CN101741314A - 恒温型晶体振荡器 - Google Patents

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Abstract

一种恒温型晶体振荡器，包括：晶体单元，其包括：包括用于表面安装的第一安装端子的外壳主体，该第一安装端子包括在该外壳主体的外底面上的第一电源端子；表面安装振荡器；包括加热电阻器和温度传感器的温度控制电路；以及包括第二电源端子的电路基板。表面安装振荡器的第一电源端子以及加热电阻器和温度传感器的一端电连接于电路基板的第二电源端子。表面安装振荡器的第一电源端子经由导电路径至少直接连接且电连接于温度传感器的一端。

Description

恒温型晶体振荡器
本发明要求2008年11月14提提交的日本专利申请No.2008-292302的优先权，其整个内容结合于此以供参考。
技术领域
本发明涉及一种使用由片式电阻器构成的加热电阻器作为热源的恒温型晶体振荡器(下文中称为恒温型振荡器)，具体地，涉及一种实时检测检测晶体单元的工作温度的恒温型振荡器。
背景技术
恒温型振荡器保持其晶体单元的工作温度恒定，以使得该晶体振荡器的频率-温度特性相同。因此，恒温型振荡器应用于需要具有频率稳定性的基站等所用的通信设施(无线设备)，该频率稳定性例如是0.1ppm(百万分之)或以下或者处于1ppb(十亿分之)的数量级。作为其中之一，有一种构造成使用用于表面安装的晶体单元的(下文中称为表面安装单元)恒温型振荡器(参见，例如，JP-A-2006-311496)。
图6A至图7B是用于说明现有技术的恒温型振荡器的一个实例的示意图。图6A是现有技术的恒温型振荡器的剖视图，而图6B是其电路图的概廓。图7A是现有技术的恒温型振荡器的现有技术的表面安装单元的剖视图，而图7B是其底视图。
如图6A和6B所示，恒温型振荡器具有表面安装单元1、形成振荡器电路2的振荡部分2a、形成温度控制电路3的各电路元件4，以及上述各部分安装在其上的电路基板5。于是，将恒温型振荡器构造成使得电路基板5由振荡器的底板7的引线8保持，该引线8用玻璃6做成气密的，并且这些部件通过电阻焊等用振荡器的盖子9封盖。然而，作为由振荡器的底板7和振荡器的盖子9构成的振荡器外壳有各种形式，并且根据需要选择振荡器外壳的形式。
关于表面安装单元1，如图7A和7B所示，晶体元件1A安置在外壳主体10中，并且通过在金属环10a上缝焊等而用金属盖11将该外壳主体10密封，该金属环10a形成在该外壳主体10的开口端面上。例如，外壳主体10形成为凹面。例如，外壳主体10由层状陶瓷制成。外壳主体10在该外壳主体10的内壁凸肩上具有晶体保持端子19。晶体元件1A的一端的两侧通过导电粘接剂20牢固地固定于晶体保持端子19，在该端处引出电极(未示出)从激励电极(未示出)延伸。
然后，例如，外壳主体10在外部底面的一组对角上具有电连接到晶体元件1A的作为安装端子12的晶体端子12a，并且在另外一组对角上具有虚拟端子(dummy terminal)12b。例如，虚拟端子12b经由包括穿通电极(through electrode)等的导电路径而电连接到金属盖11上。正常地，虚拟端子12b连接到地电位。
然后，例如，晶体元件1A形成为SC-切割晶体元件或AT-切割晶体元件。晶体元件1A具有在高于或等于室温25℃的高温侧的大约80℃的极值的频率-温度特性，并且振荡频率根据在SC切割晶体元件和AT切割晶体元件二者的任何情况下的温度而变化。例如，在AT切割晶体元件中，频率-温度特性示为三次曲线(图8中的曲线A)，而在SC切割晶体元件中，频率-温度特性示为二次曲线(图8中的曲线B)。顺便提及，频率偏差Δf/f沿着该图的纵坐标绘制，其中f是在室温的频率，而Δf是与在室温的频率f的频率差。
如图6B所示，将振荡电路2形成为所谓的柯匹兹(Colpitts)型电路，以便具有与表面安装单元1一起形成谐振电路的振荡部分2a。振荡部分2a包括分压电容器、放大并且将其反馈的用于振荡的晶体管等(未示出)。在这里，例如，在振荡回路中，振荡电路2形成为具有压控电容元件4Cv的压控型电路。在附图中，Vcc是电源，Vout是输出，Vgnd是地(地电位)，而Vc是诸如AFC电压的控制电压，并且这些都经由相应引线8电连接于电路基板5。此外，电源Vcc在振荡电路2与温度控制电路3中是共用的。
