CN102866717B - 恒温槽控制晶体振荡器的温度控制电路 - Google Patents
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Abstract
一种恒温槽控制晶体振荡器的温度控制电路，包括：加热器电阻器、第一电阻器、热敏电阻、第二电阻器、第三电阻器、差分放大器、PNP型功率晶体管，以及PNP型限流晶体管。热敏电阻输出视温度而定的电压。差分放大器放大由一个输入端子接收的电压与由另一输入端子接收的电压之间的差，且作为控制电压输出。PNP型功率晶体管包含连接加热器电阻器的另一末端的射极、接收差分放大器的输出的基极，以及接地的集极。PNP型限流晶体管具有被供应电源电压的射极、接收加热器电阻器的另一末端与功率晶体管的射极之间的电压的基极，以及连接至功率晶体管的基极的集极。
Description
本申请案主张2012年4月16日申请的日本专利申请案第2012-092996号的优先权。本申请案还主张2011年7月8日申请的日本专利申请案第2011-151472号的优先权。以上所提到的专利申请案中每一个的全部内容皆以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种能够获得高稳定性振荡频率的恒温槽控制晶体振荡器(oven-controlledcrystaloscillator，OCXO)，尤其涉及一种能够实施极好温度特性的恒温槽控制晶体振荡器的温度控制电路。
背景技术
现有技术
恒温槽控制晶体振荡器用以通过维持晶体单元(crystalunit)的恒定操作温度，在不产生视频率/温度特性而定的频率变化的情况下，而获得高稳定性振荡频率。晶体单元储存于恒温炉中，且所述恒温炉经控制以使用温度控制电路来维持恒定的内部温度。
现有技术中的恒温槽控制晶体振荡器的温度控制电路：图8
将参考图8，来描述现有技术中的恒温槽控制晶体振荡器的温度控制电路。图8为显示现有技术中的恒温槽控制晶体振荡器的温度控制电路的电路图。如图8中所显示，现有技术中的恒温槽控制晶体振荡器的温度控制电路基本上包含：热敏电阻TH、差分放大器(differentialamplifier，OPAMP)IC10、功率晶体管Tr1以及加热器电阻器HR。
连接关系
将电源电压DC施加至加热器电阻器HR的一个末端，加热器电阻器HR的另一末端连接至功率晶体管Tr1的集极，且功率晶体管Tr1的射极连接至地面GND。
也将电源电压DC施加至热敏电阻TH的一个末端，所述热敏电阻TH的另一末端连接至电阻器R1的一个末端，且电阻器R1的另一末端接地。另外，还将电源电压DC施加至电阻器R2的一个末端，电阻器R2的另一末端连接至电阻器R3的一个末端，且电阻器R3的另一末端接地。此外，尽管未显示于附图中，但将电源电压DC作为驱动电压施加至差分放大器IC10、且也连接至地面GND。
热敏电阻TH的另一末端与电阻器R1的一个末端之间的节点通过电阻器R4而连接至差分放大器IC10的一个端子(负(-))；且电阻器R2的另一末端与电阻器R3的一个末端之间的节点连接至差分放大器IC10的另一端子(正(+))。另外，差分放大器IC10的负端子(-)和输出端子通过电阻器R5而连接。差分放大器IC10的输出端子连接至功率晶体管Tr1的基极。
每一个单元
热敏电阻TH为温度感应元件(其电阻值视温度而改变)，且检测晶体单元的操作温度。热敏电阻TH与电阻器R1之间的电压通过电阻器R4而输入至一个输入端子(负(-))，差分放大器IC10的输出通过电阻器R5而反馈且输入，且电阻器R2与R3之间的电压被输入至另一输入端子(正(+))，使得差分放大器IC10放大且输出两个输入端子的电压差。
功率晶体管Tr1为NPN型晶体管，其中差分放大器IC10的输出被输入至基极，且电流视基极电流而在集极与射极之间流动，使得电流也流动至加热器电阻器HR。加热器电阻器HR产生视流动的电流而定的热。此处，功率晶体管Tr1和加热器电阻器HR充当热源。
在OCXO中，如果热源、热敏电阻TH的传感器、以及晶体单元可集成至单一主体(singlebody)中，那么温度特性性能得以改进。然而，因为以上所描述的三个零件实际上并未电连接，所以其不实体连接。出于此原因，将所述三个零件布置地尽可能靠近，且在其间插入例如树脂的绝缘材料。然而，此绝缘材料的热导率一般较低。例如，硅树脂即使在其性能极好时，也只具有大约2W/m·k的热导率。
在热源中，尽管功率晶体管Tr1的集极端子部分产生热，但总是产生电位。加热器电阻器HR是由作为基极材料的陶瓷构成，且在加热器电阻器HR的顶表面上形成发热电阻薄膜(heat-generatingresistancefilm)，以便自发热电阻薄膜产生热。然而，已知加热器电阻器HR和功率晶体管Tr1的热源，视环境温度变化而产生不同的发热量(heatamount)。
对比于电流的发热量：图9
将参考图9，来描述对比于流过温度控制电路的电流的发热量。图9为显示发热量的曲线图。在图9中，横坐标表示电流，且纵坐标表示发热量。如图9中所显示，功率晶体管Tr1的发热量不同于加热器电阻器HR的发热量，且通过加总两个发热量而获得的总发热量变为热源的发热量。因此，当环境温度改变时，在功率晶体管Tr1的发热量与加热器电阻器HR的发热量之间产生一差。
