur le principe que la fréquence d'oscillation d'un cristal dépend non seulement de son angle de coupe et de son épaisseur, mais également, à un degré moindre, de l'admittance et de la sensibilité de son circuit de fonctionnement. En rendant cette quantité va- rible avec la température, il est possible, au moyen d'un type convenable de cristal, d' exercer un contrôle qui change ' la fréquence dans le sens opposé au changement naturel de la fréquence du cristal avec les variations de température.
On peut obtenir une compensation exacte en connectant le cristal à un réseau déphaseur, dans lequel l'élément résis- tant est un thermistor.
Dans le mode d'exécution représenté à la fige 1 le cristal CR, la résistance R1, le tube thermo-ionique VT, font partie d'un oscillateur à cristal conventionnel, les éléments restants, non représentés, étant connectés, par exemple, à l'anode et à la cathode du tube. En dérivation avec le cristal est connectée une branche contenant un ther- mistor TH et une capacité C1 en série. Ce thermistor a un coefficient de température négatif pour la résistance c'est- à-dire que sa résistance diminue lorsque la température aug- mente. Lorsque la température varie, l'angle de phase de cette branche en dérivation varie également.
A des températures basses, avec le thermistor dans sa condition de résistance é- levée, l'angle de phase sera près de zéro, et avec une augmen-
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tation de température, l'impédance de thermistor diminue et l'@ngle de phase de la branche s'approche de - 90 .
Pour que ce chanbement de caractéristique de la branche shunt soit efficace afin de compenser le change- mentment de fréquence avec la variation de température du cristal, l'angle de coupe du cristal est calculé de façon à obtenir un coefficient de température positif dans la bande de température intéressée, la coractéristique de température normalement parabolique étant agencée, dans cet exemple, de façon à avoir sa partie horizontale pour l'extrémité supé- rieure de la bande de fréquences intéressées. Une courbe type qui convient pour être utilisée dans ce type de circuit, est représentée en "A" de la fig. 4, où le déphasage des fréquences est représenté par rapport à la tempérayure exprimée en degré centigrade.
La composante capacitive du courant dans la branche suaut tend à diminuer la fréquence d'oscillation du cristal,' cet effet augmentant avec l'accroissement de température.
Au moyen d'un type de cristal approprié et par un choix des valeurs des capacité et thermistor, la compensation que l'on obtient est capable de maintenir la fréquence du cristal dans des limites étroites pour une large bande de températures.
Unecourbe type de déviation de fréquence est représentée en "B" à la fig. 4. Pour certaines fréquences de résonance des cristaux de l'ordre de 10 mc/s , on a remarqué qu'un thermis- tor avec une résistance d'environ 2.ooo ohm. à la température ordinaire donne une compensation idéale en liaison avec une capacité comprise entre 4 p f et 12 p f. La 'valeur de la capa- cité est déterminée par l'accroissement de fréquence maximum à compenser et la valeur de la résistance du thermistor est choisie pour donner le degré maximum de compensation à la fréquence pour laquelle la pente de la caractéristique de température est l a plus forte.
Le circuit de la fig. 2 donne un effet semblable à celui de la fig. 1 mais dans ce cas le circuit de compensa-
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tion, comprenant une capacité C2 et un thermistor TH2 en parallèle, est connecté en série avec la cristal CR Avec ce dispositif, utilisant un cristal ayant un coefficient de température positif pour la fréquence dans la bande de températures intéressée le thermistor TH2 aégalement un coefficient de température positif pour la résistance de façon que son effet sur le condensateur dérivé C2 soit ré- duit avecl'augementation de température. Cet accroissement de la capacité présente dans le circuit compense ainsi la tendance à l'augmentation de la fréquence d'oscillation du cristal.
Dans le dispositif représenté à la figure 3, on obtient un degré de compensation variable au moyen d'une capacité différentielle. Dans ce circuit, le thermistor TH3 et une résistance fixe sont coupes différentiellement en @erie avec une capacité C3 au moyen d'une capacité diffé- rentielle C4 et le dispositif est tel que la fréquence no- minale du cristal est tnoîns affectée par le réglage que si la capacité Gl de la figure l était variable.
