CN101325397B - 三次谐波晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

一种三次谐波晶体振荡器，包括：容纳于容器中的振荡器IC以及晶体元件。所述IC包括：发射极接地的晶体管；通过隔DC电容器连接至所述晶体管的基极同时还连接至地电势的第一电容器；以及连接在所述晶体管的集电极和接地电压之间的第二电容器。晶体元件的两端分别连接至第一和第二电容器的非接地端。容器上配备了用于与第一电容器一起形成并联谐振电路的螺旋电感器，举例而言，可以利用印刷工艺配备所述螺旋电感器，所述螺旋电感器独立于所述IC。将并联谐振电路的并联谐振频率设定为高于晶体元件的基波振荡频率，并低于晶体元件的三次谐波振荡频率。

Description

三次谐波晶体振荡器

技术领域

本发明涉及三次谐波晶体振荡器，更具体地说，涉及利用用于实现晶体元件基波振荡的IC(集成电路)配置而成的三次谐波晶体振荡器。

背景技术

通过将石英晶体元件和配备了采用晶体元件的振荡电路的集成电路加以组合配置而成的晶体振荡器，具有极好的频率稳定性。因此，将晶体振荡器用作各种电子设备中的频率和时间参考源。一种用于这样的晶体振荡器的IC包括，例如，由精工NPC(Seiko NPC)公司(http://www.npc.co.jp)生产的、以版本名CF5036系列和CF503F系列而闻名的IC。这些系列的IC用于光学数字网络的晶体振荡器。

近年来，为了使网络的传输能力加倍，要求用用于光学数字网络的、具有300MHz频段内振荡输出的晶体振荡器取代目前使用的、具有150MHz频段内振荡输出的晶体振荡器。

图1A是一幅电路图，示出了传统晶体振荡器配置的示例，图1B是除去其上封盖的晶体振荡器的平面图，图1C是晶体振荡器的剖面图。

晶体振荡器包括含有集成振荡电路的振荡器IC 1以及石英晶体元件(晶体坯)2，两者均容纳于容器3中形成的一个凹槽中。这里，假设振荡器IC 1是由精工NPC(SeikoNPC)公司生产的CF5036和CF5037系列之一。这样的振荡器IC 1通过至少集成振荡用的晶体管Tr、恒流源I、振荡用的第一和第二电容器C1和C2、以及隔DC(直流)电容器Cs配置而成。晶体管Tr的发射极接地，偏压电阻器R连接在晶体管Tr的集电极和基极之间。

电源电压Vcc为恒流源I供电，从而使其产生恒定电流，进而将恒定电流供至晶体管Tr的集电极和偏压电阻器R之间的节点。振荡用的第一电容器C1连接在晶体管Tr的基极和地电势之间，而第二电容器C2连接在集电极和地电势之间。隔直电容器Cs插入于基极与偏压电阻器R相交的节点和第一电容器C1之间。振荡器IC 1装有连接至晶体管Tr集电极的输出端Vout。

容器3由，例如，层压陶瓷制成，其中，凹槽是通过在形状基本为矩形的底部壁层3c上堆叠中心部分具有开口的框架壁层的方式形成的。框架壁层包括上层3d、中间层3a和下层3b。下层3b堆叠在底部壁层3c上，中间层3a堆叠在下层3b上，上层3d堆叠在中间层3a上。所形成的中间层3a的开口小于上层3d的开口，并且下层3b的开口小于中间层3a的开口。从而，在容器3的凹槽内壁形成了两级阶梯状部分。

将振荡器IC 1芯片键合(die-bonded)到容器3的凹槽的内底面，即，底部壁层3c的暴露面上。IC 1具备多个用于连接至外部电路的IC端子。IC端子由金线4引出，用于引线键合(wire bonding)至沿每对容器3的纵向延伸的内壁中形成的阶梯状部分。金线4所连接的阶梯状部分是在容器3的凹槽的内壁中形成的两级阶梯状部分中的下阶梯状部分，从而该下阶梯状部分对应于下层3b的上表面。应当理解的是，IC端子的端子Q1和Q2用于同晶体元件建立电连接。

