DE68915355T2

DE68915355T2 - Quartzoszillator mit temperaturkompensierten Frequenz-Charakteristiken.

Info

Publication number: DE68915355T2
Application number: DE68915355T
Authority: DE
Inventors: Takayuki Suzuki; Takihei Tanzawa; Yoshifusa Ueno
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 1988-07-25
Filing date: 1989-07-24
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2009-07-25
Also published as: EP0352695B1; KR910003911A; DE68915355D1; US5004988A; JPH02180410A; EP0352695A2; EP0352695A3; KR930002036B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Quarzkristalloszillator, dessen Frequenzcharakteristiken temperaturkompensiert sind (im folgenden als ein temperaturkompensierter Quarzkristalloszillator bezeichnet).
Temperaturkompensierte Quarzkristalloszillatoren sind gut bekannt. Da in den letzten Jahren die Kommunikationsbestimungen immer strenger wurden, sind temperaturkompensierte Quarzkristalloszillatoren erforderlich, die weiter stabilisierte Frequenz-Charakteristiken in Bezug auf eine Temperaturänderung besitzen.
Die Druckschrift FR-A-2 549 656 offenbart einen temperaturkompensierten Kristalloszillator, der erste und zweite Temperaturkompensationsmittel umfaßt, wobei das zweite Temperaturkompensationsmittel der weiteren Kompensation der Frequenz- Temperatur-Charakteristiken in einem bestimmten Temperaturbereich dient.
Das Dokument "Patent Abstracts of Japan" (Bd. 10, Nr. 1 (E-371) /2058/, 7. Januar 1986) offenbart ein System mit einem Temperaturfühlerelement, einem Auswahlmittel, das auf das Fühlerelement anspricht, und Schaltelementen, die in einer temperaturkompensierten Kristalloszillatorschaltung verbunden sind.
Die Probleme, denen man mit einer typischen temperaturkompensierten Quarzkristalloszillatorschaltung gemäß dem Stand der Technik begegnet, werden unter Bezug auf die Figuren 1 und 2 diskutiert.
Der in Figur 1 gezeigte temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator enthält einen Schwingkreis 1 und einen Temperaturkompensator 2. Der Schwingkreis 1 enthält einen Quarzkristallresonator 3, der als ein Schwingelement dient, und eine elektrische Schaltung 4, die an den Quarzkristallresonator 3 angeschlossen ist. Eine erste Elektrode des Quarzkristallresonators 3 ist an die Basis eines Oszillatortran-sistors in der elektrischen Schaltung 4 angeschlossen. Der Quarzkristallresonator 3 und der Oszillatortransistor bilden gemeinsam mit weiteren Schaltungselementen wie einem (nicht gezeigten) Kondensator, die die elektrische Schaltung 4 bilden, ein Netzwerk z.B. vom Colpitts-Typ. Der Quarzkristallresonator 3 ist z.B. von AT-Schnitt-Typ (AT-cut) und schwingt im Dicken-Schermodus. Das Bezugszeichen Vcc bezeichnet eine Spannungsquelle und V&sub0; einen Ausgangsanschluß.
Wenn die zweite Elektrode des Quarzkristallresonators 3 mit Massepotential verbunden ist, zeigt den Schwingkreis 1 Frequenz-Temperatur-Charakteristiken, die durch Kurve α in Figur 2 dargestellt werden. Der Frequenz-Temperatur-Charakteristik-Verlauf ist eine kubische Kuve mit einem Wendepunkt nahe einer Bezugstemperatur, d.h. 25ºC. Eine derartige kubische Kurve wird hauptsächlich durch die Charakteristiken des Quarzkristallresonators 3 erzielt.
Der Temperaturkompensator 2 enthält eine Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 6 zur Erzeugung einer Kompensationsspannung und ein Kondensatorelement 7, dessen Kapazität in Übereinstimmung mit einer Spannung veränderlich ist. Die Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 6 bildet ein Seriell-Parallel-Netzwerk, das einen Temperaturwandler (z.B. einen Thermistor) und einen Widerstand enthält, die zwischen der Spannungsquelle Vcc und dem Massepotential angeschlossen sind. Die Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 6 erzeugt an einem Ausgangsanschluß a in Übereinstimmung mit dem Widerstand des Thermistors eine Kompensationsspannung Vs1, die der Umgebungstemperatur entspricht. Die Kompensationsspannung Vs1 dient dazu, den Schwingkreis 1 zu veranlassen, die durch die Kurve β in Figur 2 dargestellten Frequenz-Temperatur-Charakteristiken zu erzeugen. Der Frequenz-Temperatur-Charakteristik-Verlauf β in Figur 2 ist eine kubische Kurve, die im wesentlichen durch Umkehrung der kubischen Kurve der Frequenz- Temperatur-Charakteristiken des Schwingkreises 1 erhalten wurde. Das Kondensatorelement 7 ist z.B. ein Varaktor. Die Kathode des Kondensatorelements 7 ist an den Ausgangsanschluß a der Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 6 angeschlossen, wobei die Anode des Kondensatorelements 7 geerdet ist. Ein Knoten zwischen der Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 6 und dem Varaktor 7 ist an die zweite Elektrode des Quarzkristallresonators 3 angeschlossen.
In der Schaltung mit der oben angegebenen Anordnung wird die Kapazität des Varaktors 7 auf Grundlage der Kompensations-Spannung Vs1 geändert, die der Umgebungstemperatur entspricht. Wenn die Kapazität geändert wird, werden die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken des Schwingkreises 1 kompensiert, wobei die kompensierten Frequenz-Temperatur-Charakteristiken erhalten werden können, die durch die Kurve γ in Figur 2 dargestellt sind. Die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken erfüllen vorgeschriebene Nenndaten.
Bei dem temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator mit obigem Aufbau werden jedoch die folgenden theoretisch unvermeidbaren Probleme gestellt. Diese Probleme werden im folgenden unter Bezug auf Figur 3 beschrieben.
Figur 3 ist eine vergrößerte Darstellung der Kurve γ in Figur 2. Wenn die Nenndaten derart eingestellt werden, daß eine zulässige Frequenzabweichung Δf/f bei einen durch die Temperaturen von -30ºC bis 70ºC bestimmten Temperaturbereich ΔT1 in den Bereich ± 2 ppm fällt, so erfüllen, wie aus der Kurve δ ersichtlich ist, die erhalten wird, indem die Kreise in Figur 3 verbunden werden, die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken die obigen Nenndaten. Wenn die Nenndaten jedoch derart eingestellt werden, daß eine zulässige Frequenzabweichung Δf/f in dem Temperaturbereich ΔT1 in den Bereich ± 1 ppm fällt, so werden die Nenndaten in den Temperaturbereichen nahe -20ºC und 60ºC nicht erfüllt, die entsprechend mit gestrichelten Linien umkreist sind.
Wenn die Nenndaten wie oben beschrieben nicht erfüllt werden, wird ein Widerstand in der Kompensationsspannungs- Erzeugungsschaltung 6 durch Berechnung auf Grundlage der erhaltenen Frequenz-Temperatur-Charakteristiken korrigiert. Somit wird eine weitere Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 6 bereitgestellt, wobei diese anstelle der alten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 6 verwendet wird, um eine zulässige Abweichung von ± 1 ppm zu erzielen.
Selbst wenn ein Widerstand hervorragende Charakteristiken besitzt, hat sein Widerstandswert im allgemeinen einen Fehler von 1 bis 2 %. Der Thermistor besitzt einen Standardwiderstandsfehler und auch der B-Wert des Thermistors ändert sich entsprechend der Temperatur. Daher wird, selbst wenn der Widerstand in der Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 6 korrigiert ist, in Bezug auf die durch theoretische Berechnung erhaltenen Charakteristiken ein Fehler von ungefähr ± 0.5 ppm erzeugt.
Selbst wenn eine weitere Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 6 in dem herkömmlichen temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator vorgesehen ist, wird es hinsichtlich der oben beschriebenen Situation wegen der Probleme der Genauigkeit eines jeden Elements praktisch schwierig, eine zulässige Abweichung von ± 1 ppm oder weniger zu erzielen. Somit wird, wenn die Abweichung Δf/f in den Bereich von ± 1 ppm oder weniger fallen soll, die Herstellungsausbeute der temperaturkompensierten Quarzkristalloszillatoren verringert, wodurch die Produktivität verringert wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator mit Frequenz- Temperatur-Charakteristiken bereitzustellen, die lückenlos Nenndaten erfüllen.
Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, wird ein temperaturkompensierter Quarzkristalloszillator bereitgestellt, der umfaßt:
