DE69601246T2 - Temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillator für den Einsatz in einer Referenzfrequenzquelle für ein Kommunikationsgerät oder dergleichen.
• Der analoge, temperaturkompensierte, piezoelektrische Oszillator, der in Fig. 22(a) gezeigt ist, ist herkömmlicherweise als eine piezoelektrische Oszillatorschaltung benutzt worden, die hinsichtlich der auf die Temperatur zurückzuführenden Schwankungen der Frequenz kompensiert ist. Beispielsweise ist in der JP 1-1969 A eine Schaltung mit einem derartigen Aufbau gezeigt. Wie in der Figur dargestellt ist, weist ein temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator 100 einen piezoelektrischen Schwinger 9, eine zur Ansteuerung des Schwingers 9 vorgesehene Oszillatorschaltung 108 des Colpitts-Typs und ein temperaturkompensierendes Schaltungsnetzwerk 101 auf, das zum Kompensieren der Frequenz-Temperatur-Eigenschaften bzw. Frequenz-Temperatur-Abhängigkeit dient.
• Es wird nun auf Fig. 22(b) Bezug genommen. Das Netzwerk 101 ist als eine Reihenschaltung einer Hochtemperatur-Kompensationsschaltung 101a und einer Niedertemperatur- Kompensationsschaltung 101b aufgebaut. Die Hochtemperatur-Kompensationsschaltung 101a ist dadurch gebildet, daß ein Thermistor RTH(T) und ein zur Einstellung der Temperatureingenschaften für den Hochtemperaturbereich vorgesehener Einstellwiderstand RCH in Reihe geschaltet sind, und daß der Thermistor RTH(T) und der Widerstand RCH parallel zu einer Kapazität CH geschaltet sind, wohingegen die Niedertemperatur-Kompensationsschaltung 101b dadurch gebildet ist, daß ein Thermistor RTL(T), ein zur Einstellung der Temperatureigenschaften für den Niedertemperaturbereich dienender Einstellwiderstand RCL und eine Kapazität CL parallel geschaltet sind. Bei dieser Ausgestaltung hält das Netzwerk 101 die Ausgangsfrequenz fout der Oszillatorschaltung 108 des Colpitts-Typs innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, indem es die Reaktanz der Oszillatorschaltung 108 des Colpitts-Typs derart ändert, daß die Frequenz-Temperatur-Abhängigkeit des Schwingers 9 kompensiert wird. Das Netzwerk 101 ändert die Reaktanz in einer solchen Weise, daß die Frequenz-Temperatur- Eigenschaften des Schwingers 9, beispielsweise die kubische Kennlinie (siehe Fig. 3) eines AT- geschnittenen Kristallschwingers, mindestens teilweise kompensiert werden. Diese Schaltungen sind sowohl auf der oberen Seite als auch auf der unteren Seite einer Schaltungsplatine 143 aufgelötet (in Fig. 23 ist lediglich die obere Seite dargestellt), und sind dann insgesamt auf einer aus Harz bestehenden Basis 144 angebracht und schließlich in einer Metallabdeckung 145 untergebracht.
• In Fig. 24 ist ein weiteres Beispiel für einen herkömmlichen, temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillator dargestellt, bei dem die auf Temperaturschwankungen zurückzuführenden Änderungen der Frequenz digital kompensiert werden. Wie gezeigt ist, weist der temperaturkompensierte piezoelektrische Oszillator 200 eine Temperatursensorschaltung 2 zum Erfassen der Umgebungstemperatur T und zum Erzeugen einer Spannung Vsens(T) in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur, einen A/D-Wandler 52 zum Umwandeln der Temperatur Vsens(T) in digitale Temperaturdaten, eine Datenspeicherschaltung 204 zum Ausgeben von kompensierenden Daten in Abhängigkeit von den Temperaturdaten, einen D/A- Wandler 253 zum Umwandeln der kompensierenden Daten in eine Steuerspannung Vcont(T), und eine Oszillatorschaltung 119 auf, wobei die Steuerspannung Vcont(T), die von der Umgebungstemperatur T abhängig ist, dazu benutzt wird, die Ausgangsfrequenz der Oszillatorschaltung 119 zu steuern. Die kompensierenden Daten werden in der Datenspeicherschaltung 204 bereits vorab bei der Herstellung während eines Justierschritts gespeichert, wobei hierzu eine externe f&sub0;-Temperaturgang-Einstellschaltung 11 und eine interne Dateneingabe/Ausgabeschaltung 10 benutzt werden.
• Wie in Fig. 24 und Fig. 25 dargestellt ist, sind mit der Oszillatorschaltung 119 weiterhin ein piezoelektrischer Schwinger 9, eine Spannungsreglerschaltung 3, eine f&sub0;-Elnstellschaltung 7, ein variables Reaktanzelement 202 und ein Ausgangspuffer 12 verbunden. Die f&sub0;-Elnstellschaltung 7 stellt eine Referenzfrequenz f&sub0; in Abhängigkeit von Frequenzeinstelldaten ein, die von der Datenspeicherschaltung 204 erhalten werden. Die Frequenzeinstelldaten, die zum Kompensieren von Frequenzabweichungen dienen, die auf Herstellungsschwankungen des Schwingers 9 zurückzuführen sind, werden bereits vorab in der Datenspeicherschaltung 204 mittels der externen Einstellschaltung 11 und der internen Dateneingabe/Ausgabeschaltung 10 in einer Weise gespeichert, die ähnlich ist wie der Weg der Speicherung der kompensierenden Daten. Das variable Reaktanzelement 202 ändert seine Reaktanz in Abhängigkeit von der Steuerspannung Vcont(T) und kompensiert die Frequenz-Temperatur-Eigenschaften des Schwingers 9. Auf diese Weise wird die Schwingfrequenz des Oszillators 200 durch das variable Reaktanzelement 202 in einem vorbestimmten Bereich gehalten. Der Oszillator 200 kann gemäß der Darstellung in Fig. 26 den Schwinger 9, das variable Reaktanzelement 202 und einen temperaturkompensierten Oszillator IC 241 umfassen, in den der restliche Teil der Schaltung integriert ist. Diese drei Komponenten werden üblicherweise auf einem Stanzgitter 242 montiert und integral in einem aus Kunststoff bestehenden Gußteil 240 untergebracht.
• Bei dem Oszillator 100 und dem Oszillator 200 muß die Reaktanz exakt in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T geändert werden, damit die Frequenz-Temperatur-Eigenschaften kompensiert werden können und somit ein sehr genauer Frequenzgang erzielt wird. Zu diesem Zweck sind das temperaturkompensierende Schaltungsnetzwerk 101 und das variable Reaktanzelement 202 jeweils außerhalb der Oszillatorschaltung 108 oder 119 angeordnet.
• Im allgemeinen arbeitet der Oszillator 100 mit bipolaren Transistoren, die im Vergleich mit CMOS-Elementen kleinere Änderungen der Frequenz über größere Temperaturbereiche hinweg zeigen, wobei zusammen mit diesen bipolaren Transistoren Widerstände und Thermistoren mit einem hohen Widerstandswert und einer hohen Genauigkeit sowie Kapazitäten mit einem großen Kapazitätswert und hoher Genauigkeit bzw. geringer Toleranz zum Einsatz kommen. Allgemein gesagt, sind diese Komponenten nur mit Schwierigkeiten in einen IC-Aufbau zu integrieren; als Folge hiervon müssen diskrete Komponenten in dem Oszillator 100 benutzt werden. Demzufolge ergibt sich eine große Anzahl von Komponenten, was Schwierigkeiten bei der Miniaturisierung des Oszillators bereitet. Da die Komponenten auf der oberen und der unteren Seite der Schaltungsplatine 143 angelötet sind, ist eine Montage mittels Schwalllöten nicht möglich. Weiterhin wird der Produktionswirkungsgrad durch die mühsame Prozedur behindert, die zur Justierung des Netzwerks 101 erforderlich ist. Bei dieser Prozedur werden temporäre Widerstände für RCH und RCL eingebaut, es wird der Temperaturgang des Oszillators ermittelt, und es werden dann die temporären Widerstände durch permanente Widerstände RCH und RCL mit geeigneten Werten ersetzt.
• Auf der anderen Seite kann der Oszillator 200 nicht mehr als den Schwinger 9, das variable Reaktanzelemente 202 und den IC 241 umfassen, wodurch die Miniaturisierung in gewissem Ausmaß gefördert wird. Der Produktionswirkungsgrad läßt sich ebenfalls in gewissem Ausmaß verbessern, da die Justierung der Mittel zur Temperaturkompensation leicht ausgeführt werden können, indem die kompensierenden Daten und die Frequenzeinstelldaten in der Datenspeicherschaltung 204 gespeichert werden. Unglücklicherweise ist jedoch das variable Reaktanzelement 202 erforderlich, das üblicherweise eine Varicap-Diode ist und das nur mit Schwierigkeiten in einen CMOS-IC integriert werden kann. Selbst wenn das variable Reaktanzelement 202 integriert ist, ist eine präzise Kompensation der Frequenz-Temperatur- Kennlinie schwieriger, da ein integriertes dement einem externen Element im Hinblick auf die Linearität und den dynamischen Bereich stark unterlegen ist.
