DE2101293A1 - Temperaturkompensationskreis - Google Patents

Description

Anmelder: Stuttgart, den I3. Januar 1971

Nippon Electric Company, Ltd. P 2316 7-15, Shiba Gochome

Minato-Ku

Tokyo / Japan

Vertreter:

Patentanwalt
Dipl.-Ing. Max Bunke
7 Stuttgart 1 Lessingstr. 9

Temperaturkompensationskreis

Die Erfindung betrifft einen Temperaturkompensationskreis für einen Oszillator.

Ea sind verschiedene Verfahren zur Temperaturkompensation bei Oszillatoren bekannt. So wird z.B. eine Kapazitätsdiode verwendet, deren Sperrspannung entsprechend der Uegebungstemperaturänderung geändert wird. Auch kann ein

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Bimetallelement verwendet werden, das durch die Temperaturänderung verformt wird und dessen sich dadurch ergebende mechanische Energie verwendet wird, um entweder ein Kapazitätselement zu ändern oder Pestkondensatoren zu schalten. Diese bekannten !Compensationsanordnungen haben jedoch die folgenden Nachteile: Bei einer Anordnung mit einer Kapazitätsdiode ist es nicht möglich, alle gewünschten Kapazitätswerte in Abhängigkeit von der Sperrspannung zu erhalten und daher muß die temperaturabhängige Kennlinie der Auagangsgleichspannung entsprechend der zu kompensierenden Kennlinie der Oszillatorfrequenz eingestellt werden. Dies erfordert eine Auswahl unter Kapazitätsdioden mit stark voneinander abweichenden Eigenschaften und einen komplizierten Einstellvorgang. Die mechanische Kompensationsanordnung, bei der ein Bimetallelement verwendet wird, ist dagegen schwierig herzustellen, da sie durch Temperaturänderungen erzeugte mechanische Energie verwendet. Sie hat daher nur eine begrenzte Genauigkeit der Kompensation und nimmt außerdem einen relativ großen Raum ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Temperaturkompensationskreis für einen Oszillator zu schaffen, mittels dem jede Frequenz/ Temperatur-Kennlinie kompensiert werden kann, ohne daß die zuvor erwähnten Nachteile auftreten.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Steuerkreis zur Erzeugung einer sich entsprechend der Umgebungstempe ratur ändernden Spannung, und mehrere zu den frequenzbestimmenden Kreis de· Oszillators in Reih· geschaltete Kreis«, die aus wenigstens einem Reaktanz·leeent und •in·» Halbleiterschaltelement bestehen.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 6 beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und b Schaltbilder zur Erläuterung der Arbeitsweise von Halbleiterschaltelementen,

Fig. 2 ein Schematisches Schaltbild des grundlegenden Aufbaus des Temperaturkompensationskreises gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungeform des Temperaturkompensationskreises gemäß der Erfindung,

Fig. k ein Diagramm mit der Frequenz/Temperatur-Kennlinie der Kreise der Fig. 1_f

Fig. 5 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung,

und

Fig. 6 ein Diagramm mit der Frequenz/Teeperatur-Kennlinie des Kreises der Fig. 5.

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Fig. 1a zeigt schematisch die Arbeitsweise einer Zenerdiode als Beispiel für Halbleiterdioden, die in Abhängigkeit von der Größe einer Gleichspannung geschaltet werden. Eine Spannungsquelle E ist an eine Zenerdiode D in Sperrichtung angeschlossen. Vie bekannt ist, wird die Zenerdiode in Durchlaßrichtung betrieben, wenn E^ V

und in Sperrichtung, wenn E<V ist, wobei V die Zener-

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spannung der Zenerdiode D ist.

Aus Fig. 1b geht der Schaltvorgang einer üblichen Diode D¹ hervor, die an eine in Durchlaßrichtung geschaltete Spannungsquelle E und an eine in Sperrichtung geschaltete Spannungsquelle E, angeschlossen ist. Die Diode wird in Durchlaßrichtung betrieben, wenn E > E, und in Sperrichtung, wenn E < E, ist.