相关技术
作为相关技术，揭示以下各者：转让给东洋通信机株式会社(TOYOCommunicationEquipmentCo.，Ltd)的日本专利申请案早期公开案第H11-317622号中的“晶体振荡器的温度控制电路(TemperatureControlCircuitForCrystalOscillator)”(后文中称作专利文献1)；转让给京瓷株式会社(KYOCERACorp.)的日本专利申请案早期公开案第2004-207870号中的“用于压电振动器的封装，以及使用用于压电振荡器的封装的恒定温度振荡器(PackageforPiezoelectricVibrator，andConstantTemperatureOscillatorEmployingtheSame)”(后文中称作专利文献2)；转让给东洋通信机株式会社(TOYOCommunicationEquipmentCo.，Ltd)的日本专利申请案早期公开案第2005-117093号中的“温度控制电路以及使用温度控制电路的高稳定性晶体振荡器(TemperatureControlCircuitandHighStabilityCrystalOscillatorEmployingtheSame)”(后文中称作专利文献3)；以及转让给日本电波工业株式会社(NihonDempaKogyoCo.，Ltd.)的日本专利第4855087号中的“恒定温度晶体振荡器(ConstantTemperatureCrystalOscillator)”(后文中称作专利文献4)。
专利文献1揭示了温度控制电路，用于控制晶体振荡器中的恒温炉的温度，其中加热元件的控制电流可经控制、通过选择热敏电阻的高电阻值而视检测温度增大。
专利文献2揭示恒温振荡器，其中通过第二封装以密封方式而包封具有压电装置的第一封装，以真空化第二封装的外壳部分。
专利文献3揭示高稳定性晶体振荡器的温度控制电路，所述高稳定性晶体振荡器包含：用于使用第一热敏电阻和电阻器来分割恒定电压的第一分压电路、用于使用第二热敏电阻和可变电阻器来分割恒定电压的第二分压电路，以及用于将由第一分压电路分割的电压输入至正(+)输入端子、并且将由第二分压电路分割的电压输入至负(-)输入端子的差分放大器。
专利文献4揭示恒温晶体振荡器(constanttemperaturecrystaloscillator)，其中连接至晶体单元的虚拟端子(dummyterminal)的电路板的板侧中的虚拟端子是：通过导电路径而连接至板侧中的电阻器端子，所述电阻器端子连接至温度感应电阻器。
然而，在现有技术中的恒温槽控制晶体振荡器中，如以上所描述，已知作为热源的加热器电阻器HR和功率晶体管Tr1，视环境温度的改变而具有不同的发热量。由此，存在一个问题，即在现有技术中的恒温槽控制晶体振荡器中，当环境温度改变时产生了温差，使得振荡器的温度特性降级。
由于将来自电源的电压也施加至热敏电阻TH(此热敏电阻TH为如图8中所显示的传感器)，所以难以与热源进行直接接触。因此，热传递效率恶化，且难以有效地使用最小的热来维持恒定温度。
限流电路的添加：图10
在这一点上，可以想到如图10中所显示，将限流电路添加至温度控制电路。将参考图10，来描述具有限流电路的温度控制电路。图10为显示具有限流电路的温度控制电路的电路图。在图10的温度控制电路中，与图8的电路相比较而言，提供了限流晶体管Tr2，所述晶体管Tr2的集极连接至功率晶体管Tr1的基极(在所述基极中输入差分放大器IC10的输出)，且晶体管Tr2的基极连接至功率晶体管Tr1的射极且通过电阻器R6接地。另外，晶体管Tr2的射极接地。此处，功率晶体管Tr1和限流晶体管Tr2为NPN型晶体管。
当流过功率晶体管Tr1的基极的电流增大、且在集极与射极之间流动的电流随着来自差分放大器IC10的输出电压增大而增大时，在晶体管Tr2的集极与射极之间流动的最大电流会受到电流检测电阻器R6和限流晶体管Tr2控制。同时，施加至功率晶体管Tr1和加热器电阻器HR的电压可经调整，以控制每一个元件的发热量(电功率)。
在图10的电路中，由于为了限制功率晶体管Tr1的电流，使限流晶体管Tr2的基极与射极之间的电压VBE为约0.7V是必要的，所以，作为热源的功率晶体管Tr1和加热器电阻器HR的总发热量(电功率)不利地被减小。另外，由于电位被施加至功率晶体管Tr1的集极，所以，难以在热敏电阻TH与功率晶体管Tr1的集极侧之间进行直接电连接。因此，需要进一步改进热传递效率。
专利文献1和2未能考虑到：通过防止热扩散，而对电路中的热传导效率的进一步改进。另外，尽管温度传感器的灵敏度可得以改进，但专利文献3未能提供：用于通过将功率晶体管用作热源，来在功率晶体管与热敏电阻之间进行直接连接的配置。
在图8的电路中，尽管进行了控制以自热源产生热，从而使得由热敏电阻TH(温度传感器)检测到的温度维持恒定，但待稳定而作为晶体振荡器的元件是晶体单元。即使在温度传感器的检测温度维持恒定时，由于热阻(thermalresistance)的影响而仍在检测温度与晶体单元之间产生了温差。由此，温度传感器与晶体单元之间的温差引起了无用的热辐射或不稳定的温度。
