CN104516376A - 温度控制电路及带恒温槽的晶体振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可使用高稳定性的晶体振子在大的动作温度范围内实现温度控制的温度控制电路及带恒温槽的晶体振荡器。本发明的带恒温槽的晶体振荡器的温度控制电路是对第一电阻的一端、第二电阻的一端、及加热器电阻的一端施加电源电压且使热敏电阻的另一端、温度感温元件的另一端、及晶体管的集电极侧接地共用的电路，且在运算放大器的输入端子连接温度感温元件的一端，且以伴随着周围动作温度的上升而使恒温槽内的设定温度逐渐变高的方式进行控制，通过设为接地共用型，而缩窄控制温度幅度，通过使恒温槽设定温度伴随着周围动作温度的上升而逐渐上升，可使用高稳定性的双旋转切割的晶体振子。
Description
技术领域
本发明涉及一种带恒温槽的晶体振荡器的温度控制电路，尤其涉及一种可使用高稳定性的晶体振子在大的动作温度范围内实现温度控制的温度控制电路及带恒温槽的晶体振荡器。
背景技术
[以往的技術]
带恒温槽的晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator，OCXO)是具备固定地保持温度的温度槽的晶体振荡器。该带恒温槽的晶体振荡器中，使用AT切割(条形切割，AT-cut)或SC切割(双旋转切割，SC-cut)的晶体振子，其温度特性为三次曲线。而且，OCXO中，在温度最稳定的局部部分进行温度控制。
一般来说，OCXO的动作温度为0℃到+70℃左右。此时，由于只有使热源变暖的机构，因此以所谓+80℃的高温对热源进行温度控制。
然而，虽然也取决于构造，但一般来说动作温度与热源的温度差为7℃～10℃以上，如果内部的控制温度与动作温度接近，那么将无法进行控制。
这样一来，由于槽内的温度被保持为高温，所以必须始终考虑作为内部零件的电阻、电容器(condenser)、半导体等的可靠性。
尤其是，温度越高，长期可靠性(零件寿命)会劣化越快。已知根据通常所使用的阿伦尼乌斯(Arrhenius)定义，如果温度上升10℃，那么寿命会变为二分之一。
另一方面，OCXO中主要使用的SC切割的晶体振子的温度特性为具有回折点+95℃的三次曲线(cubic curve)。
而且，温度最稳定的极点实际上具有10℃左右的偏差(例如，+80℃+/-5℃)。该偏差是对晶体进行切断加工时的切断精度所导致的制造偏差。
而且，回折点越接近极点，也就是说从极点到回折点的温度差越小，那么偏差变得越大，而在SC切割的晶体振子中，成为良率变差的原因。
近年来，因市场的需求，而要求大的动作温度范围的OCXO。
由0℃～+70℃的动作温度范围要求-40℃～+85℃的动作温度范围的倾向增加。这是因为设想到出于装置的节能化等而缩小空冷功能的规模的情况、或配置在室外的情况。
因此，如上所述，有恒温槽的动作点变高的倾向。例如，在将+85℃设为设定温度的情况下为高7℃的+92℃，进而如果加上制造偏差则成为+92℃+/-5℃，如果是低温侧的+87℃的晶体振子，那么距极点+85℃只有+2℃的温度差，因此无法进行控制。
相反，如果是高温侧的+97℃，那么成为回折点+95℃附近，超过加工精度而无法制造。
进而，恒温槽内部的温度本身也变得更高，而成为可靠性劣化的原因。
[晶体振子的温度特性曲线：图4(a)、图4(b)、图4(c)]
此处，一边参照图4(a)、图4(b)、图4(c)，一边对SC切割的晶体振子、IT切割的晶体振子、AT切割的晶体振子的温度特性的曲线进行说明。图4(a)、图4(b)、图4(c)是表示SC切割、IT切割、AT切割的晶体振子的温度特性曲线的图。
如图4(a)所示，SC切割的晶体振子中回折点为+95℃，如图4(b)所示，IT切割的晶体振子中回折点为+75℃，如图4(c)所示，AT切割的晶体振子中回折点为+25℃。
