CN101027839B - 温度补偿式恒温控制晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了温度补偿式恒温控制晶体振荡器。一种方法给出了受温度控制的频率源。该方法通过对所述受温度控制的频率源进行温度补偿而减小了温度变化对所述受温度控制的频率源的工作频率的影响。所述受温度控制的频率源可以是恒温控制晶体振荡器(DCXO)并且所述受温度控制的频率源可以是TCXO ASIC。模拟温度补偿可以通过产生温度的零到四阶多项式Chebyshev函数来提供。

Description

温度补偿式恒温控制晶体振荡器

技术领域

本发明涉及温度补偿式恒温控制晶体振荡器(“TCOCXO”)。

背景技术

已经知道将温度补偿式晶体振荡器(“TCXO”)放在恒温器(oven)中来使TCXO的温度保持在预定的工作范围内，在美国专利US 6,501,340号(“′340专利”)中公开了这种技术。由于尺寸、复杂程度和成本的约束，不太可能在小的封装外壳内实现TCXO的完全的恒温控制，最多仅仅能够部分控制晶体封装外壳和振荡器电路。被迫形成了横跨该结构的热梯度，从而在晶体与温度补偿电路之间造成了温度差，这个温度差随着环境温度改变，所需的功率也随着环境温度改变。这相当大地破坏了温度补偿，从而使得非常良好的TCXO变差。

发明内容

附图说明

在附图中，类似的附图标记代表在全部几个图中所示的本发明实施例的类似部分，并且其中：

图1示出了对受温度控制的频率源进行温度补偿的方法的实施例；

图2示出了TCOCXO组件的实施例；

图3示出了温度补偿器的框图的实施例；

图4示出了恒温器块组件的实施例；

图5示出了安装在支撑板的实施例上的图4的恒温器块组件；

图6示出了图5的支撑板的不同视图；

图7示出了陶瓷块、振荡器、晶体、热敏电阻、加热器和补偿电路的电路布局图的实施例；

图8示出用于陶瓷块和恒温器控制电路的PCB布局图的实施例；和

图9示出恒温器温度控制体制的实施例。

具体实施方式

如果保持完全恒温，则可以大大提高TCXO的频率稳定性。可以将TCXO放在恒温外壳中，比如放在用于常规恒温控制晶体振荡器(OvenControl Crystal Oscillator，“OCXO”)的恒温外壳中。该恒温外壳可以包括铜块和/或铝块，可以将TCXO的部件(例如，晶体、振荡器等)安装在所述铜块和/或铝块上和/或所述铜块和/或铝块内。需要隔热屏来保持晶体和振荡器恒温，从而使跨越TXCO的热梯度最小。恒温控制温度补偿晶体振荡器(“OCTCXO”)的性能可以通过下列措施得到进一步提高：(1)使用转折点(turnover)温度(低/零温度系数的区域)与恒温器的控制温度相匹配的晶体角度和/或(2)在恒温器的控制温度的温度范围中对补偿进行偏置。

热补偿也可以用于消除温度控制的不足(例如，非常严格的温度控制)和/或因尺寸、功率和/或成本约束造成的温度梯度。热补偿可以在温度控制建立起来之后加以应用，从而能够测量和修正各个振荡器的具体频率稳定特性。

图1示出了方法100的一种实现方式。在方框105中，方法100提供受温度控制的频率源。在方框110中，方法100对该受温度控制的频率源进行温度补偿。

图2示出了例如消除了非常严格的“恒温”温度控制的必要性的TCOCXO 200的一个实施例。该TCOCXO采用了密封外壳205、支撑板210和/或恒温器块组件215。密封外壳可以用诸如氙这样的绝热气体填充。该TCOCXO可以包括可编程温度补偿专用集成电路(“ASIC”)，用以消除OCXO中的频率错误。

图4示出了装配在陶瓷块上侧的腔体内的温度补偿ASIC。该腔体可以用环氧树脂填充。可以在陶瓷块下侧安装加热装置，并且可以将晶体安放在陶瓷块的上表面上，例如，直接处于包含温度补偿ASIC的密封腔体上方。

