CN113315472B - 一种航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路。它包括稳压电路、控温电路和频率调整电路；厚膜基板采用绝缘胶粘在基座的内腔底部；陶瓷外壳通过平行封焊气密封装的方式焊接在基座密封圈上；陶瓷外壳、基座、厚膜基板围成密封腔体；稳压电路、控温电路和频率调整电路集成在厚膜基板上、且位于密封腔体内；基座上设置六个引出端。本发明克服了现有非塑封分立元器件已无法满足航天用恒温晶体振荡器对元器件体积小、多功能的使用要求的缺点；具有体积小、功能多、噪声小的优点。

Description

一种航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路

技术领域

本发明涉及厚膜电路领域，更具体地说它是一种航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路。

背景技术

厚膜电路是采用丝网印刷和烧结等厚膜工艺在同一厚膜基板上制作无源网络，并在其上组装分立的半导体器件芯片、单片集成电路或微型元件，再外加封装而成的混合集成电路。具有耐高温、体积小、可靠性强、耐腐蚀和保密性好等特点，广泛应用于航天电子设备、卫星通信设备、电子计算机、通信系统等领域。

传统航天用恒温晶体振荡器由于其特殊要求，内部使用的元器件特别是集成电路元器件，一般为依据满足特定功能需求而选用的各种非塑封分立元器件，但非塑封分立元器件存在尺寸大、功能特定单一，可移植性差等问题。在当前航天用恒温晶体振荡器不断小型化的发展趋势下，现有非塑封分立元器件已无法满足航天用恒温晶体振荡器对元器件体积小、多功能的使用要求。

因此，开发一种小体积、多功能的恒温晶体振荡器用元器件很有必要。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路，体积小、功能多、噪声小。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路，其特征在于：包括稳压电路、控温电路和频率调整电路；稳压电路能独立实现电源电压稳压输出的功能，控温电路和频率调整电路包含关键电路(即所述的厚膜电路内的控温电路和频率调整电路，在使用时供用户搭配外围器件使用)，用户在设计航天用恒温振荡器时结合外围电路就可以实现完整的功能；

厚膜基板采用绝缘胶粘在基座的内腔底部；陶瓷外壳通过平行封焊气密封装的方式焊接(为现有技术)在基座密封圈上；陶瓷外壳、基座、厚膜基板围成密封腔体；稳压电路、控温电路和频率调整电路集成在厚膜基板上、且位于密封腔体内；

基座上设置六个引出端，分别为第一引出端、第二引出端、第三引出端、第四引出端、第五引出端和第六引出端；

第一引出端为电源电压Vcc，与电源电压连接；

第二引出端为稳压器输出端Vo1，与稳压电路连接；

第三引出端为运放反相输入端VIN-，与控温电路连接；

第四引出端为地GND，分别与控温电路、频率调整电路连接；

第五引出端为运放输出端Vo2，与控温电路连接；

第六引出端为变容二极管N端VDN，与频率调整电路连接。

在上述技术方案中，稳压电路包括稳压器、输入端旁路电容、旁路滤波电容和输出端旁路电容；

电源电压与输入端旁路电容连接；输入端旁路电容与稳压器连接；稳压器分别与旁路滤波电容、输出端旁路电容连接；稳压电路主要对电源电压进行稳压和滤波，能独立实现电源电压稳压输出功能，电源电压经输入端旁路电容滤波后，通过稳压器稳压转化后输出，再经过输出端旁路电容和旁路滤波电容滤波后供用户电路使用。

在上述技术方案中，控温电路包括运算放大器、同相输入端电阻和反相输入端电阻；

恒温槽与运算放大器连接；

电源电压与同相输入端电阻连接；同相输入端电阻与运算放大器的同相输入端连接；运算放大器的反相输入端与反相输入端电阻连接；反相输入端电阻与温度敏感元件连接；

运算放大器与同相输入端电阻、反相输入端电阻及温度敏感元件组成直流桥式控温电路；控温电路主要使航天用恒温晶体振荡器内部的温度敏感元件和晶体谐振器工作在一个恒定温度环境中；采用运算放大器与同相输入端电阻、反相输入端电阻及温度敏感元件组成直流桥式控温电路，使恒温槽温度基本保持在晶体谐振器的零温度系数点温度附近(晶体谐振器在零温度系数点温度附近工作，其频率温度系数最小)，从而使航天用恒温晶体振荡器的输出频率最稳定；所述航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路中，电源电压经过同相输入端电阻，输入到运算放大器的同相输入端，运算放大器对输入信号进行放大，并输出电压信号；运算放大器的反相输入端经过反相输入端电阻作为引出端引出，可供用户在使用时外接温度敏感元件构成直流桥式控温电路。

