JP2008507174A - 温度補償恒温槽制御水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度制御された周波数源を供給する方法を提供する。
【解決手段】この方法は、温度制御された周波数源を温度補償することにより、温度制御された周波数源の動作周波数に対する温度変化の影響を低減する。温度制御された周波数源は、恒温槽制御型水晶発振器（ＯＣＸＯ）であってもよく、温度制御された周波数源はＴＣＸＯ ＡＳＩＣであってもよい。アナログ温度補償は０乃至４次の多項式チェビシェフ温度関数の生成により供給されてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、温度補償恒温槽制御水晶発振器（ＴＣＯＣＸＯ）に関する。

特許文献１に開示されているように、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）の温度を所定の動作範囲に維持するために、ＴＣＸＯを恒温槽内に設置する技術が知られている。サイズ、複雑性および費用の制約があるため、小型パッケージではＴＣＸＯを完全に恒温槽制御することはできず、せいぜい水晶パッケージや発振回路のみを部分的に制御することが可能である。

構成の全体にわたって温度勾配がかかり、水晶と温度補償回路との間に温度差が発生すると、この温度差は、所要電力と同様、周囲温度に伴って変化する。これによって温度補償が実質的に低下し、その結果高品質のＴＣＸＯを劣化させてしまう。
米国特許第６，５０１，３４０号公報 米国特許第４，５６０，９５９号公報 米国特許第６，５４９，０５５号公報 米国特許出願第１０／４８５，５８３号公報

図面において、複数の図面を通じて同一の符号は、本発明で図示される実施例において同一の部材を表す。

ＴＣＸＯの周波数安定度は、完全に恒温に保たれれば、著しく向上させることができる。ＴＸＣＯは、従来の恒温槽制御水晶発振器（ＯＣＸＯ）に用いられるような恒温の筐体の中に配置してもよい。恒温の筐体は、銅ブロックおよび／またはアルミニウムブロックであってもよく、ＴＣＸＯの部品（例えば水晶、振動子など）は、その上および／または内部に取り付けることができる。水晶および振動子を恒温に維持するためには熱シールドが必要であり、これによってＴＸＣＯ全体の温度勾配が最小化される。

恒温槽制御温度補償水晶発振器（ＯＣＴＣＸＯ）の性能は、（１）周波数頂点温度、すなわち低温度係数／零温度係数の範囲が恒温槽の制御温度と一致する場合に結晶角を使用すること、および／または、（２）恒温槽の制御温度の温度範囲における補償をバイアスすることによって、さらに向上させることができる。

熱補償は、温度制御（例えば、非常に厳格な温度制御）が行われないことによる影響、および／または、大きさおよび／または電力および／または費用の制約により生じた温度勾配の影響をなくすためにも用いることができる。熱補償は、温度制御が実施された後で行われてもよい。そうすれば、各発振器の特定の周波数安定度特性を測定および修正することができる。

図１は、本発明の方法１００の一実施例を示している。ブロック１０５において、方法１００は温度制御された周波数源を供給する。ブロック１１０において、方法１００は温度制御された周波数源を温度補償する。

図２は、ＴＣＯＣＸＯ２００の一実施例を示している。このＴＣＯＣＸＯ２００は、例えば「恒温槽」の非常に厳格な温度制御を不要にしたものである。ＴＣＯＣＸＯ２００は、密封ケース２０５、支持基板２１０および／または恒温槽ブロックアセンブリ２１５を備える。密封ケース２０５には、例えばキセノンなどの断熱ガスを充満させてもよい。ＴＣＯＣＸＯは、ＯＣＸＯから周波数誤差を除去するために、プログラム可能な温度補償特定用途向け集積回路（“ＡＳＩＣ”）を含んでもよい。

図４は、セラミックブロックの上面の空洞に嵌め込まれた温度補償ＡＳＩＣを示す。空洞にはエポキシ樹脂を充填してもよい。加熱デバイスはセラミックブロックの底面に取り付けてもよく、水晶はセラミックブロックの上面、例えば、温度補償ＡＳＩＣを収容している密閉された空洞のすぐ上部に配置してもよい。

ヒータおよび温度センサは、図５に示すように、セラミックブロック上に配置してもよい。また、温度センサおよび／または水晶も温度補償ＡＳＩＣを収容している密閉された空洞の上面に（直接的におよび／または間接的に）配置することができ、ヒータはセラミックブロックの底面に（直接的におよび／または間接的に）配置することが可能である。

セラミックブロックの底面にはさらに温度センサを配置してもよい。セラミックブロックは、ＴＣＸＯから水晶へのすべての接続を含んでもよく、また、温度センサおよび加熱装置への遠隔アクセスを可能にする追加的な接続を含んでもよい。