如图5中所示，加热器和温度传感器可以位于陶瓷块上。也可以将温度传感器和/或晶体(直接和/或间接地)安放在具有温度补偿ASIC的密封腔体的顶表面上，并且可以将加热器(直接和/或间接地)安放在陶瓷块的底表面上。温度传感器此外也可以安放在陶瓷块的底表面上。该陶瓷块可以包括TCXO与晶体的所有相互连接线路，并且可以包括用来实现对温度传感器和加热装置的远程访问的附加连接线路。

将陶瓷块加热到相当恒定的温度。控制加热器的控制电路位于支撑板(例如，支撑印刷电路板(“PCB”))上，如图4和5中所示。加热器和温度传感器安装在陶瓷块上。随着加热器的启动而进行环境温度扫描，并且记录晶体发出的频率。对TCOCXO进行控制，以使得晶体的温度能够轻微移动(例如几度)，并且该TCOCXO采用例如质量比OCXO装置低的恒温器。温度扫描提供频率与环境温度之间对应关系的结果，这使得校正值能够得以设置到温度补偿ASIC中，以消除恒温器控制遗留的频率偏差。

TCOCXO的温度可以根据标准OCXO原理设定，例如，刚好设定在最小功率消耗所对应的工作温度之上和/或设定在最佳补偿所对应的晶体的零温度系数点处。如果在温度范围内出现活性下降(activity dip)(活性下降会造成振荡器的输出中的频率不稳定)，则测试具有活性下降的装置的性能，并且加以评估，判断是否将其废弃。TCOCXO应当不包含处于加热电路对温度进行控制的范围内的活性下降。晶体的活性下降会出现在任何温度范围内，减小晶体的温度范围会减小遇到活性下降的风险。

TCOCXO会产生比常规TCXO高的频率稳定性，同时与OCXO相比，尺寸和功耗得到大大减小。而且，通过TCOCXO的方法(减少由不太良好的受控恒温器遗留的频率温度特性中的残留误差)能够实现比通过′340专利的方法(试图加热成品TCXO)实现的性能更好的性能。

TCOCXO的温度补偿ASIC可以是C-MAC的“Pluto”ASIC。C-MAC有很长的研发ASIC装置的历史，其中属于Rokos等人的美国专利US4,560,959号(此处以引用的方式并入本文)介绍了温度补偿的一种实施方式。温度补偿ASIC(比如“Pluto”ASIC)可以引入属于Rokos的美国专利US 6,549,055号(《method and apparatus for generating an inputsignal for parameter sensitive signal》)和美国专利申请US 10/485,583号(《variable reactance tuning circuit》)中公开的特征，这两篇专利文献以引用的方式并入本文。图3示出了“Pluto”ASIC的一个实施例的框图。使用变容二极管(varactor)来调谐频率，此处由求和放大器的电压来控制电抗。TCOCXO可以采用ASIC来提高性能和/或减小成品模块的尺寸和成本。

温度补偿ASIC可以是模拟温度补偿芯片。Pluto装置例如包括高级功能，所述高级功能包括数字控制的模拟温度补偿、通过电压控制的调节频率(“频率牵引”)、频率牵引的线性化、谐波选择、针对低压操作的同步电压放大和全部具有三态的三种不同的输出缓冲器。

Pluto的功能包括通过产生温度的零到四阶多项式的Chebyshev函数(切比雪夫函数)实现的输出频率的四阶模拟温度补偿。这些函数经由倍增D/A转换器得到加权、通过求和放大器得到叠加并且施加给电压控制晶体振荡器(“VCXO”)信号发生器。Pluto使得TCOCXO能够使用以前仅能使用更大、更贵的数字补偿或高阶模拟补偿装置实现的具有稳定性的四阶补偿。

