DE3008686A1

DE3008686A1 - Temperaturkompensationsschaltung fuer einen kristalloszillator

Info

Publication number: DE3008686A1
Application number: DE19803008686
Authority: DE
Inventors: Anthony Francis Keller; Albert Victor Kraybill
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1979-03-19
Filing date: 1980-03-06
Publication date: 1980-09-25
Also published as: HK85188A; JPS55163903A; CA1139380A; US4254382A; JPH0316802B2; GB2046047A; GB2046047B

Description

Dipl.-Phys. O. E. Weber Patentanwalt

zugelassener Vertreter beim Europäischen Patentamt

Representative before the European Patent Office 3008686 d-8000 München 71

Hofbrunnstraße 47

Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweber

münchen

Telex: 05-212877

M 1274

Motorola Inc.

1303 E. Algonquin Road

Schaumburg, 111. 60196

USA

Temperaturkompensationsschaltung für einen Kristalloszillator

030039/0681

3008G86

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

Oszillatoren, welche einen die Frequenz bestimmenden Kristall aufweisen, werden allgemein dazu verwendet, eine stabile Ausgangsfrequenz zu liefern. Solche Kristalle sind jedoch temperaturempfindlich, und es ist deshalb normalerweise eine Temperaturkompensationseinrichtung erforderlich, um eine stabile Ausgangsfrequenz des Oszillators zu gewährleisten. Es werden allgemein zwei verschiedene Methoden verwendet, um die Kristalloszillator-Frequenz auch bei veränderlichen Temperaturen zu stabilisieren. Eine Methode besteht darin, den Oszillator innerhalb eines Ofens anzuordnen und dadurch den Kristall auf einer konstanten Temperatur zu halten. Dies erfordert einen großen Raum und verbraucht eine erhebliche Menge an Energie. Eine andere Methode, welcher grundsätzlich auch die Erfindung folgt, geht in die Richtung, daß eine sich mit der Temperatur ändernde Spannung erzeugt wird und einem spanmingsveränderlichen Kondensator wie einer Varaktor-Diode zugeführt wird, um die Resonanzfrequenz des Kristalloszillators zu steuern.

In vielen Oszillatoren werden allgemein AT-Kristalle verwendet, so daß eine im wesentlichen kubische Frequenz-Temperatur-Charakteristik, dh., eine Frequenz-Temperatur-Kennlinie dritter Ordnung mit einem Wendepunkt bei etwa

030039/0681

28 ⁰C entsteht. Die genaue iPrequenz-Temperatur-Charakte-ristik einzelner AT-Kristalle ist verhältnismäßig stark unterschiedlich, und zwar in Abhängigkeit von der Herstellung des Kristalls«, Um somit einen Oszillator genau zu kompensieren, der einen AT-Kristall enthält, sollte die der Varaktor-Diode zugeführte Spannung eine Temperaturabhängigkeit haben, welche im wesentlichen ähnlich ist wie diejenige, welche dem verwendeten Kristall entspricht.

Bei einigen bekennten Schaltungen wird eine Spannung erzeugt, welche eine Funktion dritter Ordnung von der Temperatur ist und welche gegenüber einer sich linear ändernden Spannung mit dem Faktor 2 multipliziert ist. Solche Systeme sind jedoch außerordentlich kompliziert und lassen sich nicht leicht in der Weise ausbilden, daß sie eine Kompensation einer Spannung in Abhängigkeit von einer Temperatur ermöglichen, wie es den Erfordernissen eines bestimmten Kristalloszillators entspricht.

Eine weitere bekannte Methode, welche einen Kristalloszillator teilweise kompensiert, der AT-Kristralle enthält, verwendet Netzwerke für einen oberen und einen unteren Temperaturbereich, die jeweils nichtlineare Temperaturveränderungen in einer Steuerspannung erzeugen, und zwar oberhalb bzw. unterhalb von zwei vorgegebenen Temperaturen, während in einem mittleren Temperaturbereich eine konstante Steuerspannung angewandt wird. Außerdem werden auch temperaturempfindliche Kondensatoren in einer Kristalloszillatorschaltung verwendet, um die Auswirkung einer im wesentlichen linearen Temperaturabhängigkeit der Frequenz bei einem Kristall zu einem Minimum werden zu lassen, und zwar

030039/0681

in dem mittleren Temperaturbereich. Solche Schaltungen kompensieren den Resonanzkristall nur teilweise. Sie sind auch nicht für Anwendungsfälle geeignet, bei denen der Kristall in einem Oberton-Schwingungsmodus betrieben wird, da temperaturempfindliche Kondensatoren dann im allgemeinen nicht dazu in der Lage sind, eine lineare Veränderung im mittleren Temperaturbereich in angemessener Weise zu kompensieren.