为了减小温度传感器与晶体单元之间的温差，有必要将晶体单元、温度传感器以及热源集成至单一主体中。由此，有必要提供大的热腔(thermalchamber)。另外，当热阻增大时，摆动现象(huntingphenomenon)发生，使得所述输出进行波动。此情形使得难以设计控制系统。
改进的恒温炉控制电路：图11
为了解决前述问题，已经提出了图11的电路。图11为显示改进的恒温炉控制电路(thermostaticovencontrolcircuit)的电路图。如图11中所显示，所述改进的恒温炉控制电路基本类似于图8的电路。然而，所述改进的恒温炉控制电路和图8的电路的不同之处在于，晶体单元的虚拟端子通过金属盖罩，而连接至热敏电阻TH与电阻器R20之间的节点。
在图11的电路中，可通过连接晶体单元封装与温度传感器，来减小晶体单元与温度传感器之间的热阻。然而，由于在晶体单元与热源之间的热阻、与温度传感器与热源之间的热阻之间不存在电连接，所以热阻具有任意值，且难以完全去除前述影响。另外，如图11中所显示的专利文献4中所揭示的电路，也无法解决：对于因难以电连接晶体单元、温度传感器以及热源的事实而造成的影响。
因此，需要一种恒温槽控制晶体振荡器的温度控制电路，具有极好温度特性，能够防止热扩散、且改进温度控制电路中的热传导效率。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种恒温槽控制晶体振荡器中的恒温炉的温度控制电路，其包含：加热器电阻器，具有：被供应电源电压以产生热的一个末端；第一电阻器，具有：被供应电源电压的一个末端；热敏电阻，所述热敏电阻的一个末端被连接至所述第一电阻器的另一末端，且所述热敏电阻的另一末端接地，使得通过将电阻值设置为能够视温度变化、而将视温度而定的电压输出至所述热敏电阻的所述一个末端；第二电阻器，具有：被供应电源电压的一个末端；第三电阻器，所述第三电阻器的一个末端连接至所述第二电阻器的另一末端，且所述第三电阻器的另一末端接地；差分放大器，所述差分放大器的一个输入端子接收所述第一电阻器的另一末端与所述热敏电阻的所述一个末端之间的电压，所述差分放大器的另一输入端子接收所述第二电阻器的另一末端与所述第三电阻器的所述一个末端之间的电压，以及通过第四电阻器将输出反馈至所述差分放大器的所述一个输入端子，使得由所述差分放大器的所述另一输入端子接收的电压与由所述差分放大器的所述一个输入端子接收的电压之间的差经放大及经输出而作为控制电压；PNP型功率晶体管，具有：连接所述加热器电阻器的另一末端的射极、接收所述差分放大器的输出的基极，以及接地的集极；以及PNP型限流晶体管，具有：被供应电源电压的射极、接收所述加热器电阻器的另一末端与所述PNP型功率晶体管的所述射极之间的电压的基极，以及连接至所述PNP型功率晶体管的所述基极的集极。
根据本发明的另一方面，提供一种恒温槽控制晶体振荡器中的恒温炉的温度控制电路，其包含：加热器电阻器，具有：被供应电源电压以产生热的一个末端；第一电阻器，具有：被供应电源电压的一个末端；热敏电阻，所述热敏电阻的一个末端被连接至所述第一电阻器的另一末端，且所述热敏电阻的另一末端接地，使得通过将电阻值设置为能够视温度变化、而将视温度而定的电压输出至所述热敏电阻的所述一个末端；第二电阻器，具有：被供应电源电压的一个末端；第三电阻器，所述第三电阻器的一个末端连接至所述第二电阻器的另一末端，且所述第三电阻器的另一末端接地；差分放大器，所述差分放大器的一个输入端子接收所述第一电阻器的另一末端与所述热敏电阻的所述一个末端之间的电压，所述差分放大器的另一输入端子接收所述第二电阻器的另一末端与所述第三电阻器的所述一个末端之间的电压，以及通过第四电阻器将输出反馈至所述差分放大器的所述一个输入端子，使得由所述差分放大器的所述另一输入端子接收的电压与由所述差分放大器的所述一个输入端子接收的电压之间的差经放大及经输出而作为控制电压；P型场效应功率晶体管(功率金氧半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，MOSFET))，具有：连接所述加热器电阻器的另一末端的源极、接收所述差分放大器的输出的栅极，以及接地的漏极；以及PNP型限流晶体管，具有：被供应电源电压的射极、接收所述加热器电阻器的另一末端与所述P型场效应功率晶体管的所述源极之间的电压的基极，以及连接至所述P型场效应功率晶体管的所述栅极的集极。
根据本发明的再一方面，提供一种恒温槽控制晶体振荡器，包括所述的温度控制电路以及晶体单元，其中，所述晶体单元与所述温度控制电路为电性连接。
根据本发明的再一方面，提供一种恒温槽控制晶体振荡器，包括所述的温度控制电路以及晶体单元，其中，所述晶体单元与所述温度控制电路为电性连接，所述晶体单元的接地端子连接至共用金属图案。
根据本发明的再一方面，提供一种恒温槽控制晶体振荡器，包括所述的温度控制电路、晶体单元以及金属盖罩；金属盖罩用于覆盖所述晶体单元，其中，所述晶体单元与所述温度控制电路为电性连接，所述晶体单元的接地端子连接至所述金属盖罩，且所述金属盖罩连接至共用金属图案。
附图说明
本发明的前述以及额外特征和特性，将自参考附图考虑的以下详细描述，而变得更明白，其中：