在上述技术方案中，频率调整电路由变容二极管构成；变容二极管、可调试电感和可调试电容依次连接呈闭合回路；

频率调整电路主要由变容二极管构成；用户在设计航天用恒温晶体振荡器时只需外接可调试电感和电容即可构成频率调整电路模块，起到调整航天用恒温晶体振荡器初始输出频率和调节压控频率范围的作用。

在上述技术方案中，基座内部设置电极；

稳压器内设置稳压器管芯；稳压器管芯选用低压差固定输出的低噪声稳压器管芯；

稳压器管芯采用绝缘胶粘贴在厚膜基板上，并与基座内部的电极通过金丝键合构成电气连接；

输入端旁路电容、输出端旁路电容和旁路滤波电容均采用再流焊工艺(再流焊工艺为现有技术)焊接在厚膜基板上；输入端旁路电容、输出端旁路电容和旁路滤波电容有降低电源电压噪声的作用，输入端旁路电容、输出端旁路电容和旁路滤波电容，通过各自自身对电源电压的滤波特性起到降噪作用，输入端旁路电容、输出端旁路电容和旁路滤波电容通过连接后、协同作用降噪效果更佳。

在上述技术方案中，运算放大器内设置运算放大器管芯；运算放大器管芯采用绝缘胶粘贴在厚膜基板上，并通过金丝键合、与基座内部的电极构成电气连接；

同相输入端电阻和反相输入端电阻均为厚膜浆料电阻，由电阻浆料在厚膜基板上印刷和烧结形成，并对形成的厚膜浆料电阻进行激光调值。

在上述技术方案中，变容二极管内设置变容二极管管芯；变容二极管管芯采用共晶焊焊在厚膜基板上，并通过金丝键合与基座内部的电极构成电气连接；频率调整电路主要由变容二极管构成，用户在设计航天用恒温晶体振荡器时只需外接可调试电感和电容即可构成频率调整电路模块，起到调整航天用恒温晶体振荡器初始输出频率和调节压控频率范围的作用。

在上述技术方案中，稳压器管芯分别通过金丝键合连接到第一引出端、第二引出端；

运算放大器管芯分别通过金丝键合连接到第三引出端、第五引出端；

稳压器管芯、运算放大器管芯和变容二极管管芯均通过金丝键合连接到第四引出端；

变容二极管管芯通过金丝键合连接到第六引出端，用户在设计航天用恒温晶体振荡器时只需外接可调试电感和电容即可构成调频电路模块，第四引出端将内部运算放大器和变容二极管的地脚与外部地连接，避免虚地；

运算放大器的反相输入端经过反相输入端电阻后作为第三引出端引出，可供用户在使用时外接温度敏感元件构成直流桥式控温电路；

所述运算放大器与电阻构成直流桥式电路，第三引出端上接温度敏感元件到稳压电源输出，下接片式电阻到地，该模块是高精密度直流桥式电路，电路通电过程中当晶体谐振器工作在零温度系数点温度附近时，电桥电路达到平衡，运算放大器输出第五引出端外接片式电阻，控制控温电路的最大电流，也即是控制最大功耗。

本发明具有加工和使用可靠性高、体积小、功能多的特点。

与传统技术相比，本发明所述航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路具有以下优点：

(1)与常规非塑封分立元器件的单一特定功能相比，本发明所述航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路包含稳压电路、控温电路和频率调整电路，本发明装配在航天用恒温晶体振荡器内，可同时满足电源电压稳压滤波、外接温度敏感元件和电阻构成直流桥式控温电路、以及调整航天用恒温晶体振荡器输出频率等三种电路功能；用户在设计不同型号航天用恒温晶体振荡器时可作为专用厚膜电路直接选用，可移植性强；

(2)本发明采用陶瓷外壳封装，满足航天用恒温晶体振荡器的禁限用工艺要求；本发明所述的航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路均采用粘接工艺、键合工艺等厚膜工艺加工(其中，稳压器管芯、运算放大器管芯采用绝缘胶粘接工艺；变容二极管管芯采用共晶焊工艺；输入端旁路电容、输出端旁路电容和旁路滤波电容均采用再流焊工艺；厚膜基板采用绝缘胶工艺；稳压器管芯、运算放大器管芯、变容二极管管芯以及所述航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路外引线均采用金丝键合工艺)，满足电路要求，且产品的加工和使用可靠性高；