セラミックブロックは、ほぼ一定の温度に加熱される。ヒータを制御する制御回路は、図４および図５に示すように、支持基板（例えば、支持プリント回線基板（“ＰＣＢ”））上に配置される。ヒータおよび温度センサはセラミックブロック上に実装される。活性化されたヒータによる周辺温度の牽引が実行され、水晶からの周波数が記録される。

ＴＣＯＣＸＯは、水晶の温度が多少（例えば数度）変化してもよいように制御されるとともに、例えばＯＣＸＯデバイスよりも低品質の恒温槽を使用する。温度スイープが周波数対周囲温度の結果を提供することにより、温度補償ＡＳＩＣに対して、恒温槽制御の結果残存する周波数偏差を除去するための訂正を行うことができる。

ＴＣＯＣＸＯの温度は、標準的なＯＣＸＯの原理に基づいて設定されてよい。例えば、動作温度をわずかに上回る温度に設定すれば消費電力を最小に抑えることができ、および／または、水晶のゼロ温度係数点に設定すれば最良の補償が行われる。ある温度範囲において機能低下（アクティビティ・ディップ。発振器の出力における周波数不安定性の原因となる）が発生すると、このアクティビティ・ディップを排除するために、アクティビティ・ディップが発生したデバイスの性能が検査および評価される。

ＴＣＯＣＸＯは、加熱回路が温度制御を行う範囲内にはアクティビティ・ディップを含むべきではない。水晶のアクティビティ・ディップはどんな温度範囲においても生じ得るものであり、水晶の温度範囲を縮小することによって、アクティビティ・ディップを検出するリスクは低下する。

ＴＣＯＣＸＯは、ＯＣＸＯよりも大幅に大きさおよび消費電力が縮小されており、従来のＴＣＸＯよりも高い周波数安定度を実現する。また、ＴＣＯＣＸＯの手法によれば、あまり良好に制御されていない恒温槽により引き起こされた周波数温度特性の残存誤差を減少させるので、完成品のＴＣＸＯを加熱しようとする特許文献１の手法よりも優れた性能が得られる。

ＴＣＯＣＸＯの温度補償ＡＳＩＣは、Ｃ−ＭＡＣ社製の“Ｐｌｕｔｏ”ＡＳＩＣであってもよい。Ｃ−ＭＡＣ社にはＡＳＩＣデバイスの開発において長い歴史があり、例えば本明細書において参照する特許文献２は、温度補償の一実施形態を説明するものである。

“Ｐｌｕｔｏ”ＡＳＩＣのような温度補償ＡＳＩＣは、本明細書において参照する特許文献３（パラメータ感知信号のための入力信号を生成する方法および装置）および特許文献４（可変リアクタンス同調回路）に開示されるような特徴を備えていてもよい。

図３は“Ｐｌｕｔｏ”ＡＳＩＣの一実施例のブロック図である。周波数の調整にはバラクタが用いられ、リアクタンスは加算増幅器の電圧によって制御される。ＴＣＯＣＸＯは、性能の強化および／または完成品のモジュールの規模およびコストの低減のためにＡＳＩＣを利用してもよい。

温度補償ＡＳＩＣはアナログ温度補償チップであってもよい。例えば、Ｐｌｕｔｏデバイスは高度の機能性を備え、デジタル制御されたアナログ温度補償と、電圧制御による周波数調整（“周波数引き込み”）と、周波数引き込みの線形化と、倍音選択と、低電圧動作のための同期電圧増倍と、いずれもトライステートの３つの異なる出力バッファとを含む。

Ｐｌｕｔｏ関数は、０次乃至４次の多項式チェビシェフ温度関数の生成により得られる出力周波数の４次アナログ温度補償を含む。これらの関数は、乗算Ｄ／Ａコンバータによって重み付けされ、加算増幅器を通して重畳され、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）信号発生器に適用される。Ｐｌｕｔｏによれば、ＴＣＯＣＸＯは、以前はもっと大規模で高価なデジタル補償または高次アナログ補償されたデバイスを用いなければ利用できなかった安定性のある４次補償を使用することができる。

温度補償ＶＣＸＯの出力周波数は、内部で生成された補償電圧と外部から印加された調整電圧との合計により決定される。ＶＣＸＯの周波数対電圧特性における非線形性により、修正をしなくとも、調整電圧に依存するデバイスの周波数対温度特性が決定される。これは、「トリムスキュー（ｔｒｉｍ ｓｋｅｗ）」として知られている。さらに、周波数対電圧曲線の傾斜は、水晶およびバラクタダイオードの温度依存性によって温度関数となり、達成可能な温度安定性を制限する。