Les circuits représentés aux figs. 5 et 6sont directement équivalents aux dispositifs des figso 1 et 2 utilisant des inductances 12 et L2 au lieu des condensateurs C1 et C2. On notera qu'un changement de l'inductance présente dans le circuit oscillant a un effet opposé, pour la fréquence de fonctionnement du cristal, au changement de la capacité et, par conséquent, les thermistors TH4 et TH5 auront des caractéristiques de sens opposé à celles des thermistors TH1 et TH2.
On remarquera que les dispositifs des figs 1, 2, 3, 5 et 6 sont des circuits contrôlant la fréquence de base pour des oscillateurs du type Miller, dans lesquels le cris- tal présente une impédance élevée pour la fréquence d' os- cillation.
Dans les dispositifs représentés aux figs.7 et
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,l cristal a une impédance basse pour la fréquence d'oscl- lation et est connecté avec les éléments de circuit de compen- sation, dans un circuit à contre-réaction entre l'entrée et la sertie d'un ampli 2, est:destiné à apporter un gain pour la fréquence d'oscillation. Ce type d'oscillateur convient par- ticulièrement lorsqu'on utilise des cristaux harmoniques pour donner soit une très grande stabilité soit une très haute fré- quence.
A la fig. 7, on a représenté une inductance L3 en parallèle avec un thermistor TH6, quoique l'inductance puis- se être remplacée par une capacité si le sens du coefficient de bempératrue du thermistor change. il la fig. 8 le dispositif est rendu plus sensible par un circuit accordé qui comprend une capacité C5, une inductance L4 et l'élément sensible à la tem- pérature, le thermistor TH7.
Le dispositif représenté à la fig. 8 pourrait, bien tentendu, être modifié en plaçant le thermistor TH7 en série avec le condensateur C5 ou en prévoyant un thermistor en série avec chaque élément réactif. Un dispositif quelque peu semblable e s t représenté à la fig. 9, où les branches séparées en dérivation sur le cristal CR contiennent respectivement une induc- tance L5 en série avec un thermistor TH8 shunté par une ré- sistance R3 et un condensateur C6. un thermistor TH9,et une résistance R4,le tout en série.
Ce circuit peut être utilisé pour donner une compensation de température lorsque la bande de températures s'étend au delà du sommet de la courbe para- bolique, représentée en partie en A de la fig. 4, et, par con- séquent la caractéristique de température du cristal est po- sitive pour une partie de la bande de températures et négative pour l'autre, avec entre les deux une région relativement ho- rizontale. Par conséquent la compensation en deux étages est. nécessaire et celle-ci est complétée par le circuit de la fig 9 comme suit.
Avec un élément en cristal ayant une caractéris- tiqùe de température croissante .ou positive à la température
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la @us basse de la bande, la résistance du thermistor TH9 décroît avec l'augemntation de la température et, puisque sa résistance initiale est grande par rapport à la résis- tance R4, une plus grande capacité est introduite en déri- vation sur le cristal Ci? pour s'opposer à l'augmentation de la fréquence d'oscillation Cet effet se prolonge jusque la pointe de la caractéristique de température,
la résis- tance du thermistor TH9 est basse par rapport à la valeur de la résistance R4 et de plus une augmentation de la tem- pérature est inefficace dans cette branche du circuit de compensation puisque l'effet du conducteur C6 est déterminé en substance par la résistance R4.
En même temps, dans la branche inductive du circuit de compensation, le thermistor TH8 a une valeur initiale grande par rapport à la résistance R3 et,par con- séquent, a un petit effet avec l'augmentation de la tempé- rature jusqu'à ce que au-delà, du sommet de la caractéris- tique de température, sa valeur deviennent progressivement plus basse que celle de la résistance R3. Ceci augmente l'inductance présente dans le circuit et, avec l'augmenta- tion de température, compense une caractéristique tombante ou négative du cristal.
