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Piezoelektrischer Oszillator mit Temperaturkompensation Die Erfindung
bezieht sich auf einen piezoelektrischen Oszillator mit Teiperaturkompensation,
bei dem zwei oder mehr Schwingkristalle in einem Schwingkreis zusammengeschlossen
sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schwingfrequenz eines
derartigen Oszillators gegenüber Temperatureinflüssen in einem breiten Temperaturbereich
stabil zu machen und dabei das Gerät so zu gestalten, daß es kompakt ist und einfach
hergestellt werden kann.
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Ein Ausführungsbespiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 eine Frequenz-Temperatur-Kurve zweiten Grades eines
piezoelektrischen Schwingkristalls, Fig. 2 eine Frequenz-Temperatur-Kurve dritten
Grades eines anderen piezoelektrischen Schwingkristalls, Fig. 3 die Änderung der
Frequenz-Temperator-Kurven eines temperaturabhängigen Kristalls (AT-Quarzschwinger)
bei
verschiedenen Schnittwinkeln, Fig. 4 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Oszillators, Fig. 5 eine Ersatzschaltung für das Schaltbild
gemäß Fig. 4 zur Berechnung der Schwingungsfrequenz, Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung
des Berechnungsprinzips bei der Ermittlung der Schwingfrequenz, Fig. 7 ein Diagramm,
das eine der Kurve 14 in Fig. 6 entsprechende Kurve zur Darstellung der Kompensation
der Frequenzänderung a m und der Kompensation des Temperaturbereichestot zeigt,
Fig. 8 ein Diagramm, aus dem die Kombination von Parametern zur Erzielung der erfindungsgemäßen
Temperatur-Kompensation bei piezoelektrischen Schwingkristallen hervorgeht und Fig.
9 ein Diagramm, das das Berechnungsprinzip für drei Schwingkristalle veranschaulicht.
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Es ist bakannt, daß Oszillatoren, die von Schwingkristallen mit scharf
begrenztem Resonanzbereich stabilisiert sind, zur Konstanthaltung der Frequenz verwendet
werden. Bei derartigen piezoelektrischen Oszillatoren werden Schwingkristalle mit
Null-Temperaturkoeffizient verwendet, um die Frequenzänderung gegenüber einer Temperaturänderung
klein zu halten. Bei derartigen Schwingkristallen kommt jedoch nur bei einer bestimmten
Temperatur ein Null-Temperaturkoeffizient in Betracht, so daß sie, wenn sich die
Schwingfrequenz entsprechend den Figuren 1 und 2 ändert, bei praktischer Verwendung
in weitem Temperaturbereich der Aufrechterhaltung der Stabilität der Oszillatorfrequenz
hinderlich sind.
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Eine Kurve wie in Fig. 1 charakterisiert einen BT-, CT-, DT-oder X-Quarzkristall
und wird als Kurve zweiten Grades bezeichnest. Die Beziehung zwischen Schwingfrequenz
f und Temperatur t ist folgende, wobei die Werte für Temperatur und Frequenz Jeweils
jeweils
die Scheitelwerte tp und fp sind:
Bei einem BT-Quarzkristall, d.h. einem Kristall mit negativem Temperatureingang,
bei dem a ~ -4 x 10 8/0C2 ist, ist es schwer, den Wert der Frequenzänderung unter
5 x 106 bei einer Temperaturänderung über * 100C zu halten.
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Die Scheiteltemperatur kann willkürlich durch Änderung des Schnittwinkels
des Schwingkristalls oder durch andere geeignete Maßnahmen verschoben werden. Dabei
andere sich der Wert des Koeffizienten a . Die Änderung ist jedoch nicht groß.
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Eine Kurve wie in Fig. 2 charakterisiert einen GT-Schwingquarz und
man bezeichnet sie als Kurve dritten Grades. Die Beziehung zwischen Schwingfrequenz
und Temperatur ist folgende, wobei die Werte für Temperatur und Frequenz jeweils
die am Wendepunkt sind, d.h. ti und
Bei einem AT-Schwingquarz ist es schwierig, den Wert der Frequenzänderung über einen
Bereich von + 40 0C zu halten. Jedoch kann die Chrakteristik durch Änderung des
Schnittwinkels geändert werden (Fig. 3). Die Wendepunkt-Temperatur wird dabei wenig
geändert und liegt stets um 25°C.
