CN107819463A - 一种基于半导体制冷片的恒温晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半导体制冷片的恒温晶体振荡器。该恒温晶体振荡器由恒温槽、供电电路和半导体制冷片组成，其中，恒温槽由晶体振荡器电路、温度传感器、参考电压源与跨导放大器组成，半导体制冷片分为两面，温度传感器的输出电压与参考电压源的输出电压分别输入到跨导放大器的正端、负端，跨导放大器产生的输出电流连接至半导体制冷片两面中的一面。本发明采用了半导体制冷片，能够实现精确温度控制，使得直接利用常用的AT切割方式的晶体进行设计成为可能，大大降低了对晶体的要求，同时工作在常温环境确保了振荡器的使用寿命，也减小了电路设计的难度。

Description

一种基于半导体制冷片的恒温晶体振荡器

技术领域

本发明涉及晶体振荡器技术领域， 尤其是一种基于半导体制冷片的恒温晶体振荡器。

背景技术

石英晶体振荡器由于频率稳定，品质因素高等原因，被作为频率时钟源广泛地用于现代电子系统当中。但是，石英晶体的振荡频率会随着温度的变化而发生改变。恒温晶体振荡器即是通过温度控制设备维持晶体温度恒定，以减小温度变化对石英晶体振荡频率的影响的高精度振荡器。

恒温晶体振荡器是一种利用恒温设备使晶体振荡器的温度保持恒定，将由周围温度变化导致的振荡器输出频率变化量减小到最小的晶体振荡器。常用的恒温晶体振荡器为了保持温度的恒定，如图1所示，该恒温晶体振荡器由恒温槽、供电电路和恒温电路组成，恒温槽由振荡电路、加热元件和温度传感器构成，振荡电路位于恒温槽内的内部电路板上，通过加热元件保证恒温槽的稳定以此来消除振荡器电路随外部工作温度的偏移。工作时，由于加热元件不能实现制冷功能，需要通过加热元件将恒温槽加热到远高于使用温度范围的温度点，以获得稳定的温度。恒温槽内的温度传感器监控恒温槽内温度并转换成电信号输出至控温电路，方便控温电路对加热元件进行控制。常用高精度电阻作为加热元件使用，由于加热电阻本身受工艺制约，电阻参数的离散性较大且阻值随温度变化会产生一些非线性变化，所以需要复杂的控温电路进行控制，通常采用PLD电路进行控制。

为了满足该温度，不得不采用昂贵的SC切割方式的晶体，如图2所示，因为SC切割的晶体频率－温度曲线的拐点在80℃以上。但是由于SC切割的晶体需要进行双转角切型工艺，使得工艺难度大大增加，增加了使用的成本；另一方面，由于晶体与电路长期工作在80℃以上的高温，增加了电路设计的难度，同时也使得老化速度大大加快，减少了晶体振荡器电路的使用寿命；除此而外，由于PLD电路通常不能工作于高温环境下，所以需要封装在恒温槽外面并对恒温槽进行很好的保温处理，这使得整个恒温晶体振荡器的体积非常庞大。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种基于半导体制冷片的恒温晶体振荡器，具有在常温环境确保振荡器使用寿命，并减小了电路设计难度的特点。

为了达到上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于半导体制冷片的恒温晶体振荡器，所述恒温晶体振荡器由恒温槽、供电电路和半导体制冷片组成，其中，恒温槽由晶体振荡器电路、温度传感器、参考电压源与跨导放大器组成，半导体制冷片分为两面，温度传感器的输出电压与参考电压源的输出电压分别输入到跨导放大器的正端、负端，跨导放大器产生的输出电流连接至半导体制冷片两面中的一面。

优选地，所述恒温晶体振荡器中，半导体制冷片的一面封装在恒温槽中，另一面置于恒温槽外，用于控制恒温槽内温度。

优选地，所述恒温晶体振荡器中，供电电路给恒温槽和半导体制冷片提供电源。

本发明所获得的有益效果是，采用了上述半导体制冷片，能够实现精确温度控制，使得直接利用常用的AT切割方式的晶体进行设计成为可能，大大降低了对晶体的要求，同时工作在常温环境确保了振荡器的使用寿命，也减小了电路设计的难度。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是现有的恒温晶体振荡器电路结构图。

图2是现有的SC切割晶体频率－温度曲线图。

图3是本发明具体实施的恒温晶体振荡器结构图。

图4是本发明具体实施的恒温晶体振荡器频率－温度曲线图。

图5是本发明具体实施的适用于AT切割晶体频率偏移图。

具体实施方式

本发明具体实施例的恒温晶体振荡器结构图，如图3所示。一种基于半导体制冷片的恒温晶体振荡器，由恒温槽、供电电路和半导体制冷片组成；其中，恒温槽由石英晶体振荡器电路、温度传感器、参考电压源与跨导放大器组成，半导体制冷片分为A面和B面，温度传感器的输出电压与参考电压源的输出电压分别输入到跨导放大器的正端、负端，跨导放大器产生的输出电流连接至半导体制冷片两面中的A面；半导体制冷片的A面封装在恒温槽中，半导体制片的B面置于恒温槽外，用于控制恒温槽内温度；供电电路用于给恒温槽和半导体制冷片提供电源。

