DE2617737A1

DE2617737A1 - Temperaturkompensationsschaltung fuer einen oszillator

Info

Publication number: DE2617737A1
Application number: DE19762617737
Authority: DE
Inventors: Anthony Francis Keller; Dennis Fisher Marvin
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1975-04-25
Filing date: 1976-04-23
Publication date: 1976-11-04
Also published as: CA1038050A; GB1508551A; JPS51139751A; US3970966A; DE2617737C2; JPS6035618U

Description

Dipl.-Phys. O.E. Weber d-8 München 71

Patentanwalt Hofbrunnstraße 47

Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweüer münchen

Ii 169

HOTOROLA, INC,
-aast Algonquin Road
Schauniburg, 111. GOiS¹O₅ UCA

Temperaturkompensationssciialtuns für einen oszillator

Die Erfindung betrifft allgemein Temperaturkompensationsschaltungen für Kristalloszillatoren und bezieht sich insbesondere auf eine Kompensationsschaltung, welche eine Steuerspannung erzeugt, die einer Varaktordiode zugeführt wird, um die Frequenz eines liristalloszillators auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten, wenn sich die Temperatur des Oszillators verändert.

Cszillatoren, welche einen die Frequenz bestimmenden Kristall haben, werden allgemein dazu verwendet, eine stabile Ausgangsfrequenz zu erreichen. Jedoch sind die in solchen Oszillatoren verwendeten kristalle temperaturempfindlich, und deshalb ist normalerweise eine Temperaturkompensationseinrichtung erforderlich, um eine extrem stabile Oszillatorausgangsfrequenz zu gewährleisten. Es werden zur Stabilisierung der Kristalloszillatorfrequenz grundsätzlich zwei verschiedene Methoden angewandt. Eine hetiiode besteht darin, den Oszillator in einem Ofen anzuordnen und auf diese Weise den Kristall auf einer konstanten Temperatur zu halten. Dies erfordert einen verhältnismäßig großen Kaum, und es wird eine erhebliche Energie verbraucht.

Eine weitere Iiethode, die grundsätzlich im allgemeinen Sinn

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auch gemäß der ürfinaung angewandt %fird, besteht darin, eine mit der Temperatur veränderliche Spannung zu erzeugen und diese Spannung an einen mit der Spannung veränderlichen Kondensator (Varaktordiode) anzulegen, um die Resonanzfrequenz des jiristalloszillators zu steuern.

In üen meisten Oszillatoren wird ein AT-Kristall verwendet, der allgemein eine kubische Frequenz-Temperatur-Charakteristik aufweist, die "bei etwa +26,5 °C einen Wendepunkt hat. Die exakten Temperaturcharakteristika einzelner AT-Kristalle sind verhältnismäßig unterschiedlich und hängen davon ab, wie der Kristall hergestellt wurde. Um daher einen Oszillator vollständig zu kompensieren, der einen AT-Kristall verwendet, sollte die an die Varaktordiode angelegte Spannung eine Temperaturveränderung haben, welche im wesentlichen derjenigen ähnlich ist, die der speziell verwendete Kristall aufweist.

Bei einigen bekannten Schaltungen wurde eine sich nach einem kubischen Gesetz mit der Temperatur ändernde Spannung dadurch erzeugt, daß eine sich linear ändernde Spannung zweimal multipliziert wurde, solche Systeme sind jedoch außerordentlich komplex und lassen sich nicht hinreichend genau und leicht einstellen, um die Spannungs-Temperaturkurve zu kompensieren, welche für einen speziellen Kristalloszillator erforderlich ist.

Sine weitere bekannte Hethode, bei der ebenfalls ein Kristalloszillator unter Verwendung eines AT-Kristalls teilweise kompensiert wird, verwendet Netzwerke für einen heißen und einen kalten Bereich, d. h. für einen Bereich hoher und niedriger Temperatur, um eine nicht-lineare Temperaturveränderung in einer Steuerspannung oberhalb und unterhalb von zwei festgelegten Temperaturen zu liefern, während in einem mittleren Temperaturbereich eine konstante Steuerspannung angelegt wird. Außerdem werden auch femperaturempfindliche Kondensatoren im Kristalloszillator verwendet, um die im wesentlichen lineare Frequenz-

Temperatür-Veränderung des Kristalls auf ein Minimum zu bringen, die im mittleren Temperaturbereich vorhanden ist. Solche Schaltungen kompensieren jedoch den Resonanzkristall nur teilweise. Sie sind auch nicht zur Anwendung geeignet, bei welchen der Kristall in einem Oberwellenmodus zu Schwingungen angeregt wird, weil temperaturempfindliche Kondensatoren dann im allgemeinen nicht in der Lage sind, die lineare Veränderung im Bereich mittlerer Temperatur in angemessener Weise zu kompensieren.