Cn peut concevoir des circuits semblables ou plus complexes pour compenser, par exemple, une caractéris- tique de forme cubique d'un cristal, et ceux-ci peuvent con- tenir des résistances combinées en série ou en parallèle avec un condensateur ou une inductance.
La dispositif représenté à la fige 10 avec une inductance L6 en série avec le thermistor TH10.la combinai- son étant connectée en parallèle avec un cristal CR, est, placé dans un circuit oscillateur du type Pierce. La compen-' sation de température est complétée d'une façon semblable à colle décrite antérieurement et il est possible,pour ce type d'oscillation, de concevoir des variations semblables du circuit de compensation et du cristl.
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Daus certaines circonstances il peut être avan-
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,;\... ;J: d'accLrdcr l'inertie thermique de la résistance sen- sible à la température à celle du cristal à compenser. Ceci serait Importanb si l'oscillatear était 'placé dans un endroit où des chnngemeiits de température peuvent être à la fois grands et rapides, par exemples dans des projectiles guidés.
D'une façon semblable, lorsqu'il y a des gradiantsde tempé- rature il est souhaitable que le cristal et la résis- tenxe sensible à la température soient soumis à la même tem- pérature et, afin qu'il En soit ainsi, le thermistor peut être intégré au cristal en montant la tête du thermistor sor la plaque de cristal.
Il peur être aussi avantageux d'utiliser des é-
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.; ..:.n+:: capacitifs dans le circuit de compensation qui sont 1J;'''ü:i\.!i.8S du type à coefficient de température élevé et agen- .:,j..; pour aider ' li compensation de température. On notera pour terminer qu'il n'est pas nécessaire que la résistance @onsibel à la température ait une caractéristique non liné- aire.
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1. Oscillateur qui comprend un cristal pièzo- électrique et un circuit de compensation contenant un élément réactif et une résistance sensible à la température, dans le-
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cuel l'angle de phase de l'admittance de ce crédit compensateur change avec la température de façon à maintenir la fréquence ce l'oscillateur en substance constante.
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The present invention relates to crystal oscillators and crystal controlled oscillators and is more particularly directed to frequency stabilization for oscillators operating in varying ambient temperatures.
Until now it has only been possible to achieve narrow frequency limits in crystal oscillators where the ambient temperature does not vary by more than 5 degrees centigrade in any direction, by choosing a temperature. operating mean equal to the approximately horizontal part of the frequency-temperature curve. When very narrow frequency limits must be observed or when the ambient temperature
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Vare in a wide band, the crystal must be enclosed in a thermally controlled furnace whose temperature is greater than the upper limit of the ambient temperature.
Although this device is very satisfactory for the worst operating conditions, in that the frequency of the crystal can, very easily, be kept within narrow limits, the power consumption of a furnace. can, in some circumstances, be a serious disadvantage, eg for portable equipment, and the increased footprint can also be criticized.
The object of the invention is to provide a device for use in a crystal oscillator or in a crystal controlled oscillator in which the oscillation frequency is kept within limits approximately equal to one million, even with large quantities. large variations in ambient temperature, and in which a fairly coarsely controlled oven can be used or, preferably, the need to enclose the unit in a thermally controlled oven can be avoided.
According to the invention, an oscillator contains a piezoelectric crystal and a compensator circuit containing a reactive element and a temperature sensitive resistor, in which the phase angle of the admittanoe of this compensator circuit changes with temperature. so as to keep the frequency of the oscillator roughly constant.
The invention will be better understood from the description of some embodiments represented by means of examples. The description will be made in conjunction with the accompanying drawings, comprising figs. l to 10 where:
Figs. 1 to 3 represent 3 embodiments of the invention.
Fig. 4 represents the temperature characteristics of the crystal.
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Figs. 5 and 6 represent circuits equivalent to FIGS. 1 and 2 and using inductive elements.
Figs.7 and 8 show devices in which the elements determining the frequency are contained in the feedback circuit of an amplifier.