Eine ähnliche Methode, wie sie in der US-PS 3 970 966 beschrieben ist, vermeidet die Verwendung von temperaturempfindlichen Kondensatoren und erzeugt ein genaueres Ergebnis. Bei dieser Methode wird eine Schaltung verwendet, die eine im wesentlichen lineare Veränderung der Spannung als Funktion der Temperatur und einen Wendepunkt im mittleren Temperaturbereich in einer im wesantlichen nichtlinearen Spannungs-Temperatur-Veränderung in einem oberen und einem unteren Temperaturbereich liefert. Jede Temperaturbereichsschaltung enthält einen Thermistor und einen Transistor, die gemeinsam den Betriebsbereich und die Größe der Temperaturverändeitng steuern, welche durch jede der Schaltungen geliefert wird. Obwohl diese Mefaode für viele Anwendungsfälle brauchbar ist, ist sie für anspruchsvollere Anwendungsfälle nicht geeignet, bei denen eine höhere Temperaturstabilität über einen weiten Temperaturbereich erforderlich ist.

Eine weitere Methode der Erzeugung einer Temperatur-Kompensations-Steuerspannung besteht darin, einen Thermistor und einer Reihe von Zener-Dioden zu verwenden, die unterschiedliche Durchbruchspannungen haben, um eine stückweise

030039/0681

nichtlineare Spannung zu erieugen, die so eingestellt ist, daß sie einer gewünschten Kurve entspricht. Ein Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß eine Einstellung eines einzelnen stückweisen nichtlinearen Abschnittes eine Anzahl von anderen Abschnitten beeinflußt und dort eine erneute Einstellung bedingt, die ihrerseits weitere erneute Einstellungen erforderlich werden läßt. Ein zusätzlicher Nachteil besteht dabei darin, daß viele Bauteile erforderlich sind, um eine hinreichend genau angepaßte zusammengesetzte Kurve zu erzeugen. Diese zusammengesetzte Kurve hat Unstetigkeiten in ihrem Steigungsmaß für jeden stückweisen Abschnitt, so daß bereits deshalb eine vollständige Kompensation nicht erreichbar ist. Außerdem ist der Entwurf eines Kompensationsnetzwerkes schwierig, weil Zener-Dioden nur mit bestimmten diskreten Durchbruchspannungen zur Verfügung stehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturkompensationsschaltung für einen Kristalloszillator zu schaffen, welche unter Vermeidung der oben aufgezeigten Nachteile leicht einstellbar ist, so daß den Erfordernissen eines bestimmten Kristalloszillators in praktisch vollem Umfang entsprochen wird, mit der Maßgabe, daß die Schaltung leicht in integrierter Form herstellbar sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

03003 9/0681

Gemäß der Erfindung wird der wesentliche Vorteil erreicht, daß eine Temperaturkompensationsschaltung geschaffen ist, bei welcher in einer ersten Schaltungsstufe ein Strom erzeugt wird, der in einem mittleren Temperaturbereich sich im wesentlichen linear mit der Temperatur verändert, bei welcher in einer zweiten Schaltungsstufe der Strom derart verändert wird, daß er entweder in einem oberen oder einem unteren Temperaturbereich eine nichtlineare Änderung mit der Temperatur ausführt, wobei eine Änderung der Polarität des Steigungsmaßes auftritt, und bei welcher in einer dritten Schaltungsstufe eine Steuerspannung geliefert wird, die den zusammengesetzten Strom proportional ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist eine integrierte Temperaturkompensationsschaltung für einen Oszillator vorgesehen, der einen die Frequenz bestimmenden Kristall aufweist, welcher sich dadurch auszeichnet, daß die Schaltung in einem unteren, einem mittleren und einem oberen Temperaturbereich jeweils ein bestimmtes Verhalten zeigt. Eine derartige Schaltung weist im wesentlichen folgende Teile auf: Einen integrierten Spannungsregler, eine Kompensationsstufe zur Erzeugung einer Steuerspannung mit einer Spannungs-Temperatur-Charakteristik, die in einem mittleren Temperaturbereich eine im wesentlichen lineare Charakteristik hat, die jeweils in einem oberen bzw. unteren Temperaturbereich eine im wesentlichen nichtlineare Charakteristik aufweist und die Polarität des Steigungsmaßes ändert, und weiterhin eine Schaltungsstufe, welche dazu dient, die Steuerspannung einer spannungsveränderlichen Reaktanz zuzuführen, wodurch die Oszillatorfrequenz über alle Temperaturbereiche auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird.

030039/0681

Es entspricht somit dem Grundgedanken der Erfindung, einen Kristalloszillator dadurch zu kompensieren, daß eine Kompensationsspannung verwendet wird, die eine vorgegebene Spannungs-Temperatur-Kennlinie aufweist und einer Varkator-Diode zugeführt wird, welche die Resonanzfrequenz des Kristalloszillators steuert. Die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung weist eine erste Schaltungsstufe auf, die in unabhängiger Weise in einem mittleren Temperaturbereich eine im wesentlichen lineare Veränderung liefert, sie enthält weiterhin eine zweite Schaltungsstufe, welche in unabhängiger Weise eine gewünschte nichtlineare Veränderung in einem unteren Temperaturbereich erzeugt, sie enthält auch eine dritte Schaltungsstufe, welche in unabhängiger Weise eine nichtlineare Veränderung in einem oberen Temperaturbereich liefert, und sie enthält schließlich eine Schaltungsstufe, welche das Ausgangssignal der drei erstgenannten Schaltungsstufen miteinander kombiniert und eine Steuerspannung erzeugt, welche dieselbe Veränderung mit der Temperatur zeigt. Da die zweite und dritte Schaltungsiufe unabhängig die nichtlineare Veränderung im oberen und unteren Temperaturbereich steuern, können diese Schaltungsstufen unabhängig so eingestellt werden, daß sie eine beliebige gewünschte nichtlineare Veränderung herbeiführen. Durch Einstellung der Veränderung im mittleren Bereich und eine anschließende Einstellung der Veränderung im oberen und im unteren Bereich kann ein beliebiger Kristalloszillator gemäß der Erfindung hinsichtlich der Temperatur praktisch vollständig kompensiert werden.