Eine weitere Methode zur Erzeugung einer Temperaturkompensations-Steuerspannung besteht darin, einen Thermistor und eine Reihe von Zenerdioden zu verwenden, welche verschiedene Durchbruchsspannungen haben, um praktisch eine "stückweise" nicht-lineare Spannung zu erzeugen, welche derart eingestellt wird, daß sie einer gewünschten Kurve entspricht. Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, daß irgendeine Einstellung eines einzelnen stückweisen, nicht-linearen Abschnittes eine Anzahl von anderen Abschnitten beeinflußt und erfordert, daß diese Abschnitte neu eingestellt werden, wodurch wiederum erforderlich wird, weitere Einstellungen vorzunehmen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß viele Bauteile erforderlich sind, um eine hinreichend genaue Kurve zu erreichen. Diese zusammengesetzte Kurve hat abrupte (stufenweise) Veränderungen in ihrer Steigung, und zwar für jeden stückweisen Abschnitt, und deshalb ist eine vollkommene Kompensation nicht durchführbar. Außerdem ist der Entwurf des Kompensationsnetzwerkes schwierig, weil nur Zenerdioden zur Verfügung stehen, die bestimmte diskrete Durchbruchsspannungen haben.

Somit ist es mit bekannten Systemen lediglich möglich, den Kristalloszillator nur zum Teil zu kompensieren, indem eine Steuerspannung an eine Varaktordiode angelegt wird und/oder in abhängiger Weise eine Temperatürsteuerspannung erzeugt wird, die nicht leicht einzustellen ist, um einen beliebigen Kristalloszillator exakt zu kompensieren, der einen bestimmten AT-Kristall verwendet.

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Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonders einfache Temperaturkompensationsschaltung für einen Kristalloszillator zu schaffen, welcher unter Überwindung der obigen Schwierigkeiten eine besonders genaue Temperaturkompensationsgewährleistet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, deren Reaktanz sich mit der Spannung ändert, welche mit dem Kristall des Oszillators verbunden ist, um die Oszillatorfrequenz in Reaktion auf eine Spannung zu verändern, welche der Reaktanzeinrichtung zugeführt wird, daß weiterhin eine Kompensationseinrichtung vorhanden ist, welche dazu dient, eine Steuerspannung zu erzeugen, und zwar mit einer Spannungs-Temperatur-Charakteristik, welche eine im wesentlichen lineare Veränderung im Bereich mittlerer Bereich aufweist und eine im wesentlichen nicht-lineare Veränderung in wenigstens einem der Bereiche hoher und niedriger Temperatur zeigt, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, um die Steuerspannung mit der Reaktanzeinrichtung zu verbinden, wodurch die Oszillatorfrequenz auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird, und zwar über alle Temperaturbereiche, daß weiterhin die Kompensationseinrichtung eine erste Schaltungseinrichtung aufweist, welche dazu dient, in unabhängiger Weise die lineare Veränderung in den mittleren Bereich zu erzeugen, daß die Kompensationseinrichtung weiterhin eine zweite Schaltungseinrichtung aufweist, um eine im wesentlichen nicht-lineare Veränderung in einem der Temperaturbereiche hervorzurufen, wobei die Anordnung weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweite Schaltungseinrichtung eine Schaltung aufweist, welche dazu dient, um in unabhängiger Weise den Betriebstemperaturbereich festzulegen, in welchem die zweite Schaltungseinrichtung eine beliebige nennenswerte Veränderung in der St euer spannung als !Punktion der Temperatur hervorruft. ^:

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Nach, dem Grundgedanken des Erfinders wird ein Kristalloszillator somit dadurch, kompensiert, daß eine Kompensationsspannung angelegt wird, die eine vorgegebene Spannungs-Temperatur-Charakteristik hat, wobei die Kompensationsspannung an eine Varaktordiode angelegt wird, welche die Resonanzfrequenz des Kristalloszillators steuert. Die Kompensationsspannungscharakteristik ist im Bereich mittlerer Temperatur im wesentlichen linear, und sie ist im Bereich hoher und tiefer Temperatur im wesentlichen nicht-linear und weist eine Änderung der Steigungspolarität auf. Die erfindungsgemäße Konpensationsschaltung weist eine erste Schaltung auf, die in unabhängiger Weise und in vollkommener Weise eine stufenlose lineare Veränderung im Bereich mittlerer Temperatur erzeugt, und sie hat eine zweite Schaltung, welche im wesentlichen die gewünschte nicht-lineare Veränderung entweder im Bereich hoher oder im Bereich tiefer Temperatur hervorruft. Indem die Steuerspannung für den mittleren Bereich in unabhängiger Weise erzeugt wird, kann die Steigung der Steuerspannung in diesem Bereich auf einen beliebigen gewünschten Wert verändert werden. Da die zweite Schaltung im wesentlichen die nicht-lineare Veränderung entweder im Bereich hoher oder im Bereich tiefer Temperatur steuert, kann diese Schaltung derart eingestellt werden, daß eine beliebige gewünschte nicht-lineare Veränderung

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erzeugt wird. Indem somit zunächst die Veränderung im mittleren Bereich eingestellt wird und anschließend die Veränderung für den Bereich hoher oder den Bereich tiefer Temperatur eingestellt wird, kann gemäß der Erfindung ein beliebiger Kristalloszillator temperaturkompensiert werden.

Eine dritte Schaltung, welche dazu dient, um im wesentlichen die Steuerspannung im Bereich hoher oder im Bereich tiefer Temperatur zu verändern, ohne daß eine Beeinflussung durch die zweite Schaltung auftritt, kann als ein Teil der Temperaturkompensationsschaltung verwendet werden. Diese dritte Schaltung arbeitet vorzugsweise ähnlich wie die zweite Schaltung, und zwar in ihrer Auswirkung auf die Steuerspannungs-Temperatur-Gharakteristik.