Fig. 9 represents a device using inductive reactive / and capacitive elements.
Fig.10 shows a device for anayutre type of oscillator.
The invention is based on the principle that the oscillation frequency of a crystal depends not only on its cutting angle and its thickness, but also, to a lesser degree, on the admittance and sensitivity of its circuit. Operating. By making this quantity variable with temperature, it is possible, by means of a suitable type of crystal, to exert control which changes the frequency in the opposite direction to the natural change in the frequency of the crystal with the variations. temperature.
Exact compensation can be obtained by connecting the crystal to a phase shifting network, in which the resistive element is a thermistor.
In the embodiment shown in fig 1, the crystal CR, the resistor R1, the thermionic tube VT, form part of a conventional crystal oscillator, the remaining elements, not shown, being connected, for example, to the anode and cathode of the tube. In shunt with the crystal is connected a branch containing a thermistor TH and a capacitor C1 in series. This thermistor has a negative temperature coefficient for the resistance, ie its resistance decreases when the temperature increases. When the temperature varies, the phase angle of this branch branch also varies.
At low temperatures, with the thermistor in its high resistance condition, the phase angle will be near zero, and with an increase
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The thermistor impedance decreases and the branch phase angle approaches -90.
In order for this characteristic change of the shunt branch to be effective to compensate for the change in frequency with the change in temperature of the crystal, the cut angle of the crystal is calculated so as to obtain a positive temperature coefficient in the band. temperature concerned, the normally parabolic temperature characteristic being arranged, in this example, so as to have its part horizontal for the upper end of the frequency band concerned. A typical curve which is suitable for use in this type of circuit is shown at "A" in fig. 4, where the phase shift of the frequencies is represented with respect to the temperature expressed in degrees centigrade.
The capacitive component of the current in the suaut branch tends to decrease the frequency of oscillation of the crystal, this effect increasing with the increase in temperature.
By means of an appropriate type of crystal and a choice of capacitor and thermistor values, the compensation obtained is able to keep the frequency of the crystal within narrow limits for a wide range of temperatures.
A typical frequency deviation curve is shown at "B" in fig. 4. For certain crystal resonance frequencies of the order of 10 mc / s, it has been observed that a thermistor with a resistance of about 2,000 ohms. at room temperature gives an ideal compensation in conjunction with a capacitance between 4 p f and 12 p f. The value of the capacitance is determined by the maximum increase in frequency to be compensated and the value of the resistance of the thermistor is chosen to give the maximum degree of compensation at the frequency for which the slope of the temperature characteristic is the same. stronger.
The circuit of FIG. 2 gives an effect similar to that of FIG. 1 but in this case the compensation circuit
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tion, comprising a capacitor C2 and a thermistor TH2 in parallel, is connected in series with the crystal CR With this device, using a crystal having a positive temperature coefficient for the frequency in the temperature band concerned the thermistor TH2 also has a coefficient of positive temperature for the resistor so that its effect on the derivative capacitor C2 is reduced with the increase in temperature. This increase in the capacitance present in the circuit thus compensates for the tendency to increase the oscillation frequency of the crystal.
In the device shown in Figure 3, a variable degree of compensation is obtained by means of a differential capacitor. In this circuit, the thermistor TH3 and a fixed resistor are differentially cut in @erie with a capacitor C3 by means of a differential capacitor C4 and the device is such that the nominal frequency of the crystal is tnoîns affected by the setting. only if the capacity G1 of FIG.
The circuits shown in figs. 5 and 6 are directly equivalent to the devices of figs 1 and 2 using inductors 12 and L2 instead of capacitors C1 and C2. It will be noted that a change in the inductance present in the oscillating circuit has an opposite effect, for the operating frequency of the crystal, to the change in capacitance and, therefore, the thermistors TH4 and TH5 will have characteristics of opposite direction to those of TH1 and TH2 thermistors.
Note that the devices of Figs 1, 2, 3, 5 and 6 are base frequency controlling circuits for Miller type oscillators, in which the crystal has a high impedance for the oscillation frequency.