Weiterhin liefert die eu=be Schaltungsstufe das Steuersignal mit einem Wendepunkt im mittleren Temperaturbereich.

030039/0681

Da Differenzverstärker zur Erzeugung der Ströme verwendet werden, erfolgt dies durch Einstellung der linearen Schaltung in der Weise, daß der Differenzverstärker am Wendepunkt ausgeglichen oder abgeglichen ist. Der Wendepunkt ist erforderlich, um die Veränderungen am Kristall exakt zu kompensieren, da auch beim Kristall ein Wendepunkt vorhanden ist. Die erste Schaltungsstufe arbeitet im unteren, im mittleren und im oberen Temperaturbereich und erzeugt außerdem eine lineare Temperatur veränderung im mittleren Bereich. Sie erzeugt auch eine nichtlineare Temperaturveränderung im oberen und im unteren Temperaturbereich. Die zweite und die dritte Schaltungsstufe erzeugen einen Strom zur Veränderung der Temperaturänderung nur in ihren jeweiligen Temperaturbereichen und stellen deshalb jeweils in einem Temperaturbereich die Verhältnisse so ein, daß die Schaltung im anderen Temperaturbereich nicht beeinflußt wird. Der Betriebsbereich jedes der drei Differenzverstärker wird durch eine Reihenschaltung von 4- Dioden festgelegt, so daß ein Eingangspegel und eine feste Eingangsspannung festgelegt werden, die durch einen Widerstands-Spannungsteiler geliefert wird. Die Größe der Veränderung, welche durch jede Schaltungsstufe beigesteuert wird, ist im wesentlichen durch einen Satz von einstellbaren Widerständen bestimmt, die mit dem Vorspannungsnetzwerk jedes Differenzverstärkers verbunden sind.

030039/0681

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

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Frequenz über der Temperatur, und zwar wird die Frequenz-Temperatur-Charakteristik für drei typische AT-Kristalle veranschaulicht ,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Kristalloszillators sowie die Temperaturkompensationsschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Schaltschema einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Strom-Temperatur-Charakteristik des Generators des Mitten-Temperatur-Bereichs-Stromes für drei verschiedene Werte von Einstellwiderständen,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Strom-Temperatur-Charakteristik des Generators des Kalt-Temperatur-Bereichs-Stromes für drei verschiedene Werte von Einstellwiderständen,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Strom-Temperatur-Charakteristik des Generators des Heiß-Temperatur-Bereichs-Stromes für drei verschiedene Werte von Einstellwideiständen,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Gesamtstrom-Temperatur-Charakteristik für drei verschiedene Werte von Einstellwiderständen und

030039/0681

Fig. 8 eine graphische Barstellung der Ausgangsspannungs-Temperatur-Charakteristik für die bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes für vier Kombinationen von Linear-, Kalt- und Heiß-Einstellwiderstands-Werten.

In der Figur 1 sind drei Frequenz-Temperatur-Kurven 20, und 24 für drei verschiedene nichtkompensierte AT-Kristalle veranschaulicht. Gemäß der Darstellung ist jede der Kurven als Kurve dritter Ordnung dargestellt, welche einen nichtlinearen Abschnitt hat, in welchem eine Veränderung in der Polarität des Steigungsmaßes in einem Kalt-Temperatur-Bereieh liegt (-40 ⁰C bis etwa +10 ⁰C), die weiterhin einen wesentlichen linearen Abschnitt hat, der einen Wendepunkt bei 26 im Mitten-Temperatur-Bereich aufweist (+10 ⁰O bis +50 ⁰C) und es weist schließlich jede der Kurven einen nichtlinearen Teil auf, der eine weitere Änderung der Polarität des Stei* gungsmaßes in einem Heiß-Temperatur-Bereich hat (+50 ⁰C bi4 +95 ⁰O). Eine Änderung der Polarität des Steigungsmaßes ist definiert als eine Änderung von einem positiven zu einem negativen Steigungsmaß oder umgekehrt.

Die Kurve 20, 22 und 24 haben ihre entsprechenden Wendepunkte in demselben Punkt 26, der etwa bei 28 ⁰C liegt. Dieser Wendepunkt ist für alle AT-Kristalle charakteristisch. Sie unterscheiden sich geringfügig voneinander in den Temperaturen, bei welchen jeweils die Veränderung in der Polarität des Steigungsmaßes auftritt, sie unterscheiden sich jedoch erheblich voneinander in der Größe des Steigungsmaßes in ihren jeweiligen linearen mittleren Abschnitten. Die Figur 1 veranschaulicht somit, daß AT-Kristalle stark unterschiedliche Frequenz-Temperatur-Kennlinien aufweisen können. Eine brauchbare Kompensationsschaltung muß daher in der Lage sein, derart eingestellt zu werden, daß sie

030039/0681

-χ.

eine Temperaturkompensation für einen Kristall liefern kann, welcher Eigenschaften aufweist, die einer der in der Figur 1 veranschaulichten Kurven entsprechen.