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Um Temperatureinflüsse auf die Oszillatorfrequenz herabzusenken, werden
bevorzugt Thermostate verwendet. Deren Verwendung ist jedoch im Hinblick auf ihre
Sperrigkeit und dem mit ihnen verbundenen Anstieg im Verbrauch elektrischer Leistung
nicht erwünscht.
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Andererseits ist der sogenannte TCXO (temperature compensation quartz
ostillator) weit verbreitet, der eine veränderliche Reaktanz, wie z.B. einen Varactor,
parallel zum Schwingquarz aufweist, um die Gleichstromverspannung desselben mittels
eines Thermistors o.dgl. zu steuern. W@gen der Größe der Streuung der Charakteristik
derartiger thermosensitiver Elemente hat der
TCXO den großen Nachteil,
daß er in Konstruktion und Einstellung schwierig ist, was eine Massenproduktion
ausschließt.
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In dem "Marconi Review", Vol. 31, Nr. 169, Seite 57, 1968, ist vorgeschlagen
worden, BT-Schwingquarze parallel geschaltet in einem Oszillatorschwingkreis zu
verwenden.
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Ebenso ist in einer japanischen Veröffentlichung (Denkitsu-shin Gakkai
Zenkokutaikai Koen 112) ein entsprechender Vorschlag gemacht worden, um eine Kompensation
der Oszillatorfrequenz gegenüber der Temperaturänderung zu erreichen, und zwar durch
geeignete Wahl von Parametern in bezug auf die Schwingquarze.
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Bei dem letzteren Vorschlag ist nicht nur keine Angabe gemacht, wie
die Schaltung vorzunehmen wäre, es ist auch wegen der Schwierigkeit der Auswahl
des Temperatur-Wendepunktes äußerst schwer, die Kompensation# in einen gewünschten
Temperaturbereich zu realisieren, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, die in
der Praxis von Bedeutung sind. Bei dem ersteren Vorschlag wären zwei Schwingkristalle
nicht ausreichend, weil die Frequenz-Temperaturkurven von BT-Schwingquarzen in höchstem
Maße schlecht sind. Es wären deshalb drei oder mehr Schwingquarze erforderlich,
die den Oszillator zu kompliziert machen würden, Obwohl im vorangegangenen stets
von Schwingsquarzen die Rede war, könnten auch andere piezoelektrische Schwingen
in Betracht kommen, wie z.B. solche aus piezoelektrischer Keramik oder Lithiumtantal
. Es ist ferner bekannt, daß die Scheiteltemperatur einer Frequenz-Temperatur-Kurve
zweiten Grades relativ leicht durch geeignete Auswahl der Zusammensetzung oder des
Schneidwinkeis des Schwingkristalls verschoben werden kann und daß die Wendepunkttemperatur
einer Kurve dritten Grades sehr schwer verschiebbar ist.
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Die Erfindung ist auf die Beseitigung der bisher bestehenden Schwierigkeiten
gerichtet. Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß unter einer Vielzahl
piezoelektrischer Schwingkristalle eines Oszillators mindestens einer vorgesehen
wird mit einer Frequenz-Temperatur-Kurve dritten Grades und unter den anderen einer
mit einer Frequenz-Temperatur-Kurve
zweiten Grades, so daß eine
Schwingfrequenzänderung in einen gegebenen Temperaturbereich kompensiert wird, Es
wird nun auf Fig. 4 bezug genommen, die einen Oszillator mit zwei Schwingkristallen
zeigt. Der Schwingkristall 1 hat als Charakteristik eine Kurve dritten Grades mit
einer Wendepunkttemperatur t1. Der Schwingkristall 2 hat als Charakteristik eine
Kurve zweiten Grades mit einer Scheiteltemperatur t2.
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Beide Schwingkristalle liegen parallel geschaltet am Oszillator 3.
Die Schwingfrequenz kann mittels des Ersatzschaltbildes in Fig. 5 ermittelt werden,
in der Reihenresonanzkreise 4 und 5 einen dynamischen Impedanzzweig der Schwingkristalle
1 bzw. 2 darstellen. Die Parallelkapazität 6 stellt die Summe der äquivalenten Parallelkapazitäten
der beiden Schwingkristalle dar und der Oszillatorschwingkreis 3 wird wiedergegeben
durch eine Parallelverbindung einer Kapazität 7 mit einem negativen Widerstand 8.
