DE1591210A1 - Schaltungsanordnung zur Kompensation des Temperaturganges eines Oszillators - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Kompensation des Temperaturganges eines Oszillators

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DE1591210A1 DE19671591210 DE1591210A DE1591210A1 DE 1591210 A1 DE1591210 A1 DE 1591210A1 DE 19671591210 DE19671591210 DE 19671591210 DE 1591210 A DE1591210 A DE 1591210A DE 1591210 A1 DE1591210 A1 DE 1591210A1
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Description

Dipl.-Ing.Heinz ölaessen
Patentanwalt
7 btuttgart-1, Postfach 3141
JJLJCiT^IU OORiORATIüM, iiew York
"bchaltungsanordnung zur Kompensation des Temperaturganges eines Oszillators"
xiie Priorität der Alimeldung Hr,36 536/66 vom 16.8.1966 in ü-roßBritannien wird in Anspruch, genommen.
Die ^,rfindung bezieht sich auf eine ο chal tungs anordnung zur Kom pensation des Temperaturganges eines Oszillators mit piezoelektrischen Resonatoren,
für Oszillatoren hohe Frequenzkonstanz gefordert wird, ist es üblich, zur stabilisierung der Frequenz piezoelektrische oder magnetostriktiv^ Resonatoren einzusetzen. Bei hohen Anforderungen an die Frequenzkonstanz ist der Temperaturgang, den diese Resonatoren ?;ol"bst aufweisen, nie lit mehr zu vernachlässigen. In solchen Fällen können z.ii, Korrekturkondensatoren eingesetzt werden, die einen entgegengesetzten 'i'yinperaturgang aufwöiuen, oder die Betriebetemperatur des Resonators kann dadurch konstant gehalten werden, daß man ihn/einen. Thermostaten einbaut. ±]ine Korrektur' des Temperaturgaxigeß durch lüinstellen von Korrekturkondensatoren eingogengesetzten 'iiemperatur^unges ist Infolge dea /erlaurea der Temperaturkurve solcher Resonatoren nur xür einen sehr kleinen Temperaturbereich zu realisieren» Der üinsatz von Thermostaten führt zu einem erheblichen zusätzlichun Material- und Leiatungoaufwand, so daß es wünschenswert erscheint, brauchbare Temperaturgangskorrektionaschaltungen unter Vermeiden des üJinüatzea von Thermostaten-einzusetzen.
BAD ORIGINAL
:-7.7.67
"C-W·10 0 09839/0428
ISS/Hego37Ü3 - 2 -
In der. deutschen Auslegeschrift 1 060 922 und in dem Artikel von L./.Koerner "Methods of reducing frequency variations in crystals over a wide temperature range" in I.R.ü.Conv.ReC0VoI.4(1956) Part wird eine kontinuierliche Kompensation des Temperaturganges von Schwingquarzen innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches beschrieben, die darin besteht, daß Schwingquarze verwendet werden, bei denen durch den üchnitt die Umkehrpunkte der frequenz über der Temperatur auf einen außerhalb des benutzten Temperaturbereiches liegenden verlagert werden, dolche Schwingquarze weisen dann im..Arbeitsbereich einen einheitlichen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten auf, dessen Einfluß durch Parallel- und/oder 8 eri ens ehalt en von temperaturabhängig en "widerständen zusammen mit Kapazitäten und/oder Induktivitäten eliminiert oder doch verringert wird.
Solche Schwingquarze sind handelsüblich nicht erhältlich, auch führt das Verlegen der Umkehrpunkte außerhalb des Arbeitsbereiches zu einer Beeinträchtigung der anderen Parameter, wie Jert des Temperaturkoeffizienten, Güte, Lage der oerien- und Parallelresonanzen, Oberwellenverhalten uswo und ist deshalb nicht allgemein durchführbar.