Gemäß der Darstellung in der Figur 2 wird ein Kristalloszillator 28 dadurch in der Temperatur kompensiert, daß eine Spannung verwendet wird, welche durch die Schaltung 40 erzeugt wird welche eine Steuerspannung an eine Varaktor-Diode 30 liefert, die mit dem Oszillator verbunden ist, um dessen Resonanzfrequenz zu steuern. Die Einzelheiten des Oszillators 28 und seine Verbindung mit dem Varaktor 30 sind nicht dargestellt, da die Technik der Steuerung der Resonanzfrequenz eines Kristalloszillators durch Anwendung einer entsprechenden Spannung bei einer Varaktor-Diode grundsätzlich bekannt ist. Die Spannungserzeugungsschaltung 40 erzeugt die Steuerspannung an den Ausgangsklemmen 36 und 38, zwischen denen ein HF-Bypass-Kondensator 32 angeordnet ist. Die Klemme 36 ist mit der Kathode des Varaktors 30 und mit dem Oszillator 28 über einen Isolierwiderstand 34 verbunden. Die Klemme 38 ist an Masse gelegt, ist weiterhin mit der Anode des Varaktors 30 und mit dem Oszillator 28 verbunden.

Die dem Varaktor 30 zugeführte Steuerspannung sollte eine Spannungs-Temperatur-Charakteristik haben, welche der Frequenz-Temperatur-Charakteristik des Kristalls und des Oszillators 28 entspricht. Vorzugsweise sollte der Varaktor als besonders steile Diode ausgebildet sein, die eine im wesentlichen lineare Spannungs-Reaktanz-Charakteristik aufweist. Wenn AT-Kristalle verwendet werden, ist eine SteuerSpannungscharakteristik erforderlich, welche einer der Kurven nach der Figur 1 entspricht.

030039/068 1

-X*

Gemäß der Darstellung in der Figur 2 weist die Spannungserzeugungsschaltung 40 grundsätzlich folgende Teile auf: Einen Temperaturfühler, einen Differenzverstärker 44 zur Lieferung eines Mitten-Temperatur-Bereichs-Stromes, einen Differenzverstärker 46 zur Lieferung eines nichtlinearen Kalt-Temperatur-Bereichs-Stromes, einen Differenzverstärker 42 zur Lieferung eines nichtlinearen Heiß-Temperatur-Bereichs-Stromes und einen Strom-Spannungs-Übertrager 56. Der Temperaturfühler ist mit dem Eingang jedes Differenzverstärkers verbunden, um einen von der Temperatur abhängigen Eingangsspannungspegel aufzubauen. Der andere Eingang jedes Differenzverstärkers ist mit einer geregelten oder stabilisierten Spannung beaufschlagt, um einen Eingang mit einem festen Spannungspegel zur Verfügung zu haben. Somit ist das Eingangssignal für jeden Verstärker eine von der Temperatur abhängige Differenzspannung. Der Ausgangsstrom jedes dieser Differenzverstärker und der entsprechenden Stromerzeugungsschaltungen ist mit dem Strom-Spannungs-Ubertrager verbunden, der an den Klemmen 36 und 38 eine St euer spannung liefert, welche dieselbe Temperaturabhängigkeit wie die Eingangsstromsumme aufweist. Ein Spannungsregler ist in der Figur 2 auch dargestellt und wäre ein integrierter Bestandteil der Schaltung in entsprechender Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes als integrierte Schaltung.

Die Figur 3 ist ein Schaltschema einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, und die entsprechende Schaltung ist speziell so ausgebildet, daß sie vollständig integrierbar ist, mit der Ausnahme der Einstellwiderstände. Die Schaltung zur Lieferung einer stabilisierten Spannung ist nicht veranschaulicht, weil eine große Anzahl von bekannten Schaltungen für diesen Zweck zur Verfügung stehen. Die Schaltung 44 zur Lieferung eines

030039/0681

Mitten-Temperatur-Bereichs-Stromes ist ein Darlington-Paar-Differenzverstärker, der aus den Transistoren Q29> Q3O, Q31 und Q32 sowie aus den Widerständen R25 und R26 sowie aus dem Stromspiegel besteht, der aus den Transistoren Q21 und Q22 gebildet ist. Eine feste Eingangsspannung, welche durch die Widerstandsreihe R21, R22, R23 und R24 geliefert wird, die parallel zu einer stabilisierten Versorgungsspannungsquelle geschaltet sind, wird dem linken Eingang Q29 des Differenzverstärkers 44 am Knoten 72 zugeführt. Die von der Temperatur abhängige Spannung, welche an der Diodenreihe D20, D21, D22 und D23 erzeugt wird, wird dem rechten Eingang Q32 des Differenzverstärkers am Knoten 75 zugeführt. Somit bekommt der Differenzverstärker 44 eine von der Temperatur abhängige Differenzeingangsspannung.