Fig. 2 zeigt schematisch das grundsätzliche Schaltbild eines Temperaturkompensationskreises gemäß der Erfindung. Eine Gleichspannung wird von einer Bezugsspannungsquelle 1 über einen temperaturempfindlichen Spannungssteuerkreis 2 an jeden der Halbleiterschaltkreise 31 bis 34 gelegt, an die die Reaktanzelemente 41 bis hk angeschlossen sind, bzw. alle Reaktanzelemente werden in Reihe zu einem Quarzkristall 5 geschaltet, um zusammen mit einem Hauptoszillatorkreis 6 einen Teil eines Oszillators zu bilden. Es können z.B. Zenerdioden in den Halbleiterschaltkreisen 31 bis Jk verwendet werden, deren jeweilige Zenerspannung V geringfügig von den anderen verschieden ist. In Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des temperaturempfindlichen Spannungssteuerkreises werden diese Dioden, deren Zenerspannung V kleiner ist als die Ausgangsspannung, durchgeachal-

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tet und schalten die zugehörigen der Reaktanzelemente 41 bis kk in Reihe zu dem Quarzkristall 5 t wodurch die Oszillatorfrequenz gesteuert wird. Eine Kompensation kann somit durch geeignete Wahl der Größe der Reaktanzelemente 41 bis hh entsprechend der zu kompensierenden Oszillatorfrequenzänderung erreicht werden. Die gleichen Ergebnisse können durch Verwendung üblicher Dioden mit je einer Sperrspannung E, entsprechend Fig. 1b in den Haltleiterschaltkreisen 31 bis 3^ erreicht werden. Somit erhält man am Ausgangsanschluß 7 eine kompensierte Oszillatorausgangsspannung·

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform des Temperaturkompensationskreises gemäß der Erfindung, in deren Halbleiterschaltkreisen 31 bis 35 Zenerdioden (z.B. Zenerdioden vom Typ RD-^A, RD-6A, RD-8A, ..... und RD-4OA der Firma Nippon Electric Co., Ltd.) und Kondensatoren als Reaktanzelemente k^ bis h$ verwendet sind. Eine Gleichspannung wird von einer Bezugsspannungsquelle 1 über einen temperaturempfindlichen Spannungssteuerkreis 2 in Sperrichtung an jede der Zenerdioden 31 bis 35 gelegt. Die Kondensatoren h*\ bis k5 sind in Reihe zu den Zenerdioden 31 bis 35 geschaltet. Diese fünf Serienkreise sind in Reihe an den Quarzkristall 5 und außerdem an den Haupt*»oszilla- torkreie 6 angeschlossen. Widerstände 31' bis 35' dienen al· Schutzwiderstände, wenn die Zenerdioden 31 bis 35 durchgeschaltet sind, und zugleich als Vorwidere tänd β für die Zenerdioden 31 bis 35· Der tempe raturempfindliche Spannungssteuerkreis 2 ist so ausgebildet, daß sich seine Ausgangsspannung in einem

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positiven und im wesentlichen linearen Verhältnis zu der Temperatur ändert. Ein solcher Kreis kann Thermistoren, Posistoren od.dgl. Elemente enthalten, wie sie in "Temperature Compensation of Quartz Crystal Oscillators" von D.E. Newell et al, erschienen in "Proceedings of the 11th Annual Symposium on Frequency Control", 27. bis 29. Mai I963 (Fig. 5 und Seite 492) beschrieben sind. In dem vorliegenden Kreis ist die Zenerspannung V einer jeden der Zenerdioden 3I bis 35 geringfügig von den anderen verschieden. Wie Fig. zeigt, werden die Zenerspannungen V der Zenerdioden

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31 bis 35 gleich der Ausgangsspannung V₁ZvV- des Spannungssteuerkreises 2 entsprechend der Temperatur T °C bis T-°C gewählt. Die Werte der Kondensatoren 4i bis 45 werden so bestimmt, daß z.B. der Kondensator

41 der Frequenzänderung entgegenwirkt, die durch die Temperaturänderung T₁ C^T_n C verursacht wird (vgl. Kurve A in Fig. 4, die die Frequenz/Temperatur-Kennlinie ohne Kompensation wiedergibt). Die Kondensatoren

42 bis 45 werden entsprechend gewählt, so daß, wenn die Temperatur von T_n C auf T. C ansteigt, bei der die Zenerdiode 3I leitend wird, der Kondensator 41 in Reihe zu dem Quarzkristall 5 geschaltet wird, so daß die Oszillatorfrequenz vermindert wird. Wenn die Temperatur auf T °C ansteigt, schaltet die Zenerdiode 32 den Kondensator 42 an den Quarzkristall 5 an. Ähnliche Vorgänge treten aufeinanderfolgend auf und führen schließlich zu der kompensierten Frequenz/Temperatur-Kennlinie B der Fig. 4.