在温度控制电路3中，根据温度传感器(例如，热敏电阻)4th和电阻器4R1的感温电压Vt被施加于运算放大器40A的一个输入端，而根据电阻器4R2和4R3的参考电压Vr被施加于其另一个输入端。于是，参考电压Vr和感温电压Vt之间的差分电压被施加于功率晶体管4Tr的基极，而来自电源Vcc的电力被供给到用作加热元件的片式电阻器(下文中叫做加热电阻器4h)4h。因而，利用温度传感器4th的依赖温度的电阻值来控制到加热电阻器4h的电力，以保持表面安装单元1的工作温度恒定。例如，工作温度在室温或大于室温时为大约80℃，该80℃是最小值或者最大值(图8)。
电路图形(未示出)形成在电路基板5上，并且包括表面安装单元1的各电路元件4安装在该电路基板5的两个主表面上。在这个实例中，加热电阻器4h、在温度控制电路3中的功率晶体管4Tr和温度传感器4th，以及表面安装单元1安装在电路基板5的底面上。表面安装单元1安装在中心区域，而加热电阻器4h、功率晶体管4Tr以及温度传感器4th安装在表面安装单元1的外周上。
顺便提及，依赖温度以大大地改变其特性的压控电容元件4Cv安装在表面安装元件1的外周上。用导热树脂13覆盖表面安装单元1和这些电路元件(4h、4Tr、4th、4Cv)。可选地，表面安装单元1与这些电路元件(4h、4Tr、4th、4Cv)之间的空间用导热树脂13填充，并且他们热耦合。
于是，振荡器电路2和温度控制电路3的其他电路元件4安装在电路基板5的顶面上。在这种情况下，例如，用于调节振荡频率的电容器等安装在电路基板5的顶面上，这使得易于调节振荡频率。然后，具体地，对振荡频率有影响的振荡部分2a的各电路元件4设置在电路基板5的顶面上，与用导热树脂13覆盖的区域相面对。
顺便提及，美国专利No.7253694B2和US 2007/0268079A1中的每个都公开了一种现有技术的恒温型振荡器。
然而，在具有上述结构的恒温型振荡器中，加热电阻器4h利用导热树脂13与表面安装单元1热耦合。然而，导热树脂13的导热率小于或者等于作为电路图形的导电路径14的例如金(Au)或者铜(Cu)的这样的金属的导热率的1/100。因此，加热电阻器4h与表面安装单元1之间的导热性(导热效率)变差。同时，例如KE-3467的导热树脂13的导热率为2.4w/(m·K)，而用作导电路径的Au和Cu的导热率分别为319w/(m·K)和403w/(m·K)。
如图9所示，温度控制电路3中的加热电阻器4h和温度传感器4th的一端侧(电源(Vcc)侧)经由导电路径14而直接且电连接在电路基板5上。因此，根据加热电阻器4h的加热温度经由具有高导热性的导电路径(例如，Au这样的金属)而直接传送到温度传感器4th，并且温度传感器4th的温度基本对应于根据加热电阻器4h的加热温度。
另一方面，尽管振荡电路2和温度控制电路3连接成具有同一个电源Vcc作为他们的电源，但是加热电阻器4h与表面安装单元1的晶体端子12a经由振荡部分12a彼此电连接。因此，根据加热电阻器4h的加热温度被振荡部分2a的电路元件4所吸收，而没有直接传送到表面安装单元1(外壳主体10)。因此，表面安装单元1的工作温度减小为小于根据加热电阻器4h的加热温度。此外，表面安装单元1的工作温度在加热电阻器4h的温度达到所述加热温度之后才达到所述根据加热电阻器4h的加热温度。
因此，尽管根据加热电阻器4h的加热温度与根据温度传感器4th的检测温度相对应，但是所述根据温度传感器4th的检测温度不与所述表面安装单元1的工作温度与相对应，并且高于所述表面安装单元1的工作温度的加热温度被检测为工作温度。于是，晶体单元的工作温度随着时间的前进而接近所述根据温度传感器4th的检测温度。以这种方式，具体地，所述根据温度传感器4th的检测温度不与表面安装单元1的工作温度相对应。因此，难以对于周围温度实时控制表面安装单元1的温度。
此外，在这些恒温型振荡器中，采用了表面安装单元1。然而，由于其他电路元件4作为分立元件安装在电路基板5上，所以该恒温型振荡器的结构变得复杂，并且由此其简化变得困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种恒温型振荡器，其中通过直接检测晶体单元的工作温度而使其实时温度控制简单。