JiS ist deshalb erstrebenswert, bei einem handelsüblichen uchwingquarz den Temperatureinfluß innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereiches soweit zu verringern, daß die Resonanzfrequenz innerhalb eines ebenfalls vorgegebenen engen Toleranzbereiches liegt. Es wird deshalb in der älteren Anmeldung DAS·.. (Anmeldung Jt 23 017 IXd/21a4, 8/02) vorgeschlagen, durch Serien- oder Parallelsehalten von Impedanzen mittels eines Thermoschalters die Frequenz des Ueaonatorkreises um den lie trag des zugelassenen Toleransbereich.es bei Unterschreiten der unteren ToPeranzgrenze zu erhöhen und bei Überschreiten der oberen Toleransgrenze zu erniedrigen. Hierdurch können zwar praktisch beliebige Verläufe des Temperaturganges bei Einsatz einer genügend großen Anzahl νυη Zusatzimpedanzen nebst zugeordneten Thermonοhaitern beherrscht werden, jedoch führt diese Art der Kompensation naturgemäß au unvermeidbaren, wenn auch geringen jj'röqueriufcipr'iiü^-tin bei den dohalttempoaturen der Thermoschalter·
009839/0428 bad
ISE/lieg.3703 - 3 -
Die Urfindung setzt sich nun zur ..aifgabe, eine Schaltungsanordnung zur Kompensation des Temperaturganges eines Oszillators mit piezoelektrischen Resonatoren innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches, vorzugsweise mit einem in berien-resonanz arbeitenden ^uarzschwinger mit AT-ochnitt, unter Verwendung temperaturabhängiger Widerstun-e anzugeben, die bei Verwendung handelsüblicher üchwingcjuarze eine kontinuierliche regelung ermöglicht und dadurch die liachteile der bekannten .-anordnungen vermeidet.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, da!3 eine uit dem öchwingq.uarz in xieihe liegende Kapazität temperaturabhängig dadurch gesteuert wird, daß diese Kapazität mindestens zum Teil aus einer Kapazitätsdiode besteht, daß mittels eines temper aturabhängigen ITetzwerkes die Vorspannung der Kapazitätsdiode so gesteuert Jird, daß der üe al: tan ζ ve rl auf über der '!Temperatur der Kapazität invers zu dem neaktaiizverlauf des behwingquarzes vorläuft.
jjie Erfindung soll nun anhana aer figuren eingehend beschrieben werden. x,s zeigen dabei:
ü"'ig.1 ]?req.uen5ikurven aufgetragen über dor i'einperatur eines
u ciiv/ingCiU^ .rz es mit iJ2->j chmi11;
i1ig.2 aen itear;.t.vuizvürlaui" über der 'L'emper^tur eines Jcjxv/ing-
cuarzeo mit AT-jjchnitt für eine i'estfrequenz; Fig.3 zeigt d;_.:^ Blockschaltbild der orfinaungügemäßen Kompens.'itionr;aij.orüjiung für den temperuturabliiingigen jj*req.uün'z/jaug
eine;; ,u^r:^o;jzillators;
x)lig,4 ii-ls Auufuhrung.ibeispioi oineu wtromlaui" der Anordnung
jjie irs'i.uenz eiu/jj .uurzouzxilatovr; i;:t t«iui3üri.i-turabiiäuc;it;,. (jinom jCjiiwiijL:·;'11·!-..,rz i.iit -J -..,clmitt ;i<-yk?A: :;icii dor Teiiiperut !"ini'jnt -1.Ur; tjlii'm .ι'^ίόΐβϋ !nibiaohuu .il.il ...nd einem linearen teil y;u/'.i.i;rjj), ,ίί·.,';! d:v linfi.'iru ..utiM-i. von dum .jOhnlt'iviL··^.^ !i.ijh! .n;-J._ i;:'-. In .1,^.1 i;;t aitin .,cJiar ;;<)lch<:r i!T'nquoii"l:urvuJi üw.y (,yr Ί'μπ'.ι1 .'·,"·· -/'ja .'jiiv/i.ji··;'u-..'':',f!n i,ii I ..':'-,.,cJjnit I i\i>■'.;<■ ί,,
009839/0428 BAD 0BielNM,_
ISi/aeg-3703 - 4 -
Pie Kurven der in Fig.1 dargestellten Kurvenschar liegen angenähert spiegelMldsymmetriseh zu den Koordinaten, wenn als Koordinatens ciinittpunkt die Frequenz f und die Temperatur T gewühlt wird, wobei f die frequenz und T die Temperatur im ; Wendepunkt der Kurven ist. Die Temperatur T liegt bei einem '.uuarz mit AT-ochnitt^dabei ungefähr bei +27°0.
