CN201243273Y - 温补压控恒温晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种温补压控恒温晶体振荡器，包括压控恒温控制电路，所述压控恒温控制电路中位于晶体与地间设置有并联谐振回路；本产品结构还可包括有二次曲线温度补偿网络和EMI电路。本实用新型可满足通信设备时钟比较宽的频率牵引范围要求(如三级钟要求VCOCXO的频率牵引范围为±6ppm～±8ppm，甚至更宽)，频率温度稳定度较高，可较好地防止电磁干扰和辐射。

Description

温补压控恒温晶体振荡器

技术领域

本实用新型涉及一种恒温晶体振荡器，特别涉及一种温补压控恒温晶体振荡器(TCVCOCXO)。

背景技术

在国家标准GB12048-89《数字网内时钟和同步设备的进网要求》中，将我国数字同步网时钟分为四级：

第一级：基准时钟(铯原子钟)；

第二级：有记忆功能的高稳晶体时钟，设置于数字网中的各级长途交换中心；

第三级：有记忆功能的高稳晶体时钟，设置于端局和汇接局；

第四级：一般晶体时钟，设置于远端模块、数字终端设备、数字用户交换设备。

在我国早期二、三级时钟使用的压控恒温晶体振荡器(VCOCXO)是采用玻壳密封的三次泛音精密晶体(SC或AT切型)，并采用双层恒温技术，体积较大。一般的VCOCXO采用如图1a所示的电容三端式(考毕兹)交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图1b，其中Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。其中Co，Cl，Ll，RR是晶体的等效参数。分析整个振荡槽路可知，利用Cv来改变频率是有限的：决定振荡频率的整个槽路电容是由Cbe，Cce，Cv三个电容串联后和Co并联再和Cl串联组成的。可以看出：Cl越小，Co越大，Cv变化时对整个槽路电容的作用就越小。因而能“压控”的频率范围也越小。实际上，由于Cl很小(1E-15量级)，Co不能忽略(1E-12量级，一般为2～7PF)。所以，Cv变大时，降低槽路频率的作用越来越小，Cv变小时，升高槽路频率的作用却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大，非线性就越厉害；另一方面，施加在晶体上的激励电压却越来越小，最后导致停振。采用泛音次数越高的晶体，其等效电容Cl就越小；因此频率的变化范围也就越小。

在公开号为CN2472421Y的中国实用新型专利“混合型晶体振荡器”公开了将“温度补偿技术”与“温度控制技术”相结合的技术，该专利采用简易的一次曲线温度补偿网络(见图2)来补偿简易恒温结构而带来的频率温度波动。其不足之处是它只能满足在一定工作温度区间内，达到10^-7量级频率温度稳定度的要求。

在公开号为CN101027839A的中国发明专利“温度补偿式恒温控制晶体振荡器”公开了“对受温度控制的频率源进行温度补偿的方法”，该专利提出温度补偿式恒温控制晶体振荡器(TCOCXO)的几种实施例，采用零到四阶多项式的切比雪夫函数实现输出频率的四阶模拟温度补偿，而且是通过专用的模拟温度补偿芯片实现的。其不足之处是工艺技术比较复杂，实施难度较大，制造成本较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可满足某些通信设备时钟比较宽的频率牵引范围要求(如三级钟要求VCOCXO的频率牵引范围为±6ppm～±8ppm，甚至更宽)，频率温度稳定度较高、实现工艺比较简单的温补压控恒温晶体振荡器。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种温补压控恒温晶体振荡器，包括压控恒温控制电路，其特征在于：所述压控恒温控制电路中位于晶体与地间的负载电容替换为并联谐振回路。

所述并联谐振回路包括一只与晶体串联的电感，一只与电感并联的调谐电容，一只压控变容管通过一只隔直偶合电容与电感并联，另一只温补变容管通过另一只隔直偶合电容也与电感并联。

所述并联谐振回路的并联谐振频率必须设置在<0.8f₀(f₀为标称频率，按产品技术指标规定，由晶体的等效参数和负载电容即Cbe，Cce，Cv三个电容串联值决定)，使VCOCXO工作频率为标称频率f₀时，这个并联谐振回路呈现容性电抗。