Zusätzlich liefert die erste Schaltung die Steuerspannung mit einem Wendepunkt im Bereich mittlerer Temperatur, in dem ein Widerstand zu einem Thermistor parallelgeschaltet wird. Dieser Wendepunkt dient dazu, die Kristallveränderung exakt zu kompensieren, welche ebenfalls einen Wendepunkt aufweist. Die erste Schaltung arbeitet im Bereich niedriger, im Bereich mittlerer und im Bereich hoher Temperatur, und zusätzlich zu der Erzeugung einer linearen Temperaturveränderung im Bereich mittlerer Temperatur erzeugt sie auch eine nicht-lineare Temperaturveränderung im Bereich hoher und im Bereich niedriger Temperatur. Die zweite und die dritte Schaltung dienen dazu, die Temperaturveränderung der Steuerspannung nur in den entsprechenden Temperaturbereichen zu verändern, so daß die Einstellung in einem Temperaturbereich die Verhältnisse in einem anderen Temperaturbereich nicht beeinflußt. Der Betriebsbereich jeder der drei Schaltungen ist im wesentlichen durch einen zugehörigen Thermistor und weitere Bauelemente festgelegt, und das Maß der Veränderung, welche durch jede der Schaltungen bewirkt wird, wird im wesentlichen durch die Größe der Emitterwiderstände festgelegt, die mit

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Transistoren verbunden sind, welche in der jeweiligen Schaltung dieser drei Schaltungen angeordnet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Pig. 1 eine grafische Darstellung der Frequenz über der Zeit für drei typische temperaturabhängige Kristalle (AT-Kristalle),

Fig. 2 eine Kombination aus einem Blockschaltbild und einem schematischen Diagramm für die Schaltung eines Kristalloszillators und die erfindungsgemäße Temperaturkompensationsschaltung ,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Äquivalenzschaltung eines Teils der in der Fig. 2 veranschaulichten Kompensationsschaltung,

Fig. 4A eine grafische Darstellung, welche den Strom über der Zeit darstellt, und zwar für bestimmte in der Fig. 3 veranschaulichte Bauteile, und

Fig. 4B eine grafische Darstellung des Gesamtstroms durch ein in der Fig. 3 dargestelltes Bauelement, wobei auch die resultierende Kompensationsausgangsspannung als Funktion der Temperatur dargestellt ist.

In der Fig. 1 sind drei Kennlinien dargestellt, bei welchen die Frequenz über der Zeit aufgetragen ist. Die drei Kennlinien 10, 11 und 12 beziehen sich auf drei verschiedene nicht-kompensierte AT-Kristalle. Gemäß der Darstellung weist jede der Kurven allgemein einen kubischen Verlauf (einen Verlauf dritter Ordnung) auf, einschließlich einem nicht-linearen Abschnitt, der in einem

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Bereich niedriger Temperatur (-35 ⁰C bis +10 ⁰C) eine Veränderung in der Neigungspolarität erfährt, und jede Kennlinie hat weiterhin einen im wesentlichen linearen Abschnitt, der in einem mittleren Temperaturbereich (+10 ⁰C bis +50 ⁰C) einen Wendepunkt 12A aufweist, und jede Kennlinie hat schließlich einen nichtlinearen Abschnitt, der in einem Bereich hoher Temperatur (+50 ⁰C bis +90 ⁰C) eine weitere Änderung der ITeigungspolarität aufweist. Line Änderung in der Neigungspolarität ist als eine Änderung von einer positiven Steigung zu einer negativen Steigung oder umgekehrt definiert.

Die Kurven 10, 11 und 12 haben ihre entsprechenden Wendepunkte in demselben Punkt 12A, der einer Temperatur von etwa 26,5 ⁰C entspricht, die für alle AT-Kristalle charakteristisch ist. Sie unterscheiden sich etwas voneinander hinsichtlich der Temperatur, bei welcher die Änderungen in der Neigungspolarität auftreten, sie unterscheiden sich jedoch wesentlich voneinander im Hinblick auf das Steigungsmaß, welches jeweils ihr im wesentlichen linearer mittlerer Abschnitt aufweist. Somit zeigt die Pig. 1, daß AT-Kristalle stark unterschiedliche Prequenz-Temperatur-Kennlinien haben können. Deshalb muß eine wirksame Kompensationsschaltung dazu in der Lage sein, eine entsprechende Temperaturkompensation für einen Kristall durchzuführen, der eine Kennlinie aufweist, welche einer in der Pig· 1 veranschaulichten Kennlinie entspricht.

Gemäß Pig. 2 ist ein Kristalloszillator 15 durch eine Spannungserzeugungsschaltung 16 temperaturkompensiert, welche eine Steuerspannung an eine Varaktordiode 17 liefert, die mit dem Oszillator verbunden ist, um dessen Resonanzfrequenz zu steuern. Die Einzelheiten des Oszillators 15 und seiner Verbindung mit der Varaktordiode 17 sind nicht dargestellt, da die Technik der Steuerung der Resonanzfrequenz eines Kristalloszillators durch Anwendung einer Spannung auf eine Varaktordiode grundsätzlich bekannt ist. Die Spannungserzeugungsschaltung 16 erzeugt eine Steuerspannung

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aii den -ausgangsklemmen 1B und 19, welche einen II^- Aondensator 20 haben, der zwischen bei view Klemmen angeordnet ist. Die klemme 1fa ist mit der cathode des Varaktors 17 und mit dem Oszillator 15 über einen Isolierwiderstand 21 verbunden. Me Klemme 19 ist mit der Kasse, mit der Anode des Varaktors 1V und mit dem Oszillator 15 verbund eu..