本发明采用上述半导体制冷片，即利用了珀尔帖效应，当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象，且该热量与电流强度成正比，故可以通过调节电流的方向实现所需的加热与降温功能，能够替代分立的加热与制冷装置，大大减小了空间；同时温度可以受通过电流的精确控制，由于半导体制冷片变化温度随电流线性变化，故可以方便地通过温度传感器进行模拟控制，这样就使得仅通过简单的片上调整成为可能。

下面详细介绍本发明恒温晶体振荡器电路的作用原理；

首先，温度传感器的输出电压是温度的一阶函数。定义振荡电路的频率随温度变化的函数拐点在温度点T₀。当芯片工作在外界环境温度T_W时，则此时温度传感器输出的电压为V(T_W)，相应地温度点T₀对应地温度传感器的输出为V(T₀)。将参考电压的输出V_REF大小调整为：

V_REF=V(T₀)

则令：

ΔV= V(T_W)- V(T₀)

跨导放大器的作用是将其正端、负端输入电压的差值转换为电流，定义跨导放大器正端电压为V_P，负端电压为V_N，跨导放大器的等效跨导为Y，故将V(T_W)与V_REF分别输入到跨导放大器的正端、负端，可得：

V_P＝V(T_W)，

V_N＝V_REF＝V(T₀)，

定义跨导放大器的输出电流为I_H，则：

I_H=Y（V_P－V_N）= Y×ΔV，

故本发明可以将温度传感器的输出作为温度的一次函数电压转换成不同的电流直接对半导体制冷片进行控制，以确保恒温槽内的温度稳定在T0附近。通过上述电路即可实现对跨导放大器的跨导Y进行调整，以满足不同半导体制冷片的温度系数。通过一个上述跨导放大器，我们将温度传感器的输出电压转换为加热电流I_H，定义当I_H的方向为从A面流向B面时为正值。

如图4所示，为本发明具体实施的恒温晶体振荡器频率－温度曲线图。则当外界温度大于晶体振荡器频率－温度函数的拐点温度时，ΔV >0，则I_H>0，此时电流方向为从A流向B，将热量从A面带到B面，A面温度降低，开始对恒温槽进行制冷，此时恒温槽内温度变化ΔT随电流大小线性变化，则起到了制冷的效果；反之，则当外界温度小于晶体振荡器频率－温度函数的拐点温度时，ΔV <0，则I_H<0，电流方向为从B流入A，并流入跨导放大器，故将热量从B面带到A面，A面温度升高，开始对恒温槽进行加热，如图4所示，此时恒温槽内温度变化ΔT随电流大小线性变化，则起到了加热的效果。

AT切割的晶体温度曲线为带有一阶分量的三阶函数电路，频率随温度的偏移量为0的拐点在常温T0附近且三阶函数的一阶导数拐点也在T0附近使得频率偏移在T0附近随温度的变化也很小，故可以让恒温槽的温度设置在常温附近。该方法可以进一步推广到BT切、CT切、XY切等等其他各种晶体振荡器上。由半导体制冷片I1产生常温环境，替代通常的加热电阻或者分立的加热与制冷设备，使采用AT切的晶体成为可能。通过将温度传感器的电压转换成电流来对半导体制冷片的温度进行精确控制，使得晶体振荡器工作在常温拐点附近，即常温中AT切的晶体频率偏移为0的拐点处，以实现很高的精度。

如图5所示，为本发明具体实施的适用于AT切割晶体频率偏移图。该AT切割晶体的频率偏移为0的在常温下的拐点可以看到在25℃左右，则通过半导体制冷片，我们可以方便地将温度稳定在25℃附近，此时频率偏移很小，方便地实现不随温度变化的频率稳定的恒温晶体振荡器。

以上已针对实施例来说明本发明，针对该发明思路的其他拓展，例如，该晶体振荡器可能很容易地应用于其他各类晶体，故凡依本发明的概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明的权利要求书的范围内。

Claims (3)

1.一种基于半导体制冷片的恒温晶体振荡器，其特征在于，所述恒温晶体振荡器由恒温槽、供电电路和半导体制冷片组成，其中，恒温槽由晶体振荡器电路、温度传感器、参考电压源与跨导放大器组成，半导体制冷片分为两面，温度传感器的输出电压与参考电压源的输出电压分别输入到跨导放大器的正端、负端，跨导放大器产生的输出电流连接至半导体制冷片两面中的一面。

2.如权利要求1所述的基于半导体制冷片的恒温晶体振荡器，其特征在于，所述半导体制冷片两面中的一面封装在恒温槽中，另一面置于恒温槽外，用于控制恒温槽内温度。

3.如权利要求1所述的基于半导体制冷片的恒温晶体振荡器，其特征在于，所述供电电路给恒温槽和半导体制冷片提供电源。