CN101783649A - 多段型恒温晶体振荡器 - Google Patents

多段型恒温晶体振荡器 Download PDF

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Abstract

一种多段型恒温型晶体振荡器，防止因晶体振子及构成振荡段以外的电路元件温度上升而导致特性下降，同时，提高发热元件热效率，容易温度控制。本发明恒温型振荡器由晶体振子(1)，振荡段(2a)、缓冲段(2b)以及温度控制电路(3)的电路元件(4)，第1、第2及第3电路板(5a、5b、5c)构成，其特征在于：上述第1电路板(5a)或上述第2电路板(5b)上设置有上述发热元件(4g)以及与上述发热元件(4g)热性结合的上述振荡段(2a)的电路元件(4)；上述第3电路板(5c)上设置有上述缓冲段(2b)的电路元件(4)以及上述温度控制电路(3)的除至少上述发热元件(4g)及上述温度感应元件(4c)以外的电路元件(4)；上述第3电路板(5c)与上述第1及第3电路板(5a、5b)保持间隙，上下方向分离，阻隔热传递。

Description

多段型恒温晶体振荡器
技术领域
本发明涉及多段型恒温晶体振荡器(以下称恒温型振荡器)，特别是涉及频率稳定性高的恒温型振荡器。
背景技术
恒温型振荡器因为能够保持晶体振子的工作温度恒定，所以频率的稳定性高，从而被应用于要求以ppb(pulse perbillion十亿分之一)为频率偏差单位的基站用通信器材。近年来，这些基站也有小型化的趋势，例如代替电阻丝(熱線)回旋的现有的恒温热腔，将芯片电阻等作为发热元件。
(现有技术)
图6A、6B以及6C为现有恒温型振荡器的说明图，图6A为恒温型振荡器的剖面图，图6B为振荡输出的电路图，图6C为温度控制电路图。
现有恒温型振荡器具备以下构造：晶体振子1；构成振荡输出电路2以及温度控制回路3的电路元件4；第1、第2电路基板5a、5b；金属容器6。晶体振子1具有例如经AT切割(カツト)，SC切割(カツト)的晶体片1a，并被密封入例如具有外部端子的表面安装用容器1b内。
并且任一切割(カツト)情况下，晶体片1 a都具有常温25℃以上为高温侧以80℃左右为极限值，随温度变化振动频率发生变化的频率温度特性。例如AT切割(カツト)中，为图7的曲线A表示三次方曲线，并且，SC切割中，为图7的曲线B表示三次方曲线。另外，图7的纵坐标表示频率偏差Δf/f，f为常温下的频率，Δf为相对于常温下频率f的频率差。
如图6B所示，振荡输出电路2由作为振荡电路的振荡段2a和具有缓冲增幅器等的缓冲段2b组成。振荡段2a是科耳皮兹型电路，具有与晶体振子1一同形成共振电路的图中未表示的分压电容器，以及励振晶体管。这里，例如，作为振荡电路(ル一プ)内具有电压可变容量元件4a的电压控制型电路。图6B中的Vcc为电源，Vout为输出，Vc为控制电压。
如图6C所示，温度控制电路3中，运算放大器4b的一个输入(印加)端输入通过温度感应元件4c(例如热敏电阻)与电阻4d的温度感应电压Vt，另一个输入端输入(印加)通过电阻4e，4f的基准电压Vr。并且，向功率晶体管4g的基部输入基准电压Vr与温度感应电压Vt的电压差，向作为发热元件的芯片电阻(作为发热电阻)4h提供电源Vcc输出的电力。从而实现了根据依存于温度感应元件4c的温度的电阻值来控制输入发热电阻4h的电力，使晶体振子1的工作温度保持恒定。
如图6A所示，在第1及第2电路板5a、5b上，都要形成配线图案，例如第1电路板5a是由陶瓷形成。第2电路板5b是由玻璃环氧树脂形成。第1电路板5a的一主面配置有晶体振子1，另一个主面配置有例如温度控制电路3的发热电阻4h以及温度感应元件4c。并且在加热电阻4h以及温度感应元件4c上涂有液态热传导性树脂7。