Die Steuerspannung, welche dem Varaktor 17 zugeführt wird, sollte eine Spannungs-Temperatur-Charakteristik auf v/eisen, welche der i'requenz-i'eiiiperatuDr-Charakteristik des Kristalls im Oszillator 15 ähnlich ist. Vorzugsweise sollte der Varaktor eine Diode nit einem sup erabrupt en übergang sein, welche eine :un -wesentlichen lineare Sx^annungs-fieaktanz-Charakteristik aufweist. Wenn AT-Eristalle verwendet werden, ist eine Steuersxjannungscharakteristik erforderlich, welche den in der I'ig. 1 dargestellten Kurven ähnlich ist.

Die Spannungserzeugungsschaltung 16 weist im Grunde eine Schaltung 22 mit einem linearen mittleren Temperaturbereich auf, sie hat weiterhin eine Schaltung 23 mit einem nicht-linearen Temperaturbereich bei niedrigen Temperaturen, und sie hat eine Schaltung 24 mit einem nicht-linearen Temperaturbereich bei hohen Temperaturen. Diese Schaltungen werden in der Weise miteinander vereinigt, daß die gewünschte Ausgangssteuerspannung an den Klemmen 18 und 19 auftritt. Die Schaltung 22 erzeugt eine Spannung, welche eine im wesentlichen lineare Spannungs-Temperatur-Charakteristik hat, die in einem mittleren Temperaturbereich einen Wendepunkt aufweist. Die Schaltung 23 erzeugt im wesentlichen eine nicht-lineare Temperaturveränderung in der Ausgangsspannung bei niedrigen Temperaturen, und die Schaltung 24 erzeugt eine nicht-lineare Tcmperaturveränderung bei hohen Temperaturen.

In der Schaltung 22 für den mittleren Bereich ist ein Lastwiderstand 25 zwischen einer Klemme 26 für eine positive Energieversorgung (B⁺) und einer Ausgangsklemme 16 vorhanden. Ein

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npii-Transistor 27 hat seinen Kollektor tr:it einer Klemme 16 und seinen Emitter mit einer Klemme 19 über einen Widerstand 26 verbunden. Die Basis des Transistors 2? ist über einen Vorspannung, swider st and 29 mit B⁺ -verbunden, und sie ist über eine vorwärts vorgespannte Diode 30 (oder einen Widerstand JG¹, der gestrichelt dargestellt ist und nicht angeschlossen ist) an Lasse gelegt, und zwar in Reihe mit der Parallelkombination aus einen; •■Thermistor 51 und einem Widerstand 52. Der Thermistor 31 hat eine nicht-lineare und negative Widerstands-Temperatur-Charakteristik, und er ist derart ausgewählt, daß er einen Widerstandswert aufweist, welcher gleich demjenigen des Widerstandes 32 bei +26,5 C ist. Die Bauelemente 29 bis 32 bilden ein Vorspannungsnetzwerk für den Transistor 2'/, welches den Transistor über den Bereich geringer Temperatur ebenso wie über den Bereich hoher Temperatur und über den Bereich einer mittleren Temperatur eingeschaltet hält.

In der Schaltung 23 für den Bereich niedriger Temperatur hat ein pnp-Transistor 33 seinen Kollektor mit der Klemme 18 verbunden, während sein Emitter über einen Widerstand 34 &it B⁺ verbunden ist und während seine Basis über einen Widerstand 35 a*¹ hasse geführt ist und über einen Thermistor 36 parallel zu eineiii Widerstand 37 angeordnet ist. Der Thermistor 36 hat ebenfalls eine nicht-lineare und negative Widerstands-Temperatur-Charakteristik, wie es auch bei dem Thermistor 3Ί eier Fall ist. Die Bauelemente 35j 36 und 37 sind jedoch derart gewählt, daß sie für den Transistor 33 ein derartiges Vorspannungsnetzwerk bilden, daß er nur eingeschaltet wird, wenn der Widerstand des Thermistors 36 oberhalb eines vorgegebenen Wertes liegt. Somit wird der Transistor 33 nur eingeschaltet, wenn die Temperatur des Thermistors 36 unterhalb einer vorgegebenen Temperatur liegt. Dies "critt auf, weil nur dann, wenn der Thermistor 36 einen ausreichend hohen Widerstand hat, ein nennenswerter Spannungsabfall (größer als 0,7 V) zwischen B⁺ und der Basis des Transistors 33 auftritt. Deshalb erzeugt die Schaltung 23 ein sich mit

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der Temperatur nennenswert änderndes Ausgangssignal am Kollektor des Transistors 33 (Klemme 18) nur in einem Temperaturbereich unterhalb einer vorgegebenen Temperatur.