• Ein bloßer Ersatz einer digitalen Schaltung wie etwa der f&sub0;-Einstellschaltung 7 durch ein analoges variables Reaktanzelement 202 ist nicht praktikabel, da im Unterschied zu der Kompensation von statischen Änderungen der Elemente bei einer anfänglichen Einstellung eine Kompensation der dynamischen Änderungen wie etwa der Frequenz-Temperatur-Eigenschaften durch Störungen verschlechtert wird, die auf diskrete Sprünge in den digitalen, kompensierenden Daten zurückzuführen ist, wenn sich diese in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T ändern. Da ein bloßer Ersatz der digitalen Kompensation durch eine analoge Kompensation nicht praktikabel ist, ist bei dem Oszillator 200 ein externes, analoges, variables Reaktanzelement 202 essentiell notwendig. Hierdurch wird die Miniaturisierung begrenzt und es erhöhen sich die Herstellungskosten.
• In der JP 3-283904 A ist ein temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 offenbart. Dort wird der Energieversorgungsstrom, der an einen Invertierer angelegt wird, in Abhängigkeit von den Änderungen der Umgebungstemperatur variiert, um hierdurch die Schwingung zu stabilisieren.
• Die JP 56-016891 A offenbart eine temperaturkompensierte Oszillationsschaltung für eine Uhr, bei der die Energiequellenspannung der Oszillationsschaltung in Abhängigkeit von Temperaturänderungen geändert wird.
• Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die Lösung dieser Probleme entwickelt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillator zu schaffen, der leicht in einem IC untergebracht und nach seinem Zusammenbau leicht justiert werden kann.
• Diese Aufgaben werden durch einen temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillator gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der Unteransprüche.
• In dem Oszillator gemäß Patentanspruch 1 begrenzt die Begrenzerschaltung die angelegte und zu der Oszillatorschaltung gespeiste Energieversorgungsspannung auf einen vorbestimmten Änderungsbereich. Wenn sich die Schwingfrequenz eines Schwingers in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändert, wird eine an die Oszillatorschaltung angelegte Energieversorgungsspannung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur geändert, und es wird die Schwingfrequenz in Abhängigkeit von der Änderung der angelegten Energieversorgungsspannung geändert. Als Ergebnis dessen kann die Schwingfrequenz des gesamten Oszillators in einem vorbestimmten Bereich gehalten werden, indem die Frequenz- Temperatur-Eigenschaften des Schwingers kompensiert werden. Da ferner die Frequenz- Temperatur-Eigenschaften durch die Änderung der angelegten Energieversorgungsspannung kompensiert werden, ist der Einbau eines variablen Reaktanzelements außerhalb der Oszillatorschaltung nicht länger erforderlich. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, daß jedes Schaltungselement des temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators leicht mittels eines CMOS-Prozesses integriert werden kann, so daß demzufolge die IC-Verpackung des Oszillators vereinfacht ist.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß dem Patenanspruch 2 begrenzt die Begrenzerschaltung die angelegte Energieversorgungsspannung, die an die Oszillatorschaltung angelegt wird, auf eine Spannung, die niedriger ist als die Energieversorgungsspannung, die für den temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillator vorgesehen ist. Als Ergebnis dessen ist die Oszillatorschaltung viel weniger empfindlich gegenüber Schwankungen der Energieversorgungsspannung des temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators. Dies führt zu einer stabileren Oszillatorschaltung.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß dem Patentanspruch 3 begrenzt die Begrenzerschaltung die angelegte Energieversorgungsspannung für die Oszillatorschaltung auf eine Spannung, die höher ist als die Schwingungsbeendigungsspannung bzw. Schwingungseinsetzspannung. Als Ergebnis dessen ist ein breiterer Schwingungsgrenzwert bzw. eine größere Schwingungsbereichsbreite für einen stabilen, temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillator vorgesehen.
• Da bei dem Ausführungsbeispiel gemäß dem Patentanspruch 4 kompensierende Daten in der Datenspeichereinrichtung gespeichert und diese in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ausgelesen werden, und die angelegte Energieversorgungsspannung in Abhängigkeit von den kompensierenden Daten geändert wird, wird die angelegte Energieversorgungsspannung, die zur Kompensierung des Frequenz-Temperatur-Gangs des Schwingers erforderlich ist, einfach erzeugt.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß dem Patenanspruch 5 werden die kompensierenden Daten in der Datenspeichereinrichtung gespeichert und ausgelesen, wobei auf der Grundlage der gelesenen kompensierenden Daten und der Umgebungstemperatur die Versorgungsspannung, die zur Kompensation der Frequenzänderungen, die mit mindestens einem der nachfolgenden Koeffizienten, nämlich dem linearen Koeffizienten A, dem quadratischen Koeffizienten B und dem kubischen Koeffizienten C verknüpft sind, erforderlich ist, einfach erzeugt werden kann.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß dem Patentanspruch 6 bilden lediglich ein Multiplikationskoeffizient G und eine Additionskonstante H die kompensierenden Daten, wodurch die benötigte Kapazität der Datenspeichereinrichtung stark verringert ist. Folglich ist die Größe des temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators noch weiter verringert.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß dem Patentanspruch 7 oder 8 werden Daten wie etwa die kompensierenden Daten nach der Herstellung des temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators von außen her zugeführt. Als Ergebnis dessen besteht keine Notwendigkeit hinsichtlich eines Austausches irgend eines internen Schaltungselements, und es können die Unterschiede der Schaltungseigenschaften, die auf Herstellungsschwankungen zurückzuführen sind, auf individueller Basis justiert werden. Somit ergibt sich ein integrierter, temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator in einem IC-Gehäuse, was eine Massenherstellung erlaubt, eine Verringerung der Herstellungskosten ermöglicht, und die Justiermaßnahmen nach der Montage erleichtert.
• Es kann sein, daß die Referenzfrequenz (d. h. die charakteristische Frequenz bei einer Referenztemperatur) des Schwingers, der in dem temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillator benutzt wird, von einer gewünschten Frequenz aufgrund von Schwankungen bei der Herstellung abweichen kann. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß dem Patentanspruch 9 oder 10 wird die Änderung der Referenzfrequenz auf der Basis der Frequenzeinstelldaten, die mit dem jeweiligen Schwinger verknüpft sind, einfach kompensiert, und es vergrößert sich demzufolge die Genauigkeit der Schwingfrequenz. Falls zugelassen ist, daß die Frequenzeinstelldaten nach dem Zusammenbau des temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators modifiziert werden können, kann die Justierung der Schwingfrequenz in den massenproduzierten piezoelektrischen IC-Oszillatoren nach deren Zusammenbau leicht ausgeführt werden.