如JP-A-2006-311496所示，在本发明中，温度传感器的一端电连接于在表面安装单元(外壳主体)的外底面上的用作浮动端子的安装端子(正常接地端子)。在这个方面，通过将精力集中于其中经由由例如Au这样的金属制成的具有高导热性的导电路径来直接检测晶体单元的工作温度的技术，已经实现了本发明。然而，在这种情况下，形成了在正常情况下不需要的多余导电路径。因此，导电路径的布线图案变得复杂。
根据本发明的第一方面，提供了一种恒温型晶体振荡器，包括：晶体单元，其包括：包括用于表面安装的第一安装端子的外壳主体，该第一安装端子包括在该外壳主体的外底面上的第一电源端子；以及晶体元件，其密封地封装在外壳主体中；表面安装振荡器，其包括放置在外壳主体中的IC芯片，并且形成至少具有晶体单元的振荡器电路；温度控制电路，包括：由用于加热晶体单元的芯片元件构成的加热电阻器；以及检测晶体单元的工作温度的温度传感器；以及电路基板，表面安装振荡器、加热电阻器以及温度传感器安装在该电路基板上，并且该电路基板包括具有第二电源端子的第二安装端子，其中加热电阻器和温度传感器的各一端电连接于第二电源端子，其中表面安装振荡器的第一电源端子以及加热电阻器和温度传感器的各一端电连接于电路基板的第二电源端子，并且其中表面安装振荡器的第一电源端子经由导电路径至少直接连接且电连接于温度传感器的一端。
根据本发明的第二方面，在恒温型晶体振荡器中，其中表面安装振荡器的第一电源端子、加热电阻器和温度传感器的各一端经由电路基板上的导电路径而直接连接且电连接于电路基板的第二电源端子。
根据本发明的第三方面，在该恒温型晶体振荡器中，其中恒压电路设置在加热电阻器与温度传感器的各一端之间，并且其中表面安装振荡器的第一电源端子经由导电路径而直接连接且电连接于温度传感器的一端。
根据本发明的第四方面，在该恒温型晶体振荡器中，其中温度控制电路包括：运算放大器，来自于其一端连接于第二电源端子的温度传感器的控制电压以及参考电压输入到该运算放大器中；功率晶体管，其具有接地发射极，其中来自其集电极的输出电流通过将来自运算放大器的输出施加到其基极来控制；以及加热电阻器，其设置在功率晶体管的集电极与第二电源端子之间。
根据本发明的各方面，设置在表面安装振荡器的外壳主体的外底面上的第一电源端子，与安装在电路基板上的加热电阻器和温度传感器的各一端一起，电连接于电路基板的第二电源端子。然后，表面安装振荡器(外壳主体)的第一电源端子与温度传感器的一端经由导电路径而直接连接且电连接。
因此，因为外壳主体(其中晶体元件密封地封装的晶体单元)以及温度传感器经由具有高导热性的导电路径而热耦合，所以能够直接检测该晶体单元的工作温度。从而，使得对于周围温度的实时温度控制简单。顺便提及，表面安装振荡器的第一电源端子与加热电阻器和温度传感器的各一端实质连接且电连接。因此，无需设置新的导电路径，并且从而电路基板上的布线变得简单。
根据本发明的第二方面，晶体单元的工作温度、来自温度传感器的检测温度，以及加热电阻器的加热温度都接近同一个温度，这使得实时温度控制更加容易。
根据本发明的第三方面，消除了电源中含有的噪音，以改进来自振荡电路的输出。此外，由于第一电源端子与温度传感器的一端经由导电路径连接，所以保持了在所述第一方面的有益效果。
根据本发明的第四方面，使得温度控制电路清楚。
附图说明
图1A和1B是根据本发明的第一实施例的恒温型振荡器的示意图，其中图1A是该恒温型振荡器的剖视图，图1B是该恒温型振荡器的电路图，而图1C是示出了在该恒温型振荡器中的电路元件与导电路径之间的连接的示意图；
图2A和2B是应用于本发明的恒温型振荡器的表面安装振荡器的剖视图；
图3是根据本发明的第二实施例的恒温型振荡器的电路图；
图4是根据本发明的第三实施例的恒温型振荡器的表面安装振荡器的示意图；
图5是应用到本发明的恒温型振荡器的表面安装振荡器的另一个实例的剖视图；
图6A和图6B是现有技术的恒温型振荡器的示意图，其中图6A是现有技术的恒温型振荡器的剖视图，而图6B是现有技术的恒温型振荡器的电路图的轮廓；
图7A和图7B是现有技术的恒温型振荡器的表面安装单元的示意图，其中图7A是现有技术的表面安装单元的剖视图，而图7B是现有技术的表面安装单元的底视图；