为了提高OCXO频率温度稳定度，可将简易的一次曲线温度补偿网络改进为二次曲线温度补偿网络，所述二次温度曲线补偿网络是一个模拟的不对称的T型网络，由一只负温度系数的片式热敏电阻和一只调试电阻并联后再与一只固定电阻串联组成T型网络的串臂输入端，由另一只负温度系数的片式热敏电阻与另一只调试电阻串联组成T型网络的并臂，T型网络的串臂输出端是一只固定电阻接至温补变容管的负极，为温补变容管提供反向偏置电压。上述固定电阻和热敏电阻在设计时可确定其参数；所述调试电阻在设计时先按理想参数计算初试值，然后通过现有的“晶振温度特性自动测试系统”的测试，再根据测试结果重新计算确定其参数。

为了满足通信设备时钟对电磁干扰(EMI)的抑制要求，在本电路的电源输入端和信号输出端之间增加设置有EMI电路，有效地抑制电磁波的干扰和辐射。所述EMI电路分两部分，一部分设置在方波信号输出端，在信号的输出端设置一个π型网络，π型网络的串臂是一只磁珠，π型网络的两个并臂分别为一只高频小电容，π型网络有效抑制高频电磁波外辐射；另一部分设置在电源输入端，在电源输入脚与地之间并接一只高频旁路电容和一只低频滤波电容，防止外来电磁波干扰。

本实用新型的作用原理是：

(1)通过对图1的原理分析可知，要使得振荡频率稳定又要满足压控频率牵引范围的要求，调节振荡频率的Cv选值十分重要，有些通信设备的三级时钟要求VCOCXO压控频率牵引范围宽至±(10～15)ppm，比较普遍要求是±(6～8)ppm，实现这样宽的频率牵引范围，对泛音晶体来说是很困难的(高稳定晶体振荡器一般都采用泛音晶体，泛音次数越高频率越稳定，但频率牵引系数越小，频率牵引范围越窄)，有的为满足频率牵引范围指标要求，将晶体的负载电容设计得很小，即Cv的容值必定很小，但Cv又必需包含压控变容管、温补变容管和微调中心频率电容及分布电容的总容量；为解决这个矛盾，本技术方案将Cv改进成一个并联谐振回路，将并联谐振频率设置在<0.8 f₀，使VCOCXO工作频率为标称频率f₀时，这个并联谐振回路呈现容性电抗。并联谐振回路替代电容Cv后，使得泛音晶体的串、并联谐振频率间隔展宽，频率牵引系数增大，解决了频率牵引范围窄的问题；为保持晶体频率稳定，并联谐振回路的电感值要控制在一个比较小范围内，以保证并联谐振回路的电容值足够大，使其足够包含压控变容管、温补变容管和微调中心频率电容及分布电容的总容量。微调中心频率电容可以调整压控中心频率和对称性。既满足比较宽的频率牵引范围要求，又改善频率牵引的压控线性度。

(2)现有技术采用简易的一次曲线温度补偿网络(见图2)来补偿简易恒温结构带来的频率温度波动，其方法简单，方便批量生产，但它只能满足在一定工作温度区间(比如0～50℃)内，达到10^-7量级的要求，而现代通信设备的二、三级时钟对VCOCXO频率温度稳定度要求都比较高，一般来说，在宽温度工作范围内(例如：-20℃～+70℃)二级时钟要求频率温度稳定度为10^-9量级，三级时钟要求频率温度稳定度为10^-8量级，要达到这样高的频率温度稳定度，简易的一次曲线温度补偿网络是不可能满足的。设计OCXO时，根据晶体在零温度系数点周围(±5℃)的温度系数(SC晶体一般为1×10^-8/℃，AT晶体一般为1×10^-7/℃)，要求晶体及振荡级电路元件在恒温槽内的温度波动应小于0.1度，对于双层恒温槽结构来说，这是没问题的，但对简单的恒温结构，是不可能的，本申请人经过多年的反复试验和分析研究，这种简单的恒温结构对晶体来说其温度波动一般可达到±5℃，最好水平也只能达到±3℃，这意味着二级时钟或三级时钟的频率温度稳定度将下降5×10^-8或5×10^-7，这下降特性通常出现在工作温度的高端或低端，呈现上翘或下弯，这种特性通过二次曲线温度补偿网络来补偿是完全可能的，从而保持时钟的频率温度稳定度不下降。