如图6A所示，第2电路板5b的两主面配置有上述以外的振荡输出电路2以及热控制电路3的各电路元件4，特别是振荡段2a的电路元件4设置在中央区域。并且第1及第2电路板5a、5b是通过金属销8a电性、机械连接，板面相对的2段构造。此时，加热电阻4h以及温度感应元件4c上所涂的热传导性树脂7密集分布在第2电路板5b的中央区域，与第2电路板5b热性结合，特别是保持作为振荡段2a的电路元件4的工作温度恒定。
图6A所示，金属容器6至少由金属底座6a和金属盖6b构成，金属底座6a的4个角通过玻璃9气密化，并贯通有作为所谓气密端子的导线8b；金属盖6b通过电阻焊接密封。并且金属底座6a的导线8b与第2电路板5b电性、机械连接，同时第1电路板5a一起被密封在金属容器6内。
如图6B所示，现有恒温型振荡器中，保持支配振荡输出Vout的频率温度特性的晶体振子1的工作温度恒定的同时，也保持形成振荡电路(振荡段)2a的各个电路元件4的温度恒定。因而不仅晶体振子1，振荡段2a的工作温度也保持了稳定，不受上述的频率温度特性影响，使频率偏差Δf/fo能够得到至少保持在±0.01ppm以上或者说以ppb为单位的频率稳定度。在这里，fo为振荡频率的公称值，Δf为偏离公称值fo的量。
(参照日本特开2005-341191号公报以及特开2005-223395号公报)
(现有技术的问题)
然而具有上述构造的现有恒温型振荡器中，不仅使支配频率温度特性的晶体振子1，而且使特别是对振荡输出有很大影响的振荡段2a的工作温度也保持恒定，由于这种高稳定的构造而产生以下问题。即现有技术的第1和第2电路板5a、5b通过热传导性树脂7热结合，使包含励振晶体管的振荡段2a的各电路元件4的工作温度恒定。
但是这种情况下，如图6A与图6B所示，在第2电路板5b上还配置了振荡段2a以外的缓冲段2b和温度控制电路3的电路元件4，与振荡段2a同样处于高温环境中。即，决定振荡频率的晶体振子1和振荡段2a以外的缓冲段2b和温度控制电路3的多个电路元件4也处于高温环境。从而导致这些电路元件4的特性由于温度上升而下降，产生例如在常温状态下包括振荡频率在内的振荡输出特性不稳定等问题。
此外，从决定振荡频率的晶体振子1来看，影响负载电容(串联等值电容)的缓冲段2b以后的电容值极小，几乎可以忽略。从而由于缓冲段2b的电路元件4的频率温度特性而对振荡频率产生的影响也可以忽略，所以基本没有必要使电路元件4的工作温度保持恒定。此外，温度控制电路3并未与振荡输出电路2电性相连，是独立存在的，所以也不会对振荡频率有影响。但是会引起随振荡输出电路2的缓冲段2b和温度控制电路3的电路元件4的特性因温度上升而下降的问题。
而且，因为在第2电路板5b上，不仅配置有振荡段2a，还配置有缓冲段2b和温度控制电路3的电路元件4，所以使得第2电路板5b的热容增大，从而对加热电阻4h所发出的热量要求多，造成因耗电量高而使热效率降低的问题。并且，因为通过加热电阻4h进行温度控制的区域必然扩大，使金属容器6中的热分布不均，造成温度控制更加困难。
发明内容
发明目的
本发明目的在于，提供一种在防止因上述晶体振子及振荡段以外的电路元件的温度上升造成特性下降，同时，使发热元件热效率提高，温度控制容易的恒温型振荡器。
发明要点
一种恒温型晶体振荡器，具有以下构造：密封有晶体片且有外部端子的晶体振子；与上述晶体端子一同形成振荡输出电路的振荡段以及缓冲增幅上述振荡段输出的缓冲段电路元件；保持上述晶体振子温度恒定的温度控制电路的电路元件，至少具有加热上述晶体振子的发热元件以及检测上述晶体振子工作温度的温度感应元件；至少有上述晶体振子和上述电路元件一部分的第1电路板；设置有除上述晶体振子以及一部分上述电路元件的其他电路元件，相对上述第1电路板上下方向设置的电路板；收容上述晶体振子以及上述电路元件和设置有上述晶体振子以及上述电路元件的第1电路板和其他电路板的金属容器，其特征在于：上述第1电路板以外的其他电路板是由第2、第3电路板构成；在上述第1或第2电路板上配置有上述发热元件以及与上述发热元件热性结合的上述振荡段的电路元件；在上述第3电路板上配置有上述缓冲段电路元件和上述温度控制电路中的至少除上述发热元件以及上述温度感应元件以外的电路元件；上述第3电路板与上述第1及第2电路板之间保持间隙，上下分离，阻隔热传递。