Wie schon erwähnt, erhält man die unterschiedlichen Kurven bei einem ^uarz gleicher ochnittart durch geringe änderungen des bchnittwinkels, wobei der kubische ^jiteil gleich bleibt und sich nur der lineare .anteil ändert.
In Fig. 2 ist nun die Reaktanzkurve eines ochwingquarzes mit AI-Schnitt für einen einzigen Schnittwinkel über der Temperatur für die Frequenz f aufgetragen. Din Reaktanzglied, das mit dem .uarz in oerie geschaltet, die Frequenz f unabhängig., von der Temperatur festhält, müßte den gegensirinigeii Vorlauf hierau aufweisen.
Für kleine Frequenzabweichungen, wenn man also die durch eine Heaktanzänderung verursachte Frequenzänderung ala zueinander proportional gesetzt werden kann, ist die gegensinnige Kurve zu der in Fig. 2 gleich der nach Fiy.1, aus der die Fig.2 abgeleitet wurde.
./enn eine veränderbare Reaktanz z.B. eine Kapazitätsdiode entsprechend dem „oifbau der Oszillatorschaltung entweder in oerie oder parallel zu dem schwingquarz mit AT-ocImitt gelegt wird, und die Reaktanz in der nachher beschriebenen ,/eise gesteuert wird, so läßt sich innerhalb eines vorgegebenen Arbeitstemperaturbereiches die Frequenz des Quarzoszillators konstant halten.
Fig.3 zeigt nun ein Blockschaltbild einer solchen Steuerschaltung für eine veränderbare Reaktanz. In diesem Blockschaltbild ist 1 ein netzwerk mit kubischem Temperaturverhalten, 2 ein solches mit linearem I'emperaturverhalten, 3 ein Differenzverstärker, 4 die veränderbare Reaktanz, 5 dex* Schwingquarz und 6 die Oszillator-, schaltung, deren Frequenz durch den Jchwingquarz 5 stabilisiert wird, i'Js wird aloo hier mittels getrennter Netzwerke mit kubischem
009839/0428 bad original
-1I-
und linearem Temperaturverhalten mittels eines Jifferenzverstärkers ■ der -influß des Temperaturganges des ochwingquarzes auf die Oszillatorfrequenz kompensiert.
In J1Ig. 4 ist nun der υtromlauf einer praktisch ausgeführten Anordnung als Beispiel dargestellt, und zwar die Blöcke 1...5 der x'ig.3. -Jas netzwerk mit ku'oischer Temperaturabhängigkeit 1 besteht aus einer Zener diode x>1, der die Reihenschaltung eines Widerstandes H1 una '22 mit einem temperatur abhängig en "Widerstand HT mit negativem Koeffizienten, z.i3. einem Thermistor, parallel geschaltet ist. -jie Kathode der Zenerdiode i)1 liegt übei1 einen Widerstand d.6 an dem positiven i-ol der Versorgungss^annung ±ffl, wahrend ihre Anode über einen Widerstand Bl mit dem negativen lol verbunden ist. .Dieses netzwerk weist einen gewissen linearen Anteil wie auch einen kubischen ^nteil des Temperaturverhaltens auf.
Das Ifetzv/erk 2 ^it linearem 'i'emperaturverlialten besteht aus einer Zenerdiode _ü2, der die jieihens ehaltung eines temp era turabiiilngigen Widerstandes xis mit positivem Koeffizienten, a.jj. eines Jiiiciumwider3tanues, mit einem „ideratand -d3 parallel liegt. Die Katiiode eier Zenerdiode 1)2 int mit dem rluspol der /ecsorgungsspannung HS Uy über einen widerstand db verbunden, während ihre .anode direkt am liegt.