• Im allgemeinen tendiert die Oszillatorschaltung dazu, einen engen Oszillationsbereich und eine erhöhte Schwingungsbeendigungsspannung bei einer hohen Temperatur zu zeigen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß dem Patentanspruch 11 ist jedoch ein Schwingungsbereich selbst bei einer hohen Temperatur sichergestellt, da die angelegte Energieversorgungsspannung als Reaktion auf den Anstieg der Umgebungstemperatur erhöht wird.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß dem Patentanspruch 12 ist der temperaturkompensierten piezoelektrische Oszillator miniaturisiert und für eine Massenproduktion ausgelegt.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß dem Patentanspruch 13 ist beispielsweise die Größe des temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators reduziert, was es ermöglicht, den Oszillator in einem Harzgußkörper wie etwa in einem aus Kunststoff bestehenden Gußkörper zu verpacken und den Oszillator für Massenherstellung auszulegen, so daß sich ein einfach zu handhabender, temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator ergibt.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß dem Patentanspruch 14 ist die Größe des gesamten temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators verringert, was es ermöglicht, den gesamten Oszillator in einem Gehäuse wie etwa in einem keramischen Gehäuse unterzubringen und den Oszillator für eine Massenproduktion auszulegen, so daß sich ein einfach zu handhabender, temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator ergibt.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in größeren Einzelheiten beschrieben:
• Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, das einen temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
• Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Oszillatorschaltung und die Verbindungen zwischen der Oszillatorschaltung und ihren umgebenden Schaltungen veranschaulicht.
• Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für die Frequenz-Temperatur-Kennlinie eines piezoelektrischen Schwingers wie etwa eines AT-geschnittenen Kristalls veranschaulicht.
• Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für die Frequenz-Energieversorgungsspannung- Kennlinie einer Oszillatorschaltung veranschaulicht.
• Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Beispiel für die Daten veranschaulicht, die in einer Datenspeicherschaltung gespeichert sind.
• Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Beispiel für eine Funktionsgeneratorschaltung darstellt.
• Fig. 7 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel eines D/A-Wandlers veranschaulicht.
• Fig. 8 zeigt Darstellungen von Schaltkreisen von Verstärkern mit variabler Verstärkung.
• Fig. 9 zeigt ein Diagramm, in dem ein Beispiel für die Ausgangsspannung-Temperatur- Kennlinie einer Temperatursensorschaltung veranschaulicht ist.
• Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für die Temperaturcharakteristik der Ausgangsspannung einer Funktionsgeneratorschaltung veranschaulicht.
• Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung, die ein Beispiel einer Versorgungsspannungsgeneratorschaltung mit Temperaturfunktion veranschaulicht.
• Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für die Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannung einer Versorgungsspannungsgeneratorschaltung mit Temperaturfunktion veranschaulicht.
• Fig. 13 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für die Temperaturabhängigkeit eines Frequenzgangs eines temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators als Reaktion auf abgeänderte Verstärkungseinstelldaten veranschaulicht.
• Fig. 14 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für die Frequenz-Temperatur-Kennlinie eines temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators mit und ohne Temperaturkompensation veranschaulicht.
• Fig. 15 zeigt eine perspektivische Ansicht, in der ein Beispiel für den Aufbau eines temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators dargestellt ist.
• Fig. 16(a) und (b) zeigen Blockschaltbilder, die weitere Beispiele einer Funktionsgeneratorschaltung veranschaulichen.
• Fig. 17 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für die Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannung der in Fig. 16 dargestellten Funktionsgeneratorschaltung veranschaulicht.
• Fig. 18 zeigt ein Blockschaltbild eines temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 19 zeigt ein Blockschaltbild, in dem ein Beispiel von Daten dargestellt ist, die in einer Datenspeicherschaltung für den Einsatz in dem in Fig. 18 dargestellten, temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillator gespeichert sind.
• Fig. 20 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Beispiel für die Temperaturabhängigkeit der Frequenz des in Fig. 18 gezeigten, temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators veranschaulicht.
• Fig. 21 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für die Temperaturabhängigkeit des Frequenzgangs des temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators gemäß Fig. 18 bei einer Temperaturkompensation veranschaulicht.
• Fig. 22 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines herkömmlichen, analogen, temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators.
• Fig. 23 zeigt eine perspektivische Ansicht, in der ein Beispiel für den Aufbau des in Fig. 22 dargestellten, temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators veranschaulicht ist.
• Fig. 24 zeigt ein Blockschaltbild, in dem ein Beispiel eines herkömmlichen, digitalen, temperatur kompensierten piezoelektrischen Oszillators veranschaulicht ist.
• Fig. 25 zeigt eine schematische Darstellung, in der die Oszillatorschaltung des in Fig. 24 dargestellten, temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators und die Verbindungen zwischen der Oszillatorschaltung und deren peripheren Schaltungen veranschaulicht sind.
• Fig. 26 ist eine perspektivische Ansicht, in der ein Beispiel für den Aufbau des in Fig. 24 dargestellten, temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators veranschaulicht ist.
• Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, in dem ein temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt ist, der eine Temperatursensorschaltung 2, eine Oszillatorschaltung 8, einen piezoelektrischen Schwinger (Vibrator) 9, einen Ausgangspuffer 12, eine variable Spannungsversorgungsschaltung 15 und eine Dateneingabe/Ausgabeschaltung (Dateneingabeeinrichtung) 10 umfaßt. Der Oszillator 1 ist derart ausgelegt, daß er während eines nach der Montage ausgeführten Einstellungsschritts mit einer externen, zur Einstellung der f&sub0;- Temperaturabhängigkeit dienenden Einstellschaltung 11 verbunden wird.
• Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Elektroden an den beiden Enden des Schwingers 9 mit dem Verbindungspunkt G und dem Verbindungspunkt D der Oszillatorschaltung 8 verbunden, die ihrerseits an das Gate bzw. an den Drainanschluß eines CMOS-Invertierers 33 angeschlossen sind. Der Schwinger 9 ist durch einen üblicherweise benutzten AT-geschnittenen Kristall gebildet und besitzt einen Frequenztemperaturgang, wie er beispielsweise in Fig. 3 mit der Kurve (a) dargestellt ist. Der Frequenztemperaturgang (bzw. Frequenz-Temperatur-Kennlinie oder Temperaturabhängigkeit der Frequenz) läßt sich durch das folgende Polynom annähern:
• Δf/f&sub0; = A(T-25) + B(T-25)² + C(T-25)³ ...(1)
• Hierbei bezeichnet T die Umgebungstemperatur, f&sub0; die Oszillationsfrequenz (im folgenden auch als "Referenzfrequenz" bezeichnet) bei 25ºC (im folgenden auch als "Referenztemperatur" bezeichnet), Δf bezeichnet die Frequenzabweichung f(T) - f&sub0;, und Δf/f&sub0; eine standardisierte Frequenzabweichung.
• Damit die standardisierte Frequenzabweichung innerhalb einer Toleranz von +/-2,5 ppm (im folgenden auch als "Sollbereich" bezeichnet) über einen Temperaturbereich von -10 bis +60ºC zu halten, wie dies in Fig. 3 mit dem gepunkteten Kasten (b) veranschaulicht ist, sind die Komponenten des im weiteren Text näher beschriebenen Oszillators 1 so eingestellt, daß sie die Frequenzabweichung Δf/f&sub0;, die von dem linearen Koeffizienten A der Gleichung (1) herrührt, kompensieren, d. h. einen Anteil der Schwankung der Frequenzabweichung Δf/f&sub0; kompensieren, der sich mit ansteigender Umgebungstemperatur T verringert.
• Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist die Oszillatorschaltung einen CMOS-Invertierer 33 mit einem Rückkopplungswiderstand Rf zwischen dem Drainanschluß und dem Gate, eine Kapazität Cg, die die Reaktanz der Gateseite (Elngangsseite) des CMOS-Invertierers 33 bestimmt, und eine Kapazität Cd auf, die die Reaktanz auf der Drainseite (Ausgangsseite) bestimmt. Wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist, ist der CMOS-Invertierer 33 weiterhin mit einer Versorgungsspannungsgeneratorschaltung 6 mit Temperaturfunktion verbunden, die zu der variablen Energieversorgungsschaltung 15 gehört, die eine variable Versorgungsspannung VDD(T) an den CMOS-Invertierer 33 anlegt. Die f&sub0;-Einstellschaltung 7, die zum Justieren der Referenzfrequenz f&sub0; eingesetzt wird, ist an den Verbindungspunkt G angeschlossen. Der Ausgangspuffer 12, der zur Erhöhung der Ausgangstreiberleistung und zur Isolation der Oszillatorschaltung 8 benutzt wird, ist mit dem Verbindungspunkt D verbunden.
• Durch die Änderung der an die Oszillatorschaltung 8 angelegten Energieversorgungsspannung VDD(T) kann eine spannungsabhängige Reaktanzkomponente wie etwa der Kapazitätswert zwischen den Anschlüssen des CMOS-Invertierers 33 geändert werden, wodurch die Reaktanz der gesamten Oszillatorschaltung 8 variiert werden kann. Als Ergebnis dessen ist die Oszillatorschaltung 8 mit einer Frequenz-Temperatur-Kennlinie wie etwa derjenigen versehen, die in Fig. 4 dargestellt ist, bei der die standardisierte Frequenzabweichung Δf/f&sub0; mit sich erhöhender Energieversorgungsspannung VDD(T) anwächst, d. h. bei der die standardisierte Frequenzabweichung proportional zu der Energieversorgungsspannung VDD(T) ist. Die Frequenzkompensation kann dadurch erzielt werden, daß dieser Frequenzgang der Oszillatorschaltung 8 vorteilhaft ausgenutzt wird. Genauer gesagt, kann der Oszillator 1 eine Temperaturkompensation durch Anheben der Energieversorgungsspannung der Oszillatorschaltung 8 proportional zu der Umgebungstemperatur T bieten, wodurch der nach rechts unten geneigte Abschnitt der standardisierten Frequenzabweichung Δf/f&sub0; des Vibrators 9 kompensiert wird.
• Hierbei ist anzumerken, daß es drei unterschiedliche Arten von standardisierter Frequenzabweichung gibt. Die erste Art (diese ist die zu kompensierende Art) ist die standardisierte Frequenzabweichung Δf/f&sub0; des Schwingers selbst. Die zweite Art (die kompensierende Art) ist diejenige der Oszillatorschaltung, wie diese sich verhalten würde, wenn sie nicht durch Schwankungen in dem Schwinger beeinflußt wäre. Die dritte Art (die kompensierte Art) ist diejenige ([fout - fout(T = 25ºC)]/fout (T = 25ºC)) der aktuellen Oszillationsfrequenz fout der gesamten Oszillatorschaltung, d. h. diejenige des Oszillators 1 insgesamt. Bei dieser Einstufung repräsentiert die standardisierte Frequenzabweichung der Oszillatorschaltung die zweite Art der standardisierten Abweichung bei Berücksichtigung der Verwendung dieses Ausdrucks in dem vorhergehenden Abschnitt: Es handelt sich nämlich um die Oszillationsfrequenz der Oszillatorschaltung, die sich ergeben würde, wenn die charakteristische Frequenz des Schwingers konstant (temperaturunabhängig) wäre.
• Die in Fig. 1 gezeigte variable Energieversorgungsschaltung 15 weist die Spannungsreglerschaltung 3, die Datenspeicherschaltung 4, die Funktionsgeneratorschaltung 5, die Versorgungsspannungsgeneratorschaltung 6 und die f&sub0;-Einstellschaltung 7 auf. Die Spannungsreglerschaltung 3 erzeugt eine Referenzspannung Vreg für die Funktionsgeneratorschaltung 5, wobei eine Versorgungsspannung bereit gestellt wird, die relativ unberührt durch die Spannungsschwankungen der Energieversorgungsspannung des Oszillators 1 bleibt. Die Energieversorgung für den Oszillator 1 ist herkömmlich und im Stand der Technik bekannt; zur Vereinfachung der Darstellungen ist sie deshalb in den Figuren nicht gezeigt.
• Die Datenspeicherschaltung 4 kann durch einen nicht flüchtigen Halbleiterspeicher wie etwa durch einen einem EEPROM entsprechenden Speicher gebildet sein, und es wird nach dem Zusammenbau des Oszillators 1 die Einstellschaltung 11, die eine Komponente außerhalb des Oszillators 1 darstellt, mit der Datenspeicherschaltung 4 über die Dateneingabe/Ausgabeschaltung 10 verbunden, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Auf diese Weise können kompensierende Daten in die Datenspeicherschaltung 4 eingeschrieben und in dieser gespeichert werden. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, enthalten diese Daten Offseteinstelldaten 21 (eine Additionskonstante) für die Einstellung des Offsets für die Kompensation der Frequenz- Temperatur-Kennlinie des Schwingers 9, Verstärkungseinstelldaten 22 (Multiplikationskoeffizient) für die Einstellung der Steigung der Kompensation, und Frequenzeinstelldaten 23 für die Einstellung der Referenzfrequenz f&sub0;.
• Die Verstärkungseinstelldaten 22 legen die Steigung der im weiteren Text noch zu beschreibenden Steuerspannung Vcont(T) mit Bezug zu den Änderungen der Umgebungstemperatur T fest (es wird auf Fig. 10 verwiesen). Die Verstärkungseinstelldaten können beispielsweise durch drei Bits ausgedrückt werden, die jeden beliebigen Wert von (000)&sub2; bis (111)&sub2; repräsentieren. Die Offseteinstelldaten 21 kompensieren jegliche Verschiebung der Spannung bei der Referenztemperatur, die auftreten könnte, wenn die Verstärkung oder die Steigung der Steuerspannung Vcont(T) justiert wird. Die Offseteinstelldaten können beispielsweise durch fünf Bits ausgedrückt werden. Die Frequenzeinstelldaten 23 bewirken eine Kompensation hinsichtlich einer Verschiebung der Schwingfrequenz der Oszillatorschaltung 8 bei der Referenztemperatur im Hinblick auf die Referenzfrequenz f&sub0;, die während des Einstellschritts festzulegen ist, und werden durch n Bits ausgedrückt, wobei n beispielsweise gleich acht sein kann und wobei n gleich groß ist wie die Anzahl von Schaltelementen 32-1 bis 32-n in der f&sub0;- Einstellschaltung 7, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
• Die Werte für die Einstelldaten 21, 22 und 23, die in der Datenspeicherschaltung 4 gespeichert werden, sind derart konzipiert, daß sie an die Frequenz-Temperaturkennlinie jedes Schwingers 9, der in einem jeweiligen Oszillator 1 zum Einsatz kommt, derart angepaßt sind, daß Abweichungen von einem Schwinger zu dem nächsten Schwinger mit Hilfe der Einstellschaltung 11 kompensiert werden können. Nachdem die Werte für die Einstelldaten 21, 22 und 23 festgelegt worden sind, d. h. nachdem der Einstellvorgang im Anschluß an die Montage abgeschlossen ist, wird die Einstellschaltung 11 elektrisch von dem Oszillator 1 abgetrennt.
• Die f&sub0;-Einstellschaltung 7, die gemäß der Darstellung in Fig. 2 mit dem Verbindungspunkt G der Oszillatorschaltung 8 verbunden ist, kompensiert die herstellungsbedingten Schwankungen der Referenzfrequenz f&sub0; des Schwingers 9, indem sie den Kapazitätswert auf der Seite des Gates des CMOS-Invertierers 33 ändert. Diese Änderung des Kapazitätswerts führt zu einer Änderung der Reaktanz der Oszillatorschaltung 8, wodurch die Referenzfrequenz f&sub0; der Oszillatorschaltung 8 justiert wird. Wie gezeigt ist, weist die f&sub0;-Einstellschaltung 7 eine Mehrzahl von Kondensatoren 31-1 bis 31-n auf, wobei jeder Kondensator in Reihe mit einem jeweiligen Schalter aus einer Mehrzahl von Schaltern 32-1 bis 32-n geschaltet ist. Der Ein- und Ausschaltzustand der Schalter 32-1 bis 32-n wird durch die Frequenzeinstelldaten 23 gesteuert, die in der Datenspeicherschaltung 4 vorhanden sind. Genauer gesagt, wird die Referenzfrequenz f&sub0; der Oszillatorschaltung 8 dadurch geändert, daß der Kapazitätswert zwischen dem Gate der Oszillatorschaltung 8 und der Masse (zwischen den Knoten A und B, die in Fig. 2 dargestellt sind) dadurch geändert wird, daß einer oder mehrere aus der Mehrzahl von Kondensatoren 31-1 bis 31-n in Abhängigkeit von dem Wert der Frequenzeinstelldaten 23 umgeschaltet wird/werden.