图1为显示根据本文中所揭示的示范性实施例的恒温槽控制晶体振荡器的第一温度控制电路的电路图。
图2为显示根据示范性实施例的第一OCXO的解释性横截面图。
图3为显示根据示范性实施例的第一OCXO的解释性平面图。
图4为显示根据示范性实施例的恒温槽控制晶体振荡器的第二温度控制电路的电路图。
图5为显示根据本文中所揭示的示范性实施例的恒温槽控制晶体振荡器的第三温度控制电路的电路图。
图6为显示根据示范性实施例的第二OCXO的解释性平面图。
图7为显示表面安装型晶体单元封装的示意图。
图8为显示现有技术中的恒温槽控制晶体振荡器的温度控制电路的电路图。
图9为显示发热量的曲线图。
图10为显示具有限流电路的温度控制电路的电路图。
图11为显示改进的恒温炉控制电路的电路图。
附图标记：
1：电路板
2、X3：晶体单元
3：功率电晶体
4：金属基座
5：金属销
6：金属盖罩
7：感测器
8、8′：共用图案
10：差分放大器IC
11：振荡器电路
12、HR：加热器电阻器
13、TH：热敏电阻
A～D：端子
C1、C2：电容器
DC：电源电压
GND：地面(接地端子)
OUTPUT：输出端子
R1～R6、R20～R26、R31～R36：电阻器
Tr1(B、C、E)：功率晶体管(基极、集极、射极)
Tr1′(G、S、D)：功率晶体管(栅极、源极、漏极)
Tr2(B、C、E)：限流晶体管(基极、集极、射极)
VCONT：控制电压
具体实施方式
将参考附图来描述本发明的实施例。
实施例的概述
在根据本文中所揭示的示范性实施例的恒温槽控制晶体振荡器的温度控制电路中，使用金属共用图案将PNP型功率晶体管的集极侧和热敏电阻的一个末端连接至地面电平(groundlevel)，提供PNP型限流晶体管以限制流过连接至功率晶体管的射极的加热器电阻器的电流，且热源被统一至功率晶体管中以防止热扩散，从而使得功率晶体管的集极的热可有效地传递至共同连接的热敏电阻。因此，可改进热响应性且实施具有极好温度特性的振荡器。
在根据本文中所揭示的实施例的恒温槽控制晶体振荡器的温度控制电路中，使用金属共用图案将P型功率MOSFET的漏极侧和热敏电阻的一个末端连接至地面电平，提供PNP型限流晶体管以限制流过连接至功率MOSFET的源极的加热器电阻器的电流，且热源被统一至功率MOSFET中以防止热扩散，从而使得功率MOSFET的漏极的热可有效地传递至共同连接的热敏电阻。因此，可改进热响应性且实施具有极好温度特性的振荡器。
根据本文中所揭示的实施例的恒温槽控制晶体振荡器具备：以上所描述的温度控制电路。在根据本文中所揭示的实施例的恒温槽控制晶体振荡器中，可防止热辐射至外部，且可通过在真空下包封金属盖罩的内部而使用最小的热，来维持内部的恒定温度。
恒温槽控制晶体振荡器的第一温度控制电路：图1
将参考图1来描述根据本文中所揭示的实施例的恒温槽控制晶体振荡器的第一温度控制电路。图1为显示根据本文中所揭示的实施例的恒温槽控制晶体振荡器的第一温度控制电路的电路图。如图1中所显示，根据本文中所揭示的实施例的恒温槽控制晶体振荡器的第一温度控制电路(第一电路)基本上包含：热敏电阻TH、差分放大器(OPAMP)IC10、功率晶体管Tr1、加热器电阻器HR以及限流晶体管Tr2。另外，功率晶体管Tr1和限流晶体管Tr2并非NPN型晶体管、而为PNP型晶体管。
第一电路中的连接关系
将电源电压DC施加至加热器电阻HR的一个末端，加热器电阻HR的另一末端连接至功率晶体管Tr1的射极，且功率晶体管Tr1的集极连接至地面GND。
将电源电压DC施加至电阻器R1的一个末端，所述电阻器R1的另一末端连接至热敏电阻TH的一个末端，且热敏电阻TH的另一末端连接至地面GND。另外，将电源电压DC施加至电阻器R2的一个末端，电阻器R2的另一末端连接至电阻器R3的一个末端，且电阻器R3的另一末端连接至地面GND。
电阻器R1的另一末端与热敏电阻TH的一个末端之间的节点通过电阻器R4而连接至一个输入端子(负(-)端子)，且电阻器R2的另一末端与电阻器R3的一个末端之间的节点连接至差分放大器IC10的另一输入端子(正(+)端子)。另外，差分放大器IC10的输出端子和输入端子(负(-)端子)通过电阻器R5反馈且彼此连接。差分放大器IC10的输出端子连接至功率晶体管Tr1的基极。尽管未显示于附图中，但将电源电压DC施加至差分放大器IC10用于操作，所述电源电压DC也连接至地面GND。
将电源电压DC施加至限流晶体管Tr2的射极，加热器电阻器HR的另一末端与功率晶体管Tr1的射极之间的节点连接至限流晶体管Tr2的基极，且限流晶体管Tr2的集极连接至功率晶体管Tr1的基极。
第一电路的每一个单元
热敏电阻TH
热敏电阻TH为温度感应元件(其电阻值视温度而改变)，且用以检测晶体单元的操作温度。根据示范性实施例，热敏电阻TH的另一末端连接至：处于地面电平的、与功率晶体管Tr1的集极共用的地面层GND。
即，热敏电阻TH的另一末端和功率晶体管Tr1的集极可实体连接并且电连接。在热传导方面，虽然在现有技术中，绝缘性热传导硅具有2W/m·k的传导率，但根据示范性实施例，如果地面图案GND是由铜构成，那么传导率变为403W/m·k，其为现有技术的传导率的200倍。因此，可用高热响应性来配置恒温槽控制晶体振荡器。
差分放大器IC10