晶体元件(晶体坯)2是例如AT切割石英晶体坯，并在两个主表面具有激励电极(未示出)。引导电极从激励电极延伸到晶体坯一端的对边。利用导电粘合剂5将引导电极所延伸到的晶体元件2的一端的对边固定到沿容器3纵向的一端部分中的内壁的阶梯状部分，从而使晶体元件2固定在容器3的凹槽中。晶体坯2所固定到的阶梯状部分对应于在容器3的凹槽中形成的两级阶梯状部分中的上阶梯状部分，并且在水平面被分成两个部分。用于与晶体坯2进行电连接和机械连接的晶体保持端7形成于上述分离部分各自的上表面上，导电粘合剂5涂敷在晶体连接端7上。利用振荡器IC 1的一对IC端子Q1、Q2，将晶体坯2电连接在第一和第二电容器C1和C2的非接地端之间。

将振荡器IC 1固定至容器3的底面，然后进行上面提到的引线接合。接着，利用导电粘合剂5将晶体坯2固定至容器3。之后，将金属封盖8连接至容器3的凹槽的开口的端面以闭合凹槽。因而，振荡器IC 1和晶体坯2被密封在凹槽中从而实现了晶体振荡器。

该晶体振荡器能够通过改变振荡电路的电路常数的方式改变集成于振荡器IC 1中的振荡电路的工作频率范围。对于整个IC系列，工作频率的可用覆盖范围大约为50到700MHz。因此，可以通过将振荡频率在50到700MHz范围内的晶体坯2电连接至振荡器IC 1(即，振荡电路)的方式获得振荡频率位于该频率范围内的晶体振荡器。

当将由精工株式会社NPC公司生产的上述CF5036和CF5037系列中的IC用作振荡器IC 1时，在晶体元件工作于基波振动模式的情况下，可以获得高达700MHz的振荡输出。然而，就三次谐波振荡而言，振荡频率受到限制最高可达250MHz。因而，不可能以三次谐波振荡获得300MHz频段的振荡输出。

为了获得300MHz频段内的振荡频率，只能根据振荡器IC的规格在300MHz频段内以基波振动模式使用晶体元件2。然而，AT切割晶体元件(晶体坯)2的振动频率与它的厚度成反比，这意味着在基波振动模式下具有300MHz振动频率的晶体元件将具有大约5.6μm的厚度。以高产率生产这种薄晶体元件是十分困难的。就此而言，如果可以用三次谐波振荡获得300MHz的振荡频率，就可以使用基波振动模式下振动频率大约为100MHz的晶体元件。这样的晶体元件厚度约为17μm，易于生产，并且可以确保稳定的供应。

发明内容

本发明的一个目的是提供一利用集成了用于实现晶体元件基波振荡的振荡电路的振荡器IC实现三次谐波振荡的晶体振荡器。

本发明的这一目的可以利用三次谐波晶体振荡器予以实现，所述三次谐波晶体振荡器包括：容器；容纳在该容器中的振荡器IC；以及容纳在该容器中的晶体元件，其中，振荡器IC包括：振荡用的晶体管，其发射极接地并且在其集电极和基极之间连有偏压电阻器，恒定电流由恒流源供至集电极和偏压电阻器之间的节点；振荡用的第一电容器，后者通过隔DC电容器连接至基极同时还连接至地电势；以及振荡用的第二电容器，后者连接在集电极和地电势之间，其中，晶体元件的一端连接至第一电容器的非接地端，而晶体元件的另一端连接至第二电容器的非接地端，其中，由螺旋线构成的螺旋电感器是在容器中形成的，该螺旋电感器与振荡器IC是分离的，并同第一电容器一起形成并联谐振电路，并且，其中，将由第一电容器和螺旋电感器形成的并联谐振电路的并联谐振频率设定为高于晶体元件的基波振荡频率，并低于晶体元件的三次谐波振荡频率。