• Die Temperatursensorschaltung 2 weist einen Temperatursensor auf, bei dem die Vorwärtsspannungscharakteristik eines pn Halbleiterübergangs ausgenützt wird und der derart ausgelegt ist, daß er eine temperaturabhängige Spannung Vsens(T) als Funktion der Umgebungstemperatur T erzeugt. Die temperaturabhängige Spannung Vsens(T) ändert sich linear mit der Umgebungstemperatur T, wie dies aus Fig. 9 ersichtlich ist.
• Die Funktionsgeneratorschaltung 5 enthält gemäß der Darstellung in Fig. 6 zwei D/W-Wandler 24 und 25 sowie einen Verstärker 20 mit variabler Verstärkung. Die Funktionsgeneratorschaltung erzeugt eine Steuerspannung Vcont(T) in Abhängigkeit von der von dem Spannungsregler 3 stammenden Referenzspannung Vreg, der von der Temperatursensorschaltung 2 abgegebenen temperaturabhängigen Spannung Vsens(T), und den Offseteinstelldaten 21 und den Verstärkungseinstelldaten 22, die von der Datenspeicherschaltung 4 stammen. Die Steuerspannung Vcont(T) wird zu der Versorgungsspannungsgeneratorschaltung 6 geleitet.
• Die D/A-Wandler 24 und 25, die gemäß der Darstellung in Fig. 7 als D/A-Wandler des Typs mit einer R-2R Widerstandsleiterstruktur realisiert sind, wandeln die Offseteinstelldaten 21 und die Verstärkungseinstelldaten 22, die in der Datenspeicherschaltung 4 gespeichert sind, in eine analoge Offseteinstellspannung Vo bzw. in eine analoge Verstärkungseinstellspannung Vg um. Diese beiden analogen Spannungen werden zu dem Verstärker 20 mit variablem Verstärkungsfaktor geleitet, der gemäß der Darstellung in Fig. 8(a) ein Differenzverstärker ist, der durch eine von der Spannungsreglerschaltung 3 abgegebene Referenzspannung Vreg angesteuert wird. Die Steigung von Vcont(T) wird weiterhin durch die Steigung der temperaturabhängigen, von der Temperatursensorschaltung 2 abgegebenen Spannung Vsens(T) gesteuert. Die Spannung Vcont(T) ist auf eine vorbestimmte Spannung bei der Referenztemperatur eingestellt, indem die Differenz zwischen der temperaturabhängigen Spannung Vsens(T) und der Offseteinstellspannung Vo justiert wird. Die Steuerspannung Vcont(T) wird an die Versorgungsspannungsgeneratorspannung 6 geleitet.
• Wie vorstehend erläutert und in Fig. 9 dargestellt ist, ändert sich die temperaturabhängige Spannung Vsens(T) linear mit der Umgebungstemperatur T. Der Verstärker 20 mit variablem Verstärkungsfaktor stellt ebenfalls die Steuerspannung Vcont(T) bereit, die sich linear mit der Umgebungstemperatur T ändert. Durch die Einstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 20 mittels der Spannung Vg kann die Steigung der Steuerspannung Vcont(T) als Funktion der Umgebungstemperatur T modifiziert werden. In gleichartiger Weise kann der Wert der Steuerspannung Vcont(T) bei einer Referenztemperatur dadurch geändert werden, daß der Offset des Verstärkers 20 über die Spannung Vo eingestellt wird. Wie vorstehend erläutert, werden die Spannungen Vg und Vo jeweils in Abhängigkeit von den Verstärkungseinstelldaten und den Offseteinstelldaten generiert, die in der Datenspeicherschaltung 4 gespeichert sind. Folglich werden die Steigung und der Schnittpunkt (Intercept) der Steuerspannung Vcont(T) in ihrer Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T dadurch gesteuert, daß entsprechende Daten festgelegt werden, die in der Datenspeicherschaltung 4 gespeichert werden. Wenn beispielsweise, wie in Fig. 10 gezeigt ist, die Verstärkungseinstelldaten 22 den Wert (000)&sub2; besitzen, ist die Steigung der Steuerspannung Vcont(T) in ihrer Abhängigkeit von der Temperatur gering. Wenn der Wert der Verstärkungseinstelldaten 22 erhöht wird, vergrößert sich die Steigung der Steuerspan nung Vcont(T).
• Die Versorgungsspannungsgeneratorschaltung 6 weist, wie in Fig. 11 gezeigt ist, einen Differenzverstärker 28, einen Steuertransistor 29 und eine Begrenzerschaltung 30 auf und erzeugt eine Energieversorgungsspannung VDD(T), die proportional zu der Steuerspannung Vcont(T) ist. Die Begrenzerschaltung 30 hält die Energieversorgungsspannung VDD(T) innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs. Durch die Begrenzung des Bereichs der Energieversorgungsspannung VDD(T) verhindert die Begrenzerschaltung 30 eine Verschlechterung des versorgungsspannungsabhängigen Frequenzverhaltens der Oszillatorschaltung 8, die andernfalls auftreten würde, wenn die Energieversorgungsspannung VDD(T) bis auf ein Niveau anwachsen würde, das nahe bei der Energieversorgungsspannung des Oszillators 1 liegt. Weiterhin verhindert die Begrenzerschaltung 30 ein Aufhören der Schwingung der Oszillatorschaltung 8, das andernfalls auftreten könnte, wenn die Energieversorgungsspannung VDD(T) auf ein Niveau bei oder unterhalb der zum Aufhören der Schwingungen führenden Schwingungsbeendigungsspannung absinken würde.
• Im Unterschied zu den Temperatureigenschaften der Steuerspannung Vcont(T), die in Fig. 10 gezeigt sind, ist die Energieversorgungsspannung VDD(T) durch eine obere und eine untere Spannung begrenzt, wie dies in Fig. 12 dargestellt ist. Im allgemeinen tendiert die Oszillatorschaltung 8 bei höheren Temperaturen dazu, einen eingeschränkteren Schwingungsbereich und eine erhöhte Schwingungsbeendigungsspannung zu haben. Durch die Änderung der Energieversorgungsspannung VDD(T) proportional zu der Steuerspannung Vcont(T) innerhalb des vorbestimmten Bereichs wird die Energieversorgungsspannung VDD(T) auf einen höheren Pegel bei höheren Temperaturen eingestellt, wodurch der Schwingungsbereich bzw. die Schwingungsgrenze der Oszillatorschaltung 8 bei höheren Temperaturen vergrößert wird.
• Wie bereits vorstehend erläutert, werden während der Justierung des Oszillators 1 nach seiner Montage die Offseteinstelldaten 21, die Verstärkungseinstelldaten 22 und die Frequenzeinstelldaten 23 in der Datenspeicherschaltung 4 mit Hilfe der zur Einstellung der f&sub0;- Temperaturcharakteristik dienenden Einstellschaltung 11 gespeichert, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Bei einem jeweiligen Schwinger 9 wird sich die standardisierte Frequenzabweichung [fout fout (T = 25ºC)/fout (T = 25ºC) des Oszillators 1 in Abhängigkeit von den Verstärkungseinstelldaten 22 in einer Weise ändern, die ähnlich ist wie der in Fig. 13 dargestellte Verlauf. Der exakte Temperaturgang hängt auch von der Kombination aus der Temperaturcharakteristik der Energieversorgungsspannung VDD(T), die vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 92 erläutert wurde, und der Frequenzcharakteristik der Oszillatorschaltung 8 ab, die vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben wurde. Durch Ändern des Werts der Verstärkungseinstelldaten 22 wird nämlich der temperaturabhängige Frequenzgang des Oszillators 1 geändert.
• Es ist daher möglich, einen Bereich der temperaturabhängigen Kennlinien, der durch Unterschiede zwischen den einzelnen Schwingern 9 bedingt ist, dadurch zu kompensieren, daß ein geeigneter Wert für die Verstärkungseinstelldaten 22 ausgewählt wird. Falls der Schwinger 9 beispielsweise die standardisierten Frequenzabweichungseigenschaften besitzt, die in Fig. 3 dargestellt sind, die Energieversorgungsspannung VDD(T) eine Temperatur-Verstärkungs- Kennlinie aufweist, wie sie in Fig. 12 dargestellt ist, und die Oszillatorschaltung 8 eine Frequenz- Spannungs-Kennlinie besitzt, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, weist der Oszillator 1 eine Frequenz- Temperatur-Charakteristik gemäß der Kurve (000)&sub2; auf, die in Fig. 13 dargestellt ist, sofern die Verstärkungseinstelldaten 22 den Wert (000)&sub2; besitzen. Bei diesem Beispiel zeigt der Oszillator 1 ferner den Frequenz-Temperatur-Gang gemäß den Kurven (001)&sub2; bzw. (111)&sub2; als Reaktion auf Verstärkungseinstelldaten, die jeweils Werte entsprechend (001)&sub2; bzw. (111)&sub2; besitzen.