为了满足动作温度范围-40℃～+85℃的要求，尤其是为了对应上限温度+85℃，难以采用所述晶体振子中最稳定的SC切割的晶体振子，而不得不使用回折点+75℃的IT切割的晶体振子、及稳定性更差的AT切割的晶体振子。
[以往的恒温槽温度控制电路：图5]
接下来，一边参照图5，一边对以往的恒温槽温度控制电路进行说明。图5是表示以往的恒温槽温度控制电路的电路图。
如图5所示，以往的恒温槽温度控制电路中，将电源电压Vcc施加到热敏电阻(thermistor)(负温度系数，Negative Temperature Coefficient，NTC)TH1、电阻R11、及加热器(heater)电阻RH1的一端，另外，也将电源电压Vcc供给到运算放大器(Operational Amplifier)IC2。
在热敏电阻TH1的另一端连接电阻R10的一端，使该电阻R10的另一端接地，在电阻R11的另一端连接电阻R12的一端，使该电阻R12的另一端接地。
将热敏电阻THi的另一端与电阻R10的一端连接的线分支并经由电阻R13输入到运算放大器IC2的(-)输入端子，将电阻R11的另一端与电阻R12的一端连接的线分支并经由电阻R14输入到运算放大器IC2的(+)输入端子。
运算放大器IC2的输出经由电阻R16而输入到晶体管(transistor)Q2的基极(base)，并且经由电阻R15而反馈并输入到(-)输入端子。
此外，运算放大器IC2的接地(groud)端子接地。
在晶体管Q2的集电极(collector)连接加热器电阻RH1的另一端，晶体管Q2的发射极(emitter)接地。
[以往的恒温槽温度控制电路的温度特性：图6]
接下来，一边参照图6，一边对以往的恒温槽温度控制电路的温度特性进行说明。图6是表示以往的恒温槽温度控制电路的温度特性的图。
在图6中表示加热器电阻的电力、晶体管(功率晶体管(power transistor))的电力、及进而将它们总合所得的总电力。
如图6所示，在83℃以上且94℃以下的范围内，温度控制幅度为7℃～10℃。
[以往的设定温度：图7]
一边参照图7，一边对以往的设定温度进行说明。图7是表示周围动作温度与恒温槽设定温度的图。
如图7所示，以往，当周围动作温度为例如5℃、25℃、75℃时，恒温槽的设定温度是以在波峰(peak)分别固定为80℃的方式设定。
[相关技术]
此外，作为相关的背景技术，有日本专利特开2012-134910号公报《温度控制电路、恒温槽型压电振荡器、电子机器及温度控制方法》(精工爱普生(Seiko Epson)股份有限公司)[专利文献1]、及日本专利特开2013-038765号公报《带恒温槽的晶体振荡器的温度控制电路》(日本电波工业股份有限公司)[专利文献2]。
在专利文献1中，表示如下内容：在温度控制电路中，使用第一感温元件、第二感温元件、及第三感温元件，控制功率晶体管的发热量，尤其是差动放大器当第二感温元件所检测的温度越低时，使控制的比率越大，当第三感温元件所检测的温度越高时，使控制的比率越大。
在专利文献2中，表示如下构成，即，在带恒温槽的晶体振荡器的温度控制电路中，以金属的共用图案将PNP型功率晶体管的集电极侧与热敏电阻侧连接到接地电平(ground level)。
[背景技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2012-134910号公报
[专利文献2]日本专利特开2013-038765号公报
[发明欲解决的课题]
然而，以往的带恒温槽的晶体振荡器的温度控制电路存在如下问题，即，对于想要扩大OCXO的动作温度范围的要求，难以采用高稳定性的SC切割的晶体振子。
此外，专利文献1中，为了修正温度特性而使用第一感温元件、第二感温元件、及第三感温元件，专利文献1、专利文献2并未达到进行像伴随着周围动作温度的上升而使恒温槽设定温度逐渐变高之类的控制。
发明内容
本发明是鉴于所述实际情况而完成的，目的在于提供一种可使用高稳定性的晶体振子在大的动作温度范围内实现温度控制的温度控制电路及带恒温槽的晶体振荡器。
[解决课题的手段]