eine Schwingkreiseinrichtung mit einen Quarzkristallresonator als Schwingungselement zum Schwingen bei einer vorbestimmten Frequenz, wobei die Schwingkreiseinrichtung Frequenz- Temperatur-Charakteristiken besitzt, die von einer Temperatur abhängen, und die vorbestimmte Frequenz auf Grundlage der Frequenz-Temperatur-Charakteristiken festgelegt wird; und
an den Quarzkristallresonator angeschlossene Temperaturkompensationsnittel zur Kompensation der Frequenz-Temperatur- Charakteristiken der Schwingkreiseinrichtung, wobei die Temperaturkompensationsmittel umfassen:
(a) erste Temperaturkompensationsmittel zur Kompensation der Frequenz-Temperatur-Charakteristiken der Schwingkreiseinrichtung innerhalb eines Nenntemperaturbereiches der Schwingkreiseinrichtung, um kompensierte Frequenz-Temperatur-Charakteristiken zu erhalten, wobei das erste Temperaturkompensationsmittel enthält:
- eine erste Kondensationsspannungs-Erzeugungsschaltung zur Erzeugung einer ersten Kompensationsspannung, die einer Temperatur in dem Nenntemperaturbereich der Schwingkreiseinrichtung entspricht, und
- ein erstes Spannungsveränderliches Kondensatorelement, das mit dem ersten Quarzkristallresonator und der ersten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung verbunden ist, um die erste Kompensationsspannung zur Änderung der Kapazität des ersten Kondensatorelements aufzunehmen; und
(b) zweite Temperaturkompensationsmittel zur weiteren Kompensation der Frequenz-Temperatur-Charakteristiken in einem spezifischen Temperaturbereich in den kompensierten Frequenz- Temperatur-Charakteristiken, um gewünschte Frequenz-Temperatur-Charakteristiken zu erhalten.
Erfindungsgemäß enthält das zweite Temperaturkompensationsmittel:
(c) eine zweite Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung zur Erzeugung einer zweiten Kompensationsspannung, die einer Temperatur in dem spezifischen Temperaturbereich entspricht, wobei die zweite Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung umfaßt:
- erste Temperaturfühlermittel mit einem ersten Widerstandswert, der sich entsprechend einer ersten Umgebungstemperatur ändert, zum Einstellen einer ersten Vorspannung auf Grundlage des ersten Widerstandswertes;
- erste Schaltmittel zur Aufnahme der ersten Vorspannung, um bei einer ersten Umgebungstemperatur T1 von einem AUS- Zustand in einen EIN-Zustand zu schalten;
- zweite Temperaturfühlermittel mit einem zweiten Widerstandswert, der dich entsprechend einer zweiten Umgebungstemperatur ändert, zum Einstellen einer zweiten Vorspannung auf Grundlage des zweiten Widerstandswertes;
- zweite Schaltmittel zur Aufnahme der zweiten Vorspannung, um bei einer zweiten Umgebungstemperatur T2 von einem EIN-Zustand in einen AUS-Zustand zu schalten;
- Mittel zur Verbindung der ersten und zweiten Schaltmittel und zur Veranlassung der ersten und zweiten Schaltmittel, einen Schaltvorgang in einem Bereich auszuführen, der durch die erste und zweite Umgebungstemperatur T1 bis T2 bestimmt wird, um eine zweite Kompensationsspannung entsprechend der Umgebungstemperatur in dem Bereich zu erzeugen; und
(d) ein zweites spannungsveränderliches Kondensatorelement, das mit der zweiten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung und dem Quarzkristallresonator verbunden ist, während es von dem ersten spannungsveränderlichen Kondensatorelement gleichspannungsmäßig getrennt ist, um die zweite Kompensationsspannung zur Änderung der Kapazität des zweiten Kondensatorelements aufzunehmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungform der Erfindung enthält der Quarzkristallresonator mindestens erste und zweite Elektrodenpaare, wobei das erste Elektrodenpaar erste und zweite Elektroden und das zweite Elektrodenpaar dritte und vierte Elektroden besitzt,
ist die erste Elektrode mit einer elektrischen Schaltung in der Schwingkreiseinrichtung und die zweite Elektrode mit dem ersten Temperaturkompensationsmittel verbunden, und
ist die dritte Elektrode über einen Kondensator geerdet und die vierte Elektrode mit dem zweiten Temperaturkonpensationsmittel verbunden.
Entsprechend dem temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator mit dem oben angegebenen Aufbau werden die Charakteristiken in einem spezifischen Temperaturbereich bei Frequenz- Temperatur-Charakteristiken, die durch die erste Temperaturkompensationseinheit kompensiert sind, weiter durch die zweite Temperaturkompensationseinheit kompensiert. Daher müssen die Schaltungselemente in der ersten Temperaturkompensationseinheit nicht wie im herkömmlichen Fall ersetzt werden. Wenn die erfindungsgemäße zweite Temperaturkompensationseinheit verwendet wird, kann eine Frequenzabweichung selektiv kompensiert werden.
Weitere Aufgaben und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
Fig. 1: ein Blockschaltbild eines herkömmlichen temperaturkompensierten Quarzkristalloszillators, auf das bereits oben Bezug genommen wurde;
Fig. 2: eine Kurvendarstellung einer Änderung der Frequenzabweichung entsprechend einer Anderung der Temperatur bei dem herkömmlichen temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator, auf die bereits oben Bezug genommen wurde;
Fig. 3: eine Kurvendarstellung einer Kurve δ, die durch Vergrößerung der Kurve γ in Fig. 2 erhalten wurde, und einer Kurve &epsi;, die kompensierte Frequenzabweichungen darstellt, die durch die vorliegende Erfindung erzielt wurden;
Fig. 4: ein Blockschaltbild eines temperaturkompensierten Quarzkristalloszillators entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5: ein Schaltbild einer Anordnung einer zweiten Kompensationsspannung-Erzeugungsschaltung;
Fig.6 : eine Kurvendarstellung von Widerstands-Temperatur- Charakteristiken eines Thermistors, der in der zweiten Kompensationsspannung-Erzeugungsschaltung verwendet wurde;
Fign. 7A bis 7C Kurvendarstellungen, die die Schaltcharakteristiken der in Fig. 5 gezeigten Transistoren Tr1 und Tr2 und jene einer Transistorschaltung zeigen, die durch die Transistoren Tr1 und Tr2 gebildet wird;
Fig. 8: eine Kurvendarstellung der Temperaturabhängigkeit einer zweiten Kompensationsspannung Vs2;
Fig. 9: eine Kurvendarstellung der Kapazitäts-Temperatur- Charakteristiken eines Varaktors;
Fig. 10: eine Kurvendarstellung einer Änderung der Schwingungsfrequenz eines Schwingkreises in Beziehung zu einer Temperaturänderung;
Fig. 11: ein Blockschaltbild eines temperaturkompensierten Quarzkristalloszillators entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12: ein Schaltbild einer Anordnung einer dritten Kompensationsspannung-Erzeugungsschaltung;
Fign. 13A bis 13C Kurvendarstellungen, die die Schaltcharakteristiken der in Fig. 12 gezeigten Transistoren Tr3 und Tr4 und jene einer Transistorschaltung zeigen, die durch die Transistoren Tr3 und Tr4 gebildet wird;
Fig. 14: eine Kurvendarstellung der Temperaturabhängigkeit einer dritten Kompensationsspannung Vs3;
Fig. 15: eine Kurvendarstellung der Kapazitäts-Temperatur- Kennwerte des Varaktors;
Fig. 16: eine Kurvendarstellung einer Änderung der Schwingungsfrequenz des Schwingkreises in Beziehung zu einer Temperaturänderung;
Fig. 17: ein Blockschaltbild eines temperaturkompensierten Quarzkristalloszillators entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 18: ein Blockschaltbild eines temperaturkompensierten Quarzkristalloszillators entsprechend einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 19: ein Blockschaltbild eines temperaturkompensierten Quarzkristalloszillators entsprechend einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 20: ein Blockschaltbild eines eines temperaturkompensierten Quarzkristalloszillators entsprechend einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 21: ein Schaltbild einer weiteren Anordnung der zweiten Kompensationsspannung-Erzeugungsschaltung;
Fig. 22: eine Kurvendarstellung der Temperaturabhängigkeit einer zweiten Kompensationspannung Vs2 in Fig. 21;
Fig. 23: eine Kurvendarstellung der Kapazitäts-Temperatur- Charakteristiken eines Varaktors entsprechend der zweiten Kompensationspannung Vs2 in Fig. 21;
Fig. 24 eine Kurvendarstellung einer Änderung der Schwingungsfrequenz des Schwingkreises entsprechend einer Temperaturänderung in Übereinstimmung mit der zweiten Kompensationspannung Vs2 in Fig. 21;
Fig. 25: ein Schaltbild einer weiteren Anordnung der dritten Kompensationsspannung-Erzeugungsschaltung;