• Es wird nun auf Fig. 14 Bezug genommen. Die dort gezeigte Kurve (a) repräsentiert die Frequenz-Temperaturcharakteristik des Oszillators 1 ohne eine Temperaturkompensation. Diese Charakteristik entspricht der standardisierten Frequenzabweichungscharakteristik des Schwingers 9, die in Fig. 3 dargestellt ist. Eine Energieversorgungsspannung VDD(T), die den Temperaturgang gemäß der in Fig. 12 dargestellten Linie (111)&sub2; aufweist, wird zu der Oszillatorschaltung 8 in Abhängigkeit von der Umgehungstemperatur T geleitet, wobei der Wert der Verstärkungseinstelldaten 22 gleich (111)&sub2; festgelegt ist. Die Oszillatorschaltung 8 ändert ihre Schwingfrequenz in Abhängigkeit von der Frequenz-Spannungs-Kennlinie, die in Fig. 4 dargestellt ist, wodurch die temperaturabhängigen Frequenzeigenschaften des Schwingers 9 kompensiert werden, die in Fig. 14 durch die Kurve (a) repräsentiert sind. Im Ergebnis zeigt der Oszillator 1 einen temperaturabhängigen Frequenzgang, der durch die Kurve (c) in Fig. 14 dargestellt ist und der innerhalb des Sollbereichs liegt, der mit (b) bezeichnet ist. Wie vorstehend erwähnt, bezeichnet der Kasten (b) den Sollbereich von +/-2,5 ppm in einem Temperaturbereich von -10 bis + 60ºC. Es ist somit nun offensichtlich, daß die gleiche Methode auch zur Erzielung einer Temperaturkompensation bei einem anderen Oszillator 1 eingesetzt werden kann, der einen Vibrator 9 mit einem temperaturabhängigen Frequenzgang besitzt, der sich von dem frequenzabhängigen, vorstehend erläuterten und in Fig. 3 dargestellten Frequenzgang des Schwingers 9 unterscheidet.
• Alle die vorstehend beschriebenen Komponenten in dem Oszillator 1 können mit Ausnahme des Schwingers 9 unter Verwendung von Elementen aufgebaut werden, die einfach in eine IC- Struktur integriert werden kann; daher können alle diese Komponenten in einem einzigen, temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillator-IC 41 ausgebildet werden. Ferner kann der IC 41 zusammen mit dem Schwinger 9 auf einem Stanzgitter 42 montiert werden, wie es in Fig. 15 dargestellt ist, und kann dann in ein Gußteil 40 aus Kunststoff integral eingebettet werden. Diese Verpackung ist attraktiv, da die Größe des gesamten Oszillators 1 verringert werden kann, und da die Einfachheit der Herstellung und der Handhabung verbessert werden können. Die Zuverlässigkeit ist als Ergebnis des IC-Aufbaus verbessert, und es trägt die Massenherstellbarkeit zur Verringerung der Herstellungskosten bei.
• Da der temperaturabhängige Frequenzgang des Oszillators 1 durch Ändern der Energieversorgungsspannung VDD(T) kompensiert wird, ist nicht länger irgend ein externes variables Reaktanzelement erforderlich, wie es bei dem Stand der Technik benötigt wird. Daher können alle Schaltungselemente in dem Oszillator 1 in Form eines durch einen Einzel-IC gebildeten Aufbaus eingegliedert werden, der beispielsweise leicht durch einen CMOS-Prozess hergestellt werden kann.
• Die Temperaturkompensation kann ebenfalls für den Oszillator 1 durch einen einzigen Datensatz erreicht werden, der in der Datenspeicherschaltung 4 gespeichert ist, vorausgesetzt, daß der einzige Datensatz an die Eigenschaften des im Einsatz befindlichen Schwingers 9 angepaßt ist. Genauer gesagt, enthält der einzige Datensatz die Verstärkungseinstelldaten 22 (einen Multiplikationskoeffizienten) und die Offseteinstelldaten 21 (eine Additionskonstante), die zusammen die kompensierenden Daten bilden, und die Frequenzeinstelldaten 23. Dieser einzige Datensatz kann beispielsweise mit 16 Bits gespeichert werden, wobei die Verstärkungseinstelldaten 22 durch drei Bits, die Offseteinstelldaten 21 durch fünf Bits und die Frequenzeinstelldaten 23 durch acht Bits dargestellt werden. Ein Speicherumfang von 16 Bits ist erheblich kleiner als der Speicherumfang, der bei dem herkömmlichen digitalen Oszillator 20 benötigt wird, der in Fig. 24 dargestellt ist. Folglich werden die Miniaturisierung und die Kostenverringerung des ICs 41 noch weiter gefördert.
• Wie vorstehend erläutert, werden Daten, wie etwa die kompensierenden Daten, in den Oszillator 1 von einer externen Quelle nach der Herstellung des Oszillators 1 eingegeben; daher können Unterschiede in den Schaltungseigenschaften, die auf herstellungsbedingte Änderungen zurückzuführen sind, individuell justiert werden, ohne daß interne Schaltungselemente ersetzt werden müssen. Aufgrund dieses Merkmals kann der IC 41 in Massenfertigung hergestellt werden. Die Massenfertigung und die vereinfachten Einstellprozeduren tragen gemeinsam zur Verringerung der Herstellungskosten bei.
• Wie vorstehend beschrieben, beschränkt die Begrenzerschaltung 30 die Energieversorgungsspannung der Oszillatorschaltung 8 auf den vorbestimmten Bereich. Durch diese Begrenzung der Energieversorgungsspannung für die Oszillatorschaltung 8 auf einen maximalen vorbestimmten Spannungspegel, der niedriger ist als die Energieversorgungsspannung des Oszillators 1, wird der Oszillator 1 noch zuverlässiger und weniger empfindlich gegenüber Schwankungen der Energieversorgungsspannung des Oszillators 1. Durch die Begrenzung der Energieversorgungsspannung der Oszillatorschaltung 8 auf einen minimalen vorbestimmten Spannungspegel, der höher ist als die zum Aufhören der Schwingungen führende Abschaltspannung, wird der Oszillator noch stabiler und weniger anfällig gegenüber einem durch niedrige Spannungsbedingungen hervorgerufenen Aufhören der Schwingungen.
• Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird eine Verstärkungseinstellung unter Verwendung des in Fig. 7 und in Fig. 8(a) gezeigten D/A-Wandlers 25 erreicht, der ein Wandler des Typs mit einer Widerstandsleiterstruktur R-2R ist. Bei einer alternativen Methode zur Verstärkungseinstellung, die in Fig. 8(b) dargestellt ist, werden Stromquellen 26-11 bis 26-In eingesetzt. Durch Ein- und Ausschaltung dieser Stromquellen je nach Bedarf kann der Strom in digitaler Weise gesteuert werden.
• Als eine Alternative zu dem in Fig. 6 dargestellten Aufbau kann der Funktionsgenerator 5 gemäß der Darstellung in Fig. 16(a) realisiert werden, wobei eine Schaltung zum Einsatz kommt, die eine Frequenzsteuerung in Abhängigkeit von einer externen Steuerspannung Vc ausführt, die durch eine außerhalb des Oszillators 1 befindliche Quelle bereit gestellt wird. Eine solche Schaltung kann z. B. durch einen Addierer 27 realisiert werden. Wie aus Fig. 16(a) ersichtlich ist, ändert der Addierer 27 die Steuerspannung Vcont(T) gemäß der Darstellung in Fig. 17, indem er die Steuerspannung Vc additiv und subtraktiv mit der Offseteinstellspannung Vo für den variable Verstärkung besitzenden Verstärker 20 zusammenfaßt. Auf diese Weise kann der temperaturabhängige Frequenzgang der Oszillatorschaltung 8 hinsichtlich seines Pegels nach oben oder unten verschoben werden. Da die Referenzspannung V&sub0; der Oszillatorschaltung 8 bei dieser Ausgestaltung durch die externe Steuerspannung Vc justiert wird, ist die f&sub0;- Einstellschaltung 7, die in den Fig. 1, 2 und 18 gezeigt ist, nicht erforderlich. Der Addierer 27 stellt, sofern er an die Ausgangsseite des variable Verstärkung aufweisenden Verstärkers 20 gemäß der Darstellung in Fig. 16(b) angeschlossen ist, im wesentlichen die gleichen Wirkungen bereit, wie sie bereits vorstehend beschrieben sind.
• Bei einem Ausführungsbeispiel des Oszillators 1 ist die variable Energieversorgungsschaltung 15 so ausgelegt, daß sie lediglich denjenigen Teil der standardisierten Frequenzabweichung Δf/f&sub0; des Schwingers 9 kompensiert, der durch den linearen Koeffizienten A des Polynoms (1) repräsentiert ist, wie dies bereits vorstehend erläutert ist. Eine noch präzisere Kompensation kann über einen breiteren Bereich der Umgebungstemperaturen T hinweg bei weiteren Ausführungsbeispielen erzielt werden, indem eine Kompensation für denjenigen Teil der Frequenzabweichung Δf/f&sub0;, der durch den quadratischen Koeffizienten B repräsentiert ist, und optional auch für den kubischen Koeffizienten C vorgesehen wird.