发明效果
通过上述构造，对振荡输出(频率)产生最大影响的晶体振子以及振荡段的电路元件与发热元件热性结合，使晶体振子与振荡段的电路元件的工作温度保持恒定。从而防止了基于晶体振子及振荡段电路元件的频率温度特性的频率变化，能够提高恒温型振荡器的频率稳定度。
而且，发热元件的加热对象最小化到晶体振子和振荡段的电路元件，除此之外的缓冲段电路元件以及至除少发热元件和温度感应元件以外的温度控制电路的电路元件，被与发热元件热性阻隔。从而使加热对象限定在必要的最少电路元件范围内，使热容最小，提高了发热元件的热效率。
另外，此情况下，从晶体振子(振荡段)来看缓冲段及温度控制电路的电路元件的电容量极小。因而，即使缓冲段和温度控制电路的电路元件有频率温度特性，从晶体振子看来负载电容(串联等值电容)的变化也可以忽略不计，可以忽略对振荡段的振荡频率的影响。
本发明实施例1中，在上述第1电路板的一个主面设置有上述晶体振子，另一主面设置有上述发热元件，同时，上述第2电路板设置有上述振荡段的电路元件。上述第1电路板的上述发热元件与上述第2电路板通过热传导性树脂热性结合。从而保证了晶体振子及振荡段的电路元件相对发热元件热性结合。
本发明实施例2中，上述第1电路板上设置有上述晶体振子和上述振荡段电路元件，并被收容进热腔，上述热腔被设置在上述第2电路板上，并通过热传导性树脂与上述发热元件热性结合。从而确保了晶体振子和振荡段电路元件相对发热元件热性结合。此情况下晶体振子和振荡段电路元件被收容到热腔中，比金属容器容积小，且热腔内温度分布稳定，易于控制热腔内的温度，能够提高频率稳定度。
本发明实施例3中，上述发热元件是芯片电阻或上述温度控制电路中的功率晶体管。这使得加热晶体振子等的发热元件明确。另外发热元件可以只是芯片电阻，或只是功率电阻，也可以两者并用。
附图说明
图1为本发明的恒温型振荡器实施例1的剖面说明图。
图2为本发明的恒温型振荡器实施例2的剖面说明图。
图3为说明本发明实施例2作用的频率偏差特性。
图4为说明本发明实施例2作用的作为比较对象的恒温振荡器剖面图。
图5为本发明的恒温型振荡器实施例3的剖面说明图。
图6为现有技术的说明图，图6A为恒温型振荡器的剖面图，图6B为振荡电路的简略图，图6C为温度控制电路图。
图7为经AT切割(カツト)及SC切割(カツト)的晶体振子的现有技术方式的频率温度特性图。
具体实施方式
(实施例1)
图1为本发明的恒温型振荡器的一个实施方式的剖面说明图。此后对与现有技术的相同部分付与相同标号，说明做简略或省略处理。
如图1所示，本发明恒温型振荡器具有以下结构：晶体振子1；图6B和图6C所示构成振荡输出电路2及温度控制电路3的电路元件4；第1及第2电路板5a、5b；金属容器6。这里，金属容器6是由金属底座6a与金属盖6b构成。此外，实施例1中，除了具有第1及第2电路板5a、5b外，还具有第3电路板5c。
首先，在第1电路板5a的一个主面上设置有如图1所示的表面安装用晶体振子1，另一主面设置有加热电阻4h以及温度感应元件4c。并且加热电阻4h及温度感应元件4c上涂有热传导性树脂7，并与第2电路板5b的一个主面紧贴并热性结合。在实施例1中与现有技术相反，第1电路板5a作为下侧(基座6a侧)，第2电路板5b配置在上侧(盖6b侧)。