图8是现有技术的表面安装单元(晶体振荡器)的频率-温度特性图；以及
图9是在现有技术的表面安装单元中的电路元件与导电路径之间的连接的示意图。
具体实施方式
(第一实施例)
图1A至1C是根据本发明的第一实施例的恒温型振荡器的示意图。图1A是其剖视图，图1B是其电路图，而图1C是示出了在该恒温型振荡器中的电路元件与导电路径之间的连接的示意图。顺便提及，与现有实例中相同的那些部分用相同的符号表示，并且将简化或者省略其说明。
将该恒温型振荡器构造成使得，表面安装振荡器15代替现有实例中的表面安装单元1，并且与现有实例中相同的那些电路元件4安装在电路基板5上，该电路基板5用振荡器7的底板的引线(第二安装端子)8保持，并且盖子9封盖这些零部件。引线8包括第二电源端子8(Vcc)、输出端子8(Vout)、接地端子8(Vgnd)以及控制端子8(Vc)。在表面安装振荡器15中，如图2A和2B所示，通过覆晶接合将IC芯片17利用突出物18固定到外壳主体16的内底面。外壳主体16由层状陶瓷制成并且具有凹形。在IC芯片17中，至少振荡部分2a和压控电容元件4Cv被集成，以形成压控型振荡电路2。
于是，晶体元件1A的一端的两侧牢固地固定于外壳主体16的内壁凸肩，在该一端处引出电极(未示出)从激励电极(未示出)延伸。晶体保持端子19设置在外壳主体16的内壁凸肩上，并且晶体元件1A的引出电极与晶体保持端子19通过导电粘接剂而彼此电连接和机械连接。于是，金属盖11例如通过缝焊而粘接到金属环16a，该金属环16a设置在外壳主体的开口端面上。据此，晶体元件1A密封地封装在外壳主体16中，以形成表面安装振荡器15。
用于表面安装的第一安装端子21设置在外壳主体16的外底面的四个拐角部分上。第一安装端子21经由导电路径14电连接于在IC芯片17的电路功能表面上的IC端子(未示出)。这些安装端子21包括第一电源端子(Vcc)、输出端子21(Vout)、接地端子21(Vgnd)以及控制端子21(Vc)。
如图1B和1C所示，在第一实施例中，表面安装振荡器15(外壳主体16)的第一电源端子21(Vcc)电连接于电路基板5的第二电源端子8(Vcc)。第一电源端子21还电连接于温度控制电路3中的加热电阻器4h和温度传感器4th的各一端。这里，表面安装振荡器15的第一电源端子21(Vcc)与加热电阻器4h和温度传感器4th的各一端经由电路基板5的导电路径14而直接连接且电连接。顺便提及，在电路基板5是由环氧玻璃材料制成的情况下，导电路径14由Cu制成。在电路基板5是由陶瓷制成的情况下，导电路径14的基电极由W制成，并且Ni和Au放置在该基电极上以形成导电路径14。
在这种结构中，设置在表面安装振荡器15的外壳主体16的外底面上的第一电源端子21(Vcc)电连接于电路基板5的第二电源端子8(Vcc)。第一电源端子21(Vcc)还电连接于安装在电路基板5上的加热电阻器4h和温度传感器4th的各一端。这里，表面安装振荡器15的第一电源端子21(Vcc)、加热电阻器4h和温度传感器4th的各一端，以及电路基板5的第二电源端子8(Vcc)经由导电路径14而直接连接且电连接。
因此，由于其中晶体元件1A密封地封装的外壳主体16，即，晶体单元，以及加热电阻器4h和温度传感器4th经由具有高导热性的导电路径14而热耦合，所以他们的温度彼此接近。由此，根据周围温度实时控制晶体单元的温度变得容易。也就是说，温度控制电路3用作温度补偿电路，其执行晶体单元的温度补偿操作。
然后，表面安装振荡器15的第一电源端子21(Vcc)与加热电阻器4h和温度传感器4th的各一端实质电连接。因此，无需设置新的导电路径，这使得根据在电路基板5上的导电路径14的布线图案简单。此外，由于表面安装振荡器15代替表面安装单元1使用，所以简化了恒温型振荡器的结构。因此，该表面安装振荡器15相对于电路基板5的布局变得简单。这里，调整元件等分立地设置在电路基板5的顶表面上。
顺便提及，如图2B所示，可以构造成使得表面安装振荡器15(外壳主体16)的第一电源端子21(Vcc)与金属盖11经由穿通电极22电连接。此外，外壳主体16的底壁可以形成为层状结构，并且连接于第一电源端子21(Vcc)的金属膜23可以设置于该层状结构。在这些情况下，易于通过金属盖11和金属膜23来加热外壳主体16。因此，能够进一步执行实时温度控制。