Fig. 26: eine Kurvendarstellung der Temperaturabhängigkeit einer dritten Kompensationspannung Vs3 in Fig. 25;
Fig. 27: eine Kurvendarstellung der Kapazitäts-Temperatur- Charakteristiken eines Varaktors entsprechend der dritten Kompensationspannung Vs3 in Fig. 25; und
Fig. 28 eine Kurvendarstellung einer Anderung der Schwingungsfrequenz des Schwingkreises entsprechend einer Temperaturänderung in Übereinstimmung mit der dritten Kompensationspannung Vs3 in Fig. 25;
Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen temperaturkompensierten Quarzkristalloszillators wird im folgenden unter Bezug auf Figur 4 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform kompensiert der Oszillator weiter die temperaturkompensierten Frequenz-Temperatur-Charakteristiken mit einem spezifischen Temperaturbereich, in dem die Frequenz-Temperatur- Charakteristiken in der positiven Richtung aus dem Nennbereich herausfallen.
Der temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator enthält einen Schwingkreis 1 und einen Temperaturkompensator 10. Der Schwingkreis 1 ist mit einer Spannungsquelle Vcc verbunden und besitzt einen Ausgangsanschluß V&sub0;. Die erste Elektrode eines AT-Schnitt-Quarzkristallresonators 3 ist an die Basis eines Schwingtransistors in einer elektrischen Schaltung 4 angeschlossen. Der Schwingkreis 1 ist vom Colpitts-Typ. Die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken des Schwingkreises 1 werden durch eine kubische Kurve α in Figur 2 dargestellt. Diese kubische Kurve besitzt einen Wendepunkt bei einer Bezugstemperatur von 25ºC.
Der Temperaturkompensator 10 enthält erste und zweite Temperaturkompensationseinheiten 11 und 12. Die erste Temperaturkompensationseinheit 11 entspricht dem in Figur 1 gezeigten, herkömmlichen Temperaturkompensator 2 und enthält eine erste Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 13 und einen ersten Varaktor 14. Die erste Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 13 gibt an einem Ausgangsanschluß a entsprechend einer Umgebungstemperatur in einem Nenntemperaturbereich eine erste Kompensationsspannung Vs1 aus und liefert diese an die Kathode des ersten Varaktors 14. Die Kathode des ersten Varaktors 14 ist mit der zweiten Elektrode des Quarzkristallresonators 3 verbunden. Ein Anschluß der ersten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 13 ist mit der Spannungsquelle Vcc, wobei ihr anderer Anschluß geerdet ist. Die Anode des ersten Varaktors 14 ist geerdet.
Die zweite Temperaturkonpensationseinheit 12 enthält eine zweite Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 15 und einen zweiten Varaktor 16.
Ein Anschluß der zweiten Kompensationsspannungs- Erzeugungsschaltung 15 ist mit der Spannungsquelle Vcc verbunden, wobei ihr anderer Anschluß geerdet ist. Die zweite Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 15 gibt entsprechend einer Temperatur in dem Nenntemperaturbereich an einem Ausgangsanschluß b eine zweite Kompensationsspannung Vs2 aus. Wie durch die Temperatur-Spannungscharakteristiken in Figur 8 dargestellt wird, ist die zweite Kompensationsspannung Vs2 so eingestellt, daß sie einen im wesentlichen konstanten Wert d.h. V1 außerhalb eines spezifischen Temperaturbereiches ΔT2 in dem Nenntemperaturbereich besitzt. In dem spezifischen Temperaturbereich ΔT2 ist die zweite Kompensationsspannung Vs2 eine spezifische Kompensationsspannung V2, die niedriger als die Spannung V1 ist.
Die Kathode des zweiten Varaktors 16 ist an den Ausgangsanschluß b der Erzeugungsschaltung 15 angeschlossen, wobei seine Anode geerdet ist.
Ein Kopplungskondensator 17 ist zwischen dem Ausgangsanschluß a der ersten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 13 und dem Ausgangsanschluß b der zweiten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 15 angeordnet.
Figur 5 zeigt im einzelnen eine Anordnung der zweiten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 15. Ein Ladewiderstand R1, ein Kollektor-Emitter-Pfad eines Transistors Tr1 und ein Kollektor-Emitter-Pfad eines Transistors Tr2 sind zwischen der Spannungsquelle Vcc und einem Massepotential miteinander in Reihe geschaltet. In Reihe geschaltete Widerstände R2 und R3 sind zwischen dem Kollektor des Transistors Tr1 und dem Emitter des Transistors Tr2 angeordnet. Ein Knoten zwischen den Widerständen R2 und R3 ist an den Ausgangsanschluß b der zweiten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 15 zur Ausgabe der zweiten Kompensationsspannung Vs2 angeschlossen. Ein Thermistor RT1 und ein Widerstand R4 sind zwischen der Spannungsquelle Vcc und dem Massepotential angeschlossen, wobei ein Knoten zwischen dem Thermistor RT1 und dem Widerstand R4 mit der Basis des Transistors Tr1 verbunden ist. Außerdem sind ein ein Widerstand R5 und ein Thermistor RT2 zwischen der Spannungsquelle Vcc und dem Massepotential angeschlossen, wobei ein Knoten zwischen dem Widerstand R5 und dem Thermistor RT2 mit der Basis des Transistors Tr2 verbunden ist.
Die Thermistoren RT1 und RT2 besitzen die in Figur 6 gezeigten Widerstands-Temperatur-Charakteristiken. Genauer ausgedrückt, verringert sich der Widerstand des Thermistors exponentiell bei einer Erhöhung der Temperatur. Wie in Figur 7A gezeigt ist, sind die Charakteristiken des Thermistors RT1 und der Widerstandswert des Widerstandes R4 so eingestellt, daß der Transistor Tr1 bei einer Temperatur T1 eingeschaltet wird. Wie in Figur 7B gezeigt ist, sind die Charakteristiken des Thermistors RT2 und der Widerstandswert des Widerstandes R5 so eingestellt, daß der Transistor Tr2 bei einer Temperatur T2 ausgeschaltet wird. Daher führt, wie in Figur 7C gezeigt ist, jeder der Transistoren Tr1 und Tr2 einen Schaltvorgang aus, bei dem er in einen durch die Temperaturen T1 bis T2 bestimmten Bereich EIN-geschaltet und bei anderen Temperaturen AUS- geschaltet ist.
Daher wird, wie in Figur 8 gezeigt ist, die zweite Kompensationsspannung Vs2 an dem Ausgangsanschluß b in dem spezifischen, durch die Temperaturen T1 bis T2 festgelegten Temperaturbereich bei einer Spannung V2 und bei anderen Temperaturen bei einer konstanten Spannung V1 gehalten. Somit wird eine untere Grenztemperatur T1 in dem spezifischen Temperaturbereich ΔT2 entsprechend einem Verhältnis der Widerstandswerte des Thermistors RT1 und des Widerstandes R4 und eine obere Grenztemperatur T2 in dem spezifischen Temperaturbereich ΔT2 entsprechend einem Verhältnis der Widerstandswerte des Thermistors RT2 und des Widerstandes R5 bestimmt. Eine spezifische Spannung V2, die auf Grundlage eines Frequenzkorrekturwertes festgelegt ist, wird in Übereinstimmung mit dem Verhältnis der Widerstände R2 und R3 bestimmt. Wenn die oberen und unteren Grenztemperaturen T1 und T2 in den spezifischen Temperaturbereich ΔT2 und die spezifische Spannung V2 festgelegt werden, sind die Widerstände R3, R4 und R5 zwangsläufig festgelegt.
Der temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator mit der oben angegebenen Anordnung veranlaßt die erste Temperaturkompensationseinheit 11, die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken des Schwingkreises 1 zu kompensieren, die durch eine kubische Kurve in einem Nenntemperaturbereich ΔT1 in Figur 3 dargestellt ist. Im Ergebnis können die ersten Kompensations- Temperaturcharakteristiken, die durch die Kurve δ in Figur 3 dargestellt werden, in dem durch die Temperaturen von -30ºC bis 70ºC bestimmten Temperaturbereich erzielt werden. In den ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken erreicht eine Frequenzabweichung Δf/f ±1 ppm nahe -20ºC und 60ºC und fällt bei anderen Temperaturen innerhalb ±1 ppm.
Die zweite Temperaturkompensationseinheit 12 kompensiert die ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken in einem Temperaturbereich, in dem die Frequenzabweichung nahe -20ºC den Nennwert von +1 ppm erreicht, und hält die Frequenzabweichung in diesem Temperaturbereich derart, daß sie 1 ppm oder weniger beträgt. Diese Funktion wird unten beschrieben.