用来解决所述以往例子的问题的本发明是一种带恒温槽的晶体振荡器的温度控制电路：包括运算放大器、及PNP型晶体管，将电源电压施加到第一电阻的一端、第二电阻的一端、及加热器电阻的一端，第一电阻的另一端连接在热敏电阻的一端，并使该热敏电阻的另一端接地，第二电阻的另一端连接在温度感温元件的一端，并使该温度感温元件的另一端接地，将第一电阻的另一端与热敏电阻的一端连接的线分支并经由第三电阻输入到运算放大器的其中一个输入端子，将第二电阻的另一端与温度感温元件的一端连接的线分支并经由第四电阻输入到运算放大器的另一个输入端子，运算放大器的输出经由第五电阻反馈并输入到其中一个输入端子，并且经由第六电阻输入到晶体管的基极，在晶体管的发射极连接加热器电阻的另一端，使晶体管的集电极接地，各接地的部分连接在接地共用配线，且温度感温元件以伴随着周围动作温度的上升使恒温槽内的设定温度变高的方式进行控制。
在本发明的方案中：在所述温度控制电路中，温度感温元件以伴随着周围动作温度的上升使恒温槽内的设定温度阶段性地变高的方式进行控制。
在本发明的方案中：在所述温度控制电路中，温度感温元件使用线性(linear)正温度系数电阻。
在本发明的方案中：在所述温度控制电路中，温度感温元件使用热敏电阻。
在本发明的方案中：在所述温度控制电路中，以铜图案(pattern)形成接地共用配线。
在本发明的方案中：在所述温度控制电路中，使用场效应晶体管代替PNP型晶体管。
本发明是一种带恒温槽的晶体振荡器：包括所述温度控制电路，且使用SC切割的晶体振子作为晶体振子。
[发明的效果]
根据本发明，由于设为如下带恒温槽的晶体振荡器的温度控制电路，即，将电源电压施加到第一电阻的一端、第二电阻的一端、及加热器电阻的一端，使热敏电阻的另一端接地，使温度感温元件的另一端接地，且使晶体管的集电极接地，各接地的部分连接在接地共用配线，且连接在运算放大器的另一个输入端子的温度感温元件以伴随着周围动作温度的上升使恒温槽内的设定温度变高的方式进行控制，因此，具有如下效果：通过设为接地共用型，可使控制温度幅度比以往更窄，进而，通过使恒温槽设定温度伴随着周围动作温度的上升而上升，可使用高稳定性的晶体振子在大的动作温度范围内实现温度控制。
附图说明
图1是本发明的实施方式的恒温槽温度控制电路的电路图。
图2是表示本温度控制电路的温度特性的图。
图3是表示本温度控制电路的周围动作温度与恒温槽设定温度的图。
图4(a)、图4(b)、图4(c)是表示SC切割、IT切割、AT切割的晶体振子的温度特性曲线的图。
图5是表示以往的恒温槽温度控制电路的电路图。
图6是表示以往的恒温槽温度控制电路的温度特性的图。
图7是表示周围动作温度与恒温槽设定温度的图。
[符号的说明]
IC2：运算放大器
Q2：晶体管
R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16：电阻
RH1：加热器
TH1：热敏电阻(NTC)
Vcc：电源电压
ZZ：温度感温元件
具体实施方式
一边参照附图一边对本发明的实施方式进行说明。
[实施方式的概要]
本发明的实施方式的温度控制电路是使热敏电阻的另一端、温度感温元件的另一端、及晶体管的集电极侧接地共用的电路，且在运算放大器的输入端子连接温度感温元件，以伴随着周围动作温度的上升使恒温槽内的设定温度逐渐变高的方式进行控制，通过设为接地共用型，可使控制温度幅度比以往更窄，进而，通过使恒温槽设定温度伴随着周围动作温度的上升而逐渐上升，也能使用高稳定性的SC切割的晶体振子，从而可使用高稳定性的晶体振子在大的动作温度范围内实现温度控制。
[本温度控制电路：图1]
一边参照图1，一边对本发明的实施方式的恒温槽温度控制电路(本温度控制电路)进行说明。图1是本发明的实施方式的恒温槽温度控制电路的电路图。
如图1所示，本温度控制电路是接地(Groud，GND)共用型的恒温槽温度控制电路，将电源电压Vcc施加到电阻R10、电阻R11、及加热器电阻RH1的一端，另外，也将电源电压Vcc供给到运算放大器IC2。