在差分放大器IC10中，电阻器R1与热敏电阻TH之间的电压通过电阻器R4而输入至一个输入端子(负(-)端子)，且差分放大器IC10的输出通过电阻器R5而反馈且输入。电阻器R2与R3之间的电压被输入至另一输入端子(正(+)端子)，且所述两个输入端子之间的电压差经放大且被输出。
功率晶体管Tr1
功率晶体管Tr1为PNP型晶体管，其中差分放大器IC10的输出被输入至基极，且电流视施加至基极的电压而在射极与集极之间流动，使得电流也流过加热器电阻器HR。功率晶体管Tr1视限流晶体管Tr2的操作而限制流过加热器电阻器HR的电流，使得加热器电阻器HR不充当热源，而仅仅功率晶体管Tr1充当热源。明确地说，功率晶体管Tr1的集极(GND侧)产生热。
加热器电阻器HR
加热器电阻器HR接收电源电压DC、且基于功率晶体管Tr1的操作而产生视流动的电流而定的热。然而，由于不同于不具有限流电路的现有技术中的温度控制电路，所述流动的电流受到限流晶体管Tr2的操作限制，所以加热器电阻器HR不充当热源。因此，因为仅仅功率晶体管Tr1充当热源，所以可防止热扩散。
限流晶体管Tr2
在限流晶体管Tr2中，将用于连接加热器电阻器HR的另一末端与功率晶体管Tr1的射极的线路上的节点的电压施加至基极，且视所施加电压来控制流过连接至电源电压DC的射极和连接至功率晶体管Tr1的基极的电流。
即，施加至限流晶体管Tr2的基极的电压变得：可视流过功率晶体管Tr1的射极的电流而变化，使得流过限流晶体管Tr2的射极和集极的电流也变得可变。
具体来说，如果流过功率晶体管Tr1的射极的电流增大，那么最大电流是由限流晶体管Tr2和电流检测电阻器来确定，且加热器电阻器的发热量被限制，使得电流几乎全由功率晶体管Tr1消耗。另外，如果流过功率晶体管Tr1的射极的电流减小，那么流过限流晶体管Tr2的射极和集极的电流也减小，使得限流晶体管Tr2不进行操作。
第一OCXO的配置：图2
接下来，将参考图2来描述根据示范性实施例的第一OCXO的配置。图2为显示根据示范性实施例的第一OCXO的解释性横截面图。在根据示范性实施例的所述OCXO(第一OCXO)中，晶体单元2、功率晶体管3和类似物安装于例如陶瓷的电路板1上，且使用如图2中所显示的金属销5将电路板1固定至金属基座4。晶体单元2的安装表面和类似物经布置而面向金属基座4侧。另外，金属盖罩6经安装而覆盖金属基座4。
在现有技术的OCXO中，以空气或气体来填充金属盖罩的内部。由于热是通过空气或气体传递，所以温度特性受到影响，且性能因此降级。在所述第一OCXO中，在真空下包封金属盖罩4的内部。如果使用真空包封，那么热传导在原则上变为零，或外部空气的影响可忽略。即，可制造不受环境温度影响的振荡器，且提供具有极好温度特性的振荡器。
在典型OCXO中，在内部提供炉(oven)以维持约90℃的恒定温度。为了维持所述温度，加热器电阻器或功率晶体管总是产生热。热通过空气传递至金属盖罩以便辐射热。此情形引起无用的功率消耗。此外，由于近年来的小型化趋势，所以炉中的空气层也减少，且热产生部分与盖罩之间的距离减小，使得热倾向于容易自空气散逸。
因此，若是如在第一OCXO中那样使用真空包封，那么热传导原则上变为零。因此，可防止热通过空间自内部散逸。由此，可用最小的热来维持恒定温度且减小功率消耗。
尽管有必要进行结构研究以便在现有技术下将热辐射抑制至最小，但是可使用真空包封来简化第一OCXO的配置。另外，可将许多组件布置于电路板上、抑制所述板的成本、容易地改变所述板的厚度、增大片状板的数目，以便改进生产力。
第一OCXO的平面图：图3
接下来，将参考图3来描述根据第一OCXO的配置。图3为显示根据示范性实施例的第一OCXO的解释性平面图。如图3中所显示，在第一OCXO中，在电路板1之上形成连接至地面GND的共用图案8，晶体单元2形成于共用图案8之上，且功率晶体管3的一个端子(集极端子)和传感器(热敏电阻TH)7的一个端子连接至共用图案8。
共用图案8是由铜等金属图案形成且连接至地面电平。由于传感器7和功率晶体管3通过此共用图案8彼此实体地且电连接，所以与绝缘性热传导硅相比较而言，可实施具有高热响应性和极好热传导性质的振荡器。另外，优选的是，通过将晶体单元2的接地端子(GND端子)连接至共用图案8，来将热有效地传递至晶体单元2。
恒温槽控制晶体振荡器的第二温度控制电路：图4
将参考图4来描述根据本文中所揭示的实施例的恒温槽控制晶体振荡器的第二温度控制电路。图4为显示根据示范性实施例的恒温槽控制晶体振荡器的第二温度控制电路的电路图。如图4中所显示，恒温槽控制晶体振荡器的第二温度控制电路(第二电路)的配置类似于图1的电路的配置，但是替代于PNP型功率晶体管Tr1，而将P型功率金氧半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，MOSFET)用作功率晶体管Tr1。
功率晶体管Tr1′
所述功率晶体管Tr1′为P型功率MOSFET，其中差分放大器IC10的输出被输入至栅极，且视施加至栅极的电压来控制漏极与源极之间的电流，使得电流也流动至加热器电阻器HR。由于功率晶体管Tr1′基于限流晶体管Tr2的操作而限制流过加热器电阻器HR的电流，所以加热器电阻器HR不充当热源，而仅仅功率晶体管Tr1′充当热源。明确地说，功率晶体管Tr1′的漏极(GND侧)产生热。