Die den spezifischen Temperaturbereich ΔT2 festlegenden oberen und unteren Grenztemperaturen T1 und T2 und die spezifische Spannung V2 werden auf Grundlage der ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken ermittelt. Da die ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken nahe -20ºC durch eine umgekehrte U-förmige Kurve mit einem Maximalwert von 1.8 ppm dargestellt werden, übersteigt die Frequenzabweichung die Obergrenze des Nennbereiches um 0.8 ppm. Um die Frequenzabweichung zu veranlassen, innerhalb ±1 ppm zu fallen, wird daher ein Korrekturbetrag der Frequenz auf -1 ppm eingestellt. Die spezifische Spannung V2, die an den Varaktor 16 anzulegen ist, wird wie in Figur 8 gezeigt entsprechend dem Frequenzkorrekturbetrag bestimmt. Wie durch die Spannungs-Temperatur- Charakteristiken in Figur 8 dargestellt wird, bilden die Spannungs-Temperatur-Charakteristiken Kurven nahe der oberen und unteren Grenztenperaturen T1 und T2. Derartige Charakteristiken werden durch die Betriebskennwerte der Transistoren Tr1 und Tr2 erzielt. Dann wird die obere Grenztemperatur T2 des spezifischen Temperaturbereiches ΔT2 auf z.B. -5ºC eingestellt, bei der die Frequenzabweichung "0" ist, wobei die untere Grenztemperatur T1 auf -30ºC eingestellt wird, bei der die Frequenzabweichung "0" ist.
Wenn die Temperaturen wie oben beschrieben eingestellt sind, wird die spezifische Spannung V2 an den zweiten Varaktor 16 in dem spezifischen Temperaturbereich ΔT2 angelegt. Da die spezifische Spannung V2 durch den Kopplungskondensator 17 gleichspannungsmäßig abgeschnitten ist, wird die spezifische Spannung V2 an den ersten Varaktor 14 angelegt. Daher beeinflußt nur eine Anderung ΔC1 der Kapazität des zweiten Varaktors 16, der in Figur 9 gezeigt ist, die ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken. Gemeinsam mit der Änderung ΔC1 der Kapazität wird die Schwingungsfrequenz von f1 auf f2 geändert. Diese Anderung ist Δf1, wie es in Figur 10 gezeigt ist. Die Anderung der Schwingungsfrequenz verursacht eine Anderung der Frequenzabweichung Δf/f nahe -20ºC um nur -1 ppm. Im Ergebnis wird die Frequenzabweichung Δf/f von 1.8 ppm auf 0.8 ppm erniedrigt. Eine absolute Änderung der Frequenzabweichung nahe -20ºC ist maximal, d.h. -1 ppm, wobei das Änderungsmaß der Frequenzabweichung um -20ºC entsprechend der angelegten Spannung schrittweise verringert wird. Wie durch die Kurve bin Figur 3 dargestellt ist, verkörpert die Frequenzabweichung in dem spezifischen Temperaturbereich ΔT2 im Ergebnis eine im wesentlichen U-förmige Kurve mit einem Maximalwert bei -20ºC. Wie aus Kurve &epsi; ersichtlich ist, beträgt die Frequenzabweichung 1 ppm oder weniger.
Da außerhalb des spezifischen Temperaturbereichs ΔT2 eine Bezugsspannung V1 an den Varaktor 16 angelegt wird, ändern sich die Kompensations-Temperaturcharakteristiken. Daher muß durch Einstellung des Kopplungskondensators 17 eine Schwingungsfrequenz z.B. bei einer Bezugstemperatur von 25ºC so eingestellt werden, daß sie dieselbe Schwingungsfrequenz ist wie jene, wenn nur die erste Temperaturkompensationseinheit 11 verwendet wird.
Der temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator gemäß der ersten Ausführungsform veranlaßt die zweite Temperaturkompensationseinheit 12, selektiv eine Frequenzabweichung nahe -20ºC zu kompensieren, die die Obergrenze des Nennbereiches den ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken überschreiten, wobei eine Frequenzabweichung von 1 ppm oder weniger erzielt werden kann. Wenn der Nennbereich für die Frequenzabweichung in einem durch die Temperaturen von z.B. -30ºC bis 50ºC festgelegten Temperaturbereich innerhalb ±1 ppm liegt, erfüllt daher der temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator gemäß der ersten Ausführungsform die oben genannten Nenndaten. Da eine weitere erste Temperaturkompensationseinheit 11 nicht wie im herkömmlichen Fall zum Ersatz hergestellt werden muß, wird gemäß dieser Ausführungsform die Produktionsausbeute des temperaturkompensierten Quarzkristalloszillators verbessert, wodurch die Produktivität erhöht wird.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf Figur 11 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform bezeichnen die selben Bezugszeichen die gleichen Teile wie bei der ersten Ausführungsform, wobei deren detaillierte Beschreibung unterlassen wird. Wenn eine Frequenzabweichung der ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken in negativer Richtung aus dem Nennbereich herausfällt, wird dies bei dieser Ausführungsform durch eine dritte Temperaturkompensationseinheit 18 kompensiert.
Ein Temperaturkompensator 19 enthält eine erste Temperaturkompensationseinheit 11 und eine dritte Temperaturkompensationseinheit 18. Die erste Temperaturkompensationseinheit 11 kompensiert die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken eines Schwingkreises 1 innerhalb eines Nenntemperaturbereiches ΔT1 in der selben Weise wie bei der ersten Ausführungsform, um so die ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken bereitzustellen, die durch die Kurve 8 in Figur 3 dargestellt werden.
Die dritte Temperaturkompensationseinheit 18 enthält eine dritte Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 20 und einen Varaktor 21, der an einen Ausgangsanschluß c der dritten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 20 angeschlossen ist. Ein Anschluß der dritten Kompensationsspanungs-Erzeugungsschaltung 20 ist mit der Spannungsversorgung Vcc verbunden und deren anderer Anschluß ist geerdet. Eine dritte Kompensationsspannung Vs3, die einer Temperatur in dem Nenntemperaturbereich entspricht, wird von dem Ausgangsanschluß c der dritten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 20 ausgegeben. Wie in Figur 14 gezeigt ist, wird die dritte Kompensationsspannung Vs3 bei einer Bezugsspannung V3 gehalten, die außerhalb eines spezifischen Temperaturbereiches ΔT3 einen konstanten Wert besitzt. Die dritte Kompensationsspannung Vs3 wird innerhalb des spezifischen Temperaturbereiches ΔT3 bei einer spezifischen Spannung V4 gehalten, die höher ist als die Bezugsspannung V3.
Figur 12 zeigt eine Anordnung der dritten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 20. Die Kollektoren der Transistoren Tr3 und Tr4 sind über einen Ladewiderstand R6 mit der Spannungsquelle Vcc verbunden. Die Emitter der Transistoren Tr3 und Tr4 sind geerdet. In Reihe geschaltete Widerstände R7 und R8 sind zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors Tr3 angeordnet. Ein Knoten zwischen den Widerständen R7 und R8 ist mit dem Ausgangsanschluß c zur Ausgabe der Kompensationsspannung Vs3 verbunden. Ein Thermistor RT3 und ein Widerstand R9 sind zwischen der Spannungsquelle Vcc und einem Massepotential angeschlossen. Ein Knoten zwischen dem Thermistor RT3 und dem Widerstand R9 ist mit der Basis des Transistors Tr3 verbunden. Außerdem sind ein Widerstand R10 und ein Thermistor RT4 zwischen der Spannungsquelle Vcc und dem Massepotential angeschlossen. Ein Knoten zwischen dem Widerstand R10 und dem Thermistor RT4 ist mit der Basis des Transistors Tr4 verbunden.
Die Thermistoren RT3 und RT4 besitzen die in Figur 6 gezeigten Widerstands-Temperatur-Charakteristiken Genauer ausgedrückt, verringert sich der Widerstand jedes Thermistors exponentiell bei einer Erhöhung der Temperatur. Wie in Figur 13A gezeigt ist, sind die Charakteristiken des Thermistors RT3 und der Widerstandswert des Widerstandes R9 so eingestellt, daß der Transistor Tr3 bei einer Temperatur T4 eingeschaltet wird. Wie in Figur 13B gezeigt ist, sind die Charakteristiken des Thermistors RT4 und der Widerstandswert des Widerstandes R10 so eingestellt, daß der Transistor Tr4 bei einer Temperatur T3 ausgeschaltet wird. Daher führt, wie in Figur 13C gezeigt ist, jeder der Transistoren Tr3 und Tr4 einen Schaltvorgang aus, bei dem er in einem durch die Temperaturen T3 bis T4 bestimmten Bereich EIN-geschaltet und bei anderen Temperaturen AUS- geschaltet ist.