利用这样的配置，由第一电容器和螺旋电感器形成的并联谐振电路的阻抗在基波振荡频率下将是感性的(L)，而在三次谐波振荡频率下将是容性的(C)。因此，将并联谐振频率升高到高于晶体元件的基波振荡频率，将导致当振荡频率等于或低于基波振荡频率时，振荡电路中不会产生负阻，由此基波振荡得以抑制。此外，将并联谐振频率降低到低于三次谐波振荡频率，可以允许等于或高于三次谐波振荡频率的振荡频率获得负阻。因而，可以轻易地获得在高于并联谐振频率的频率中达到最高负阻的三次谐波振荡输出。

此外，同后期将作为分立芯片部件或元件的电感器安装到晶体振荡器的容器上的情况相比，本发明中的形成于容器中的螺旋电感器的使用可以简化晶体振荡器的制造过程并使电感值易于调节。

附图说明

图1A是一幅电路图，示出了传统晶体振荡器；

图1B是图1A中所示的晶体振荡器除去封盖后的平面图；

图1C是图1A中所示的晶体振荡器的剖面图；

图2A是基于本发明工作原理的三次谐波晶体振荡器的电路图；

图2B是图2A中所示的晶体振荡器除去封盖后的平面图；

图3是一幅负阻特性图，示出了图2A中所示的晶体振荡器的工作原理；

图4A是一幅平面图，示出了依照本发明一实施例的除去封盖和晶体坯的三次谐波晶体振荡器的结构；以及

图4B是一幅局部放大的平面图，示出了图4A所示的晶体振荡器中的螺旋电感器。

具体实施方式

以下将首先对基于本发明工作原理的晶体振荡器予以说明。在示出了基于本发明工作原理的三次谐波晶体振荡器的图2A和图2B中，用相同的参考数字表示与图1A、图1B和图1C中的元件相同的元件，并将对这些元件的描述予以简化或者省略。

如上所述，晶体振荡器具有其中容纳着振荡器IC 1和石英晶体元件(石英晶体坯)2的容器3。振荡器IC 1是由精工株式会社NPC公司生产的CF5036D1，工作于基波振荡模式并具有例如250到400MHz的工作频率范围。振荡器IC 1的内部等效电路与图1A所示的相同，因此，该IC 1至少是振荡用的晶体管Tr、恒流源I、振荡用的第一和第二电容器C1、C2、以及隔DC电容器Cs的集成。

晶体管Tr发射极接地，并且集电极和基极之间具有偏压电阻器R。电源电压Vcc为恒流源I供电，使其将恒定电流供至集电极和偏压电阻器R相交的节点。第一电容器C1的一端经隔DC电容器Cs连至基极，另一端连接至地电势。第二电容器C2连接在集电极和地电势间。振荡器IC 1的IC端子Q1连接至第一电容器C1的非接地端，IC端子Q2连接至第二电容器C2的非接地端。晶体元件(晶体坯)2的两端分别连接至端子Q1、Q2。

在该晶体振荡器中，电感器L同第一电容器C1并联，从而形成并联谐振电路。电感器L独立于振荡器IC 1，并且，例如，包含在容器3中作为分立芯片部分的电感器。将由第一电容器C1和电感器L形成的并联谐振电路的并联谐振频率设定为高于晶体元件2的基波振荡频率f1，低于晶体元件2的三次谐波振荡频率f3。

在这样的配置中，从晶体元件2的对端看，振荡电路(CF5036D1)在与电感器L建立连接之前具有如图3中的曲线A所示的负阻特性。此处，假设晶体元件2的等效并联电容为2pF。特别地，曲线具有负阻区，在负阻区内，频率约为100MHz以上，最大负阻(650Ω)位于120MHz附近，并且令负阻逐渐变小。