限流晶体管Tr2
在限流晶体管Tr2中，将连接加热器电阻器HR的另一末端与功率晶体管Tr1′的源极的线路上的节点中的电压施加至基极，且视所施加电压来控制流过连接至电源电压DC的射极的电流和流过连接至功率晶体管Tr1′的栅极的电流。
即，施加至限流晶体管Tr2的基极的电压变得：可视流过功率晶体管Tr1′的源极的电流而变化，且流过限流晶体管Tr2的射极和集极的电流也变得可变。
在根据本文中所揭示的实施例的第一恒温槽控制晶体振荡器(第一OCXO)中，并入前述的温度控制电路(第二电路)，且金属盖罩6的内部是在真空下包封。因此，可防止热辐射至外部、且以最小的热将内部维持在恒定温度下。
恒温槽控制晶体振荡器的第三温度控制电路：图5
将参考图5来描述根据本文中所揭示的实施例的恒温槽控制晶体振荡器的第三温度控制电路。图5为显示根据本文中所揭示的实施例的恒温槽控制晶体振荡器的第三温度控制电路的电路图。如图5中所显示，根据本文中所揭示的实施例的恒温槽控制晶体振荡器的第三温度控制电路(第三电路)基本上包含：热敏电阻TH、差分放大器(OPAMP)IC10、功率晶体管Tr1、加热器电阻器HR以及限流晶体管Tr2。另外，功率晶体管Tr1和限流晶体管Tr2并非NPN型晶体管、而是PNP型晶体管。然而，如图4中所显示，功率晶体管Tr1可为P型功率MOSFET。
参考图5，除了第三温度控制电路以外，还显示了晶体单元X3和振荡器电路11，且在晶体单元X3的输入侧中提供用于接收控制电压VCONT的端子。电阻器R1和电容器C2串联连接至所述端子、且连接至晶体单元X3的输入。另外，电容器C1的一个末端连接于电阻器R1与电容器C2之间，且电容器C1的另一末端接地。另外，晶体单元X3的输出被输入至振荡器电路11，且振荡器电路11的输出连接至输出端子(OUTPUT)。
作为第三电路的特性，晶体单元X3的接地端子(GND端子)连接至热敏电阻TH的GND侧和功率晶体管Tr1的集极(GND端子)。即，晶体单元X3、作为温度传感器的热敏电阻TH以及作为热源的功率晶体管Tr1电连接至地面电平(GND电平)。明确地说，使用具有高热传导的铜图案直接进行至GND电平的电连接。因此，晶体单元X3、温度传感器以及热源之间的热阻可为无限零。另外，铜具有403W/m·k的热导率。相比较而言，铝具有236403W/m·k的热导率，且高热传导硅具有2.4W/m·k的热导率。
尽管将热敏电阻TH用作温度传感器，但也可替代地使用例如：铂电阻器(platinum)、热电偶以及线性电阻器的电阻传感器。另外，使用比例(P)控制、比例与积分(PI)控制、比例、积分与微分(PID)控制和类似方式来执行温度控制。温度控制电路可集成至离散组件(discretecomponent)和例如专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，ASIC)的集成电路(integratedcircuit，IC)中。
第二OCXO的平面图：图6
接下来，将参考图6来描述根据第二OCXO的配置。图6为显示根据示范性实施例的第二OCXO的解释性平面图。在第二OCXO中，如图6中所显示，晶体单元2形成于电路板1之上，热敏电阻13和功率晶体管3布置于其附近，且加热器电阻器12经布置而远离晶体单元2。
共用图案8′经形成而与功率晶体管3的GND端子(图6中的功率晶体管3的左边端子)、热敏电阻13的GND端子(图6中的热敏电阻13的上部端子)，以及晶体单元2的金属盖罩接触。共用图案8′是由铜等金属图案形成且连接至地面电平。由于晶体单元2、功率晶体管3以及热敏电阻13通过此共用图案8′彼此实体地且电连接，所以与绝缘性热传导硅相比较而言，可实施具有极好热传导性质及高热响应性的振荡器。
尽管共用图案8′形成于金属盖罩之上以覆盖所述金属盖罩，但共用图案8′可形成于电路板1之上，且然后，功率晶体管3的GND端子、热敏电阻13的GND端子以及晶体单元2的GND端子可连接至共用图案8′，以便有效地传递热。
表面安装型晶体单元封装：图7
将参考图7来描述用于第三电路中的晶体单元封装。图7为显示表面安装型晶体单元封装的示意图。如图7中所显示，晶体单元是使用表面安装装置(surfacemountdevice，SMD)封装物品进行配置，且具有端子，所述端子包含：连接至晶体晶片(crystalwafer)的端子B和C；以及连接至金属盖罩和内部封装的端子A和D。
端子A和D通过金属盖罩套管(metalcovercasing)而连接、且被连接至地面GND。尽管使用SMD封装物品来提供四个端子，但也可提供其他端子。另外，可不通过金属盖罩套管来连接端子A和D。例如，所述盖罩是由柯伐合金(kovar)构成。