(3)本发明电路功能多；本发明所述航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路内部包含稳压电路、控温电路和频率调整电路；在设计航天用恒温晶体振荡器时，可依据航天用恒温晶体振荡器具体电路功能要求进行选用和电路连接，实现所需电路功能；而航天用恒温晶体振荡器常用的电路功能要求有：稳压滤波的稳压电路、直流桥式控温电路、以及调整输出频率的频率调整电路；因此，本申请可作为航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路直接选用；克服了常规非塑封分立元器件不可直接选用的缺点(常规塑封分立元器件体积较大、功能单一，不能满足航天用恒温晶体振荡器的小型化、多功能实现性等因素要求)；

(4)本发明所述航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路，不仅可以减少航天用恒温晶体振荡器设计时各类非塑封分立元器件的使用数量，整体减小航天用恒温晶体振荡器的外形体积，还减少了各类非塑封分立元器件所引入的噪声；

(5)本发明外形结构体积小；所述航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路外形尺寸为10mm×10mm×3.35mm，远小于内部所含各分立器件的体积之和；

(6)本发明采用厚膜工艺集成化设计和加工，航天用恒温晶体振荡器使用数量少、外形体积小，相噪小；本发明选用了低噪声材料如稳压器管芯、运算放大器管芯和变容二极管管芯，并通过输入端旁路电容、输出端旁路电容和旁路滤波电容对电源电压降噪处理；且在进行航天用恒温晶体振荡器设计加工时减少了分立元器件的数量，降低了各分立元器件噪声的引入。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图。

图2为本发明中的稳压电路的结构框图。

图3为本发明中的控温电路的结构框图。

图4为本发明的剖面结构示意图。

图5为本发明的俯视结构示意图。

图6为本发明的电路原理图。

图7为本发明在航天用恒温晶体振荡器内的应用示意图。

图5中，C1-输入端旁路电容，C2-旁路滤波电容，C3-输出端旁路电容，R1、R2、R4分别表示同相输入端电阻，R3、R5分别表示反相输入端电阻，U1-稳压器管芯，U2-运算放大器管芯，VD1-变容二极管管芯。

图6中，C1-输入端旁路电容，C2-旁路滤波电容，C3-输出端旁路电容，R1、R2、R4分别表示同相输入端电阻，R3、R5分别表示反相输入端电阻，U1-稳压器管芯，U2-运算放大器管芯，VD1-变容二极管管芯；图6中，(1)表示第一引出端，(2)表示第二引出端，(3)表示第三引出端，(4)表示第四引出端，(5)表示第五引出端，(6)表示第六引出端；

图6中的运算放大器管芯包括运算放大器单元A和运算放大器单元B，运算放大器单元A与运算放大器单元B相互独立；其中，运算放大器单元A、运算放大器单元B处的“+”均表示同相输入端，与同相输入端电阻连接；“-”均表示反相输入端，与反相输入端电阻连接；

图6中，GND均表示地GND；图6中的各GND互相连接。

图中1-稳压电路，11-稳压器，111-稳压器管芯，12-输入端旁路电容，13-旁路滤波电容，14-输出端旁路电容，2-控温电路，21-运算放大器，211-运算放大器管芯，22-同相输入端电阻，23-反相输入端电阻，24-温度敏感元件，25-恒温槽，3-频率调整电路，31-变容二极管，311-变容二极管管芯，4-陶瓷外壳，5-基座，6-厚膜基板，7-绝缘胶，8-引出端，8.1-第一引出端，8.2-第二引出端，8.3-第三引出端，8.4-第四引出端，8.5-第五引出端，8.6-第六引出端，9-密封腔，10-航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路，15-电极，16-金丝，17-航天用恒温晶体振荡器印制板。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

如图1所示的一种航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路，包括稳压电路1、控温电路2和频率调整电路3；所述航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路由三个关键元器件稳压器11、运算放大器21和变容二极管31构成，所述三个关键元器件形成三个电路模块：稳压电路1、控温电路2和频率调整电路3；本发明包括六个引出端8：第一引出端8.1为电源电压Vcc,第二引出端8.2为稳压器输出端Vo1,第三引出端8.3为运放反相输入端VIN-，第四引出端8.4为地GND，第五引出端8.5为运放输出端Vo2，第六引出端8.6为变容二极管N端VDN。

图2展示了本发明一种航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路的稳压电路的结构框图；所述稳压电路1主要对电源电压进行稳压和滤波，电源电压经输入端旁路电容12滤波后，通过稳压器11稳压转化后输出，再经过输出端旁路电容13和旁路滤波电容14滤波后供用户电路使用。第一引出端8.1电源电压Vcc接电源电压，第二引出端8.2稳压器输出端Vo1为稳压后的输出电压。所述稳压电路1选用的稳压器管芯111为低压差固定输出的低噪声稳压器，稳压器管芯111采用绝缘胶7粘贴在厚膜基板6上，并与基座内部的电极15通过金丝16键合构成电气连接。输入端旁路电容12、输出端旁路电容13和旁路滤波电容14有降低电源电压噪声的作用，均采用再流焊工艺焊接在厚膜基板6上(如图2、图4所示)。