In der Schaltung 24 für den Bereich hoher Temperatur hat ein npn-Transistor 38 seinen Kollektor mit der Klemme 18 verbunden, während sein Emitter über einen Widerstand 39 mit der Klemme 19 verbunden ist und seine Basis über einen Thermistor 40 mit B und über einen Widerstand 4-1 mit der hasse verbunden ist. Der Thermistor 40 hat eine ähnliche Temperatur-Charakteristik wie die Thermistoren 31 und 36, und er ist derart gewählt, daß er eine nennenswerte Basisspannung nur dann an den Transistor 38 führt, wenn die Temperatur des Thermistors 40 oberhalb eines vorgegebenen Wertes liegt. Somit wird die Schaltung 24 für den Bereich hoher Temperaturen in Betrieb gesetzt, um ein sich mit der Temperatur änderndes Ausgangssignal an der Klemme 18 nur in einem Temperaturbereich oberhalb einer vorgegebenen Temperatur zu liefern.

In der Fig. 3 ist eine Äquivalenzschaltung der Spannungserzeugungsschaltung 16 gemäß Fig. 2 veranschaulicht, und entsprechende Bauelemente sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Der Lastwiderstand 25 ist zwischen B der Klemme 26 und der Ausgangsklemme 18 angeordnet. Ein Linearstromgenerator 42, der allgemein der Linearschaltung 22 entspricht, ist zwischen den Klemmen 18 und 19 angeschlossen. Ein Kaltstromgenerator 43, welcher der Schaltung 23 für niedrige Temperatur entspricht, ist parallel zu dem Widerstand 25 angeordnet. Ein Heißstromgenerator 44, welcher der Schaltung 24 für den Bereich hoher Temperatur entspricht, ist parallel zu dem Linearstromgenerator 42 angeordnet. Somit ist die Ausgangsspannung der Schaltung 16 zwischen den Klemmen 18 und 19 durch die Gleichung V_aus *= B⁺ - Rpj- I.*-_O4-_a-i festgelegt, wobei I+jotal Sleich dem Gesamtstrom ist, der

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durch, den Widerstand 25 fließt. Der Gesamtstrom ist definiert ^Itotal ^{s 1}Un ⁺ Wm- ^aIt' ^{wol)ei 1}Un ^{der Strom von}

dem Generator 4-2 ist, wobei HL--- der Strom von dem Generator 44 ist und wobei L ,, der Strom von dem Generator 43 ist.

Die Jig. 4A zeigt den Strom, der durch jeden der drei Stromgeneratoren in der Fig. 3 als Funktion der Temperatur erzeugt wird. Die Kurven 42' , 43' und 44' stellen die Ströme I, . »

und 1 jeweils dar.
warm

Die Kurve 42' (!η ^_n) zeigt eine stufenlose und vorwiegend lineare Temperaturveränderung, einschließlich einem Wendepunkt in der Mitte des Temperaturbereiches (+10 ⁰C bis +50 ⁰C), und die Kurve nähert sich asymptotisch einem hohen Stromwert im Bereich geringer Temperatur (-35 ⁰C bis +10 ⁰C) und einem niedrigen Stromwert im Bereich hoher Temperatur (+50 ⁰C bis +90 ⁰C).

I,. wird durch die Schaltung 22 erzeugt. Der Thermistor y\ erzeugt eine mit der Temperatur veränderliche Vorspannung an der Basis des Transistors 27, welche in einem mit der Temperatur veränderbaren Strom durch den Transistor 27 und den Widerstand 28 umgeformt wird. Der Emitter des Transistors 27 ist im wesentlichen immer auf einer Spannung von +0,7 V unter der Vorspannung an der Basis, da der Transistor über den kalten, über den mittleren und über den heißen Bereich arbeitet. Somit bestimmen die Vorspannung und der Widerstand 28 I,· , und zwar mit einer Temperaturveränderung, welche derjenigen der Vorspannung ähnlich ist. Im mittleren Temperaturbereich wird die nicht-lineare Veränderung des Thermistors 31 in der Schaltung 22 durch den Widerstand 32 linearisiert, und es wird eine stufenlose, sich linear ändernde Vorspannung für den Transistor 27 bei Temperaturen um den Wendepunkt herum erzeugt (was der Temperatur entspricht, bei welcher der Widerstand des Thermistors 31 dem Wert· des Widerstandes 32 gleicht). Wenn die Temperatur zunimmt,

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nimmt der Widerstand des Thermistors 31 ab, und die angelegte Vorspannung hängt hauptsächlich von dem Widerstand 29 und der Diode 30 ab. Diese Spannung und der Widerstand 28 bestimmen den Strom, welchen der Generator 42 bei hohen Temperaturen erzeugt. Wenn die Temperatur abnimmt, nimmt der Widerstand des Thermistors 31 i& der Weise zu, daß die Vorspannung hauptsächlich durch die Widerstände 29 und 32 und die Diode 30 bestimmt wird. Diese Spannung zusammen mit dem Widerstand 28 bestimmt den Strom, welchen der Generator 42 bei geringen Temperaturen liefert.