(第二实施例)
图3是根据本发明的第二实施例的恒温型振荡器的电路图。顺便提及，省略了与第一实施例中相同的那些部分的说明。
在第二实施例中，以与现有实例中相同的方式，将恒压电路24设置到温度控制电路3的加热电阻器4h的一端与形成参考电压Vr的电阻器4R2的一端之间的电源线，以便消除电源Vcc中含有的噪音，并且改善来自振荡器电路的输出。在这种情况下，表面安装振荡器15的第一电源端子21(Vcc)的一端与温度传感器4th的一端经由导电路径14连接。
因此，外壳主体16(其中放置晶体元件1A的晶体单元)与温度传感器4th经由导电路径14热耦合。从而，温度传感器4th直接检测晶体单元的工作温度，这使得根据温度控制电路3的温度补偿操作由于现有实例的温度补偿操作。
(第三实施例)
图4具体地是用于说明本发明的第三实施例的恒温型振荡器的表面安装振荡器的示意图。顺便提及，将省略与上述实施例中相同的那些部分的说明。
在第三实施例中，表面安装振荡器15形成为所谓TCXO的温度补偿型。即，在IC芯片17中，集成了不仅具有振荡部分2a并且至少还具有温度传感器(例如，线性电阻器)的温度补偿机构，以将温度补偿电压施加于压控电容元件4Cv。在这种情况下，温度补偿电压通过加法器25与来自控制端子21(Vc)的控制电压Vc合成。在这种振荡器中，由于通过将要形成为恒温型的温度控制电路3而进一步精密地控制其由TCXO预先温度补偿的频率-温度特性，所以能够改善频率稳定性。
(其他方面)
在上述实施例中，表面安装振荡器被构造成使得IC芯片17和晶体元件1A放置在外壳主体16的一个主表面中的凹部中。然而，例如，表面安装振荡器可以如图5所示来构造。即，晶体元件1A可以放置在外壳主体16的一个主表面中的凹部中，以被密封地封装，并且IC芯片17可以放置在另一个主表面中的凹部中。也是在这种情况下，由于第一电源端子21(Vcc)，与至少温度传感器4th的一端一起经由导电路径14连接于第二电源端子8(Vcc)，所以能够直接检测晶体单元的工作温度。

Claims (4)

1.一种恒温型晶体振荡器，包括：
晶体单元，其包括：
包括用于表面安装的第一安装端子的外壳主体，该第一安装端子包括在该外壳主体的外底面上的第一电源端子；以及
晶体元件，其密封地封装在所述外壳主体中；
表面安装振荡器，其包括放置在所述外壳主体中的IC芯片，并且形成至少具有所述晶体单元的振荡器电路；
温度控制电路，其包括：
由用于加热所述晶体单元的芯片元件构成的加热电阻器；和
检测所述晶体单元的工作温度的温度传感器；以及
电路基板，所述表面安装振荡器、加热电阻器以及温度传感器安装在该电路基板上，并且该电路基板包括具有第二电源端子的第二安装端子，
其中所述加热电阻器和所述温度传感器的各一端电连接于所述第二电源端子，
其中所述表面安装振荡器的第一电源端子以及所述加热电阻器和温度传感器的所述各一端电连接于所述电路基板的所述第二电源端子，并且
其中所述表面安装振荡器的第一电源端子经由导电路径至少直接连接且电连接于所述温度传感器的所述一端。
2.根据权利要求1所述的恒温型晶体振荡器，
其中所述表面安装振荡器的所述第一电源端子、所述加热电阻器和所述温度传感器的所述各一端经由所述电路基板上的导电路径而直接连接且电连接于所述电路基板的所述第二电源端子。
3.根据权利要求1所述的恒温型晶体振荡器，
其中恒压电路设置在所述加热电阻器与所述温度传感器的所述各一端之间，并且
其中所述表面安装振荡器的所述第一电源端子经由所述导电路径而直接连接且电连接于所述温度传感器的所述一端。
4.根据权利要求1所述的恒温型晶体振荡器，
其中所述温度控制电路包括：
运算放大器，来自于所述温度传感器的控制电压以及参考电压输入到该运算放大器中，该温度传感器的一端连接于所述第二电源端子；
功率晶体管，其具有接地发射极，其中通过将来自所述运算放大器的输出施加到该功率晶体管的基极来控制来自该功率晶体管的集电极的输出电流；以及
加热电阻器，其设置在所述功率晶体管的集电极与所述第二电源端子之间。
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