图3展示了本发明一种航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路的控温电路的结构框图。所述控温电路2主要使航天用恒温晶体振荡器内的温度敏感元件24和晶体谐振器工作在一个恒定温度环境中。采用运算放大器21与同相输入端电阻22、反相输入端电阻23及温度敏感元件24组成直流桥式控温电路，使恒温槽25温度基本保持在晶体谐振器的零温度系数点温度附近(晶体谐振器在零温度系数点温度附近工作，其频率温度系数最小)，从而使航天用恒温晶体振荡器的输出频率最稳定。所述一种航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路中，电源电压经过同相输入端电阻22，输入到运算放大器21的同相输入端，运算放大器21对输入信号进行放大，输出电压信号；运算放大器21的反相输入端经过反相输入端电阻23后作为第三引出端8.3运放反相输入端VIN-引出，可供用户在使用时外接温度敏感元件24构成直流桥式控温电路。

所述运算放大器21与电阻构成直流桥式电路，第三引出端8.3运放反相输入端VIN-上接温度敏感元件24到稳压电源输出，下接片式电阻(图未示)到地，该模块是高精密度直流桥式电路，电路通电过程中当晶体谐振器工作在零温度系数点温度附近时，电桥电路达到平衡，运算放大器21输出第五引出端8.5运放输出端Vo2外接片式电阻，控制控温电路的最大电流，也即是控制最大功耗。运算放大器管芯211粘贴在厚膜基板6上，并通过金丝16键合与基座5内部的电极15构成电气连接(如图3、图4所示)。

所述频率调整电路3主要由变容二极管31构成，起到调整航天用恒温晶体振荡器初始输出频率和调节压控频率范围的作用。变容二极管31通过金丝16键合连接到第六引出端8.6变容二极管N端VDN，用户在设计航天用恒温晶体振荡器时只需外接可调试电感和电容即可构成调频电路模块，第四引出端8.4地GND将内部运算放大器21和变容二极管31的地脚与外部地连接，避免虚地(如图4所示)。

本发明所述航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路是在稳压电路1的稳压器11、控温电路2的运算放大器21和频率调整电路3的变容二极管31的基础上进行集成化设计，厚膜基板6采用绝缘胶7粘在基座5的内腔底部，稳压器管芯111、运算放大器管芯211采用绝缘胶7粘在厚膜基板6上，变容二极管管芯311采用共晶焊，输入端旁路电容12、输出端旁路电容13和旁路滤波电容14采用再流焊焊在厚膜基板6上，并通过金丝16键合与基座5内部的电极15构成电气连接。陶瓷外壳4通过平行封焊气密封装的方式焊接在基座5密封圈上，构成密封腔体(如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示)。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表1所示：

表1对比结果

由上表可知，本发明所述的航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路与现有技术相比，为航天用恒温晶体振荡器专用电路，产品的加工和使用可靠性好，功能多，体积小，使用数量少，噪声小。

实施例

本发明所述的航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路目前已成功试用于多个不同型号的航天用恒温晶体振荡器。下面结合附图简要说明本发明作为一种航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路在进行设计恒温晶体振荡器时的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

如图7展示了本实施例中航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路在航天用恒温晶体振荡器内的应用示意图。航天用恒温晶体振荡器在设计和加工时，航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路10可以作为一个航天用专用厚膜电路直接选用，采用再流焊工艺焊接在航天用恒温晶体振荡器印制板17上，工艺可靠性高。本实施例中的航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路10内部的三个功能电路稳压电路1、控温电路2和频率调整电路3引出的六个引出端8分别与航天用恒温晶体振荡器印制板17上的其他元器件连接实现三大电路(稳压电路、控温电路和频率调整电路)功能，与分立元器件的单一电路功能相比，有功能多的明显优势。

本实施例中的航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路采用厚膜工艺集成化设计和加工，在实现分立元器件电路功能的同时，大大缩小了元器件的使用数量和外形体积，降低了元器件噪声的引入，满足了航天用恒温晶体振荡器对元器件体积小、多功能的使用要求，适应当前航天用恒温晶体振荡器不断小型化的发展趋势。

本实施例中的航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路与现有技术在进行航天用恒温晶体振荡器设计和加工时的小型化对比结果如下表2所示：