Der Wendepunkt im mittleren Temperaturbereich wird allein durch den Thermistor 31 und den Widerstand 32 festgelegt. Die Steigung von 1-Ii_n im mittleren Temperaturbereich wird hauptsächlich durch den Wert des Widerstandes 28 festgelegt. Der Strom I, . ist stufenlos, es treten somit keine abrupten Veränderungen in der Amplitude oder in der Steigung auf, da I₁^_n dieselbe Temperaturveränderung wie die Vorspannung für den Transistor 27 aufweist. Die Diode 30 wird dazu verwendet, eine Temperaturkompensation für die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 27 zu erzeugen. Wenn diese Kompensation jedoch nicht erforderlich ist, kann die Diode 30 durch den Widerstand 30' ersetzt werden (in der Fig. 2 gestrichelt dargestellt) und die Empfindlichkeit von In₁J_n gegenüber Energieversorgungsschwankungen wird vermindert.

Deshalb kann die Schaltung 22 in unabhängiger Weise eine Spannung erzeugen, die eine lineare Temperaturänderungscharakteristik aufweist, die weiterhin einen Wendepunkt in einem mittleren Temperaturbereich hat. Die Steigung der Temperaturänderungscharakteristik kann dadurch eingestellt werden, daß der Wert eines einzelnen Widerstandes 28 verändert wird. Eine Veränderung im Wert des Widerstandes 28 führt auch zu einer Verschiebung des Absolutwertes von In-J_n* Diese Verschiebung kann jedoch dadurch kompensiert werden, daß der Widerstand 29 und/oder die

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Diode JO (oder der Widerstand JO¹) in ihrem Wert entsprechend eingestellt werden. Die Schaltung 22 erzeugt weiterhin in unabhängiger Weise eine nicht-lineare Spannungsveränderung in den Bereichen hoher und niedriger Temperatur, und zwar aufgrund des asymptotischen Verhaltens von I

In der Fig. 4A ist der Strom dargestellt, welcher durch den Generator 43 erzeugt wird, und zwar als ein negativer Strom 43' (X, , .\, welcher bei allen Temperaturen oberhalb von etwa -5 ⁰C annähernd gleich Null ist . Dieser Strom nimmt exponentiell al), wenn die Temperatur von -5 C abnimmt.

Die schaltung 23 in der Fig. 2 erzeugt den Strom 43'. Bei Tempera türen oberhalb von einer vorgegebenen Temperatur (etwa -5 ⁰C) hat der Thermistor 36 einen verhältnismäßig niedrigen Wider-standswert in bezug auf die Widerstände 35 und 371 und deshalb ist die Vorspannung an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 33 weniger als 0,7 V. Somit ist der Transistor 33 nicht in Betrieb und erzeugt keinen nennenswerten Ausgangsstrom an seinem Kollektor. Bei -5 ⁰C ist der Widerstand des Thermistors 36 so groß, daß eine Vorspannung, welche ausreichend ist, um gerade nur den Transistor 33 einzuschalten, an der Basis-Emitter-Strecke geliefert wird. Bei Temperaturen unterhalb von -5 ⁰C wird der Transistor 33 eingeschaltet, und die Menge des Stromes, welcher an seinem Kollektor erzeugt wird (^valt^ wi-?ü- durch den Wert des Widerstandes 34 festgelegt.

Die Vorspannung, welche an der Basis des Transistors 33 im kalten Temperaturbereich erzeugt wird, ändert sich hauptsächlich wie der Widerstand des Thermistors 36, da die Temperatur, bei welcher der Widerstand des Thermistors gleich dem Widerstand des Widerstandes 37 ist, derart gewählt ist, daß sie unterhalb

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des kalten Temperaturbereiches liegt. Der Strom(I_k ^), welcher durch den Transistor 33 erzeugt wird, ändert sich anfänglich exponentiell als eine Funktion der Vorspannung, wenn der Transistor einschaltet.. Wenn die Vorspannung zunimmt, ändert sich I, , . direkt als Funktion der Vorspannung, die sich nicht linear verändert. Somit stellt die Schaltung 23 den Kaltstromgenerator 43 dar, der eine vorgegebene Einschalttemperatur hat, welche durch die Bauelemente 35) 36 und 37 gesteuert wird, und welcher eine Stärke hat, die hauptsächlich durch den Widerstand 34 gesteuert wird. So lange die Einschalttemperatur des Transistors 33 unterhalb vom mittleren Temperaturbereich liegt, haben irgendwelche Einstellungen der Schaltung 23 keinen Einfluß auf die im wesentlichen lineare Stromveränderung von I-t-otal ^^m Eitleren Bereich, wobei L ,. eingeschlossen ist. Jedoch können Einstellungen in der linearen Schaltung 22 auch eine Anpassung in der Kaltschaltung 23 erfordern, um eine vorgegebene Spannungs-Temperatur-Charakteristik zu erreichen.

Gemäß Fig. 4-A ist die Stromkurve 44' (^_&Γηι) i^m wesentlichen gleich Hull bis zu etwa +60 ⁰O, und sie steigt dann exponentiell als Funktion der Temperatur an. Die Schaltung 24 erzeugt I „_OTOn in einer Art und Weise, welche derjenigen bei der Kaltschaltung 23 ähnlich ist, wenn sie I_kal4- erzeugt. Der Thermistor 40 und der Widerstand 41 sind derart gewählt, daß bei Temperaturen unterhalb von +60 ⁰C weniger als 0,7 V zwischen der Basis des Transistors 38 ub-cL der Masse erzeugt werden. Bei Temperaturen oberhalb von +60 ⁰C wird eine Spannung von mehr als 0,7 V zwischen der Basis und der Masse erzeugt, und daher wird der Transistor 38 eingeschaltet. Der Thermistor 40 und der Widerstand 41 sind derart gewählt, daß die Spannung an der Basis des Transistors 38 sich nicht linear verändert und etwa in der Weise wie der Widerstand des Thermistors 40 im Bereich hoher Temperatur, da die Temperatur, bei welcher der Widerstand des Thermistors 40 gleich dem Wert des Widerstandes 41 ist, oberhalb