Die linke Seite des Differenzverstärkeis 44 ist direkt über die Leitung 59 mit dem Transistor Q44 des Stromspiegels 66 verbunden, so daß der Strom von der linken Seite direkt in den Stromspiegel eingespeist wird. Dieser Strom wird zu dem Transistor Q45 reflektiert und durch die Leitung o2 weitergeführt. Die rechte Seite des Differenzverstärkers 44 ist direkt über die Leitung 61 mit dem Transistor Q41 des Stromspiegels 64 verbunden, so daß der Strom zu dem Bauelement Q41 durch Q42 reflektiert wird. Dieser Strom fließt direkt durch die Leitung 63 nach Q27 des Stromspiegels 68 und wird nach Q28 reflektiert und weiter über die Leitung 83 abgeführt. Dies führt zu dem Ergebnis, daß der Differenzstrom in den Knoten 36 fließt, eine Spannung an R31 erzeugt, die zu der Restspannung addiert wird, die durch die Widerstandsreihe R31 und R32 erzeugt wird. Der Differenzstrom, welcher in den Knoten 36 fließt, ist für

030039/0681

3008886

drei verschiedene Werte von Einstellwiderständen RL in der Figur 4 veranschaulicht. Diese Kurven zeigen einen Strom, der im Mitten-Temperatur-Bereich im wesentlichen linear ist, wobei ein Wendepunkt bei etwa 28 ⁰C liegt. Die exakte Frequenz-Temperatur-Kennlinie des Differenzstromes wird durch den Wert der Einstellwiderstände Rj₁ und Ε« festgelegt, weiterhin durch den Wert der Widerstände R25 und R26 und schließlich durch den Wert der festen Spannung, die am Knoten 72 erzeugt wird. Deshalb hat die additive Spannung, welche durch diesen Differenzstrom bei R31 erzeugt wird, genau dieselbe Temperaturabhängigkeit .

Beispielsweise hat bei derjenigen Temperatur, bei welcher der Differenzverstärker 44 abgeglichen oder ausgeglichen ist (bei 28 ⁰C), die feste Spannung am Knoten 72 den gleichen Wert wie die von der Temperatur abhängige Spannung am Knoten 75· Deshalb ist der Strom im rechten Zweig des Differenzverstärkers 44 gleich dem Strom im linken Zweig, und der Strom wird daher durch die Stromspiegel 64, 66, 68 zu den Transistoren Q45 und Q28 reflektiert. Derjenige Strom, welcher durch Q45 fließt, ist der Strom im linken Zweig des Differenzverstärkers 44, und derjenige Strom, welcher durch Q28fließt, ist der Strom im rechten Zweig des Differenzverstärker^; 44. Da diese beiden Ströme gleich sind, fließt kein Differenzstrom in den Knoten 36, und die resultierende Spannung an R31 ist die Restspannung. Bei einer Temperatur oberhalb der Abgleichtemperatur ist jedoch die Spannung, welche an der Diodenreihe D20, D21, D22 und D2J erzeugt wird, geringer, so daß die Differenzeingangsspannung (an den Knoten 72, 75) nunmehr nicht gleich null ist. Der Strom im rechten Zweig

030039/0681

ist kleiner als der Strom im linken Zweig, und derjenige Strom, welcher durch. Q28 fließt, ist kleiner als der , Strom durch Q45. Deshalb fließt der Differenzstrom zwischen diesen zwei Strömen in den Knoten 36 und erzeugt eine zusätzliche Spannung an R31, so daß die Ausgangsspannung an den Klemmen 36 und 38 durch den Eingangsstrom erhöht wird. Diese Veränderung in der Ausgangsspannung hat dieselbe Temperaturänderung wie der in der Figur 4 graphisch dargestellte Differenzstrom.

Im Differenzverstärker 44 ist der Stromspiegel aus den Transistoren Q21 und Q22 und aus dem Einstellwiderstand Rj₁ gebildet. Der Stromspiegel wird als Stromquelle verwendet, welche den Differenzverstärker über die Leitung 91 versorgt, und R^ (Bereich von 60 kOhm bis 400 kOhm) ist ein Einstellwiderstand, der mit der auf 4 Volt stabilisierten Versorgungsspannung beaufschlagt ist. Dieser Einstellwiderstand ermöglicht, daß die Schaltung für verschiedene unterschiedliche Kristalle eingestellt wird. Je kleiner der Wert dieses Widerstandes ist, um so größer ist der Strom der Stromquelle und um so größer ist auch das resultierende Steigungsmaß der von der Temperatur abhängigen Differenzstromkurve, wie es in der Figur 4 veranschaulicht ist.