(3)在VCOCXO的应用中，有时会出现同一类型的高稳晶振在不同的时钟单元中的使用效果完全不同，在某一通信设备时钟单元中稳定工作的VCOCXO，换到另一通信设备时钟单元中却不能稳定工作，经常导致时钟误码，一般是EMI的原因。为了保证时钟输出信号有较佳的功能特性，在设计VCOCXO的整形输出级时，通常会采用较快的上升时间和较高的驱动能力的高速IC芯片，但是从EMI的噪声辐射角度来看，这些快速的上升时间和较大的驱动能力往往是造成噪声变得较大的主因。因为实际的时钟信号，并非是完全理想的方波，而会存在着一些过冲电压和高频谐波的现象，由于这些现象的存在就会使得频域中的高频谐波增大，当时钟信号输出端与外电路的连线形成天线效应时，这些高频谐波就会干扰时钟单元的稳定工作，导致时钟误码，因而新型通信设备的时钟单元要求其关键器件一VCOCXO必须设置EMI电路，防止电磁干扰和辐射。

本实用新型相对现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本方案设置了并联谐振回路构成的压控网络，可满足通信设备时钟比较宽的频率牵引范围要求(如三级钟要求VCOCXO的频率牵引范围为±6ppm～±8ppm，甚至更宽)，又可明显地改善频率牵引的压控线性度，减小时钟信号抖动，提高时钟频率的稳定度。

(2)本方案利用二次曲线温度补偿网络来取代现有的一次曲线温度补偿网络，可较好地保持时钟的频率温度稳定度不下降，满足二级时钟或三级时钟的频率温度稳定度较高的要求。

(3)设置有EMI电路，可有效地抑制电磁波对时钟单元的干扰和辐射，保证时钟单元的稳定工作。

附图说明

图1是现有的VCOCXO的振荡电路原理图。

图2是一次曲线温度补偿网络的原理图。

图3是本实用新型TCVCOCXO的电路原理方框图。

图4是本实用新型TCVCOCXO的振荡电路原理图。

图5是本实用新型TCVCOCXO的二次曲线温度补偿网络电路原理图。

图6是本实用新型TCVCOCXO的EMI电路原理图。

图7是本实用新型低压供电的TCVCOCXO的振荡电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

图3示出了本实用新型的结构，由图3可见，温补压控恒温晶体振荡器包括主振电路、选频放大、整形输出、温控电路、稳压电路、压控网络、温补网络和EMI电路。稳压电路经EMI接至振荡器的电源输入脚(Vcc)，稳压电路输出分5路为主振电路、选频放大、整形输出、压控网络、温补网络提供稳定的直流工作电压或偏置电压；温控电路直接至电源输入脚(Vcc)，其温度传感器—热敏电阻安装在晶体旁边，主振电路、压控网络的主要元器件(包括晶体)紧靠温控电路发热的功率管，工作于晶体零温度系数点周围的一个较窄温度范围内；压控网络为位于晶体与地间的并联谐振回路，其内偏置电压端接至稳压电路的退偶输出，输入端接至振荡器的压控输入脚，输出端接至晶体；温补网络与压控网络并联位于晶体与地间的并联谐振回路，其内偏置电压端接至稳压电路的退偶输出，输出端接至晶体；主振电路的工作电压端接稳压电路的输出，其输出的振荡频率信号与选频放大级的输入端相接，选频放大电路将信号提纯放大后输入整形输出级IC输入端；整形IC输出的方波信号接至EMI电路的输入端，EMI电路的输出端接到振荡器的信号输出脚。

所述并联谐振回路如图4所示，由L3、C3、C5、C_V1和C4、C_V2组成，这个并联谐振回路的并联谐振频率必须设置在<0.8 f₀，使振荡器工作频率为标称频率f₀时，这个并联谐振回路呈现容性电抗。另外，R5、R6、R7、R8组成电阻网络与C_V1并联，R7接至压控端Vc，改变压控端电压就可实现频率牵引；R5接至稳压电路的退偶输出端V_D1，为压控变容管C_v1提供固定内偏置电压，可为无频率牵引要求的电子装置提供高稳定的频率基准。调整C5的容量可以改善频率牵引范围及压控线性度，调整C3的容量可以调整压控中心频率和对称性。既满足比较宽的频率牵引范围要求，又改善频率牵引的压控线性度。

图5示出了本温补压控恒温晶体振荡器的二次曲线温度补偿网络电路，由图5可见，本二次曲线温度补偿网络是一个模拟的不对称T型网络，由R_T1、R_X并联再与R2串联组成T型网络的串臂输入端，R_T2与R_Y串联组成T型网络的并臂，R3为T型网络的串臂输出端接至变容管C_V2的负极，T型网络与变容管C_V2并联，其中R_T1和R_T2为负温度系数的片式热敏电阻，R2和R3为固定电阻，在设计时就可确定；Rx和Ry为调试电阻，在设计时先按理想参数计算初试值，然后通过“晶振温度特性自动测试系统”的测试，再根据测试结果重新计算确定。C4是隔直偶合电容，C3和L3是与压控网络公用部分，R2接到稳压电路的退偶输出端V_D2，为T型网络提供稳定的工作电压。