根据本发明，提供恒温槽控制晶体振荡器中的恒温炉的温度控制电路，其包含：加热器电阻器，其具有被供应电源电压以产生热的一个末端；第一电阻器，其具有被供应电源电压的一个末端；热敏电阻，其一个末端连接至所述第一电阻器的另一末端，且另一末端接地，使得通过将电阻值设置为可视温度变化、而将视温度而定的电压输出至一个末端；第二电阻器，其具有被供应电源电压的一个末端；第三电阻器，其一个末端连接至所述第二电阻器的另一末端，且另一末端接地；差分放大器，其一个输入端子接收所述第一电阻器的另一末端与所述热敏电阻的一个末端之间的电压，另一输入端子接收所述第二电阻器的另一末端与所述第三电阻器的一个末端之间的电压，以及通过第四电阻器将输出反馈至一个输入端子，使得由另一输入端子接收的电压与由一个输入端子接收的电压之间的差经放大以及经输出而作为控制电压；PNP型功率晶体管，其具有连接所述加热器电阻器的另一末端的射极、接收所述差分放大器的输出的基极，以及接地的集极；以及PNP型限流晶体管，其具有被供应电源电压的射极、接收所述加热器电阻器的另一末端与所述功率晶体管的射极之间的电压的基极，以及连接至所述功率晶体管的基极的集极。因此，通过使用限流晶体管来限制流动至所述加热器电阻器的电流，而将所述功率晶体管用作热源。因此，防止了热扩散，且所述功率晶体管的集极以及所述热敏电阻的另一末端共同地连接至地面电平，使得热源的热可有效地传递至热敏电阻。可改进控制灵敏度且实施极好的温度特性。
根据本发明，提供恒温槽控制晶体振荡器中的恒温炉的温度控制电路，其包含：加热器电阻器，其具有被供应电源电压以产生热的一个末端；第一电阻器，其具有被供应电源电压的一个末端；热敏电阻，其一个末端连接至所述第一电阻器的另一末端，且另一末端接地，使得通过将电阻值设置为可视温度变化、而将视温度而定的电压输出至一个末端；第二电阻器，其具有被供应电源电压的一个末端；第三电阻器，其一个末端连接至所述第二电阻器的另一末端，且另一末端接地；差分放大器，其一个输入端子接收所述第一电阻器的另一末端与所述热敏电阻的一个末端之间的电压，另一输入端子接收所述第二电阻器的另一末端与所述第三电阻器的一个末端之间的电压，以及通过第四电阻器将输出反馈至一个输入端子，使得由另一输入端子接收的电压与由一个输入端子接收的电压之间的差经放大以及经输出而作为控制电压；P型场效应功率晶体管(功率MOSFET)，其具有连接所述加热器电阻器的另一末端的源极、接收所述差分放大器的输出的栅极，以及接地的漏极；以及PNP型限流晶体管，其具有被供应电源电压的射极、接收所述加热器电阻器的另一末端与所述功率MOSFET的源极之间的电压的基极，以及连接至所述功率MOSFET的栅极的集极。因此，通过使用限流晶体管来限制流动至所述加热器电阻器的电流，而将所述功率晶体管用作热源。因此，防止了热扩散，且所述功率MOSFET的集极以及所述热敏电阻的另一末端共同地连接至地面电平，使得热源的热可有效地传递至热敏电阻。可改进控制灵敏度且实施极好的温度特性。
在第一电路中，使用金属共用图案8将PNP型功率晶体管Tr1的集极侧、和热敏电阻TH侧连接至地面电平，提供PNP型限流晶体管Tr2以限制流过连接至功率晶体管Tr1的射极的加热器电阻器HR的电流，且将热源统一至功率晶体管Tr1中以防止热扩散，从而使得自功率晶体管Tr1的集极产生的热可有效地传递至共同连接的热敏电阻TH(传感器7)。因此，可改进热响应性且实施具有极好温度特性的振荡器。
在第二电路中，使用金属共用图案8将热敏电阻TH侧、和P型功率MOSFET的功率晶体管Tr1′的漏极侧连接至地面电平，提供PNP型限流晶体管Tr2以限制流过连接至功率晶体管Tr1′的源极的加热器电阻器HR的电流，且将热源统一至功率晶体管Tr1′中以防止热扩散，从而使得自功率晶体管Tr1′的漏极产生的热可有效地传递至共同连接的热敏电阻TH(传感器7)。因此，可改进热响应性且实施具有极好温度特性的振荡器。
通过将第一或第二电路并入至第一恒温槽控制晶体振荡器中，可实施高稳定性的振荡器。
另外，在第一OCXO中，通过在真空下包封金属盖罩6的内部，可防止热辐射至外部、且以最小的热将内部维持在恒定温度下。
在第三电路中，使用铜等金属共用图案8′将热敏电阻TH侧、和PNP型功率晶体管Tr1的集极侧、以及晶体单元的GND端子连接至地面电平，提供PNP型限流晶体管Tr2以限制流过连接至功率晶体管Tr1的射极的加热器电阻器HR的电流，且将热源统一至功率晶体管Tr1中以防止热扩散，从而使得功率晶体管Tr1的集极的热可有效地传递至晶体单元2和共同连接的热敏电阻TH。因此，可改进热响应性且实施具有极好温度特性的振荡器。
因此，在第三电路中，温度传感器的热敏电阻、功率晶体管的热源以及温度控制目标的晶体单元中的热阻可为无限零。因此，可通过统一的温度控制获得极好的频率-温度特性且改进控制响应性，从而使得频率特性具有快速上升边缘(fastrisingedge)。另外，因为去除了无用的热辐射，所以可节省功率消耗。此外，由于可在不使用树脂和类似物的情况下进行直接连接，所以可简化组装。此外，由于热阻减小到了最小，所以可简化温度控制设计。
在第三电路中，功率晶体管Tr1的热源的热通过共用图案8′而传递至晶体单元2的金属盖罩、且可进一步传递至晶体单元2的GND端子。因此，可获得容易的配置。
本文中所揭示的本发明可通过防止热扩散，并且改进具有极好温度特性的恒温槽控制晶体振荡器的温度控制电路中的热传导效率，而优选应用于所述电路。
Claims (9)
1.一种恒温槽控制晶体振荡器中的恒温炉的温度控制电路，其特征在于包括：
加热器电阻器(HR)，具有：被供应电源电压(DC)以产生热的一个末端；