在这种情况下，在300MHz频段内的特定频率处，例如325MHz，负阻约为90Ω。因此，由于基波的大约110MHz的频率也落入了负阻区，因而就晶体元件2的三次谐波振动模式下频率325MHz处的振荡而言，基波振荡无法得到充分抑制。同样，由于晶体元件2的三次谐波晶体阻抗(CI)的范围大约是从50到60Ω，因此由90Ω负阻提供的电路裕度过小以致无法进行振荡。举例而言，比如说当晶体元件2的CI由于老化变为90Ω以上，三次谐波振荡将会终止。因而，最终，无法获得振荡的可靠性。

另一方面，基于本发明工作原理的晶体振荡器连接至电感器L从而形成并联谐振电路，如图3的曲线B所示，通过该并联谐振电路，并联谐振频率被升高到高于基波的振荡频率f1(110MHz)。在这种情况下，从晶体元件2的对端看，振荡电路侧的负阻R’可由以下公式近似表示：

R′＝R//(-Gm/(ω²(C1′×C2)))

其中，Gm是晶体管Tr的跨导，ω是角频率，C1’是由电容器C1和电感器L组成的并联谐振电路的组合电容，R是偏压电阻。

因此，举例而言，当将并联谐振频率fp设定为300MHz，300MHz的负阻将基本等于-R，或者将是与偏压电阻器R具有相同绝对值但极性相反的电阻。负阻小于300MHz时变为正电阻。因而，晶体元件2的基波f1(110MHz)振荡能够得到可靠地抑制。同样，当偏压电阻R为300Ω时，负阻在300MHz频率处达到最大，然而，在三次谐波振动模式下的振荡频率(325MHz)处负阻约为200Ω。因此，该负阻(200Ω)比晶体元件2的三次谐波振动的CI(50到60Ω)提高了2倍以上。用这样的方式，可以确保足够的电路裕度，从而，最终能够确保振荡的稳定性。

以下将根据以上所述的本发明的工作原理，对依照本发明的一实施例的晶体振荡器予以说明。在示出了依照本发明一实施例的三次谐波晶体振荡器的图4A和图4B中，用相同的参考数字表示与图2A和图2B中的元件相同的元件，并将对这些元件的描述予以简化或者省略。

在图4A和图4B中所示的晶体振荡器中，用螺旋电感器Ls代替图2A和图2B所示的晶体振荡器的电感器L。螺旋电感器是通过在平面上形成螺旋线或螺旋绕组配置而成的，因而其外围具有矩形形状，并且螺旋电感器安置于容器3的底部壁层3c上。这种螺旋电感器是通过层压和烧制生陶瓷片(green ceramic sheet)(即，未烧制的生陶瓷片)的方式同容器3一起形成的。具体而言，螺旋电感器是通过烧制前在对应于底部壁层3c的、生陶瓷片上成螺旋形地印刷导电材料的方式形成的。图中，螺旋电感器Ls的如图所示的右半部分覆盖有框架壁层，而如图所示的左半部分暴露于容器3的凹槽的底面。换句话说，在底部壁层3c上安装螺旋电感器Ls，使该电感器的右半部分位于框架壁层与底部壁层的层压面上。

构成螺旋电感器Ls的线(即，绕组)的靠近螺旋形状中心的一端称为起始端A。将起始端A穿过在下层3b中形成的通孔引至框架壁层的下层3b的上表面，并利用在下层3b的上表面上形成的导电路径以及键合线电连接至振荡器IC 1的IC端子Q1。螺旋电感器Ls的终止端B通过形成于底部壁层3c表面上的导电图形(未示出)电连接至地电势。