其次，在第2电路板5b的另一主面(顶面)上，设置有形成振荡输出电路中的振荡闭合电路(ル一プ)的振荡段2a的电路元件4。这里配置有例如科耳皮兹式分压电容、励振晶体管、电压控制型的电压可变电容元件、调整振荡频率用微调电容器。在第2电路板5b顶面配置有包括微调电容器在内的其他调整用电路元件4。通过此构造，第1电路板5a的加热电阻4h与晶体振子1以及第2电路板5b的振荡段2a的电路元件4热性结合。(参照图6B)。
再次，在第3电路板5c上设置有振荡输出电路2的缓冲段2b、除加热电阻4h以及温度感应元件4c以外的温度控制电路3的电路元件4(参考图6C)。但是，当温度控制电路3的功率晶体管4g作为发热元件使用时，在第1或第2电路板5a、5b上设置上述元件。并且，第3电路板5c与金属底座6a的导线8b相连，被保持，第2电路板5b通过金属销8a与第三电路板5c相连，被保持。即，从金属底座6a侧开始，按第3、第1及第2电路板5c、5a、5b的顺序作为多段结构被配置，第3电路板5c与第1及第2电路板5a、5b间存在间隙阻隔热传递。
通过这种构造，使特别是决定振荡频率的晶体振子1及振荡段2a的电路元件4能够与加热电阻4h热性结合。这种情况下，支配振荡频率的频率温度特性的晶体振子1与加热电阻4h的热性结合增大，其次能够增强与振荡段2a的电路元件4的热性结合。并且通过包含加热电阻4h的温度控制电路3(参考图6C)，能够保持晶体振子1以及振荡段2a的电路元件4的工作温度恒定，维持振荡频率的稳定。
这种情况下，缓冲段2b和温度控制电路3的电路元件4配置在第3电路板5c上，与第1与第2电路板5a，5b间有间隙阻隔热传递。从而使缓冲段2b与温度控制电路3的电路元件4不会处于高温环境，不会变为极高温度，而是高于常温的温度。所以能够防止缓冲段2b和温度控制电路3的电路元件4因为高温工作导致特性降低的现象，从而保持例如在常温状态下包括振荡频率在内的输出特性状态良好。
并且，加热电阻4h的加热对象为第1及第2电路板5a、5b的晶体振子1以及振荡段2a的电路元件4。而第3电路板5c上配置的缓冲段2b和温度控制电路3的电路元件4基本被从加热对象中排除。从而能够减小加热电阻4h的加热对象的热容，提高了热效率。而且形成以第1及第2电路板5a、5b的晶体振子1与振荡段2a的电路元件4为加热对象的温度分布，使得温度控制变得容易。
(实施例2)
图2为本发明的恒温型振荡器的实施例2的剖面图。此后，对与实施例1相同部分的说明做简化或省略处理。
如图2所示，实施例2中，使用热腔10，使得温度控制更容易的同时，可以确保以ppb为单位的频率稳定度。即在实施例2中，晶体振子1与振荡段2a的电路元件4被配置在第1电路板5a上。在晶体振子1中，例如将晶体片1a密封进通过电阻焊接的金属容器1b里，并设置在第1电路板5a的一个主面(底面)。
在此情况下，金属容器1b的导线1d从第1电路板5a的一个主面穿过另一个主面(顶面)并通过图中未表示的焊锡固定在另一个主面上。并且包含电压可变电容元件和调整用电容的振荡段2a的电路元件4设置在第1电路5a的顶面。这里，除了调整用电容以外的调整元件，在第1电路板5a的顶面还配置了温度感应电阻元件4c。第1电路板5a将晶体振子1作为底面侧，被设置于剖面为凹状的热腔10的封闭面10c，通过玻璃9a被气密化，并且周围部通过贯通的导线8a被保持。剖面为凹状的热腔10的开口端面10b，由例如树脂板10a所密封。
剖面为凹状的热腔10通过贯通封闭面10c的导线8a与第2电路板5b连接，从而得以保持。第2电路板5b上，例如配置有2个加热电阻4h，使薄膜状导热性树脂7介于中间，抵接在热腔10的封闭面上。第2电路板5b通过金属销8c保持于第3电路板5c上。
第3电路板5c与第2电路板5b间存在间隙g阻隔热传递。在第3电路板5c底面侧配置有缓冲段2b和温度控制电路3的电路元件4。第三电路板5c的外周部与通过玻璃9b封闭气密化的金属底座6a的导线8b相连接，被保持。金属底座6a的外周形成有振荡器用金属容器6，金属盖6b经焊锡等接合于金属容器6。