第一电阻器(R1)，具有：被供应电源电压(DC)的一个末端；
热敏电阻(TH)，所述热敏电阻(TH)的一个末端被连接至所述第一电阻器(R1)的另一末端，且所述热敏电阻(TH)的另一末端接地，使得通过将电阻值设置为能够视温度变化、而将视温度而定的电压输出至所述热敏电阻(TH)的所述一个末端；
第二电阻器(R2)，具有：被供应电源电压(DC)的一个末端；
第三电阻器(R3)，所述第三电阻器(R3)的一个末端连接至所述第二电阻器(R2)的另一末端，且所述第三电阻器(R3)的另一末端接地；
差分放大器(10)，所述差分放大器(10)的一个输入端子接收所述第一电阻器(R1)的另一末端与所述热敏电阻(TH)的所述一个末端之间的电压，所述差分放大器(10)的另一输入端子接收所述第二电阻器(R2)的另一末端与所述第三电阻器(R3)的所述一个末端之间的电压，以及通过第四电阻器(R5)将输出反馈至所述差分放大器(10)的所述一个输入端子，使得由所述差分放大器(10)的所述另一输入端子接收的电压与由所述差分放大器(10)的所述一个输入端子接收的电压之间的差经放大及经输出而作为控制电压；
PNP型功率晶体管(Tr1)，具有：连接所述加热器电阻器(HR)的另一末端的射极(E)、接收所述差分放大器(10)的输出的基极(B)，及接地的集极(C)；以及
PNP型限流晶体管(Tr2)，具有：被供应电源电压(DC)的射极(E)、接收所述加热器电阻器(HR)的另一末端与所述PNP型功率晶体管(Tr1)的所述射极(E)之间的电压的基极(B)，及连接至所述PNP型功率晶体管(Tr1)的所述基极(B)的集极(C)。
2.根据权利要求1所述的温度控制电路，其特征在于：
所述热敏电阻(TH)的所述另一末端及所述PNP型功率晶体管(Tr1)的所述集极(C)是通过共用金属图案(8)而连接。
3.一种恒温槽控制晶体振荡器中的恒温炉的温度控制电路，其特征在于包括：
加热器电阻器(HR)，具有：被供应电源电压(DC)以产生热的一个末端；
第一电阻器(R1)，具有：被供应电源电压(DC)的一个末端；
热敏电阻(TH)，所述热敏电阻(TH)的一个末端被连接至所述第一电阻器(R1)的另一末端，且所述热敏电阻(TH)的另一末端接地，使得通过将电阻值设置为能够视温度变化、而将视温度而定的电压输出至所述热敏电阻(TH)的所述一个末端；
第二电阻器(R2)，具有：被供应电源电压(DC)的一个末端；
第三电阻器(R3)，所述第三电阻器(R3)的一个末端连接至所述第二电阻器(R2)的另一末端，且所述第三电阻器(R3)的另一末端接地；
差分放大器(10)，所述差分放大器(10)的一个输入端子接收所述第一电阻器(R1)的另一末端与所述热敏电阻(TH)的所述一个末端之间的电压，所述差分放大器(10)的另一输入端子接收所述第二电阻器(R2)的另一末端与所述第三电阻器(R3)的所述一个末端之间的电压，以及通过第四电阻器(R5)将输出反馈至所述差分放大器(10)的所述一个输入端子，使得由所述差分放大器(10)的所述另一输入端子接收的电压与由所述差分放大器(10)的所述一个输入端子接收的电压之间的差经放大及经输出而作为控制电压；
P型场效应功率晶体管(Tr1')，具有：连接所述加热器电阻器(HR)的另一末端的源极(S)、接收所述差分放大器(10)的输出的栅极(G)，及接地的漏极(D)；以及
PNP型限流晶体管(Tr2)，具有：被供应电源电压(DC)的射极(E)、接收所述加热器电阻器(HR)的另一末端与所述P型场效应功率晶体管(Tr1')的所述源极(S)之间的电压的基极(B)，及连接至所述P型场效应功率晶体管(Tr1')的所述栅极(G)的集极(C)。
4.根据权利要求3所述的温度控制电路，其特征在于：
所述热敏电阻(TH)的所述另一末端及所述P型场效应功率晶体管(Tr1')的所述漏极(D)是通过共用金属图案(8')而连接。
5.一种恒温槽控制晶体振荡器，其特征在于包括：
根据权利要求1～4任一项所述的温度控制电路；以及
晶体单元(2)，
其中，所述晶体单元(2)与所述温度控制电路为电性连接。
6.一种恒温槽控制晶体振荡器，其特征在于包括：
根据权利要求2或权利要求4所述的温度控制电路；以及
晶体单元(2)，
其中，所述晶体单元(2)与所述温度控制电路为电性连接，
所述晶体单元(2)的接地端子连接至共用金属图案(8、8')。
7.一种恒温槽控制晶体振荡器，其特征在于包括：
根据权利要求2或权利要求4所述的温度控制电路；
晶体单元(2)；以及
金属盖罩(6)，其用于覆盖所述晶体单元，
其中，所述晶体单元(2)与所述温度控制电路为电性连接，
所述晶体单元(2)的接地端子连接至所述金属盖罩(6)，且所述金属盖罩(6)连接至共用金属图案(8、8')。
8.根据权利要求7所述的恒温槽控制晶体振荡器，其特征在于：
所述共用金属图案(8、8')经形成，以覆盖所述晶体单元(2)的所述金属盖罩(6)。
9.根据权利要求5～8任一项所述的恒温槽控制晶体振荡器，其特征在于：
当使用金属盖罩(6)包封形成所述温度控制电路及所述晶体单元(2)的电路板(1)时，所述金属盖罩(6)的内侧是在真空下包封。
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