在本实施例中，如图4B中所示，在螺旋电感器Ls的暴露在底部壁层3c上的部分中配备了用于在相邻的线圈(即，绕组)间引起短路的调节线x、y，以确保可以对螺旋电感器Ls的电感进行调节。在这种配置下，可以通过根据需要利用激光辐射切断调节线x和y中一或两条的方式改变螺旋电感器Ls的电感，由此，就可以将电感调节至期望值。例如，在如图所示的外部调节线x被切断的情况下，从起始端A到终止端B的线的长度有所增加，从而线圈数目也有所增加，进而电感将有所增加。由于这使得由第一电容器C1和螺旋电感器Ls产生的并联谐振频率有所降低，因而负阻的截止频率点转移至低频侧。当如图所示的内部调节线y也被切断时，电感可能进一步有所增加，导致切断频率点进一步向低频侧发生转移。

可以将这样的螺旋电感器Ls和在形成容器3时必须为容器3提供的各种导电图形以及通孔一同提供。因此，同后期将作为单独提供的分立芯片部分的电感器安装到容器上的情况相比，本实施例可以简化晶体振荡器的制造过程。另外，可以通过在框架壁层的底部壁层的层压面上形成至少部分螺旋电感器Ls的方式，消除扩大容器3凹槽表面区域的必要，从而保持容器3具有较小的尺寸。

在螺旋电感器Ls中，可以通过配备用于在线圈间引起短路的调节线的方式并通过确保根据需要切断调节线的方式，将电感从较低水平调节至较高水平，由此，可以对负阻的截止频率点加以控制。除了事先提供调节线x、y以便根据需要切断调节线的方法，举例而言，还可以对螺旋电感器Ls进行配置，利用导电粘合剂在相邻线圈间实现短路，从而将电感从较高水平调节至较低水平。

螺旋电感器Ls的外形不限于矩形，也可以是圆形或多边形，如六边形。

Claims (8)

1.一种三次谐波晶体振荡器，包括：

容器；

容纳在所述容器中的振荡器IC；以及

容纳在所述容器中的晶体元件，

其中，所述振荡器IC包括：

振荡用的晶体管，其发射极接地并且其集电极和基极之间连有偏压电阻器，恒定电流由恒流源供至集电极和偏压电阻器间的节点；

振荡用的第一电容器，所述第一电容器通过隔DC电容器连接至基极同时还连接至地电势；以及

振荡用的第二电容器，所述第二电容器连接在集电极和地电势之间，

其中，晶体元件的一端连接至第一电容器的非接地端，而晶体元件的另一端连接至第二电容器的非接地端，

其中，由螺旋线构成的螺旋电感器是在容器中形成的，所述螺旋电感器与振荡器IC是分离的，并同第一电容器一起形成并联谐振电路，并且

其中，将由第一电容器和螺旋电感器形成的并联谐振电路的并联谐振频率设定为高于晶体元件的基波振荡频率，并低于晶体元件的三次谐波振荡频率。

2.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其中：

所述容器由层压陶瓷制成，所述层压陶瓷包括底部壁层和框架壁层，所述框架壁层具有一开口部分且形成于底部壁层之上；

所述振荡器IC固定于底部壁层的暴露面上；以及

所述螺旋电感器配备于所述底部壁层之上。

3.根据权利要求2所述的晶体振荡器，其中，至少部分螺旋电感器暴露于凹槽的底面。

4.根据权利要求2所述的晶体振荡器，其中，部分螺旋电感器形成于底部壁层和框架壁层的层压面上。

5.根据权利要求3所述的晶体振荡器，其中，在螺旋电感器的、暴露于凹槽底部表面的部分中安装了调节线，以便在螺旋电感器的相邻线圈间引起短路。

6.根据权利要求5所述的晶体振荡器，其中，螺旋电感器的电感值可以通过切断调节线的方式进行调节。

7.根据权利要求2所述的晶体振荡器，其中，螺旋电感器是通过利用印刷工艺在底部壁层上印刷导电材料的方式形成的。

8.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其中，所述晶体元件包括AT切割晶体坯。

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