これらの効果はいずれも、ＶＣＸＯの前に挿入された回路ブロックを含む“Ｐｌｕｔｏ”ＡＳＩＣにおいては最小化される。補償と調整電圧との和は重み付けされてこの回路ブロックへの入力を形成する。一方、出力はバラクタに印加される電圧であって、ＶＣＸＯの周波数を調整する。

特許文献３に記載されているように、ブロックの非線形伝達関数は、ＶＣＸＯの周波数調整の非線形性を正確に補償するようデジタル的にプログラムされ得る。温度センサはブロックに追加的な入力を供給する。これは、水晶およびバラクタの温度依存性を訂正するよう回路の総合利得を制御するために用いられる。

その結果、温度領域全体にわたって一定の電圧感度を備えた高度線形ＶＣＸＯが達成される。そして、調整電圧範囲の全体にわたって極めて優れた周波数対温度安定性が得られるようになる。線形化において用いられる乗算Ｄ／Ａコンバータのデジタル制御は個別の設定を可能とするので、各発振器には最善の結果がもたらされる。

一実施例において、ＴＣＯＣＸＯは、図４、５および６に示すように、温度補償回路と、（バラクタを含む）発振器と、水晶と、サーミスタと、ヒータトランジスタ（および電流感知／ヒータ抵抗器）と、セラミック配線ブロックに内蔵および／またはセラミック配線ブロック上に配設された配線とを含む。サーミスタは過熱制御のための温度感知回路に用いられる。

図７は回路の概略図であり、セラミックブロックと、発振器と、水晶と、サーミスタと、ヒータと、補償回路とを含む。図５および６に示されるように、支持ＰＣＢ上には恒温槽制御回路のみが実装される。

図８はＰＣＢの概略図であり、セラミックブロックと、恒温槽制御回路とを含む。恒温槽制御は、以下に述べるように、様々な温度制御スキーム用に設けることができる。ＡＳＩＣは、発振器と、バラクタと、補償（熱および／または周波数電圧制御線形性）と、電圧調整器と、通信および／またはメモリ機能とを統合してもよい。

例えば、“Ｐｌｕｔｏ”ＡＳＩＣを含むＣ−ＭＡＣ社のＴＣＸＯ ＡＳＩＣ（原型の６次ＡＳＩＣ、１９９５年頃）は、接続の数を最小化するために、共有可能に構成された通信インターフェースを含む。ＡＳＩＣはシングルピン通信を使用し、このシングルピン通信は電圧制御入力と共有される。

プログラミングの後、プログラミングインターフェースは停止され、最終的な製品においては何の機能も持たない。これにより、ＡＳＩＣとの誤通信を回避することができる。周波数出力ピンもＡＳＩＣからの状態通信に用いられる。その結果、ＡＳＩＣとの通信には追加的な接続が不要となるため、最終的なＴＣＯＣＸＯアセンブリから必要以上の熱が失われることはない。

ＡＳＩＣの補償スキームは比較的柔軟なもので、４次までの多項式を補償に用いることができ、各次は０から正負の最大値まで増減可能である。ＡＳＩＣによれば、ＡＴカットＴＣＸＯ補償のみに限られず、様々な温度補償が可能である。

図９に示す恒温槽温度制御の形態は、以下を含むものである。
・ＴＣＸＯ：加熱は行われず、デバイスは周囲温度に追従する。
・ＯＣＸＯ：デバイスの温度は的確に保持される。
・ＴＣＯＣＸＯ．１：デバイスの温度は大きさおよび複雑性が許容する限り厳密に制御されるが、周囲の変化の数パーセントは変動する。ＴＣＯＣＸＯ．１は周波数安定度から言って最良のＴＣＯＣＸＯであると考えられているが、他のＴＣＯＣＸＯ恒温槽構造よりも高い消費電力を必要とする。
・ＴＣＯＣＸＯ．２：デバイスの温度は全く厳密に制御されない。ヒータは動作領域全体にわたって活性化される。厳格なデバイス温度を維持しないことにより、低消費電力を実現できる。
・ＴＣＯＣＸＯ．３：ヒータ電流の最大限度が設定される。必要なヒータ電流がこの電流よりも低く、周囲温度が高いときには、デバイスの温度はほぼ一定である。周囲温度が低いときには、ヒータ電流が制限され、デバイス温度は周囲温度と同一の傾きで落ち込む。この技術は低電力で電流が制限されているアプリケーションにおいて有用である。
・ＴＣＯＣＸＯ．４：開放設定点（ｏｐｅｎ ｓｅｔ ｐｏｉｎｔ）は動作温度範囲の完全に内側に位置している。周囲温度がこの設定点よりも高い場合には、恒温槽は非活性化される。設定点よりも低い場合には、恒温槽はデバイスの温度を制御する。デバイスの温度がＴＣＯＣＸＯ．１におけるよりも低く保持されるとき、低電力消費が実現される。
・ＴＣＯＣＸＯ．５：ＴＣＯＣＸＯ．４と同一の制御形態であるが、低電流制限が追加されており、デバイスが周囲と同一の熱傾斜を有するようにしている。これにより、電力消費はさらに電力消費を低減されるが、ＴＣＸＯで見られる温度変化は増大する。