Daher wird, wie in Figur 14 gezeigt ist, die zweite Kompensationsspannung Vs3 an dem Ausgangsanschluß c in dem spezifischen, durch die Temperaturen T3 bis T4 festgelegten Temperaturbereich ΔT3 bei einer Spannung V4 und bei anderen Temperaturen bei einer konstanten Spannung V3 gehalten. Somit wird eine untere Grenztemperatur T3 in dem spezifischen Temperaturbereich ΔT3 entsprechend einem Verhältnis der Widerstandswerte des Thermistors RT4 und des Widerstandes R10 und eine obere Grenztemperatur T4 in dem spezifischen Temperaturbereich ΔT2 entsprechend einem Verhältnis der Widerstandswerte des Thermistors RT3 und des Widerstandes R9 bestimmt. Eine spezifische Spannung V4, die auf Grundlage eines Frequenzkorrekturwertes festgelegt ist, wird in Übereinstimmung mit dem Verhältnis der Widerstände R7 und R8 bestimmt. Daher sind, wenn die oberen und unteren Grenztemperaturen T3 und T4 in dem spezifischen Temperaturbereich ΔT3 und die spezifische Spannung V4 festgelegt werden, die Widerstände R8, R9 und R10 zwangsläufig festgelegt.
Die dritte Temperaturkompensationseinheit 18 kompensiert die ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken in einem Bereich, in dem die Frequenzabweichung nahe 60ºC den Nennwert von -1 ppm unterschreitet, um die Frequenzabweichung in diesem Temperaturbereich derart zu erhalten, daß sie -1 ppm oder mehr beträgt. Diese Funktion wird unten beschrieben.
Die den spezifischen Temperaturbereich ΔT3 festlegenden oberen und unteren Grenztemperaturen T3 und T4 und die spezifische Spannung V4 werden auf Grundlage der ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken ermittelt. Da die ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken nahe 60ºC durch eine U-förmige Kurve mit einem Minimalwert von -1.8 ppm dargestellt werden, unterschreitet die Frequenzabweichung die Untergrenze des Nennbereiches um -0.8 ppm. Um die Frequenzabweichung zu veranlassen, innerhalb +1 ppm zu fallen, wird daher ein Korrekturbetrag der Frequenz auf 1 ppm eingestellt. Die spezifische Spannung V4, die an den Varaktor 21 anzulegen ist, wird wie in Figur 14 gezeigt entsprechend dem Frequenzkorrekturbetrag bestimmt. Dann wird die obere Grenztemperatur T4 des spezifischen Temperaturbereiches ΔT3 auf z.B. -5ºC eingestellt, bei der die Frequenzabweichung -0.5 ppm ist, wobei die untere Grenztemperatur T3 auf 50ºC eingestellt wird, bei der die Frequenzabweichung -0.5 ppm ist.
Wenn die Temperaturen wie oben beschrieben eingestellt sind, wird die spezifische Spannung V4 in dem spezifischen Temperaturbereich ΔT3 an den dritten Varaktor 21 angelegt. Da die spezifische Spannung V4 durch den Kopplungskondensator 22 gleichspannungsmäßig abgeschnitten ist, wird die spezifische Spannung V4 nicht an den ersten Varaktor 14 angelegt. Daher beeinflußt nur eine Änderung ΔC2 der Kapazität des zweiten Varaktors 21, der in Figur 15 gezeigt ist, die ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken. Gemeinsam mit der Änderung ΔC2 der Kapazität wird die Schwingungsfrequenz von f3 auf f4 geändert. Diese Änderung ist Δf2, wie es in Figur 16 gezeigt ist. Die Änderung der Schwingungsfrequenz verursacht eine Änderung der Frequenzabweichung Δf/f nahe 60ºC um nur 1 ppm. Im Ergebnis wird die Frequenzabweichung Δf/f von -1.8 ppm auf -0.8 ppm erniedrigt. Eine absolute Änderung der Frequenzabweichung nahe 60ºC ist maximal, d.h. 1 ppm, wobei das Änderungsmaß der Frequenzabweichung um 60ºC entsprechend der angelegten Spannung schrittweise verringert wird. Wie durch die Kurve &epsi; in Figur 3 dargestellt ist, verkörpert die Frequenzabweichung in dem spezifischen Temperaturbereich ΔT3 im Ergebnis eine im wesentlichen U-förmige Kurve mit einem Minimalwert bei 60ºC. Wie aus Kurve &epsi; ersichtlich ist, beträgt die Frequenzabweichung -1 ppm oder mehr.
Da außerhalb des spezifischen Temperaturbereichs ΔT3 eine Bezugsspannung V3 an den Varaktor 21 angelegt wird, werden auch in diesem Fall die Kompensations-Temperaturcharakteristiken geändert. Daher muß durch Einstellung des Kopplungskondensators 22 die Schwingungsfrequenz so eingestellt werden, daß sie dieselbe Schwingungsfrequenz ist wie jene, wenn nur die erste Temperaturkompensationseinheit 11 verwendet wird.
Der temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator gemäß der zweiten Ausführungsform veranlaßt die dritte Temperaturkompensationseinheit 18, selektiv eine Frequenzabweichung nahe 60ºC zu kompensieren, die die Untergrenze des Nennbereiches der ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken unterschreitet, wobei eine Frequenzabweichung innerhalb ±1 ppm erzielt werden kann. Wenn der Nennbereich für die Frequenzabweichung in einem durch die Temperaturen von z.B. -10ºC bis 70ºC festgelegten Temperaturbereich innerhalb ±1 ppm liegt, erfüllt daher der temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator gemäß der zweiten Ausführungsform die oben genannten Nenndaten. Da entsprechend dieser Ausführungsform eine weitere erste Temperaturkompensationseinheit 11 nicht wie im herkömmlichen Fall zum Ersatz hergestellt werden muß, wird gemäß dieser Ausführungsform die Produktionsausbeute des temperaturkompensierten Quarzkristalloszillators verbessert, wodurch die Produktivität erhöht wird.
Ein temperaturkompensierter Quarzkristalloszillator entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf Figur 17 beschrieben. Dieser temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator enthält einen Temperaturkompensator 23 mit ersten und eine dritten Temperaturkompensationseinheiten 11 und 12 in der ersten Ausführungsform und eine dritte Temperaturkompensationseinheit 18 in der zweiten Ausführungsform. Ein Ausgangswert der Ausgangsspannung Vs2 von einer zweiten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 15 wird über einen Kopplungskondensator 17 einem Ausgangsanschluß a einer ersten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 13 zugeführt. Ein Ausgangswert der Ausgangsspannung Vs3 von einer dritten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 20 wird über einen Kopplungskondensator 22 einem Ausgangsanschluß a der ersten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 13 zugeführt. Da die übrigen Anordnungen die selben wie bei den ersten und zweiten Ausführungsformen sind, bezeichnen die selben Bezugszeichen bei dieser Ausführungsform die gleichen Teile wie bei den ersten und zweiten Ausführungsformen, wobei deren detaillierte Beschreibung unterlassen wird.
Der temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator entsprechend dieser Ausführungsform kann Frequenzabweichungen in beiden spezifischen Temperaturbereichen ΔT2 und ΔT3 in Figur 3 kompensieren. Daher können die Frequenzabweichungen in einem durch die Temperaturen -30ºC und 70ºC bestimmten Nenntemperaturbereich innerhalb von ±1 ppm fallen.
Entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsformen kann ungeachtet der Form des ersten, in Figur 3 gezeigten Temperatur-Kompensationscharakteristik-Verlaufes eine Frequenzabweichung kompensiert werden, die außerhalb des Nennbereiches fällt. Genauer gesagt können, wenn n (n = 3, 4, ..., k) Frequenzabweichungen aus dem Nennbereich heraus fallen, n Temperaturkompensationseinheiten und n Kopplungskondensatoren kombiniert werden, um einen Temperaturkompensator zu bilden.
Ein Temperaturbereich, in dem eine Frequenzabweichung von 1 ppm übersteigt, kann in der Praxis als ein spezifischer Temperaturbereich eingestellt werden. In diesem Fall kann die Frequenzabweichung in dem spezifischen Temperaturbereich zur Einstellung der spezifischen Spannungen V2 und V4 kompensiert werden, sodaß die Frequenzabweichung innerhalb ±1 ppm fällt.
Obwohl bei der ersten und zweiten Ausführungsform die Bezugsspannungen V1 und V3 auf eine vorbestimmte Höhe eingestellt werden, können die Bezugsspannungen V1 und V3 auf eine "0"-Höhe eingestellt werden.
Die erste Temperaturkompensationseinheit 11 kann durch eine Seriell-Parallel-Schaltung gebildet werden, die z.B. einen Thermistor, einen Kondensator und einen Widerstand enthält, um unter Verwendung eines sogenannten Direktkompensationsverfahrens die ersten Kompensations-Tempraturcharakteristiken zu erhalten.