在电阻R10的另一端连接热敏电阻(NTC)TH1的一端，并使该热敏电阻TH1的另一端接地，在电阻R11的另一端连接温度感温元件ZZ的一端，并使该温度感温元件ZZ的另一端接地。
将电阻R10的另一端与热敏电阻TH1的一端连接的线分支并经由电阻R13输入到运算放大器IC2的(-)输入端子，将电阻R11的另一端与温度感温元件ZZ的一端连接的线分支并经由电阻R14输入到运算放大器IC2的(+)输入端子。
运算放大器IC2的输出经由电阻R16而输入到晶体管Q2的基极，并且经由电阻R15反馈并输入到(-)输入端子。
此外，运算放大器IC2的接地端子接地。
晶体管Q2是PNP型的功率晶体管(也可以是场效应晶体管(Field-EffectTransistor)，例如金属氧化物半导场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET))，在发射极连接加热器电阻RH1的另一端，晶体管Q2的集电极接地。
在将晶体管Q2设为MOSFET的情况下，为P通道(P-channel，Pch)MOSFET，基极相当于栅极(gate)，集电极相当于漏极(drain)，发射极相当于源极(source)。
图1的温度控制电路为热敏电阻TH1的另一端、温度感温元件ZZ的另一端、及晶体管Q2的集电极连接在共用的接地线的GND共用型温度控制电路。
[GND共用型的温度特性：图2]
接下来，一边参照图2，一边对本温度控制电路的GND共用型的恒温槽温度控制电路的温度特性进行说明。图2是表示本温度控制电路的温度特性的图。
在图2中，表示加热器电阻的电力、晶体管(功率晶体管)的电力、及进而将它们总合所得的总电力。
在图6的以往例中温度控制幅度为7℃～10℃，相对于此，在图2的例子中，温度控制幅度变窄为约2℃(1℃～3℃)。
通过设为该GND共用型，可使用铜图案作为GND共用配线，因此使热电阻变得比以往小，从而热响应性优异。
因此，可使恒温槽的控制增益变大，且可缩小控制温度幅度，从而可减小最低控制温度差。
[温度感温元件]
图1的温度感温元件ZZ形成使用线性正温度系数电阻或热敏电阻的电阻网络(network)。尤其理想的是温度感温元件ZZ为线性正温度系数电阻。
温度感温元件ZZ的安装位置设置在接近于外部大气处，电阻受到外部大气的影响而变化，并输入到经由电阻R14控制的运算放大器IC2的(+)输入端子。
温度感温元件ZZ的特性是当周围温度上升时，温度感温元件ZZ的电阻值上升，连接于温度感温元件ZZ的电阻R14的一端侧的电压上升，且输入到运算放大器IC2的(+)输入端子的电压值上升。
也就是说，以当周围温度上升时恒温槽设定温度也上升的方式进行动作。因此，即便不将恒温槽设定温度设为动作温度的上限、例如+7℃，也可以进行动作。而且，如果周围温度上升，那么动作点也会上升，因此控制动作持续。
[本温度控制电路的设定温度：图3]
一边参照图3，一边对本温度控制电路的设定温度进行说明。图3是表示本温度控制电路的周围动作温度与恒温槽设定温度的图。
如图3所示，本温度控制电路中，通过设置温度感温元件ZZ，而以周围动作温度为例如5℃、25℃、75℃时，恒温槽的设定温度以2℃为单位逐渐(阶段性地)分别变高为84℃、86℃、88℃的方式设定。
86℃的设定温度为波峰的值，但84℃与88℃的设定温度成为偏离波峰的控制点。控制点偏离是因为设置着温度感温元件ZZ。
即便控制点偏离，由于设为GND共用型的更加稳定的温度控制电路，所以也能够使控制温度以2℃左右(1℃～3℃)的幅度变动，因此问题少。
这样一来，虽然使恒温槽设定温度相对于周围动作温度逐渐变高的控制会使稳定度稍微变差，但可通过设为热电阻的值小的GND共用型控制来进行补偿。
作为例子，如果设为存在动作范围为0℃～+70℃的振荡器，那么可将设定温度设定为+70℃。如果市场上在+25℃下使用该振荡器，那么以+70℃控制以往将温度设定为80℃左右的振荡器。