温度补偿VCXO的输出频率是由内部产生的补偿电压和外部施加的调节电压之和决定的。在不进行修正的情况下，VCXO的频率与电压的对应关系特性的非线性导致该装置的频率与温度的对应关系特性取决于调节电压。这称作‘整形变形(trim skew)’。此外，由于晶体和变容二极管对温度有依赖性，所以频率与电压对应关系曲线的斜率将会是温度的函数，限制了可得到的温度稳定性。

这两种影响在“Pluto”ASIC中都得到了最小化，“Pluto”ASIC包括插入在VCXO之前的电路块。补偿和调节电压的加权和构成对这一电路块的输入，而输出是施加给变容二极管的电压，调节VCXO的频率。象′055专利中介绍的那样，可以对该电路块的非线性传递函数进行数字编程，以精确补偿VCXO的频率调节的非线性。温度传感器向该电路块提供额外的输入。这个额外输入用于以这样一种方式控制该电路的总增益：校正晶体和变容二极管对温度的依赖性。

结果是，利用在整个温度范围内都恒定的电压敏感性实现了高度线性的VCXO。这进而使得能够在整个调节电压范围内得以实现异常稳定的频率与温度对应关系。线性化中使用的倍增DAC的数字控制使得针对个体的设置能够得以进行，为各个振荡器给出了最佳结果。

在一个实施例中，TCOCXO包括温度补偿电路、振荡器(包括变容二极管)、晶体、热敏电阻、加热器晶体管(和电流检测/加热器电阻器)和集成到陶瓷互连块之中和/或之上的相互连接线路，如图4、图5和图6所示。热敏电阻在用于加热控制的温度检测电路中使用。图7示出了电路布局图，包括陶瓷块、振荡器、晶体、热敏电阻、加热器和补偿电路。只有恒温器控制电路可以安装在支撑PCB上，如图5和6所示。图8示出了PCB布局图，包括陶瓷块和恒温器控制电路。恒温器控制可以针对各种不同的温度控制方案来进行设置，下面将对此加以介绍。ASIC可以集成振荡器、变容二极管、补偿(热和/或频率电压控制线性度)、电压调节器、通信功能和/或存储器功能。

例如，CMAC的包括“Pluto”ASIC的TCXO ASIC(1995年左右的原型6阶ASIC)包括配置成共享的通信接口，以使连接线路的数量最少。该ASIC采用与电压控制输入共用的单一管脚通信。在编程之后，将编程接口切断，并且在最终产品中可以形成为无功能接口，以避免与ASIC进行错误通信。频率输出管脚也用于向ASIC外部进行状态通信。结果，与ASIC进行通信可以不需要额外的连接线路，所以最终的TCOCXO组件不会丧失额外的热量。ASIC的补偿方案可以相对灵活，因为高达四阶的多项式可以用于补偿并且各阶都可以从零向它的最大值正向和负向地增减。该ASIC能够实现通用的温度补偿，不仅仅局限于AT-cut TCXO补偿。

如图9中所示，恒温器温度控制体制可以包括：

●TCXO：不加热并且装置跟踪环境温度。

●OCXO：精确保持装置的温度。

●TCOCXO.1：装置的温度得到尺寸和复杂程度所允许的严格控制，但是装置的温度会使环境温度发生几个百分点的摆动。相信这对于频率稳定性来说是最佳的TCOCXO，但是需要比另外一些可供选用的TCOCXO恒温器结构高的功率消耗。

●TCOCXO.2：根本不对装置的温度进行严格控制。加热器在整个操作范围内都是工作的。通过不维持固定不变的装置温度，能够实现较低功耗。

●TCOCXO.3：设定最大加热器电流限度。在环境温度较高的情况下，此时所需要的加热器电流低于这个最大电流，装置的温度相当恒定。在环境温度较低的情况下，加热器电流受到限制并且装置温度按照与环境温度一样的梯度下降。这种技术在功率较低和电流受限的应用中很有用。

●TCOCXO.4：断开设定点适当地位于工作温度范围内。在环境温度高于这个设定点的情况下，恒温器不工作。低于这个点，恒温器控制装置的温度。在使装置温度保持低于TCOCXO.1的情况下，实现了较低的功耗。和/或