In the devices shown in figs. 7 and
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, the crystal has a low impedance for the oscillation frequency and is connected with the compensation circuit elements, in a feedback circuit between the input and the crimp of an amplifier 2, is: intended to provide a gain for the oscillation frequency. This type of oscillator is particularly suitable when using harmonic crystals to give either a very high stability or a very high frequency.
In fig. 7, an inductor L3 has been shown in parallel with a thermistor TH6, although the inductance can be replaced by a capacitor if the direction of the temperature coefficient of the thermistor changes. he fig. 8 the device is made more sensitive by a tuned circuit which comprises a capacitor C5, an inductance L4 and the temperature sensitive element, the thermistor TH7.
The device shown in FIG. 8 could, of course, be modified by placing the thermistor TH7 in series with the capacitor C5 or by providing a thermistor in series with each reactive element. A somewhat similar device is shown in FIG. 9, where the branched branches on crystal CR respectively contain an inductor L5 in series with a thermistor TH8 shunted by a resistor R3 and a capacitor C6. a thermistor TH9, and a resistor R4, all in series.
This circuit can be used to provide temperature compensation when the temperature band extends beyond the top of the parabolic curve, shown in part at A in FIG. 4, and therefore the temperature characteristic of the crystal is positive for one part of the temperature band and negative for the other, with between the two a relatively horizontal region. Therefore the two-stage compensation is. necessary and this is completed by the circuit of fig 9 as follows.
With a crystal element having an increasing or positive temperature characteristic to the temperature
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At the low end of the band, the resistance of thermistor TH9 decreases with the increase in temperature and, since its initial resistance is large compared to resistor R4, a greater capacitance is introduced in bypass on the crystal Ci? to oppose the increase in the oscillation frequency This effect continues until the peak of the temperature characteristic,
the resistance of thermistor TH9 is low compared to the value of resistor R4 and furthermore an increase in temperature is ineffective in this branch of the compensation circuit since the effect of conductor C6 is determined in substance by the resistor R4.
At the same time, in the inductive branch of the compensation circuit, the thermistor TH8 has a large initial value compared to the resistor R3 and, therefore, has a small effect with the increase in temperature up to that beyond the peak of the temperature characteristic, its value becomes progressively lower than that of resistor R3. This increases the inductance present in the circuit and, with the increase in temperature, compensates for a falling or negative characteristic of the crystal.
Similar or more complex circuits can be designed to compensate, for example, for a cubic shape characteristic of a crystal, and these can contain resistors combined in series or in parallel with a capacitor or inductor.
The device shown in fig. 10 with an inductor L6 in series with the thermistor TH10. The combination being connected in parallel with a crystal CR, is placed in a Pierce type oscillator circuit. The temperature compensation is completed in a glue-like fashion previously described and it is possible for this type of oscillation to design similar variations of the compensation circuit and the crystal.
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Under certain circumstances it can be advanced.
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,; \ ...; J: AccLrdcr the thermal inertia of the temperature-sensitive resistor to that of the crystal to be compensated. This would be important if the oscillator were placed in a location where temperature changes can be both large and rapid, for example in guided projectiles.
Likewise, where there are temperature gradients it is desirable that the crystal and the temperature sensitive resistor be subjected to the same temperature and, in order to be so, the crystal and the temperature sensitive resistor. thermistor can be integrated into the crystal by mounting the thermistor head on the crystal plate.
It can also be advantageous to use
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.; ..:. n + :: capacitors in the compensation circuit which are 1J; '' 'ü: i \.! i.8S of the high temperature coefficient type and agen-.:, j ..; to help temperature compensation. Finally, it will be noted that the resistance @onsibel to temperature does not have to have a non-linear characteristic.
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1. Oscillator which comprises a piezoelectric crystal and a compensation circuit containing a reactive element and a temperature sensitive resistor, in the-
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cuel the phase angle of the admittance of this compensating credit changes with temperature so as to keep the oscillator frequency substantially constant.