根据阿伦尼乌斯的定义，寿命延长到约2倍，从而可实现长期可靠性高的制品。
可以说该情况在动作温度上限为+85℃、或更高时也相同。
在SC切割的晶体振子的情况下，实际上限的动作温度达到+70℃，但本温度控制电路中，即便使用SC切割，甚至在+85℃下也能够使用。
也就是说，在SC切割的晶体振子的情况下，最稳定的极点为80℃+/-5℃，如果使设定温度的上限85℃加上温度控制幅度2℃，那么当在87℃下加上制造偏差时，动作温度就成为87℃+/-5℃。
由于本温度控制电路为GND共用型，所以能以2℃的幅度进行温度控制，且使恒温槽内的设定温度也根据周围动作温度逐渐上升，因此能以87℃+/-5℃的动作温度进行温度控制。
此外，作为晶体振子的特性之一，有称为“电容比”的参数(parameter)。如果电容比大，那么电路所致的频率的变动小，如果电容比小，那么频率的变动大。
一般来说，SC切割的晶体振子的电容比大且电路变动的影响少，可实现高稳定度的OCXO。相反，IT切割或AT切割的晶体振子的电容比小，因此虽然频率能够容易地可变，但稳定度比SC切割的晶体振子差。
[实施方式的效果]
根据本温度控制电路，有如下效果：本温度控制电路为使热敏电阻TH1的另一端、晶体管Q2的集电极侧接地共用的电路，且在运算放大器IC2的输入端子连接温度感温元件ZZ，以伴随着周围动作温度的上升使恒温槽内的设定温度逐渐变高的方式进行控制，通过设为接地共用型，可使控制温度幅度比以往更窄，进而，通过使恒温槽设定温度伴随着周围动作温度的上升而逐渐上升，也能够使用高稳定性的SC切割的晶体振子，从而可使用高稳定性的晶体振子在大的动作温度范围内实现温度控制。
另外，由于具备本温度控制电路的带恒温槽的晶体振荡器可使用高稳定性的晶体振子在大的动作温度范围内实现温度控制，因此作为振荡器也能够进行高稳定性的振荡动作。
[工业上的可利用性]
本发明适合于可使用高稳定性的晶体振子在大的动作温度范围内实现温度控制的温度控制电路及带恒温槽的晶体振荡器。
Claims (7)
1.一种温度控制电路，其是带恒温槽的晶体振荡器的温度控制电路，所述温度控制电路的特征在于：
包括运算放大器、及PNP型晶体管，
将电源电压施加到第一电阻的一端、第二电阻的一端、及加热器电阻的一端，
所述第一电阻的另一端连接在热敏电阻的一端，并使该热敏电阻的另一端接地，
所述第二电阻的另一端连接在温度感温元件的一端，并使该温度感温元件的另一端接地，
将所述第一电阻的另一端与所述热敏电阻的一端连接的线分支并经由第三电阻输入到所述运算放大器的其中一个输入端子，
将所述第二电阻的另一端与所述温度感温元件的一端连接的线分支并经由第四电阻输入到所述运算放大器的另一个输入端子，
所述运算放大器的输出经由第五电阻反馈并输入到所述其中一个输入端子，并且经由第六电阻输入到所述晶体管的基极，
在所述晶体管的发射极连接所述加热器电阻的另一端，
使所述晶体管的集电极接地，
各所述接地的部分连接在接地共用配线，
其中所述温度感温元件以伴随着周围动作温度的上升使所述恒温槽内的设定温度变高的方式进行控制。
2.根据权利要求1所述的温度控制电路，其特征在于：
所述温度感温元件以伴随着所述周围动作温度的上升使所述恒温槽内的设定温度阶段性地变高的方式进行控制。
3.根据权利要求1或2所述的温度控制电路，其特征在于：
所述温度感温元件使用线性正温度系数电阻。
4.根据权利要求1或2所述的温度控制电路，其特征在于：
所述温度感温元件使用热敏电阻。
5.根据权利要求1或2所述的温度控制电路，其特征在于：
以铜图案形成所述接地共用配线。
6.根据权利要求1或2所述的温度控制电路，其特征在于：
使用场效应晶体管来代替所述PNP型晶体管。
7.一种带恒温槽的晶体振荡器，其特征在于包括：
根据权利要求1至6中任一项所述的温度控制电路，且使用双旋转切割的晶体振子作为晶体振子。
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