Entsprechend dieser Ausführungsform können zusätzlich die folgenden Vorteile erzielt werden. Theoretisch werden die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken des Quarzkristallresonators 3 durch eine kubische Kurve mit einem Wendepunkt nahe der Bezugstemperatur von 25ºC dargestellt. Praktisch jedoch werden die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken, selbst wenn der Quarzkristallresonator derart gestaltet ist, die theoretischen Frequenz-Temperatur-Charakteristiken zu erzielen, wegen Unterschwingungen des Quarzkristallresonators oder einer sehr geringen Verschiebung des Schnittwinkels gestört. Eine derartige Störung verursacht die Herstellung eines defekten Quarzkristallresonators, der nicht als temperaturkompensierter Quarzkristallresonator verwendet werden kann. Bei Anwendung dieser Ausführungsform können jedoch selbst bei Verwendung eines Quarzkristallresonators mit Frequenz-Temperatur-Charakteristiken, die leicht von den theoretischen Werten abweichen, dessen Frequenz-Temperatur-Charakteristiken teilweise kompensiert werden. Daher kann der Quarzkristallresonator als ein Quarzkristallresonator für den temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator verwendet werden.
Ein temperaturkompensierter Quarzkristalloszillator entsprechend einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf Figur 18 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird für erste Kompensations- Temperaturcharakteristiken, die durch die Kurve δ in Figur 3 dargestellt werden, eine Frequenzabweichung in einem spezifischen Temperaturbereich ΔT2 weiter kompensiert, in dem die Frequenzabweichung in positiver Richtung aus dem Nennbereich herausfällt.
Ein Quarzkristallresonator 130 vom Mehr-Elektroden-Typ wird in dem temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator verwendet. Der Quarzkristallresonator 130 enthält ein AT- Schnitt-Quarzkristallteil 103 sowie ein erstes Elektrodenpaar 131 und 132 und ein zweites Elektrodenpaar 133 und 134, die auf dem Quarzkristallteil 103 angeordnet sind. Die Elektrode 131 des ersten Paares ist mit einer elektrischen Schaltung 104 verbunden, wobei die Elektrode 132 mit einer ersten Temperaturkompensationseinheit 111 verbunden ist. Die Elektrode 133 des zweiten Paares ist über einen Kondensator 141 geerdet, wobei die Elektrode 134 mit einer zweiten Temperaturkompensationseinheit 112 verbunden ist. Die elektrische Schaltung 104 besitzt die selbe Anordnung wie die der elektrischen Schaltung 4 bei der ersten Ausführungsform.
Die erste Temperaturkompensationseinheit 111 entspricht der ersten Temperaturkompensationseinheit 11 bei der ersten Ausführungsform und enthält eine erste Kompensationsspannungs- Erzeugungsschaltung 113 und einen ersten Varaktor 114. Die erste Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 113 gibt an einem Ausgangsanschluß a eine erste Kompensationsspannung Vs1 aus, die der Umgebungstemperatur in dem Nenntemperaturbereich entspricht. Die erste Kompensationsspannung Vs1 wird der Elektrode 132 zugeführt.
Die zweite Temperaturkompensationseinheit 112 enthält eine zweite Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 115 und einen zweiten Varaktor 116. Die zweite Temperaturkompensationseinheit 112 entspricht der ersten Temperaturkompensationseinheit 12 bei der ersten Ausführungsform, wobei die zweite Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 115 der zweiten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 15 entspricht. Eine zweite Kompensationsspannung Vs2, die einer Temperatur in dem Nenntemperaturberich entspricht, wird an einem Ausgangsanschluß b der zweiten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 115 ausgegeben, wobei die zweite Kompensationsspannung Vs2 der Elektrode 134 zugeführt wird. Die Anordnung der zweiten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 115 ist die selbe wie die in Figur 5.
Die zweite Konpensationsspannung Vs2 besitzt Charakteristiken, die in Figur 8 gezeigt sind. Die Kathode des zweiten Varaktors 116 ist mit dem Ausgangsanschluß b der zweiten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 115 verbunden, wobei dessen Anode geerdet ist. Wenn die zweite Kompensationsspannung Vs2 der Kathode des zweiten Varaktors 116 zugeführt wird, so ändert sich die Kapazität des zweiten Varaktors 116 entsprechend der zweiten Kompensationsspannung Vs2 um nur ΔC1, wie es in Figur 9 gezeigt ist. Diese Änderung der Kapazität beeinflußt den Schwingkreis 104 durch elastische Kopplung der zwei Elektrodenpaare, wobei die Schwingungsfrequenz des Schwingkreises 104 um nur Δf1 geändert wird, wie es in Figur 10 gezeigt ist.
Entsprechend dem temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator der vierten Ausführungsform kann eine Frequenzabweichung in dem in Figur 3 gezeigten spezifischen Temperaturbereich ΔT2 in der selben Weise wie bei dem temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator der ersten Ausführungsform so kompensiert werden, daß sie in den Nennbereich von ±1 ppm fällt. Genauer gesagt, es können in dem spezifischen Temperaturbereich ΔT2 die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken erzielt werden, die durch die Kurve &epsi; dargestellt werden.
Entsprechend dem temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator dieser Ausführungsform können die selben Vorteile wie die des temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator der ersten Ausführungsform erhalten werden. Da die erste Temperaturkompensationseinheit 111 mit der Elektrode 132 und die zweite Temperaturkompensationseinheit 112 mit der Elektrode 134 verbunden sind, können außerdem entsprechend dieser Ausführungsform die ersten und zweiten Temperaturkompensationseinheiten 111 und 112 elektrisch voneinander getrennt werden. Daher kann eine elektrische Beeinflussung zwischen den ersten und zweiten Temperaturkompensationseinheiten 111 und 112 verringert werden, wobei somit der temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator gemäß dieser Ausführungsform unabhängig Frequenz-Temperatur-Charakteristiken kompensieren kann. Im Ergebnis kann der temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator gemäß dieser Ausführungsform einfach gestaltet werden.
Ein temperaturkompensierter Quarzkristalloszillator entsprechend einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf Figur 19 beschrieben. Die selben Bezugszeichen in Figur 19 bezeichnen die gleichen Teile wie bei der vierten Ausführungsform in Figur 18, wobei deren detaillierte Beschreibung unterlassen wird. Bei dieser Ausführungsform wird für erste Kompensations-Temperaturcharakteristiken, die durch die Kurve δ in Figur 3 dargestellt werden, eine Frequenzabweichung durch eine dritte Temperaturkompensationseinheit 118 in einem spezifischen Temperaturbereich ΔT3 weiter kompensiert, in dem die Frequenzabweichung in negativer Richtung aus dem Nennbereich herausfällt.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Elektrode 131 eines ersten Elektrodenpaares eines Quarzkristallresonators 130 mit einer elektrischen Schaltung 104 verbunden, wobei eine Elektrode 132 mit einer ersten Temperaturkompensationseinheit 111 verbunden ist. Die erste Temperaturkompensationseinheit 111 kompensiert die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken eines Schwingkreises 101 in einem Nenntemperaturbereich ΔT1, wobei die ersten Kompensations-Temperaturcharakteristiken erzielt werden, die durch die Kurve δ in Figur 3 dargestellt werden.
Ein Ausgangswert einer dritten Temperaturkompensationseinheit 118 wird einer Elektrode 136 eines zweiten Elektrodenpaares zugeführt. Eine Elektrode 135 des zweiten Elektrodenpaares ist zur Frequenzeinstellung über einen Kondensator 142 geerdet. Die dritte Temperaturkompensationseinheit 118 enthält eine dritte Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 120 und einen Varaktor 121, der an einen Ausgangsanschluß c der dritten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 120 angeschlossen ist. Die dritte Temperaturkompensationseinheit 118 entspricht der dritten Temperaturkompensationseinheit 18 bei der zweiten Ausführungsform, wobei die dritte Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 120 der dritten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 20 entspricht. Eine dritte Kompensationsspannung Vs3, die einer Temperatur in dem Nenntemperaturbereich entspricht, wird von dem Ausgangsanschluß c der dritten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 120 ausgegeben, wobei die dritte Kompensationsspannung Vs3 der Elektrode 136 zugeführt wird. Die Anordnung der dritten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 120 ist die selbe wie die in Figur 12 gezeigt Anordnung.