通过以上构造，热腔10经加热电阻4h被加热，热腔10内的温度经包含温度感应元件4c的温度控制电路3被控制，即晶体振子1和振荡段2a的电路元件4的工作温度保持恒定。从而使得实施例2与实施例1一样，振荡频率能够高度稳定。此时，由于加热电阻4h的加热对象被限定在热腔10内，温度分布能够保持恒定，与实施例1相比，温度控制更容易，能够保持以ppb为单位的频率稳定度。
而且，在实施例2中，配置有缓冲段2b和温度控制电路3的电路元件4的第3电路板5c，与配置有加热电阻4h的第3电路板5b、热腔10间有间隙g，阻隔热传递。因而缓冲段2b和温度控制电路3的电路元件4，尽管外界是常温，但是不会被加热电阻4h强制进行高温工作，从而使得包含常温状态下的振荡频率在内的振荡输出特性保持良好。
此外，实施例2的恒温型振荡器，相对周围温度的频率偏差Δf/fo如图3的直线a所示，例如，温度范围在20～80℃的范围内，为±2ppb以内的频率稳定度。与之相对，例如图4所示，当在配置有加热电阻4h的第2电路板5b底面配置缓冲段2b和温度控制电路3的电路元件4时，如图3的直线b所示，频率变化Δf/f在±10ppb范围内。
因此，得到了实施例2中，将缓冲段2b和温度控制电路3的电路元件4远离加热电阻4h避开热影响的效果。此外，任一直线a、b都是随温度上升，频率偏差Δf/f值下降，相反，也有频率偏差Δf/f值升高的情况，这依赖于电路侧和晶体振子的温度特性。
(实施例3)
上述实施例中，把加热电阻4h作为芯片元件设置在第2电路板5b上，如图5所示，也可以将加热电阻4h埋设在第2电路板5b内。并且。加热电阻4h也可以通过印刷等方式作为图中未表示的膜电阻形成于第2电路板5b的表面或内面。此情况下，电路板5b例如由陶瓷形成。此外作为热源可使用功率晶体管4g替代加热电阻4h(参考图6C)，两者并用也可。

Claims (4)

1.一种恒温型晶体振荡器，具有以下构造：密封有晶体片且有外部端子的晶体振子；与上述晶体振子一同形成振荡输出电路的振荡段以及缓冲增幅上述振荡段输出的缓冲段电路元件；保持上述晶体振子工作温度恒定的温度控制电路的电路元件，至少具有加热上述晶体振子的发热元件以及检测上述晶体振子工作温度的温度感应元件；至少配置有上述晶体振子和上述电路元件一部分的第1电路板；设置有除上述晶体振子以及一部分上述电路元件的其他电路元件，相对上述第1电路板上下方向设置的电路板；收容上述晶体振子以及上述电路元件和设置有上述晶体振子以及上述电路元件的第1电路板和其他电路板的金属容器，其特征在于：上述第1电路板以外的其他电路板是由第2、第3电路板构成；在上述第1或第2电路板上配置有上述发热元件以及与上述发热元件热性结合的上述振荡段的电路元件；在上述第3电路板上配置有上述缓冲段电路元件和上述温度控制电路中的至少除上述发热元件以及上述温度感应元件以外的电路元件；上述第3电路板与上述第1及第2电路板之间保持间隙，上下分离，阻隔热传递。
2.根据权利要求1所述的恒温型晶体振荡器，在上述第1电路板上，其一主面上配置有晶体振子，另一主面上配置有上述发热元件，同时上述第2电路板上配置有振荡段电路元件，并且上述第1电路板的上述发热元件与第2电路板通过热传导性树脂热性结合。
3.根据权利要求1所述的恒温型晶体振荡器，上述第1电路板上配置有上述晶体振子与上述振荡段的电路元件，被收容进热腔，上述热腔与被设置在上述第2电路板上的上述发热元件通过热传导性树脂热性结合。
4.根据权利要求1所述的恒温型晶体振荡器，芯片电阻或者上述温度控制电路的功率晶体管作为上述发热元件。
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