jjer iJifferenzverrjtärker 3 enthält die Translator on VT1, VT2 und "VT3» iJie emitter der Transistoren VT1 und VT2 sind über ein Potentiometer J.19 miteinander verbunden, ae3sen Abgriff am Kollektor des Transistors VT3 liegt. Der Kollektor des Transistors VT1 liegt über einen ./idorstand K1 am j'luapol der Vers or gungs spannung und ist über einen 'Widerstand R12 mit der Kathode der Kapazitätsdiode D3i die die veränderbare Reaktanz 4 bildet, verbunden. Der Kollektor des Tranaistors VT2 dagegen liegt über einen Widerstand RH am-Pluspol der Versorgungsspannung und über die Reihenschaltung der Widerstände R4 und R5 an ihrem Minuspol. An dem Verbindungspunkt eier beiden Widerstände R4 und R5 ist über einen Widerstand R13 die Anode der Kapazitätsdiode D3 angeschlossen.
Die Baals des Traneia$q,rä J(Jl ^£,n^liL ilare Vorspannung über einen
BAD ORfGlNAi.
159121O
ISE/Rego3703 - 6 -
aus den "Aiderständen H14 und R15 bestehenden Spannungsteiler, während in den Emitterkreis ein ,widerstand R1 6 eingeschaltet ist.
Die Basis des Transistors VT1 ist mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R1 und R2, die Bestandteil des kubischen Hetzwerkes sind, und die Basis des Transistors VT2 mit dem Verbiiidungspunkt der Widerstände Rü und R3, die Bestandteil des linearen Netzwerkes sind, verbunden.
Der Schwingquarz mit ^.T-Schnitt, der in beiden figuren das Bezugszeicheii 5 führt, liegt in Reihe mit der Kapazitätsdiode D3» wobei die iierienkapazität allein durch die Kapazitätsdiode 1)3 gebildet werden, aber dieser auch noch eine Pestkapazität parallel geschaltet werden kann.
Der Wert des temperaturabhängiges .Widerstandes RT wird zusammen mit denen der ,/iderst-inde RI und R2 so ausgewählt, daß an der Basis des Transistors VT1 eine Jteuerspannung auftritt, die kubisch von der Temperatur abhängt. Entsprechend werden die ,.erte von RS und R3 so gewählt, dalJ an der Basis des Transistors VT2 eine oteuerspannung ansteht, die sich linear mit der Temperatur ändert. Der Betrag dor über den Differenzverstärker 3 als Differenz die Kapazitätsdiode D3 steuernden kubisch und linear temperaturabhängigen ,spannung kann durch wahl der V/erte der Zenerdioden DI und D2 sowie der Widerständo R1u und R11 beeinflußt werden.
Wie schon beschrieben, wird die Kapazitätsdiode D3 vom Ausgang des Differenzverstärker^ '.-> gesteuert. Ihre Vorspannung ändert sich also entsprechend der Differenz zwischen der Ausgangsspannung des kubischen und linearen jietzworkes. wenn innerhalb eines vorgegebenen .Arbeitsbereiches nun die Reaktanz der Kapazitätsdiode umgekehrt proportional sur angelegten oteuerspannimg ist, hat die Reaktanz der Kapazitätsdiode D3 den inveröen Temperaturverlauf wie die des ochwingquurzees ljt oo daJ3 dann die Frequenz des Oszillators innerhalb des vorgegebenen Bereiches über der Temperatur konstant gehalten wird.
Die V/erte der Widerstände H6 und H7 werden bo gewählt» daß der
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-7-
ISE/äeg.3703 - 7 -
Differenzverstärker bei der Wnd epunkt temperatur T Gleichgewicht, also Mfferenzspannung Hull aufweist. Dabei werden die ,/erte der Widerstände R4 undB.5 so gewählt, daß die Kapazitätsdiode D3 "bei der Temperatur T so vorgespannt wird, daß der Oszillator 6 bei der ϊ1 eraperatür T auf der Frequenz f schwingt.