Die Kapazität 7 kann einen negativen Wert haben.
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Die Ersatzinduktivität des Schwingkristalls 1 und dessen Ersatzreaktanz
sind mit L und XL bezeichnet. Die Induktivität des Schwingkristalls 2 ist mit kL,
deh k ~ L,bezeichnet. Die Summe der Werte der Kapazitäten 6 und 7 wird Ladekapazität
CT genannt und die Reaktanz dieser Ladekapazität ist XT Fig, 6 zeigt eine Frequenz-Temperatur-Kurve
eines erfindungsgemäßen Oszillators. Die kurven 10 und 11 sind Resonanzfrequenz
kurven der dynamischen Impedanzzweige 4 und 5. Zunächst wird in der Ersatzschaltung
nach Fig. 5 angenommen, daß der dynamische Impedanzzweig 5 nicht vorhanden ist,
sondern nur der Zweig 4.
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Dies entspricht einem üblichen Quarzoszillator mit einem Schwingkristall.
Seine Schwingfrequenz fnl hätte den Verlauf gemäß der Kurve 12 in Fig. 6, die der
um den Wert XT/2XL erhöhten Kurve 10 entspricht.
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Im Falle der vorliegenden Erfindung, wo zwei dynamische Impedanzzweige
vorhanden sind und wo gesagt werden kann, daß sie in Form. von zwei verbundenen
Serienresonanzkreisen mit einer Verbindungsreaktanz XT vorliegen, ist die Schwingfrequenz
fn durch folgende Gliederung gegeben:
Da dies eine Gleichung ist, die fn betrifft, erhält man zwei Wurzeln und man hat
den Effekt der Temperaturkompensåtion, wie dies in Fig. 6, kurve 14, gezeigt ist.
Da glücklicherweise die Dämpfung beider Schwingquarze gleich ist, wenn der Schwingkreis
gemäß Kurve 14 schwingt, ist die Temperaturkompensation verwirklicht.
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Die Kurve in Fig, 7 entspricht der Kurve 14 in Fig. 6. Der Abstand
zwischen dem höchsten Berg und dem tiefsten Tal wird als Komp ens ati onsfre quenzänderungswerlt
# m bezeichnet. Der Bereich, in dem die Frequenzänderung enthalten ist, wird als
Kompensationstemperaturbereich #f bezeichnet.
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Bei der Konstruktion eines Oszillators ist der Wert = vorbestimmt.
Demzufolge sind der Schneidwinkel Jedes Schwingkristalls, der Temperaturabstand
zwischen Temperaturwendepunkt t1 und Scheiteltemperatur t2 und der Abstand zwischen
den Resonanzfrequenzen der dynamischen Impedanzzweige bei diesen Temperaturen, deren
letzterer Abstand dem Abstand 1 in der Frequenzänderungswert zwischen t2 und t1
in Fig. 6 entspricht, der Wert k der Ersatzinduktivitäten und die Ladekapazität
in ihren Parametern zu optimieren, um den größten Wert von <2=t zu erhalten.
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Die Berechnung kann leicht mit einem Computer vorgenommen werden.
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In Fig. 8 ist das Ergebnis einer solchen Berechnung gezeigt.
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Dabei wurde für den Schwingkristall 1 gemäß Fig. 4 ein AT-Schwingquarz
mit einem Schnittwinkel gewählt, bei dem er einen Null-Temperaturkoeffizient hat.
Der Null-Temperaturkoeffizient entspricht einem solchen Fall, in dem die Koeffizienten
α und ß in der Gleichung (2) zu Null gemacht werden. Für den Schwingkristall
2 gemäß Fig. 4 wurde ein BT-Schwingquarz verwendet und für den Wert der Ersatzinduktivität
wurde der Wert drin gewählt.
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Im Diagramm sind die Werte der Parameter #1, t2, (XT/2Xt) gezeigt,
die nach gegebenen m auszuwählen sind, ferner die Werte von #t , die aus den anderen
Parametern berechnet werden können.