Die Schaltung zur Lieferung des Eit-Temperatur-Bereichs-Stromes nach der Fif^ir 3 ist im wesentlichen ein Differenzverstärker 46, der aus Transistoren Q33» Q34, Q35 und Q36 sowie aus Widerständen R27 und R28 sowie aus dem aus den Transistoren Q23 und Q24 bestehenden Stromspiegel gebildet ist. Die von der Temperatur abhängige Eingangsspannung, die an dem Knoten 76 entsteht, wird der linken

030039/0681

Seite dieses Differenzverstärkers zugeführt, und zwar "bei Q33» und die feste Vorspannung, welche am Knoten 74 entsteht, wird über die Leitung 79 "bei Q36 der rechten Seite des Differenzverstärkers 46 zugeführt. Dadurch wird ein Differenzeingangssignal geliefert, welches von der Temperatur abhängt. Die rechte Seite des Differenzverstärkers 4-6 ist direkt mit der Versorgungsspannung von 4,6 Volt beaufschlagt, während der Ausgangsstrom der linken Seite des Differenzverstärkers 46 mit dem Strom der linken Seite des Differenzverstärkers 44 in der Leitung 59 kombiniert wird und dem Transistor Q44 des Stromspiegels 66 zugeführt wird. Dies führt zu dem Ergebnis, daß der durch den Transistor Q45 des Stromspiegels 66 infolge des Stromspiegels hindurchfließende Strom durch die Leitung 82 eine Kombination des Stromes von der linearen Schaltung und der Kalt-Bereichs-Schaltung ist. Derjenige Strom, welcher durch diese nichtlineare Kalt-Temperatur-Bereichs-Stromerzeugungsschaltung erzeugt wird, ist für drei verschiedene Werte von Einstellwxderstanden in der Figur 5 veranschaulicht. Wenn die Temperatur abnimmt, steigt daher die Spannung an der Diodenreihe an, und deshalb nimmt der Strom im linken Zweig des Differenzverstärkers 46 zu. Dadurch wird ein Stromanstieg im Transistor Q44 des Stromspiegels 66 herbeigeführt, und dies hat eine Zunahme des Stroms durch den Transistor Q45 und die Leitung 82 zur Folge. Da der Strom durch Q28 des Stromspiegels 68 nicht ansteigt, nimmt der Strom im Knoten 36 zu, was zu einem Ansteigen der Spannung an R31 führt. Die Temperaturabhängigkeit des angestiegenen Stromes ist in den Kurven der Figur 5 veranschaulicht.

030039/0681

Der aus den Transistoren Q23 und Q24 und dem Einstellwiderstand Rq gebildete Stromspiegel ist diejenige Stromquelle, welche den Differenzverstärker 46 treibt. Da Rq mit der stabilisierten Versorgungsspannung von 4 Volt beaufschlagt ist, wird durch den Wert von R_c (Bereich von 60 kOhm bis 400 kOhm) derjenige Strom festgelegt, welcher durch Q24 fließt, und damit ist auch der Strom durch Q23 festgelegt. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die exakte nichtlineare Temperaturabhängigkeit des Ausgangsstroms derart einzustellen, daß sie einem beliebigen vorgegebenen Kristall angepaßt ist, wie es durch die drei Kurven der Figur veranschaulicht ist.

Die Schaltung zur Erzeugung des nichtlinearen Heiß-Temperatur-Bereichs-Stromes nach der Figur 3 ist der Darlington-Paar-Differenzverstärker 42, der aus den Transistoren Q37» Q38, Q39 und Q40 sowie aus den Widerständen R29 und R3O und derjenigen Stromquelle gebildet ist, die aus den Transistoren Q25 und Q26 besteht. Die feste Spannung, die am Knoten 70 entsteht, wird über die Leitung 81 dem linken Eingang des Differenzverstärkers 42 bei Q37 zugeführt, und die von der Temperatur abhängige Spannung, die am Knoten 76 entsteht, wird über die Leitung 85 dem rechten Eingang des Differenzverstärkers 42 bei Q40 zugeführt. Die rechte Seite (Q40) dieses Differenzverstärkers 42 ist direkt mit der Versorgungsspannung von 4,6 Volt beaufschlagt, und der Ausgangsstrom der linken Seite (Q37) wird über die Leitung 87 mit dem Strom in der Leitung von der rechten Seite des linearen Differenzverstärkers 44 kombiniert und dem Transistor Q41 des Stromspiegels 64 zugeführt. Dieser Strom wird durch den Transistor Q42 zum Transistor Q27 des Stromspiegels 68 über die Leitung 63 reflektiert. Das Ergebnis besteht darin, daß der kombinierte Strom über Q28 des Stromspiegels 68 reflektiert

030039/0681

bzw. weitergeführt wird. Wenn die Temperatur in den Heiß-Temperatur-Bereich hinein ansteigt, nimmt daher _y die am Knoten 76 entstehende Spannung ab, was zu einer Stromzunahme in der linken Seite des Differenzverstärkers. 42 und somit zu einer Zunahme desjenigen Stromes führt, welcher durch den Transistor Q28 des Stromspiegels 68 und durch die Leitung 83 fließt. Da kein entsprechender Anstieg des Stromes durch Q45 erfolgt, muß der zusätzliche Strom aus dem Knoten 36 gezogen werden, was zu einer Abnahme der Spannung an R31 führt. Die Figur 6 ist eine graphische Darstellung des Stroms der linken Seite des Differenzverstärkers 42 als Funktion der Temperatur für drei verschiedene Werte des Einstellwiderstandes Rtt. Die Spannungsabnahme an den Klemmen 36 und 38 infolge des Stromes des Differenzverstärkers 42 hat daher dieselbe Temperaturabhängigkeit wie bei den in der Figur 6 dargestellten Kurven.