Bei schwingquarzen mit AT-bchnitt bleibt der kubische Anteil des Temperaturkoeffiaenten Aveitgeiiend gleich, während sich der lineare anteil bei unterschiedlichen Schiiittwinkeln ändert, so daß für die verschiedenen .^chiiittwinkel ein Abgleich des Hetzwerkes mit linearer i'eruperaturabhängigkeit notwendig ist, um die richtige Änderung der Kap.'j.zit :'/bsdiodenvorspaniiuiig mit der temperatur zu erzielen. Dieses kann z...... einfach durch Verändern der ./erte der wider stände ?uJ und 1.0 erfolgen.
.jjiiifluk der i-urallelkapazität des Schwingquarzes und ihre Streuungen kann durch "/erandern der Verstärkung des Jifferenzverstärfcers korrigiert herden, wobei Versorgungssijannuiigsschv/ankungen diese infolge aes iiohen ;iegenkoiJx^lungGgrades praKtiscii nicht beeiiixluosen.
2 j3i.Zoic.ni;:;. , 4 Ji^.
BAD ORIGINAL·; j„
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Claims (1)

  1. ISB/Reg,37O3 - 8 -
    Pat entansprüche
    1. Schaltungsanordnung zur Kompensation des Temperaturganges eines Oszillators mit piezoelektrischen !Resonatoren innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches, vorzugsweise mit einem in Serienresonanz arbeitenden yuarzschwinger mit AT-Schnitt-, unter Verwendung temperaturabhängiger Widerstände, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation eine mit dem Schwingquarz (5) in Seihe liegende Kapazität (4) temperaturabhängig dadurch gesteuert wird, daß diese Kapazität (4) mindestens zum Teil aus einer Kapazitätsdiode (D3) besteht, daß mittels eines temperaturabhängigen Netzwerkes die Vorspannung der Kapazitätsdiode (Ώ3) so gesteuert wird, daß der Reaktanzverlauf über der Temperatur der Kapazität (4) invers zu dem Reaktanzverlauf des Schwingquarzes (5) verläuft»
    2. Schaltungsanordnung nach ijaspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachbildung des zum Schwingquarz (5) inversen Reaktanzverlaufes der Kapazität (4) die Vorspannung der Kapazitätsdiode (D3) von zwei temperaturabhängigen Netzwerken (1,2) gesteuert wird, daß hierzu die Differenz der Ausgangsspannung eines ersten temperaturabhängigen Netzwerkes (1) mit gemischt kubischem und linearem Koeffizienten und eines zweiten temperaturabhängigen Netzwerkes (2) mit linearem Koeffizienten gebildet wird.
    '■}. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Netzwerk (1) mit gemischt kubischem und linearem Koeffizienten aus der Reihenschaltung zweier Widerstände (R1,R2) mit einem Thermistor (RT) besteht, uie von einer Konstantspannung gespeist wird und deren temperaturabhängige Ausgangsspannung dem Verbindungspunkt zwischen dem Thermistor^RT^ und dem zweiten Widerstand (R2) entnommen wird, während das zweite temperaturabhängige Netzwerk aus der Leinens dialtung eines Siliziumwiderstandes(Ru) mit einem Widerstand (r3^ besteht, die von einer Konstantspannung ■ gespeist wird und ei. υ r en temperaturabhängige Ausgangs spannung dem v'cruiiiaungt^ unkt zwischen dem Siliziumwiderstand (RS) und dem ./i(ler.,ti"uiu ( o) entnommen wird.
    BAD ORIGINAL
    009839/0428
    I32/äeg.37O3 - 9 -
    4. οchaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzbildung mittels eines Differenzverstärkers mit Konstantstromspeisung erfolgt, von dessen Ausgangsspannung die Kapazitätsdiode (D3) gesteuert wird«
    5. οchaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantspannung zur dpeisung der Netzwerke (1,2) durch Zeiierdioden (D1 "bzw. D2) erhalten wird.
    6. οchaltungsanordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die G-rundvorspannung der 'diode (D3) über einen Spannungsteiler (R4,Ä5) eingestellt wird, der zwischen dem Kollektor des durch das netzwerk (2) mit linearem Koeffizienten gesteuerten Transistors (VT2) und dem Schaltungsbezugspunkt (-17 ) angeordnet ist.
    009839/0428
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