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Weil die Werte 81 negativ sind, muß eine Scheitelfrequenz des BT-Schwingkristalls
mit einem Wert ausgewählt werden, der niedriger liegt als die Wendepunktfrequenzdes
AT-Schwingkristalls.
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Es hat sich gezeigt, daß mittels der oben angegebenen Berechnung die
Frequenzänderung eines Oszillators innerhalb von + 1- 10 6 z.B. in einem Temperaturbereich
von 1 1 OOC gehalten werden kann. Dies ist auch experimentell bestätigt worden.
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Die Erfindung ist bisher anhand einer Kombination eines AT- und eines
BT-Schwingquarzes erläutert worden. Es ergibt sich jedoch auch die Anwendung auf
einen anderen Oszillator, bei dem ein oder jeder Schwingkristall aus einem doppelt
gedrehten Kristall mit Y-Schnitt gemacht ist, d.h. aus einem Schwingkristall mit
Null-Temperaturkoeffizient, der eine YZ Stirnfläche aus Quarz hat, an die die Senkrechte
zu einer Plattenfläche legbar ist.
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In Fällen, wo die Frequenz relativ niedrig ist, können auch GT-Schwingkristalle
mit einer Kurve dritten Grades verwendet werden. Als Schwingkristalle mit einer
Kurve zweiten Grades sind verschiedene verwendbar, wie z.B. solche mit CT-, DT-,
ET-, FT-Schnitt, Längsschwingungs-X-Schnitt, Biegeschwingungs-X-Schnitt, MT-Schnitt
und NT-Schnitt. Es können auch Biegestäbe mit XY-Schnitt verwendet werden.
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Der Wertstoff für die Schwinger ist nicht allein Quarz sondern auch
Einkristalle aus Lithiumtantal oder auch piezoelektrische Keramik, Obwohl die genannten
Gleichungen (1) und (2) angenähert sind und höhere Werte erforderlich sind, um die
tatsächlichen Kurven in einem größeren Temperaturbereich darzustellen, ist es offensichtlich,
daß die beschriebenen Schritte für die Konstruktion eines Oszillators anwendbar
sind. Wenn es erwünscht ist, einen größeren Temperaturbereich zu kompensieren, so
kann ein weiterer Schwingkristall mit einer Kurve zweiten Grades parallel hinzugeschaltet
werden. Als Beispiel ist in Fig. 9 der Kurvenverlauf von drei parallel geschalteten
Schwingern gezeigt. In Fig. 9 zeigt jede Kurve 10,11 oder 15 eine Resonanzfrequenz
des dynamischen Impedanzzweiges der entsprechenden Schwinger. Jede Kurve 12, 13
oder 16
zeigt eine Schwingungsfrequenz eines Oszillators, in dem
jeder der dynamischen Impedanzzweige gerade unabhängig ist, Die Kurve 17 ist die
resultierende Kurve aller drei Schwingkristalle.
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Wie aus Fig. 9 hervorgeht, kann mit drei Schwingkristallen ein weiterer
Temperaturbereich kompensiert werden als mit zwei, wie in Fig. 6 gezeigt. Daraus
geht hervor, daß mit steigender Zahl von Schwingkristallen ein um so größerer Temperaturbereich
kompensiert werden kann, was allerdings mit einer aufwendigeren Konstruktion und
Herstellung des Oszillators verbunden ist.
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Wie die Dinge liegen, ist es schwer, die Resonanzfrequenz oder die
Quarzinduktivität eines Schwingkristalls konstruktionsw mäßig auf dem Papier nur
mittels mechanischer oder vakuumtechnischer maßnahmen in den Griff zu bekommen,
andererseits kann ein Schwingkristall sehr leicht, mittels einer kleinen Reaktanz
angepaßt, parallel an einen Schwingkristall geschaltet werden.
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Gemäß der Erfindung kann ein Oszillator mit einem weiten Temperaturkompensationsbereich
mittels einer kleinen Zahl von Schwingkristallen im Schwingkreis geschaffen werden,
ohne daß Thermostate oder Thermistoren vorgesehen werden müssen. Demzufolge eröffnet
die Erfindung ein breites Anwendungsgebiet, insbesondere für tragbare Funkgeräte
und andere Sender.
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Patentansprüche