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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, deren Frequenz/Temperatur-Kennlinie in Fig. 6 gezeigt ist. In dem Temperaturkompensationskreis der Fig. 5 werden Induktivitäten kl* bis 45' als Reaktanzelemente verwendet. Die Elemente, die die gleichen Bezugsziffern haben wie die der Fig. 4, wirken in der gleichen Weise, weshalb sie nicht näher beschrieben sind. Die Schutzwiderstände 31 bis 35 sind durch Kondensatoren 31" bis 35" überbrückt. Wie bekannt ist, vermindern Induktivitäten, die in Reihe zu dem Quarzkristall 5 geschaltet sind, die Oszillatorfrequenz. Daher kann diese Anordnung die Frequenz/Temperatur-Kennlinie A¹ der Fig. 6 kompensieren, die entgegen der Kennlinie A der Fig. k verläuft. Die Kurve B· der Fig. 6 stellt die kompensierte Kennlinie dar.

Obwohl die Ausgangsspannungen der temperaturempfindlichen Spannungssteuerkreise der Figuren k und 6 positiv sind, ist es auch möglich, die Ausgangsspannungen negativ zu machen, wodurch man unter ausschließlicher Verwendung von Kondensatoren als Reaktanzelementen eine Temperaturkompensation ähnlich der Fig. 6 erhält. In diesem Fall verläuft die Frequenz/Temperatur-Kennlinie quadratisch. Man kann auch eine Kompensation durch Kombination der Ausführungsformen der Figuren 3 und 5 erreichen. Dadurch, daß man den temperaturempfindlichen Spannungssteuerkreis so ausbildet, daß seine Ausgangsspannungskennlinie quadratisch, kubisch oder höherer Ordnung ist, kann eine Temperaturkompensation verschiedener Arten von Kennlinien erzielt werden (β. die oben angegebene Veröffentlichung).

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Bei dem Temperaturkompensationskreis gemäß der Erfindung steuert die Ausgangsspannung des temperaturempfindlichen Kreises nicht direkt die Oszillatorfrequenz, sondern schaltet nur Dioden, so daß der Aufbau des Spannungsteilers sehr einfach sein kann. Da außerdem das Reaktanzelement zur Kompensation der Oszillatorfrequenz beliebig gewählt werden kann, ist der steuerbare Bereich nicht wie im Falle der bekannten Kompensation mit Kapazitätsdioden begrenzt, sondern man erhält eine Kompensation in einem weiten Bereich. Außerdem kann der Wert des Reaktanzelements, der zur Kompensation bei jeder Temperatur erforderlich ist, leicht berechnet werden, so daß die Genauigkeit der Kompensation ohne komplizierte Einstellung sichergestellt ist. Obwohl die Kompensation der Oszillatorfrequenz notwendigerweise in einer direkten Art durchgeführt wird, kann die Frequenzwelligkeit durch Erhöhung der Anzahl der Zweige mit Halbleiterschalterelementen und Reaktanzelementen vermindert werden. Schließlich ist der Kompensationskreis gemäß der Erfindung für eine integrierte und mikrominiaturisierte Schaltkreistechnik geeignet, da er mehrere ähnliche Kombinationen aus Halbleiterschaltkreis- und Reaktanzelementen enthält.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   ./ Temperaturkompensationskreis für einen Oszillator, gekennzeichnet durch einen Steuerkreis (2) zur Erzeugung einer sich entsprechend der Umgebungstemperatur ändernden Spannung, und mehrere zu dem frequenzbestimmenden Kreis (5»6) des Oszillators in Reihe geschaltete Kreise, die aus wenigstens einem Reaktanzelement (41-45) und einem Halbleiterschaltelement (31-35) bestehen.
2. 2. Kompensationskreis nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 4| zeichnet, dass die in Reihe geschalteten Kreise aus einer Zenerdiode (31-35) und einem dazu parallelgeschalteten Kondensator (41-45) bestehen.
3. 3. Kompensationskreis nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Schutzwiderstand (31'-35')i der parallel zu dem Kondensator (41-45) geschaltet ist.
4. 4. Kompensationskreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe geschalteten Kreise aus einer Zenerdiode (3I-35) und einer dazu in Reihe geschalteten Induktivität (4i'-45') bestehen.
5. 5. Kompensationskreis nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Schutzwiderstand (31'-35^f)» der in Reihe zu der Induktivität und der Zenerdiode geschaltet ist.
6. 6. Kompeneationskreis nach Anspruch 5t gekennzeichnet durch «inen zu dem Schutzwiderstand parallelgeschalteten Kondensator (31 "-3S¹¹).

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