●TCOCXO.5：控制体制与TCOCXO.4相同，但是有额外的低电流限制，使得装置能够具有与环境温度相同的热梯度。这进一步减小了功耗，但是增大了TCXO所表现出来的温度摆动。

在体制3的情况下，如果发生电流限制时的温度与晶体温度系数中的零匹配，则可以使频率稳定性性能最佳。在体制4的情况下，如果恒温器设定点与晶体温度系数中的零一致，则可以使频率稳定性性能最佳。此外，在体制5的情况下，发生电流限制时的温度应当与晶体的零温度系数的区域匹配。通过适当选择AT-cut晶体角度，能够轻松实现所有这些要求。

为了对例如在较小封装外壳中的恒温控制振荡器进行补偿，需要了解各种不同的补偿方案和/或选取适当的补偿ASIC，比如“Pluto”ASIC。

TCOCXO对受温度控制的频率源(比如OCXO)进行温度补偿。在受温度控制的频率源中，可以将频率源保持或抑制在一定温度范围内。OCTCXO(如在′340专利中公开的)对TCXO进行温度控制(即加热)。在TCXO中，频率源的温度随着环境温度变化并且对环境温度改变造成的频率变化进行修正(补偿)。TCOCXO与OCTCXO的方法明显不同，因为流过TCXO的热流(如′340专利所公开的)会降低TCXO的性能。C-MAC的测量结果表明，与对TCXO进行温度控制相比，通过对OCXO进行温度补偿，至少能够使性能提高一个数量级。

前面对所介绍的实施例的说明是为了使得本领域技术人员能够制作或使用本发明而给出的。可以对这些实施例进行各种不同的变型，并且本文给出的一般性原理也可以应用于其它实施例。因而，本发明并不是想要局限于上面给出的实施例和/或任何具体的结构构成，而是要求给予与本文中以任何样式公开的原理和新颖特征相符合的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种对受温度控制的频率源的温度依赖行为进行补偿的方法，所述方法包括：

提供受温度控制的频率源；和

通过下述步骤减小环境温度变化对所述受温度控制的频率源的工作频率的影响：

对所述受温度控制的频率源进行温度控制，以减少环境温度变化的影响；以及

基于在环境温度扫描期间得到的校正数据，对所述受温度控制的频率源进行温度补偿；

其中，所述环境温度扫描包括在加热器启动的同时改变环境温度，该加热器执行所述受温度控制的频率源的温度控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述受温度控制的频率源包括恒温控制晶体振荡器。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述温度补偿是通过使用温度补偿式晶体振荡器专用集成电路来提供的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度补偿包括四阶模拟温度补偿。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述四阶模拟温度补偿是通过产生温度的零到四阶多项式切比雪夫函数来提供的。

6.根据权利要求1所述的方法，该方法包括：设置所述受温度控制的频率源的最大电流电平。

7.根据权利要求1所述的方法，该方法包括：监控环境温度，并根据所述环境温度选择性地操作所述受温度控制的频率源。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，响应于所述环境温度落入到预定值以下，激活对所述受温度控制的频率源的加热。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预定值对应于与所述受温度控制的频率源相关联的零温度系数。

10.一种温度补偿式受温度控制的频率源，所述温度补偿式受温度控制的频率源包括：

受温度控制的频率源；和

与所述受温度控制的频率源相接的温度补偿电路，

其中所述受温度控制的频率源布置为进行温度控制，以减少环境温度变化对所述受温度控制的频率源的工作频率的影响；

所述温度补偿电路包括校正数据，并被配置为基于所述校正数据对所述受温度控制的频率源进行温度补偿，以及

所述校正数据是在环境温度扫描期间得到，并且所述环境温度扫描包括在加热器启动的同时改变环境温度，该加热器执行所述受温度控制的频率源的温度控制。

11.根据权利要求10所述的温度补偿式受温度控制的频率源，其中，所述受温度控制的频率源包括OCXO。

12.根据权利要求10或11所述的温度补偿式受温度控制的频率源，其中，所述温度补偿电路包括TCXO专用集成电路。

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