Die dritte Kompensationsspannung Vs3 besitzt Charakteristiken, die in Figur 14 gezeigt sind. Die Kathode des dritten Varaktors 121 ist mit dem Ausgangsanschluß c der dritten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 120 verbunden, wobei dessen Anode geerdet ist. Wenn die dritte Kompensationsspannung Vs3 der Kathode des dritten Varaktors 121 zugeführt wird, so wird die Kapazität des dritten Varaktors 121 entsprechend der dritten Kompensationsspannung Vs3 um nur ΔC2 geändert, wie es in Figur 15 gezeigt ist. Diese Änderung der Kapazität beeinflußt den Schwingkreis 104 durch elastische Kopplung der zwei Elektrodenpaare, wobei die Schwingungsfrequenz des Schwingkreises 104 um nur Δf2 geändert wird, wie es in Figur 16 gezeigt ist.
Entsprechend dem temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator der fünften Ausführungsform kann eine Frequenzabweichung in dem in Figur 3 gezeigten spezifischen Temperaturbereich ΔT3 in der selben Weise wie bei dem temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator der zweiten Ausführungsform so kompensiert werden, daß sie in den Nennbereich von ±1 ppm fällt. Genauer gesagt, es können in dem spezifischen Temperaturbereich ΔT3 die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken erzielt werden, die durch die Kurve &epsi; dargestellt werden.
Entsprechend dem temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator dieser Ausführungsform können die selben Vorteile wie die der temperaturkompensierten Quarzkristalloszillatoren der zweiten und vierten Ausführungsform erhalten werden.
Ein temperaturkompensierter Quarzkristalloszillator entsprechend einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf Figur 20 beschrieben. Der temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator enthält erste und zweite Kompensationseinheiten 111 und 112 gemäß der vierten Ausführungsform und eine dritte Temperaturkompensationseinheit 118 gemäß der fünften Ausführungsform. Drei Elektrodenpaare sind in einem Quarzkristallresonator 103 angeordnet. Eine Ausgangsspannung Vs2 einer zweiten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 115 wird einer Elektrode 134 eines zweiten Elektrodenpaares zugeführt. Eine von einer dritten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung 120 ausgegebene Ausgangsspannung Vs3 wird einer Elektrode 136 eines dritten Elektrodenpaares zugeführt. Da die anderen Anordnungen die selben wie jene in den vierten und fünften Ausführungsformen sind, bezeichnen die selben Bezugszeichen bei dieser Ausführungsform die gleichen Teile wie bei den vierten und fünften Ausführungsformen, wobei deren detaillierte Beschreibung unterlassen wird.
Entsprechend dem temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator dieser Ausführungsform können Frequenzabweichungen in beiden spezifischen Temperaturbereichen ΔT2 und ΔT3 in Figur 3 kompensiert werden. Daher fällt die Frequenzabweichung in dem Nenntemperaturbereich, der durch die Temperaturen -30ºC bis 70ºC bestimmt wird, innerhalb ±1 ppm.
Bei der sechsten Ausführungsform werden, wenn z.B. drei oder mehr spezifische Temperaturbereiche gegeben sind, in denen die Freqenzabweichung aus dem Nennbereich fällt, (n+1) Elektrodenpaare in dem Quarzkristallresonator angeordnet. Die (n+1) Temperaturkompensationseinheiten werden entsprechend mit den Elektroden verbunden.
Bei den obigen vierten bis sechsten Ausführungsformen wurde eine Anordnung der Elektroden in dem Quarzkristallresonator nicht bezeichnet. In Anbetracht der Schwingungscharakteristiken des Quarzkristallresonators wird das mit dem Schwingkreis 104 verbundene Elektrodenpaar jedoch im Mittelbereich des Quarzkristallteiles ausgebildet.
Der grundlegende temperaturkompensierte Quarzkristalloszillator mit einem Mehrelektrodenaufbau ist in den Japanischen Patentanmeldungen Nr. 63-15142 und 63-25093 durch den vorliegenden Anmelder beschrieben. Auf diese Beschreibungen wird -soweit nötig- Bezug genommen.
Eine weitere Anordnung der zweiten Kompensationsspannungs Erzeugungsschaltungen 15 und 115 wird im folgenden unter Bezug auf Figur 21 beschrieben. Die selben Bezugszeichen in Figur 21 bezeichnen die gleichen Teile wie bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform, wobei deren detaillierte Beschreibung unterlassen wird. Bei dieser Anordnung ist ein Pufferwiderstand R11 zwischen der Basis des Transistors Tr1 und einem Thermistor RT1 vorgesehen, wobei ein Pufferwiderstand R12 zwischen der Basis des Transistors Tr2 und einem Thermistor RT2 vorgesehen ist. Somit können durch die Anordnung der Pufferwiderstände R11 und R12 die Anstiegs- und Abfall-Charakteristiken der Kompensationsspannung Vs2 moderat gehalten werden. Es werden, mit anderen Worten, langsame Schaltcharakteristiken der Transistoren Tr1 und Tr2 erhalten. Im Ergebnis können Sinus- oder Cosinus-Spannungs-Temperaturcharakteristiken erzielt werden, wie in Figur 22 gezeigt ist. Auf Grundlage der Spannungs-Temperaturcharakteristiken wird, wie in Figur 23 gezeigt ist, die Kapazität C des Varaktors langsam von C1 bis C2 geändert. Die Schwingungsfrequenz wird, wie in Figur 24 gezeigt ist, ebenfalls langsam von f1 bis f2 geändert.
Da bei dieser Anordnung eine abrupte Änderung der Frequenz bei den Temperaturen T1, T2, T3 und T4 verhindert werden kann, kann ein Rauschen unterbunden werden, das auf einer abrupten Frequenzänderung basiert.
Eine weitere Anordnung der dritten Kompensationsspannungs- Erzeugungsschaltungen 20 und 120 wird im folgenden unter Bezug auf Figur 25 beschrieben. Die selben Bezugszeichen in Figur 25 bezeichnen die gleichen Teile wie bei der in Figur 12 gezeigten Ausführungsform, wobei deren detaillierte Beschreibung unterlassen wird. Bei dieser Anordnung ist ein Pufferwiderstand R13 zwischen der Basis des Transistors Tr3 und einem Thermistor RT3 vorgesehen, wobei ein Pufferwiderstand R14 zwischen der Basis des Transistors Tr4 und einem Thermistor RT4 vorgesehen ist. Somit können durch die Anordnung der Pufferwiderstände R13 und R14 die Anstiegs- und Abfall-Charakteristiken der Kompensationsspannung Vs3 moderat gehalten werden. Es werden, mit anderen Worten, langsame Schaltcharakteristiken der Transistoren Tr3 und Tr4 erhalten. Im Ergebnis können Sinus- oder Cosinus-Spannungs-Temperaturcharakteristiklen erzielt werden, wie in Figur 26 gezeigt ist. Auf Grundlage der Spannungs-Temperaturcharakteristiken wird, wie in Figur 27 gezeigt ist, die Kapazität C des Varaktors langsam von C3 bis C4 geändert. Die Schwingungsfrequenz wird, wie in Figur 28 gezeigt ist, ebenfalls langsam von f3 bis f4 geändert.
Da bei dieser Anordnung eine abrupte Änderung der Frequenz bei den Temperaturen T1, T2, T3 und T4 verhindert werden kann, kann wie bei der in Figur 21 gezeigten Ausführungsform ein Rauschen unterbunden werden, das auf einer abrupten Frequenzänderung basiert.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, erzeugt jede der in den Figuren 5, 12, 21 und 25 gezeigten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltungen eine spezifische Spannung in einem spezifischen Temperaturbereich. Wenn ein Varaktor mit dem Ausgangsanschluß einer jeden Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung verbunden ist und die zweiten und dritten Temperaturkompensationseinheiten wie bei den oben angegebenen Ausführungsformen ausgebildet sind, kann jede der zweiten und dritten Temperaturkompensationseinheiten als ein Temperaturkompensationselement verwendet werden, in dem die Kapazität eines Varaktors in nur einem spezifischen Temperaturbereich geändert wird.
Das oben erwähnte Temperaturkompensationselement kann als ein Sensor zum Erfassen einer Temperatur in einem spezifischen Temperaturbereich verwendet werden.
Selbst wenn bei den in den Figuren 5 und 21 gezeigten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltungen die Widerstände R4 und R5 durch Thermistoren mit positiven Temperaturkoeffizienten (Posistoren) und die Thermistoren RT1 und RT2 durch Widerstände ersetzt werden, kann die selbe Funktion wie die der Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltungen in den Figuren 5 und 21 erreicht werden.Bei den Kompensationsspannungs- Erzeugungsschaltungen, die in den Figuren 12 und 25 gezeigt sind, können die Widerstände R9 und R10 durch Posistoren und die Thermistoren RT3 und RT4 durch Widerstände ersetzt werden.