Der Stromspiegel, der aus den Transistoren Q25 und Q26 gebildet ist, ist diejenige Stromquelle, welche den Differenzverstärker 42 speist. Da Rg mit der stabilisierten Versorgungsspannung von 4 Volt beaufschlagt wird, kann der Wert von R_H (Bereich von 60 kOhm bis 400 kOhm) derart eingestellt werden, daß der Strom durch Q26 und somit auch der Strom durch Q25 gesteuert werden, der den Differenzverstärker treibt. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, daß die nichtlineare Temperatur-Strom-Kennlinie des Differenzverstärker-Ausgangsstrolns über einen weiten Bereich eingestellt werden kann, wie es durch die drei Kurven der Figur 6 dargestellt ist.

Der Widerstand R-g, der zwischen die Spannungsversorgungsquelle, welche die Versorgungsspannung von 4 Volt liefert,

030039/0681

und den Knoten 83 geschaltet ist, wie es in der Figur 3 dargestellt ist, dient dazu, die Verändeangen in den Schaltungsparametern zu kompensieren, die beim Integrieren der Schaltung auftreten. Durch Einstellung dieses Widerstandes kann die am Knoten 76 erzeugte Spannung derart eingestellt v/erden, daß die exakte Temperatur, "bei welcher der Differenzverstärker 44 abgeglichen ist, d.h., bei welcher das Differenz-Eingangssignal gleich null ist, auf den gewünschten Wert von 28 ⁰C eingestellt werden kann. Dieser Abgleichspunkt entspricht dem Wendepunkt in der Kurve für den Mitten-Temperatur-Bereich.

Die Stromspiegel 64, 66 und 68 zusammen mit der Widerstands reihe R31 und R32 bilden den Strom-Spannungs-Übertrager. Da die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes als integrierte Schaltung ausgebildet wurde, wurden leicht integrierbare Stromspiegel für diese Funktion gewählt. Die restliche Ausgangsspannung an den Klemmen 36 und 38, die am Abgleichspunkt erzeugt wird, ist einfach das Spannungsteilerergebnis der Reihe R31 und R32, da am Abgleichspunkt der Temperatur kein Strom in den Knoten 36 fließt (etwa 28 ⁰C). Der zusammengesetzte Strom, welcher in den Knoten 36 fließt, ist für drei verschiedene Werte der Einstellwiderstände in der Figur 7 dargestellt. Der Strom an dem gemeinsamen Wendepunkt 100 für die drei Kurven 104, 106 und 108 ist gemäß der Darstellung gleich null. Um die gewünschte Kompensation zu erreichen, muß eine von null verschiedene Gleichspannung an dem Ausgang beim Wendepunkt vorliegen. Die Widerstandsreihe R31 und R32 erzeugt diese Spannung. Die resultierenden Spannungs-Temperatur-Kennlinien für vier verschiedene Sätze von Einstellwiderständen sind in der Figur 8 dargestellt. Es ist erkennbar, daß die Spannung

030039/0681

an dem gemeinsamen Wendepunkt 102 etwa 2,2 Volt beträgt. Diese Kurven der Figur 8 zeigen deutlich die Kompensationsspannungs-Temperatur-Veränderung desjenigen Typs, wie er "benötigt wird, um einen Kristall bei entsprechender Temperatur-Frequenz-Kennlinie zu kompensieren, wie es in der Figur 1 veranschaulicht ist.

Die stabilisierte Spannung von 4 Volt, welche durch die Schaltung nach der Figur 5 benötigt wird, die jedoch nicht dargestellt ist, hat Bedeutung für den ordnungsgemäßen Betrieb der Schaltung, und zwar wegen der verwendeten Schaltkreise. Beispielsweise hängen die Ausgangsströme des Differenzverstärkers von den Differenzeingangswerten ab, die wMerum von den festen Spannungspegeln abhängig sind, die von der auf 4 Volt stabilisierten Versorgungsspannung erzeugt werden, und es besteht schließlich auch eine Abhängigkeit von der Widerstandsreihe an den Knoten 70, 72 und 74·· Weiterhin hängt die an R31 erzeugte Spannung von der auf 4 Volt stabilisierten Spannung ab, da diese Widerstandsreihe nur ein Widerstandsspannungsteiler ist. Eine Temperaturabhängigkeit der geregelten oder stabilisierten Spannung kann jedoch innerhalb eines vernünftigen Bereiches durch die Einstellung der Widerstände E_L, R_c und Hg kompensiert werden. Solange die Temperaturabhängigkeit des Spannungsreglers festgelegt ist, kann sie daher zu derjenigen Zeit kompensiert werden, zu welcher die Widerstände so eingestellt werden, daß die Schaltung einem bestimmten Kristall angepaßt wird.

Als Ergebnis ist in der bevorzugten Ausführungsform der 4-Volt-Spannungsregler (weniger als -1mV/°C) auf dasselbe Plättchen wie die Kompensationsschaltung integriert. Dadurch wird die Gefahr von Veränderungen in der Temperaturabhängigkeit von einer externen Energieversorgung beseitigt.