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oberhalb des Bereiches hoher !Temperatur liegt- Somit erzeugt die Schaltung 24 eine nicht-lineare Stromveränderung oberhalb einer vorgegebenen Temperatur, und sie erzeugt keine Stromveränderung in Abhängigkeit von einer Temperaturveränderung im Bereich mittlerer und niedriger Temperatur. Der Einschaltpunkt des Transistors 38 wird durch den Thermistor 40 und den Widerstand 41 festgelegt, und die Stärke des Stroms X, -n, welcher durch die Schaltung 24 erzeugt wird, hängt hauptsächlich vom Widerstand 39 ab.

In der Fig. 4B ist eine Kurve 45 des Strom I*-_O4-_al dargestellt, der durch den Widerstand 25 fließt. Es ist ersichtlich, daß dieser Strom eine lineare Kombination derjenigen Ströme ist, welche durch die Generatoren 42, 43 und 44 erzeugt werden, und zwar gemäß den oben genannten Gleichungen. Eine Kurve 46 (gestrichelt dargestellt) veranschaulicht die Spannung V

aus

zwischen den Klemmen 18 und 19 und läßt sich ebenfalls aus den obigen Gleichungen unter der Annahme ableiten, daß die Spannung B konstant ist. Deshalb ist die Spannungs-Temperatur-Charakteristik 46 gerade die inverse Funktion der Strom-Temperatur-Charakteristik 45.

Somit hat die Schaltung 16 gemäß Fig. 2 eine Steuerspannung V _

ClLl O

erzeugt, welche im Bereich mittlerer. Temperatur einen unabhängig erzeugten, stufenlosen, im wesentlichen linearen Abschnitt aufweist, welche weiterhin im Bereich niedriger Temperatur eine im wesentlichen nicht-lineare Temperaturveränderung und eine Änderung der Steigungspolarität aufweist und welche im Bereich hoher Temperatur eine im wesentlichen nicht-lineare Temperaturveränderung und eine Inderung in der Polarität der Steigung zeigt. Während die Schaltung 22 in unabhängiger Weise die lineare Veränderung in mittleren Bereich erzeugt, liefert sie weiterhin eine nicht-lineare Veränderung in den Bereichen niedriger und hoher Temperatur. Die Schaltungen 23 und 24 erzeugen jedoch

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hauptsächlich die nicht-linearen Veränderungen in den Bereichen niedriger und hoher Temperatur. Indem diese Steuerspannung an eine Varaktordiode angelegt wird, um die .Resonanzfrequenz eines Jiristalloszillators zu steuern, kann die Hesonanzfrequenz über den Bereich niedriger, mittlerer und hoher Temperatur im wesentlichen konstant gehalten werden. Da die lineare Temperatur-Veränderung im mittleren Bereich unabhängig eingestellt werden kann und dann anschließend die Temperaturveränderungen in den Bereichen hoher und niedriger Temperatur eingestellt werden können, ohne daß die vorherige Einstellung der Temperatur im mittleren Bereich beeinflußt wird, oder eine gegenseitige Beeinflussung in diesen Bereichen stattfindet, kann eine Spannung erzeugt werden, welche einen beliebigen AT-Kristall kompensieren kann, der eine i'requenz-Temperatur-Oharakteristik aufweist, welche der in der Pig. 1 dargestellten Charakteristik ähnlich ist. Wenn eine verhältnismäßig geringe Veränderung der Frequenz in Abhängigkeit von der Temperatur über die Temperaturbereiche hingenommen werden kann, braucht möglicherweise nur eine der Schaltungen 2 p und 24 verwendet zu werden, da die Schaltung 22 eine gewisse Nicht-Linearität in den Bereichen hoher und niedriger Temperatur beisteuert. In einem bevorzugten .fall eines Ausführungsbeispiels hat sich dies als zutreffend erwiesen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes haben Versuchsergebnisse gezeigt, daß AT-£ristalle, welche I'requenzstabilitäten von 10 bis 30 Teile pro Million hatten, auf weniger als 2 Teile pro Million stabilisiert werden konnten, und zwar über einen Temperaturbereich von -30 C bis +85 C, wenn die nachfolgend angegebenen typischen Werte der Bauelemente eingehalten wurden und die Diode 30 durch einen Widerstand 30' ersetzt wurde, der einen Wert von 5 kOhm bis 25 kOhm hatte.

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iw 20 kOhm

H₂₈ 4 k - 15 kOhm

R₂Q 50 kOhm

Τ_7Λ 20 kOhm bei R.T. (B = 5980, α =-4,4 %/°C)

E,,. 18 kChm

H₅₄ 10 k - 45 kOhm

R₂,- 60 kGhm 55 _n

I^l ₅₆ 3 kOhm bei Ii.T. (B » 30?0, α = -3,4 %/ C)

Η,π 50 kOhm

it,« 7 k - 20 kGhm

T₄₀ 150 kOhm bei R.T. (B - 4200, α = -4,5>/°C)

Ii₄₁ 4 kOhm

B⁺ 4,6 Volt

Beta (B) und Alpha (α) sind die Hersteller-Spezifikationen für die nicht-lineare Veränderung des Wxderstandes der Thermistoren.