图6示出了本温补压控恒温晶体振荡器的EMI电路，由图6可见，本EMI电路中，方波信号的输出端(CLK)和EMI电路的π型网络输入端相接，π型网络的串臂为一只磁珠(L5)，π型网络的两个并臂分别为高频小电容C21和C24，π型网络输出端接至振荡器的信号输处脚，L5和C21，C24构成信号输出脚的EMI电路，防止振荡器的高频电磁波外辐射；在电源输入脚与地之间并接一只高频旁路电容(C22)和一只低频滤波电容(C23)，C22和C23构成电源输入脚的EMI电路，防止外来电磁波干扰。

实施例2

图7示出了本实用新型的另一结构，由图7可见，本结构为低压供电的温补压控恒温晶体振荡器。图4是工作电压为+12V时的TCVCOCXO的振荡电路原理图，变容二极管的反向偏置电压比较高，因而其电容值相对小些，压控变容二极管与温补变容二极管并联做为晶体负载电容一部分。当TCVCOCXO的工作电压降到为+5V，甚至+3.3V时，变容二极管的反向偏置电压比较低，因而其电容值相对比较大，使晶体负载电容变大，导致压控频率牵引范围变窄，不能满足时钟频率牵引范围的要求。为保证在低工作电压情况下，仍然满足时钟频率牵引范围的要求，可以将压控网络中的压控变容管Cv₁和温补网络中温补变容管Cv₂由并联型改为串联型，如图7所示，本结构同样包括主振电路、压控网络和温补网络三部份，主振电路与实施例1的基本相同；温补网络由R2、R_T1、R_X、R_Y、R_T2、R3、C_v2、R4、C4组成，R4接到稳压电路的退偶输出端V_D2，为温补变容管C_v2提供反向偏置电压，R2与R4并接到稳压电路的退偶输出端V_D2，为T型网络提供稳定的工作电压。

压控网络由R5、R6、R7、R8、C_v1、C5组成，C5为偶合和隔直电容，C5既使压控变容管C_v1和温补变容管C_v2相串联，又将压控网络和温补网络的直流工作电压相互隔开，R7接到压控端Vc，调整压控电压，改变压控变容管C_v1的反向偏置电压，实现频率牵引的要求，R5接到稳压电路的退偶输出端V_D1，为压控变容管C_v1提供稳定的反向内偏置电压，当压控端Vc开路(无频率牵引要求)时输出准确和稳定的基准频率。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种温补压控恒温晶体振荡器，包括压控恒温控制电路，其特征在于：所述压控恒温控制电路中位于晶体与地间设置有并联谐振回路。

2、根据权利要求1所述的温补压控恒温晶体振荡器，其特征在于：所述并联谐振回路包括一只与晶体串联的电感，一只与电感并联的调谐电容，一只压控变容管通过一只隔直偶合电容与电感并联，另一只温补变容管通过另一只隔直偶合电容也与电感并联。

3、根据权利要求1或2所述的温补压控恒温晶体振荡器，其特征在于：所述并联谐振回路的并联谐振频率设置为<0.8f₀，f₀为标称频率。

4、根据权利要求1或2所述的温补压控恒温晶体振荡器，其特征在于：包括二次曲线温度补偿网络，所述二次温度曲线补偿网络是一个模拟的不对称的T型网络，由一只负温度系数的片式热敏电阻和一只调试电阻并联后再与一只固定电阻串联组成T型网络的串臂输入端，由另一只负温度系数的片式热敏电阻与另一只调试电阻串联组成T型网络的并臂，T型网络的串臂输出端是一只固定电阻接至温补变容管的负极，为温补变容管提供反向偏置电压。

5、根据权利要求1或2所述的温补压控恒温晶体振荡器，其特征在于：在本电路的电源输入端和信号输出端之间增加设置有EMI电路。

6、根据权利要求5所述的温补压控恒温晶体振荡器，其特征在于：所述EMI电路分两部分，一部分设置在方波信号输出端，在信号的输出端设置一个π型网络，π型网络的串臂是一只磁珠，π型网络的两个并臂分别为一只高频小电容，π型网络有效抑制高频电磁波外辐射；另一部分设置在电源输入端，在电源输入脚与地之间并接一只高频旁路电容和一只低频滤波电容。

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