030039/0681

Die als integrierte Schaltung beschriebene bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist für ein Verfahren geeignet, welches für eine npn-Halbleiterkonfiguration optimiert ist. Die Stromspiegel in der Figur 3» zu denen die Widerstände R,., R™ und R_Q gehören, sind mit einem Multiplikationsfaktor von 2 ausgestattet, so daß der Strom der linken Seite dem doppelten Strom der rechten Seite entspricht. Die vier Einstellwiderstände R_L, R_c, Rj₁ und Rg sind an den Knoten 77, 78, 80 bzw. 83 an externe Anschlüsse angeschlossen. Diese Widerstände können beispielsweise durch einen Laser trimmbare Dickfilmwiderstänie sein, die bei der Herstellung leicht und genau eingestellt werden können. Diese Anordnung zusammen mit der Reproduzierbarkeit und der geringeren Fehlertoleranz bei solchen Einrichtungen wie Dioden auf integrierten Schaltungen führt zu einer Kompensationsschaltung, die über einen weiten Temperaturbereich wesentlich genauer arbeitet als entsprechende herkömmliche Einrichtungen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes, welches gemäß der Erfindung unter Verwendung eines AT-Kristalls mit einer Frequenzstabilität von 10 - 30 Teilen pro Million hergestellt wurde, ist eine Kompensation auf weniger als zwei Teile pro Million über einen Temperaturbereich von -40 ⁰C bis +95 ⁰C möglich gewesen, wenn die Werte der Bauelemente gemäß der nachfolgenden Tabelle verwendet wurden:

R21	43*6	kOhm
R22	9	kOhm
R23	9	kOhm
R24	18,4	kOhm
R25	2,5	kOhm
R26	2,5	kOhm
R27	500	0hm
R28	500	0hm
R29	500	0hm
R30	500	0hm
R32	34	kOhm
R51	46	kOhm
RL, RC, RH	60-400 kOhm
RB	20-80 kOhm

030039/0681

Leerseite

Claims

3008886

Patentansprüche

Temperaturkompensationsanordnung für einen Oszillator flät einem di# Frequenz "bestimmenden Kristall und mit einer spannungsveränderlichen Reaktanz, die mit dem Kristall verbunden ist, um die Oszillatorfrequenz in Reaktion auf eine Steuerspannung zu verändern, die der Reaktanz zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Generator (44) vorgesehen ist, um einen ersten Strom zu liefern, der eine im wesentlichen lineare Strom-Temperatur-Charakteristik in einem mittleren Temperaturbereich und eine nichtlineare entsprechende Charakteristik sowohl in einem höheren als auch in einem tieferen Bereich der Temperatur aufweist, daß ein zweiter Stromgenerator (46) vorhanden ist, um einen zweiten Strom zu liefern, der eine nichtlineare Strom-Temperatur-Charakteristik in einem Bereich tiefer Temperaturen aufweist, daß der zweite Stromgenerator eine Schaltung enthält, welche dazu dient, den Betriebstemperaturbereich der zweiten Stromgeneratorschaltung zu bestimmen, daß ein dritter Stromgenerator (42) vorgesehen ist, um einen dritten Strom zu liefern, der eine im wesentlichen nichtlineare Strom-Temperatur-Charakteristik im Bereich hoher Temperaturen aufweist, daß der dritte Stromgenerator eine Schaltung enthält, welche dazu dient, den Betriebstemperaturbereich des dritten Stromgenerators einzustellen, und daß eine Schaltung (56) vorgesehen ist, welche den ersten, den zweiten und den dritten Strom summiert, um einen Summenstrom zu bilden, und welche eine Steuerspannung mit einer Spannungs-Temperatur-Charakteristik erzeugt, welche der Strom-Temperatur-Charakteristik der Stromsumme proportional ist, wodurch die Oszillatorfrequenz auf einem im wesentlichen konstanten Wert über alle Temperaturbereiche hält.

030039/0681
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

ζ e i chne t, daß der erste Stromgenerator (44) eine Schaltung aufweist, welche einen Wendepunkt im mittleren Temperaturbereich erzeugt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite (46) und der dritte (42) Stromgenerator eine Änderung der Polarität des Steigungsmaßes im unteren und im oberen Temperaturbereich erzeugt.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite und der dritte Stromgenerator (44, 46, 42) einen Temperaturfühler aufweisen.
5· Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Stromgeneratoren einstellbare Elemente (RL, RC, RH) aufweist, welche dazu dienen, die von ihnen beigesteuerte Veränderung der Steuerspannung als Punktion der Temperatur zu bestimmen.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß eine geregelte oder stabilisierte Spannungsversorgungsschaltung vorgesehen ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Einstellelemente (RB) vorgesehen sind, um diejenige Temperatur zu bestimmen", an welcher der Wendepunkt auftritt.
8. Anordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite und der dritte Stromgenerator (44, 46, 42) jeweils einen Differenzver-

030039/0681

stärker aufweisen, um einen von der Temperatur abhängigen Strom zu erzeugen.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Schaltung mit Ausnahme aller einstellbarer Elemente auf einem einzigen Halbleitersubstrat integriert ist.

030039/0681