第３の形態において、周波数安定度性能は、電流制限が発生する温度が水晶温度係数のゼロに一致するとき最適化されうる。第４の形態の場合には、周波数安定度性能は、恒温槽設定点が水晶温度係数のゼロに一致するとき最適化されうる。また、第５の形態の場合には、電流制限が発生する温度は、水晶のゼロ温度係数の領域に一致しなければならない。ＡＴカット水晶角を適切に選択することにより、これらの要件はすべて容易に満たすことができる。

例えば、小型パッケージの恒温槽制御発振器を補償するためには、様々な補償スキームの理解および／または“Ｐｌｕｔｏ”ＡＳＩＣのような適切な補償ＡＳＩＣの利用が必要である。

ＴＣＯＣＸＯは、例えばＯＣＸＯなどの温度制御周波数源を温度補償する。温度制御された周波数源においては、周波数源は温度範囲内に維持または制約されてもよい。特許文献１に開示されているようなＯＣＴＣＸＯは、ＴＣＸＯを温度制御する（すなわち焼く（ｂａｋｅ））。ＴＣＸＯにおいては、周波数源の温度は周囲温度とともに変化し、周囲温度の変化による周波数の変動は訂正（補償）される。

ＴＣＯＣＸＯとＯＣＴＣＸＯとは全く異なる手法である。これは、特許文献１に開示されるように、ＴＣＸＯを通って流れる熱がＴＣＸＯの性能を低減させるためである。Ｃ−ＭＡＣ社の測定は、ＯＣＸＯの温度補償によると、少なくとも、ＴＣＸＯの温度制御に比べて大規模な性能向上が得られることを示している。

説明された実施例は、当業者による本発明の実施を可能とするよう提示されたものである。これらの実施例については様々な修正が可能であり、ここに提示された一般的な理念は、他の実施例にも同様に適用することができる。したがって、本発明は、上に示された実施例および／または何らかの特別な構造の形態に制限されることを意図するものではなく、ここに何らかの方法で開示された理念および新規な特徴を含む最も広範のものとして認められるべきものである。

温度制御周波数源の温度補償の方法の一実施例を示す図。 ＴＣＯＣＸＯアセンブリの一実施例を示す図。 温度補償器のブロック図の一実施例を示す図。 恒温槽ブロックアセンブリの一実施例を示す図。 支持基板の一実施例に実装された図４の恒温槽ブロックアセンブリを示す図。 図５の支持基板の別の外観を示す図。 セラミックブロック、発振器、水晶、サーミスタ、ヒータおよび補償回路の回路図の一実施例を示す図。 セラミックブロックおよび恒温槽制御回路用のＰＣＢの概略図の一実施例を示す図。 恒温槽温度制御形態の一実施例を示す図。

符号の説明

１００ 方法
１０５ 温度制御された周波数源を供給する
１１０ 温度制御された周波数源を温度補償する
２００ ＴＣＯＣＸＯ
２０５ 密封ケース
２１０ 支持基板
２１５ 恒温槽ブロックアセンブリ

Claims (6)

1. 温度制御された周波数源を提供する段階と、
   前記温度制御された周波数源を温度補償することにより、前記温度制御された周波数源の動作周波数への温度変化の影響を低減する段階と、
   を備えることを特徴とする方法。
2. 前記温度制御された周波数源が恒温槽制御水晶発振器（ＯＣＸＯ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記温度補償が温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）ＡＳＩＣを用いることにより提供されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記温度補償が４次アナログ温度補償を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記４次アナログ温度補償が、０乃至４次多項式チェビシェフ温度関数を生成することにより提供されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 恒温槽制御水晶発振器（ＯＣＸＯ）と、
   前記ＯＣＸＯに結合された温度補償水晶発信器（ＴＣＸＯ）ＡＳＩＣと、
   を備えた温度補償恒温槽制御水晶発振器（ＴＣＯＣＸＯ）であって、
   前記ＴＣＸＯ ＡＳＩＣが前記ＯＣＸＯを温度補償するように構成されることを特徴とするＴＣＯＣＸＯ。

Images