• Fig. 18 zeigt ein Blockschaltbild eines temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators 50, der ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt und der imstande ist, eine Kompensation für den linearen, den quadratischen und/oder den kubischen Koeffizienten in dem Polynom (1) bereitzustellen. In dem Oszillator 50 enthält eine variable Energieversorgungsschaltung 51 einige der Merkmale der in Fig. 1 dargestellten variablen Energieversorgungsschaltung 15 und einige der Merkmale des herkömmlichen Oszillators 200, der in Fig. 24 dargestellt ist.
• Genauer gesagt, weist die variable Energieversorgungsschaltung 51 gemäß der Darstellung in Fig. 18 einen A/D-Wandler 52 zum Umwandeln einer von einer Temperatursensorschaltung 2 erzeugten, analogen, temperaturabhängigen Spannung Vsens(T) in digitale Temperaturdaten, eine Datenspeicherschaltung 54 zum Bereitstellen von digitalen kompensierenden Daten in Abhängigkeit von den digitalen Temperaturdaten, einen D/A-Wandler 53 zum Umwandeln der digitalen kompensierenden Daten in eine analoge Steuerspannung Vcont(T), und eine Versorgungsspannungsgeneratorschaltung 6 mit Temperaturfunktion sowie eine f&sub0;- Einstellschaltung 7 auf, die beide jeweils identisch sind wie die jeweiligen Schaltungen in der variablen Energieversorgungsschaltung 15, die in Fig. 1 dargestellt ist.
• Die Datenspeicherschaltung 54 speichert gemäß der Darstellung in Fig. 19 temperaturabhängige kompensierende Daten 55, die zum Kompensieren der Temperaturabhängigkeit des Frequenzgangs des Schwingers 9 dienen, und speichert weiterhin Frequenzeinstelldaten 23, die identisch sind wie diejenigen Daten, die in der in Fig. 5 gezeigten Datenspeicherschaltung 4 gespeichert sind. Es ist verständlich, daß ein Addierer (ähnlich wie die Komponente 27 in Fig. 16(b)) zwischen dem D/A-Wandler 53 und der Versorgungsspannungsgeneratorschaltung 6 vorgesehen sein kann, damit der Wert von f&sub0; mit Hilfe einer Steuerspannung Vc gesteuert werden kann, wie dies vorstehend im Hinblick auf das erste Ausführungsbeispiel bereits erläutert ist. In einem solchen Fall sind die Einstellschaltung 7 und die Frequenzeinstelldaten in dem Datenspeicher 54 nicht erforderlich. Die kompensierenden Daten 55 ändern sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T und sind in dem Speicher in Übereinstimmung mit jeweiligen digitalen Temperaturdaten angeordnet, die von dem A/D-Wandler 52 erhalten werden. Dies bedeutet, daß kompensierende Daten, die einer jeweiligen Temperatur entsprechen, in der Speicherschaltung 54 an einer Adresse gespeichert werden, die dieser jeweiligen Temperatur entspricht, so daß eine erfaßte Temperatur, die von der Temperatursensorschaltung 2 über den A/D-Wandler 52 zugeführt wird, dazu benutzt werden kann, die Adresse zu bestimmen, aus der die kompensierenden Daten für diese erfaßte Temperatur ausgelesen werden können. Die kompensierenden Daten, die an einer bestimmten Adresse in der Speicherschaltung 54 gespeichert sind, stellen den geeigneten Wert der Steuerspannung Vcont(T) für eine jeweilige Umgebungstemperatur T bereit, die dieser Adresse entspricht. Der geeignete Wert von Vcont(T) ist diejenige Spannung, die zur Kompensation des temperaturabhängigen Frequenzverhaltens des Schwingers 9 in dem Oszillator 50 erforderlich ist. Wie in Fig. 20 dargestellt ist, wird beispielsweise die standardisierte Frequenzabweichung Δf/f&sub0; des Schwingers 9 für jede Umgebungstemperatur kompensiert, (in den Richtungen der Pfeile, die in der Figur dargestellt sind), um hierdurch für den Oszillator 50 eine kompensierte standardisierte Frequenzabweichung [fout - fout (T = 25ºC)]/fout (T = 25ºC) zu erhalten, die über den gewünschten Temperaturbereich hinweg nahe bei Null liegt. Der Zeitpunkt und der Vorgang der Speicherung dieser Daten 55 und 23 in der Datenspeicherschaltung 54 sind die gleichen wie diejenigen, die bereits vorab beschrieben sind und zum Speichern der Daten in der Datenspeicherschaltung 4 des Oszillators 1 eingesetzt werden. Anders ausgedrückt, werden die erforderlichen Daten nach der Montage des Oszillators 50 durch eine Messung unter Einsatz der Einstellschaltung 11 aufgebaut und in die Datenspeicherschaltung 54 eingespeist.
• In der variablen Energieversorgungsschaltung 51 werden die kompensierenden Daten aus der Datenspeicherschaltung 54 in Abhängigkeit von der temperaturabhängigen Spannung Vsens(T) ausgelesen, die durch die Temperatursensorschaltung 2 erzeugt wird, wonach die digitalen kompensierenden Daten durch den D/A-Wandler 53 in die analoge Steuerspannung Vcont(T) umgewandelt werden, und die Energieversorgungsspannung VDD(T) durch die Versorgungsspannungsgeneratorschaltung in Abhängigkeit von der Steuerspannung Vcont(T) variiert wird. Die Versorgungsspannungsgeneratorschaltung 6 ändert die Reaktanz der Oszillatorschaltung 19, um hierdurch den temperaturabhängigen Frequenzgang des Schwingers 9 zu kompensieren; folglich wird der temperaturabhängige Frequenzgang des Oszillators 50 geändert, um hierdurch eine Temperaturkompensation zu erzielen. Als Beispiel wird der temperaturabhängige Frequenzgang des Schwingers 9, der in Fig. 20 gezeigt ist und der eine standardisierte Frequenzabweichung Δf/f&sub0; von ungefähr +/-18 ppm über den Temperaturbereich von -40ºC bis + 80ºC hinweg aufweist, kompensiert, um hierdurch für den Oszillator 50 insgesamt eine Temperaturabhängigkeit des Frequenzgangs zu erzielen, wie sie in Fig. 21 dargestellt ist, bei der eine standardisierte Frequenzabweichung von ungefähr +/-0,3 ppm über den gleichen Temperaturbereich hinweg auftritt.
• Der Oszillator 50 ist imstande, eine noch präzisere Kompensation über einen noch breiteren Bereich der Umgebungstemperatur T als derjenige, der bei dem Oszillator 1 erzielt wird, zu erhalten, da die in dem Oszillator 50 vorgesehene Kompensation der standardisierten Frequenzabweichung Δf/f&sub0;, die mit dem quadratischen Koeffizienten B und dem kubischen Koeffizienten C des Polynoms (1) verknüpft ist, zusätzlich zu der Abweichung Rechnung trägt, die mit dem linearen Koeffizienten A des Schwingers 9 verknüpft ist.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann in vielfältiger Form verkörpert werden.
• Als Beispiel können die Datenspeicherschaltungen 4 und 54 durch Speicherschaltungen des elektrisch löschbaren Typs, des mit Ultraviolettlicht löschbaren Typs, des Einbrenntyps oder dergleichen und nicht nur durch die vorstehend beschriebene Halbleiterform wie etwa ein EEPROM gebildet sein.
• Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Frequenzeinstelldaten 23 und die f&sub0;- Einstellschaltung 7 nicht erforderlich und können weggelassen werden, wenn die Offseteinstelldaten 21 in der Datenspeicherschaltung 4 und die kompensierenden Daten 55 in der Datenspeicherschaltung 54 derart bereit gestellt werden, daß sie der Verschiebung der Referenzfrequenz f&sub0; Rechnung tragen, die auf Unterschiede zwischen einzelnen Schwingern 9 zurückzuführen ist.
• Alternativ kann die f&sub0;-Einstellschaltung 7 bei einem abgeänderten Ausführungsbeispiel mit dem Drainanschluß des CMOS-Invertierers 33 anstatt mit dem Gate verbunden werden, wie dies vorstehend beschrieben wurde und in Fig. 2 gezeigt ist.
• Vorzugsweise weist ein Temperatursensor für den Einsatz in der Temperatursensorschaltung 2 eine im wesentlichen lineare Steigung im Hinblick auf die Temperatur auf. Einige Beispiele von geeigneten Sensoren enthalten Bauelemente, die die Temperatur unter Ausnutzung der Schwellwertspannung eines Halbleiters, der Vorwärtsspannung eines pn Übergangs oder des Widerstandswerts eines Thermistors messen.
• Sowohl der Oszillator 1 als auch der Oszillator 50 können vollständig in einem keramischen Gehäuse anstatt in einem Gußkörper 40 aus Plastik, wie dies vorstehend beschrieben ist, untergebracht werden. Das keramische Gehäuse bietet die gleichen Vorteile hinsichtlich der Miniaturisierung und der Massenproduktion wie der aus Kunststoff bestehende Gußkörper.
• Die vorstehend erläuterten Beispiele und Methoden dienen lediglich als Beispiel und stellen keine Beschränkungen der vorliegenden Erfindung dar, deren Umfang in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt ist.