- Patentansprüche -

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Claims

- 19 Pat ent anspräche

1./ Temperaturkompensierte Schaltung für einen Oszillator, welcher einen die Frequenz "bestimmenden Kristall aufweist und im Bereich niedriger, mittlerer und hoher Temperatur arbeitet, dadurch gekennz eichnet, daß eine Einrichtung (17) vorgesehen ist, deren Reaktanz sich mit der Spannung ändert, welche mit dem Kristall des Oszillators (15) verbunden ist, um die Oszillatorfrequenz in Reaktion auf eine Spannung zu verändern, welche der Reaktanzeinrichtung zugeführt wird, daß weiterhin eine Kompensationseinrichtung (16) vorhanden ist, welche dazu dient, eine Steuerspannung zu erzeugen, und zwar mit einer Spannungs-Temperatur-Charakteristik (4-6), welche eine im wesentlichen lineare Veränderung im Bereich mittlerer Temperatur aufweist und eine im wesentlichen nicht-lineare Veränderung in wenigstens einem der Bereiche hoher und niedriger Temperatur zeigt, daß weiterhin eine Einrichtung (21) vorgesehen ist, welche dazu, dient, um die Steuerspannung mit der Reaktanzeinrichtung (17) zu verbinden, wodurch die Oszillatorfrequenz auf einem im wesentlichen konstanten Vert gehalten wird, und zwar über alle Temperaturbereiche, daß weiterhin die Kompensationseinrichtung (16) eine erste Schaltungseinrichtung (22) aufweist, welche dazu dient, in unabhängiger Weise die lineare Veränderung in dem mittleren Bereich zu erzeugen, daß die Kompensationseinrichtung (16) weiterhin eine zweite Schaltungseinrichtung (23 oder 24) aufweist, um eine im wesentlichen nicht-lineare Veränderung in einem der Temperaturbereiche hervorzurufen, wobei die Anordnung weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweite Schaltungseinrichtung (23 oder 24) eine Schaltung (33 bis 37 oder 38 bis 41) aufweist, welche dazu dient, um in unabhängiger Weise den Betriebstemperaturbereich festzulegen, in welchem die zweite Schaltungseinrichtung eine beliebige nennenswerte Veränderung in der Steuerspannung als Funktion der Temperatur hervorruft.

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2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Schaltungseinrichtung (25 oder 24) vorgesehen ist, welche dazu dient, um im wesentlichen die nicht-lineare Veränderung in dem anderen der beiden Bereiche zu erzeugen, welche den Bereich hoher und niedriger Temperatur darstellen, und daß die dritte Schaltungseinrichtung (23 oder 24) eine Schaltung (33 bis 37 oder 38 "bis 41) aufweist, welche dazu dient, um in unabhängiger Weise den Betriebstemperaturbereich festzulegen, in welchem die dritte Schaltung (23 oder 24) eine beliebige nennenswerte Veränderung in der Steuerspannung als Funktion der Temperatur hervorruft.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltungseinrichtung (22) einen ersten Thermistor (31) aufweist, daß die zweite Schaltungseinrichtung (23 oder 24) einen zweiten Thermistor (36 oder 40) aufweist und daß die erste Schaltung (22) eine Schaltungseinrichtung (25 bis 32) aufweist, welche dazu dient, die im wesentlichen lineare Veränderung stufenlos zu gestalten.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltungseinrichtung (22) eine Schaltung (31 bis 32) aufweist, welche dazu dient, einen Wendepunkt in der im wesentlichen linearen Veränderung der Steuerspannung im mittleren Temperaturbereich zu erzeugen.

5. Schaltung nach Anspruch 1,2dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (22, 23, 24) eine Schaltungseinrichtung (25 bis 32, 33 bis 37, 38 bis 41) aufweist, welche dazu dient, in unabhängiger Weise die Größe der Steuerspannung

in Abhängigkeit von der maßgeblichen Temperaturveränderung festzulegen.

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6. Schaltung nach. Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltungseinrichtung (23 oder 24) eine Schwelleneinrichtung (33 oder 38) aufweist und eine zugeordnete Schwelleneinrichtungs-Vorspannungsschaltungseinrichtung (35 "bis 37 oder 40 "bis 41) hat, daß die Vorspannungsschaltungseinrichtung (35 his 37 oder 40 bis 41) ein temperaturveränderliches Bauelement (36 oder 40) aufweist, welches

mit der Schwelleneinrichtung (33 oder 38) verbunden ist, um unabhängig von der ersten Schaltungseinrichtung (22) die Temperatur festzulegen, bei welcher die Schwelleneinrichtung (33 oder 38) eingeschaltet wird.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwelleneinrichtung (33 oder 38) die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors umfaßt.

8. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (16) weiterhin eine Schaltung (22 bis 41) aufweist, welche dazu dient, eine Veränderung der Steigungspolarität in wenigstens einem der Temperaturbereiche hoher und niedriger Temperatur hervorzurufen.

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