表2小型化对比结果

附：现有技术各分立元器件外形体积如下：

分立稳压器外形体积 2.9mm×1.6mm×1.45mm；

分立运算放大器外形体积 6.5mm×6.0mm×2.8mm；

分立变容二极管外形体积 1.2mm×0.8mm×0.6mm；

分立电容外形体积 2.0mm×1.25mm×1.5mm，1.6mm×0.8mm×1.0mm；

分立电阻外形体积 1.6mm×0.8mm×0.45mm。

从表2可知：本实施例中的航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路的元器件的外形体积小，使用数量少，加工后的航天用恒温晶体振荡器外形体积小，噪声小。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (4)

1.一种航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路，其特征在于：包括稳压电路(1)、控温电路(2)和频率调整电路(3)；厚膜基板(6)采用绝缘胶(7)粘在基座(5)的内腔底部；陶瓷外壳(4)通过平行封焊气密封装的方式焊接在基座(5)密封圈上；陶瓷外壳(4)、基座(5)、厚膜基板(6)构成密封腔体(9)；稳压电路(1)、控温电路(2)和频率调整电路(3)集成在厚膜基板(6)上、且位于密封腔体(9)内；

基座(5)上设置六个引出端(8)，分别为第一引出端(8.1)、第二引出端(8.2)、第三引出端(8.3)、第四引出端(8.4)、第五引出端(8.5)和第六引出端(8.6)；

第一引出端(8.1)为电源电压Vcc，与电源电压连接；

第二引出端(8.2)为稳压器输出端Vo1，与稳压电路(1)连接；

第三引出端(8.3)为运放反相输入端VIN-，与控温电路(2)连接；

第四引出端(8.4)为地GND，分别与控温电路(2)、频率调整电路(3)连接；

第五引出端(8.5)为运放输出端Vo2，与控温电路(2)连接；

第六引出端(8.6)为变容二极管N端VDN，与频率调整电路(3)连接；基座(5)内部设置电极(15)；

稳压器(11)内设置稳压器管芯(111)；稳压器管芯(111)选用低压差固定输出的低噪声稳压器管芯；

稳压器管芯(111)采用绝缘胶(7)粘贴在厚膜基板(6)上，并与电极(15)通过金丝(16)键合构成电气连接；

输入端旁路电容(12)、输出端旁路电容(13)和旁路滤波电容(14)均采用再流焊工艺焊接在厚膜基板(6)上；

运算放大器(21)内设置运算放大器管芯(211)；运算放大器管芯(211)采用绝缘胶(7)粘贴在厚膜基板(6)上，并通过金丝(16)键合与电极(15)构成电气连接；

变容二极管(31)内设置变容二极管管芯(311)；变容二极管管芯(311)采用共晶焊焊在厚膜基板(6)上，并通过金丝(16)键合、与电极(15)构成电气连接；

稳压器管芯(111)分别通过金丝(16)键合连接到第一引出端(8.1)、第二引出端(8.2)；

运算放大器管芯(211)分别通过金丝(16)键合连接到第三引出端(8.3)、第五引出端(8.5)；

稳压器管芯(111)、运算放大器管芯(211)和变容二极管管芯(311)均通过金丝(16)键合连接到第四引出端(8.4)；

变容二极管管芯(311)通过金丝(16)键合连接到第六引出端(8.6)；所述稳压电路(1)、控温电路(2)和频率调整电路(3)依据电路功能要求进行选用和电路连接，实现所需电路功能。

2.根据权利要求1所述的航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路，其特征在于：稳压电路(1)包括稳压器(11)、输入端旁路电容(12)、旁路滤波电容(13)和输出端旁路电容(14)；

电源电压与输入端旁路电容(12)连接；输入端旁路电容(12)与稳压器(11)连接；稳压器(11)分别与旁路滤波电容(13)、输出端旁路电容(14)连接。

3.根据权利要求2所述的航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路，其特征在于：控温电路(2)包括运算放大器(21)、同相输入端电阻(22)和反相输入端电阻(23)；

恒温槽(25)与运算放大器(21)连接；

电源电压与同相输入端电阻(22)连接；同相输入端电阻(22)与运算放大器(21)的同相输入端连接；运算放大器(21)的反相输入端与反相输入端电阻(23)连接；反相输入端电阻(23)与温度敏感元件(24)连接；

运算放大器(21)与同相输入端电阻(22)、反相输入端电阻(23)及温度敏感元件(24)组成直流桥式控温电路。

4.根据权利要求3所述的航天用恒温晶体振荡器专用厚膜电路，其特征在于：频率调整电路(3)由变容二极管(31)构成；变容二极管(31)、可调试电感和可调试电容依次连接呈闭合回路。

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