Claims (14)

1. Temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator mit

einem piezoelektrischen Schwinger (9), dessen Frequenz eine Temperaturabhängigkeit besitzt,

einer Oszillatorschaltung (8) zum Treiben des Schwingers (9) und zum Ändern der Schwingfrequenz in Abhängigkeit von einer Energieversorgungsspannung (VDD(T)), die an die Oszillatorschaltung angelegt ist,

einer Temperatursensorschaltung (2) zum Erfassen der Umgebungstemperatur des Schwingers (9), und

einer variablen Energieversorgungsschaltung (15; 51), die auf die Temperatursensorschaltung anspricht und zum Erzeugen der Energieversorgungsspannung derart ausgelegt ist, daß die Schwingfrequenz der Oszillatorschaltung (8) in Abhängigkeit von Änderungen der Umgebungstemperatur so geändert wird, daß die Temperaturabhängigkeit der Frequenz des Schwingers (9) kompensiert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die variable Energieversorgungsschaltung (15; 51) eine Begrenzerschaltung (30) enthält, die den Bereich der Energieversorgungsspannung (VDD(T)) begrenzt.

2. Oszillator nach Anspruch 1, bei dem die obere Grenze des Bereichs auf eine Spannung festgelegt ist, die niedriger ist als die Energieversorgungsspannung des temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillators (1; 50) selbst.

3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die untere Grenze des Bereichs auf eine Spannung festgelegt ist, die höher ist als die Schwingungseinsetzspannung der Oszillatorschaltung (8).

4. Oszillator nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die variable Energieversorgungsschaltung (51) eine Datenspeichereinrichtung (54) zum Speichern jeweiliger kompensierender Daten für eine Vielzahl von unterschiedlichen Umgebungstemperaturen, und eine Einrichtung (52; 53) zum Auslesen von kompensierenden Daten, die der durch die Temperatursensorschaltung (2) erfaßten Umgebungstemperatur entsprechen, aus der Datenspeichereinrichtung umfaßt, wobei die variable Energieversorgungsschaltung derart ausgelegt ist, daß sie die Energieversorgungsspannung (VDD(T)) in Abhängigkeit von den kompensierenden, aus der Datenspeichereinrichtung ausgelesenen Daten ändert.

5. Oszillator nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem

die Temperaturabhängigkeit der Frequenz des Schwingers (9) durch eine Funktion f(T) = A(T-25) + B(T-25)² + C(T-25)³

approximiert wird, wobei T die Umgebungstemperatur T, A einen linearen Koeffizienten, B einen quadratischen Koeffizienten und C einen kubischen Koeffizienten bezeichnen,

wobei die variable Energieversorgungsschaltung (15) eine Datenspeichereinrichtung (4) zum Speichern von kompensierenden Daten zur Kompensation von Frequenzänderungen enthält, die mindestens einem der drei Ausdrücke der Funktion f(T) entsprechen, und

wobei die variable Energieversorgungsschaltung die Energieversorgungsspannung (VDD(T)) auf der Basis der kompensierenden Daten, die aus der Datenspeichereinrichtung ausgelesen werden, und der durch die Temperatursensorschaltung (2) erfaßten Umgebungstemperatur erzeugt.

6. Oszillator nach Anspruch 5, bei dem die kompensierenden Daten einen Multiplikationskoeffizienten G und eine Additionskonstante H enthalten, und die variable Energieversorgungsschaltung (15) dazu ausgelegt ist, die Energieversorgungsspannung (VDD(T)) entsprechend der linearen Funktion V(T) = G(T) + H zu erzeugen.

7. Oszillator nach Anspruch 6, bei dem die variable Energieversorgungsschaltung (15) eine Verstärkereinrichtung (20) mit variablem Verstärkungsfaktor und variablem Offset enthält, die einen mit der Temperatursensorschaltung (2) verbundenen Eingangsanschluß, einen zur Verstärkungsfaktorsteuerung dienenden Eingangsanschluß, der zur Aufnahme einer den Multiplikationskoeffizienten repräsentierenden Verstärkungsfaktor-Steuerspannung (Vg) ausgelegt ist, und einen zur Offsetsteuerung dienenden Eingangsanschluß umfaßt, der zur Aufnahme einer Offsetsteuerspannung (Vo), die die Additionskonstante repräsentiert, ausgelegt ist.

8. Oszillator nach einem der Ansprüche 4 bis 7, der weiterhin eine Dateneingabeeinrichtung (10) zum Aufnehmen von Daten von einer außerhalb des Oszillators befindlichen Quelle (11) und zum Ermöglichen der Speicherung dieser Daten in der Datenspeichereinrichtung (4; 54) enthält.

9. Oszillator nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Datenspeichereinrichtung (4; 54) weiterhin Frequenzeinstelldaten speichert und der Oszillator zusätzlich aufweist: eine Abweichungskompensationseinrichtung (7), die auf die Frequenzeinstelldaten anspricht und zum Kompensieren irgend welcher Abweichungen der Eigenfrequenz des Schwingers (9) bei einer Referenztemperatur von einer gewünschten Frequenz ausgelegt ist.

10. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der weiterhin einen Steuereingangsanschluß zum Aufnehmen einer Steuerspannung (Vc) und eine Addiereinrichtung (27) zum Addieren der Steuerspannung zu der Energieversorgungsspannung (VDD(T)) zum Kompensieren irgend welcher Abweichungen der Eigenfrequenz des Schwingers (9) bei einer Referenztemperatur von einer gewünschten Frequenz umfaßt.

11. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die variable Energieversorgungsschaltung (15; 51) die Energieversorgungsspannung bei einem Anstieg der erfaßten Temperatur erhöht.

12. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Komponenten mit Ausnahme des piezoelektrischen Schwingers (9) in einem Einzelchip-IC (41; 241) integriert ausgebildet sind.

13. Oszillator nach Anspruch 12, bei dem der Einzelchip-IC zusammen mit dem piezoelektrischen Schwinger (9) in einem Gußteil (40) untergebracht ist.

14. Oszillator nach Anspruch 12, bei dem der Einzelchip-IC zusammen mit dem piezoelektrischen Schwinger (9) in einem Gehäuse untergebracht ist.