Claims

1. Temperaturkompensierter Kristalloszillator, der umfaßt: eine Schwingkreiseinrichtung (1, 101) mit einem Quarzkristallresonator (3, 103) als Schwingungselement zum Schwingen bei einer vorbestimmten Frequenz, wobei die Schwingkreiseinrichtung Frequenz-Temperatur-Charakteristiken besitzt, die von einer Temperatur abhängen und die vorbestimmte Frequenz auf Grundlage der Frequenz-Temperatur-Charakteristiken festgelegt wird; und

an den Quarzkristallresonator angeschlossene Temperaturkompensationsmittel (10, 111, 112) zur Kompensation der Frequenz-Temperatur-Charakteristiken der Schwingkreiseinrichtung, wobei das Temperaturkompensationsmittel umfaßt:

(a) erste Temperaturkompensationsmittel (11, 111) zur Kompensation der Frequenz-Temperatur-Charakteristiken der Schwingkreiseinrichtung innerhalb eines Nenntemperaturbereiches der Schwingkreiseinrichtung, um kompensierte Frequenz-Temperatur-Kennwerte zu erhalten, wobei das erste Temperaturkompensationsmittel enthält:

- eine erste Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung (13, 113) zur Erzeugung einer ersten Kompensationsspannung, die einer Temperatur in dem Nenntemperaturbereich der Schwingkreiseinrichtung entspricht, und

- ein erstes spannungsveränderliches Kondensatorelement (14, 114), das mit dem ersten Quarzkristallresonator und der ersten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung verbunden ist, um die erste Kompensationsspannung zur Änderung der Kapazität des ersten Kondensatorelements aufzunehmen; und

(b) zweite Temperaturkompensationsmittel (12, 18, 112, 118) zur weiteren Kompensation der Frequenz-Temperatur- Charakteristiken in einem spezifischen Temperaturbereich in den kompensierten Frequenz-Temperatur-Charakteristiken, um gewünschte Frequenz-Temperatur-Charakteristiken zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß

das zweite Temperaturkompensationsmittel enthält:

(c) eine zweite Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung (15, 20) zur Erzeugung einer zweiten Kompensationsspannung, die einer Temperatur in dem spezifischen Temperaturbereich entspricht, wobei die zweite Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung umfaßt:

- ein erstes Temperaturfühlermittel (RT1) mit einem ersten Widerstandswert, der sich entsprechend einer ersten Umgebungstemperatur ändert, zum Einstellen einer ersten Vorspannung auf Grundlage des ersten Widerstandswertes;

- erste Schaltmittel (Tr1) zur Aufnahme der ersten Vorspannung, um bei einer ersten Umgebungstemperatur T1 von einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand zu schalten;

- ein zweites Temperaturfühlermittel (RT2) mit einem zweiten Widerstandswert, der sich entsprechend einer zweiten Umgebungstemperatur ändert, zum Einstellen einer zweiten Vorspannung auf Grundlage des zweiten Widerstandswertes;

- zweite Schaltmittel (Tr2) zur Aufnahme der zweiten Vorspannung, um bei einer zweiten Umgebungstemperatur T2 von einem EIN-Zustand in einen AUS-Zustand zu schalten;

- Mittel (R1, R2, R3) zur Verbindung der ersten und zweiten Schaltmittel, die die ersten und zweiten Schaltmittel veranlassen, einen Schaltvorgang in einem Bereich aus zuführen, der durch die erste und zweite Umgebungstemperatur T1 bis T2 bestimmt wird, um eine zweite Kompensationsspannung entsprechend der Umgebungstemperatur in dem Bereich zu erzeugen; und

(d) ein zweites spannungsveränderliches Kondensatorelement (16, 21), das mit der zweiten Kompensationsspannungs-Erzeugungsschaltung und dem Quarzkristallresonator verbunden ist, während es von dem ersten spannungsveränderlichen Kondensatorelement (14, 114) gleichspannungsmäßig getrennt ist, um die zweite Kompensationsspannung zur Änderung der Kapazität des zweiten Kondensatorelements aufzunehmen.

2. Temperaturkompensierter Kristalloszillator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzkristallresonator mindestens erste und zweite Elektrodenpaare enthält, wobei das erste Elektrodenpaar erste und zweite Elektroden (131, 132) und das zweite Elektrodenpaar dritte und vierte Elektroden (133, 134) besitzt,

die erste Elektrode mit einer elektrischen Schaltung (104) in der Schwingkreiseinrichtung und die zweite Elektrode mit dem ersten Temperaturkompensationsmittel (111) verbunden ist, und

die dritte Elektrode über einen Kondensator geerdet und die vierte Elektrode mit dem zweiten Temperaturkompensationsmittel (112, 118) verbunden ist.